一次臺風倒槽暴雨過程中的鋒生與濕對稱不穩定分析

周明飛，杜小玲，齊大鵬，楊秀莊

(貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

0 引言

對稱不穩定(Symmetric instability，SI)是大氣穩定度的判據之一。它是指當大氣在垂直方向上不能有對流的發展，而在重力和慣性力的共同作用下卻可以在傾斜方向上產生上升氣流[1-2]。對稱不穩定又可根據干濕情況分為3類，分別為干對稱不穩定(干空氣)、位勢對稱不穩定(未飽和濕空氣)和條件性對稱不穩定(Conditional symmetric instability，CSI)(飽和濕空氣)，其中后兩者統稱為濕對稱不穩定(Moist symmetry instability，MSI)[3]。當大氣處于干狀態時，較難滿足對稱不穩定的發生發展條件，而當大氣處于濕狀態時，在部分暴雨、降雪、熱帶氣旋以及鋒面降雨等天氣過程中均有對稱不穩定的發展。

國內外的一些研究發現在一些降水異常事件會多次出現對稱不穩定。如Byrd[4]發現，美國南部的帶狀降水多與條件對稱不穩定有關，Reuter and Aktary[5]發現加拿大Alberta中部冬季、春季、秋季均多次出現濕對稱不穩定。王晨曦等[6]模擬一次華北帶狀降水天氣過程發現，帶狀降水過程中CSI的發展伴隨著對流不穩定的減弱和慣性不穩定的增強。閻琦等[7]分析1210號臺風所致的持續性暴雨成因指出，暖濕、冷干空氣長時間在遼寧作用，期間有對稱不穩定的持續發展，同時伴隨有對流不穩定的再次建立，使得對流云團不斷新生造成暴雨天氣過程。

同時，對稱不穩定通常與鋒生有一定的關系。Schltz and Schumacher[8]分析發現鋒區附近有濕對稱不穩定的發展，它的釋放是造成鋒區降水的主要原因。張芳華等[9]對我國江南和華南一次冬季暴雨過程中的鋒生與條件對稱不穩定進行診斷分析表明，鋒生次級環流和CSI實質是鋒面次級環流方程在不同穩定性條件下的解，鋒生強迫環流的性質可由濕位渦作為等價判據進行分析。鄧承之等[10]分析了重慶南部一次大暴雨天氣過程指出，緯向雨帶形成并發展于低空濕對稱不穩定區，鋒生效應的增強，引起低空濕位渦水平分量MPV2的負值增長，為濕對稱不穩定的增強及維持提供了有利條件。任麗等[11]分析黑龍江南部一次暖區暴雨過程的中尺度特征及成因認為，CSI存在于鋒生區附近，CSI的釋放會導致沿鋒面的傾斜上升氣流加強，形成鋒面次級環流，從而觸發對流不穩定。同時針對鋒區附近的帶狀強降雨[12-13]和暴雪天氣過程中[14-15]的研究均發現鋒面的抬升作用與濕對稱不穩定性的釋放存在一定的相關性。

2018年9月17日，受登陸減弱臺風“山竹”的倒槽影響，貴州中南部地區出現了一次暴雨天氣過程。不同于貴州夏季常見的對流性暴雨天氣過程，本次降雨時間長、雨強較小，具有一定濕對稱不穩定降水的特性，故使用常規觀測資料及NCEP/NCAR再分析資料對此次暴雨過程中的鋒生與濕對稱不穩定進行分析，以期為今后臺風倒槽影響云貴高原預報提供一定的參考意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

采用各類常規氣象觀測資料、風云2G衛星資料、多普勒天氣雷達資料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料。

1.2 研究方法

本次天氣過程為暴雨天氣，適用于濕絕熱過程，采用包含水汽的鋒生函數[16-17]如下：

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

方程式中F>0為鋒生、F<0為鋒消。F1為非絕熱加熱項、F2為水平輻散項、F3為水平變形項，F4為和垂直運動有關的傾斜項。其中Af和Bf分別表示伸展變形和切變變形。伸展變形的物理意義是氣流在一個方向拉長，而在另一個方向收縮產生的變形。切變變形從風矢量場上表現為經向風的東西向切變和緯向風的南北向切變。兩種均可以引起鋒生。由于鋒生函數中F1難以分析準確，故不討論，F4中垂直速度估算具有一定誤差，討論不準確。故主要對F、F2和F3進行分析。

