吳姍姍，龔?，傅娜，俞宏耀

（1.舟山市氣象局，浙江 舟山 316000；2.寧波市海曙區(qū)氣象局，浙江 寧波 315000）

1 引言

冷渦是我國重要的天氣尺度系統(tǒng)之一，能夠為中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展提供有利的天氣背景和物理條件[1]。冷渦背景下的對流系統(tǒng)空間尺度較小且演變迅速，會帶來雷電、大風或暴雨等災害性天氣，可能導致農(nóng)業(yè)和工業(yè)等方面的經(jīng)濟損失，嚴重影響人們的生產(chǎn)生活。冷渦通常發(fā)生于中高緯度地區(qū)，我國常見的冷渦包括東北冷渦、華北冷渦和蒙古冷渦等[2-3]。Zhang 等[4]通過對1979—2005 年東亞冷渦的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，我國東北-西伯利亞-西北太平洋一帶是冷渦出現(xiàn)的高頻區(qū)，我國東北及其附近區(qū)域每年發(fā)生4～7 個冷渦，5—6 月為冷渦最活躍的時候，61%的冷渦維持在2～3 d。夏季，當東北冷渦位置偏南且移動緩慢時，冷渦西南側(cè)有冷空氣向南擴散，會誘發(fā)突發(fā)性強對流天氣[5]。許愛華等[6]認為對流層中高層存在強烈發(fā)展的干冷平流易觸發(fā)高空冷平流強迫類強對流，冷渦是表現(xiàn)形式之一。羅玲等[7]對比了2009 年6 月浙江地區(qū)的兩次天氣過程，認為冷渦背景下可導致區(qū)域性暴雨和局地性暴雨，前者的預報著眼點為高層輻散、低層輻合結(jié)構(gòu)和低空西南急流，后者的預報著眼點為大氣的不穩(wěn)定度與冷渦后部冷空氣的干侵入。海上大風是引起海洋災害的重要原因，已有研究學者對冷空氣、低壓和熱帶氣旋等引起的海上大風過程進行分析[8-11]，但是目前對于冷渦在華東地區(qū)引起的雷雨大風尤其是海上大風過程的研究較少。

2020 年4 月12 日一次位置偏南且移速較快的海上冷渦引起的雷雨大風過程先后影響了江蘇、上海和浙江三地，并在浙江舟山地區(qū)風力加強至13級。本文將利用常規(guī)觀測資料、雷達資料和美國國家環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）6 h 一次的再分析資料，對這次過程進行分析并重點探討風力在舟山沿海地區(qū)增強的原因。舟山四面環(huán)海，港口眾多，有大量石油儲運基地，因此對海上大風和雷電的預報有較大需求。本次過程的研究不僅能豐富我們對華東地區(qū)尤其是舟山沿海冷渦背景下雷雨大風過程的認識，也對提高冷渦背景下雷雨大風的預報水平和氣象防災減災能力具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

2 過程概況

雷雨大風指出現(xiàn)在雷雨天氣現(xiàn)象時，風力達到或超過8 級（17.2 m/s）的天氣現(xiàn)象。2020 年4 月12日導致雷雨大風過程的冷渦早于常年活躍，冷渦的影響和路徑偏南且移速較快。冷渦引起的中尺度對流系統(tǒng)自西北向東南移動，主要影響了江蘇、上海和浙江三地。14時（北京時，下同）在江蘇中北部上空已有局部對流發(fā)生，對流云團向東南方向移動，17 時有明顯的合并發(fā)展，對流云團東側(cè)發(fā)展旺盛而西側(cè)較弱，20時對流云團主體在舟山附近，21時對流云團主體大部分移入東海上空并遠離，對華東地區(qū)的風雨影響顯著減弱。圖1是2020年4月12日累計降水量和正負地閃分布實況示意圖。由于沒有濕區(qū)配合，本次冷渦帶來的降水量不大，大多數(shù)地區(qū)降水量在5 mm以下。14—15時雨區(qū)在江蘇北部，之后向東南方向移動，23時之后各地僅分布1 mm以下零星降水。圖1a中過程累計降水量的極大值位于江蘇、上海和浙江三地的交界處。圖1b和圖1c分表代表正地閃和負地閃的分布和強度情況，標記的大小代表地閃的強度。江蘇北部正地閃頻數(shù)明顯高于負地閃，江蘇南部以及上海地區(qū)負地閃頻數(shù)高于正地閃頻數(shù)，海面上正地閃頻數(shù)再次超過負地閃。正地閃的強度總體上大于負地閃強度。降水量極大值與負地閃的分布對應較好。前人研究也表明，冷渦天氣中的負地閃和對流強弱無明顯關(guān)系，與降水強度存在一定關(guān)系[11]，大風類天氣以正地閃為主[12]。

