一次台风倒槽暴雨过程中的锋生与湿对称不稳定分析

周明飞，杜小玲，齐大鹏，杨秀庄

(贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

0 引言

对称不稳定(Symmetric instability，SI)是大气稳定度的判据之一。它是指当大气在垂直方向上不能有对流的发展，而在重力和惯性力的共同作用下却可以在倾斜方向上产生上升气流[1-2]。对称不稳定又可根据干湿情况分为3类，分别为干对称不稳定(干空气)、位势对称不稳定(未饱和湿空气)和条件性对称不稳定(Conditional symmetric instability，CSI)(饱和湿空气)，其中后两者统称为湿对称不稳定(Moist symmetry instability，MSI)[3]。当大气处于干状态时，较难满足对称不稳定的发生发展条件，而当大气处于湿状态时，在部分暴雨、降雪、热带气旋以及锋面降雨等天气过程中均有对称不稳定的发展。

国内外的一些研究发现在一些降水异常事件会多次出现对称不稳定。如Byrd[4]发现，美国南部的带状降水多与条件对称不稳定有关，Reuter and Aktary[5]发现加拿大Alberta中部冬季、春季、秋季均多次出现湿对称不稳定。王晨曦等[6]模拟一次华北带状降水天气过程发现，带状降水过程中CSI的发展伴随着对流不稳定的减弱和惯性不稳定的增强。阎琦等[7]分析1210号台风所致的持续性暴雨成因指出，暖湿、冷干空气长时间在辽宁作用，期间有对称不稳定的持续发展，同时伴随有对流不稳定的再次建立，使得对流云团不断新生造成暴雨天气过程。

同时，对称不稳定通常与锋生有一定的关系。Schltz and Schumacher[8]分析发现锋区附近有湿对称不稳定的发展，它的释放是造成锋区降水的主要原因。张芳华等[9]对我国江南和华南一次冬季暴雨过程中的锋生与条件对称不稳定进行诊断分析表明，锋生次级环流和CSI实质是锋面次级环流方程在不同稳定性条件下的解，锋生强迫环流的性质可由湿位涡作为等价判据进行分析。邓承之等[10]分析了重庆南部一次大暴雨天气过程指出，纬向雨带形成并发展于低空湿对称不稳定区，锋生效应的增强，引起低空湿位涡水平分量MPV2的负值增长，为湿对称不稳定的增强及维持提供了有利条件。任丽等[11]分析黑龙江南部一次暖区暴雨过程的中尺度特征及成因认为，CSI存在于锋生区附近，CSI的释放会导致沿锋面的倾斜上升气流加强，形成锋面次级环流，从而触发对流不稳定。同时针对锋区附近的带状强降雨[12-13]和暴雪天气过程中[14-15]的研究均发现锋面的抬升作用与湿对称不稳定性的释放存在一定的相关性。

2018年9月17日，受登陆减弱台风“山竹”的倒槽影响，贵州中南部地区出现了一次暴雨天气过程。不同于贵州夏季常见的对流性暴雨天气过程，本次降雨时间长、雨强较小，具有一定湿对称不稳定降水的特性，故使用常规观测资料及NCEP/NCAR再分析资料对此次暴雨过程中的锋生与湿对称不稳定进行分析，以期为今后台风倒槽影响云贵高原预报提供一定的参考意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

采用各类常规气象观测资料、风云2G卫星资料、多普勒天气雷达资料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料。

1.2 研究方法

本次天气过程为暴雨天气，适用于湿绝热过程，采用包含水汽的锋生函数[16-17]如下：

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

方程式中F>0为锋生、F<0为锋消。F1为非绝热加热项、F2为水平辐散项、F3为水平变形项，F4为和垂直运动有关的倾斜项。其中Af和Bf分别表示伸展变形和切变变形。伸展变形的物理意义是气流在一个方向拉长，而在另一个方向收缩产生的变形。切变变形从风矢量场上表现为经向风的东西向切变和纬向风的南北向切变。两种均可以引起锋生。由于锋生函数中F1难以分析准确，故不讨论，F4中垂直速度估算具有一定误差，讨论不准确。故主要对F、F2和F3进行分析。

