（气象学专业论文）“718”济南短时特大暴雨的中尺度分析和数值研究.pdf

摘要 2 0 0 7 年7 月1 8 日济南市出现1 小时降水量超过1 5 0 r a m 的短时特大暴雨，本 文利用n c e p n c a r 的1 。x1 。逐6 h 再分析资料、我国高空地面常规和加密观测 资料、山东省自动站逐1 0 分钟加密观测资料、济南市章丘探空站逐6 小时l 波 段高空探测资料、f y - 2 c 卫星逐3 0 分钟红外亮温( t b b ) 和可见光云图资料、济 南市齐河站c i n r a d - s a 逐6 分钟雷达基数据资料对此次短时特大暴雨过程的大 尺度背景场特征、中尺度系统发生发展演变特征进行诊断分析，并借助中尺度 模式a r p s 的模拟结果，进一步研究m b c s ( m , c s ) 的三维结构和可能成因。另 外，还讨论了多普勒雷达资料在中尺度模式短时预报中的应用。 结果表明，对流层中层的弱短波槽、低层的暖式切变线和高低空急流是影 响此次大暴雨的天气尺度影响系统。温度锋、冷锋、地面中尺度辐合线作为抬 升条件触发和加强了对流。高c a p e 值标志着大气的强热力不稳定性。边界层辐 合线、次级经向环流以及逆风区的存在增强了垂直运动，有利于中小尺度强回 波的维持和发展。对流风暴缓慢移动，其内部中y 尺度强对流单体长时间停滞 在济南上空，是造成济南强降水的重要原因之一。降水前，弱的垂直风切变为 暴雨区积聚能量。降水时，强风垂直切变有利于风暴的发展加强和维持。这些 对降水都起到增幅作用。 数值试验表明，利用多普勒雷达反射率和径向风速度同化资料改进的初始 场能明显改善中尺度数值模式a r p s 短时定量降水预报，能较好地预报出3 h 内 雷达回波的大致分布和水汽中心。同化雷达径向风，能够在初始场中出现明显 的中小尺度特征，减少模式的s p i n - u p 时间。随着积分的进行，对水汽场的调 节也有一定作用，但不如风场调节不够显著。雷达反射率主要是改进初始场中 的湿度参数，增加初始场中云水等含量。积分开始后，对风场调整也很显著。 关键词：m b c s ，a r p s 模式，多普勒雷达，径向速度，雷达反射率 a b s t r a c t b a s e do n 也es i x 。h o u n yn c e p n c a rr e a n a l y s e sw i t h ar e s o l u t i o no f oxl 。， c o n v e n t i o n a la r i di n t e n s i v eo b s e r v a t i o n a ld a t a ，t e n - m i n u t e l ya w s d a t a , s l x h o u r l y l - w a y er a n g es o 强d i 晖矗s i x m i n u t e l yc i n r a d s a r a d a rb a s ed a t ai nq 1 h e ，a n d h a l f - h o u r l yf y - 2 cs a t e l l i t e i n f r a r e dt b ba sw e l l a sv i s i b l es a t e l l i t et m a g e s ，t h e 如a f a 文融或i c so fl a r g e s c a l ew e a t h e rr e g i m e sa n d t h ei n i t i a l i z a t i o na n dd e v e l o p m e 盛 o fm e s o s c a l ec o n v e c t i v es y s t e m sd u r i n gt h ee x t r a o r d i n a r yh e a v y r a l n s t o n i l se v e n t w i t ha nh o u r l yp r e c i p i t a t i o no fm o r et h a n15 0m m ，w h i c h o c c u r r e di nj1 n a i lo nl 芍 j u l v2 0 0 7 ，h a y eb e e ni n v e s t i g a t e d 。t h et h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r ea n d t h ep o s s 内i e c a u s e so ft h em b c s ( m t c s ) h a v e b e e ns t u d i e db yu s i n gt h es i m u l a t i o n so f a d v 螂e d r e g i o h a lp r e d i c t i o ns y s t e m ( a 对s ) m o d e l i na d d i t i o n ，t h e a p p l i e a t i 。