青島地區(qū)暖區(qū)暴雨特征研究分析

李欣 張璐 江敦雙

(青島市氣象臺，山東 青島 266003)

引 言

暖區(qū)暴雨具有突發(fā)性強，短時雨強大，對流活動明顯等特點，易引發(fā)洪澇以及次生地質(zhì)災(zāi)害。黃士松[1]最早在研究華南前汛期暴雨時提出了暖區(qū)暴雨的概念，為暖區(qū)暴雨給出了定義。暖區(qū)暴雨一般是指發(fā)生在地面鋒面南側(cè)暖區(qū)，或是南嶺附近至南海北部沒有鋒面存在、華南未受冷空氣或變性冷高脊控制時產(chǎn)生的暴雨。針對華南地區(qū)暖區(qū)暴雨的氣候背景的研究[2-3]表明西風槽、副熱帶壓高壓(以下簡稱副高)和南亞高壓以及西南季風對暖區(qū)暴雨有重要影響。何立富等[4]總結(jié)歸納了近40 a華南暖區(qū)暴雨研究成果，將華南暖區(qū)暴雨分為邊界層輻合線型、偏南風速耦合型和強西南急流型。陳玥等[5]對長江中下游地區(qū)的暖區(qū)暴雨的時空分布特征進行統(tǒng)計分析，建立了三類暖區(qū)暴雨的天氣概念模型，主要分為冷鋒型、暖切變型和副高邊緣型。而對于南方地區(qū)暖區(qū)暴雨個例的研究[6-9]表明暖區(qū)暴雨通常發(fā)生在高溫高濕的不穩(wěn)定天氣條件下，地形的影響較大，具有明顯的多尺度和強對流特征。

對于暖區(qū)暴雨的研究以往多集中在我國南方地區(qū)，對于我國北方地區(qū)的研究多為個例的對比分析。諶蕓等[10]對北京“7·21”特大暴雨的研究發(fā)現(xiàn)這次極端降水過程包含暖區(qū)降水和鋒面降水兩部分，并比較了兩種降水的不同。徐珺等[11]對黃淮地區(qū)一次典型暖區(qū)大暴雨過程的分析指出整層高濕環(huán)境以及低層垂直風切變和超低空急流對于暴雨中尺度對流地區(qū)的觸發(fā)、維持以及加強有著重要作用。而對于山東、遼寧等地一次暴雨過程中的冷區(qū)和暖區(qū)暴雨進行對比分析[12-13]同樣可以看出兩類性質(zhì)暴雨在強度、落區(qū)以及環(huán)境場特征上有明顯的差別。很多研究表明由于產(chǎn)生暖區(qū)暴雨的斜壓性強迫不明顯，邊界層的抬升機制復(fù)雜，數(shù)值模式對暴雨強度和落區(qū)的預(yù)報難度較大[14-16]。

青島地區(qū)處于山東半島南部，作為沿海城市，下墊面特征和地形地貌復(fù)雜，且易受到高低緯系統(tǒng)的共同影響，本地的暖區(qū)暴雨和北方以及華南地區(qū)的暖區(qū)暴雨有何異同，相關(guān)研究并未開展，對于暖區(qū)暴雨的預(yù)報也沒有概念化的模型。本文以2011—2018年青島地區(qū)發(fā)生的暖區(qū)暴雨過程為例，分析了不同天氣形勢下的暖區(qū)暴雨時空分布特征，以及暖區(qū)暴雨發(fā)生時的環(huán)流特征，為青島地區(qū)的暖區(qū)暴雨預(yù)報提供一定的參考。

1 資料和青島地區(qū)暖區(qū)暴雨定義

1.1 資料

采用2011—2018年青島地區(qū)188個區(qū)域自動觀測站逐小時常規(guī)地面和高空觀測資料以及FNL 1°×1°再分析資料。圖1為青島地區(qū)188個自動雨量站分布。

圖1 青島地區(qū)地形和自動雨量站分布Fig.1 Distribution of toppgraphy and automatic precipitation stations over Qingdao area

