兩次東風帶高空冷渦強對流天氣對比分析*

沈杭鋒 林宏偉 婁小芬 崔 潔 張紅蕾

1 杭州市氣象局，杭州 310051 2 浙江省慈溪市氣象局，慈溪 315300 3 浙江省氣象臺，杭州 310017 4 浙江省氣象科學研究所，杭州 310017

提 要： 利用常規氣象站、自動站、NCEP/NCAR(美國國家環境預報中心/國家大氣研究中心)的全球預報系統(GFS)分析資料、多普勒雷達和衛星等多種資料，對2015年7月29日和2018年7月14日兩次過程對比分析后發現：兩次過程在200 hPa 上均存在一個東風帶渦旋，500 hPa是類似東風波的系統，850 hPa處于副熱帶高壓環流中，因此這兩次過程是在東風帶高空冷渦背景下發生的。處于東風帶中的渦旋系統與臺風、東風波等系統顯著不同，其垂直方向上并不深厚，主要位于對流層中上層，濕度較高但溫度較低，系統本身不像臺風或東風波那樣會發生大風、暴雨等強烈天氣。2015年7月29日中午在浙閩沿海因海洋、陸地風向風速差異以及高低層之間風向輻合等因素影響下，形成了東、西風之間的中尺度輻合線，隨后中尺度輻合線觸發或加強了對流天氣；而2018年7月14日過程雖然具備了對流潛勢，但由于缺乏低層的觸發機制，最終沒有發生強對流。高層冷渦西進時，冷渦前進方向高層的輻散式旋轉特性增強了中低層的上升運動，有助于對流天氣加強，這與西風帶天氣過程有明顯差異，會給強對流的預報預警造成較大困難，應特別關注。

引 言

西風帶系統是影響我國的主要天氣系統，但東風帶系統也常常帶來重要影響，東風帶中比較常見的系統是臺風和東風波。臺風是發生在熱帶海洋上具有暖心結構的強烈氣旋性渦旋，可從近地面層向上伸展到對流層頂，是一種深厚的氣旋系統，會帶來暴雨、大風、風暴潮，有時還會出現強對流(沈杭鋒等，2014；唐明暉等，2017；余貞壽等，2017；羅玲等，2019)。東風波多產生于副熱帶高壓南側的東風氣流中，以波動的形式自東向西傳播(朱乾根等，2007)。東風波型雷暴天氣多發生在8—10月，其觸發機制是副熱帶高壓南側或熱帶氣旋北側東風氣流里的波動，常會帶來強對流天氣(許愛華等，2011；陳雷等，2015；范元月等，2020；吳福浪等，2020)。高空冷渦背景下也常會帶來對流性天氣，易笑園等(2010)發現距離冷渦不同位置可發生不同類型的強對流天氣。夏季當東北冷渦位置偏南、移動緩慢時，在冷渦西南側有冷空氣向南擴散，會誘發突發性強對流天氣(徐芬等，2016)。

一般能帶來強對流天氣的高空冷渦是西風帶冷渦；高層東風波雖然是東風帶系統，但在高層沒有形成閉合渦旋；臺風具有閉合渦旋，但是閉合渦旋在低層更為突出。東風帶高空冷渦在形勢上跟上述三類天氣有所不同，目前對于東風帶高空冷渦研究甚少，在東風帶高空冷渦背景下有時會發生強對流天氣，如2015年7月29日過程就給浙江省帶來強烈天氣和嚴重危害；但有時卻風平浪靜、晴空萬里，如2018年7月14日過程。因此本文選取了這兩次東風帶高空冷渦背景下的天氣過程，探討此類天氣背景下強對流天氣的特點和發生發展機制。

1 資料與方法

包括NCEP/NCAR 0.25°×0.25°的GFS分析場資料、華東地面區域站資料、FY-2G衛星云頂亮溫(TBB)資料、探空和多普勒雷達等資料。通過形勢場演變、物理量特征、地面風場和空間結構等對比，來分析這兩次天氣過程。

