渤海一次強陣性雷雨大風過程的診斷分析

宋曉姜，邢建勇，王彰貴

(國家海洋環境預報中心，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養殖資源的海域，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務。但是渤海所處地形復雜，雖是海洋，但屬于北溫帶大陸氣候，影響天氣系統種類復雜，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，這些天氣系統引發的海浪、風暴潮等海洋災害對渤海地區的經濟建設、人們的生命財產危害巨大。因此，準確的把握該海域海上災害性天氣的發生時間、持續時間、變化強度變得尤為重要。做好海洋災害的預警預報工作，是保障諸如油氣開發、水產養殖、交通運輸等海上作業項目安全生產、海上作業人員生命安全的重要手段。

雷暴（Thunderstorms）也是渤海地區常發生的一種災害性天氣過程，是伴有雷擊和閃電的局地對流性天氣。雷雨大風是雷暴的一種形式，指在出現雷、雨天氣現象時，風力達到或超過8級（≥17.2 m/s）的天氣現象。有時也將雷雨大風稱作颮。當雷雨大風發生時，烏云滾滾，電閃雷鳴，狂風夾伴著強降水，有時伴有冰雹，對船舶、石油鉆井平臺作業的破壞力巨大。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，準確地把握雷暴的發生時間、持續時間、變化強度難度很大。本文針對雷雨大風天氣難以準確把握這一特點，以2011年9月1日凌晨在渤海發生的雷雨大風過程為例，通過對天氣形勢分析以及影響對流發展若干物理量的診斷研究希望從中得到的指示對流發生、發展及消亡的前兆信號，為今后提高雷暴天氣的短時預報水平提供一些理論依據。

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，絕大多數影響中國北部海區，向南擴散范圍較小。8月31日晚上20 時，500 hPa 高空圖上東亞地區中高緯度的位勢高度場整體相對平直，但中國東北地區上空有一西風槽，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，與高空天氣系統配合的是東北上空的低壓系統。受其后部冷空氣的影響，渤海、黃海北部海域02時前后出現東北風6—7級，陣風8級，持續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的陸地測站薊縣（54428）、大港（54645）、塘沽（54623）均出現了雷暴天氣（圖略），而且從渤海中南部BZ26-2 石油平臺（38.2°N，119.2°E）監測的實測數據顯示，此次天氣過程雖然十分鐘平均風速最大達到15m/s（風力7級），風向東北風，但是在早晨6點鐘前后出現了25 m/s（風力10級）的分鐘級陣風，持續大概一個小時左右，風向不穩定（見圖2），且有強短時降水過程。9月1日02:30分的衛星云圖（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。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生強對流效應，既短時雷雨大風，所以實況中出現了陣性10級大風天氣的特點是持續時間短且風向不穩定。鑒于上述天氣學分析，作者希望利用判斷對流發生的各種物理量，對模式輸出的數值產品進行分析，從大氣熱力和動力學角度討論雷雨大風形成的機制。

圖2 8月31日—9月1日渤海海上BZ26-2石油平臺實測風

3 強對流發生的診斷分析

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日在渤海發生的強雷雨大風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生前6 h 開始，即8月31日20時，到9月1日08時結束，輸出間隔30 min。

3.2 單站大氣的不穩定分析

修正的對流有效位能和對流抑制指數是分析強對流天氣過程兩個常用的物理量，對預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 為環境虛溫，為自由對流高度和平衡高度之間環境的平均虛溫。

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]，假定飽和凝結或凍結產生的水物質全部保留在氣塊中。若水物質保留在氣塊中，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 應更為合理。近年來，對流有效位能作為對流發展的重要標志已經直接或間接投入業務使用。

