渤海一次后傾槽強對流天氣的成因分析

郭鴻鳴，卜清軍，許長義，靳甜甜

(1. 秦皇島市氣象局 河北秦皇島066000；2. 天津市濱海新區氣象預警中心 天津300457)

渤海一次后傾槽強對流天氣的成因分析

郭鴻鳴1，卜清軍2，許長義2，靳甜甜1

(1. 秦皇島市氣象局 河北秦皇島066000；2. 天津市濱海新區氣象預警中心 天津300457)

基于NECP再分析資料，使用WRF模式、海浪模型對2015年8月3日渤海地區強對流天氣過程進行數值模擬。指出主要成因為：中低層大尺度輻合抬升與高層強輻散呈垂直耦合狀態，有利于強上升運動的發展；低空急流的增溫增濕進一步加大了高低空的溫濕差；海面中尺度低壓輻合系統是觸發機制；海表溫度較高海域的海氣湍流輸送為強對流的發生提供了邊界層的熱力和水汽條件。

WRF模式 強對流 海浪模型 后傾槽

0 引 言

渤海大約7.7萬km2為我國內海，由于海洋氣象觀測數據的匱乏，導致海洋氣象災害天氣監測能力不足，特別是夏季海洋強對流天氣產生的雷暴大風、冰雹、短時強降水對于船只航行安全有著重要的影響。

2015年8月3日夜間，渤海東南部地區出現較強的一次強對流天氣，沿海大量自動站監測到雷暴大風、短時強降水等強對流天氣。煙臺局部地區出現冰雹，大黑山自動站極大風速達到30.3,m·s-1，大風導致部分航線停運。本文運用中科院南海海洋研究所研發的WRF海洋氣象數值預報模式和NECP再分析資料對此次強對流天氣過程進行數值模擬，結合渤海雷達拼圖、閃電定位資料、陸地和海島觀測站等實況數據與模式輸出的高時空分辨率資料進行對比分析，從強對流發生發展所需要的熱力、水汽和動力等基本條件入手，總結出本次渤海強對流天氣發生機制，通過第3代全譜海浪模型模擬強對流發生前后渤海地區海表面溫度的變化，探討海洋強對流天氣與海水表面溫度的關系。

1 資料及模式說明

本次強對流天氣數值模擬系統采用的是WRF,3.3版，該模式為完全可壓縮以及非靜力模式。初始資料為2015年8月3日14時的NECP再分析資料，水平分辨率為1 °×1 °。WRF模式預報時間間隔為1,h，最小區域網格尺度為5,km。實況數據為高低空地面常規實況觀測、海島站、閃電定位資料、渤海雷達拼圖、中央氣象臺強對流中心監測分析數據(渤海)等。海水溫度模擬采用美國海洋與氣象管理局和環境預報中心的WAVEWATCH-III(WW3)模式，這是一個基于WAM模型所開發的第3代全譜海浪模型。

2 天氣實況

本次過程，山東、遼寧及沿海均出現雷暴大風、短時強降水，其中95個區域站極大風速超過8級，237個區域站降雨量超過50,mm，5個區域站降雨量超過100,mm，長島站0時34分極大風速為23.7,m·s-1。

比較2015年8月3日20時～4日08時12小時渤海周邊陸地實況降雨量(見圖1b)和WRF模式降水模擬結果(見圖1a)可知，實際降雨帶位于山東中北部到遼寧東南部一帶，實況落區與數值預報模擬結果基本一致，模式降雨總量較實況偏多10～20,mm。本文比較關注的渤海地區強降雨與實況雷達組合反射率影響區域也基本一致，特別是從3日21時到4日1時，大連西南部海域一直存在著大范圍的雷達回波組合反射率大于40,dBz。從總降水量落區分布和強降水中心的綜合預報比較，雖然降雨帶(山東地區)模擬結果略有偏差，但考慮到模式分辨率較高導致的誤差，表明該WRF模式模擬結果比較理想。

圖1 8月3日20時～4日08時WRF模式預報降雨量、渤海周邊陸地實況降雨量Fig.1 The forecast rainfall of WRF mode，live rainfall of Bohai surrounding land from 20：00 on August 3 to 08：00 on August 4，2015