2 天氣概況

2015年7月29日，浙江、福建北部、江西東部和安徽南部等地發生了強對流天氣，強對流在中午出現之后，從東南快速向西北方向移動，造成了大范圍劇烈天氣。這次過程以大風為主，并伴有短時強降水、雷電和冰雹。從29日12時到30日00時(北京時，下同)的累計降水量和強天氣(圖1a)可以看到，僅浙江省就有230站次(黑色三角形)出現了8級以上大風，最大在富陽安頂山(37.1 m·s-1，13級)；18個測站累計雨量超過50 mm，最大出現在平陽鳳巢(76.5 mm)，多個測站的小時雨強超過30 mm·h-1(黑色圓點)，最大出現在平陽鳳巢(69.3 mm·h-1)。此次過程強度大、災害強，不少城市出現了嚴重內澇、交通堵塞情況，并有人員受傷以及財物損壞。

相比之下，2018年7月14日12時至15日00時(圖1b)除了個別地方出現了大風、一些地區有弱降水之外，大部分地區都是晴朗天氣，這與2015年7月29日過程有著天壤之別。

圖1 (a)2015年7月29日12時至30日00時，(b)2018年7月14日12時至15日00時12 h累計雨量(陰影) (圖1b中黑色五角星表示臺州洪家探空站位置)Fig.1 The 12 h accumulated rainfall (shaded) (a) from 12:00 BT 29 to 00:00 BT 30 July 2015 and (b) from 12:00 BT 14 to 00:00 BT 15 July 2018 (Black pentagram inFig.1b is the location of Hongjia Sounding Station)

3 環流形勢演變

圖2是200 hPa高空形勢場和TBB疊加圖。在2015年7月29日08時的200 hPa圖上(圖2a)，我國北方地區有一深厚高空槽(粗虛線)，槽線從蒙古一直延伸到河套以南地區；南面有一個東風帶渦旋，中心位于臺灣島東北面的洋面上空，在溫度場上(圖略)，該渦旋是一個冷渦；東面是副熱帶高壓(以下簡稱副高)系統，高壓從海上深入內陸，在冷渦和西風帶系統之間形成了高壓壩。從TBB(陰影)來看，冷渦中心及西側有一些弱的云系，亮溫值在-12～0℃。2018年7月14日08時200 hPa上(圖2b)，北方也是一個深厚的西風帶高空槽(粗虛線)，南面同樣有一個冷渦，中心位于臺灣島東北面的洋面上空，東風帶冷渦系統與西風帶系統之間是一個高壓壩，TBB顯示了冷渦中心基本是無云區。

圖2 (a，c)2015年7月29日，(b，d)2018年7月14日(a，b)08時，(c，d)20時 200 hPa風場(風羽，單位：m·s-1)、高度場(等值線，單位：gpm)和TBB(陰影) (粗虛線表示槽線，下同)Fig.2 Wind field (wind barb, unit: m·s-1), geopotential height (contour, unit: gpm) and TBB (shaded) at 200 hPa at (a, b) 08:00 BT and (c, d) 20:00 BT on (a, c) 29 July 2015 and (b, d) 14 July 2018 (Dashed lines indicate the trough lines， the same below)

2015年7月29日20時(圖2c)，西風帶高空槽較12 h前有加深并東移南壓，冷渦也在東風氣流引導下西進，中心移到臺灣島北部洋面上空，冷渦倒槽從浙江東南沿海延伸到蘇南地區上空，位于冷渦中心西側的福建省、浙江省上空出現了TBB中心值低于-52℃的對流云團。2018年7月14日20時(圖2d)，西風槽略有北縮，并明顯東移，冷渦隨東風系統西進，中心位置移至浙江東南沿海上空，倒槽伸展到江蘇東部沿海上空，但冷渦中心及其西面大陸上空均無明顯云系出現。

通過以上分析可以看到，兩次過程的200 hPa高空上，北面都是西風帶系統，并有較為深厚的高空槽東移；南面是一個東風帶中的冷渦，冷渦中心及附近無明顯云系，在東風氣流引導下西進；西風帶系統與冷渦之間是從海洋伸向內陸的副高，形成了高壓壩。

