8月內(nèi)蒙古東部兩次高空低渦型降雨對(duì)比分析

王 穎，趙春亮

（1.呼倫貝爾市氣象臺(tái)，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000;2.新巴爾虎左旗氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021200）

1 引言

內(nèi)蒙古東部的呼倫貝爾草原和大興安嶺林區(qū)屬于中國北方重要的生態(tài)屏障，具有干旱、半干旱的氣候， 近年來氣候的干暖加劇了內(nèi)蒙古東部地區(qū)的干旱化程度[1-2]，可見降水對(duì)于生態(tài)環(huán)境、水資源和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的影響不容忽視。 內(nèi)蒙古大興安嶺東麓平均年降雨量內(nèi)蒙古自治區(qū)最多[3]，為400-500 mm，本文研究的2020年8月中上旬連續(xù)2 次高空低渦影響下的顯著降雨過程極少見， 降雨范圍覆蓋全市并有效的緩解了大部地區(qū)的旱情。 統(tǒng)計(jì)表明，該時(shí)段全市平均降水量較常年（1991-2020年）平均異常偏多，降水距平百分率達(dá)到87.9 %， 呼倫貝爾市西部累計(jì)降水量達(dá)到常年的2-3 倍，對(duì)牧草生長發(fā)育十分有利，但強(qiáng)降雨和大風(fēng)造成局部地區(qū)房屋倒塌、 農(nóng)作物受災(zāi)、供電設(shè)施損毀嚴(yán)重。

夏季暴雨和強(qiáng)對(duì)流天氣的研究一直是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[4-5]。 近年來，對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例已有諸多研究， 并逐漸擴(kuò)展到兩次過程的對(duì)比分析。 武威等[6]從環(huán)境條件和中尺度特征等方面對(duì)比討論了東北冷渦背景下冷平流強(qiáng)迫出現(xiàn)的混合對(duì)流和橫槽南下及暖濕氣流引起的濕對(duì)流。 高曉梅等[7]指出上干下濕的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)結(jié)構(gòu)和濕度層厚是兩次過程出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)鍵因素。 田付友[8]認(rèn)為普通的短時(shí)強(qiáng)降水可以出現(xiàn)在只具有強(qiáng)烈動(dòng)力抬升和充足水汽的環(huán)境中， 潛在熱力不穩(wěn)定條件并非必要條件。 孟瑩瑩[9]討論了干冷空氣侵入在大暴雨天氣中的動(dòng)力作用。 然而對(duì)于相鄰時(shí)段內(nèi)相似天氣系統(tǒng)影響下不同性質(zhì)天氣過程對(duì)比分析極少， 且該時(shí)段正值汛期關(guān)鍵期， 持續(xù)性強(qiáng)降雨天氣和大風(fēng)對(duì)人民生產(chǎn)生活極為不利，且易引發(fā)洪澇和中小河流洪水、山洪等次生災(zāi)害， 因此對(duì)比分析其成因和特征對(duì)于提升內(nèi)蒙古東部強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測預(yù)警、 總結(jié)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和提升防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要意義。

2 資料說明

所用資料包括：歐洲中心ERA5 再分析資料（空間分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率3 h）；多普勒天氣雷達(dá)資料； 呼倫貝爾市266 個(gè)自動(dòng)監(jiān)測站的降雨量數(shù)據(jù)（含16 個(gè)國家站，考核站占比90.6%）、170 個(gè)風(fēng)氣象監(jiān)測站（考核站占83.0%）及5 個(gè)國家站的日平均氣溫和日平均相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。

3 過程概述及特點(diǎn)

在2020年8月一周時(shí)間內(nèi)，呼倫貝爾市經(jīng)歷了兩次明顯的降雨過程，兩次過程累計(jì)雨量均較大，但降雨落區(qū)不同，且降雨性質(zhì)具有顯著的差異。 以下將8月7日20 時(shí)-9日20 時(shí)的降雨過程簡稱為 “過程一”，將8月12日20 時(shí)-14日08 時(shí)的降雨過程簡稱為“過程二”。

