鲁中山区一次漏报的强对流天气过程中地形触发作用分析

韩国泳，李兰兰，荆　涛，赵敏芬，宋中玲

(1.山东省淄博市气象局，山东　淄博　255000；2.山东省气象服务中心， 山东　济南　250031)



鲁中山区一次漏报的强对流天气过程中地形触发作用分析

韩国泳1，李兰兰2，荆涛1，赵敏芬1，宋中玲1

(1.山东省淄博市气象局，山东淄博255000；2.山东省气象服务中心， 山东济南250031)

摘要：利用常规气象资料、区域加密观测站资料、雷达资料以及WRF模式输出资料，对一次漏报的受弱冷空气影响而引发的鲁中山区局地强对流天气过程进行诊断。结果表明，此次过程发生在500 hPa浅槽引导弱冷空气自对流层中层缓慢下沉造成气层位势不稳定的天气背景下，强对流在触发和加强的过程中复杂下垫面的影响有不可忽视的作用。局地对流易在山区西北边界的迎风坡、地面中尺度低压中心、温度梯度最大处触发；山区地形对垂直环流的激发是对流发展的主要原因；地形造成的近地面来自海上的东南风绕流辐合是对流加强的有利因素；在环境场较弱的情况下，局地对流触发后，强雷暴回波会沿着地面中尺度高能区发展、移动。

关键词：局地对流；地形触发；地面能量

引言

夏季天气系统较弱时，在一定的不稳定天气形势下受复杂地形影响，鲁中山区和平原交界处，易产生局地强对流活动，有时伴有局地冰雹、大风和短时强降水等，这种发生在特殊地形附近的局地天气过程预报难度较大。很多研究结果显示地形在中尺度对流触发过程中存在不可忽视的作用[1-12]。黄倩等[13]对复杂山区上空风场模拟研究得出，Froude数<0.5的条件下，迎风坡造成地形强迫和辐合，背风坡由于绕流辐合而产生垂直运动；分析发现山东强对流天气主要集中出现在鲁中山区北部和鲁北平原地区[14-15]；很多研究从不同角度分析山东中部的典型强风暴过程[16-18]，认为强风暴的出流边界与地面辐合线的叠加可触发强风暴的形成和维持，复杂的边界层地形、局地热力和动力作用对强对流的触发有重要作用。在预报业务中，预报员对典型强对流天气的分析和预报比较成熟，但当系统较弱时，在一定的不稳定形势下，较弱的风场和复杂下垫面的相互作用会触发局地强对流天气，在预报时容易被忽略。本文选择一次漏报的典型弱冷空气影响背景下，发生在鲁中山区的局地强对流过程，分析复杂下垫面对局地强对流的触发作用，以期为今后山区强对流的预报预警提供参考。

1地形及实况简介

鲁中山区呈准东西走向，有4座海拔千米以上的山峰构成该区脊部(图1)，泰山主峰海拔最高1 545 m。脊部两侧海拔迅速降低至500～600 m，地形坡度较大，山区轮廓近似扇形，占全省总面积的42.3%，其东面临海，环境较为复杂，是山东省灾害性天气的多发区、易发区。

2011年7月10日下午，鲁中山区北部出现短时强降水，有6个站小时雨量超过30 mm。莱芜市钢城区、潍坊市临朐县、滨州市邹平县、东营市东营区遭受雷雨大风、冰雹袭击。冰雹持续时间10 min，直径达2 cm，最大风力10级，造成民房、树木、农作物等不同程度受灾，对流天气的强度和范围超出预估。短时强降水落区与地形关系密切，10 mm以上的较强降水多出现在地形陡峭处。

图1　鲁中山区地形(阴影，单位：m)及

2天气形势

2011年7月9日20:00(北京时，下同)，河套地区有弱槽，山东上空各层风场风速均较小。10日08:00 500 hPa山东受西南气流控制，副热带高压主体在海上，没有明显的冷空气，850 hPa风场山东西部和山西境内有2个站风向出现切变，但其距离鲁中山区还较远，850 hPa温度场山东处于20 ℃等温线内，上游没有明显温度梯度区(图2a)；10日08:00 925～700 hPa风场山东处于海上高压后部的东南风反气旋性环流中，08:00—11:00地面以东南风为主，地面低压倒槽逐渐减弱南撤，山东处于均压场中，上游没有明显闭合的冷高压存在。当天数值预报没有报出弱冷空气影响，预报员根据这种形势很难判断强对流天气的发生。

10日11:00地面场上观测到2 m·s-1左右的北风并自河北南部扩散至鲁中山区北部(图2b)，12:00—13:00山区西北边界处对流开始发展。

图2　2011年7月10日08:00 500 hPa等高线(黑色线，单位：dagpm)、槽线(棕色线)、风场和

2.1不稳定层结

图3a给出 2011年7月10日08:00章丘站的探空曲线。可以看出，整层气层接近饱和，700 hPa附近有干层存在，对流有效位能(CAPE)值小(图3a中红色阴影区)，对流抑制(CIN)值较大(蓝色阴影区)，700 hPa以下风速弱。探空结果表明气层存在弱的潜在不稳定，这种不稳定夏季较易出现。

