1. 引言
暖区暴雨因其突发性强、短时雨强大、局地性强、降水集中等特征，常造成洪涝灾害。不同于锋面降水，暖区暴雨具有天气尺度系统强迫较弱、数值预报的可预报性差等特点，因此在实际业务中经常导致误报和漏报 [1] 。
众多研究指出暖区暴雨多出现在不稳定能量较高，湿层较厚，大气斜压性不强，低空较强暖湿急流环境中 [2] 。研究表明暖区暴雨中的对流系统的触发与冷池出流抬升或风速辐合产生的小扰动有关。且边界层急流、地面辐合线、阵风锋和中尺度气旋均有利于暖区对流的触发和组织化发展 [2] [3] [4] 。
虽然暖区暴雨的概念针对华南地区提出，但是近年来发现，我国偏北地区也常有一些暴雨过程发生在暖湿气流中，与华南暖区暴雨有相似之处 [5] [6] 。且我国北方也存在暖区暴雨导致的强降水事件 [7] [8] [9] [10] 。侯淑梅等 [11] 和孙兴池等 [12] 对比分析了切变线和气旋冷暖区暴雨的落区和特征，总结不同影响系统下冷、暖区暴雨的不同。高守亭等 [13] 指出华北与东北地处中高纬度，与华南暴雨的形成机理存在较大区别，华南暴雨更关注大气低层，尤其是边界层，而华北和东北暴雨更关注中、高层，因此北方暖区暴雨的预报着眼点也不尽相同，使得华南以外的其他地区的暖区暴雨预报成为业务预报的又一个难点。
2022年6月13日~14日山东半岛发生一次冷涡背景场下的暖区大暴雨过程。该过程发生前，所有业务客观数值预报模式均表现为弱降水，低层切变系统影响时间短、强度弱，便得出“雷雨或阵雨”的预报结论，造成此次暴雨大范围漏报。因此，进行此次过程的成因机制和漏报原因分析，对于提高预报员对山东暖区暴雨的认识和预报经验具有一定指导意义。本文利用多种观测资料对其天气尺度的环境条件，低空急流、地形作用、中尺度对流系统的触发进行了诊断分析，以期为后续山东地区暖区暴雨预报提供参考依据。
2. 资料和方法
本文所用资料包括：1) 山东省2022年6月13~14日1757个地面区域气象站逐小时加密观测资料；2) 分辨率为0.1˚ × 0.1˚的山东省天气雷达组合反射率产品和FY-4A红外云图资料；3) 分辨率为0.25˚ × 0.25˚、间隔为1 h的ERA5再分析资料。
3. 降水实况雨环流形势
3.1. 降水实况
2022年6月13日夜间至14日夜间山东半岛地区出现一次大范围强降水过程，累计降水量如图1(a)所示。最强降水出现在14日白天，并伴有明显的短时强降水，雨带长约200 km。大暴雨(≥100 mm)落区局地性强，最大降雨量出现在海阳方圆为119.1 mm，最大小时雨强达71.8 mm/h。此次强降水具有短时雨强较强和持续时间长的特点。主要降水过程分为两个阶段：1) 13日夜间至14日早晨，雨区自东南沿海向西向北扩展，14日早晨东部降水逐渐减弱，局地对流性质明显；2) 14日凌晨半岛中部出现降水，雨带缓慢东移，在14日05时前后与13日夜间出现的西移雨带合并，降水强度明显增大，部分站点小时雨量40 mm以上(图1(b))，对流性质明显。
Figure 1. Accumulated rainfall (a, unit: mm) and maximum hourly rainfall intensity (b, colored dots ≥ 20 mm∙h−1, unit: mm∙h−1) and peninsula terrain (shaded, unit: m) from 20:00 BT on June 13, 2022 to 08:00 BT on June 15, 2022
图1. 2022年6月13日20时至15日08时累计雨量(a，单位：mm)和最大小时雨强(b，彩色打点 ≥ 20 mm∙h−1，单位：mm∙h−1)和半岛地形(填色，单位：m)
3.2. 大尺度环流背景和影响系统
此次强降水过程是在高空冷涡背景下，日本海高压强盛、低层暖式切变、低空急流和边界层急流输送水汽等多种因素的共同配合下发生的。
13日20时500hPa高度场上(图2(a))，中纬度地区为两槽两脊环流形势，半岛地区处于高空槽前，东侧日本海高压脊强盛发展并形成闭合中心，高空冷涡东移受阻。到14日10时(图2(b))，500 hPa高度场日本海高压脊仍较强，使冷涡中心在120˚E附近旋转，槽线位置略西移，冷涡槽区经向度增加；14日10时850 hPa (图2(c))气旋式切变发展加强，风场形成闭合环流，半岛东侧形成东南风急流，急流持续向半岛上空输送水汽。14日10时925 hPa (图2(d))也出现东南风边界层急流，与850 hPa低空急流位置耦合，为强降水提供源源不断的充沛的水汽。低空急流的重建与维持也是此次暴雨过程持续时间较长的原因。
