高原气象

高原气象 >

2026 , Vol. 45 >Issue 1: 148 - 163

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00060

长白山南部暴雨的环流前兆和复杂地形作用研究

  • 刘成瀚 , 1, 2, 3, 4 ,
  • 陆井龙 2, 3 ,
  • 阎琦 , 2, 3 ,
  • 王月 4, 5 ,
  • 焦浩然 2 ,
  • 金妍 6
展开
  • 1. 中国气象局水文气象重点开放实验室，北京 100081
  • 2. 辽宁省气象台，辽宁 沈阳 110166
  • 3. 中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166
  • 4. 盘锦国家气候观象台，辽宁 盘锦 124000
  • 5. 沈阳市气象局，辽宁 沈阳 110166
  • 6. 上海中心气象台，上海 200030
阎琦（1974 -）， 女， 辽宁沈阳人， 正高级工程师， 主要从事短期天气预报及物理诊断分析研究. E-mail：

刘成瀚（1990 -）， 男， 辽宁沈阳人， 工程师， 主要从事短期天气预报及物理诊断分析研究. E-mail：

收稿日期: 2024-09-24

  修回日期: 2025-04-25

  网络出版日期: 2025-12-15

基金资助

中国气象局水文气象重点开放实验室开放研究课题(24SWQXZ019)

辽宁省科技计划联合计划项目(2024-MSLH-243)

国家重点研发计划项目(2018YFC1507305)

辽宁省气象局科研项目(202302)

中国气象局沈阳大气环境研究所联合开放基金课题(2024SYIAEKFZD03)

中国气象局创新发展专项(CXFZ2025J021)

中国气象局创新发展专项(CXFZ2025J33)

收起

Study on Circulation Precursors and Complex Topographic Effects of the torrential rain events in the South of Changbai Mountains

  • Chenghan LIU , 1, 2, 3, 4 ,
  • Jinglong LU 2, 3 ,
  • Qi YAN , 2, 3 ,
  • Yue WANG 4, 5 ,
  • Haoran JIAO 2 ,
  • Yan Jin 6
Expand
  • 1. China Meteorological Administration Hydro-Meteorology Key Laboratory，Beijing 100081，China
  • 2. Liaoning Meteorological Observatory，Shenyang 110166，Liaoning，China
  • 3. Institute of Atmosphere Environment，China Meteorological Administration，Shenyang 110166，Liaoning，China
  • 4. Panjin National Climate Observatory，Panjin 124000，Liaoning，China
  • 5. Shenyang District Meteorological Bureau，Shenyang 110166，Liaoning，China
  • 6. Shanghai Meteorological Center，Shanghai 200030，China

Received date: 2024-09-24

  Revised date: 2025-04-25

  Online published: 2025-12-15

Copyright

© Editorial Department of Plateau Meteorology （CC BY-NC-ND）
Fold

摘要

基于2010 -2019年辽宁东南部复杂地形区域的观测降水数据， 筛选出44次暴雨事件（TRECT）， 结合合成分析方法及绕流、 爬流方程提出对研究区域低层风场的分解方案， 系统探究了该类事件的环流前兆、 环流场的共性特征以及地形对区域性暴雨的动力影响机制。结果表明： （1）TRECT事件发生前6天， 欧亚大陆对流层中层表现为中阻型阻塞高压， 随后贝加尔湖浅槽东移发展， 事件当天副热带高压北上加强， 关键区西部上空形成斜槽， 对流层低层出现闭合气旋性环流， 地面华北低压发展东移， 关键区位于倒槽顶部， 为范围降水提供了有利的环流背景。（2）事件鼎盛期， 爬、 绕流在关键区地形主体呈现南强北弱的特征， 大值区集中于长白山余脉的喇叭口地形区域， 爬流强度达4 m·s-1以上的区域位于喇叭口低地势山坡南侧， 绕流则环绕于高地势山体周边， 且爬流和绕流经向分支起主导作用。爬流和绕流分别以翻越和绕行山体的方式进入喇叭口， 路径主要有来自黄海洋面和朝鲜境内的两支气流。（3）在喇叭口区域， 爬流贡献的上升运动占整个系统上升运动的80%以上， 是降水增幅的主要动力来源， 绕流则在地形作用下形成局地正涡度， 进一步增强了降水的动力条件。本研究揭示了长白山余脉复杂地形区域暴雨的前期大尺度环流系统演变特征， 探究了该区域暴雨的前期环流前兆， 并通过中尺度地形动力强迫作用， 重点分析了辽宁省东南部喇叭口地形的抬升辐合效应、 绕流涡度发展特征， 为提升区域山地型暴雨预报准确率提供了理论依据。

关键词： 复杂地形; 暴雨; 环流前兆; 爬流; 绕流

本文引用格式

刘成瀚 , 陆井龙 , 阎琦 , 王月 , 焦浩然 , 金妍 . 长白山南部暴雨的环流前兆和复杂地形作用研究[J]. 高原气象, 2026 , 45(1) : 148 -163 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00060

