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Journal of Tropical Oceanography >

2024 , Vol. 43 >Issue 6: 50 - 62

DOI: https://doi.org/10.11978/2024022

Marine Meteorology

Diagnostic analysis of a cold vortex persistent rainstorm process along the coast of Shandong Peninsula in early summer

  • CHU Zihe , 1 ,
  • MEI Chanjuan , 2, 3 ,
  • ZHANG Can 3 ,
  • WAN Fujing 4 ,
  • XIN Wenpeng 3
Expand
  • 1. College of Ocean and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524003, China
  • 2. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong, Jinan 250031, China
  • 3. Weihai Meteorological Bureau of Shandong Province, Weihai 264200, China
  • 4. Qingdao Meteorological Bureau of Shandong Province, Qingdao 266000, China
MEI Chanjuan. email:

Editor: LIN Qiang

Received date: 2024-01-18

  Revised date: 2024-04-10

  Online published: 2024-04-22

Supported by

Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2021MD010)

Innovation Fund Project of the Public Service Center of China Meteorological Administration(M2021019)

Innovative Team of Typhoon and Marine Meteorology of Shandong Province(SDCXTD2021-2)

Key Scientific Research Project of Shandong Provincial Meteorological Bureau(2022sdqxz11)

Scientific and Technological Research Project of Shandong Provincial Meteorological Bureau(2022sdqxm12)

Fold

Abstract

Using conventional observations and ERA5 reanalysis data, a diagnostic analysis of the thermal and dynamical characteristics of a heavy rainfall process in the eastern coastal area of Shandong on June 14, 2022, was conducted, and the results show that the heavy rainfall process occurred in the context of the cold trough at the bottom of the cold vortex in North China moving eastward to the coast of the Peninsula to induce a cold low vortex. Southeasterly cold and humid advective transport in the boundary layer from the Yellow Sea provides abundant water vapour for the heavy precipitation on the peninsula. The precipitation process was stage-specific. In the first stage of precipitation, the low level was continuously influenced by the western warm advection, and the atmosphere had convective instability, while in the second stage of precipitation, the atmosphere was gradually transformed from neutral laminar junctions to convective instability by the combined influence of the cold and warm advection, and was accompanied by obvious energy fronts. The early stage of both phases of precipitation is caused by the convergence of onshore wind speeds as well as topographic uplift. The cold pool caused by convection in the first stage has an important effect on the maintenance of precipitation in front of the Kunshan Mountains, while the maintenance of the strong precipitation in the second stage is closely related to the generation and maintenance of the mesoscale low eddy in the low altitude, and the obliquely pressurized frontal generation plays an important role in the generation of the mesoscale low eddy. The vorticity analysis shows that the boundary layer low-level convergence and absolute positive vorticity advection are the main vortex sources for the positive vorticity growth of the mesoscale low vortex, and with the emergence of the 500 hPa cutoff cold vortex, the negative effect of the vertical transport of vorticity is obviously strengthened, and the horizontal vorticity tilting effect above the boundary layer, which is related to the mesoscale convective activity, is weaker.

Key words： coastal rainstorm; low vortex; topographic uplift; frontogenesis

Cite this article

CHU Zihe , MEI Chanjuan , ZHANG Can , WAN Fujing , XIN Wenpeng . Diagnostic analysis of a cold vortex persistent rainstorm process along the coast of Shandong Peninsula in early summer[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2024 , 43(6) : 50 -62 . DOI: 10.11978/2024022

暴雨是中国最具破坏性的自然灾害之一(Sun et al, 2019)。强度较大的降水事件往往发生在沿海地区(Al-Rawas et al, 2009)。沿海暴雨与中低纬度天气系统、局部下垫面特征和中尺度过程密切相关, 其机制非常复杂。许多学者对中国沿海暴雨进行了深入的研究(黄莉 等, 2011; 郑铮 等, 2021; 李卓 等, 2022; 覃皓 等, 2023)。例如, 陈涛 等(2020)指出沿海对流往往具有低质心性垂直回波结构特征, 更接近于热带海洋型对流结构。Liu等(2016)研究华南沿海暴雨的水汽来源, 指出除了热带印度洋和南海暖湿平流输送, 还受到源自黄海的湿冷空气影响。Du等(2019)研究了中国南方沿海地区强降水与双低层急流的关系, 指出沿海强降水的发生与低层急流和边界层急流密切相关。蒙伟光 等(2014)在研究华南沿海持续暴雨过程中的季风槽的作用指出, 强劲的季风气流向暴雨区输送水汽, 与暴雨的发生密切相关。还有一些研究认为沿海暴雨伴随着明显的中尺度对流系统(mesoscale convective system, MCS)发展演变, 一些MCS在移动时趋于减弱, 只产生正常的强降水, 但有些MCS发展更旺盛, 移动缓慢或暂时保持准静止, 导致局部强降水(Ding et al, 2001; Luo et al, 2014; 冯晋勤 等, 2018)。Wu等(2016)提出, 在没有其他天气系统影响的情况下, 对流引起的冷下沉气流可以长期维持, 并引发沿海地区的对流。此外沿海地形复杂, 特殊的地形不仅能够起到辐合与抬升作用(叶朗明 等, 2019; 吴乃庚 等, 2020), 且易形成偏南风辐合区和中尺度辐合线, 并对降雨起到增幅作用, 地面辐合线通常沿着海岸通过海洋和陆地之间的温度对比形成, 在对流的起始和演化中起着关键作用(Ye et al, 2022)。城市化进程中的人类活动也可能导致地表温度升高, 使得对流有效位能增强和对流抑制减弱, 进一步影响暴雨的强度和发生频率(Chen et al, 2015; Hu et al, 2021)。
山东半岛突出于黄海和渤海之间, 三面环海且多为低山、丘陵, 沿海地形复杂, 夏季常常出现暴雨天气。研究表明影响山东暴雨的主要天气尺度系统有气旋、低槽冷锋、切变线和台风等(侯淑梅 等, 2014; 郑丽娜 等, 2015, 2016; 高晓梅 等, 2023), 此外, 中尺度低涡、海陆风、干冷空气、地形抬升等也对暴雨的发生发展起到了重要作用(龚琬丁 等, 2023)。冷涡系统结构复杂, 其造成的强降水具有明显的突发性、局地性和不对称性, 多发生于东北、华北地区(沈新勇 等, 2020), 相对而言, 在山东半岛的发生频率较低, 多尺度系统如何影响暴雨的形成, 仍需进一步深入研究和探讨。目前热力、动力诊断分析仍是认识暴雨成因及形成机理的有效办法(何编 等, 2012; 林晓霞 等, 2017), 为此, 本文利用多源观测资料和ERA5, 对2022年6月14日山东半岛沿海一次冷涡暴雨过程进行物理量诊断分析, 以期为此类暴雨天气的理解和预报提供参考。

