引言

研宄和实践表明，产生暴雨的物理机制非常复杂，陶诗言^[1]明确指出，大气中暴雨的发生发展与低空流场的辐合、垂直运动的发展有关。丁一汇对暴雨和强对流发生的条件作了对比分析^[2]指出，暴雨发生在低层辐合、高层辐散的强上升运动区，无辐散层在550~ 600hPa，且边界层辐合具有重要意义，暖区暴雨与低空急流有关，而冷区暴雨与中纬度斜压锋区有关。

山东地处中纬度，冷暖空气常在山东交汇，形成大范围暴雨过程，暴雨是水资源的重要组成部分，但雨量过分集中时，会造成严重洪涝灾害。因此，暴雨落区预报十分重要。在实际业务中，当同样处于500hPa高空槽前、850hPa低空急流前方和对流层低层低涡位置基本一致的环流背景下，暴雨落区却各有不同。因此，准确预报暴雨落区是目前天气预报的难点。气旋是影响山东产生暴雨的主要天气系统^[3]，即使同样路径的气旋，其暴雨落区也不尽相同，当暴雨出现在气旋后部冷区时，暴雨往往出现在鲁西、鲁西北等沿黄河地区；而当暴雨出现在气旋前部暖区时，暴雨往往出现在鲁南、鲁东南及半岛一带。因此，准确预报暴雨区相对于气旋的位置，对暴雨的落区预报很重要。而暴雨区相对于气旋的位置与高、低空系统的相互配置、冷暖空气的相互作用、物理量场等密切相关。2003年4月17日的冷区暴雨和2004年7月16—18日的暖区暴雨即具有一定的代表性。

1 过程概况

2003年4月17日，由于强冷、暖空气在山东剧烈交汇，引发了春季罕见的大范围狂风暴雨和急剧降温过程(以下简称03. 4. 17过程)。17日06时一19日06时(北京时，下同)，全省平均雨量为45. 5mm, 鲁西、鲁北、鲁中出现暴雨或大暴雨(图 1a)，泰山雨量最大为145. 0mm, 禹城次之为120. 2mm。此次过程降温剧烈，18日最高气温较冷空气影响前的16日骤降20℃以上。

2004年7月16—18日，受气旋影响，山东出现入汛以来最强的降水过程(以下简称04 7. 17过程)鲁南和鲁中地区普降暴雨，部分地区出现了大暴雨(图 1b)。16日06时-18日06时，全省平均降水量为53. 5mm。降水量以泰山最大，为238. 0mm, 其次是东平，为158. 1mm。

以上两次大范围暴雨过程均受气旋影响，所不同的是暴雨落区，前者发生在气旋后部强劲的东北风(冷区)当中，而后者发生在气旋前部弱东南风(暖区)当中。

2 500hPa环流形势特点 2.1 03.4.17过程500hPa形势特点

此次过程前期(14日08时起)，东欧北部到新地岛为阻塞高压，脊前西西伯利亚地区为深厚低涡，亚洲为祎向环流，中高纬度地区处于低涡南侧偏西气流之中，不断有小槽分裂东移，而中低祎度地区从青藏高原上空至华东沿海也呈多波动态势。由于西西伯利亚深厚低涡南侧不断有冷平流和正涡度输送到青藏高原上空，使得高原上不断有南支槽东移。16日08时，高原槽移至四川盆地东侧。与此同时，低涡移至贝加尔湖附近，涡后横槽从贝加尔湖伸至咸海，东一西向横跨40个经距。至过程发生前16日20时，横槽转竖，我国新疆以东为槽前西南气流，南支槽前西南气流加大，西南急流从华南伸向山东。鲁西地区17日20时6小时最大雨量(禹城)达64mm。

2.2 04.7.17过程500hPa形势特点

此次过程前期(12日08时起)，乌拉尔山及以东地区为两槽两脊型，新疆高压和西太平洋副高呈对峙态势，乌拉尔山为深低涡，从东北到华北为两高之间的深厚低值系统，山东处在副高边缘和华北低涡前。13日08时，新疆高压脊向东北发展与贝加尔湖高压脊合并，形成阻塞高压，阻高前低涡加强，低涡后部伴随明显横槽，形势稳定。12日起山东始终处于两高之间从东北到华北的低压带中，并伴随着横槽的活动出现降水的脉动。16日20时，贝加尔湖出现冷平流..阻高呈减弱趋势.至17日20时阻高完全崩溃，演变为位于新疆的移动性高压脊。此次过程主要降水集中在阻高崩溃过程当中，鲁西南地区17日08时6小时最大雨量(定陶)达96mm。