Abstract

Based on the observed precipitation data from 2010 to 2019 in the complex terrain region of southeastern Liaoning， this study identified 44 torrential rain events （TRECT）.By employing composite analysis methods and decomposing the lower-level wind field using flow-over and flow-around equations， the circulation precursors， common characteristics of circulation fields， and the dynamic impact mechanism·s of topography on regional torrential rain were systematically investigated.The results indicate that： Six days prior to the occurrence of TRECT events， the mid-troposphere over the Eurasian continent exhibited a blocking high pattern， followed by the eastward movement and development of a shallow trough near Lake Baikal.On the day of the event， the subtropical high moved northward and intensified， forming a slanting trough over the western part of the key area， with a closed cyclonic circulation appearing in the lower troposphere.The North China low-pressure system developed and moved eastward， positioning the key area at the top of the inverted trough， providing a favorable circulation background for widespread precipitation.During the peak period of the event， the flow over and around the terrain in the key area showed stronger southern and weaker northern characteristics， with high-value areas concentrated in the trumpet-shaped terrain region of the Changbai Mountain's foothills.Areas with flow-over speeds exceeding 4 m ⋅s-1 were located on the southern slopes of the low-altitude hills in the trumpet-shaped area， while flow-around was observed around the high-altitude mountains， with meridional branches of both flows playing a dominant role.The flow-over and flow-around entered the trumpet-shaped area by crossing and bypassing the mountains， respectively， primarily from two air stream·s originating from the Yellow Sea and the Korean Peninsula.In the trumpet-shaped area， the upward motion contributed by the flow-over accounted for more than 80% of the total system's upward motion， serving as the main dynamic source for precipitation enhancement.The flow-around， under the influence of topography， formed local positive vorticity， further enhancing the dynamic conditions for precipitation.This study systematically investigates the evolutionary characteristics of precursor large-scale circulation system·s associated with torrential rain events in the complex topography of the Changbai Mountain foothills， exploring atmospheric circulation precursors preceding extreme precipitation.Through mesoscale topographic dynamic forcing mechanism·s， it specifically elucidates the orographic lifting-convergence effect and flow-around vorticity development within the trumpet-shaped terrain of southeastern Liaoning Province.It provides a theoretical basis for improving the accuracy of regional mountain type rainstorm forecast.

Key words： complex topographic; torrential rain; circulation precursors; flow over; flow around

1 引言

暴雨是中国东北地区的主要灾害性天气之一（孙力等， 2002， 2010）， 突发性和局地性强是东北暴雨的主要特点， 同时会伴随致灾性较强的强对流天气（阎琦， 2024）。Gong et al（2004）将我国北方24 h降水量达到50 mm的降水过程定义为暴雨事件， 甚至可达到极端降水级别。
中国处于东亚季风区， 每到夏天受季风影响自南向北水汽供应丰富。在副热带高压及低涡、高空槽等天气系统共同作用下， 常出现暴雨洪涝天气（高守亭等， 2018）。对于我国不同地区的高影响暴雨事件， 国内专家学者从不同角度分析了其发生发展的物理机制（李栋梁等， 2013； 胡娅敏等， 2015； 谌芸等， 2019； 任丽等， 2019； 王军等， 2021； 周斌等， 2021）， 并指出各地强降水的发生除表现为共同的环流特征外， 还具有明显的区域特征。其中， 黄河中游夏季降水主要受同期东亚高空急流、 西太平洋副热带高压和贝加尔湖低槽共同影响（宋文玲等， 2013）。每年我国雨带随着夏季风的推进而自南向北移动， 环流形势出现相应调整， 中高纬阻塞形势是造成我国东部长江流域、 华北和东北地区夏季区域性持续强降水的主要环流型（王小玲等， 2017）。然而， 东北地区暴雨同时受多个天气系统影响， 大尺度环流背景发展演变的过程相对较为复杂（王东海等， 2007）。
另外，暴雨空间分布差异的主要原因之一是气流和地形相互作用， 地形的高度及尺度的增加对暴雨有一定增幅作用（陈联寿和孟智勇， 2001）。王凯等（2021）发现浙东地区山脉对台风“利奇马”通过阻滞及辐合抬升作用造成显著的降水增幅。付双喜等（2021）研究指出， 祁连山北麓降水大值区都位于山区或山地北坡， 局地小地形对强对流降水过程的阻挡、 辐合、 抬升作用较为突出。东北地区所生产的商品粮约占全国总量的1/3（赵秀兰， 2010）， 而暴雨所引起的洪涝灾害对农业影响巨大（谭方颖等， 2020）， 长白山山脉对暴雨的影响程度大于东北其他山脉地形， 一些研究试验发现： 若没有长白山地形， 则长白山以南区域至朝鲜半岛降水将大幅减少（何博翰等， 2020）。若加倍长白山地形高度， 则辽宁东部以及长白山西部区域降水有所增强（钟水新， 2011）。
地形所产生的绕流及爬流运动对降水过程中涡旋产生及垂直运动具有重要意义（丁一汇， 2005）。绕流和爬流在地形的隆升过程中， 相对贡献也有所变化（谢应齐， 1986）。而对绕流和爬流的定量计算可得出两者在降水过程中的作用大小（黄刚和周连童， 2004）。李斐等（2012）通过将高原地表风场分解为绕流和爬流， 进而得出不同地形高度绕流爬流的强度变化。金妍和李国平（2021）通过研究一次地形引发突发性降水得出绕流及爬流和降水位置及强度紧密相关。目前已有的爬流绕流研究多集中于青藏高原区域， 而有关辽东长白山地形对暴雨的影响机制尚不清晰。
长白山区位于东北地区南部， 是我国东北乃至东北亚的气候敏感区和脆弱区（王延吉等， 2021）， 孙凤华等（2007）认为长白山区降水量在不断减少的趋势下， 降水事件有向极端化发展的迹象。长白山区域由暴雨造成的农业洪涝和城市内涝等气象灾害频繁发生， 并且在山区两端所引发的地质灾害风险等级较高。而目前对长白山区域地形如何引发强降水的机制尚不明确， 是否有相应的环流前兆？因此本文针对位于长白山南部， 即辽宁东南部复杂地形区域暴雨的大尺度环流所凸显的前兆特征以及中小尺度地形触发暴雨增幅的机理展开研究。

2 数据与方法

2.1　资料来源

本文实况资料使用辽宁省国家自动站和区域自动站降水观测资料。高空至地面气象要素形势场使用了欧洲中期天气预报中心发布的第五代全球再分析格点资料（ERA5）。垂直方向共30层、 空间格距水平方向为0.25°×0.25°。资料的时间段为2010年4月1日00:00（北京时， 下同）至2019年9月30日23:00。

