內(nèi)蒙古東北地區(qū)一次暴雨天氣過程的多尺度特征

王慧清

(呼倫貝爾市氣象局 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

引言

暴雨是我國北方夏季主要的災害性天氣之一。由于特殊的地理位置，我國北方北邊極地冷空氣頻繁入侵，南邊受副熱帶高壓、熱帶環(huán)流等的影響，使得其暴雨具有季節(jié)性強、歷時短、強度大等特點，同時受地理環(huán)境的影響，其突發(fā)性和局地性特征較明顯。其產(chǎn)生往往還伴有強對流天氣的發(fā)生，經(jīng)常會造成中小河流洪水、山洪等災害，對人民生成生活造成巨大影響。[1-3]

一直以來，針對我國北方夏季暴雨的研究從未間斷，而且大多研究主要局限于天氣尺度的分析，揭示了暴雨發(fā)生時的環(huán)流形勢、主要的影響系統(tǒng)、水汽來源、中低緯系統(tǒng)相互作用等特征，同時也指出北方強降水的加強與冷空氣侵入有關(guān)，且出現(xiàn)在假相當位溫線的密集地帶，落區(qū)處具有很強的不穩(wěn)定性。[4-6]

近年來，隨著資料的豐富和分析方法的發(fā)展，北方暴雨研究工作的重點已從天氣尺度轉(zhuǎn)向中尺度。研究結(jié)果均表明：中尺度對流系統(tǒng)與北方重大極端暴雨事件相伴出現(xiàn)。并且由于中尺度系統(tǒng)尺度小、強度大、危害強、預報難度高等原因，越來越引起業(yè)務人員與研究人員的重視。[7-11]

高時空分辨率的觀測資料如衛(wèi)星、雷達、自動站等是開展中尺度研究的重要基礎(chǔ)，其中相當亮度溫度(TBB)經(jīng)常用于識別中尺度對流系統(tǒng)。近年來又有研究表明TBB水平梯度變化對于對流發(fā)展有著預警意義。[12-16]然而，暴雨以上量級降水的產(chǎn)生多是由于不同尺度系統(tǒng)間相互作用的結(jié)果。目前關(guān)于多尺度系統(tǒng)特征的研究多限于南方暴雨，[17-24]認為中尺度對流系統(tǒng)是造成暴雨的直接影響系統(tǒng)，并且是在有利于中尺度系統(tǒng)發(fā)展的大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的。而對于北方暴雨的多尺度特征卻研究甚少，無論從廣度還是深度都不不夠，因此有必要從多尺度角度分析暴雨的形成機制。

內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部受季風影響，夏季多雨，其中大興安嶺以東是全區(qū)2個暴雨多發(fā)區(qū)之一，而鄂倫春自治旗更是內(nèi)蒙古自治區(qū)年降水量最多的國家站。2018年6月15日至16日發(fā)生在內(nèi)蒙古東北部的暴雨天氣是在非常有利的大尺度環(huán)流背景下，中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的結(jié)果，其預報難度大，機理尚未完全弄明白，因此需要開展深入的研究。本文利用常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站降雨量實況資料、NCEP再分析資料，F(xiàn)Y-2G衛(wèi)星相當亮度溫度(TBB)資料及多普勒天氣雷達資料，針對此次過程從天氣尺度背景入手，對中尺度降水系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境條件、中尺度降水系統(tǒng)的演變與成因進行分析，以期對實際業(yè)務中暴雨的預報與分析提供參鑒。

本文所使用的資料包括：常規(guī)高空、地面觀測資料；區(qū)域自動站逐小時降雨量實況資料；NCEP/NCAR再分析資料，水平分辨率2.5°×2.5°，垂直方向17層，時間分辨率6小時；NCEP GDAS/FNL再分析資料，水平分辨率0.25°×0.25°，垂直方向31層，時間分辨率6小時；FY-2G衛(wèi)星相當亮度溫度(TBB)資料，水平分辨率0.1°×0.1°，時間分辨率1小時；加格達奇多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)資料。

