辽东半岛一次大暴雨过程触发和维持机制分析

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-03-0435

辽东半岛一次大暴雨过程触发和维持机制分析

梁军^,¹, 贾旭轩¹^,², 张胜军², 冯呈呈¹, 李婷婷¹, 程航¹, 刘晓初¹

1.辽宁省大连市气象台，辽宁大连 116001

2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081

Diagnostic analysis of trigger and maintenance mechanism associated with a rainstorm over Liaodong Peninsula

LIANG Jun^,¹, JIA Xuxuan¹^,², ZHANG Shengjun², FENG Chengcheng¹, LI Tingting¹, CHENG Hang¹, LIU Xiaochu¹

1. Dalian Meteorological Observatory， Dalian 116001， Liaoning， China

2. State Key Laboratory of Severe Weather， Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081， China

责任编辑: 王涓力；校对：黄小燕

收稿日期: 2025-02-17 修回日期: 2025-05-6

基金资助:

国家重点研发计划项目(2023YFC3008501)
中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室开放课题(2024LASW-B14)
及环渤海区域海洋气象科技协同创新项目(QYXM202208)
及环渤海区域海洋气象科技协同创新项目(QYXM202402)
及环渤海区域海洋气象科技协同创新项目(QYXM202403)

Received: 2025-02-17 Revised: 2025-05-6

作者简介 About authors

梁军（1967—），女，正高级工程师，主要从事短期天气预报及应用技术研究。E-mail：qinldj@163.com。

摘要

2017年8月3日20：00—5日14：00（北京时）辽东半岛东北部发生了一次强降水过程，其日降水量突破历史极值。利用地面自动气象站资料、探空资料、多普勒雷达资料、FY-2G卫星云顶亮温数据、欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料，对2017年8月3—5日辽东半岛大暴雨过程的天气形势、中尺度对流系统的发展过程及其触发机制进行诊断分析。结果表明：此次大暴雨过程分为两个强降水阶段，主要由高空槽、低层切变线、副热带高压边缘的暖湿气流、北方干冷空气和地面辐合线共同影响所致；两个阶段短时强降水差异较大，这与低层水汽、环境风垂直切变、锋生强度密切相关，低层水汽丰沛、水平风垂直切变较大、锋生较强时，降水较多；辽东半岛对流层低层的锋生过程、正涡度中心和辐合中心耦合的动力结构，进一步加强了抬升作用，促使对流系统组织化程度更高、强度更强；辽东半岛地面南北辐合线交汇处对流单体合并增强，是产生极端短时强降水（小时降水量≥50 mm）的主要原因，地面辐合线由辽东半岛东北部向西南扩散的干冷空气与其东侧偏南气流所形成；地形阻挡作用和强降水的冷池效应促使东北或偏北气流向南延伸，对流单体后向传播，利于强降水的维持和加强。

关键词： 大暴雨; 辽东半岛; 切变线; 干冷空气; 地面辐合线

Abstract

The heavy precipitation occurred in the northeastern region of Liaodong Peninsula from 20:00 on 3 to 14:00 on 5 August 2017, with the daily rainfall breaking historical records. Based on observations from automatic weather stations, radiosonde and Doppler weather radars, FY-2G temperature of brightness blackbody product, and European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ERA5 reanalysis data, diagnostic analyses are made on the torrential rain processes in Liaodong Peninsula during 3-5 August 2017. The synoptic background, mesoscale environment and triggering mechanism of the mesoscale convective systems (MCSs) are focused. The results show there were two stages of this extreme rainstorm and it was influenced by upper trough, low-level shear line, the warm and moist flows in the border of the subtropical high near Japan, the intrusion of north cold-dry current, and the surface convergence line. The differences in short-term heavy precipitation between the two stages are significant, which is closely related to the low-level moisture, vertical shear of the environmental wind, and the intensity of frontogenesis. When there is abundant low-level moisture, large vertical shear of the horizontal wind, and strong frontogenesis, there is more precipitation. Frontogenesis process in the lower layer and the coupling dynamic structure of positive vorticity center and the divergence center over Liaodong Peninsula, further uplift the air, thus enable those initial convective cells to move northeastward alongside the shear line, to merge and develop, promoting higher organization and more stronger of the convection system. As shown on the surface wind field in Liaodong Peninsula, there were two north-south convergence lines and at their meeting location, convective cells merged and intensified, which was the main cause of extreme short-term heavy precipitation (hourly precipitation ≥50 mm). The surface convergence line was formed by the cold-dry current from the northeastern of Liaodong Peninsula spreading southwestward and the southerly airflow on its eastern side. In addition, the terrain blocking effect and the cold pool effect caused by heavy precipitation promoted the southward extension of the northeasterly or northerly air flow, and the backward propagation of convective cells, which was conducive to the maintenance and intensification of heavy precipitation.