2.2　辽宁东南部复杂地形区域暴雨的界定

由于东北平原海拔多处于200 m以下（李崇皜等， 1982）， 因此本文将辽宁东南部海拔大于200 m的区域定义为辽宁省东南部复杂地形区， 简称为关键区， 在关键区共有172个降水观测台站［图1（a）］。采用分级法对辽宁东南部复杂地形暴雨事件（Torrential Rain Events in the Complex Terrain of Southeast Liaoning， TRECT）进行界定（Gong et al， 2004）， 具体方法如下： （1）确定站点暴雨阈值： 本研究地域范围较小， 气候特征接近， 因此定量设定阈值， 即当站点日降水量超过50 mm， 则该站点达到暴雨强度。（2）确定暴雨范围： 当某日关键区范围内超过20%的台站日降水量达到暴雨强度阈值时， 则该日计为一次TRECT事件。（3）确定暴雨日期： 当TRECT事件日期出现连续日时， 避免事件重复， 定义最前日为该事件日期。
图1 辽宁区域海拔（填色， 单位： m）及复杂地形区域台站位置（黑点）（a）， 44个TRECT事件日均降水量（b， 单位： mm）

（b）中红点为小时降水量前20%的台站， 黄点为其余台站

Fig.1 The altitude in the Liaoning region （colored shading， unit： m） and the location of stations in complex terrain areas （the black dots） （a）， the daily average precipitation of the 44 TRECT events （b， unit： mm）. The red dots in the figure （b） represent the top 20% of stations in terms of hourly precipitation， while the yellow dots represent the remaining stations

文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为为GS（2016）2926号的中国地图制作， 底图无修改。
根据上述界定标准， 筛选出44次TRECT事件（表1）。如图1（b）所示， 日均降水大值区位于关键区南部的平原山地交界处， 降水量可达到50 mm以上， 海拔处于100~500 m范围内。选出各事件中最大小时降水量的站点， 可发现最大小时降水量站点环绕关键区周边的平原山地交界， 再将各事件中小时降水量由高至低排序， 前20%分位站点多位于复杂地形以南、 日均降水量极大值区域。将TRECT事件中最大小时降水量［图2（a）］和最大累计降水量［图2（b）］的观测站点， 按海拔升序排列以分析地形影响。从图2（a）和（b）可看出， 最大小时降水量与最大累计降水量的位置并不是地势越高降水量越大， 降水大值位置多处于200 m以下的平原山地交界处。一半以上的最大雨强时次发生在20:00至次日08:00［图2（c）］， 具有明显的夜雨特征。事件多发生在7月和8月， 且多集中于7月下旬至8月中旬［图2（d）］。
表1 TRECT事件信息

Table 1 TRECT information

序号 事件日期（年-月-日） 最大累积降水量/mm 日降水量超过50 mm站点数量/个 最大降水量时次/次 最大小时降水量/mm 最大小时降水量站点经度，纬度 最大小时降水量站点海拔/m
1 2010-07-31 195 30 7 76 124.2°E， 41.7°N 214
2 2010-08-05 201.8 163 12 55.7 122.58°E， 40.42°N 88
3 2010-08-08 155.8 101 11 86.8 124.37°E， 40.75°N 128
4 2010-08-20 346.3 125 20 70.4 124.28°E， 40.23°N 59
5 2010-08-22 155.5 120 16 55.4 125.18°E， 40.7°N 182
6 2010-08-27 247.3 61 10 59.5 123.87°E， 39.97°N 24
7 2011-08-09 234.8 132 8 66.9 122.43°E， 40.23°N 363
8 2011-08-28 178.4 115 8 79.6 122.82°E， 41.05°N 16
9 2012-07-10 178.4 254 8 52.3 121.68°E， 39.53°N 6
10 2012-07-25 158.8 23 4 54.2 125.37°E， 41.1°N 264
11 2012-07-29 145.9 210 6 91.6 123.18°E， 39.68°N 30
12 2012-08-03 289.1 295 12 58.3 123.82°E， 40.1°N 11
13 2012-08-28 149.8 190 19 32.7 122.75°E， 40.05°N 372
14 2012-09-28 164.3 23 10 39.4 125.13°E， 40.85°N 209
15 2013-07-02 225.7 265 6 62.5 123.85°E， 40.32°N 75
16 2013-07-09 96.4 37 12 35.2 125.1°E， 41.95°N 473
17 2013-07-16 294.3 323 7 84.5 123.4°E， 40.05°N 115
18 2013-07-19 175.7 352 0 62.7 121.73°E， 39.82°N 32
19 2013-08-16 317.2 140 23 97.4 123.2°E， 40.73°N 440
20 2014-06-18 94.9 47 17 40.7 123.97°E， 41.82°N 122
21 2014-06-27 128.5 27 5 49.3 124.2°E， 41.7°N 214
22 2015-07-30 113.9 117 12 51.2 123.6°E， 41.63°N 94
23 2015-08-04 133.9 194 8 51.8 124.2°E， 41.43°N 347
24 2015-08-06 153.4 67 4 61.1 124.15°E， 40.03°N 98
25 2016-05-03 128.5 330 16 26 124.4°E， 41.97°N 140
26 2016-07-21 210.5 185 14 40.1 123.17°E， 40.28°N 120
27 2016-08-01 180.5 75 23 75 122.15°E， 39.93°N 106
28 2016-08-07 144.4 78 8 57.5 121.52°E， 39.7°N 4
29 2016-08-13 162.3 103 5 89.8 124.03°E， 41.78°N 115
30 2016-08-19 144.2 111 6 46.4 122.53°E， 40.13°N 111
31 2017-07-07 134.8 78 7 39.6 121.73°E， 39.82°N 32
32 2017-08-04 493.2 209 6 105 123.33°E， 40.18°N 105
33 2018-07-14 158.6 112 8 48.9 123.27°E， 40.97°N 122
34 2018-08-07 257.9 249 13 94.2 122.75°E， 39.75°N 65
35 2018-08-14 303.6 318 1 88.1 123.9°E， 40.15°N 69
36 2018-08-20 261.3 367 12 121.6 121.85°E， 39.73°N 23
37 2018-08-29 110.7 25 3 42.3 125.15°E， 41.2°N 421
38 2019-05-27 76.9 50 1 16.3 123.2°E， 40.73°N 440
39 2019-06-29 107 59 10 63.8 123.27°E， 41.23°N 32
40 2019-07-21 126.9 46 7 58 123.97°E， 41.63°N 209
41 2019-08-03 229.3 140 9 78.4 123.13°E， 40°N 49
42 2019-08-12 276.6 163 17 89.5 124.23°E， 40.72°N 164
43 2019-08-15 217.8 43 4 57.7 125.02°E， 41.4°N 359
44 2019-09-07 150.6 125 13 30 124.03°E， 39.87°N 8
图2 TRECT事件最大小时降水量及其对应台站海拔（a）， 最大累计降水量及其对应台站海拔（b）， 小时最大降水量发生时次及其对应台站海拔（c）， TRECT事件次数时间分布特征（d）

