持續(xù)性冷渦暖鋒暴雨成因及特征分析

任麗 欒晨 王曉雪 張?jiān)?/p>

(黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱 150030)

引言

東北冷渦是在我國(guó)東北地區(qū)活動(dòng)的深厚冷性渦旋，通常在亞洲中高緯度阻塞形勢(shì)穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)，具有移動(dòng)緩慢、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)[1-3]。東北冷渦對(duì)應(yīng)低溫和不穩(wěn)定的陣性降水，是東北地區(qū)的主要降水系統(tǒng)。東北地區(qū)大約1/4的年降水量是與東北冷渦相關(guān)聯(lián)的。冷渦本身更易產(chǎn)生局地暴雨，與熱帶氣旋或中高緯度其他系統(tǒng)相互作用時(shí)，則傾向于形成區(qū)域性暴雨[4-6]。許多學(xué)者對(duì)東北冷渦的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、熱力和水汽等降水機(jī)制進(jìn)行了研究[7-10]。王宗敏等[11]發(fā)現(xiàn)東北冷渦具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征，冷渦的負(fù)渦度和上升運(yùn)動(dòng)中心分布在冷渦東南部，在冷渦東南部中層有干冷平流疊加在低層的暖濕平流上，造成對(duì)流不穩(wěn)定迅速增長(zhǎng)。魏鐵鑫等[12]對(duì)東北地區(qū)308例冷渦暴雨過(guò)程中的目標(biāo)氣塊進(jìn)行后向軌跡模擬追蹤水汽源地，發(fā)現(xiàn)西太平洋及相鄰海域水汽貢獻(xiàn)率最大，平均水汽貢獻(xiàn)率達(dá)39.8%。近年來(lái)的研究更加側(cè)重于對(duì)冷渦中尺度系統(tǒng)特征的診斷分析和數(shù)值模擬，來(lái)研究中尺度系統(tǒng)的形成機(jī)理、觸發(fā)條件及不同尺度系統(tǒng)之間的相互作用[13-14]。冷渦暴雨過(guò)程中常伴有干侵入特征，對(duì)流層高層低濕且高位渦的冷空氣下傳有利于冷渦暴雨的發(fā)生發(fā)展，暴雨強(qiáng)度隨著干侵入強(qiáng)度增強(qiáng)而增大[15-16]。

本文關(guān)注發(fā)生在2019年8月6—8日在東北冷渦活動(dòng)背景下的暖鋒暴雨，黑龍江省出現(xiàn)了持續(xù)3 d受暖鋒影響的暴雨天氣。本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料及NCEP FNL再分析資料對(duì)本次持續(xù)性暴雨過(guò)程的鋒生機(jī)制和動(dòng)力、熱力及水汽特征進(jìn)行診斷分析，探討暴雨成因，以期為今后東北冷渦背景下暖鋒暴雨預(yù)報(bào)提供可供借鑒的依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

研究用到的地面觀測(cè)資料源于2019年8月黑龍江省866個(gè)地面觀測(cè)站逐小時(shí)降水資料，資料來(lái)源于黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心；高層診斷分析使用了美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的NCEP FNL再分析資料，水平分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為6 h。

1.2 數(shù)據(jù)資料處理方法

本文計(jì)算的鋒生函數(shù)，考慮到假相當(dāng)位溫適用于濕絕熱過(guò)程，所以取假相當(dāng)位溫為氣象參數(shù)，則鋒生函數(shù)[17-18]為

(1)

各邊界水汽通量垂直積分計(jì)算公式如下

(2)

式(2)中，l1和l2表示邊界兩端經(jīng)度/緯度；ps為海平面氣壓；單位為 t·s-1。

2 結(jié)果分析

2.1 暴雨概述及特點(diǎn)