1 资料说明

1.1 研究区域

本文研究区域为烟台和威海, 即图1红线所示范围, 位于山东最东端, 伸入渤海、黄海间, 中有山岭, 其中崂山(1133m)、昆嵛山(923m)突出于丘陵之上(图1), 复杂地形使得不同地区边界层辐合线活动存在多样性。相关研究表明地形对暴雨的强度和落区有重要影响, 主要表现为: 地形高度增加会增强对低层气流的阻挡和抬升作用, 促进降水增强(林慧敏 等, 2023); 同时, 局部地形的差异能改变低层流场结构, 影响强辐合区和垂直运动的分布与强度, 从而改变降水中心的位置和强度(王宁 等, 2014); 此外, 海陆地形差异有利于向岸气流向内陆推进时产生明显的风速扰动特征, 进而影响降水区的动力抬升和水汽辐合作用(尉英华 等, 2019)。图1标注了本文研究所涉及的荣成、海阳、瓦屋石以及盘石店的具体地理位置, 其中海阳、盘石店位于山东半岛南部海岸, 荣成、瓦屋石位于东部海岸。
图1 山东东部地形图及研究区域(红框)

基于山东省标准地图服务网站下载的审图号为鲁GS(2023)026号的标准地图制作

Fig. 1 Topographic map of the eastern Shandong and the study area (the area enclosed by the red line)

1.2 数据与方法

本文所用资料包括: (1)欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF)提供的第5代全球大气再分析资料(ECMWF re-analysis 5, ERA5)(空间分辨率0.25°×0.25°, 时间分辨率1h); (2)山东省区域自动站和国家站逐小时资料; (3)常规高空探测资料; (4)山东省荣成站多普勒雷达基数据(时间分辨率为6min)。文内所有时间均为北京时间, 数据时间段为2022年6月13日8时—15日8时。本文运用天气学原理知识, 针对天气形势开展了天气学分析, 并进一步对水汽、热力和动力因子开展了物理量诊断分析。

2 降水实况

2022年6月14日早晨至夜间, 山东半岛自西向东先后出现暴雨、局部大暴雨, 本文主要选择2022年6月14日8时—15日8时为降水分析的主要时段。暴雨落区主要集中在烟台东部至威海东部沿海一带, 有6个站超过100mm, 63个站超过50mm, 最大站为海阳盘石店116mm, 其次为瓦屋石站109.1mm(图2a), 1小时最大雨强为海阳盘石店46mm·h-1。荣成瓦屋石和海阳盘石店两站逐小时降水量变化(图2b)显示, 强降水分为两个阶段, 第一个阶段为14日上午8—11时, 强降水主要影响烟台东部, 短时雨强大, 最大小时雨强46mm·h-1, 且连续3个小时降水量超20mm, 第二个阶段为14日下午到前半夜, 强降水主要集中在荣成东部, 且小时雨强基本维持在10mm·h-1左右, 有2个时次小时雨强超过20mm·h-1, 瓦屋石短时强降水出现在16—17时、21—22时。
图2 2022年6月14日08时—15日08时威海、烟台累积降水量分布(a)与6月14日8时—15日1时瓦屋石、盘石店站逐时雨量演变(b)

Fig. 2 Cumulative precipitation distribution in Weihai and Yantai from 08:00 CST on June 14 to 08: 00 CST on June 15, 2022 (a)and hourly rainfall evolution at Panshidian and Wawushishi stations from 08:00 CST on June 14 to 01: 00 CST on June 15 (b)

从图3可见, 8: 29烟台东部降水回波呈南北带状结构, 最大反射率因子在45dBZ以上, 具有对流性降水特征(图3a), 19: 57降水回波主要影响威海东部, 回波呈现明显的“人”字形态的螺旋雨带特征(图3b), 回波强度逐渐减弱, 影响范围进一步增大。结合雷达基本反射率因子剖面分析发现, 烟台和威海降水回波均表现出低质心暖云降水特征, 但烟台强回波发展高度较威海高, 45dBZ降水回波达到6km, 威海降水回波主要集中在4km以下。
图3 2022年6月14日08: 29、19: 57雷达组合反射率因子(a、b)和反射率因子垂直剖面(c、d)

