通遼市一次大范圍大暴雨天氣過(guò)程成因分析

郭魯彥

(通遼市氣象局，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

通遼市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，西接蒙古高原，東與東北平原毗鄰，地勢(shì)由西南向東北緩慢傾斜。盛夏季節(jié)冷暖空氣交匯頻繁,每年都有暴雨天氣產(chǎn)生，降水具有突發(fā)性、局地性等特點(diǎn)。對(duì)通遼市30年(1984年-2014年)暴雨過(guò)程統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)區(qū)域性暴雨或大暴雨(例如1994年7月12日-13日、1984年8月10日等)都直接或間接與臺(tái)風(fēng)有關(guān)。北京大學(xué)地球物理系氣象專(zhuān)業(yè)[1]在我國(guó)北方大范圍暴雨的研究中，明確提出“立足低緯,強(qiáng)調(diào)中低緯環(huán)流相互作用”的觀點(diǎn)，受到我國(guó)天氣工作者的重視，內(nèi)蒙古預(yù)報(bào)員在長(zhǎng)期的工作實(shí)踐中也積累了低緯度環(huán)流系統(tǒng)活動(dòng)與內(nèi)蒙古暴雨相聯(lián)系的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。陶詩(shī)言等[2]也指出，我國(guó)的暴雨尤其是極端強(qiáng)降水事件主要是由臺(tái)風(fēng)、鋒面和從青藏高原及其周邊地區(qū)東移過(guò)來(lái)的氣旋性渦旋引起的；有時(shí)也可以由登陸臺(tái)風(fēng)與中高緯的西風(fēng)帶系統(tǒng)和副熱帶高壓的相互作用所導(dǎo)致，或由臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離作用所加強(qiáng)[3]。牛若云等[4]認(rèn)為在強(qiáng)降水帶上空反復(fù)出現(xiàn)強(qiáng)烈的低層水汽輻合抬升、高層輻散抽吸及垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，致使強(qiáng)降水得以維持。楊慶華等[5]對(duì)河西西部一次暴雨的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行分析得出強(qiáng)降水中心發(fā)生在對(duì)流不穩(wěn)定、斜壓不穩(wěn)定相結(jié)合的區(qū)域和CAPE強(qiáng)中心的下游。馬素艷[6]等對(duì)2013年7月14日內(nèi)蒙古河套地區(qū)的一次極端暴雨過(guò)程進(jìn)行診斷分析,指出高低空急流耦合及地形抬升作用使得垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈發(fā)展。

2017年8月2日-3日，受臺(tái)風(fēng)海棠后期減弱低壓北上和高空西風(fēng)槽共同影響，通遼市中部和南部大部分地區(qū)出現(xiàn)大暴雨，局部特大暴雨的歷史極端天氣，此次過(guò)程導(dǎo)致農(nóng)作物受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)幾億元。對(duì)于這次降水幾家主要模式都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，但導(dǎo)致如此強(qiáng)降水的機(jī)理是什么并不清楚。為此，本文利用常規(guī)資料衛(wèi)星云圖、雷達(dá)圖以及NCEP 2.5°×2.5°再分析資料對(duì)大暴雨成因進(jìn)行分析，探討此次極端強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，加深對(duì)該類(lèi)天氣的認(rèn)識(shí)。

1 降雨概括

2017年8月2日16時(shí)-3日20時(shí)(北京時(shí)間,下同)降水量圖(見(jiàn)圖1a)顯示通遼市中部和南部大部分地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨天氣，尤其西南部多站出現(xiàn)了特大暴雨。國(guó)家氣象站青龍山、通遼站日降水量分別為349.7mm、179.0mm，均突破了青龍山站181.8mm和通遼站174.4mm歷史單日極值記錄。青龍山站創(chuàng)造了內(nèi)蒙古國(guó)家級(jí)氣象站日雨量記錄，也是內(nèi)蒙古國(guó)家級(jí)氣象站首個(gè)實(shí)測(cè)特大暴雨。降水過(guò)程中伴有強(qiáng)對(duì)流天氣，以短時(shí)強(qiáng)降水為主，局地伴有雷電、大風(fēng)。降水主要集中在3日凌晨和白天，選取青龍山站(見(jiàn)圖1b)進(jìn)一步說(shuō)明降水強(qiáng)度，可以看出青龍山站強(qiáng)降水主要處在3日03時(shí)-08時(shí)和3日12時(shí)-15時(shí)，03時(shí)-08時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)最小為27.1mm，最大為57.9mm，12時(shí)-15時(shí)最大雨強(qiáng)為24.4mm。可見(jiàn)本次降雨過(guò)程具有強(qiáng)度強(qiáng)、分布范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2 大尺度環(huán)流背景演變特征

