渤海一次強陣性雷雨大風(fēng)過程的診斷分析

宋曉姜，邢建勇，王彰貴

(國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081)

1 引言

渤海是我國一片具有豐富海上油氣資源和水產(chǎn)養(yǎng)殖資源的海域，同時由于它大部分被陸地包圍，還承載了大量連接各個沿海城市的海上交通運輸業(yè)務(wù)。但是渤海所處地形復(fù)雜，雖是海洋，但屬于北溫帶大陸氣候，影響天氣系統(tǒng)種類復(fù)雜，如不同路徑的冷空氣，溫帶氣旋（渤海、黃海氣旋），甚至是北上的熱帶氣旋，這些天氣系統(tǒng)引發(fā)的海浪、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害對渤海地區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)、人們的生命財產(chǎn)危害巨大。因此，準(zhǔn)確的把握該海域海上災(zāi)害性天氣的發(fā)生時間、持續(xù)時間、變化強度變得尤為重要。做好海洋災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報工作，是保障諸如油氣開發(fā)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、交通運輸?shù)群Ｉ献鳂I(yè)項目安全生產(chǎn)、海上作業(yè)人員生命安全的重要手段。

雷暴（Thunderstorms）也是渤海地區(qū)常發(fā)生的一種災(zāi)害性天氣過程，是伴有雷擊和閃電的局地對流性天氣。雷雨大風(fēng)是雷暴的一種形式，指在出現(xiàn)雷、雨天氣現(xiàn)象時，風(fēng)力達到或超過8級（≥17.2 m/s）的天氣現(xiàn)象。有時也將雷雨大風(fēng)稱作颮。當(dāng)雷雨大風(fēng)發(fā)生時，烏云滾滾，電閃雷鳴，狂風(fēng)夾伴著強降水，有時伴有冰雹，對船舶、石油鉆井平臺作業(yè)的破壞力巨大。它涉及的范圍一般只有幾公里至幾十公里，時間尺度也只有幾個小時甚至不到一個小時，準(zhǔn)確地把握雷暴的發(fā)生時間、持續(xù)時間、變化強度難度很大。本文針對雷雨大風(fēng)天氣難以準(zhǔn)確把握這一特點，以2011年9月1日凌晨在渤海發(fā)生的雷雨大風(fēng)過程為例，通過對天氣形勢分析以及影響對流發(fā)展若干物理量的診斷研究希望從中得到的指示對流發(fā)生、發(fā)展及消亡的前兆信號，為今后提高雷暴天氣的短時預(yù)報水平提供一些理論依據(jù)。