Figure 2. Geopotential height (black solid lines, unit: dagpm), temperature (red dashed line, unit: ˚C), wind field (wind barbs, wind speed ≥ 12 m∙s−1 shaded by blue), and jet (shadow) at 10:00 am on June 13~14 2022 ((a) 500 hPa at 20:00 BT 13 June; (b) 500 hPa at 10:00 BT 14 June; (c) 850 hPa at 10:00 BT 14 June; (d) 925 hPa at 10:00 BT 14 June)
图2. 2022年6月13日~14日位势高度场(黑色实线，单位：dagpm)、温度(红色虚线，单位：℃)、风场(风杆，蓝色风速 ≥ 12 m∙s−1)和急流(阴影) ((a) 6月13日20时500 hPa；(b) 6月14日10时500 hPa；(c) 6月14日10时850 hPa；(d) 6月14日10时925 hPa)
4. 暴雨成因分析
4.1. 水汽条件
强降水期间对流层低层有两条重要的水汽通道向半岛地区持续输送水汽：一条是13日夜间至14日，东南急流和南风气流将来自东海、黄海的水汽向山东半岛输送；另一条是14日东南急流再次建立后，与西南气流共同将水汽从黄海向半岛东部输送。图3可以看出，13日20时降水前期(图3(a))，低涡位置比较偏北位于东北地区，低压系统位于朝鲜半岛南部，水汽通量大值区分别分布于辽宁、吉林省以及朝鲜半岛，此时东南急流开始加强并向半岛东部输送水汽，半岛西部开始有一定的水汽通量散度的辐合，对应半岛西部地区对流自南向北发展。
14日00时(图3(b))，随着低层低压系统的东移南压，以及东部日本海高压的阻挡作用，东南急流加强并维持，半岛东部为偏南风与东南风气流的辐合，急流发展到14 m∙s−1，850 hPa水汽通量大值区中心位于半岛东部地区，水汽通量中心达9 g∙hPa−1∙cm−1∙s−1以上，且半岛中部有多个6 × 10−7 g∙hPa−1∙cm−1∙s−1以上的水汽通量辐合中心，此时南岸降水加强；14日11时(图3(c))，因东部强盛高压的阻挡作用，使得低压系统持续在山东地区盘旋，半岛东部的南风急流长时间维持，为半岛持续输送较强水汽，半岛上空水汽持续辐合。14日18时850 hPa低涡加强发展(图3(d))，低涡东侧东南风急流建立后保持在16 m∙s−1的强度，此时半岛东部水汽通量仍维持在6 g∙hPa−1∙cm−1∙s−1以上，同时受低涡中心影响水汽通量散度中心达16 × 10−7 g∙hPa−1∙cm−1∙s−1。半岛地区持续处于水汽通量大值区影响下，为降水的发展提供了持续充足的水汽条件，同时水汽通量散度负值区域对流落区相对应。
Figure 3. Distribution of water vapor flux (shaded and arrow, unit: g∙hPa−1∙cm−1∙s−1) and water vapor flux divergence (red solid line, unit: ×10−7 g∙hPa−1∙cm−1∙s−1) ((a) 20:00 BT on the 13th; (b) 00:00 BT on the 14th; (c) 11:00 BT on the 14th; (d) 18:00 BT on the 14th)
图3. 2022年6月13~14日850 hPa水汽通量(阴影和箭矢，单位：g∙hPa−1∙cm−1∙s−1)和水汽通量散度(红色实线，单位：×10−7 g∙hPa−1∙cm−1∙s−1) ((a) 13日20时；(b) 14日00时；(c) 14日11时；(d) 14日18时)
4.2. 不稳定条件
13日08时至14日20时山东半岛持续处于槽前暖湿气流影响下，500 hPa温度场，山东西部有−14℃的冷中心随冷涡主体东移南下(图2(b))，从荣成13日20时(图4(a))和青岛14日08时(图4(b))探空图和对流稳定度参数(表1)可知，强降水发生前山东半岛东部和西部先后有明显的对流不稳定能量(CAPE)发展，荣成站和青岛站CAPE值分别达614.3 J/kg、671 J/kg。湿层深厚为降水提供了充足的水汽。两站的抬升凝结高度(LCL)和自由对流高度(LFC)均在850 hPa以下，具有深厚的暖云层，有利于降水效率的提高。同时还配合一定的对流抑制能量(CIN)，利于对流发生前不稳定能量的积聚及对流触发 [14] 。LI指数达−3.4℃，K指数为34.1℃，均为对流的触发提供有利条件。从0~6 km垂直风切来看，两站对流触发前期的整层垂直风切变均比较弱，属于弱垂直风切变环境下的持续性强降水过程。
