東北冷渦底部一次MCC暴雨動(dòng)力熱力特征分析

任 麗，楊艷敏

(1.黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北冷渦研究重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

引 言

東北冷渦是東亞阻塞形勢(shì)下出現(xiàn)的深厚冷性渦旋，在東北地區(qū)活動(dòng)，是東北地區(qū)特有的天氣系統(tǒng)，至少維持3 d，一年四季均可出現(xiàn)，又以夏季最多[1]，移動(dòng)緩慢且可再生發(fā)展，具有相對(duì)的準(zhǔn)靜止性，可以連續(xù)多天給東北地區(qū)帶來(lái)低溫陰雨及暴雨天氣[2-4]。在東北冷渦的發(fā)生發(fā)展甚至消散階段均可出現(xiàn)暴雨、冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣[5-9]。冷渦單獨(dú)活動(dòng)傾向于產(chǎn)生局地暴雨；與熱帶系統(tǒng)或中高緯度其他系統(tǒng)相互作用時(shí)，往往形成區(qū)域性暴雨。東北冷渦不僅給東北地區(qū)帶來(lái)暴雨等災(zāi)害性天氣[10-11]，對(duì)華北汛期、江淮梅雨甚至華南雨季均有較大影響。

強(qiáng)對(duì)流天氣往往是中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)活動(dòng)引起，其中生命史長(zhǎng)達(dá)6 h以上，水平尺度大至上千千米，在紅外云圖上形狀接近圓形的巨大云團(tuán)，被稱為中尺度對(duì)流復(fù)合體(MCC)[12-15]。MCC是MCS中范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的強(qiáng)降水系統(tǒng)，在我國(guó)東南沿海經(jīng)常出現(xiàn)，常造成暴雨、冰雹甚至是毀滅性暴洪事件[16-20]。MCS易發(fā)生在東北冷渦東南側(cè)氣旋性曲率最大處[21]，此處有中高層干冷平流疊加在低層暖濕平流之上，造成對(duì)流不穩(wěn)定迅速增長(zhǎng)[22]，而東北冷渦背景下MCC卻很罕見[23-24]。2019年7月16日黑龍江省先后受MCS和MCC影響，出現(xiàn)突發(fā)性暴雨，本文使用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、自動(dòng)氣象站降水量以及NCEP再分析資料，對(duì)暴雨成因及中尺度特征進(jìn)行診斷，探索MCC產(chǎn)生的環(huán)境條件及其結(jié)構(gòu)特征。

1 暴雨概述和天氣尺度環(huán)境背景

1.1 降水實(shí)況

圖1為 2019年7月16日08:00(北京時(shí)，下同)至17日08:00黑龍江24 h累計(jì)降水量空間分布、克山和巴彥站小時(shí)雨量及克山和巴彥站強(qiáng)降雨時(shí)段分鐘雨量?？梢钥闯觯?4 h累計(jì)降水量空間分布不均，有東西2個(gè)暴雨區(qū)。西部暴雨區(qū)強(qiáng)降水出現(xiàn)在16日12:00—14:00，克山站連續(xù)2 h出現(xiàn)小時(shí)雨量>20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)29.5 mm·h-1(16日13:00)，降水主要集中在12:30—13:10，有2個(gè)降水峰值，最大分鐘雨量為3.4 mm。東部暴雨區(qū)的強(qiáng)降水出現(xiàn)在16日20:00—22:00，巴彥站連續(xù)2 h出現(xiàn)小時(shí)雨量大于30 mm的短時(shí)強(qiáng)降水，最大雨強(qiáng)49.3 mm·h-1(16日22:00)。降水主要集中在20:30—21:30，有一降水峰值，最大分鐘雨量為3.8 mm。東部暴雨區(qū)范圍及雨強(qiáng)均大于西部，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間比西部長(zhǎng)，雨量較西部更大。

圖1 2019年7月16日08:00至17日08:00黑龍江24 h累計(jì)降水量空間分布(a，單位：mm)、克山和巴彥站小時(shí)雨量(b)及克山(c)和巴彥(d)站強(qiáng)降雨時(shí)段分鐘雨量Fig.1 The spatial distribution of accumulative precipitation (a, Unit: mm), hourly precipitation at Keshan and Bayan (b) stations from 08:00 BST 16 to 08:00 BST 17 July 2019 and minutely precipitation at Keshan (c) and Bayan (d) stations during strong precipitation period

