秋季渤海海效應(yīng)降雨的統(tǒng)計(jì)特征及形成機(jī)理

楊成芳，曹玥瑤

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031；2.山東省氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南 250031)

引言

海效應(yīng)降雨是指強(qiáng)冷空氣流經(jīng)暖海面所產(chǎn)生的降雨過(guò)程，是海效應(yīng)事件天氣現(xiàn)象之一。渤海海效應(yīng)事件中有約一半會(huì)造成山東半島降水，其中冬半年主要造成降雪，個(gè)別情況下也可形成降雨[1]。預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)，在深秋，當(dāng)強(qiáng)冷空氣影響渤海和山東，各層低槽均已過(guò)境轉(zhuǎn)為槽后西北氣流控制時(shí)，山東半島北部沿海地區(qū)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生陣雨。這種降雨就是海效應(yīng)降雨，業(yè)務(wù)中又稱為冷流降雨，其發(fā)生發(fā)展機(jī)理與內(nèi)陸地區(qū)降雨有明顯區(qū)別。

近年來(lái)，我國(guó)海效應(yīng)降雪(冷流降雪)研究進(jìn)展迅速[2]，研究對(duì)象涵蓋了渤海和東海的海效應(yīng)降雪，涉及到山東、遼寧、上海等地[3-21]。渤海海效應(yīng)降雪作為冬半年常見(jiàn)的天氣現(xiàn)象，研究成果頗為豐富。渤海海效應(yīng)降雪在山東半島、萊州灣沿岸、魯中北部地區(qū)、遼東半島的冬季均可發(fā)生，以山東半島最為顯著[3-5]，12月具備最佳降雪條件[6]。盡管不同地區(qū)降雪差異大，發(fā)生時(shí)的天氣形勢(shì)也各不相同，但在天氣圖上的關(guān)鍵區(qū)域有共性環(huán)流形勢(shì)特征，即在500 hPa等壓面上，貝加爾湖以東至日本海為低壓區(qū)，存在冷渦或低槽；對(duì)流層低層山東半島為槽后西北冷平流；地面氣壓場(chǎng)上，渤海和山東半島處在冷高壓控制之下，海效應(yīng)降雪發(fā)生在冷鋒之后。其中，對(duì)流層低層渤海及山東半島為槽后西北冷平流是海效應(yīng)降雪的顯著特征，也是區(qū)分冷流降雪與其他類型降雪的重要標(biāo)志[3,7-8]。持續(xù)性暴雪發(fā)生在阻塞形勢(shì)之下，不斷有冷空氣影響山東半島。渤海海效應(yīng)暴雪過(guò)程存在多尺度作用機(jī)制[4]，中尺度特征尤為顯著[9]，存在淺層對(duì)流[10-11]和低層切變線。無(wú)論是在渤海南部萊州灣一帶的強(qiáng)降雪，還是山東半島北部的煙臺(tái)、威海一帶的降雪，近海面上都存在東北風(fēng)，而西北風(fēng)則為環(huán)境風(fēng)場(chǎng)，二者構(gòu)成切變線，產(chǎn)生強(qiáng)降雪[12-15]。在東北冷渦偏南、冷空氣很強(qiáng)的情況下，遼東半島的海效應(yīng)降雪可達(dá)到中雪量級(jí)[16]。上海地區(qū)海效應(yīng)降雪與東海暖海面有關(guān)，年平均發(fā)生次數(shù)為1.2次，占總降雪日數(shù)的25%[17]。在資料和技術(shù)方法方面，多采用衛(wèi)星、多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、加密自動(dòng)氣象站和海上浮標(biāo)站等高時(shí)空分辨率資料及雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)，針對(duì)海效應(yīng)降雪的中尺度特征過(guò)程進(jìn)行研究[18-21]。多普勒天氣雷達(dá)應(yīng)用尤其普遍，可從中發(fā)現(xiàn)海效應(yīng)降雪的形態(tài)、列車效應(yīng)、逆風(fēng)區(qū)、切變線等特征，是海效應(yīng)降雪短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警的有效信號(hào)。以上研究成果為預(yù)報(bào)員認(rèn)識(shí)海效應(yīng)降雪和提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也為海效應(yīng)降雨的研究和預(yù)報(bào)提供了有益思路。

