一次典型東北冷渦降水的過程分析

李銘鑒 宋佳 崔一鳴 宮勛 陳鑫

摘 要：選取2012年6月11—18日由東北冷渦造成的降水天氣過程，采用常規(guī)和非常規(guī)氣象觀測資料、NCEP/NCAR再分析資料和衛(wèi)星雷達資料，從大尺度背景場及中小尺度對流系統(tǒng)出發(fā)，從冷源條件、水汽條件、觸發(fā)機制等方面進行診斷分析。結果表明，此次過程中冷渦來自上游小槽東移發(fā)展，冷渦中心與正渦度中心對應較好，冷渦發(fā)展初期低層有輻合、整層上升;而在成熟階段，整層輻合上升運動則與冷渦的發(fā)展十分匹配;充足的水汽條件為此次冷渦降水提供了有利的條件。

關鍵詞：東北冷渦;區(qū)域降水;天氣診斷分析

中圖分類號 P426.621 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）08-0173-08

Analysis of Cold Vortex Precipitation Process in Northeast China

LI Mingjian1? ?SONG Jia1? ?CUI Yiming1? ?GONG Xun2? ?CHEN Xin2

（1Tieling Meteorological Observatory， Tieling 112000， China; 2Xifeng County Meteorological Observatory， Xifeng 112400， China）

Abstract： By using conventional observation data，NCEP/NCAR reanalysis data， radar data and satellite data， a diagnostic analysis about northeast china cold vortex precipitation process from July 11th to 18th， 2012 was performed. Large-scale circulation， the mainly precipitation systems， moisture condition， physic fields etc. were analyzed. The results showed： the cold vortex was caused by the small upstream troughs that moved to the east. A fine corresponding relationship between the vortex center and the center of positive vorticity was found. At early development stages， convergence occurred at low-level and the whole layer raised. At mature stage， the whole layer of convergence co-rise coincides with the development of cold vortex; the moisture air delivered the cold vortex plentiful water vapor.

Key words： Northeast china cold vortex; Precipitation; Diagnostic analysis

為分析東北冷渦降水的過程，本文采用常規(guī)和非常規(guī)實況觀測資料、NCEP/NCAR再分析資料以及2012年全國降水資料，對2012年6月13—16日的一次東北冷渦降水天氣過程進行診斷分析。從大尺度背景場及中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)出，從冷源條件、水汽條件、觸發(fā)機制等方面進行診斷分析，探討此次降水過程的成因和物理機制。

1 天氣實況

受東北冷渦等天氣系統(tǒng)的影響，2012年6月13日20時至16日8時遼寧省境內出現(xiàn)了大范圍降水過程，其中降水量最大時段為6月14日08時至15日08，降水大值區(qū)主要出現(xiàn)在遼寧中部，如圖1所示。強降水發(fā)生時，還出現(xiàn)了雷暴、雷雨大風、冰雹等強對流天氣。

2 天氣背景

由6月11日08至19日08時500hPa位勢高度和整層水汽通量場的疊加圖（圖2）可以看出，我國東北地區(qū)有一明顯低渦中心，冷渦中心位于吉林西部，遼寧地區(qū)位于低渦槽前，盛行西南氣流，低渦槽后有來自貝湖的冷空氣不斷沿西北氣流南下入侵，低渦前部有較好的來自渤海的水汽輸送，為暴雨提供充足的水汽，暴雨區(qū)位于冷渦右前方。

從逐日500hPa風場和位勢高度場的疊加圖（圖3）可以看出，6月12日（圖3a、b），08時，在冷渦的后部（內蒙古東部到貝湖南側地區(qū)）有1個西北—東南方向的橫槽，中心位于內蒙古東部地區(qū)，中心強度為552dagpm;20時，隨著來自鄂霍次克海地區(qū)以及極渦地區(qū)的冷空氣的南下補充，蒙古國東部逐漸變?yōu)闁|北偏北氣流控制，橫槽逐漸旋轉變豎，中心仍位于內蒙古東部地區(qū)。6月13日（圖3c、d），原東南-西北向的槽明顯轉為近乎東-西走向的槽，由于強冷空氣持續(xù)不斷地補充，所以冷渦不斷加強并且旋轉南掉。6月14日（圖3e、f），冷渦中心明顯南移，位于河北地區(qū)，遼寧地區(qū)處于冷渦底部低槽前部，盛行西南氣流，西南急流又一次加強，持續(xù)的西南氣流從渤海帶來充足的水汽，導致6月14日遼寧地區(qū)出現(xiàn)降水最大值。15—16日（圖3g-j），隨著冷渦的減弱并且東移北抬，冷渦中心移至黑龍江、吉林一帶，遼寧地區(qū)位于槽后，盛行西北氣流，遼寧地區(qū)本次降水逐漸變弱。