1.2 天氣尺度環(huán)流背景

500 hPa亞洲中高緯地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度不斷增大， 2019年7月14日在西西伯利亞平原地區(qū)形成暖高壓脊，脊前西北氣流引導(dǎo)冷空氣南下，在中西伯利亞高原形成寬廣的冷槽區(qū)，分別在中西伯利亞高原西側(cè)和蒙古高原東側(cè)形成冷渦。之后中西伯利亞高原西側(cè)的冷渦穩(wěn)定少動(dòng)，原地增強(qiáng)，其東南側(cè)短波槽攜帶冷空氣向內(nèi)蒙古移動(dòng)；蒙古高原東側(cè)的東北冷渦向東北方向移動(dòng)，進(jìn)入我國(guó)。16日14:00[圖2(a)]短波槽在河套地區(qū)切斷生成新的冷渦；東北冷渦移至黑龍江和內(nèi)蒙古交界處，其東南側(cè)出現(xiàn)中尺度西南低空急流，低空急流向北輸送的水汽和熱量在急流前側(cè)強(qiáng)烈輻合，形成西部暴雨區(qū)。

16日20:00[圖2(b)]位于河套地區(qū)的冷渦增強(qiáng)，850 hPa出現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的風(fēng)速帶，其東側(cè)到東北冷渦東側(cè)的西南風(fēng)速帶范圍增大、強(qiáng)度增強(qiáng)，西南風(fēng)與東北冷渦北側(cè)的偏北風(fēng)輻合加強(qiáng)，暖濕空氣輻合抬升；黑龍江南部200 hPa風(fēng)速增大到30 m·s-1以上，形成中尺度高空急流，增強(qiáng)的高空輻散，加強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)，降水強(qiáng)度更強(qiáng)，形成東部暴雨區(qū)。

圖2 2019年7月16日14:00(a)和20:00(b)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(黑色等值線，單位：dagpm)和溫度場(chǎng)(紅色等值線，單位：℃)，200 hPa風(fēng)速≥30 m·s-1 區(qū)域(陰影)和850 hPa風(fēng)速≥8 m·s-1風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)Fig.2 The 500 hPa geopotential height (black isoline, Unit: dagpm), temperature (red isoline, Unit: ℃) fields, and area with 200 hPa wind speed greater than or equal to 30 m·s-1 (shaded)and 850 hPa wind with wind speed greater than or equal to 8 m·s-1 (wind stem) at 14:00 BST (a) and 20:00 BST (b) 16 July 2019

2019年7月15日，我國(guó)西北地區(qū)地面低壓緩慢東移，向東北方向擴(kuò)展，形成倒槽。16日11:00[圖3(a)]在倒槽內(nèi)新生2個(gè)低壓，分別位于內(nèi)蒙古東北部和黑龍江西南部。西南部低壓與初始對(duì)流相對(duì)應(yīng)，低壓內(nèi)有東西向中尺度地面輻合線，輻合線兩側(cè)溫度差△T≥4 ℃且露點(diǎn)溫度差△Td≈4 ℃，即輻合線處有溫度和濕度的不連續(xù)。對(duì)流沿著輻合線方向自西向東移動(dòng)，在輻合線附近產(chǎn)生暴雨。之后，2個(gè)低壓先后減弱為低壓槽，從內(nèi)蒙古東北部到黑龍江西南部形成尺度更大的地面輻合線，并觸發(fā)對(duì)流。17:00[圖3(b)]在低壓槽內(nèi)形成的輻合線略南移，輻合線兩側(cè)△T≥5 ℃，對(duì)流沿輻合線移動(dòng)，形成東部暴雨區(qū)。

圖3 2019年7月16日11:00(a)和17:00(b)海平面氣壓場(chǎng)(等值線，單位：hPa)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)和溫度(數(shù)值，單位：℃)( 為地面輻合線)Fig.3 The sea level pressure field (isoline, Unit: hPa), wind (wind stem, Unit: m·s-1) and temperature field (numbers, Unit: ℃) at 11:00 BST (a) and 17:00 BST (b) 16 July 2019( for ground convergence line)

