王秀萍，賽 瀚，劉曉初，李 燕

（1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166；2.大連市氣象臺，遼寧 大連 116001）

暴雨是中國夏季主要的災害性天氣之一，暴雨預報是氣象工作者一直以來面臨的難題。隨著社會經濟的發(fā)展，暴雨引起的城市內澇以及次生災害給國民經濟和人民生命財產造成的損失越來越大，因此對暴雨的預報和研究備受關注和重視。早在20 世紀70 年代，雷雨順等[1-2]研究分析暴雨發(fā)生發(fā)展時指出，整層高濕環(huán)境是產生特大暴雨的重要條件。陶詩言[3]指出，暴雨天氣是各種不同尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結果，暴雨的發(fā)生不僅需要有利的大尺度環(huán)流背景、充足的水汽供應，還需要持久的上升運動以及位勢不穩(wěn)定層結建立。隨后很多氣象工作者從不同方面對暴雨發(fā)生、發(fā)展機理及成因進行一系列分析研究[4-11]。研究發(fā)現(xiàn)，暴雨往往發(fā)生在有利的大尺度環(huán)流條件下，由中小尺度對流天氣系統(tǒng)造成[4-6]；高、低空急流配合作用為暴雨提供水汽輸送、熱力和動力條件[7-8]；地面中尺度輻合線觸發(fā)對流發(fā)展，特殊地形作用造成中低層氣流輻合抬升，對降水增幅有不可忽視的作用[9-11]等，以上這些研究對暴雨的預報提供了一定的指導和參考依據(jù)。大連地處遼東半島南端，東瀕黃海，西臨渤海，南與山東半島隔海相望，北倚遼闊的東北平原。由于當?shù)乇┯甑耐话l(fā)性和局地性較強，再加上特殊的地理位置及地形特點，使得大連地區(qū)暴雨的預報和研究難度加大。為此，很多氣象工作者[12-16]從大尺度環(huán)流形勢、水汽條件、高低空急流、衛(wèi)星云圖、雷達圖和數(shù)值模擬等方面對本地暴雨展開了眾多研究，研究成果對指導該地區(qū)暴雨預報起著重要的指導作用，但對某些暴雨過程降水落區(qū)和強度的預報仍存在較大偏差，因此有必要對預報偏差較大的強暴雨過程進行分析研究。2020 年8 月31 日—9 月1 日大連地區(qū)出現(xiàn)一次副熱帶高壓邊緣暴雨到大暴雨，局部特大暴雨過程。當時跟進式的預報和服務在此次暴雨過程中發(fā)揮很大作用，但是對降水落區(qū)和降水強度的預報均與實況相比偏差較大，對降水極端性的估計也存在很大不足。因此，本文利用常規(guī)氣象觀測資料、自動站逐時降雨量資料、NCEP 逐6 h 1°×1°再分析資料，對此次暴雨過程的大尺度環(huán)流背景、水汽輸送條件以及動力、熱力機制等方面總結預報經驗，從而加深對副熱帶高壓邊緣暴雨的認識，提高對此類暴雨的預報預警能力，更好地為防災減災提供優(yōu)質的服務，有效預防或減小暴雨造成的危害。

1 資料和方法

本文使用2020 年8 月31 日大連探空站資料，2020 年8 月31 日—9 月1 日大連地區(qū)區(qū)域自動站逐小時降雨量資料以及美國國家環(huán)境氣象預報中心（NCEP/NCAR）逐6 h 再分析資料（每日4 次、水平分辨率為1°×1°、垂直方向共31 層）。利用NCEP/NCAR 再分析資料分析大尺度環(huán)流背景、垂直結構特征，計算特大暴雨中心區(qū)域的動力、熱力物理量分布。

