杨晓霞，李春虎，吴 君，姜 鹏，郭俊建（．山东省气象台，济南 500；．山东省气象局，济南 500；．临沂市气象局，山东 临沂 76004）

鲁南三次低涡暖式切变线强降水的中尺度对流系统特征

杨晓霞1，李春虎2，吴 君3，姜 鹏1，郭俊建1
（1．山东省气象台，济南 250031；2．山东省气象局，济南 250031；3．临沂市气象局，山东 临沂 276004）

摘要：应用地面加密降水观测资料、天气图资料和FY2-E红外卫星云图及TBB资料，对山东南部3次中尺度低涡暖切变线强降水的中尺度对流系统特征进行分析研究。结果表明：3次强降水都是产生在中尺度低涡环流东部的暖切变线附近，有较强的低空西南风气流，都是在鲁南和鲁中南部造成强降水，强降水中心都在鲁东南。3次强降水都由中尺度对流系统（MCS）直接影响产生，有多个中尺度云团发展和合并，有多个强对流云团中心。造成3次强降水的中尺度对流云团都是从鲁西南移入，向北发展，缓慢向东移动，在东部沿海达到最强。最低TBB在-62～-78℃，造成1h降水量达30～137mm的强降雨，在同一测站产生强降水的时间为1～3h。对于同一个MCS降雨强度与TBB 成反比。“09.8.17”和“12.7.09”的MCS东移快，造成强降水的时间为18～19h，“12.7.09”的MCS 东移慢，造成强降雨的时间达25h。“09.8.17”的TBB较高，最低TBB 为-61.1℃，但是雨强最大，最大1h雨量达137.2mm,“12.7.09”的TBB最低，达到-78.2℃，但是最大1h雨量为88.3mm。

关键词：低涡暖式切变线；强降雨；卫星云图；MCS；TBB；降雨强度

资助项目：2013年中国气象局预报员专项(CMAYBY-2013-040)，2005年、2013年和2014年山东省气象局科研项目(2005sdqxz17，2013sdzd01 和2014sdqxm20)共同资助

引言

近年来山东频繁出现强降水，给国民经济和人民生命安全带来严重危害。由于强降水天气的范围小、降水强度大、维持时间短，对强降水的落区、强度和出现时间，一直是天气预报和预警中的一大难题。对于强降水的形成机制，国内外已进行了大量研究。大量研究表明，强降水是由中尺度对流系统（MCS）直接影响产生的，监测MCS的主要手段是高时间分辨率的静止卫星红外云图。Maddox[1]根据红外卫星云图的冷云盖特征，从中尺度对流系统(MCS)中界定了中尺度对流复合体（MCC）。中国的气象工作者对MCC进行了研究,发现它是造成中国夏季暴雨和洪涝灾害的主要天气系统之一[2-4]。国内气象工作者对MCS的普查和研究做了大量工作，给出了影响中国和一些地区的MCS的特征[5-13]。在中国，卫星云图已应用到对热带气旋、强对流、暴雨、暴雪等灾害性天气的监测和预报中,得到了一些对监测和预报有益的结果[14-22]。由于MCS的范围小、历时短、突发性强，造成的天气十分剧烈，MCS的发生、发展及造成的天气仍然是目前天气预报研究中的一大课题，对于各种天气系统影响下产生强降水的中尺度对流系统MCS的特征，还有待于进一步深入研究。此文应用FY2-E红外卫星云图和国家卫星气象中心网站的黑体亮温TBB资料，对鲁南地区3次暖切变线强降水的中尺度对流系统特征进行分析研究，为这类强降水的短时临近预报提供客观依据。

1 3次强降水特征

1.1 2009年8月17—18日降水特征

2009年8月17日15时—18日07时（简称“09.8.17”），鲁南地区自西向东出现1h雨量大于等于50 mm的区域性强降水天气，局部地区1h雨量大于100 mm。强降水主要集中在17日15—18时和17日20时—18日07时两个时段，前一时段1h雨量大于等于50 mm的强降水出现在鲁西南的南部，最大1h雨量为84.4～99.4 mm；后一时段1h雨量大于等于50 mm的强降水东移到鲁东南，最大1h雨量为50.0～137.2 mm，且17日23时—18日00时1h雨量大于50 mm的测站最多。费县18日01—02时1h雨量达到137.2 mm， 00—03时3h雨量242.2 mm，17日20时—18日06时10h雨量288.2mm，17日08时—18日08时日雨量达到296.5mm，日雨量创该县自1959年有气象记录以来极值。在这次强降水过程中，鲁南有18个县(市)过程雨量超过100 mm，两个暴雨中心分别在济宁和费县（图1a）。