2 中尺度對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)特征

圖4為2019年7月16日11:00至17日02:00 FY-2G逐小時(shí)TBB空間分布?？梢钥闯?， 7月16日11:00克山站北側(cè)鋒面及地面輻合線附近有MCS生成發(fā)展，并沿輻合線向東移動(dòng)。12:00—13:00 MCS發(fā)展迅速，云團(tuán)范圍增大，向南擴(kuò)展到克山上空，TBB下降到-52 ℃以下?？松秸疚挥贛CS南側(cè)亮溫梯度最大區(qū)，有TBB<-57 ℃低值區(qū)移過(guò)，雨強(qiáng)增強(qiáng)到29.5 mm·h-1(16日13:00)。14:00—15:00隨著MCS東移，克山站雨強(qiáng)迅速減弱。MCS東移過(guò)程中云團(tuán)范圍迅速擴(kuò)大，形成弧狀云帶，云帶南側(cè)TBB大梯度區(qū)對(duì)應(yīng)有20 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水。內(nèi)蒙古東北部到黑龍江西南部形成尺度更大的地面輻合線，并觸發(fā)對(duì)流，對(duì)流云團(tuán)迅速發(fā)展加強(qiáng)，達(dá)到MCC標(biāo)準(zhǔn)。16:00 MCC呈近圓形，位于黑龍江、吉林和內(nèi)蒙古三省交界處，-32 ℃冷云罩面積1.1×105km2，-52 ℃冷云罩面積7×104km2，沿地面輻合線向東偏北方向移動(dòng)，移入黑龍江省。17:00—19:00北側(cè)的MCS逐漸接近并合并到MCC中，促使MCC冷云罩范圍不斷擴(kuò)大，形狀由近圓形演變?yōu)闄E圓形，長(zhǎng)軸為近東北—西南向，同時(shí)東部暴雨區(qū)開始出現(xiàn)降水。20:00—21:00 MCC又恢復(fù)為近圓形， 21:00強(qiáng)度達(dá)最強(qiáng)，-32 ℃冷云罩面積達(dá)1.7×105km2，-52 ℃冷云罩面積9.5×104km2，MCC中有尺度更小的TBB<-62 ℃的中尺度單元活動(dòng)，對(duì)應(yīng)的降水強(qiáng)度更強(qiáng)，形成東部暴雨區(qū)，巴彥站連續(xù)2 h出現(xiàn)大于30 mm的降水。22:00—23:00 MCC開始減弱，-32 ℃冷云罩范圍變化不大，但TBB<-52 ℃的冷云罩范圍迅速減小，地面雨強(qiáng)減小。17日00:00 -52 ℃冷云罩面積減小到3.6×104km2，不滿足MCC標(biāo)準(zhǔn)。MCC歷時(shí)8 h，給黑龍江省中南部地區(qū)帶來(lái)大范圍的大雨及局地暴雨天氣。01:00—02:00 MCC迅速減弱消散。

圖4 2019年7月16日11:00至17日02:00 FY-2G逐小時(shí)TBB空間分布(單位：℃)Fig.4 The spatial distribution of hourly TBB from FY-2G from 11:00 BST 16 to 02:00 BST 17 July 2019 (Unit: ℃)

綜上所述，黑龍江省東西2個(gè)暴雨區(qū)分別由MCC和MCS造成。

3 雷達(dá)回波演變特征

7月16日17:00，MCC移入前為尺度較小的混合云降水回波，之后回波增多，組織性增強(qiáng)，18:00—19:00演變?yōu)橄嗑?00 km左右的2條東北—西南向帶狀回波。2條回波帶在緩慢東移過(guò)程中合并成大范圍混合云降水回波，其間鑲嵌著多個(gè)大小、強(qiáng)度不等的對(duì)流單體。圖5為2019年7月16日20:36、21:04和21:38綏化站雷達(dá)0.5°仰角反射率因子。可以看出，20:00—22:00巴彥地區(qū)先后受3個(gè)強(qiáng)對(duì)流S1、S2和S3活動(dòng)影響，出現(xiàn)持續(xù)2 h的短時(shí)強(qiáng)降水。特別是21:04影響巴彥地區(qū)的強(qiáng)回波呈鉤狀結(jié)構(gòu)，低層回波強(qiáng)度≥50 dBZ[圖6(a)]，在鉤狀回波的鉤內(nèi)弱回波區(qū)(距雷達(dá)70 km)有距離<10 km，切變速度達(dá)15 m·s-1的強(qiáng)切變[圖6(b)]，中低層有深厚的氣旋式輻合，可以判定強(qiáng)回波為超級(jí)單體。鉤狀回波內(nèi)高反射率因子隨高度向入流一側(cè)傾斜，即低層為弱回波，中高層回波懸垂的垂直結(jié)構(gòu)，并可辨識(shí)有界弱回波區(qū)。50 dBZ的高反射率因子從近地面向上伸展至5 km高度[圖6(c)]， 0 ℃層高度為4 km，即強(qiáng)降水以暖云降水為主，降水效率高，雨強(qiáng)大，巴彥出現(xiàn)3.8 mm·min-1的強(qiáng)降水，20 min降水量達(dá)40.8 mm。