Figure 4. (a) T − lnP diagram of Rongcheng sounding station at 20:00 BT 13 June 2022; (b) T − lnP diagram of Qingdao sounding station at 08:00 BT 14 June 2022
图4. 2022年6月(a)13日20时荣成探空站T − lnP图和(b)14日08时青岛探空站T − lnP图
Table 1. Convective stability parameters at Rongcheng Station and Qingdao Station on June 13~14, 2022
表1. 2022年6月13~14日荣成站和青岛站对流稳定度参数
4.3. 动力条件
强大的动力抬升作用是暴雨发生发展的重要条件之一。图5给出了6月14日00时和16时沿降水中心37.5˚N的垂直速度和涡度散度的经向垂直剖面图，可以看到14日00时(图5(a)，图5(b))，118˚E~122˚E范围内，在700 hPa以下有辐合中心，辐合区域向高空倾斜至500 hPa，500 hPa中高层为辐散场，对应700 hPa以下有明显的局地上升运动，此时半岛中部对流系统开始生成并向东北方向发展。14日08时(图5(c)，图5(d))半岛地区低层辐合和上升运动减弱，而东部沿岸700 hPa附近出现明显的辐合中心，同时高层300 hPa附近的辐散强度增强，在这种高层辐散低层辐合的抽吸作用下，垂直上升运动迅速发展增强，进而导致14日白天东部沿岸的降水发展，此时在东南急流的作用下，降水系统逐渐向西移动。14日16时(图5(e)，图5(f))，可以看到120˚E~122˚E范围内，700 hPa以下为强辐合中心，以上为强辐散中心，且散度场倾斜发展。从涡度场分布看，中低层正涡度大值区位置较辐合中心偏西，位于半岛中西部一带，这一区域正是低空急流左侧气旋性辐合区。因此，从垂直速度和散度涡度场中可见，半岛上空抽吸作用与强辐合和正涡度的倾斜发展有利于强的上升气流的产生和发展，强劲的上升气流维持了强降水的发展。
5. 中尺度对流系统结构演变及触发机制
5.1. 卫星云图和雷达回波对流系统演变特征
此次暴雨过程的降水效率高，持续时间长，不同于常见的对流性降水，此次降雨对流云团具有合并加强、移动缓慢的特点，中尺度系统的演变如何影响降雨分布是值得关注的。分析FY-4A红外云图演变(图6)可以看到：6月14日04时，海阳南岸附近有对流云团生成并快速发展，至14日06时(图6(a))，该对流云团发展为直径超过100 km的中尺度对流系统，造成短时强降水。在组合反射率拼图上可以更为
Figure 5. Vertical cross sections of w (units: Pa∙s−1) at (a) 00:00 BT; (b) 08:00 BT; (c) 16:00 BT and divergence (shaded, units: 10−5s−1), vorticity (contours, units: 10−5s−1) along 37.25。N at (c) 00:00 BT; (d) 08:00 BT; (e) 16:00 BT on 14 June 2022
图5. 2022年6月14日垂直速度(单位：Pa∙s−1)沿37.25。N垂直剖面：(a) 00时；(b) 08时；(c) 16时；散度(阴影，单位：10−5s−1)、涡度(等值线，单位：10−5s−1)沿37.25。N垂直剖面：(c) 00时；(d) 08时；(e) 16时；黑色阴影为地形
明显地看到，在海阳南部有一个发展旺盛的中β尺度对流系统向北发展，回波强度大于50 dBz (图7(e))，同时在半岛北部也有对流系统生成并向西北方向移动。结合850 hPa环流分析发现，此时半岛东部的偏南风急流已有所减弱。
