2018 年山东一次极端暴雨的环境场特征分析

2023-11-07高晓梅任广治王向前邢丽珠丛春华

沙漠与绿洲气象 2023年5期

高晓梅，任广治，王向前，邢丽珠，丛春华，袁静

（1.山东省气象防灾减灾重点实验室，山东济南 250031；2.潍坊市气象局，山东潍坊 261011；3.潍坊市高密中等专业学校，山东高密 261500；4.枣庄市气象局，山东枣庄 277800）

台风造成的灾害主要由暴雨、大风和风暴潮引起，易导致人员伤亡，经济损失巨大[1]。近年来，山东台风暴雨引发的洪涝灾害给社会经济生活造成严重影响，研究表明自2005 年以来影响山东的台风频次呈显著增加趋势[2]，且极端台风暴雨明显增多，因此对山东台风强降水进行深入研究对台风防灾救灾具有重要意义。近年来，许多气象学者对台风暴雨的环境场特征进行了研究[3-9]。高低空急流、台风环流内的中尺度对流系统触发、冷空气入侵及地形抬升等环境场是中国华北和山东等地产生大暴雨的重要条件[10-14]。陈宣淼等[15]发现增幅型台风暴雨与θse平流东暖西冷的结构及弱冷空气入侵等有关。万小雁等[16]指出中低层Q 矢量辐合区和大暴雨落区相对应、台风过程累积雨量和地形高度具有显著相关等特征。陈红霞等[17]得出低层对流不稳定、干线、中高层弱干冷空气侵入等为台风暴雨提供了有利环境条件。

2018 年第18 号台风“温比亚”造成了山东创纪录的极端暴雨，导致部分地区出现洪涝灾害。据统计，此次台风过程全省直接经济损失约221.97 亿元。台风“温比亚”引起我国多地出现暴雨，相关学者对台风“温比亚”影响期间的雨滴谱、中尺度特征、强对流螺旋雨带观测特征等进行了分析，得出许多有意义的结论[18-20]，但未对Q 矢量、低空急流指数、超低空急流等环境场的详细特征进行分析，本文利用多源气象资料，对台风“温比亚”引发山东历史极端暴雨的环境场特征进行了深入研究，旨在为山东极端台风暴雨预报预警提供参考依据，以便做好防灾减灾。

1 台风“温比亚”概况和环流形势分析

2018 年第18 号台风“温比亚”于8 月17 日04 时前后在上海浦东新区南部沿海登陆，之后向西北方向移动，18 日05 时前后进入河南境内向西北方向移动，19 日05 时之后转向东北方向，20 时前后进入山东，经过济宁、泰安，20 日02 时到达滨州西部，05 时之后经东营河口区进入渤海（图1a）。8 月17 日17 时—20 日14 时，山东省平均降雨量为135.5 mm，突破1951 年有气象观测记录以来的过程降水量极值，其中鲁西南、鲁中和鲁西北东部的部分地区平均降雨量在200 mm 以上（图1b）。过程最大降水量出现在泰安徂徕镇土门村，为511.2 mm；最大小时雨强出现在19 日23—24 时潍坊昌邑龙池镇，为121.4 mm·h-1。全省多站点日降雨量和3 d 连续降雨量突破本站历史极值。此次台风过程降水量大，降水极端性强，影响范围广。

图1 台风“温比亚”路径

8 月17 日20 时在贝加尔湖附近有一加深发展的西风槽逐渐向偏东方向移动，台风“温比亚”位于江西上饶附近（图2a），副热带高压（简称“副高”）位于山东半岛东部沿海至日本海之间，呈块状稳定少动，低空东南急流逐渐建立，其中上海站和江苏盐城站的东南风速达到20 m·s-1以上。18 日08 时，“温比亚”在副热带高压西侧的东南气流引导下向西北方向移动，到达河南信阳南部附近，北部的西风槽继续向东移动，槽底位于内蒙到北京一带，受台风外围环流影响，17 日夜间至18 日白天鲁南出现了较强降水。20 时减弱后的“温比亚”在副热带高压西侧西南风引导下缓慢向东北方向移动至河南中部（图2b），台风东侧的东南暖湿气流与槽后弱冷空气逐渐交汇，造成18 日夜间鲁西南菏泽、济宁出现6 h 超过100 mm 的强降水。19 日08 时（图2c），副高南北向范围扩大，台风受其阻挡移动缓慢，并与西风槽逐渐靠近，槽后干冷空气侵入台风倒槽内，中低纬系统相互作用促使大气中大量不稳定能量释放，同时台风东侧的东南急流加强，为山东输送充沛水汽，致使19 日白天山东出现大范围强降水，强降水落区位于台风倒槽顶部附近，其中鲁中和鲁西北东部出现6 h 超过100 mm 的强降水。20 时副高东撤（图2d），西风槽东移，台风继续向东北方向移动，低空急流位置随之东移，中低纬系统进一步结合，造成19日夜间潍坊、东营等地出现强降水，其中潍坊龙池镇出现了全省最大小时雨强的短时强降水。20 日05时之后台风逐渐移出山东，20 日白天山东降水减弱直至结束。

