暖鋒鋒生引發(fā)中尺度暴雨的環(huán)境條件及診斷分析

謝玉靜,韓 冰,張惠君,金 磊

（1.黑龍江省氣象臺,黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省氣象局，黑龍江 哈爾濱150001）

1 引言

黑龍江省暖鋒鋒生暴雨比較常見，多由江淮、華北、河套低壓等北上、東移形成。 一般暖鋒在向北移動過程中，遭遇冷空氣，在冷暖平流的作用下，鋒區(qū)加強(qiáng)產(chǎn)生鋒生，西南急流風(fēng)速輻合在急流前部，切變線附近輻合最強(qiáng)烈，暴雨在此發(fā)生[1]，暖鋒產(chǎn)生的降水一般以大范圍穩(wěn)定性或混合性降水為主， 降水緩慢，持續(xù)時間長。 而此次過程受暖鋒影響不僅產(chǎn)生持續(xù)的大范圍的暴雨天氣，并且在降水過程中，多次出現(xiàn)降水集中加強(qiáng)的時段，造成局地的強(qiáng)降水，累積達(dá)大暴雨量級， 主要是由于暖鋒鋒生以及暖鋒前觸發(fā)對流造成的。

在大尺度背景環(huán)流下， 中小尺度系統(tǒng)的增強(qiáng)是造成短時暴雨及累積降水量較大的重要條件。 中小尺度天氣系統(tǒng)的生命史較短， 中、 小尺度系統(tǒng)的活動，往往造成局地短時的暴雨。 丁一匯、陶詩言[2-3]等老一輩氣象學(xué)家指出： 暴雨是各種尺度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物， 其中中尺度天氣系統(tǒng)是直接造成暴雨的天氣系統(tǒng)， 它在各種系統(tǒng)相互作用中起著關(guān)鍵性作用，一次大暴雨常常由幾場降水組成，而每場降水都對應(yīng)一個中尺度系統(tǒng)。 近年來，我國對暴雨有過不少的研究， 尤其在中尺度方面的分析研究工作較深入[3-7]，中尺度擾動的生成和維持與大尺度條件密切相關(guān)，持續(xù)性的暴雨發(fā)生時，經(jīng)常存在一支天氣尺度的低空急流，將暴雨區(qū)外圍的水汽向暴雨區(qū)集中。暴雨持久要有位勢不穩(wěn)定層結(jié)建立的機(jī)制， 低空暖濕空氣的流入很重要，對于暴雨,一般弱的冷平流較為有利，強(qiáng)的冷干平流對暴雨并不十分有利，低空急流的左前方，一方面引起暴雨區(qū)水汽的輸送和輻合，同時也促進(jìn)對流不穩(wěn)定能量的再生[2]。

2 暴雨過程概況

2012年7月28-30日， 黑龍江省自西南向東北出現(xiàn)了區(qū)域性的暴雨。9 站降水量超過100 mm，降水集中在28日18時-30日08時。

根據(jù)降水集中時段和區(qū)域分析， 可按三個時段進(jìn)行討論，降水自西向東推進(jìn)，杜蒙、林甸強(qiáng)降水集中在28日21時-29日02時，出現(xiàn)短時局地暴雨，降水強(qiáng)度大，持續(xù)時間短，累積降水量分別為131 mm和104 mm，突破歷史極值。 綏化、慶安、依蘭、肇東降水集中在29日11-17時，午后中小尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展造成短時的強(qiáng)降水，該區(qū)域降水持續(xù)時間長，并且出現(xiàn)短時的暴雨，累積降水量超過100 mm。 尚志、佳木斯、湯原累積降水量也超過100 mm，主要是由于降水時間長，從降水開始到結(jié)束有三個降水峰值，降水集中增強(qiáng)主要是在29日16-22時。 此次過程在大范圍降水中，自西向東9 個站點出現(xiàn)大暴雨，具有明顯的中尺度特征。

3 背景形勢及影響系統(tǒng)

