陳勇明 沈杭鋒 周玲麗 金成 陳光宇

(1.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051；2. 浙江省氣象臺(tái)，浙江 杭州 310017)

2015年7月29日浙江一次高層?xùn)|風(fēng)波引發(fā)的強(qiáng)對流過程分析

陳勇明1沈杭鋒1周玲麗2金成1陳光宇1

(1.杭州市氣象局，浙江 杭州 310051；2. 浙江省氣象臺(tái)，浙江 杭州 310017)

2015年7月29日發(fā)生在浙江的強(qiáng)對流天氣過程帶來了短時(shí)暴雨、雷雨大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，利用多種資料對其發(fā)生發(fā)展進(jìn)行了初步分析，結(jié)果表明，此次過程具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大、移動(dòng)快、致災(zāi)強(qiáng)的特點(diǎn)，并出現(xiàn)了“高層低壓系統(tǒng)，低層副高系統(tǒng)”的配置，結(jié)合高、中、低3層形勢和所處的季節(jié)來看，這是一次與高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)緊密結(jié)合的強(qiáng)對流天氣過程。物理量診斷分析表明:這次過程的環(huán)境背景場非常有利于強(qiáng)對流的發(fā)生發(fā)展，不穩(wěn)定能量有極大儲(chǔ)備，上升運(yùn)動(dòng)也很強(qiáng)烈，并且出現(xiàn)了有利于雷雨大風(fēng)的“上干下濕”喇叭口型配置的探空曲線。地面中尺度輻合線先于東風(fēng)氣流的下傳和強(qiáng)對流的發(fā)生，中尺度輻合線對對流天氣有觸發(fā)作用，當(dāng)東風(fēng)波下傳到地面時(shí)，與地面中尺度輻合線一起觸發(fā)和加劇了浙江東南部強(qiáng)對流天氣。同時(shí)，高層?xùn)|風(fēng)波從東南沿海向西北內(nèi)地發(fā)展、移動(dòng)，推動(dòng)和引導(dǎo)了中尺度輻合線、強(qiáng)對流的發(fā)展和移動(dòng)。當(dāng)高層有東風(fēng)波時(shí)，配合有利的環(huán)境物理量場，再結(jié)合地面中尺度輻合線，在這樣的形勢場，非常容易產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣。

強(qiáng)對流；高層?xùn)|風(fēng)波；物理量診斷；中尺度輻合線

0 引 言

東風(fēng)波屬于熱帶天氣系統(tǒng)，多產(chǎn)生于副熱帶高壓南側(cè)的東風(fēng)氣流中，受到一定擾動(dòng)的作用(如赤道輻合帶擾動(dòng)、熱帶低壓外圍環(huán)流擾動(dòng)等)，以波動(dòng)的形式自東向西傳播，往往給我國東南沿海地區(qū)甚至內(nèi)陸地區(qū)帶來較強(qiáng)的降水[1]。吳陽等[2]使用歷史資料將影響我國的東風(fēng)波分成3類，第一類是深厚的東風(fēng)波，垂直伸展厚度可達(dá)12 km；第二類是中低層?xùn)|風(fēng)波，主要活躍在500 hPa以下的對流層中低層;第三類為高層?xùn)|風(fēng)波，由于在西移過程中受到中低層西南季風(fēng)區(qū)的阻擋，主要在對流層高層活動(dòng)；深厚東風(fēng)波和高層?xùn)|風(fēng)波的壞天氣主要出現(xiàn)在槽前，而中低層?xùn)|風(fēng)波的壞天氣主要出現(xiàn)在槽后。各類東風(fēng)波的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)及大尺度天氣環(huán)流形勢都有明顯差別[3]。東風(fēng)坡所經(jīng)之處往往伴有降水，降水持續(xù)時(shí)間長，降水量大，容易造成城市內(nèi)澇，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，因此許多氣象學(xué)者都對東風(fēng)波造成的暴雨進(jìn)行了研究[4-7]。