图2 2018 年8 月17 日20 时（a）、18 日20 时（b）、19 日08 时（c）和19 日20 时（d）500 hPa 高空图叠加850 hPa 风场

2 水汽条件和低空急流特征分析

2.1 水汽条件

充足的水汽供应是形成大暴雨的重要条件[21]。济南探空图显示，8 月18 日08 时—20 日02 时暖云层厚度为4 100～5 200 m，其中18 日20 时达到最厚，为5 200 m，暖云的凝结效率要高于冷云，暖云层越厚，越有利于大暴雨产生。同时大气可降水量也在50～65 mm，其中18 日20 时大气可降水量最大，为65 mm，说明水汽条件充沛。850 hPa 比湿场（图3）显示，除山东半岛外，山东大部地区自18 日08 时—20 日02 时一直处在12 g·kg-1以上的高比湿区内，表明18 日山东上空已聚集了充沛水汽。

850 hPa 水汽通量散度场（图3a）显示，18 日08时山东淄博及以西地区处于水汽通量弱辐合区内。19 日02 时除山东半岛外全省其他大部地区都处在水汽通量辐合区内（图3b）。14 时辐合区进一步扩大（图3c），其中鲁西南地区处在-5×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2的水汽辐合中心，这与济宁、聊城在19 日02—14 时出现6 h 超过100 mm 的强降水相对应。20 时，辐合区范围继续扩大，强度增强，鲁西北东部至鲁中一线处在强烈水汽辐合带内，中心最大水汽通量散度达到-12×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2以上（图3d），这与19 日白天山东出现大范围强降水相对应。此阶段正是冷暖空气交汇、中低纬系统相互结合的时段。20时，水汽通量辐合区东移，范围缩小，辐合中心位于鲁中东部地区，致使潍坊地区出现6 h 超过100 mm的强降水。对山东暴雨中心做水汽通量散度和垂直速度的垂直剖面，发现18 日20 时水汽通量辐合区位于鲁南，辐合大值区主要在950 hPa 附近，垂直上升运动区达到500 hPa 高度，对应18 日夜间鲁南出现强降水。19 日08 时，辐合区北移并范围扩大（图3e），大值区上移到900 hPa 附近，强上升运动区扩展到300 hPa 高度。20 时，辐合区北移到鲁中东部和鲁西北东部地区（图3f），强度增强，中心最大水汽通量散度达-12×10-7g·s-1·hPa-1·cm-2，且上升运动达到最强，上升速度增长了3 倍，达-35 Pa·s-1以上，此时段正处在台风倒槽与西风槽进一步结合阶段，台风在强水汽辐合和强上升运动共同作用下，19日夜间鲁中东部和鲁西北东部地区出现强降水，潍坊龙池出现最大小时雨强。综上，台风影响山东期间西风槽前偏南气流与台风东侧东南气流的汇合加强了辐合，产生强上升运动，且强上升运动区和强水汽辐合区基本重合，促进大暴雨产生。

2.2 低空急流演变特征

对流层风廓线雷达的探测资料可以清楚地揭示对流层和边界层风场特征[22]。根据朱乾根等[21]使用纬向风分量和经向风分量来定义低空急流和超低空急流（即900 hPa 以下的极大风速轴），分析不同高度上的急流对此次强降水的作用。本文利用潍坊风廓线雷达（119.18°E，36.77°N）的垂直风廓线结构研究此次台风暴雨的超低空急流与强降水的关系。观测站点以潍坊全市出现最大降雨量346.7 mm 的青州东高镇（118.43°E，36.77°N）与3 d 连续降雨量突破东营历史极值的广饶站（118.35°E，37.05°N）的小时降雨量（图4a）与潍坊风廓线雷达风场结构进行分析（图4b）。8 月19 日05—13 时是超低空急流逐渐增强的时段，但超低空和低空风速都未达到20 m·s-1（图4b）。对应潍坊东高镇和东营广饶县为弱降水。14 时在超低空750～1 000 m 附近出现20 m·s-1以上的强风速，东高镇和广饶县的降水也有了突增，分别从13 时的10.2、5.2 mm 增加到19.1 和10.7 mm。随着东南急流加强向下伸展，动量快速下传，从高到底先后出现≥20 m·s-1的东南急流，降水强度也随之增加，即超低空急流强度的大小影响降水的强弱程度。广饶18—22 时出现了1 h 降雨量超过25 mm、东高镇17—21 时出现1 h 降雨量超过20 mm 以上的强降水，对应超低空风场500 m 以下出现20 m·s-1以上的强风速。23 时，超低空风场的风速减小，都低于20 m·s-1，20 日00 时超低空风场的风速锐减，超低空急流消失，广饶和东高的降雨量也迅速减小到低于10 mm 的弱降水。20 日01—04 时，超低空急流消失，但低空700、850 hPa 的低空偏南风急流仍存在，对应广饶和东高却无降水。综上，相比低空急流，超低空急流对出现降水具有明显的指示意义。

