引言

2007年7月18—19日，受东北低涡、西风槽、切变线和副热带高压的共同影响，山东上空形成中尺度对流复合体，造成全省出现大范围对流性暴雨。由于降水强度大、范围广，给国民经济和人民生命财产造成严重损失。国内对灾害性暴雨已有诸多研究^[1-3]，大范围对流性暴雨多数是由中尺度对流系统或中尺度对流复合体而产生，马禹等^[4]对中国及其邻近地区的中尺度对流系统进行了普查，给出了时空分布特征。项续康等^[5]和蒙伟光等^[6]对我国南方地区的中尺度对流系统和中尺度对流复合体进行了分析研究，郑永光等^[7]对黄海及其周边地区的M-αCS进行了普查分析。本文应用常规观测资料、自动站加密观测资料、卫星云图和雷达及T213数值预报产品，对这次中尺度对流复合体产生的对流性暴雨的天气系统、水汽条件、不稳定度和动力触发机制进行了分析研究。分析了中尺度对流复合体生成和发展期间风场的水平和垂直演变、对流云团的TBB变化特征和雷达回波的变化情况。

1 降水概况

2007年7月18日13时至19日06时(北京时)，山东省自北向南先后出现历史罕见的大范围强降水天气，并伴有雷电及短时大风。在17个小时内全省123个气象观测站中有106个站雨量≥30.0mm，78站降水量≥50.0mm，8站雨量≥100.0mm, 100.0mm以上的大暴雨主要集中在鲁西北和鲁中的西部，济南龟山气象站降水最大为153.1mm。在中尺度站自动雨量观测中，济南市区的降雨自16:20时从北部开始到23:00时在南部结束，18个中尺度站的雨量在56.7~182.4mm之间，15个中尺度站的雨量≥100.0mm，市政府站的雨量最大为182.4mm。济南市区的强降水主要集中在17—19时，市政府站2小时降水量162.5mm。龟山气象站的降水集中在17— 20时，3小时降水量145.0mm。18日13时至19日06时山东省降水分布见图 1a, 济南气象站和市政府站的每小时雨量见图 1b。这次强降水范围广、强度大、时间短，属山东历史上所罕见。大范围的短时强降水使人民群众生命财产遭受到巨大损失。根据灾情统计，全省55.92万人受灾，死亡40人，失踪8人，伤197人。农作物受灾面积14572公顷。全省直接经济损失逾15亿元。

2 环流背景 2.1 环流演变和影响系统的发展

17日08时500hPa中高纬度环流发展为两脊一槽型(图略)，贝加尔湖地区为较深的冷性低涡槽区，在低层850~700hPa中高纬度的低涡槽位于我国东北上空，比500hPa低涡槽偏东10~1 5个经度，温度槽落后于高度槽，槽后有较强的冷平流。在40°N以南的中低纬度地区，槽脊的分布与高纬度呈反位向。河套至华东沿海为较强的高压脊，低槽分别位于青藏高原东部和日本海上空，在河西走廊新生弱槽发展东移。西太平洋副热带高压在华南沿海加强西伸，副高与中纬度高压脊在华东沿海同位相叠加，使得我国东部环流经向度增大，华东沿海高压脊后的偏南气流迅速增强。从华南沿海到山东南部形成一股较强的西南风急流，风速在12~20m·s^-1。急流中的温度露点差都小于5℃，大气高温高湿近于饱和。温度场上850hPa在40°N以南为高于20℃的暖区。西南暖湿气流源源不断地流向山东，为暴雨的产生提供了充分的温湿条件。

18日08时，500hPa贝加尔湖地区的低涡中心向东南移到53°N、125°E。中支槽东移到河北东部，低涡南部的低槽与中支槽相衔接，在河套东部40°N附近形成宽广的槽区。西太平洋副热带高压近一步加强西伸北抬，在120°E的副高脊线位于20°N，588线的西伸脊点在108 °E。由于副高增强，中纬度环流的经向度增大。低层850~700hPa的西南气流猛烈增强，850hPa在湖南和湖北境内的西南风有4站达到20m·s^-1。强盛的西南气流在华东到达40° N以北。由于暖湿气流的输送，山东上空强烈地增温增湿，济南探空站500hPa及以下的温度露点差≤3.2℃，大气近于饱和。高纬度的冷空气在低层从东北回流南下，850~700hPa的东北气流与西南暖湿气流在河北和山西上空形成明显的冷式切变线，落后于高空500hPa低槽，形成前倾槽结构(图 1a, b)。500hPa槽底的偏西气流叠加在低层的西南暖湿气流之上，大气不稳定增大。随着西风带系统的东移，18日14时，前倾槽系统开始影响山东。切变线后部的偏北气流与西南暖湿气流在山东北部交汇，产生强烈的辐合上升运动，形成中尺度对流云团，造成强降水。18日20时高空西风槽和低层切变线都移到山东上空，受前倾槽系统的影响山东自北向南产生大范围短时暴雨和大暴雨。