Fig.2 TRECT events maximum hourly precipitation and altitude of observation sites （a）， maximum accumulated precipitation and altitude of observation sites （b）， hourly maximum precipitation times and altitude of observation sites （c）， time distribution characteristics （d）

2.3　爬流及绕流计算方法

本文选取张耀存和钱永甫（1999）在对高原隆升过程变化数值模拟中所采用的底层分解方案， 在水平方向上爬坡、 绕流分别满足平行于地势梯度、 垂直于地势梯度的条件， 其方程如下：
V r ⃗ × ∇ Z s = V ⃗ × ∇ Z s
V p ⃗ ⋅ ∇ Z s = V ⃗ × ∇ Z s
在式（1）、 （2）中， V ⃗为950 hPa的水平风矢量； V r ⃗为950 hPa水平风矢量中的绕流分量； V p ⃗为爬流分量； ∇ Z s为海拔梯度。而地形高度经、 纬向梯度分别为： ∂ Z s ∂ x、 ∂ Z s ∂ y， 即
∇ Z S = ∂ Z s ∂ x i ⃗ + ∂ Z s ∂ y j ⃗
根据式（1）、 （2）、 （3）联立方程可得新方程：
u r = u s ∂ Z s ∂ y 2 - v s ∂ Z s ∂ x ∂ Z s ∂ y ∕ ∇ Z s 2
  v r = v s ∂ Z s ∂ x 2 - u s ∂ Z s ∂ x ∂ Z s ∂ y ∕ ∇ Z s 2
u p = u s ∂ Z s ∂ x 2 + v s ∂ Z s ∂ x ∂ Z s ∂ y ∕ ∇ Z s 2
v p = v s ∂ Z s ∂ y 2 + u s ∂ Z s ∂ x ∂ Z s ∂ y ∕ ∇ Z s 2
式中： u r、 v r表示绕流矢量的纬向和经向分量； u p、 v p表示爬流矢量的纬向和经向分量； u s、 v s表示950 hPa风矢的纬向和经向分量。
地形对垂直运动具有一定的影响， 因此对于刚性边界条件有方程：
w s = V ⃗ ⋅ ∇ Z s = V r ⃗ + V P ⃗ ⋅ ∇ Z s
式中： w s为地形所强迫的垂直运动速度（单位： m·s-1）。由于绕流与地形梯度方向相互垂直， 因此实际地形所强迫的垂直运动仅与爬流有关， 即：
w s = V P ⃗ ⋅ ∇ Z s
全文涉及到的统计方法包括合成分析、 t检验等。

3 影响辽宁东南部复杂地形区域暴雨事件大气环流特征

降水特征受大气环流影响， 为辽宁东南部复杂地形区域暴雨事件的发生提供了有利的大尺度背景， 因此为了探究TRECT事件发生的环流背景特征， 对所有TRECT事件大气环流场进行合成分析， 以探究TRECT事件环流背景条件。

3.1　对流层中层环流条件

中高纬度出现中阻型阻塞高压， 是造成我国北部地区出现区域强降水的主要环流形势（方浩和乔云亭， 2019）， 并且东亚季风区雨带的形成及稳定维持与西太平洋副热带高压位置息息相关（俞亚勋等， 2013）。图3为TRECT事件合成的500 hPa位势高度及距平场， 计事件开始日期为第0天， 事件开始前（后）第n天为第-n（n）天， 对TRECT事件所对应的日平均500 hPa高度场进行合成， 并给出对应的位势高度距平（通过将每次TRECT事件的位势高度场减去2010 -2019年同期日平均气候态场， 计算得到事件距平场， 并对44次事件的距平场进行合成平均， 下同）。同时， 为了验证环流特征的统计显著性， 对TRECT事件合成的500 hPa高度场进行了t检验分析（下同）。从中高纬度环流演变来看［图3（a）］， 第-6天欧亚大陆位势高度距平场呈现出由西至东的“- + -”波列分布特征， 具体而言， 乌拉尔山和鄂霍茨海分别形成显著的负异常中心， 而贝加尔湖地区表现为显著的正异常中心， 这些关键异常中心均通过了95%置信水平的显著性检验， 表明这些异常特征具有较高的统计可信度， 此外， 这种“- + -”的波列结构与中阻型阻塞高压的典型环流背景高度吻合， 为后续天气系统的演变提供了有利的大尺度环流条件。在有利的背景下， 第-5天开始， 贝加尔湖（以下简称贝湖）西部开始有浅槽产生， 随后浅槽加深东移［图3（b）］， 在第-1天和第0天时贝湖东部至黄淮地区形成较深的东北-西南走向的斜槽， 位于关键区的西部， 随后在第1天东移出关键区， 关键区转为受高压脊前控制［图3（f）~（h）］。
图3 44个TRECT事件-6天（a）， -5天（b）， -4天（c）， -3天（d）， -2天（e）， -1天（f）， 0天（g）， 1天（h）的500 hPa高度场（等值线）及其距平场合成（填色）分布（单位： dagpm）

