一次槽前干对流天气过程动力诊断分析

武麦凤，李萍云，吉 庆

(1.渭南市气象局,陕西渭南 714000；2.陕西省气象台,西安 710014)

强对流天气是一种持续时间短，影响范围相对较小，但局部灾害很严重的气象灾害。陕西省虽然地处内陆，但境内地形地貌复杂，夏季易出现强对流天气。随着监测手段的精细化和多样化，预报专家和一线的预报技术人员对强对流天气的动力过程作了一些研究，一些气象条件诸如CAPE、水汽条件、风向风速切变、大气能量[1-5]等被证明和强对流天气相关性较好。郝莹[6]、姚叶青[7]、庞古乾[8]、吴芳芳[9]等针对不同强对流天气的特征参数进行了分析应用。孙继松[10]、雷蕾[11]、曾明剑[12]等的研究表明，不同类别强对流天气因其发生发展机理不同，对对流参数的敏感性也不同。陆汉城的研究表明夏季出现的对流性天气一般分为干对流和湿对流两种[2]。武麦凤[13]等的研究表明了干对流风暴中水汽输送和水汽辐合均比较弱。2015年8月23日发生在陕西关中东部的强对流天气过程属于一次干对流天气过程。这次干对流天气过程中的干对流环境的垂直配置情况如何，水汽来源和动力机制是怎样的呢？采用高空、地面观测资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料，利用动力因子的演变对本次天气过程进行了动力诊断分析，揭示本次过程的热力不稳定结构、水汽来源和动力抬升机制。

1 资料和方法

天气概况及形势分析使用的是2015年8月23日常规气象高空地面观测资料,国家气象站和区域气象站6 h降水量资料；动力因子诊断利用NCEP/NCAR 提供的 6 h 一次 的再分析资料(水平分辨率为1°×1°，垂直26层风场、温度、相对湿度、垂直速度)计算得到。

散度通量(Γ)为垂直速度与水平散度的乘积[14], 即

Γ=ω(∂u/∂x+∂υ/∂y) 。

(1)

其中u为纬向速度，v为经向速度，ω为垂直速度。在等压坐标系中，散度通量的正值区代表了水平辐合区的上升运动和水平辐散区的下沉运动，而水平散度负值区则代表了水平辐合区的向下输送和水平辐散区的向上输送。

水汽波作用密度是扰动垂直速度(ωe)与扰动水汽比湿(qve)的雅克比，它表征了水平水汽扰动的垂直输送。依据热力波作用密度[15]进行修改得到水汽波作用密度(Wavepv)，公式如下

Wavepv=∂ωe/∂y∂qve/∂x―∂ωe/∂x∂qve/∂y。

(2)

在实际计算中，利用Barnes低通滤波技术对NCEP/NCAR 6 h一次的再分析资料进行连续 3 次水平平滑滤波，并将该滤波结果作为基本态场，从总资料场中减去基本态场就得到扰动态场。水汽波作用密度是从暴雨的动力、水汽场扰动的角度来考虑的，强降水区中低层存在水汽辐合，强烈的垂直上升运动把低层水汽输送到对流层高层，在水汽输送的过程中，形成水汽扰动的高值中心，其水平梯度明显。因此降水区与非降水区的水汽扰动差异显著。在动力场方面，降水区上空通常存在最大垂直上升速度，其周围存在较强的补偿下沉气流，因而降水区垂直速度的水平梯度也比较显著。水汽波作用密度包含这些动力、水汽扰动信息，因而与暴雨的发生发展联系紧密。