黑色短线为截面位置; 反射率因子单位: dBZ

Fig. 3 Combined radar reflectivity factor (a, b) and reflectivity factor vertical profiles (c, d) for June 14, 2022 at 08: 29 CST, 19: 57 CST

3 环流背景分析

14日8时, 500hPa华北冷涡中心落后于冷温度中心, 冷涡东移填塞减弱, 冷涡底部35°N附近有低槽东移, 温度槽落后于高度槽, 有利于低槽东移加深, 槽前槽后均对应有暖脊发展, 山东半岛主要位于槽前西南气流和暖脊控制(图4a)。14日20时, 500hPa低槽在山东半岛上空明显发展, 东西暖脊逐渐切断出冷温中心, 位于半岛南部海面, 与涡度大值区近乎重合(图4b)。分析850hPa形势发现, 08时山东半岛南部和西部有弱风切变存在(图4c), 20时风切变逐渐演变成低涡(图4d), 此时500hPa冷温中心移至朝鲜北部时, 日本海上空反气旋环流发展加强, 阻挡了低涡系统进一步东移。从850hPa相对湿度分析发现, 高湿区基本位于东部高压南侧的东南气流输送带上。综合来看, 14日8时至20时, 高空系统东移发展, 槽前正涡度平流持续输送, 有利于低层减压和低涡环流生成发展, 850hPa切变线逐渐演变成低涡在半岛地区持续维持, 有利于抬升作用的加强。日本海高压系统发展加强, 与西部低涡系统形成东高西低阻塞形势, 在黄海至朝鲜半岛形成明显的气压梯度区, 山东半岛受持续的东南气流影响, 有利于黄海海面长时间的水汽输送。
图4 2022年6月14日8时和20时500hPa (a、b)及850hPa (c、d)高空形势

黑色实线为位势高度(单位: dagpm), 风羽为风场, 红线为温度(℃), 蓝色方框为降水区

Fig. 4 High-altitude situation at 500hPa 08: 00 CST (a, b) and 850hPa 20: 00 CST (c, d) on June 14, 2022

降水的出现与环境条件密切相关, 一般而言, 对流层湿层深厚, 垂直风切变越弱, 雨滴越不容易蒸发, 降水效率越高。14日8时(图5a)和20时(图5b)荣成探空图显示, 500hPa以下均为偏南风, 无低空急流配合, 垂直风切变弱。8时荣成降水还未开始, 对流层温度露点分布表现为上干下湿特征, 400~600hPa之间有明显干层, 600hPa以下为显著湿层, 0度层高度在3.5km, 抬升凝结高度和自由对流高度接近, 位于1000hPa附近。20时近地面东南风向上发展到925hPa, 湿层厚度增强至250hPa, 自由高度进一步下降。边界层气流的加强改善了对流层水汽条件, 较低的自由对流高度, 有利于近地面弱强迫抬升形成降水, 暖云层深厚有利于降水效率的提高。
图5 2022年6月22日8时(a)和20时(b)荣成探空站探空曲线

Fig. 5 Sounding curves of Rongcheng sounding station at 08: 00 CST (a) and 20: 00 CST (b) on June 22, 2022

4 物理量诊断分析

4.1 水汽条件

对有关水汽通量和通量散度诊断分析发现, 6月14日8时整层水汽通量大值区位于黄海北部海面, 与925hPa以下水汽通量大值区基本对应, 整层水汽通量散度辐合区位于半岛北部海面和半岛南部沿海, 半岛南部沿海正好为降水区, 与1000hPa的水汽通量散度负值区较为对应, 925hPa以下一致的东南风吹向海岸线, 仅1000hPa有明显的水汽辐合, 可见8时水汽通量辐合区位于边界层附近, 与沿岸地形辐合抬升关系密切(图6)。20时, 伴随着低涡系统的发展, 整层水汽通量大值区转至黄海中部, 850~1000hPa水汽通量辐合区均位于半岛及沿海低涡中心附近, 水汽辐合区高度和强度明显大于8时, 925hPa以下水汽通量散度异常低值, 且东南气流明显增强, 遇海岸线和近海山体的辐合抬升有利于水汽的聚集, 说明边界层辐合仍然占主导。
图6 2022年6月14日8时(a—c)、20时(d—f)水汽通量和水汽通量散度叠加风场

a、d: 整层; b、e: 925hPa; c、f: 1000hPa; 黑色实线为水汽通量(单位: kg·m-1·hPa-1·s-1)

Fig. 6 Water vapor flux, water vapor flux divergence and wind field at 08:00 CST(a-c) and 20:00 CST(d-f) on June 14, 2022