圖5 2019年7月16日20:36(a)，21:04(b)和 21:38(c)綏化站雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(單位：dBZ)Fig.5 The reflectivity factor on 0.5° elevation angle from the Doppler radar at Suihua station at 20:36 BST (a), 21:04 BST (b) and 21:38 BST (c) on 16 July 2019 (Unit: dBZ)

圖6 2019年7月16日21:04綏化站雷達(dá)0.5°仰角反射率因子(a，放大4倍，單位：dBZ)和平均徑向速度(b，放大4倍，單位：m·s-1)以及沿圖5(b)中斜線的反射率因子(單位：dBZ)垂直剖面(c)Fig.6 The reflectivity factor on 0.5° elevation angle (a, magnified by a factor of 4, Unit: dBZ), mean radial velocity (b, magnified by a factor of 4, Unit: m·s-1) from Doppler radar at Suihua station, and the vertical profile of radar reflectivity factor (Unit: dBZ) along the slant line in Fig 5(b) (c) at 21:04 BST on 16 July 2019

4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展環(huán)境條件

4.1 水汽和動(dòng)力條件

低空低渦形成和東移發(fā)展過(guò)程中一直伴隨著中尺度的西南低空急流，低空急流將南部的熱量和水汽向北輸送至暴雨區(qū)。7月16日14:00東北地區(qū)中南部形成帶狀水汽通道，水汽通量大值(12 g·hPa-1·cm-1·s-1)中心位于黑龍江和吉林交界附近；水汽在低空西南急流左側(cè)及前側(cè)均有輻合。急流前側(cè)的輻合切變處，也是水汽輻合中心，水汽通量散度達(dá)-5×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1[圖7(a)]。16日20:00水汽通道東移變?yōu)?支，即從華北北部到黑龍江南部的西南—東北向帶狀水汽輸送帶和從朝鮮半島向北的水汽輸送帶。2支向北輸送的水汽在黑龍江省南部匯合，該處水汽通量大于15 g·hPa-1·cm-1·s-1，其北側(cè)的水汽通量梯度更大，水汽輻合更強(qiáng)[圖7(b)]，降水強(qiáng)度增大。17日02:00水汽通道繼續(xù)東移，向北伸展，水汽輻合區(qū)移至黑龍江東部[圖7(c)]，強(qiáng)降水區(qū)隨之東移。

圖7 2019年7月16日14:00(a、d)，20:00(b、e)和17日02:00(c、f)850 hPa水汽通量(等值線和箭矢，單位：g·hPa-1 ·cm-1·s-1)、水汽通量散度(陰影，單位：10-7 g·hPa-1 ·cm-2·s-1)(a、b、c)及沿125°E(d)、127°E(e)和129°E(f)的水汽通量散度(陰影，單位：10-7 g·hPa-1 ·cm-2·s-1)、垂直速度(等值線，單位：Pa·s-1)的緯度-高度剖面Fig.7 The 850 hPa water vapor flux (isoline and arrow vector, Unit: g·hPa-1 ·cm-1·s-1), the water vapor flux divergence (shaded, Unit: 10-7 g·hPa-1 ·cm-2·s-1) (a, b,c) and the latitude-height cross-sections of water vapor flux divergenc (shaded, Unit: 10-7 g·hPa-1 ·cm-2·s-1) and vertical velocity (isoline, Unit: Pa·s-1) along 125°E (d), 127°E (e) and 129°E (f) at 14:00 BST on 16 (a, d), 20:00 BST on 16 (b, e) and 02:00 BST on 17 (c, f) July 2019