圖1 2020年4月12日累計降水量和正負地閃分布Fig.1 Cumulative precipitation and positive and negative cloud-to-ground lightning flashes distribution on April 12，2020

本文以出現(xiàn)8級風表示對流系統(tǒng)對某區(qū)域的風力產(chǎn)生影響。13—14 時江蘇北部宿遷地區(qū)風力增強，開始出現(xiàn)8 級風，17—18 時逐漸影響上海和浙江。圖2 是19—20 時和20—21 時地面觀測站測得的10級及以上的極大風分布情況。18—19時江蘇、上海和浙江三地無10 級風出現(xiàn)。對流系統(tǒng)在19—20 時加強，浙北地區(qū)（浙北內(nèi)陸和舟山地區(qū)）同時開始出現(xiàn)10 級風，內(nèi)陸以10 級風為主。舟山地區(qū)以11～12 級風為主，其中杭州灣入?？诘臑G站點在19:04 首先出現(xiàn)28.7 m/s（11 級）陣風，大白山在19:06 出現(xiàn)34.9 m/s（12 級）陣風。由于海洋的光滑下墊面會對海上大風起到增強作用[13]，風速越大海面對大風的增強作用越明顯，并且島嶼之間容易產(chǎn)生狹管效應[14]，因此舟山比內(nèi)陸風力增強更明顯。舟山群島上的站點風力普遍比內(nèi)陸大1～2級，個別站點大3 級。20—21 時10 級及以上大風主要集中在舟山地區(qū)，并且仍然分布著大量10～11 級風力的站點，風力還未明顯減弱。本次過程中舟山全市21 個站點出現(xiàn)11 級大風，10 個站點出現(xiàn)12 級大風，4 個站點出現(xiàn)13 級大風，最大陣風達40.8 m/s（下三星站點）。

圖2 2020年4月12日地面觀測站測得的10級及以上的極大風分布Fig.2 Distribution of maximum wind velocity above magnitude 10 measured by ground stations on April 12,2020

3 大尺度環(huán)流背景

本次冷渦引起的雷雨大風過程前期有阻塞高壓和橫槽的發(fā)展。4 月7 日08 時貝加爾湖以北有暖脊，阻塞高壓西側(cè)和東側(cè)分別為蒙古小槽和東北冷渦；8 日08 時阻塞高壓東側(cè)的蒙古小槽正逐漸與東北冷渦打通；9 日08 時橫槽已基本形成；12 日08 時黃海海面上從西風槽切斷出冷渦。

圖3 是500 hPa 高度場上冷渦在橫槽背景下的移動和演變。Nieto 等[15]對北半球切斷低壓進行氣候統(tǒng)計分析，定義了典型切斷低壓生命周期的4 個階段。12 日雷雨大風發(fā)生時處于冷渦的成熟階段，高層冷中心逐漸發(fā)展成熟，對流層內(nèi)形成成熟的閉合環(huán)流。渦旋系統(tǒng)移動性較強，14日08時冷渦移出145°E 以東，并失去冷中心。12 日08 時在500 hPa上有冷渦位于黃海北部上空，有低壓中心和閉合冷中心存在，低壓中心強度為5440 gpm，冷中心強度為-32 ℃；08—20 時冷渦一邊加強（低壓中心強度5440 gpm 范圍擴大）一邊南壓（37°～35°N）；20 時—次日02 時一邊加強（5440 ～5400 gpm）一邊東移（128°～131°E）。發(fā)生強對流的華東地區(qū)位于冷渦西南方向和500 hPa冷槽下方。斯公望[16]指出，冷渦云系附近或者后部都有可能出現(xiàn)不同程度的對流云發(fā)展，尤其是冷渦后部常為晴空區(qū)，并伴有高空冷平流與低空暖平流疊加，低層地面白天輻射增溫，在這一區(qū)域容易形成不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對流發(fā)展。

圖3 4月12—13日500 hPa高度場上冷渦的移動和演變（等高線單位：位勢什米）Fig.3 Movement and evolution of the cold vortex over 500 hPa from April 12 to 13（Geopotential height unit:dagpm）

700 hPa 及以下形勢場與500 hPa 一致，均處于西北氣流中，且500 hPa、700 hPa 和850 hPa 都存在急流帶。500 hPa及以下各層均可見低壓環(huán)流存在，低壓中心隨著高度下降向東南方向偏移，槽線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從低層到高層接近垂直，略呈后傾槽形態(tài)。從海平面氣壓場看（圖略），華東沿海處于陸地高壓和東海低壓的梯度中，是導致大風的成因之一。14時地面冷高壓中心為1025 hPa，東海低壓中心為1000 hPa；20時冷高壓中心減弱為1022.5 hPa，東海低壓增強至997.5 hPa，氣壓差變化不明顯。