對冷渦增強時次低層850hPa高度場和溫度場（圖略）的分析，發(fā)現(xiàn)在冷渦后部，東北地區(qū)上空為等溫線密集的區(qū)域，溫度梯度相對較大，為明顯鋒區(qū)，850hPa上存在強烈的冷暖平流并且與地面上氣旋冷暖鋒相對應，有利于天氣系統(tǒng)的迅速發(fā)展，帶來強天氣過程。

3 大尺度與中小尺度環(huán)境場分析

中小尺度對流系統(tǒng)受其所處的環(huán)境條件的影響較大。大尺度環(huán)境條件一方面會對對流系統(tǒng)的生成發(fā)展提供一個大的環(huán)境場和背景條件，對其產生制約作用;另一方面，還對對流系統(tǒng)的結構、強度、組織和運動產生了重要影響。

本文利用地面自動站的觀測資料，將重點分析此次強降水過程的水汽條件以及地面動力條件。

3.1 散度場 散度可以表征流體的水平輻散程度，輻合為負，輻散為正。低層輻合、高層輻散則表明有顯著的上升運動。散度場正、負中心及其分布形式與強對流天氣的分布有密切關系。降水區(qū)的移向與輻合區(qū)很一致，而且中尺度輻合區(qū)常先于降水1～2h出現(xiàn)。因此掌握中尺度散度場的變化，是預報未來短時中尺度降水和暴雨出現(xiàn)的重要依據(jù)。

圖4為2012年6月14日05—06時地面風場和散度場分布，由圖4可知，遼寧絕大部分地區(qū)為散度負值區(qū)，表明地面有水平氣流輻合，而且主要有2個輻合大值區(qū)，一個在地面低壓中心西南部的冷區(qū)，另一個在地面低壓中心的偏東部暖區(qū)，風場的輻合有利于垂直方向時上升運動的增強，為本次強降水過程的發(fā)生提供了良好的動力條件。

3.2 水汽通量 水汽通量是代表所輸送的水汽的強度。從逐時地面水汽混合比和風場的分布（圖略）可以看出，14日05時，在葫蘆島、營口地區(qū)存在濕舌，水汽混合比為12g/kg，存在偏南風與偏東北風的輻合;14日09時，濕舌向北延伸，水汽含量上升，范圍擴大，本溪和鞍山南部水汽混合比增大至12g/kg，并依然具有向北增強和擴展的趨勢，風場發(fā)展成偏東南風;14日20時，本溪地區(qū)風場發(fā)展并加強變成較強的東南風急流，在本溪地區(qū)形成1個水汽混合比的高值中心，中心水汽混合比達到12g/kg;15日00時，濕舌范圍進一步增大，依舊伴隨著西南低空急流，較強的西南風提供了大量的暖濕空氣，由此可知低空急流對濕舌的形成和向北發(fā)展起到了關鍵的作用，也為強降水的發(fā)生發(fā)展提供了充足的水汽條件。中小尺度對流系統(tǒng)不僅受大尺度背景場的動力條件和水汽條件的影響，還與中尺度風暴環(huán)境緊密相關。

3.3 水汽通量散度 降水現(xiàn)象的發(fā)生與是否有持續(xù)性充足的水汽輸送有直接關系。水汽通量散度是指大氣運動所引起的水汽集中或分散的程度。水汽通量散度大于0，表明水汽通量輻散，水汽減少;水汽通量散度小于0，表明水汽通量輻合，水汽增加。當發(fā)生強降水時除了要關注水汽輸送情況外，更應關注水汽輻合情況。尤其是低層水汽通量輻合，可以明顯影響降水強度。

本次由東北冷渦所引發(fā)的降水過程主要集中于13—16日，對850hPa水汽通量、水汽通量散度的疊加圖進行分析可知，本次降水過程的水汽來源為冷渦后部的阻高以及冷渦東南面的海上。