相較于海效應(yīng)降雪，海效應(yīng)降雨是小概率事件，過(guò)去對(duì)海效應(yīng)降雨關(guān)注度低。初步研究[1,3]表明，渤海海效應(yīng)降雨在10月、11月、12月和3月均可發(fā)生，11月最多，11月中上旬降雨時(shí)山東半島東部850 hPa溫度在-6 ℃左右。與海效應(yīng)降雨形成機(jī)制類似的有湖效應(yīng)降雨，發(fā)生在北美五大湖地區(qū)[22-24]。MOORE and ORVILLE[23]利用7 a的資料研究了伊利湖(Lake Erie)附近的湖效應(yīng)降雨天氣特征并與湖效應(yīng)降雪進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)湖效應(yīng)降雨通常在初秋冷空氣爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生，其產(chǎn)生的天氣形勢(shì)與湖效應(yīng)降雪相同，主要差異在于對(duì)流層低層的熱力條件，湖效應(yīng)降雪有明顯的對(duì)流不穩(wěn)定，而湖效應(yīng)降雨沒(méi)有對(duì)流不穩(wěn)定，存在條件不穩(wěn)定。由于研究薄弱，一些關(guān)鍵問(wèn)題尚未清楚，例如，海效應(yīng)降雨的時(shí)空分布、降雨強(qiáng)度有何特點(diǎn)，是否存在雨雪轉(zhuǎn)換，其發(fā)生時(shí)需要滿足什么樣的冷空氣強(qiáng)度、海氣溫差和動(dòng)力條件，與海效應(yīng)降雪相比有何差異，等等。預(yù)報(bào)員對(duì)此缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致實(shí)際業(yè)務(wù)中海效應(yīng)降雨經(jīng)常漏報(bào)，難以滿足人們對(duì)精細(xì)化預(yù)報(bào)的需求。近年來(lái)沿海探測(cè)資料日漸豐富，為海效應(yīng)降雨的研究提供了良好的條件。本文利用多源觀測(cè)資料，首先統(tǒng)計(jì)分析了近22 a中31次秋季海效應(yīng)降雨過(guò)程的基本特征，然后分析了一次典型渤海海效應(yīng)降雨天氣的形成機(jī)理，以期加深預(yù)報(bào)員對(duì)渤海海效應(yīng)降雨基本發(fā)生發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為海效應(yīng)降雨預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)，并與常見(jiàn)的海效應(yīng)降雪構(gòu)成完整的渤海海效應(yīng)降水事件概念模型。

1 資料與方法

1.1 資料

統(tǒng)計(jì)分析海效應(yīng)降雨特征時(shí)，使用了1999—2020年秋季(9—11月)的常規(guī)高空、地面圖資料及山東122個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站逐日降水資料。個(gè)例分析資料采用2019年11月12—15日榮成雞鳴島浮標(biāo)站(37.501°N，122.551°E)的逐時(shí)海面溫度、3 m氣溫、風(fēng)速、比濕、氣壓，山東逐時(shí)加密自動(dòng)氣象站、煙臺(tái)和榮成CINRAD/SA多普勒天氣雷達(dá)、NCEP/NCAR逐6 h再分析資料。其中，煙臺(tái)多普勒天氣雷達(dá)位于37.50°N，121.38°E，海拔高度為0.41 km，位于煙臺(tái)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站(37.53°N，121.40°E)西南方向3.6 km處；榮成多普勒天氣雷達(dá)位于37.15°N，122.37°E，海拔高度為0.129 km，位于榮成國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站(37.17°N，122.38°E)西南方向，此次降雨過(guò)程中雷達(dá)的體掃模式為VCP21，9個(gè)仰角掃描。

1.2 方法

1.2.1 海效應(yīng)降雨過(guò)程的統(tǒng)計(jì)方法

渤海海效應(yīng)降雨發(fā)生的天氣形勢(shì)與海效應(yīng)降雪形勢(shì)類似，滿足以下條件[3]：500 hPa等壓面上，在貝加爾湖以東至日本海存在冷渦或低槽；對(duì)流層低層(850 hPa及其以下層次)，山東半島為槽后西北冷平流；地面氣壓場(chǎng)上，亞洲中高緯度地區(qū)為龐大的冷高壓覆蓋，低壓中心位于日本海附近或以東地區(qū)，渤海和山東半島處在冷高壓控制之下，降雨發(fā)生在冷鋒之后。在此類天氣形勢(shì)下，山東半島出現(xiàn)降雨，則為一次海效應(yīng)降雨過(guò)程。如果500 hPa在60°N以南、140°E以西關(guān)鍵區(qū)內(nèi)存在冷渦，則稱500 hPa的影響系統(tǒng)為冷渦，如果在該區(qū)域內(nèi)只有低槽，則稱500 hPa的影響系統(tǒng)為低槽。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)利用高空?qǐng)D和地面圖進(jìn)行普查，1999—2020年共篩選出31次海效應(yīng)降雨過(guò)程，其中有16次為冷渦影響，15次為低槽影響。

1.2.2 感熱通量的計(jì)算方法

為了定量分析海洋向大氣輸送的感熱，個(gè)例分析中采用了海氣感熱通量公式[25]進(jìn)行計(jì)算：

Qs=ρa(bǔ)cpch(Ts-Ta)u10

(1)

式中，ρa(bǔ)為空氣密度，由濕空氣狀態(tài)方程計(jì)算得出；cp為定壓比熱，取平均值1 004.67 J·kg-1·K-1；ch為感熱交換系數(shù)，取平均值1.261×10-3J·kg-1·℃-1；u10為海面10 m風(fēng)速，單位為m·s-1；Ts為海面溫度，Ta為近海面氣溫，單位為℃。

2 渤海海效應(yīng)降雨的統(tǒng)計(jì)特征

2.1 降雨特征

2.1.1 降雨時(shí)間

1999—2020年秋季，山東半島共出現(xiàn)31次海效應(yīng)降雨過(guò)程，平均每年1.4次。由發(fā)生的時(shí)間來(lái)看，海效應(yīng)降雨最早出現(xiàn)在10月19日(2007年)，最晚為11月29日(2008年)。10月中旬1次，10月下旬5次，11月共25次，11月占總數(shù)的83%，可見(jiàn)渤海海效應(yīng)降雨主要出現(xiàn)在11月。細(xì)分11月各旬的降雨次數(shù)，可見(jiàn)降雨多發(fā)生在11月上旬和中旬，分別為8次和11次，到下旬降雨次數(shù)減少至6次(圖1)。海效應(yīng)降雨的持續(xù)時(shí)間較短，一次降雨過(guò)程均在1 d內(nèi)，最長(zhǎng)時(shí)間為21 h，最短時(shí)間不足1 h。