2019年8月6—8日，黑龍江省發(fā)生一次典型的東北冷渦暴雨過(guò)程，冷渦從發(fā)展維持到減弱階段均對(duì)應(yīng)有單日暴雨，以對(duì)流性降水為主。3 d降水量最大235 mm，過(guò)程降水量>50 mm有312站，占全省測(cè)站36%，其中>100 mm有95站，主要集中在松嫩平原，占全省測(cè)站11%。從逐日降水量(圖1a至圖1c)上可見(jiàn)，暴雨持續(xù)出現(xiàn)在黑龍江省西南部的松嫩平原地區(qū)，6日冷渦新生發(fā)展階段，暴雨就出現(xiàn)在松嫩平原，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，累積降水量大，甘南站單日降水量達(dá)170 mm。7—8日冷渦維持和減弱階段，強(qiáng)降水范圍向東擴(kuò)展，分布更加不均勻，降水量增大(圖1d至圖1f)，出現(xiàn)多站多時(shí)次>30 mm·h-1的強(qiáng)降水。

圖1 2019年8月6日(a)、7日(b)、8日(c)黑龍江省逐日24 h降水量及甘南(d)、北安(e)和杜蒙(f)逐小時(shí)降水量

2.2 天氣尺度環(huán)流背景

暴雨開(kāi)始前，500 hPa亞歐中高緯地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度不斷增大，烏拉爾山地區(qū)的高壓脊緩慢東移到中西伯利亞高原，高壓脊前冷空氣南下促使冷槽加深；1908號(hào)臺(tái)風(fēng)“范斯高”北移，副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)北抬。8月6日08時(shí)(北京時(shí)，下同)，不斷加深的冷槽在蒙古國(guó)東部切斷成東北冷渦，副高北抬，北界至43°N，向西伸展到黃海北部。冷渦與副高相距較近，兩者之間風(fēng)速增大，向北的水汽輸送增強(qiáng)，黑龍江省西南部出現(xiàn)暴雨(圖2a)。7日08時(shí)(圖2b)，冷渦由近圓形逐漸變?yōu)闄E圓形，形成東西兩個(gè)中心，脊前冷空氣南下到貝加爾湖附近促使西部中心加強(qiáng)，位于蒙古國(guó)與中國(guó)交界的東部環(huán)流中心(東北冷渦)強(qiáng)度維持。臺(tái)風(fēng)“范斯高”越過(guò)副高脊線移至朝鮮半島，副高開(kāi)始東撤。8日08時(shí)(圖2c)，冷渦形狀變?yōu)楠M長(zhǎng)帶狀，西部中心繼續(xù)加強(qiáng)，東部東北冷渦減弱為橫槽；臺(tái)風(fēng)“范斯高”移至日本海北部。

黑色實(shí)線為高度場(chǎng)，單位為dagpm，紅色虛線為溫度場(chǎng)，單位為℃，藍(lán)色箭矢為200 hPa風(fēng)速>25 m·s-1的風(fēng)場(chǎng)，黑色風(fēng)向桿為850 hPa 風(fēng)速>8 m·s-1的風(fēng)場(chǎng)

850 hPa上，8月6日08時(shí)(圖2d)冷渦位于蒙古國(guó)與中國(guó)交界處，冷渦前側(cè)偏南風(fēng)增大，鋒區(qū)北抬；偏南風(fēng)的強(qiáng)暖平流促使鋒區(qū)上溫度梯度加大，暖鋒鋒生；115°E以東的高空急流加強(qiáng)北抬，位于中國(guó)黑龍江省和俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)上空。在黑龍江省西南部，暖鋒鋒生加強(qiáng)了低層輻合抬升，高層位于高空急流入口區(qū)，加強(qiáng)了高層輻散，降水強(qiáng)度增大。8月7日08時(shí)(圖2e)冷渦緩慢東移減弱，臺(tái)風(fēng)攜帶大量暖濕空氣北上，鋒區(qū)北抬，強(qiáng)暖平流促使鋒區(qū)東段鋒生；高空急流加強(qiáng)，急流軸向東向北移動(dòng)，暴雨區(qū)北移，東部降水加強(qiáng)。8月8日08時(shí)(圖2f) 冷渦移至黑龍江省西南部，臺(tái)風(fēng)環(huán)流向北移至日本海西部接近俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，暖鋒減弱。低渦北部偏東風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速帶更加狹長(zhǎng)，從日本海到內(nèi)蒙古東北部均為偏東大風(fēng)速區(qū)，有利于水汽向西輸送。高空急流軸東移至日本海，在黑龍江省上空重新建立風(fēng)速30—40 m·s-1反氣旋彎曲的高空急流，高空維持強(qiáng)輻散。受冷渦和臺(tái)風(fēng)影響，黑龍江省出現(xiàn)東西2個(gè)暴雨區(qū)。

