引言

暴雨是我国的主要灾害性天气之一，因其时空范围广、强度大，往往给社会经济和人民生命财产安全带来较大影响。近年来不少学者和科研人员对发生在我国各地的暴雨天气过程进行了天气学和动力学方面的研究，并取得大量研究成果^[1-12]。但暴雨落区的预报仍是难点，特别是副热带高压(以下简称为副高)边缘局地大暴雨，由于其局地性、突发性强，对其落区、强度和发生时间的预报难度较大，因而引起越来越多的气象工作者的关注，同时数值模拟的应用使暴雨研究取得很大进展^[13-16]。尹洁等^[17]、谢义明等^[18]、林毅等^[19]和毛冬艳等^[20]应用MM5分别对发生在长江流域的大暴雨过程进行了模拟研究，发现高低空急流、中尺度辐合线等天气尺度和中尺度系统在暴雨形成中发挥了重要作用。

预报业务实践发现，尽管天气系统的空间结构在很大程度上决定了天气发生的物理机制和强天气落区，但地形作用在局地暴雨发生过程中仍具有不可忽视的作用，一些研究也对暴雨中地形的影响作了分析^[21-25]，认为地形对暴雨有明显的增幅作用。以上研究主要是复杂地形对暴雨影响研究，往往得到的是地形对暴雨影响的综合结果。山东地形比较特殊，地形起伏较大且较为孤立，在日常预报业务中，发现山东鲁中山脉往往造成山脉迎风坡降雨较长时间持续且强度较周围明显增强，表明地形对暴雨影响明显，而地形的敏感性试验能够使预报员充分理解地形在局地暴雨过程中的作用和机制，对形成清晰的暴雨预报思路有更大意义和价值。

本文分析研究中使用的资料主要包括：常规天气图、FY2-D红外卫星云图、济南多普勒天气雷达、山东闪电定位资料、NCEP再分析资料及WRF中尺度数值模式模拟结果等。文章主要针对2007年8月17日在山东省新泰市局地发生的大暴雨天气过程，在进行中尺度结构特征分析的基础上，通过敏感性试验，对此类暴雨中地形影响进行定量分析，并进一步探讨对暴雨产生影响的可能机制。

1 过程概述

2007年8月16—17日，受副高边缘切变线影响，山东新泰附近发生一次局地大暴雨过程。本次降雨范围从鲁南一直延续到半岛北部，呈西南—东北的带状分布，位于降雨中心的新泰市17日08:00至18日08:00(北京时，下同)降水量最大达187 mm(见图 1a)，而周边区域降水量迅速减小。由于强降雨持续时间长、降水量大、强降雨区域集中，此次大暴雨引起山洪爆发，造成新泰柴汶河河水暴涨，东周水库、金斗水库和光明水库等汛情危急，柴汶河东都河堤被冲垮，河水灌入地势低洼的西都沙井后溃入华源矿业公司三号井井下，造成华源煤矿发生溃水淹井事故，有172人被困井下，造成巨大的生命和财产损失。更详细地分析本次降水事件发现，本次大暴雨时空分布都不均匀，强降雨主要集中出现在17日8:00—14:00，且此时降水具有很强的局地性，降水主要集中在新泰附近，最大121 mm，而其他区域降雨量很小(见图 1b)。

在暴雨发生过程中，鲁南、鲁中等地区出现大范围闪电，呈西南—东北向带状分布(见图 1c)，其中以新泰为中心的区域闪电最为密集，在整个天气过程中，山东省共出现闪电达13612次，其中以负闪为主，占99.6%；从发生时间看，闪电主要发生在17日05:00—10:00，此后闪电次数迅速降低(见图 1d)，这表明本次天气过程是一次明显的对流性暴雨天气过程。

2 环流背景

本次大暴雨天气过程发生在经向环流背景下，欧亚区域中高纬度呈一槽一脊天气形势。16日08:00欧亚地区500 hPa高度场上，乌拉尔山地区有一个深厚低槽，而在东亚地区中高纬度有一个强盛的阻塞高压存在，西太平洋副高主体呈块状分布，中心位于日本南部，脊线在33°N附近，588 dagpm等高线已到山东半岛青岛—烟台一线(见图 2a)。此时，在中纬度的河套地区有短波槽东移，低槽后部有冷空气伴随，冷平流使低槽不断加深东移；副高边缘附近700 hPa存在强低空急流，急流中心风速达18 m·s^-1，急流横跨中低纬地区，使南海水汽源源不断向山东附近输送。