2.1.2 降雨量及空間分布

由降水量來(lái)看，31次過(guò)程各站的降水量均為小雨。其中，有11次過(guò)程為微量降雨，20次過(guò)程為有量降雨。最大降雨量為8 mm，2002年11月3日出現(xiàn)在福山和榮成。海效應(yīng)降雨的落區(qū)與海效應(yīng)降雪基本相同，分布在山東半島北部沿海的煙臺(tái)和威海地區(qū)，處在近東西向分布的低山丘陵北側(cè)，以煙臺(tái)、福山、牟平、威海、文登和榮成最為顯著(圖略)。

2.1.3 降水相態(tài)

在31次過(guò)程中，有22次過(guò)程為純雨；9次過(guò)程存在降水相態(tài)轉(zhuǎn)換，其中7次為雨轉(zhuǎn)雨夾雪，2次為雨轉(zhuǎn)雪。雨雪轉(zhuǎn)換過(guò)程的相態(tài)較為復(fù)雜，有時(shí)候各站點(diǎn)雨雪共存，有的站點(diǎn)為雨，有的為雨夾雪，有的為雨轉(zhuǎn)雨夾雪或者雨夾雪再轉(zhuǎn)雪。渤海海效應(yīng)雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換的天氣過(guò)程均發(fā)生在11月，10月只有純降雨(圖1)。

2.2 500 hPa影響系統(tǒng)

31次海效應(yīng)降雨過(guò)程中，15次低槽影響的降水量和降雨范圍均較小，單站最大降水量為3.3 mm；16次冷渦影響的降水量稍大，一般可達(dá)到3 mm以上，單站最大降水量為8 mm，降雨范圍較低槽影響時(shí)大，通?？筛采w煙臺(tái)和威海的北部沿海地區(qū)。該特點(diǎn)與海效應(yīng)降雪基本相同，即在海效應(yīng)降雪過(guò)程中，當(dāng)有冷渦影響尤其是冷渦位置偏南時(shí)，可在煙臺(tái)和威海地區(qū)產(chǎn)生大范圍海效應(yīng)暴雪[26-27]。

有的過(guò)程首先出現(xiàn)500 hPa(冷渦)低槽前西南氣流系統(tǒng)性降雨，當(dāng)?shù)筒圻^(guò)境轉(zhuǎn)為西北氣流、對(duì)流層低層強(qiáng)冷空氣影響渤海和山東半島時(shí)轉(zhuǎn)為海效應(yīng)降雨，有的過(guò)程則僅產(chǎn)生海效應(yīng)降雨(圖略)。

2.3 850 hPa溫度和地面氣溫

在海面溫度變化緩慢的情況下，海效應(yīng)降水事件能否發(fā)生主要取決于冷空氣的強(qiáng)度。與海效應(yīng)降雪相同，海效應(yīng)降雨也是一種低云降水，其云頂接近于850 hPa，因此850 hPa的風(fēng)成為海效應(yīng)降雨的引導(dǎo)氣流，850 hPa上的冷平流強(qiáng)弱基本代表冷空氣的強(qiáng)度，通常以山東半島850 hPa的溫度作為海效應(yīng)降雨發(fā)生的指標(biāo)，也是業(yè)務(wù)中海效應(yīng)降水熱力條件的重要判據(jù)。統(tǒng)計(jì)分析31次海效應(yīng)降雨發(fā)生時(shí)的850 hPa溫度，按照就近原則，以降雨發(fā)生在08時(shí)或20 時(shí)的榮成探空站850 hPa溫度作為代表。圖2給出了各旬海效應(yīng)降雨過(guò)程中降雨、轉(zhuǎn)雨夾雪或雪時(shí)的850 hPa溫度，圖3給出了9次轉(zhuǎn)雨夾雪或雪過(guò)程中出現(xiàn)雨夾雪或雪的站點(diǎn)地面氣溫，以此分析海效應(yīng)降雨(雪)發(fā)生時(shí)冷空氣強(qiáng)度和溫度特征。

圖2 1999—2020年31次海效應(yīng)降雨過(guò)程發(fā)生時(shí)榮成探空站850 hPa溫度(單位：℃)Fig.2 Temperature (units: ℃) at 850 hPa at Rongcheng Station during 31 Bohai ocean-effect rain events from 1999 to 2020

圖3 1999—2020年9次海效應(yīng)降雨過(guò)程雨夾雪(或雪)發(fā)生時(shí)的地面2 m氣溫(單位：℃)Fig.3 Surface air temperature (units: ℃) at 2 m during 9 Bohai ocean-effect rain events with sleet (or snow) from 1999 to 2020

由圖2可以看出：10月，降雨時(shí)榮成探空站850 hPa溫度在-2～0 ℃之間；11月上旬，850 hPa溫度集中在-6～-5 ℃，最高為-4 ℃；11月中旬和下旬，中位數(shù)分別為-6 ℃和-7 ℃。總體來(lái)說(shuō)，隨著渤海海面溫度的逐漸下降，海效應(yīng)降雨發(fā)生時(shí)需要的冷空氣強(qiáng)度也越來(lái)越強(qiáng)，10月至11月850 hPa的溫度逐漸降低，10月在-1 ℃左右，11月在-6 ℃左右。

