冷渦背景下魯中地區(qū)短時強降水特征分析

何鵬程　張可欣　卜慶雷

摘要：利用魯中地區(qū)25個國家級氣象觀測站2002—2019年5～8月逐小時降水量資料，統(tǒng)計分析了冷渦背景下短時強降水的時空分布特征及其與冷渦的關系。結果表明：（1）魯中地區(qū)短時強降水日數(shù)和站次的大值區(qū)主要分布在海拔較高的中西部山區(qū)，低值區(qū)分布在海拔較低且為平地的魯中東部。（2）34.6%的短時強降水日發(fā)生在冷渦背景下，魯中地區(qū)短時強降水日數(shù)和站次在7月份最多，5月份最少;6月份冷渦作用最為顯著;短時強降水多發(fā)時次集中在16時～次日02時。（3）魯中地區(qū)以出現(xiàn)1～2個站的局地短時強降水為主;短時強降水以20～30 mm雨強為最多，7月份雨強超過50 mm的站次最多。（4）局地短時強降水發(fā)生時，冷渦中心多分布在115 °E～137.5 °E、47.5 °N～55 °N的矩形范圍內(nèi)，大范圍短時強降水對應的冷渦中心分布范圍最小;冷渦越強，短時強降水范圍越大。

關鍵詞：冷渦??魯中??短時強降水??特征分析

中圖分類號：P434???文獻標識碼：A???文章編號：1672-3791（2022）02（a）-0000-00

Characteristic?Analysis?of?Severe?Short-Time?Precipitation?in?Central?Shandong?under?Cold?Vortex?Background

Abstract：?Using?the?hourly?precipitation?data?of?25?national?meteorological?stations?in?central?Shandong?Province?from?May?to?August?of?2002～2019，?the?characteristics?of?spatio-temporal?of?severe?short-time?precipitation?under?cold?vortex?background?and?its?relationship?with?cold?vortex?is?analyzed.?The?results?are?as?follows：（1）?Severe?short-time?precipitation?in?central?Shandong?mainly?occurs?in?the?central?and?western?mountainous?areas?with?high?altitude，?and?less?occurs?in?the?lower?and?flat?areas?in?east?of?central?Shandong.?（2） 34.6%?of?severe?short-time?precipitation?occurs?under?cold?vortex?background.?The?number?of?severe?short-time?precipitation?days?and?stations?in?central?Shandong?mainly?occur?in?July?and?less?in?May;?Cold?vortex?plays?the?most?important?role?in?June;?Severe?short-time?precipitation?mainly?occurs?from?16：00?to?02：00?next?day.?（3）?Local?severe?short-time?precipitation?with?1?～?2?stations?is?the?main?situation?in?central?Shandong;?The?rainfall?of?severe?short-time?is?concentrated?between?20?to?30?mm?per?hour，?and?the?rainfall?more?than?50?mm?per?hour?mainly?occurs?in?July.?（4）?Cold?vortex?centers?are?mostly?distributed?in?the?rectangular?range?of?115?°?E?to?137.5?°?E?and?47.5?°?N?to?55?°?N?when?local?severe?short-time?precipitation?occurs.?And?the?distribution?of?cold?vortex?centers?is?more?concentrated?when?large-scale?severe?short-time?precipitation?occurs;?The?stronger?the?cold?vortex，?the?larger?scale?of?short-term?heavy?precipitation?occurs.

Key?Words：?Cold?vortex;?Central?Shandong;?Severe?short-time?precipitation;?Characteristic?analysis