1.2 暖區(qū)暴雨定義

對20時—次日20時(北京時，下同)日降水量數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制后，當3個或3個以上自動雨量站出現(xiàn)暴雨(即日降水量≥50 mm)時視為一個暴雨日，2011—2018年間共發(fā)生91 d。排除臺風或其殘留低壓系統(tǒng)直接影響導(dǎo)致的暴雨過程后，依據(jù)前人的研究結(jié)果，將發(fā)生于低空切變線或鋒面以南的偏南暖濕氣流內(nèi)的暴雨定義為暖區(qū)暴雨，共得到暖區(qū)暴雨日38 d。

2 暖區(qū)暴雨的天氣分型

普查暖區(qū)暴雨日08時的天氣形勢，參考對于南方地區(qū)暖區(qū)暴雨分型結(jié)果，按照產(chǎn)生暖區(qū)暴雨的天氣系統(tǒng)，對38個暖區(qū)暴雨日的天氣形勢進行分類：

(1)冷鋒型：東北冷渦后部有移動性冷鋒南下，與南方北上的暖濕氣流交匯于華北南部到山東西北部一帶，在鋒前暖區(qū)中產(chǎn)生強降水。

(2)暖切變型：副高北側(cè)與北支槽前有西南暖濕氣流北上，700 hPa以下在渤海至山東半島北部一帶存在西南風與東南風形成的暖式切變線，地面無明顯的鋒面，暴雨出現(xiàn)在暖切變南側(cè)的西南氣流與地面低壓倒槽前部東南風內(nèi)。

(3)副高邊緣型：副高北上控制長江中下游至日本海地區(qū)，上游有西風槽東移，暴雨出現(xiàn)在副高后部與西風槽前的偏南暖濕氣流內(nèi)。副高邊緣型暖區(qū)暴雨個例中有4次為持續(xù)3 d的連續(xù)性暴雨過程，共計有12個暴雨日，比較單日和連續(xù)型副高邊緣暖區(qū)暴雨天氣形勢發(fā)現(xiàn)兩者在天氣形勢上有明顯不同，因此將副高邊緣型暖區(qū)暴雨進一步分為副高邊緣I型(單日型)和II型(連續(xù)型)。

四型暖區(qū)暴雨的發(fā)生日數(shù)統(tǒng)計(表略)，38個暖區(qū)暴雨日中冷鋒型最少，僅有5 d，而副高邊緣型的暖區(qū)暴雨日最多，達到22 d，占比接近60%，其中Ⅱ型達到12 d。而從暴雨出現(xiàn)的日均站數(shù)來看，暖區(qū)暴雨的空間分布很不均勻，平均日暴雨站數(shù)基本在10個左右，冷鋒型最多，達到16.6個站，暖切變型最少，平均只有7.6個站，其降水顯示出比較明顯的中尺度特征。

按照上述分類結(jié)果，統(tǒng)計分析各類型暖區(qū)暴雨的時空分布以及降水特性。

2.1 時間分布特征

2011—2018年各類暴雨總?cè)諗?shù)的年變化統(tǒng)計如圖2所示，可見，相比于非暖區(qū)暴雨，青島地區(qū)暖區(qū)暴雨的發(fā)生時間更為集中，主要在7—9月，其中7、8月日數(shù)最多，占比超過80%；7月的暖區(qū)暴雨總?cè)諗?shù)達到17 d，甚至要超過非暖區(qū)暴雨；進入9月以后暖區(qū)暴雨日數(shù)明顯減少。而四型暖區(qū)暴雨中暖切變型開始和結(jié)束的時間均最早，最早在5月就有出現(xiàn)，9月之后便不再產(chǎn)生。相比之下副高邊緣II型出現(xiàn)時間最晚，集中在8—9月，而I型集中出現(xiàn)在7—8月，顯示這兩型暖區(qū)暴雨的出現(xiàn)與副高北上的位置有密切的關(guān)系。

圖2 2011—2018年暴雨總?cè)諗?shù)的年變化Fig.2 Annual variation of warm-sector rainstorm days during 2011-2018