打点区表示合成的500 hPa高度距平通过 95%信度检验， “0天”表示事件开始日， “-n（n）天”表示事件发生前（后） 第n天， 绿色大圆点指关键区位置

Fig.3 Composite of Z500 （contours） and its anomalies （colored shading） for the 44 TRECTs on the -6 day （a）， -5 day （b）， -4 day （c）， -3 day （d）， -2 day （e）， -1 day （f）， 0 day （g）， 1 day （h） （unit： dagpm）.The black dots indicate the composited Z500 anomalies have passed the 95% confidence level.“0 d” denotes the start day， “-n （n） d” denote the n day before （after） the beginning of the event.Green large circles indicate the key area locations

在低纬度范围， 自第-4天开始， 西北太平洋副热带高压的异常特征同样表现出显著的统计意义（通过95%置信水平的显著性检验）， 随着鄂霍茨海低槽东移入海， 西北太平洋副热带高压表现出明显的北抬趋势［图3（c）］。在第-3天时， 关键区高度场位势高度正异常显著增强， 586 dagpm等值线向北推进， 形成稳定的高压坝结构， 这种高压坝的建立不仅改变局地环流特征， 更重要的是对上游高空槽的延伸方向产生了显著影响， 迫使其底部向南延伸［图3（d）］。在第-1天时正异常中心位于关键区附近且更加显著， 中心距平可达到3 dagpm以上， 这也表明在事件发生时， 副热带高压位置较同期异常偏北， 在事件过后1天， 副热带高压明显东移南退［图3（f）， （h）］。综上所述， TRECT事件的发生与中高纬度波列活动以及副热带高压的异常变化密切相关， 并且这些关键的环流异常特征演变通过t检验验证了其可靠性。

3.2　地面形势条件

TRECT事件-4~-3天， 高压中心显著（p<0.05）位于关键区以南的黄海区域， 形成强度达1.5 hPa的正距平中心， 并呈现缓慢北抬趋势， 与此同时， 贝湖区域维持显著的负距平异常， 其中心强度达-1.5 hPa， 并向东南方向移动发展［图4（a）， （b）］。这种“南高北低”的经向气压梯度为后续天气系统的演变提供了重要的动力条件。在-2~-1天， 贝湖低压东移至我国华北地区， 形成华北低压， 东侧下游高压（p<0.05）与华北低压构成显著的“东高西低”形势［图4（c）， （d）］。在事件当天， 华北低压东移发展至关键区， 形成显著气压负距平中心， 中心强度为1004 hPa， 关键区位于倒槽顶部， 有利于偏南气流输送水汽， 低压辐合为暴雨提供有力的动力条件［图4（e）］。在降水过后1天， 低压向东移动， 移出关键区， 降水结束［图4（f）］。TRECT事件前期海平面气压演变过程中， 各主要天气系统的演变均通过了95%置信水平的显著性检验， 表现出显著的统计意义。
图4 44个TRECT事件-4天（a）， -3天（b）， -2天（c）， -1天（d）， 0天（e）， 1天（f）的海平面气压场（等值线）及其距平场合成（填色）分布（单位： hPa）

黑色点区表示合成的海平面气压场距平通过 95%信度检验， “0天”表示事件开始日， “-n（n）天”表示事件发生前（后） 第n天， 绿色大圆点指关键区位置

Fig.4 Composite time evolutions of SLP （contours） and its anomalies （colored shading） for the 44 TRECTs on the -4 day（a）， -3 day（b）， -2 day（c）， -1 day（d）， 0 day（e）， 1 day （f） （unit： hPa）.The black dots indicate the composited SLP anomalies have passed the 95% confidence level.“0 d” denotes the start day， “-n （n） d” denotes the n day before （after） the beginning of the event.Green large circles indicate the key area locations

3.3　对流层低层条件

低空急流、 超低空急流与地形作用引发的上升运动为降水提供较强的动力条件， 急流鼎盛期地形区域雨强较大（刘成瀚等， 2023）， 定义TRECT事件中小时降水量最大时刻为降水鼎盛期（简称为鼎盛期）， 分析降水鼎盛期的低层风场特征（图5）。850 hPa经向风显著正距平区位于黄海北部到长白山余脉地形区， 呈西南-东北走向， 正距平中心位于黄海北部沿岸到长白山余脉地形迎风坡， 正距平强度≥8 m·s-1。950 hPa经向风速的显著正距平区位于山东半岛南部到黄海北部沿岸区（地形迎风坡附近）， 呈南-北走向， 正距平中心位于山东半岛东侧的黄海海面上， 正距平强度也可达到8 m·s-1以上。上述特征表明， TRECT事件的降水鼎盛期黄海北部沿岸上空存在双低空急流特征。其中950 hPa边界层急流为南北向气流， 从黄海海域延伸至黄海北部沿岸陆地区域后， 受长白山余脉迎风坡地形阻挡风速迅速减小， 位置相对850 hPa低空急流更偏南； 850 hPa天气尺度低空急流为西南风气流， 其高度较长白山余脉地形高、 受地形影响较小， 从黄海北部海域一直向东延伸至长白山区附近， 位置相对950 hPa边界层低空急流更偏东。另外在850 hPa和950 hPa， 辽河平原以西区域均为显著的东北风距平， 东北风气流引导冷空气向南输送、 与黄海北部沿岸地区偏南风低空急流交汇， 为降水区斜压条件的建立提供有利条件。
图5 44个TRECT事件鼎盛期850 hPa（a~c）和950 hPa（d~f）纬向风场（a， d）、 经向风场（b， e）、 风矢量（c， f）及其距平场合成分布（填色， 单位： m·s-1）

紫色等值线表示200 m地形等值线， （c）和（f）中矢量表示风速大小（单位： m·s-1）（a、 b、 d、 e）中打点区及（c、 f）中风矢量区表示距平通过95%信度检验