从16—17日环流形势演变来看，东亚北部阻塞高压维持，低纬地区台风“圣帕”持续向西北方向移动，使副高一直西进北上。17日08:00，随着河套地区低槽东移和冷空气的南下，副高西进趋势有所减弱并停滞，588 dagpm等高线位于山东中部沿黄河一线。由于副高的阻挡，700 hPa低槽逐渐由南北向转为西南—东北向，而在850 hPa副高西北边缘和西风带高压之间形成西南风和东北风之间明显的切变线(见图 2b)。同时，冷空气的侵入激发前期不稳定能量释放，沿切变线附近形成多个不稳定的对流性涡旋，触发对流性天气。由于副高稳定少动，其西北边缘偏南暖湿气流不断的水汽输送，造成了此次降水效率高、强降水时间集中的大暴雨过程。

3 中尺度结构分析

天气尺度系统下的中尺度系统是造成暴雨的直接原因。暴雨发生过程中，在对流层中低层副高西北侧存在并维持一条明显切变线。分析本次暴雨过程中的流场和涡度场，发现在8月17日08:00，900 hPa存在的由西南风和东北风构成的速度不连续的切变线特别明显，有对应的正涡度区配合(见图 3a)，这一天气系统与实况降雨的分布非常一致。而在最大涡度区有明显风速、风向辐合，这一位置正是产生局地大暴雨的新泰附近。理论研究指出^[26], 如果在一条速度不连续的切变线上涡度集中, 则线性气流的不稳定性(即在某处有最大的切变涡度)可能变得特别显著。这种不连续性相联系的不稳定性称为开尔文-赫姆霍茨不稳定(简称K-H不稳定)，K-H不稳定往往会引起线对流中出现小涡旋，造成大暴雨天气。

分析多普勒天气雷达，发现造成新泰局地大暴雨的回波是由多个不断从西南向东北移动的对流单体组成。图 3b和图 3c分别是17日08:47济南多普勒天气雷达0.5°和3.4°仰角径向速度图，可见在0.5°仰角速度图上，在新泰偏南位置有正负速度配合的明显气旋性辐合区，直径约20 km，该气旋式辐合区随时间向东北方向移动；而在3.4°仰角速度图上，与之对应的为相反的正负速度配置，在高度约为9 km位置处是典型高空辐散区。这表明，在暴雨雨团有中尺度气旋性涡旋结构的存在。

从卫星云图产品分析，降水主要是由不断在鲁南出现并向东北移动的中尺度雨团造成，其中造成本次局地大暴雨的暴雨云团最初出现在17日06:00，开始时在苏鲁边界云团的西北侧生成一个新生对流云团，此时云顶亮温仅为-40℃。至08:00暴雨云团已经有很大的发展，云团直径为90 km左右，云顶亮温进一步降低，云顶亮温降低到-50℃，并且与原苏鲁边界雨团分离，形状近似呈圆形，此时对流天气迅速发展。10:00云团进一步发展，范围更大，直径达170 km，云顶亮温更低，达-54℃，且此时亮温低值中心位于暴雨中心的偏东位置。12:00以后，云团范围迅速扩大，云顶亮温升高到-49℃，表明对流发展已经进入后期，此后降水逐渐结束(见图 3d~3h)。

4 数值试验及结果分析 4.1 敏感性试验

为分析鲁中山脉对此次暴雨的环流形势和物理量场分布等的影响，使用美国新一代中尺度数值模式WRF(版本3.1.1) 对本次大暴雨天气过程进行了数值模拟和敏感性试验。数值试验共包括控制试验和敏感性试验两部分，其中控制试验中心区域在36°N、106°E，使鲁中处于模拟区域的中心位置，水平方向采用单层网格，水平格点为150×120，格距10 km, 模式垂直方向分为27层, 模式顶气压为50 hPa。模式初始场和侧边界条件使用NCEP再分析资料。初始时间为2007年8月16日20:00，18日08:00结束，积分步长为60 s，结果为1 h输出一次。选取的参数化方案为：WSM 3微物理方案、rrtm长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Monin-Obukhov近地面层方案、YSU边界层方案以及K-F积云参数化方案。