分析500hPa環(huán)流形勢(shì)(見(jiàn)圖2)可以看到：2日20時(shí)，副熱帶高壓呈塊狀位于東部海上，西伸脊點(diǎn)位于123°E附近，588dagpm線最北段位于38°N附近。熱帶低壓(臺(tái)風(fēng)海棠減弱為熱帶低壓)北上與西風(fēng)帶弱冷空氣合并形成高空槽,副熱帶高壓與東北地區(qū)上空高壓脊合并，與上游高空槽形成西低東阻的形勢(shì)。在槽后冷平流的作用下，致使高空槽強(qiáng)度有所加強(qiáng)，進(jìn)而高空槽與副熱帶高壓之間梯度加大，槽前偏南風(fēng)氣流加強(qiáng)，急流進(jìn)一步加強(qiáng)。偏南風(fēng)急流從浙江省一直延伸至通遼市，寬度較寬，大約5～7個(gè)經(jīng)距，且大都位于東部海上，急流最大風(fēng)速超過(guò)20mm·s-1。3日08時(shí)，高空槽緩慢東移，通遼市處在高空槽槽前上升運(yùn)動(dòng)中。3日20時(shí)，通遼市大部地區(qū)轉(zhuǎn)為槽后影響。

850hPa存在南-西南風(fēng)急流，700hPa、925hPa急流位置與850hPa重疊，低空偏南風(fēng)急流伸至通遼市南部，最大風(fēng)速達(dá)18mm·s-1～22mm·s-1。2日20時(shí)對(duì)流層低層通遼市位于偏南風(fēng)急流前部，通遼市南部存在風(fēng)速輻合。隨著地面氣旋北上，通遼市處在倒槽中，上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，產(chǎn)生降水。3日08時(shí)高空系統(tǒng)東移加強(qiáng)，850hPa系統(tǒng)也加強(qiáng)形成低渦，之后低渦逐漸東北上。地面倒槽北抬，配合有邊界層輻合線。200hPa高空急流位于錫林郭勒盟北部—興安盟南部—吉林和黑龍江一帶，通遼市位于200hPa入口區(qū)右側(cè)。強(qiáng)降水位于低空急流出口區(qū)左側(cè)，高空急流入口區(qū)右側(cè)。

圖1 (a) 2017年8月2日16時(shí)-3日20時(shí)累計(jì)降水量(單位：mm)

圖2 2017年8月2日20時(shí)500hPa高度場(chǎng)和850hPa風(fēng)場(chǎng)疊加

可見(jiàn)，500hPa大尺度環(huán)流形勢(shì)較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)“西低東阻”的形勢(shì)，降水系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。副熱帶高壓位置偏北偏東，有利于副高西側(cè)強(qiáng)盛的低空急流把低緯度暖濕氣流輸送至通遼市。冷空氣與熱帶系統(tǒng)和海上偏南風(fēng)急流帶來(lái)的充沛的暖濕空氣相遇，造成強(qiáng)降水天氣的產(chǎn)生。

3 成因分析

3.1 持續(xù)不斷的水汽供應(yīng)

對(duì)于連續(xù)性暴雨來(lái)說(shuō)，需要有天氣尺度系統(tǒng)將水汽源源不斷地輸送到暴雨區(qū)，以補(bǔ)充暴雨發(fā)生所造成的氣柱內(nèi)水汽損耗。

通過(guò)計(jì)算大氣整層水汽通量(見(jiàn)圖3a)可以看出,3日02時(shí)水汽輸送主要為副熱帶高壓西側(cè)偏南水汽輸送，此時(shí)臺(tái)風(fēng)“海棠”與北方冷空氣結(jié)合減弱為高空槽，槽前水汽及東南沿海水汽沿副熱帶高壓西側(cè)的偏南風(fēng)急流向北輸送。 從水汽通量圖上可以看出，東南沿海至遼寧、通遼一帶為水汽通量大值中心，中心最大值達(dá)15 000g·(cm·s·hPa)-1，通遼市南部位于水汽通量大值區(qū)中，對(duì)應(yīng)地面降水實(shí)況3日02時(shí)-08時(shí)，奈曼旗、庫(kù)倫旗大部地區(qū)出現(xiàn)大暴雨，奈曼旗青龍山站7小時(shí)雨量達(dá)249.8mm?？梢?jiàn)偏南水汽通道為大暴雨區(qū)提供了豐沛的水汽供應(yīng)。3日08時(shí)，水汽通道仍然維持，水汽通量大值區(qū)東移，通遼市東部水汽通量最大值達(dá)15 000g·(cm·s·hPa)-1，強(qiáng)降水落區(qū)也東移。3日20時(shí)(見(jiàn)圖3b)，水汽通量大值中心東北移，強(qiáng)度減弱，降水也隨之減小。