Keywords： rainstorm; Liaodong Peninsula; shear line; cold dry air; surface convergence line

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本文引用格式

梁军, 贾旭轩, 张胜军, 冯呈呈, 李婷婷, 程航, 刘晓初. 辽东半岛一次大暴雨过程触发和维持机制分析[J]. 干旱气象, 2025, 43(3): 435-449 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-03-0435

LIANG Jun, JIA Xuxuan, ZHANG Shengjun, FENG Chengcheng, LI Tingting, CHENG Hang, LIU Xiaochu. Diagnostic analysis of trigger and maintenance mechanism associated with a rainstorm over Liaodong Peninsula[J]. Arid Meteorology, 2025, 43(3): 435-449 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-03-0435

0 引言

辽东半岛暴雨主要集中在6—8月，具有北方暴雨的共同特点。随着夏季风由南向北推进（邹立尧和丁一汇，2010），西风带、副热带和热带环流相互作用，加之极地冷空气不断入侵，导致辽东半岛暴雨的强季节性，且具有局地性、历时短、强度大等特点。局地强降水易引发山体滑坡、城市内涝等严重灾害，由于对短时强降水形成机理认知的局限性及其较强的致灾性，其预报预警面临更大的挑战，灾害防御更加困难（Liao et al.，2010；Sun et al.，2014；蒋亚平等，2025）。北上热带气旋（Tropical Cyclone，TC）或其残涡是造成中国北方大范围暴雨或特大暴雨的重要影响系统（《华北暴雨》编写组，1992；梁军等，2018；彭力等，2022）。TC北上若与西风槽相互作用，副热带高压（简称“副高”）西侧的偏南低空急流将水汽持续输送至中纬度槽前，加之TC从中纬度斜压锋区中获取斜压能量变性加强，利于TC的维持或台风残余低压的再度发展，从而引发大范围强降水（杨德南等，2019；马长健等，2023；梁军等，2024；刘晓波等，2025）。北方极端降水的研究表明，在东部海上副高稳定的条件下，若有切变线、低涡、低槽及低空急流或远距离台风提供的水汽，甚至南方还有另一台风或多台风的相互作用或叠加，对流层低层的风速、涡度、散度、垂直速度及大气可降水量等明显高于气候平均态（Reif and Bluestein，2018；梁军等，2020；苗青等，2021；饶晨泓等，2022；崔晓鹏和杨玉婷，2022；杨晓亮等，2022；龚琬丁等，2023；高晓梅等，2023），在高温高湿、较低的抬升凝结高度、深厚的湿层等有利的环境条件下易激发中尺度对流系统（Mesoscale Convective System，MCS），加之地形与低空偏东气流共同作用，山脉迎风坡上水平辐合易造成气旋式涡度增长，地形强迫抬升（爬升或绕流、受热差异）导致新生对流单体在强降水区西南侧生成并产生后向传播（Alexander et al.，2018；Kirshbaum et al.，2018；Abulikemu et al.，2019），多个对流单体不断经过同一区域，增加了降水强度和强降水持续时间（孙军等，2012；俞小鼎，2012；Fu et al.，2020；冉令坤等，2021；许敏等，2022），诱发局地极端强降水。而多系统、多尺度相互作用引发的极端暴雨的降水强度和分布的影响因素更为复杂（张小玲等，2010；孙建华等，2013；Sun and Zhang，2017；汪小康等，2022），又兼有强度大、突发性等短历时强降水特点，更加大了预报难度，一直是预报业务中的难点。

2017年8月3—5日受西风槽、切变线、副高、台风“奥鹿”（1705）的共同影响，辽东半岛出现罕见特大暴雨，过程最大降雨量为517 mm，出现在半岛东北部鞍山市岫岩县的石灰窑（40.29°N，123.18°E），为当地有气象数据记载以来最大值；半岛南部大连地区庄河市的塔岭（40.04°N，123.10°E）为次降水中心，过程最大雨量为509 mm，创当地有气象记录以来的极值，庄河地区英那河水库入库流量高达6 000 m³·s^-1，超500 a一遇洪水标准；大连市区22个自动气象站中，8个站点雨量为200~300 mm，18站达大暴雨以上量级，出现严重的城市内涝。此次强降水过程中MCS非常活跃，不断有对流云团生成，云团的“列车效应”使高强度降水长时间持续，从而引发影响地区暴雨或特大暴雨，业务数值模式对此次降水过程的降雨量极值、强降水落区和起止时间的预报存在较大偏差。本文以此次持续强降水过程为例，利用FY-2G卫星云顶亮温（Temperature of Brightness Blackbody，TBB）数据、探空资料、地面自动站资料、多普勒天气雷达资料、再分析资料和中国气象局热带气旋最佳移动路径数据，分析MCS发生发展的环流背景、环境条件、中尺度系统演变特征及其触发机制，以期提高对此类极端强降水的认识理解，为此类强降水业务预报提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

所用资料包括：1）2017年8月3—5日FY-2G卫星云顶亮温（TBB）数据，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.1°×0.1°；2）2017年8月3日08：00—5日20：00（北京时，下同）大连、丹东和荣成探空站探空资料，地面自动气象站资料，大连和营口站多普勒天气雷达资料；3）2017年8月3日08：00—5日20：00欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.125°×0.125°；4）2017年中国气象局热带气旋最佳移动路径数据资料。

根据我国天气预报业务规定，中东部地区小时降水量≥20 mm定义为短时强降水，小时降水量≥50 mm为极端短时强降水（郑永光等，2017）。

1.2 锋生函数计算方法

以u、v表示水平风速的纬向和经向分量， $θ_{s e}$ 表示假相当位温，在p坐标系中略去非绝热加热项后，锋生函数计算公式（丁一汇，1989；侯俊和管兆勇，2013）如下：

（1）

F_{n} = \frac{d |\nabla θ_{s e}|}{d t}

（2）F_n=F_n1+F_n2+F_n3

（3）

F_{n 1} = - \frac{|\nabla θ_{s e}|}{2} D

（4） $F_{n 2}=\frac{\left|\nabla \theta_{\mathrm{se}}\right|}{2}\left(E_{\mathrm{st}}^{2}+E_{\mathrm{sh}}^{2}\right)^{1 / 2} \cos \beta$