16日14:00西部暴雨區(qū)水汽輻合出現(xiàn)在中低層，輻合中心位于850 hPa，水汽通量散度為-5×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，與上升運(yùn)動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)，最大上升速度出現(xiàn)在700 hPa[圖7(d)]。16日20:00水汽輻合區(qū)的高度更低，輻合強(qiáng)度更強(qiáng)，水汽通量散度達(dá)-9×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1。低層上升運(yùn)動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大[圖7(e)]，加之松嫩平原到小興安嶺的地形輻合抬升作用增大，形成強(qiáng)度更大的降水。17日02:00水汽通道和低層水汽輻合區(qū)東移減弱，上升運(yùn)動(dòng)速度也減小[圖7(f)]，雨區(qū)東移減弱。

4.2 熱力結(jié)構(gòu)特征

2019年7月16日14:00[圖8(a)]，蒙古國(guó)到內(nèi)蒙古東部為假相當(dāng)位溫θse高值區(qū)，高值區(qū)向東北方向伸展，黑龍江西南部θse達(dá)336 K。東北地區(qū)中部建立的中尺度西南低空急流向北輸送水汽和熱量，表現(xiàn)為較強(qiáng)的暖平流，促使黑龍江西南部θse不斷增大。內(nèi)蒙古東北部為θse低值區(qū)，西北風(fēng)攜帶冷空氣南下，與暖濕空氣交匯，促使內(nèi)蒙古東北部等θse線逐漸密集。16日20:00[圖8(b)]，θse高值舌和西南低空急流東移，黑龍江西南部的暖平流加強(qiáng)到150×10-6K·s-1，θse達(dá)340 K，同時(shí)內(nèi)蒙古東北側(cè)的西北風(fēng)加大，冷平流范圍擴(kuò)大到黑龍江西南角，達(dá)-100×10-6K·s-1。冷暖平流交匯的區(qū)域里等θse線更加密集，并出現(xiàn)顯著鋒生，鋒生函數(shù)最大值>4 K·h-1·(100 km)-1，暖濕空氣在顯著鋒生區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈輻合抬升。MCC移入黑龍江省強(qiáng)鋒生區(qū)發(fā)展加強(qiáng)并沿輻合線移動(dòng)，給黑龍江南部地區(qū)帶來(lái)大范圍強(qiáng)降水。

圖8 2019年7月16日 14:00(a)和20:00(b)850 hPa假相當(dāng)位溫(實(shí)等值線，單位：K)、溫度平流(陰影，單位：10-6 K·s-1)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)和鋒生函數(shù)[紫色長(zhǎng)虛線，單位：K·h-1·(100 km)-1](粗實(shí)線為等θse線密集區(qū))Fig.8 The 850 hPa potential pseudo-equivalent temperature (solid isoline, Unit: K), temperature advection (shaded, Unit: 10-6 K·s-1), wind (wind stem, Unit: m·s-1) and frontogenesis function (purple long dashed isoline, Unit: K·h-1·(100 km)-1) at 14:00 BST (a) and 20:00 BST (b) 16 July 2019(The thick solid line denotes dense area of potential pseudo-equivalent temperature isoline)

經(jīng)過(guò)鋒生函數(shù)大值中心，垂直于7月16日20:00 850 hPa等θse線密集區(qū)做垂直剖面研究冷暖氣團(tuán)的熱力性質(zhì)。西北側(cè)蒙古高原中低層為θse低值區(qū)，800～600hPaθse<324K[圖9(a)]；東南側(cè)松嫩平原600 hPa以下為θse大值區(qū)，850 hPa以下θse>340 K。冷暖氣團(tuán)之間為自西北向東南傾斜的鋒區(qū)，鋒區(qū)上有強(qiáng)烈鋒生，850 hPa最大鋒生函數(shù)達(dá)10 K·h-1·(100 km)-1。鋒生區(qū)及暖氣團(tuán)內(nèi)有上升運(yùn)動(dòng)，與MCC相對(duì)應(yīng)，此處也為高低空急流耦合區(qū)，在東南側(cè)的長(zhǎng)白山一帶下沉，形成中尺度次級(jí)環(huán)流[圖9(b)]。暖氣團(tuán)內(nèi)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)里，有西南氣流向北輸送水汽和熱量，500 hPa以下表現(xiàn)為暖平流和較大的相對(duì)濕度[圖9(c)]。冷氣團(tuán)內(nèi)則為冷平流，以下沉運(yùn)動(dòng)為主。中高層有隨下沉氣流自西北向東南輸送的相對(duì)濕度<40%的干冷空氣，強(qiáng)冷平流促使大氣中層降溫，θse減小到328 K。黑龍江中南部地區(qū)中低層暖濕空氣之上疊加了較強(qiáng)的干冷空氣，該地區(qū)中低層具有上干冷下暖濕的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)。地面輻合線及鋒面鋒生的抬升作用觸發(fā)對(duì)流，使不穩(wěn)定能量釋放，對(duì)流獲得加強(qiáng)。