對處于飽和的潮濕大氣來說，對稱不穩定的判據為，當濕位渦<0，或濕理查森數<1，或等θse面斜率大于等于M面的斜率時為條件性對稱不穩定。本文主要用濕位渦<0作為判定條件性對稱不穩定的條件。

(7)

濕位渦包含水汽的變化，也可分為濕正壓項(MPV1)和濕斜壓項(MPV2)，其中MPV1表示慣性不穩定(ζp+f<0)和對流不穩定(?θse/?p>0)的作用，MPV2包含了濕斜壓性和水平風垂直切變的貢獻。

2 降水實況與天氣學分析

2.1 降雨實況與系統分析

2018年22號臺風“山竹”于9月7日20時(北京時，下同)在西北太平洋洋面上生成，隨后不斷加強，9日08時左右加強為臺風級，其一路向西偏北方向移動，登陸后慢慢減弱，中央氣象臺于17日晚20時停編。期間“山竹”經歷了兩次登陸：9月15日，臺風“山竹”在菲律賓北部登陸；16日17時在廣東臺山海宴鎮再次登陸(登陸時，最大風速45 m·s-1，中心氣壓955 hPa，移向西北西，移速30 km·h-1)。隨后一路西行，其北部倒槽于16日傍晚開始影響貴州，倒槽移動緩慢，在貴州中西部停留時間較長，于18日中午左右減弱移出貴州，貴州轉為偏南風影響。分析倒槽垂直結構發現，中高層系統移速較低層系統快(圖1a、1b)。進入貴州后，受貴州西高東低的地形影響，對低層系統阻擋明顯，倒槽的正壓結構遭到破外，系統逐步隨高度向西傾斜。臺風外圍的純暖濕熱帶氣團與貴州山地氣團相互作用，兩個氣團之間形成界面，整個天氣系統開始呈現出斜壓性。

16日傍晚至18日中午，受“山竹”外圍云系影響，貴州中南部出現降雨天氣。其中9月16日18時—18日14時貴州中南部地區有3縣站99區域站出現大暴雨，33縣站756區域站出現暴雨，國家站最大降水出現在荔波縣(129.5 mm)(圖1c)。通過分析逐小時降水量(以荔波站為例)，發現本次降雨持續時間較長，荔波站降雨總時長33 h，降水強度較小，最強小時降雨出現在18日07時，為21.5 mm(圖1d)。且降雨中不伴有雷電、冰雹等強對流天氣的出現，故本次暴雨天氣過程具有降雨時間長、小時雨強較小、穩定性降水的特點。

圖1 2018年9月17日08時(a)500 hPa高度場(黑實線，單位：gpm)、風場(風向桿，單位：m·s-1)，(b)850 hPa風場(風向桿，單位：m·s-1)、地面海平面氣壓場(黑實線，單位：hPa)，(c)2018年9月16日18時—18日14時降雨量，(d)荔波站2018年9月16日18時—18日14時逐小時降水量Fig.1 (a) The 500 hPa geopotential height(black contours，unit：dagpm)，500 hPa wind(wind barb，unit∶m·s-1), (b) 850 hPa wind(wind barb，unit∶m·s-1),sea level pressure(black contours，unit∶hPa), (c)The accumulated precipitation in Guizhou province,from 18:00 September 16 to 14:00 September 18,2018 (d) hourly precipitation at Libo from 18:00 September 16 to 14:00 September 18,2018

2.2 衛星、雷達資料分析

從衛星云圖演變來看(圖2)，“山竹”外圍云系于2018年9月16日18時左右開始影響貴州東南部，此時，臺風云系較為緊湊，外圍螺旋云帶清晰，云頂亮溫較低，隨后臺風云系緩慢西移，并快速減弱，至17日08時左右，臺風云系已明顯減弱，無明顯螺旋狀，云團結構松散，呈分散帶狀分布，云頂亮溫增高，貴州大部地區受此減弱的分散云系影響。其中17日08時—18日08時，有多條分散云帶影響貴州中西部地區，云帶大多呈東北—西南走向，云頂亮溫較高，多為-20～-40 ℃，云頂高度低。雷達回波圖像顯示(圖略)，降水回波與云帶分布較一致，呈東北—西南走向帶狀分布，回波強度偏弱，大部分回波強度在20～30 dBz，局部超過35 dBz。回波移動緩慢，形成帶狀的中尺度雨帶。雨帶基本位于低層倒槽西側、中高層倒槽東側的系統傾斜區。結合地面小時雨量分析，發現雨帶的降水率大多為5～10 mm·h-1。

