兩次東風(fēng)帶高空冷渦強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)比分析*

沈杭鋒 林宏偉 婁小芬 崔 潔 張紅蕾

1 杭州市氣象局，杭州 310051 2 浙江省慈溪市氣象局，慈溪 315300 3 浙江省氣象臺(tái)，杭州 310017 4 浙江省氣象科學(xué)研究所，杭州 310017

提 要： 利用常規(guī)氣象站、自動(dòng)站、NCEP/NCAR(美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/國(guó)家大氣研究中心)的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GFS)分析資料、多普勒雷達(dá)和衛(wèi)星等多種資料，對(duì)2015年7月29日和2018年7月14日兩次過(guò)程對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：兩次過(guò)程在200 hPa 上均存在一個(gè)東風(fēng)帶渦旋，500 hPa是類(lèi)似東風(fēng)波的系統(tǒng)，850 hPa處于副熱帶高壓環(huán)流中，因此這兩次過(guò)程是在東風(fēng)帶高空冷渦背景下發(fā)生的。處于東風(fēng)帶中的渦旋系統(tǒng)與臺(tái)風(fēng)、東風(fēng)波等系統(tǒng)顯著不同，其垂直方向上并不深厚，主要位于對(duì)流層中上層，濕度較高但溫度較低，系統(tǒng)本身不像臺(tái)風(fēng)或東風(fēng)波那樣會(huì)發(fā)生大風(fēng)、暴雨等強(qiáng)烈天氣。2015年7月29日中午在浙閩沿海因海洋、陸地風(fēng)向風(fēng)速差異以及高低層之間風(fēng)向輻合等因素影響下，形成了東、西風(fēng)之間的中尺度輻合線(xiàn)，隨后中尺度輻合線(xiàn)觸發(fā)或加強(qiáng)了對(duì)流天氣；而2018年7月14日過(guò)程雖然具備了對(duì)流潛勢(shì)，但由于缺乏低層的觸發(fā)機(jī)制，最終沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)對(duì)流。高層冷渦西進(jìn)時(shí)，冷渦前進(jìn)方向高層的輻散式旋轉(zhuǎn)特性增強(qiáng)了中低層的上升運(yùn)動(dòng)，有助于對(duì)流天氣加強(qiáng)，這與西風(fēng)帶天氣過(guò)程有明顯差異，會(huì)給強(qiáng)對(duì)流的預(yù)報(bào)預(yù)警造成較大困難，應(yīng)特別關(guān)注。

引 言

西風(fēng)帶系統(tǒng)是影響我國(guó)的主要天氣系統(tǒng)，但東風(fēng)帶系統(tǒng)也常常帶來(lái)重要影響，東風(fēng)帶中比較常見(jiàn)的系統(tǒng)是臺(tái)風(fēng)和東風(fēng)波。臺(tái)風(fēng)是發(fā)生在熱帶海洋上具有暖心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈氣旋性渦旋，可從近地面層向上伸展到對(duì)流層頂，是一種深厚的氣旋系統(tǒng)，會(huì)帶來(lái)暴雨、大風(fēng)、風(fēng)暴潮，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流(沈杭鋒等，2014；唐明暉等，2017；余貞壽等，2017；羅玲等，2019)。東風(fēng)波多產(chǎn)生于副熱帶高壓南側(cè)的東風(fēng)氣流中，以波動(dòng)的形式自東向西傳播(朱乾根等，2007)。東風(fēng)波型雷暴天氣多發(fā)生在8—10月，其觸發(fā)機(jī)制是副熱帶高壓南側(cè)或熱帶氣旋北側(cè)東風(fēng)氣流里的波動(dòng)，常會(huì)帶來(lái)強(qiáng)對(duì)流天氣(許愛(ài)華等，2011；陳雷等，2015；范元月等，2020；吳福浪等，2020)。高空冷渦背景下也常會(huì)帶來(lái)對(duì)流性天氣，易笑園等(2010)發(fā)現(xiàn)距離冷渦不同位置可發(fā)生不同類(lèi)型的強(qiáng)對(duì)流天氣。夏季當(dāng)東北冷渦位置偏南、移動(dòng)緩慢時(shí)，在冷渦西南側(cè)有冷空氣向南擴(kuò)散，會(huì)誘發(fā)突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流天氣(徐芬等，2016)。

