2018年山东一次极端暴雨的环境场特征分析.pdf
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1、研究论文高晓梅,任广治,王向前,等.2 0 18 年山东一次极端暴雨的环境场特征分析沙漠与绿洲气象,2 0 2 3.17(5):56-6 3.doi:10.12057/j.issn.1002-0799.2023.05.007开放科学(资源服务)标识码(OSID):沙漠与绿洲气象Desert and Oasis Meteorology第17 卷第5期2023年10 月2018年山东一次极端暴雨的环境场特征分析高晓梅12,任广治,王向前3,邢丽珠4,丛春华!,袁(1.山东省气象防灾减灾重点实验室,山东济南2 50 0 31;2.潍坊市气象局,山东潍坊2 6 10 11;3.潍坊市高密中等专业学校,
2、山东高密2 6 150 0;4.枣庄市气象局,山东枣庄2 7 7 8 0 0)摘要:利用多源气象数据资料,对2 0 18 年8 月17 一2 0 日台风温比亚”引发山东历史极端暴雨的环境场进行研究。结果表明:(1台风“温比亚”影响山东,引起的前期强降水位于鲁南地区,主要为台风外围螺旋云系降水,19日白天至夜间是此次强降水主要时段,主要受台风和西风槽相互作用引起,落区主要集中于台风倒槽附近。(2)副高稳定少动、中低纬系统相互作用及低空急流的稳定维持是此次台风强降水的主要原因。(3)超低空急流相比低空急流对出现强降水更具指示意义,强度大小影响降水的强弱程度,且超低空(50 0 m以下)出现2 0
3、ms以上的强风速对短时强降水有明显指示作用。低空急流指数对强降水特别是中小尺度强降水及雨强大小有一定预示作用。(4)特殊地形在此次台风暴雨中有较大作用,地形的迎风坡效应在山地产生的强迫抬升作用及山脉阻挡引起的水汽在山前积聚等动力和热力共同作用触发湿对流是此次台风出现短时强降水的重要触发机制。(5此次台风暴雨过程Q失量散度负值的强弱对于未来6 h雨强大小有较好的指示意义。另外,此次台风特大暴雨与冷空气密切相关。关键词:台风;极端暴雨;低空急流指数;Q失量散度中图分类号:P458.121.1静2文献标识码:A文章编号:10 0 2-0 7 99(2 0 2 3)0 5-0 0 56-0 8台风造成
4、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。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2 0 0 5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人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、台风环流内收稿日期:2 0 2 3-0 1-2 0:修回日期:2 0 2 3-0 4-0 6基金项目:国家自然科学基金项目(417 7 50 44,416 7 50 46);山东省自然科学基金项目(ZR2023MD118;ZR2 0 2 1M D 0
5、 10):华东区域气象科技协同创新基金(QYHZ201812);山东台风与海洋气象创新团队(SD C XT D 2 0 2 1-2):环渤海区域科技协同创新基金项目(QYXM201707)作者简介:高晓梅(197 4一),女,正高级工程师,主要从事灾害性天气预报与研究工作。E-mail:w f me i z i 12 6.c o m通信作者:任广治(197 8 一),男,高级工程师,主要从事中短期天气预报预警服务工作。E-mail:s d q x j a l i y u n.c o m56的中尺度对流系统触发、冷空气人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110-14。陈
6、宣淼等5 发现增幅型台风暴雨与0 平流东暖西冷的结构及弱冷空气人侵等有关。万小雁等0 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7 得出低层对流不稳定、千线、中高层弱干冷空气侵人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2 2 1.97 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18-2 0 1,但未对Q矢量、低空急流
7、指数、超低空急流等环境场的详细特征进行分析,本文利用高晓梅等:2 0 18 年山东一次极端暴雨的环境场特征分析多源气象资料,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人研究,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0 5时前后进人河南境内向西北方向移动,19日0 5时之后转向东北方向,2 0 时前后进入山东,经过济宁、泰安,2 0 日0 2 时到达滨州西部,0 5时之后经东营河口区进人渤海(图1a)。8 月17
8、日17 时一2 0 日14时,山东省平均降雨量为135.5mm,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2 0 0 mm以上(图1b)。过程最大降水量出现在泰安徕镇土门村,为511.2 mm;最大小时雨强出现在19 日2 32 4时潍坊昌邑龙池镇,为12 1.4mmh。全省多站点日降雨量和3d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。8月17 日2 0 时在贝加尔湖附近有一加深发展38N37N36N35N34N33N115E116E117E118E119E120E121E122Eb380N370N36
9、N350N-115E116E117E图1台风“温比亚 路径(a 中阴影区为18 2 0 日6 h降水量10 0 mm雨区;b为2018年8 月17 日17 时2 0 日14时山东降雨量分布,单位:mm)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2 a),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2 0 ms以上。18 日0 8 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
10、 日夜间至18 日白天鲁南出现了较强降水。2 0 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10 0 mm的强降水。19日0 8 时(图2 c),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,槽后干冷空气侵人台风倒槽内,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10 0 mm的强降水。2
11、0 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。2 0 日0 5时之后台风逐渐移出山东,2 0 日白天山东降水减弱直至结束。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2 1。mm济南探空图显示,8 月18 日0 8 时一2 0 日0 2 时暖云层厚度为410 0 52 0 0 m,其中18 日2 0 时达到最2.50厚,为52 0 0 m,暖云的凝结效率要高于冷云,暖云100层越厚,越有利于大暴雨产生。同时大气可
12、降水量也50在50 6 5mm,其中18 日2 0 时大气可降水量最大,25为6 5mm,说明水汽条件充沛。8 50 hPa比湿场10(图3)显示,除山东半岛外,山东大部地区自18 日0.108时一2 0 日0 2 时一直处在12 gkg以上的高比湿区内,表明18 日山东上空已聚集了充沛水汽。118E119E120E121E122E850hPa水汽通量散度场(图3a)显示,18 日0 8时山东淄博及以西地区处于水汽通量弱辐合区内。19日0 2 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57研究论文沙漠与绿洲气象Desert and Oasis Met
