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

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，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，浙江 杭州 310017)

2015年7月29日發(fā)生在浙江的強對流天氣過程帶來了短時暴雨、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)展進行了初步分析，結(jié)果表明，此次過程具有歷時短、強度大、移動快、致災(zāi)強的特點，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對流的發(fā)生發(fā)展，不穩(wěn)定能量有極大儲備，上升運動也很強烈，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)氣流的下傳和強對流的發(fā)生，中尺度輻合線對對流天氣有觸發(fā)作用，當東風(fēng)波下傳到地面時，與地面中尺度輻合線一起觸發(fā)和加劇了浙江東南部強對流天氣。同時，高層?xùn)|風(fēng)波從東南沿海向西北內(nèi)地發(fā)展、移動，推動和引導(dǎo)了中尺度輻合線、強對流的發(fā)展和移動。當高層有東風(fēng)波時，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)生強對流天氣。

強對流；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，受到一定擾動的作用(如赤道輻合帶擾動、熱帶低壓外圍環(huán)流擾動等)，以波動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；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)波造成的暴雨進行了研究[4-7]。

也有一些研究表明，東風(fēng)波對于強對流也有重要作用。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，對流上升運動只限于中高層，不利于產(chǎn)生大范圍強降雨，這也正是高層?xùn)|風(fēng)波系統(tǒng)的特點。許愛華等[9]研究發(fā)現(xiàn)熱帶低壓倒槽云型的東風(fēng)波以強降水、雷雨大風(fēng)天氣為主。7—9月當東風(fēng)波或熱帶低壓氣旋倒槽伸向江西時，在對流不穩(wěn)定條件下，容易出現(xiàn)這類強對流天氣，當熱帶東風(fēng)波或低壓倒槽系統(tǒng)和西風(fēng)帶低值系統(tǒng)靠近時，中低緯度系統(tǒng)相互作用，會造成大范圍強對流天氣。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)機制是副高南側(cè)或熱帶氣旋北側(cè)東風(fēng)氣流里的波動，常給長三角地區(qū)帶來局地短時強降水天氣。

2015年7月29日在浙江全省范圍出現(xiàn)了強對流天氣，帶來了短時暴雨、雷雨大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣，造成了嚴重影響。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，此次強對流過程以強陣風(fēng)為主，同時也有短時暴雨、雷電和冰雹。從華東地區(qū)小時自動站資料繪制的29日12時到30日00時(北京時，下同)的累積降水量和強天氣(圖1a)可以看到，浙江共有230個測站出現(xiàn)了8級以上大風(fēng)(黑色三角形)，最大富陽安頂山風(fēng)速為37.1 m/s，達到了13級；有18個測站累積雨量超過50 mm，最大平陽鳳巢76.5 mm，多個測站的小時雨強超過30 mm/h(黑色圓點)，最大小時雨強也出現(xiàn)在平陽鳳巢，為69.3 mm/h。此次過程歷時短、強度大、移動快、災(zāi)害強，導(dǎo)致不少城市出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇、交通堵塞及人員和物品的損傷，造成了嚴重影響。

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

此次過程出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)、短時強降水和冰雹等強對流天氣現(xiàn)象，從華東地區(qū)逐小時自動站資料繪制的29日逐小時強對流天氣現(xiàn)象(圖1b)可知，多個測站出現(xiàn)了風(fēng)速大于等于17.2 m/s 的8級大風(fēng)(空心)和30 mm/h以上的短時強降水(實心)，浙江杭州富陽安頂山出現(xiàn)的13級最大陣風(fēng)在杭州比較少見，尤其是非臺風(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，大風(fēng)和短時強降水的影響主要位于浙江南部和福建北部；17時，系統(tǒng)移向西北，到了浙西南和浙中南地區(qū)；到了19時，強對流天氣已經(jīng)影響到了浙西和浙中一帶，影響范圍和強度都明顯擴大和增強；之后系統(tǒng)繼續(xù)北移，到21時，強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、影響，對浙江而言，這種強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)報系統(tǒng))分析資料繪制的2015年7月29日08時和20時高空形勢場。08時的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)了一個類似于臺風(fēng)的低壓系統(tǒng)，其北側(cè)則是一個高壓壩，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；(c、d)20時。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，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)的西進北抬剛好與強對流的發(fā)生、移動相對應(yīng)，因此這是與高層?xùn)|風(fēng)波緊密聯(lián)系的強對流天氣過程。

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(圖3a)，杭州的對流有效位能(CAPE)有了一定的積聚，達到了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，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)機制，對流就非常容易爆發(fā)。從20時的各種物理量指數(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；(b)20時。