一般能帶來(lái)強(qiáng)對(duì)流天氣的高空冷渦是西風(fēng)帶冷渦；高層?xùn)|風(fēng)波雖然是東風(fēng)帶系統(tǒng)，但在高層沒(méi)有形成閉合渦旋；臺(tái)風(fēng)具有閉合渦旋，但是閉合渦旋在低層更為突出。東風(fēng)帶高空冷渦在形勢(shì)上跟上述三類(lèi)天氣有所不同，目前對(duì)于東風(fēng)帶高空冷渦研究甚少，在東風(fēng)帶高空冷渦背景下有時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，如2015年7月29日過(guò)程就給浙江省帶來(lái)強(qiáng)烈天氣和嚴(yán)重危害；但有時(shí)卻風(fēng)平浪靜、晴空萬(wàn)里，如2018年7月14日過(guò)程。因此本文選取了這兩次東風(fēng)帶高空冷渦背景下的天氣過(guò)程，探討此類(lèi)天氣背景下強(qiáng)對(duì)流天氣的特點(diǎn)和發(fā)生發(fā)展機(jī)制。

1 資料與方法

包括NCEP/NCAR 0.25°×0.25°的GFS分析場(chǎng)資料、華東地面區(qū)域站資料、FY-2G衛(wèi)星云頂亮溫(TBB)資料、探空和多普勒雷達(dá)等資料。通過(guò)形勢(shì)場(chǎng)演變、物理量特征、地面風(fēng)場(chǎng)和空間結(jié)構(gòu)等對(duì)比，來(lái)分析這兩次天氣過(guò)程。

2 天氣概況

2015年7月29日，浙江、福建北部、江西東部和安徽南部等地發(fā)生了強(qiáng)對(duì)流天氣，強(qiáng)對(duì)流在中午出現(xiàn)之后，從東南快速向西北方向移動(dòng)，造成了大范圍劇烈天氣。這次過(guò)程以大風(fēng)為主，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水、雷電和冰雹。從29日12時(shí)到30日00時(shí)(北京時(shí)，下同)的累計(jì)降水量和強(qiáng)天氣(圖1a)可以看到，僅浙江省就有230站次(黑色三角形)出現(xiàn)了8級(jí)以上大風(fēng)，最大在富陽(yáng)安頂山(37.1 m·s-1，13級(jí))；18個(gè)測(cè)站累計(jì)雨量超過(guò)50 mm，最大出現(xiàn)在平陽(yáng)鳳巢(76.5 mm)，多個(gè)測(cè)站的小時(shí)雨強(qiáng)超過(guò)30 mm·h-1(黑色圓點(diǎn))，最大出現(xiàn)在平陽(yáng)鳳巢(69.3 mm·h-1)。此次過(guò)程強(qiáng)度大、災(zāi)害強(qiáng)，不少城市出現(xiàn)了嚴(yán)重內(nèi)澇、交通堵塞情況，并有人員受傷以及財(cái)物損壞。

相比之下，2018年7月14日12時(shí)至15日00時(shí)(圖1b)除了個(gè)別地方出現(xiàn)了大風(fēng)、一些地區(qū)有弱降水之外，大部分地區(qū)都是晴朗天氣，這與2015年7月29日過(guò)程有著天壤之別。

圖1 (a)2015年7月29日12時(shí)至30日00時(shí)，(b)2018年7月14日12時(shí)至15日00時(shí)12 h累計(jì)雨量(陰影) (圖1b中黑色五角星表示臺(tái)州洪家探空站位置)Fig.1 The 12 h accumulated rainfall (shaded) (a) from 12:00 BT 29 to 00:00 BT 30 July 2015 and (b) from 12:00 BT 14 to 00:00 BT 15 July 2018 (Black pentagram inFig.1b is the location of Hongjia Sounding Station)

