一次局地強(qiáng)降水的中尺度特征

周奕含，韓 冰，齊 鐸，王深義

（黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

黑龍江省位于我國東北地區(qū)，地處亞洲中高緯，災(zāi)害性天氣頻發(fā)，尤其夏季出現(xiàn)的雷暴大風(fēng)、冰雹、短時強(qiáng)降水及龍卷等強(qiáng)對流天氣都對生命財產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著直接影響。強(qiáng)對流天氣以突發(fā)性、局地性、致災(zāi)性強(qiáng)而備受關(guān)注，其中以短時強(qiáng)降水天氣出現(xiàn)的頻率最高。短時強(qiáng)降水通常是在有利的大尺度條件由中小尺度的系統(tǒng)產(chǎn)生而來的[1]。馬素艷[2]認(rèn)為次天氣尺度系統(tǒng)對強(qiáng)降水的觸發(fā)作用更為明顯；刁秀廣[3]提出超低空急流的建立和維持對強(qiáng)降水的形成和維持起到了重要作用。近年來許多氣象學(xué)者[4-8]也從中小尺度特征對東北地區(qū)出現(xiàn)的短時強(qiáng)降水進(jìn)行不同角度的研究，進(jìn)一步對中尺度系統(tǒng)的演變及對東北降水的影響有了深入的理解。

2020年7月6-7日，黑龍江省自西向東出現(xiàn)了一次區(qū)域性大到暴雨天氣，在此次降水過程中以7月6日的降水強(qiáng)度最大，在2020年7月6日16-22時（北京時，下同）黑龍江省西南部縣市出現(xiàn)了局地短時暴雨，有10個站的降水累積量超過50 mm。此次過程最強(qiáng)降水出現(xiàn)在巴彥的龍泉鎮(zhèn)累積降水為130.9 mm，最大小時降水出現(xiàn)在18-19時為52.8 mm。肇州縣的興城和肇東市的安民鄉(xiāng)在17-18時的也出現(xiàn)了過程最強(qiáng)小時降水量分別為74.2 mm和54.7 mm（圖1）。本文利用常規(guī)資料、自動站資料和ERA5再分析資料對2020年7月6日的一次短時強(qiáng)降水天氣進(jìn)行中尺度特征分析，為以后此類強(qiáng)對流天氣造成的強(qiáng)降水的出現(xiàn)提供預(yù)報指標(biāo)。

圖1 2020年7月6日 逐小時單站降水量(單位：mm)

2 天氣形勢

2.1 天氣環(huán)流背景

500 hPa上，7月4-6日，亞歐大陸呈現(xiàn)兩槽一脊形勢，在中西伯利亞高原形成的高壓脊引導(dǎo)冷空氣南下，由于鄂霍次克海高壓的阻擋，蒙古高原北側(cè)的冷渦穩(wěn)定維持，冷空氣在黑龍江省北部堆積，低壓槽經(jīng)向度增大。6日14時（圖2a），500 hPa為南、北兩個槽，北部槽線位于黑龍江北部-東北地區(qū)南部。850 hPa低渦中心位于黑龍江中部地區(qū)，暖式切變位于內(nèi)蒙古的東部至黑龍江的中部地區(qū)，強(qiáng)降水區(qū)位于暖式切變南側(cè)的暖區(qū)內(nèi)，切變線南側(cè)風(fēng)速增加產(chǎn)生了＞12 m/s的急流，暖濕空氣在黑龍江南部地區(qū)輻合產(chǎn)生不穩(wěn)定能量，形成了黑龍江省西南部的強(qiáng)降水。23時（圖2b）隨著850 hPa西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西風(fēng)，低層切變向北抬，強(qiáng)降水隨之結(jié)束。