進(jìn)一步考察11月9次海效應(yīng)降雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雪天氣過(guò)程的溫度特征。此類過(guò)程通常先降雨后轉(zhuǎn)為雨夾雪或雪，有的過(guò)程為部分站點(diǎn)降雨，另外一些站點(diǎn)雨轉(zhuǎn)雪。發(fā)生雨夾雪或雪時(shí)，850 hPa的溫度一般在-9～-8 ℃之間(圖2)，較海效應(yīng)降雨略低1～2 ℃，較同期的海效應(yīng)暴雪過(guò)程的850 hPa溫度(-10 ℃以下)略高。雨夾雪發(fā)生時(shí)的地面氣溫各旬差異不大，集中在1～3 ℃之間，中位數(shù)為2～3 ℃，最高地面氣溫為6 ℃；降雪發(fā)生時(shí)地面2 m氣溫11月中上旬均集中在3～5 ℃之間，下旬略低，為3～4 ℃(圖3)?？傮w而言，11月發(fā)生雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雪時(shí)850 hPa的溫度一般為-9～-8 ℃，地面2 m氣溫集中在2～4 ℃之間。

2.4 850 hPa風(fēng)向風(fēng)速

850 hPa作為引導(dǎo)氣流層，其風(fēng)向風(fēng)速基本決定了海效應(yīng)降雨云帶向下游傳播的方向和向內(nèi)陸伸展的范圍。在31次海效應(yīng)降雨過(guò)程中，850 hPa風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)的過(guò)程有28次，占總數(shù)的90%，有3次過(guò)程風(fēng)向?yàn)槲魑鞅憋L(fēng)，由此可見(jiàn)，西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。就風(fēng)速而言，風(fēng)速的增大有助于增強(qiáng)來(lái)自暖水面熱量、水汽的輸送和通過(guò)邊界層的垂直混合，適度的風(fēng)有利于產(chǎn)生輻合，使得垂直速度和最大降水率增強(qiáng)，但風(fēng)速的增大將縮短駐留的時(shí)間，會(huì)減少來(lái)自暖水面熱量和水汽改變大氣的機(jī)會(huì)[4]。31次降雨過(guò)程的850 hPa風(fēng)速均在10～20 m·s-1之間，風(fēng)速為12 m·s-1的次數(shù)最多，為10次，其次為18 m·s-1和14 m·s-1，12～18 m·s-1占總次數(shù)的84%，表明海效應(yīng)降雨850 hPa適宜風(fēng)速為12～18 m·s-1(圖4)。與周雪松等[1]對(duì)所有海效應(yīng)事件的850 hPa風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果相比較，二者均表現(xiàn)為風(fēng)速12 m·s-1的頻次最高，但從總體來(lái)看，所有海效應(yīng)事件中850 hPa風(fēng)速為7～16 m·s-1的占總數(shù)的87.4%，較海效應(yīng)降雨的適宜風(fēng)速略小。

圖4 1999—2020年渤海海效應(yīng)降雨過(guò)程850 hPa風(fēng)速(單位：m·s-1)分布Fig.4 Distribution of wind speed (units: m·s-1) at 850 hPa during Bohai ocean-effect rain events from 1999 to 2020

3 渤海海效應(yīng)降雨的典型個(gè)例分析

以2019年11月13日典型渤海海效應(yīng)降雨過(guò)程為例，分析海效應(yīng)降雨產(chǎn)生的環(huán)流形勢(shì)、熱力、動(dòng)力及雷達(dá)回波特征，揭示其形成機(jī)理。

3.1 降雨實(shí)況

2019年11月12—13日，山東先后出現(xiàn)高空低槽影響的系統(tǒng)性降雨和海效應(yīng)降雨。12日夜間至13日上午，為低槽前的全省性降雨，大部地區(qū)為小雨。海效應(yīng)降雨自13日14時(shí)(北京時(shí)，下同)從煙臺(tái)的北部沿海開始，23時(shí)在榮成結(jié)束，強(qiáng)降雨時(shí)段集中在17—22時(shí)。海效應(yīng)降雨出現(xiàn)在煙臺(tái)北部沿海和威海地區(qū)，煙臺(tái)市牟平區(qū)的昆崳山林場(chǎng)站過(guò)程降水量最大，為6.6 mm，其次是5.9 mm(牟平站)；最大小時(shí)雨量為3.0 mm，20—21時(shí)出現(xiàn)在文登站(圖5a、b)。降雨顯示出陣性特征，雷達(dá)回波為塊狀，最大反射率因子為45～50 dBZ，自西北向東南方向移動(dòng)(圖5c、d)。

圖5 2019年11月13日14—23時(shí)山東半島海效應(yīng)過(guò)程總降雨量(a，單位：mm)、逐時(shí)降水量(b，單位：mm)和雷達(dá)組合反射率因子(c. 18:00，d. 20:22；單位：dBZ)Fig.5 Total ocean-effect precipitation (a， units: mm) and hourly precipitation (b， units: mm) in Shandong Peninsula from 14:00 BST to 23:00 BST, and radar composite reflectivity (c. 18:00 BST, d. 20:22 BST; units: dBZ) on 13 November 2019