3 環(huán)流形勢(shì)演變

圖2是200 hPa高空形勢(shì)場(chǎng)和TBB疊加圖。在2015年7月29日08時(shí)的200 hPa圖上(圖2a)，我國(guó)北方地區(qū)有一深厚高空槽(粗虛線(xiàn))，槽線(xiàn)從蒙古一直延伸到河套以南地區(qū)；南面有一個(gè)東風(fēng)帶渦旋，中心位于臺(tái)灣島東北面的洋面上空，在溫度場(chǎng)上(圖略)，該渦旋是一個(gè)冷渦；東面是副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱(chēng)副高)系統(tǒng)，高壓從海上深入內(nèi)陸，在冷渦和西風(fēng)帶系統(tǒng)之間形成了高壓壩。從TBB(陰影)來(lái)看，冷渦中心及西側(cè)有一些弱的云系，亮溫值在-12～0℃。2018年7月14日08時(shí)200 hPa上(圖2b)，北方也是一個(gè)深厚的西風(fēng)帶高空槽(粗虛線(xiàn))，南面同樣有一個(gè)冷渦，中心位于臺(tái)灣島東北面的洋面上空，東風(fēng)帶冷渦系統(tǒng)與西風(fēng)帶系統(tǒng)之間是一個(gè)高壓壩，TBB顯示了冷渦中心基本是無(wú)云區(qū)。

圖2 (a，c)2015年7月29日，(b，d)2018年7月14日(a，b)08時(shí)，(c，d)20時(shí) 200 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽，單位：m·s-1)、高度場(chǎng)(等值線(xiàn)，單位：gpm)和TBB(陰影) (粗虛線(xiàn)表示槽線(xiàn)，下同)Fig.2 Wind field (wind barb, unit: m·s-1), geopotential height (contour, unit: gpm) and TBB (shaded) at 200 hPa at (a, b) 08:00 BT and (c, d) 20:00 BT on (a, c) 29 July 2015 and (b, d) 14 July 2018 (Dashed lines indicate the trough lines， the same below)

2015年7月29日20時(shí)(圖2c)，西風(fēng)帶高空槽較12 h前有加深并東移南壓，冷渦也在東風(fēng)氣流引導(dǎo)下西進(jìn)，中心移到臺(tái)灣島北部洋面上空，冷渦倒槽從浙江東南沿海延伸到蘇南地區(qū)上空，位于冷渦中心西側(cè)的福建省、浙江省上空出現(xiàn)了TBB中心值低于-52℃的對(duì)流云團(tuán)。2018年7月14日20時(shí)(圖2d)，西風(fēng)槽略有北縮，并明顯東移，冷渦隨東風(fēng)系統(tǒng)西進(jìn)，中心位置移至浙江東南沿海上空，倒槽伸展到江蘇東部沿海上空，但冷渦中心及其西面大陸上空均無(wú)明顯云系出現(xiàn)。

通過(guò)以上分析可以看到，兩次過(guò)程的200 hPa高空上，北面都是西風(fēng)帶系統(tǒng)，并有較為深厚的高空槽東移；南面是一個(gè)東風(fēng)帶中的冷渦，冷渦中心及附近無(wú)明顯云系，在東風(fēng)氣流引導(dǎo)下西進(jìn)；西風(fēng)帶系統(tǒng)與冷渦之間是從海洋伸向內(nèi)陸的副高，形成了高壓壩。

從500 hPa高度場(chǎng)的分布特征看(圖3)：2015年7月29日08時(shí)(圖3a)，北面高空槽隨西風(fēng)帶系統(tǒng)逐漸東移，副高系統(tǒng)西伸至華東地區(qū)上空。此時(shí)副高南面并沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似200 hPa的閉合渦旋，只是在副高南側(cè)的臺(tái)灣島上空有一東風(fēng)倒槽曲率，形成了類(lèi)似東風(fēng)波的系統(tǒng)。同樣，2018年7月14日08時(shí)500 hPa上(圖3b)，北面也是西風(fēng)帶高空槽，副高控制了華東地區(qū)，副高南側(cè)只是出現(xiàn)了東風(fēng)波動(dòng)，并沒(méi)有形成閉合渦旋。

圖3 (a)2015年7月29日08時(shí)，(b)2018年7月14日08時(shí)500 hPa風(fēng)場(chǎng) (風(fēng)羽，單位：m·s-1)和高度場(chǎng)(等值線(xiàn)，單位：gpm)Fig.3 Wind field (wind barb, unit: m·s-1) and geopotential height (contour, unit: gpm) at 500 hPa at 08:00 BT on (a) 29 July 2015 and (b) 14 July 2018

