2018年8月13—15日大連地區(qū)大暴雨過(guò)程環(huán)流形勢(shì)診斷分析

張 楊 宋若寧 李金龍

（大連市金普新區(qū)氣象局，遼寧大連 116100）

8月副熱帶高壓、高空槽攜帶冷空氣南下以及臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流北上是影響我國(guó)北方地區(qū)的重要天氣系統(tǒng)，具有生成突然、發(fā)展迅速、影響范圍廣等特點(diǎn)。大連地處中緯度，易受東移北上的臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流、副高外圍云系以及北部冷空氣的影響，特別是三者帶來(lái)的短時(shí)強(qiáng)降水以及臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流引發(fā)強(qiáng)烈大風(fēng)天氣，從而對(duì)海上交通運(yùn)輸、漁業(yè)養(yǎng)殖、石油平臺(tái)作業(yè)等帶來(lái)比較大的影響，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。尹盡勇等[1]針對(duì)2007年3月造成黃渤海地區(qū)嚴(yán)重海洋災(zāi)害的一次入海氣旋發(fā)生與發(fā)展過(guò)程進(jìn)行診斷研究，分析了低層鋒區(qū)和斜壓性、高低層渦度平流差異、南北西風(fēng)槽合并對(duì)氣旋發(fā)展的影響。黃 彬等[2]重點(diǎn)分析了干侵入在一次引發(fā)渤海強(qiáng)風(fēng)暴潮的黃河氣旋發(fā)展過(guò)程中的特征和作用。朱營(yíng)禮等[3]利用擴(kuò)展Zwack-Okossi方程分析了潛熱釋放、暖平流、渦度平流等在黃渤海入海氣旋快速發(fā)展不同階段的作用。黃 彬等[4]通過(guò)分析一次渤海入海的黃河氣旋的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程認(rèn)為，氣旋的強(qiáng)烈發(fā)展與溫度平流、高空槽前渦度平流、大氣斜壓性、高低空急流耦合等因素有關(guān)。2018年8月13—15日，受副高外圍云系、高空槽攜帶冷空氣以及臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流的共同影響，特別是臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流入渤海后的加強(qiáng)，造成了大連全域暴雨局部特大暴雨以及陸地大風(fēng)9～10級(jí)、海上大風(fēng)11級(jí)左右的大風(fēng)災(zāi)害。本文通過(guò)天氣尺度分析和物理量診斷方法著重分析了此次入海氣旋臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流爆發(fā)性發(fā)展的原因，以期為以后強(qiáng)烈發(fā)展的黃渤海入海氣旋的分析、預(yù)報(bào)提供科學(xué)參考。

1 降水實(shí)況

從2018年8月13日早晨開(kāi)始，受不穩(wěn)定云系影響，大連地區(qū)出現(xiàn)了間歇性陣雨和雷陣雨。截至16日8：00，大連市區(qū)、旅順口區(qū)、金普新區(qū)南部、瓦房店市北部、普蘭店區(qū)中部及北部和莊河市大部出現(xiàn)暴雨和大暴雨，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣；大連地區(qū)其他地區(qū)出現(xiàn)中雨到大雨。全市平均累計(jì)降雨量為74.4 mm，有52個(gè)觀測(cè)站降雨量超過(guò)50 mm，有75個(gè)觀測(cè)站降雨量超過(guò)100 mm，有2個(gè)觀測(cè)站降雨量超過(guò)250 mm（分別是莊河市天門(mén)山村，達(dá)290.8 mm；旅順口區(qū)董砣子村，達(dá)256.9 mm）。1 h最大雨量出現(xiàn)在莊河塔嶺鎮(zhèn)，為75.3 mm。8月13日8：00至16日8：00各主要站點(diǎn)降雨量見(jiàn)表1。