3.2 環(huán)流形勢(shì)

圖6給出了此次海效應(yīng)降雨強(qiáng)盛時(shí)段的500 hPa、850 hPa、地面天氣圖和降雨前后的冷空氣情況。由圖可以看出，海效應(yīng)降雨過(guò)程發(fā)生在有較強(qiáng)冷空氣影響渤海和山東半島的形勢(shì)下。13日20時(shí)，500 hPa(圖6a)上，歐亞大陸中高緯度地區(qū)為“兩槽兩脊”形勢(shì)，貝加爾湖以東地區(qū)為深厚冷渦，其后冷中心為-44 ℃，我國(guó)東北地區(qū)為經(jīng)向度大的低槽。850 hPa(圖6b)上，渤海和山東半島處在低槽后部的西北冷氣流中，山東半島北部沿海的溫度在-8～-6 ℃之間。地面圖上，我國(guó)東部地區(qū)為冷高壓控制，日本海為低壓區(qū)(圖6c)，地面冷鋒自11時(shí)移過(guò)山東半島。這種天氣形勢(shì)有利于較強(qiáng)冷空氣影響渤海和山東半島地區(qū)。過(guò)煙臺(tái)的溫度平流和水平風(fēng)場(chǎng)的演變顯示，自12日14時(shí)起，隨著500 hPa低槽加強(qiáng)東移，對(duì)流層中高層冷空氣也隨之影響煙臺(tái)地區(qū)，13日08時(shí)500～400 hPa有強(qiáng)冷平流，此后925～600 hPa間的冷平流中心值達(dá)到-60×10-6～-50×10-6℃·s-1，表明有較強(qiáng)冷空氣入侵對(duì)流層低層；13日23時(shí)以后，對(duì)流層低層逐漸為暖平流取代(圖6d)。海效應(yīng)降雨發(fā)生在對(duì)流層低層冷平流影響期間，地面冷鋒過(guò)境3 h后降雨開始。

圖6 2019年11月13日20時(shí)高空?qǐng)D(a. 500 hPa，b. 850 hPa；黑色等值線為位勢(shì)高度，單位：dagpm；紅色等值線為溫度，單位：℃；矢量為風(fēng)場(chǎng)，單位：m·s-1)、地面氣壓場(chǎng)(c，單位：hPa)、過(guò)煙臺(tái)站的溫度和溫度平流及水平風(fēng)的時(shí)空演變(d；等值線為溫度，單位：℃；色階為溫度平流，單位：10-6℃·s-1；矢量為水平風(fēng)，單位：m·s-1；世界時(shí))(a—c中圓點(diǎn)所示位置為煙臺(tái)站)Fig.6 Synoptic chart of upper level (a. 500 hPa, b. 850 hPa; black isoline denotes geopotential height, units: dagpm; red isoline denotes temperature, units: ℃; vector denotes wind, units: m·s-1)， surface pressure field (c, units: hPa) at 20:00 BST 13 November 2019, and time-height evolution of temperature, temperature advection, and horizontal wind at Yantai Station (d; isoline denotes temperature, units: ℃; color scale denotes temperature advection, units: 10-6℃·s-1; vector, denote horizontal wind, units: m·s-1; UTC) (in a, b, and c, the location of the dot represents Yantai Station)

與常見(jiàn)的渤海海效應(yīng)暴雪過(guò)程[4,7-8,12]相比較，可見(jiàn)渤海海效應(yīng)降雨發(fā)生的天氣形勢(shì)與之基本類似，500 hPa冷渦(或低槽)、850 hPa西北冷平流、地面冷高壓是產(chǎn)生渤海海效應(yīng)降水的共同特征。

3.3 熱力特征

海效應(yīng)降水是冷空氣和暖海面共同作用的結(jié)果。對(duì)馬暖流西分支在秋季開始出現(xiàn)，冬季勢(shì)力達(dá)到最強(qiáng)，導(dǎo)致黃海至渤海出現(xiàn)暖水舌，這是海效應(yīng)降水形成的基礎(chǔ)。當(dāng)有強(qiáng)冷空氣影響渤海暖海面，海效應(yīng)降水能否發(fā)生，首先取決于熱力條件。因海效應(yīng)降水為低云降水，一般850 hPa接近于云頂，受海面溫度的影響較小，故實(shí)際業(yè)務(wù)上通常以山東半島東部850 hPa的溫度代表冷空氣強(qiáng)度，并與海面溫度相比較，以此判斷大氣層結(jié)穩(wěn)定情況。圖7給出了2019年11月13日前后的海面溫度和大氣溫度情況，以分析此次海效應(yīng)降雨過(guò)程的海氣變化和熱力特征。

3.3.1 海面溫度及冷空氣

13日20時(shí)的海洋表面和陸地表面溫度(圖7a)顯示，黃海和渤海海域的表面溫度明顯高于周邊陸地表面溫度，黃海北部至渤海存在24～28 ℃的暖海溫帶，溫度自北向南遞減，山東半島的溫度在18 ℃以下，明顯低于渤海海面溫度。