4.2 热力不稳定

假相当位温(θse)表示饱和气块上升过程中水汽全部凝结所释放的潜热加热空气后达到的位温, 其大小在一定程度上表示湿静力能量的高低能区。θse反映大气的温湿状况, 其水平分布代表大气中能量的分布特征, 其垂直分布反映大气的对流不稳定。绘制假相当位温和温度平流的霍夫默勒图进行分析, 发现伴随着高空槽的东移, 冷平流自西向东移动, 14日16时后, 500hPa冷空气主体已经影响至121°E以东地区, 700hPa影响类似, 而850hPa和925hPa仍持续受西部暖平流的影响(图7)。受低层暖平流影响, 850hPa中午前后, θse明显增大, 在121°06′E附近形成一强度为327K的大值中心, 且数值随着高度递减。第一阶段降水主要发生在8时—14时, 正好对应着∂θse/∂z< 0, 可见大气具有对流不稳定性。第二阶段降水发生在东部地区的下午至前半夜, 850~925hPa一直为θse能量锋区控制, 12时—16时期间, 荣成上空850~500hPa均受暖平流控制, θse随高度基本无变化, 为中性层结, 16时—24时, 700hPa和500hPa已被干冷平流控制, 中层θse逐渐减小, 而850hPa受暖平流影响θse仍较大, θse随高度递减, 对流不稳定层结再次建立并维持。同时从冷暖平流可见, 925hPa下午, 自东向西的强冷平流与西部来的暖平流相遇, 使得沿海假相当位温等温线更为密集, 表明有能量锋生, 有利于沿海水汽的辐合和上升运动的发展, 正好与第二阶段强降水时间相对应。
图7 2022年6月14日纬向假相当位温和温度平流霍夫默勒图

绿色虚线为121°06′E, 黑色虚线为122°30′E, 分别代表海阳和荣成; 黑线为假相当位温(单位: K)

Fig. 7 Hovmöller diagram of the zonal pseudo-equivalent temperature and temperature advection on June 14, 2022

4.3 动力诊断

4.3.1 垂直速度和散度

选取海阳和荣成区域内临近盘石店和瓦屋石站的ERA5格点数据, 开展散度和垂直速度诊断分析(图8),其中图8a所示站点(36°57′N, 121°9′E)位于盘石店西北侧, 降水始发时间相较于盘石店偏晚, 图8b所示站点(37°12′N, 122°30′E)与荣成站点接近。分析发现大的散度负值也即是风场辐合区均来自边界层, 且垂直上升运动均位于水平散度辐合区之上。海阳降水主要集中在8时—14时, 水平散度负值区主要位于925hPa以下, 垂直速度自边界层向上发展加强, 10时—12时散度和垂直速度均有明显的增强(图8a), 正好对应降水的强度增强。而荣成降水发生在12时之后, 边界层辐合自15时明显增强, 对应上空上升运动发展高度自边界层影响至700hPa, 同时强度也显著增强(图8b), 与16时—22时强降水发生时间相对应。由于阶段一以对流性降水为主, 阶段二伴有明显的斜压锋生和垂直涡度的发展, 为此大尺度诊断海阳的散度和垂直速度相对荣成要小得多。9时—12时, 荣成也呈现出近地面辐合现象, 然而, 850hPa以下并未观察到上升运动的形成(图8b), 这主要是由于122°E以东的对流不稳定层结相对较弱(图7), 地面抬升还不足以触发对流。
图8 2022年6月14日海阳(a)和荣成(b)垂直速度和散度随时间变化

黑线为垂直速度(单位: Pa·s-1)

Fig. 8 Vertical velocity and dispersion over time in Haiyang (a) and Rongcheng (b) on June 14, 2022

4.3.2 地形、冷池与东南气流作用

图9展示了地面自动站填图的情况。在海陆分布和山脉地形的共同作用下, 来自黄海的东南风在吹向陆地的过程中, 逐渐在沿海和沿山地区形成了多支中尺度辐合线, 特别是昆嵛山附近的辐合线持续多个时次。第一阶段降水位于烟台东部地区, 发生在14日早上至中午。7时, 东南风自海上吹向陆地, 在青岛沿岸形成地面辐合线, 对流在沿海生成并向内陆推进, 并在烟台牙山山脉附近发展加强, 雨滴蒸发冷却造成了地面气温的明显下降, 最大小时降温幅度达到了4℃, 在昆嵛山以西地区形成冷池, 冷池前沿与环境场形成明显的中尺度温度锋区, 冷暖温差最大达3℃。冷池东侧出现辐散的偏北气流, 同时沿海东南气流加强并向内陆推进, 冷池出流与增强的东南气流在昆嵛山附近汇合形成地面中尺度辐合系统, 造成了沿昆嵛山持续3h强降水(9时—11时), 正好与图8a散度辐合增强及垂直运动发展时间相对应。第二阶段降水位于威海东部地区, 发生在14日下午至夜间。12时—14时, 烟台南部至青岛沿海东南风明显减弱, 与此同时, 威海南部沿海风速辐合加强, 进而促使该地区至昆嵛山前降水增强, 降水使得昆嵛山以东地面气温降低, 昆嵛山东西侧温差相应减小, 沿山地面辐合线及冷池前伪冷锋消失, 烟台东部降水随之减弱。16时, 威海东部沿海东南风再次增强, 沿岸向岸风辐合抬升增强了威海东部的降水强度, 强降水持续时间与强东南风持续时间一致。
图9 2022年6月14日不同时次地面填图

风羽为风场, 红字为温度(单位: ℃)、绿字为10mm以上降水, 蓝色圈为冷温区, 红色箭头为相对大风区, 红线为地面辐合线、黑色方框为降水集中区

Fig. 9 Ground mapping at different times on 14 June, 2022

统计分析瓦屋石站逐小时气象要素发现, 在降水开始之前, 气温呈现上升趋势, 风速相对较小。11时后降水开始, 伴随气温明显下降和风速的增大。强降水主要集中在14日16时—23时, 16时后东南风最大风速稳定维持在7m·s-1以上, 而16时以前最大风速主要集中在3~5m·s-1, 23时后风向由东南风转为偏东风, 风速逐渐减小, 降水结束(图10)。可见, 第一阶段降水的稳定维持很大程度上由强降水冷池出流和地面中尺度辐合线共同影响所致, 第二阶段降水与沿海东南气流关系密切, 当东南风速达到一定条件时, 沿岸地形带来的中尺度辐合对强降水的触发和维持提供了有利的动力条件, 同时第二阶段降水造成影响第一阶段的伪冷锋及地面辐合的减弱, 间接加速了第一阶段对流的消亡。
图10 2022年6月14日08时至15日01时瓦屋石站逐小时要素

