山東省2009年5月9-10日大暴雨成因分析

趙 鋼，楊瑞峰，王升國(guó)，張 艷，許長(zhǎng)山，王兆華

(泰安市氣象局，山東 泰安 271000)

0 引言

2009年5月9日上午開(kāi)始至12日，山東省自北向南出現(xiàn)大范圍的降雨過(guò)程，部分地區(qū)伴有雷電及短時(shí)大風(fēng)。此次降水過(guò)程具有以下幾個(gè)特點(diǎn):一是降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，從9日10時(shí)開(kāi)始，山東省部分地區(qū)出現(xiàn)降水，一直持續(xù)到12日下午降水才基本結(jié)束;二是強(qiáng)降水時(shí)段集中，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在9日夜間到10日上午這10多個(gè)小時(shí)內(nèi)，所以造成的影響較大;三是區(qū)域集中，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在魯西北和魯中北部區(qū)域，多個(gè)縣市出現(xiàn)了100 mm以上的降水，其他區(qū)域降水很小;四是降水量大，全省有20個(gè)站點(diǎn)超過(guò)歷史上5月份日最大降水量極值，主要分布在濟(jì)南、淄博、聊城、德州、濱州、東營(yíng)等市。在5月的理論重現(xiàn)期為70～200年一遇，區(qū)域日降水量約為100年一遇。此次強(qiáng)降水導(dǎo)致我省中北部地區(qū)出現(xiàn)大面積小麥倒伏、棉田積水，并造成城市內(nèi)澇，嚴(yán)重影響市內(nèi)交通。截止到12日上午，直接經(jīng)濟(jì)損失約8億元。為探討本次強(qiáng)降水產(chǎn)生的成因，本文利用常規(guī)天氣圖、衛(wèi)星云圖、新一代天氣雷達(dá)回波、區(qū)域自動(dòng)氣象站等觀測(cè)資料進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)這次強(qiáng)降雨天氣過(guò)程的成因分析，對(duì)進(jìn)一步提高致洪暴雨的預(yù)警預(yù)報(bào)具有重要的意義。

1 影響天氣系統(tǒng)

1.1 高空環(huán)流形勢(shì)特點(diǎn)

8日08時(shí)500hPa中緯度歐亞環(huán)流形勢(shì)(圖1)為兩高一低型，在烏拉爾山以東為一阻塞高壓，在巴爾喀什湖東部有一個(gè)高空低渦，往南為一個(gè)寬廣的低壓帶，在高原東部有南支槽波動(dòng)發(fā)展，在東亞地區(qū)沿東經(jīng)120°E是一個(gè)高壓脊。這種兩高一低的環(huán)流形勢(shì)有利于極地冷空氣不斷沿阻高東側(cè)的西北氣流擴(kuò)散南下。

圖1 8日08時(shí)500 hPa環(huán)流形勢(shì)Figure 1500 hPa circulation situation at 8:00 on May 8，2009

從9日08時(shí)到20時(shí)，巴湖前的低渦橫槽緩慢東移南壓，高原槽波動(dòng)發(fā)展，另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)北抬，9日20時(shí)副高脊線位于20°N附近，584線與120°E的交點(diǎn)在32°N，其西側(cè)的西南暖濕氣流也隨著北抬至華北南部。至10日08時(shí)，副高達(dá)到最強(qiáng)，脊線北跳至23°N附近，根據(jù)副高的常年活動(dòng)規(guī)律，5月份副高脊線平均在15°N以南，像這樣北跳至23°N附近是很少見(jiàn)的，從10日20時(shí)到11日08時(shí)副高減弱，脊線撤至20°N以南。在這種副高增強(qiáng)穩(wěn)定的形勢(shì)下，制約了中低層的切變線系統(tǒng)在一固定地區(qū)活動(dòng)，為這次持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的降水創(chuàng)造了條件［1］。副高的穩(wěn)定也為大暴雨的區(qū)域不斷的輸送水汽。

