副熱帶高壓控制下一次區(qū)域性強(qiáng)對(duì)流暴雨成因分析

肖貽青，黃少妮，婁盼星，劉嘉慧敏

(陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

強(qiáng)對(duì)流天氣是在有利的大尺度天氣背景下，由中小尺度系統(tǒng)直接產(chǎn)生的[1-2]，具有時(shí)間短、強(qiáng)度大、移動(dòng)速度快的特征。強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展主要依賴于大氣層結(jié)的熱力條件及抬升條件，中層的干空氣或中層逆溫層及強(qiáng)的垂直風(fēng)切變具有重要作用[2-4]。潘留杰等[5]利用中尺度天氣圖分析法和雷達(dá)資料對(duì)陜西中部的一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明冷暖平流、干線、濕舌、顯著流線和切變線的位置是強(qiáng)對(duì)流天氣分析的有效手段；許新田等[6]對(duì)陜西一次持續(xù)性強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的成因分析表明，中尺度雹暴云團(tuán)的長(zhǎng)久生命史是強(qiáng)對(duì)流天氣的主要原因，地面輻合線是觸發(fā)對(duì)流的主要因子。夏季西太平洋副熱帶高壓是影響中國(guó)天氣的主要大氣環(huán)流系統(tǒng)之一，它所處的位置及變化造成低層西南季風(fēng)暖濕水汽輸送的進(jìn)退，從而影響了中國(guó)雨帶的分布[7-8]。徐遠(yuǎn)波等[9]對(duì)一次突發(fā)性大暴雨過(guò)程研究結(jié)果表明，副熱帶高壓及其向南擺動(dòng)是該過(guò)程的大尺度環(huán)流背景；尹紅萍等[10]對(duì)盛夏上海地區(qū)強(qiáng)對(duì)流的分析結(jié)果表明，盛夏期間副熱帶高壓北側(cè)容易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，對(duì)抬升條件有較高要求。在實(shí)際預(yù)報(bào)中，當(dāng)副熱帶高壓控制時(shí)，一般不會(huì)發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，因此副高控制下的強(qiáng)對(duì)流天氣很容易出現(xiàn)漏報(bào)。2016年8月24日夜間至25日清晨，在副熱帶高壓控制下，關(guān)中出現(xiàn)了具有強(qiáng)對(duì)流性質(zhì)的區(qū)域性暴雨天氣過(guò)程，文章利用NCEP1°×1°再分析資料、MICAPS常規(guī)觀測(cè)資料、區(qū)域自動(dòng)站等資料，分析副熱帶高壓控制下強(qiáng)對(duì)流天氣的特征，為此類強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)提供一些參考。

1 降水實(shí)況

2016年8月24日20時(shí)至25日08時(shí)，陜西關(guān)中出現(xiàn)了區(qū)域性暴雨和局地大暴雨天氣過(guò)程，此次降雨過(guò)程主要為短時(shí)強(qiáng)降水形式，主要落區(qū)位于寶雞、咸陽(yáng)、西安、渭南，該次過(guò)程國(guó)家基準(zhǔn)站12站達(dá)到暴雨，其中1站為大暴雨，區(qū)域自動(dòng)站163站暴雨，12站大暴雨，其中最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在咸陽(yáng)市武功縣的小村站，8月25日02時(shí)至03時(shí)降雨量達(dá)82.3 mm。該次過(guò)程前期，關(guān)中持續(xù)高溫天氣，此次暴雨來(lái)勢(shì)兇猛，致災(zāi)性強(qiáng)，且降水區(qū)位于副熱帶高壓控制區(qū)內(nèi)，給預(yù)報(bào)帶來(lái)了較大的困難。

2 天氣背景

2.1 高空形勢(shì)