（5）

F_{n 3} = - \frac{1}{|\nabla θ_{s e}|} \frac{\partial θ_{s e}}{\partial p} (\frac{\partial θ_{s e}}{\partial x} \frac{\partial ω}{\partial x} + \frac{\partial θ_{s e}}{\partial y} \frac{\partial ω}{\partial y})

式中： $D = \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y}$ ，为水平散度； $E_{s t} = \frac{\partial u}{\partial x} - \frac{\partial v}{\partial y}$ ，为伸展形变； $E_{s h} = \frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y}$ ，为切变形变。散度项F_n1表示水平辐合（D<0）或水平辐散（D>0）产生的水平温度梯度的增加或减弱；变形项F_n2表示整个水平变形产生的锋生作用，其中 $β$ 为 $θ_{s e}$ 等值线与伸长轴之间的夹角， $β$ <45°时，沿伸长轴有锋生，即风场的变形项总是有锋生作用；倾斜项（或扭转项）F_n3由水平分布不均匀的垂直速度和假相当位温造成。公式（2）中每一项为正值时表示锋生，为负时表示锋消。

2 降水特征及环流形势

2.1 降水特征

2017年8月3—5日辽东半岛的强降水过程包括两个阶段：第一阶段为3日20：00—4日14：00，第二阶段为4日20：00—5日14：00。第一阶段降水期间，100 mm以上的雨带从山东半岛东北部至辽东半岛中东部呈西南—东北向带状分布[图1（a）]，最大雨量在辽宁鞍山岫岩的石灰窑，为481 mm；次降水中心在大连市东北部庄河市的塔岭，为472 mm；大连市区雨量多为100~200 mm，最大雨量出现在沙河口（38.92°N，121.57°E），为228 mm；4日00：00—10：00多站次出现极端短时强降水[图2（a）、（b）、（c）]，最大小时降水量超过100 mm。

图1

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图1 2017年8月3日20：00—4日14：00（a）和4日20：00—5日14：00（b）辽东半岛降水量空间分布（单位：mm）

Fig.1 The distribution of rainfall amount in Liaodong Peninsula from 20:00 on 3 to 14:00 on 4 (a) and from 20:00 on 4 to 14:00 on 5 (b) August 2017 (Unit: mm)

图2

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图2 2017年8月3日14：00—4日11：00沙河口（a）、塔岭（b）、石灰窑（c）站和4日21：00—5日14：00同兴（d）、董铧炉（e）站小时降水量

Fig.2 The hourly precipitation at Shahekou (a), Taling (b) and Shihuiyao (c) stations from 14:00 on 3 to 11:00 on 4，Tongxing (d) and Donghualu (e) stations from 21:00 on 4 to 14:00 on 5 August 2017

第二阶段降水强度及强降水影响范围较第一阶段明显偏弱、偏小[图1（b）]，50 mm以上的雨带分布同第一阶段，但位置偏东；最大雨量在辽宁丹东的同兴（40.12°N，124.30°E），为225 mm；次降水中心在大连庄河市的董铧炉（39.84°N，123.33°E），为155 mm；大连市区雨量多为20~50 mm，最大雨量出现在大连站（38.92°N，121.63°E），为54 mm；5日00：00—06：00辽东半岛多为短时强降水[图2（d）、（e）]，仅有一站小时降水量超过50 mm。

此次大暴雨过程影响范围广、降水强度大，具有明显的中尺度对流性降水特征，第一阶段降水量级和强降水落区较第二阶段明显偏强、偏大。

2.2 环流形势

2017年8月3日20：00，500 hPa高空槽位于华北北部至内蒙古东部，辽东半岛处于高空槽前的偏南流场中，黄海中北部和日本海受副高控制[图3（a）]；低层切变线位于山东半岛西侧[图3（b）]。随着日本东部洋面上台风“尼格”（1711）的西北移，副高逐渐西移，台风“奥鹿”沿副高南部边缘向西北偏西方向移动，其北部低层暖湿输送带延伸至切变线东侧，副高西侧16~20 m·s^-1的偏南低空急流将暖湿能量从山东半岛东部输送至辽东半岛地区，850 hPa超过16 g· cm^-1 ·hPa^-1· s^-1的水汽通量在辽东半岛维持了30 h；与此同时，对应于高空槽后的弱冷空气已东移至渤海西岸，山东半岛北部和辽东半岛南部的辐合增强，该区域处于200 hPa高空急流右后侧的辐散区[图3（a）中填色区]，沿切变线右侧触发的MCS发展加强，引发辽东半岛第一阶段强降水。

图3

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图3 2017年8月3日20：00（a）与4日20：00（c）500 hPa高度场（黑实线，单位：dagpm）、温度场（红色虚线，单位：℃）及200 hPa水平全风速（填色，单位：m·s^-1），4日02：00（b）和5日02：00（d）850 hPa风场（风矢，单位：m·s^-1）及水汽通量（填色，单位：g· cm^-1·hPa^-1· s^-1）

（红色实心圆点为“奥鹿”台风位置，黑色粗实线为槽线，红色实线为切变线；三角形区域为辽东半岛地区，下同）

Fig.3 The 500 hPa height fields （black solid lines， Unit： dagpm） and temperature fields （red dashed lines， Unit： ℃）， 200 hPa wind speed （the color shaded， Unit： m·s^-1）at 20：00 on 3（a）and 20：00 on 4（c）August 2017；the 850 hPa wind fields （wind vectors， Unit： m·s^-1） and water vapor flux fields （the color shaded， Unit： g·cm^-1·hPa^-1·s^-1） at 02：00 on 4 （b） and 02：00 on 5 （d） August 2017