2.3 水汽條件

充足的水汽供應(yīng)是暴雨的必要條件。地面至300 hPa水汽通量垂直積分顯示，強(qiáng)降水期間有兩條水汽輸送通道：第一條為副高外圍的偏南氣流向北輸送水汽，第二條為偏東(東北)氣流向西輸送水汽。從暴雨區(qū)(圖3a中黑色方框四個(gè)邊界位置123.4°—127.1°E，46.4°—49.2°N)水汽輸送隨時(shí)間分布圖上看，8月6日(圖3a)副高位置偏西偏北，其西側(cè)偏南氣流較大，建立向北的水汽輸送通道，水汽輻合大值區(qū)位于黑龍江省西南部，暴雨出現(xiàn)在水汽輻合大值區(qū)北側(cè)。7日(圖3b)隨著副高的東退，偏南水汽通道不斷減弱，偏東水汽通道增強(qiáng)。水汽輻合大值區(qū)范圍擴(kuò)大，暴雨出現(xiàn)在水汽輻合大值區(qū)北側(cè)。8日(圖3c) 偏東水汽通道及水汽輻合大值區(qū)的范圍和強(qiáng)度均進(jìn)一步增強(qiáng)，降水再度加強(qiáng)，同時(shí)東部地區(qū)水汽輸送加強(qiáng)和輻合增大，也出現(xiàn)多站暴雨。

圖a至圖c箭矢為水汽通量，單位為g·cm-1·s-1，陰影為水汽通量散度，單位為10-6 g·cm-2·s-1，黑實(shí)線為500 hPa上588 dagpm線，黑色方框?yàn)楸┯陞^(qū)；圖d等值線為水汽輸送量，單位為107 t·s-1

計(jì)算5—9日地面至300 hPa暴雨區(qū)各邊界間隔6 h水汽輸送量(正值為流入，負(fù)值為流出)，發(fā)現(xiàn)8月6日08時(shí)至9日08時(shí)(圖3d)，暴雨時(shí)段東、北、南三個(gè)邊界的水汽輸入量分別為176.45×107t·s-1、127.08×107t·s-1、55.77×107t·s-1，分別占水汽輸入總量的49.11%、35.37%、15.52%。西邊界的水汽輸出量為82.74×107t·s-1。可見(jiàn)，暴雨期間東邊界的水汽輸入最為關(guān)鍵，占到整個(gè)水汽輸入總量的一半，其次是以東北氣流輸送水汽為主的北邊界，與水汽通量分析顯示的偏東氣流水汽輸送帶相對(duì)應(yīng)。盡管南邊界的總水汽輸入總量不大，但集中出現(xiàn)在第一個(gè)暴雨日，是6日暴雨過(guò)程主要水汽貢獻(xiàn)者。

