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(qū)氣象預(yù)警中心 天津300457)

渤海一次后傾槽強(qiáng)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(qū)氣象預(yù)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(qū)強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬。指出主要成因?yàn)椋褐械蛯哟蟪叨容椇咸c高層強(qiáng)輻散呈垂直耦合狀態(tài)，有利于強(qiáng)上升運(yùn)動的發(fā)展；低空急流的增溫增濕進(jìn)一步加大了高低空的溫濕差；海面中尺度低壓輻合系統(tǒng)是觸發(fā)機(jī)制；海表溫度較高海域的海氣湍流輸送為強(qiáng)對流的發(fā)生提供了邊界層的熱力和水汽條件。

WRF模式 強(qiáng)對流 海浪模型 后傾槽

0 引 言

渤海大約7.7萬km2為我國內(nèi)海，由于海洋氣象觀測數(shù)據(jù)的匱乏，導(dǎo)致海洋氣象災(zāi)害天氣監(jiān)測能力不足，特別是夏季海洋強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)、冰雹、短時強(qiáng)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(qū)出現(xiàn)較強(qiáng)的一次強(qiáng)對流天氣，沿海大量自動站監(jiān)測到雷暴大風(fēng)、短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣。煙臺局部地區(qū)出現(xiàn)冰雹，大黑山自動站極大風(fēng)速達(dá)到30.3,m·s-1，大風(fēng)導(dǎo)致部分航線停運(yùn)。本文運(yùn)用中科院南海海洋研究所研發(fā)的WRF海洋氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模式和NECP再分析資料對此次強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合渤海雷達(dá)拼圖、閃電定位資料、陸地和海島觀測站等實(shí)況數(shù)據(jù)與模式輸出的高時空分辨率資料進(jìn)行對比分析，從強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展所需要的熱力、水汽和動力等基本條件入手，總結(jié)出本次渤海強(qiáng)對流天氣發(fā)生機(jī)制，通過第3代全譜海浪模型模擬強(qiáng)對流發(fā)生前后渤海地區(qū)海表面溫度的變化，探討海洋強(qiáng)對流天氣與海水表面溫度的關(guān)系。

1 資料及模式說明

本次強(qiáng)對流天氣數(shù)值模擬系統(tǒng)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(yù)報(bào)時間間隔為1,h，最小區(qū)域網(wǎng)格尺度為5,km。實(shí)況數(shù)據(jù)為高低空地面常規(guī)實(shí)況觀測、海島站、閃電定位資料、渤海雷達(dá)拼圖、中央氣象臺強(qiáng)對流中心監(jiān)測分析數(shù)據(jù)(渤海)等。海水溫度模擬采用美國海洋與氣象管理局和環(huán)境預(yù)報(bào)中心的WAVEWATCH-III(WW3)模式，這是一個基于WAM模型所開發(fā)的第3代全譜海浪模型。

2 天氣實(shí)況

本次過程，山東、遼寧及沿海均出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時強(qiáng)降水，其中95個區(qū)域站極大風(fēng)速超過8級，237個區(qū)域站降雨量超過50,mm，5個區(qū)域站降雨量超過100,mm，長島站0時34分極大風(fēng)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(shí)況降雨量(見圖1b)和WRF模式降水模擬結(jié)果(見圖1a)可知，實(shí)際降雨帶位于山東中北部到遼寧東南部一帶，實(shí)況落區(qū)與數(shù)值預(yù)報(bào)模擬結(jié)果基本一致，模式降雨總量較實(shí)況偏多10～20,mm。本文比較關(guān)注的渤海地區(qū)強(qiáng)降雨與實(shí)況雷達(dá)組合反射率影響區(qū)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(dá)回波組合反射率大于40,dBz。從總降水量落區(qū)分布和強(qiáng)降水中心的綜合預(yù)報(bào)比較，雖然降雨帶(山東地區(qū))模擬結(jié)果略有偏差，但考慮到模式分辨率較高導(dǎo)致的誤差，表明該WRF模式模擬結(jié)果比較理想。

圖1 8月3日20時～4日08時WRF模式預(yù)報(bào)降雨量、渤海周邊陸地實(shí)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(huán)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(jié)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(qiáng)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(jié)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(fēng)速大于30,m·s-1的高空急流，山東半島及渤海大部分地區(qū)位于此急流入口區(qū)的右側(cè)，該處高空為氣流輻散區(qū)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(fā)和加強(qiáng)中低層空氣的輻合上升運(yùn)動。中層500,hPa高度場，渤海地區(qū)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(qū)，以西南氣流為主(見圖2a)，在渤海強(qiáng)對流發(fā)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(jī)制對于后期短時強(qiáng)降雨的發(fā)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(wěn)定條件，而500,hPa槽線落后于850,hPa，為后傾槽結(jié)構(gòu)。低層850,hPa高度場渤海地區(qū)處于東北冷渦南部分裂出來的低渦切變線右側(cè)，山東半島上空有西南低空急流，風(fēng)速最大值為20,m·s-1，渤海地區(qū)位于急流出口區(qū)左側(cè)，低空急流有效地輸送了暖濕空氣，為渤海地區(qū)強(qiáng)對流發(fā)生提供了低層高溫高濕的大氣環(huán)境條件(見圖2b)，同時在低空急流左側(cè)有著風(fēng)向的切變，形成了較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動。