对探空资料进行适当的订正能够更深入分析层结的不稳定特征[19-20]。对流温度(Tg)定义为地面加热到刚能开始发展热对流时的一个临界温度[21]，利用探空数据计算得出10日08:00对流温度值为34.6 ℃。由下垫面的温度分布特点可知，10日12:00山区北部和鲁西南的实况温度已经达到对流温度值。通过调整地面温度对08:00探空资料进行订正(图3b)。订正后CAPE值从602 J·kg-1跃增到2 339 J·kg-1，对流抑制消失，抬升指数(LI)从-4.3 ℃变为-8.7 ℃，说明地形造成的下垫面局部显著增温会使该区域强对流发生的潜势增大 。

图3　2011年7月10日08:00章丘站订正前(a)与订正后(b)的探空曲线

2.2雷暴移动轨迹

图4给出7月10日济南雷达组合反射率因子演变。10日12:31左右，邹平南部首先出现强对流回波，邹平位于鲁中山区西北边界处，附近地形类似于向西开口的喇叭(图1红色矩形框处)。13:00前后，多个局地对流云团开始发展；14:00山区局地对流回波逐步连成片状向东南方向移动，给位于山区的莱芜、临朐带来大风、冰雹等强对流天气，此时邹平东北方向有较强回波云团A发展；14:36回波强度达到最强(60 dBZ)，并探测到向西北方向的出流气流；15:05有明显出流气流，A云团回波持续约40 min后开始减弱，造成淄博50 mm以上的强降水；15:23 回波明显减弱，并在其出流边界的西北方向触发对流云团B；15:29，B云团获得剧烈发展，15:35其回波强度达到最强(60 dBZ)，给山区北部的平原地区造成大风、冰雹等强对流天气。云团B回波持续到15:53左右开始减弱，同时在其出流边界的西北侧又一次触发对流云团C(图略)，但此云团回波强度较弱并且很快减弱消失。

图4　2011年7月10日12:31—15:35济南雷达组合反射率因子(单位：dBZ)演变

综上所述，对流在特殊地形处被触发并向东偏南方向发展。山区北侧由于强对流出流边界的触发作用导致强对流回波团的传播，而山区西南侧的对流回波较弱。较强对流天气出现在山区上空以及山区的北侧。

3下垫面要素场分析

强对流天气具有尺度小、突发性、易逝性特点，在大尺度分析和预报中，特别是在弱天气系统背景下，很难准确把握局地强对流天气的发生和发展。这里利用区域加密自动站资料分析对流发生前地面风、气压、温度、露点的时空分布。由于山区和平原对太阳辐射吸收的差异和海陆热容量不同的影响，鲁中山区及其周围下垫面气象要素场呈现出特定的分布特征，加之夏季山区上空气层对流性增强[22]，从而易导致对流天气发生。

3.1风场

由2011年7月10日10:00—17:00的地面辐合线演变(图5a)看到，由于地形的阻挡，山区北侧平原地区的北风影响较山区及山区南部快，11:00地面辐合线的形状发生变化；12:00—15:00期间，由于来自黄海的东南风风速加大，辐合线向东南移动缓慢，此时对流强烈发展，山区及山区北侧回波的移动发展路径与该处辐合线位置变化对应。

3.2地面温度场

受海上东南风影响时，山区背风一面的平原上增温较快。10日08:00—10:00，山区的北面、西面及西南面是明显的高温区，山区内部以及东南面、东北面是低温区，两者温差达3～4 ℃；11:00—12:00，山区北面和西南面出现2个>34 ℃的高温中心，随着北风入侵，山区北侧的地面气温与鲁西北地区温差达4～6 ℃(图5b)，强雷暴云团在山区北侧的高温区获得强烈发展。

3.3地面气压场

10日08:00—10:00，与山区北面的高温区配合，山区北边界邹平以东有一个低压中心存在(图略)，中心气压值为1 006 hPa，低于周围2 hPa。至12:00，低压中心最低气压进一步降低到1 004.5 hPa(图5c)，低于周围2～3 hPa。较强回波团A的初生位置(邹平南部)在地面温度的梯度线附近和低压中心处。

图5　2011年 7月10日区域观测站要素场分布特征

3.4地面露点温度场

10日14:00地面露点温度场上(图5d)，山区北部及北邻的平原区，与高温、低压区相配合有一个高露点温度中心，最大值为24 ℃，存在明显的露点梯度带。结合组合反射率因子演变和自动站资料得知，较强回波团A和B的触发是在地面高温低压区内，沿着地面露点锋传播，并且在山区边界、地面能量较高地区发生局地强降水和冰雹大风天气。

4山区地形触发作用

利用7月10日08:00 NCEP再分析资料和中尺度模式WRF V3.1对这次过程进行数值模拟，通过模式输出的高时空分辨率风场数据分析此次弱的天气系统背景下，山区强对流天气发生的原因。