Fig.5 Composite distribution of wind vector anomalies in the peak period of the 44 TRECT events at 850 hPa （a-c） and 950 hPa （d-f）， zonal wind（a， d）， meridional wind（b， e）， and wind vector（c， f） （colored shading） （unit： m·s-1）.The purple contour line represents the 200 m terrain height （unit： m）， with black dots areas in （a， b， d， e） and wind vector （c， f） indicate the composited anomalies have passed the 95% confidence level

4 TRECT事件爬流和绕流分布特征

为分析辽宁东南部地形引起爬流所导致的抬升运动、 绕流形成局地涡旋对山区暴雨的作用， 按照前面介绍的爬流及绕流公式， 计算TRECT事件合成爬流和绕流， 进一步探究地形引发暴雨的动力机制。

4.1　地形影响下的爬流、 绕流运动

强劲的高空西南气流及关键区特殊地形使得该区域存在一定程度的绕流和爬流。整个关键区爬、 绕流矢量模在关键区地形主体均呈现南强北弱的特征［图6（a）， （b）］， 爬、 绕流矢量模强度最大值可达到6 m·s-1， 最大值区域均位于关键区南部长白山余脉的喇叭口地形区域， 位置如［图1（a）］所示， （以下简称“喇叭口”）， 该处地形特征为山地平原过渡区， 并且该区域爬、 绕流等值线密集， 梯度较大， 爬流强度达到4 m·s-1以上的区域位于该喇叭口内部500 m以下的山体南侧， 值得一提的是， 爬流运动既包括沿地形梯度指向高地势的上坡爬流运动， 同样也存在由高地势指向低地势的下坡运动， 这种特征在关键区地形主体的西北侧有所体现。绕流与爬流呈现不同的区域特征， 绕流达到4 m·s-1以上的区域多环绕于喇叭口内部山体周边， 且喇叭口北部高地形地带也存在较大的绕流区。地形主体海拔500 m以北的区域爬、 绕流强度仅为1~3 m·s-1， 只有北侧局部可达到4 m·s-1， 等值线稀疏， 梯度较小。爬、 绕流矢量模大于4 m·s-1的区域与暴雨区有较好的对应关系， 基本与辽宁暴雨区重合。关键区爬、 绕流纬向分量合成场量值为1~3 m·s-1， 大值区不明显， 喇叭口区域略偏高［图6（c）， （d）］。爬流纬向分量整体沿地形主体南北两侧分布， 大部分为负值区， 方向为自东向西， 造成原因可能是西南气流在受地形阻挡时发生偏折转为偏东方向。绕流纬向分量在地形主体北侧为正值， 即方向自西向东， 在地形主体南侧山地平原交界处为正负交错分布， 有利于局地涡旋产生。爬、 绕流经向分量大值区均在暴雨区内， 梯度较大， 且均为正值［图6（e）， （f）］， 即爬、 绕流方向自南向北， 与纬向分量相比， 经向分量明显偏大， 说明在爬、 绕流运动当中， 经向分支起主导作用。
图6 44个TRECT事件鼎盛期爬流（左）和绕流（右）矢量模（a， b）、 纬向分量（c， d）、 经向分量（e， f）合成场（等值线， 单位： m·s-1）

填色为海拔（单位： m）， 红色等值线为大于4 m·s-1的爬流（a、 c、 e）和绕流（b、 d、 f）， 蓝色等值线为50 mm降水区

Fig.6 Composite distribution of the peak period of the 44 TRECTs： flow over （left）， flow around （right） vector mode （a， b）， zonal component （c， d）， meridional component （e， f） （contours， unit： m·s-1）.Colored shading denotes elevation （unit： m）.The red contour line represents the flow over（a， c， e） and flow around （b， d， f） with values greater than 4 m·s-1.The blue contour line represents the 50 mm precipitation area

4.2　爬流、 绕流的流场分布

为进一步分析事件鼎盛期爬流和绕流对暴雨的影响， 对两者的流场分布（图7）情况进行诊断。辐合进入喇叭口地形凹口爬流主要有两支［图7（a）］， 一支来自黄海洋面西南气流翻越喇叭口西南侧低地形区发生偏折汇聚至喇叭口内部， 另一支来自朝鲜境内东南气流翻越喇叭口东南侧地形区汇入至喇叭口内部， 气流汇聚至喇叭口内部后再次向喇叭口北侧山体爬升， 但由于山体地势高度较大， 爬流运动受到明显减弱， 因此爬流强度大值区多位于喇叭口南侧地形坡度带区域， 在此区域较强的爬流运动引起大气强烈抬升， 造成局地上升运动， 为降水提供有利的动力条件。绕流整体与爬流汇聚至喇叭口路径类似［图7（b）］， 气流以西南路径及东南路径汇聚至喇叭口内部， 但与爬流不同的是， 爬流基本沿地势翻越， 路径与地形区呈垂直角度， 绕流沿地形绕行， 路径与地形区平行。绕流在喇叭口内部以“∧”状汇聚一点， 由于绕流沿山壁运动， 即使受喇叭口周边山体阻挡， 只是方向发生偏折， 因此， 在喇叭口内部绕流强度未受到明显减弱。当绕流汇聚在暴雨中心喇叭口附近， 在地形作用下易形成局地“气旋性小环流”或“气流汇合区”， 风向辐合及狭管效应引起的风速增大进一步增强上升运动， 为局地暴雨提供较强的增幅。
图7 44个TRECT事件鼎盛期爬流（a）和绕流（b）合成流场分布（矢量， 单位： m·s-1）

填色为海拔（单位： m）， 红色箭头为大于4 m·s-1的爬流（a）和绕流（b）， 蓝色等值线为50 mm降水区

Fig.7 Composite Flow field distribution of flow over （a） and flow around （b） during the peak period of the 44 TRECTs （vector， unit： m·s-1） Colored shading denotes elevation （unit： m）.The red arrow represents the flow over （a） and flow around （b） with values greater than 4 m·s-1.The blue contour line represents the 50 mm precipitation area