高空冷性渦旋是一種存在于對流層中、上層的低壓系統(tǒng)，其中心附近的氣溫明顯低于四周，故稱為高空冷渦[1]。東亞地區(qū)的冷渦常形成于貝加爾湖附近，然后經(jīng)蒙古國、中國內(nèi)蒙古和東北地區(qū)緩慢東移，常根據(jù)其所處地理位置分為蒙古冷渦、華北冷渦和東北冷渦等。冷渦是造成強對流天氣的重要系統(tǒng)，常能帶來冰雹、雷暴、大風和短時強降水等強對流天氣[2-6]，引發(fā)重大的災害，因此一直以來備受關注。郁珍艷等人[7]研究指出京津冀地區(qū)41.91%的短時強降水都發(fā)生于華北冷渦背景下，在天津、河北東北部及南部地區(qū)分布較多，空間分布受到了地形影響。蔡雪薇等人[8]對冷渦背景下不同類型強對流天氣的成因做了對比分析。張仙等[9]對冷渦背景下京津冀地區(qū)連續(xù)降雹統(tǒng)計分析。陳濤等人[10]、鄭媛媛等人[11]分析了冷渦對颮線發(fā)生發(fā)展的影響。何晗等人[12]對冷渦影響下強對流天氣的基本特征進行了統(tǒng)計分析。李萍云等人[13]得出陜西短時強降水頻次及極值雨強的時空分布有其獨特性。王偉健等人[14]、馬艷等人[15]、劉娜等人[16]對冷渦背景下的典型強對流過程進行了分析。山東省內(nèi)的部分學者也對山東境內(nèi)短時強降水進行了相關研究，如楊學斌等[17]對山東省短時強降水天氣特征進行了分析，張永婧等[18]對濟南市區(qū)短時強降水特征和天氣分型進行了研究分析，張凱靜[19]等對青島市短時強降水進行了氣候特征分析和天氣系統(tǒng)分型。

目前對冷渦背景下的強對流天氣研究主要集中在冰雹、暴雨等天氣的研究，對冷渦背景下短時強降水天氣的研究較少。魯中地區(qū)主要地形表現(xiàn)為山地與丘陵，復雜的下墊面使得天氣系統(tǒng)在這里的演變及影響難以把握。因而該文對2002—2019年5～8?月冷渦背景下魯中地區(qū)短時強降水的時空分布特征進行統(tǒng)計分析，尋找兩者之間的關系，為冷渦背景下短時強降水概念模型的建立，提高預報準確率提供一定的參考依據(jù)。

1?冷渦概況

我國對冷渦的定義多針對東北冷渦，朱乾根等人[20]的定義為：中國東北附近地區(qū)具有一定的強度、能維持2～3?d且具有深厚冷空氣的高空氣旋性渦旋稱之為東北冷渦。鄭秀雅等人[21]根據(jù)研究需要對冷渦出現(xiàn)的區(qū)域和維持天數(shù)做了規(guī)定。影響魯中地區(qū)的冷渦主要是東北冷渦和華北冷渦，兩者的活動范圍存在重疊，為便于統(tǒng)計分析，結合前人研究，本文按如下規(guī)則定義為一次冷渦天氣過程：（1）在500?hPa天氣圖上至少能分析出1條閉合等高線，并有冷中心或明顯冷槽配合的低壓環(huán)流系統(tǒng);（2）冷渦出現(xiàn)在110 °E～145 °E，35 °N～60 °N范圍內(nèi);（3）冷渦在上述區(qū)域內(nèi)的生命史為3?d或3?d以上。利用2002—2019年5～8月500?hPa天氣圖資料，經(jīng)主觀分析一共識別出201個冷渦過程，平均生命史為4.3?d，共維持了870?d，占總天數(shù)的39%，可見在5～8月超過1/3的時間該區(qū)域受冷渦系統(tǒng)的影響。通過分析年分布特征得到：平均每年有11.2個冷渦過程，冷渦過程最多年份2005年、2008年和2010年為14個，最少年份2004年和2009年為7個;平均每年有48.3?d冷渦日，最多年2012年為62?d，最少2004年為30?d。通過分析月分布特征得到：5月份冷渦維持天數(shù)最多，平均為13.8?d，8月份最少為9.3?d。

2?冷渦背景下魯中地區(qū)短時強降水的特征

該文沿用中央氣象臺對短時強降水做出的業(yè)務規(guī)定，將1?h降水量≥20?mm的降水定義為短時強降水。以20時為界，只要有一站有短時強降水出現(xiàn)，則記為一個短時強降水日。分析2002—2019年5～8?月山東省魯中地區(qū)25個國家級氣象觀測站（圖1）18?a?逐小時降水量資料，結合統(tǒng)計出的2002—2019年5～8月冷渦資料，可以得到冷渦背景下短時強降水資料。經(jīng)過統(tǒng)計，共有431?d短時強降水日，其中有149?d發(fā)生在冷渦背景下，占34.6%。由此可見，冷渦是造成魯中地區(qū)短時強降水的重要天氣系統(tǒng)。為方便描述，下文所指短時強降水均指冷渦背景下的短時強降水。