圖7 2019年11月13日海效應(yīng)降雨過(guò)程海面溫度和氣溫(a.再分析資料中20時(shí)海洋和陸地表面溫度，單位：℃；黑色方框代表雞鳴島浮標(biāo)站，黑色圓點(diǎn)代表榮成站)以及12—15日08時(shí)和20時(shí)雞鳴島浮標(biāo)站海面溫度、榮成探空站850 hPa溫度及其溫差(b，單位：℃)Fig.7 Sea surface temperature and air temperature during ocean-effect rain event on 13 November 2019 (a. ocean and land surface temperature of reanalysis data at 20:00 BST, units: ℃； black square represents Jiming Island Buoy Station and black dot represents Rongcheng Station); sea surface temperature of Jiming Island Buoy Station, temperature of Rongcheng Radiosonde Station at 850 hPa, and their temperature difference at 08:00 BST and 20:00 BST from 12 to 15 November 2019 (b, units: ℃)

由雞鳴島浮標(biāo)站12—15日的海面溫度演變圖(圖7b)可以看出，12日08時(shí)—13日20時(shí)雞鳴島附近的海面溫度均為16.8 ℃，14日08時(shí)為16.4 ℃，在降雨前后海面溫度僅下降了0.4 ℃，說(shuō)明海面溫度的變化緩慢，短時(shí)間內(nèi)接近于恒溫。相比之下，冷空氣變化明顯，12日20時(shí)榮成探空站850 hPa的溫度為8 ℃，13日08時(shí)降至4 ℃，13日20時(shí)降至-5 ℃，24 h內(nèi)降溫幅度達(dá)13 ℃，相應(yīng)地，海氣溫差由8.7 ℃劇升至21.8 ℃。

3.3.2 感熱通量

通過(guò)分析表明，由于強(qiáng)冷空氣的入侵，13日對(duì)流層低層的溫度和海面的溫度差明顯增大。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，暖空氣向冷空氣輸送熱量，海氣溫差增大有利于暖海面向上輸送更多的熱量和水汽。為了定量分析海洋向大氣輸送的感熱，利用榮成雞鳴島浮標(biāo)站的逐時(shí)海面溫度、3 m氣溫和風(fēng)速資料，采用海氣感熱通量公式[25]，計(jì)算了12—14日海效應(yīng)降雨前后的感熱通量及海面溫度和3 m氣溫之差(圖8)?？梢钥闯?，自12日14時(shí)起，雞鳴島近海面上的海氣溫差逐漸升高，13日20時(shí)達(dá)到峰值，為3.8 ℃，此后逐漸下降。感熱通量也是從12日14時(shí)開始逐漸增大，13日12時(shí)達(dá)到峰值，為48.8 W·m-2，13日21時(shí)之后感熱通量逐漸減小。感熱通量和近海面的海氣溫差變化趨勢(shì)基本一致，但也略有差異，主要是風(fēng)速影響的緣故。隨著感熱通量減小，降雨也隨著減弱直至結(jié)束。在海效應(yīng)降雨期間，近海面海氣溫差為3.3～3.8 ℃，感熱通量維持在37～46 W·m-2之間，為相對(duì)高值。對(duì)比2018年1月10日海效應(yīng)暴雪過(guò)程[21]和此次海效應(yīng)降雨過(guò)程，在暴雪過(guò)程期間，雞鳴島近海面海氣溫差和感熱通量峰值分別為3.6～4.8 ℃和46～69 W·m-2，大于海效應(yīng)降雨期間的近海面海氣溫差和感熱通量，這可能是海效應(yīng)降雨過(guò)程降雨量小于海效應(yīng)暴雪過(guò)程的主要原因之一。

圖8 2019年11月12—14日雞鳴島浮標(biāo)站感熱通量(單位：W·m-2)及海面溫度和3 m氣溫之差(單位：℃)的逐時(shí)變化(圖中黑色線段區(qū)間對(duì)應(yīng)海效應(yīng)降雨)Fig.8 Hourly variation of sensible heat flux (units: W·m-2) and difference between sea surface temperature and 3 m air temperature (units: ℃) at Jiming Island Buoy Station from 12 to 14 November 2019 (black line segment denotes stage of ocean-effect rain)

3.3.3 對(duì)流不穩(wěn)定

圖9給出了13日08時(shí)和20時(shí)925 hPa的水汽通量矢量、假相當(dāng)位溫及沿121.40°E(過(guò)煙臺(tái))的假相當(dāng)位溫緯向垂直剖面，從中可以分析出海效應(yīng)降雨過(guò)程的水汽來(lái)源和大氣層結(jié)的穩(wěn)定度演變情況。13日08時(shí)，925 hPa水汽通量矢量為偏西風(fēng)，風(fēng)速較小，此時(shí)冷空氣主力尚未影響渤海和山東半島，渤海至山東半島的假相當(dāng)位溫等值線平直，過(guò)山東半島的假相當(dāng)位溫緯向垂直剖面沒(méi)有不穩(wěn)定層結(jié)(圖9a1、b1)。隨著強(qiáng)冷空氣的逐步南下入侵，至20時(shí)，渤海至黃海水汽通量矢量的方向轉(zhuǎn)為顯著的西北向，表明水汽從渤海輸送至山東半島，同時(shí)通過(guò)渤海暖海面向上輸送感熱，導(dǎo)致山東半島的假相當(dāng)位溫升高、等值線密集，在煙臺(tái)至文登、榮成一帶形成明顯的假相當(dāng)位溫脊(圖9a2)。過(guò)山東半島的假相當(dāng)位溫緯向垂直剖面圖(圖9b2)上，在850 hPa以下36.5°～38.5°N之間假相當(dāng)位溫隨著高度的升高而減小，表明在此區(qū)域內(nèi)的大氣層結(jié)存在對(duì)流不穩(wěn)定。13日20時(shí)榮成站正在降雨，其探空?qǐng)D(圖10)顯示，790 hPa以下層結(jié)曲線與干絕熱線近乎重合，在1 000～790 hPa高度上相對(duì)濕度為93%～100%，對(duì)流有效位能為24.2 J·kg-1，抬升凝結(jié)高度為326 m，說(shuō)明低層大氣處于飽和狀態(tài)，有較弱的不穩(wěn)定能量。在這樣的層結(jié)條件下，一旦有動(dòng)力觸發(fā)條件，可產(chǎn)生弱對(duì)流性降雨。降雨發(fā)生在假相當(dāng)位溫脊線附近，為淺層對(duì)流，與海效應(yīng)降雪類似。