2 結果分析

2.1 降水實況

2020 年8 月31 日08 時—9 月1 日01 時（北京時，下同），大連地區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨，局地特大暴雨（圖1）。此次過程降雨帶呈東北—西南向分布，平均降雨量為71.5 mm，220 個區(qū)域自動站有50%的站累積雨量＞50 mm，＞100 mm 的站點達到28%，＞250 mm 的有3 站。最強特大暴雨中心位于普蘭店區(qū)雙塔鎮(zhèn)珍珠河，過程降雨量為264.9 mm，其次是莊河市荷花山鄉(xiāng)同巨鎮(zhèn)和桂云花鄉(xiāng)，降雨量分別高達261.8 和250.6 mm；31 日22—23 時在莊河市步云山鄉(xiāng)出現(xiàn)最強小時降雨，為113.1 mm。此次過程有4 個自動站出現(xiàn)1 h 雨量＞100 mm，突破這4個站有自動站降雨記錄以來小時雨強極值，是一次非常典型的極端短時強降雨[17]。

圖1 2020 年8 月31 日08 時—9 月1 日01 時大連地區(qū)降水量空間分布（單位：mm）

分析大連地區(qū)220 個區(qū)域雨量站逐小時降雨量演變情況可知，強降雨主要集中在31 日16—23 時，降雨期間出現(xiàn)連續(xù)8 h 雨強＞20 mm/h 的短時強降雨，21—22 時出現(xiàn)站數(shù)最多，為29 站；19—23 時出現(xiàn)連續(xù)5 h 雨強＞50 mm/h 的極端短時強降雨，也是21—22 時出現(xiàn)站數(shù)最多，為13 站；尤其20—23 時降雨強度最大，有4 個站雨強＞100 mm/h。此次強降雨過程共造成瓦房店市、普蘭店區(qū)、莊河市3 個地區(qū)20 多萬人受災，城市內澇和次生災害嚴重，給當?shù)厝嗣裆敭a造成直接經濟損失達7.8 億元。

此次過程具有暴雨和大暴雨覆蓋面廣，強降雨時段集中，對流特征明顯，暴雨強度大，單站小時降雨極端，災害損失重等特點。

2.2 大尺度環(huán)境場特征分析

2.2.1 環(huán)流背景場分析

2020 年8 月31 日08 時（圖2a），200 hPa 大連地區(qū)上空存在明顯的高空急流，脊線呈東北—西南向，從內蒙古西部向東一直延伸到東北地區(qū)，大連地區(qū)處于200 hPa 急流軸南側輻散區(qū)內。500 hPa 中高緯高度場呈“兩脊一槽”形勢，烏拉爾山—巴爾喀什湖上空為高壓脊，鄂霍次克海上空受高壓脊控制，貝加爾湖到蒙古國為高空槽，其上空槽線呈東北—西南走向。副高發(fā)展比較強盛，位置偏西偏北，北界維持在39°N 附近，588 dagpm 等值線控制山東半島地區(qū)。9 號臺風“美莎克”沿著副高南側偏東氣流向西偏北移動，造成副高588 dagpm 線向北凹進，因而副高南部被擠壓，但副高北界位置穩(wěn)定，副高外圍的西南暖濕氣流不斷向北輸送，為暴雨區(qū)提供水汽和動力條件。850 hPa 風場，大連地區(qū)為西南風控制，處于副高邊緣的大連至煙臺地區(qū)存在東北—西南向的暖式切變線，暖濕氣流在切變線處輻合抬升，有利于形成暴雨天氣。31 日20 時（圖2b）副高穩(wěn)定少動，受其阻擋，500 hPa 高空槽引導冷空氣疊置在中低層強暖平流之上，進一步增加了大氣位勢不穩(wěn)定層結，給該地區(qū)帶來強降雨天氣。之后隨著低空急流向東移動，強降雨區(qū)隨之向東北擴展和傳播。

圖2 2020 年8 月31 日08時（a）和20 時（b）500 hPa 位勢高度（黑色實線，單位：dagpm）、850 hPa 溫度場（紅色虛線，單位：℃）、風場（風向桿，單位：m/s）和200 hPa 超過30 m/s 急流區(qū)（陰影區(qū)，單位：m/s）（黑色粗實線代表850 hPa 暖式切變線；紅色方框代表大連地區(qū)）