2.2 空間分布特征

圖3為青島地區(qū)2011—2018年間暖區(qū)暴雨的年平均日數(shù)、總降水量、平均日降水量和最大日降水量分布，可以看出，暖區(qū)暴雨與地形關(guān)系密切，顯示出南北兩條高發(fā)生帶，空間分布也呈較明顯的中尺度特征。

從圖3a可以看出，暖區(qū)暴雨最集中的是位于青島北部內(nèi)陸的山區(qū)，東北部地區(qū)最大平均日數(shù)在1.2 d以上，同時在南部沿海一線還存在一個較弱的發(fā)生帶，分為東西兩個中心，平均暖區(qū)暴雨日數(shù)在0.5 d左右，分別對應(yīng)大、小珠山和嶗山山區(qū)?？偨邓?圖3b)的分布特征與日數(shù)相同，降水最大值區(qū)位于內(nèi)陸山區(qū)，沿海同樣存在弱的降水中心。相比之下平均日降水量和最大日降水量(圖3c、d)的分布更為明顯的表現(xiàn)出與地形的密切關(guān)系，在東南部的沿海地區(qū)，其降水量的日均值和最大值基本一致，說明在這一地區(qū)出現(xiàn)的暖區(qū)暴雨強度比較均勻，基本在120～150 mm，而北部內(nèi)陸地區(qū)的平均降水量在100 mm左右，但是最大降水量超過240 mm，這說明這一地區(qū)的降水極為不均勻，個別時候甚至會出現(xiàn)降水量超過250 mm的特大暴雨。

圖3 2011—2018年青島地區(qū)暖區(qū)暴雨年平均日數(shù)分布(a，單位：d)、總降水量分布(b，單位：mm)、平均日降水量分布(c，單位：mm)和最大日降水量分布(d，單位：mm)Fig.3 Distribution of annually rainstorm days (a,unit:d), total precipitation (b, unit: mm), average daily precipitation (c, unit: mm) and themaximum daily precipitation (d, unit: mm) of warm-sector rainstorms

圖4 四類暖區(qū)暴雨的年平均日數(shù)分布(單位：d)： (a)冷鋒型；(b)暖切變型；(c)副高邊緣Ⅰ型；(d)副高邊緣Ⅱ型Fig.4 Distributions of annuall rainstorm days of four types of warm-sector rainstorms(unit:d):(a)cold-front type; (b)warm-shear type; (c)subtropical-high edge type Ⅰ; (d)subtropical-high edge type Ⅱ

4個類型的暖區(qū)暴雨的空間分布也有所不同(圖4)。冷鋒型暴雨(圖4a)發(fā)生的日數(shù)較少，年平均最大只有0.25 d左右，且主要集中在西南部地區(qū)；暖切變型暴雨(圖4b)日數(shù)的大值中心在青島的西北內(nèi)陸地區(qū)，最大0.5 d，在西南和東南沿海還有平均0.2～0.3 d的暴雨出現(xiàn)；而副高邊緣I型和Ⅱ型暴雨(圖4c、d)，同樣在青島的北部內(nèi)陸地區(qū)出現(xiàn)的暴雨日數(shù)最多，但Ⅰ型暴雨的發(fā)生地區(qū)最為集中，主要在東北部的內(nèi)陸山區(qū)，最大達到0.8 d，而Ⅱ型范圍較大，范圍覆蓋整個北部的山區(qū)，同時在東南沿海一帶同樣存在一個較弱的中心，最大在0.2 d以上。

統(tǒng)計各型暖區(qū)暴雨站點的總降水量、日平均降水量和最大降水量(圖略)，其空間分布與相應(yīng)的暴雨日數(shù)分布基本一致，其中冷鋒型的降水量相對較小，最大日降水量約150 mm，而暖切變型和兩類副高邊緣型的最大日降水量均超過了200 mm，且最大降水都發(fā)生在北部內(nèi)陸的山區(qū)，暖切變型的最大日降水量與平均暴雨日數(shù)中心一致，而兩類副高邊緣型的最大日降水量均出現(xiàn)在東北部的內(nèi)陸山區(qū)。

2.3 暖區(qū)暴雨降水性質(zhì)