圖9 2019年7月16日20:00沿圖8(b)中粗實(shí)線的假相當(dāng)位溫(實(shí)線，單位：K)和鋒生函數(shù)[長(zhǎng)虛線，單位：K·h-1·(100 km)-1](a)，溫度平流(陰影，單位：10-6 K·s-1)和流場(chǎng)(流線)(b)，相對(duì)濕度(陰影，單位：%)和流場(chǎng)(流線)(c)垂直剖面Fig.9 The vertical profile of potential pseudo-equivalent temperature (solid isoline, Unit: K) and frontogenesis function (long dashed isoline, Unit: K·h-1·(100 km)-1) (a), temperature advection (shaded, Unit: 10-6 K·s-1) and stream field (streamline) (b) ,relative humidity (shade, Unit: %) and stream field (streamline) (c) at 20:00 BST 16 July 2019 along the thick solid line in Fig.8(b)

4.3 不穩(wěn)定特征

2019年7月16日08:00，西部暴雨區(qū)上游的嫩江站高層T-Td≥10 ℃的干空氣疊加在中低層深厚的濕層之上；對(duì)流有效位能CAPE為750 J·kg-1，K指數(shù)為34 ℃，沙氏指數(shù)SI為-0.2 ℃，抬升指數(shù)LI為-2.5 ℃；風(fēng)速隨高度迅速增大，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?.7×10-3s-1[圖10(a)]。表明對(duì)流發(fā)生前大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對(duì)流發(fā)展。

7月16日20:00，東部暴雨區(qū)哈爾濱站850～600 hPa為飽和層(T-Td≤2 ℃)。近地面及中高層有干空氣活動(dòng)，特別是中高層T-Td≥17 ℃，這樣高層更干、中低層更濕促使大氣對(duì)流不穩(wěn)定。CAPE增至1000 J·kg-1，K指數(shù)達(dá)42 ℃， SI為-5.1℃，LI為-5.2 ℃。整層風(fēng)速≥12 m·s-1，0～6 km垂直風(fēng)切變更大，達(dá)4×10-3s-1；500 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，表明中低層有暖平流[圖10(b)]。東部暴雨區(qū)大氣更加不穩(wěn)定，這樣的環(huán)境條件有利于醞釀更強(qiáng)的風(fēng)暴。

圖10 2019年7月16日08:00嫩江站(a)和20:00哈爾濱站(b)T-ln P圖Fig.10 The T-ln P diagram of Nenjiang sounding station at 08:00 BST (a) and Harbin sounding station at 20:00 BST (b)16 July 2019

圖11 2019年7月16日20:00沿圖8(b)中粗實(shí)線的濕位渦MPV(陰影，僅顯示負(fù)值，單位：10-6 m2·K·s-1·kg-1)和等值線，單位：K·hPa-1)(a)、MPV1(b)和MPV2(c)垂直剖面(單位：10-6 m2·K·s-1·kg-1)(棕色矩形為對(duì)流不穩(wěn)定，黑色矩形為濕對(duì)稱不穩(wěn)定)Fig.11 The cross-sections of MPV (shaded, only plotting negative values, Unit: 10-6 m2·K·s-1·kg-1) and (isoline, Unit: K·hPa-1) (a), MPV1 (b) and MPV2 (c) (Unit: 10-6 m2·K·s-1·kg-1) at 20:00 BST 16 July 2019 along the thick solid line in Fig.8(b)(The brown rectangle denotes the area with convective instability, black rectangle denotes the area with wet symmetric instability)

綜上所述，MCC引發(fā)的暴雨過(guò)程中，大氣低層具有強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定，中層具有濕對(duì)稱不穩(wěn)定。不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)大氣中低層水平風(fēng)具有大的垂直切變，根據(jù)傾斜渦度理論，增大的垂直風(fēng)切變可以導(dǎo)致垂直渦度的顯著發(fā)展[27]。不穩(wěn)定能量的釋放和垂直渦度發(fā)展，均有利于產(chǎn)生對(duì)流，而對(duì)流又導(dǎo)致大量降水凝結(jié)潛熱釋放，進(jìn)一步降低對(duì)流穩(wěn)定度，促使氣旋性渦度發(fā)展[28]，此正反饋?zhàn)饔么偈箤?duì)流長(zhǎng)時(shí)間維持發(fā)展。