（The red solid dot indicates the TC centers of Noru， the black thick solid line is upper-level trough， the solid red line is the shear line； the red triangle shows Liaodong Peninsula， the same as below）

4 日20：00，贝加尔湖南部低涡东移至内蒙古中北部稳定少动[图3（c）]，高空槽稳定在华北西北部，随着台风“尼格”的持续北移，副高西进北抬，副高西侧的低空偏南气流再次增强[图3（d）]，850 hPa超过16 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1的水汽通量在辽东半岛东北部维持了12 h；沿着辐合带生成的对流单体逐渐移入其下游高空辐散区[图3（c）中填色区]，对流单体合并、发展，引发辽东半岛第二阶段强降水。

上述分析表明，两个阶段降水的主要影响系统均为低空切变线、高空槽、副高及“奥鹿”台风。副高位置偏北且稳定少动，偏南风低空急流长时间与降水区相连，低层有干冷空气与暖湿气流相互作用，沿着低层切变线触发的中尺度对流云团发展、北移，造成所经地区的强降水。但两个阶段降水强度和强降水分布有所差异，这与低空急流的强度和MCS的发展加强密切相关。

3 MCS发生、发展演变及环境条件

辽东半岛此次暴雨的形成与副高西侧不断生成且发展加强的MCS密切相关。下面利用FY-2G卫星产品和探空资料，分析此次过程中MCS的发展演变特征及其主要影响系统和中尺度环境条件。

3.1 第一阶段强降水MCS发生、发展演变

8 月3日20：00—4日14：00，500 hPa华北至东北地区受高空短波槽影响，低层不断有干冷空气东移南压，切变线东移至渤海和山东中部地区（图4）。由于台风“奥鹿”的西进，切变线右侧暖湿气流向北输送明显加强，辽东半岛水汽通量散度增至-50×10^-7g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，该区域假相当位温等值线逐渐密集；沿着切变线右侧低空急流带和锋生带，山东半岛东部和辽东半岛东部形成2个对流云团[TBB≤-52 ℃的云团为对流云团（夏茹娣等，2006；赵思雄等，2007）]沿水汽辐合带合并加强，引发了辽东半岛东部持续的极端短时强降水。

图4

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图4 2017年8月4日02：00（a）和08：00（b）FY-2G TBB（填色，单位：℃，TBB≤-15 ℃）、850 hPa水汽通量散度（紫色虚线，单位：10^-7 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1）和假相当位温（灰色实线，单位：K）分布

（黑色粗实线为切变线，下同）

Fig.4 The distribution of TBB (the color shaded, Unit: ℃, TBB≤-15 ℃) from FY-2G satellite, 850 hPa water vapor flux divergence (purple dashed lines，Unit: 10^-7 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1) and equivalent potential temperature（gray solid lines, Unit: K）at 02:00 (a) and 08:00 (b) on 4 August 2017

(The black thick solid lines are the shear lines, the same as below)

3.2 第二阶段强降水MCS发生、发展演变

4 日20：00—5日14：00，东北地区北部低层干冷空气随东北气流向西南移至辽东半岛西北部，辽东半岛东部925 hPa以下由西南风转为东南风，低层切变线缓慢东移至辽东半岛东部（图5）。随着台风“奥鹿”的持续西北移，副高西侧的暖湿气流输送再次加强，该区域触发的多个零散对流单体沿水汽辐合带北移至辽东半岛东部锋生区，对流单体合并、增长，造成辽东半岛东部的局地短时强降水。强降水期间，辽东半岛西北侧的干冷空气东南移，具有明显的冷锋特征。

图5

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图5 2017年8月5日02：00（a）和08：00（b）FY-2G TBB（填色，单位：℃，TBB≤-15 ℃）、850 hPa水汽通量散度（紫色虚线，单位：10^-7 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1）和假相当位温（灰色实线，单位：K）分布

Fig.5 The distribution of TBB (the color shaded, Unit: ℃, TBB≤-15 ℃) from FY-2G satellite, 850 hPa water vapor flux divergence (purple dashed lines，Unit: 10^-7 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1) and equivalent potential temperature（gray solid lines, Unit: K）at 02:00 (a) and 08:00 (b) on 5 August 2017

3.3 MCS发生、发展的环境条件

选取两个降水阶段暴雨区内的大连（38.9°N，121.6°E）、荣成（37.2°N，122.4°E）和丹东（40.1°N，124.3°E）3个探空站，分析强降水前后的物理量（表1）可以看出，3日20：00，丹东（辽东半岛东北部）、大连（辽东半岛南部）和荣成（山东半岛东北部）站的K指数、总温度、大气可降水量和假相当位温均分别超过37 ℃、42 ℃、63 mm和358 K，抬升指数均低于-3.4，说明在偏南气流作用下辽东半岛积聚了较高能量；4日08：00，丹东站和大连站的对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）明显下降，表明最大降水出现在3日20：00—4日08：00，丹东站的总温度、大气可降水量基本不变，说明该区域强降水仍持续；荣成站CAPE释放最少，抬升凝结高度明显下降，其他物理量变化不大，表明该区域仍有触发新生MCS的潜势条件。第二阶段降水初期，辽东半岛仍维持充沛的暖湿能量，但抬升指数下降，大气可降水量低于60 mm，发生极端短时强降水的环境条件较第一阶段偏弱（Tian et al.，2015）。

表1 暴雨区内探空站对流有效位能（CAPE）、对流抑制能量（CIN）、总温度（T_t）、抬升凝结高度（LCL）、K指数、大气可降水量（P_W）、地面抬升指数（LI）、地面假相当位温（θ_se）和地面相对湿度（RH）