隨著高空槽的東移，天氣系統(tǒng)自西向東影響渤海地區(qū)。至4日00時前后渤海地區(qū)強(qiáng)對流達(dá)到最強(qiáng)階段，此時200,hPa渤海地區(qū)仍然位于高空急流入口區(qū)右側(cè)，且風(fēng)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(qū)。渤海地區(qū)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(yùn)動導(dǎo)致了強(qiáng)烈的對流天氣。4日3時以后，中高層相對濕度開始增大轉(zhuǎn)為濕平流，850,hPa低空急流向東北方向移動，渤海地區(qū)位于入口區(qū)左側(cè)，強(qiáng)對流天氣減弱基本結(jié)束。

根據(jù)模式輸出的結(jié)果分析3日20時、4日1時的相對濕度和v-w風(fēng)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(qū)(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(qū)，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(tuán)由南向北、由上而下運(yùn)動，由于低層850,Pa低空急流的增暖增濕作用，該地區(qū)建立了上干下濕的水汽垂直空間分布，進(jìn)而有利于對流的發(fā)生。4日1時(見圖3b)，37.5,°N中高層500,Pa附近的干空氣團(tuán)范圍向北擴(kuò)展1個緯度。在低層冷空氣的影響下，渤海鋒面氣旋維持發(fā)展并加強(qiáng)，強(qiáng)烈抬升暖濕空氣上升運(yùn)動。此時渤海海峽地區(qū)強(qiáng)對流達(dá)到最強(qiáng)。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(jìn)一步形成上干下濕，在此區(qū)域建立了不穩(wěn)定層結(jié)。

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(fēng)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(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)配置看出，從3日20時到4日02時渤海強(qiáng)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(fā)生的，海面中-β尺度低壓是觸發(fā)機(jī)制。

4 海表面溫度與強(qiáng)對流天氣關(guān)系

通過WAVEWATCH-III(WW3)模式模擬該次強(qiáng)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(qū)域海表面溫度在強(qiáng)對流發(fā)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(qū)域內(nèi)的其他地方，21～22時該地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣(見圖3)，伴隨著強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)，海表溫度也隨之降低，從而導(dǎo)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(qiáng)對流天氣發(fā)生區(qū)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(qū)強(qiáng)對流天氣全部結(jié)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(wěn)。因?yàn)樵摰貐^(qū)沒有強(qiáng)對流天氣發(fā)生所具備的不穩(wěn)定能量、垂直運(yùn)動、低層風(fēng)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(wěn)定層結(jié)，在沒有對流天氣的情況下，未出現(xiàn)較大的風(fēng)速，海表面空氣溫度和海水溫度未發(fā)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(jié)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(qū)強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬和成因分析，主要結(jié)論如下：

① 本次強(qiáng)對流為高空后傾槽結(jié)構(gòu)，高低空急流耦合較好，有利于強(qiáng)的上升運(yùn)動的發(fā)展和深對流天氣的發(fā)生。本次過程由于沒有高層冷空氣的入侵，上干下濕層結(jié)較條略差，相對冰雹而言更容易出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。

② 針對此次強(qiáng)對流天氣過程，WRF模式預(yù)報(bào)的陸地降水落區(qū)、強(qiáng)降雨中心與實(shí)況基本一致，說明WRF模式對大尺度背景下發(fā)生的中小尺度天氣過程有較強(qiáng)的模擬和預(yù)報(bào)能力。但模擬結(jié)果強(qiáng)對流發(fā)生的時間較實(shí)況晚1,h左右，降雨及短時強(qiáng)降水中心落區(qū)偏差50～100,km。

③ 通過模擬海水表面溫度變化，說明海洋強(qiáng)對流天氣與海水溫度密切相關(guān)，海水溫度的升高，預(yù)示著海面蒸發(fā)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(jìn)一步增大海面上大氣條件的不穩(wěn)定性，為強(qiáng)對流的發(fā)生提供了邊界層的熱力條件。再配合中高層有利條件，導(dǎo)致強(qiáng)對流天氣的減弱?！?/p>

［1］ 王宏，王萬筠，張南，等. 河北承德地區(qū)一次暴雨過程數(shù)值模擬和診斷分析[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，31(5)：9-15.

［2］ 賀靚，于超，呂新民，等. 渤海中南部海區(qū)一次雷暴大風(fēng)過程分析[J]. 海洋預(yù)報(bào)，2011，28(1)：19-24.

［3］ 慕建利，李澤椿，諶蕓. 一次強(qiáng)暴雨過程地閃活動特征與中尺度對流系統(tǒng)和強(qiáng)降水的關(guān)系[J]. 氣象，2012，38(1)：56-65.

［4］ 董保華，王詠青，徐星生，等. 江西秋季一次區(qū)域性強(qiáng)對流天氣過程的模擬分析[J]. 氣象與減災(zāi)研究，2012，35(1)：21-28.

［5］ 李延江，陳小雷，景華，等. 渤海強(qiáng)對流天氣監(jiān)測及概念模型初建[J]. 海洋預(yù)報(bào)，2013，30(4)：45-51.

［6］ 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等. 天氣學(xué)原理和方 法[M]. 北京：氣象出版社，2000：401-412.

［7］ 蔣立輝，張小宇，莊子波. 北京一次強(qiáng)降水過程的數(shù)值模擬[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29(4)：18-25.

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