渤海一次后倾槽强对流天气的成因分析

郭鸿鸣，卜清军，许长义，靳甜甜

(1. 秦皇岛市气象局 河北秦皇岛066000；2. 天津市滨海新区气象预警中心 天津300457)

渤海一次后倾槽强对流天气的成因分析

郭鸿鸣1，卜清军2，许长义2，靳甜甜1

(1. 秦皇岛市气象局 河北秦皇岛066000；2. 天津市滨海新区气象预警中心 天津300457)

基于NECP再分析资料，使用WRF模式、海浪模型对2015年8月3日渤海地区强对流天气过程进行数值模拟。指出主要成因为：中低层大尺度辐合抬升与高层强辐散呈垂直耦合状态，有利于强上升运动的发展；低空急流的增温增湿进一步加大了高低空的温湿差；海面中尺度低压辐合系统是触发机制；海表温度较高海域的海气湍流输送为强对流的发生提供了边界层的热力和水汽条件。

WRF模式 强对流 海浪模型 后倾槽

0 引 言

渤海大约7.7万km2为我国内海，由于海洋气象观测数据的匮乏，导致海洋气象灾害天气监测能力不足，特别是夏季海洋强对流天气产生的雷暴大风、冰雹、短时强降水对于船只航行安全有着重要的影响。

2015年8月3日夜间，渤海东南部地区出现较强的一次强对流天气，沿海大量自动站监测到雷暴大风、短时强降水等强对流天气。烟台局部地区出现冰雹，大黑山自动站极大风速达到30.3,m·s-1，大风导致部分航线停运。本文运用中科院南海海洋研究所研发的WRF海洋气象数值预报模式和NECP再分析资料对此次强对流天气过程进行数值模拟，结合渤海雷达拼图、闪电定位资料、陆地和海岛观测站等实况数据与模式输出的高时空分辨率资料进行对比分析，从强对流发生发展所需要的热力、水汽和动力等基本条件入手，总结出本次渤海强对流天气发生机制，通过第3代全谱海浪模型模拟强对流发生前后渤海地区海表面温度的变化，探讨海洋强对流天气与海水表面温度的关系。

1 资料及模式说明

本次强对流天气数值模拟系统采用的是WRF,3.3版，该模式为完全可压缩以及非静力模式。初始资料为2015年8月3日14时的NECP再分析资料，水平分辨率为1 °×1 °。WRF模式预报时间间隔为1,h，最小区域网格尺度为5,km。实况数据为高低空地面常规实况观测、海岛站、闪电定位资料、渤海雷达拼图、中央气象台强对流中心监测分析数据(渤海)等。海水温度模拟采用美国海洋与气象管理局和环境预报中心的WAVEWATCH-III(WW3)模式，这是一个基于WAM模型所开发的第3代全谱海浪模型。

2 天气实况

本次过程，山东、辽宁及沿海均出现雷暴大风、短时强降水，其中95个区域站极大风速超过8级，237个区域站降雨量超过50,mm，5个区域站降雨量超过100,mm，长岛站0时34分极大风速为23.7,m·s-1。

比较2015年8月3日20时～4日08时12小时渤海周边陆地实况降雨量(见图1b)和WRF模式降水模拟结果(见图1a)可知，实际降雨带位于山东中北部到辽宁东南部一带，实况落区与数值预报模拟结果基本一致，模式降雨总量较实况偏多10～20,mm。本文比较关注的渤海地区强降雨与实况雷达组合反射率影响区域也基本一致，特别是从3日21时到4日1时，大连西南部海域一直存在着大范围的雷达回波组合反射率大于40,dBz。从总降水量落区分布和强降水中心的综合预报比较，虽然降雨带(山东地区)模拟结果略有偏差，但考虑到模式分辨率较高导致的误差，表明该WRF模式模拟结果比较理想。

图1 8月3日20时～4日08时WRF模式预报降雨量、渤海周边陆地实况降雨量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 环流形势及成因分析

图2 2015年8月3日20时500,hPa(a)和850,hPa(b)的WRF模拟结果Fig.2 The simulation results of WRF at 20：00 at 500 hPa(a)and 850 hPa(b)on August 3，2015

这次渤海强对流天气是比较典型的高空槽、高低空急流与副热带高压相互作用造成的。从WRF模拟的结果可以分析出：8月3日20时高层200,hPa高度场40,°～45,°N附近存在风速大于30,m·s-1的高空急流，山东半岛及渤海大部分地区位于此急流入口区的右侧，该处高空为气流辐散区域(此时辐散中心位于鲁西北，中心值为9×e-5)，高层抽吸作用可诱发和加强中低层空气的辐合上升运动。中层500,hPa高度场，渤海地区处于东北冷涡南部的高空槽前和副热带高压西北部交汇地区，以西南气流为主(见图2a)，在渤海强对流发生的前期3日14～18时，500,hPa有明显的湿平流，配合低层湿平流，整层大气增湿机制对于后期短时强降雨的发生提供了水汽的累积。20时开始，山东半岛东部及渤海南部的中层相对湿度开始逐渐降低到60%,左右，建立不稳定条件，而500,hPa槽线落后于850,hPa，为后倾槽结构。低层850,hPa高度场渤海地区处于东北冷涡南部分裂出来的低涡切变线右侧，山东半岛上空有西南低空急流，风速最大值为20,m·s-1，渤海地区位于急流出口区左侧，低空急流有效地输送了暖湿空气，为渤海地区强对流发生提供了低层高温高湿的大气环境条件(见图2b)，同时在低空急流左侧有着风向的切变，形成了较强的垂直上升运动。

