2015年7月29日浙江一次高层东风波引发的强对流过程分析

2017-05-03陈勇明沈杭锋周玲丽金成陈光宇

浙江气象 2017年1期

关键词：中尺度强对流风波

陈勇明沈杭锋周玲丽金成陈光宇

(1.杭州市气象局，浙江杭州 310051；2. 浙江省气象台，浙江杭州 310017)

2015年7月29日浙江一次高层东风波引发的强对流过程分析

陈勇明1沈杭锋1周玲丽2金成1陈光宇1

(1.杭州市气象局，浙江杭州 310051；2. 浙江省气象台，浙江杭州 310017)

2015年7月29日发生在浙江的强对流天气过程带来了短时暴雨、雷雨大风等灾害性天气，利用多种资料对其发生发展进行了初步分析，结果表明，此次过程具有历时短、强度大、移动快、致灾强的特点，并出现了“高层低压系统，低层副高系统”的配置，结合高、中、低3层形势和所处的季节来看，这是一次与高层东风波系统紧密结合的强对流天气过程。物理量诊断分析表明:这次过程的环境背景场非常有利于强对流的发生发展，不稳定能量有极大储备，上升运动也很强烈，并且出现了有利于雷雨大风的“上干下湿”喇叭口型配置的探空曲线。地面中尺度辐合线先于东风气流的下传和强对流的发生，中尺度辐合线对对流天气有触发作用，当东风波下传到地面时，与地面中尺度辐合线一起触发和加剧了浙江东南部强对流天气。同时，高层东风波从东南沿海向西北内地发展、移动，推动和引导了中尺度辐合线、强对流的发展和移动。当高层有东风波时，配合有利的环境物理量场，再结合地面中尺度辐合线，在这样的形势场，非常容易产生强对流天气。

强对流；高层东风波；物理量诊断；中尺度辐合线

0 引言

东风波属于热带天气系统，多产生于副热带高压南侧的东风气流中，受到一定扰动的作用(如赤道辐合带扰动、热带低压外围环流扰动等)，以波动的形式自东向西传播，往往给我国东南沿海地区甚至内陆地区带来较强的降水[1]。吴阳等[2]使用历史资料将影响我国的东风波分成3类，第一类是深厚的东风波，垂直伸展厚度可达12 km；第二类是中低层东风波，主要活跃在500 hPa以下的对流层中低层;第三类为高层东风波，由于在西移过程中受到中低层西南季风区的阻挡，主要在对流层高层活动；深厚东风波和高层东风波的坏天气主要出现在槽前，而中低层东风波的坏天气主要出现在槽后。各类东风波的热力和动力结构及大尺度天气环流形势都有明显差别[3]。东风坡所经之处往往伴有降水，降水持续时间长，降水量大，容易造成城市内涝，引发地质灾害，因此许多气象学者都对东风波造成的暴雨进行了研究[4-7]。

也有一些研究表明，东风波对于强对流也有重要作用。林确略等[8]通过对2009年8月22—25日一次强对流过程研究表明过程主要表现为自东向西出现午后强对流天气，东风倒槽在高层反映较明显，在低层只有弱东风，高层东风波系统不够深厚，对流上升运动只限于中高层，不利于产生大范围强降雨，这也正是高层东风波系统的特点。许爱华等[9]研究发现热带低压倒槽云型的东风波以强降水、雷雨大风天气为主。7—9月当东风波或热带低压气旋倒槽伸向江西时，在对流不稳定条件下，容易出现这类强对流天气，当热带东风波或低压倒槽系统和西风带低值系统靠近时，中低纬度系统相互作用，会造成大范围强对流天气。陈雷等[10]发现东风波型雷暴天气多发生在8—10月，其触发机制是副高南侧或热带气旋北侧东风气流里的波动，常给长三角地区带来局地短时强降水天气。

2015年7月29日在浙江全省范围出现了强对流天气，带来了短时暴雨、雷雨大风、冰雹等灾害性天气，造成了严重影响。此次过程与高层东风波系统密切相关，本文利用自动站资料、GFS分析资料和探空资料等对此次过程的发生发展进行分析。

1 天气概况

2015年7月29日，在浙江及周边省份发生了强对流天气，尤其在浙江，从中午开始，由东南向西北出现了全省性大范围的剧烈天气，此次强对流过程以强阵风为主，同时也有短时暴雨、雷电和冰雹。从华东地区小时自动站资料绘制的29日12时到30日00时(北京时，下同)的累积降水量和强天气(图1a)可以看到，浙江共有230个测站出现了8级以上大风(黑色三角形)，最大富阳安顶山风速为37.1 m/s，达到了13级；有18个测站累积雨量超过50 mm，最大平阳凤巢76.5 mm，多个测站的小时雨强超过30 mm/h(黑色圆点)，最大小时雨强也出现在平阳凤巢，为69.3 mm/h。此次过程历时短、强度大、移动快、灾害强，导致不少城市出现严重内涝、交通堵塞及人员和物品的损伤，造成了严重影响。