過程一：48 h 內(nèi)呼倫貝爾市266 個(gè)監(jiān)測站共252個(gè)站有降雨（圖1a），區(qū)域內(nèi)平均降雨量22.7 mm。 最大降雨量出現(xiàn)在扎蘭屯市鄂倫春鄉(xiāng)道南村為106.5 mm，其小時(shí)雨強(qiáng)為最大達(dá)48 mm/h（9日05-06 時(shí)）。13 個(gè)旗（市、區(qū)）中有9 個(gè)旗（市、區(qū)）的區(qū)域站監(jiān)測到短時(shí)強(qiáng)降水天氣的出現(xiàn)， 強(qiáng)降雨多集中在中部和東南部地區(qū)，中部一帶伴隨密集的雷電活動(dòng)（圖略）。

過程二：36 h 內(nèi)呼倫貝爾市266 個(gè)監(jiān)測站共248個(gè)站有降雨（圖1b），降雨自西向東發(fā)展，區(qū)域內(nèi)平均降雨量20 mm。 最大降雨量出現(xiàn)在鄂溫克族自治旗好力堡為55.1 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在新巴爾虎右旗甲烏拉礦區(qū)13日06-07 時(shí)為15.9 mm/h， 均為穩(wěn)定性降雨，降雨主要集中在西部和東南部，無明顯雷電活動(dòng)（圖略）。

圖1 2020年8月（a）7日20 時(shí)-9日20 時(shí)（b）12日20 時(shí)-14日08 時(shí)累計(jì)降雨量

總體而言， 兩次過程均具有降雨強(qiáng)度大 （見表1），持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)。 過程一主要為短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴天氣，災(zāi)害性天氣強(qiáng)度大，局地性特征明顯。 過程二以系統(tǒng)穩(wěn)定性降雨為主，29%的風(fēng)氣象監(jiān)測站監(jiān)測到極大風(fēng)速達(dá)到7 級(jí)以上（見表2）。兩次過程主雨區(qū)不同，但10 mm 以上降雨落區(qū)基本覆蓋全市，使得嶺西旱情得到緩解， 同時(shí)也不至于使得嶺東雨量過大造成農(nóng)田洪澇災(zāi)害和過濕墑情。

表1 兩次過程不同區(qū)間降雨量出現(xiàn)站次數(shù)對(duì)比(站)

表2 兩次過程不同風(fēng)力出現(xiàn)站次數(shù)對(duì)比(站)

4 天氣學(xué)特征分析

4.1 大尺度天氣背景

過程發(fā)生前和持續(xù)期間500 hPa 環(huán)流45 °N 以北呈經(jīng)向型，冷空氣活動(dòng)頻繁。 兩個(gè)過程環(huán)流特征均表現(xiàn)為在貝加爾湖東部有高空低渦形成 （圖2a、d），溫度場落后于高度場， 在槽后偏北氣流引導(dǎo)下冷空氣向槽區(qū)中輸送利于其進(jìn)一步加深發(fā)展。 在槽前正渦度平流的作用下，促進(jìn)低空低渦（圖2b、e）和地面氣旋（圖2c、f）發(fā)展。 值得一提的是，兩次過程中低渦的位置和形態(tài)、溫壓場的配置有所差異。 過程一中低渦位置略偏北，低層暖脊（16 ℃）北伸，在溫壓場配置下低層受暖平流區(qū)控制， 非常有利于對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立。 而過程二副熱帶高壓發(fā)展強(qiáng)盛，其高壓脊在日本海附近形成高壓壩，低渦位置偏南，且表現(xiàn)為冷性（12 ℃）低渦的控制，層結(jié)較為穩(wěn)定，副高外圍的持續(xù)的水汽供應(yīng)和形成的阻擋形勢促進(jìn)降水長時(shí)間持續(xù)。 這是造成降雨性質(zhì)顯著不同的重要原因。