2.1?空間分布特征

從短時強降水日數(shù)分布（圖2）可知，魯中地區(qū)短時強降水日的大值區(qū)主要分布在海拔較高的中西部山區(qū)，最大出現(xiàn)在博山，為30?d，其次出現(xiàn)在萊蕪，為28?d;海拔較低且為平地的魯中東部為短時強降水日的低值區(qū)，最小出現(xiàn)在壽光，為9?d，其次出現(xiàn)在諸城，為10?d?？梢?，魯中東部和西部地形的差異與短時強降水日的分布差異具有很好的一致性。魯中地區(qū)短時強降水站次的分布與短時強降水日的分布一致（圖略）。已有研究表明，魯中山區(qū)的地形與暴雨天氣過程和強對流天氣過程關系密切[22-23];地形的抬升作用，造成低層輻合加強和垂直速度增強，有利于不穩(wěn)定能量的積累和觸發(fā)，從而增強降雨強度[24]。

2.2?時間分布特征

2.2.1?年分布特征

由短時強降水年變化（圖3a）可見，短時強降水日和短時強降水站次呈一定的年際變化，短時強降水日2016年最多，為14?d，2004年和2018年最少，為3?d，平均每年為8.3?d;短時強降水站次2013年最多，為61次，2015年和2004年最少，為11次，平均每年為30.3次。

2.2.2?月分布特征

由短時強降水日數(shù)和站次分布（圖3b）可見，7月份短時強降水日最多，為72?d，占5～8月總日數(shù)的48%，其次為8月，占比26%，5月最少，占3%。短時強降水站次同樣在7月份最大，占比52%，其次為8月，占比21%，5月最少，占比4%。短時強降水日和站次與冷渦活躍多發(fā)期有著很好的對應關系。7月份西北太平洋副熱帶高壓發(fā)生第二次季節(jié)性北跳，東南季風和西南季風源源不斷帶來暖濕氣流，水汽充足，只要有觸發(fā)條件就很可能會產(chǎn)生短時強降水天氣[25]。此外，5月份和8月份短時強降水日有24%是發(fā)生在冷渦背景下，7月份為40%，6月份占比最大，為49%。可見，在魯中地區(qū)短時強降水的影響系統(tǒng)方面，相比其他月份，冷渦在6月份的作用最為顯著。

2.2.3?日分布特征

由逐時次短時強降水站次分布（圖4）可見，魯中地區(qū)短時強降水有明顯地日變化，呈現(xiàn)準單峰特征，最小值8站次出現(xiàn)在12時，之后逐漸上升，峰值40站次出現(xiàn)在20時，在0時出現(xiàn)次高峰37次。短時強降水站次>23站次的時間集中在16時～次日02時。這是由于午后下墊面吸收太陽輻射，地面明顯增溫，常在近地層形成下暖上冷的不穩(wěn)定層結，動力和熱力抬升使得不穩(wěn)定能力觸發(fā)和釋放，如配合豐富的水汽條件，極易出現(xiàn)短時強降水。而凌晨時的多發(fā)可能與低空急流有著密切聯(lián)系，低空急流的一個重要特征是有明顯地日變化，常在凌晨達到最大值，它作為一種動量、熱量和水汽的高度集中帶，常常是對流不穩(wěn)定層結的建立者和維持者。

2.3?強度特征

由不同雨強各月站次分布（圖5a）可見，魯中地區(qū)5～8月短時強降水以20～30?mm雨強為最多，占比64%，其中8月份最高為73%。7月份雨強超過50?mm的站次最多，為13站次，這是由于7月份西太平洋副熱帶高壓脊線位于25°N附近，魯中地區(qū)位于西太平洋副熱帶高壓西北部邊緣的濕區(qū)，暖濕條件最好，因此形成的短時強降水強度越強。

由于短時強降水日最多站數(shù)為13站，占總站數(shù)的52%，該文將短時強降水發(fā)生的范圍按照其出現(xiàn)的站數(shù)分為局地短時強降水日（出現(xiàn)短時強降水的站數(shù)占總站數(shù)≤10%）、小范圍短時強降水日（10%<出現(xiàn)短時強降水的站數(shù)占總站數(shù)≤30%）和區(qū)域性短時強降水日（出現(xiàn)短時強降水的站數(shù)占總站數(shù)>30%），該文依次取對應站數(shù)為[1，2]、[3，7]、[8，25]。由不同范圍各月站數(shù)分布（圖5b）可見，魯中地區(qū)以1～2個站的局地短時強降水為最多，占比61%，小范圍和大范圍短時強降水占比分別為28%和11%，小范圍及以下共占比89%。從各月分布看，局地短時強降水占比均超過50%，其中8月份最高為69%。因此，冷渦造成的魯中地區(qū)短時強降水以局地和小范圍為主。