圖2 2020年7月6日（a)14時，(b)23時天氣形勢

2.2 環(huán)境特征分析

2020年7月6日08時的哈爾濱探空圖上有兩個明顯濕層分別為850 hPa以下和700-500 hPa，其中間略干層的溫度露點差為5℃，構(gòu)成了中低層的上干下濕的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。利用午后14時地面溫度訂正08時探空后(圖3)，對流有效位能增加至1581.4 J·kg-1，抬升指數(shù)為-2.16℃，K指數(shù)為32℃。逆溫層位于925 hPa，近地面的暖濕空氣在低層被阻擋，隨著午后升溫，積累的不穩(wěn)定能量釋放。近地面至850 hPa風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流存在，700 hPa以上風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)為冷平流，這種冷暖配置也使不穩(wěn)定層結(jié)增加。對比短時強(qiáng)降水出現(xiàn)的環(huán)境特征[9]，此次探空濕層達(dá)3600 km，保證了降水所需要的水汽，0-6 km的垂直風(fēng)切變?yōu)?.3 m·s-1，深厚的濕層和弱的垂直風(fēng)切變也為此次強(qiáng)降水提供有利的環(huán)境條件。

圖3 2020年7月6日08時（實況訂正后）哈爾濱站探空曲線

3 水汽條件

低層的水汽輻合通常與降水落區(qū)相對應(yīng)。在17時龍泉鎮(zhèn)出現(xiàn)強(qiáng)降水時，沿降水中心做水汽通量散度和垂直速度的經(jīng)向-高度的剖面（圖4a），強(qiáng)降水區(qū)附近存在近地面至800 hPa的水汽輻合，輻合中心位于近地面，強(qiáng)度為-12×10-5g·（hPa·cm·s)-1，從輻合中心向上至200 hPa為較強(qiáng)的垂直上升運動，上升運動中心位于500 hPa，強(qiáng)度達(dá)到-15×10-2Pa·s-1。對比14時近地面的輻合中心增加了4×10-5g·（hPa·cm·s)-1。近地面的水汽通量輻合通過垂直運動向上延展，進(jìn)而引起高層出現(xiàn)凝結(jié),為降水提供了水汽供應(yīng)。

在14時（圖4b）強(qiáng)降水區(qū)的南側(cè)925 hPa上西南風(fēng)風(fēng)速開始增強(qiáng)，形成了超低空的中尺度西南急流，并在17時強(qiáng)降水開始前進(jìn)一步加強(qiáng)，急流最大風(fēng)速為18 m/s。同時東北地區(qū)能明顯的分析出兩個水汽通量大值區(qū)分別位于黑龍江的北部和遼寧至黑龍江西南部一帶，形成了南北兩個水汽通道，并在黑龍江的中部地區(qū)匯合，雖然兩個水汽通量大值區(qū)均位于陸地，但是南側(cè)通過超低空西南急流從渤海灣的輸送，為強(qiáng)降水提供源源不斷的水汽供應(yīng)。水汽通量場表現(xiàn)黑龍江中部地區(qū)有-15 g·（hPa·cm·s)-1的輻合中心。降水強(qiáng)盛時期，兩支水汽通道均有水汽流入加強(qiáng)，南支大值中心超過12 g·（hPa·cm·s)-1。水汽通量輻合中心范圍增大并成帶狀分布，強(qiáng)降水區(qū)與水汽輻合區(qū)域?qū)?yīng)較好。超低層急流的形成為此次強(qiáng)降水提供充足的水汽供應(yīng)。

圖4 2020年7月6日17時（a）龍泉鎮(zhèn)水汽通量散度（陰影區(qū)，單位：g·（hPa·cm·s)-1）和垂直速度（黑色虛線，單位：10-2 Pa·s-1）的經(jīng)向-高度剖面和（b）925 hPa水汽通量(黑色虛線，單位：g·（hPa·cm·s)-1)、水汽通量散度（陰影區(qū)，單位：g·（hPa·cm·s)-1）和風(fēng)場矢量（黑色矢量，單位：m/s）