2.4 低層鋒生和不穩(wěn)定特征

本次暴雨過(guò)程是由暖鋒穩(wěn)定維持在同一區(qū)域且不斷鋒生造成的。8月6日08時(shí)假相當(dāng)位溫θse圖(圖4a)顯示東北地區(qū)南部為θse>336 K的暖濕氣團(tuán)，53°N以北為θse<308 K的干冷氣團(tuán)，兩氣團(tuán)之間為等θse線密集的鋒區(qū)呈東西向分布，位于黑龍江省。鋒區(qū)南側(cè)為副高外圍攜帶暖濕空氣北上的西南氣流，西南風(fēng)速較大的區(qū)域?qū)?yīng)強(qiáng)暖平流。鋒區(qū)上有多處鋒生，最大鋒生位于最強(qiáng)暖平流北側(cè)，內(nèi)蒙古與黑龍江交界處。強(qiáng)降水出現(xiàn)在850 hPa鋒區(qū)南側(cè)，呈東西帶狀分布，暴雨與最大鋒生區(qū)相對(duì)應(yīng)。隨著臺(tái)風(fēng)攜帶暖濕空氣北上，東北地區(qū)中南部的θse值持續(xù)增大，鋒區(qū)一直維持在黑龍江省中部。8月7日08時(shí)(圖4b)，344 K線向北擴(kuò)展到吉林東部，鋒區(qū)位置穩(wěn)定，鋒區(qū)西部強(qiáng)度略減弱，東部加強(qiáng)，強(qiáng)降水范圍增大，西部降水強(qiáng)度減弱。臺(tái)風(fēng)繼續(xù)攜帶暖濕空氣北上，344 K線到達(dá)黑龍江省東南部，促使鋒區(qū)東段進(jìn)一步增強(qiáng)(圖4c)，鋒區(qū)最強(qiáng)達(dá)20 K·(100 km)-1。7—8日，隨著東段鋒區(qū)的增強(qiáng)，黑龍江省東部地區(qū)降水強(qiáng)度和范圍增大；西段鋒區(qū)隨著暖平流的減小而逐漸減弱，鋒區(qū)減弱階段逐日也有暴雨出現(xiàn)，強(qiáng)降水時(shí)段與鋒生相對(duì)應(yīng)。

黑實(shí)線為假相當(dāng)位溫，單位為K，藍(lán)虛線為鋒生函數(shù)，單位為K·h-1·(100 km)-1，彩色陰影為溫度平流，單位為10-5 K·s-1，灰色陰影為地形

沿124°E做經(jīng)向垂直剖面來(lái)探究西部地區(qū)強(qiáng)降水時(shí)段熱力條件和鋒生機(jī)制。8月6日08時(shí)(圖4d),地面鋒區(qū)位于46°—48°N，鋒區(qū)向北傾斜，傾斜角度隨高度增大，700 hPa以上基本豎直。850 hPa以下鋒區(qū)上有強(qiáng)暖平流，最大暖平流出現(xiàn)在900 hPa，達(dá)500 K·h-1·(100 km)-1，與強(qiáng)鋒生區(qū)相對(duì)應(yīng)。低層強(qiáng)鋒生區(qū)位于松嫩平原向大興安嶺山脈過(guò)度的迎風(fēng)坡，鋒面抬升加上地形輻合作用造成強(qiáng)降水，同時(shí)大氣中層有弱冷空氣活動(dòng)，大氣中低層表現(xiàn)為弱對(duì)流不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)降水的維持。7—8日(圖4e和圖4f),低層鋒區(qū)越來(lái)越向北傾斜，傾斜角度近似與地形相平行。低層鋒區(qū)上暖平流的范圍和強(qiáng)度逐漸減小，鋒生強(qiáng)度也減弱，迎風(fēng)坡上逐日均有暴雨出現(xiàn)，只是量級(jí)較6日有所減小。