在850 hPa上，2015年7月29日08時(shí)(圖4a)和2018年7月14日08時(shí)(圖4b)的副高中心有所偏差，2018年7月14日過(guò)程的副高中心位置偏東北，但兩次過(guò)程中整個(gè)華東、華南東部及東海上空均處于副高環(huán)流內(nèi)，值得注意的是在臺(tái)灣島及附近區(qū)域上空，兩次過(guò)程都沒(méi)有出現(xiàn)閉合渦旋以及東風(fēng)波動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 同圖3，但為850 hPaFig.4 Same asFig.3, but at 850 hPa

通過(guò)高、中、低三層形勢(shì)場(chǎng)、TBB衛(wèi)星云圖以及地面氣象要素可以看到，兩次過(guò)程具有高度相似的天氣形勢(shì)、卻出現(xiàn)截然不同的天氣現(xiàn)象。200 hPa上東風(fēng)帶中有一個(gè)冷渦，500 hPa上是副高南側(cè)類(lèi)似東風(fēng)波的系統(tǒng)，850 hPa上相同位置則處于副高環(huán)流內(nèi)，顯然，這是一個(gè)位于東風(fēng)帶中的高空冷渦。冷渦中心及其附近沒(méi)有明顯云系，這與其他兩類(lèi)東風(fēng)帶系統(tǒng)(臺(tái)風(fēng)和東風(fēng)波)以及西風(fēng)帶中的高空冷渦有顯著區(qū)別。

4 物理量場(chǎng)特征

圖5是兩次過(guò)程臺(tái)州洪家的探空曲線(xiàn)(站點(diǎn)位置參見(jiàn)圖1b)。2015年7月29日08時(shí)(圖5a)，850 hPa以下有逆溫，其強(qiáng)度可用干暖蓋指數(shù)來(lái)表征，值越小則干暖蓋越強(qiáng)，越有利于對(duì)流(壽紹文等，1993；馮晉勤等，2017)，此時(shí)洪家的干暖蓋指數(shù)為-42.4℃，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生。對(duì)流有效位能(CAPE)接近1 800 J·kg-1，表明了大氣中蘊(yùn)藏著極為豐富的不穩(wěn)定能量。狀態(tài)曲線(xiàn)(粗實(shí)線(xiàn))與露點(diǎn)曲線(xiàn)(虛線(xiàn))也呈現(xiàn)了一定的“上干下濕”層結(jié)結(jié)構(gòu)，有利于出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。對(duì)于強(qiáng)對(duì)流性天氣，環(huán)境風(fēng)垂直切變對(duì)風(fēng)暴發(fā)展和組織形式有重要作用。此時(shí)洪家上空850 hPa以下是西北偏西風(fēng)，風(fēng)速在4 m·s-1以下，400 hPa以上則是東北偏東風(fēng)，風(fēng)速?gòu)?00 hPa的12 m·s-1增強(qiáng)到200 hPa的30 m·s-1，上下層之間不僅風(fēng)速變化大，而且有明顯的風(fēng)向切變。

相比2015年7月29日08時(shí)，2018年7月14日08時(shí)(圖5b)在850 hPa以下沒(méi)有明顯的逆溫，CAPE在1 200～1 300 J·kg-1，大氣中也有相當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定能量；濕區(qū)并不深厚，主要集中在925 hPa以下的邊界層內(nèi)。垂直方向上，500 hPa以下基本是東南風(fēng)，以上則是偏東風(fēng)，低層的風(fēng)速為4～8 m·s-1，高層則在20 m·s-1左右，上下層之間不僅沒(méi)有明顯的風(fēng)向切變，而且風(fēng)速變化也不如2015年7月29日過(guò)程顯著。

圖5 (a)2015年7月29日08時(shí)，(b)2018年7月14日08時(shí)臺(tái)州洪家探空曲線(xiàn) (虛線(xiàn)表示露點(diǎn)溫度曲線(xiàn)，細(xì)實(shí)線(xiàn)表示溫度層結(jié)曲線(xiàn)，粗實(shí)線(xiàn)表示狀態(tài)曲線(xiàn))Fig.5 Observational soundings of Taizhou Hongjia at 08:00 BT on (a) 29 July 2015 and (b) 14 July 2018 (Dashed， thin solid and thick solid lines indicate dew point temperature curve, stratification curve and state curve, respectively)

到了午后，2015年7月29日14時(shí)(圖6a)，整個(gè)浙江、福建及沿海地區(qū)的CAPE值(陰影)均超過(guò)了1 000 J·kg-1，中心值更是超過(guò)了3 000 J·kg-1。