4 熱力不穩(wěn)定特征

假相當(dāng)位溫θse為濕度、溫度、氣壓的函數(shù)，它能清楚的反應(yīng)大氣層結(jié)的能量分布。沿強(qiáng)降水中心127.5°E做假相當(dāng)位溫的經(jīng)向-高度剖面圖，強(qiáng)降水發(fā)生前期在46°N-48°N的近地面有θse＞336 K的高能舌向上伸展至800 hPa，在600 hPa的中層有低能區(qū)相配合，形成了大氣對流性不穩(wěn)定。在17時強(qiáng)降水開始時刻（圖5a），低層比濕增大了2 g/kg，在強(qiáng)降水附近出現(xiàn)了從下至上的濕舌，且方向略向北傾斜，低層近地面暖平流增加了10×10-6K·s-1,500-700 hPa為冷平流，強(qiáng)度中心值為-5×10-6K·s-1。低層不斷增暖，中高層不斷變冷，這種“上冷下暖”的結(jié)構(gòu)分布更有利于大氣不穩(wěn)定的增加。強(qiáng)降水區(qū)的北部北側(cè)中高層也存在著更大的冷平流中心和能量的低值區(qū)，不斷向降水區(qū)靠近，干冷空氣隨之向下滲透，低層的增溫增濕與中層干冷空氣入侵使之前的低能區(qū)與高能舌垂直梯度增大，在強(qiáng)降水區(qū)的上空形成了能量鋒區(qū)，不穩(wěn)定層結(jié)加強(qiáng)，更有利于對流系統(tǒng)的維持和加強(qiáng)[10]。隨著降水后潛熱釋放（圖5b），20時近地面變?yōu)槔淦搅饔绊?，中低層比濕線平直，濕舌消失，θse減小，強(qiáng)降水趨于結(jié)束。通過分析發(fā)現(xiàn)此次強(qiáng)對流天氣是由于中層干冷空氣的入侵和低層的增溫增濕加強(qiáng)了對流的不穩(wěn)定性而形成的局地對流性強(qiáng)降水。

圖5 2020年7月6日（a)17時，(b)20時龍泉鎮(zhèn)的假相當(dāng)位溫（陰影區(qū)，單位：K）、溫度平流(黑色實線，單位：10-6 K·s-1)和比濕（黑色虛線，單位：g/kg）經(jīng)向-高度剖面

5 中尺度對流特征

5.1 中尺度對流云團(tuán)

云頂黑體亮溫通常對東北冷渦降水有很好的指示作用[11]。7月6日16時從內(nèi)蒙東北部至黑龍江西部地區(qū)和黑龍江的中東部地區(qū)有兩條帶狀的對流云系在黑龍江中部地區(qū)相連，此次強(qiáng)降水主要是由于西側(cè)中尺度對流云帶引起的。在17時（圖6a）整體云帶迅速向東移動，西側(cè)云帶≤-32℃的范圍向東延伸，強(qiáng)中心≤-62℃的面積也逐漸變大東伸，此時暴雨區(qū)的降水強(qiáng)度開始增大。18-19時（圖6b、c）TBB＜-62℃的范圍向東收縮，對流云帶繼續(xù)加強(qiáng)，TBB中心最低值降至-64℃，龍泉鎮(zhèn)位于中心強(qiáng)度東側(cè)的梯度大值區(qū)，此時龍泉鎮(zhèn)的降水量為52.8 mm/h。20時（圖6d）TBB中心還在強(qiáng)降水區(qū)，但是TBB的梯度減弱，降水仍在持續(xù)，＜-32℃的冷云面積減小。21時TBB中心移出強(qiáng)降水中心，該小時的降水強(qiáng)度明顯下降為19.7 mm，云帶強(qiáng)度開始下降并明顯東移減弱直到消失。此次對流云帶中心強(qiáng)度在黑龍江中部地區(qū)時達(dá)到最強(qiáng)且冷云面積擴(kuò)展至最大并在強(qiáng)降水區(qū)持續(xù)了3 h，強(qiáng)降水的最強(qiáng)小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在TBB中心溫度最低時，且位于冷云前側(cè)TBB梯度大值區(qū)內(nèi)，中尺度特征明顯。