14日07~12时，低空急流再次在东部海上建立南移，低空急流由偏南风向东南风转变，烟威交界北部的对流云系逐渐向西北方向移动并加强。从14日09时的FY-4A红外云图(图6(b))上可以看到，半岛南岸与北岸的对流云系合并加强，且在低空南风急流的作用下，南岸不断有对流单体新生北抬；从雷达组合反射率拼图(图6(f))上可以看到烟威一带呈现一连串γ中尺度对流系统，尺度为10~20 km，呈西南–东北向排列，回波主体北移并相继汇入主体云系。与此同时，在东、南海区，FY-4A红外云图上可见有组织结构松散的新生对流云带，其排列方向与低空东南急流相垂直且与山前地形平行。东部的MCS向西北方向并入北部的对流云系后继续向西北方向移动，造成附近多个观测站陆续出现大于20 mm∙h−1的短时强降水，其中海阳小时雨强最大为43.9 mm∙h−1。在低空急流的作用下，对流单体的不断新生与汇入形成降水的列车效应，持续给海阳、乳山、牟平一带造成短时强降水。
综合上述分析表明，这一阶段的对流系统的发生发展主要受低空急流由偏南风向东南风转换的作用，配合低槽系统激发对流带并加以维持，形成列车效应，造成持续性强降水。
14日14时850 hPa环流场上(图略)转为冷式切变线，中低层有冷空气侵入，在午后暖湿的背景场下激发强对流。由FY-4A云图(图6(c))可以看到，即墨对流云团的云顶亮温发展到217 K，较之前的暖区对流发展更为迅速和强盛；从雷达组合反射率(图6(g))也可以发现，即墨上空对流单体回波达65 dBz，造成了即墨境内71.8 mm∙h−1的短时强降水。
14日15~22时850 hPa形成闭合低涡环流，东部副高阻挡低涡环流东移使其稳定少动，其与高压交界的东北象限风速增强并且气旋性曲率明显。半岛东北海上东南风低空急流再次建立加强，半岛位于急流出口左侧，形成持续性对流云系。20时红外云图演变显示(图6(d))，西南风与东南急流的辐合切变中生成东西线状排列的多对流单体对流系统，对流单体不断新生对流云系，持续约8个小时，给半岛东部造成持续性降水。14日23时之后低涡中心东移，威海低空风速减弱，低空急流和低涡对此次过程的影响逐渐结束。
Figure 6. FY-4 A Infrared imagery (colored area for cloud top brightness temperature, unit: K) and jet at 850 hPa (wind barbs, unit: m∙s−1) (a) 06:00 BT; (b) 09:00 BT; (c) 14:00 BT; (d) 20:00 BT and radar organization process (e) 06:00 BT; (f) 09:00 BT; (g) 14:00 BT; (h) 20:00 BT on 14 June 2022
图6. 2022年6月14日FY-4A红外云图(填色为云顶亮温，单位：K)和850 hPa急流(风杆，单位：m∙s−1) (a) 06时；(b) 09时；(c) 14时；(d) 20时及雷达组合反射率；(e) 06时；(f) 09时；(g) 14时；(h) 20时
5.2. 地面辐合线的触发作用
图7给出了加密自动站气温和风场分布以及雨区的地形特征。在14日05时(图7(a))，半岛沿岸与内陆有较明显的热力差异。此时在南岸近岸风力较大的东南暖气流与内陆偏冷且风力较弱的偏西气流形成了一条东北–西南走向的地面中尺度辐合线。辐合线两侧有较为明显的冷暖差异，同时受崂山地形影响，海陆风在山体迎风坡和背风坡风向风速有明显辐合，在不稳定环境下触发对流系统的生成。同理，在北岸，山前暖区偏北风与山下冷的偏南风也形成了一个范围偏小的中尺度辐合线，此时北岸触发的对流较南岸偏弱。
14日06时(图7(b))可以看到，牙山南北两侧受地形和海陆风作用，均有中尺度辐合线发展，其中牙山南部沿岸的东南风增强，东南暖湿气流与山口东北偏冷气流在牙山西南侧喇叭口地形交汇辐合，激发山前对流云团。位于南岸的对流云团逐渐与其合并后在山前增强并稳定少动。14日13时(图7(c))，低压系统东移，地面风向转为偏东风与东北风辐合，在烟威交界形成中尺度风场辐合线，触发新对流云团。
午后，地面辐合线东移至东部沿岸地区，对流迅速增强，低涡中心的稳定使得辐合准静止(图7(d))，造成荣成地区持续性强降雨。20时之后低压系统东移(图略)，边界层急流强度减弱，雨区水汽补充和能量不足，冷池出流和海陆风辐合抬升作用减弱不再能够激发新的对流，旧对流系统在引导气流作用下东移入海减弱，降水过程逐渐减弱结束。
综合上述局地大暴雨落区的原因是在山地的阻挡和抬升作用下，持续的边界层急流带来强盛的入流使得原地不断产生新的对流单体，产生列车效应导致持续性降水 [16] 。