綜上所述，此次暴雨過程發(fā)生在遠距離臺風活動的有利背景下，由副高、500 hPa 高空槽和850 hPa暖式切變線共同影響所致。大連地區(qū)處于副高邊緣，副高和遠距離臺風外圍的偏南氣流為暴雨區(qū)輸送充沛的水汽，暖濕氣流在切變線處輻合抬升，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，從而產生強降雨，為此次大暴雨的產生提供有利的大尺度環(huán)流背景場。

2.2.2 探空資料分析

由2020 年8 月31 日08 時大連站的探空圖可知，低層到高層風場隨高度順轉，說明整層為暖平流。地面到500 hPa 為暖濕空氣，而500 hPa 以上為干冷空氣，這種上干冷、下暖濕的結構有利于大連地區(qū)上空產生對流不穩(wěn)定。31 日08 時暴雨發(fā)生前，自由對流高度LFC 為753.1 hPa，抬升凝結高度（TCL）為971.1 hPa，說明水汽凝結高度低，有利于降雨形成；大氣的濕層厚度為3 442.5 m，暖云層厚度約4 510.5 m。一般情況下，濕層厚度達到700 hPa 就容易出現(xiàn)暴雨[18]；暖云層厚度達到4 000 m 就算深厚。此次過程暴雨發(fā)生前，濕層和暖云層深厚，具備產生暴雨的條件。31 日20 時，對流層中低層西南風風速明顯增強，濕層和暖云層進一步加厚，濕層厚度達到3 492.9 m，暖云層厚度達到5 180 m。Davis[19]和俞小鼎等[17]研究指出，暖云層厚度越大，降水效率越高，越有利于強降水的產生。由此可見，“8·31”過程濕層和暖云層深厚，云底高度較低，是導致產生高效率強降雨的有利條件。

2.2.3 水汽條件分析

研究表明[18]，暴雨的產生離不開充足的水汽條件。由特大暴雨中心（122.5°E，39.8°N）比濕和相對濕度的高度—時間剖面（圖3）可以看出，降水開始前，8 月31 日08 時，700 hPa 以下相對濕度超過80%，隨著降雨開始，低層相對濕度和比濕迅速增加并向高層伸展，飽和層厚度不斷增加；20 時強降雨期間，飽和層厚度垂直伸展到400 hPa 附近，深厚飽和層的出現(xiàn)為強對流云團的發(fā)展提供了良好的水汽條件，有利于降雨加強；之后，隨著飽和層厚度迅速降低，降雨也隨之結束。由31 日08—20 時比濕可知，31 日08 時降雨開始前，850 hPa 比濕為12 g/kg，達到區(qū)域暴雨閾值[20]。隨著降雨的加強，從地面到高空比濕不斷增大，整體呈現(xiàn)上凸結構，20 時850 hPa比濕＞14 g/kg，超過區(qū)域暴雨的閾值，而且近地層比濕＞18 g/kg，表明中低空水汽特別充足，此時降雨強度開始增大；隨著比濕快速減小，濕層厚度迅速下降，降雨也趨于結束。

圖3 2020 年8 月30 日08 時—9 月1 日08 時比濕（等值線，單位：g/kg）與相對濕度（陰影，單位：%）（a）和水汽通量散度（陰影，單位：×10-7g·hPa/（cm2·s））與垂直速度（虛線，單位：×10-1 hPa/s）的時間—高度垂直剖面（b）

暴雨過程能夠維持，不僅需要暴雨外圍區(qū)有充足的水汽輸送，還要有強烈的水汽輻合。水汽輸送源與匯的強弱用水汽通量散度大小反映，其負值越大，表示水汽通量匯合越強，越有利于強降雨產生[18，21]。由特大暴雨中心（122.5°E，39.8°N）水汽通量散度和垂直速度的時間—高度垂直剖面（圖3b）可知，31 日08—20 時，暴雨區(qū)上空500 hPa 以下呈現(xiàn)上升運動特征，強上升中心位于650 hPa，同時，水汽通量輻合不斷增強，輻合層次也逐漸抬升，達到650 hPa 附近；31 日20 時900 hPa 以下低層形成水汽通量輻合中心，最大值超過-140×10-7g·hPa/（cm2·s），并且處于上升運動區(qū)內，此時降雨強度開始增大，21—22時普蘭店區(qū)雙塔鎮(zhèn)珍珠河站1 h 降雨量達108.4 mm，22—23 時莊河步云山鄉(xiāng)1 h 降雨量達113.1 mm；9月1 日02 時之后，隨著中低空轉為下沉運動，同時水汽通量散度變?yōu)檎?，即為水汽通量輻散，降雨也隨之減弱停止。