风羽为1小时最大风场; 灰色柱为1小时降雨量

Fig. 10 Hourly factors of Wawushi Station from 08:00 CST on June 14 to 01:00 CST on June 15, 2022

4.3.3 中尺度低涡及锋生动力诊断分析

14日8时, 850hPa低涡中心位于鲁中北部潍坊附近, 925hPa低涡中心位于鲁西北, 低涡中心从 925~850hPa向东南方向倾斜, 半岛主要受涡前东南气流影响(图11a), 系统性动力抬升条件弱, 结合上文可知, 第一阶段强降水主要为地面辐合线影响所致。14日18时, 低涡中心在烟台附近迅速发展, 925~700hPa低涡中心近乎重合, 低涡强度持续维持至21时, 第二阶段强降水主要位于低涡东侧的暖切变线附近, 与925hPa散度负值区对应较好(图11b)。利用Hoskins等(1972) 的锋生函数公式计算此次过程中的锋生情况, 其中正(负)值代表锋生(消)(图12)。14日11时, 最强锋生区位于1000hPa, 121°42′E附近, 中心值达35×10-10K·m-1·s-1, 正好和4.3.2节昆嵛山前冷池前沿的地面辐合线以及中尺度温度锋区位置相对应。16时, 随着925~850hPa内陆暖平流自西向东以及海上冷平流自东向西影响, 昆嵛山前边界层锋生区迅速发展到850hPa以上, 并表现为向冷区倾斜, 强降水位于冷区一侧, 表现为暖锋锋生, 700hPa附近锋消明显, 低层辐合高层辐散有利于垂直运动的快速发展, 同时受海上冷平流影响, 19时, 冷锋锋生影响至东部沿海附近, 21时,冷暖锋结合形成暖式锢囚, 随后锋生明显减弱, 第二阶段强降水初期位于暖锋前部, 后期位于冷锋和锢囚锋附近, 可见第二阶段强降水维持主要由斜压锋生抬升所致, 且斜压锋生对中尺度低涡的生成和维持作用明显, 暖锋锋生超前于中尺度低涡的生成, 初期位于烟台, 后发展为锢囚锋时, 低涡中心转移至威海境内。
图11 2022年6月14日08时(a)和18时(b)925hPa流场和散度

Fig. 11 925hPa flow field and dispersion at 08:00 CST (a) and 18:00 CST (b) on June 14, 2022

图12 2022年6月14日37°15′N温度距平和锋生函数纬向剖面

a. 11时; b. 16时; c. 19时; d. 21时; 灰色填色为地形; 黑线为锋生函数(单位: 10-10 K·m-1·s-1), 箭头为风场

Fig. 12 Zonal profile of temperature anomaly and frontogenesis function at 37°15′ N on June 14, 2022. (a) 11:00; (b) 16:00; (c) 19:00; (d) 21:00

5 中尺度低涡发展机制

中尺度低涡是中尺度系统, 但在零级近似下, 静力方程仍成立(邓承之 等, 2023)。不考虑摩擦和积云对涡度的垂直输送效应, p坐标系中的涡度方程为:
$\begin{align} & \frac{\partial \zeta }{\partial t}=-(u\frac{\partial \zeta }{\partial x}+v\frac{\partial \zeta }{\partial y})-\omega \frac{\partial \zeta }{\partial p}+(\frac{\partial \omega }{\partial y}\frac{\partial u}{\partial p}-\frac{\partial \omega }{\partial x}\frac{\partial v}{\partial p})- \\ & ~~~~~~~~~~{{\zeta }_{\text{a}}}(\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y})={{\zeta }_{\text{h}}}+{{\zeta }_{\text{v}}}+{{\zeta }_{\text{c}}}+{{\zeta }_{\text{d}}} \\ \end{align}$
式中, ζ为相对涡度, ζa为绝对涡度, u、v、ω分别为p坐标下的水平及垂直速度。ζh为绝对涡度平流项, 是由绝对涡度的水平分布不均引起的; ζv为涡度的垂直输送项, 代表非均匀涡度场中, 由于垂直运动引起的涡度局地变化; ζd为散度项, 表示由于水平辐合(辐散)引起垂直涡度的增加(减小); ζc为倾侧项, 表示当有水平涡度存在时, 由于垂直运动的水平分布不均而引起涡度垂直分量的变化。方程右边四项的累加代表了相对涡度的局地变化。由前文分析可知, 半岛区域中尺度低涡自14日16时首先出现在925hPa, 后持续至降水结束, 低涡的生成与维持与第二阶段暴雨时段相对应。由半岛低涡区域(36°—38°N, 120°—122°30′E)平均的散度和相对涡度局地变化演变可以看出(图13a), 对流层中低层低涡的涡度增长与辐合增强相伴随, 16时低层涡度异常自925hPa开始, 后逐渐影响至850hPa, 同时500~700hPa自12时至20时一直有正的涡度异常, 正好与冷平流影响时间相对应; 至20时, 在半岛附近生成了切断冷涡。涡度方程右端的各项演变显示(图13b—e), 倾侧项效应最弱, 几乎忽略不计, 可见第二阶段降水半岛区域垂直运动水平分布较为均匀, 对流性较弱。低涡生成阶段16—20时边界层低空辐合最为明显, 其次是绝对正涡度平流, 而低空辐合引起的垂直涡度输送为负效应或弱正效应, 可见初期边界层低空辐合和绝对正涡度平流是中尺度低涡正涡度增长的主要涡源; 20时后, 低空辐合发展至925hPa以上, 相应的绝对正涡度平流进一步增强, 随着500hPa切断冷涡出现, 此时垂直涡度输送主要为负效应, 可见中尺度低涡的维持除了与低空辐合和绝对正涡度平流相关, 还与涡度的垂直输送有关。
图13 2022年6月14日山东半岛低涡区域(36°—38°N, 120°—122°30′E)平均涡度局地变化叠加散度(a)以及平均的绝对涡度平流项(b)、涡度垂直输送项(c)、散度项(d)及倾侧项(e)