4 物理量場分析

4.1 水汽特征分析

許多研究表明，水汽、不穩(wěn)定和抬升是形成強對流的3 個有利條件[17-18]。當本地有足夠多的水分且有水汽源源不斷地輸入時才可能形成暴雨。12日強對流過程發(fā)生時，江蘇、上海和浙江三地上空為整層的西北氣流，水汽條件較差。從圖4 可以看出，14 時水汽通量中心值位于江蘇沿海，在4 g/（s·hPa·cm）以下，江蘇上空有弱的水汽輻合。20時水汽通量中心值南移并增強至6～7 g/（s·hPa·cm），水汽輻合中心在舟山上空，輻合中心的水汽通量散度為-2.4×10-8g/（s·hPa·cm2），這與以往文獻中暴雨發(fā)生時的水汽通量散度值相比明顯偏小[17]。夜里舟山上空的各項水汽條件與14 時江蘇上空的水汽條件相比均增強，更有利于雷暴發(fā)展，這可能也是本次雷暴系統(tǒng)入海發(fā)展的原因之一。

圖4 4月12日14時和20時700 hPa水汽通量和水汽通量散度Fig.4 Water vapor flux and water vapor flux divergence over 700 hPa at 14:00 and 20:00 on April 12

4.2 熱力不穩(wěn)定條件

對流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）、抬升指數(shù)（Lift Index，LI）和850 hPa與500 hPa之間的溫差（T850-T500）是天氣預報中常用的熱力不穩(wěn)定指數(shù)。圖5 是3 個指數(shù)在14 時和20時的分布情況，其中圖5a和5b分別是CAPE值和LI（LI<0）的分布。本次過程CAPE 值低于600 J/kg，CAPE 值較小，但也為雷電的發(fā)生提供了能量條件。當LI<0 時，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，負值越大則不穩(wěn)定程度越大，反之則表示大氣層是穩(wěn)定的。14時LI最大負值達到-3.99 ℃，20 時LI 最大負值為-2.2 ℃。圖5c 和5 d 是12 日14 時和20 時T850-T500值 的 分 布 情況，上冷下暖結(jié)構(gòu)非常明顯，發(fā)生對流時850 hPa和500 hPa 溫差中心值超過30 ℃。對比以上3 個指數(shù)，14時的熱力條件與20時相比更好。這與許愛華等[6]總結(jié)的中國中東部強對流天氣的特點較為一致，中高層較強干冷空氣疊加在低層相對暖（濕）氣流上，使得大氣溫度垂直遞減率大，T850-T500對本次過程的預報更具有指示意義。

圖5 4月12日14時和20時熱力條件Fig.5 Thermal condition at 14:00 and 20:00 on April 12

4.3 垂直速度及風場分析

在中小尺度中，垂直運動是云的形成和降水發(fā)生的必要條件之一，垂直運動與大氣熱量、動量的垂直輸送以及大氣中位能和動能之間的相互轉(zhuǎn)換有密切關(guān)系。俞小鼎等[19]研究認為，雷雨大風是由強對流風暴中處于成熟階段單體中的下沉氣流，在近地面處向水平方向擴散形成的輻散性陣風而產(chǎn)生的。王雷[20]也指出大風過程中，風力大小除了取決于地面氣壓梯度外，還與垂直下沉速度密切相關(guān)。圖6 是14 時和20 時強對流發(fā)生時相應緯度處的垂直速度和緯向風合成剖面圖。14 時對流發(fā)展不明顯，對流系統(tǒng)處（34°N，120°E）下沉氣流中心高度較高，下沉速度中心值為1.10 Pa/s。20 時對流發(fā)展旺盛，上升氣流和下沉氣流均顯著增強，對流系統(tǒng)處（31°N，122°E）下沉氣流中心高度較低，下沉速度中心值為2.48 Pa/s。王雷對比了兩次地面氣壓梯度接近（強風出現(xiàn)時地面5個經(jīng)距120°～125°E大約有5 條等壓線）的大風過程，925 hPa 的下沉速度分別為0.44 Pa/s 和0.12 Pa/s，分別產(chǎn)生了10～11 級和9～10 級的大風過程，前者由于較大的下沉速度導致了更大的過程風力。此次雷雨大風過程地面梯度較疏散，但是下沉速度更大，下沉氣流在近地面的水平方向擴散是此次大風產(chǎn)生的相對更重要的原因。

圖6 4月12日14時和20時34°N和31°N的垂直速度和緯向風合成剖面圖（藍色代表上升氣流，褐色代表下沉氣流）Fig.6 Latitude-pressure cross-sections of meridional wind on 34°N and 31°N at 14:00 and 20:00 on April 12（Blue shading denotes the updraft，brown shading denotes the downdraft）