表1 2018年8月13—16日大連地區(qū)各主要站點(diǎn)降雨量單位：mm

2 環(huán)流形勢(shì)分析

2018年8月10日副高東退至125°E附近，在臺(tái)灣東部有臺(tái)風(fēng)“摩羯”活動(dòng)，此時(shí)中高層為兩槽一脊的形勢(shì)。 12日冷空氣于 40°N、110°E 處堆積，在蒙古形成冷渦、副高西進(jìn)的同時(shí)，臺(tái)風(fēng)“摩羯”在12日23：00于浙江登陸，減弱為熱帶風(fēng)暴。大連地區(qū)處于副高外圍，副高外圍水汽十分充沛，比濕達(dá)到17 g/kg。從12日20：00探空曲線可以看出，此時(shí)CAPE值開(kāi)始增強(qiáng)至1 721 J，而K指數(shù)為21，能量場(chǎng)較強(qiáng)，整層水汽都接近飽和，但中高層并無(wú)干冷空氣侵入，見(jiàn)圖1（a）。13日副高呈經(jīng)向型，受副高外圍云系影響，大連地區(qū)13日早晨6：00左右南部地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)降水。13日下午500 hPa在河北南部有一弱低壓存在，同時(shí)北部冷空氣東移、中層開(kāi)始有弱冷空氣入侵，從探空曲線上可以看出500 hPa有干冷空氣入侵，見(jiàn)圖1（b）。此時(shí)，CAPE值高達(dá)3 346 J，而K指數(shù)也達(dá)到40，副高持續(xù)呈經(jīng)向型且位于130°E。同時(shí)，臺(tái)風(fēng)“摩羯”外圍云系也逐漸開(kāi)始影響大連地區(qū)，導(dǎo)致大連地區(qū)西部和北部開(kāi)始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。13日夜間臺(tái)風(fēng)“摩羯”繼續(xù)西北上，大連地區(qū)同時(shí)受臺(tái)風(fēng)外圍和副高外圍的影響，北部冷槽東移過(guò)程中攜帶冷空氣南下，入侵的程度開(kāi)始增強(qiáng)，三者共同影響大連地區(qū)。因?yàn)楦备呶鬟M(jìn)至130°E，所以降水區(qū)域偏北偏西，降水主要集中在瓦房店、普蘭店和莊河。14日白天副高略微東退，同時(shí)臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流繼續(xù)北上，但副高還是維持在130°E，探空曲線上中低層700 hPa也開(kāi)始有冷空氣的入侵，CAPE值為2 919 J，K指數(shù)到達(dá)38.1。大連地區(qū)北部瓦房店和莊河繼續(xù)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。14日傍晚在日本南部有新臺(tái)風(fēng)“麗琵”向西北移，迫使副高南退，并在14日夜間與大陸高壓打通，位于臺(tái)風(fēng)“摩羯”南部，促使臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流從而向東北移，見(jiàn)圖2（a）。此時(shí)，高空200 hPa在臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流上空有明顯的急流軸，臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流位于急流軸出口區(qū)左側(cè)，其出口區(qū)左側(cè)向南的非地轉(zhuǎn)風(fēng)偏差分量使臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流上空具有很強(qiáng)的高空輻散，對(duì)臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流入海加強(qiáng)極為有利。臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流前部有高空槽和副高外圍帶來(lái)的暖濕空氣，后部有北部高空槽分裂南下的冷空氣，這種相互作用使臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流于15日8：00在渤海入海后突發(fā)性發(fā)展加強(qiáng)，見(jiàn)圖2（b）。前期的水汽積累和副高外圍持續(xù)的水汽輸送也為臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流的加強(qiáng)輸送了大量水汽，形成類似熱帶環(huán)流高層的螺旋云帶結(jié)構(gòu)，是環(huán)流中心附近干侵入和濕氣流的典型模型，對(duì)環(huán)流發(fā)展有重要作用。從15日早晨開(kāi)始，大連地區(qū)南部地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)暴雨天氣。15日夜間隨著大陸高壓東進(jìn)，環(huán)流型環(huán)流逐漸消散，全區(qū)轉(zhuǎn)為偏北氣流控制，降水結(jié)束。