1.2 中低層切變線和急流

天氣尺度的環(huán)流形勢(shì)為區(qū)域性降水提供了必要的環(huán)流條件，強(qiáng)降水發(fā)生的直接原因是中小尺度系統(tǒng)。暴雨發(fā)生前的24h，在8日08時(shí)850hPa(圖2)上，在河套頂部有一個(gè)低渦，從低渦向西南有一個(gè)淺槽，在我省中西部向西南方向?yàn)橐粋€(gè)大于16℃的暖中心，前期低層溫度較高，為暴雨的產(chǎn)生創(chuàng)造了熱力條件。9日08時(shí)，隨著低渦的東北移，其南側(cè)的淺槽受南部沿海高壓的阻擋，形成了一個(gè)東北、西南向的徑向冷式切變線，切變線沿山東、河北交界到山西的南部，我省位于切變線南側(cè)的低空西南急流帶內(nèi)。從9日08時(shí)至10日08時(shí)，由于副高強(qiáng)盛穩(wěn)定，所以這個(gè)切變線在我省西北部穩(wěn)定存在，同時(shí)，從西南地區(qū)到我省的中南部有一支低空急流存在，急流軸在徐州-鄭州-武漢一線，急流中心大于16m/s，我省的魯西北、魯中北部正位于這支急流帶的左前方，風(fēng)速風(fēng)向輻合明顯，為大暴雨的產(chǎn)生提供了充沛的水汽來(lái)源。9日20時(shí)在切變的西南部還形成了一個(gè)低渦環(huán)流，低渦的蝸旋作用加大了輻合上升運(yùn)動(dòng)，促使低空西南急流加強(qiáng)。低空急流源源不斷地將南海的暖濕水汽輸送至暴雨區(qū)，為以上地區(qū)出現(xiàn)百年一遇的強(qiáng)降水提供了充足的水汽條件。10日20時(shí)，隨著副高的南撤，切變線逐步撤至我省中部，中北部的強(qiáng)降水基本結(jié)束。

圖2 8日08時(shí)850 hPa低空急流Figure 2850 hPa low-altitude jet at 8:00 on May 8，2009

1.3 高低空急流的耦合作用

分析9日20時(shí)的高空急流和700hPa低空急流圖，在高空急流入口區(qū)的南側(cè)的輻散區(qū)和700hPa低空急流軸的右前方的輻合區(qū)耦合(圖3)，這樣產(chǎn)生了高低空正的次級(jí)環(huán)流，有利于對(duì)流的發(fā)展，暴雨區(qū)正好在高空急流軸的右后方和低空急流軸的左前方。

圖3 高低空急流耦合效果圖Figure 3 Coupling of high and low altitude jets

1.4 地面冷鋒觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放

從9日08時(shí)地面圖(圖略)看出，氣壓場(chǎng)是一個(gè)南北高中間低的“鞍“型場(chǎng)，從我國(guó)西南向東北為一低壓倒槽，在倒槽內(nèi)的華北南部有一個(gè)弱的氣旋。由于南北兩個(gè)高壓的勢(shì)力相當(dāng)(中心氣壓相差5.0 hPa)，整個(gè)氣壓場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，近似東西向的弱冷鋒移動(dòng)很慢。9日14-20時(shí)，北面的冷空氣沿東北路徑南下，冷鋒主體南壓，在20時(shí)冷鋒從東往西貫穿山東中部，地面風(fēng)場(chǎng)氣旋式切變明顯，因此，是地面冷鋒的輻合觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放。

2 造成暴雨的水汽條件

2.1 水汽通量

決定雨強(qiáng)的因子主要有水汽含量和上升速度的大小，水汽含量主要集中在低空700hPa以下［2］。為此，重點(diǎn)分析850hPa等壓面上水汽通量的情況。從8日08時(shí)在850hPa上從西南向東北有一個(gè)水汽通量大于100 g﹒cm-1﹒hPa-1﹒s-1的高值區(qū)，到8日20時(shí)(圖4)，水汽通量突然增大并且迅速向東北伸展，中心數(shù)值在220 g﹒cm-1﹒hPa-1﹒s-1以上，我省的魯西北在140-180 g﹒cm-1﹒hPa-1﹒s-1高值區(qū)控制，這個(gè)水汽通道的建立，為大暴雨的產(chǎn)生創(chuàng)造了良好的水汽條件。

圖4 8日20時(shí)850hPa水汽通量Figure 4850 hPa water vapor flux at 20:00 on May 8，2009

9日08時(shí)，水汽通量大值帶略往東南壓，我省中北部位于大于140g﹒cm-1﹒hPa-1﹒s-1區(qū)內(nèi)，特別是在濟(jì)南、淄博、濱州、東營(yíng)沿黃地區(qū)在180-200 g﹒cm-1﹒hPa-1﹒s-1之間，這與暴雨區(qū)的分布基本一致?？梢?jiàn)850hPa水汽通量的高值區(qū)，對(duì)大暴雨的預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。

2.2 水汽通量散度

水汽通量散度表示大氣在該地區(qū)水汽的輻合輻散情況。因?yàn)榇蟊┯曷鋮^(qū)主要集中在36-38°N、116-118°E之間，所以選擇沿36.6°N作水汽通量散度的空間剖面圖(圖5)，從圖中看出，9日08時(shí)，在低層750hPa以下114°E附件有一個(gè)小于 -12 g﹒ cm-2﹒ hPa-1﹒ s-1輻合區(qū)域，中心值 -42 g﹒cm-2﹒hPa-1﹒ s-1在 850hPa 層。