圖6 7月6日（a)17時，(b)18時，(c)19時，(d)20時Fy-2G衛(wèi)星黑體亮溫

5.2 雷達(dá)系統(tǒng)演變

雨強(qiáng)和降水時間是強(qiáng)降水識別的重要因素。此次強(qiáng)降水主要受β中尺度線狀對流發(fā)生發(fā)展的影響[12]。從雷達(dá)演變特征中可以看出，16時開始強(qiáng)降水中心龍泉鎮(zhèn)北側(cè)有混合性降水回波形成窄帶排列開始影響該地區(qū)出現(xiàn)降水(圖略)，在西南風(fēng)的作用下強(qiáng)回波快速向東北方向移動，17時巴彥至呼蘭有地面中尺度輻合線存在，由于輻合線的觸發(fā)，在呼蘭(圖7a)不斷有新的γ對流單體生成向東北方向移動不斷的在巴彥合并。前側(cè)的回波衰減，后側(cè)回波不斷新生合并替代前側(cè)回波，生成了后向傳播的“列車效應(yīng)”，長時間的強(qiáng)回波影響使得龍泉鎮(zhèn)產(chǎn)生了的強(qiáng)降水。

圖7 （a)16時56分，(b)18時26分哈爾濱雷達(dá)2.4°反射率因子

重點分析18-19時最強(qiáng)降水時段的雷達(dá)特征(圖7a、b)，在哈爾濱雷達(dá)2.4°仰角的反射率因子圖上，強(qiáng)降水中心始終位于強(qiáng)回波中心，回波帶最強(qiáng)時刻的反射率因子＞60 dBZ，多個超過50 dBZ的強(qiáng)中心點，其高度均在4 km以下，具有低質(zhì)心暖云降水的特征。從垂直液態(tài)水演變上（圖8）分析可知，從18時03分開始連續(xù)6個體掃巴彥縣南部影響強(qiáng)降水的回波帶中最大垂直液態(tài)水含量值為34.6 kg·m2，垂直液態(tài)水大值帶位于回波帶的反射率因子大值區(qū)和低層徑向速度輻合處。而這種高垂直液態(tài)水高值帶的維持也是中尺度對流引發(fā)“列車效應(yīng)”進(jìn)而造成局地強(qiáng)降水的重要因素[13]。

圖8 強(qiáng)回波中心垂直液態(tài)水演變

6 結(jié)論

本文利用常規(guī)觀測資料、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波資料、自動氣象站降水量和ERA5再分析資料，對一次暖區(qū)短時強(qiáng)降水天氣進(jìn)行中尺度特征分析，得出結(jié)論如下：

（1）2020年7月6日午后的強(qiáng)降水主要是發(fā)生在東北冷渦和低層西南風(fēng)增強(qiáng)的暖區(qū)內(nèi)，具有范圍小，持續(xù)時間短，降水強(qiáng)度大的特點。

（2）強(qiáng)降水發(fā)生期間，垂直方向上的運動明顯加強(qiáng)，上升運動中心位于500 hPa，強(qiáng)度達(dá)到-15×10-2Pa·s-1，垂直方向上近地面的水汽輻合向上延伸，輻合中心增加了4×10-5g·（hPa·cm·s)-1形成水汽凝結(jié)。超低空有西南急流形成，為此次強(qiáng)降水提供水汽供應(yīng)。

（3）強(qiáng)降水發(fā)生前是對流層中層冷平流不斷加強(qiáng)和低層增溫增濕而產(chǎn)生的對流性不穩(wěn)定促進(jìn)了局地對流性降水的發(fā)生。

（4）對流云帶午后迅速發(fā)展，到達(dá)強(qiáng)降水區(qū)的過程中冷云的強(qiáng)度和面積達(dá)到最大，小時雨強(qiáng)最大出現(xiàn)在TBB中心溫度<-62℃時，且位于冷云前側(cè)TBB梯度大值區(qū)內(nèi)，具有明顯的中尺度特征。

（5）由于地面的輻合線的觸發(fā)，不斷有γ對流單體生成，前側(cè)單體減弱，后側(cè)單體新生，形成了后向傳播的“列車效應(yīng)”。降水強(qiáng)度最大時，對流單體的垂直液體含水量超過34.6 kg·m2且維持多個體掃，也是中尺度對流引發(fā)此次“列車效應(yīng)”的原因。