也有一些研究表明，東風(fēng)波對于強(qiáng)對流也有重要作用。林確略等[8]通過對2009年8月22—25日一次強(qiáng)對流過程研究表明過程主要表現(xiàn)為自東向西出現(xiàn)午后強(qiáng)對流天氣，東風(fēng)倒槽在高層反映較明顯，在低層只有弱東風(fēng)，高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)不夠深厚，對流上升運(yùn)動(dòng)只限于中高層，不利于產(chǎn)生大范圍強(qiáng)降雨，這也正是高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)的特點(diǎn)。許愛華等[9]研究發(fā)現(xiàn)熱帶低壓倒槽云型的東風(fēng)波以強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)天氣為主。7—9月當(dāng)東風(fēng)波或熱帶低壓氣旋倒槽伸向江西時(shí)，在對流不穩(wěn)定條件下，容易出現(xiàn)這類強(qiáng)對流天氣，當(dāng)熱帶東風(fēng)波或低壓倒槽系統(tǒng)和西風(fēng)帶低值系統(tǒng)靠近時(shí)，中低緯度系統(tǒng)相互作用，會(huì)造成大范圍強(qiáng)對流天氣。陳雷等[10]發(fā)現(xiàn)東風(fēng)波型雷暴天氣多發(fā)生在8—10月，其觸發(fā)機(jī)制是副高南側(cè)或熱帶氣旋北側(cè)東風(fēng)氣流里的波動(dòng)，常給長三角地區(qū)帶來局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

2015年7月29日在浙江全省范圍出現(xiàn)了強(qiáng)對流天氣，帶來了短時(shí)暴雨、雷雨大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣，造成了嚴(yán)重影響。此次過程與高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)密切相關(guān)，本文利用自動(dòng)站資料、GFS分析資料和探空資料等對此次過程的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行分析。

1 天氣概況

2015年7月29日，在浙江及周邊省份發(fā)生了強(qiáng)對流天氣，尤其在浙江，從中午開始，由東南向西北出現(xiàn)了全省性大范圍的劇烈天氣，此次強(qiáng)對流過程以強(qiáng)陣風(fēng)為主，同時(shí)也有短時(shí)暴雨、雷電和冰雹。從華東地區(qū)小時(shí)自動(dòng)站資料繪制的29日12時(shí)到30日00時(shí)(北京時(shí)，下同)的累積降水量和強(qiáng)天氣(圖1a)可以看到，浙江共有230個(gè)測站出現(xiàn)了8級(jí)以上大風(fēng)(黑色三角形)，最大富陽安頂山風(fēng)速為37.1 m/s，達(dá)到了13級(jí)；有18個(gè)測站累積雨量超過50 mm，最大平陽鳳巢76.5 mm，多個(gè)測站的小時(shí)雨強(qiáng)超過30 mm/h(黑色圓點(diǎn))，最大小時(shí)雨強(qiáng)也出現(xiàn)在平陽鳳巢，為69.3 mm/h。此次過程歷時(shí)短、強(qiáng)度大、移動(dòng)快、災(zāi)害強(qiáng)，導(dǎo)致不少城市出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇、交通堵塞及人員和物品的損傷，造成了嚴(yán)重影響。

(a)12 h累積雨量(陰影，mm)和強(qiáng)天氣；(b)小時(shí)強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象。(a)中黑色三角形表示大于等于17.2 m/s的極大風(fēng)速，黑色圓點(diǎn)表示大于等于30 mm/h的降水。(b)中圓點(diǎn)表示29日15時(shí)，方框表示17時(shí)，三角形表示19時(shí)，五角星表示21時(shí)；空心表示大于等于30 mm/h的降水，實(shí)心表示大于等于17.2 m/s的極大風(fēng)速。圖1 2015年7月29日12時(shí)—7月30日00時(shí)的天氣實(shí)況

此次過程出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹等強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象，從華東地區(qū)逐小時(shí)自動(dòng)站資料繪制的29日逐小時(shí)強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象(圖1b)可知，多個(gè)測站出現(xiàn)了風(fēng)速大于等于17.2 m/s 的8級(jí)大風(fēng)(空心)和30 mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水(實(shí)心)，浙江杭州富陽安頂山出現(xiàn)的13級(jí)最大陣風(fēng)在杭州比較少見，尤其是非臺(tái)風(fēng)影響造成的更為罕見。另外，從圖1b中還可以發(fā)現(xiàn)，29日15時(shí)，大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水的影響主要位于浙江南部和福建北部；17時(shí)，系統(tǒng)移向西北，到了浙西南和浙中南地區(qū)；到了19時(shí)，強(qiáng)對流天氣已經(jīng)影響到了浙西和浙中一帶，影響范圍和強(qiáng)度都明顯擴(kuò)大和增強(qiáng)；之后系統(tǒng)繼續(xù)北移，到21時(shí)，強(qiáng)對流天氣主要影響到了浙北和安徽東南部地區(qū)。由此可見，此次強(qiáng)對流過程是先在東南方向發(fā)生發(fā)展起來，之后向西北偏北方向移動(dòng)、影響，對浙江而言，這種強(qiáng)對流路徑是比較少見的。

2 環(huán)流形勢演變特征和主要影響系統(tǒng)