2 天气概况

受西太平洋副热带高压和东南暖湿气流共同作用影响，2015年8月23日下午，陕西省关中和陕南东部陆续出现雷电、风雹及短时暴雨等强对流天气过程，雨量分布不均(图略)。暴雨主要出现在关中东部，最大降雨量出现在华山站，为80.3 mm，8乡镇出现短时暴雨(最大潼关蒿叉峪站72.2 mm)。强对流天气过程中，关中东部5县(市、区)遭受冰雹和大风袭击，最大的雹径超过3 cm。此次强对流天气来势猛、强度大、分布不均，且具有较强的叠加性，致使关中东部部分县(市、区)受灾严重。据民政部门不完全统计，强对流天气过程共造成关中东部5县(市、区)16镇(办)35村7.73万人受灾，直接经济损失2 298万元，其中农业经济损失2 119.5万元。

3 环流形势分析

图1(图见第11页)为8月23日20时天气影响系统配置图。可以看出，本次过程中，500 hPa槽线位于陕西关中和陕北之间，700 hPa宁夏到关中西部秦岭以北有一条明显的中尺度切变线，850 hPa切变线位于关中东部，切变线后部有弱反气旋环流。地面上关中东部有明显湿舌存在，并且有中尺度辐合线配合。另外，当日关中大部处于850 hPa到500 hPa温差大于30 ℃的范围内，说明中低层储存了大量的能量。分析以上影响系统配置，结合主要天气落区得知：本次天气过程发生在500 hPa槽前，关中东部当日700 hPa及以上水汽含量小，但该区地面处于高能高湿的环境中，这种配置有利于层结不稳定建立和干对流天气的发生。由系统演变和天气落区对应情况分析得知：850 hPa切变线促进了强对流天气过程中上升运动的发展，500 hPa西风槽及其带来的冷空气是本次强对流天气过程的主要影响系统，而地面辐合线的移动和发展触发了中低层不稳定能量的释放，诱发了干对流天气的发生。

选取了泾河气象站8月23日08时(图略)和14时(图2，图见第11页)TlnP图，可以看出，08—14时，泾河上空有很强的不稳定能量积累，―20 ℃和0 ℃层高度维持在400 hPa和600 hPa附近，这个高度非常有利于冰雹天气的发生。14时中层(550～500 hPa)有明显的干冷空气入侵，湿度线形成一个向右开口的喇叭口形，形成了中层相对干、低层相对湿的垂直配置。从泾河气象站风的垂直变化情况可以看出，14时泾河气象站地面到500 hPa风向随高度顺时针旋转超过180°，500 hPa以上风速随高度增加很快，说明低层有暖平流，风向切变很大，而中高层温度平流不明显，但风速的垂直切变大。这种配置有利于中层变冷，低层变暖，与中层(550～500 hPa)干冷空气入侵配合，增加了中层干冷空气的吸入，形成了中层相对“干冷”，低层相对“暖湿”的不稳定层结。

综上，本次过程的主要影响系统为500 hPa槽线，850 hPa切变线促进了垂直上升运动的发展，中层储备的不稳定能量为本次过程提供了较强的能量条件，地面辐合线触发了不稳定能量的释放，为本次强对流天气过程的触发机制。中层的干侵入增强了大气的热力不稳定和层结不稳定，而中低层剧烈的风向旋转也有利于干对流风暴的形成和维持。

4 干对流动力因子诊断

冉令坤研究发现对流涡度矢量垂直分量、湿热力平流参数、波作用密度、垂直螺旋度和散度通量与强对流降水有一定的联系，可以作为一个预示强降水系统发展演变的指标[14-16]。在此基础上，针对此次强对流天气，诊断分析以上动力因子的演变过程，研究这些动力因子在关中强对流天气过程中的指示意义。

4.1 位温和广义位温

8月23日发生在陕西关中东部的强对流天气过程属于一次干对流天气过程。对于干空气的诊断，位温是一个很重要的温度参量，在干绝热过程中具有守恒性，可用来比较不同气压下空气质块的热力差异；但对于伴有降水等潜热释放的湿过程，就不再守恒[17]。曹洁[18]、周玉淑[19]等分析指出广义位温体现了实际大气的非均匀饱和特性，可更真实地描述实际湿大气的状态。广义位温是一个能够综合反映温度和水汽条件的特征参数。从分布来看，位温的高值区代表高温区，低值区代表低温区[20]。