黑线为散度(单位: 10-5s-1)

Fig. 13 The local variation of the average vorticity superimposed on the divergence (a), the average absolute vorticity advection term (b), the vorticity vertical transport term (c), the divergence term (d), and the tilting term (e) in the low vortex region (36°—38°N, 120°—122°30′E) of the Shandong Peninsula on June 14, 2022

6 结论与讨论

本文利用常规观测资料和ERA5再分析资料, 对山东半岛沿海初夏一次强降水过程的热力、动力特征进行了诊断分析。主要结论如下。
1) 此次暴雨过程发生在华北冷涡底部低槽东移至半岛沿海诱发冷性低涡的背景之下。降水过程存在累计雨量大、持续时间长、降水效率高等特点, 强降水分为两个阶段, 第一阶段雨强大, 雨时短, 强降水主要影响烟台东部, 降水对流特征明显, 第二阶段雨强小, 雨时长, 强降水主要集中在荣成东部, 降水分布均匀。
2) 降水过程的水汽来源为边界层东南冷湿气流输送, 1000hPa水汽通量散度辐合区与强降水落区对应较好。虽然无超低空急流出现, 925hPa以下在东南气流的引导下形成了一支来自黄海海面的水汽输送带, 水汽输送持续时间长, 为半岛强降水提供了充沛水汽, 低的抬升凝结高度和自由对流高度, 有利于高降水效率的出现。
3) 热力诊断分析表明第一阶段降水, 低空持续受西部暖平流的影响, 大气具有对流不稳定性, 第二阶段降水, 大气由中性层结逐渐转为对流不稳定层结, 同时低层东部冷平流与西部暖平流相遇, 斜压锋生作用显著。
4) 动力诊断分析表明两阶段降水初期均为向岸风风速辐合以及地形抬升所致, 沿岸东南风波动与雨强变化步调一致, 风速大于7m·s-1时刻与强降水发生时间吻合较好。第一阶段对流造成的冷池前伪冷锋及地面辐合线对昆嵛山前降水的维持有重要影响, 第二阶段强降水的维持则与低空中尺度低涡的生成和维持密切相关, 斜压锋生对中尺度低涡的生成有重要影响。第二阶段降水造成影响第一阶段的伪冷锋及地面辐合的减弱, 间接加速了第一阶段对流的消亡。
5) 涡度分析表明初期边界层低空辐合和绝对正涡度平流是中尺度低涡正涡度增长的主要涡源, 20时后, 低空辐合发展至925hPa以上, 随着500hPa切断冷涡出现, 相应的绝对正涡度平流进一步增强, 且与涡度的垂直输送相关的负效应明显增强, 与中尺度对流活动有关的边界层以上的水平涡度倾侧效应较弱。
中尺度系统强迫下的沿海暴雨预报难度大, 本文通过个例研究, 为山东半岛沿海地形影响的强降水预报提供参考。本研究表明沿海暴雨除了和海岸地形关系密切外, 还受中尺度辐合线、冷池、中尺度低涡等多尺度系统影响, 可继续利用高时空分辨率观测资料, 对沿海暴雨多尺度形成机制深入分析, 在此基础上有针对性地开展数值模式的实际可预报性误差研究。此外沿岸东南风波动与雨强变化关系密切, 影响东南风波动的因子有哪些?是否和城市热岛以及海陆风环流相关?还需进一步研究。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
陈涛, 陈博宇, 于超, 等, 2020. 华南前汛期锋面对流系统和暖区对流系统的多尺度特征和集合预报敏感性对比分析[J]. 气象, 46(9): 1129-1142.

CHEN TAO, CHEN BOYU, YU CHAO, et al, 2020. Analysis of multiscale features and ensemble forecast sensitivity for MCSs in front-zone and warm sector during pre-summer rainy season in South China[J]. Meteorological Monthly, 46(9): 1129-1142 (in Chinese with English abstract).

[2]
邓承之, 张焱, 李强, 等, 2023. 四川盆地一次暖性西南低涡大暴雨的中尺度分析[J]. 暴雨灾害, 42(1): 24-36.

DENG CHENGZHI, ZHANG YAN, LI QIANG, et al, 2023. Mesoscale analysis on one warm Southwest Vortex rainstorm in the Sichuan basin[J]. Torrential Rain and Disasters, 42(1): 24-36 (in Chinese with English abstract).

[3]
冯晋勤, 刘铭, 蔡菁, 2018. 闽西山区“7·22”极端降水过程中尺度对流特征[J]. 应用气象学报, 29(6): 748-758.