圖2是用0.5°×0.5°的GFS(美國國家環(huán)境中心的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng))分析資料繪制的2015年7月29日08時(shí)和20時(shí)高空形勢場。08時(shí)的500 hPa高空圖上(圖2a)，我國北方地區(qū)有一深厚的高空槽(粗虛線)，槽線從蒙古一直延伸到河套以南地區(qū)，東面是副熱帶高壓系統(tǒng)，588 dagpm線已經(jīng)伸進(jìn)大陸，浙江處于副高控制之下；500 hPa以下層面(圖略)，浙江都處于副高控制。而在500 hPa以上的高層，尤其是200 hPa圖上(圖2b)，除了北方的高空槽之外，在我國東南沿海上空出現(xiàn)了一個(gè)類似于臺(tái)風(fēng)的低壓系統(tǒng)，其北側(cè)則是一個(gè)高壓壩，高壓壩將西風(fēng)帶系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)阻隔，浙江剛好處于低壓系統(tǒng)倒槽前部。結(jié)合低壓系統(tǒng)的高、中、低3層形勢和所處的季節(jié)來看，該低壓應(yīng)該屬于高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)，高層?xùn)|風(fēng)波的壞天氣主要出現(xiàn)在槽前[2]。

(a、c)500 hPa；(b、d)200 hPa；(a、b)08時(shí)；(c、d)20時(shí)。粗虛線表示槽線。圖2 2015年7月29日的風(fēng)場(風(fēng)向桿，m/s)和高度場(等值線，gpm)

到20時(shí)，西風(fēng)槽有所東移、南壓，副高588 dagpm線明顯東退(圖2c)，而高層高壓壩東退更為顯著(圖2d)，高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)則大幅西進(jìn)并略有北抬。此次演變過程中，浙江上空中低層系統(tǒng)以高壓控制為主，沒有出現(xiàn)明顯的輻合、切變等系統(tǒng)，西風(fēng)帶系統(tǒng)也尚未對浙江產(chǎn)生影響，高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)的西進(jìn)北抬剛好與強(qiáng)對流的發(fā)生、移動(dòng)相對應(yīng)，因此這是與高層?xùn)|風(fēng)波緊密聯(lián)系的強(qiáng)對流天氣過程。

3 物理量場診斷分析

圖3是2015年7月29日杭州站探空資料，在29日08時(shí)(圖3a)，杭州的對流有效位能(CAPE)有了一定的積聚，達(dá)到了967.9 J/kg，但抑制對流發(fā)展的對流抑制能量(CIN)也有322.3 J/kg；杭州上空整層的濕區(qū)并不十分明顯，總體較干；綜合反應(yīng)溫度層結(jié)和不穩(wěn)定的K指數(shù)和沙氏指數(shù)(SI)分別為28 ℃和4.14。到了20時(shí)，CAPE增加到了2514.2 J/kg，CIN減少到了166.1 J/kg，而K指數(shù)和SI分別為43 ℃和-5.07，中低層的增濕也非常明顯，形成了上干下濕的層結(jié)曲線。杭州站探空的這一變化，非常顯著地表明了大氣環(huán)境背景朝著有利于對流發(fā)生的方向發(fā)展，只要有合適的觸發(fā)機(jī)制，對流就非常容易爆發(fā)。從20時(shí)的各種物理量指數(shù)和層結(jié)曲線來看，對流一旦爆發(fā)，將會(huì)非常劇烈，而且極易產(chǎn)生雷雨大風(fēng)等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。

