一次副热带高压暴雨天气过程成因分析

2022-01-05韩庆婷王斌飞

农业科技与信息 2021年24期

吴琼，韩庆婷，王斌飞

（辽宁省盘锦市气象局，辽宁盘锦 124000）

1 天气概况

本文研究对象为位于辽宁省西南部的盘锦市，盘锦市地理坐标为北纬40°39′～41°27′，是中纬度地区。1985年朱乾根等[1]提出了东亚副热带夏季风的概念，强调西太平洋副高作为东亚夏季风的系统成员的重要性。1987年黄士松等[2]在季风体系的结构中指出，整个体系中最关键的两个成员是西北太平洋副高和南印度洋马斯克林高压，它们对我国的梅雨影响很大。西北太平洋副高对东亚副热带季风的影响主要是它的位置，其次为它的强度。1992年廖荃荪等[3]指出江淮流域及华北、华南地区的降雨异常西太平洋副高的异常直接联系。2004年Liu et al.数值模拟试验表明[4]，大陆西岸强大的陆面感热和东岸凝结加热在大气低层产生反气旋环流、大气中层为气旋环流。这一发现从热力学角度诠释了低层副高的形成。2006年Fu et al.通过对热带测雨卫星探测结果分析[5]，发现夏季深入我国东部大陆的西太平洋副高中心附近，因强烈太阳短波辖射加热的强迫效应，导致午后大气低层福合，存在较强的水汽通量福合，也出现较强上升运动，从而引起午后热对流降水云团发生。

本文所使用的资料包括中国气象局下发的每日常规气象观测资料，包括高空资料、地面资料；盘锦市气象局提供的逐小时自动站降水资料；8月13日20时—15日08时盘锦市雨量资料；13日20时500 hPa高度场及850 hPa风场资料；13日23时海平面气压场资料；14日02时盘锦站探空资料。

2018年8月13日20时至15日8时，盘锦市普降暴雨，局部出现大暴雨，全市平均降水量74.2 mm，其中大洼站61.7 mm，盘山站80.0 mm，辽河口生态经济区137.4 mm，辽东湾新区119.5 mm，双台子区43.7 mm，兴隆台区57.3 mm。共27个站出现暴雨，7个站出现大暴雨，最大降水量119.0 mm，出现在辽河口经济区欢喜岭街道，平均降雨量45.5 mm，大于50 mm的站次为15个，大于10mm的站次为1个。

根据图1所示，现对该地区的降雨情况进行统计，统计情况如下表1。

图1 8月13日20时—15日08时盘锦市雨量

根据表1绘制柱状图，如图2。

表1 8月13日20时—15日08时盘锦市雨量统计

根据图2所示：盘锦市地区降雨量在0.1～10 mm的地区占13%；降雨量在10～25 mm的地区占8%；而大于25 mm的地区占79%，其中：25～50 mm的地区占40%，大于50 mm的地区占39%。通过盘锦市雨量比率情况来看，副热带高压对该区的降水影响比较大，而在较大降水量的地区占比能达到39%左右。可以看出，副热带高压对盘锦市的暴雨天气有很大的影响和关联度，本文以此地区作为副热带高压暴雨天气过程成因分析的研究对象，具有较高的可靠性和结论的真实有效性，同时有着较高的研究价值及其研究意义。

图2 8月13日20时—15日08时盘锦市雨量

2 资料与方法

2.1 构造副热带高压暴雨天气的过程成因的灰色关联度模型

灰色关联度模型根植于灰色理论，而灰色理论[6]是由我国华中科技大学邓聚龙教授在1982年提出的，它是基于系统理论的进一步的深化和升华，该理论的提出在国内外都具有很高的声望和影响，广泛应用于各种不同的交叉理论和学科之中，经过各个交叉学科和领域的应用和研究成果来看，获得了众多的科技成果，对于我国乃至世界有着深远的影响和意义。

而对于灰色关联度[7]是指两个不同或者有着模糊定性的因果关系，却不好界定和定量分析的两个系统，运用灰色关联度模型的建立和求解，可以得到这两个系统中随着一个系统中某一对象的变化，而对另一系统的关联性和影响程度的尺度，称之为关联度，而该关联度可以很好的对两个不同或者有着模糊定性的因果关系，进行定量分析。在系统变化和发展过程中，若一个系统中的因素对另一个系统的影响的趋势具有的一致性越高，那么其同步变化和发展的程度就越高，关联度也就越大；反之，则关联度越低。灰色关联度，作为衡量因素间关联程度的一种方法，能够很好地解决本文各个因素对副热带高压暴雨天气的影响程度大小。

2.2 灰色关联度理论

2.2.1 灰色关联矩阵的建立

首先，对系统行为序列进行设定，系统行为序列如式（1）所示：

针对系统行为序列，对相关因素序列进行设定，系统行为序列如下式所示：

对上述第j个相关因素序列Xj和第i个系统行为序列Yi在k点的关联系数进行求解，求解公式如下：

式中：k=1，2，……，n。

令第j个相关因素序列Xj和第i个系统行为序列Yi的关联度，简记为：

从而，根据上述公式计算可得灰色关联矩阵为：

2.2.2 灰色关联序的确定设置系统行为序列和相关因素序列如上述公式所示，且已知其相关矩阵为Γ=（γi）j，如果l，q∈{1， 2，…，m}并且使得γil≥γiq，i=1，2，…，p，则称为相关因素Xl优于Xq，记为Xl＞Xq。即，对Yi的影响程度和关联度而言，相关因素的影响程度和关联度Xl强于Xq。