FENG JINQIN, LIU MING, CAI JING, 2018. Meso-scale convective characteristics of “7·22” extreme rain in the west mountainous area of Fujian[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 29(6): 748-758 (in Chinese with English abstract).

[4]
高晓梅, 白莉娜, 郭蓉, 等, 2023. 台风“利奇马”北上锋生导致山东省创纪录暴雨天气学成因分析[J]. 热带气象学报, 2023, 39(2): 145-158.

GAO XIAOMEI, BAI LINA, GUO RONG, et al, 2023. Synoptic analysis of the extreme rainfall in Shandong Province caused by the frontogenesis of typhoon Lekima during its northward movement[J]. Journal of Tropical Meteorology, 39(2): 145-158 (in Chinese with English abstract).

[5]
龚琬丁, 周玉淑, 钟珊珊, 等, 2023. 山东地区一次夏季极端暴雨中尺度系统发展演变过程及机理分析[J]. 大气科学, 47(3): 786-804.

GONG WANDING, ZHOU YUSHU, ZHONG SHANSHAN, et al, 2023. Evolution process and mechanism analysis of the mesoscale system of an extreme summer rainstorm in Shandong Province[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 47(3): 786-804 (in Chinese with English abstract).

[6]
何编, 孙照渤, 李忠贤, 2012. 一次华南持续性暴雨的动力诊断分析和数值模拟[J]. 大气科学学报, 35(4): 466-476.

HE BIAN, SUN ZHAOBO, LI ZHONGXIAN, 2012. Dynamic diagnosis and numerical simulation of a persistent torrential rain case in South China[J]. Transactions of Atmospheric Sciences, 35(4): 466-476 (in Chinese with English abstract).

[7]
侯淑梅, 孙兴池, 范苏丹, 等, 2014. 切变线冷区和暖区暴雨落区分析[J]. 大气科学学报, 37(3): 333-343.

HOU SHUMEI, SUN XINGCHI, FAN SUDAN, et al, 2014. Analysis on cold and warm sector heavy rain area of shear line[J]. Transactions of Atmospheric Sciences, 37(3): 333-343 (in Chinese with English abstract).

[8]
黄莉, 詹莹玉, 孙莹, 等, 2011. “黑格比”后期异常强降水形成机理分析[J]. 热带海洋学报, 30(6): 57-63.

DOI

HUANG LI, ZHAN YINGYU, SUN YING, et al, 2011. Analysis of the heavy rain caused by Typhoon Hagupit[J]. Journal of Tropical Oceanography, 30(6): 57-63 (in Chinese with English abstract).

[9]
李卓, 黎伟标, 张奡褀, 2022. 台风登陆前华南地区降水日变化特征分析[J]. 热带海洋学报, 41(2): 26-37.

DOI

LI ZHUO, LI WEIBIAO, ZHANG AOQI, 2022. Analysis of diurnal variation characteristics of precipitation over South China before typhoon landfall[J]. Journal of Tropical Oceanography, 41(2): 26-37 (in Chinese with English abstract).

DOI

[10]
林慧敏, 闵锦忠, 朱利剑, 等, 2023. 太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用[J]. 气象科学, 43(1): 46-58.

LIN HUIMIN, MIN JINZHONG, ZHU LIJIAN, et al, 2023. The role of Taihang Mountain topography in “7·19” persistent low vortex rainstorm in North China[J]. Journal of the Meteorological Sciences, 43(1): 46-58 (in Chinese with English abstract).

[11]
林晓霞, 冯业荣, 张诚忠, 等, 2017. 华南一次暴雨过程热力和动力特征的诊断分析[J]. 热带气象学报, 33(6): 975-984.

LIN XIAOXIA, FENG YERONG, ZHANG CHENGZHONG, et al, 2017. Diagnostic analysis of thermal and dynamic characteristics of a rainstorm process in southern China[J]. Journal of Tropical Meteorology, 33(6): 975-984 (in Chinese with English abstract).

[12]
蒙伟光, 张艳霞, 袁金南, 等, 2014. 华南沿海2011年7月15—18日持续暴雨过程中的季风槽与中尺度对流系统相互作用[J]. 气象学报, 72(3): 508-525.

MENG WEIGUANG, ZHANG YANXIA, YUAN JINNAN, et al, 2014. Monsoon trough and MCSs interactions during the persistent torrential rainfall event of 15-18 July 2011 along the South China coast[J]. Acta Meteorologica Sinica, 72(3): 508-525 (in Chinese with English abstract).

[13]
覃皓, 王志毅, 石怡宁, 等, 2023. 广西沿海一次冬季暖区暴雨的多尺度能量诊断[J]. 暴雨灾害, 42(3): 283-292.

QIN HAO, WANG ZHIYI, SHI YINING, et al, 2023. Multiscale diagnosis of the energy budget for a warm-sector rainstorm event in winter in the coastal area of Guangxi[J]. Torrential Rain and Disasters, 42(3): 283-292 (in Chinese with English abstract).

[14]
沈新勇, 张弛, 高焕妍, 等, 2020. 三类高空冷涡的划分及其动态合成分析[J]. 暴雨灾害, 39(1): 1-9.

SHEN XINYONG, ZHANG CHI, GAO HUANYAN, et al, 2020. Classification and dynamic composite analysis of three kinds of high altitude cold vortex[J]. Torrential Rain and Disasters, 39(1): 1-9 (in Chinese with English abstract).

[15]
王宁, 张立凤, 彭军, 等, 2014. 局部地形对北京“7. 21”特大暴雨影响的数值研究[J]. 暴雨灾害, 33(1): 10-18.