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,紅線（J/kg）和測站實況風速（m/s）

對流抑制指數CIN（Convective Inhibition）表示處于大氣底部的氣塊能否產生對流，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，這是對流發生的先決條件。通常對于強對流的發生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 石油平臺所處的經緯度附近，計算的12 h修正對流有效位能和對流抑制指數變化見圖3。為便于比較，圖中給出了該石油平臺實測風速的演變（見圖3b）。起始時間為8月31日20 時，結束時間為9月1日08 時。可以看到，8月31日22時MCAPE達到最大值，將近1300 J/kg，滿足大氣非常不穩定的條件。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的必要條件，也就是當CAPE 值大于此閾值時，大氣已經達到不穩定的條件。而MCAPE 值一般情況小于同條件下計算得出的CAPE值，可見31日晚間大氣已經達到非常不穩定的條件。從實況分析，此次雷雨大風出現的時間是9月1日06 時前后，持續時間一個小時左右。MCAPE 在雷雨出現前已有明顯反映，可以作為較好的強雷雨預報指數。雷暴出現后，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，這說明該地區的絕大多數不穩定能量得以釋放，以維持雷雨期間所需要的中小尺度系統發生、發展所需的能量。與之相對應的是CIN隨時間的變化曲線，雷暴發生時，也就是北京時間6點前后，CIN值達到了該時間點前后4 h內的波谷—16 J/kg。之前在強對流天氣爆發前，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，隨后幾小時內爆發。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 對流不穩定診斷分析

4.1 位勢不穩定

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是表征大氣位勢穩定度的一個參數。當△θse為負值時，大氣處于位勢不穩定狀態。以8月31日20時時刻為初始場（見圖4），在850 hPa高度上的假相當位溫分布圖中（見圖4a），高溫濕的能量區集中分布在渤海上空，等θse線密集區，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的位勢不穩定區，負中心最大值可以到-12K，而北方干冷空氣團則處在正△θse分布區，位勢相對穩定。從同時刻850 hPa 高空風場圖上（見圖4a）可以看到，渤海上空有明顯的北風與西到西北風的切變線，以中國東北地區為上游的冷空氣已經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定狀態。

4.2 水汽輸送

雷雨大風天氣的發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內一直維持著，并向東南方向移動。水汽通量散度的負中心與強降水對應關系較好，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天氣提供了充足的水汽條件。水汽通量散度的正、負中心總是成對出現，并伴隨著降水系統的整個生命周期。

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紅外衛星云圖

4.3 濕位渦

早在20世紀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。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，從而出現了濕位渦概念。對濕大氣，以相當位溫θe代替位溫θ，則可得濕位渦MPV的表達式[12]：

本次渤海雷雨大風天氣過程，是在局地不穩定的條件下生成的，這在前一節已經介紹。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據推斷，暴雨的大致落區就是出現大風天氣的區域。從700 hPa等壓面的MPV預報中看到（見圖6），9月1日02 時也就是雷雨天氣發生前2—3 h 的時刻，渤海西北部海區出現了明顯的MPV負值（該區域正是BZ26-2 石油平臺所在范圍），極值中心可達-5PVU。隨著雷雨過程的發生和結束，也就是9月1日08 時開始，MPV 的負值區域明顯縮小，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，與同時刻衛星云圖對比（見圖7），在幾個小時的鋒面運動中，MPV 正負交界處帶狀區域所在位置出現了明顯的南壓和東移，與衛星監測到的鋒面移動趨勢和路徑是相同的。同時，移動過程中，由于出現降水和大風天氣，伴隨了濕位渦負區減弱的明顯特征，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 結論和討論

（1）從地面實況天氣圖、衛星云圖和海上石油平臺實況數據分析，這是一次渤海地區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，造成大氣不穩定層結，是引發渤海強對流天氣發生的一個重要原因；

（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生、發展。對流參數值在合理和恰當的范圍內對于小尺度雷暴天氣的預測判別有明顯指示意義；

（4）關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量的分析，可作為判斷雷雨大風天氣的判據之一；

（5）濕位渦的時空分布與雷暴天氣發生的區域有很好的對應關系。在700 hPa等壓面上的負MPV中心對應著未來2—3 個小時后會產生雷雨大風天氣的地面落區。當雷暴發生以后，負MPV 中心極大值會有明顯減小，負MPV 區域會出現大幅收縮。通過對MPV 的分析，會為臨近預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關系，其中心發展情況，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果與實況對比可以看出，對于各層的風速模擬，當遇到強天氣系統時，雖然可以將大風的過程模擬出來，但是強度整體偏小，風力偏低；對溫濕能方面的模擬，模式的效果還是比較理想的。

在今后對雷雨大風的預報中，可將這些模式輸出并通過公式計算的診斷量綜合應用至預報方法中，作為判斷的客觀依據，輔助預報員得出更為準確的預報結論。

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