圖1 a.2011年8月31日20時500 hPa位勢高度圖、b.9月01日02時地面天氣圖

2 天氣學(xué)分析

2011年9月1日凌晨影響渤海的天氣過程，是一股中等強度的冷空氣活動。從發(fā)生時間來看，處在八、九月之交，冷空氣活動開始逐漸頻繁，但強度不強，絕大多數(shù)影響中國北部海區(qū)，向南擴散范圍較小。8月31日晚上20 時，500 hPa 高空圖上東亞地區(qū)中高緯度的位勢高度場整體相對平直，但中國東北地區(qū)上空有一西風(fēng)槽，槽底位置在44°N左右，槽后有弱冷平流，槽前暖平流明顯（見圖1a）。9月1日02時的地面圖上，與高空天氣系統(tǒng)配合的是東北上空的低壓系統(tǒng)。受其后部冷空氣的影響，渤海、黃海北部海域02時前后出現(xiàn)東北風(fēng)6—7級，陣風(fēng)8級，持續(xù)6小時左右（見圖2a）。02時地面分析圖顯示，鋒面過境期間，渤海西北部上游地區(qū)的陸地測站薊縣（54428）、大港（54645）、塘沽（54623）均出現(xiàn)了雷暴天氣（圖略），而且從渤海中南部BZ26-2 石油平臺（38.2°N，119.2°E）監(jiān)測的實測數(shù)據(jù)顯示，此次天氣過程雖然十分鐘平均風(fēng)速最大達到15m/s（風(fēng)力7級），風(fēng)向東北風(fēng)，但是在早晨6點鐘前后出現(xiàn)了25 m/s（風(fēng)力10級）的分鐘級陣風(fēng)，持續(xù)大概一個小時左右，風(fēng)向不穩(wěn)定（見圖2），且有強短時降水過程。9月1日02:30分的衛(wèi)星云圖（圖略）顯示，有一條鋒面云系過境渤海上空，同時有一些亮白的對流云團集中在該海區(qū)。由于正處于夏末初秋，渤海海溫的下墊面條件還比較暖，海面上空空氣潮濕，與冷空氣相互作用極容易產(chǎn)生強對流效應(yīng)，既短時雷雨大風(fēng)，所以實況中出現(xiàn)了陣性10級大風(fēng)天氣的特點是持續(xù)時間短且風(fēng)向不穩(wěn)定。鑒于上述天氣學(xué)分析，作者希望利用判斷對流發(fā)生的各種物理量，對模式輸出的數(shù)值產(chǎn)品進行分析，從大氣熱力和動力學(xué)角度討論雷雨大風(fēng)形成的機制。

圖2 8月31日—9月1日渤海海上BZ26-2石油平臺實測風(fēng)

3 強對流發(fā)生的診斷分析

3.1 資料的重建

目前，從NCEP和ECMWF下載的再分析資料，不論從空間和時間的分辨率，都不能滿足對2011年8月31日在渤海發(fā)生的強雷雨大風(fēng)天氣過程的診斷分析與研究。因此，本文采用目前國際上先進的中尺度天氣數(shù)值模式（WRF），基于NCEP的空間分辨率1°×1°和時間間隔為6 h 的再分析資料，同化GTS觀測資料，對8月31日渤海強雷雨大風(fēng)天氣過程進行再分析。為提高再分析資料的分辨率，模式采用雙重嵌套方式，兩個模擬區(qū)域中心均取為（39°N,115°E），模式的格距分別為45 km 和15 km。資料同化從強對流發(fā)生前6 h 開始，即8月31日20時，到9月1日08時結(jié)束，輸出間隔30 min。

3.2 單站大氣的不穩(wěn)定分析

修正的對流有效位能和對流抑制指數(shù)是分析強對流天氣過程兩個常用的物理量，對預(yù)報雷暴等強對流天氣有的重要指示意義。

對流有效位能CAPE（Convective Available Potential Energy）計算公式為[1]：

式中，Zf為自由對流高度，Ze 為平衡高度，Tva為氣塊虛溫，Tve 為環(huán)境虛溫，為自由對流高度和平衡高度之間環(huán)境的平均虛溫。

考慮了一定水汽含量的重力拖曳后的正浮力能稱為修正的對流有效位能（MCAPE）[2]，其表達式為：

MCAPE 的概念提出后，由于液態(tài)水的含量難以確定，對其一直缺少定量的計算。本文采用高守亭等在2004年提出的計算方法[5]，假定飽和凝結(jié)或凍結(jié)產(chǎn)生的水物質(zhì)全部保留在氣塊中。若水物質(zhì)保留在氣塊中，則其不可避免地與氣塊有顯熱交換，這樣，用可逆飽和絕熱過程替代假絕熱過程來計算MCAPE 應(yīng)更為合理。近年來，對流有效位能作為對流發(fā)展的重要標(biāo)志已經(jīng)直接或間接投入業(yè)務(wù)使用。

圖3 渤海BZ26-2石油平臺對流有效位能（a，藍線）、對流抑制指數(shù),紅線（J/kg）和測站實況風(fēng)速（m/s）

對流抑制指數(shù)CIN（Convective Inhibition）表示處于大氣底部的氣塊能否產(chǎn)生對流，就必須先期從其他途徑獲得一定能量，以克服CIN 所表示的能量，這是對流發(fā)生的先決條件。通常對于強對流的發(fā)生CIN 往往要有一較為合適的值，若太大，就起到了抑制作用，對流不易發(fā)生；若太小，能量在低層就不易聚集，從而不能達到強對流程度。歸結(jié)而言CIN 就是氣塊獲得對流潛勢必須超越的能量臨界值[4]。