圖3 (a) 2017年8月3日02時(shí)大氣整層水汽通量(單位：g·(cm·s·hPa)-1)

(a) 2017年8月3日02時(shí) (b) 2017年8月3日14時(shí) 圖4 沿121.5°E垂直速度(單位:Pa·s-1)的垂直剖面和水平風(fēng)場(chǎng) (單位:m·s-1)(實(shí)心圓處為大暴雨區(qū))

3.2 高低空急流耦合與垂直運(yùn)動(dòng)

分析水平風(fēng)場(chǎng)(沿121.5°E)的垂直剖面：3日02時(shí)(見(jiàn)圖4a)，43°N以南偏南風(fēng)急流較強(qiáng)，一直伸展至500hPa，不斷向北輸送暖濕空氣，同時(shí)加強(qiáng)了層結(jié)的不穩(wěn)定度，大暴雨區(qū)(黑色圓點(diǎn)處)位于低空急流的前側(cè)，200hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)，低層輻合高層輻散上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，形成一個(gè)深厚的上升氣流區(qū)，最大上升速度達(dá)-3.0Pa·s-1，位于400hPa附近，引發(fā)了西南部強(qiáng)降水;隨著高空槽和地面倒槽自西南向東北方向移動(dòng)，3日14時(shí)(見(jiàn)圖4b)，低空急流北推至45°N附近，200hPa急流仍然維持，在大暴雨區(qū)上空上升運(yùn)動(dòng)很強(qiáng)，最大垂直速度達(dá)-4.6Pa·s-1，位于600hPa附近。由此可見(jiàn)，高低空急流耦合為大暴雨產(chǎn)生提供了非常有利動(dòng)力條件。

3.3 探空站資料分析

分析2日20時(shí)通遼(見(jiàn)圖5a)探空站，條件不穩(wěn)定特征明顯，對(duì)流有效位能很強(qiáng)，計(jì)算的CAPE值為2 044.6J·kg-1，對(duì)流層低層水汽條件較好，700hPa～600hPa附近有干空氣卷入；邊界層內(nèi)具有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變；0～700hPa風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，這些都為短時(shí)強(qiáng)降水的形成提供了水汽條件和熱力、動(dòng)力不穩(wěn)定條件。從降水實(shí)況可以看出，2日夜間開(kāi)始通遼市西南部出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，多站小時(shí)雨強(qiáng)都超過(guò)了30mm·h-1，最大達(dá)57.9mm·h-1。

隨著降水的產(chǎn)生，能量得以釋放。3日08時(shí)通遼探空站(見(jiàn)圖5b)，對(duì)流有效位能減小為37.6J·kg-1，大氣層結(jié)由強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié)，但濕層厚度增厚，近地面層到925hPa相對(duì)濕度達(dá)100%，大氣達(dá)到飽和狀態(tài)，水汽條件異常充沛，導(dǎo)致3日白天的強(qiáng)降水的發(fā)生。根據(jù)云的微物理理論，降水系統(tǒng)中的暖云層越厚，越有利于高效率降水的產(chǎn)生。暖云層厚度由抬升凝結(jié)高度到零度層高度之間的厚度來(lái)估計(jì)[7]。3日白天降水發(fā)生期間，抬升凝結(jié)高度不足600m，暖云層厚度達(dá)4 300m，由于高效率的降水，3日白天通遼市中部和東部多站(包括區(qū)域自動(dòng)站)小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)20mm·h-1以上，最強(qiáng)49.2mm·h-1，多數(shù)站點(diǎn)累計(jì)降水量超過(guò)100mm。

4 中尺度系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制

由于對(duì)中尺度系統(tǒng)估計(jì)不足,在預(yù)報(bào)過(guò)程中不論是客觀預(yù)報(bào)還是主觀預(yù)報(bào)都漏報(bào)了3日02時(shí)-08時(shí)西南部強(qiáng)降水。3日02時(shí)對(duì)流層低層假相當(dāng)位溫高能舌伸至通遼市西南部，西南部處在高溫高濕的不穩(wěn)定區(qū)域中，通過(guò)對(duì)地面風(fēng)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，3日02時(shí)華北氣旋北伸,通遼市西南部處在氣旋東北側(cè),存在偏東風(fēng)與偏南風(fēng)輻合線，該輻合線一直維持至3日08時(shí),對(duì)應(yīng)通遼市西南部地形增幅作用，不斷有中尺度對(duì)流系統(tǒng)生成。可見(jiàn)，在地面輻合線的觸發(fā)下不斷有中尺度對(duì)流系統(tǒng)生成，造成通遼南部尤其西南部強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

