兩次副熱帶高壓外圍沿海暴雨過程對比分析

崔粉娥 李飏 暢巨崢 李衛(wèi)敏

（1 河北省秦皇島市氣象局，秦皇島 066000；2 河北省青龍滿族自治縣氣象局，青龍 066500）

兩次副熱帶高壓外圍沿海暴雨過程對比分析

崔粉娥1李飏1暢巨崢2李衛(wèi)敏1

（1 河北省秦皇島市氣象局，秦皇島 066000；2 河北省青龍滿族自治縣氣象局，青龍 066500）

2010年8月4—5日和8月21—22日兩次天氣過程都是在副熱帶高壓外圍產(chǎn)生的沿海大暴雨天氣。利用常規(guī)觀測資料、自動(dòng)站降水資料、NCEP再分析等資料，從大尺度環(huán)流場、物理量場、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等方面對這兩次過程進(jìn)行綜合診斷分析，以為河北海岸帶暴雨提供一定的依據(jù)。結(jié)果表明，這兩次暴雨過程均具有河北海岸帶夏季暴雨的特征，是典型的副熱帶高壓邊緣大暴雨天氣。水汽通量輻合區(qū)與暴雨的落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，邊界層附近水汽的輸送對降水起增大作用，兩次過程的不同點(diǎn)在于影響系統(tǒng)和對流穩(wěn)定度。當(dāng)T639模式降水產(chǎn)品預(yù)報(bào)秦皇島有大到暴雨，且秦皇島位于副熱帶高壓邊緣，此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析水汽通量輻合區(qū)、高能舌和上升速度大值中心疊加區(qū)域；如果該區(qū)域存在中尺度系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制，則該區(qū)域可能是沿海暴雨到大暴雨的落區(qū)。

副熱帶高壓，暴雨，物理量場，對比分析

0 引言

秦皇島位于河北省東北部，瀕臨渤海灣，由于受海陸風(fēng)產(chǎn)生的次級環(huán)流影響，是局部暴雨的多發(fā)地。暴雨常常帶來局部或流域性嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，給人們的生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重影響[1-4]。為此，氣象學(xué)者對暴雨做了大量研究，取得了一系列成果[5-11]。但目前對河北海岸帶暴雨多是針對典型個(gè)例從不同角度進(jìn)行分析總結(jié)，針對多個(gè)個(gè)例的對比分析較少。如李延江等[12-15]從不同方面分析了秦皇島海岸帶暴雨，認(rèn)為中尺度暴雨云團(tuán)沿副熱帶高壓588dagpm線西北側(cè)的引導(dǎo)氣流方向移動(dòng), 在有利的低層風(fēng)場輻合區(qū)，造成河北海岸帶暴雨。在同一“母體”中尺度回波帶背景下，不同時(shí)刻γ、β中尺度降水系統(tǒng)互相擾動(dòng)導(dǎo)致海岸帶致災(zāi)暴雨。王宏等[16-17]和張曉亮等[18]分別分析了濕位渦和高、低空急流耦合與河北海岸帶暴雨的對應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為低空急流為暴雨的產(chǎn)生提供了大量的水汽。本文利用常規(guī)觀測資料，采用北京大學(xué)系開發(fā)的客觀分析診斷圖形系統(tǒng)，對2010年8月秦皇島海岸帶兩次致災(zāi)暴雨過程的天氣系統(tǒng)、物理量、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等進(jìn)行對比分析，以期對秦皇島沿海暴雨預(yù)報(bào)、預(yù)警提供參考。

1 暴雨過程概況及特征

2010年8月4日（簡稱過程1）和2010年8月21日

（簡稱過程2）是兩次典型的副熱帶高壓外圍產(chǎn)生的暴雨天氣過程（圖1）。據(jù)區(qū)域自動(dòng)站顯示：兩次過程秦皇島各地都出現(xiàn)了強(qiáng)降水天氣，過程降水量大于50mm。過程1有23個(gè)區(qū)域氣象站降水量超過100mm，最大出現(xiàn)在撫寧榆關(guān)178mm，強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在4日23時(shí)—5日05時(shí)，撫寧榆關(guān)站3h總降水量為126.3mm，為短時(shí)暴雨。過程2有31個(gè)區(qū)域氣象站降水量超過100mm，最大出現(xiàn)在青龍曹碾167mm，20日20時(shí)—21日15時(shí)強(qiáng)降水區(qū)在北中部，22日凌晨在沿海一帶，昌黎團(tuán)林站小時(shí)最大降水量為27.8mm，兩次過程維持時(shí)間較長，雨量分布比較均勻。