4.4 干侵入特征

2019年7月16日14:00東北冷渦后部的干空氣旋轉(zhuǎn)南下到冷渦底部，形成北寬南窄的暗區(qū)。暗區(qū)逐漸向東侵入過(guò)程中在其前端觸發(fā)對(duì)流，黑龍江西部形成MCS。MCS南側(cè)邊界光滑整齊，并不斷有新對(duì)流生成[圖12(a)]，連續(xù)2 h出現(xiàn)強(qiáng)降水，形成西部暴雨區(qū)。16日16:00 MCC生成之后其西側(cè)和北側(cè)受干侵入氣流影響一直為光滑整齊的弧線。

圖12 2019年7月16日14:00(a)和21:00(b)FY-2G衛(wèi)星水汽圖像(單位：K)，20:00 400 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)、相對(duì)濕度(陰影，單位：%)和溫度平流(等值線，僅顯示負(fù)值，單位：10-6 K·s-1)(c)及位勢(shì)渦度(d，單位：10-6 m2·K·s-1·kg-1)Fig.12 The water vapor image (Unit: K) from FY-2G satellite at 14:00 BST (a) and 21:00 BST (b), the 400 hPa wind (wind stem, Unit: m·s-1), relative humidity (shaded, Unit: %) and temperature advection (isoline, only plotting negative values, Unit: 10-6 K·s-1) (c) and geopotential vorticity (d, Unit: 10-6 m2·K·s-1·kg-1) at 20:00 BST 16 July 2019

16日21:00暗區(qū)在不斷向北伸展的過(guò)程中變得更寬廣、色調(diào)更深，表明干侵入強(qiáng)度加強(qiáng)。MCC移動(dòng)到黑龍江南部，與暗區(qū)相連的西北側(cè)邊界整齊光滑[圖12(b)]，TBB梯度大，不斷觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流，MCC東移給中南部地區(qū)帶來(lái)強(qiáng)度更強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的降水，形成東部暴雨區(qū)。

7月16日20:00 400 hPa黑龍江西部為冷渦，貝加爾湖東部—黑龍江西部為相對(duì)濕度<30%的干空氣帶，并隨冷渦逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到冷渦底部，同時(shí)冷渦西側(cè)的西北風(fēng)中存在較強(qiáng)的冷平流[圖12(c)]，內(nèi)蒙古東北部到黑龍江西部為高位渦區(qū)[圖12(d)] ，與干空氣對(duì)應(yīng)。

綜上所述，降水期間冷渦底部對(duì)流層高層存在一支源于高緯地區(qū)的高動(dòng)量干冷空氣，與水汽圖像上的干侵入特征相對(duì)應(yīng)。干侵入氣流不僅使大氣變得更加對(duì)流不穩(wěn)定，而且為MCS和MCC的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件。

4.5 MCS和MCC環(huán)境結(jié)構(gòu)特征

2019年7月16日14:00 MCS發(fā)展到中后期，環(huán)境場(chǎng)整層為氣旋渦度，特別是高層渦度較大，與其距冷渦中心較近有關(guān)；低層輻合、高層輻散，高層輻散層較淺，輻散強(qiáng)度大于輻合；整層為上升運(yùn)動(dòng)，最大上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在中高層；中低層風(fēng)速較小，垂直風(fēng)切變也較小[圖13(a)]。16日20:00 MCC發(fā)展階段，環(huán)境場(chǎng)表現(xiàn)為低層較強(qiáng)的氣旋式輻合及高層較弱的氣旋式輻散垂直結(jié)構(gòu)，低層輻合和高層輻散的強(qiáng)度相當(dāng)，整層為上升運(yùn)動(dòng)，最大上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在低層。中低層環(huán)境風(fēng)較大，垂直風(fēng)切變較大[圖13(b)]。17日02:00 MCC減弱消散階段，僅在850 hPa以下有較強(qiáng)的氣旋式輻合，700 hPa以上轉(zhuǎn)為反氣旋式輻散，200 hPa達(dá)最大，高層輻散強(qiáng)度大于低層輻合強(qiáng)度，且輻散層深厚，中高層上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到最強(qiáng)；中低層風(fēng)速減小，依然有較大的垂直風(fēng)切變[圖13(c)]。