鞋o ft h e d o p p l e rr a d a rd a t ai nt h en o w c a s t i n gu s i n g m e s o s c a l em o d e lh a sb e 锄d l s 哪s e d 1 1 l er e s u l t ss h o wt h a tt h em a i ns y n o p t i c - s c a l ew e a t h e rs y s t e m sa f l e e t i n g t h i s 麟蚪k 刚r a i n s t o r m e v e n ti nj i n a ni n c l u d ew e a ks h o r t _ w 粼船强班1 n 龇 m i d d l et r o p o s p h e r e ，t h ew a r ms h e a rl i n e i nt h e l o w e rt r o p o s p h e 他a sw e l la st l l e 即p e r _ l e v 蘸a n dt h el o w 1 e v e lj e ts t r e a m s t e m p e r a t u r ef r o n t ，c o l d 蠹o n ta n 莲印凇鑫 m e s o s c a l ec o n v e r g e n c e l i n et r i g g e d 姐di n t e n s i f i 砸t h e n v e c t i o n 。t h eh i c a p e r e f i e c t ss 仃o n g 也e 衄a l i n s t a b i l i t y i nt h ea t m o s p h e r e t h e b o l i n d a r y - 1 a y e r 觥瑗e 戏el 娃搀，t h es e c o n d a r yc i r c u l a t i o na n d a d v e r s ew i n da r e ae 曲勰c ew 炮e 毅 m o t i o n 。w h i c hi sf a v o r a b l et ot h em a i n t e n a n c ea n dd e v e l o p m e n to f m i c r o s c 砒ea n a m e s o s 蕊ee c h o 。s l o wm o v e m e n t o ft h ec o n v e c t i v es t o r ma n dl o n g t l m e 鲢a g n a t l o no f m e s o 吖s 蹴es t r o n gc o n v e c t i o nc e l li n s i d et h es t o r m o v e rj i n a ni so n eo fk e yl a c t o r s f o rt h ee x 协a o r d i n a r yh e a v yr a i n f a l l b e s i d e s ，t h e w e a kv e r t i c a lw i n ds h e a rw a s 热硇蒯e 妇t h e 鼹e 斟a c c u m u l a t i o n b e f o r et h er a i n ，w h i l et h es t r o 珏g 谨难e 瘗糖嬲 s h e a r 删f a v o r a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n t , i n t e n s i f i c a t i o na n dm a i n t e n a n c e o t f m e s t o 锄a st h eh e a v yr a i n f a l lo c c u r r e d a l lo f t h e s ef a c t o r se n h a n c et h ep r e c i p l t 魄o n ， t h en u l t i e r i c a le x p e r i m e n t s s h o wt h a t t h e i m p r o v e d i n i t i a l i z a t i o nu s l n g a s s i m i la t i 甜d o p p l e rr a d a rr e f l e c t i v i t ya n dr a d i a lv e l o c i t yi nt h ea r p s m o d e lm a y s i 出蠡e 躐l yi m p r o v es h o r t t e r mq u a n t i t a t i v ep r e c i p i t a t i o nf o r e c a s t i n g t h e 渤d e l s l l a b l et of o r e c a s tr e a s o n a b l yt h ea p p r o x i m a t ed i