圖2 2020年8月8日14 時(shí)高度場和溫度場（a）500 hPa（b）850 hPa，填色區(qū)域?yàn)榈涂占绷鳎╟）海平面氣壓場2020年8月13日20 時(shí)高度場和溫度場（d）500 hPa（e）850 hPa，填色區(qū)域?yàn)榈涂占绷鳎╢）海平面氣壓場

海平面氣壓場的差異體現(xiàn)為， 過程一為低壓倒槽的影響，說明低層暖氣團(tuán)強(qiáng)盛，利于暖區(qū)對(duì)流，8日14 時(shí)（圖2c）可見冷鋒已位于呼倫貝爾市西部，冷鋒過境帶來西北向風(fēng)力增強(qiáng)。 過程二為發(fā)展完好的鋒面氣旋，在氣旋發(fā)展加強(qiáng)的過程中，加上氣溫的日變化特征，促進(jìn)中午前后地面風(fēng)力加大，呼倫貝爾市位于氣旋頂前部， 西部大范圍測站監(jiān)測到平均風(fēng)力達(dá)到6 級(jí)以上的東南向大風(fēng)。

4.2 中尺度特征分析和水汽條件

8月7日夜間-8日凌晨、午后和9日凌晨，呼倫貝爾市西中部、 西北部和東南部多地自動(dòng)氣象站分別監(jiān)測到短時(shí)強(qiáng)降水。 過程一7日20 時(shí)（圖3a）和8日20 時(shí)（圖略）兩時(shí)次中尺度分析可以看出系統(tǒng)具有中層后傾，低層前傾的結(jié)構(gòu)，一方面有利于中層干冷空氣的侵入， 同時(shí)與低層暖脊的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)流不穩(wěn)定度的增大， 另一方面表明低層的動(dòng)力抬升作用較明顯， 較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)對(duì)流天氣重要成因之一。其次，急流的建立（圖2b）有利于強(qiáng)降雨的出現(xiàn)， 強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在急流頭部或左前側(cè)氣旋性輻合區(qū)域內(nèi)，以及中尺度輻合線附近，中尺度輻合線是激發(fā)對(duì)流的主要原因，但水汽通量情況（圖4a）表明沒有建立完整的水汽通道，沒有充足的水汽來源，水汽通道主體達(dá)到10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上且隨系統(tǒng)移動(dòng)較快。 圖3a 中超過28 ℃的850 hPa 與500 hPa溫度差也是不穩(wěn)定能量積聚的重要體現(xiàn)， 促進(jìn)了呼倫貝爾市中南部出現(xiàn)密集的雷暴活動(dòng)（圖3a）。 8日20 時(shí)全市大部具備上干冷下暖濕的溫濕層結(jié)， 是較強(qiáng)對(duì)流潛勢表現(xiàn)之一。

圖3 （a）8月7日20 時(shí)（b）8月13日20 時(shí)中尺度分析圖

與過程一不同， 過程二的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)低層則表現(xiàn)為明顯的后傾結(jié)構(gòu)，上升運(yùn)動(dòng)明顯弱于過程一，且低層風(fēng)場輻合特征不明顯（圖4b），動(dòng)力條件不利于對(duì)流性降雨天氣的出現(xiàn)，但在強(qiáng)盛的低空急流作用下，加之中午時(shí)段湍流作用加強(qiáng)，動(dòng)量更易傳遞，在急流帶下的近地面出現(xiàn)東南大風(fēng)天氣。 圖4b 可見完整的水汽通道自西南向東北輸送，經(jīng)渤海、日本海得到加強(qiáng)，在遼寧一帶中心強(qiáng)度達(dá)到40 g·s-1·cm-1·hPa-1，呼倫貝爾市受持續(xù)東南氣流影響， 全市大范圍地區(qū)達(dá)到10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上， 中西部地區(qū)存在水汽通量大值區(qū)， 充足的水汽供應(yīng)和較厚的濕層是過程二持續(xù)性降雨的主要原因。 兩過程的降雨區(qū)域內(nèi)比濕在9-11 g/kg （圖略） ,因此比濕的大小對(duì)于是否產(chǎn)生對(duì)流性天氣而帶來更大量級(jí)的降雨并無指示意義。