從GFS資料繪制的7月29日14時相當位溫(θe)圖上(圖4a)可以看到，850 hPa上除了浙江南部部分地區(qū)的相當位溫(等值線)值在351～354 K之間外，大部分地區(qū)的相當位溫都高于354 K，形成一個高暖區(qū)；而500 hPa與850 hPa相當位溫差值可以用于表征不穩(wěn)定度，負值越大，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，也有相當一部分區(qū)域處于-20 K及以下，具有很強的不穩(wěn)定層結(jié)。從14時經(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，也有不少測站出現(xiàn)了短時強降水，而越往北，大風(fēng)出現(xiàn)的頻率要遠高于短時強降水，浙北地區(qū)更多出現(xiàn)的是強陣風(fēng)，這與相對濕度的分布比較一致。相當位溫(實線)在整個浙江區(qū)域表現(xiàn)出了下暖上冷的配置。值得注意的是，此時浙江區(qū)域上空幾乎都是出于垂直上升運動區(qū)(虛線)，曹曉崗等[11]研究發(fā)現(xiàn)動力條件在強對流前12 h也有一定反映，上升運動集中在1個經(jīng)度左右非常窄的地區(qū)，與小于100 km范圍內(nèi)出現(xiàn)強降水相對應(yīng)。

(a)相當位溫(等值線，K)和500 hPa與850 hPa的相當位溫差(陰影，K)；(b)沿120 °E的相當位溫(實線，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)生強對流；而物理量場的配置則是有利于強對流發(fā)生發(fā)展的。強對流發(fā)生除了這些條件外，還需要有抬升觸發(fā)條件。

圖5是利用小時自動站資料繪制的2015年7月29日的地面流場圖。在29日08時(圖5a)，浙江境內(nèi)基本沒有出現(xiàn)輻合，隨著系統(tǒng)移動、地形分布和海陸位置等因素影響，11時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、發(fā)展、變化，到下午14時(圖5d)，中尺度輻合線逐漸移動到了浙西南和浙中一帶。

(a)08時；(b)11時；(c)12時；(d)14時。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，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，而此時雷達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)，雖然個別地區(qū)雷達回波單點性強度大，但整體來看回波范圍較小、強度也一般。到了14時，對流有了強烈發(fā)展，出現(xiàn)對流的范圍擴大到了浙南及沿海地區(qū)，強度也顯著增強，最強回波已經(jīng)達到了50 dBz以上。隨后，強對流向西、向北移動發(fā)展，從東南沿海向西北內(nèi)陸演變(圖略)，影響了整個浙江省，浙江省多地出現(xiàn)了強風(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、(b)14時浙江省雷達組網(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，負值表示東風(fēng)，正值表示西風(fēng)。08時(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(圖7b)，高層?xùn)|風(fēng)氣流明顯往北推進，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；(b)14時沿121°E的U分量經(jīng)向剖面

結(jié)合天氣實況、地面流場、雷達回波拼圖和U分量剖面圖可知，浙東南地區(qū)在中午11時左右受地形、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小時內(nèi)一直維持并逐漸由東南向西北內(nèi)陸發(fā)展、移動，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)在向西北移動過程中，將東風(fēng)氣流動量逐漸往下傳，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。而此時浙江的對流天氣劇烈發(fā)展，演變成大范圍、高強度的強對流天氣，并逐漸由東南沿海向西北內(nèi)地推進。因此，此次強對流過程中，地面中尺度輻合線先于東風(fēng)氣流的下傳和強對流的發(fā)生，中尺度輻合線對對流天氣有觸發(fā)作用，當東風(fēng)波下傳到地面時，與地面中尺度輻合線一起觸發(fā)和加劇了浙江東南部強對流天氣。同時，高層?xùn)|風(fēng)波從東南沿海向西北內(nèi)地發(fā)展、移動，推動和引導(dǎo)了中尺度輻合線、強對流的發(fā)展和移動。當高層有東風(fēng)波時，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)生強對流天氣。

5 結(jié) 語

2015年7月29日發(fā)生浙江的強對流天氣過程帶來了短時暴雨、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)展進行了初步分析，得到以下結(jié)論：

1)此次過程具有歷時短、強度大、移動快、致災(zāi)強的特點，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對流的發(fā)生發(fā)展，不穩(wěn)定能量有極大儲備，上升運動也很強烈，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)氣流的下傳和強對流的發(fā)生，中尺度輻合線對對流天氣有觸發(fā)作用，當東風(fēng)波下傳到地面時，與地面中尺度輻合線一起觸發(fā)和加劇了浙江東南部強對流天氣。同時，高層?xùn)|風(fēng)波從東南沿海向西北內(nèi)地發(fā)展、移動，推動和引導(dǎo)了中尺度輻合線、強對流的發(fā)展和移動。

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2016-06-18