一次槽前干對流天氣過程動力診斷分析

武麥鳳，李萍云，吉 慶

(1.渭南市氣象局,陜西渭南 714000；2.陜西省氣象臺,西安 710014)

強對流天氣是一種持續時間短，影響范圍相對較小，但局部災害很嚴重的氣象災害。陜西省雖然地處內陸，但境內地形地貌復雜，夏季易出現強對流天氣。隨著監測手段的精細化和多樣化，預報專家和一線的預報技術人員對強對流天氣的動力過程作了一些研究，一些氣象條件諸如CAPE、水汽條件、風向風速切變、大氣能量[1-5]等被證明和強對流天氣相關性較好。郝瑩[6]、姚葉青[7]、龐古乾[8]、吳芳芳[9]等針對不同強對流天氣的特征參數進行了分析應用。孫繼松[10]、雷蕾[11]、曾明劍[12]等的研究表明，不同類別強對流天氣因其發生發展機理不同，對對流參數的敏感性也不同。陸漢城的研究表明夏季出現的對流性天氣一般分為干對流和濕對流兩種[2]。武麥鳳[13]等的研究表明了干對流風暴中水汽輸送和水汽輻合均比較弱。2015年8月23日發生在陜西關中東部的強對流天氣過程屬于一次干對流天氣過程。這次干對流天氣過程中的干對流環境的垂直配置情況如何，水汽來源和動力機制是怎樣的呢？采用高空、地面觀測資料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料，利用動力因子的演變對本次天氣過程進行了動力診斷分析，揭示本次過程的熱力不穩定結構、水汽來源和動力抬升機制。

1 資料和方法

天氣概況及形勢分析使用的是2015年8月23日常規氣象高空地面觀測資料,國家氣象站和區域氣象站6 h降水量資料；動力因子診斷利用NCEP/NCAR 提供的 6 h 一次 的再分析資料(水平分辨率為1°×1°，垂直26層風場、溫度、相對濕度、垂直速度)計算得到。

散度通量(Γ)為垂直速度與水平散度的乘積[14], 即

Γ=ω(?u/?x+?υ/?y) 。

(1)

其中u為緯向速度，v為經向速度，ω為垂直速度。在等壓坐標系中，散度通量的正值區代表了水平輻合區的上升運動和水平輻散區的下沉運動，而水平散度負值區則代表了水平輻合區的向下輸送和水平輻散區的向上輸送。

水汽波作用密度是擾動垂直速度(ωe)與擾動水汽比濕(qve)的雅克比，它表征了水平水汽擾動的垂直輸送。依據熱力波作用密度[15]進行修改得到水汽波作用密度(Wavepv)，公式如下

Wavepv=?ωe/?y?qve/?x―?ωe/?x?qve/?y。

(2)

在實際計算中，利用Barnes低通濾波技術對NCEP/NCAR 6 h一次的再分析資料進行連續 3 次水平平滑濾波，并將該濾波結果作為基本態場，從總資料場中減去基本態場就得到擾動態場。水汽波作用密度是從暴雨的動力、水汽場擾動的角度來考慮的，強降水區中低層存在水汽輻合，強烈的垂直上升運動把低層水汽輸送到對流層高層，在水汽輸送的過程中，形成水汽擾動的高值中心，其水平梯度明顯。因此降水區與非降水區的水汽擾動差異顯著。在動力場方面，降水區上空通常存在最大垂直上升速度，其周圍存在較強的補償下沉氣流，因而降水區垂直速度的水平梯度也比較顯著。水汽波作用密度包含這些動力、水汽擾動信息，因而與暴雨的發生發展聯系緊密。