13、eorology第17 卷第5期2023年10 月48N440N480N440N58240N36N320N289N100-E104E108E112E116E120E124E128E1320E489N440N40N36N320N28N100E104E108E 112E116E120E124E128E132E图2 2 0 18 年8 月17 日2 0 时(a)、18 日2 0 时(b)19日0 8 时(c)和19日2 0 时(d)50 0 h Pa 高空图叠加8 50 hPa风场(蓝色等值线为等高线,单位:dagpm;红色等值线为等温线,单位:)45N45N40N36N32N28N100E104E
14、108E112E116E120E124E128E132E48N440N400N36N-32N28N100E104E108E112E116E120E124E128E132E4540PN40N40%35N35N35%30N110E678450N40N359N30NiioE图3 2 0 18 年8 月18 日0 8:0 0(a)、19日0 2:0 0(b)14:0 0(c)2 0:0 0(d)8 50 h Pa 比湿(阴影,单位:gkg)水汽通量散度(蓝实线,单位:10-gslhPa-lcm,下同)和风场(风失量,单位:ms-);19日0 8 时(e)和20时(f)水汽通量散度和垂直速度(红虚线,单
15、位:Pas-)沿118 E的经向剖面(图3 c),其中鲁西南地区处在-5x10-gshPalcm的水汽辐合中心,这与济宁、聊城在19日0 2 一14时出现6 h超过10 0 mm的强降水相对应。2 0 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58300N115120-101112115E120E12300125130E40300400600700800900125E130100030-N110E100200115E67120E101112359N40PN度达到-12 x10-gshPacm以上(图3 d),这与19日白天山东出现大范围强降水
16、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。2 0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10 0 mm125E130B404.5N1159F59101112100200300400-500600-700-800900-30-N1209F35N125F40-N130F40455N高晓梅等:2 0 18 年山东一次极端暴雨的环境场特征分析的强降水。对山东暴雨中心做水汽通量散度和垂直速度的垂直面,发现18 日2 0 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50 0 hPa高度,对应18 日夜间鲁南出
17、现强降水。19日0 8 时,辐合区北移并范围扩大(图3e),大值区上移到90 0 hPa附近,强上升运动区扩展到3 0 0 hPa高度。2 0 时,辐合区北移到鲁中东部和鲁西北东部地区(图3 f),强度增强,中心最大水汽通量散度达-12 x10-7gshPa.cm,且上升运动达到最强,上升速度增长了3 倍,达-3 5Pas-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
18、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 2 2 。根据朱乾根等/2 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90 0 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,3 6.7 7 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3 46.7 mm的青州东高镇(118.43 E,3 6.7 7 N)与3 d连续降雨量突破东营历史极值的广饶站(118.3 5E,3 7.0 5N)的小时降雨量(图4
19、a)与潍坊风廓线雷达风场结构进行分析(图4b)。8 月19 日0 5一13 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20ms-(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7 50 10 0 0 m附近出现2 0 ms-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2 0 ms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 2 2 时出现了1h降雨量超过2 5mm、东高镇17 2 1时出现1h降雨量超过
20、2 0 mm以上的强降水,对应超低空风场50 0 m以下出现2 0 ms-l以上的强风速。2 3 时,超低空风场的风速减小,都低于2 0 ms,2 0 日0 0 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。2 0 日0 10 4时,超低空急流消失,但低空7 0 0、8 50 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。100a潍坊东高镇东营广饶县9080706050403020100050709111315 171921230103时19日20日8250b73506450F5
21、55046503750285019501050F600150F05070919日图42 0 18 年8 月19 日0 5时至2 0 日0 4时潍坊东高镇、东营广饶县降雨量分布(a,单位:mm)和潍坊风廊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 ms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 2 3-2 4。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
22、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,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,1值迅速增大。在2 0 18 年8 月19 日17 一18时、192 0 时、2 0 2 1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1的3 次峰值,分别是19 日18 时的148、2 0 时的1315171921230103时20日59研究论文156.7和2 1时的17 4,小时降雨量最大值51.2 mm正对应I的最大值17 4。当2 0 日0 0 0 1时指数1h脉动突
23、降为0,对应台头镇0 0 0 1时的小时雨量也为0。0 10 2 时指数1h脉动增大到9.8,对应的01一0 2 时又出现弱降水。即低空急流指数1值增大的程度与降水量强度呈正比关系。60降雨量低空急流指数50/里甜4030201000310507091113151719212301时19日20日图52 0 18 年8 月19日0 1时2 0 日0 2 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116 119.5E,3 5 3 8.5N,下同),2 0 18 年8 月18 日2 0 时鲁南地区上空(
24、115E,35N附近)8 0 0 hPa及以上有冷平流,其他基本无冷暖平流。19日0 8 时冷空气东移并向低空伸展(图6 a6b),强度增强,且冷空气侵人到近地面层,位置位100a2003004006007008009001000110E100d20030040050070080090010003N图62018年8 月192 0 日温度平流(蓝实线,单位:10-Ks)与假相当位温(红实线,单位:K)沿3 6.5N的纬向剖面(a为19日0 8:0 0;c为19日2 0:0 0;e为2 0 日0 2:0 0)及沿118 E的经向面(b为19日0 8:0 0;d为19日2 0:0 0;f为2 0 日
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