冷涡背景下鲁中地区短时强降水特征分析

2022-03-17何鹏程张可欣卜庆雷

科技资讯 2022年3期

何鹏程　张可欣　卜庆雷

摘要：利用魯中地区25个国家级气象观测站2002—2019年5～8月逐小时降水量资料，统计分析了冷涡背景下短时强降水的时空分布特征及其与冷涡的关系。结果表明：（1）鲁中地区短时强降水日数和站次的大值区主要分布在海拔较高的中西部山区，低值区分布在海拔较低且为平地的鲁中东部。（2）34.6%的短时强降水日发生在冷涡背景下，鲁中地区短时强降水日数和站次在7月份最多，5月份最少;6月份冷涡作用最为显著;短时强降水多发时次集中在16时～次日02时。（3）鲁中地区以出现1～2个站的局地短时强降水为主;短时强降水以20～30 mm雨强为最多，7月份雨强超过50 mm的站次最多。（4）局地短时强降水发生时，冷涡中心多分布在115 °E～137.5 °E、47.5 °N～55 °N的矩形范围内，大范围短时强降水对应的冷涡中心分布范围最小;冷涡越强，短时强降水范围越大。

关键词：冷涡鲁中短时强降水特征分析

中图分类号：P434 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2022）02（a）-0000-00

Characteristic Analysis of Severe Short-Time Precipitation in Central Shandong under Cold Vortex Background

Abstract： Using the hourly precipitation data of 25 national meteorological stations in central Shandong Province from May to August of 2002～2019， the characteristics of spatio-temporal of severe short-time precipitation under cold vortex background and its relationship with cold vortex is analyzed. The results are as follows：（1） Severe short-time precipitation in central Shandong mainly occurs in the central and western mountainous areas with high altitude， and less occurs in the lower and flat areas in east of central Shandong. （2） 34.6% of severe short-time precipitation occurs under cold vortex background. The number of severe short-time precipitation days and stations in central Shandong mainly occur in July and less in May; Cold vortex plays the most important role in June; Severe short-time precipitation mainly occurs from 16：00 to 02：00 next day. （3） Local severe short-time precipitation with 1 ～ 2 stations is the main situation in central Shandong; The rainfall of severe short-time is concentrated between 20 to 30 mm per hour， and the rainfall more than 50 mm per hour mainly occurs in July. （4） Cold vortex centers are mostly distributed in the rectangular range of 115 ° E to 137.5 ° E and 47.5 ° N to 55 ° N when local severe short-time precipitation occurs. And the distribution of cold vortex centers is more concentrated when large-scale severe short-time precipitation occurs; The stronger the cold vortex， the larger scale of short-term heavy precipitation occurs.

Key Words： Cold vortex; Central Shandong; Severe short-time precipitation; Characteristic analysis

高空冷性涡旋是一种存在于对流层中、上层的低压系统，其中心附近的气温明显低于四周，故称为高空冷涡[1]。东亚地区的冷涡常形成于贝加尔湖附近，然后经蒙古国、中国内蒙古和东北地区缓慢东移，常根据其所处地理位置分为蒙古冷涡、华北冷涡和东北冷涡等。冷涡是造成强对流天气的重要系统，常能带来冰雹、雷暴、大风和短时强降水等强对流天气[2-6]，引发重大的灾害，因此一直以来备受关注。郁珍艳等人[7]研究指出京津冀地区41.91%的短时强降水都發生于华北冷涡背景下，在天津、河北东北部及南部地区分布较多，空间分布受到了地形影响。蔡雪薇等人[8]对冷涡背景下不同类型强对流天气的成因做了对比分析。张仙等[9]对冷涡背景下京津冀地区连续降雹统计分析。陈涛等人[10]、郑媛媛等人[11]分析了冷涡对飑线发生发展的影响。何晗等人[12]对冷涡影响下强对流天气的基本特征进行了统计分析。李萍云等人[13]得出陕西短时强降水频次及极值雨强的时空分布有其独特性。王伟健等人[14]、马艳等人[15]、刘娜等人[16]对冷涡背景下的典型强对流过程进行了分析。山东省内的部分学者也对山东境内短时强降水进行了相关研究，如杨学斌等[17]对山东省短时强降水天气特征进行了分析，张永婧等[18]对济南市区短时强降水特征和天气分型进行了研究分析，张凯静[19]等对青岛市短时强降水进行了气候特征分析和天气系统分型。

目前对冷涡背景下的强对流天气研究主要集中在冰雹、暴雨等天气的研究，对冷涡背景下短时强降水天气的研究较少。鲁中地区主要地形表现为山地与丘陵，复杂的下垫面使得天气系统在这里的演变及影响难以把握。因而该文对2002—2019年5～8 月冷涡背景下鲁中地区短时强降水的时空分布特征进行统计分析，寻找两者之间的关系，为冷涡背景下短时强降水概念模型的建立，提高预报准确率提供一定的参考依据。