2.2.3 求模型的灰色关联度与关联序对上述的系统行为序列和相关因素序列数据做无量纲处理

对差序列进行求解，差序列可记为

对两极最大差与最小差，进行求解可得

根据上述的计算情况，对关联系数进行求解，如下列公式所示：

通过下列公式进行灰色关联度计算

通过上述灰色关联度的计算情况，可以得到关联度矩阵。

通过上述公式灰色关联度的计算情况，进行优势分析。若γil≥γiq，i=1，2，…，p，则Xl相关因素Xq优于相关因素，即Xl为关键因素。

3 副热带高压暴雨天气过程成因灰色关联度分析

针对一次副热带高压暴雨天气过程成因进行研究，副热带高压暴雨天气过程成因的因素：最大风向、最大风速、空气温度、湿度、水气压、露点温度、气压和海平面气压进行数据整理，针对试验数据，运用灰色关联度理论，建立灰色关联度数学模型。

首先，对上述最大风向、最大风速、空气温度、湿度、水气压、露点温度、气压和海平面气压情况进行汇总，可得表2。

表2 L9245号站24 h八大副热带高压暴雨天气过程成因情况汇总

小时降水量为系统行为序列；最大风向、最大风速、空气温度、湿度、水气压、露点温度、气压和海平面气压，8个指标为相关因素序列，运用上述灰色关联度理论，得到影响小时降水量的最大风向、最大风速、空气温度、湿度、水气压、露点温度、气压和海平面气压因素的关联矩阵如下：

对上述关联度进行大小比较可得：最大风向灰色关联度0.653 0＞空气温度灰色关联度0.595 3＞最大风速灰色关联度0.591 0＞水气压灰色关联度0.587 6＞露点温度灰色关联度0.580 9＞气压灰色关联度0.566 4＞海平面气压灰色关联度0.566 3＞湿度灰色关联度0.545 1。由此可知，最大风向灰色关联度0.653 0对于小时降水量的影响最大，空气温度灰色关联度0.595 3对于小时降水量的影响次之，而对于湿度灰色关联度0.545 1对于小时降水量的影响最小。

4 天气尺度系统分析

4.1 环流背景分析

4.1.1 高空形势场分析从13日20时500h Pa图（图3）分析可知，高空槽位于河套地区，副热带高压异常强盛，中心强度达到592 gpm，且范围较大，脊线位于38°N左右，位置较常年偏北较多，盘锦位于副高西北侧，强盛的西南气流为暴雨的发生输送的充足的水汽。850 hPa图中，高空槽前辽宁西部有南北向切变，急流中心风速达到16～18 m/s。随着北方冷空气补充进入槽，槽北部逐渐发展成涡。受副高影响槽移动缓慢，系统影响盘锦时间较长。至14日20时，副高东退并向南移动，高空槽槽线移至辽河流域，切变线断裂，盘锦地区低层转为北风，降水趋于结束。

图3 13日20时500 hPa高度场及850 hPa风场

而根据上述灰色关联度模型的建立和求解中，结合高空形式场分析，盘锦地区的副热带高压暴雨天气主要受高空槽影响，而在副热带高压强盛的情况下，高空槽下的风速、风向和水气压对降水的影响较大，经过上述灰色关联度模型的结果：最大风速灰色关联度0.591 0，最大风向灰色关联度0.653 0和水气压灰色关联度0.587 6，而高空槽下灰色关联度合计为1.831 6。

4.1.2 地面形势场分析地面图（图4）上13日20时辽宁地区处于弱气压场中，23时（图4）南部倒槽系统北上，盘锦位于倒槽顶部，倒槽开始源源不断的向北输送水汽。至14日20时，盘锦市始终位于倒槽顶部。

图4 13日23时海平面气压场

根据上述灰色关联度模型的建立和求解，结合动力条件分析，盘锦地区的副热带高压暴雨天气主要受倒槽系统影响，而在弱气压场的情况下，倒槽系统下的海平面气压和水气压对降水的影响较大，经过上述灰色关联度模型的结果：海平面气压灰色关联度0.566 3和水气压灰色关联度0.587 6，而倒槽系统下灰色关联度合计为：1.153 9。

4.1.3 小结环流背景分析主要由高空形式场分析和地面形式场分析两种分析方法，运用这两种方法分析，盘锦地区的副热带高压暴雨天气受高空槽和倒槽的影响，而根据上述灰色关联度模型的建立和求解：他们对于盘锦地区的副热带高压暴雨天气的灰色关联度分别为：1.831 6、1.153 9，即盘锦地区的副热带高压暴雨天气受高空槽的影响要大于倒槽的影响。