從圖1看出，兩次暴雨過程強(qiáng)降水落區(qū)不太一致，過程1位于海岸帶0～40km；過程2位于北部山區(qū)，但沿海降水量都大于50mm。由于過程2的大值區(qū)位于北部山區(qū)，且持續(xù)時(shí)間較長，故造成的損失相對要大些。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，過程1暴雨災(zāi)害中撫寧和盧龍縣受災(zāi)較重，其他縣（區(qū)）為農(nóng)田小范圍內(nèi)澇及低洼處積水，因?yàn)?zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4300萬元。過程2暴雨過程有4個(gè)縣（區(qū)）出現(xiàn)不同程度災(zāi)情，受災(zāi)人口達(dá)24.97萬人，農(nóng)作物受災(zāi)面積9990.6hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8057.1萬元。在兩次暴雨過程中，秦皇島市氣象臺(tái)將預(yù)警信號均提前升級為紅色，并發(fā)布重要?dú)庀髮?bào)和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，提前對強(qiáng)降水過程進(jìn)行了防御，減小了氣象災(zāi)害帶來的損失。

2 天氣背景和環(huán)流形勢

2010年8月4日08時(shí)，500hPa歐亞中高緯度呈一槽一脊型（圖略），在東北以北有一低渦，低渦中心經(jīng)貝湖東側(cè)向南甩下高空槽，低渦和槽均配合有-24℃和-18℃的冷中心，秦皇島處于槽前寬廣的西南氣流中，500hPa急流軸從河套北邊緣經(jīng)張家口一直伸向黑龍江南部，最大風(fēng)速達(dá)28m/s。副熱帶高壓穩(wěn)定少動(dòng)，588線在40°N附近沿渤海海岸線呈西南—東北向，此時(shí)850hPa從大興安嶺西側(cè)經(jīng)北京到河套存在切變線。至4日20時(shí)高空槽移到了111°E，高空急流穩(wěn)定少動(dòng)。而850hPa切變線東移到118°E，在秦皇島區(qū)上游，此時(shí)，由山東半島到遼寧東南部形成低空急流帶。

2010年8月20日20時(shí)，500hPa歐亞中高緯度呈一槽一脊型（圖略），副高穩(wěn)定維持在40°N附近，且呈帶狀分布。此時(shí)700hPa在河套地區(qū)存在切變線，由于低空水汽充沛，切變線在向東北移動(dòng)過程中，在河北中北部低區(qū)發(fā)展為低渦，產(chǎn)生秦皇島北中部部部分地區(qū)的大暴雨天氣。21日20時(shí)以后隨著系統(tǒng)東移和副高南落，不斷有冷空氣下滑影響秦皇島，出現(xiàn)了沿海大暴雨天氣。

中高緯度有利的環(huán)流形勢配置為沿海暴雨的產(chǎn)生提供了背景場，副熱帶高壓穩(wěn)定在40°N附近（渤海沿岸），且呈帶狀分布，兩次暴雨過程均由高空槽與副熱帶高壓共同作用產(chǎn)生。強(qiáng)降水落區(qū)（圖2）分別位于高空急流出口右側(cè)和低空急流入口左側(cè)，在低層切變線或低渦附近。兩次區(qū)域性暴雨的降水性質(zhì)均為混合型降水，但過程1對流性更強(qiáng)。

從強(qiáng)降水時(shí)段典型物理量參數(shù)（表1）可知，兩過程滿足暴雨基本條件，過程1的K指數(shù)和相當(dāng)位溫明顯高于過程2，說明過程1的不穩(wěn)定性較強(qiáng)，過程2的動(dòng)力條件強(qiáng)盛。

表1 秦皇島站典型物理量參數(shù)

3 暴雨成因?qū)Ρ确治?/h2>

3.1 水汽條件

充足的水汽是形成暴雨的必要條件。在暴雨過程中通常有顯著的水汽輸送條件，強(qiáng)降水落區(qū)上空有豐富的水汽匯合。由兩次暴雨過程500、700、850、925hPa的比濕和相對濕度地理分布（圖略）可見，兩次暴雨過程四層比濕和相對濕度都比較大。8月4日20時(shí)秦皇島沿海比濕和相對濕度500hPa分別達(dá)4g/ kg、70%，700hPa分別達(dá)9g/kg、70%，850hPa分別達(dá)16g/kg、98%，925hPa分別達(dá)18g/kg、99%，隨著系統(tǒng)東移南壓，高濕區(qū)也隨之南壓。8月21日20時(shí)秦皇島沿海比濕和相對濕度500hPa分別達(dá)6g/kg、100%，700hPa分別達(dá)8g/kg、70%，850hPa分別達(dá)13g/kg、90%，925hPa分別達(dá)14g/kg、95%。