圖2 2018年9月16日18時(a)、23時(b)、17日04時(c)、09時(d)、14時(e)、19時(f)、18日00時(g)、05時(h)、10時(i)FY-2G亮溫TBB圖(單位：℃)Fig.2 TBB of FY-2G satellites at 18：00 (a), 23：00 (b) on September 16, 04:00 (c)，09:00 (d),14：00 (e), 19：00 (f) on September 17，00：00 (g),05:00 (h),10:00 (i) on September 18,2018(unit∶ ℃)

2.3 水汽條件

隨著臺風的登陸，臺風東南側的水汽通道打開，南海的水汽沿偏南氣流向貴州輸送。從700 hPa、850 hPa水汽通量、水汽通量散度、比濕(圖3)分析可以看出，倒槽東側的偏南氣流將南海的水汽向北輸送，在倒槽附近形成水汽輻合區經垂直運動向上輸送。相對濕度的垂直分布顯示(圖略)，整個大氣從低到高均為高濕狀態，水汽的飽和區達較高層300 hPa左右。比濕是表征大氣中水汽絕對量的特征值，9月16—18日，850 hPa貴州大部地區比濕為11～13 g·kg-1，700 hPa比濕為10～12 g·kg-1，500 hPa比濕為6～8 g·kg-1。

圖3 2018年9月17日14時水汽通量(箭矢，單位：10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)、水汽通量散度(線條，單位：10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1)、比濕(陰影，單位：g·kg-1)，700 hPa(a)；850 hPa(b)Fig.3 The vapor flux(vector,unit∶10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)and the vapor fluxdivergence(contour,unit∶10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1),specific humidity(shadow,unit∶g·kg-1)at 700 hPa(a),and 850 hPa(b) at 14:00 on September 17，2018

3 鋒生與對稱不穩定分析

由上述分析可知，在地形阻擋下，臺風倒槽進入貴州后高層東風氣流移動快于低層，使得整個天氣系統呈向西傾的形勢。低層受原山地氣團影響，屬于相對較干冷氣團(低θse)，而中高層氣流來源于臺風外圍的相對暖濕氣團(高θse)，暖濕氣團沿干冷氣團爬升，形成了與地形相平行的類似鋒面系統。如圖4顯示了θse沿26°N空間剖面，可以看出從17日08時開始，在104～108°E附近大氣低層800～600 hPa之間出現θse密集區(鋒區)，呈帶狀隨高度向西傾斜，與地形走勢相一致。17日14—20時，θse密集區(鋒區)達最強，位于貴州中西部維持少動。至18日08時，θse密集區(鋒區)進一步向西移出貴州，并明顯減弱。此密集區與中尺度雨帶相一致，證明降雨與此類鋒面系統有密切關系。

圖4 2018年9月17日14時(a)、20(b)時假相當位溫θse(黑線：單位：K)、風(矢線，由U與W×50合成)沿26°N垂直剖面圖(陰影為地形)Fig.4 The pseudo-equivalent potential temperature (solid lines, unit∶ K),and wind (vector,formatted by U and W×50) along 26°N at 14:00 (a) and 20:00 (b) on September 17，2018 (black shadow represent terrain)

兩種不同屬性氣團在鋒面附近的鋒生作用將會對鋒面附近的次級環流以及降水過程產生重大影響。通過對過程中的鋒生函數計算發現(圖5)。16日夜間，臺風外圍系統開始影響貴州東部，貴州東部地區開始出現鋒生現象，至17日鋒生強度不斷加強，鋒生區向西移，中心位于貴州中西部地區(海拔相對較高處)，強度最大時為17日下午至夜間達6K·h-1·100 km-1以上，其中F2和F3兩項均有較大貢獻(圖略)，F2貢獻最大，低層風的輻合造成θse梯度加強引起鋒生。18日，隨著倒槽系統的進一步西進減弱，鋒生現象明顯減弱。