從500 hPa高度場的分布特征看(圖3)：2015年7月29日08時(圖3a)，北面高空槽隨西風帶系統逐漸東移，副高系統西伸至華東地區上空。此時副高南面并沒有出現類似200 hPa的閉合渦旋，只是在副高南側的臺灣島上空有一東風倒槽曲率，形成了類似東風波的系統。同樣，2018年7月14日08時500 hPa上(圖3b)，北面也是西風帶高空槽，副高控制了華東地區，副高南側只是出現了東風波動，并沒有形成閉合渦旋。

圖3 (a)2015年7月29日08時，(b)2018年7月14日08時500 hPa風場 (風羽，單位：m·s-1)和高度場(等值線，單位：gpm)Fig.3 Wind field (wind barb, unit: m·s-1) and geopotential height (contour, unit: gpm) at 500 hPa at 08:00 BT on (a) 29 July 2015 and (b) 14 July 2018

在850 hPa上，2015年7月29日08時(圖4a)和2018年7月14日08時(圖4b)的副高中心有所偏差，2018年7月14日過程的副高中心位置偏東北，但兩次過程中整個華東、華南東部及東海上空均處于副高環流內，值得注意的是在臺灣島及附近區域上空，兩次過程都沒有出現閉合渦旋以及東風波動現象。

圖4 同圖3，但為850 hPaFig.4 Same asFig.3, but at 850 hPa

通過高、中、低三層形勢場、TBB衛星云圖以及地面氣象要素可以看到，兩次過程具有高度相似的天氣形勢、卻出現截然不同的天氣現象。200 hPa上東風帶中有一個冷渦，500 hPa上是副高南側類似東風波的系統，850 hPa上相同位置則處于副高環流內，顯然，這是一個位于東風帶中的高空冷渦。冷渦中心及其附近沒有明顯云系，這與其他兩類東風帶系統(臺風和東風波)以及西風帶中的高空冷渦有顯著區別。

4 物理量場特征

圖5是兩次過程臺州洪家的探空曲線(站點位置參見圖1b)。2015年7月29日08時(圖5a)，850 hPa以下有逆溫，其強度可用干暖蓋指數來表征，值越小則干暖蓋越強，越有利于對流(壽紹文等，1993；馮晉勤等，2017)，此時洪家的干暖蓋指數為-42.4℃，有利于強對流發生。對流有效位能(CAPE)接近1 800 J·kg-1，表明了大氣中蘊藏著極為豐富的不穩定能量。狀態曲線(粗實線)與露點曲線(虛線)也呈現了一定的“上干下濕”層結結構，有利于出現雷暴大風。對于強對流性天氣，環境風垂直切變對風暴發展和組織形式有重要作用。此時洪家上空850 hPa以下是西北偏西風，風速在4 m·s-1以下，400 hPa以上則是東北偏東風，風速從400 hPa的12 m·s-1增強到200 hPa的30 m·s-1，上下層之間不僅風速變化大，而且有明顯的風向切變。

相比2015年7月29日08時，2018年7月14日08時(圖5b)在850 hPa以下沒有明顯的逆溫，CAPE在1 200～1 300 J·kg-1，大氣中也有相當的不穩定能量；濕區并不深厚，主要集中在925 hPa以下的邊界層內。垂直方向上，500 hPa以下基本是東南風，以上則是偏東風，低層的風速為4～8 m·s-1，高層則在20 m·s-1左右，上下層之間不僅沒有明顯的風向切變，而且風速變化也不如2015年7月29日過程顯著。

圖5 (a)2015年7月29日08時，(b)2018年7月14日08時臺州洪家探空曲線 (虛線表示露點溫度曲線，細實線表示溫度層結曲線，粗實線表示狀態曲線)Fig.5 Observational soundings of Taizhou Hongjia at 08:00 BT on (a) 29 July 2015 and (b) 14 July 2018 (Dashed， thin solid and thick solid lines indicate dew point temperature curve, stratification curve and state curve, respectively)