图4 2018 年8 月19 日05 时至20 日04 时潍坊东高镇、东营广饶县降雨量分布（a，单位：mm）和潍坊风廓线雷达垂直风场演变图（b）

2.3 低空急流指数与降水强度的关系分析

本文利用潍坊风廓线雷达的边界层风场数据分析了台风降水强度的变化趋势与低空急流指数的关系。低空急流指数I 的计算公式是以2 km 以下边界层急流中心的最大风速与12 m·s-1风速在该小时中最低位置的比值，其定量表示低空急流向下扩展的程度和风速脉动的强度[23-24]。台风“温比亚”造成潍坊寿光洪涝灾害最严重，台头镇是寿光市此次台风过程降雨量最大的自动站点。对比台头镇小时降雨量和低空急流指数I 的时间演变（图5）可知，当台头镇强降水出现时，对应的I 值也非常大，I 值迅速加大后，小时雨强也迅速加大，特别是当短时强降水发生时，I 值迅速增大。在2018 年8 月19 日17—18时、19—20 时、20—21 时3 次小时雨量超过40 mm的强降雨时段，分别是41.6、41.2、51.2 mm，对应I的3 次峰值，分别是19 日18 时的148、20 时的156.7 和21 时的174，小时降雨量最大值51.2 mm正对应I 的最大值174。当20 日00—01 时指数1 h脉动突降为0，对应台头镇00—01 时的小时雨量也为0。01—02 时指数1 h 脉动增大到9.8，对应的01—02 时又出现弱降水。即低空急流指数I 值增大的程度与降水量强度呈正比关系。

图5 2018 年8 月19 日01 时—20 日02 时低空急流指数I 及寿光台头镇每小时降雨量变化

3 冷空气和地形在此次台风暴雨中的作用

沿山东暴雨中心作温度平流的垂直剖面可知（图6，大暴雨落区位于116°～119.5°E，35°～38.5°N，下同），2018 年8 月18 日20 时鲁南地区上空（115°E，35°N 附近）800 hPa 及以上有冷平流，其他基本无冷暖平流。19 日08 时冷空气东移并向低空伸展（图6a～6b），强度增强，且冷空气侵入到近地面层，位置位于鲁西南北部、鲁西北和鲁中西部等地上空，冷平流中心最大值位于900 hPa 附近，为-12×10-5K·s-1。这与鲁南地区强降水对应。14 时冷空气主体东移到鲁西北东部，影响范围进一步扩大，强度略有增强，冷中心值为-15×10-5K·s-1。这与东营、滨州等地强降水对应。20 时冷空气东移范围增大（图6c～6d），强度加强，冷中心分别位于暴雨区上空500 和950 hPa，950 hPa 高度中心值最大，达-21×10-5K·s-1。此阶段与鲁中西部、鲁西北东部强降水相对应。20 日02时冷平流范围扩大（图6e～6f），强度达到最强，自450 hPa 至近地面层呈柱状分布，中心最大值达-39×10-5K·s-1。此阶段正是冷空气完全侵入到台风环流内，冷暖空气交汇加强对流不稳定发展导致鲁中、鲁西北东部强降水产生。对大暴雨中心作假相当位温的垂直剖面发现8 月19 日08 时（图6a～6b）θse大值区自鲁西南逐渐东移到鲁中、鲁西北地区并伸展至700 hPa 高度，大值中心为350 K 的等θse线呈“Ω”型覆盖在上述区域上空，θse低值区东移与θse高值区在700 hPa 附近高度上逐渐靠近，说明此时高空干冷空气与台风东侧的东南暖湿空气逐渐交汇。20 时随着槽后干冷空气南下与东南暖湿气流交汇（图6c 和图6d），低层700 hPa 以下等θse线愈加陡立密集近乎垂直，两侧的θse在鲁中、鲁西北附近存在较强梯度，形成一条近乎南北向延伸的θse锋区，不稳定能量增加，锋区的东南侧有较强东南气流不断输送暖湿空气，西北侧有槽后冷空气向南扩散，冷暖空气在鲁中、鲁西北交汇相互作用有利于对流不稳定发展，引起强降水产生。20 日02 时（图6e～6f），随着冷空气持续东移加强，进一步加剧锋区强度，使得对流不稳定继续增强，更有利于特大暴雨的发生。

