山东一次冬季极端江淮气旋暴雨（雪）的观测分析

徐文翰 周筠珺 王维佳

摘  要：本文利用常规自动站、风廓线雷达、雨滴谱仪、温度廓线仪等综合观测资料及NCEP/NCAR再分析资料，对2016年2月12～13日山东一次罕见暴雨（雪）天气过程进行分析，重点分析了强降水的极端性成因及降水相态变化。結果表明，此次过程是由低槽、低涡切变线、低空急流、江淮气旋等天气系统共同造成的;水汽条件极为有利，来自西南和东南两个方向的低空急流和超低空急流持续输送充沛的水汽，极高的整层可降水量和低层比湿导致罕见强降水产生;对流层中层的西南风风速辐合、低层低涡较强，东北风和东南风切变和地面气旋的东北风与西北风之间的风向风速辐合导致淄博一带产生强上升运动，强降水落区位于最大垂直运动中心值的偏南一侧;对流层低层强冷平流使得边界层内大气温度持续下降，降水性质由雨转雪。

关键词：极端暴雨（雪）  相态转换  江淮气旋  风廓线雷达  温度廓线仪

中图分类号：P404                          文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0110-04

Observation and analysis of a winter extreme cyclone rain （snow） in Jianghuai River in Shandong Province

XU Wenhan1  ZHOU Junjun1  WANG Weijia2

（1.College of Atmospheric Science， Chengdu University of Information Engineering， Chengdu， Sichuan Province， 610225  China;2.Chengdu Meteorological Bureau， Chengdu， Sichuan Province， 611133  China）

Abstract： Based on the comprehensive observation data of conventional automatic station， wind profiler radar， raindrop spectrometer and temperature profiler and NCEP / NCAR reanalysis data， this paper analyzes the weather process of a rare rainstorm （snow） in Shandong from February 12 to 13， 2016， focusing on the extreme causes and phase changes of heavy precipitation. The results show that： this process is caused by low trough， low vortex shear line， low-level jet， Jianghuai cyclone and other weather systems. The water vapor conditions are extremely favorable. The low-level jet and ultra-low-level jet from the southwest and Southeast continue to transport abundant water vapor， and the extremely high whole layer precipitable water and low-level specific humidity lead to rare heavy precipitation. The southwest wind speed convergence in the middle troposphere and the low-level vortex are strong. The northeast wind and southeast wind shear and the wind direction and wind speed convergence between the northeast wind and northwest wind of the surface cyclone lead to strong upward movement in Zibo area， and the strong downfall area is located on the south side of the center value of the maximum vertical movement. The strong cold advection in the lower troposphere makes the atmospheric temperature in the boundary layer continue to decline， and the nature of precipitation changes from rain to snow.

Key Words： Extreme rainstorm （snow）; Phase transition; Jianghuai cyclone; Wind profiler radar; Temperature profiler

暴雨是我国主要灾害性天气之一。夏季暴雨会引起洪涝灾害，造成经济和财产损失。暴雨的产生需要有利的触发机制和环境条件[1]，分析和研究暴雨触发的中尺度特征和降水演变规律对我国暴雨的研究有重要的意义。丁一汇[2]指出我国暴雨有明显的降水集中期，影响范围大，暴雨主要有由尺度系统生成。寿绍文[3]提出暴雨由不同天气尺度共同作用，在大尺度环流背景条件下，中小尺度系统的活动所触发，并指出暴雨的发生主要由中尺度系统的作用，研究暴雨发生中尺度机制显得尤为重要。

华北地区的暴雨有明显的地域特征，在华北地区，低涡、暖切变线、低槽冷锋是造成华北地区暴雨的主要天气系统，在这些系统相互配合作用下，华北地区暴雨能够发展。栗晗等[4]指出强降水可以与低涡系统形成正反馈机制有利于降水的长时间维持。高低空系统存在耦合作用和中低纬度系统的相互作用使得这次降水持续时间长，累计降水量大。彭力等[5]指出850hPa切变线是暴雨的主要影响系统，地面辐合线是暴雨的触发机制。陆倩等[6]指出，雷达回波的“列车效应”，逆风区和MCS不断过境是降水较大的主要原因。湛芸等提出高低空系统的耦合为暴雨提供了良好的环境条件，在低空急流和地面辐合线之间触发降水。孙军等指出抬升凝结高度和自由对流高度較低可以使降水更有利于被触发。

宋歌等指出了在高空低涡环流背景下，中尺度云团的强烈发展能够造成北京地区的强降水。杨庆华等通过分析河西一次暴雨的触发机制，指出“南槽北涡”的形势下，高层辐散、低层辐合的抽吸作用能够输送和汇聚水汽，形成强降水区的对流不稳定触发降水。林弘杰等指出了西太平洋副热带高压北侧暖湿气流与低层切变线共同作用能造成内蒙古地区的降水，水汽的输送与辐合、低层增温、增湿等为降水过程提供了有利的动力和水汽条件。

