一次副熱帶高壓暴雨天氣過程成因分析

吳 瓊，韓慶婷，王斌飛

（遼寧省盤錦市氣象局，遼寧 盤錦 124000）

1 天氣概況

本文研究對象為位于遼寧省西南部的盤錦市，盤錦市地理坐標為北緯40°39′～41°27′，是中緯度地區。1985年朱乾根等[1]提出了東亞副熱帶夏季風的概念，強調西太平洋副高作為東亞夏季風的系統成員的重要性。1987年黃士松等[2]在季風體系的結構中指出，整個體系中最關鍵的兩個成員是西北太平洋副高和南印度洋馬斯克林高壓，它們對我國的梅雨影響很大。西北太平洋副高對東亞副熱帶季風的影響主要是它的位置，其次為它的強度。1992年廖荃蓀等[3]指出江淮流域及華北、華南地區的降雨異常西太平洋副高的異常直接聯系。2004年Liu et al.數值模擬試驗表明[4]，大陸西岸強大的陸面感熱和東岸凝結加熱在大氣低層產生反氣旋環流、大氣中層為氣旋環流。這一發現從熱力學角度詮釋了低層副高的形成。2006年Fu et al.通過對熱帶測雨衛星探測結果分析[5]，發現夏季深入我國東部大陸的西太平洋副高中心附近，因強烈太陽短波轄射加熱的強迫效應，導致午后大氣低層福合，存在較強的水汽通量福合，也出現較強上升運動，從而引起午后熱對流降水云團發生。

本文所使用的資料包括中國氣象局下發的每日常規氣象觀測資料，包括高空資料、地面資料；盤錦市氣象局提供的逐小時自動站降水資料；8月13日20時—15日08時盤錦市雨量資料；13日20時500 hPa高度場及850 hPa風場資料；13日23時海平面氣壓場資料；14日02時盤錦站探空資料。

2018年8月13日20時至15日8時，盤錦市普降暴雨，局部出現大暴雨，全市平均降水量74.2 mm，其中大洼站61.7 mm，盤山站80.0 mm，遼河口生態經濟區137.4 mm，遼東灣新區119.5 mm，雙臺子區43.7 mm，興隆臺區57.3 mm。共27個站出現暴雨，7個站出現大暴雨，最大降水量119.0 mm，出現在遼河口經濟區歡喜嶺街道，平均降雨量45.5 mm，大于50 mm的站次為15個，大于10mm的站次為1個。

根據圖1所示，現對該地區的降雨情況進行統計，統計情況如下表1。

圖1 8月13日20時—15日08時盤錦市雨量

根據表1繪制柱狀圖，如圖2。

表1 8月13日20時—15日08時盤錦市雨量統計

根據圖2所示：盤錦市地區降雨量在0.1～10 mm的地區占13%；降雨量在10～25 mm的地區占8%；而大于25 mm的地區占79%，其中：25～50 mm的地區占40%，大于50 mm的地區占39%。通過盤錦市雨量比率情況來看，副熱帶高壓對該區的降水影響比較大，而在較大降水量的地區占比能達到39%左右。可以看出，副熱帶高壓對盤錦市的暴雨天氣有很大的影響和關聯度，本文以此地區作為副熱帶高壓暴雨天氣過程成因分析的研究對象，具有較高的可靠性和結論的真實有效性，同時有著較高的研究價值及其研究意義。

圖2 8月13日20時—15日08時盤錦市雨量

2 資料與方法

2.1 構造副熱帶高壓暴雨天氣的過程成因的灰色關聯度模型

灰色關聯度模型根植于灰色理論，而灰色理論[6]是由我國華中科技大學鄧聚龍教授在1982年提出的，它是基于系統理論的進一步的深化和升華，該理論的提出在國內外都具有很高的聲望和影響，廣泛應用于各種不同的交叉理論和學科之中，經過各個交叉學科和領域的應用和研究成果來看，獲得了眾多的科技成果，對于我國乃至世界有著深遠的影響和意義。