2.4?短時強降水與冷渦位置的關系

由冷渦中心位置分布（圖6）可見，魯中地區(qū)短時強降水發(fā)生時，冷渦中心多分布在115 °E～137.5 °E、47.5 °N～55 °N的矩形范圍內(nèi);局地短時強降水發(fā)生時，冷渦中心同樣多分布在上述矩形范圍內(nèi);小范圍短時強降水發(fā)生時，冷渦中心多分布在115 °E～132.5 °E、45 °N～55 °N的矩形范圍內(nèi);大范圍短時強降水發(fā)生時，冷渦中心多分布在117.5 °E～127.5 °E、47.5 °N～57.5 °N的矩形范圍內(nèi)。局地短時強降水對應的冷渦中心位置范圍最廣，大范圍對應的冷渦中心位置范圍最小。不同范圍短時強降水日各站的站次分布（圖略）均與短時強降水日的分布一致，同樣是魯中中西部山區(qū)為大值區(qū)，海拔較低且為平地的魯中東部為低值區(qū)，不同之處在于，局地短時強降水站次的大值區(qū)和低值區(qū)之間差異小，小范圍和大范圍短時強降水站次差異大。

2.5?短時強降水與冷渦強度的關系

通過對不同范圍短時強降水日冷渦中心位勢高度的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，冷渦中心位勢高度具有隨著降水范圍增大而減小的特點，即冷渦越強，短時強降水范圍越大。其中，局部短時強降水日的中位數(shù)為?5 630位勢米，25%～75%分位在5 562～5 673位勢米之間;小范圍短時強降水日的中位數(shù)為5 610位勢米，25%～75%分位在5 561～5 641位勢米之間;大范圍短時強降水日的位勢高度最低，中位數(shù)為5 610位勢米，25%～75%分位在5 509～5 630位勢米之間。通過對不同范圍短時強降水日850?hPa位勢高度場的合成（圖7）可以看出，大范圍短時強降水日的冷渦底部存在一個低槽，有利于冷空氣的旋轉南下;同時，大范圍短時強降水日魯中地區(qū)西北—東南向的位勢高度梯度在三類降水范圍中也是最大的，說明西南暖濕氣流也是最好的。高空冷空氣條件和低層暖濕條件，構成了魯中地區(qū)大范圍短時強降水發(fā)生的有利天氣系統(tǒng)配置。

3?結論與討論

（1）魯中地區(qū)短時強降水日數(shù)和站次的大值區(qū)主要分布在海拔較高的魯中山區(qū)，低值區(qū)分布在海拔較低且為平地的魯中東部。34.6%的短時強降水日發(fā)生在冷渦背景下，魯中地區(qū)短時強降水日數(shù)和站次在7月份最多，5月份最少;6月份冷渦作用最為顯著，49%的短時強降水發(fā)生在冷渦背景下;短時強降水多發(fā)時次集中在16時～次日02時。

（2）魯中地區(qū)以出現(xiàn)1～2個站的局地短時強降水為主，占比61%;短時強降水以20～30?mm雨強為最多，7月份雨強超過50?mm的站次最多。局地短時強降水發(fā)生時，冷渦中心多分布在115 °E～137.5 °E、47.5 °N～55 °N的矩形范圍內(nèi)，大范圍短時強降水日對應的冷渦中心分布范圍最小;冷渦越強，短時強降水范圍越大。

（3）對冷渦背景下魯中地區(qū)短時強降水的時空分布特征有了系統(tǒng)的認識，還對影響魯中地區(qū)時冷渦的位置和強度有了定量認識，可以為冷渦短時強降水發(fā)生時間、落區(qū)以及強度的預報提供一定的參考依據(jù)。

參考文獻

[1]?劉宗秀，廉毅，高樅亭，等.東北冷渦持續(xù)活動時期的北半球500hPa環(huán)流特征分析[J].大氣科學，2002（3）：361-372.