對于所選38個暖區(qū)暴雨和53個非暖區(qū)暴雨日，統(tǒng)計日降水量達到暴雨級別的站點中出現(xiàn)短時強降水(小時降水量≥20 mm)的站點百分比以及短時強降水量占總降水量的百分比(表1)。相較于非暖區(qū)暴雨，暖區(qū)暴雨在出現(xiàn)短時強降水的站點比例和降水量比例均有明顯超出，站點比例接近甚至超過80%，降水量占比在50%以上。而非暖區(qū)暴雨短時強降水量僅占不到45%，暖區(qū)暴雨顯示出明顯的強對流特征。當日降水量達到100 mm以上時，短時強降水比例更高，特別是暖區(qū)暴雨，站點比例接近100%，降水量基本在60%以上。而對比四類暖區(qū)暴雨，冷鋒型和副高邊緣I型的短時強降水占比最高，顯示出最強的對流特征，尤其是副高邊緣Ⅰ型，日雨量在50 mm以上時其短時強降水出現(xiàn)的站數(shù)比例就接近100%，降水量占比超過70%，相比之下暖切變型和副高邊緣Ⅱ型的降水強度明顯偏弱。

表1 各類暴雨中出現(xiàn)短時強降水的站點數(shù)和降水量占總暴雨站點數(shù)和降水量的比例Table 1 The proportion of stations and precipitation with short-time severe rainfall in rainstorms

對各類暴雨1 d中不同強度降水出現(xiàn)的日平均時次進行統(tǒng)計分析(表2)，發(fā)現(xiàn)相比于非暖區(qū)暴雨，暖區(qū)暴雨的降水更加集中，雨強在2 mm·h-1以上的降水集中在6 h以內(nèi)，而隨著雨強的增加，暖區(qū)暴雨的日均時次減小速度明顯小于非暖區(qū)暴雨，對于小時雨強在10 mm以上的降水，出現(xiàn)的時間仍在2 h以上，說明暖區(qū)暴雨的降水時段集中，且強度總體要強于非暖區(qū)暴雨。而對比四類暖區(qū)暴雨，可以發(fā)現(xiàn)冷鋒型和副高邊緣I型的降水時間最為集中，均在8 h以內(nèi)；對于雨強在10 mm·h-1以上的降水，同樣是冷鋒型出現(xiàn)的時間最長，說明四類暖區(qū)暴雨中冷鋒型的強降水出現(xiàn)的最為頻繁；而副高邊緣Ⅱ型的降水時間較長，接近非暖區(qū)暴雨。

表2 各類暴雨中不同強度降水日平均出現(xiàn)時次Table 2 Daily average hours of different intensity rainfalls in rainstorms

3 各類型暖區(qū)暴雨的環(huán)流特征

利用FNL再分析資料對于四類暖區(qū)暴雨發(fā)生時的環(huán)境場進行合成分析，以得到暴雨發(fā)生時的平均環(huán)流特征。前文提到暖區(qū)暴雨的降水較為集中，明顯的降水基本在6 h以內(nèi)，而FNL再分析資料的時間分辨率為6 h，因此對于每個暴雨日，若主要降水時段出現(xiàn)在兩個再分析資料時間點之間，則選取降水開始前時次的資料，若某個再分析資料的時間點在主要降水時段中間，則選擇該時次資料用于合成，得到的平均環(huán)流場如圖5所示。

圖5 暖區(qū)暴雨日平均形勢場(藍色線條為500 hPa高度場，單位：10 gpm，間隔40 gpm；風羽為850 hPa風場，單位：m·s-1；黑色線條為海平面氣壓場，單位：hPa，間隔1 hPa): (a)冷鋒型；(b)暖切變型；(c)副高邊緣Ⅰ型；(d)副高邊緣Ⅱ型Fig.5 The average synoptic situation causing warm-sector rainstorms (bule line represents 500 hPa height with 40 gpm interval, unit: 10 gpm; barb represents 850 hPa wind, unit: m·s-1; black line represents sea-level pressure with 1 hPa interval, unit: hPa):(a) cold-front type; (b) warm-shear type; (c) subtropical-high edge typeⅠ; (d) subtropical-high edge typeⅡ