圖6 (a)2015年7月29日14時(shí)，(b)2018年7月14日14時(shí) CAPE(陰影)和LI(等值線(xiàn)，單位：℃)分布Fig.6 Distributions of CAPE (shaded) and LI (contour, unit: ℃) at 14:00 BT on (a) 29 July 2015 and (b) 14 July 2018

圖中抬升指數(shù)(LI)與CAPE有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，LI值低于-8℃的極不穩(wěn)定區(qū)域與CAPE值超過(guò)2 500 J·kg-1的高能區(qū)范圍基本重合。2018年7月14日14時(shí)(圖6b)，整個(gè)浙江、福建及沿海的CAPE值也基本在1 000 J·kg-1以上，中心值超過(guò)了2 500 J·kg-1，LI最小值在-7℃以下。相比2015年7月29日14時(shí)，2018年7月14日14時(shí)雖然數(shù)值略低，但也完全具備了強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的環(huán)境條件。有研究結(jié)果表明中國(guó)東部地區(qū)颮線(xiàn)的CAPE平均為1 000～2 000 J·kg-1，LI平均為-5～-2℃(Meng et al，2013)，可見(jiàn)這兩次過(guò)程的能量和不穩(wěn)定非常適宜強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。另外兩次過(guò)程14時(shí)的大氣可降水量(圖略)均在36 mm以上，最大值超過(guò)了52 mm，也都具備了一定的水汽條件。

從探空及物理量分布可以看到，無(wú)論能量、不穩(wěn)定層結(jié)，還是大氣可降水量，兩次過(guò)程都具備了強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的環(huán)境條件，相比而言，2015年7月29日過(guò)程蘊(yùn)含了更豐富的能量和更強(qiáng)烈的不穩(wěn)定。

5 觸發(fā)條件

兩次過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)、演變以及環(huán)境條件具有高度的相似性，卻產(chǎn)生了完全不同的天氣現(xiàn)象。強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生除了不穩(wěn)定層結(jié)、水汽條件等環(huán)境背景外，更為關(guān)鍵的是要有抬升觸發(fā)機(jī)制(朱乾根等，2007)。

圖7是利用地面自動(dòng)站和雷達(dá)資料繪制的2015年7月29日地面風(fēng)矢量場(chǎng)、雷達(dá)組合反射率和未來(lái)1 h累計(jì)雨量。10時(shí)風(fēng)場(chǎng)上(圖7a)，浙江東南沿海和福建東北沿海因海洋、陸地風(fēng)速風(fēng)向的差異，出現(xiàn)了風(fēng)的輻合，其中浙江東南部風(fēng)速較小，形成了較弱的中尺度輻合線(xiàn)；福建東北部是由偏西風(fēng)和東南風(fēng)形成的輻合，輻合更強(qiáng)。12時(shí)(圖7b)，浙東南輻合線(xiàn)繼續(xù)維持，隨著東南風(fēng)增強(qiáng)，輻合強(qiáng)度略有加強(qiáng)。閩東北輻合線(xiàn)隨東南風(fēng)向西北推進(jìn)，強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。此時(shí)中尺度輻合線(xiàn)周?chē)霈F(xiàn)了雷達(dá)回波，閩東北輻合線(xiàn)周邊有較強(qiáng)回波，未來(lái)1 h降水也出現(xiàn)在中尺度輻合線(xiàn)附近區(qū)域。另外，與江西交界附近的閩西北地區(qū)，也出現(xiàn)了風(fēng)場(chǎng)的輻合，對(duì)應(yīng)著雷達(dá)回波以及未來(lái)1 h降水區(qū)。

13時(shí)(圖7c)，隨著高空冷渦西進(jìn)，在東南風(fēng)引導(dǎo)下，幾條輻合線(xiàn)都有不同程度地向西北方向移動(dòng)，回波逐漸加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)降水也明顯加大，對(duì)流更加顯著，中尺度輻合線(xiàn)、強(qiáng)回波區(qū)與強(qiáng)降水以及雷暴大風(fēng)關(guān)系密切、對(duì)應(yīng)較好。在14時(shí)(圖7d)該現(xiàn)象依舊存在，而且強(qiáng)度和范圍均得到了加強(qiáng)，之后隨著高空冷渦進(jìn)一步西進(jìn)，中尺度輻合線(xiàn)、強(qiáng)回波、強(qiáng)降水以及雷暴大風(fēng)也隨之向西北內(nèi)陸推進(jìn)(圖略)，影響了整個(gè)浙江、福建北部、安徽南部以及江西東北部地區(qū)，上述地區(qū)都出現(xiàn)了強(qiáng)烈的對(duì)流天氣。