到了午后，2015年7月29日14時(圖6a)，整個浙江、福建及沿海地區的CAPE值(陰影)均超過了1 000 J·kg-1，中心值更是超過了3 000 J·kg-1。

圖6 (a)2015年7月29日14時，(b)2018年7月14日14時 CAPE(陰影)和LI(等值線，單位：℃)分布Fig.6 Distributions of CAPE (shaded) and LI (contour, unit: ℃) at 14:00 BT on (a) 29 July 2015 and (b) 14 July 2018

圖中抬升指數(LI)與CAPE有較好的對應關系，LI值低于-8℃的極不穩定區域與CAPE值超過2 500 J·kg-1的高能區范圍基本重合。2018年7月14日14時(圖6b)，整個浙江、福建及沿海的CAPE值也基本在1 000 J·kg-1以上，中心值超過了2 500 J·kg-1，LI最小值在-7℃以下。相比2015年7月29日14時，2018年7月14日14時雖然數值略低，但也完全具備了強對流發生的環境條件。有研究結果表明中國東部地區颮線的CAPE平均為1 000～2 000 J·kg-1，LI平均為-5～-2℃(Meng et al，2013)，可見這兩次過程的能量和不穩定非常適宜強對流的發生。另外兩次過程14時的大氣可降水量(圖略)均在36 mm以上，最大值超過了52 mm，也都具備了一定的水汽條件。

從探空及物理量分布可以看到，無論能量、不穩定層結，還是大氣可降水量，兩次過程都具備了強對流天氣發生的環境條件，相比而言，2015年7月29日過程蘊含了更豐富的能量和更強烈的不穩定。

5 觸發條件

兩次過程的環流形勢、演變以及環境條件具有高度的相似性，卻產生了完全不同的天氣現象。強對流的發生除了不穩定層結、水汽條件等環境背景外，更為關鍵的是要有抬升觸發機制(朱乾根等，2007)。

圖7是利用地面自動站和雷達資料繪制的2015年7月29日地面風矢量場、雷達組合反射率和未來1 h累計雨量。10時風場上(圖7a)，浙江東南沿海和福建東北沿海因海洋、陸地風速風向的差異，出現了風的輻合，其中浙江東南部風速較小，形成了較弱的中尺度輻合線；福建東北部是由偏西風和東南風形成的輻合，輻合更強。12時(圖7b)，浙東南輻合線繼續維持，隨著東南風增強，輻合強度略有加強。閩東北輻合線隨東南風向西北推進，強度也逐漸增強。此時中尺度輻合線周圍出現了雷達回波，閩東北輻合線周邊有較強回波，未來1 h降水也出現在中尺度輻合線附近區域。另外，與江西交界附近的閩西北地區，也出現了風場的輻合，對應著雷達回波以及未來1 h降水區。

13時(圖7c)，隨著高空冷渦西進，在東南風引導下，幾條輻合線都有不同程度地向西北方向移動，回波逐漸加強，對應降水也明顯加大，對流更加顯著，中尺度輻合線、強回波區與強降水以及雷暴大風關系密切、對應較好。在14時(圖7d)該現象依舊存在，而且強度和范圍均得到了加強，之后隨著高空冷渦進一步西進，中尺度輻合線、強回波、強降水以及雷暴大風也隨之向西北內陸推進(圖略)，影響了整個浙江、福建北部、安徽南部以及江西東北部地區，上述地區都出現了強烈的對流天氣。

但是這種現象在2018年7月14日過程卻沒有出現，無論在2018年7月14日10時(圖8a)、12時(圖8b)還是其他時次(圖略)，整個浙江幾乎都是從沿海到內陸的東南風，福建則是東北偏東風，除了風速場上有所變化外，風向上基本沒有出現輻合或切變，也就沒有觸發對流天氣。另外，從850 hPa副高形態來看(參見圖4)，兩個過程有所不同，2015年7月29日過程副高在華東呈西南—東北向，有利于西南風或偏西風與低層東南風的輻合，特別是在浙南和福建；而2018年7月14日過程副高基本控制了華東，副高西南側的偏東風氣流伸到內陸，因此輻合不明顯。