圖5a顯示冷鋒型暖區(qū)暴雨發(fā)生時副高強度較弱，且位置偏南；而在北方，東北地區(qū)存在一個東北冷渦，后部有冷空氣南下影響華北地區(qū)，中支環(huán)流較平直，基本為偏西風；低層850 hPa渦后的偏北氣流和副高外圍的西南氣流交匯于河北南部，形成東北—西南走向的冷式切變線，其切變線南側(cè)的西南氣流自華南向北至山東南部地區(qū)風速較強，達到急流標準，但在山東中北部風速明顯減弱，存在較強的風速輻合；地面有明顯冷鋒位于魯西北地區(qū)，而在魯中到半島西部處于鋒前低壓輻合區(qū)內(nèi)。

暖切變型暖區(qū)暴雨發(fā)生時副高的位置同樣偏南，強度強于冷鋒型，588線控制我國東南沿海一帶，高度場呈南高北低形勢，北支槽位置相較冷鋒型明顯偏后，位于蒙古國東部，中支槽較深，584線達到30°N；較強的副高和深厚的中支槽之間在850 hPa形成一股很強的西南急流向北一直伸展到東北地區(qū)，青島位于急流帶上；而在華北到渤海西部地區(qū)，受到槽前正渦度平流作用，低層850 hPa有低渦生成，前部暖式切變線位于40°N附近，地面在渤海西部到魯西北地區(qū)存在氣旋中心，青島處于850 hPa的暖切南側(cè)和地面氣旋的東南部暖區(qū)內(nèi)。

相較于暖切型和冷鋒型，副高邊緣型(圖5c、d)的副高呈塊狀，位置更加偏北，脊線達到30°N以北，其南側(cè)在臺灣地區(qū)附近多有熱帶氣旋活動；低層在850 hPa上為一致的西南氣流伸展到東北地區(qū)，風速普遍較弱，沒有明顯的低槽或切變線；地面則同樣處于西南暖濕氣流造成的低壓前部，盛行東南風。

對比副高邊緣Ⅰ型和Ⅱ型的環(huán)流形勢可以發(fā)現(xiàn)，單日型(Ⅰ型)的500 hPa上副高位置相對偏南，588線基本在35°N以南，同時北支槽較為平直，在東移過程中沿副高外圍逐漸向東北方移動并拉平，移速較快，而連續(xù)型(Ⅱ型)的副高更為偏北，且北支的西風槽更深，東移過程中與副高東西對峙，速度緩慢，因此環(huán)流形勢得以長時間維持。而Ⅱ型的副高西伸脊點較為偏東，在123°E附近，Ⅰ型則位于120°E以西，因此在850 hPa上Ⅰ型為一致的西南氣流自華南伸展到東北地區(qū)，而Ⅱ型北方的西南氣流主要來自副高南側(cè)與臺風間的偏東氣流沿副高外圍北上。

圖6 同圖5，但為暖區(qū)暴雨發(fā)生時925 hPa水汽通量(箭矢，單位：g·hPa-1· cm-1·s-1)和假相當位溫(等值線，單位：K;陰影為地形海拔高度,單位：m)Fig.6 Same as Fig.5, but for water vapor flux at 925 hPa (vector, unit: g·hPa-1· cm-1·s-1) and equivalent potential temperature (contour, unit: K; shade represents topography, unit: m)

圖6為四型暖區(qū)暴雨在925 hPa上的水汽通量及假相當位溫分布，可以看到各型暖區(qū)暴雨發(fā)生時青島均處于自南向北伸展的高能舌的頂端，同時冷鋒型和副高邊緣I型的假相當位溫最高，達到350 K，高能的暖濕空氣使這兩型暖區(qū)暴雨伴有更強的降水。而相較于其他三型的高能舌向東北方向伸展覆蓋整個青島地區(qū)，冷鋒型暴雨發(fā)生時其假相當位溫的大值區(qū)主要位于魯中到魯南地區(qū)，青島處于其東北部邊緣；另外在水汽通量場上冷鋒型同樣與其他三型不同，暖切變型和副高邊緣Ⅰ、Ⅱ型中青島均處于水汽通量的大值帶上，而冷鋒型在魯中和半島以南地區(qū)水汽通量較大，向北有明顯減弱，在魯中和半島南部地區(qū)存在較強的水汽通量輻合，因此在冷鋒型暖區(qū)暴雨發(fā)生時青島的西南地區(qū)水汽輻合和能量條件較好，為暴雨的主要落區(qū)。