Tab.1 Convective available potential energy （CAPE）， convective inhibition energy （CIN）， total temperature （T_t）， lift condensation level （LCL）， K index， precipitable water （P_W）， surface lifting index （LI）， ground pseudo-equivalent potential temperature （θ_se） and ground relative humidity （RH） calculated from sounding stations in the rainstorm area

时间	站点	CAPE/（J·kg^-1）	CIN/（J·kg^-1）	T_t/℃	LCL/hPa	K/℃	P_W/mm	LI	θ_se/K	RH/%
3日20：00	丹东	1 467.3	15.7	42	989	37	69	-3.9	361	94
	大连	893.1	6.7	47	975	42	63	-4.0	358	94
	荣成	1 193.9	2.0	44	978	39	74	-3.4	363	94
4日08：00	丹东	13.2	247.2	42	961	36	65	0.4	345	83
	大连	114.1	145.0	41	976	34	56	0.4	354	94
	荣成	663.4	0	41	992	40	78	-2.0	362	100
4日20：00	丹东	404.5	163.1	43	975	35	56	-1.2	345	83
	大连	1 175.9	0.1	41	991	39	59	-1.0	354	94
	荣成	1 222.8	24.2	43	980	40	64	-2.3	362	100
5日08：00	丹东	1.1	501.2	47	976	34	60	1.4	340	89
	大连	131.5	84.7	45	976	38	68	-1.6	354	94
	荣成	1 204.0	8.9	43	980	30	63	-4.3	363	94

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基于ERA5再分析资料绘制的探空曲线（图6）表明，第一阶段降水期间石灰窑站、大连站均表现出明显的中层干侵入特征[图6（a）、（b）]，接近饱和的水汽层抬升至700~550 hPa，0 ℃层高度在5 km左右，表明不稳定的环境释放了较高的能量，加之深厚的湿层和暖云层、较低的抬升凝结高度和较高的抬升指数，利于移入的MCS发展加强和降水效率的提高；第二阶段降水期间董铧炉站的温度层结曲线具有明显的“上干冷、下暖湿”特征[图6（c）]，接近饱和的水汽集中在925~700 hPa，此种环境场仍利于MCS加强和短历时暴雨发生，但降水期间的饱和水汽层高度、垂直风切变和抬升能力较第一阶段明显偏低、偏小、偏弱，最大小时降水量明显减小。

图6

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图6 2017年8月4日00：00石灰窑站（a）、03：00大连站（b）和5日02：00董铧炉站（c）T-ln P图

（红线为温度线，绿线为露点线，黑线为状态曲线，蓝色虚线为0 ℃层高度）

Fig.6 The T-ln P charts at Shihuiyao Station at 00：00 on 4 （a）， Dalian Station at 03：00 on 4 （b） and Donghualu Station at 02：00 on 5（c）August 2017

（the red line for temperature curve， the green line for dew point curve， and the black line for state curve， the blue dotted line for the height of 0 ℃ layer）

综上所述，副高西侧暖湿输送带上触发了对流单体，零散的对流单体移入下游高温高湿区，加之较低的抬升凝结高度、较高的抬升指数和深厚暖云层，有利于深厚对流的发展和高效率降水的产生。

4 暴雨的触发和维持机制

这次过程在有利的天气尺度环流背景、中尺度环境条件下于山东半岛触发了MCS，在其入海登陆辽东半岛时对流发展加强。因此，选取两个阶段暴雨区内5个主次降水中心（大连市区沙河口、大连庄河市塔岭和董铧炉、鞍山市岫岩县石灰窑、丹东市同兴）作为代表站，结合多普勒天气雷达资料，分析MCS维持发展机制。

4.1 地面辐合线对MCS的作用

雷达反射率因子显示，3日20：00沿低层切变线右侧暖湿输送带上触发的对流单体已北移至辽东半岛（图略），辽东半岛南部近岸地区对流单体北侧约10 km的地面风场为西南风与东南风形成的辐合线，且由海面向内陆风速逐渐减小，存在明显的风速辐合；与此同时，辽东半岛北部已形成东南偏东风与偏南风的辐合区，辐合区南侧20~30 km处有多个零散的对流单体。3日21：00，南、北两个MCS分别北移至辐合区内并发展加强，辽东半岛南、北出现局地短时强降水[图7（a）]；此时北部辐合区有3股气流，西侧有冷池前部的偏北风出流，南侧为地面偏南气流，东侧为受千山余脉（图7中辽东半岛北部东北—西南向灰色区域）地形阻挡形成的东南偏东风（梁军等，2014；梁军等，2015），海岸风速辐合、地形和冷池作用形成的地面辐合线加剧了对流发展（Weckwerth et al.，2014；Barthlott et al.，2016；Kirshbaum et al.，2018；Abulikemu et al.，2019；贾旭轩等，2024；竹利等，2024）。由于辽东半岛北部地面辐合线东南侧与其西北部的水平温度差仅2 ℃左右，冷空气强度较弱，致使其在辽东半岛北部东移缓慢；而辐合线后部沿千山余脉东坡向西南方向不断形成新生对流单体，对流性降水区附近出现弱的冷池，其前侧的偏北风与偏南暖湿气流形成的南北向辐合线东北移，在辽东半岛东北部与北部的辐合线形成风场辐合中心[图7（b）、（c）]，其上的回波合并，出现多个孤立的、反射率因子超过50 dBZ的γ尺度对流单体，对流系统组织化程度更高、强度更强，该区域多个地面自动站小时雨量超过50.0 mm，最大小时雨量为103.8 mm。分析辽东半岛南、北暴雨区反射率因子大值区的垂直剖面（图略）发现，暴雨区内具有多单体结构特征，成熟单体的强回波中心多在6 km以下，为明显的低质心结构。常用业务模式预报8月4日夜间辽东半岛降水量极端预报指数超过0.95，大连探空资料计算的大气整层可降水量为63~65 mm，地面露点温度为24~26 ℃，预报时需要关注100 mm左右的最大小时雨量（Tian et al.，2015；郑永光等，2017）。