圖5 2018年9月17日08時(a)、14時(b)、20時(c)、18日02時(d)750 hPa鋒生函數F(陰影，單位：K·h-1·100 km-1)，假相當位溫(黑線，單位：K)，風場(矢線，由U與V合成，單位：m·s-1)Fig.5 The 750 hPa frontogenesis function(shadow,unit∶K·h-1·100 km-1),pseudo-equivalent potential temperature(black lines,unit∶K) and wind (vector, unit∶m·s-1) at 08:00 (a),14:00 (b)，20:00 (c) on September 17，2018 ,02:00 (d) on September 18,2018

Bennetts和Hoskins提出在鋒面附近產生的云和雨帶可能是對稱不穩定的一種表現形式。當判定對稱不穩定時，首先需判定其為慣性穩定和對流穩定。

慣性穩定的條件可由絕對渦度>0判定，即ζp+f>0。對流穩定的條件為?θse/?p<0。圖6a、6b顯示了17日08時、18日02時慣性穩定和對流穩定的水平分布圖，從17日開始，貴州大部均處于正渦度區，滿足慣性穩定條件；同時，?θse/?p<0，滿足對流穩定條件。為了更清晰了解此次暴雨過程中對流穩定性的分布及演變，圖6c、6d給出了貴陽站9月17日08時探空圖，從探空圖上可以看出貴陽站對流有效位能為0，表明大氣層結是靜力穩定的，濕層非常深厚，300 hPa以下相對濕度超過80%，整層大氣幾乎飽和。

圖6 2018年9月17日08時(a)、18日02時(b)750 hPa正絕對渦度(實線，單位：10-4s-1)、?θse/?p(陰影，單位：10-4K·Pa-1)，9月17日08時貴陽站探空圖(c)、(d)Fig.6 The 750 hPapositive absolute vorticity (black lines，unit∶10-4s-1),negative ?θse/?p(shadow，unit∶10-4K·Pa-1)at 08:00 (a) on September 17，2018,02:00 (b) on September 18，2018, observed T-lnp of Guiyang station (c) and (d)at 08:00 on September 17，2018

圖7顯示了MPV與鋒生函數的水平(750 hPa)與垂直(沿26°N)空間分布圖，16日夜間開始貴州境內開始出現鋒生時，貴州大部也處于濕對稱不穩定區(MPV<0)，鋒生區與濕對稱不穩定區基本一致。17日鋒生現象加強，并集中在貴州中西部，濕對稱不穩定也開始發展加強，強的濕對稱不穩定區位于強鋒生區的東側即低層倒槽東側以及東南氣流中。18日，鋒生區減弱進入云南，濕對稱區也明顯減弱。從MPV與鋒生函數的垂直空間剖面圖看到，鋒生區主要位于大氣低層(近地層至600 hPa)，呈帶狀與地形走勢相一致，由低到高向西北方向傾斜。濕對稱不穩定區也位于大氣低層(近地層至600 hPa)，形態走勢與鋒生區一致，中心區位于鋒生區上方，濕對稱不穩定區及其上方為上升氣流，下方為下沉氣流。

圖7 2018年9月17日14時(a)、20時(b)750 hPa鋒生函數F(實線，單位：K·h-1·100 km-1)，MPV(虛線，單位：PVU)，水平風場(風向桿，單位：m·s-1)，2018年9月17日14時(c)、20時(d)鋒生函數F(實線，單位：K·h-1·100 km-1)，MPV(虛線，單位：PVU)，風場(風向桿，由U與W×50合成，單位：m·s-1)沿26°N垂直剖面圖Fig.7 The 750 hPa frontogenesis function(solid line,unit∶K·h-1·100 km-1),MPV(dashed lines,unit∶PVU)and wind(barb,unit∶m·s-1) at 14:00 (a), 20:00 (b) on September 17,2018. The frontogenesis function (solid line, unit∶K·h-1·100 km-1),MPV(dashed lines,unit∶PVU)and wind(barb,formatted by U and W×50)along 26°N at 14:00 (c)and 20:00 (d) on September 17,2018