圖5 9日8時(shí)水汽通量散度的空間剖面圖Figure 5 Spatial sectional drawing of water vapor flux divergence at 8:00 on May 9，2009

9日20時(shí)，低層的強(qiáng)輻合中心向東移至116-118°E之間，小于-12 g﹒cm-2﹒hPa-1﹒s-1強(qiáng)輻合中心集中在800hPa以下，在850hPa的中心值為-36g﹒cm-2﹒hPa-1﹒s-1，低空水汽強(qiáng)輻合區(qū)的時(shí)間空間上的演變和大暴雨落區(qū)在時(shí)間空間上很一致。10日08-20時(shí)，116-118°E地區(qū)的中低層全部為水汽通量輻散場(chǎng)控制，強(qiáng)降水結(jié)束。

2.3 流場(chǎng)分析

水汽的輸送和輻合主要靠風(fēng)的輻合來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，分析850hPa和925hPa流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，本次大暴雨的水汽主要來(lái)自南海(孟加拉灣的水汽只到達(dá)我國(guó)的西南部)，當(dāng)大暴雨發(fā)生時(shí)大的輻合區(qū)就在山東中北部，從9日08時(shí)至10日08時(shí)，流場(chǎng)的低空輻合就集中在我省的中北部。在10日08時(shí)在850hPa和925hPa的流場(chǎng)上在我省的沿黃地區(qū)具有十分明顯的氣旋式輻合，促進(jìn)了低層上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持。

3 動(dòng)力熱力條件

3.1 散度

散度指流體運(yùn)動(dòng)時(shí)單位體積的改變率。當(dāng)大氣散度值為負(fù)時(shí)為輻合，有利于天氣系統(tǒng)的的發(fā)展和增強(qiáng)。9日20時(shí)850hPa散度場(chǎng)分析，在我省中北部為一負(fù)值區(qū)控制，中心位于魯中山區(qū)約為-100*10-8﹒s-1，也就是說(shuō)低層大氣有強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)。

3.2 渦度

渦度是衡量空氣質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的物理量，可以用來(lái)分析氣壓場(chǎng)的發(fā)展變化。850hPa渦度場(chǎng)從9日08時(shí)開(kāi)始，由北向南有一個(gè)正的渦度區(qū)逐漸控制我省大部分地區(qū)，9日20時(shí)，正的渦度中心位于魯西北和魯中的部分地區(qū)，10日08時(shí)，正渦度區(qū)繼續(xù)加大南壓，中心區(qū)(大于10*10-5﹒s-1)的主體控制了沿黃地區(qū)，說(shuō)明這里氣旋強(qiáng)度和上升氣流旺盛，這一時(shí)段正是該地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)段。

3.3 垂直速度

上升運(yùn)動(dòng)是形成暴雨的關(guān)鍵因子，上升運(yùn)動(dòng)的大小反映了水汽凝結(jié)的速度。仍然分析沿36.6°N的大氣垂直速度剖面圖，在9日20時(shí)，在114.7-117.3°E的范圍內(nèi)是-64*10-3hPa﹒s的垂直運(yùn)動(dòng)區(qū)，而且上升運(yùn)動(dòng)到達(dá)300hPa以上，上下有兩個(gè)中心值，分別在500hPa層(-80*10-3hPa﹒s)和700hPa以下(-112*10-3hPa﹒s)，可見(jiàn)對(duì)流層低層上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，這一地區(qū)正是位于山東省的德州、聊城、濟(jì)南、淄博境內(nèi)。10日08時(shí)，對(duì)流層(500hPa以下)低層的強(qiáng)上升區(qū)進(jìn)一步東移到了116.6-119.0°E，中心大值區(qū)在650hPa附近(-90*10-3hPa﹒s)，這一地區(qū)正是我省的淄博、濱州、東營(yíng)地區(qū)。對(duì)流層低層強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)移動(dòng)和我省大暴雨的自西向東移動(dòng)一致。

3.4 假相當(dāng)位溫Qse

假相當(dāng)位溫Qse是氣壓、水汽壓和溫度的函數(shù)，表征著大氣的暖濕能量特征。實(shí)踐表明:850hPa的能量形勢(shì)對(duì)暴雨預(yù)報(bào)有一定的參考作用。分析850hPa從8日08時(shí)到10日20時(shí)的Qse場(chǎng)明顯看出，有一個(gè)高能舌由西南伸向東北并隨著系統(tǒng)的移動(dòng)逐步南下，其中在9日20時(shí)Qse達(dá)到最強(qiáng)，850hPa圖上沿黃河有一個(gè)大于70℃的高值區(qū)控制，可見(jiàn)850hPa圖上的Qse大值區(qū)與大暴雨的落區(qū)對(duì)應(yīng)比較好。