圖13 2019年7月16日14:00 MCS區(qū)(47°N—49°N、125.5°E—127.5°E)(a)，16日20:00 MCC區(qū)(44°N—47°N、125°E—128°E)(b)和17日02:00 MCC區(qū)(45°N—48°N、129°E—132°E)(c)平均渦度、散度、垂直速度和平均風(fēng)(單位：m·s-1)垂直分布Fig.13 The vertical distribution of average vorticity, divergence, vertical velocity and average wind (Unit: m·s-1) over the area of MCS at 14:00 BST 16 (the regions of 47°N-49°N, 125.5°E-127.5°E) (a), over the area of MCC at 20:00 BST 16 (the regions of 44°N-47°N, 125°E-128°E) (b) and over the area of MCC at 02:00 BST 17 (the regions of 45°N-48°N, 129°E-132°E ) (c) July 2019

綜上所述，MCC發(fā)展的環(huán)境場(chǎng)較MCS而言，中低層氣旋渦度更大，高層輻散更強(qiáng)，即高層具有更強(qiáng)的抽吸作用，導(dǎo)致更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。環(huán)境風(fēng)場(chǎng)上，MCC發(fā)展過(guò)程中整層風(fēng)速均增大，特別是中低層環(huán)境風(fēng)增大更顯著，具有更大的水平風(fēng)垂直切變，中尺度對(duì)流云團(tuán)更具組織性。

5 結(jié)論與討論

(1)黑龍江省2019年7月16日暴雨區(qū)位于東北冷渦南側(cè)，暴雨的出現(xiàn)伴隨著低空急流的加強(qiáng)和中尺度高空急流的出現(xiàn)，高低空急流耦合加強(qiáng)了上升運(yùn)動(dòng)，有利于強(qiáng)降水的維持和發(fā)展。降水分布不均勻，分別受MCC和MCS活動(dòng)影響出現(xiàn)東、西2個(gè)暴雨區(qū)。MCS和MCC云團(tuán)均是在內(nèi)蒙古新生移入黑龍江省后，由于對(duì)流不穩(wěn)定性增強(qiáng)及鋒生作用而發(fā)展增強(qiáng)，并沿輻合線自西向東移動(dòng)。

(2)由MCC引發(fā)的暴雨過(guò)程中，大氣低層具有強(qiáng)對(duì)流不穩(wěn)定，中層具有濕對(duì)稱不穩(wěn)定，有自西北向東南傾斜的鋒區(qū)，鋒區(qū)有強(qiáng)烈鋒生。地面輻合線及鋒面鋒生的抬升作用，促使不穩(wěn)定能量釋放。不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)大氣中低層水平風(fēng)具有大的垂直切變，有利于對(duì)流長(zhǎng)時(shí)間維持發(fā)展。

(3)MCC在雷達(dá)反射率因子圖上表現(xiàn)為大范圍混合云降水回波，降水中心先后受3個(gè)強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)影響，出現(xiàn)持續(xù)2 h短時(shí)強(qiáng)降水。其中一個(gè)具有鉤狀回波結(jié)構(gòu)，中低層有深厚的氣旋式輻合及中氣旋的超級(jí)單體，鉤狀回波內(nèi)高反射率因子隨高度向入流一側(cè)傾斜，即低層為弱回波，中高層回波懸垂的垂直結(jié)構(gòu)，并可辨識(shí)有界弱回波區(qū)。

(4)降水期間在冷渦底部對(duì)流層高層存在一支源于高緯地區(qū)的高動(dòng)量干冷空氣，即干侵入氣流。干侵入氣流不僅使大氣變得更加對(duì)流不穩(wěn)定，而且為MCS和MCC的發(fā)生發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件。

(5)MCC發(fā)展的環(huán)境場(chǎng)較MCS而言，中低層氣旋渦度更大，高層輻散更強(qiáng)，即高層具有更強(qiáng)的抽吸作用，導(dǎo)致更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。環(huán)境風(fēng)場(chǎng)上，MCC發(fā)展過(guò)程中整層風(fēng)速均增大，特別是中低層環(huán)境風(fēng)增大更顯著，具有更大的水平風(fēng)垂直切變，中尺度對(duì)流云團(tuán)更具組織性。