從以上分析可以看到，2015年7月29日中午在浙閩沿海因海洋、陸地風速風向差異以及高低層風向輻合等因素影響下，形成了東、西風之間的中尺度輻合線，隨后中尺度輻合線觸發或加強了對流天氣；而2018年7月14日浙閩沿海是較為一致的東向氣流，沒有形成中尺度輻合線，從而缺乏了對流啟動機制。

為了了解高空形勢與地面中尺度輻合線之間的關系，用垂直速度、散度和垂直環流的剖面來進行分析。兩條輻合線附近都出現了對流天氣，閩東北輻合線隨時間變化快、移動明顯，浙東南輻合線位置相對固定，由于GFS資料的時間分辨率為6 h，因此采用沿著28°N的剖面來分析浙東南輻合線附近的風場、散度場變化，以探討高空冷渦背景下高空與地面風場之間的聯系。

2015年7月29日08時(圖9a)，垂直速度(等值線)從上到下以正值為主，表明了是下沉氣流為主導，700 hPa以下的小范圍區域內，存在上升運動；散度(填色)在近地面層以正值居多，表明近地面層以輻散為主，從850 hPa到200 hPa呈現輻合、輻散、輻合的分布。到了14時(圖9b)，低層輻合明顯加強，400 hPa以下幾乎都轉為輻合，尤其是850 hPa 以下輻合更加明顯，而400 hPa以上輻散顯著加大。值得注意的是在垂直速度場上，120°E上空出現了-0.8 Pa·s-1的上升運動中心，上升運動大大增強，可見，對流層高層冷渦西進時，冷渦前進方向高層的輻散式旋轉特性增強了中低層的上升運動，有利于對流天氣的加強。

圖9c和9d是2018年7月14日過程08時和14時沿28°N的散度(填色)和垂直速度(等值線)疊加圖，可以看到，隨著高層冷渦西進，無論是散度場還是垂直速度場上，對比08時，14時均沒有發生明顯變化，這與2015年7月29日過程明顯不同。究其原因，是因為冷渦在西進過程中，會增強低層偏東氣流，圖7和圖8的地面風場變化均表明了兩個過程都存在偏東氣流加強的現象。由于2015年7月29日過程地面有東、西風之間的輻合，偏東風加強有利于增強低層輻合，配合高層的輻散式旋轉，會加強中低層的上升運動，有助于對流天氣加強。而2018年7月14日過程由于地面一致的東南風，雖然風速加大了，但是沒有產生輻合，也就沒有從本質上改變環境背景場。因此，高層冷渦主要是提供環境背景條件，觸發對流的機制更多是在低層的輻合系統，當低層出現了輻合或對流時，高空冷渦背景就能增強低層的輻合、加強對流的發展。

圖7 2015年7月29日(a)10時，(b)12時，(c)13時，(d)14時地面風場(風矢，單位：m·s-1)、 組合反射率(填色)和未來1 h雨量(等值線，單位：mm) (粗虛線表示地面輻合線或切變線)Fig.7 Surface wind field (vector, unit: m·s-1), composite reflectivity (colored) and future hourly accumulated rainfall (contour, unit: mm) at (a) 10:00 BT, (b) 12:00 BT, (c) 13:00 BT and (d) 14:00 BT 29 July 2015 (Thick dashed lines denote surface convergence lines or shear lines)

圖8 2018年7月14日(a)10時，(b)12時地面風場(風矢，單位：m·s-1)Fig.8 Surface wind field (vector, unit: m·s-1) at (a) 10:00 BT and (b) 12:00 BT 14 July 2018

圖9 2015年7月29日(a) 08時，(b)14時，2018年7月14日(c)08時，(d)14時 沿28°N的散度(填色)和垂直速度(等值線，單位：Pa·s-1)剖面 (圖9a和9b風矢量表示垂直環流)Fig.9 Vertical cross-sections of the divergence (colored) and vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) along 28°N at (a) 08:00 BT, (b) 14:00 BT 29 July 2015 and (c) 08:00 BT, (d) 14:00 BT 14 July 2018 (Wind vector indicates the vertical circulation in Figs.9a, 9b)