1 天氣實況概述

受高空槽、低渦及鋒面氣旋共同影響，2018年6月15日至16日內(nèi)蒙古東北部呼倫貝爾市出現(xiàn)一次暴雨天氣過程。以20時(北京時，下同)為日界計，國家站有1站出現(xiàn)暴雨，2站出現(xiàn)大雨，日降水量最大值出現(xiàn)在小二溝，為92.4mm(15日20:00-16日20:00)，區(qū)域站有1站出現(xiàn)大暴雨，39站出現(xiàn)暴雨，55站出現(xiàn)大雨，日降水量最大值出現(xiàn)在鄂倫春自治旗古里鄉(xiāng)，為115.9mm(15日20:00-16日20:00)，最大小時雨強為25.7mm，鄂倫春自治旗古里鄉(xiāng)(16日08:00-09:00)。

(a) (b)

(c) (d)

降水過程前期，由于系統(tǒng)傾斜結(jié)構(gòu)明顯、冷暖空氣尚未相互作用，以穩(wěn)定性降水為主，量級較小；降水過程盛期，冷暖空氣逐漸交匯，系統(tǒng)趨于垂直，對流系統(tǒng)較為活躍，并逐步組織，呈現(xiàn)明顯的中尺度特征。16日00:00之前，小時降強超過10mm/h的站點分布較為零散，空間與時間上均不具有連續(xù)性，對流性質(zhì)明顯較弱。16日00:00開始，呼倫貝爾市中部及東南部地區(qū)開始連續(xù)出現(xiàn)局地雨強超過10mm/h的中尺度雨團。中部地區(qū)的中尺度雨團自西向東移動，而東南部地區(qū)的中尺度雨團在暖鋒的作用下穩(wěn)定少動，持續(xù)在局地發(fā)展。16日04:00前后高低空系統(tǒng)逐漸疊置，此時中尺度雨團迅速發(fā)展，開始出現(xiàn)超過25mm/h的站點，并且空間尺度相應擴大，一直維持至16日10:00，由于低空轉(zhuǎn)為偏西氣流，導致地面氣旋東移，中尺度雨團逐漸減弱、消亡。

圖2 16日00:00-11:00各整點時刻過去1h降水量(單位：mm)

2 環(huán)流形勢分析

14日08:00(圖3a)，東亞地區(qū)高、中、低緯度均處于兩槽一脊的環(huán)流形勢控制之中，波動振幅尤以中高緯度明顯。高緯度地區(qū)，500hPa等壓面上，泰梅爾半島以南極地高壓穩(wěn)定存在，位勢高度場中心值高達568dgpm，并配合有溫度場的暖中心。極地高壓東、西兩側(cè)各有一個切斷低渦存在，西側(cè)的切斷低渦分裂出低槽并攜帶冷空氣東移南下，東側(cè)的切斷低渦后部偏北氣流攜帶冷空氣取超極地路徑南下，為后期冷鋒鋒生以及低渦、氣旋的快速發(fā)展提供基礎(chǔ)。中緯度地區(qū)，青藏高原北部與渤海灣附近各有一低渦活動。兩個低渦之間，自河西走廊至華北平原存在強盛的暖性高壓脊，高壓脊頂后部，對應850hPa等壓面上，位勢高度場處于均壓場控制，但風場上已經(jīng)可以分析出明顯的氣旋性環(huán)流，并配合有強盛的暖空氣活動，溫度場中心值高達24℃，低層的熱低壓在東移北上的過程中不斷維持，后期與南下的冷空氣相互作用，快速發(fā)展為鋒面氣旋，進一步引發(fā)低空低渦快速發(fā)展，兩者共同北上與500hPa旋轉(zhuǎn)東移的高空槽疊置，是此次暴雨天氣產(chǎn)生的主要原因。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，14日08:00，500hPa東亞沿岸存在4個較為明顯的低槽，且4個低槽幾乎完全處于同一經(jīng)度，即4個低槽同位相疊加，在這種環(huán)流形勢下，槽前低層的偏南氣流不間斷地自南海東部經(jīng)東海、黃海進入東北平原，向暴雨區(qū)持續(xù)輸送水汽和熱量，為暴雨的產(chǎn)生提供了有利的水汽條件和不穩(wěn)定條件。

此外在14日08:00，500hPa形勢圖上上還顯示：日本海附近有弱高壓脊存在，對應低空850hPa上存在明顯的反氣旋性環(huán)流，該環(huán)流始終穩(wěn)定維持，后期逐漸加強為閉合高壓：一方面，閉合高壓與東移的低渦相互作用，兩者之間位勢梯度加大，導致低空急流建立，進一步向暴雨區(qū)輸送水汽和熱量，并提供低空輻合，加強上升運動；另一方面，閉合高壓的穩(wěn)定存在，迫使低渦及鋒面氣旋在內(nèi)蒙古東部長時間停留，增加了降水的持續(xù)時間。