s t r i b u t i o no ft h er a d a re c h o a n d m o i s t u r ec e n t e rw i t h i nt h r e eh o u r s i tw a sf o u n dt h a tt h er a d a rr a d i a l 、航n da d j u s t m e n t m a yc a u s et h es m a l l a n dm e d i u ms c a l ec h a r a c t e r i s t i c si nt h ei n i t i a lf i e l da n dr e d u c e t h em o d e ls p i n u pt i m e t h ev a p o ra d ju s t m e n tw i t ht h et i m ei n t e g r a lh a sa l s oa l l i n f l u e n c eo nt h ep r e c i p i t a t i o nf o r e c a s t i n g ，b u tl e s ss i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dw i t ht h e w i n da d j u s t m e n t r a d a rr e f l e c t i v i t ym a i n l yi m p r o v e st h eh u m i d i t yp a r a m e t e ra n d i n c r e a s e st h ec l o u d w a t e rc o n t e n ti nt h ei n i t i a lf i e l d a f t e rt h et i m ei n t e g r a l ，i tl e a d st o ac o n s i d e r a b l ew i n da d j u s t m e n t ： k e yw o r d s ：m 1 3 c s ，a r p sm o d e l ，d o p p l e rr a d a r ，r a d i a lv e l o c i t y ，r e f l e c t i v i t y i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：蔓鹾 日期：碰妄自! 兰立 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数 据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学 位论文在解密后适用本规定。 作者签名：童篷 e t 期：趟。 j 2 l 第一章弓l 言 第一章引言 暴掰是一耪严重的灾害牲天气，黠人民殴经济财产和人身安全具有重大影响。因此， 对暴雨的研究直是气象学家及气象业务工作者们最关注的问题之一。 2 0 链纪戬来，气象学家翻对暴雨系统进行了大量机理和预摄研究，建立暴褥的多尺度 物理模型一直是国内外气象学研究的重点之一n 屿1 。m a d d o x 首先提出了美国中东部致洪暴雨 的3 种天气型，随后又给出了美国西部暴雨的环流模型。在此基础上，美国科学家从地形强 迫、弱的天气尺度强遗、多尺度系统攫互作捌等方面发聂出了美国暖季降水的多尺度概念 模型晦。1 。日本科学家利用卫星、雷达、微波遥感等新技术获得的非常规观测资料也相继提 琏；了梅雨锋东段( 蟊本) 的多尺度概念模型鞋扣堪】。 我豳位于世界著名的东亚季风区，是多暴雨地区，几乎每年都会受到突发性强降水或 持续性强降水的影响。长期以来，暴雨的研究和预报一直受到政府和气象部门的高度重视。 早在2 0 世纪7 0 年代，针对我圈暴雨灾害的严重性，璃诗言先生n 引就对暴焉玖及孛小尺度 系统的天气学特征及动力学进行过系统全面的研究，增强了气象工作者对暴雨系统的认识 释预报麓力。在诧工作鲶基稿上，之螽有关暴雨静一系列研究工作德以深入开展。不过， 长期以来有关暴雨的研究主要集中在华南、长江流域和淮河流域n h 们，而对华北暴雨的研 究则相对较少。 1 1 华北暴雨的研究进展 华托地处东亚中纬度地区，不仅冷空气活动频繁，而且夏季暖滋空气北上也可以达到 该地区，冷暖空气交滋结果常造成很强的暴雨，是我国东部夏季三大降露送之一。华= 匕暴 雨的特点可归结为：暴雨强度大，出现时间集中，局地性强，往往会造成严重的洪涝灾害。 这种极强熬雨强是国内少见豹，加上华= 乏遮形、地藐复杂，入蠢密集，一量强降求出现， 就会造成严重的经济损失。同时，华北地区是水资源严重短缺的地区，暴雨是主要的水资 源之一，做好暴雨预报对科学利用水资源，储水、防洪及保护入们的生命财产安全，是十 分重要嬲。 2 0 0 0 年以后，关于华北暴雨的研究逐渐增多。陶诗言、高守亭等倥7 ，卿全面回顾了7 5 年来中科院大气所辩磷入曼在天气足度，次天气尺发及孛足度暴焉系统领域静研究工绍。 总结了在短、中期天气预报，短期气候预测在模式发展和改进以及在数值模拟等方谳所取 得的成就和进展。