3.1 背景形勢

從500 hPa 形式看（圖略）， 貝湖北部冷空氣下滑，河套低槽發(fā)展北上，在內(nèi)蒙古東部形成深厚的低渦系統(tǒng)， 該系統(tǒng)沿著副高外圍由西南向東北影響黑龍江省大部，造成大范圍的暴雨天氣。 副熱帶高壓脊穩(wěn)定維持在我國大陸東岸， 與西藏高原的暖脊合并加強(qiáng)， 其西側(cè)的偏南氣流向我國北方輸送大量暖濕空氣，在黑龍江省形成高溫、高濕和不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，為黑龍江省暴雨發(fā)生提供了有利的條件。 同時副熱帶高壓與北部鄂霍茨克高壓脊相疊加， 對阻擋東北低壓東移起到重要作用。

3.2 影響系統(tǒng)

圖1 2012年7月28日20時850 hPa 形勢與7月29日02時地面氣壓場（左圖：高度：實線，單位：dagpm，溫度：虛線，單位：℃。 右圖：陰影區(qū)為6 h 雨量>40 mm 的區(qū)域)

第一時段：28日20時850 hPa 上， 西南氣流前部有暖鋒鋒區(qū)， 鋒區(qū)北側(cè)及西側(cè)為相對穩(wěn)定的冷空氣，暖鋒前緣有冷、暖空氣匯合，鋒前偏東風(fēng)與鋒后西南風(fēng)形成暖式風(fēng)切變（圖1）。切變線南部有較強(qiáng)的偏南風(fēng)，與溫度脊配合，有較強(qiáng)的暖平流，鋒區(qū)在暖平流的作用下產(chǎn)生鋒生，鋒區(qū)加強(qiáng)。 低渦前部的暖濕切變與暖鋒位置基本重合，暖鋒鋒生期間，加強(qiáng)了輻合抬升運(yùn)動，使上升運(yùn)動加強(qiáng)，降水量級最大，區(qū)域性暴雨主要產(chǎn)生在850 hPa 上T-Td≤2 ℃的區(qū)域。 地面，河套低壓在偏南氣流引導(dǎo)下東移北上，地面上輻合形勢更加明顯，北部冷空氣進(jìn)入暖槽，鋒生作用使得暖鋒前降水強(qiáng)度增強(qiáng)，如圖1 陰影區(qū)，02時6 h 雨量超過40 mm。

第二時段：29日08時， 冷空氣移到副高西側(cè)，588 線的范圍明顯減小，副高有所減弱(圖2)。 低渦進(jìn)一步向東北方向移動，低渦后部冷平流的影響，不斷有冷空氣下滑，到暖脊控制區(qū)，鋒區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)，冷暖空氣共同作用，加之午后熱力條件的增強(qiáng)，在暖鋒鋒面前觸發(fā)對流性降水，降水時間短，強(qiáng)度大。 地面低壓也是東移北上，29日14時低壓中心在吉林省西部，黑龍江省中南部受暖鋒影響，暖鋒前為明顯的負(fù)變壓區(qū)， 北冷南暖同時加強(qiáng)， 暖鋒兩側(cè)溫度梯度增大，雨強(qiáng)明顯增加，如圖2 陰影區(qū)雨量超過30 mm。

第三時段：30日08時500 hPa 影響黑龍江的低渦系統(tǒng)減弱為低槽，副高也進(jìn)一步減弱東移。850 hPa上低渦中心已經(jīng)在黑龍江東北部， 黑龍江省大部地區(qū)已經(jīng)在冷空氣控制之下， 隨后冷中心與低渦中心基本重合，東北低渦緩慢填塞減弱，其影響強(qiáng)度略有減弱， 地面低壓向東移動到黑龍江東南， 強(qiáng)度減弱（圖3）。自29日凌晨低渦系統(tǒng)影響黑龍江省，減弱東移，黑龍江中東部從暖鋒降水轉(zhuǎn)為低渦降水，降水持續(xù)，造成范圍大和持續(xù)時間長的暴雨天氣。

圖2 2012年7月29日08時850 hPa 形勢與7月29日14時地面圖（左圖：高度：實線，單位：dagpm，溫度：虛線，單位：℃。 右圖：陰影區(qū)為6 h 雨量>30 mm 的區(qū)域)

圖3 2012年7月30日08時850 hPa 形勢與7月30日08時地面圖（左圖：高度：實線，單位：dagpm，溫度：虛線，單位：℃)