15日20:00環(huán)流形勢出現(xiàn)了較為明顯的調(diào)整，主要系統(tǒng)逐漸顯現(xiàn)。500hPa(圖3b)上，高緯度地區(qū)極地高壓繼續(xù)維持，對應兩側(cè)的切斷低渦不斷向東南和西南延伸，兩路冷空氣也隨之南下。850hPa(圖3c)溫度場上有明顯的冷槽向南伸展，并與擴散北上的暖空氣相互作用，導致溫度梯度加大，鋒區(qū)加強，45°N附近鋒區(qū)最為強盛，5個緯距內(nèi)可分析出4根等溫線，而熱低壓向上伸展所引發(fā)的氣旋性環(huán)流，已經(jīng)演變?yōu)榈蜏u，850hPa高度場上已經(jīng)可以分析出等高線，低渦中心與強鋒區(qū)疊置，促使斜壓有效位能得以釋放，低渦前部出現(xiàn)了明顯的暖平流而低渦后部出現(xiàn)了明顯的冷平流，進一步導致低渦快速發(fā)展東移。海平面氣壓場上(圖3d)，熱低壓受冷空氣侵入逐漸演變?yōu)殇h面氣旋，并持續(xù)加強。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，高空500hPa上中緯度地區(qū)東移的暖脊導致低空850hPa上日本海附近的反氣旋環(huán)流加強為閉合高壓，閉合高壓與低渦作用，兩者之間位勢梯度加大，導致低空急流建立，此外高壓南側(cè)的偏東風自洋面而來，并與低空急流的入口區(qū)相連，進一步加強了低空急流的水汽輸送。

(a)

(b)

(c)

(d)

16日08:00環(huán)流形勢進一步調(diào)整，500hPa(圖4a)極地高壓東側(cè)的切斷低渦已南下至東北地區(qū)北部境外，其底部低槽旋轉(zhuǎn)東移。850hPa(圖4b)低渦由于獲得鋒區(qū)有效位能得以快速發(fā)展，12h內(nèi)位勢高度場加深8dgpm，中心高度低至136dgpm，并且已經(jīng)可以分析出2根閉合等高線，氣旋性環(huán)流也隨之加強。海平面氣壓場(圖4c)上，鋒面氣旋進一步加強東移，冷、暖鋒均較為清楚。高空低槽、低空低渦、鋒面氣旋三者在內(nèi)蒙古東北部與黑龍江交界處疊置，引發(fā)強烈的上升運動，導致雨強增大。

這一時次，伴隨低渦東移北上，低空850hPa上的日本海高壓得以東進，且高壓南側(cè)出現(xiàn)熱帶氣旋活動，日本海高壓與熱帶氣旋之間的偏東風從東海提供水汽，而高原槽東移過程中前部低空偏南風又從南海提供水汽，兩支水汽通道最終匯入低空急流，得以將水汽輸送至暴雨區(qū)。

3 環(huán)境條件特征

3.1水汽條件

水汽條件方面，16日08:00，925hPa比濕(圖5a)多在8～10g·kg-1，個別地區(qū)比濕達12g·kg-1，局地水汽含量并非特別充足，整層大氣可降水量(圖5b)也僅在20mm，個別地區(qū)超過30mm，因而并沒有出現(xiàn)較大的小時雨強。但從水汽通量的整層積分(圖5c)可見，對應孟加拉灣低槽、高原槽以及冷渦底部低槽槽前的位置，偏南氣流完全建立并且相連，水汽通道完全貫通，水汽自阿拉伯海，經(jīng)印度半島、我國西南、華中、華北、東北進入暴雨區(qū)，途中孟加拉灣附近的偏南氣流以及日本海高壓西側(cè)的東南氣流對水汽輸送進一步補充。而從水汽通量散度的整層積分(圖5d)可見，暴雨區(qū)處于明顯的水汽匯之中，整層水汽通量高達-0.45g·s-1·cm-2，這種量級的的水汽輻合在高緯度地區(qū)極為罕見，甚至在全球范圍內(nèi)，同一時次也僅有西太平洋臺風“格美(201806)”附近出現(xiàn)了如此強烈的水汽輻合。