[2]?孫力，安剛，高樅亭，等.1998年夏季嫩江和松花江流域東北冷渦暴雨的成因分析[J].應用氣象學報，2002（2）：156-162.

[3]?姜學恭，孫永剛，沈建國.98.8松嫩流域一次東北冷渦暴雨的數(shù)值模擬初步分析[J].應用氣象學報，2001（2）：176-187.

[4]?劉慧斌，溫敏，何金海，等.東北冷渦活動的季節(jié)內(nèi)振蕩特征及其影響[J].大氣科學，2012，36（5）：959-973.

[5]?崔慧慧，馮慧敏.東北冷渦持續(xù)影響下鄭州地區(qū)多日對流性天氣特征分析[J].科學技術與工程，2017，17（6）：7-16.

[6]?楊珊珊，諶蕓，李晟祺，等.冷渦背景下颮線過程統(tǒng)計分析[J].氣象，2016，42（9）：1079-1089.

[7]?郁珍艷，何立富，范廣洲，等.華北冷渦背景下強對流天氣的基本特征分析[J].熱帶氣象學報，2011，27（1）：89-94.

[8]?蔡雪薇，諶蕓，沈新勇，等.冷渦背景下不同類型強對流天氣的成因對比分析[J].氣象，2019，45（5）：621-631.

[9]?張仙，湛蕓，王磊，等.冷渦背景下京津冀地區(qū)連續(xù)降雹統(tǒng)計分析[J].氣象，2013，39（12）：1570-1579.

[10]?陳濤，代刊，張芳華.一次華北颮線天氣過程中環(huán)境條件與對流發(fā)展機制研究[J].氣象，2013，39（8）：945-954.

[11]?鄭媛媛，張雪晨，朱紅芳，等.東北冷渦對江淮颮線生成的影響研究[J].高原氣象，2014，33（1）：261-269.

[12]?何晗，諶蕓，肖天貴，等.冷渦背景下短時強降水的統(tǒng)計分析[J].氣象，2015，41（12）：1466-1476.

[13]?李萍云，趙強，王楠，等.2015—2018年陜西短時強降水時空分布特征[J].陜西氣象，2019（5）：34-39.

[14]?王偉健，顏佳任，郝玲，等.冷渦背景下蘇北地區(qū)連續(xù)兩次強對流天氣過程對比分析[J].氣象與減災研究，2020，43（2）：97-105.

[15]?馬艷，董海鷹，郝燕，等.華北冷渦背景下青島三次混合型對流天氣環(huán)境場條件對比分析[J].中國海洋大學學報：自然科學版，2021，51（4）：13-20.

[16]&nbsp;劉娜，丑士連，郭俊廷，等.東北冷渦背景下多單體風暴觸發(fā)的一例雹暴天氣診斷分析[J].氣象災害防御，?2020，27（3）：17-21.

[17]?楊學斌，代玉田，王寧，等.2006—2015年山東短時強降水時空分布特征[J].海洋氣象學報，2018，38（2）：103-109.

[18]?張凱靜，江敦雙，丁峰.青島市短時強降水的氣候特征和天氣系統(tǒng)分型[J].海洋氣象學報，2018，38（1）：108-114.

[19]?張永婧，高帆，于麗娟，等.濟南市區(qū)短時強降水特征分析與天氣分型[J].海洋氣象學報，2017，37（3）：109-116.

[20]?朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學原理和方法[M].3版.北京：氣象出版社，2000：372-373.

[21]?鄭秀雅，張廷治，白人海，等.東北暴雨[M].北京：氣象出版社，1992：129-130.

[22]?張可欣，湯劍平，邰慶國，等.魯中山區(qū)地形對山東省一次暴雨影響的敏感性數(shù)值模擬試驗[J].氣象科學，2007，27（5）：510-515.

[23]?朱義青，趙海軍，莊重，等.山東中部一次強對流天氣的中尺度結構和閃電特征分析[J].干旱氣象，2015，33（5）：830-837.

[24]?周雪松，閻麗鳳，孫興池，等.“2007.8.17”山東大暴雨的數(shù)值模擬和診斷分析[J].氣象，2012，38（8）：960-970.

[25]?章國材.強對流天氣分析與預報[M].北京：氣象出版社，2011：7-8.

作者簡介：何鵬程（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為短中期天氣預報。

2662500783359