但是這種現(xiàn)象在2018年7月14日過(guò)程卻沒(méi)有出現(xiàn)，無(wú)論在2018年7月14日10時(shí)(圖8a)、12時(shí)(圖8b)還是其他時(shí)次(圖略)，整個(gè)浙江幾乎都是從沿海到內(nèi)陸的東南風(fēng)，福建則是東北偏東風(fēng)，除了風(fēng)速場(chǎng)上有所變化外，風(fēng)向上基本沒(méi)有出現(xiàn)輻合或切變，也就沒(méi)有觸發(fā)對(duì)流天氣。另外，從850 hPa副高形態(tài)來(lái)看(參見(jiàn)圖4)，兩個(gè)過(guò)程有所不同，2015年7月29日過(guò)程副高在華東呈西南—東北向，有利于西南風(fēng)或偏西風(fēng)與低層?xùn)|南風(fēng)的輻合，特別是在浙南和福建；而2018年7月14日過(guò)程副高基本控制了華東，副高西南側(cè)的偏東風(fēng)氣流伸到內(nèi)陸，因此輻合不明顯。

從以上分析可以看到，2015年7月29日中午在浙閩沿海因海洋、陸地風(fēng)速風(fēng)向差異以及高低層風(fēng)向輻合等因素影響下，形成了東、西風(fēng)之間的中尺度輻合線(xiàn)，隨后中尺度輻合線(xiàn)觸發(fā)或加強(qiáng)了對(duì)流天氣；而2018年7月14日浙閩沿海是較為一致的東向氣流，沒(méi)有形成中尺度輻合線(xiàn)，從而缺乏了對(duì)流啟動(dòng)機(jī)制。

為了了解高空形勢(shì)與地面中尺度輻合線(xiàn)之間的關(guān)系，用垂直速度、散度和垂直環(huán)流的剖面來(lái)進(jìn)行分析。兩條輻合線(xiàn)附近都出現(xiàn)了對(duì)流天氣，閩東北輻合線(xiàn)隨時(shí)間變化快、移動(dòng)明顯，浙東南輻合線(xiàn)位置相對(duì)固定，由于GFS資料的時(shí)間分辨率為6 h，因此采用沿著28°N的剖面來(lái)分析浙東南輻合線(xiàn)附近的風(fēng)場(chǎng)、散度場(chǎng)變化，以探討高空冷渦背景下高空與地面風(fēng)場(chǎng)之間的聯(lián)系。

2015年7月29日08時(shí)(圖9a)，垂直速度(等值線(xiàn))從上到下以正值為主，表明了是下沉氣流為主導(dǎo)，700 hPa以下的小范圍區(qū)域內(nèi)，存在上升運(yùn)動(dòng)；散度(填色)在近地面層以正值居多，表明近地面層以輻散為主，從850 hPa到200 hPa呈現(xiàn)輻合、輻散、輻合的分布。到了14時(shí)(圖9b)，低層輻合明顯加強(qiáng)，400 hPa以下幾乎都轉(zhuǎn)為輻合，尤其是850 hPa 以下輻合更加明顯，而400 hPa以上輻散顯著加大。值得注意的是在垂直速度場(chǎng)上，120°E上空出現(xiàn)了-0.8 Pa·s-1的上升運(yùn)動(dòng)中心，上升運(yùn)動(dòng)大大增強(qiáng)，可見(jiàn)，對(duì)流層高層冷渦西進(jìn)時(shí)，冷渦前進(jìn)方向高層的輻散式旋轉(zhuǎn)特性增強(qiáng)了中低層的上升運(yùn)動(dòng)，有利于對(duì)流天氣的加強(qiáng)。