綜上而言，此次暴雨天氣過程的水汽局地含量并不高，但持續(xù)的水汽輸送與強烈的水汽輻合，為暴雨的產(chǎn)生提供了非常有利的水汽條件。

3.2 動力條件

對16日08:00暴雨區(qū)上空流場(圖6a)、散度場(圖6b)、垂直速度場(圖6c)以及渦度場(圖6d)的垂直剖面(起點124°E，49°N；終點126°E，51°N)可見，引發(fā)這次暴雨天氣過程的直接系統(tǒng)呈現(xiàn)出明顯的中尺度特征：水平尺度約100km的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的垂直環(huán)流，垂直速度的量級為1Pa·s-1，而渦度與散度的量級均為10-4s-1，均符合典型的中尺度特征值。

流場垂直剖面反映出近地面風向出現(xiàn)了對吹的現(xiàn)象，表明邊界層中出現(xiàn)了明顯的風場輻合，邊界層以上，整層氣流都呈現(xiàn)出明顯的斜升，說明上升運動的層次相當深厚，這一點從垂直速度場剖面上可以更為直觀的反映，1000hPa向上至200hPa均為負值區(qū)，最小值超過-5Pa·s-1。垂直速度場剖面上2個低值中心，恰好對應散度場2個無輻散層，反觀渦度場，并沒有呈現(xiàn)明顯的特征，但在垂直速度場最低值所在的位置，即上升運動最強的區(qū)域，渦度場呈現(xiàn)出上凸的形態(tài)，說明此處有渦度的垂直輸送。綜上可見,此次暴雨天氣過程的動力條件呈現(xiàn)出明顯的中尺度特征；上升運動的產(chǎn)生主要由風場的輻合輻散所導致，此外鋒區(qū)次級環(huán)流的強迫也對上升運動起到了增幅作用。

3.3不穩(wěn)定條件

從15日20:00，海拉爾(50527)、嫩江(50557)、齊齊哈爾(50745)3站溫度對數(shù)壓力圖及垂直位溫分析圖(圖7)可見：海拉爾與齊齊哈爾2站上空整層處于飽和區(qū)控制，而嫩江站上空中層存在十分明顯的干區(qū)，中低層干濕疊置導致大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定；θse垂直廓線顯示嫩江站與齊齊哈爾2站上空650hPa以下為對流性不穩(wěn)定，尤以嫩江站更為明顯，θse自地面至650hPa驟減15℃，500hPa以上則為中性，而海拉爾站上空整層基本處于中性層結(jié)控制之中，因此對流與強降水的盛期出現(xiàn)在嫩江站附近；從抬升凝結(jié)高度(LCL)距地面的距離來看，海拉爾站最低，為219.4m，齊齊哈爾站與嫩江站則分別為1142.3m和889.8m，換而言之，在同樣的抬升條件下，海拉爾站附近降水云系更易發(fā)展；從垂直風廓線的配置可見，海拉爾與嫩江2站的垂直風切變更強，因此對流在中部產(chǎn)生后沿海拉爾與嫩江一線向東偏北方向移動，在進入嫩江站附近的強對流性不穩(wěn)定的區(qū)域后得以快速發(fā)展，最終導致暴雨產(chǎn)生。綜上而言：由于海拉爾站附近LCL距地面更低，因此對流得以在中部產(chǎn)生，而海拉爾、嫩江2站垂直風切變相對更強，更有利于對流系統(tǒng)的組織，因此對流在中部產(chǎn)生后向東偏北方向移動，進入嫩江站附近，在強對流性不穩(wěn)定層結(jié)與強垂直風切變的共同作用下，對流得以快速組織發(fā)展，最終引發(fā)暴雨。

4 中尺度對流云團演變特征

從降水前期和降水盛期的FY-2G衛(wèi)星的相當亮度溫度(TBB)可見(圖8)，降水前期已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的降水云系，但是分布較為零散，無明顯的組織結(jié)構(gòu)，并且進入15日夜間開始逐漸東移減弱。盡管前期的降水云系對暴雨的產(chǎn)生沒有直接貢獻，但降水云系的出現(xiàn)卻對環(huán)境場起到了一定的作用，導致不穩(wěn)定重建，因此前期的降水云系東移后，15日21:00，在其后部出現(xiàn)了明顯的局地對流單體，尺度不足100km，但TBB均低至-52℃，4個局地對流單體在有利的環(huán)境條件下開始逐漸合并，16日00:00，逐漸發(fā)展出明顯的帶狀結(jié)構(gòu)，并且?guī)钤葡档暮蟛砍霈F(xiàn)明顯的西北氣流侵入，導致云系整體逐漸呈現(xiàn)出渦旋結(jié)構(gòu)，至16日04:00，云系的渦旋結(jié)構(gòu)已經(jīng)十分明顯，并且亮溫梯度加大，同時中心附近出現(xiàn)亮溫高值區(qū)，說明此處同時存在下沉運動，表明中尺度環(huán)流的存在，至16日07:00，云系的下沉運動區(qū)更加明顯，進一步表明云系與對流更加組織化。此時的云系形態(tài)特征類似于MCC，盡管強度、持續(xù)時間、偏心率均不達標，但此時的確出現(xiàn)了最大的雨強。