4.3　爬流和绕流相对大小

将事件鼎盛期合成爬流与绕流矢量模和纬、 经向分量进行比较， 得到两者比值分布（图8）， 事件绕流强度大于爬流的区域仅局限于关键区地形主体沿西南至东北的高地势附近， 位置为（40°N -41°N， 123°E -124.5°E）范围内， 以及关键区地形主体的北部高地势区域， 位置为（41.5°N， 124.2°E）周边， 这些区域特征为山体峡谷较多， 且地势较高， 有利于绕流的绕行， 不利于爬流的翻越。在关键区其他区域的上空， 均有爬流强度强于绕流， 大值区位于关键区地形主体的北侧下坡区域， 另外在喇叭口区域， 爬流明显强于绕流， 局部爬流可达到绕流8倍以上。由爬绕流纬向分量比可看出［图8（b）］， 在喇叭口区域局部绕流比爬流强盛， 这可能是低层风场遇到地形阻挡发生转折， 偏西分量转为强度较弱的偏东分量， 风场偏东分量对应的爬流强度减弱， 反而促进绕流的增强。整个关键区爬流经向分量强于绕流， 沿关键区周边分布多个爬流与绕流比的大值区， 尤其关键区北侧下风坡与喇叭口处， 爬流经向分量远高于绕流［图8（c）］。
图8 44个TRECT事件鼎盛期爬流和绕流矢量模比值（a）、 纬向分量比值（b）、 经向分量比值（c） （填色）

橙色等值线表示200 m地形等值线， 蓝色等值线为50 mm降水区

Fig.8 Ratio of flow over and flow （shading） around vector modes （a）， zonal component （b）， meridional component （c） during the peak period of the 44 TRECT events.The orange contour line represents the 200 m terrain heightThe blue contour line represents a 50 mm precipitation area

4.4　爬、 绕流为暴雨提供的动力条件

由于绕流与地形高度梯度呈垂直向， 因此仅爬流会引起气流强迫垂直运动， 根据前面2.3中的公式计算 w s， 得到爬流所引起的强迫垂直运动及空间分布特征［图9（a）］。垂直运动大值区位于喇叭口的入口处， 最大值可达到0.02 m·s-1以上。ERA5再分析资料所提供的上升运动大值区位于喇叭口南侧一带［图9（b）］， 为了量化爬流所产生的上升运动的贡献， 将爬流产生的上升运动与整体的上升运动做比， 可发现沿着地形主体南侧山脉， 由西至东贡献逐渐增多， 大值区位于最东侧也就是喇叭口区域， 可达到80%以上［图9（c）］。
图9 44个TRECT事件950 hPa鼎盛期爬流合成强迫垂直速度（a， 红色等值线， 单位： m·s-1）、 ERA5合成总垂直速度（b， 红色等值线， 单位： m·s-1）及爬流强迫垂直速度占比（c， 填色， 单位： %）

蓝色等值线为50 mm降水区， （a， b）中填色为海拔（单位： m），（c）中红色等值线表示200 m地形等值线

Fig.9 Composite vertical velocity forced by the flow over （a） and ERA5（b） （the red contour line， unit： m·s-1）， and the proportion of forced vertical velocity in flow over at 950 hPa during the peak period of the 44 TRECTs（c， colored shading， unit： %）.In （a） and （b）， colored shading denotes elevation （unit： m）， the blue contour line represents a 50 mm precipitation area.The red contour line in picture （c） represents the 200 m terrain height

另外， 通过绕流的经、 纬向分量计算950 hPa绕流所产生的涡度［图10（a）］， 喇叭口内部为正涡度大值区， 最大可达到4×10-6 rad·s-1以上。而ERA5再分析资料涡度在喇叭口区域涡度呈现纬向正负分布特征［图10（b）］， 分为东西两支。当西南气流进入到地形区分为左右两支， 西支整体受准地转理论支撑， 切变产生正涡度触发上升运动， 而东支受地形影响更大， 在喇叭口汇聚辐合产生上升运动， 整体为曲率涡度， 叠加切变涡度导致系统涡度由正转负。因此地形上升运动所产生的正涡度具有较大的贡献， 进一步突出地形对气流强迫抬升的作用［图10（c）］。
图10 44个TRECT事件950 hPa鼎盛期绕流合成强迫产生涡度（a， 红色等值线， 单位： ×10-6 rad·s-1）、 ERA5合成相对涡度（b， 红色等值线， 单位： ×10-5 rad·s-1）及绕流强迫涡度占比（c， 填色， 单位： %）

（a）， （b）中填色为海拔（单位： m）， 蓝色等值线为50 mm降水区， （c）中红色等值线表示200 m地形等值线

Fig.10 Composite vorticity generated forced by the flow around （a， the red contour line， unit： ×10-6 rad·s-1）， ERA5 （b， the red contour line， unit： ×10-5 rad·s-1） and the proportion of forced vertical generated in flow around at 950 hPa during the peak period of the 44 TRECTs （c， colored shading， unit： %）.In （a） and （b）， colored shading denotes elevation （unit： m）， the blue contour line represents a precipitation area 50 mm.The red contour line in picture （c） represents the 200 m terrain height