從以上分析可知，兩次暴雨過程水汽條件充沛，濕層深厚，850hPa比濕大于12g/kg，達(dá)到沿海暴雨指標(biāo)，中層濕度小說明有干冷空氣入侵，有利于對流降水的產(chǎn)生。500～700hPa是副高邊緣SW暖濕氣流輸送水汽，850～925hPa是低層黃海、渤海高濕區(qū)[19]，SE-E急流作用下暖濕平流向西部岸區(qū)輸送水汽，這是沿海大暴雨的主要特征。過程1水汽條件明顯優(yōu)于過程2，所以過程1對流性較強(qiáng)。

水汽通量表征水汽的來源，水汽通量散度表征水汽的輻合和輻散[11]。由兩次暴雨過程中925hPa的水汽通量和水汽通量散度圖（圖3）可知，兩次過程中水汽的主要通道主要來自于西太平洋-東海-黃海-渤海，其次是高空槽前的西南暖濕氣流。水汽通量輻合區(qū)和水汽通量散度負(fù)值區(qū)與暴雨的落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，暴雨區(qū)水汽通量均超過了-12。過程1中，水汽通量輻合大值區(qū)從赤峰到河北東北部，而過程2中，水汽通量輻合區(qū)集中在內(nèi)蒙古-北京-秦皇島，水汽通量散度值更大，最大可達(dá)-6。綜合分析各高度水汽條件 可知：降雨區(qū)上空氣柱中的水汽條件非常有利于強(qiáng)降 水的產(chǎn)生，過程1濕層深厚，維持時(shí)間較長，對流性較強(qiáng)，過程2水汽集中，短時(shí)水汽輸送較強(qiáng)。

3.2 不穩(wěn)定條件

相當(dāng)位溫θe反映了大氣的溫濕狀況，它的分布反映了大氣中能量的分布。等值線密集區(qū)為能量鋒區(qū)，而暴雨的發(fā)生必需要有能量鋒區(qū)的存在[20]。由850hPa上θe場（圖4）可以看出，兩次暴雨過程的θe的高值區(qū)與水汽通量及水汽輻合區(qū)相對應(yīng)，秦皇島位于高能舌區(qū)，中心值大于350K。暴雨北側(cè)有θe等值線密集區(qū)，隨著系統(tǒng)東移和副高南落，斜壓性加強(qiáng)且不穩(wěn)定區(qū)域向東北方向移動(dòng)，產(chǎn)生沿海地區(qū)強(qiáng)降水。

由樂亭探空站的大氣溫濕及穩(wěn)定度參數(shù)（表2）可知，暴雨發(fā)生之前秦皇島沿海為層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)，K指數(shù)大于28，SI指數(shù)小于0，滿足河北海岸帶暴雨指標(biāo)。整層比濕積分（IQ）大于5700g/kg，表示水汽含量是充足的。隨著暴雨的發(fā)生和副高南落，各值向有利于層結(jié)穩(wěn)定的方向發(fā)展。

通常用相當(dāng)位溫隨高度的變化?θe/?p表示大氣的穩(wěn)定度，當(dāng)?θe/?p＞0時(shí)，即當(dāng)相當(dāng)位溫隨高度降低時(shí)，大氣層結(jié)處于對流不穩(wěn)定。分析暴雨區(qū)上空相當(dāng)位溫沿119°E的垂直剖面圖（圖5）可見，過程1在秦皇島以東有一相當(dāng)位溫高值區(qū)，中心值達(dá)360K，暴雨區(qū)上空850hPa以下大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為暴雨的發(fā)生積累了大量不穩(wěn)定能量；過程2暴雨區(qū)上空850hPa以下大氣處于對流穩(wěn)定狀態(tài)。總之，過程1中各不穩(wěn)定參數(shù)均優(yōu)于過程2，說明過程1表現(xiàn)出強(qiáng)烈的層結(jié)不穩(wěn)定，對流活動(dòng)比過程2旺盛。

表2 樂亭探空站兩次暴雨過程大氣溫濕度及穩(wěn)定度參數(shù)

3.3 動(dòng)力條件

分析兩次過程的垂直速度剖面（圖6）可知，兩次過程的高低空垂直運(yùn)動(dòng)有較相似之處，在40°N附近存在明顯的垂直運(yùn)動(dòng)大值區(qū)，且上升速度在500hPa左右的高度表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，與暴雨落區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系。細(xì)微之處在于，過程2中，垂直速度大值區(qū)范圍較廣，中心數(shù)值明顯大于過程1。