圖8 15日16:00-16日11:00時FY-2G相當亮度溫度(TBB)演變圖(單位：℃)

5 雷達回波演變特征

從15日夜間至16日上午的加格達奇雷達1.5°仰角基本反射率因子的演變(圖9)可見，前期的回波仍然以層狀云回波為主，雨強較小，16日01:00后，隨著高低空系統(tǒng)相互作用的加強，反射率因子上開始逐漸出現(xiàn)積狀云回波，層、積混合云降水回波在暴雨區(qū)上空維持超過8h。從各個時次反射率因子剖面可見，一方面，回波頂高與回波質(zhì)心高度均較低，頂高基本在8km以下，質(zhì)心高度基本在2km上下，而此時0℃層高度與融化層高度均在3km左右，表明云系以暖云為主，因此得以維持較高的降水效率；另一方面，在長達8h的時間內(nèi)，沿暴雨區(qū)不斷有高降水效率的強回波反復經(jīng)過，形成明顯的列車效應，最終導致暴雨的產(chǎn)生。

圖9 15日-16日加格達奇雷達1.5°仰角不同時次的基本反射率因子及沿雨帶剖面(單位：dBZ)

6 結(jié)論

6.1 此次暴雨天氣過程發(fā)生在高緯度冷空氣活動頻繁、低緯度副高與南壓高壓均較弱的行星尺度背景下；前期東亞沿岸中低層多個低槽疊加導致經(jīng)向環(huán)流加強，促使水汽與熱量由南至北向暴雨區(qū)輸送，為后期暴雨的產(chǎn)生提供了物料基礎(chǔ)。

6.2 引發(fā)此次暴雨的直接的天氣尺度系統(tǒng)為高空槽、低渦以及鋒面氣旋，高空槽由冷渦底部自西向東劃過，鋒面氣旋由熱低壓在北上過程中變性發(fā)展而來，三者在內(nèi)蒙古東部地區(qū)疊置，共同引發(fā)暴雨；低空急流建立與加強為暴雨的產(chǎn)生提供了水汽輸送條件，同時也導致不穩(wěn)定的重建，并為對流的產(chǎn)生提供動力條件；日本海高壓的穩(wěn)定存在迫使系統(tǒng)在暴雨區(qū)上空長時間停留，增加了降水的持續(xù)時間。

6.3 此次暴雨天氣過程中，局地的水汽含量并不高，但是卻有非常優(yōu)異的水汽輸送條件與水汽輻合條件，水汽通道可一直向南追溯至阿拉伯海，此外孟加拉灣低槽槽前的偏南氣流以及日本海高壓西南的東南氣流均對水汽有所補充，另外，在暴雨區(qū)上空出現(xiàn)了極為強烈的水汽輻合，這是暴雨產(chǎn)生的最直接的原因。

6.4 中低層系統(tǒng)疊置引發(fā)中尺度量級的輻合輻散，進一步導致上升運動出現(xiàn)，鋒區(qū)次級環(huán)流又進一步加劇了上升運動。

6.5 TBB分析顯示此次暴雨天氣過程是由4個局地對流單體東移合并、組織加強所引發(fā)。引發(fā)此次暴雨天氣過程的對流系統(tǒng)先由LCL較低的中部地區(qū)產(chǎn)生，進而沿垂直風切變較強的方向向東偏北方向移動，在進入強對流性不穩(wěn)定區(qū)域后快速發(fā)展加強，導致雨強迅速增大。

6.6 基本反射率因子反映此次暴雨過程的回波為層積混合云回波，回波質(zhì)心較低，降水效率較高，并在有利的環(huán)境條件下形成列車效應，最終導致暴雨產(chǎn)生。