2 天氣概況

受西太平洋副熱帶高壓和東南暖濕氣流共同作用影響，2015年8月23日下午，陜西省關中和陜南東部陸續出現雷電、風雹及短時暴雨等強對流天氣過程，雨量分布不均(圖略)。暴雨主要出現在關中東部，最大降雨量出現在華山站，為80.3 mm，8鄉鎮出現短時暴雨(最大潼關蒿叉峪站72.2 mm)。強對流天氣過程中，關中東部5縣(市、區)遭受冰雹和大風襲擊，最大的雹徑超過3 cm。此次強對流天氣來勢猛、強度大、分布不均，且具有較強的疊加性，致使關中東部部分縣(市、區)受災嚴重。據民政部門不完全統計，強對流天氣過程共造成關中東部5縣(市、區)16鎮(辦)35村7.73萬人受災，直接經濟損失2 298萬元，其中農業經濟損失2 119.5萬元。

3 環流形勢分析

圖1(圖見第11頁)為8月23日20時天氣影響系統配置圖。可以看出，本次過程中，500 hPa槽線位于陜西關中和陜北之間，700 hPa寧夏到關中西部秦嶺以北有一條明顯的中尺度切變線，850 hPa切變線位于關中東部，切變線后部有弱反氣旋環流。地面上關中東部有明顯濕舌存在，并且有中尺度輻合線配合。另外，當日關中大部處于850 hPa到500 hPa溫差大于30 ℃的范圍內，說明中低層儲存了大量的能量。分析以上影響系統配置，結合主要天氣落區得知：本次天氣過程發生在500 hPa槽前，關中東部當日700 hPa及以上水汽含量小，但該區地面處于高能高濕的環境中，這種配置有利于層結不穩定建立和干對流天氣的發生。由系統演變和天氣落區對應情況分析得知：850 hPa切變線促進了強對流天氣過程中上升運動的發展，500 hPa西風槽及其帶來的冷空氣是本次強對流天氣過程的主要影響系統，而地面輻合線的移動和發展觸發了中低層不穩定能量的釋放，誘發了干對流天氣的發生。

選取了涇河氣象站8月23日08時(圖略)和14時(圖2，圖見第11頁)TlnP圖，可以看出，08—14時，涇河上空有很強的不穩定能量積累，―20 ℃和0 ℃層高度維持在400 hPa和600 hPa附近，這個高度非常有利于冰雹天氣的發生。14時中層(550～500 hPa)有明顯的干冷空氣入侵，濕度線形成一個向右開口的喇叭口形，形成了中層相對干、低層相對濕的垂直配置。從涇河氣象站風的垂直變化情況可以看出，14時涇河氣象站地面到500 hPa風向隨高度順時針旋轉超過180°，500 hPa以上風速隨高度增加很快，說明低層有暖平流，風向切變很大，而中高層溫度平流不明顯，但風速的垂直切變大。這種配置有利于中層變冷，低層變暖，與中層(550～500 hPa)干冷空氣入侵配合，增加了中層干冷空氣的吸入，形成了中層相對“干冷”，低層相對“暖濕”的不穩定層結。

綜上，本次過程的主要影響系統為500 hPa槽線，850 hPa切變線促進了垂直上升運動的發展，中層儲備的不穩定能量為本次過程提供了較強的能量條件，地面輻合線觸發了不穩定能量的釋放，為本次強對流天氣過程的觸發機制。中層的干侵入增強了大氣的熱力不穩定和層結不穩定，而中低層劇烈的風向旋轉也有利于干對流風暴的形成和維持。

4 干對流動力因子診斷

冉令坤研究發現對流渦度矢量垂直分量、濕熱力平流參數、波作用密度、垂直螺旋度和散度通量與強對流降水有一定的聯系，可以作為一個預示強降水系統發展演變的指標[14-16]。在此基礎上，針對此次強對流天氣，診斷分析以上動力因子的演變過程，研究這些動力因子在關中強對流天氣過程中的指示意義。

4.1 位溫和廣義位溫

8月23日發生在陜西關中東部的強對流天氣過程屬于一次干對流天氣過程。對于干空氣的診斷，位溫是一個很重要的溫度參量，在干絕熱過程中具有守恒性，可用來比較不同氣壓下空氣質塊的熱力差異；但對于伴有降水等潛熱釋放的濕過程，就不再守恒[17]。曹潔[18]、周玉淑[19]等分析指出廣義位溫體現了實際大氣的非均勻飽和特性，可更真實地描述實際濕大氣的狀態。廣義位溫是一個能夠綜合反映溫度和水汽條件的特征參數。從分布來看，位溫的高值區代表高溫區，低值區代表低溫區[20]。