吕艳彬等渤在对中尺度对流复合体( m e s o s c a l ec o n v e c t i v ec o m p l e x ， 第一章弓l 言 缩写为疆c c ) 进行普查的基础上，分析了华北平原上3 个典型个例合成的瓶c 发生前的环 境场，指出华= i 匕平原发生的m c c 与我国南方和北美地区的m c c 不完全相同。卫捷等啪研 究了近2 0 年华= 乏地区鼍：早期大气环流异常特征，发瑷华= | 芝予警有显藩的年踩和年代际变 化。孙建华等搏对1 9 6 0 - 1 9 9 9 年的华北夏季暴雨过程进行了统计分析，之后，又进一步 对1 9 9 0 1 9 9 9 年造成夏季特大暴雨过程的天气形势进行了分型研究。随着资料的不断更 新，许多研究人员对些典型的暴雨个例做了进一步的分析，得到的结论为准确的天气预 报奠定了坚实的基础。柴东红、陈艳等潞3 4 采用中尺度数值模式m m 5 对2 0 0 3 年1 0 月l o 1 2 舀发生在华北地区一场罕见的大范圉暴雨、区域性大暴霹进行模拟。结果表明，对滚有效 位能、风暴相对螺旋度、能量一螺旋度指数这3 个参数对这次大暴雨的发生发展有较好的 指示作滔，著分析了就次暴雨的物理成困。粱丰、陶诗言等潲1 翱翔n c e p n c a r 的孬分析 资料和g m s 红外黑体亮温( t b b ) 资料等对1 9 9 1 年6 月9 - 11 日的一次黄河气旋暴雨过程 进行了诊断分析，得到很多有价值的研究结果。梁平德等m 3 应用n c e p n c a r5 0 0 h p a 逐日 资料对影嚷华= l 艺盛夏早涝的环流特征进行了分析，绘出了盛夏早涝分别与“疆高东低”和 “东高西低”流型的对应关系，并进一步研究了初夏与盛夏的环流演变特征。杨晓霞m 1 对函东省远距离热带气旋暴雨进幸亍研究，建立了丞东省远距离热带气旋暴磷的天气学模 型。 1 2 暴雨灾害的数值模拟研究进展 由于目前常规观测资料时空尺度分辨率的限制，很难揭示出中尺度系统的结构特征及 演变过程，数值模拟缩果的分析就成为研究中尺度大气动力过程的有效手段之一。比较有 名的孛尺度数馕模式有美国宾媸大学黧家大气研究中心的泓5 模式，奥克拉搿马大学的风暴 分析预报中心的a p r s ，国家环境预报中心的业务预报模式( e t a 模式) ，美国国家大气研究中 心( 粥轰l i 孛小尺度气象处、圜家环境预报中心( 麓醋) 环境模拟中心、预报系统实验室( 礴己) 的预报研究处和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心联合开发的w r f ，英国气象局中尺度业 务模式( u k m o 模式) ，法国中尺度非静力模式( m e s o - n h 模式) 等。最近几年，模式研究主 要致力于发挥现代探测手段获褥的多荦孛非常规观测资料的作爝，合理有效地实现四维变分 资料同化方法嘲删，改善区域业务数值天气预报的质麓，以便更好地用于数值模拟研究，进 一步推进孛尺度系统的理论磺究。我阉嚣前爱在研究麴霆嚣残模式( 中国科学院) ，g r a p f _ s 模式( 中国气象科学研究院) 及美国正在研制的模式系统就是围绕这样的目的进行的。 由于暴雨的形成本身就是个非常复杂的润题，暴雨发生的基本条件决定了每次暴雨过 2 蔓二雯! l 室 一 程的天气系统配置及其发生机理有宏观上的相似，但每个暴雨过程的范围、强度、持续时 间的差别又决定了每个过程中其天气系统的配置及发展状况的差异。因此，深入分析不同的 暴雨过程，揭示其不同匏演交规律，探讨其更深刻的撬理具有藿要的学术意义。大量酶研究 事实表明h 4 8 1 ，随着模式的发展，已经可以利用模式输出的“接近实况”的高分辨率资料 来分析与暴雨系统相联系的天气过程，使得分析孛小尺度系统的结构帮发生发展过程成为 可能。 1 3 雷达资料在强对流预报中的应用研究进展 目前，越来越多的数值预报模式开始关注对流尺度的天气预报。准确预报对流尺度的 天气现象首先要求模式具有足够精细的水平分辨率和精确的模式初始场。以前的一些短期 数值天气预报模式，箕拐始场的形成主要依赖予大尺发模式提供的客观分析资料帮常趣观 测资料h 卜4 引。而这些资料的空间分辨率达几百公里，不能很好地反映中尺度系统的特征， 初始场信惠的不足造成了凡乎所有的数值模式都存在着一个预报延迟静问题，这是难跌对 暴雨等中尺度天气系统提供准确预报的一个重要因子。因此，如何得到包含中尺度信息的 初始场，对暴雨等中尺度现象的预报和模拟非常重要。 与常飙资料攘比，雷达资料具有更高的时空分辨率，能够很好地表征大气中对流尺度 天气现象。因此，将雷达资料加入到数值模式中，能够提供更加准确的初始条件，从而提 嵩对暴雨等中尺度天气过程的预摄秘模拟能力。如俺充分零l 麓多普勃雷达探测资料，透过 反演、嗣化以及各种非绝热初始化等有效手段来改进初始场，提高数值预报水平，是目前 短期天气预报的重点之一。雷达资料蹲维变分同化泌涮和集合卡尔曼滤波技术静潮均在理 论和个例试验中得到较好的结果，是疆翦较为理想的阉化方法。不过，其缺点是太耗机时。 