3 雷達(dá)回波分析

分析雷達(dá)回波可知，自8月13日白天開(kāi)始大連地區(qū)受副高外圍云系的影響，沿著副高西北側(cè)大連地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)絮狀混合型回波，回波強(qiáng)度為30～45 dBZ?；夭ㄔ诖筮B地區(qū)金州以北及黃海北部持續(xù)生成東北移中加強(qiáng)，主要影響區(qū)域是瓦房店、普蘭店和莊河地區(qū)。在上述地區(qū)中，11：00—12：00首先由強(qiáng)的絮狀混合型回波在莊河北部地區(qū)加強(qiáng)，主要影響莊河北部地區(qū)，不斷有40～50 dBZ強(qiáng)度的降水回波經(jīng)過(guò)，造成了莊河冰峪溝地區(qū)小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到43 mm。12：00普蘭店南部開(kāi)始有強(qiáng)對(duì)流回波生成，并在東北上中部與莊河地區(qū)的回波連成一片。普蘭店開(kāi)始出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，四平街道小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到30 mm。從15：00開(kāi)始，回波強(qiáng)度有所減弱，特別是普蘭店地區(qū)的回波減弱明顯，雨強(qiáng)也有所下降。此時(shí)，莊河光明山鎮(zhèn)地區(qū)的回波強(qiáng)度達(dá)到50 dBZ，強(qiáng)回波中心呈帶狀，持續(xù)影響該地區(qū)，并且移速緩慢形成列車(chē)效應(yīng)，光明山鎮(zhèn)小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到67 mm。普蘭店南部回波北上時(shí)在瓦房店中部開(kāi)始加強(qiáng)成塊狀強(qiáng)對(duì)流回波，強(qiáng)度為45～50 dBZ，瓦房店市在17：00出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。隨著副高的略微北抬、西進(jìn)，副高外圍云系主要集中在葫蘆島營(yíng)口一線。強(qiáng)降水回波主要集中在莊河北部地區(qū)，0：00莊河塔嶺出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，桂玉華鄉(xiāng)雨強(qiáng)達(dá)到50 mm。14日白天開(kāi)始副高略微東退，同時(shí)隨著臺(tái)風(fēng)變性環(huán)流北上，北部冷槽東移過(guò)程中攜帶冷空氣南下，大連地區(qū)北部開(kāi)始有冷空氣匯入，導(dǎo)致14日9：00瓦房店、普蘭店、莊河有絮狀強(qiáng)對(duì)流回波生成。由于副高維持在130°E導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)外圍云系主體還是偏西，位于渤海西岸一側(cè)，大連地區(qū)主要受其攜帶水汽的影響。回波在北上過(guò)程中12：00左右逐漸移出大連地區(qū)，同時(shí)渤海西岸的回波強(qiáng)度整體偏弱（20～35 dBZ），為臺(tái)風(fēng)外圍云系回波。其在北上的過(guò)程中減弱，副高外圍和臺(tái)風(fēng)外圍云系帶來(lái)的回波主要壓在渤海和瓦房店西部地區(qū)，13：00—15：00瓦房店西楊鄉(xiāng)和萬(wàn)家?guī)X地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，雨強(qiáng)為50 mm左右，回波反射率上出現(xiàn)類似列車(chē)效應(yīng)。此后，回波整體東北上，普蘭店北部和莊河北部持續(xù)受到影響。隨著14日傍晚在日本南部有新臺(tái)風(fēng)“麗琵”向西北移，迫使副高南退，并在14日夜間與大陸高壓打通，位置在臺(tái)風(fēng)“摩羯”南部，臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流從而向東北移，冷槽攜帶冷空氣與臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流于15日8：00在渤海形成環(huán)流型環(huán)流，并且加強(qiáng)加深。14日夜間位于渤海西南岸的臺(tái)風(fēng)回波主體在東北移中開(kāi)始增強(qiáng)，呈現(xiàn)片狀強(qiáng)降水回波。大連地區(qū)西部和南部開(kāi)始逐漸受到影響，回波中心位于渤海中部，強(qiáng)度為45～55 dBZ，范圍較大。環(huán)流頂前部不斷有片狀強(qiáng)降水回波生成，回波帶主體寬度達(dá)到50 km，強(qiáng)度為40～50 dBZ。隨著環(huán)流旋轉(zhuǎn)不斷加強(qiáng)并持續(xù)影響大連、旅順，列車(chē)效應(yīng)非常明顯，垂直積分液態(tài)水含量維持在20 kg/m2以上且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，水汽條件非常充沛。15日白天大連、旅順地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，并伴有大連本站14：00雨強(qiáng)達(dá)到60 mm。傍晚，隨著臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流移出開(kāi)始消散。

4 臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流發(fā)展分析

4.1 溫度平流

溫度平流是斜壓擾動(dòng)強(qiáng)力發(fā)展最基本的動(dòng)力條件，能造成高空槽脊發(fā)展，而高空槽脊發(fā)展伴隨的強(qiáng)渦度平流可引起地面環(huán)流或反環(huán)流發(fā)展。黃 彬等[4]指出，暖平流的存在有利于地面環(huán)流發(fā)展。此次臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流爆發(fā)性發(fā)展過(guò)程中，從環(huán)流中心所在緯度進(jìn)行溫度平流緯向剖面來(lái)看，環(huán)流前部伴隨明顯暖平流，后部有冷空氣侵入，冷暖交匯劇烈，表明對(duì)流層下層存在西冷東暖的斜壓結(jié)構(gòu)，使環(huán)流中心地轉(zhuǎn)渦度加強(qiáng)，促使環(huán)流發(fā)展。由圖3（a）可知，14日8：00臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流位于115°E，受副熱帶高壓外圍的影響，環(huán)流前部的暖平流比較明顯且范圍較大，125°E以西都為暖平流控制，中心位于500 hPa 高度上，強(qiáng)度為 20×10-5K/s。由圖 3（b）可知，14日20：00環(huán)流后部的冷平流加強(qiáng)非常明顯，由高層下傳至低層，且逐漸向環(huán)流中心靠近，強(qiáng)度為-15×10-5K/s。環(huán)流前部的暖平流區(qū)也在向環(huán)流中心靠近，同時(shí)高度增加到150 hPa，強(qiáng)度為25×10-5K/s。這種形勢(shì)一直維持到15日5：00，環(huán)流中心位于冷暖交匯處。此時(shí)環(huán)流后部的冷平流較弱，冷平流降溫與暖平流增溫匯合，加大了環(huán)流發(fā)展區(qū)域的斜壓性，致使該區(qū)域?qū)咏Y(jié)的斜壓不穩(wěn)定增長(zhǎng)，其引起的上升運(yùn)動(dòng)對(duì)環(huán)流發(fā)展有利。