本次連續(xù)3 d的暴雨過(guò)程，以對(duì)流性降水為主，具有典型東北冷渦的降水特點(diǎn)。圖5分別為甘南、北安和杜蒙的強(qiáng)降水前6 h的T850-500、K指數(shù)和CAPE分布情況，通過(guò)考察暴雨區(qū)在強(qiáng)降水時(shí)段的不穩(wěn)定條件，選取對(duì)預(yù)報(bào)暴雨有指示意義的物理量。6—7日冷渦新生和維持階段，冷渦中高層?xùn)|南側(cè)有冷平流，低層為副高外圍西南暖平流，黑龍江省中南部850—500 hPa之間的溫差普遍較大，T850-500≥25 ℃(圖5a和圖5b)。西南暖濕氣流向北輸送水汽，使大氣中低層顯著增濕，K指數(shù)較大，特別是暴雨區(qū)，K≥35 ℃。黑龍江省南部地區(qū)對(duì)流有效位能較大，出現(xiàn)暴雨的西南部地區(qū)，位于CAPE大梯度區(qū)北側(cè)，CAPE值為100—500 J·kg-1。8日(圖5c)，冷渦減弱階段，隨著高、低空的冷、暖平流逐漸減弱，850—500 hPa之間的溫差減小，暴雨區(qū)21 ℃≤T850-500≤23 ℃。臺(tái)風(fēng)攜帶暖濕空氣北上也會(huì)促使大氣中低層顯著增濕，K指數(shù)維持較大，特別是暴雨區(qū)依然是K≥35 ℃；CAPE減小到≤200 J·kg-1。

黑實(shí)線為T850-500，單位為℃，藍(lán)虛線為K指數(shù)，單位為℃，陰影為CAPE，單位為J·kg-1

冷渦的不同發(fā)展階段暴雨發(fā)生前6 h的不穩(wěn)定條件不同，冷渦新生和維持階段，T850-500≥25 ℃，K≥35 ℃，且有一定的對(duì)流有效位能，對(duì)暴雨的出現(xiàn)有較好的指示意義。而冷渦減弱階段除了K指數(shù)依然維持較大外，高低空溫差及對(duì)流有效位能均減小，不穩(wěn)定條件的指示意義變?nèi)酢?/p>

2.5 動(dòng)力特征

位渦是一個(gè)包含了熱力因子和動(dòng)力因子的綜合物理量，具有守恒性，在絕熱、無(wú)摩擦條件下，運(yùn)動(dòng)大氣的位渦保持不變，這樣可以通過(guò)追蹤位渦異常區(qū)來(lái)追蹤大氣擾動(dòng)的演變情況[19]。從位渦的垂直剖面(圖6)上看，暖鋒高層的正位渦強(qiáng)度不斷增大，正位渦大值區(qū)也是渦度和靜力穩(wěn)定度的大值區(qū)，與氣旋性環(huán)流相對(duì)應(yīng)。高層正位渦大值區(qū)的范圍不斷向下層擴(kuò)展，在對(duì)流層中層和低層分別形成正位渦中心，相應(yīng)地大氣中低層的渦度不斷增加，逐漸在暖鋒前形成正渦柱結(jié)構(gòu)，并在地面鋒區(qū)上誘發(fā)出氣旋性環(huán)流，8日在黑龍江省西南部有低壓新生。

散度和垂直速度的垂直剖面(圖6d至圖6f)上，暖鋒鋒區(qū)低層有較強(qiáng)的輻合，高層有輻散，但強(qiáng)度小于低層輻合。鋒區(qū)低層的強(qiáng)輻合區(qū)位于迎風(fēng)坡，鋒面輻合抬升和地形強(qiáng)迫抬升的共同作用，使得低層強(qiáng)輻合區(qū)持續(xù)3 d維持在此處，對(duì)應(yīng)中低層的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。垂直流場(chǎng)上表現(xiàn)為暖鋒前上升，鋒后下沉的垂直于鋒區(qū)的次級(jí)環(huán)流。