而對于灰色關聯度[7]是指兩個不同或者有著模糊定性的因果關系，卻不好界定和定量分析的兩個系統，運用灰色關聯度模型的建立和求解，可以得到這兩個系統中隨著一個系統中某一對象的變化，而對另一系統的關聯性和影響程度的尺度，稱之為關聯度，而該關聯度可以很好的對兩個不同或者有著模糊定性的因果關系，進行定量分析。在系統變化和發展過程中，若一個系統中的因素對另一個系統的影響的趨勢具有的一致性越高，那么其同步變化和發展的程度就越高，關聯度也就越大；反之，則關聯度越低。灰色關聯度，作為衡量因素間關聯程度的一種方法，能夠很好地解決本文各個因素對副熱帶高壓暴雨天氣的影響程度大小。

2.2 灰色關聯度理論

2.2.1 灰色關聯矩陣的建立

首先，對系統行為序列進行設定，系統行為序列如式（1）所示：

針對系統行為序列，對相關因素序列進行設定，系統行為序列如下式所示：

對上述第j個相關因素序列Xj和第i個系統行為序列Yi在k點的關聯系數進行求解，求解公式如下：

式中：k=1，2，……，n。

令第j個相關因素序列Xj和第i個系統行為序列Yi的關聯度，簡記為：

從而，根據上述公式計算可得灰色關聯矩陣為：

2.2.2 灰色關聯序的確定 設置系統行為序列和相關因素序列如上述公式所示，且已知其相關矩陣為Γ=（γi）j，如果l，q∈{1， 2，…，m}并且使得γil≥γiq，i=1，2，…，p，則稱為相關因素Xl優于Xq，記為Xl＞Xq。即，對Yi的影響程度和關聯度而言，相關因素的影響程度和關聯度Xl強于Xq。

2.2.3 求模型的灰色關聯度與關聯序 對上述的系統行為序列和相關因素序列數據做無量綱處理

對差序列進行求解，差序列可記為

對兩極最大差與最小差，進行求解可得

根據上述的計算情況，對關聯系數進行求解，如下列公式所示：

通過下列公式進行灰色關聯度計算

通過上述灰色關聯度的計算情況，可以得到關聯度矩陣。

通過上述公式灰色關聯度的計算情況，進行優勢分析。若γil≥γiq，i=1，2，…，p，則Xl相關因素Xq優于相關因素，即Xl為關鍵因素。

3 副熱帶高壓暴雨天氣過程成因灰色關聯度分析

針對一次副熱帶高壓暴雨天氣過程成因進行研究，副熱帶高壓暴雨天氣過程成因的因素：最大風向、最大風速、空氣溫度、濕度、水氣壓、露點溫度、氣壓和海平面氣壓進行數據整理，針對試驗數據，運用灰色關聯度理論，建立灰色關聯度數學模型。

首先，對上述最大風向、最大風速、空氣溫度、濕度、水氣壓、露點溫度、氣壓和海平面氣壓情況進行匯總，可得表2。

表2 L9245號站24 h八大副熱帶高壓暴雨天氣過程成因情況匯總

小時降水量為系統行為序列；最大風向、最大風速、空氣溫度、濕度、水氣壓、露點溫度、氣壓和海平面氣壓，8個指標為相關因素序列，運用上述灰色關聯度理論，得到影響小時降水量的最大風向、最大風速、空氣溫度、濕度、水氣壓、露點溫度、氣壓和海平面氣壓因素的關聯矩陣如下：

對上述關聯度進行大小比較可得：最大風向灰色關聯度0.653 0＞空氣溫度灰色關聯度0.595 3＞最大風速灰色關聯度0.591 0＞水氣壓灰色關聯度0.587 6＞露點溫度灰色關聯度0.580 9＞氣壓灰色關聯度0.566 4＞海平面氣壓灰色關聯度0.566 3＞濕度灰色關聯度0.545 1。由此可知，最大風向灰色關聯度0.653 0對于小時降水量的影響最大，空氣溫度灰色關聯度0.595 3對于小時降水量的影響次之，而對于濕度灰色關聯度0.545 1對于小時降水量的影響最小。