將本文的再分析資料插值到BZ26-2 石油平臺所處的經(jīng)緯度附近，計算的12 h修正對流有效位能和對流抑制指數(shù)變化見圖3。為便于比較，圖中給出了該石油平臺實測風(fēng)速的演變（見圖3b）。起始時間為8月31日20 時，結(jié)束時間為9月1日08 時?？梢钥吹剑?月31日22時MCAPE達到最大值，將近1300 J/kg，滿足大氣非常不穩(wěn)定的條件。有研究表明（楊國祥等），CAPE≥700 J.kg-1是做為判別有無冰雹出現(xiàn)的必要條件，也就是當(dāng)CAPE 值大于此閾值時，大氣已經(jīng)達到不穩(wěn)定的條件。而MCAPE 值一般情況小于同條件下計算得出的CAPE值，可見31日晚間大氣已經(jīng)達到非常不穩(wěn)定的條件。從實況分析，此次雷雨大風(fēng)出現(xiàn)的時間是9月1日06 時前后，持續(xù)時間一個小時左右。MCAPE 在雷雨出現(xiàn)前已有明顯反映，可以作為較好的強雷雨預(yù)報指數(shù)。雷暴出現(xiàn)后，對流有效位能總體呈衰減趨勢，06 時以后達到12 h 中的最低點400 J/kg，這說明該地區(qū)的絕大多數(shù)不穩(wěn)定能量得以釋放，以維持雷雨期間所需要的中小尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展所需的能量。與之相對應(yīng)的是CIN隨時間的變化曲線，雷暴發(fā)生時，也就是北京時間6點前后，CIN值達到了該時間點前后4 h內(nèi)的波谷—16 J/kg。之前在強對流天氣爆發(fā)前，CIN 值的波峰曾達到80 J/kg 以上，這表示有較大的抑制對流能量，以便積蓄能量，隨后幾小時內(nèi)爆發(fā)。有研究表明[5]MCAPE 和CIN 隨時間變化的曲線基本是一個近似相反的變化過程也就是當(dāng)MCAPE 增大時，伴隨著CIN 的減小過程。從圖中我們大致也可以看出這一趨勢，這是雷暴天氣形成的有利條件之一。

圖4 2011年8月31日20時

4 對流不穩(wěn)定診斷分析

4.1 位勢不穩(wěn)定

通常取θse=340 K 為高能暖濕氣團和一般氣團的分界線[6]，而△θse=θse，500—θse，850是表征大氣位勢穩(wěn)定度的一個參數(shù)。當(dāng)△θse為負(fù)值時，大氣處于位勢不穩(wěn)定狀態(tài)。以8月31日20時時刻為初始場（見圖4），在850 hPa高度上的假相當(dāng)位溫分布圖中（見圖4a），高溫濕的能量區(qū)集中分布在渤海上空，等θse線密集區(qū)，即北方大陸干冷氣團與海上暖濕氣團的交匯處，便是冷空氣鋒面過境上空切變線的位置。從圖4b中看到，渤海上空主要處在△θse＜0的位勢不穩(wěn)定區(qū)，負(fù)中心最大值可以到-12K，而北方干冷空氣團則處在正△θse分布區(qū)，位勢相對穩(wěn)定。從同時刻850 hPa 高空風(fēng)場圖上（見圖4a）可以看到，渤海上空有明顯的北風(fēng)與西到西北風(fēng)的切變線，以中國東北地區(qū)為上游的冷空氣已經(jīng)南壓至渤海北部遼東灣上空。而修正的對流有效位能（見圖4c）高值區(qū)域主要集中在渤海北部至西部沿線，中心最大值可達2000 J/kg，表明渤海海域上空大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 水汽輸送