张芹等对山东春季一次江淮气旋引起的暴雨落区及天气成因进行了分析。刘畅等对影响山东的一次江淮气旋降雪过程的复杂相态进行了分析，指出复杂的相态逆转与江淮气旋发展阶段和气温日变化2个因素紧密相关。

本文分析了2016年2月12～13日影响山东的一次江淮气旋引起的极端强降水天气过程，主要讨论了极端强降水的成因及落区分析、降水相态的转换，得出了有益的结论，以期为将来此类天气形势的精细化预报提供有意义的参考。

1  资料方法

本文利用常规自动站、风廓线雷达、雨滴谱仪、温度廓线仪等综合观测资料及NCEP/NCAR再分析资料，对2016年2月12～13日山东一次罕见暴雨（雪）天气过程进行分析，重点分析了强降水的极端性成因及降水相态变化。

2  过程特点

本次降水过程主要发生在2016年2月12日09时至13日19时（北京时，下同），山东普遍出现雨雪、大风和降温天气。全省平均降水量24.6mm，多地24h降水突破2月份历史极值。13日05时以后，随着边界层温度的下降，山东自西向东从强降水转为强降雪，部分地区达到大到暴雪量级。

2.1 降水量极端性

此次降水过程日降水量超历史纪录测站多，全省48个站（共123个大监站）日降水量突破2月份历史记录，占全省总站数的39%，主要集中在山东北部地区，2个站出现暴雨，其中淄川站降水量最大为56mm，有3h雨量在8.0mm以上。另有25个站为历史第2极值，8个站为历史第3极值。可见本次极端降水具有降水强度大、强降水范围广等特点。

2.2 大到暴雨转暴雪

此次暴雨（雪）过程存在降水相态转换。前期边界层内温度较高，13日5时之前为降雨。13日5时以后，随着冷空气的影响，山东自西往东逐渐转为雨夹雪和雪，山东鲁西北的东部、鲁中北部和半岛西部地区累计降雪量达到大雪局部暴雪量级。淄博、东营、潍坊、烟台等地的部分地区由大到暴雨（或大雨）转暴雪（或大雪）。

3  降水极端性成因分析

3.1 环流形势

12日8时，500hPa欧亚中高纬为两槽一脊型，冷涡中心位于120°E，配合-44℃冷中心，横槽位于贝加尔湖以南，南支槽发展东移，槽前西南气流发展旺盛。700hPa低槽发展加深，槽的经向度较大，槽前低空急流发展强盛，且向北伸展到达山东，为后期鲁西北的降水提供充足的暖湿气流，850hPa在四川盆地东部有低涡生成并向东北风向移动发展，纬向切变线位于河南、安徽一带。12日20时，500hPa低槽继续加深东移，与南支槽合并，山东处于槽前西南气流控制下，西南气流的调整更有利于山东降水，700hPa低槽加深东移，西南急流前端到达鲁南，850hPa在河南境内可以分析出一个低涡环流，我省西部处于低涡顶部的经向切变线中;地面在江淮地区有气旋生成，并发展北上，山东位于江淮气旋北部的地面倒槽中，此时我省西部已经开始降水。后期随着系统的东移，在850hP低涡的经向切变线附近产生强降水。13日8时，850hPa低涡移动到我省鲁中地区，半岛地区强降水开始，我省其他地区700hPa和500hPa仍处于槽前，随着气温的降低，由降雨转为降雪。从高低空形势配置可以看出，13日的雨雪过程是由江淮气旋北部倒槽影响的强降水。实况是12日20时左右淄博大部地区开始出现降雨。13日20时，500hPa和700hPa高空槽进一步东移，山东上空转为西北风，降水基本结束。

上述分析表明，此次暴雪天气的影响系统包括：500hPa主要是东移的高空槽前西南气流;700hPa低空西南急流是关键系统，为强降水提供源源不断的水汽和不稳定能量，850hPa后期发展成为低涡，强劲的东南风和东北风切变，提供了动力抬升和辐合条件;地面发展为江淮气旋，也为强降水提供了动力辐和条件。

3.2 水汽条件

（1）低空急流输送充足水汽：500hPa南支槽建立，低层2个水汽来源，700hPa西南低空急流（青岛18m/s），850～925hPa西南低空急流及东南低空急流，最大东南风风速14m/s，均有利于向山东输送水汽。

（2）比湿和大气可降水量的极端性：低层比湿特别大，12日20时至13日08时，济南、青岛、荣成探空850hPa和925hPa的比湿达6～8g/kg，700hPa达4～5g/kg。因此，选取破纪录48站中不同区域的10个代表站对比，2月份最大降水量过程的比湿和大气可降水量，与本次过程对比，以此说明水汽条件异常好导致此次降水量极端。