4 中尺度環(huán)境條件及抬升觸發(fā)機(jī)制

4.1 環(huán)境條件

圖4 為29日08時的中尺度綜合分析， 高空低渦后部冷平流影響使得低渦及地面低壓強(qiáng)烈發(fā)展，黑龍江省對流層中低層受暖式切變影響， 西南暖濕氣流向北伸展到切變線附近， 因熱力作用產(chǎn)生上升運(yùn)動。 對流層低層高溫高濕的空氣與中層向南滲透的干冷空氣結(jié)合，導(dǎo)致中低層位勢不穩(wěn)定的建立，為暴雨提供熱力和動力條件。

4.2 急流作用

高低空急流同時出現(xiàn)，對暴雨起著重要的作用，此次過程高低空急流平行，如圖4。 云區(qū)位于高空急流與低空急流之間，高空急流的存在有利于上升氣流的維持和加強(qiáng)，為長久的上升運(yùn)動提供動力，中低層西南急流的持續(xù)不僅為暴雨提供充足水汽，還使鋒區(qū)加強(qiáng)北移，有利于暖鋒鋒生，為暴雨提供了動力條件。

同時在低空急流或暖濕氣流輸送的出口輻合上升區(qū)與高空急流輻散區(qū)耦合處有強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)（圖4），低空急流輸送暖濕空氣，高空急流輸送干冷空氣，二者疊置后加強(qiáng)了大氣潛在不穩(wěn)定，在低空急流最大風(fēng)速中心的前方有明顯的水汽輻合和質(zhì)量輻合及強(qiáng)上升運(yùn)動， 這對產(chǎn)生暴雨的強(qiáng)對流活動的連續(xù)發(fā)展非常有利。

圖4 2012年7月29日08時中尺度綜合分析（500 hPa 干區(qū)、850 hPa 濕區(qū)為鋸齒朝向以內(nèi)）

4.3 觸發(fā)條件

干冷空氣侵入對暴雨的產(chǎn)生發(fā)展起著重要的動力作用，并且能夠調(diào)整濕度場結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生熱力效應(yīng)，此次過程中弱的干冷輸送對于增強(qiáng)暖鋒降水起到重要作用。28日20時（圖略），干冷舌伸出吉林南部，與中空急流配合，干冷空氣進(jìn)入到暖鋒后部,觸發(fā)暖鋒鋒生。 29日08時，中低層西南暖濕氣流依然很強(qiáng)并且維持，西部與北部冷空氣從低渦后部進(jìn)入，隨著渦旋與暖濕氣流匯合，同時午后熱力條件有所增加，在暖鋒前部觸發(fā)對流性強(qiáng)降水。

4.4 地面輻合抬升作用

較強(qiáng)降雨的出現(xiàn)與地面中尺度氣旋性環(huán)流形成和加強(qiáng)密切相關(guān)。 在29日凌晨及29日下午，分別有地面風(fēng)場的氣旋性環(huán)流加強(qiáng)的過程， 與強(qiáng)降水出現(xiàn)的時間和區(qū)域相吻合（圖略）。 尤其是29日下午，偏東、 偏北與偏南三股不同方向的氣流在強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)域匯合，不但有暖式輻合的影響，同時還有較冷的氣流沖入暖區(qū)， 伴隨地面的氣旋性環(huán)流建立及強(qiáng)烈的輻合抬升作用產(chǎn)生較強(qiáng)降水。

5 物理量場診斷分析

5.1 水汽條件

充沛的水汽含量、 持續(xù)的水汽輸送和輻合是產(chǎn)生暴雨的必要條件。 此次暴雨的水汽主要是來自于黃、渤海海面及其以南的東海海面上，該水汽通過副高南部和西部邊緣的偏東轉(zhuǎn)偏南氣流輸送到黑龍江省。 暴雨發(fā)生時，對流層中低層的相對濕度>90%，比濕場上， 在雨區(qū)或低空急流北端有濕舌或濕中心存在， 沿副高外圍呈現(xiàn)自西南向東北的濕帶。 850 hPa上大暴雨發(fā)生在比濕處于10-12 g/kg 的濕舌上。 暴雨發(fā)生在水汽通量輻合區(qū)前部或者水汽通量輻合與輻散交替地帶。