对处于饱和的潮湿大气来说，对称不稳定的判据为，当湿位涡<0，或湿理查森数<1，或等θse面斜率大于等于M面的斜率时为条件性对称不稳定。本文主要用湿位涡<0作为判定条件性对称不稳定的条件。

(7)

湿位涡包含水汽的变化，也可分为湿正压项(MPV1)和湿斜压项(MPV2)，其中MPV1表示惯性不稳定(ζp+f<0)和对流不稳定(∂θse/∂p>0)的作用，MPV2包含了湿斜压性和水平风垂直切变的贡献。

2 降水实况与天气学分析

2.1 降雨实况与系统分析

2018年22号台风“山竹”于9月7日20时(北京时，下同)在西北太平洋洋面上生成，随后不断加强，9日08时左右加强为台风级，其一路向西偏北方向移动，登陆后慢慢减弱，中央气象台于17日晚20时停编。期间“山竹”经历了两次登陆：9月15日，台风“山竹”在菲律宾北部登陆；16日17时在广东台山海宴镇再次登陆(登陆时，最大风速45 m·s-1，中心气压955 hPa，移向西北西，移速30 km·h-1)。随后一路西行，其北部倒槽于16日傍晚开始影响贵州，倒槽移动缓慢，在贵州中西部停留时间较长，于18日中午左右减弱移出贵州，贵州转为偏南风影响。分析倒槽垂直结构发现，中高层系统移速较低层系统快(图1a、1b)。进入贵州后，受贵州西高东低的地形影响，对低层系统阻挡明显，倒槽的正压结构遭到破外，系统逐步随高度向西倾斜。台风外围的纯暖湿热带气团与贵州山地气团相互作用，两个气团之间形成界面，整个天气系统开始呈现出斜压性。

16日傍晚至18日中午，受“山竹”外围云系影响，贵州中南部出现降雨天气。其中9月16日18时—18日14时贵州中南部地区有3县站99区域站出现大暴雨，33县站756区域站出现暴雨，国家站最大降水出现在荔波县(129.5 mm)(图1c)。通过分析逐小时降水量(以荔波站为例)，发现本次降雨持续时间较长，荔波站降雨总时长33 h，降水强度较小，最强小时降雨出现在18日07时，为21.5 mm(图1d)。且降雨中不伴有雷电、冰雹等强对流天气的出现，故本次暴雨天气过程具有降雨时间长、小时雨强较小、稳定性降水的特点。

图1 2018年9月17日08时(a)500 hPa高度场(黑实线，单位：gpm)、风场(风向杆，单位：m·s-1)，(b)850 hPa风场(风向杆，单位：m·s-1)、地面海平面气压场(黑实线，单位：hPa)，(c)2018年9月16日18时—18日14时降雨量，(d)荔波站2018年9月16日18时—18日14时逐小时降水量Fig.1 (a) The 500 hPa geopotential height(black contours，unit：dagpm)，500 hPa wind(wind barb，unit∶m·s-1), (b) 850 hPa wind(wind barb，unit∶m·s-1),sea level pressure(black contours，unit∶hPa), (c)The accumulated precipitation in Guizhou province,from 18:00 September 16 to 14:00 September 18,2018 (d) hourly precipitation at Libo from 18:00 September 16 to 14:00 September 18,2018

2.2 卫星、雷达资料分析

从卫星云图演变来看(图2)，“山竹”外围云系于2018年9月16日18时左右开始影响贵州东南部，此时，台风云系较为紧凑，外围螺旋云带清晰，云顶亮温较低，随后台风云系缓慢西移，并快速减弱，至17日08时左右，台风云系已明显减弱，无明显螺旋状，云团结构松散，呈分散带状分布，云顶亮温增高，贵州大部地区受此减弱的分散云系影响。其中17日08时—18日08时，有多条分散云带影响贵州中西部地区，云带大多呈东北—西南走向，云顶亮温较高，多为-20～-40 ℃，云顶高度低。雷达回波图像显示(图略)，降水回波与云带分布较一致，呈东北—西南走向带状分布，回波强度偏弱，大部分回波强度在20～30 dBz，局部超过35 dBz。回波移动缓慢，形成带状的中尺度雨带。雨带基本位于低层倒槽西侧、中高层倒槽东侧的系统倾斜区。结合地面小时雨量分析，发现雨带的降水率大多为5～10 mm·h-1。