24日20時(shí)，500 hPa天氣圖上(圖1a)，東亞中緯度環(huán)流形勢(shì)為一槽一脊，低槽位于東北北部，槽線從東北冷渦中心延伸呈東北—西南向，槽底新疆至華北為多波動(dòng)偏西氣流；高脊位于貝加爾湖南部。西太平洋副熱帶高壓(下簡(jiǎn)稱“副高”)非常強(qiáng)盛，并受臺(tái)風(fēng)的影響，整體偏西北上與大陸高壓合并，588 dagpm線基本覆蓋了大陸中部。為了研究這次過(guò)程的特征，在588 dagpm線里特地分析出了一條590 dagpm等高線，該等高線覆蓋了西北地區(qū)東南部及西南地區(qū)東北部和江淮流域東部地區(qū)，其中心有顯著的反氣旋環(huán)流結(jié)構(gòu)。除榆林外，其它地區(qū)均處于590 dagpm等高線內(nèi)部，且暴雨區(qū)就位于該等高線附近。700 hPa(圖略)上，受副高影響，陜西上空位勢(shì)高度均大于312 dagpm，在關(guān)中西部以西至甘肅南部存在明顯風(fēng)切變。850 hPa(圖1b)上，在甘肅南部和寧夏交界處，有一較深的溫度槽，冷平流非常強(qiáng)盛；且在寶雞西部的甘肅區(qū)域，存在西北風(fēng)與偏東風(fēng)或東南風(fēng)的切變，具有較強(qiáng)輻合抬升作用，并有利于冷暖空氣交匯。與此同時(shí)，陜北也存在一定強(qiáng)度的冷平流，但由于等溫線相對(duì)稀疏，平流強(qiáng)度相對(duì)較弱，配合東部較弱的切變，個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)了雷陣雨。而該時(shí)刻關(guān)中地區(qū)還未出現(xiàn)降水。

圖1 500 hPa環(huán)流形勢(shì)(a.c.e)和850 hPa溫度場(chǎng)(b.d.f)(a、b為2016-08-24T20；c、d為2016-08-25T02；e、f為2016-08-25T08)

25日02時(shí),在500 hPa天氣圖(圖1c)上，東北冷渦加深，槽線略有南壓，貝湖高脊減弱，東北—西南向的槽線向東傾斜，橫槽略有轉(zhuǎn)豎，北方地區(qū)依然處于槽底偏西多波動(dòng)氣流中。臺(tái)風(fēng)在緩慢西移過(guò)程中快速加強(qiáng)，副高主體基本維持，但外圍風(fēng)速加大且擾動(dòng)加強(qiáng)，整體強(qiáng)度增加，此時(shí)關(guān)中區(qū)域位于590 dagpm等高線附近。在700 hPa(圖略)上，陜西省穩(wěn)定在312 dagpm等高線內(nèi)，風(fēng)切變東移至關(guān)中西部；850 hPa(圖1d)上，風(fēng)速和溫度槽顯著加強(qiáng)，20 ℃等溫線從寧夏西部和甘肅交界處南壓至寶雞西部，較強(qiáng)冷平流從西北向南進(jìn)入關(guān)中中西部，寶雞、西安、咸陽(yáng)境內(nèi)存在東北風(fēng)和西南風(fēng)的顯著切變線。本次暴雨過(guò)程從8月24日22時(shí)起，由寶雞西部開始，向東移入西安和咸陽(yáng)。

25日08時(shí)，500 hPa上(圖1e)，貝湖高脊持續(xù)減弱，槽線繼續(xù)向東傾斜，冷空氣南下路徑偏東。臺(tái)風(fēng)繼續(xù)加強(qiáng)，副高維持。590 dagpm等高線內(nèi)的反氣旋環(huán)流中心向南移動(dòng)，附近的短波擾動(dòng)減弱，但控制區(qū)域幾乎沒(méi)有變化。對(duì)應(yīng)850 hPa上(圖1f)，風(fēng)切變東移至關(guān)中東部邊境，溫度平流也明顯減弱并移出陜西，09時(shí)暴雨過(guò)程基本結(jié)束。