5 測站氣象要素分析

5.1 測站要素變化

為進一步了解強對流經(jīng)過時氣象要素的變化特征，我們分析了舟山地區(qū)4 個國家站（嵊泗站、岱山站、定海站和普陀站）4 月12 日18—24 時氣象要素隨時間的變化特征。圖7 中4 個國家站先后經(jīng)歷了氣壓陡升、風速加大和溫度驟降等現(xiàn)象。由于強對流系統(tǒng)從西北向東南移動，嵊泗站的溫度、氣壓和風速最早出現(xiàn)劇烈變化，19:40 溫度為14.5 ℃，20:00 降為10.2 ℃，降溫幅度達0.215 ℃/min。岱山、定海和普陀站也先后于4月12日20:05、20:15和20:35 發(fā)生氣溫的驟降，1 h 的降溫幅度為4～5 ℃。強對流系統(tǒng)經(jīng)過時測站出現(xiàn)了冷池，有高速下沉的冷氣流，各測站出現(xiàn)了氣壓的陡升，各站1 h 氣壓升高3 hPa以上，其中嵊泗站的氣壓變化最明顯，1 h氣壓升高3.9 hPa。氣壓涌升形成的雷暴高壓和強氣壓梯度有利于地面極端大風的出現(xiàn)。

圖7 4月12日18—24時舟山地區(qū)4個國家站的氣溫、風速和氣壓隨時間變化曲線Fig.7 Time series of air temperature，wind speed and pressure observed at four national stations in the Zhoushan area between 14:00—24:00 on April 12

5.2 舟山雷達風廓線資料分析

雷達風廓線資料能彌補常規(guī)觀測資料空間分辨率不足的問題[21-22]。雷達垂直風廓線產(chǎn)品是應用相繼時間的體積掃描資料將每個高度上的平均風向風速用風向桿形式繪在一張圖上，可得到平均風向風速隨高度和時間變化的剖面圖形?！癗D”一般認為是干區(qū)。

圖8 是18:55—20:22 舟山雷達風廓線圖，其中20:16 雷達站風力出現(xiàn)過程最大風力29.1 m/s。19:44之前，雷達站上空大氣呈“上干下濕”結(jié)構(gòu)并且干層逐漸變濕，另外，近地層風向隨高度順轉(zhuǎn)，逐漸由西南風轉(zhuǎn)為偏西風，說明近地層存在暖平流加劇層結(jié)不穩(wěn)定，有利于對流發(fā)展。19:44 之后，近地層風向隨高度逆轉(zhuǎn)出現(xiàn)冷平流，這是由于對流系統(tǒng)內(nèi)的下沉氣流將高空較冷的空氣帶至低層并形成較強的輻散氣流產(chǎn)生的。隨著時間的推進，高空的旗幟風（風速≥20 m/s）向低空傳遞，大風速軸明顯下移，出現(xiàn)動量下傳現(xiàn)象，動量下傳是此次大風產(chǎn)生的加強因素，地面極端大風不僅由下沉氣流造成，還與動量下傳有關(guān)。

圖8 4月12日18:55—20:22舟山雷達風廓線Fig.8 Radar wind profile in Zhoushan from 18:55 to 20:22 on April 12

6 總結(jié)與討論

利用常規(guī)觀測資料、NCEP 再分析資料和雷達資料分析了2020 年4 月12 日由海上冷渦引起的華東地區(qū)強對流天氣過程并重點探討風力在舟山沿海地區(qū)增強的原因。結(jié)果表明：

（1）此次過程具有冷渦影響位置偏南、移速快、降水量少和風力強等特點。19—20 時浙北地區(qū)風力增強，其中內(nèi)陸以10 級風為主，舟山地區(qū)以11～12 級風為主（11級大風有21個站點，12級大風有10個站點，13級大風有4個站點）。

（2）這是一次高空冷平流強迫型強對流。從形勢場上看，貝加爾湖以北有阻塞高壓發(fā)展，橫槽轉(zhuǎn)豎的過程中冷渦中心南壓至35°N。發(fā)生強對流的華東地區(qū)位于冷渦西南方向500 hPa 冷槽下方。槽后強西北氣流有利于天氣放晴，午后近地面輻射增溫是雷雨大風發(fā)生的激發(fā)機制。T850-T500中心值超過30 ℃對本次過程的預報更具有指示意義。

（3）與14時相比，20時水汽、熱力和動力條件均維持或增強，有利于強對流系統(tǒng)在舟山地區(qū)的維持和加強。強對流系統(tǒng)經(jīng)過時各測站出現(xiàn)了冷池，氣壓涌升形成的雷暴高壓和強氣壓梯度有利于地面極端大風的出現(xiàn)。地面極端大風不僅由下沉氣流造成，還與動量下傳有關(guān)，加上海洋的光滑下墊面和島嶼之間的狹管效應，導致風力在舟山地區(qū)增強并普遍比浙北內(nèi)陸大1～2級。