3.3 热力和动力条件

从12日20时沿118°E假相当位温、垂直速度的纬度-垂直剖面可以看出，28°N～40°N 之间高空有一明显的能量锋区，且锋区高度随纬度的升高而升高，锋区下侧是从北向南推进的干冷空气，对应假相当位温的低值区，锋区上侧是假相当位温的高值区，对应由南向北伸展的暖湿气流。12日20时强降水开始前，暴雨区（36°N）900hPa以下为假相当位温的低值区，锋区上侧为暖中心，说明暖湿气流已经到达暴雨区的上空，但此时降水刚刚开始，雨强很小。13日02时，锋区下侧的冷空气进一步南推，暴雨区的冷空气已经达到850hPa，在暴雨区的北侧700hPa以上存在一个上升运动中心，此时为暴雨区的强降水时段开始，说明冷空气的抬升在此次降水过程中发挥了重要作用。冷暖空气的交汇作用大于纬向切变线的水汽辐合作用。

4  降水相态

降水过程中雨雪相态转换的时间也是预报的关键点和难点，每天两次的探空资料往往并不能满足降水相态的精细化预报需求，因此本文对最新的高时空分辨率观测资料进行了分析。12日夜间，对流层低层较强冷平流、地面冷空气入侵使得边界层内温度持续下降，导致雨转雪过程。以济南章丘为例，风廓线雷达垂直速度，雨滴谱仪的最大粒子直径、温度廓线仪等资料精细地刻画出了雨雪转换特征。从风廓线雷达垂直速度图可以看出，在13日07时之前，垂直速度基本都在5m/s以上，07时6分以后，垂直速度迅速下降至3m/s以下，表明了此时降水相态已经发生了改变，东营、烟台风廓线雷达也表现出了相同的特征（如图1所示）。章丘雨滴谱仪表明06时47至06时48分，最大粒子直径由3mm跃增到6mm并维持，最大粒子降落速度由6.6m/s跃减到2.2m/s并维持，表明了降水相态由液态到固态的转换，有雪花开始出现。章丘温度廓线仪表明从07时15分开始，0～1000m温度全部在0℃以下。这些新资料综合判断章丘附近在06时50分左右开始有雪出现，07时15分以后为降雪，这些新资料是降水相态短时临近预报的有益判别资料。

5  结论

利用常规气象资料、再分析资料和风廓线雷达等资料，对2016年山东一次极端强降水天气过程的进行分析，重点分析了极端强降水的天气成因。结果表明，低涡、低空急流、地面气旋（倒槽）等是此次过程的主要影响系统;风廓线雷达、温度廓线仪等新探测资料可以清楚地描述出强降水的开始和结束时间。主要得到以下几点结论。

（1）此次极端强降水过程，降水强度大，多个台站刷新了有气象记录以来的记录;降水相态复杂，经历了先雨后雪的过程，多站的降雪量达到了大到暴雪的量级，属于一次极端降水事件。

（2）500hPa东移的西风槽、700hPa低空西南急流和切变线，850hPa的低涡和地面气旋是本次过程的影响系统。

（3）系统明显后倾，冷暖空气交汇于山东北部，造成本次强降水区域位于850hPa低涡的北侧，低涡的辐合抬升作用使降水明显加强。

（4）风廓线雷达资料可以更加精细的显示出降水时的风场特征，此次强降雨发生于850hPa东南风转为东北风，500hPa和700hPa西南风加强的时段。同时对于雨雪转换的时间也可以很好的判断。

（5）强降水天气发生时，湿层位于700～500hPa，比湿达6～7g/kg，水汽的辐合也主要集中在700～ 500hPa;山东北部地区位于水汽的辐和中心，造成了两个站的暴雨级别降水。强降水发生在垂直上升速度大值区的北侧。

本文分析了一次江淮气旋引起的山东极端强降水过程，西南急流为此次过程带来了充沛的水汽;低涡切变线提供了动力抬升。传统意义上认为，江淮气旋的主要降水落区为鲁东南和半岛地区，而本文揭示了在系统明显后倾，冷空气较强（东北风速较大）的系统配置下，强降水中心有可能产生在850hPa低涡的北部，强降水发生在低涡经向切变线移过的时段。不同高低空配置的江淮气旋影响的山东强降水的落区存在明显的差异，今后有待通过更多的个例进行深入研究，寻找普适规律，以提高此类强降水过程的精细化预报能力。

参考文献

[1] 杨成芳，周淑玲，刘畅，等.一次入海气旋局地暴雪的结构演变及成因观测分析[J].气象学报，2015，73（6）： 1039-1051.

[2] 丁一汇.中国暴雨理论的发展历程与重要进展[J].暴雨災害，2019，38（5）：395-406.

[3] 寿绍文.中国暴雨的天气学研究进展[J].暴雨灾害，2019，38（5）：450-463.

[4] 栗晗，王新敏，张霞，等.河南"7.19"豫北罕见特大暴雨降水特征及极端性分析[J].气象，2018，44（9）： 1136-1147.

[5] 彭力，刘丹，郝双利，等.2014年唐山市一次强对流天气过程分析[J].内蒙古气象，2016（4）：35-37，46.

[6] 陆倩，付娇，胡赛安.承德市一次西北涡暴雨成因分析[J].内蒙古气象，2016（2）：23-26.

[7] 徐文瀚.极端天气下配电网韧性提升及其评估方法研究[D].青岛：山东科技大学，2020.