5 衛(wèi)星云圖特征分析

FY2E紅外云圖顯示此次強(qiáng)降雨過(guò)程主要是不同尺度的對(duì)流云團(tuán)和暖鋒云系造成的。22時(shí)云團(tuán)A(見(jiàn)圖6a)開(kāi)始進(jìn)入通遼市西部，沿中層西南氣流東北移過(guò)程中不斷發(fā)展加強(qiáng)，TBB最小值為-58℃，23時(shí)云團(tuán)A發(fā)展成圓形，維持到3日00時(shí)，之后變成形狀不規(guī)則的云系向東北方向移動(dòng)。云團(tuán)A給奈曼旗北部、開(kāi)魯縣南部、科爾沁區(qū)西部帶來(lái)了強(qiáng)降雨。

02時(shí)00分云團(tuán)A強(qiáng)度明顯減弱，同時(shí)在河北省北部和遼寧省西部存在不同尺度的對(duì)流云團(tuán)，云團(tuán)B(見(jiàn)圖6b)北上影響奈曼旗南部，不斷發(fā)展加強(qiáng)，TBB最小值為-59℃，影響奈曼旗南部、庫(kù)倫旗、科左后旗西部，03時(shí)開(kāi)始云團(tuán)C和云團(tuán)D又相繼影響上述地區(qū)，一直持續(xù)至08時(shí)。上述對(duì)流云團(tuán)造成了奈曼旗南部、庫(kù)倫旗大部100mm以上的降水，其中奈曼旗青龍山站從01時(shí)-08時(shí)降水量達(dá)249.8mm，連續(xù)6h達(dá)到短時(shí)強(qiáng)降水的標(biāo)準(zhǔn)，最大小時(shí)雨強(qiáng)為57.9mm·h-1。08時(shí)開(kāi)始暖鋒云系從奈曼旗南部沿西南-東北向逐漸東北移，又相繼影響通遼市西南部，一直持續(xù)至3日17時(shí)，最終導(dǎo)致西南部多站出現(xiàn)200mm以上的大暴雨，局地特大暴雨的降水。同時(shí)暖鋒云系造成通遼市東部大暴雨天氣，20時(shí)通遼市降水基本結(jié)束。由此可見(jiàn)，云團(tuán)形成的列車(chē)效應(yīng)導(dǎo)致西南部特大暴雨的產(chǎn)生。

(a) 2017年8月2日20時(shí) (b) 2017年8月3日08時(shí)

6 雷達(dá)圖特征分析

分析3日白天通遼多普勒雷達(dá)(CB)反射率因子圖，沿通遼市東部強(qiáng)降水區(qū)域做反射率因子垂直剖面可以看出(見(jiàn)圖7)，雷達(dá)回波強(qiáng)反射率因子中心值在45dBZ左右，35dBZ回波高度基本在4km以下，回波頂高度不足8km，質(zhì)心較低，與大陸型的高反射率高回波頂?shù)膹?qiáng)對(duì)流系統(tǒng)完全不同，而類(lèi)似于熱帶海洋對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)反射率因子分布特征。其形成可能與這次降水的水汽一部分來(lái)自熱帶系統(tǒng)有關(guān)。

圖7 2017年8月3日13時(shí)50分強(qiáng)降水區(qū)通遼雷達(dá)反射率因子垂直剖面

7 結(jié)論

①這次大暴雨發(fā)生在副熱帶高壓穩(wěn)定少動(dòng)且位置比較偏北偏東環(huán)流背景下，副熱帶高壓西側(cè)偏南風(fēng)急流激發(fā)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)以及冷空氣與熱帶系統(tǒng)共同作用下產(chǎn)生的。異常強(qiáng)盛的低空偏南風(fēng)急流為大暴雨區(qū)提供了源源不斷的水汽供應(yīng)，異常充沛的水汽條件是大暴雨產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。②高低空急流耦合使得上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。③通遼站探空資料分析表明：2日夜間至3日清晨大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生；而3日白天大氣層結(jié)為穩(wěn)定性層結(jié)，水汽條件充沛，抬升凝結(jié)高度不足600m，暖云層厚度達(dá)4 300m，因此更利于高效率降水的產(chǎn)生。④地面輻合線是中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制。⑤衛(wèi)星云圖上，不斷有降水云團(tuán)經(jīng)過(guò)通遼市西南部，產(chǎn)生 “列車(chē)效應(yīng)”，造成該地區(qū)的強(qiáng)降水。