4 讨论

长白山区是东北地区暴雨的高发区， 频繁引发农业洪涝、 城市内涝及地质灾害， 尤其是位于山区南端的辽宁东南部， 地质灾害风险等级较高。然而， 目前关于地形对暴雨影响的研究多集中于高原、 太行山、 秦岭及长江中下游等地区， 针对东北地区， 尤其是长白山余脉与辽东半岛地形对暴雨作用的研究相对匮乏。东北地区南部的长白山余脉向海延伸， 在洋面偏南急流与局地地形的共同作用下， 极易触发暴雨事件。
现有研究多局限于单次或几次典型降水过程， 缺乏对某一类降水过程共性特征的系统性分析， 尤其是针对区域性地形强降水的类别。此外， 业务模式对该类降水的预报往往较实况偏小， 预报能力有限。因此， 本文通过合成分析方法， 首先从大尺度环流背景入手， 探究暴雨事件的环流前兆及天气背景演变规律， 为未来预报该类过程的发生提供参考依据。其次， 聚焦中小尺度地形增幅作用， 量化地形对降水的动力贡献。通过大尺度天气背景与中小尺度地形作用的结合， 揭示了地形对区域性暴雨的动力机制， 特别是爬流和绕流在降水过程中的作用。
本文的分析主要针对区域性暴雨事件， 强调地形对降水的增幅效应， 未涉及强降水单体引发的局地暴雨事件。因此， 研究未对后者的形成机理进行深入探讨， 更多聚焦于地形对区域性降水的动力影响， 而非全面的降水机理研究。通过显著性检验， 本文捕捉到了区域性暴雨事件的大尺度环流场异常环流前兆， 这些信号能够较好地解释区域性强降水的发生背景， 但尚不足以完全解释降水的强度。为进一步验证研究结论的普适性， 选取了4次典型的TRECT事件， 分析了其当天的环流场特征。从图11可以看出， 这4次事件均表现出副热带高压偏北、 关键区500 hPa存在低槽或低涡、 850 hPa出现闭合涡旋、 海平面气压场呈现东西对峙的形势。这些特征与本文结论中提到的关键系统配置高度吻合， 表明大尺度环流背景对区域性暴雨的发生具有重要影响。然而， 区域性强降水的生成还受到水热条件、 边界层条件等多种因素的共同作用。因此， 未来研究需要进一步探讨这些因素对降水强度的影响， 以完善对区域性暴雨事件的全方位理解。
图11 4次TRECT事件2011年8月9日（a）、 2012年7月29日（b）、 2013年7月2日（c）、 2013年7月16日（d）500 hPa位势高度场（黑色等值线， 单位： dagpm）、 海平面气压场（填色， 单位： hPa）、 850 hPa流场（蓝色风矢量， 单位： m·s-1）（红点为关键区位置）

Fig.11 Four TRECT events showing： 9 August 2011 （a）， 29 July 2012 （b）， 2 July 2013 （c）， 16 July 2013 （d）.Plotted elements include： 500 hPa geopotential height field （black contours， unit： dagpm）， sea level pressure field（colored shading， unit： hPa）， 850 hPa flow field （blue wind vectors， unit： m·s¹）.Red dots denote the key region locations

总之， 本文通过大尺度环流背景与中小尺度地形作用的结合， 揭示了长白山余脉地形对区域性暴雨的增幅机理， 为预报和防灾减灾提供了理论依据， 但针对降水强度的多因素影响机制仍需进一步深入研究。

5 结论

本文利用2010 -2019年降水数据统计发生在辽宁东南部复杂地形区域共计44次暴雨事件， 针对该类事件的大尺度环流场进行合成分析探究事件的环流前兆， 对事件鼎盛期采用合成分析方式探究了地形的动力作用。得到结论如下：
（1） TRECT事件的发生与大尺度环流背景存在密切关联， 在事件发生前6天， 欧亚大陆对流层中层已形成中阻型阻塞高压系统， 随后贝加尔湖浅槽向东移动并持续发展， 与南支槽叠加后共同构建出有利于暴雨形成的大尺度环流配置， 至事件当天， 副热带高压北抬增强， 关键区西部上空所发展的斜槽结构为区域性降水的发生提供有利的动力条件。
（2） 事件发生前4天， 关键区南侧海平面气压场维持稳定高压中心， 同期贝加尔湖低压系统向东南方向移动并逐渐发展成华北低压， 这种“东高西低”的配置为后续暴雨系统的形成提供了重要的大气动力条件。至事件当日， 华北低压东移发展至关键区后促使该区域位于倒槽顶部， 这不仅利于偏南暖湿气流的持续输送， 更通过低压辐合作用进一步强化垂直上升运动， 从而为暴雨过程的发生提供有力的动力支持。
（3） 在TRECT事件达到鼎盛期， 对流层低层西南气流受到关键区南侧地形阻挡发生偏折转为东南风且风速明显减弱， 随后该气流在关键区西侧辽宁西部地形区再次发生偏转形成东北风， 这种双重地形强迫效应导致低层大气形成闭合性的气旋式环流的动力结构， 在此过程中经向风分量偏强并主导低层环流系统。
（4） 在关键区地形主体区域， 爬流和绕流的矢量模空间分布呈现南强北弱的特征， 两者大值中心均位于长白山余脉的喇叭口地形区的暴雨核心区。爬流强度超过4 m ·s-1的高值区集中分布于该喇叭口内部500 m海拔以下的山体南侧， 而绕流超过4 m·s-1的区域则多环绕喇叭口内部山体周边分布。两者纬向分量运动呈现反向特征， 爬流表现为自东向西的运动特征， 绕流则表现为自西向东传输， 而两者的经向分量方向一致， 均呈现为自南向北的运动特征， 且相比纬向运动， 两者的经向运动更占据主导地位。
（5） 事件鼎盛期辐合进入喇叭口爬流和绕流均有两支， 一支来自黄海洋面西南气流， 另一支来自朝鲜境内东南气流， 位于喇叭口南侧地形坡度带区域的爬流较强， 位于高地势周边的绕流较强， 爬流路径主要沿地形翻越， 而绕流路径则沿地形绕行。并且整个关键区爬流经向分量强于绕流， 尤其关键区北侧下风坡与喇叭口处， 爬流经向分量远高于绕流。
（6） 爬流所引发的垂直运动大值区位于喇叭口区域， 对系统整体上升运动可贡献80%以上， 绕流形成的正涡度大值区位于喇叭口内部， 地形所贡献的正涡度与系统的负涡度呈相反状态。

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