2.2 地面形勢(shì)

通過(guò)地面氣壓場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，24日08時(shí)青海—甘肅有冷高壓形成，冷鋒前部從陜西北部繞過(guò)，抵達(dá)隴南—川北地區(qū)，四川地區(qū)的熱低壓向北擴(kuò)展到陜西中南部，此時(shí)陜西還未受冷鋒影響；14時(shí)，冷高壓繼續(xù)南下，高壓前部冷鋒抵達(dá)陜北中部，延安地區(qū)開始出現(xiàn)弱的陣性降水；20時(shí)(圖2a)，貝加爾湖冷高壓南下到達(dá)蒙古境內(nèi)，冷鋒進(jìn)入關(guān)中北部至陜西與甘肅交界處。陜西境內(nèi)存在有明顯風(fēng)向切變的地面輻合線，隨著時(shí)間推移，地面輻合線向東移動(dòng)。

對(duì)鋒面路徑分析可以看出(圖2b)，24日20時(shí)鋒面進(jìn)入關(guān)中西北后，移動(dòng)速度減緩，3 h僅向南移動(dòng)了60 km左右，平均速度不到20 km/h。鋒面作為天氣尺度的抬升觸發(fā)條件，當(dāng)其緩慢移動(dòng)，再配合中小尺度系統(tǒng)的活動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣持續(xù)發(fā)展，非常容易造成對(duì)流性暴雨。

圖2 2016-08-24T20地面氣壓場(chǎng)和鋒面位置(a)及陜西境內(nèi)鋒面移動(dòng)(b，圖中數(shù)字表示月日時(shí))

3 物理量診斷

3.1 水汽條件

從環(huán)流背景特征分析可以看出，這次降水過(guò)程主要受強(qiáng)副熱帶高壓控制，中低層850 hPa有明顯的冷平流和切變，地面配合有天氣尺度的鋒面強(qiáng)迫抬升。但除了較好的動(dòng)力條件外，在盛夏造成短時(shí)暴雨還需要充沛的水汽條件和不穩(wěn)定層結(jié)條件。

對(duì)于水汽條件來(lái)說(shuō)，陜西大多數(shù)暴雨的水汽來(lái)源于孟加拉灣—南海一帶，主要位于對(duì)流層低層，尤其在西太平洋副熱帶高壓較強(qiáng)時(shí)，西南暖濕氣流沿副高外圍輸送至陜西境內(nèi)。但在該次過(guò)程中，由于強(qiáng)大高壓的反氣旋環(huán)流控制，阻斷了水汽輸送通道，從8月25日02時(shí)850 hPa的水汽通量可以看出(圖3a)，陜西境內(nèi)沒(méi)有明顯的外部水汽來(lái)源。而同時(shí)刻的水汽通量散度(圖3b)可以看到，在關(guān)中區(qū)域有明顯的水汽輻合區(qū)，且中心位于關(guān)中西部即強(qiáng)降水開始的位置。中低層的比濕均大于10 k/kg，濕度條件較好，說(shuō)明本次過(guò)程的水汽基本來(lái)源于本地，在一定的天氣條件下進(jìn)行了強(qiáng)烈的輻合。

圖3 2016-08-25T02 850 hPa水汽通量(a，單位為g/(cm·s))和水汽通量散度(b，單位為10-7g/(cm2·s·hPa))