通过反演、三维变分同化手段从雷达资料反演出风场等，为模式数值模式提供高分辨率的 初始场，也取得了较好鳃效果辚啦! ，塞于具有省机对魏特点，非常适合业务运行。x u e 等强玎 利用a r p s 模式，对w s r 一9 8 d 多普勒雷达资料进行初始场调整和云分析，发现甏达资料能减少 模式的s p i n - u p 时间，受精确地模拟出初始时刻的风暴。z h a n g 澉1 利丽雷达反射率进行云分 析和非绝热初始化，发现湿度调整能明显提蒿定量降水预报。r o g e r s 等利用数字雷达反 射率直接调整初始场。 国内将雷达资料应爝于数值模拟也取褥樱当大的进展。帮崇践等强朝逶过单多普勒雷达 资料反演风矢麓变分方法形成预报初始场，明显地改进了预报。托甄等哺5 1 利用多普勒雷达 资料反演降水对模式进行动力和非绝熟初始化调整。通过m m 5 模式试验发现，雷达资料能提 3 第一零弓l 言 高0 - 6 h 降水落区和强度预报。对暴雨个例的一系列研究表明，用多普勒雷达基数据改进初 始场，能改善短时降水范围，强度和降水中心的预报结果，能够弥牢 s p i n u p 带来的副作用 姆川。余贞寿等n 龇在a r p s 模式巾弓l 入多普勒雷达数据模拟“兹娜”台风。试验表明，加入 雷达资料可以改善模式初始场台风中高层成雨条件，对台风降雨预报，尤其暴雨的落区、 降水分布及其随时阉变化翡预报喜较大赣改进。这些工作在甏达产品应瑶到数值模式中做 出了有意义的探索。但整体来看，在将多普勒雷达资料应用到中尺度模式方面，与豳外相 比还有相当大的差距，需进一步研究。 1 4 研究目的和意义 由以上简短的回顾可以看出，上述不同规模历时二、三十年的工作为华北暴雨研究打下 了坚实的基磁。但是也可以看到，受躐溅手段、理论研究等条件限制，过去的工佟主要围绕 着华北暴雨形成的大尺度、天气尺度环流分型、中低纬系统相互作用的动力研究、台风暴 褥的研究，丽对华= | | ：暴雨的孛尺度系统结构特征、发生发展懿辊理和演变特镊研究较少。并 且过去对暴雨个例的研究主要关注2 4 时，对降水集中在几小时之内的突发性暴雨研究很 少。 暴雨是在有利的大尺度环境下，由中尺度系统直接造成的剀。因 嚣研究暴雨的中尺度特 征和中尺度系统对暴雨的作用十分重要。国外对这部分的研究相对成熟口4 。7 6 1 。国内近几年 对这方面酶研究也逐步深入。仍然集中在梅霹锋暴焉释华南暴雨上h 7 嘲，倒絮c h e n h 朝，z h a n g 等盯8 1 ，歪建捷盯9 1 ，江晓燕1 ，王智佃，贝耐芳阳引，张小玲、陶诗言阳3 1 等对梅雨锋上的中尺度 系统进行了诊断分析和数值模拟。孙建华等燃1 分析了华南大暴雨的中尺度对流系统的环境 场并进行数值模拟。受观测资料的限制，上述研究大多采用数值模拟的方法，但模式结果与 观测结果必然存在一定的偏差。因此充分利用观测资料研究暴雨的中尺度系统十分必要。 隧着大气遥感技术窝囊测手段豹提裹，高对空分辨率资料和壹动站加密资辩等非常撬 资料得到广泛应用。例如，何立富随引，寿亦麓旧1 ，陈永林坤 利用常规资料和卫星雷达资料 对北京“7 1 0 ”暴雨、“0 5 。6 ”东托暴雨及上海“0 1 8 5 ”特大纂雨的中尺度强对流系统活动 特征、动力结构特征及其环流背景进彳亍分析研究。2 0 0 7 年7 月1 8 日，受5 0 0 h p a 河套东移过来 的南北向弱短波槽和8 5 0 h p a 切变线的影响，山东省遭受暴雨袭击，尤其在济南市区i d 时最 大降水鲎达至l j l s l m m ，具有降水集孛，历时短，强度大静特点，并且俘有雷暴、强对渡大风天气， 具有明显的中尺度特征。尹承荧等m 。8 螂以此次暴雨为例，阐述 f y - 2 产品在临近预报中的应 用并进行了中尺度分析，僵并来对影响暴雨的中1 3 ( y ) 系统演变过程和结构特征遴行深入 4 第一牵弓l 言 研究。 由于这类强对流天气空间尺度小，产生时间短，具有较强的突发性，所以单纯依赖观测 姿料并不能清楚的分桥孛尺度对流系统熊三维结构、内部豹环流特 委帮发展维持的原因和 机制。因此，要借助中尺度数假模式做辅助研究。期望通过2 0 0 7 年7 月1 8 日山东济南短时特 大暴雨鳃个铡分析，总结出不弱发展阶段地面、雷达回波和降承特征静天气概念模型，加深 对此类极端暴雨的认识，并为黄河流域和华北暴雨的研究奠定坚实的基础，为业务预报提供 更有效的依据。 5 2 1 资料 第二章资料、方法和研究内容 第二章资料、方法和研究内容 本文所用资料主要包括：n c e p n c a r 的l 。x l4 逐6 h 再分析资料、我国高空地面常规 和加密观测资料、由东省自动站逐1 0 分钟加密观测浚辩、济南市章丘探空站逐6 小时l 波 段探空资料、f y - 2 c 卫星逐3 0 分钟红外亮温( t b b ) 和可见光云图资料、济南市齐河站 c i n r a d - s a 逐6 分钟雷达基数据资料。站点分布见图1 1 。 2 2 方法和研究内容 l 用常规，非常规观测资料了解雨情和灾情。 2 对暴雨发生麓天气尺度环境场进行分析 ( 1 ) 利用地丽、高空天气图进行环流背景分析； ( 2 ) 利用黼e p n c a r 再分析资料诊断暴雨发生过程的承汽条件、不稳定条彳譬和上升运动等 有利于暴雨发生的大尺度环境场条件。 