3 環流形勢及成因分析

圖2 2015年8月3日20時500,hPa(a)和850,hPa(b)的WRF模擬結果Fig.2 The simulation results of WRF at 20：00 at 500 hPa(a)and 850 hPa(b)on August 3，2015

這次渤海強對流天氣是比較典型的高空槽、高低空急流與副熱帶高壓相互作用造成的。從WRF模擬的結果可以分析出：8月3日20時高層200,hPa高度場40,°～45,°N附近存在風速大于30,m·s-1的高空急流，山東半島及渤海大部分地區位于此急流入口區的右側，該處高空為氣流輻散區域(此時輻散中心位于魯西北，中心值為9×e-5)，高層抽吸作用可誘發和加強中低層空氣的輻合上升運動。中層500,hPa高度場，渤海地區處于東北冷渦南部的高空槽前和副熱帶高壓西北部交匯地區，以西南氣流為主(見圖2a)，在渤海強對流發生的前期3日14～18時，500,hPa有明顯的濕平流，配合低層濕平流，整層大氣增濕機制對于后期短時強降雨的發生提供了水汽的累積。20時開始，山東半島東部及渤海南部的中層相對濕度開始逐漸降低到60%,左右，建立不穩定條件，而500,hPa槽線落后于850,hPa，為后傾槽結構。低層850,hPa高度場渤海地區處于東北冷渦南部分裂出來的低渦切變線右側，山東半島上空有西南低空急流，風速最大值為20,m·s-1，渤海地區位于急流出口區左側，低空急流有效地輸送了暖濕空氣，為渤海地區強對流發生提供了低層高溫高濕的大氣環境條件(見圖2b)，同時在低空急流左側有著風向的切變，形成了較強的垂直上升運動。

隨著高空槽的東移，天氣系統自西向東影響渤海地區。至4日00時前后渤海地區強對流達到最強階段，此時200,hPa渤海地區仍然位于高空急流入口區右側，且風速較3日20時都增大4,m·s-1，高層輻散中心值為9×e-5，完全位于渤海地區。渤海地區850,hPa低空西南急流較3日20時增大4,m·s-1，高層抽吸作用配合低層垂直運動導致了強烈的對流天氣。4日3時以后，中高層相對濕度開始增大轉為濕平流，850,hPa低空急流向東北方向移動，渤海地區位于入口區左側，強對流天氣減弱基本結束。

根據模式輸出的結果分析3日20時、4日1時的相對濕度和v-w風場沿120,°E的垂直剖面可以看出：3日20時(見圖3a) 40,°N以北950,hPa以上為相對濕度低值區(相對濕度小于60%,)，在其南邊37,°～39,°N存在一個隨高度向北傾斜的濕空氣柱，在43,°N 的500,hPa附近不斷有干冷空氣向低層輸送，40.5,°N的950,hPa附近有干冷空氣向南輸送至渤海地區，抬升其上層暖空氣。在37.5,°N的500,Pa附近有一相對濕度小于60%,的空氣團由南向北、由上而下運動，由于低層850,Pa低空急流的增暖增濕作用，該地區建立了上干下濕的水汽垂直空間分布，進而有利于對流的發生。4日1時(見圖3b)，37.5,°N中高層500,Pa附近的干空氣團范圍向北擴展1個緯度。在低層冷空氣的影響下，渤海鋒面氣旋維持發展并加強，強烈抬升暖濕空氣上升運動。此時渤海海峽地區強對流達到最強。雖然高層沒有明顯的冷空氣侵入，但在37.5,°N的500,hPa中高層有相對于低層較干的空氣，低層的西南急流有效地加大了暖濕氣流的輸送，進一步形成上干下濕，在此區域建立了不穩定層結。

圖3 8月3日20時(a)、4日01時(b)相對濕度(陰影，單位：%)和v(單位m/s)-w(單位cm/s)合成風沿120 °E垂直剖面Fig.3 Vertical cross section of relative humility(shadings；%)and vertical circulation composed by v(m·s-1)and w(cm·s-1) along 120 °E at 20：00 on August 3, 2015(a)and at 1：00 on August 4, 2015(b)