图6 2018 年8 月19—20 日温度平流（蓝实线，单位：10-5 K·s-1）与假相当位温（红实线，单位：K）沿36.5°N 的纬向剖面（a 为19 日08：00；c 为19 日20：00；e 为20 日02：00）及沿118°E 的经向剖面（b 为19 日08：00；d 为19 日20：00；f 为20 日02：00）

泰安徂徕镇出现全省台风暴雨过程最大降雨量511.2 mm，分析发现其特殊地形在此次暴雨中起了较大作用。徂徕镇地势东南高西北低，东部、南部为连珠山、徂徕山等丘陵山地，西部、北部为地势低的汶河。分析地面自动站资料和低空风场可知，地面和低层925 hPa 以下风场的风向19 日08 时以后由东南风逐渐逆转为东到东北风，地面为东南风时徂徕镇小时雨强不大，但当东南风在08 时转为6 m·s-1以上的东到东北风时，徂徕镇的小时雨强迅速增大，这与925 hPa 以下层的东北风倒灌有关。当东北风经过东部山脉时由于地形的迎风坡效应在山地产生的强迫抬升作用是重要触发机制；另外由于山脉阻挡，水汽更易在山前积聚，形成强热力不稳定层结，触发湿对流，动力和热力共同作用致使上升运动加强和不稳定能量释放，造成降水增幅。当19 日14 时地面风速减小到2 m·s-1时，小时雨量由13 时19.5 mm骤减到14 时1.3 mm。即风速越小，地形产生的强迫抬升作用越弱，引起的降水随之减弱，16 时风速增大到6 m·s-1以上，小时雨量又增强到43.1 mm。19时东北风转东南风后，徂徕镇自17、18 时的小时雨量87.4、20.6 mm 骤降到19 时的3.2 mm。20 时风速减小到2 m·s-1，小时雨量减弱到0.6 mm。综上，有利的天气系统配置与地形的共同作用，造成了泰安徂徕镇出现山东最大台风暴雨点。

4 Q 矢量散度诊断

Hoskins 等[25]在1978 年提出Q 矢量概念，Q 矢量散度是非地转上升运动的强迫机制，可用于垂直运动的诊断[26]。分析700 hPa 的Q 矢量散度场发现Q 矢量散度负值中心区域随时间的演变和台风强降水分布有较好相关性。18 日20 时（图7a），Q 矢量散度负值中心在鲁西南，从西南方向移入山东境内，中心值为-20×10-16 hPa-1·s-3，对应在鲁西南18 日23 时—19 日08 时出现强降水，其中菏泽定陶、济宁嘉祥、鱼台等地出现了6 h 降水量分别为100、187、172 mm 的强降水；19 日08 时（图7b），Q 矢量散度负值区逐渐北移，雨强在负值中心东侧附近明显增强，对应在鲁西南北部、鲁中西部地区出现强降水，其中聊城、淄博大部地区在19 日08—20 时6 h 降雨量都超过100 mm。20 时Q 矢量散度负值区到达鲁中东部、鲁西北东部地区（图7c），辐合强度最大，在-40×10-16hPa-1·s-3以下。对应的强降水区东移，在鲁西北东部、鲁中东部的东营、潍坊等地在19 日20时—20 日02 时6 h 降雨量超过100 mm，其中潍坊龙池在19 日23—24 时出现全省最大小时雨强为121.4 mm·h-1的强降雨。20 日02 时（图7d），Q 矢量散度负值区东移到山东半岛，辐合强中心位于渤海，对应在山东半岛20 日02—08 时烟台地区出现强降水，其中烟台莱阳出现了6 h 降雨量为114 mm 的强降水。08 时之后，随着Q 矢量散度负值区域逐渐移出山东，强降雨也逐渐减弱结束。由此可见，Q 矢量散度负值的强弱对未来6 h 的雨强大小有较好的指示意义。