圖9 2019年11月13日925 hPa假相當(dāng)位溫(a1；等值線，單位：K)、水汽通量矢量(a2；單位：10-2 g· hPa-1·cm-1·s- 1)和假相當(dāng)位溫沿121.40°E(過(guò)煙臺(tái))緯向垂直剖面(b1、b2；單位：K)(a1、b1. 08時(shí)；a2、b2. 20時(shí)；a1、a2中圓點(diǎn)表示煙臺(tái)，a2中紅色線為假相當(dāng)位溫脊線，b2中紅色虛框?yàn)椴环€(wěn)定區(qū)域)Fig.9 Pseudo-equivalent potential temperature (a1; isoline, units: K) at 925 hPa， water vapor flux (a2; units: 10-2 g·hPa-1·cm-1·s-1) at 925 hPa, and vertical cross section of pseudo-equivalent potential temperature along 121.40°E (passing Yantai) (b1/b2; units: K) on 13 November 2019 (a1/b1. 08:00 BST; a2/b2. 20:00 BST; dot in a1/a2 denotes the location of Yantai, red line in a2 is the pseudo-equivalent potential temperature ridge, and red dotted box in b2 is the unstable area)

圖10 2019年11月13日20時(shí)榮成站t-lnp探空曲線圖Fig.10 The t-lnp diagram of radiosonde at Rongcheng Station at 20:00 BST 13 November 2019

3.4 動(dòng)力特征

3.4.1 地面自動(dòng)氣象站風(fēng)場(chǎng)

隨著冷空氣東移南下，渤海、渤海海峽至山東半島的風(fēng)發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變。13日05時(shí)，冷鋒到達(dá)渤海海峽，長(zhǎng)島列島轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，12時(shí)山東半島均轉(zhuǎn)為冷鋒后。由地面自動(dòng)氣象站逐時(shí)風(fēng)場(chǎng)來(lái)看，風(fēng)速表現(xiàn)為渤海海峽至山東半島北部沿海為強(qiáng)風(fēng)，陸地上風(fēng)速明顯減小，這是由于海面摩擦小、陸地表面摩擦大，因而導(dǎo)致風(fēng)速?gòu)暮Ｃ娴竭_(dá)陸地風(fēng)速迅速減小。以18時(shí)(圖11a)為例，位于煙臺(tái)北部海面9.5 km處的崆峒島出現(xiàn)東北風(fēng)，風(fēng)速為16 m·s-1，而其南側(cè)陸地上的煙臺(tái)站為西北風(fēng)，風(fēng)速為4 m·s-1。風(fēng)向上表現(xiàn)為12時(shí)以后渤海海峽至山東半島北部沿海地區(qū)轉(zhuǎn)為北到東北風(fēng)，同時(shí)半島的其他地區(qū)以西北風(fēng)為主，由此在半島北部沿海地區(qū)形成了風(fēng)向之間的輻合，東北風(fēng)與西北風(fēng)之間的切變線在山東半島近東西向的低山丘陵北側(cè)更為突出，該特征在20時(shí)前后最為明顯(圖11b)。風(fēng)向風(fēng)速輻合可產(chǎn)生較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，有利于在半島北部沿海地區(qū)產(chǎn)生明顯降雨，這也是不穩(wěn)定層結(jié)下對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制。

圖11 2019年11月13日自動(dòng)氣象站風(fēng)場(chǎng)(a. 18:00，b. 20:00；風(fēng)矢，單位：m·s-1；紅色線為切變線)和多普勒天氣雷達(dá)1.5°仰角徑向速度(c.煙臺(tái)雷達(dá)17:51，d.榮成雷達(dá)20:22；單位：m·s-1)Fig.11 Wind field of automatic station (a. 18:00 BST, b. 20:00 BST; wind barb, units: m·s-1; red line denotes shear line) and radial velocity at 1.5° elevation from Doppler weather radar (c. 17:51 BST from Yantai radar, d. 20:22 BST from Rongcheng radar; units: m·s-1) on 13 November 2019