3 低层形势对比 3.1 03.4.17过程低层形势特点

2003年4月17日的强降水过程是由强烈发展的对流层低涡影响造成的。在700hPa上，17日08时从河套伸向四川盆地的深槽在20时发展为中心位于山西南部(36. 1°N、112.0° E)的低涡，并向东北方向移动，于18日08时位于42 0° N、120. 4° E。而850hPa低涡中心17日08时位于四川北部(31. 7°N、105.8° E), 山东处于涡前西南气流当中，且涡前西南急流在山东辐合；由于低涡前后分别存在较强的暖平流和冷平流，低涡获得发展向东北移出，17日20时移至河南西北部(35.0°N、113 > 0 °E)，后经渤海移入辽宁营口附近(4a 8°N、122. 0°E)。在垂直方向上低涡自下而上向西北倾斜，较强降水出现在850hPa涡前和地面冷锋后东北风之间的区域。

3.2 04.7.17过程低层形势特点

此次过程发生在汛期副高强盛时期，在700hPa图上，蒙古地区的西风带高压与副热带高压呈对峙之势，山东处在两高之间的低压区内，且有东北风与西南风之间的切变线自河北向鲁西北靠近。17日08时，原位于四川东北部的西南低涡沿切变线移至鲁西地区，后继续向北移动进入河北。在850hPa图上，亦表现为西南低涡沿切变线向东北移动经鲁西进入华北地区。18日20时，700hPa和850hPa低涡位置重合，皆位于河北北部。

4 相当位温θ_e对比 4.1 03.04.17过程相当位温6L分布

2003年4月17日20时的相当位温图上(图 2)，500、700、850hPa三层都有θ_e密集区存在，该密集区即为冷、暖气团交界的锋区，且从低层到高层呈明显的后倾结构。

在500hPaθ_e图上(图 2a)锋区在45 °N以北，华北地区为330K的高θ_e区控制，是春季大陆暖脊的位置，该高值区与南方的高θ_e区之间有小于325K的低值区间隔，说明此次过程南方暖湿气团主要影响500hPa以下的对流层低层。从700hPa θ_e场(图 2b)可看出，θ_e密集区在40~45°N之间，山东为大于330K的高值区控制，该高值区与我国南方北上的θ_e高值区相联系，而位于蒙古的干冷空气θ_e值在285K以下；在850hPa θ_e场上(图 2c)，θ_e密集区比700hPa更偏南，位于36~42°N之间，山东大部为大于335K的高值区控制，且与700hPa相似，都与南方暖湿气流相联系，锋区北侧为θ_e低于285K的强大的冷气团。500~850hPa纬向锋区从北向南依次倾斜3 ~ 5个纬距。

4.2 04.7.17过程相当位温θ_e分布

2004年7月17日08时850hPa θ_e图上(图 3c)渤海为东西向的θ_e低值区，330K的低值中心位于渤海西岸，鲁北和半岛北部为θ_e密集带，该密集带是干冷空气与暖湿气流的交界面，其北侧低θ_e区范围较小，其相邻的华北一东北即为高θ_e区，说明干冷空气弱而浅薄。相反，从我国西南地区到山东为大范围的θ_e高值区，除鲁北外，山东大部处在340K的高值区控制之下，暖湿气流大范围影响山东。

500hPaθ_e密集区(图 3a)与850hPa相似，都沿渤海和山东北部呈东西向分布，上下层θ_e密集区重合是此次过程的特点。其北侧低θ_e区范围较小，且中心零散，从西南地区到山东为θ_e高值区，该高值区与副高边缘大举北上的暖湿气流相对应。

以上分析可以看出，暖区暴雨(04.7.17过程)低层冷空气较弱；高低层系统几乎重合；三层都处于有组织北上的南方暖湿气团里。而冷区暴雨(03.4.17过程)具有明显的后倾结构，南方暖湿气流主要在700hPa以下，冷空气十分强大，主导系统为锋区。

5 垂直环流及θ_e垂直分布对比

由于两次过程都有近东西向的θ_e密集区，因此，沿暴雨区附近(117° E)作经向垂直剖面。

5.1 03.4.17过程垂直环流及θ_e垂直分布

由2003年4月17日20时垂直环流及θ_e垂直分布(图 4)可看出，θ_e密集区位于36~39°N之间，是冷暖空气交界的锋区，其北侧为庞大的干冷空气，南侧为暖湿空气，暖湿区340K线仅到达800hPa, 说明此次过程暖湿空气较为浅薄，主要集中在对流层下层。与强冷空气相联系的斜压锋区随高度向北(冷区)倾斜，在30°N附近为潜在对流不稳定区，上升运动从对流不稳定区的北缘沿着锋面大范围爬升，在地面锋面北侧高空为广阔的上升运动区，强降水出现在锋后。