圖4 （a）8月7日20 時(shí)（b）8月13日20 時(shí)水汽通量場

4.3 熱力和不穩(wěn)定條件分析

假相當(dāng)位溫作為反映大氣不穩(wěn)定能量的一個(gè)溫濕特征量，是暴雨預(yù)報(bào)中重要的物理量，圖5 表明，過程一中呼倫貝爾市西部有高能區(qū) （局地超過340 K），且自西向東擴(kuò)展，全市大范圍達(dá)到328 K 以上，過程二中假相當(dāng)位溫基本在328 K 以下， 因此過程一比過程二具備更高的能量。 7日20 時(shí)海拉爾站探空曲線可以看到， 夜間仍具有較高的不穩(wěn)定能量，CAPE 達(dá)到572 J/kg，K 指數(shù)達(dá)到39.8 ℃， 說明已具備不穩(wěn)定的溫濕層結(jié)， 小于零的SI 和LI 指數(shù)表明雷暴出現(xiàn)概率高， 均對(duì)對(duì)流性天氣有較好的指示意義。過程二與過程一不同，300 hPa 以下溫度露點(diǎn)差＜1℃，甚至接近于0 ℃，深厚的濕層表明水汽條件充沛，但各項(xiàng)能量指數(shù)較低和抬升指標(biāo)值較高表明對(duì)流潛勢弱，均是穩(wěn)定性降雨的天氣成因。 二者均有較高的零度層和-20 ℃層高度，不利于冰雹天氣的出現(xiàn)。

圖5 （a）8月7日20 時(shí)（b）8月13日20 時(shí)假相當(dāng)位溫場

4.4 雷達(dá)回波演變特征

在上述大尺度和中尺度天氣背景下， 海拉爾多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測到了云雨回波特征（圖略）。 過程一組合反射率圖表現(xiàn)為積狀云-層狀云混合的絮狀回波，以積云為主，南部的對(duì)流單體向北移動(dòng)。 過程二則為層狀云回波，產(chǎn)生穩(wěn)定性降雨，且出現(xiàn)了速度模糊（圖略），存在低空東南偏南風(fēng)急流。二者的VAD風(fēng)廓線也具有顯著的差異（圖略），過程一邊界層的東南風(fēng)與中層的西南風(fēng)形成較大的垂直風(fēng)切變，是對(duì)流性天氣的重要特征；過程二為一致的東南-南風(fēng)氣流，一方面利于濕層的加深，另一方面利于動(dòng)量下傳加大近地層風(fēng)力，同時(shí)近地層有西北氣流的侵入，是本次穩(wěn)定性降雨的動(dòng)力抬升條件。

4.5 其他成因

前期大氣的溫濕狀況對(duì)于后期天氣的形成也有著不可分割的作用。 對(duì)于兩次過程發(fā)生前近地層的溫濕狀況有明顯的區(qū)別（圖6），在過程一發(fā)生前以及持續(xù)期間， 各站氣溫維持在18-21 ℃（鄂倫春自治旗除外，此站局地對(duì)流活動(dòng)不明顯），相對(duì)濕度在75-95 %，具備高溫高濕的條件，在過程一結(jié)束后的8月9-11日，氣溫下降2-4 ℃，相對(duì)濕度下降10-20 %，下墊面能量條件不足以給隨后12-14日的對(duì)流性天氣創(chuàng)造條件。