圖9c和9d是2018年7月14日過(guò)程08時(shí)和14時(shí)沿28°N的散度(填色)和垂直速度(等值線(xiàn))疊加圖，可以看到，隨著高層冷渦西進(jìn)，無(wú)論是散度場(chǎng)還是垂直速度場(chǎng)上，對(duì)比08時(shí)，14時(shí)均沒(méi)有發(fā)生明顯變化，這與2015年7月29日過(guò)程明顯不同。究其原因，是因?yàn)槔錅u在西進(jìn)過(guò)程中，會(huì)增強(qiáng)低層偏東氣流，圖7和圖8的地面風(fēng)場(chǎng)變化均表明了兩個(gè)過(guò)程都存在偏東氣流加強(qiáng)的現(xiàn)象。由于2015年7月29日過(guò)程地面有東、西風(fēng)之間的輻合，偏東風(fēng)加強(qiáng)有利于增強(qiáng)低層輻合，配合高層的輻散式旋轉(zhuǎn)，會(huì)加強(qiáng)中低層的上升運(yùn)動(dòng)，有助于對(duì)流天氣加強(qiáng)。而2018年7月14日過(guò)程由于地面一致的東南風(fēng)，雖然風(fēng)速加大了，但是沒(méi)有產(chǎn)生輻合，也就沒(méi)有從本質(zhì)上改變環(huán)境背景場(chǎng)。因此，高層冷渦主要是提供環(huán)境背景條件，觸發(fā)對(duì)流的機(jī)制更多是在低層的輻合系統(tǒng)，當(dāng)?shù)蛯映霈F(xiàn)了輻合或?qū)α鲿r(shí)，高空冷渦背景就能增強(qiáng)低層的輻合、加強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展。

圖7 2015年7月29日(a)10時(shí)，(b)12時(shí)，(c)13時(shí)，(d)14時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)、 組合反射率(填色)和未來(lái)1 h雨量(等值線(xiàn)，單位：mm) (粗虛線(xiàn)表示地面輻合線(xiàn)或切變線(xiàn))Fig.7 Surface wind field (vector, unit: m·s-1), composite reflectivity (colored) and future hourly accumulated rainfall (contour, unit: mm) at (a) 10:00 BT, (b) 12:00 BT, (c) 13:00 BT and (d) 14:00 BT 29 July 2015 (Thick dashed lines denote surface convergence lines or shear lines)

圖8 2018年7月14日(a)10時(shí)，(b)12時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢，單位：m·s-1)Fig.8 Surface wind field (vector, unit: m·s-1) at (a) 10:00 BT and (b) 12:00 BT 14 July 2018

圖9 2015年7月29日(a) 08時(shí)，(b)14時(shí)，2018年7月14日(c)08時(shí)，(d)14時(shí) 沿28°N的散度(填色)和垂直速度(等值線(xiàn)，單位：Pa·s-1)剖面 (圖9a和9b風(fēng)矢量表示垂直環(huán)流)Fig.9 Vertical cross-sections of the divergence (colored) and vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) along 28°N at (a) 08:00 BT, (b) 14:00 BT 29 July 2015 and (c) 08:00 BT, (d) 14:00 BT 14 July 2018 (Wind vector indicates the vertical circulation in Figs.9a, 9b)

圖10a是2015年7月29日08時(shí)沿高空冷渦中心122.5°E的垂直速度(等值線(xiàn))和散度(填色)的垂直剖面。從散度場(chǎng)上看，高空冷渦主要位于500～200 hPa(紅色方框)，垂直方向上是一個(gè)較為淺薄的系統(tǒng)，冷渦低層輻合、高層輻散；垂直速度顯示冷渦內(nèi)部以上升運(yùn)動(dòng)為主，上升運(yùn)動(dòng)中心在-0.6 Pa·s-1以上。500 hPa以下的冷渦下方總體是輻散下沉氣流。熱力結(jié)構(gòu)方面(圖10b)，冷渦的相對(duì)濕度(等值線(xiàn))較高，基本處于80%以上，其下方由于受副高影響，相對(duì)較干；假相當(dāng)位溫顯示冷渦處在330～340 K，相對(duì)平流層和近地面而言，溫度偏低，是一個(gè)高空冷渦。通過(guò)對(duì)2018年7月14日過(guò)程高空冷渦的熱動(dòng)力空間結(jié)構(gòu)分析(圖略)，也可以看到類(lèi)似的結(jié)果。處于東風(fēng)帶中的這個(gè)渦旋系統(tǒng)與臺(tái)風(fēng)、東風(fēng)波等東風(fēng)帶系統(tǒng)顯著不同，其垂直方向上并不深厚，主要位于對(duì)流層中上層，濕度較高但溫度較低，系統(tǒng)本身不像臺(tái)風(fēng)或東風(fēng)波那樣會(huì)發(fā)生大風(fēng)、暴雨等強(qiáng)烈天氣。但高空冷渦向西移動(dòng)過(guò)程中，引導(dǎo)了低層系統(tǒng)西進(jìn)，同時(shí)冷渦前方高空輻散式旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)，若地面已有對(duì)流發(fā)生，則有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展、加強(qiáng)。