4 天氣尺度系統分析

4.1 環流背景分析

4.1.1 高空形勢場分析 從13日20時500h Pa圖（圖3）分析可知，高空槽位于河套地區，副熱帶高壓異常強盛，中心強度達到592 gpm，且范圍較大，脊線位于38°N左右，位置較常年偏北較多，盤錦位于副高西北側，強盛的西南氣流為暴雨的發生輸送的充足的水汽。850 hPa圖中，高空槽前遼寧西部有南北向切變，急流中心風速達到16～18 m/s。隨著北方冷空氣補充進入槽，槽北部逐漸發展成渦。受副高影響槽移動緩慢，系統影響盤錦時間較長。至14日20時，副高東退并向南移動，高空槽槽線移至遼河流域，切變線斷裂，盤錦地區低層轉為北風，降水趨于結束。

圖3 13日20時500 hPa高度場及850 hPa風場

而根據上述灰色關聯度模型的建立和求解中，結合高空形式場分析，盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣主要受高空槽影響，而在副熱帶高壓強盛的情況下，高空槽下的風速、風向和水氣壓對降水的影響較大，經過上述灰色關聯度模型的結果：最大風速灰色關聯度0.591 0，最大風向灰色關聯度0.653 0和水氣壓灰色關聯度0.587 6，而高空槽下灰色關聯度合計為1.831 6。

4.1.2 地面形勢場分析 地面圖（圖4）上13日20時遼寧地區處于弱氣壓場中，23時（圖4）南部倒槽系統北上，盤錦位于倒槽頂部，倒槽開始源源不斷的向北輸送水汽。至14日20時，盤錦市始終位于倒槽頂部。

圖4 13日23時海平面氣壓場

根據上述灰色關聯度模型的建立和求解，結合動力條件分析，盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣主要受倒槽系統影響，而在弱氣壓場的情況下，倒槽系統下的海平面氣壓和水氣壓對降水的影響較大，經過上述灰色關聯度模型的結果：海平面氣壓灰色關聯度0.566 3和水氣壓灰色關聯度0.587 6，而倒槽系統下灰色關聯度合計為：1.153 9。

4.1.3 小結 環流背景分析主要由高空形式場分析和地面形式場分析兩種分析方法，運用這兩種方法分析，盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣受高空槽和倒槽的影響，而根據上述灰色關聯度模型的建立和求解：他們對于盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣的灰色關聯度分別為：1.831 6、1.153 9，即盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣受高空槽的影響要大于倒槽的影響。

4.2 物理量診斷分析

4.2.1 動力條件 大尺度的上升運動是發生暴雨的重要環境物理條件，能把底層的水汽迅速向上輸送，同時也會引起熱量、動量、渦度等物理量的垂直輸送，對天氣系統的發生發展起到重要作用。對垂直速度進行分析，14日2時700 hPa遼寧中東部大部分位于垂直上升運動區，中心強度為-8×10-3hPa/s。850 hPa無明顯上升運動，但有強輻合上升區。整體來看低層有較強的水汽輻合上升。

根據上述灰色關聯度模型的建立和求解，結合動力條件分析，盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣主要受大尺度上升運動影響，重要環境物理條件下的氣壓和海平面氣壓對降水的影響較大，經過上述灰色關聯度模型的結果：氣壓灰色關聯度0.566 4和海平面氣壓灰色關聯度0.566 3，而動力條件下灰色關聯度合計為1.132 7。

4.2.2 熱力條件 從盤錦站2時探空資料（圖5）可以看出，盤錦地區K指數達到42℃，CAPE值達到2 304 J/kg，同時底層存在一定程度的逆溫，積累了一定的不穩定能量，在北方冷空氣沖擊下，爆發了較強的對流。

圖5 14日02時盤錦站探空

根據上述灰色關聯度模型的建立和求解，結合動力條件分析，盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣主要溫度影響，重要環境物理條件下的空氣溫度和露點溫度對降水的影響較大，經過上述灰色關聯度模型的結果：空氣溫度灰色關聯度0.595 3和露點溫度灰色關聯度0.580 9，而熱力條件下灰色關聯度合計為1.171 9。

4.2.3 水汽條件 分析850 hPa以及925 hPa水汽通量代表水汽條件，在這次暴雨降水過程中，前期降水發生時段，低層的水汽條件是相當充分的。13日20時，850～925 hpa遼寧大部分地區水汽通量輻合，中心位于遼寧東部地區，中心強度達到30 g/（cm·hPa·s），而遼寧西南部為水汽通量輻合區，利于水汽流向暴雨區。