圖3 2015年7月29日杭州站探空：(a)08時(shí)；(b)20時(shí)。

從GFS資料繪制的7月29日14時(shí)相當(dāng)位溫(θe)圖上(圖4a)可以看到，850 hPa上除了浙江南部部分地區(qū)的相當(dāng)位溫(等值線)值在351～354 K之間外，大部分地區(qū)的相當(dāng)位溫都高于354 K，形成一個(gè)高暖區(qū)；而500 hPa與850 hPa相當(dāng)位溫差值可以用于表征不穩(wěn)定度，負(fù)值越大，表明大氣越不穩(wěn)定(劉健文等，2005)，圖4a中500 hPa與850 hPa的相當(dāng)位溫差值(陰影)顯示浙江省大部分地區(qū)處于-8 K及以下區(qū)域，也有相當(dāng)一部分區(qū)域處于-20 K及以下，具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)。從14時(shí)經(jīng)過120 °E的剖面來看，浙江所在區(qū)域(27°N～31°N)具有較為明顯的濕層(陰影)，其中南部地區(qū)整層都較濕，29°N以北地區(qū)濕度相對較低，而且中高層濕度比低層更小，呈現(xiàn)出上干下濕的特征。而從強(qiáng)對流現(xiàn)象分布來看(參見圖1)，浙南地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)的同時(shí)，也有不少測站出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，而越往北，大風(fēng)出現(xiàn)的頻率要遠(yuǎn)高于短時(shí)強(qiáng)降水，浙北地區(qū)更多出現(xiàn)的是強(qiáng)陣風(fēng)，這與相對濕度的分布比較一致。相當(dāng)位溫(實(shí)線)在整個(gè)浙江區(qū)域表現(xiàn)出了下暖上冷的配置。值得注意的是，此時(shí)浙江區(qū)域上空幾乎都是出于垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)(虛線)，曹曉崗等[11]研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)力條件在強(qiáng)對流前12 h也有一定反映，上升運(yùn)動(dòng)集中在1個(gè)經(jīng)度左右非常窄的地區(qū)，與小于100 km范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)降水相對應(yīng)。

(a)相當(dāng)位溫(等值線，K)和500 hPa與850 hPa的相當(dāng)位溫差(陰影，K)；(b)沿120 °E的相當(dāng)位溫(實(shí)線，K)、垂直上升速度(虛線，Pa/s)和相對濕度(陰影，%)剖面。圖4 2015年7月29日14時(shí)物理量圖

4 觸發(fā)條件分析

通過天氣形勢分析發(fā)現(xiàn)，7月29日這一天的大尺度背景形勢場雖然與通常的強(qiáng)對流天氣背景不太一致，但在合適條件觸發(fā)下，也能夠產(chǎn)生強(qiáng)對流；而物理量場的配置則是有利于強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展的。強(qiáng)對流發(fā)生除了這些條件外，還需要有抬升觸發(fā)條件。

圖5是利用小時(shí)自動(dòng)站資料繪制的2015年7月29日的地面流場圖。在29日08時(shí)(圖5a)，浙江境內(nèi)基本沒有出現(xiàn)輻合，隨著系統(tǒng)移動(dòng)、地形分布和海陸位置等因素影響，11時(shí)在浙江東南沿海出現(xiàn)了一條中尺度輻合線(圖5b)，該輻合線是由偏西風(fēng)和東南風(fēng)輻合形成的。1 h后(圖5c)，該中尺度輻合線繼續(xù)維持，其北面、南面也均出現(xiàn)了不同程度的輻合，形成了多條中尺度輻合線。之后，中尺度輻合線隨著系統(tǒng)移動(dòng)、發(fā)展、變化，到下午14時(shí)(圖5d)，中尺度輻合線逐漸移動(dòng)到了浙西南和浙中一帶。

(a)08時(shí)；(b)11時(shí)；(c)12時(shí)；(d)14時(shí)。黑色粗虛線表示中尺度輻合線圖5 7月29日地面流場

圖6是浙江省雷達(dá)組網(wǎng)拼圖，回波的發(fā)展演變與地面風(fēng)場、中尺度輻合線有較好的對應(yīng)關(guān)系。由圖5b可知，7月29日11時(shí)，在浙江東南沿海出現(xiàn)了一條由偏西風(fēng)和東南風(fēng)輻合形成的中尺度輻合線，而此時(shí)雷達(dá)回波拼圖上尚未出現(xiàn)明顯對流天氣(圖略)。1 h之后，在11時(shí)的中尺度輻合線區(qū)域附近出現(xiàn)了對流性回波(圖6a)，雖然個(gè)別地區(qū)雷達(dá)回波單點(diǎn)性強(qiáng)度大，但整體來看回波范圍較小、強(qiáng)度也一般。到了14時(shí)，對流有了強(qiáng)烈發(fā)展，出現(xiàn)對流的范圍擴(kuò)大到了浙南及沿海地區(qū)，強(qiáng)度也顯著增強(qiáng)，最強(qiáng)回波已經(jīng)達(dá)到了50 dBz以上。隨后，強(qiáng)對流向西、向北移動(dòng)發(fā)展，從東南沿海向西北內(nèi)陸演變(圖略)，影響了整個(gè)浙江省，浙江省多地出現(xiàn)了強(qiáng)風(fēng)、暴雨，甚至冰雹天氣，造成了重大影響。