1.2 2012年7月7—8日强降水特征

2012年7月7日12时—8日12时（简称“12.7.07”），鲁南和鲁中的西南部出现强降水（图1b），最大1h雨量在50～90.1mm。强降水分两个时段，第一时段在7日12—19时，鲁西南出现强降水，历经7h，1h雨量30.4～51.2mm，14—15时强降水的范围最大，强度最强，最大1h雨量为51.2mm。第二时段在7日23时—8日12时，鲁东南和鲁中的西南部出现强降水，1h雨量在38.2～90.1mm，范围和强度远大于第一个时段。23站1h雨量≥30mm，6站1h雨量≥50mm，枣庄市山亭区城头站08—09时1h雨量达90.1mm。总雨量分布有两个中心，一个是鲁东南的临沂，全市平均累计雨量为252mm，另一个在鲁中南部的莱芜至新泰一带。

1.3 2012年7月9—10日降水特征

2012年7月9日14时—10日07时（简称“12.7.09”），鲁东南和鲁中的南部出现强降水（图1c），这次强降水的范围扩大到鲁西北的西部，最大1h雨量在51.1～88.3mm。10日01—02时有5个站1h雨量≥50mm，费县石井政府院内雨量站1h雨量达88.3mm，雨量中心在临沂—费县—苍山一带，总雨量在201.1～278.8mm，费县许家崖中学驻地雨量站的雨量最大，达278.8mm。

比较3次强降水的降水特征可见，强降水都是在鲁南，从鲁西南开始，自西向东移动，在鲁东南强度达到最强，过程中心雨量都在200mm以上。30 mm·h-1以上的强降水在一个测站持续时间不长，最多3～4h，50 mm·h-1以上强降水在一个测站持续1～2 h。“09.8.17”强降水的范围最大，雨强也最大，“12.7.07”和“12.7.09”在北部都有一个次中心。

图1　2009年8月17日08时—18日08时（a）、2012年7月7日12时—8日12时（b）、2012年7月9日14时—10日08时（c）山东省强降水雨量分布图（单位：mm，等值线间隔20）

2 3次强降水的影响系统和温湿条件

3次强降水都是受低层850hPa以下中尺度低涡环流东部的暖式切变线影响产生的，850hPa～700hPa都有西南风急流影响，在西南风急流的西部形成中尺度涡旋中心，强降水产生在西南风急流的前部、暖式切变线附近。在500hPa上都有西风槽过境，高空有弱的冷空气影响。“09.8.17”强降水的低涡环流中心偏南，在山东南部35°N附近向东移（图2a）。“12.7.07”强降水的低涡环流中心偏北，在鲁西北36°N附近少动（图2b）。“12.7.09”强降水的低涡环流中心在鲁西北的西部生成（图2c），沿黄河快速向东北方向移动，有冷空气进入涡旋中心，地面上形成气旋。强降水产生在高温、高湿的对流不稳定大气中，K指数较高，在34～40℃。低层的比湿较大，850hPa以下的比湿大于14g·kg-1。3次强降水的形成机制已在文献[23]中进行了详细分析，在此不做赘述。

图2　2009年8月18日08时（a），2012年7月8日08时（b），2012年7月9日20时（c）850hPa风场分布

3 3次强降水的MCS特征分析

3.1 2009年8月17—18日产生强降水的MCS特征

分析2009年8月17—18日强降水期间FY-2E红外卫星云图的演变可见，17日12时河南东部有对流云团发展东移，13时其北部进入鲁西南地区，15时开始（图3a）对流云团北部在鲁西南地区发展，产生强降水，16时该对流云团在鲁西南地区与南部对流云团相衔接，17时鲁西南的对流云团快速向东向北发展，同时在对流云团主体的西南部也有小尺度对流云团发展，形成长形的中尺度对流系统（MCS）（图3b），鲁南地区降水加强。对流系统在19时达到最强，20时开始减弱（图3c），22时分裂成由5个小对流云团组成的对流云带。在对流云带的北端，低层为切变线辐合区，有辐合上升运动，触发对流不稳定能量释放，发展对流。23时后，对流云团在MCS北端强烈发展（图3d），给鲁东南带来极强降水。18日01时北部发展的对流云团最低TBB 达-57.5 ℃，02时（图3e）费县附近TBB达-61.1℃，1h产生137.2 mm的强降水。对流云团发展成圆型，缓慢东移，18日04时（图3f）开始减弱，其中心TBB升高到-54.8 ℃，边缘整齐。18日05时明显减弱，面积减小，边缘松散不规则，此时鲁东南地区降水强度明显减小。07时演变成南北带状移到江苏北部沿海，鲁东南地区强降水基本结束。由此可见，强降水主要由长形MCS和其北端发展的圆形中尺度对流云团产生。MCS从鲁西南移入山东，向北发展，缓慢东移，在鲁东南达到最强，产生的降水也最强。从17日13时开始发展影响鲁西南到18日07时减弱从鲁东南移出，在山东境内造成强降水的时间为18h。