根據上述灰色關聯度模型的建立和求解，結合動力條件分析，盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣主要水汽影響，重要環境物理條件下的水氣壓和濕度對降水的影響較大，經過上述灰色關聯度模型的結果：水氣壓灰色關聯度0.587 6和濕度灰色關聯度0.545 1，而水汽條件下灰色關聯度合計為1.132 7。

4.2.4 小結 物理量診斷分析主要有動力條件、熱力條件和水汽條件3種診斷分析，運用這3種方式分析可知，盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣主要受熱力條件的影響，而根據上述灰色關聯度模型的建立和求解，他們對于盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣的灰色關聯度分別為：1.132 7、1.171 9、1.132 7，即盤錦地區的副熱帶高壓暴雨天氣主要受熱力條件的影響。

5 中尺度分析

5.1 形式場分析

從中尺度分析看，遼寧地區主要受高空槽前、副高西北側西南氣流影響，大氣層結不穩定。整層大氣相對濕度較大，水汽條件較好。低層切變線位于北部及東部地區，有對流觸發條件。

5.2 雷達回波圖分析

從雷達回波拼圖可以看出，在副高北側、高空槽前，有較強對流云團生成，遼寧位于氣旋東側，受偏東風影響。降水回波以塊狀回波為主，回波主體位于遼寧中部，沿著副高邊緣，以非常緩慢的速度向東北方向移動，且由于水汽及對流條件非常好，后續仍有云系生成并向東北方向移動。從14日02時到08時，影響盤錦地區回波強度持續在40 dbz以上，回波中強度大的部分達到45 dbz以上，對流強度較大，持續時間較長，降水過程中伴隨強雷暴，16站次出現短時強降水，最大小時降水量達到76.1 mm。

5.3 云圖產品分析

從衛星云圖的資料可以明顯看出，云系主要位于副高588線與高空槽之間，向東北方向移動，移速非常緩慢，云系發展強盛。在副高西北側強西南氣流引導作用及水汽輸送作用下，河北地區發展的云系向東北移動，與前一部分云系合并，共同對盤錦地區作用，使降水強度較大，且持續時間較長，最終形成了暴雨局部大暴雨的天氣。

6 數值預報產品檢驗

6.1 上級指導意見

中央臺對本市指導整體較為穩定，11日起預報盤錦市13日夜間到14日白天為中到大雨，13日早間起報13日夜間至14日白天盤錦地區為大到暴雨，13日夜間起預報盤錦市為大暴雨；但主要時段調整較大，逐步由14日夜間調整為14日白天。經檢驗，本次降水過程中央臺對降水量級24小時預報南部準確北部偏大，48小時、72小時預報量級偏小。

日本數值預報對盤錦市降水量預報比較穩定，但量級明顯偏小，均為為大到暴雨。預報較為準確。

WFR數值預報產品各時次對盤錦市降水量級的預報為大雨，量級和落區調整較大，預報效果不夠理想。

T639數值預報對盤錦市降水量級預報調整較大，48小時預報為中到大雨，24小時預報為暴雨到大暴雨，但降水落區調整較大，預報較實況對比量級準確，但落區偏北。

6.2 本級氣象臺中、短期預報情況

針對這次盤錦市出現的強降水天氣過程，市氣象臺中期預報13—14日有小到中雨，12日下午短期預報盤錦地區有中到大雨，局部暴雨，13日下午預報暴雨，局部大暴雨，經過檢驗，本次過程市氣象臺預報準確。

這次暴雨天氣過程是由于副高與高空槽共同，配合地面倒槽北上造成的。副高的穩定與強盛為盤錦地區輸送了大量暖濕氣流，也為本次降水提供充足水汽條件。因此預報副高的走向與強度變化對于此次過程至關重要。降水的開始、結束時間及過程雨量大小、以及強降雨時段等均為預報難點。

本次暴雨天氣過程在預報上，對降水的起止時間、主要降雨時段及量級上把握都比較準確。不足之處是對于對流強度的預報較實況稍弱，對于大暴雨落區的把握還缺乏經驗。以后的預報中應加強天氣分析，更加注重對流強度，更好地完成強對流天氣的預報預警。