雷雨大風(fēng)天氣的發(fā)生的條件之一是充沛的水汽條件。圖5給出了31日20時的850 hPa水汽通量圖和水汽通量散度分布。圖中看到，從渤海西北部陸地與海面交界處，存在一條中心值達12 g·cm-1·hPa-1·S-1的水汽輸送帶（見圖5a），渤海上空水汽通量梯度較大。伴隨著冷鋒鋒面東移南壓，到9月1日08 時前后，渤海西北部的水汽通量中心也逐漸消失（圖略）。

水汽輸送帶的前端也就是其下游地區(qū)是水汽輻合中心（見圖5b），位于渤海中南部。這條水汽輸送帶在接下來的12 h內(nèi)一直維持著，并向東南方向移動。水汽通量散度的負(fù)中心與強降水對應(yīng)關(guān)系較好，這為之后幾小時在渤海上空形成的強對流天氣既雷雨大風(fēng)天氣提供了充足的水汽條件。水汽通量散度的正、負(fù)中心總是成對出現(xiàn)，并伴隨著降水系統(tǒng)的整個生命周期。

圖5 2011年8月31日20時850 hPa

圖6 2011年9月1日700 hPa上MPV在分布（單位：10ˉ5m2·K·Sˉ1·kgˉ1，10 PVU）

圖7 2011年9月1日MTSET紅外衛(wèi)星云圖

4.3 濕位渦

早在20世紀(jì)40年代初，Rossby[9]就提出了位渦的概念，他指出在正壓條件下，絕對渦度的垂直分量ξa與氣柱的高度h之比值為一常數(shù)。與Rossby同一時期，Ertel[10-11]也提出了一個位渦的另一種表達式：

式中θ為位溫，α（＝ρ-1）為比容，ξa為絕對渦度矢量，PV稱為Ertel位渦，或稱為廣義位渦。Rossby提出的位渦只是Ertel 位渦的一個特例。位渦的單位為PVU：

在考慮降水特別是暴雨的生成機制時，必須考慮水汽的作用，從而出現(xiàn)了濕位渦概念。對濕大氣，以相當(dāng)位溫θe代替位溫θ，則可得濕位渦MPV的表達式[12]：

本次渤海雷雨大風(fēng)天氣過程，是在局地不穩(wěn)定的條件下生成的，這在前一節(jié)已經(jīng)介紹。雖然海上沒有降水的實況資料，但是可以從海上石油平臺觀測數(shù)據(jù)推斷，暴雨的大致落區(qū)就是出現(xiàn)大風(fēng)天氣的區(qū)域。從700 hPa等壓面的MPV預(yù)報中看到（見圖6），9月1日02 時也就是雷雨天氣發(fā)生前2—3 h 的時刻，渤海西北部海區(qū)出現(xiàn)了明顯的MPV負(fù)值（該區(qū)域正是BZ26-2 石油平臺所在范圍），極值中心可達-5PVU。隨著雷雨過程的發(fā)生和結(jié)束，也就是9月1日08 時開始，MPV 的負(fù)值區(qū)域明顯縮小，極值的絕對值也有所減小。這說明，可以從濕位渦的變化分析降水過程[13]。另外，與同時刻衛(wèi)星云圖對比（見圖7），在幾個小時的鋒面運動中，MPV 正負(fù)交界處帶狀區(qū)域所在位置出現(xiàn)了明顯的南壓和東移，與衛(wèi)星監(jiān)測到的鋒面移動趨勢和路徑是相同的。同時，移動過程中，由于出現(xiàn)降水和大風(fēng)天氣，伴隨了濕位渦負(fù)區(qū)減弱的明顯特征，表明濕位渦對冷鋒鋒面移動的趨勢、速度有較為明確的指示能力。