3 对产生暴雨的中尺度对流系统发生发展过程进行分析 ( 1 ) 利用加密自动站资辩分凝极值暴褥对段酶蘑情、气压、湿度时空分布特征，水汽、风 场变化情况； ( 2 ) 利用己一波段探空资料帮1 4 点加密探空资料，分析孛尺度暴雨系统的环境场条钵，并结 含地面加密观测资料推测强对流发生发展的可能触发机制； ( 3 ) 利用卫鼹资料分析引起强暴雨的q 和b 中尺度对流系统的发生发展过程； ( 4 ) 秘用雷达资料分析影响济南3 h 短孵强降水的y 孛尺度系统的活动特缝。 4 利用中尺度数值模式( a r p s ) 的模拟结果进一步分析引起此次暴雨的中尺度对流系统结 构特征、触发机制釉发展维持原因。 5 利用a r p s 模式提供的3 d v a r 和综合云分析系统，成功地将雷达资料加入到数值模式中，通 过结果分析，来探讨多普勒雷达资料在中尺度模式短时预报中的作用。 6 第二章资料、方法和研究内容 幽21 济南市站点分布幽( 小圆点为山东加密自动站，椭圆 点标有站号为全国基本站。正方形为齐河雷达站阴蟛处为7 月1 8u1 7 ：o o 一2 0 ：o o 时3 小时降水量 l o o z 的降水医，小圆 圈为降水中心，对应市政府站，童丘探窄站位于章丘基本站， 第三章降水实趿背景场特征分析 3 i 降水实况 第三章降水实况及背景场特征分析 7 月1 8 日，山东省遭受暴雨袭击，1 8 日0 8 时一1 9e l0 8 时，山东德州i 1 9 d 如、商河 1 3 5 m m 、齐河1 3 5 m m 、长青1 4 0 r a m 、博山1 1 7 胁，半岛的莱西1 1 6 m m 、栖霞1 2 2 础、文登1 0 4 m m ， 1 8 日济南市区l 小时最大降雨量达1 5 1 r a m ，为1 9 5 8 年以来历史最人值( 图3i ) 。 由于降水强度大，范围广，给人民群众生命财产造成了重大损失。尤其在济南市，强降水 恰好发生在下班高峰飙造成了严重的市内交通阻塞，据统计，全省受灾人口5 59 2 万人死 亡3 0 人，失踪8 人伤1 9 7 人。全省直接经济损失逾1 5 亿元。 圈3 17 月1 8u7 月1 9 山东省2 4 小时降水盈( 珊 3 2 大尺度环境场特征 32 i 天气系统分析 0 8 时。高层2 0 0 h p a ( 图略) 山东位于南亚高压前部，盛行西北凤，对应高层强烈的辐 散。中层5 0 0 h p a ( 图3 2 ) ，山东位于河套东移过来的弱短波槽前，西太平洋副热带高压在 华南沿海加强西伸，与中纬度华东沿海的大陆高压脊同位相叠加，使得中纬度环流经向度 第三章降水实况厦背景场特征分析 增大，西南暖湿气流加强北上。中低层8 5 0 7 0 0 h p a ( 圈33 ，34 ) ，山东位于东北一两南向 切变线东南侧，沿海高压脊话部的西南气流猛烈增强，从华南沿海到山东形成一股强盛的西 南风急流，风速达1 2 m s 以上，8 5 0 h p a ( 目34 ) 在湖南和湖北境内的西南风达到2 0 m s 强盛的暖湿气流源源不断地向山尔输送。急流区的温度露点著都在5 以下，大气近于饱 和，为山东暴雨区提供充分的水汽条件。低层8 5 0 h p a 从东北回流南下的冷空气到达4 0 9 n 附近，与西南暖湿气流交汇，增强暴雨区大气不稳定性。 第三章降水实况及背景场特征分析 从综台图1 可以看出( 图35 ) ，5 0 0 h p a 低槽超前于8 5 0 h p a 切变线，上f 层系统的配置 形成前倾结构，造成大气层结不稳定，在1 8 日2 0 时，西风情已过济筒到达山尔、f 岛，切变线 刚刚到达济南上空。这套阿风带东移的低值系统配台地面东南移f j 冷锋，是影响此次【j _ 尔降 水的主要天气系统。偏北气流与阿南急流的汇合，产生较强的辐合上升运动，触发小稳定能 醚释放，生成中尺度对流系统，十分有利于对流云团的形成和发展，造成山东人范踊暴雨v 幽357 门1r f l 综台嘲( 实心箭土代表0 8 时2 ( 1 0 h p a 急 l 轴位置，空心箭头代表同一时刺8 5 0 h p a 急m 址位置 第三章降水实况及背景场特征分析 3 2 2 水汽条件 暴雨形成的晟基本的条件就是耍有充分的水汽供应，要求暴雨区上空大气水汽含量高， 饱和层厚，同时还要有源源不断的水汽输送。 水汽通胄 是表征水汽来源、输送强度的物理 ； ，是一个矢量，方向和风矢量的方向相同。 水汽通量散度是表征水汽辐合辐散的物理量，是一个标量，对它进行分析可以了解水汽的汇 和源，从而更好地了解滞洪暴雨的水汽条件。 分析水汽通鼙、水汽通带散度可得：此次暴雨的水汽主要来源于孟加拉湾和南海。从 0 8 时开始对流层中低层就存在一条自华南地乏向山东伸展的东北一两南向强水汽输送带，为 对流云团的发展、维持和暴雨区提供了源源不断的水汽。1 4 时( 幽36 a ) ，此水汽输送带 东伸，轴线穿越济南，其自, - i t 侧存在一水汽辐台中心，强度为4 1 07 9 sh p ac l d2 ，同时在太 行山、中条山、伏年山附近、重庆、贵州北部地区也存在多个水汽通量辐台中心，强度与之 相同，且与中尺度对流云团( m c s ) 位置有很好的对应关系( 图36 b ) 。