(a)12 h累积雨量(阴影，mm)和强天气；(b)小时强对流天气现象。(a)中黑色三角形表示大于等于17.2 m/s的极大风速，黑色圆点表示大于等于30 mm/h的降水。(b)中圆点表示29日15时，方框表示17时，三角形表示19时，五角星表示21时；空心表示大于等于30 mm/h的降水，实心表示大于等于17.2 m/s的极大风速。图1 2015年7月29日12时—7月30日00时的天气实况

此次过程出现了雷雨大风、短时强降水和冰雹等强对流天气现象，从华东地区逐小时自动站资料绘制的29日逐小时强对流天气现象(图1b)可知，多个测站出现了风速大于等于17.2 m/s 的8级大风(空心)和30 mm/h以上的短时强降水(实心)，浙江杭州富阳安顶山出现的13级最大阵风在杭州比较少见，尤其是非台风影响造成的更为罕见。另外，从图1b中还可以发现，29日15时，大风和短时强降水的影响主要位于浙江南部和福建北部；17时，系统移向西北，到了浙西南和浙中南地区；到了19时，强对流天气已经影响到了浙西和浙中一带，影响范围和强度都明显扩大和增强；之后系统继续北移，到21时，强对流天气主要影响到了浙北和安徽东南部地区。由此可见，此次强对流过程是先在东南方向发生发展起来，之后向西北偏北方向移动、影响，对浙江而言，这种强对流路径是比较少见的。

2 环流形势演变特征和主要影响系统

图2是用0.5°×0.5°的GFS(美国国家环境中心的全球预报系统)分析资料绘制的2015年7月29日08时和20时高空形势场。08时的500 hPa高空图上(图2a)，我国北方地区有一深厚的高空槽(粗虚线)，槽线从蒙古一直延伸到河套以南地区，东面是副热带高压系统，588 dagpm线已经伸进大陆，浙江处于副高控制之下；500 hPa以下层面(图略)，浙江都处于副高控制。而在500 hPa以上的高层，尤其是200 hPa图上(图2b)，除了北方的高空槽之外，在我国东南沿海上空出现了一个类似于台风的低压系统，其北侧则是一个高压坝，高压坝将西风带系统和低压系统阻隔，浙江刚好处于低压系统倒槽前部。结合低压系统的高、中、低3层形势和所处的季节来看，该低压应该属于高层东风波系统，高层东风波的坏天气主要出现在槽前[2]。

(a、c)500 hPa；(b、d)200 hPa；(a、b)08时；(c、d)20时。粗虚线表示槽线。图2 2015年7月29日的风场(风向杆，m/s)和高度场(等值线，gpm)

到20时，西风槽有所东移、南压，副高588 dagpm线明显东退(图2c)，而高层高压坝东退更为显著(图2d)，高层东风波系统则大幅西进并略有北抬。此次演变过程中，浙江上空中低层系统以高压控制为主，没有出现明显的辐合、切变等系统，西风带系统也尚未对浙江产生影响，高层东风波系统的西进北抬刚好与强对流的发生、移动相对应，因此这是与高层东风波紧密联系的强对流天气过程。

3 物理量场诊断分析

图3是2015年7月29日杭州站探空资料，在29日08时(图3a)，杭州的对流有效位能(CAPE)有了一定的积聚，达到了967.9 J/kg，但抑制对流发展的对流抑制能量(CIN)也有322.3 J/kg；杭州上空整层的湿区并不十分明显，总体较干；综合反应温度层结和不稳定的K指数和沙氏指数(SI)分别为28 ℃和4.14。到了20时，CAPE增加到了2514.2 J/kg，CIN减少到了166.1 J/kg，而K指数和SI分别为43 ℃和-5.07，中低层的增湿也非常明显，形成了上干下湿的层结曲线。杭州站探空的这一变化，非常显著地表明了大气环境背景朝着有利于对流发生的方向发展，只要有合适的触发机制，对流就非常容易爆发。从20时的各种物理量指数和层结曲线来看，对流一旦爆发，将会非常剧烈，而且极易产生雷雨大风等灾害性天气现象。

图3 2015年7月29日杭州站探空：(a)08时；(b)20时。

从GFS资料绘制的7月29日14时相当位温(θe)图上(图4a)可以看到，850 hPa上除了浙江南部部分地区的相当位温(等值线)值在351～354 K之间外，大部分地区的相当位温都高于354 K，形成一个高暖区；而500 hPa与850 hPa相当位温差值可以用于表征不稳定度，负值越大，表明大气越不稳定(刘健文等，2005)，图4a中500 hPa与850 hPa的相当位温差值(阴影)显示浙江省大部分地区处于-8 K及以下区域，也有相当一部分区域处于-20 K及以下，具有很强的不稳定层结。从14时经过120 °E的剖面来看，浙江所在区域(27°N～31°N)具有较为明显的湿层(阴影)，其中南部地区整层都较湿，29°N以北地区湿度相对较低，而且中高层湿度比低层更小，呈现出上干下湿的特征。而从强对流现象分布来看(参见图1)，浙南地区出现大风的同时，也有不少测站出现了短时强降水，而越往北，大风出现的频率要远高于短时强降水，浙北地区更多出现的是强阵风，这与相对湿度的分布比较一致。相当位温(实线)在整个浙江区域表现出了下暖上冷的配置。值得注意的是，此时浙江区域上空几乎都是出于垂直上升运动区(虚线)，曹晓岗等[11]研究发现动力条件在强对流前12 h也有一定反映，上升运动集中在1个经度左右非常窄的地区，与小于100 km范围内出现强降水相对应。