Figure 7. Automatic weather station air temperature (colored solid dot, unit: ˚C) and wind speed (wind barbs, unit: m∙s−1) ((a) 05:00 BT; (b) 06:00 BT; (c) 13:00 BT; (d) 15:00 BT on 14 June 2022; solid red curve: the convective cloud cluster with ZH ≥ 35 dBz; gray scale: terrain height, unit: m; solid purple line: position of mesoscale convergence line)
图7. 2022年6月14日自动气象站气温(彩色打点，单位：℃)和地面风(风杆，单位：m∙s−1) ((a) 05时；(b) 06时；(c) 13时；(d) 15时；红色曲线代表ZH ≥ 35 dBz的对流云团，灰阶为地形高度，单位：m，紫色虚线代表地面辐合线)
6. 暴雨预报偏差分析
6.1. 低空急流预报不足
对比分析了14日08时850 hPa和925 hPa的急流建立情况。从实况看14日08时850 hPa (图8(a))急流最大风速达到16 m/s，对比EC (图8(b))和CMA-GFS (图8(c))在14日08时起报的850 hPa风场，急流没有建立，最大风速仅有8 m/s。同样925 hPa风场(图略)上威海东侧及东南侧的边界层急流也没有建立。所以预报场上对于低空急流和边界层急流的存在预报偏差，导致动力条件和水汽条件存在偏差。
Figure 8. The 850 hPa wind field (wind barbs, unit: m∙s−1): (a) real situation; (b) ECWMF_HR model forecast field at 20:00 BT on the 12th; (c) CMA_GFS model forecast field at 20:00 BT on the 12th
图8. 2022年14日08时850 hPa风场(风杆，单位：m∙s−1) (a) 实况；(b) ECWMF_HR模式12日20时预报场；(c) CMA_GFS模式12日20时预报场
6.2. 地面辐合预报不足
10 m风预报场13日08时起报场未预报出半岛中部辐合线(图9(a))，13日20时起报场有所调整(图9(b))，提前预报出中部辐合线，陆地降水量级预报提至大雨量级，但仍较实况偏小。预报员在分析的过程中，对于具有本地特色的海陆风触发及其与大尺度系统的相互作用预报经验不足，从而导致对于该过程对流性估计不足。
Figure 9. ECWMF-HR model forecast for wind field (wind barbs) at 08:00 BT on the 14th (a) Starting from 08:00 BT on the 13th; (b) Starting from 20:00 BT on the 13th
图9. ECWMF_HR模式预报14日08时10 m风场(风杆) (a) 13日08时起报；(b) 13日20时起报
7. 结论与讨论
本文通过多种观测事实对2022年6月13~14日山东半岛沿海发生的暴雨过程进行了分析，给出此次暖区暴雨过程的发生机制，得出主要结论如下：
1) 此次山东半岛暴雨是一次暖区暴雨过程，降水具有局地性强、短时雨强大，持续时间长，极值中心位于沿岸山脉迎风侧等特征。主要降水分为两个阶段，第一个阶段为对流性降水，雨强大、强度变化显著；第二阶段降水转为混合性降水，持续时间长。
2) 暴雨发生在日本海强盛高压与冷涡东移受阻、低空急流两次建立加强的过程中，由低空暖切变线、地面辐合线、海陆风辐合、地形强迫抬升作用触发不稳定能量释放的背景下产生的。200 hPa高空为半岛地区提供较强的辐散场，低层气旋式切变辐合和持续的东南急流为降雨提供一定的水汽和动力条件。
3) 此次过程的雨带分布与两个阶段的MCS发展演变相关，一段是13日夜间~14日早晨偏南风急流激发MCS向北发展产生的局地强降水；另一段是14日白天低涡东移，在持续的东南急流与暖切变作用下，东岸地面风辐合激发的MCS向西与旧MCS合并增强，明显的列车效应使对流系统长时间维持。
4) 数值模式对于低空急流、中尺度辐合预报能力不足，导致降水强度偏弱；预报员对暖区降水认识不足，低估暖区强降水的持续时间和强度，造成了此次暴雨及大暴雨量级降水的大范围漏报。
基金项目
山东省气象局重点科研项目(2022SDQXZ11)，山东省重大天气过程专项——2022年一次大范围冷涡暖区暴雨漏报原因分析(2022SDTQ06)。