由于高空大气强烈地增温增湿，地面气压迅速降低，在华北形成宽广而深厚的低压中心。18日08时西北冷锋推动地面低压向东南方向移动，20时移到鲁西北上空。在1小时一次的地面加密观测资料中，18日15时在济南形成中尺度低压中心(图略)，中尺度低压继续加深，17时中心气压达到990.5hPa，低压中心在济南维持2个小时，18时中心移到鲁西南。中尺度低压中心在济南期间，济南产生短时大暴雨天气。

2.2 探空站资料的物理量特征

从济南、成山头和青岛探空资料的物理量参数(表 1)中可以看出，暴雨前18日08—14时, 沙氏指数-0.5~-5.1℃, Δθ_se(500-850)在-7.5~-22℃, K指数37~42℃。地面比湿14.7~21.3g·kg^-1，水汽压在23~33.7hPa。低层大气高温、高湿、近于饱和，大气强烈对流不稳定。济南上空的对流有效位能达到2466.4~2325.5J·kg^-1。从地面到300hPa风向从西南风顺转为偏西风，有暖平流。850hPa西南风达到12~15m·s^-1。中低层大气的高温高湿和较高的对流不稳定能量为大暴雨的产生提供了充分的温湿条件。

从济南探空站上空的风廓线(图略)中可以看出，18日14时3000m以下为西南风，18日20时3000m以下转成了偏北风，说明低层有冷空气侵入。

3 大暴雨形成机制 3.1 充分的水汽输送和强烈的辐合

17日08时至18日08时，低层的偏南风急流建立起通向华北的水汽通道，近于南北向的带状的水汽通量高值区从华南一直伸到40°N附近(图 3a)。18日08时在鲁西南地区形成26g·(c m·hPa·s)^-1的水汽通量高值中心，在高值中心的北部高值舌区，形成中心值为-4 ×10^-8g·(cm^-2·hPa·s)^-1的水汽通量辐合区(图 3b, c)。由于强烈的水汽输送，山东境内的大气湿度迅速升高，17日20时，850hPa以下比湿大于16g·kg^-1的高湿舌从西南伸向山东，18日08时850hPa鲁西地区的比湿上升到18g·kg ^-1以上，925hPa比湿大于20g·kg^-1。说明大气中已有较高的水汽含量。

从过济南大暴雨区沿117°E的剖面图中可以看出，925~850hPa较强的偏南风与水汽通量的高值区相对应。南北气流的汇合区产生较强的水汽辐合和上升运动。18日08时水汽辐合和上升运动区位于38~40°N，随着冷空气的南下，18日20时较强的水汽辐合和上升运动中心移到37°N附近(图 3d)，正位于山东中部。20时前后是中尺度对流系统强烈发展和降水剧烈时期。

3.2 大气强烈的对流不稳定和对称不稳定

由于低层偏南暖湿气流的增强，山东上空低层大气迅速增温增湿，能量升高，导致中层以下大气对流不稳定增大，对称不稳定增强。17日20时850hPa以下θ_se≥82℃的高能舌从西南伸向山东东部，18日08时θ_se≥84℃的西南－东北向的高能舌控制鲁西，鲁西南地区为θ_se≥92℃的高能中心。在高能舌区700与850hPa的θ_se之差小于－10℃，鲁西北地区达到了-20℃(图 4a)。从沿117°E的θ_se和上下层θ_se之差的垂直剖面图中可以更清楚地看到(图 4b)，在34~40°N，700hPa以下为θ_se的高值舌区，地面附近的高值中心达到了94℃。在600hPa附近有一低值舌从北向南伸展，叠加在低层高值舌之上，形成上干冷下暖湿的对流不稳定层结。700hPa与850hPa之间的θ_se之差在38°N(济南北部)达到-20℃。中低层大气强烈的对流不稳定。18日20时，850hPa上θ_se的低值舌南伸，冷空气在山东西北部与高温高湿的西南暖湿气流交汇(图 4c)。在垂直剖面图中，较强的θ_se的低值舌在70 0hPa附近南伸(图 4d)，说明冷空气主体从中层南下。19日08时θ_se较强的东北-西南向的锋区已位于山东上空(图略)，山东暴雨天气结束。

湿位涡MPV的分布^[8]可反映大气的湿对称不稳定性，分析可见，暴雨前和暴雨期间，在山东上空500hPa以下MPV＜0，大气湿对称不稳定。18日08时山东西部在850~700h Pa为MPV≤-1.0PVU的负值中心，500hPa以上为MPV＞0的正值区(图 5)，18日20时低层湿对称不稳定中心与高层湿对称稳定中心相叠置的区域正位于低层偏南风与偏北风相汇合的辐合上升运动区(37~39°N)。说明中高层湿对称稳定的大气与低层对称不稳定的大气相叠加，有利于对流发展。上升运动触发对流不稳定能量释放，产生强对流，降水增幅。