圖6 7月29日(a)12時(shí)、(b)14時(shí)浙江省雷達(dá)組網(wǎng)拼圖

圖7是利用GFS資料繪制的2015年7月29日沿著121°E的U分量剖面圖，負(fù)值表示東風(fēng)，正值表示西風(fēng)。08時(shí)(圖7a)，從700 hPa開始直到對流層頂是一致的東風(fēng)氣流，東風(fēng)氣流中心高度位于200 hPa，中心風(fēng)速超過20 m/s，這與高層?xùn)|風(fēng)波相對應(yīng)。700 hPa以下的對流層低層以及近地面(參見圖5a)都是偏西風(fēng)，偏西風(fēng)風(fēng)速不大，以0～4 m/s為主。到了14時(shí)(圖7b)，高層?xùn)|風(fēng)氣流明顯往北推進(jìn)，但中心風(fēng)速依然維持在20 m/s，風(fēng)速中心位置在北移的同時(shí)在高度上有所下降；而700 hPa以下的28～31°N范圍內(nèi)，中低層的偏西風(fēng)轉(zhuǎn)成了弱偏東風(fēng)，這樣造成了從地面到對流層頂一致的偏東氣流。

圖7 7月29日(a)08時(shí)；(b)14時(shí)沿121°E的U分量經(jīng)向剖面

結(jié)合天氣實(shí)況、地面流場、雷達(dá)回波拼圖和U分量剖面圖可知，浙東南地區(qū)在中午11時(shí)左右受地形、海陸位置、系統(tǒng)性風(fēng)場的影響，出現(xiàn)了中尺度輻合線，中尺度輻合線在之后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)一直維持并逐漸由東南向西北內(nèi)陸發(fā)展、移動(dòng)，隨后，在中尺度輻合線附近區(qū)域出現(xiàn)了對流性天氣。高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)在向西北移動(dòng)過程中，將東風(fēng)氣流動(dòng)量逐漸往下傳，打破了中高層?xùn)|風(fēng)、低層偏西風(fēng)的格局，到14時(shí)浙江范圍內(nèi)出現(xiàn)了從地面到高層一致偏東風(fēng)的現(xiàn)象。而此時(shí)浙江的對流天氣劇烈發(fā)展，演變成大范圍、高強(qiáng)度的強(qiáng)對流天氣，并逐漸由東南沿海向西北內(nèi)地推進(jìn)。因此，此次強(qiáng)對流過程中，地面中尺度輻合線先于東風(fēng)氣流的下傳和強(qiáng)對流的發(fā)生，中尺度輻合線對對流天氣有觸發(fā)作用，當(dāng)東風(fēng)波下傳到地面時(shí)，與地面中尺度輻合線一起觸發(fā)和加劇了浙江東南部強(qiáng)對流天氣。同時(shí)，高層?xùn)|風(fēng)波從東南沿海向西北內(nèi)地發(fā)展、移動(dòng)，推動(dòng)和引導(dǎo)了中尺度輻合線、強(qiáng)對流的發(fā)展和移動(dòng)。當(dāng)高層有東風(fēng)波時(shí)，配合有利的環(huán)境物理量場，再結(jié)合地面中尺度輻合線，在這樣的形勢下，非常容易產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣。

5 結(jié) 語

2015年7月29日發(fā)生浙江的強(qiáng)對流天氣過程帶來了短時(shí)暴雨、雷雨大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，利用多種資料對其發(fā)生發(fā)展進(jìn)行了初步分析，得到以下結(jié)論：

1)此次過程具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大、移動(dòng)快、致災(zāi)強(qiáng)的特點(diǎn)，并出現(xiàn)了“高層低壓系統(tǒng)，低層副高系統(tǒng)”的配置，結(jié)合高、中、低3層形勢和所處的季節(jié)來看，這是一次與高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)緊密結(jié)合的強(qiáng)對流天氣過程。

2)從物理量診斷分析表明，這次過程的環(huán)境背景場非常有利于強(qiáng)對流的發(fā)生發(fā)展，不穩(wěn)定能量有極大儲(chǔ)備，上升運(yùn)動(dòng)也很強(qiáng)烈，并且出現(xiàn)了有利于雷雨大風(fēng)的“上干下濕”喇叭口型配置的探空曲線。

3)地面中尺度輻合線先于東風(fēng)氣流的下傳和強(qiáng)對流的發(fā)生，中尺度輻合線對對流天氣有觸發(fā)作用，當(dāng)東風(fēng)波下傳到地面時(shí)，與地面中尺度輻合線一起觸發(fā)和加劇了浙江東南部強(qiáng)對流天氣。同時(shí)，高層?xùn)|風(fēng)波從東南沿海向西北內(nèi)地發(fā)展、移動(dòng)，推動(dòng)和引導(dǎo)了中尺度輻合線、強(qiáng)對流的發(fā)展和移動(dòng)。

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2016-06-18