图3　2009年8月17日15：16（a），17：16（b），20：16（c），23：16（d），18日02：16（e），04：16（f）FY-2E红外卫星云图

3.2 2012年7月7—8日产生强降水的MCS特征

分析2012年7月7—8日强降水期间的红外卫星云图演变（图4）可见，强降水开始前，7 日10时在河南、安徽和江苏为多个对流云团组成的东西向对流云带，对流云带西部的对流云团发展、合并。13时在河南的北部、山东西南部和安徽北部形成椭圆形的MCS，边缘整齐，北部影响鲁西南地区，强中心的TBB达到-72℃。此时鲁西南开始产生1h大于20mm的强降水，最大1h雨量为49.6mm。14—16时，对流云团范围扩大，基本呈圆形，形成多个小尺度的强对流中心，缓慢向东移动，其北部影响鲁南和鲁中北部地区，最低TBB达到-72℃，1h最大雨量达51.2mm。17—18时，山东的强对流云团减弱、分裂，降水减弱。18—19时最大1h雨量减小到30.4mm。19时山东南部的对流云团造成的强降水基本结束。在河南东部、安徽和江苏北部的对流云团虽然范围较小，但仍然维持较强的强度，最低TBB为-70℃。7日20时以后，随着低层西南急流的加强和高空西风槽的逼近，在低层辐合上升运动区，对流云团再度发展。22时在鲁西南地区生成小尺度的对流云团，快速发展、东移，23时与其东南部的对流云团相衔接。对流云团范围扩大，向北发展，影响鲁南。8日01时，在鲁中的济南附近新生对流云团，快速发展，8日03时范围扩大到鲁中，最低TBB为-64℃，中心位于泰安至莱芜一带，造成强降水。同时，鲁东南新生小尺度的对流云团，云顶最低TBB为-63℃，鲁西南的对流云团东移。04—05时鲁中和鲁东南的对流云团发展，范围扩大，鲁中对流云团的最低TBB为-65℃，鲁东南的对流云团强度加强，最低TBB达到-70℃。8日06时鲁中和鲁东南的对流云团合并，鲁南的对流云团南移离开鲁南并减弱。07—08时合并后的对流云团在鲁中和鲁东南地区发展成两个中心，鲁中强中心的最低TBB 为-62℃，鲁东南对流云团的强中心移到海上，最低TBB达到-72℃。8日09时鲁中和鲁东南沿海的对流云团范围扩大、强度减弱，同时，在对流云团的西部，鲁南又新生小尺度的对流云团，快速发展。10时与鲁中的对流云团相衔接，3个云团形成涡旋状的MCS。11时涡旋状对流云团的中心位于江苏北部，强中心北部的对流云团影响鲁中东部和鲁东南地区。12—14时鲁东南受涡旋状对流云团的西北部影响。这4个对流云团给鲁中南部和鲁南分别带来最大1h雨量46～90.1mm的强降水，其中8日08—09时降水强度最大，最大1h雨量达90.1mm。出现强降水的中小尺度对流云团产生在低层西南急流的前部、中尺度气旋性环流中心的东南象限、辐合上升运动的中心附近。8日08时以后，发展成尺度较大的涡旋状MCS，在东南沿海维持11h，直到9日02时以后才减弱消失，对山东的影响在8日14时以后结束。MCS影响山东南部造成强降水的时间长达25h。强降水期间，有多个小尺度的对流云团发展、合并、东移，后期在鲁东南形成涡旋状的MCS，在鲁东南造成强降水中心。

图4　2012年7月7日13时（a），15时（b）， 18时（c），22时（d）， 23时（e），8日02时（f），8日04时（g），8日06时（h），8 日11时（i）FY-2E 红外卫星云图