3.3 冷空气南下触发对流不稳定能量释放

17日20时强盛的偏南暖湿气流在我国东部到达42°N以北，山东为较强的西南暖湿气流控制，高温高湿，天气闷热。17日20时以后，高纬度的冷空气在东北低涡槽后从东北回流南下。18日08时，低层850hPa东北气流携带的冷空气与西南暖湿气流在北京附近汇合(图 6a)，在汇合区正涡度和辐合上升运动发展强烈发展。东北气流在河北境内向西南方向伸展，其东部与西南暖湿气流在山东的西北部产生侧向汇合。18日14时(图 6b)，在河北省南部东北气流的前端，低层产生较强的辐合和上升运动中心。在北东北气流和西南气流的侧向汇合区，气旋性环流发展，垂直涡度增大，上升运动增强。在冷暖空气的汇合区，14时前后在鲁西北和河北的南部分别有对流云团发展，范围扩大，17时在济南北部合并加强。随着冷空气主体的东移南下，18日20时东北气流与西南暖湿气流的汇合区位于在山东西部，在汇合区正涡度和辐合上升运动强烈发展(图 6c, d)，850hPa在济南上空产生-6×10^-3hPa·s ^-1的上升运动中心，在300hPa附近上升运动达到-14×10^-3hPa·s^-1。在低层南北两股气流的汇合，形成两个较强的经向垂直环流(图 5，6d，f)。在垂直环流的上升运动区，高层较强的辐散、负涡度与低层的辐合、正涡度相配合，上升运动持续稳定地发展。低层的暖湿气流在冷暖空气的交汇区辐合上升，对流不稳定能量释放，中尺度对流云团强烈发展，形成中尺度对流系统，迅速发展成中尺度对流复合体(MCC)，产生短时强降水。随着冷空气的南下，对流复合体(MCC)缓慢南移。19日02时冷空气到达鲁中，低层在鲁西南地区生成较强的正涡度和辐合上升运动中心(图 6e)。随着对流不稳定能量的释放，上升运动逐渐减小，对流复合体在南移过程中逐渐减弱，强降水逐渐结束。

4 中尺度分析 4.1 中尺度对流复合体MCC的卫星云图演变特征

从FY2C和FY2D的红外卫星云图中可以看出，18日14:00时，在渤海上空对流云带的南端，鲁西北地区新生对流云团，强烈发展，云顶亮温达到-70~79℃。与此同时，在陕西上空6个中-γ尺度的小对流云团发展东移合并，形成南北向的对流云带，15时到达河北和河南境内，在河北的南部发展成较强的对流云团，北部和南部的两个对流云团同时发展，范围扩大(图略)；15:31时在鲁西北上空相衔接，在衔接处对流云团迅速发展。在此期间，山东半岛北部新生对流云团。16:00时3个强对流云团组成近于东西向的对流云带(图略)，位于山东半岛、鲁北和河北南部上空。在对流云带中，3个强对流云团的云顶亮温达到-80~-87℃。对流云带缓慢南压。17:00时对流云带到达济南上空时，强烈发展，在济南上空形成强对流云团中心，18:00时在山东境内发展成椭圆型的MCC，云顶亮温TBB≤-70℃，在济南上空的冷云中心TBB达到-93℃(图略)。TBB≤-90℃的冷云中心在济南上空维持2小时。20:00时冷云中心TBB升高到-89℃以上, 移到济南东南部的鲁中地区。21:00时TBB ≤-80℃的冷云区覆盖鲁中、半岛和鲁南地区。22:00时TBB≤-80℃的冷云区逐渐演变成东西带状，范围减小，移到鲁南上空，但是TBB≤-56℃的冷云区仍然为椭圆型，覆盖整个山东(图略)。23:00时云团开始减弱(图略)，范围开始减小，演变成东西向的长条形，覆盖半岛、鲁中和鲁南地区。19日00:31时中心分裂成3个单体，由MCC减弱成中尺度对流系统(MCS)。19日02 :00时以后TBB≤-80℃的冷云中心逐渐移出山东。在对流云团影响期间，18日14时至19日02时，在TBB≤-70℃的冷云区产生每小时60.0~151.0mm的强降水。在17—19时济南上空TBB≤-90℃的冷云中心产生2小时162.5mm的强降水。在对流云团的初生阶段，其边缘TBB的梯度非常大，-32℃和-56℃的等温线几乎重合，说明对流云团的边缘整齐，云塔高耸。