圖5為2012年6月14日05—06時地面風場和水汽通量散度場的分布。從圖5可以看出，遼寧省內基本為水汽通量輻合區(qū)，而且正的水汽通量輻合和風場的輻合區(qū)相對應，表明了水汽的輸送方向，05時強輻合中心主要為與遼寧西部營口一帶，06時強輻合中心范圍擴大，強度也增強，中心輕度達-15g·hPa-1·cm-2·s-1，2個中心分別位于海城、鞍山附近和葫蘆島附近。由此可見，強降水發(fā)生時伴隨著較強的水汽輻合。

4 中尺度對流系統(tǒng)特征分析

4.1 MCS發(fā)展與演變 圖6為6月14—15日每小時FY-2C衛(wèi)星云頂亮溫與未來3h降水分布圖。從圖6可以看出，強降水過程在發(fā)展中云帶呈螺旋狀分布，TBB小于-20℃云帶覆蓋遼寧中東部地區(qū)，強降水在云帶的偏西北部地區(qū)發(fā)生。中小尺度系統(tǒng)伴隨著螺旋云帶的東移而生成發(fā)展。14日21時，鞍山地區(qū)存在MCS并且發(fā)展東移，在丹東北部地區(qū)有MCS發(fā)展，初期TBB小于-50℃，并有逐漸加強的趨勢，在錦州的黑山地區(qū)和丹東的鳳城地區(qū)，1h降水達10mm。22時，降水范圍增大，與此同時，MCS發(fā)展加強，面積增大，中心TBB最低小于-50℃，23時，MCS大概維持2h后與MCS合并，隨后MCS迅速增大，云團中心出現(xiàn)小于-50℃的云頂亮溫，從5個地面自動站觀測到的1h降水可知，降水量超過10mm，云團合并后對流面積雖然急劇增大，但是對流強度變化不大。6月15日01時，除了遼寧中部、東部地區(qū)外，遼寧大部云頂亮溫小于-40℃，強中心位于遼寧大連地區(qū)，達到-60℃，但此時并未出現(xiàn)1h降水量超過10mm的站。到了02時，在云頂亮溫為-60℃的強中心北部地區(qū)有3個降水量超過10mm的站點出現(xiàn)。同時另外一個強降水中心出現(xiàn)在朝陽和葫蘆島地區(qū)，共有8個站1h降水量超過10mm。

強降水落區(qū)和TBB等值線密集區(qū)互相對應，由此說明強降水落區(qū)主要位于頂亮溫陡度大的地區(qū)，這個地區(qū)對流的發(fā)展迅速，云頂發(fā)展比較高，有利于強降水的發(fā)生。中小尺度對流系統(tǒng)不僅受大尺度背景場的動力條件和水汽條件的影響，還與中尺度的風暴環(huán)境緊密相關。

4.2 干冷空氣侵入特征 對干冷空氣的活動情況進行研究分析，將500hPa的徑向風場和相對濕度場的分布（圖7）和范圍進行分析比較，進而研究此次東北冷渦過程發(fā)生發(fā)過程中干空氣的活動特征。

500hPa上，12日11時，在我國新疆和內蒙古地區(qū)有一條明顯的相對濕度小值帶，其最小相對濕度小于10%，相對濕度小于30%的干空氣區(qū)位于內蒙古中部，并且東擴到遼寧西北地區(qū)，從圖中徑向風場可看出較強的偏北風是位于干空氣區(qū)中，其強度最大可達25m/s，說明其為北方的干冷空氣提供了有利的輸送條件。12日14時，之前位于內蒙古境中部的干空氣區(qū)向東南方向移動，此時此干空氣區(qū)影響遼寧西部地區(qū)，同時伴隨著東北冷渦南下加強，在貝湖東南部地區(qū)形成一個相對濕度小于20%的相對干冷空氣區(qū)域，一邊做氣旋性渦旋運動，一邊不斷地向內蒙古中部地區(qū)的干冷空氣區(qū)移動，此時偏北風位于2個干空氣區(qū)的偏西方向，最大中心風速25m/s，偏南風位于2個干空氣區(qū)的偏東方向，最大中心風速15m/s，由此分析可知此時有非常明顯的干冷空氣入侵過程。到13日02時，貝加爾湖東南部的干空氣區(qū)和內蒙古地區(qū)的干冷空氣區(qū)合并，合并后的冷空氣加深加強，此時不僅東北冷渦的西北側存在干冷空氣區(qū)，而且干冷空氣相對較強，與此同時在冷渦南側存在濕度相對比較低的區(qū)域，在遼寧中部地區(qū)和西北部地區(qū)也存在相對濕度低于20%的濕度區(qū)。