3.2 上升條件

為了解這次區(qū)域性暴雨與垂直速度的關(guān)系，對(duì)中低層的垂直速度分布和演變進(jìn)行分析。從關(guān)中地區(qū)24日20時(shí)的垂直速度剖面圖(圖略)可以看出，上升運(yùn)動(dòng)從地面開始，這也說(shuō)明了抬升觸發(fā)機(jī)制是由鋒面過(guò)境造成；最大上升速度大于600×10-5Pa/s，位于850 hPa～700 hPa，此高度為水汽容易聚積的高度，較強(qiáng)的上升速度可使水汽充分并高效凝結(jié)；上升運(yùn)動(dòng)最高高度到達(dá)500 hPa左右，500 hPa以上則轉(zhuǎn)為下沉氣流，說(shuō)明此時(shí)高層處于輻散區(qū)中，高低層配置并不是很好，強(qiáng)對(duì)流未能充分發(fā)展。寶雞以東的下游地區(qū)整層出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)，但最大上升速度位于400 hPa左右，中低層垂直上升速度較小，未能將水汽更好地抬升凝結(jié)，因此暫時(shí)未出現(xiàn)強(qiáng)降水程。

進(jìn)而對(duì)整個(gè)陜西省850 hPa的上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)8月24日20時(shí)陜西省除榆林、延安東部外都處于垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，而垂直上升速度最大區(qū)位于寶雞西北部與甘肅交界處，達(dá)到600×10-5Pa/s(圖4a)，也是該次陜西省強(qiáng)對(duì)流最初觸發(fā)的區(qū)域。隨著天氣尺度鋒面的移動(dòng)，最大垂直上升速度中心隨著鋒面及強(qiáng)降水雨帶向東移動(dòng)，25日08時(shí)移出陜西，此時(shí)全省的垂直速度均小于500×10-5Pa/s(圖4b)，暴雨過(guò)程也已經(jīng)結(jié)束。說(shuō)明在此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中，大于500×10-5Pa/s的上升運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3 不穩(wěn)定條件

選擇西安市涇河站24日14時(shí)和20時(shí)探空曲線和資料分析此次暴雨過(guò)程的大氣層結(jié)情況。14時(shí)探空?qǐng)D(圖5a)上，受強(qiáng)大的副熱帶高壓控制，整層大氣比較干燥，地面溫度迅速增加到36 ℃以上，大氣層結(jié)不穩(wěn)定顯著加強(qiáng)，對(duì)流有效位能從08時(shí)的106 J/kg驟增到2 909.3 J/kg。研究表明，強(qiáng)的對(duì)流有效位能(CAPE)會(huì)使氣塊加速通過(guò)暖云層，從而縮短了通過(guò)暖云過(guò)程形成降水的時(shí)間，導(dǎo)致大量水汽進(jìn)入高層，并不利于大降水量和高降水效率的形成[11]；此外500 hPa和850 hPa假相當(dāng)位溫θse之差為-12 ℃，大氣處在對(duì)流不穩(wěn)定中，但由于缺乏有效的抬升觸發(fā)條件，午后并沒(méi)能產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。20時(shí)(圖5b)，午后持續(xù)的高溫天氣造成整層大氣濕度相對(duì)較小，夜間隨著氣溫下降，整層濕度有所增加，尤其在中層；850 hPa以下及700 hPa以上主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，700 hPa為西南風(fēng)，存在非常強(qiáng)的風(fēng)切變，強(qiáng)風(fēng)切變與上干下濕的層結(jié)分布非常有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。此時(shí)500 hPa和850 hPa假相當(dāng)位溫之差為-14 ℃，較午后層結(jié)不穩(wěn)定性稍有增加，雖然對(duì)流有效位能值從午后的2 909.3 J/kg下降到901.2 J/kg，但研究表明，CAPE值在1 000 J/kg左右造成的雷雨可能性非常大[12]。對(duì)比其他物理量可以看到20時(shí)的K指數(shù)增加，說(shuō)明層結(jié)的不穩(wěn)定性一直在加強(qiáng)；SI指數(shù)從0增加到1.41，表示發(fā)生強(qiáng)雷暴的可能較小；產(chǎn)生了142 J/kg對(duì)流抑制能量，可使能量在低層有所積累，一旦這種抑制被突破，對(duì)流運(yùn)動(dòng)很快得到充分的發(fā)展；另外自由對(duì)流高度明顯增加，若此時(shí)氣塊被外力強(qiáng)迫抬升的至此高度，則可自由上升到更高層，從而加強(qiáng)對(duì)流。