4.2 雷达回波的发展和演变

从济南齐河多普勒雷达站的综合回波(CR)产品的演变中可以看出，18日11:00时开始，在山东的北部生成絮状回波，原地发展少动。最大回波强度在50~60dBz。13:04时(图 7a，见彩页)在鲁西北发展成由多个小对流单体组成的东西向的带状回波；与此同时，在河北邢台的北部有回波发展东移。北部东西向的回波带向东西方向伸展，缓慢南移；西部回波向东伸展。14:30时左右，在河北衡水附近有长条形的对流回波发展，把两个主回波带相连接(图 7b，见彩页)。15:32时两个主回波带在衡水附近相连接(图 7c，见彩页)，回波强度≥45dBz的对流单体形成一条狭长的东西向的对流回波带，最大回波强度在56~61dBz。带状回波继续发展，缓慢南移。15:00~1 6:00时在回波带上商河气象站产生1小时104.2mm的强降水。16:00时前后，在回波带的前部济南附近新生一些小对流单体，迅速发展，16:30时左右发展成回波强度在45dBz以上的片状回波(图 7d，见彩页), 济南附近的降水开始增大，产生1小时30mm以上的强降水。17:00时4 5dBz以上的强回波带移到济南上空时(图 7e，见彩页)，迅速发展，范围变宽，强回波的范围增大，最大回波强度在54~58dBz，17:20—18:30时济南市区市政府中尺度自动观测站雨量达151.0 mm，10分钟雨量在11.4~31.3mm。19:00时以后，强回波移到济南南部(图 7f，见彩页)，影响鲁中和鲁南地区。带状回波长度约600km，宽度约60km。回波顶高一般在9~11km，最高回波顶高度在1 6~22km。最大强度在56~61dBz。带状回波前不断有新单体生成合并到主体回波中。强回波引起的天气以强降水为主，伴有雷电，局部地区出现雷雨大风。强回波影响济南时，整体移动速度约30km·h^-1。

从仰角为0.5°分辨率为0.5km, 探测距离为110km的基本速度(V26)产品(图 8，见彩页)中可以看到, 18日14:00时以前, 探测范围内全为西南风。14:19时开始偏北气流从德州北部进入山东(图 8a，见彩页)，逐渐南移。15:01时在鲁西北形成明显的东西向的西南风与偏北风的汇合线(图 8b，见彩页)。在仰角为2.4°的基本速度图中，西北气流、东北气流和西南气流首先在鲁西北地区汇合，在汇合区产生带状强回波。16:33时西南气流、东北气流和西北气流三股气流的汇合区移到济南上空(图 8c，见彩页)。在汇合区对流增强，新生中小尺度的对流单体。17:34时在济南附近生成近于东西向的带状辐合区，与强回波带相对应。随着偏北气流的南推，其前锋附近不断新生小对流单体，带状回波中不断有对流单体的新老更替。

从风廓线图(VWP48)(图略)中可以看出，暴雨期间冷空气从低层侵入。18日11:02时，低层的西南气流向上扩展到3.0km以上，15:38时达到9.1km，说明暖湿气流深厚。17:10时开始，0.6km以下的低层转为西北风。17:34时0.6km以下为东北风，0.6~2.4km的中层为西北风。19:00时以后，低层偏北风增大，19:31时以后7.9km以下全为偏北风控制。济南附近的强降水结束。

5 小结

(1) 这次对流性大暴雨天气是由东北冷性低涡、前倾槽、副热带高压边缘西南暖湿气流和冷空气的共同影响产生的。在地面冷锋前生成中尺度低压，加强了辐合上升运动。暴雨产生在冷锋前部的中尺度低压区中，济南短时大暴雨产生在地面中尺度低压中心附近。

(2) 低层强盛的偏南气流建立起向华北的水汽通道，把暖湿气流源源不断地向暴雨区输送。低层增温增湿使得大气强烈的对流不稳定和对称不稳定，大气中的对流不稳定能量急剧升高，低层水汽含量猛烈增大。

(3) 低层较强的冷空气从东北回流南下，与西南暖湿气流在山东西部侧向汇合，正涡度增大，辐合上升运动增强，触发对流不稳定能量释放，产生强对流。高层较强的辐散与低层冷暖空气的辐合相配合，形成经向垂直环流，上升运动持续发展，对流增强，降水增大。

(4) 在两个中尺度对流云团的合并区，对流强烈而迅速发展，形成中尺度对流复合体(MCC)，产生对流性暴雨和大暴雨。济南位于中尺度对流辐合体的冷云中心，出现短时大暴雨。

(5) 在雷达回波中表现为两个东西向的带状强降水回波相衔接，在衔接处对流增强，降水加剧。在速度图和风廓线中表现为东北气流、西北气流和西南气流的汇合。在冷暖空气的汇合区，不断新生对流单体。