(a)相当位温(等值线，K)和500 hPa与850 hPa的相当位温差(阴影，K)；(b)沿120 °E的相当位温(实线，K)、垂直上升速度(虚线，Pa/s)和相对湿度(阴影，%)剖面。图4 2015年7月29日14时物理量图

4 触发条件分析

通过天气形势分析发现，7月29日这一天的大尺度背景形势场虽然与通常的强对流天气背景不太一致，但在合适条件触发下，也能够产生强对流；而物理量场的配置则是有利于强对流发生发展的。强对流发生除了这些条件外，还需要有抬升触发条件。

图5是利用小时自动站资料绘制的2015年7月29日的地面流场图。在29日08时(图5a)，浙江境内基本没有出现辐合，随着系统移动、地形分布和海陆位置等因素影响，11时在浙江东南沿海出现了一条中尺度辐合线(图5b)，该辐合线是由偏西风和东南风辐合形成的。1 h后(图5c)，该中尺度辐合线继续维持，其北面、南面也均出现了不同程度的辐合，形成了多条中尺度辐合线。之后，中尺度辐合线随着系统移动、发展、变化，到下午14时(图5d)，中尺度辐合线逐渐移动到了浙西南和浙中一带。

(a)08时；(b)11时；(c)12时；(d)14时。黑色粗虚线表示中尺度辐合线图5 7月29日地面流场

图6是浙江省雷达组网拼图，回波的发展演变与地面风场、中尺度辐合线有较好的对应关系。由图5b可知，7月29日11时，在浙江东南沿海出现了一条由偏西风和东南风辐合形成的中尺度辐合线，而此时雷达回波拼图上尚未出现明显对流天气(图略)。1 h之后，在11时的中尺度辐合线区域附近出现了对流性回波(图6a)，虽然个别地区雷达回波单点性强度大，但整体来看回波范围较小、强度也一般。到了14时，对流有了强烈发展，出现对流的范围扩大到了浙南及沿海地区，强度也显著增强，最强回波已经达到了50 dBz以上。随后，强对流向西、向北移动发展，从东南沿海向西北内陆演变(图略)，影响了整个浙江省，浙江省多地出现了强风、暴雨，甚至冰雹天气，造成了重大影响。

图6 7月29日(a)12时、(b)14时浙江省雷达组网拼图

图7是利用GFS资料绘制的2015年7月29日沿着121°E的U分量剖面图，负值表示东风，正值表示西风。08时(图7a)，从700 hPa开始直到对流层顶是一致的东风气流，东风气流中心高度位于200 hPa，中心风速超过20 m/s，这与高层东风波相对应。700 hPa以下的对流层低层以及近地面(参见图5a)都是偏西风，偏西风风速不大，以0～4 m/s为主。到了14时(图7b)，高层东风气流明显往北推进，但中心风速依然维持在20 m/s，风速中心位置在北移的同时在高度上有所下降；而700 hPa以下的28～31°N范围内，中低层的偏西风转成了弱偏东风，这样造成了从地面到对流层顶一致的偏东气流。

图7 7月29日(a)08时；(b)14时沿121°E的U分量经向剖面

结合天气实况、地面流场、雷达回波拼图和U分量剖面图可知，浙东南地区在中午11时左右受地形、海陆位置、系统性风场的影响，出现了中尺度辐合线，中尺度辐合线在之后几个小时内一直维持并逐渐由东南向西北内陆发展、移动，随后，在中尺度辐合线附近区域出现了对流性天气。高层东风波系统在向西北移动过程中，将东风气流动量逐渐往下传，打破了中高层东风、低层偏西风的格局，到14时浙江范围内出现了从地面到高层一致偏东风的现象。而此时浙江的对流天气剧烈发展，演变成大范围、高强度的强对流天气，并逐渐由东南沿海向西北内地推进。因此，此次强对流过程中，地面中尺度辐合线先于东风气流的下传和强对流的发生，中尺度辐合线对对流天气有触发作用，当东风波下传到地面时，与地面中尺度辐合线一起触发和加剧了浙江东南部强对流天气。同时，高层东风波从东南沿海向西北内地发展、移动，推动和引导了中尺度辐合线、强对流的发展和移动。当高层有东风波时，配合有利的环境物理量场，再结合地面中尺度辐合线，在这样的形势下，非常容易产生强对流天气。