4.2 上升運(yùn)動(dòng)

13日20：00 ，臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流西側(cè)整層為正渦度，并且500 hPa附近有正渦度大值中心，向低層輸送正渦度。截至14日2：00，環(huán)流上空渦度加強(qiáng)到6×10-5/s以上。由于中高層正渦度的下傳，環(huán)流上空大于4×10-5/s的渦度范圍逐漸擴(kuò)大，到14日8：00向上擴(kuò)展至400 hPa，并且正渦度中心增強(qiáng)到21×10-5/s以上，增速十分明顯。同時(shí)，環(huán)流上空400 hPa以上有明顯的正散度中心，表現(xiàn)為明顯的輻散，并且在14日20：00輻散中心值加強(qiáng)非常明顯，達(dá)12×10-5/s；而低層的輻合中心也非常強(qiáng)，達(dá)到-12×10-5/s。這種低層強(qiáng)烈輻合、高層強(qiáng)烈輻散的形勢(shì)一直維持到15日左右，非常有利于環(huán)流內(nèi)部上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。14日2：00環(huán)流入渤海也有所加強(qiáng)。從垂直速度場(chǎng)可以看出，14日8：00后200 hPa以下整層都為上升運(yùn)動(dòng)。14日8：00上升運(yùn)動(dòng)中心在700 hPa，強(qiáng)度為-1.4Pa/s；之后上升運(yùn)動(dòng)的中心向上層擴(kuò)展，到15日20：00中心在 500 hPa上，強(qiáng)度超過(guò)-1.8 Pa/s，上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)加劇了低層輻合，促使環(huán)流爆發(fā)性發(fā)展。同時(shí)看到，在環(huán)流上空850 hPa以下存在明顯的水汽輻合，水汽輻合之后在上升運(yùn)動(dòng)作用下冷卻凝結(jié)釋放潛熱，釋放的潛熱可使對(duì)流層中、上層不斷增暖，高層氣壓升高而產(chǎn)生輻散。高層輻散又促使低層產(chǎn)生輻合，進(jìn)一步加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，從而使環(huán)流發(fā)展并加強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

此次暴雨過(guò)程主要是受副高外圍云系臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流以及北部冷空氣的共同影響。其中：降水前期（2018年8月13日至14日白天）主要是副高外圍云系和北部冷空氣的共同影響，造成大連北部莊河、瓦房店、普蘭店暴雨局部大暴雨天氣；14日夜間至15日白天臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流入渤海后加強(qiáng)，造成大連南部大連市區(qū)、旅順大暴雨天氣。

從雷達(dá)回波可以看出，此次降水過(guò)程的主要降水時(shí)段內(nèi)都出現(xiàn)了類似列車(chē)效應(yīng)的強(qiáng)回波帶，同時(shí)整層可降水量條件非常好，VIL維持在20 kg/m2以上。這些條件導(dǎo)致了強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

此次過(guò)程臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流在入海發(fā)展過(guò)程中始終位于500 hPa高空槽前和副高外圍云系后部，槽前正渦度平流、槽后冷空氣的匯入以及強(qiáng)烈暖平流是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要原因。高空輻散、低空輻合以及700 hPa水汽輻合造成凝結(jié)潛熱釋放，產(chǎn)生強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，為環(huán)流發(fā)展提供了動(dòng)力條件。

此次暴雨過(guò)程多模式的預(yù)報(bào)結(jié)果參差不齊，其中EC模式對(duì)于13日至14日白天由副高外圍云系和冷空氣帶來(lái)的強(qiáng)降水天氣預(yù)報(bào)效果較好，而對(duì)于14日夜間至15日白天臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流入海加強(qiáng)帶來(lái)的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)效果不理想，原因是前期對(duì)于形勢(shì)場(chǎng)預(yù)報(bào)有所偏差。日本數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)于第一階段的預(yù)報(bào)效果非常不理想，報(bào)出了臺(tái)風(fēng)“摩羯”入海增強(qiáng)后產(chǎn)生降水，但降水時(shí)間偏早。

從以上分析可以看出，對(duì)于此次暴雨過(guò)程，13日至14日白天主要受副高外圍云系和北部冷空氣共同影響的預(yù)報(bào)結(jié)果較為理想，而各模式普遍沒(méi)有預(yù)報(bào)出臺(tái)風(fēng)“摩羯”殘余環(huán)流在入海時(shí)的增強(qiáng)。由此可見(jiàn)，對(duì)于類似的個(gè)例分析還需加強(qiáng)。