3.4.2雷達(dá)徑向速度

從煙臺(tái)和榮成多普勒天氣雷達(dá)徑向速度圖上可以分析出海效應(yīng)降雨發(fā)生時(shí)對(duì)流層低層的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。煙臺(tái)雷達(dá)1.5°仰角徑向速度圖(圖11c)顯示，17:51時(shí)在煙臺(tái)北部沿海海面1.0 km高度以下為北—東北風(fēng)，煙臺(tái)以南的區(qū)域?yàn)槲鞅憋L(fēng)，由此形成了北到東北風(fēng)和西北風(fēng)的輻合線，表明該區(qū)域在對(duì)流層低層存在風(fēng)向輻合。20:22時(shí)的榮成雷達(dá)1.5°仰角徑向速度圖(圖11d)上表現(xiàn)出與煙臺(tái)類似的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，文登的東北方向低層為北風(fēng)，西南方向?yàn)槲魑鞅憋L(fēng)。分析逐6 min的雷達(dá)徑向速度演變，可以看出煙臺(tái)附近18時(shí)前后及文登附近21時(shí)前后在對(duì)流層低層均存在明顯的風(fēng)向切變，期間組合反射率因子最強(qiáng)達(dá)45～50 dBZ，導(dǎo)致煙臺(tái)18時(shí)降雨量達(dá)2.7 mm，文登站21時(shí)降雨量達(dá)3.0 mm。小時(shí)雨量低于1.0 mm的弱降雨時(shí)段，雷達(dá)徑向速度圖上零速度線近乎為直線，山東半島地區(qū)為一致的西北風(fēng)，對(duì)流層低層無(wú)明顯風(fēng)向切變，表明上升運(yùn)動(dòng)弱，最大反射率因子一般在30～35 dBZ之間。

由此可見(jiàn)，自動(dòng)氣象站風(fēng)場(chǎng)和雷達(dá)徑向速度均顯示出，在海效應(yīng)降雨過(guò)程的最強(qiáng)降雨時(shí)段，北部沿海地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出了明顯的中尺度特征，對(duì)流層低層存在偏東北風(fēng)與西北風(fēng)之間的切變線及明顯的風(fēng)速輻合，弱降雨時(shí)則沒(méi)有明顯風(fēng)向風(fēng)速輻合。

4 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)分析了31次秋季渤海海效應(yīng)降雨天氣的時(shí)空分布、天氣系統(tǒng)和冷空氣強(qiáng)度，凝練出了一些基本特征。通過(guò)分析2019年11月13日典型降雨個(gè)例揭示了海效應(yīng)降雨的形成機(jī)理，并與海效應(yīng)降雪進(jìn)行了比較，主要結(jié)論如下。

(1)秋季渤海海效應(yīng)降雨過(guò)程發(fā)生在10月中旬至11月，以11月中上旬發(fā)生頻率最高。10月為純雨，11月既有純雨也有雨轉(zhuǎn)雨夾雪(雪)的天氣過(guò)程。過(guò)程降雨量均為小雨，持續(xù)時(shí)間不超過(guò)1 d。

(2)海效應(yīng)降雨在500 hPa的影響系統(tǒng)為低槽或冷渦，二者發(fā)生概率相當(dāng)。低槽影響時(shí)海效應(yīng)降雨量和降雨范圍均較小，冷渦影響時(shí)降雨量和降雨范圍較大。

(3)海效應(yīng)降雨發(fā)生時(shí)的冷空氣強(qiáng)度比海效應(yīng)降雪弱。降雨時(shí)山東半島850 hPa的溫度10月在-1 ℃左右，11月在-6 ℃左右；11月發(fā)生雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雪時(shí)850 hPa的溫度一般為-9～-8 ℃，地面氣溫集中在2～4 ℃之間。850 hPa風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，風(fēng)速集中在12～18 m·s-1之間。

(4)在2019年11月13日海效應(yīng)降雨過(guò)程中，環(huán)流形勢(shì)表現(xiàn)為500 hPa冷渦、850 hPa西北冷平流和地面冷高壓，強(qiáng)冷空氣入侵渤海和山東半島，榮成探空站850 hPa的溫度降至-5 ℃，對(duì)流層低層溫度和海面溫度差明顯增大，暖海面向上輸送37～46 W·m-2的感熱通量，在790 hPa以下半島北部沿海地區(qū)產(chǎn)生淺層對(duì)流不穩(wěn)定。由于海陸不同下墊面和低山丘陵地形影響形成風(fēng)向風(fēng)速輻合，產(chǎn)生較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量，從而產(chǎn)生海效應(yīng)降雨。

(5)最強(qiáng)降雨時(shí)段北部沿海地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)存在明顯的中尺度特征，對(duì)流層低層存在偏東北風(fēng)與西北風(fēng)之間的切變線及風(fēng)速輻合，而弱降雨時(shí)則沒(méi)有明顯風(fēng)向風(fēng)速輻合；強(qiáng)降雨時(shí)段最大雷達(dá)反射率因子為45～50 dBZ。

總之，渤海海效應(yīng)降雨的形成機(jī)理與海效應(yīng)降雪類似，其環(huán)流形勢(shì)、水汽來(lái)源、熱力、動(dòng)力及雷達(dá)徑向速度特征基本相同，主要差異在于產(chǎn)生的月份、海面溫度和冷空氣強(qiáng)度不同，降雨量小于海效應(yīng)暴雪。海效應(yīng)降雨的預(yù)報(bào)關(guān)鍵期為10月下旬至11月，同時(shí)要關(guān)注11月可出現(xiàn)雨雪轉(zhuǎn)換。