随着高空槽的东移，天气系统自西向东影响渤海地区。至4日00时前后渤海地区强对流达到最强阶段，此时200,hPa渤海地区仍然位于高空急流入口区右侧，且风速较3日20时都增大4,m·s-1，高层辐散中心值为9×e-5，完全位于渤海地区。渤海地区850,hPa低空西南急流较3日20时增大4,m·s-1，高层抽吸作用配合低层垂直运动导致了强烈的对流天气。4日3时以后，中高层相对湿度开始增大转为湿平流，850,hPa低空急流向东北方向移动，渤海地区位于入口区左侧，强对流天气减弱基本结束。

根据模式输出的结果分析3日20时、4日1时的相对湿度和v-w风场沿120,°E的垂直剖面可以看出：3日20时(见图3a) 40,°N以北950,hPa以上为相对湿度低值区(相对湿度小于60%,)，在其南边37,°～39,°N存在一个随高度向北倾斜的湿空气柱，在43,°N 的500,hPa附近不断有干冷空气向低层输送，40.5,°N的950,hPa附近有干冷空气向南输送至渤海地区，抬升其上层暖空气。在37.5,°N的500,Pa附近有一相对湿度小于60%,的空气团由南向北、由上而下运动，由于低层850,Pa低空急流的增暖增湿作用，该地区建立了上干下湿的水汽垂直空间分布，进而有利于对流的发生。4日1时(见图3b)，37.5,°N中高层500,Pa附近的干空气团范围向北扩展1个纬度。在低层冷空气的影响下，渤海锋面气旋维持发展并加强，强烈抬升暖湿空气上升运动。此时渤海海峡地区强对流达到最强。虽然高层没有明显的冷空气侵入，但在37.5,°N的500,hPa中高层有相对于低层较干的空气，低层的西南急流有效地加大了暖湿气流的输送，进一步形成上干下湿，在此区域建立了不稳定层结。

图3 8月3日20时(a)、4日01时(b)相对湿度(阴影，单位：%)和v(单位m/s)-w(单位cm/s)合成风沿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)

从上述环流形势和天气系统配置看出，从3日20时到4日02时渤海强对流天气是在高低空急流、低层暖湿气流以及低涡切变辐合的共同条件下发生的，海面中-β尺度低压是触发机制。

4 海表面温度与强对流天气关系

通过WAVEWATCH-III(WW3)模式模拟该次强对流天气过程渤海海表面温度变化，可以看出图4中所画区域海表面温度在强对流发生前后有明显的变化。20时(见图4a)莱州湾海水温度(最大为24 ℃)明显高于区域内的其他地方，21～22时该地区出现强对流天气(见图3)，伴随着强对流天气出现了雷暴大风，海表温度也随之降低，从而导致对流减弱消散；23时～02时(见图4b、c)中央浅海盆地和渤海海峡的海水温度升高约2 ℃左右，这个时段也同样与强对流天气发生区域基本一致(见图3c、d)；随后05时海水表面温度降低(见图4d)，该地区强对流天气全部结束。而渤海北部和西部(秦皇岛、唐山、天津、辽西湾)海水温度没有明显变化，温度变化平稳。因为该地区没有强对流天气发生所具备的不稳定能量、垂直运动、低层风切变等对流条件，只有弱的降水天气，即使是海表面温度较高也不能够形成不稳定层结，在没有对流天气的情况下，未出现较大的风速，海表面空气温度和海水温度未发生较大变动。

图4 8月3日20时(a)、23时(b)、4日02时(c)、05时(d)渤海海表面温度分布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 结论与讨论

利用WRF模式和海浪模型对2015年8月3日20时至4日08时渤海地区强对流天气过程进行数值模拟和成因分析，主要结论如下：

① 本次强对流为高空后倾槽结构，高低空急流耦合较好，有利于强的上升运动的发展和深对流天气的发生。本次过程由于没有高层冷空气的入侵，上干下湿层结较条略差，相对冰雹而言更容易出现雷暴大风。

② 针对此次强对流天气过程，WRF模式预报的陆地降水落区、强降雨中心与实况基本一致，说明WRF模式对大尺度背景下发生的中小尺度天气过程有较强的模拟和预报能力。但模拟结果强对流发生的时间较实况晚1,h左右，降雨及短时强降水中心落区偏差50～100,km。

③ 通过模拟海水表面温度变化，说明海洋强对流天气与海水温度密切相关，海水温度的升高，预示着海面蒸发旺盛，海气湍流输送使得低层大气能够获得大量的暖湿空气，进一步增大海面上大气条件的不稳定性，为强对流的发生提供了边界层的热力条件。再配合中高层有利条件，导致强对流天气的减弱。■

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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