850 hPa位溫與擾動風場沿100°E的時間剖面分布(圖3)顯示，34°N～35°N位溫的演變最為明顯，由08時位溫低值區迅速演變為14時位溫高值區，說明23日白天強對流天氣區有迅猛升溫的過程，為強對流天氣的發生儲備了充足的能量。從圖3還可以看出，23日02時開始，34°N以北有風場擾動切變，該擾動切變位于850 hPa切變線后部，即在850 hPa切變線后部的反氣旋環流中存在西南風擾動和東南風擾動形成的中尺度暖式切變線。這一切變線向南移動過程中，逐漸由暖式切變線演變為由西北風擾動和西南風擾動組成的冷式切變線。23日14時，該冷式切變線與位溫高值中心重合，為不穩定能量的釋放提供了初始擾動。

虛線為擾動切變線。圖3 2015-08-22T20—24T02 850 hPa位溫(單位為K)和擾動風場沿110°E的緯向時間剖面

500 hPa位溫分布(圖略)顯示，23日08時寧夏東南部—平涼—關中西部有一位溫槽，關中東部—陜南東部有一位溫淺槽，說明關中地區中層有弱的冷空氣輸送。14時位溫槽線東移，西部的位溫槽東移至延安西部—關中中部一帶，東部的位溫槽東移南壓至河南境內，說明有自北輸送的冷空氣影響關中中東部大部分地區。500 hPa廣義位溫分布顯示，08時(圖略)平涼—關中中部有一廣義位溫槽線，陜南、四川東部、重慶北部境內有廣義位溫的高值區，中心位于安康和重慶北部，中心強度334 K。14時(圖4)系統東移，廣義位溫高中心移動到陜南東部與湖北西部交界處，中心強度減小為333 K，位于關中東部的廣義位溫槽變得比較寬廣，華北和西北的廣義位溫均下降，說明了關中東部當天不僅有來自華北回流的冷空氣影響，還有來自西北方向輸送來的干冷空氣影響，這與前面分析的當天關中東部中層有干冷空氣入侵的結論一致。從圖4還可以看出，陜南為高溫高濕區，能量較高，干冷空氣與暖濕空氣在關中東部、陜南東北部交匯，為關中、陜南東部的強對流提供足夠的熱力不穩定。

圖4 2015-08-23T14 500 hPa廣義位溫(單位為K)分布

綜上分析，8月23日08時開始陜西上空中低層相對較干，午后位于秦嶺北麓的關中東部升溫明顯，14時關中東部中層有比較明顯的干冷空氣輸送，加之中尺度分析的陜西中南部地面濕度較大，形成了中層干冷、近地面暖濕的熱力不穩定垂直結構，為強對流天氣的產生儲備了足夠的熱力不穩定能量。同時，850 hPa擾動切變線的存在和南壓，并與位溫高中心重合，為不穩定能量的釋放提供了初始擾動。

4.2 散度通量

以往的分析認為[15]，散度通量垂直積分的大值區與6 h地面累積降水具有良好的對應關系，因此著重分析散度通量在此次強對流過程中的變化特征。散度通量與濾波后的流場(V-100W)沿110°E的垂直分布顯示，8月23日08時(圖5a)33°N～36°N的中低層800～600 hPa有正散度通量的大值區，中心位于700 hPa上下，強度為5×10-5m3·Pa/(kg·s2)；14時(圖5b)正散度通量的大值區向上延伸到500 hPa，中心位置也略有抬升，強度增大到6×10-5m3·Pa/(kg·s2)。與正散度通量大值區相配合，濾波后垂直流場上，34°N～36°N有一個由擾動產生的次級環流圈，擾動次級環流圈的上升支位于34°N，這與850 hPa的擾動切變相對應。8月23日關中地區強對流天氣的垂直上升運動首先是地面輻合線前出現初始上升擾動，并產生了地面的水平輻合，在地面水平輻合和擾動上升運動的配合下，形成了上升運動的發展，并與850 hPa切變線附近的垂直上升運動結合，加劇了低層輻合的向上輸送，形成了次級環流的上升支。次級環流上升支形成之后，在近地面補償性氣流作用下，形成次級環流下沉支。強對流天氣發生在次級環流上升支附近。

a為08時，b為14時；箭頭代表次級環流的上升支和下沉支。圖5 2015-08-23散度通量(單位為10-5 m3·Pa/(kg·s2)與垂直流場(V-100W)(單位為m/s)沿110°N的垂直剖面