850 hPa位温与扰动风场沿100°E的时间剖面分布(图3)显示，34°N～35°N位温的演变最为明显，由08时位温低值区迅速演变为14时位温高值区，说明23日白天强对流天气区有迅猛升温的过程，为强对流天气的发生储备了充足的能量。从图3还可以看出，23日02时开始，34°N以北有风场扰动切变，该扰动切变位于850 hPa切变线后部，即在850 hPa切变线后部的反气旋环流中存在西南风扰动和东南风扰动形成的中尺度暖式切变线。这一切变线向南移动过程中，逐渐由暖式切变线演变为由西北风扰动和西南风扰动组成的冷式切变线。23日14时，该冷式切变线与位温高值中心重合，为不稳定能量的释放提供了初始扰动。

虚线为扰动切变线。图3 2015-08-22T20—24T02 850 hPa位温(单位为K)和扰动风场沿110°E的纬向时间剖面

500 hPa位温分布(图略)显示，23日08时宁夏东南部—平凉—关中西部有一位温槽，关中东部—陕南东部有一位温浅槽，说明关中地区中层有弱的冷空气输送。14时位温槽线东移，西部的位温槽东移至延安西部—关中中部一带，东部的位温槽东移南压至河南境内，说明有自北输送的冷空气影响关中中东部大部分地区。500 hPa广义位温分布显示，08时(图略)平凉—关中中部有一广义位温槽线，陕南、四川东部、重庆北部境内有广义位温的高值区，中心位于安康和重庆北部，中心强度334 K。14时(图4)系统东移，广义位温高中心移动到陕南东部与湖北西部交界处，中心强度减小为333 K，位于关中东部的广义位温槽变得比较宽广，华北和西北的广义位温均下降，说明了关中东部当天不仅有来自华北回流的冷空气影响，还有来自西北方向输送来的干冷空气影响，这与前面分析的当天关中东部中层有干冷空气入侵的结论一致。从图4还可以看出，陕南为高温高湿区，能量较高，干冷空气与暖湿空气在关中东部、陕南东北部交汇，为关中、陕南东部的强对流提供足够的热力不稳定。

图4 2015-08-23T14 500 hPa广义位温(单位为K)分布

综上分析，8月23日08时开始陕西上空中低层相对较干，午后位于秦岭北麓的关中东部升温明显，14时关中东部中层有比较明显的干冷空气输送，加之中尺度分析的陕西中南部地面湿度较大，形成了中层干冷、近地面暖湿的热力不稳定垂直结构，为强对流天气的产生储备了足够的热力不稳定能量。同时，850 hPa扰动切变线的存在和南压，并与位温高中心重合，为不稳定能量的释放提供了初始扰动。

4.2 散度通量

以往的分析认为[15]，散度通量垂直积分的大值区与6 h地面累积降水具有良好的对应关系，因此着重分析散度通量在此次强对流过程中的变化特征。散度通量与滤波后的流场(V-100W)沿110°E的垂直分布显示，8月23日08时(图5a)33°N～36°N的中低层800～600 hPa有正散度通量的大值区，中心位于700 hPa上下，强度为5×10-5m3·Pa/(kg·s2)；14时(图5b)正散度通量的大值区向上延伸到500 hPa，中心位置也略有抬升，强度增大到6×10-5m3·Pa/(kg·s2)。与正散度通量大值区相配合，滤波后垂直流场上，34°N～36°N有一个由扰动产生的次级环流圈，扰动次级环流圈的上升支位于34°N，这与850 hPa的扰动切变相对应。8月23日关中地区强对流天气的垂直上升运动首先是地面辐合线前出现初始上升扰动，并产生了地面的水平辐合，在地面水平辐合和扰动上升运动的配合下，形成了上升运动的发展，并与850 hPa切变线附近的垂直上升运动结合，加剧了低层辐合的向上输送，形成了次级环流的上升支。次级环流上升支形成之后，在近地面补偿性气流作用下，形成次级环流下沉支。强对流天气发生在次级环流上升支附近。

a为08时，b为14时；箭头代表次级环流的上升支和下沉支。图5 2015-08-23散度通量(单位为10-5 m3·Pa/(kg·s2)与垂直流场(V-100W)(单位为m/s)沿110°N的垂直剖面