圖a至圖c等值線為渦度，單位為10-5 s-1，陰影為位渦，單位為PVU=10-6 m2·K·s-1·kg-1，圖d至圖f等值線為散度，單位為10-5 s-1，陰影為垂直速度，單位為Pa·s-1，箭矢為v-w(w放大100倍)

做3個(gè)暴雨中心各物理量的高度—時(shí)間演變圖(圖7)，來(lái)研究本次暴雨過(guò)程的降水特點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)本次暴雨過(guò)程低層濕度較大，850 hPa比濕達(dá)到11—13 g·kg-1，濕層深厚；較強(qiáng)的水汽通量輻合出現(xiàn)在850 hPa以下；中低層具有上升運(yùn)動(dòng)，而上升速度普遍不超過(guò)-1 Pa·s-1。強(qiáng)降水時(shí)段中低層上升運(yùn)動(dòng)和低層水汽輻合疊置；而小時(shí)雨強(qiáng)<10 mm·h-1時(shí)低層上升運(yùn)動(dòng)之上的中層為下沉運(yùn)動(dòng)，即對(duì)流發(fā)展受到抑制，所以雨強(qiáng)不大。

陰影為水汽通量散度，單位為10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1，黑色等值線為垂直速度，單位為Pa·s-1，紅色等值線為比濕，單位為 g·kg-1

3 結(jié)論

(1)在東北冷渦前側(cè)，低層持續(xù)受暖鋒影響出現(xiàn)持續(xù)性暴雨。暖鋒鋒生加強(qiáng)了低層輻合抬升，高層位于高空急流入口區(qū)，加強(qiáng)了高層輻散，降水強(qiáng)度增大。冷渦東移減弱階段，臺(tái)風(fēng)攜帶大量暖濕空氣北上促使鋒區(qū)北抬，強(qiáng)降水維持。暖鋒穩(wěn)定維持在同一區(qū)域且不斷鋒生造成暴雨。強(qiáng)降水出現(xiàn)在850 hPa鋒區(qū)南側(cè)，呈東西帶狀分布，暴雨與最大鋒生區(qū)相對(duì)應(yīng)。大氣中層為弱對(duì)流不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)降水的維持。

(2)高層正位渦大值區(qū)向下層擴(kuò)展，在中低層形成正位渦中心，促使渦度增加，在暖鋒前形成正渦柱結(jié)構(gòu)，在地面鋒區(qū)上誘發(fā)出氣旋性環(huán)流，有低壓新生。鋒區(qū)低層的強(qiáng)輻合區(qū)位于迎風(fēng)坡，鋒面輻合抬升和地形強(qiáng)迫抬升的共同作用，使低層強(qiáng)輻合區(qū)持續(xù)3 d維持在同一區(qū)域，對(duì)應(yīng)中低層的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。垂直流場(chǎng)上表現(xiàn)為暖鋒前上升，鋒后下沉的垂直于鋒區(qū)的次級(jí)環(huán)流。

(3)強(qiáng)降水期間有兩條水汽輸送路徑：第一條為副高外圍的偏南氣流向北輸送水汽，第二條為偏東(東北)氣流向西輸送水汽。暴雨區(qū)東邊界的水汽輸入最為關(guān)鍵，占到整個(gè)水汽輸入總量的一半，盡管南邊界的總水汽輸入量不大，但集中出現(xiàn)在第一個(gè)暴雨日，是6日暴雨過(guò)程主要水汽貢獻(xiàn)者。

(4)冷渦的不同發(fā)展階段產(chǎn)生暴雨所需要的不穩(wěn)定條件預(yù)報(bào)指標(biāo)不同，冷渦新生和維持階段，T850-500≥25 ℃，K≥35 ℃，且有一定的對(duì)流有效位能，對(duì)暴雨的出現(xiàn)有較好的指示意義。而冷渦減弱階段，除了K指數(shù)依然維持較大外，高低空溫差及對(duì)流有效位能均減小，不穩(wěn)定條件的指示作用變?nèi)酢?/p>