图2 2018年9月16日18时(a)、23时(b)、17日04时(c)、09时(d)、14时(e)、19时(f)、18日00时(g)、05时(h)、10时(i)FY-2G亮温TBB图(单位：℃)Fig.2 TBB of FY-2G satellites at 18：00 (a), 23：00 (b) on September 16, 04:00 (c)，09:00 (d),14：00 (e), 19：00 (f) on September 17，00：00 (g),05:00 (h),10:00 (i) on September 18,2018(unit∶ ℃)

2.3 水汽条件

随着台风的登陆，台风东南侧的水汽通道打开，南海的水汽沿偏南气流向贵州输送。从700 hPa、850 hPa水汽通量、水汽通量散度、比湿(图3)分析可以看出，倒槽东侧的偏南气流将南海的水汽向北输送，在倒槽附近形成水汽辐合区经垂直运动向上输送。相对湿度的垂直分布显示(图略)，整个大气从低到高均为高湿状态，水汽的饱和区达较高层300 hPa左右。比湿是表征大气中水汽绝对量的特征值，9月16—18日，850 hPa贵州大部地区比湿为11～13 g·kg-1，700 hPa比湿为10～12 g·kg-1，500 hPa比湿为6～8 g·kg-1。

图3 2018年9月17日14时水汽通量(箭矢，单位：10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)、水汽通量散度(线条，单位：10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1)、比湿(阴影，单位：g·kg-1)，700 hPa(a)；850 hPa(b)Fig.3 The vapor flux(vector,unit∶10-3g·cm-1·hPa-1·s-1)and the vapor fluxdivergence(contour,unit∶10-8 g·cm-2·hPa-1·s-1),specific humidity(shadow,unit∶g·kg-1)at 700 hPa(a),and 850 hPa(b) at 14:00 on September 17，2018

3 锋生与对称不稳定分析

由上述分析可知，在地形阻挡下，台风倒槽进入贵州后高层东风气流移动快于低层，使得整个天气系统呈向西倾的形势。低层受原山地气团影响，属于相对较干冷气团(低θse)，而中高层气流来源于台风外围的相对暖湿气团(高θse)，暖湿气团沿干冷气团爬升，形成了与地形相平行的类似锋面系统。如图4显示了θse沿26°N空间剖面，可以看出从17日08时开始，在104～108°E附近大气低层800～600 hPa之间出现θse密集区(锋区)，呈带状随高度向西倾斜，与地形走势相一致。17日14—20时，θse密集区(锋区)达最强，位于贵州中西部维持少动。至18日08时，θse密集区(锋区)进一步向西移出贵州，并明显减弱。此密集区与中尺度雨带相一致，证明降雨与此类锋面系统有密切关系。

图4 2018年9月17日14时(a)、20(b)时假相当位温θse(黑线：单位：K)、风(矢线，由U与W×50合成)沿26°N垂直剖面图(阴影为地形)Fig.4 The pseudo-equivalent potential temperature (solid lines, unit∶ K),and wind (vector,formatted by U and W×50) along 26°N at 14:00 (a) and 20:00 (b) on September 17，2018 (black shadow represent terrain)

两种不同属性气团在锋面附近的锋生作用将会对锋面附近的次级环流以及降水过程产生重大影响。通过对过程中的锋生函数计算发现(图5)。16日夜间，台风外围系统开始影响贵州东部，贵州东部地区开始出现锋生现象，至17日锋生强度不断加强，锋生区向西移，中心位于贵州中西部地区(海拔相对较高处)，强度最大时为17日下午至夜间达6K·h-1·100 km-1以上，其中F2和F3两项均有较大贡献(图略)，F2贡献最大，低层风的辐合造成θse梯度加强引起锋生。18日，随着倒槽系统的进一步西进减弱，锋生现象明显减弱。