綜上，降雨強度與水汽飽和層厚度及比濕含量有著較好的對應關系。850 hPa 比濕＞14 g/kg 和比濕向高空的凸起對強降水的預報具有明顯的指示意義；近地層強水汽通量輻合中心與上升運動區(qū)的有效配合是預報強降雨的重要條件。

3 暴雨的動力和熱力機制分析

3.1 大氣熱力不穩(wěn)定特征

假相當位溫（θse）是綜合反映大氣中的能量分布、垂直穩(wěn)定度狀況和大氣濕斜壓性的物理量[22]，其垂直分布與對流性天氣的發(fā)生有著較大的關系，假相當位溫隨高度減小說明大氣層結是不穩(wěn)定，θse隨高度增加減小得越快，氣層對流不穩(wěn)定性越強。

分析2020 年8 月31 日08 時850 hPa 的θse分布可知，“8·31”過程發(fā)生前，山東半島地區(qū)存在中心強度達351 K 的高能舌，高能舌向遼東半島地區(qū)伸展，高能舌西北部存在θse等值線密集帶（鋒區(qū)），大連位于高能舌的頂部，有利于產生強降雨。圖4 為此次大暴雨過程沿122.5°E 的θse垂直剖面。31 日08 時（圖4a），大連地區(qū)38°N 以南，近地面假相當位溫為351 K，中層700 hPa 存在一低值中心，強度為342 K，在38°N 以北θse等值線有明顯的傾斜；由于西南暖濕氣流對水汽和不穩(wěn)定能量的輸送，中層假相當位溫迅速升至348 K，并且對流層中高層在降雨過程中一直維持這種高能結構；至31 日20 時強降雨期間（圖4b），500 hPa 以下假相當位溫保持在348 K，大連地區(qū)39°N 附近存在θse等值線密集帶（鋒區(qū)）和陡立區(qū)。吳國雄等[23]研究指出，θse的陡立區(qū)容易出現(xiàn)渦度的傾斜發(fā)展，是渦旋發(fā)展的重要區(qū)域。大連地區(qū)39°N 附近存在渦旋發(fā)展，有利于低層能量和水汽向上輸送，產生強降雨。隨著切變線的東移，大連地區(qū)的假相當位溫明顯減弱，降雨隨之結束。

圖4 2020 年8 月31 日08 時（a）、20 時（b）假相當位溫θs（e黑色實線，單位：K）和比濕（陰影，單位：g/kg）沿122.5°E 的經向—高度剖面（黑色陰影區(qū)為地形）

暴雨發(fā)生前大氣處于對流不穩(wěn)定，對流層中層為不穩(wěn)定能量的低值區(qū)，高能舌控制大連地區(qū)，使得大氣增暖增濕，出現(xiàn)假相當位溫密集帶和陡立區(qū)，鋒區(qū)的動力強迫和渦旋發(fā)展有利于低層能量和水汽向上輸送，產生強降雨。