图7

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图7 2017年8月3日21:00（a）、4日05:00（b）、07:00（c）地面10 m风场（风矢，单位：m·s^-1）和大连雷达0.5°仰角反射率因子（填色，单位：dBZ）

（灰色阴影为地形高度，单位：m；红色实线为辐合线，下同）

Fig.7 The 10 m wind fields (wind vectors，Unit：m·s^-1) and reflectivity at the elevation of 0.5° (the color shaded, Unit: dBZ) from Dalian radar at 21:00 （a）on 3, and 05:00 (b), 07:00 (c) on 4 August 2017

(The grey shaded area denotes topography, Unit: m; the red solid lines are for convergence lines, the same as below)

第二阶段的强降水也是对流单体移入地面辐合线发展加强所致。不同的是，随着干冷空气的东移，辽东半岛西部地面风场已为偏北风，沿辽东半岛东部海岸线自西南向东北存在东北风或偏北风与偏南风形成的辐合区[图8（a）]，在海岸线附近呈准静止状态；同时，在辽东半岛东北部沿岸由黄海北部暖湿气团与西部干冷气团形成了约0.1 ℃·km^-1的温度梯度区；对流单体移入辐合区和海岸锋生带上，辐合抬升作用加强，引发局地短时强降水，丹东市同兴站小时雨量为58.6 mm。短时强降水期间，回波强度多为45~55 dBZ[图8（b）]，且呈现多单体结构特征[图8（c）]，自西南向东北分别为消亡、成熟和新生单体；强回波中心多在6 km以下，具有低质心结构，且持续经过同一区域，引发5日凌晨辽东半岛东北部的大暴雨。

图8

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图8 2017年8月5日03：00 地面10 m风场（风矢，单位：m·s^-1）和大连雷达0.5°仰角反射率因子（填色，单位：dBZ）（a），8月5日03：46营口雷达0.5°仰角反射率因子（b）与过图8（b）中线段的反射率因子剖面（c）（单位：dBZ）

Fig.8 The 10 m wind fields (wind vectors， Unit：m·s^-1) and reflectivity at the elevation of 0.5° (the color shaded, Unit: dBZ) from Dalian radar at 03：00 on 5 August （a），reflectivity at 0.5° elevation from Yingkou radar at 03:46 on 5 August (b) and the cross-section of reflectivity along the line in fig.8 (b) (Unit: dBZ) (c)

由此可见，在辽东半岛东北部山脉地形强迫作用下形成的东北或东北偏东风绕流，与对流性降水冷池前侧的偏北气流、偏南或东南暖湿气流形成的地面中尺度辐合区，促使MCS对流加剧，对降水产生一定的增幅作用（梁军等，2014；梁军等，2015）。

4.2 干侵入和锋生对MCS的作用

辽东半岛这次强降水由沿切变线右侧触发的MCS东北移引发，为此沿切变线做垂直剖面，研究强降水期间的热动力结构配置及其对降水的作用。4日02：00，辽东半岛以南对流层低层为西北风和偏南风的辐合，偏南低空急流加强北移至辽东半岛（38.8°N—41.1°N），该区域600 hPa以下为正涡度区，正涡度区内850 hPa以下为辐合层[图9（a）]；与辐合区和正涡度区相对应的是上升运动区[图9（b）流线，由风速的南北分量和垂直分量合成]和比湿大值区，上升运动区东北部的纬向环流（图略，由风速的东西分量和垂直分量合成）在850 hPa以下有明显的垂直闭合环流，表明辐合抬升自辽东半岛西南端向东北部逐渐加强。分析暴雨区相对湿度和温度露点差的纬度-高度剖面[图9（c）]发现，切变线西南端的干区[T-T_d>4 ℃的空气为干空气（刘会荣和李崇银，2010），对应于山东半岛切变线左侧]自对流层顶呈漏斗状向下伸展至900 hPa附近，切变线东北端位于对流层顶的干区（对应于辽东半岛东北部）也呈漏斗状快速向下伸展至850 hPa，山东半岛（35°N附近）和辽东半岛（40°N—45°N）850 hPa以下已存在θ_e等值线密集区，300~500 hPa向下伸展的暖舌与其两侧的干冷空气所形成的高空锋区也逐渐加强，且自低层随高度南倾[图9（d）]，锋区内低层 $\partial θ_{e} / \partial p$ >0，为明显的对流不稳定区。在40°N纬向上，暴雨区内2×10^-10 K·m^-1·s^-1的锋生函数大值区由对流层低层伸展至600 hPa，中心强度达20×10^-10K·m^-1·s^-1的锋生函数大值中心由低层延伸至750 hPa[图10（a）中123°E—125°E范围]，锋生作用加强。随着对流层中层西风槽东移叠置在辽东半岛上空，该区域垂直风切变加大，低层辐合加强，锋区上的抬升运动明显加强。