图5 2018年9月17日08时(a)、14时(b)、20时(c)、18日02时(d)750 hPa锋生函数F(阴影，单位：K·h-1·100 km-1)，假相当位温(黑线，单位：K)，风场(矢线，由U与V合成，单位：m·s-1)Fig.5 The 750 hPa frontogenesis function(shadow,unit∶K·h-1·100 km-1),pseudo-equivalent potential temperature(black lines,unit∶K) and wind (vector, unit∶m·s-1) at 08:00 (a),14:00 (b)，20:00 (c) on September 17，2018 ,02:00 (d) on September 18,2018

Bennetts和Hoskins提出在锋面附近产生的云和雨带可能是对称不稳定的一种表现形式。当判定对称不稳定时，首先需判定其为惯性稳定和对流稳定。

惯性稳定的条件可由绝对涡度>0判定，即ζp+f>0。对流稳定的条件为∂θse/∂p<0。图6a、6b显示了17日08时、18日02时惯性稳定和对流稳定的水平分布图，从17日开始，贵州大部均处于正涡度区，满足惯性稳定条件；同时，∂θse/∂p<0，满足对流稳定条件。为了更清晰了解此次暴雨过程中对流稳定性的分布及演变，图6c、6d给出了贵阳站9月17日08时探空图，从探空图上可以看出贵阳站对流有效位能为0，表明大气层结是静力稳定的，湿层非常深厚，300 hPa以下相对湿度超过80%，整层大气几乎饱和。

图6 2018年9月17日08时(a)、18日02时(b)750 hPa正绝对涡度(实线，单位：10-4s-1)、∂θse/∂p(阴影，单位：10-4K·Pa-1)，9月17日08时贵阳站探空图(c)、(d)Fig.6 The 750 hPapositive absolute vorticity (black lines，unit∶10-4s-1),negative ∂θse/∂p(shadow，unit∶10-4K·Pa-1)at 08:00 (a) on September 17，2018,02:00 (b) on September 18，2018, observed T-lnp of Guiyang station (c) and (d)at 08:00 on September 17，2018

图7显示了MPV与锋生函数的水平(750 hPa)与垂直(沿26°N)空间分布图，16日夜间开始贵州境内开始出现锋生时，贵州大部也处于湿对称不稳定区(MPV<0)，锋生区与湿对称不稳定区基本一致。17日锋生现象加强，并集中在贵州中西部，湿对称不稳定也开始发展加强，强的湿对称不稳定区位于强锋生区的东侧即低层倒槽东侧以及东南气流中。18日，锋生区减弱进入云南，湿对称区也明显减弱。从MPV与锋生函数的垂直空间剖面图看到，锋生区主要位于大气低层(近地层至600 hPa)，呈带状与地形走势相一致，由低到高向西北方向倾斜。湿对称不稳定区也位于大气低层(近地层至600 hPa)，形态走势与锋生区一致，中心区位于锋生区上方，湿对称不稳定区及其上方为上升气流，下方为下沉气流。

图7 2018年9月17日14时(a)、20时(b)750 hPa锋生函数F(实线，单位：K·h-1·100 km-1)，MPV(虚线，单位：PVU)，水平风场(风向杆，单位：m·s-1)，2018年9月17日14时(c)、20时(d)锋生函数F(实线，单位：K·h-1·100 km-1)，MPV(虚线，单位：PVU)，风场(风向杆，由U与W×50合成，单位：m·s-1)沿26°N垂直剖面图Fig.7 The 750 hPa frontogenesis function(solid line,unit∶K·h-1·100 km-1),MPV(dashed lines,unit∶PVU)and wind(barb,unit∶m·s-1) at 14:00 (a), 20:00 (b) on September 17,2018. The frontogenesis function (solid line, unit∶K·h-1·100 km-1),MPV(dashed lines,unit∶PVU)and wind(barb,formatted by U and W×50)along 26°N at 14:00 (c)and 20:00 (d) on September 17,2018