3.3 2012年7月9—10日产生强降水的MCS特征

在2012年7月9—10日强降水的卫星云图（图5）中，9日09时，在低空西南风急流的左前方，河南的中北部生成对流云团，发展东移，9日12时开始影响鲁西南，产生每小时最大雨量50～63mm的强降水。9日14时对流云团的中心移到鲁西南上空，最低TBB为-69℃,15时最低TBB达到-71℃，每小时最大雨量达58～63mm。14时开始，在鲁西北的西部、鲁中东部和鲁东南地区，有多个中尺度的对流云团发展。17时对流云团合并，鲁南和鲁中的南部形成较大尺度的MCS，3个强中心位于鲁西南和鲁中南部，每小时的中心最低TBB在-67～-71℃，每小时最大雨量在55～65mm。9日18—19时在MCS中发展成多个强中心。9日20时，在低层中尺度涡旋中心的东南象限，鲁南上空形成西北—东南向排列的3个强对流云团，最低TBB在-73℃，19—20时最大1h雨量达到79.6mm。21时3个强对流云团合并，在鲁南的枣庄附近形成强中心，最低TBB达到-76.2℃（197.0K）。对流云团发展成涡旋状，从黄海中部到青岛至潍坊一带形成气旋性弯曲的对流云带。与低层涡旋中心东部西南急流前部的暖切变线相对应。22时对流云团的中心东移到临沂附近，最低TBB达到-78.2℃（195.0K），最大1h雨量达78.5mm。强对流云团中心缓慢东移，9日23时—10日01时最低TBB达-76℃，每小时最大雨量达51～58mm。10日02时东移到日照上空，最低TBB为-74℃，最大1h雨量达88mm，此时，在对流云团的中心又有小尺度的对流云团生成，03时在临沂上空发展，最低TBB 达-75℃，最大1h雨量达55.2mm。04时发展东移到山东与江苏北部的交界处，取代老云团中心，最低TBB达-76℃，最大1h雨量达87.2mm。05时中心在此稳定少动，最低TBB维持在-76℃，最大1h雨量达81.4mm。06时中心移到江苏北部的沿海，07时基本移出山东，08时以后在江苏东北部的沿海减弱消失。此次强降水由两个MCS产生，有多个强中心。在中尺度涡旋中心的东部MCS发展。气旋生成前后，在冷锋前部又生成中尺度对流云团，快速发展东移，取代前一个MCS中心，后一个MCS在鲁东南维持和发展，产生强降水。MCS影响山东南部造成强降水的时间为19h。

图5　2012年7月9日14时(a)， 17时(b)，19时(c)，20时(d)，21时(e)，23时(f)，10日02时(g)，03时(h)，04时(i) FY-2E 红外卫星云图

3.4 产生3次强降水的MCS的对比分析

把3次强降水的卫星云图特征进行比较，3次强降水的对流云团都是从鲁西南移入，向北发展，缓慢向东移动，在东部沿海达到最强，都造成了1h达50mm以上的强降水，在同一测站造成强降水的时间在1～3h。不同的是，“09.8.17”强降水的MCS东移快，维持时间短，在山东南部造成强降水的时间为18h，TBB虽然不是很低（最低TBB -61.1℃），但降雨强度大, 最大1h雨量达到137.2mm。“12.7.07”强降水的对流云团前期强，后期弱，每小时最低TBB较低，在-62～-72℃，但是造成的雨量是前期小后期大，最大1h雨量达90.1mm，MCS的主体和强中心偏南，在山东南部造成强降水的时间达到25h。造成“12.7.09”强降水的MCS范围较大，对流云团前期弱后期强，MCS的主体和强中心偏北，强度强、范围大，每小时最低TBB在-67～-78.2℃，在3次过程中最低，但是最大1h雨量在这3次过程中最小（88.3mm），MCS在山东南部造成强降水的时间为19h，与“09.8.17”相当，比“12.7.07”的时间明显偏短。由此可见，对于同一个对流系统来说，降水强度与TBB 成反比。

4 小结

（1）3次强降水都是产生在中尺度低涡环流东部的暖切变线附近，有较强的低空西南急流，都在鲁南和鲁中南部造成强降水，强降水的中心都在鲁东南。

（2）3次强降水都是由MCS直接影响产生的，有多个中尺度云团发展和合并，有多个强对流云团中心。都是从鲁西南移入，向北发展，缓慢向东移动，在东部沿海达到最强，在鲁东南造成强降水中心。每小时最低TBB在-62～-78℃，造成每小时达30～137mm的强降水，在同一测站产生强降水的时间为1～3h，最大1h雨量在80mm以上。对于同一个MCS降雨强度与TBB成反比。

（3）“09.8.17”和“12.7.09”的MCS东移快，产生强降水的时间为18～19h，“12.7.09”的MCS东移慢，在山东南部历经25h。“09.8.17”的TBB较高，最低TBB为-61.1，但是雨强最大，最大1h雨量达到137.2mm。“12.7.09”的TBB最低，达到-78.2℃，但是最大1h雨量达88.3mm。

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作者简介：杨晓霞（1962—），女，山东梁山人，硕士，研究员级高工，主要从事强对流、暴雨等灾害性天气预报工作。

收稿日期：2014-06-12

中图分类号：P458

文献标识码：B

文章编号：1005–0582（2015）01–0001–07