圖4 2016年8月850 hPa垂直速度分布圖 (a 24日20時(shí)；b 25日08時(shí),單位為10-5 Pa/s)

通常情況下，暴雨產(chǎn)生時(shí)850 hPa和500 hPa假相當(dāng)位溫θse之差處于0～15 K之間[13]，從該次過(guò)程850 hPa和500 hPa假相當(dāng)位溫θse之差的分布(圖6a)可以看出，24日20時(shí)關(guān)中和陜南地區(qū)該差值均大于8 ℃，說(shuō)明該區(qū)域的大氣層結(jié)為對(duì)流不穩(wěn)定，且關(guān)中西部的差值梯度非常大，具有強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定，對(duì)流更容易被觸發(fā)，整個(gè)強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生時(shí)850 hPa和500 hPa假相當(dāng)位溫θse之差基本為8～14 ℃。25日08時(shí)(圖6b)，此時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程已經(jīng)基本結(jié)束，不穩(wěn)定能量被釋放，關(guān)中區(qū)域850 hPa和500 hPa的假相當(dāng)位溫之差大于0 ℃，大氣層結(jié)為對(duì)流性中性或?qū)α鞣€(wěn)定狀態(tài)。

圖6 2016年8月850 hPa和500 hPa假相當(dāng)位溫θse之差的空間分布(單位為℃；a 24日20時(shí)；b 25日08時(shí))

4 中尺度對(duì)流云團(tuán)分析

從FY-2F氣象衛(wèi)星云圖的TBB演變(圖7)可以看出，24日20時(shí)甘肅中西部存在一中心tBB<-52 ℃的對(duì)流性云團(tuán)，與該云團(tuán)對(duì)應(yīng)的地面圖上有一中尺度的氣旋；22時(shí)，該氣旋的尺度增加并向東發(fā)展，云圖上關(guān)中西部與甘肅交界處出現(xiàn)了兩個(gè)強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)，一個(gè)位于甘肅南部，另一個(gè)位于相對(duì)較弱的對(duì)流云團(tuán)即將進(jìn)入陜西境內(nèi)，此時(shí)寶雞西部2站出現(xiàn)大于20 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水。隨著時(shí)間推移，25日00時(shí)相對(duì)較弱的對(duì)流云團(tuán)快速加強(qiáng)，并進(jìn)入寶雞西部，此時(shí)位于對(duì)流云團(tuán)底部邊緣的寶雞千陽(yáng)出現(xiàn)了74.3 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水；02時(shí)對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)加強(qiáng)東移至地面輻合線附近，對(duì)流中心進(jìn)入西安境內(nèi)，最大降水出現(xiàn)在西安的星火立交防汛泵站，為60.9 mm/h；04時(shí)tBB<-60 ℃的對(duì)流云團(tuán)主體全部進(jìn)入陜西境內(nèi)，云頂亮溫較低處的云團(tuán)處于關(guān)中東部地區(qū)，此時(shí)寶雞的強(qiáng)降水已結(jié)束，降水帶東移南亞至西安、咸陽(yáng)、渭南，咸陽(yáng)興平的店張站小時(shí)雨強(qiáng)最大為70.3 mm；06時(shí)強(qiáng)降水云團(tuán)繼續(xù)向東移動(dòng)，但強(qiáng)度有所減弱，亮溫低值中心分為兩個(gè)，其中云頂亮溫最低值位于渭南地區(qū)，此時(shí)渭南大荔的陜渭朝邑站出現(xiàn)了64.4 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水；08時(shí)對(duì)流云團(tuán)在東移的過(guò)程中明顯減弱，此時(shí)短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度也隨之減弱；09時(shí)全省無(wú)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程。