4.1绕流作用

研究表明，海上的东南气流对强对流的触发作用不可忽视[12]。从模式输出的10 m水平风场上可看到来自海上的东南风遇到山区后发生绕流，10日13:00发生绕流的2股气流在山区西北侧汇合形成辐合线(图6a)，随着渤海和黄海东南风的加强，陆地上绕流辐合线逐渐向西移动，15:00绕流辐合达到最强(图6b)，散度场可以看出明显的辐合带，其中心值为-12×10-5s-1，对应850 hPa涡度场和垂直速度场(图略)大值中心。对流恰好在气流汇合靠近山区北侧处首先被触发。山区西南侧同样存在高温和低压区，但因没有风向的地形辐合，没有出现对流，所以在这种弱冷空气入侵触发的局地强对流预报中，要注意海上东南风的影响。

4.2抬升作用

沿冷空气影响方向(图5a中箭头方向：37.33°N、116.21°E—35.67°N、119.53°E)，经过邹平南部对流易发位置对风场(u、w)做垂直剖面(图6c、图6d)。10日10:00以前，山区上空为东南气流，没有垂直运动发展；10:00，600 hPa以下冷空气南下，山区西北方出现偏北风，与山区上空的东南风对峙，如前所述，山区北部海拔较高(最高处超过1 500 m)，北风气流遇到山区地形后被强迫抬升(图6c)，迎风坡出现上升气流，背风坡出现下沉气流，此时山区并没有降水回波产生；12:00，山区的西北边界激发出垂直环流(图6d)，山前低层上升运动增强，此时强对流开始发展。综上可知，在风速较小(4 m·s-1左右)的情况下，山区地形存在对其上空垂直环流的激发作用，这是造成本次对流天气的主要因素。

图6　WRF模式输出的2011年7月10日13:00(a)与15:00(b)10 m水平风场

5小结与讨论

(1)通过分析区域加密自动站资料和雷达回波可知，鲁中山区和平原地面中尺度温、压、湿场分布存在明显差异，山区西北、西南侧的平原温度明显高于山区以及山区东面的半岛地区。夏季天气晴朗时，下垫面局地显著增温为强对流发展提供不稳定能量。此次强对流在山区西北边界低压中心、温度梯度最大处首先被触发。

(2)局地对流触发后，对流系统除沿着西北风向东南方向移动外，还沿着地面中尺度露点锋不断向北传播，剧烈天气发生在地面高能区内和特殊地形处。地面加密要素场的分布特征能明显反映出对流系统的传播及加强趋势。

(3)地面2 m·s-1左右弱北风向东南扩散遇山区西北边界后产生辐合，在环境风场较弱的情况下，鲁中山区地形对垂直环流的激发，是这次强对流天气触发的关键因素，也是这次强对流天气漏报的主要原因；山区地形对近地面东南风的绕流进而在山区背风侧产生辐合，加强了山区北侧的强雷暴天气。

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Analysis of Terrain Triggering During a Failure Predicted Strong Convective Weather Process in Mountain Region of Middle Shandong

HAN Guoyong1, LI Lanlan2, JING Tao1,ZHAO Minfen1, SONG Zhongling1

(1.ZiboMeteorologicalBureauofShandongProvince,Zibo255000,China;2.ShandongMeteorologicalServiceCenter,Ji’nan250031,China)

Abstract:By using conventional observation data and high density regional observation stations data, radar echoes and simulation results from the WRF model, an analysis about a local strong convective weather caused by weak cold air in mountainous area of the middle Shandong was done. The results show that the weather process occurred under the condition of unstable atmospheric state and the trough on 500 hPa was weak, and the influence of terrain in mountainous area couldn’t be ignored on triggering and strengthening the strong convection. The local convection was triggered easily at the northwest boundary of mountainous area, the middle scale low pressure center and maximum temperature gradient area. The simulation results of the WRF model show that the convergence caused by the flow around the terrain was favorable for convection strengthening, and the vertical circulation excited by windward slope was the main reason of the convection development. Under the weak environment field, when the convection was triggered, the strong radar echo would develop and strengthen along the high-energy zone of the ground.

Key words:local convection; terrain triggering; underlying surface energy

收稿日期：2015-08-11；改回日期：2016-03-02

基金项目：山东省气象局面上课题(2013sdqx08)和山东省气象局预报员专项项目(SDYBY2015-09)共同资助

作者简介：韩国泳(1983-)，女，内蒙古赤峰人，工程师，硕士，主要从事天气预报、预警工作. E-mail:dancingkid@163.com

文章编号：1006-7639(2016)-03-07-0540

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0540

中图分类号：P458

文献标识码：A

韩国泳，李兰兰，荆涛，等.鲁中山区一次漏报的强对流天气过程中地形触发作用分析[J].干旱气象，2016，34(3)：540-546, [HAN Guoyong, LI Lanlan, JING Tao, et al. Analysis of Terrain Triggering During a Failure Predicted Strong Convective Weather Process in Mountain Region of Middle Shandong[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(3):540-546], DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0540