4.2 物理量诊断分析

4.2.1 动力条件大尺度的上升运动是发生暴雨的重要环境物理条件，能把底层的水汽迅速向上输送，同时也会引起热量、动量、涡度等物理量的垂直输送，对天气系统的发生发展起到重要作用。对垂直速度进行分析，14日2时700 hPa辽宁中东部大部分位于垂直上升运动区，中心强度为-8×10-3hPa/s。850 hPa无明显上升运动，但有强辐合上升区。整体来看低层有较强的水汽辐合上升。

根据上述灰色关联度模型的建立和求解，结合动力条件分析，盘锦地区的副热带高压暴雨天气主要受大尺度上升运动影响，重要环境物理条件下的气压和海平面气压对降水的影响较大，经过上述灰色关联度模型的结果：气压灰色关联度0.566 4和海平面气压灰色关联度0.566 3，而动力条件下灰色关联度合计为1.132 7。

4.2.2 热力条件从盘锦站2时探空资料（图5）可以看出，盘锦地区K指数达到42℃，CAPE值达到2 304 J/kg，同时底层存在一定程度的逆温，积累了一定的不稳定能量，在北方冷空气冲击下，爆发了较强的对流。

图5 14日02时盘锦站探空

根据上述灰色关联度模型的建立和求解，结合动力条件分析，盘锦地区的副热带高压暴雨天气主要温度影响，重要环境物理条件下的空气温度和露点温度对降水的影响较大，经过上述灰色关联度模型的结果：空气温度灰色关联度0.595 3和露点温度灰色关联度0.580 9，而热力条件下灰色关联度合计为1.171 9。

4.2.3 水汽条件分析850 hPa以及925 hPa水汽通量代表水汽条件，在这次暴雨降水过程中，前期降水发生时段，低层的水汽条件是相当充分的。13日20时，850～925 hpa辽宁大部分地区水汽通量辐合，中心位于辽宁东部地区，中心强度达到30 g/（cm·hPa·s），而辽宁西南部为水汽通量辐合区，利于水汽流向暴雨区。

根据上述灰色关联度模型的建立和求解，结合动力条件分析，盘锦地区的副热带高压暴雨天气主要水汽影响，重要环境物理条件下的水气压和湿度对降水的影响较大，经过上述灰色关联度模型的结果：水气压灰色关联度0.587 6和湿度灰色关联度0.545 1，而水汽条件下灰色关联度合计为1.132 7。

4.2.4 小结物理量诊断分析主要有动力条件、热力条件和水汽条件3种诊断分析，运用这3种方式分析可知，盘锦地区的副热带高压暴雨天气主要受热力条件的影响，而根据上述灰色关联度模型的建立和求解，他们对于盘锦地区的副热带高压暴雨天气的灰色关联度分别为：1.132 7、1.171 9、1.132 7，即盘锦地区的副热带高压暴雨天气主要受热力条件的影响。

5 中尺度分析

5.1 形式场分析

从中尺度分析看，辽宁地区主要受高空槽前、副高西北侧西南气流影响，大气层结不稳定。整层大气相对湿度较大，水汽条件较好。低层切变线位于北部及东部地区，有对流触发条件。

5.2 雷达回波图分析

从雷达回波拼图可以看出，在副高北侧、高空槽前，有较强对流云团生成，辽宁位于气旋东侧，受偏东风影响。降水回波以块状回波为主，回波主体位于辽宁中部，沿着副高边缘，以非常缓慢的速度向东北方向移动，且由于水汽及对流条件非常好，后续仍有云系生成并向东北方向移动。从14日02时到08时，影响盘锦地区回波强度持续在40 dbz以上，回波中强度大的部分达到45 dbz以上，对流强度较大，持续时间较长，降水过程中伴随强雷暴，16站次出现短时强降水，最大小时降水量达到76.1 mm。

5.3 云图产品分析

从卫星云图的资料可以明显看出，云系主要位于副高588线与高空槽之间，向东北方向移动，移速非常缓慢，云系发展强盛。在副高西北侧强西南气流引导作用及水汽输送作用下，河北地区发展的云系向东北移动，与前一部分云系合并，共同对盘锦地区作用，使降水强度较大，且持续时间较长，最终形成了暴雨局部大暴雨的天气。

6 数值预报产品检验

6.1 上级指导意见

中央台对本市指导整体较为稳定，11日起预报盘锦市13日夜间到14日白天为中到大雨，13日早间起报13日夜间至14日白天盘锦地区为大到暴雨，13日夜间起预报盘锦市为大暴雨；但主要时段调整较大，逐步由14日夜间调整为14日白天。经检验，本次降水过程中央台对降水量级24小时预报南部准确北部偏大，48小时、72小时预报量级偏小。

日本数值预报对盘锦市降水量预报比较稳定，但量级明显偏小，均为为大到暴雨。预报较为准确。

WFR数值预报产品各时次对盘锦市降水量级的预报为大雨，量级和落区调整较大，预报效果不够理想。

T639数值预报对盘锦市降水量级预报调整较大，48小时预报为中到大雨，24小时预报为暴雨到大暴雨，但降水落区调整较大，预报较实况对比量级准确，但落区偏北。