图9

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图9 2017年8月4日02：00水平风场（风矢，单位：m·s^-1）、正涡度（实线）和散度（阴影为辐合区域）（单位：10^-5s^-1）（a），垂直速度（虚线，单位：Pa·s^-1）、比湿（阴影，单位：g·kg^-1）和水平风与垂直速度（放大100倍）合成的流线（b）过图3（b）中线段（切变线）的垂直剖面，相对湿度（阴影，单位：%）和温度露点差（实线，单位：℃）（c）与相当位温（实线，单位：K）和温度平流（阴影，单位：10^-4℃·s^-1）（d）沿123.1°E的纬度-高度剖面

（横坐标上○为沙河站、▲为塔岭站、■为石灰窑站，粗线段为暴雨区，下同）

Fig.9 Vertical cross-sections along the line in fig.3 (b) （the shear line) for wind field (wind vectors, Unit: m·s^-1), positive vorticity (solid lines) and divergence (the shaded areas for convergence areas) （Unit: 10^-5s^-1) (a)， for vertical speed （dotted lines, Unit: Pa· s^-1)， specific humidity (the shaded areas， Unit: g·kg^-1) and streamline of horizontal wind with vertical velocity (enlarged by 100 times) (b), the latitude-height cross sections along 123.1°E for relative humidity (the shaded areas， Unit: %) and the difference between temperature and dew-point (solid lines, Unit: ℃) (c)， for equivalent potential temperature (solid lines, Unit: K) and temperature advection (the shaded, Unit: 10^-4 ℃·s^-1) (d) at 02:00 on 4 August 2017

(○ denotes Shahekou Station， ▲ denotes Taling Station， ■ denotes Shihuiyao Station, and bold regions on the abscissa indicate
the range of heavy precipitation，the same as below)

图10

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图10 2017年8月4日02：00过40.0°N（a）和5日02：00过39.8°N（b）的锋生函数（单位：10^-10 K·m^-1·s^-1）经度-高度剖面

Fig.10 The longitude-height cross sections of frontogenesis function (Unit: 10^-10 K·m^-1·s^-1) along 40.0°N at 02:00 on 4 (a) and along 39.8°N at 02:00 on 5 (b) August 2017

至4日08：00，正涡度中心沿着切变线移至辽东半岛东北部，正涡度柱随高度向西北倾斜，有持续的正涡度输送，中心值由6×10^-5s^-1增至12×10^-5s^-1，辐合区高度由925 hPa伸展到700 hPa[图11（a）]，辐合中心也由-5×10^-5s^-1加强到-9×10^-5s^-1；辽东半岛东北部的抬升运动明显加强，-0.2 Pa·s^-1的垂直运动发展到300 hPa[图11（b）]；暴雨区中低层的水汽饱和区连通[图11（c）]，湿层增厚；北侧干冷空气持续向下伸展并南移，高空锋区叠置在低层锋区上，θ_e等值线更加密集且近于陡立[图11（d）]，上升运动进一步加剧，辽东半岛东北部对流单体的云体面积和强度迅速增大，引发了该区域的强降水。

图11

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图11 2017年8月4日08：00水平风场（风矢，单位：m·s^-1）、正涡度（实线）和散度（阴影为辐合区域）（单位：10^-5s^-1）（a），垂直速度（虚线，单位：Pa·s^-1）、比湿（阴影为不小于12 g·kg^-1的比湿区）和水平风与垂直速度（放大100倍）合成的流线（b）过图3（b）中线段（切变线）的垂直剖面，相对湿度（阴影为不小于60%的湿度区）和温度露点差（实线，单位：℃）（c）与相当位温（实线，单位：K）和温度平流（阴影，单位：10^-4 ℃·s^-1）（d）沿123.1°E的纬度-高度剖面

Fig.11 Vertical cross-sections along the line in fig.3 (b) （the shear line) for wind field (wind vectors, Unit: m·s^-1), positive vorticity (solid lines) and divergence (the shaded areas for convergence areas) （Unit: 10^-5s^-1) (a)， for vertical speed （dotted lines, Unit: Pa·s^-1)， specific humidity (the shaded areas for specific humidity≥12 g· kg^-1) and streamline of horizontal wind with vertical velocity (enlarged by 100 times) (b), the latitude-height cross sections along 123.1°E for relative humidity (the shaded areas for relative humidity≥60%) and the difference between temperature and dew-point (solid lines, Unit: ℃) (c)， for equivalent potential temperature (solid lines, Unit: K) and temperature advection (the shaded, Unit: 10^-4℃·s^-1) (d) at 08:00 on 4 August 2017

第二阶段强降水开始时，辽东半岛南部700 hPa以下转为偏北风，其东北部850 hPa以下仍为正涡度区与强散度中心重叠区[图12（a）]，对应于辐合中心和正涡度中心的重合区为比湿大值区和上升运动区[图12（b）]；南部和北部干区均向下伸展至低层，北部向下伸展的干区与自北向南移的低层干区连通，辽东半岛位于干区南侧[图12（c）]，与干区相对应的为θ_e等值线密集区，925~700 hPa的相当位温差由6 K增至12 K，低层锋区上的对流不稳定逐渐增大[图12（d）]。降水期间，对流层中层西风槽距离辽东半岛较远，半岛上空垂直风切变较小，925 hPa以上的辐合中心随高度向东北倾斜[图12（a）]，表明辽东半岛东北部925 hPa以上的辐合加强快于西南方向的低层，上升运动仅伸展至500 hPa[图12（b）]，水汽饱和区厚度明显减小[图12（c）]；在39.8°N纬向上，暴雨区内4×10^-10 K·m^-1·s^-1的锋生函数区伸展至700 hPa，中心强度达20×10^-10 K·m^-1·s^-1的锋生函数大值中心位于850~750 hPa[图10（b）中123°E—125°E]，不利于降水区上空持续地整层组织性的垂直运动。因此，辽东半岛第二阶段强降水的范围、最大小时雨量和短时强降水持续时间较第一阶段明显偏小、偏弱、偏少。