1 冷涡概况

我国对冷涡的定义多针对东北冷涡，朱乾根等人[20]的定义为：中国东北附近地区具有一定的强度、能维持2～3 d且具有深厚冷空气的高空气旋性涡旋称之为东北冷涡。郑秀雅等人[21]根据研究需要对冷涡出现的区域和维持天数做了规定。影响鲁中地区的冷涡主要是东北冷涡和华北冷涡，两者的活动范围存在重叠，为便于统计分析，结合前人研究，本文按如下规则定义为一次冷涡天气过程：（1）在500 hPa天气图上至少能分析出1条闭合等高线，并有冷中心或明显冷槽配合的低压环流系统;（2）冷涡出现在110 °E～145 °E，35 °N～60 °N范围内;（3）冷涡在上述区域内的生命史为3 d或3 d以上。利用2002—2019年5～8月500 hPa天气图资料，经主观分析一共识别出201个冷涡过程，平均生命史为4.3 d，共维持了870 d，占总天数的39%，可见在5～8月超过1/3的时间该区域受冷涡系统的影响。通过分析年分布特征得到：平均每年有11.2个冷涡过程，冷涡过程最多年份2005年、2008年和2010年为14个，最少年份2004年和2009年为7个;平均每年有48.3 d冷涡日，最多年2012年为62 d，最少2004年为30 d。通过分析月分布特征得到：5月份冷涡维持天数最多，平均为13.8 d，8月份最少为9.3 d。

2 冷涡背景下鲁中地区短时强降水的特征

该文沿用中央气象台对短时强降水做出的业务规定，将1 h降水量≥20 mm的降水定义为短时强降水。以20时为界，只要有一站有短时强降水出现，则记为一个短时强降水日。分析2002—2019年5～8 月山东省鲁中地区25个国家级气象观测站（图1）18 a 逐小时降水量资料，结合统计出的2002—2019年5～8月冷涡资料，可以得到冷涡背景下短时强降水资料。经过统计，共有431 d短时强降水日，其中有149 d发生在冷涡背景下，占34.6%。由此可见，冷涡是造成鲁中地区短时强降水的重要天气系统。为方便描述，下文所指短时强降水均指冷涡背景下的短时强降水。

2.1 空间分布特征

从短时强降水日数分布（图2）可知，鲁中地区短时强降水日的大值区主要分布在海拔较高的中西部山区，最大出现在博山，为30 d，其次出现在莱芜，为28 d;海拔较低且为平地的鲁中东部为短时强降水日的低值区，最小出现在寿光，为9 d，其次出现在诸城，为10 d。可见，鲁中东部和西部地形的差异与短时强降水日的分布差异具有很好的一致性。鲁中地区短时强降水站次的分布与短时强降水日的分布一致（图略）。已有研究表明，鲁中山区的地形与暴雨天气过程和强对流天气过程关系密切[22-23];地形的抬升作用，造成低层辐合加强和垂直速度增强，有利于不稳定能量的积累和触发，从而增强降雨强度[24]。

2.2 时间分布特征

2.2.1 年分布特征

由短时强降水年变化（图3a）可见，短时强降水日和短时强降水站次呈一定的年际变化，短时强降水日2016年最多，为14 d，2004年和2018年最少，为3 d，平均每年为8.3 d;短时强降水站次2013年最多，为61次，2015年和2004年最少，为11次，平均每年为30.3次。

2.2.2 月分布特征

由短时强降水日数和站次分布（图3b）可见，7月份短时强降水日最多，为72 d，占5～8月总日数的48%，其次为8月，占比26%，5月最少，占3%。短时强降水站次同样在7月份最大，占比52%，其次为8月，占比21%，5月最少，占比4%。短时强降水日和站次与冷涡活跃多发期有着很好的对应关系。7月份西北太平洋副热带高压发生第二次季节性北跳，东南季风和西南季风源源不断带来暖湿气流，水汽充足，只要有触发条件就很可能会产生短时强降水天气[25]。此外，5月份和8月份短时强降水日有24%是发生在冷涡背景下，7月份为40%，6月份占比最大，为49%。可见，在鲁中地区短时强降水的影响系统方面，相比其他月份，冷涡在6月份的作用最为显著。

2.2.3 日分布特征

由逐时次短时强降水站次分布（图4）可见，鲁中地区短时强降水有明显地日变化，呈现准单峰特征，最小值8站次出现在12时，之后逐渐上升，峰值40站次出现在20时，在0时出现次高峰37次。短时强降水站次>23站次的时间集中在16时～次日02时。这是由于午后下垫面吸收太阳辐射，地面明显增温，常在近地层形成下暖上冷的不稳定层结，动力和热力抬升使得不稳定能力触发和释放，如配合丰富的水汽条件，极易出现短时强降水。而凌晨时的多发可能与低空急流有着密切联系，低空急流的一个重要特征是有明显地日变化，常在凌晨达到最大值，它作为一种动量、热量和水汽的高度集中带，常常是对流不稳定层结的建立者和维持者。