WANG NING, ZHANG LIFENG, PENG JUN, et al, 2014. Numerical study of the effects of local terrain on “7. 21” extreme torrential rain in Beijing[J]. Torrential Rain and Disasters, 33(1): 10-18 (in Chinese with English abstract).

[16]
尉英华, 陈宏, 何群英, 等, 2019. 渤海西岸偏东风对天津局地大暴雨的影响分析[J]. 气象, 45(1): 61-72.

WEI YINGHUA, CHEN HONG, HE QUNYING, et al, 2019. Influence of easterly winds from west coast of Bohai Sea on local heavy rainfall in Tianjin[J]. Meteorological Monthly, 45(1): 61-72 (in Chinese with English abstract).

[17]
吴乃庚, 温之平, 邓文剑, 等, 2020. 华南前汛期暖区暴雨研究新进展[J]. 气象科学, 40(5): 605-616.

WU NAIGENG, WEN ZHIPING, DENG WENJIAN, et al, 2020. Advances in warm-sector heavy rainfall during the first rainy season in South China[J]. Journal of the Meteorological Sciences, 40(5): 605-616 (in Chinese with English abstract).

[18]
叶朗明, 吴乃庚, 张华龙, 等, 2019. 海陆风和地形对一次弱天气背景下暖区特大暴雨的影响分析[J]. 暴雨灾害, 38(6): 597-605.

YE LANGMING, WU NAIGENG, ZHANG HUALONG, et al, 2019. Analysis of the influence of sea-land breeze and topography on the extraordinary heavy rain in warm sector under a weak weather background[J]. Torrential Rain and Disasters, 38(6): 597-605 (in Chinese with English abstract).

[19]
郑丽娜, 孙兴池, 孟伟, 2015. 夏季两次低槽冷锋型暴雨成因对比分析[J]. 气象科技, 43(6): 1133-1141.

ZHENG LINA, SUN XINGCHI, MENG WEI, 2015. Contrastive analysis of causes of two low-trough cold-front rainfall processes in summer[J]. Meteorological Science and Technology, 43(6): 1133-1141 (in Chinese with English abstract).

[20]
郑丽娜, 孙兴池, 2016. 气旋类山东暴雨过程天气学特征分析[J]. 沙漠与绿洲气象, 10(4): 74-80.

ZHENG LINA, SUN XINGCHI, 2016. Analysis on synoptic characteristic of rainstorm processes in Shandong Province caused by cyclone[J]. Desert and Oasis Meteorology, 10(4): 74-80 (in Chinese with English abstract).

[21]
郑铮, 潘灵杰, 钱燕珍, 等, 2021. 台风“利奇马”造成浙江沿海极端强降水的演变特征[J]. 干旱气象, 39(2): 269-278.

ZHENG ZHENG, PAN LINGJIE, QIAN YANZHEN, et al, 2021. Evolution characteristics of extreme heavy precipitation in coast of Zhejiang Province caused by typhoon Lekima[J]. Journal of Arid Meteorology, 39(2): 269-278 (in Chinese with English abstract).

[22]
AL-RAWAS G A, VALEO C, 2009. Characteristics of rainstorm temporal distributions in arid mountainous and coastal regions[J]. Journal of Hydrology, 376(1-2): 318-326.

[23]
CHEN SHENG, LI WEIBIAO, DU YAODONG, et al, 2015. Urbanization effect on precipitation over the Pearl River Delta based on CMORPH data[J]. Advances in Climate Change Research, 6(1): 16-22.

[24]
DING YIHUI, LIU YANJU, 2001. Onset and the evolution of the summer monsoon over the South China Sea during SCSMEX field experiment in 1998[J]. Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II, 79(1B): 255-276.

[25]
DU YU, CHEN GUIXING, 2019. Heavy rainfall associated with double low-level jets over Southern China. Part Ⅱ: convection initiation[J]. Monthly Weather Review, 147(2): 543-565.

[26]
HOSKINS B J, BRETHERTON F P, 1972. Atmospheric frontogenesis models: mathematical formulation and solution[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 29(1): 11-37.

[27]
HU CHENXI, FUNG K Y, TAM C Y, et al, 2021. Urbanization impacts on Pearl River Delta extreme rainfall sensitivity to land cover change versus anthropogenic heat[J]. Earth and Space Science, 8(3): e2020EA001536.

[28]
LIU RUIXIN, SUN JIANHUA, WEI JIE, et al, 2016. Classification of persistent heavy rainfall events over South China and associated moisture source analysis[J]. Journal of Meteorological Research, 30(5): 678-693.

[29]
LUO YALI, GONG YU, ZHANG DALIN, 2014. Initiation and organizational modes of an extreme-rain-producing mesoscale convective system along a Mei-Yu Front in East China[J]. Monthly Weather Review, 142(1): 203-221.

[30]
SUN JIANHUA, ZHANG YUANCHUN, LIU RUIXIN, et al, 2019. A review of research on warm-sector heavy rainfall in China[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 36(12): 1299-1307.

DOI

[31]
WU MENGWEN, LUO YALI, 2016. Mesoscale observational analysis of lifting mechanism of a warm-sector convective system producing the maximal daily precipitation in China mainland during pre-summer rainy season of 2015[J]. Journal of Meteorological Research, 30(5): 719-736.

[32]
YE LANGMING, LIU XIANTONG, PU YILIANG, et al, 2022. Contrasts in the evolution and microphysical features of two convective systems during a heavy rainfall event along the coast of South China[J]. Atmosphere, 13(10): 1549.

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