3.2 高、低空急流耦合動力作用

高、低空急流與暴雨關系密不可分[24-26]。通常把對流層上部風速≥30 m/s 的強風速帶稱為高空急流；把600～900 hPa 風速≥12 m/s 的西南風氣流帶稱為低空急流[27-28]。高、低空急流的作用是為暴雨提供水汽輸送、動力和熱力條件的重要機制。由沿122.5°E 全風速、風場和垂直速度的垂直剖面（圖5）可見，31 日08 時降水開始前（圖5a），大連地區(qū)上空（38.5°～40°N）600 hPa 以下為一致的偏南風，風速較弱，存在弱上升氣流，200 hPa 存在高空急流，急流中心在250 hPa 附近，中心值達到48 m/s，說明高空有較強的輻散。隨著降雨開始，高空急流增強，降雨凝結潛熱的釋放，暴雨區(qū)上空出現(xiàn)自高層向下的大風速舌，引起中低層西南風風速加強。20 時（圖5b），高空急流中心值達到52 m/s，38°～40°N 不同高度大氣偏南風風速顯著加強，600 hPa 至地面風速均＞12 m/s，并且存在2 個大風速中心，一個中心位于650 hPa 附近，最大風速＞18 m/s；另一個中心位于950 hPa 附近，最大風速＞16 m/s，說明出現(xiàn)低空和超低空急流。同時，在40°N 附近，500 hPa 以下產生較強垂直上升氣流，最強上升運動中心位于700～900 hPa，這說明高、低空急流耦合的區(qū)域產生較強的垂直上升運動。隨著降雨系統(tǒng)東移，低空西南急流明顯減弱，超低空急流隨之消失，降雨區(qū)也向東北移動。

圖5 2020 年8 月31 日08 時（a）、20 時（b）全風速（黑色實線，單位：m/s）、風矢量（風向桿）和垂直速度（陰影，單位：×10-1 hPa/s）沿122.5°E 的垂直剖面（黑色陰影區(qū)為地形）

高空急流提供強的輻散“抽吸”作用，降雨凝結潛熱釋放引起中低層偏南風風速不斷加強，暴雨區(qū)上空出現(xiàn)低空和超低空急流，高、低空急流耦合的區(qū)域產生較強的垂直上升運動，超低空急流的出現(xiàn)為此次暴雨的產生、發(fā)展和加強發(fā)揮關鍵作用。

3.3 鋒生的動力作用

由于在計算相當位溫時考慮的是完全飽和的濕空氣，實際大氣并不滿足處處飽和?；诖?，Gao 等[29]通過在相當位溫中引入凝結幾率函數(shù)提出廣義位溫的概念，凝結潛熱加熱大值區(qū)與廣義位溫大值區(qū)相對應，廣義位溫具體計算公式見文獻[28，30]。研究表明[28-29]，廣義位溫公式中增強了水汽的貢獻，因而能更好地體現(xiàn)水汽凝結潛熱釋放對維持強降雨的作用。廣義位溫對于描述干濕共存的非均勻飽和大氣是非常重要和有效的物理量。

由2020 年8 月31 日20 時廣義位溫沿122.5°E的經向—高度剖面（圖6a）可知，強降雨期間，暴雨區(qū)上空由于降雨凝結潛熱的釋放，引起39°～41°N 上空900～450 hPa 廣義位溫區(qū)向下伸展，呈狹窄的漏斗狀分布，高值區(qū)在900～700 hPa。并且漏斗兩側存在廣義位溫等值線密集帶和陡立區(qū)，說明漏斗兩側存在明顯的廣義位溫梯度區(qū)。暴雨區(qū)位于漏斗北側較大廣義位溫梯度區(qū)，大氣表現(xiàn)顯著的濕斜壓性，有利于鋒生。

鋒生是反映動力作用的綜合物理量，鋒生與暴雨的形成和加強十分密切，鋒面強度用鋒生函數(shù)表示。由于本次暴雨過程濕度較大，可近似看作濕絕熱過程，因而選用假相當位溫（θse）計算鋒生函數(shù)（F），具體鋒生函數(shù)計算公式見文獻[31]。由2020 年8月31 日20 時鋒生函數(shù)沿122.5°E 的經向—高度剖面（圖6b）可知，較顯著的鋒生位于500 hPa 以下，900 hPa 附近鋒生最強，鋒生強度達到25×10-9～30×10-9K/（m·s），鋒生函數(shù)高值區(qū)與廣義位溫最大梯度區(qū)對應（圖6a）。強降雨期間，由于中低層出現(xiàn)低空和超低空急流，西南風加強導致鋒區(qū)上形成強烈的暖平流，最強暖平流中心位于600 hPa 附近，中心值達5×10-4～10×10-4K/s，強暖平流促使大氣斜壓性和鋒生顯著加強，造成整層飽和大氣抬升，最終形成大暴雨天氣。