2.3 强度特征

由不同雨强各月站次分布（图5a）可见，鲁中地区5～8月短时强降水以20～30 mm雨强为最多，占比64%，其中8月份最高为73%。7月份雨强超过50 mm的站次最多，为13站次，这是由于7月份西太平洋副热带高压脊线位于25°N附近，鲁中地区位于西太平洋副热带高压西北部边缘的湿区，暖湿条件最好，因此形成的短时强降水强度越强。

由于短时强降水日最多站数为13站，占总站数的52%，该文将短时强降水发生的范围按照其出现的站数分为局地短时强降水日（出现短时强降水的站数占总站数≤10%）、小范围短时强降水日（10%<出现短时强降水的站数占总站数≤30%）和区域性短时强降水日（出现短时强降水的站数占总站数>30%），该文依次取对应站数为[1，2]、[3，7]、[8，25]。由不同范围各月站数分布（图5b）可见，鲁中地区以1～2个站的局地短时强降水为最多，占比61%，小范围和大范围短时强降水占比分别为28%和11%，小范围及以下共占比89%。从各月分布看，局地短时强降水占比均超过50%，其中8月份最高为69%。因此，冷涡造成的鲁中地区短时强降水以局地和小范围为主。

2.4 短时强降水与冷涡位置的关系

由冷涡中心位置分布（图6）可见，鲁中地区短时强降水发生时，冷涡中心多分布在115 °E～137.5 °E、47.5 °N～55 °N的矩形范围内;局地短时强降水发生时，冷涡中心同样多分布在上述矩形范围内;小范围短时强降水发生时，冷涡中心多分布在115 °E～132.5 °E、45 °N～55 °N的矩形范围内;大范围短时强降水发生时，冷涡中心多分布在117.5 °E～127.5 °E、47.5 °N～57.5 °N的矩形范围内。局地短时强降水对应的冷涡中心位置范围最广，大范围对应的冷涡中心位置范围最小。不同范围短时强降水日各站的站次分布（图略）均与短时强降水日的分布一致，同样是鲁中中西部山区为大值区，海拔较低且为平地的鲁中东部为低值区，不同之处在于，局地短时强降水站次的大值区和低值区之间差异小，小范围和大范围短时强降水站次差异大。

2.5 短时强降水与冷涡强度的关系

通过对不同范围短时强降水日冷涡中心位势高度的统计发现，冷涡中心位势高度具有随着降水范围增大而减小的特点，即冷涡越强，短时强降水范围越大。其中，局部短时强降水日的中位数为 5 630位势米，25%～75%分位在5 562～5 673位势米之间;小范围短时强降水日的中位数为5 610位势米，25%～75%分位在5 561～5 641位势米之间;大范围短时强降水日的位势高度最低，中位数为5 610位势米，25%～75%分位在5 509～5 630位势米之间。通过对不同范围短时强降水日850 hPa位势高度场的合成（图7）可以看出，大范围短时强降水日的冷涡底部存在一个低槽，有利于冷空气的旋转南下;同时，大范围短时强降水日鲁中地区西北—东南向的位势高度梯度在三类降水范围中也是最大的，说明西南暖湿气流也是最好的。高空冷空气条件和低层暖湿条件，构成了鲁中地区大范围短时强降水发生的有利天气系统配置。

3 结论与讨论

（1）鲁中地区短时强降水日数和站次的大值区主要分布在海拔较高的鲁中山区，低值区分布在海拔较低且为平地的鲁中东部。34.6%的短时强降水日发生在冷涡背景下，鲁中地区短时强降水日数和站次在7月份最多，5月份最少;6月份冷渦作用最为显著，49%的短时强降水发生在冷涡背景下;短时强降水多发时次集中在16时～次日02时。

（2）鲁中地区以出现1～2个站的局地短时强降水为主，占比61%;短时强降水以20～30 mm雨强为最多，7月份雨强超过50 mm的站次最多。局地短时强降水发生时，冷涡中心多分布在115 °E～137.5 °E、47.5 °N～55 °N的矩形范围内，大范围短时强降水日对应的冷涡中心分布范围最小;冷涡越强，短时强降水范围越大。

（3）对冷涡背景下鲁中地区短时强降水的时空分布特征有了系统的认识，还对影响鲁中地区时冷涡的位置和强度有了定量认识，可以为冷涡短时强降水发生时间、落区以及强度的预报提供一定的参考依据。

参考文献

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