从25～26°N,105～110°E区域内锋生函数、MPV(平均值)随时间的变化图(图8)可以看出，锋生现象发生发展的时间基本与湿对称不稳定一致。湿对称不稳定最强时段与锋生最强时段也一致，尤其是与锋生的辐合项F2。孙力、邓承之等指出，湿位涡<0的主要贡献来源于湿斜压项。由锋生函数与湿位涡的表达式可知，锋生函数与湿位涡的湿斜压项均与水平假相当位温梯度相联系。在本次暴雨天气过程中，锋区附近θse线呈东北—西南走向，经向度大于纬向度，∂θse/∂x>∂θse/∂y，贡献更大，因此锋生函数F∝|∂θse/∂x|。而台风倒槽系统西移过程中高层快于低层，使得∂v/∂p<0，且∂θse/∂x>0，因此MPV2∝∂θse/∂x。由此可知，MPV2∝-F。由此可知，锋生函数的增强与湿对称不稳定的发展相一致，两者的加强发展均主要来自于θse在经向上密集度的加强，即|∂θse/∂x|的大小。当台风倒槽北上影响贵州时，倒槽右侧的气流带来高θse的气团，与原地的相对较低θse区相汇，在倒槽附近形成θse密集区，从而形成锋生现象。贵州西高东低的地形一方面加强了|∂θse/∂x|，一方面使得倒槽系统高低层不再垂直一致，即∂v/∂p<0，对称不稳定发展，形成平行于锋区与CSI的中尺度雨带。

图8 2018年9月16日00时—19日02时750 hPa锋生函数F及其辐合项、变形项(单位：K·h-1·100 km-1)，MPV2(单位：PVU)的时间演变图Fig.8 The 750 hPa frontogenesis function and its divergences part,deformation part(unit∶K·h-1·100 km-1) and MPV2(unit∶PVU) during 00:00 on 16 to 02:00 on September 19,2018

4 结论与讨论

本文对2018年9月17日台风“山竹”倒槽造成贵州中西部暴雨过程中的锋生与湿对称不稳定进行分析。得出以下几点初步结论：

①1822号台风“山竹”登陆后，其北部倒槽北上于9月16日傍晚至18日中午影响贵州，倒槽东侧的偏南气流带来充沛水汽，造成贵州出现大范围降雨天气。降雨稳定，强度较小，降水率大多为5～10 mm·h-1，持续时间较长。降雨云系多呈分散的带状，云顶亮温高，云顶高度低，回波强度较小，多为20～30 dBz，以层状云降雨为主。倒槽西进过程中其正压结构发生变化，受地形影响，低层系统移动受阻，其移速慢于高层系统，使得倒槽系统倾斜出现斜压性。

②结合假相当位温与风场的垂直结构分析发现，大气低层800～600 hPa之间出现θse密集区(锋区)，呈带状随高度向西倾斜，与地形走势相一致，密集区(锋区)上暖湿气团沿干冷气团爬升，形成倾斜上升运动，此密集区与中尺度雨带相一致，由贵州东部逐步向西部移动。

③锋生函数计算分析发现，伴随着雨带的不断东移，雨带中出现明显的锋生现象，降雨最强时段17日下午至夜间也是锋生最强时段，锋生达6 K·h-1·100 km-1以上。贡献最大的为F2水平辐散项和F3水平变形项，尤其是低层风的辐合造成梯度加强引起锋生。通过对降雨过程中贵州区域的稳定度分析发现，雨带附近处于惯性稳定和对流稳定，同时湿位涡MPV小于0，为对称不稳定。锋生现象与对称不稳定具有相关性，对称不稳定区位于锋生区的东侧，即东南暖湿气流中，垂直结构上对称不稳定区位于锋生区的上部，与倾斜的上升运动区相对应。

本文采用多种资料分析了此次台风倒槽暴雨过程中的成因及上升运动机制，发现了台风倒槽进入贵州以后，受贵州西高东低地形的影响，系统结构倾斜，出现了类锋面系统、对称不稳定和锋生过程，在地形对贵州天气的影响中具有一定的意义。但对地形在天气过程中的作用仅通过实况和再分析资料进行判定，缺乏对其动力和物理机制的解释，今后需进一步通过中尺度模式更深入的模拟地形敏感实验。