在徑向風場分布中，以123°E為界，西面為徑向風場負值區(qū)，代表存在較強的偏北風，在東面為徑向風場正值區(qū)，代表主要盛行偏南風，而且從徑向風場和相對濕度場中可看出存在干冷空氣的強烈輸送。從上面的徑向風場和相對濕度場分析可知，在對流層高層也出現(xiàn)干冷空氣入侵過程，為東北冷渦以及內蒙古的西北部是干空氣的重要源地。12日20時，遼西地區(qū)在500～600hPa有干侵過程，近地面表現(xiàn)為高濕區(qū)，氣團被迫抬升，使低層高濕區(qū)和上層干氣團相應抬升，最終引發(fā)強降水的發(fā)生。從大尺度環(huán)境場分析可知，低層的暖濕平流使得高低層在水汽及溫度場的分布上存在較為明顯的差異，對于位勢不穩(wěn)定層結的形成來說非常有利。低空西南風急流對位勢不穩(wěn)定的建立起著重要的作用，一方面可以帶來暖濕空氣，使其前方形成強水汽輻合，另一方面加強南方濕空氣的北上動力，與此同時增加近地面層的空氣濕度，從而促進不穩(wěn)定層結的迅速建立。由此可知，大尺度環(huán)境場為降水提供了必要的動力條件、水汽條件以及不穩(wěn)定層結，在互相結合的情況下會觸發(fā)引起強降水的條件。

4.3 雷達回波對流系統(tǒng)特征 2012年6月12—17日，遼寧地區(qū)由于被東北冷渦所控制，遼寧省絕大部分地區(qū)出現(xiàn)了大范圍降水現(xiàn)象，絕大多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為陣雨或雷陣雨大風天氣，局部地區(qū)甚至出現(xiàn)雷雨大風、短時暴雨冰雹等強對流天氣過程。圖8為遼寧地區(qū)受冷渦影響期間的雷達回波圖，由圖8可知，降水回波零散分布，多呈塊狀或混合狀，塊狀回波尺度在10km左右，強度為30～50dbz，降水強度小于10mm/h，一般來說生命史不會超過1h，屬于中γ尺度對流系統(tǒng)降水回波。

整個冷渦影響期間有2次主要的強對流過程，一次為6月12日下午的冰雹天氣，另一次為13日23時至14日14時遼寧地區(qū)有短時強降水天氣出現(xiàn)，在降水過程中局部也出現(xiàn)了雷雨大風等強對流天氣現(xiàn)象，如13日夜間到14日上午大連北部地區(qū)出現(xiàn)雷雨大風和短時暴雨天氣。

第2次的降水又可分為2個階段：第一階段為13日23時至14日07時，此階段降水回波以片狀為主，降水相對均勻，雨強一般小于10mm/h，局部雨強在10～15mm/h;第二階段為14日08—13時，降水回波以混合狀為主，回波強度起伏大，強降水局地性強，從13日23時開始大范圍降水回波從渤海北部東移至大連、營口地區(qū)，該地區(qū)受此影響，回波呈片狀并且回波邊緣模糊，強度分布均勻，無明顯起伏變化，所以比較均勻的降水發(fā)生。

14日08時開始渤海北部又有大片回波東移影響大連北部、營口南部地區(qū)，這次回波呈混合狀，即在片狀回波中間夾雜多個塊狀回波。11時00分開始，大連北部數(shù)個γ尺度塊狀回波逐漸合并加強，11時35分（圖9）弓狀回波生成，回波強度達到53dbz，因此在大連北部地區(qū)有雷雨大風天氣和短時強降水的強烈對流天氣。

4.4 強對流觸發(fā)機制 中尺度對流系統(tǒng)多在高濕、高溫、低層存在低空急流、位勢不穩(wěn)定層結，中層存在干空氣等天氣條件下形成的。不過上述條件僅僅是必要條件，中尺度對流系統(tǒng)的形成除了滿足以上有利的環(huán)境條件外，還需要其他的觸發(fā)條件，這是目前研究中尺度系統(tǒng)問題中最為關鍵的問題之一。