5.2 04.7.17过程垂直环流及θ_e垂直分布

由2004年7月17日08时垂直环流及θ_e垂直分布(图 4b)可看出，对流层中下层等θ_e线呈哑铃状分布，在500~700hPa之间有两个θ_e低值中心分别位于30°N和40°N附近，其间在35°N附近为θ_e线明显上凸的舌状高值区，该高值区与低空西南急流不断将暖湿气流输送到山东有关，340K高度达600hPa, 与高层漏斗状下伸的340K线对接，这种上下贯通的θ_e结构有利不稳定能量的积累，高值区内θ_e随高度减小，呈现潜在不稳定结构。其北侧37°N附近，为高低层几乎重合的θ_e密集区，为北方干冷空气与暖湿气团的分界面，即锋区所在，锋区垂直方向陡立，具有中性稳定层结。从垂直环流上可以清楚看出，大范围上升运动位于锋区南侧高θ_e区内，因而降水出现在锋前暖区内。

以上分析可见，在暖区暴雨中，与暖湿空气相对应的θ_e高值区水平范围较大，垂直高度也较高，而冷空气则比较弱，低层锋区较陡，垂直方向上锋区位置几乎重合，主要上升运动在锋前暖湿舌造成的不稳定区，也是强降水的位置。而在冷区暴雨中，暖湿气团较为浅薄，冷空气势力强大，且锋面坡度较小，暖湿空气从弱暖湿舌的北部边缘沿着锋面大范围爬升，垂直方向从地面锋面到对流层上层，水平方向从33 ~48°N整个大尺度锋面上为大范围上升运动区，强降水出现在地面锋后高空为广阔的上升运动区的位置。

6 散度的垂直分布对比 6.1 03.4.17过程散度的垂直分布

在2003年4月17日20时散度的垂直分布图上(图 5a), 暴雨区附近(117 E)无辐射层在500hPa。500hPa以下为辐合最大福合位于800~600hPa福合中心大于-6×10^-5s^-1, 500hPa以上为福散，最大辐散出现在300hPa左右，辐散中心大于9×10^-5s^-1。

6.2 04.7.17过程散度的垂直分布

在2004年7月17日08时散度的垂直分布图上(图 5b)，暴雨去附近(115°E)近地面(900hPa)为辐合区，辐合中心在900hPa以下，前度在-4×10^-5s^-1以上；600hPa以上为辐散，最大辐散层位于200hPa，散度中心在6×10^-5s^-1以上。此次过程主要辐合区在边界层，无辐散层在600hPa附近，200hPa具有明显的辐散抽吸作用。由于此过程发生在汛期深厚的暖湿气团中，边界层的辐合具有重要意义。

可见，04.7.17过程相比，由于03.4.17过程发生在干季，其辐合层较高，二最大辐散层则较低，底层辐合和高层辐散都较强，这可能与水汽条件差，需要最强的动力条件有关。

7 小结

(1) 暖区暴雨θ_e密集带较弱，且高低层重合，850 ~500hPa三层θ_e高值区与西南地区北上的高θ_e区连为一体，山东三层θ_e高值都在340K以上，鲁南地区850hPaθ_e值达345K以上，强降水出现在850hPaθ_e暖湿舌内。二冷区暴雨θ_e密集带较强，且高低层呈倾斜形势，θ_e比暖区暴雨小，850hPa鲁南、鲁东南高值为335K，降水出现在850hPaθ_e暖湿舌后部的密集区内。

(2) 当高空槽具有明显后倾结构且斜压锋区较强时，高空西南气流沿低层冷空气爬升，可能在地面气旋后部冷区产生暴雨。而当冷空气较弱时，大气的斜压性不明显，暴雨发生在深厚的暖湿气团里，因而也就出现在气旋前部暖区中。

(3) 暖区暴雨在对流层低涡影响山东时，700和850hPa低涡位置逐渐靠近，有重合趋势。而冷区暴雨在垂直方向上始终保持后倾结构。

(4) 冷区暴雨由于地面己转北风，暖湿空气在冷垫上辐合上升，因此辐合层较高，低层辐合更强，高层辐散也更明显。