由此可見，暴雨區(qū)上空存在廣義位溫等值線密集帶和陡立區(qū)，低空西南風急流的加強導致鋒區(qū)上形成強烈的暖平流，強暖平流促使大氣斜壓性顯著加強，有利于暖鋒鋒生，從而造成整層飽和大氣的抬升，最終導致強降雨的產生。

4 結論和討論

通過對2020 年8 月31 日大連地區(qū)一次副熱帶高壓邊緣暖鋒暴雨過程的大尺度環(huán)境場特征以及動力、熱力機制進行分析，得到如下結論：

（1）降水過程發(fā)生在遠距離臺風活動的有利背景下，由副高、500 hPa 高空槽和850 hPa 暖式切變線共同影響所致。大連地區(qū)位于副高北側邊緣，臺風活動造成副高西伸北抬，副高邊緣和遠距離臺風外圍的偏南暖濕氣流為暴雨區(qū)輸送充足的水汽條件，暖濕氣流在切變線處輻合抬升，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，為強降雨的產生提供了有利的大尺度環(huán)流背景。

（2）暴雨發(fā)生前大氣處于對流不穩(wěn)定，濕層和暖云層深厚，云底高度較低，具有產生較高降雨效率的有利條件。

（3）降雨強度與水汽飽和層厚度和比濕含量有著較好的對應關系，水汽飽和層厚度和比濕含量向高空的凸起對強降雨的預報具有明顯的指示意義。850 hPa 比濕＞14 g/kg，超過區(qū)域暴雨閾值；近地層形成強水汽通量輻合中心，并與上升運動區(qū)有效配合是預報強降雨的重要條件。

（4）降雨期間，高空西風急流提供強的輻散“抽吸”作用，對流層中下層西南風風速快速加強和向下傳播，出現(xiàn)低空和超低空急流，高、低空急流耦合作用形成強烈的上升運動，為暴雨的形成提供強有利的動力抬升條件。超低空急流的出現(xiàn)，對暴雨的產生、發(fā)展和維持發(fā)揮著關鍵的作用。

（5）暴雨區(qū)上空存在廣義位溫等值線密集帶和陡立區(qū)，由于降雨凝結潛熱釋放而引起廣義位溫高值區(qū)呈漏斗狀向下伸展，中低層強暖平流促使?jié)裥眽盒燥@著增強，有利于暖鋒鋒生，從而導致整層飽和大氣的抬升，最終產生強降雨天氣。

本文僅從天氣診斷的角度對2020 年8 月31 日大連地區(qū)暴雨過程的環(huán)境場特征和動熱力機制進行了分析，指出了有利的大尺度環(huán)流形勢場，高、低空和超低空急流，熱力、動力條件，水汽輸送條件等是造成此次大連地區(qū)暖鋒暴雨形成的原因。進一步分析發(fā)現(xiàn)，當時造成對此次暴雨過程預報偏差較大原因在于，數(shù)值預報模式對降雨強度和降雨落區(qū)的預報，與實況相比偏差較大；沒有考慮到出現(xiàn)邊界層急流，邊界層急流和地形如何作用？以及地形在降水強度的影響中占據(jù)了多大貢獻？對這些情況考慮嚴重不足。由于在充沛的水汽輸送背景下，降水落在哪里，常與500 hPa 引導氣流和低空急流密切相關，低空急流與邊界層急流的耦合及其產生的上升運動，是造成局地強降水的根本原因。另外，低空急流尤其是邊界層急流又常與地形密切相關。地形對氣流和降水的影響有動力和熱力2 個方面，在地形熱力抬升和動力阻擋抬升的共同作用下，強降水一般出現(xiàn)在地形迎風坡一側。以上這些均有待于通過數(shù)值模擬和更多相關個例的研究來解答。