對于另外三型暖區(qū)暴雨，高能舌頂端位于北部內(nèi)陸地區(qū)，同時由于南北的風速差較小，不存在明顯的風速輻合，水汽的輻合區(qū)主要來自于山脈迎風坡的地形抬升，因此暖切變型和副高邊緣型暖區(qū)暴雨的主要落區(qū)位于北部內(nèi)陸的山區(qū)。而在另一方面，從圖6d可以看到，副高邊緣Ⅱ型在925 hPa上主要的水汽由南到東南風輸送，因此在東南部沿海山區(qū)的迎風坡同樣存在一個暴雨中心(圖4d)。

4 結(jié)論

通過對2011—2018年青島地區(qū)發(fā)生的38個暖區(qū)暴雨日進行統(tǒng)計分析及天氣學分型，得到不同類型的暖區(qū)暴雨時空分布特征和暴雨發(fā)生時的環(huán)流特征。結(jié)論如下：

(1)按照影響系統(tǒng)可將青島地區(qū)發(fā)生的暖區(qū)暴雨分為暖切變型、冷鋒型和副高邊緣Ⅰ型和Ⅱ型，其中副高邊緣Ⅰ型為單日暴雨，而Ⅱ型多產(chǎn)生連續(xù)性暴雨。

(2)青島地區(qū)暖區(qū)暴雨主要集中在7—9月，7、8月日數(shù)最多，進入9月以后日數(shù)明顯減少。暖區(qū)暴雨落區(qū)與地形關(guān)系密切，在北部內(nèi)陸山區(qū)和南部沿海一帶為暴雨集中發(fā)生的地帶。

(3)暖區(qū)暴雨的強對流特性更為明顯，降水量越大，短時強降水所占比重越高。同時暖區(qū)暴雨的降水時段集中，主要降水集中在6 h以內(nèi)產(chǎn)生。

(4)冷鋒型暖區(qū)暴雨發(fā)生時副高偏南，東北冷渦后部有冷空氣南下，與副高外圍暖濕氣流交匯于華北南部，青島位于地面鋒線南側(cè)低空西南暖濕氣流內(nèi)；暖切變型的副高較冷鋒型稍強，北支槽位置偏后而中支槽更為深厚，槽前有低渦及地面氣旋位于渤海西部，青島位于低渦前部暖切南側(cè)西南氣流及氣旋東南部的暖區(qū)中；副高邊緣型對應(yīng)的副高較強，位置偏北，脊線達到30°N以北，南側(cè)往往伴有臺風西移，同時上游有西風槽東移，槽前和副高西北部之間有西南氣流北上，但無明顯的切變輻合系統(tǒng)，相較于I型，產(chǎn)生連續(xù)暴雨的II型其副高位置更為偏北，且東移的西風槽更為深厚，兩者東西對峙，形成穩(wěn)定的天氣形勢，有利于連續(xù)暴雨的產(chǎn)生。

(5)低層的水汽通量和假相當位溫場顯示各類型暖區(qū)暴雨的落區(qū)和低層的水汽通量輻合以及高能舌位置關(guān)系密切，暴雨主要發(fā)生在低層高能舌的頂端和由于風速切變或地形抬升造成的水汽輻合區(qū)域。

需要指出的是，由于自動雨量站數(shù)據(jù)長度問題，本文僅選取近8 a青島地區(qū)的暖區(qū)暴雨個例進行研究，各型暴雨特別是冷鋒型暖區(qū)暴雨個例數(shù)量較少，這對于暴雨的時空分布及天氣學概念模型的總結(jié)分型有一定的影響，今后還需要收集更加完善的降水資料進行進一步的分析研究。