從25～26°N,105～110°E區域內鋒生函數、MPV(平均值)隨時間的變化圖(圖8)可以看出，鋒生現象發生發展的時間基本與濕對稱不穩定一致。濕對稱不穩定最強時段與鋒生最強時段也一致，尤其是與鋒生的輻合項F2。孫力、鄧承之等指出，濕位渦<0的主要貢獻來源于濕斜壓項。由鋒生函數與濕位渦的表達式可知，鋒生函數與濕位渦的濕斜壓項均與水平假相當位溫梯度相聯系。在本次暴雨天氣過程中，鋒區附近θse線呈東北—西南走向，經向度大于緯向度，?θse/?x>?θse/?y，貢獻更大，因此鋒生函數F∝|?θse/?x|。而臺風倒槽系統西移過程中高層快于低層，使得?v/?p<0，且?θse/?x>0，因此MPV2∝?θse/?x。由此可知，MPV2∝-F。由此可知，鋒生函數的增強與濕對稱不穩定的發展相一致，兩者的加強發展均主要來自于θse在經向上密集度的加強，即|?θse/?x|的大小。當臺風倒槽北上影響貴州時，倒槽右側的氣流帶來高θse的氣團，與原地的相對較低θse區相匯，在倒槽附近形成θse密集區，從而形成鋒生現象。貴州西高東低的地形一方面加強了|?θse/?x|，一方面使得倒槽系統高低層不再垂直一致，即?v/?p<0，對稱不穩定發展，形成平行于鋒區與CSI的中尺度雨帶。

圖8 2018年9月16日00時—19日02時750 hPa鋒生函數F及其輻合項、變形項(單位：K·h-1·100 km-1)，MPV2(單位：PVU)的時間演變圖Fig.8 The 750 hPa frontogenesis function and its divergences part,deformation part(unit∶K·h-1·100 km-1) and MPV2(unit∶PVU) during 00:00 on 16 to 02:00 on September 19,2018

4 結論與討論

本文對2018年9月17日臺風“山竹”倒槽造成貴州中西部暴雨過程中的鋒生與濕對稱不穩定進行分析。得出以下幾點初步結論：

①1822號臺風“山竹”登陸后，其北部倒槽北上于9月16日傍晚至18日中午影響貴州，倒槽東側的偏南氣流帶來充沛水汽，造成貴州出現大范圍降雨天氣。降雨穩定，強度較小，降水率大多為5～10 mm·h-1，持續時間較長。降雨云系多呈分散的帶狀，云頂亮溫高，云頂高度低，回波強度較小，多為20～30 dBz，以層狀云降雨為主。倒槽西進過程中其正壓結構發生變化，受地形影響，低層系統移動受阻，其移速慢于高層系統，使得倒槽系統傾斜出現斜壓性。

②結合假相當位溫與風場的垂直結構分析發現，大氣低層800～600 hPa之間出現θse密集區(鋒區)，呈帶狀隨高度向西傾斜，與地形走勢相一致，密集區(鋒區)上暖濕氣團沿干冷氣團爬升，形成傾斜上升運動，此密集區與中尺度雨帶相一致，由貴州東部逐步向西部移動。

③鋒生函數計算分析發現，伴隨著雨帶的不斷東移，雨帶中出現明顯的鋒生現象，降雨最強時段17日下午至夜間也是鋒生最強時段，鋒生達6 K·h-1·100 km-1以上。貢獻最大的為F2水平輻散項和F3水平變形項，尤其是低層風的輻合造成梯度加強引起鋒生。通過對降雨過程中貴州區域的穩定度分析發現，雨帶附近處于慣性穩定和對流穩定，同時濕位渦MPV小于0，為對稱不穩定。鋒生現象與對稱不穩定具有相關性，對稱不穩定區位于鋒生區的東側，即東南暖濕氣流中，垂直結構上對稱不穩定區位于鋒生區的上部，與傾斜的上升運動區相對應。

本文采用多種資料分析了此次臺風倒槽暴雨過程中的成因及上升運動機制，發現了臺風倒槽進入貴州以后，受貴州西高東低地形的影響，系統結構傾斜，出現了類鋒面系統、對稱不穩定和鋒生過程，在地形對貴州天氣的影響中具有一定的意義。但對地形在天氣過程中的作用僅通過實況和再分析資料進行判定，缺乏對其動力和物理機制的解釋，今后需進一步通過中尺度模式更深入的模擬地形敏感實驗。