敏感性试验采用与控制试验相同的区域和参数化方案，但将除半岛丘陵外的鲁中山区地形全部去除(33.0°~37.6°N、114.2°~118.8°E)，即设置上述区域地形高度为0 m，其他参数与控制试验相同(见图 4)。

同时，为了分析鲁中山脉地形对不同强度降水过程的影响程度，采用与控制试验和敏感性试验相同的设置，对2007年08月16日较弱的一次降水过程进行模拟和对比试验，模拟开始时间为2007年8月15日20:00，17日08:00结束，以便进一步定量研究鲁中山脉地形的作用。

4.2 降水模拟结果对比

从控制试验模拟的降水来看，8月17日08:00至18日08:00降水区呈西南—东北带状分布, 降水主要集中在鲁中和鲁西北东部，模拟降水量超过100 mm(见图 5a)；而在强降水时段(17日08:00—14:00，见图 5b)，降水最大区域位于新泰区域，降水量也超过100 mm，而其他区域降水较小。以上结果表明，模拟结果与实况较为一致，WRF能够很好地重现本次副高边缘大暴雨天气过程。

在敏感试验中，对整个暴雨过程来说，位于114°~123°E范围内的雨带依然呈西南—东北走向，与控制试验相比十分一致；但去除地形影响后，暴雨中心过程降水量明显减少，最大降水量仅有80 mm，且强降水中心明显偏移到东北方向约50 km处(见图 5e)；分析还可以发现地形对于鲁西南区域(系统上游)的降水影响不大，但位于系统下游的莱州湾和半岛北部地区降水量明显增大。特别是在暴雨主要发生时段(17日08:00—14:00)，在敏感试验中，模拟降水中心降水量与控制试验相比较强度减少20 mm，位置也偏向东北50 km，且降雨区形状更为狭长(见图 5f)。从控制试验和敏感试验模拟的逐小时降水量变化曲线(见图 5g)可以看出，降水均主要发生在8月17日上午，但是，有地形的控制试验中，降水强度更强，且降水峰值时间相对于敏感试验更为提前，而降水较弱时山脉地形对降水影响不大。

对比以上试验结果表明，鲁中山脉地形对副高边缘降雨有很大影响，主要表现在三个方面：降水分布、中心强度和中心落区，鲁中山脉地形能够使降水区范围扩大，降水中心雨强加强，强降水中心向系统上游偏移，而且使下游区域降雨减弱；而这些影响在强降雨发生时更加明显。

同时，对降水强度较弱的2007年8月16日降水过程进行模拟和敏感性试验。发现，鲁中山脉地形对降水分布、中心强度和中心落区等同样存在前面所述的影响，但是在程度上较弱，特别是新泰附近地形造成的降雨增幅仅为10 mm左右，与17日强降水过程中地形对降雨的增幅30 mm明显减弱，仅为其三分之一。

5 大暴雨的诊断分析 5.1 动力场分析

为研究山脉地形对动力场的影响，我们分析了900 hPa水平流场和垂直上升速度的分布，以此讨论地形对低层流场的影响。地形对气流的动力作用主要取决于气流对地形的爬升和绕流。从高空图分析可见，在17日08:00，850 hPa鲁南到鲁北沿黄河一线存在一条明显的切变线，在其东南暖湿空气一侧，存在一个风向切变和辐合区。数值模式模拟和敏感性试验高分辨率结果显示，无地形影响时，在850 hPa北部区域存在弱的风向切变区(图 6a)；而在地形存在情况下，新泰中南部附近气旋性切变明显增强(图 6b)，形成一条东南—西北向的中尺度切变线，同时有明显的正涡度高值区与其对应。可见该中尺度切变线的形成与地形关系密切，地形对暴雨过程的动力场有较直接的影响，主要表现在地形的绕流作用使风场切变加强，同时使其位置更趋近于上游方向，使迎风坡降水明显加强。