5 結(jié)論和討論

（1）從地面實況天氣圖、衛(wèi)星云圖和海上石油平臺實況數(shù)據(jù)分析，這是一次渤海地區(qū)受冷空氣影響并伴有雷暴天氣的過程；

（2）隨著渤海上空冷空氣入侵，與海面低層暖濕氣流交匯，造成大氣不穩(wěn)定層結(jié)，是引發(fā)渤海強對流天氣發(fā)生的一個重要原因；

（3）通過對對流有效位能或修正的對流有效位能、對流抑制指數(shù)同時間序列的對比和分析，可以較好地揭示出此次雷暴的發(fā)生、發(fā)展。對流參數(shù)值在合理和恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)對于小尺度雷暴天氣的預(yù)測判別有明顯指示意義；

（4）關(guān)注水汽條件的變化可以從850 hPa 水汽通量和水汽通量散度場來判斷。首先，此次天氣過程具備了有利的水汽輸送條件，同時低層的輻合作用有利于暖濕空氣的抬升。通過對水汽通量相關(guān)量的分析，可作為判斷雷雨大風(fēng)天氣的判據(jù)之一；

（5）濕位渦的時空分布與雷暴天氣發(fā)生的區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系。在700 hPa等壓面上的負(fù)MPV中心對應(yīng)著未來2—3 個小時后會產(chǎn)生雷雨大風(fēng)天氣的地面落區(qū)。當(dāng)雷暴發(fā)生以后，負(fù)MPV 中心極大值會有明顯減小，負(fù)MPV 區(qū)域會出現(xiàn)大幅收縮。通過對MPV 的分析，會為臨近預(yù)報起到一定的指示作用。濕位渦中心與冷鋒鋒面有較好的對應(yīng)關(guān)系，其中心發(fā)展情況，對冷鋒移動的趨勢和速度有較為明確的指示能力；

（6）將再分析資料以及模式輸出結(jié)果與實況對比可以看出，對于各層的風(fēng)速模擬，當(dāng)遇到強天氣系統(tǒng)時，雖然可以將大風(fēng)的過程模擬出來，但是強度整體偏小，風(fēng)力偏低；對溫濕能方面的模擬，模式的效果還是比較理想的。

在今后對雷雨大風(fēng)的預(yù)報中，可將這些模式輸出并通過公式計算的診斷量綜合應(yīng)用至預(yù)報方法中，作為判斷的客觀依據(jù)，輔助預(yù)報員得出更為準(zhǔn)確的預(yù)報結(jié)論。

[1]Emanuel K A. Atmospheric Convection[M].City of Oxford:Oxford University Press,1994:165-188.

[2]Schultz D M, Schumacher P N, Doswell C A,et al. The intricacies of instabilities[J].Mon Wea Rev,2000,128:4143-4148.

[3]李耀東,高守亭,劉建文,等.對流能量計算及強對流天氣落區(qū)預(yù)報技術(shù)研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報2004,15:1-10.

[4]Frank P,Colby J.Convective inhibition as a predictor of convection duringAVE-SESAME[J].MonWeaRev,1984,112:2239-2252.

[5]梁愛民.北京地區(qū)雷暴大風(fēng)預(yù)報研究[J].氣象,2006,32:72-80.

[6]葉篤正,高有禧,等.青藏高原氣象學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1979:1-200.

[7]馬鴻清.2009-05-09 河北短時大暴雨診斷分析[R].杭州:中國氣象學(xué)會,2009:1-150.

[8]Rossby C G.Planetery Flow Patterns Intheatmospher[J].Q J R M S,1940,66(supple):68-87.

[9]Ertel H. Ein Neuer gydrodynamischer Wirbelsatz[J]. Meteor.Z.,1949,59:277-281.

[10]壽紹文.位渦理論及其應(yīng)用[J].氣象,2010,36:9-18.

[11]Hoskons B J.Apotential vorticity view of synoptic development[J].MeteorAppl,1997,4:325-344.

[12]陶詩言.中國之暴雨[M].北京:科學(xué)出版社,1980:1-225.