圖7 2016-08-24T14—25T08 TBB演變

從整個(gè)TBB的演變過(guò)程，也可以清楚地看到，這次引發(fā)強(qiáng)降水的對(duì)流云團(tuán)為一典型的中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCC)。發(fā)生階段從24日18時(shí)起，在寧夏南部與甘肅交界處，出現(xiàn)了一些零散的弱對(duì)流云團(tuán)，隨著時(shí)間推移，20時(shí)對(duì)流云團(tuán)增大，云頂亮溫降低，并且向南移動(dòng)靠近陜西。隨后對(duì)流云團(tuán)在較強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)和鋒面抬升的強(qiáng)迫作用下，冷云區(qū)溫度快速下降；22時(shí)在寶雞的西北方向出現(xiàn)了中β尺度對(duì)流云團(tuán)，其tBB≤-32 ℃的面積達(dá)到8×103km2左右，云團(tuán)中心最低云頂亮溫低于-52 ℃；隨著對(duì)流發(fā)展，云團(tuán)面積不斷增加，強(qiáng)度加強(qiáng)，25日00時(shí)云團(tuán)沿東南方向移動(dòng)并進(jìn)入寶雞境內(nèi)，tBB≤-32 ℃的冷云罩面積迅速增加到3.0×105km2左右，低于-52 ℃的云區(qū)范圍快速增長(zhǎng)。02時(shí)云團(tuán)逐漸發(fā)展合并增大，tBB≤-52 ℃的冷云罩面積達(dá)到5.8×104km2左右，偏心率(短軸/長(zhǎng)軸)約為0.8，邊界清晰，成為一個(gè)成熟的MCC，對(duì)應(yīng)小時(shí)雨量最大達(dá)到60 mm左右。02時(shí)至06時(shí)成熟的MCC穩(wěn)定維持在關(guān)中中部地區(qū)。在此期間寶雞、咸陽(yáng)、西安出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，其中02時(shí)至03時(shí)MCC發(fā)展為最強(qiáng)盛階段，tBB≤-52 ℃的冷云罩面積最大達(dá)到6.2×104km2左右，這時(shí)出現(xiàn)了此次最強(qiáng)的短時(shí)強(qiáng)降水(82.3 mm/h)。08時(shí)，MCC主體分離，位于關(guān)中西部的云頂變暖，冷云面積減小，位于關(guān)中東部的云罩在強(qiáng)度和面積上雖然沒(méi)有明顯減弱，但由于向下風(fēng)方向快速移動(dòng)，影響范圍已脫離陜西省。09時(shí)關(guān)中區(qū)域短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程結(jié)束。

造成該次陜西關(guān)中區(qū)域暴雨的MCC的對(duì)流云團(tuán)于24日18時(shí)在寧夏南部生成，經(jīng)過(guò)8 h的移動(dòng)發(fā)展，于25日02時(shí)形成為一個(gè)成熟的MCC，03時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，整個(gè)生命史長(zhǎng)達(dá)8 h以上。

5 結(jié)論

(1)東北冷渦后部橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)冷空氣南下，南下冷空氣與副高內(nèi)部暖濕氣流交匯是造成這次強(qiáng)對(duì)流暴雨的主要背景條件。

(2)關(guān)中地區(qū)降水前期的高溫高濕條件給暴雨提供了水汽和不穩(wěn)定條件；對(duì)流不穩(wěn)定、中等強(qiáng)度的對(duì)流有效位能和合適的對(duì)流抑制能量更有利于高降水效率和強(qiáng)降水的形成。

(3)垂直上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)的中心變化與暴雨落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)；中尺度對(duì)流云團(tuán)緩慢東移和發(fā)展，逐漸發(fā)展成為成熟的MCC，直接導(dǎo)致了關(guān)中區(qū)域性強(qiáng)對(duì)流暴雨的發(fā)生。