散度是反映輻合輻散的物理量，從散度垂直剖面（圖6）可知，兩次過程輻散中心位于200～300hPa，

輻合中心位于850～700hPa，輻散軸與輻合軸上下對應(yīng)比較一致，都位于39°—40°N附近，但中心數(shù)值過程2大于過程1，說明此時(shí)低層輻合高層輻散條件較好，輻合中心和上升運(yùn)動(dòng)中心有較好的對應(yīng)，強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)為兩次暴雨天氣過程提供了很好的動(dòng)力場。

3.4 T639降水預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

應(yīng)用T639數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的24h實(shí)效降水預(yù)報(bào)，與加密自動(dòng)站實(shí)況降水資料對兩次暴雨過程的降水預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)過程1中，T639模式預(yù)報(bào)秦皇島為大值區(qū)，降水量小于50mm，明顯比實(shí)況偏弱，且降水中心位于天津靜海一帶，與實(shí)況偏差較大。過程2中，T639模式對秦皇島北中部暴雨到大暴雨落區(qū)把握較好，對南部沿海強(qiáng)降水區(qū)，比實(shí)況偏弱。

總之，兩次暴雨過程中，T639降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品有一定的參考性，但強(qiáng)降水中心都有偏差，且過程1預(yù)報(bào)效果明顯不如過程2。當(dāng)T639降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品預(yù)報(bào)有大到暴雨，且秦皇島位于副高邊緣，如果綜合其他有利條件，可以考慮沿海出現(xiàn)暴雨到大暴雨的可能性。因此，T639預(yù)報(bào)大到暴雨可以作為秦皇島暴雨預(yù)警的一個(gè)參考。

4 小結(jié)及討論

1）中高緯度有利的形勢配置為沿海暴雨的產(chǎn)生提供了背景場，兩次過程均具有河北海岸帶夏季暴雨的特征，是典型的副高邊緣大暴雨天氣。不同點(diǎn)在于影響系統(tǒng)和對流穩(wěn)定度。

2）兩次暴雨過程濕度層較深厚，水汽輸送路徑相似，邊界層附近水汽的輸送對降水起增大作用。水汽通量輻合區(qū)與暴雨的落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系。

3）兩次過程850hPa相當(dāng)位溫θe的高值區(qū)與水汽通量及水汽輻合區(qū)相對應(yīng)，代表了兩次過程的不同落區(qū)；過程1表現(xiàn)出強(qiáng)烈的層結(jié)不穩(wěn)定，對流活動(dòng)比過程2旺盛。

4）當(dāng)T639模式降水產(chǎn)品預(yù)報(bào)秦皇島有大到暴雨，且秦皇島位于副高邊緣，此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析水汽通量輻合區(qū)、高能舌和上升速度大值中心疊加區(qū)域；如果該區(qū)域存在中尺度系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制，則該區(qū)域可能是沿海暴雨到大暴雨的落區(qū)。

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Comparison Analysis of the Two Coastal Rainstorm Courses of Subtropical High Peripheral Precipitation

Cui Fene1, Li Yang1, Chang Juzheng2, Li Weimin1
(1 Qinhuangdao Meteorological Bureau of Hebei, Qinhuangdao 066000 2 Qinglong Manchu Autonomous County Meteorological Bureau of Hebei, Qinglong 066500)

Two coastal heavy rains on August 4-5 and 21-22, 2010 were caused by subtropical high. Based on the conventional observation data, precipitation data from automatic stations and NCEP reanalysis data from NCEP/NCAR center, it is diagnosed mainly from circulation situation, influence system, physic and numerical forecast products, providing a basis for coastal zone in Hebei heavy rains. The results indicate: both of the two processes, which happened against a favorable circulation background had the characteristics of the coastal zone in Hebei summer rainstorm, are typical of the subtropical high edge heavy storm. The rainstorm area which corresponded well with the convergence zone of vapor flux water vapor near the boundary layer has a growth effect on the precipitation. Differences appeared from the trigger mechanism and the stability of convection when it has big-heavy rains in Qinhuangdao according to T639 forecast production. If there is a trigger mechanism of mesoscale system in such area, it will probably be the falling area of coastal heavy rains.

subtropical high, rainstorm, physical feature, comparison analysis

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.06.007

2014年7月8日；

2015年2月2日

崔粉娥（1977—），Email: cuifene@126.com