分析17日08:00沿117.5°E垂直速度剖面(图 6c)，表明山脉地形除了对水平气流有较大的影响外，同时也使得垂直速度场有明显的改变。在地形存在情况下，对流发展旺盛，08:00垂直速度已超过1 m·s^-1，且发展高度更高，最大速度中心在500 hPa；同时，上升速度大值区随高度向北倾斜，这可能与暴雨发展中的对称不稳定有关。而无地形影响时，垂直上升运动相对减弱，最大速度中心高度仅到600 hPa，且最大值为0.8 m·s^-1。由此可见，在迎风坡附近，随着低层辐合、高层辐散的加强，能明显促使迎风坡附近垂直上升气流的发展，且垂直上升气流位置更偏南，这与水平气流受迎风坡阻挡发生风场辐合的位置相对应。

这也可以从模拟的雷达回波强度剖面图(见图 6d)上得到印证，地形影响主要表现在造成回波强度增大，控制试验中回波强度达40 dBz，而无地形影响时仅为30 dBz，但对回波总体形状影响不大。由于低空暖湿急流的影响，降水呈现出低回波强度、高降水效率的热带型降水特征，在地形作用下，更易产生局地大暴雨。

5.2 水汽分析 5.2.1 水汽通量和水汽通量散度

水汽的持续输送和辐合是形成大暴雨的必要条件。在控制试验和敏感性试验中均可以找到较明显的水汽输送通道。从无地形的敏感性试验900 hPa水汽通量场(见图 7a)看，暴雨发生期间，在117°~119°E之间存在西南—东北向的水汽通量大值区，最大值位于鲁中山区北部，水汽通量相对比较均匀，水汽通量辐合区范围较小，强度较弱，水汽通量散度最大仅为-4×10^-8 g·hPa^-1cm^-2·s^-1。而在控制试验中(见图 7b)，900 hPa水汽通道虽然存在，但是分裂为两个中心，其中，鲁中山区北部的中心强度明显降低，表明向北的水汽输送减弱。而在新泰附近出现一个明显的水汽通量中心，在其左前方有强的水汽通量辐合中心配合，水汽通量散度中心值达-10×10^-8 g·hPa^-1cm^-2·s^-1，这一个水汽辐合中心与地形关系密切。由此可见，地形对暴雨过程中的水汽通量分布影响较大，特别是影响水汽通量大值区的分布，这导致水汽通量辐合中心的重新分布，对暴雨落区产生直接影响。

5.2.2 比湿分布

在此次大暴雨过程前期，“圣帕”台风已经发展加强，在副高西北边缘对流层中低层存在宽广的低空急流，形成明显的水汽输送通道。分析可知，本次大暴雨过程水汽主要来自于副高边缘偏南急流，南方暖湿空气在偏南风的承载下向山东半岛输送，造成对流层中深厚的湿区。

暴雨区在900 hPa高度上比湿的分布可以反映暴雨发生时对流层低层水汽的水平分布特征。从图 7c分析可见，水汽大值区主要沿鲁西南至鲁中一线分布，比湿最大达17 g·kg^-1，当去除地形后，分析敏感性试验，结果发现比湿的水平分布与存在地形时差别不大。而沿117.5°E比湿剖面图上同样可以看到水汽大值区主要分布在34.5°~37.5°N，且主要分布在对流层低层(见图 7d)，控制试验的比湿大值区面积超过16 g·kg^-1的面积明显较敏感性试验大，这说明地形的存在更有利于水汽的积累。同时也表明，山脉地形对本次暴雨过程水汽水平分布影响较小，而对水汽通量和水汽通量散度的影响较大，而水汽通量及水汽通量散度的差异主要是由于地形造成的风场辐合辐散造成的，水汽分布差异对其贡献较小。

5.3 热力场分析

温度场和湿度场的水平和垂直分布的变化必将导致能量场和大气稳定度发生变化。图 8分别给出了假相当位温(用θ_se表示)的垂直分布和时间演变图，以此来分析暴雨发生期间及发生前后能量和不稳定层结发展情况及地形对其的影响。理论研究可知，如果$\frac{\partial {{\theta }_{\text{se}}}}{\partial z}＜0$, 即表明大气具有对流不稳定性。在本次过程中，从θ_se随时间的演变图(见图 8a)可以看出，暴雨开始前对流不稳定性较弱，17日02:00以后，由于低层暖湿平流输送和中高层冷空气南侵，大气对流不稳定性迅速增强，03:00—13:00，在对流层低层850 hPa高度以下存在大面积的θ_se大值区，最大值达350 K；在09:00前后，348 K假相当位温线达到700 hPa高度以上，表明对流不稳定层结相当深厚；与对流层中层θ_se低值区相对应，使大气处于强的对流不稳定状态，此时对流有效位能(CAPE)也迅速增大，最大达1400 J·kg^-1。在敏感性试验中，对流不稳定的建立和维持时间与控制试验基本一致，而对流不稳定的强度略弱。以上分析表明，地形可以加强大气对流不稳定性的强度，但是对其发生发展时间影响较小。