從上述環流形勢和天氣系統配置看出，從3日20時到4日02時渤海強對流天氣是在高低空急流、低層暖濕氣流以及低渦切變輻合的共同條件下發生的，海面中-β尺度低壓是觸發機制。

4 海表面溫度與強對流天氣關系

通過WAVEWATCH-III(WW3)模式模擬該次強對流天氣過程渤海海表面溫度變化，可以看出圖4中所畫區域海表面溫度在強對流發生前后有明顯的變化。20時(見圖4a)萊州灣海水溫度(最大為24 ℃)明顯高于區域內的其他地方，21～22時該地區出現強對流天氣(見圖3)，伴隨著強對流天氣出現了雷暴大風，海表溫度也隨之降低，從而導致對流減弱消散；23時～02時(見圖4b、c)中央淺海盆地和渤海海峽的海水溫度升高約2 ℃左右，這個時段也同樣與強對流天氣發生區域基本一致(見圖3c、d)；隨后05時海水表面溫度降低(見圖4d)，該地區強對流天氣全部結束。而渤海北部和西部(秦皇島、唐山、天津、遼西灣)海水溫度沒有明顯變化，溫度變化平穩。因為該地區沒有強對流天氣發生所具備的不穩定能量、垂直運動、低層風切變等對流條件，只有弱的降水天氣，即使是海表面溫度較高也不能夠形成不穩定層結，在沒有對流天氣的情況下，未出現較大的風速，海表面空氣溫度和海水溫度未發生較大變動。

圖4 8月3日20時(a)、23時(b)、4日02時(c)、05時(d)渤海海表面溫度分布Fig.4 Distribution of Bohai Sea surface temperatures at 20：00(a)，23：00(b)on August 3; 02：00(c)and 05：00(d)on August 4, 2015

5 結論與討論

利用WRF模式和海浪模型對2015年8月3日20時至4日08時渤海地區強對流天氣過程進行數值模擬和成因分析，主要結論如下：

① 本次強對流為高空后傾槽結構，高低空急流耦合較好，有利于強的上升運動的發展和深對流天氣的發生。本次過程由于沒有高層冷空氣的入侵，上干下濕層結較條略差，相對冰雹而言更容易出現雷暴大風。

② 針對此次強對流天氣過程，WRF模式預報的陸地降水落區、強降雨中心與實況基本一致，說明WRF模式對大尺度背景下發生的中小尺度天氣過程有較強的模擬和預報能力。但模擬結果強對流發生的時間較實況晚1,h左右，降雨及短時強降水中心落區偏差50～100,km。

③ 通過模擬海水表面溫度變化，說明海洋強對流天氣與海水溫度密切相關，海水溫度的升高，預示著海面蒸發旺盛，海氣湍流輸送使得低層大氣能夠獲得大量的暖濕空氣，進一步增大海面上大氣條件的不穩定性，為強對流的發生提供了邊界層的熱力條件。再配合中高層有利條件，導致強對流天氣的減弱?！?/p>

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The Cause Analysis About a Strong Convective Weather of Backward-tilting Trough in Bohai Sea

GUO Hongming1，BU Qingjun2，XU Changyi2，JIN Tiantian1
(1．Qinhuangdao Meteorological Service，Qinhuangdao 066000，Hebei Province，China；2．Meteorological Service in Binhai New Area of Tianjin，Tianjin 300457，China)

Based on the NECP reanalysis data，a strong convective weather process on August 3，2015 in Bohai sea was simulated and analyzed by WRF model of marine meteorological numerical prediction and wave model．The main causes include：the large-scale convergence uplift in middle-low level and strong divergence at the upper level are in a state of vertical coupling，promoting the development of strong upward movement；the warming and humidifying function of lower level jet further increase the gap between high and low air of temperature and humidity；the surface mesoscale low pressure system is the trigger mechanism of the strong convection；the place where the sea surface temperature is higher，because of air-sea turbulence，the lower atmosphere gets a lots of warm and moist air and provides the heat and water vapor of boundary layer for the occurrence of strong convection.

WRF model；strong convective weather；wave model；backward-tilting trough

P458.2

：A

：1006-8945(2016)10-0138-04

2016-09-09