沿儿7 。e 的垂直剖 面图上显示( 图略) ，位于山东上空的水汽通量辐合区高度仅至8 0 0 h p a 中心值在近地面 层，说明暴雨区上空的对流云团处于发展阶段。同时，8 5 0 h p a 一6 5 0 h p a 有一个干舌从辽宁经 河北向山东西北部伸展，通过温度平流( 图略) 发现是南下的冷空气造成的，这种上干下姓 的结构有利于暴雨出现在山东西j 匕部地区( 德州、齐 可、济南、商河等) 。2 0 时( 豳36 c ) ， 水汽输送带南移加强，轴线已过山东境内，水汽通量辐台中心也随之东南移，沿1 1 7 。e 的垂 直剖面图上可以很清楚的看出( 图略) 水汽通量辐台加强，低层中心值位于山东南部9 0 0 h p a 高度，强度返7 1 07 9 sh p ac m2 对席云图上m c s ( 圈36 d ) 发展旺盛，已进入成熟期，t b b 小于一7 2 。c 的冷云区覆盖济南地区，但晟玲云团已离开济南，此时济南降水急剧减弱。 第三章降水实况厦背景场特征分析 幽368 5 0 h p a 水汽通量矢量( g sh p ac m ) 水汽通量散崖( e 7 sh p 2 ) 和i 团t b b ( 。c ) 分布( i 顶亮温从3 2 。c 开始，并颜色间隔为1 0 。c ) ( a ) ( c ) 14 时，( b ) ( d ) 2 0 时 323 动力分析 3231 高低空急流配置 暴雨是一种深对流系统，它与高低空环流形势密切相关，高低空急流在暴雨的形成中有 相当重要的作用，特别是高低空急流的耦合是强降雨发生的重要原因。，低空急流造成暖 湿空气输送，高空急流导致干冷空气平流，从而加强大气层潜在不稳定性，高低空急流耦台 产生的次级环流的上升支将触发潜在不稳定能量的释放”。 1 4 时( 吲37 a ) ，山东位于2 0 0 h p a 高空急流山口区的右侧，8 5 0 h p a 低空急流出口区的左 前侧，这正是高低空急流藕合形成最有利暴雨发生的动力场区域。高空急流前沿到达河北境 内，中心值达5 0 m s ，东北一西南走向的低空急流轴何于济南南侧，其附近存在一强度为 1 6 m s 的急流中心，将华南沿海的暖湿气流源源不断地向暴雨区上空输送，为大暴雨提供充 足的水汽来源。2 0 时( 图37 b ) ，高空急流中心加强到6 0 m s ，前沿南压至山东j 匕部，低空西 南急流南撒，离开济南，雨带随之南移，济南| 5 年水结束。 一觯多一 巧一_。激；i登瑟霾圜 第三章降水实况及背景场特征分析 圈377 月1 8u ( a ) 1 4 时和( b ) 2 0 时2 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 风速分布图 ( 实线为2 0 0 h p a ，阴影为8 5 0 h p a ；单位：m s ) 32 3 2 涡度、散度和垂直速度 从涡度场沿1 1 7 。e 的垂直剖面图可以看出，1 4 时( 图3 b a ) ，山东上空的正涡度柱位 于m c s 南侧，从低层伸展到3 0 0 h p a 高度，最大正涡度位于济南上空8 0 0 h p a 附近，强度为 6 1 05 s 。，另一正涡度中心位于济南北部的5 5 0 h p a 高度，强度为4 1 0 s ，对应天气图上低空 切变线和5 0 0 h p a 短波槽的气旋性曲率最大处，涡旋环流最强，风切变最明显。高空1 5 0 h p a 附近存在一强度为6 1 0 s 的负涡度中心，这种中低层强正涡度、高层强负涡度的配置，有 利于暴雨区高层气流反气旋式旋转、中低层气流气旋式旋转。2 0 时( 图38 b ) ，正涡度柱 南移，中心抬升至7 0 0 h p a , 位于济南南部，高层负涡度强度增强，中心最大值达到一8 1 05 s ， 说明对流发展旺盛，对应云图上此时正为m c s 发展成熟期。 沿1 1 7 。e 的散度垂直剖面图显示，1 4 时( 图38 a ) ，山东境内从地面至高空辐合区与辐 散区交替出现，体现出明显的夹卷现象。低层的最大辐台中心在泰山附近，中心值达 一2 1 0 s ，其北部8 5 0 h p a 附近出现一强度为5 1 05 s1 的辐散中心，5 5 0 4 5 0 p a 之问为一辐合 带中心值- 2 5 1 05 s ，其上层对应摄大值为4 1 0 “s “的辐散中心，这种高层辐散强度大于 低层辐合强度的配置，有利低层切变和低空急流的维持这种分布状态也说明m c s 处于发展 新，对流并不深厚；2 0 时( 图38 b ) ，低层辐合中心仍位于泰山上空，中一山略有抬升至9 0 0 h p a 附近，强度加大到一4 1 0 一s1 ，同纬度1 5 0 h p a 附近存在一强度为5 1 0 一s1 的辐散中心，散度柱 基本与涡度柱重合。这种低层辐合，高层辐散的配置，为暴雨的发生与维持提供了有利的动 力条件。 强的上升运动是形成暴雨的必要条件。从沿1 1 7 。