3.5 K指數(shù)

K指數(shù)是對(duì)大氣不穩(wěn)定層結(jié)的描述，當(dāng)K≥35℃時(shí)，出現(xiàn)對(duì)流性天氣和暴雨的可能性較大。9日08時(shí)在魯西北、魯中北部地區(qū)為一個(gè)大于34℃的區(qū)域，至20時(shí)，K指數(shù)迅速增大，全省大部分地區(qū)的K指數(shù)大于34℃，魯中、魯西北和魯西南的部分地區(qū)被K指數(shù)大于38℃的高值區(qū)所覆蓋，從9日傍晚到夜間正是強(qiáng)降水由西向東南發(fā)展的過(guò)程，K指數(shù)的大值區(qū)與大暴雨的落區(qū)配置較好。

4 衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波

4.1 衛(wèi)星云圖

造成本次大暴雨的云系主要是由多個(gè)對(duì)流單體結(jié)合成一個(gè)發(fā)展旺盛的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)［3］造成的，在高空引導(dǎo)氣流下向東北移動(dòng)，使我省自西向東沿黃地區(qū)先后產(chǎn)生了大暴雨。

圖6 9日19時(shí)、10日0時(shí)、10日3時(shí)FY-2衛(wèi)星紅外云圖演變Figure 6 The evolution of IR images of FY-2 satellite at 19:00 on May 9 and 0:00，3:00 on May 10，2009

4.2 雷達(dá)回波

降水回波自15時(shí)前后開(kāi)始加強(qiáng)。從14:04CR和0.5度V27產(chǎn)品可以看出，魯西北地區(qū)近地層基本是西南風(fēng)。到17時(shí)東北方向基本轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，輻合區(qū)位于南部50 km處，此時(shí)回波已經(jīng)加強(qiáng)，強(qiáng)回波區(qū)呈東北西南向帶狀分布，主體東北方向移動(dòng)。18:05輻合區(qū)仍在50km處，穩(wěn)定少動(dòng)?；夭ㄔ谳椇蠀^(qū)東北向發(fā)展加強(qiáng)，影響齊河、濟(jì)南。到21:02，輻合區(qū)東移并逐漸靠近濟(jì)南，使得濟(jì)南降水強(qiáng)度加大(35mm/h左右)并持續(xù)不斷。23:30以后，回波進(jìn)一步發(fā)展，范圍增大，但還是基本呈東北西南向帶狀分布，主體向東北方向移動(dòng)，在魯西北及魯中北部造成區(qū)域性暴雨。

5 結(jié)語(yǔ)

本次山東大暴雨天氣過(guò)程主要是在穩(wěn)定大尺度環(huán)流下，低層中尺度切變線在華北南部穩(wěn)定少動(dòng)造成的，低空西南急流在山東中北部的強(qiáng)風(fēng)速風(fēng)向輻合為大暴雨的產(chǎn)生輸送了充足的水汽，從流場(chǎng)分析這次大暴雨的水汽主要來(lái)自南海，地面冷鋒是本次大暴雨不穩(wěn)定能量釋放的啟動(dòng)機(jī)制，高低空急流的耦合加強(qiáng)了對(duì)流的發(fā)展，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)是形成大暴雨的一個(gè)主要原因。850 hPa低空大氣散度、渦度的強(qiáng)輻合區(qū)和空間垂直速度強(qiáng)上升區(qū)正是大暴雨發(fā)生地區(qū)，且在時(shí)間尺度上對(duì)應(yīng)良好。低層850hPa假相當(dāng)位溫θse大于64℃和K指數(shù)大于38℃的區(qū)域和大暴雨落區(qū)對(duì)應(yīng)較好。從云圖來(lái)看，造成這次強(qiáng)降水是由多個(gè)對(duì)流云團(tuán)發(fā)展成一個(gè)中尺度對(duì)流系統(tǒng)自西向東先后影響造成。雷達(dá)回波顯示，強(qiáng)降水回波軸從9日15時(shí)至23時(shí)從西向東移動(dòng)，回波以混合云降水［4］為主，造成了魯西北西部和魯中北部的暴雨;23時(shí)以后，回波主體向東北移動(dòng)，造成了我省魯西北東部的大暴雨。

［1］ 曹鋼鋒，張善君，朱官忠，等.山東天氣分析與預(yù)報(bào)［M］.北京:氣象出版社，1988.144-150

［2］ 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理與方法(第三版)［M］.北京:氣象出版社，2000.637-638

［3］ 陳渭民.衛(wèi)星氣象學(xué)［M］.北京:氣象出版社，2005.275-276

［4］ 余小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.新一代天氣雷達(dá)原理與應(yīng)用講義［D］.北京:中國(guó)氣象局培訓(xùn)中心科學(xué)技術(shù)培訓(xùn)部，2000.47-51