从沿117.5°E的假相当位温经向剖面分布分析(见图 8b)，地形对暴雨影响表现在对流不稳定强度上。同时，在经向方向上，由于地形的作用，使不稳定能量区南移，而在山脉的下游348 K的θ_se大值区消失。表明山脉地形对不稳定能量位置影响更加明显。

5.4 云物理分析

暴雨过程中云体和降水的形成与发生, 需具备两个重要的条件，即较强的水汽辐合和较大的垂直上升运动。图 9a给出了17日08:00控制试验和敏感性试验中沿117.5°E的水凝物中云水含量的南北向垂直分布。总的来看, 山脉地形能较明显改变垂直流场的大小和分布, 这对云的垂直和水平发展影响都很大, 尤其是云的水平位置。从图 9a中可以看出, 在控制试验中，由于山脉地形的作用，气流在地形迎风坡时出现明显的爬升运动，这也有利于云的形成发展，此时云水含量为1×10^-1 g·kg^-1的高度达到约200 hPa，中心在35.8°N附近。而无地形影响时，上升速度中心明显北移，到达36.2°N附近，相应的云高也明显偏低，云水含量为1×10^-1 g·kg^-1的等值线仅到500 hPa。同时还可以发现，在位于远离山脉地形的36.9°N附近云水含量与控制试验基本一致，这表明地形对云的影响较为局地，主要对山脉迎风坡云影响较大，而对于远离山脉地形的区域影响较小。

山脉地形对水凝物中雨水的影响较云水更为明显，这主要表现在两个试验中对雨水含量中心的强度差别上。从图 9b所显示的17日08:00沿117.5°E的雨水含量分布图上分析可知，控制试验中主要有两个雨水含量大值区，中心数值分别达21×10^-1和32×10^-1 g·kg^-1，中心高度达450 hPa。而去除地形后，雨水含量尽管还保持两个大值区，但是中心值明显减弱，仅为12×10^-1和9×10^-1 g·kg^-1。但是，雨水含量的大值区的高度和水平位置差异较小。

以上分析表明，山脉地形能明显改变垂直流场的大小和分布，这对云的垂直和水平发展影响都很大，特别是对云的水平分布；进一步分析认为，山脉地形会促进对流云中雨水含量的剧烈增加，对于局地暴雨降水强度影响很大。

6 小结

通过对此次副高边缘局地大暴雨过程进行数值模拟和敏感性试验，针对中尺度结构特征、地形对暴雨影响，从动力、热力、水汽和云物理等方面进行深入分析研究。得到以下主要结果：

(1) 本次局地大暴雨是发生在对流层低层风场强的切变区，与K-H不稳定和中小尺度涡旋有密切联系。鲁中山脉地形对大暴雨落区、中心强度和位置等影响较大，能够显著加强降水强度，并使降水中心趋于偏南。

(2) 鲁中山脉地形对不同降雨强度的过程影响程度有明显差异，对强降雨增幅的影响更强，而对弱降水影响相应较弱。

(3) 地形增强对流层低层风场切变和辐合，使最大上升速度中心向上风方偏移，强度增大，这有利于局地大暴雨的发生和发展。

(4) 地形对副高边缘大暴雨不稳定能量积累的开始和结束时间影响不大，但可以明显增加不稳定能量的强度，使对流不稳定性明显增强，进而促使对流性暴雨发生发展。

(5) 地形对暴雨天气过程水汽分布影响较小，但对水汽通量及水汽通量散度影响较大，而且主要是通过改变风场散度影响水汽的辐合辐散。同时，地形对空气中的云水影响较为局地，而对雨水含量影响较大，主要表现在可以明显增强雨水含量，有利于暴雨产生。