e 的垂直速度剖面图上可以看出，1 4 第三章降水实况及背景场特征分析 时( 幽38 a ) ，地面3 6i n 以南为上升运动压，随着高度向北倾斜，济南上空5 0 0 h p a 高度的上 升运动是由埘风带短波槽造成的，擐人上升速度位于济南上空3 5 0 h p a ，强度05 p a s ，这在 一定程度l 托制r 对流层中f 部的上升运动发展，为暴雨区积聚能量。另外两个高值中心分 别位于济南北部f 1 5 0 h p a 和山东南部6 0 0 h p a 高度。地面3 6 - n 以北为速度f 沉区，最火下沉 速度l l j 现在9 0 0 h p a ，强度为04 p a s ，存在明显的垂直环流。结合涡度散度图可咀推测，低层 的上升运动足由丁局地热对流形成的，在8 5 0 h p a 气旋性气流的引导下逐渐发展成为强对流， 对流不断发展，最终与5 0 0 h p a 高度的上升运动结合，形成产生此次强降水的对流天气系统 2 0 时( h38 b ) ，上升丘耋动医为乖赢速度托，中心位丁4 0 0 h p a 高度，强度增加到08 p a s ， 说明m c s 较h 叫发展旺盛垂直速度、正涡度区和辐台区的盏加区域即为m c s 覆盖区，已随 系统移刨济南以南，同此济南降水儿近结束。 圉38 沿1 1 7e 的涡度、散崖和垂直速度的经向剖面圈( a ) 1 4 时( b ) 2 0 时 ( 实线为垂直速度：p a s ，虚线为散度s1 ，阴影区域为正涡度区：1 0 + s ) 324 热力分析 强降雨的发生需要高能量的条什，而高温高湿环境对应着高能量场。0s e ( 假相当位温) 是表征人气温度、压力、湿度的综合特征苴，0s e 的分布反映了人气中能量的分布。0s e 随高度的乖直分布能反映气层对流性稳定的情况。 沿1 1 7 。e 的0s o 经向剖面目显示，降水前期1 4 时( 凹39 a ) 4 0 0 h p a 咀下人气潜在对 流性不稳定，9 0 0 h p a8 0 0 h p a 济南上空等os e 线呈准水平，假相当位温的垂直梯度大。 8 0 0 h p a - 4 0 0 h p a 济南上空有+ | 暖舌，等os e 线倾斜凸起，为高温高湿对流不稳定区，有显著 的水汽和能量的积聚，只要低层有扰动出现，即可触发强对流产生，利于强降水的发生。到 1 4 第三章降水实况厦背景场特征分析 2 0 时( 图39 b ) 济南地区从地面至8 0 0 h p a 高度仍为对流不稳定区，但随着对流层中低层冷 空气的南侵济南上空8 0 06 0 0 h p a 等os e 线变的陡立密集，儿乎与等压面垂直，说明此厚度 上对流不稳定性大幅度减弱或呈中性层结，说明济南地区的对流减弱，降水也减弱。 33 小结 2 0 时1 1 7 0e 的假相当位温( k ) 经向剖面圈 利片j 逐1 2 小时高空、地面观测资料、逐2 4 小时降水资料、逐6 小时n c e p n c a r 再分 析资料对济南火暴雨的降水情况和大尺度天气背景场进行分析，得山咀下结论：影响济南大 暴雨的主要天气系统为对流层中层的弱短波槽、低层的暖式切变线和地面冷锋。来自盂加 拉湾和南海的强西南急流，形成东北一西南向强水汽输送带，为暴雨区提供大量的水汽和能 量，为m c s 的发展维持提供必要条件。降水前济南附近深厚的对流不稳定层结是中尺度系统 发生发展的重要条件之一。高低空急流的耦合、涡度、散度、垂直速度的有效配置为暴雨 区提供十分有利的热力条件和动力条件，也决定了暴雨落区的大致位置。 中尺度对流系统是造成暴雨发生的直接影响系统，通过追踪云团的分布特征可咀推断 此次大暴雨是由两个中8 尺度对流云团合并形成的中a 尺度对流云团造成的。暴雨和强对 流天气的产生除了有利的大尺度环境条什外，还需要有一定的触发机制才能使对流不稳定 能释放产生对流。冈此f 一章我们将对济南大暴雨进行中尺度分析，米研究引起此改人暴雨 的中尺度对流系统的发生发展，试图揭示其触发机制。 第四章暴雨的中尺度分析 第四章暴雨的中尺度分析 4 i 降水的中尺度特征 图41 是7 月1 8 日济南母强降水时段的累积降水量分布，可见，在济南市区1 7 2 0 时均 出现1 0 0 唧以上的降水，其中市政府站最大降水掇达1 6 7 5 m m ，而1 5 1 m m 的l 小时最大降水 也是在该站观测到的。 * r ? ：a1 o , 3 z 圈4l7 月1 8 日1 7 ：o o 一2 0 ：o o 时济南市区自动站3 小时 雨量分布图( 自动站位置与圈ii 中济南市区自动站位簧 对应单位：衄此圈引自山末省气舞台) 1 7 2 0 时运小时降水分布( 圈4 2 ) 显示，山东省境内一条东西向的雨带白北向南缓慢 移动，1 8 时雨带上白西向东存在馆陶、临清、齐河、济南市区、淄博五个1 3 中尺度雨团中 心，其中济南市区降水最强。雨量超过6 0 哪。1 9 时，雨团中心南移并增长到6 个，原来位于齐 河附近的雨团强度加大雨量超过7 0 舢，济南市区附近雨团强度不变，章丘博山区出现新的 降水中心，雨强超过5 0 删，原淄博附近雨团强度减弱为3 0 m m 左右。2 0 时，上述齐河、济南 市区附近的雨团合井南移到济南市长清县一带，中心雨强5 0 唧以上，济南市区降水急剧减 弱，章丘博山区雨团面积增大，雨强不变。2 l 时，雨带离开济地区，市区