由前面分析可見，偏南風低空急流一直持續(xù)存在，東北干冷氣流的形成，增強了初始對流。在強降水期間，在遼寧西部地區(qū)偏南低空暖濕氣流始終持續(xù)存在，只有位于朝陽站北部的偏北氣流在強降水發(fā)生時（19日04時）風向由原來的偏北轉為偏西風，由此說明偏北氣流的出現(xiàn)增強了地面流場的輻合現(xiàn)象，是觸發(fā)初始對流發(fā)生發(fā)展重要因素。

在急流入口區(qū)，空氣質點不斷加速地向中心移動，所有的氣塊在急流入口區(qū)運動時都會得到向左偏的非地轉風風量，并且在入口區(qū)的北側有高空輻合產生，在高空急流南側有高空輻散產生;在急流出口區(qū)，空氣塊不斷減速地進行向下游運動，空氣塊有向右偏轉的運動，由此可知在出口區(qū)北側和南側分別有高空輻散和輻合產生。從6月13日23時至14日08時對流層中高層300hPa水平風場和輻散場可以看出（圖18），暴雨區(qū)上空位于高空西風急流的出口區(qū)右前部，兩者疊置使得該地區(qū)高層為強的高空輻散，輻散強度達到8×10-5s-1。對應對流層低層925hPa為輻合區(qū)，大氣層上下層質量調整，觸發(fā)上升運動，最終觸發(fā)強對流。綜上，強對流區(qū)位于對流層高層高空急流出口區(qū)右前部，高層輻散，低層輻合，上下層質量調整觸發(fā)上升氣流，對流引起的動量垂直輸送可在高空急流出口區(qū)引起低空急流的發(fā)展，對流區(qū)低層西北部的偏北氣流出現(xiàn)增強了地面流場的輻合，高、低空急流的相互耦合是此次強降水系統(tǒng)在高空急流的出口區(qū)發(fā)展的一個重要因子。

5 小結與討論

通過對2012年6月11—18日冷渦降水的過程分析，得到以下結論：

（1）冷渦后部是否有冷空氣的補充是冷渦是否可以繼續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的必要條件，當冷渦附近的阻塞高壓將冷渦切斷時，本次冷渦的發(fā)展成熟;隨后冷渦沿西北-東南方向繼續(xù)移動，入海消亡。此次過程中，位于內蒙古東部地區(qū)的冷渦中心剛開始為東南-西北向，之后隨著來自鄂霍次克海地區(qū)以及極渦地區(qū)的冷空氣的補充，橫槽逆轉下擺，變?yōu)闁|-西向的橫槽，遼寧地區(qū)位于槽前，盛行明顯的西南氣流，15—16日，冷渦中心填塞，強度減弱，東移逐漸入海，遼寧位于槽后，盛行西北氣流，降水逐漸減弱，趨于結束。

（2）散度可以表征流體的水平輻散程度，輻合為負，輻散為正。低層輻合、高層輻散則表明有顯著的上升運動。本次降水過程中，主要有2個輻合區(qū)，一個在地面低壓中心西南部的冷區(qū)，另一個在地面低壓中心的偏東部暖區(qū)，風場的輻合為強降水過程的發(fā)生提供了良好的動力條件。分析水汽條件可發(fā)現(xiàn)，低空急流對濕舌的形成和向北發(fā)展起到了關鍵的作用，也為強降水的發(fā)生發(fā)展提供了充足的水汽條件。此次降水過程的水汽來源為冷渦后部的阻高以及冷渦東南面的海上。

（3）通過分析中尺度對流系統(tǒng)特征，可發(fā)現(xiàn)強降水過程在發(fā)展中云帶呈螺旋狀分布，TBB小于-20℃云帶覆蓋遼寧中東部地區(qū)，強降水在云帶的偏西北部地區(qū)發(fā)生。中小尺度系統(tǒng)伴隨著螺旋云帶的東移而生成發(fā)展。強降水落區(qū)主要位于頂亮溫陡度大的地區(qū)，這個地區(qū)對流的發(fā)展迅速，云頂發(fā)展比較高，有利于強降水的發(fā)生。中小尺度對流系統(tǒng)不僅受大尺度背景場的動力條件和水汽條件的影響，還與中尺度的風暴環(huán)境緊密相關。

（4）強對流觸發(fā)機制分析表明，強對流區(qū)位于對流層高層高空急流出口區(qū)右前部，高層輻散、低層輻合，上下層質量調整觸發(fā)上升氣流，高、低空急流相互耦合是此次降水系統(tǒng)在高空急流出口區(qū)強烈發(fā)展的一個重要因子。

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（責編：張宏民）