地面輻合和低層擾動為本次過程提供了初始擾動，850 hPa切變線加劇了低層輻合的向上輸送，而低層擾動的向上輸送誘發次級環流的產生，次級環流上升支附近強的垂直上升運動與散度通量大值區相配合，為這次強對流天氣過程提供了足夠的抬升條件。另外，正散度通量大值區的存在和不斷增大，不僅對暴雨有一定指示意義，還對關中東部強對流天氣的產生也有一定的參考意義。

4.3 水汽波作用密度

水汽是大氣的重要組成成分 ,是災害性天氣研究中不可或缺的物理量。本次天氣過程中，只有地面附近水汽含量較高，850 hPa到500 hPa強對流區域均處于干區。為了研究關中東部這次強對流天氣過程的水汽輸送特點，采用水汽波作用密度分析進行水汽診斷。8月23日850～500 hPa水汽波作用密度垂直積分的水平分布(圖6)顯示，08時關中大部和陜南處于水汽波作用密度的大值區，大值中心位于(34°N，109°E)，中心強度為1.4×10-9kg·Pa2/(m5·s)，與散度通量的正值區基本一致；14時大值區移至關中東部、陜南東部地區，中心位于(34°N，110°E)，中心強度增大為1.6×10-9kg·Pa2/(m5·s)，與地面濕度大值區相對應，也與散度通量大值區的移動方向一致。說明本次強對流天氣過程中，低層擾動風的水平輻合造成了垂直速度的擾動，引起垂直速度擾動水平梯度增加，同時也伴有水汽擾動在水平方向梯度的增大。對比強對流天氣落區發現，強對流天氣主要出現在水汽波作用密度垂直積分大值中心附近及其后部梯度最大的區域內。

圖6 2015-08-23 850～500 hPa水汽波作用密度(單位為10-9 kg·Pa2/(m5·s)垂直積分的水平分布(a 08時，b 14時)

雖然本次過程發生在干對流背景下，沒有強的水汽輸送和水汽輻合，但是水汽波作用密度垂直積分表明，較強的水汽擾動和垂直速度擾動，為強對流天氣過程提供動力條件的同時，也提供較為充沛的水汽條件。水汽擾動和垂直速度擾動的不均勻性也在一定程度上決定了強對流天氣過程中降水分布的不均勻。

4 結論

(1)本次過程的主要影響系統為500 hPa槽線，850 hPa切變線促進了垂直上升運動的發展，中層儲備的不穩定能量為本次過程提供了較強的能量條件，地面輻合線為本次強對流天氣過程的觸發機制。

(2)中層干冷空氣向關中東部的輸送、午后關中東部氣溫猛升以及強的垂直風切變，共同導致了中低層干冷、地面暖濕的垂直配置，為干對流的發生提供了強烈的熱力不穩定條件。

(3)低層水平輻合的向上輸送增強了強對流天氣區的垂直上升運動速度，是本次干對流天氣過程的重要動力抬升機制；而低層水汽擾動水平輻合，是強對流天氣水汽條件的主要提供者。

(4)散度通量大值區和水汽波作用密度垂直積分大值區的存在、增大和東移，對關中東部強對流天氣落區有一定的指示意義，強對流天氣落區主要出現在散度通量大值區的中心附近、水汽波作用密度垂直積分大值中心及其后部梯度最大的區域內。

致謝：感謝中國科學院大氣物理研究所冉令坤研究員對于波作用密度物理意義的解釋和應用方面給予的幫助！