地面辐合和低层扰动为本次过程提供了初始扰动，850 hPa切变线加剧了低层辐合的向上输送，而低层扰动的向上输送诱发次级环流的产生，次级环流上升支附近强的垂直上升运动与散度通量大值区相配合，为这次强对流天气过程提供了足够的抬升条件。另外，正散度通量大值区的存在和不断增大，不仅对暴雨有一定指示意义，还对关中东部强对流天气的产生也有一定的参考意义。

4.3 水汽波作用密度

水汽是大气的重要组成成分 ,是灾害性天气研究中不可或缺的物理量。本次天气过程中，只有地面附近水汽含量较高，850 hPa到500 hPa强对流区域均处于干区。为了研究关中东部这次强对流天气过程的水汽输送特点，采用水汽波作用密度分析进行水汽诊断。8月23日850～500 hPa水汽波作用密度垂直积分的水平分布(图6)显示，08时关中大部和陕南处于水汽波作用密度的大值区，大值中心位于(34°N，109°E)，中心强度为1.4×10-9kg·Pa2/(m5·s)，与散度通量的正值区基本一致；14时大值区移至关中东部、陕南东部地区，中心位于(34°N，110°E)，中心强度增大为1.6×10-9kg·Pa2/(m5·s)，与地面湿度大值区相对应，也与散度通量大值区的移动方向一致。说明本次强对流天气过程中，低层扰动风的水平辐合造成了垂直速度的扰动，引起垂直速度扰动水平梯度增加，同时也伴有水汽扰动在水平方向梯度的增大。对比强对流天气落区发现，强对流天气主要出现在水汽波作用密度垂直积分大值中心附近及其后部梯度最大的区域内。

图6 2015-08-23 850～500 hPa水汽波作用密度(单位为10-9 kg·Pa2/(m5·s)垂直积分的水平分布(a 08时，b 14时)

虽然本次过程发生在干对流背景下，没有强的水汽输送和水汽辐合，但是水汽波作用密度垂直积分表明，较强的水汽扰动和垂直速度扰动，为强对流天气过程提供动力条件的同时，也提供较为充沛的水汽条件。水汽扰动和垂直速度扰动的不均匀性也在一定程度上决定了强对流天气过程中降水分布的不均匀。

4 结论

(1)本次过程的主要影响系统为500 hPa槽线，850 hPa切变线促进了垂直上升运动的发展，中层储备的不稳定能量为本次过程提供了较强的能量条件，地面辐合线为本次强对流天气过程的触发机制。

(2)中层干冷空气向关中东部的输送、午后关中东部气温猛升以及强的垂直风切变，共同导致了中低层干冷、地面暖湿的垂直配置，为干对流的发生提供了强烈的热力不稳定条件。

(3)低层水平辐合的向上输送增强了强对流天气区的垂直上升运动速度，是本次干对流天气过程的重要动力抬升机制；而低层水汽扰动水平辐合，是强对流天气水汽条件的主要提供者。

(4)散度通量大值区和水汽波作用密度垂直积分大值区的存在、增大和东移，对关中东部强对流天气落区有一定的指示意义，强对流天气落区主要出现在散度通量大值区的中心附近、水汽波作用密度垂直积分大值中心及其后部梯度最大的区域内。

致谢：感谢中国科学院大气物理研究所冉令坤研究员对于波作用密度物理意义的解释和应用方面给予的帮助！