圖10 2015年7月29日08時(shí)(a)散度(填色)和垂直速度(等值線(xiàn)，單位：Pa·s-1), (b)θse(填色)和相對(duì)濕度(等值線(xiàn)，單位：%)沿冷渦中心122.5°E垂直剖面 (風(fēng)矢量表示垂直環(huán)流，紅色方框表示冷渦)Fig.10 Vertical cross-sections along cold vortex center (122.5°E) for (a) the divergence (colored) and vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1), and (b) θse(colored) and relative humidity (contour, unit: %) at 08:00 BT 29 July 2015 (Wind vector and red rectangle indicate the vertical circulation and cold vortex, respectively)

6 結(jié)論與討論

2015年7月29日發(fā)生在浙江及浙閩沿海的天氣過(guò)程造成了雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，利用多種資料并結(jié)合2018年7月14日相似天氣形勢(shì)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

(1)兩次過(guò)程是在東風(fēng)帶高空冷渦背景下發(fā)生的：在200 hPa上均存在一個(gè)東風(fēng)帶渦旋，500 hPa是類(lèi)似東風(fēng)波的系統(tǒng)，850 hPa處于副高環(huán)流中。這兩次過(guò)程都具備了強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生潛勢(shì)，2015年7月29日出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，而2018年7月14日卻風(fēng)平浪靜，沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

(2)處于東風(fēng)帶中的渦旋系統(tǒng)與臺(tái)風(fēng)、東風(fēng)波等系統(tǒng)顯著不同，其垂直方向上并不深厚，主要位于對(duì)流層中上層，濕度較高但溫度較低，系統(tǒng)本身不像臺(tái)風(fēng)或東風(fēng)波那樣會(huì)發(fā)生大風(fēng)、暴雨等強(qiáng)烈天氣。

(3)2015年7月29日中午在浙閩沿海因海洋、陸地風(fēng)向風(fēng)速差異以及高低層之間風(fēng)向輻合等因素影響下，形成了東、西風(fēng)之間的中尺度輻合線(xiàn)，隨后中尺度輻合線(xiàn)觸發(fā)或加強(qiáng)了對(duì)流天氣，而2018年7月14日過(guò)程雖然具備了對(duì)流潛勢(shì)，但由于低層沒(méi)有觸發(fā)機(jī)制，因此沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)對(duì)流。高層冷渦西進(jìn)時(shí)，冷渦前進(jìn)方向高層的輻散式旋轉(zhuǎn)特性增強(qiáng)了中低層的上升運(yùn)動(dòng)，若地面已有對(duì)流發(fā)生，則有助于對(duì)流天氣加強(qiáng)，這與西風(fēng)帶天氣過(guò)程有顯著差異，會(huì)給強(qiáng)對(duì)流的預(yù)報(bào)預(yù)警造成較大困難，應(yīng)特別關(guān)注。

通過(guò)兩個(gè)個(gè)例的對(duì)比分析，可以看到在日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，除了要關(guān)注或分析500 hPa及以下高度場(chǎng)上系統(tǒng)的分布和變化之外，也要留意高空系統(tǒng)。高層系統(tǒng)(如高空冷渦等)會(huì)誘發(fā)或加強(qiáng)低層系統(tǒng)，從而引發(fā)或加劇天氣。高空冷渦背景下的強(qiáng)對(duì)流天氣，其觸發(fā)條件主要在低層，高空冷渦在天氣背景和引導(dǎo)氣流方面的作用更為突出，該類(lèi)型天氣是否存在更多個(gè)例以及更多個(gè)性或共性的機(jī)理性問(wèn)題則需要進(jìn)一步探索和研究。