圖10a是2015年7月29日08時沿高空冷渦中心122.5°E的垂直速度(等值線)和散度(填色)的垂直剖面。從散度場上看，高空冷渦主要位于500～200 hPa(紅色方框)，垂直方向上是一個較為淺薄的系統，冷渦低層輻合、高層輻散；垂直速度顯示冷渦內部以上升運動為主，上升運動中心在-0.6 Pa·s-1以上。500 hPa以下的冷渦下方總體是輻散下沉氣流。熱力結構方面(圖10b)，冷渦的相對濕度(等值線)較高，基本處于80%以上，其下方由于受副高影響，相對較干；假相當位溫顯示冷渦處在330～340 K，相對平流層和近地面而言，溫度偏低，是一個高空冷渦。通過對2018年7月14日過程高空冷渦的熱動力空間結構分析(圖略)，也可以看到類似的結果。處于東風帶中的這個渦旋系統與臺風、東風波等東風帶系統顯著不同，其垂直方向上并不深厚，主要位于對流層中上層，濕度較高但溫度較低，系統本身不像臺風或東風波那樣會發生大風、暴雨等強烈天氣。但高空冷渦向西移動過程中，引導了低層系統西進，同時冷渦前方高空輻散式旋轉加強了上升運動，若地面已有對流發生，則有利于強對流的發展、加強。

圖10 2015年7月29日08時(a)散度(填色)和垂直速度(等值線，單位：Pa·s-1), (b)θse(填色)和相對濕度(等值線，單位：%)沿冷渦中心122.5°E垂直剖面 (風矢量表示垂直環流，紅色方框表示冷渦)Fig.10 Vertical cross-sections along cold vortex center (122.5°E) for (a) the divergence (colored) and vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1), and (b) θse(colored) and relative humidity (contour, unit: %) at 08:00 BT 29 July 2015 (Wind vector and red rectangle indicate the vertical circulation and cold vortex, respectively)

6 結論與討論

2015年7月29日發生在浙江及浙閩沿海的天氣過程造成了雷雨大風、短時強降水和冰雹等強對流天氣，利用多種資料并結合2018年7月14日相似天氣形勢過程進行對比分析，得到以下結論：

(1)兩次過程是在東風帶高空冷渦背景下發生的：在200 hPa上均存在一個東風帶渦旋，500 hPa是類似東風波的系統，850 hPa處于副高環流中。這兩次過程都具備了強對流天氣發生潛勢，2015年7月29日出現了雷雨大風、短時強降水和冰雹等強對流天氣，而2018年7月14日卻風平浪靜，沒有發生強對流天氣。

(2)處于東風帶中的渦旋系統與臺風、東風波等系統顯著不同，其垂直方向上并不深厚，主要位于對流層中上層，濕度較高但溫度較低，系統本身不像臺風或東風波那樣會發生大風、暴雨等強烈天氣。

(3)2015年7月29日中午在浙閩沿海因海洋、陸地風向風速差異以及高低層之間風向輻合等因素影響下，形成了東、西風之間的中尺度輻合線，隨后中尺度輻合線觸發或加強了對流天氣，而2018年7月14日過程雖然具備了對流潛勢，但由于低層沒有觸發機制，因此沒有發生強對流。高層冷渦西進時，冷渦前進方向高層的輻散式旋轉特性增強了中低層的上升運動，若地面已有對流發生，則有助于對流天氣加強，這與西風帶天氣過程有顯著差異，會給強對流的預報預警造成較大困難，應特別關注。

通過兩個個例的對比分析，可以看到在日常預報業務中，除了要關注或分析500 hPa及以下高度場上系統的分布和變化之外，也要留意高空系統。高層系統(如高空冷渦等)會誘發或加強低層系統，從而引發或加劇天氣。高空冷渦背景下的強對流天氣，其觸發條件主要在低層，高空冷渦在天氣背景和引導氣流方面的作用更為突出，該類型天氣是否存在更多個例以及更多個性或共性的機理性問題則需要進一步探索和研究。