圖6日平均相對(duì)濕度和平均氣溫的日變化特征

5 降雨落區(qū)差異的討論

通過加密自動(dòng)氣象站12 h 降雨落區(qū)資料， 結(jié)合海平面氣壓場和地形的關(guān)系（圖略）得出，過程一降雨出現(xiàn)在低壓區(qū)及前側(cè)的暖區(qū)里， 隨著系統(tǒng)進(jìn)一步向東北方向移動(dòng)，降雨區(qū)也進(jìn)一步北移，而12 h 內(nèi)大到暴雨出現(xiàn)在其前側(cè)暖區(qū)氣流與大興安嶺地形相互作用的區(qū)域。 過程二氣旋的位置較過程一偏南，降雨出現(xiàn)在氣旋的頂前部， 中到大雨出現(xiàn)在氣旋頂部風(fēng)場輻合區(qū)內(nèi)以及頂前部與地形有交角的區(qū)域內(nèi)，隨著系統(tǒng)東移， 呼倫貝爾市轉(zhuǎn)為氣旋后部東北氣流的影響， 中到大雨降雨區(qū)域與地形的密切關(guān)系仍較為突出。

因此， 地面低壓或氣旋的位置及強(qiáng)度對(duì)于主雨區(qū)的位置有直接影響， 主雨區(qū)降雨強(qiáng)度除了與低壓或氣旋強(qiáng)度有關(guān)， 還與可能出現(xiàn)的降雨性質(zhì)密切相關(guān)。 除了地形對(duì)暖濕氣流的抬升而產(chǎn)生的地形增幅外， 主雨區(qū)可能出現(xiàn)在低壓或氣旋的前部水汽通道上，或出現(xiàn)在其頂前部有一定風(fēng)場輻合的區(qū)域內(nèi)。

6 討論與結(jié)論

(1)高、低空低渦的垂直結(jié)構(gòu)和溫壓場配置構(gòu)成降雨性質(zhì)差異的主因。 過程一大尺度的環(huán)境背景場表現(xiàn)為中層后傾，低層前傾的垂直結(jié)構(gòu)，以及低層強(qiáng)盛暖平流均是增強(qiáng)不穩(wěn)定度的成因， 同時(shí)促進(jìn)強(qiáng)盛上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。 過程二表現(xiàn)為冷性渦旋影響，具有較弱的垂直風(fēng)切變。

(2)過程一中沒有建立完整水汽通道，南風(fēng)急流下有水汽通量10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上區(qū)域隨系統(tǒng)移動(dòng)較快；過程二表現(xiàn)為持續(xù)的水汽供應(yīng)，東南風(fēng)急流下全市大范圍水汽通量達(dá)到10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上，部分區(qū)域超過15 g·s-1·cm-1·hPa-1。

(3)相比水汽條件，過程一的優(yōu)勢是具備更高的不穩(wěn)定能量，850 hPa 假相當(dāng)位溫可以達(dá)到336 K 以上，K 指數(shù)達(dá)到39.8 ℃，SI 指數(shù)達(dá)到-3 ℃，前期大氣的溫濕狀況對(duì)于后期天氣的形成也有著不可分割的作用，高溫高濕的環(huán)境更有利于對(duì)流性天氣的發(fā)生，因而降雨特征表現(xiàn)為小時(shí)雨強(qiáng)大，累積雨量多，局地性特征明顯； 過程二中850 hPa 假相當(dāng)位溫在330K以下，K 指數(shù)為31.6 ℃，SI 指數(shù)4.09 ℃， 降雨為穩(wěn)定性降雨，沒有出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

(4)過程一具有較大垂直風(fēng)切變，且強(qiáng)對(duì)流天氣與850 hPa-500 hPa 的溫度差≥28 ℃有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。中尺度輻合線是激發(fā)對(duì)流的主要原因。地形對(duì)降雨的增幅作用以及存在對(duì)流潛勢并可能出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)降雨落區(qū)的影響不容忽視。

(5)兩個(gè)過程可見地面低壓或氣旋的位置和強(qiáng)度對(duì)主雨區(qū)有直接影響，可能出現(xiàn)在其前側(cè)暖區(qū)內(nèi)，或其頂前部風(fēng)場輻合區(qū)域內(nèi)。

(6)過程一大風(fēng)天氣是對(duì)流性加低空急流共同影響，局地性強(qiáng)；過程二大風(fēng)天氣來自于地面氣旋發(fā)展帶來的系統(tǒng)性大風(fēng)。