5.2 能量場特征

假相當(dāng)位溫場分析， 暴雨發(fā)生在高能舌前沿，Ω能量鋒區(qū)附近。 對流層低層有一條相當(dāng)位溫舌伸向暴雨區(qū)，同時中高層，暴雨區(qū)有干冷舌配合，暴雨發(fā)生時，暴雨區(qū)西南部有高溫高濕能量向暴雨區(qū)提供，暴雨區(qū)北部有干冷空氣向暴雨區(qū)入侵， 暴雨區(qū)正位于這個鋒區(qū)上。 中層的干冷舌垂直配置于低層的暖濕舌之上，增強(qiáng)了大氣不穩(wěn)定度，有利于中尺度對流天氣的觸發(fā)。

5.3 穩(wěn)定度特征

暴雨往往對應(yīng)較強(qiáng)的位勢不穩(wěn)定， 不穩(wěn)定能量主要集中在低層或中低層，低層有比較強(qiáng)的暖、濕平流，在高層有干、冷平流，使得雨區(qū)的上空變得更加不穩(wěn)定。 對K 指數(shù)、沙氏指數(shù)、垂直速度場分析發(fā)現(xiàn)，暴雨產(chǎn)生于不穩(wěn)定區(qū)前方， 從暴雨區(qū)周圍穩(wěn)定度情況看，暴雨區(qū)南部比暴雨區(qū)內(nèi)更不穩(wěn)定，暴雨區(qū)北部是對流穩(wěn)定狀態(tài)， 暴雨發(fā)生在穩(wěn)定與不穩(wěn)定的過渡帶中。

5.4 對流有效位能

對流有效位能對暴雨預(yù)報也有較好指示性。 在暴雨前，對流有效位能急劇增加，暴雨結(jié)束時，對流有效位能迅速減少或出現(xiàn)負(fù)值。28日20時哈爾濱探空圖CAPE 值1 171.9 J/kg，大氣的對流不穩(wěn)定較弱，暖濕能量較高， 到29日08時大氣處于強(qiáng)的對流不穩(wěn)定，K 指數(shù)37，SI 指數(shù)-2.02，CAPE 值441.4 J/kg，是對流天氣發(fā)生的典型垂直不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)。

6 小結(jié)

(1)本次過程主要是河套低壓北上，暖鋒影響產(chǎn)生的區(qū)域性暴雨天氣， 暖鋒鋒生及午后對流的觸發(fā)造成短時降水強(qiáng)度增大，具有明顯的中尺度特征。 較強(qiáng)降雨的出現(xiàn)與地面中尺度氣旋性環(huán)流形成與加強(qiáng)密切相關(guān)。

(2)高低空急流耦合作用為暴雨提供了重要的動力條件， 低空急流不僅為暴雨天氣提供充足的水汽條件，還使鋒區(qū)加強(qiáng)北移，有利于暖鋒鋒生。

(3)降水短時強(qiáng)度大與大氣的不穩(wěn)定度及不穩(wěn)定能量的累積與觸發(fā)密切聯(lián)系。 干冷輸送對于增強(qiáng)暖鋒降水起到重要作用。

(4)從物理量診斷分析看，暴雨、大暴雨發(fā)生在穩(wěn)定與不穩(wěn)定的過渡帶中，高能舌前沿，Ω 能量鋒區(qū)附近；暴雨前，對流有效位能急劇增加，暴雨結(jié)束時，對流有效位能迅速減少。

[1] 暖鋒鋒生前產(chǎn)生降水的天氣形勢個例分析[J]．中國科技信息，2008(8):18．

[2] 丁一匯．暴雨和中尺度氣象學(xué)問題[J]．氣象學(xué)報，1994，52(3):275-283．

[3] 陶詩言．中國之暴雨[M]．北京：科學(xué)出版社，1980．

[4] 毛冬艷，喬林，陳濤，等．2004年7月10日北京暴雨的中尺度分析[J]．氣象，2005，319(5)：42-46．

[5] 陳紅專，湯劍平．一次突發(fā)性特大暴雨的中尺度分析和診斷[J]．氣象科學(xué)，2009，29(6)：797-803．

[6] 畢寶貴，劉月巍，李澤椿．2002年6月8～9日陜南大暴雨系統(tǒng)的中尺度分析[J]．大氣科學(xué)，2004，28(5)：747-761．

[7] 于德華，王樹雄．2007年8月大連地區(qū)一次暴雨過程特征分析[J]．氣象與環(huán)境學(xué)報，2008，24(6)：19-23．