图12

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图12 2017年8月5日02：00水平风场（风矢，单位：m·s^-1）、正涡度（实线）和散度（阴影为辐合区域）（单位：10^-5s^-1）（a），垂直速度（虚线，单位：Pa·s^-1）、比湿（阴影为不小于12 g·kg^-1的比湿区）和水平风与垂直速度（放大100倍）合成的流线（b）过图3（d）中线段（切变线）的垂直剖面，相对湿度（阴影为不小于60%的湿度区）和温度露点差（实线，单位：℃）（c）与相当位温（实线，单位：K）和温度平流（阴影，单位：10^-4℃·s^-1）（d）沿123.3°E的纬度-高度剖面

（横坐标上△为董铧炉站、□为同兴站，粗线段为暴雨区）

Fig.12 Vertical cross-sections along the line in fig.3(d) （the shear line) for wind field (wind vectors, Unit: m·s^-1), positive vorticity (solid lines) and divergence (the shaded areas for convergence areas) （Unit: 10^-5s^-1) (a)， for vertical speed （dotted lines, Unit: Pa·s^-1)， specific humidity (the shaded areas for specific humidity≥12 g·kg^-1) and streamline of horizontal wind with vertical velocity (enlarged by 100 times) (b), the latitude-height cross sections along 123.3°E for relative humidity (the shaded areas for relative humidity≥60%) and the difference between temperature and dew-point (solid lines, Unit: ℃) (c)， for equivalent potential temperature (solid lines, Unit: K) and temperature advection (the shaded, Unit: 10^-4℃·s^-1) (d) at 02:00 on 5 August 2017

(△ denotes Donghualu Station, □ denotes Tongxing Station, and bold regions on the abscissa indicate the range of heavy precipitation)

上述动力、热力特征表明，低层切变线附近触发的对流单体移入辽东半岛地区时，该区域低层为暖湿能量区，其上叠置干冷空气，正涡度中心和辐合中心耦合，有利于深厚对流的发展；干空气层的存在及其自对流层顶向下的伸展和由对流层低层向南的侵入利于低层暖湿能量的积聚、锋区的生成（刘会荣和李崇银，2010；任丽和杨艳敏，2021；许敏等，2022），增大了低层锋区上的对流不稳定，进一步加强了抬升作用，有利于锋生带上的对流单体合并发展，引发持续的短时强降水。降水期间的环境风垂直切变、上升运动和锋生强度偏大、偏强，则降水强度和强降水持续时间偏强、偏长。

5 结论

利用多源资料对辽东半岛一次大暴雨过程的两个强降水阶段的降水特征、MCS演变过程及其触发和发展的动、热力条件进行了诊断分析，得到以下结论。

1）相对稳定的大气环流形势有利于暴雨的持续发生。西风槽、台风“奥鹿”和“尼格”阻挡了副高的西进、南落和东退，副高西侧的偏南风低空急流将水汽持续输送至辽东半岛。

2）高温、高湿、对流不稳定层结为MCS的发生发展提供了有利的环境条件。降水发生前辽东半岛地面露点温度达25~26 ℃，整层大气可降水量超过60 mm，对流有效位能显著增大，抬升凝结高度和对流自由高度明显降低，暖云层深厚，利于移入的MCS对流加剧和降水效率的提高。第一阶段水汽辐合、饱和水汽层厚度、垂直风切变和抬升能力较第二阶段明显偏强、偏厚、偏大、偏强，最大小时降水量明显偏大。

3）强降水与干冷空气、中尺度锋生过程密切相关。干冷空气自切变线西北侧对流层中高层倾斜下沉，伴有中尺度锋生过程，加之正涡度中心和辐合中心耦合的动力结构，进一步加强了抬升作用。第一阶段降水发生在暖锋生带北移过程中，深厚的上升运动维持在辽东半岛，促使对流系统组织化程度更高、强度更强，降水强度大、持续时间长；第二阶段降水发生在切变线西侧冷锋东移过程中，强降水持续时间短。

4）辽东半岛地面南北辐合线交汇处对流单体合并增强，MCS强烈发展，是产生极端短时强降水的主要原因。地面辐合线由偏南暖湿气流、地形绕流和冷池出流所形成，加之沿着南伸的辐合线有单体后向传播，利于强降水的维持和加强。强降水期间，雷达回波垂直分布呈“低质心”特征，质心强度超过50 dBZ，强回波中心在6 km以下。

本文分析表明，在相对稳定的大尺度环流背景下，预报员通过分析中尺度环境条件及地面辐合线等中尺度系统，可在一定程度上提高大暴雨的预警水平。但由于此类多尺度系统相互作用的强降水过程物理机制更为复杂，数值模式对降水的极端性和极端雨强的预报仍存在一定的偏差，还需基于更多的同类个例，结合高时空分辨率的观测资料和数值敏感试验，捕捉复杂地形（或海陆下垫面）作用下的中尺度对流系统，进一步研究其生成发展的物理过程和高降水效率的触发、维持机制，以提高此类降水的预报能力。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

崔晓鹏, 杨玉婷,

2022.

“21·7”河南暴雨水汽源地追踪和定量贡献分析

[J]. 大气科学, 46(6): 1 543-1 556.