吉林省邊疆近海區(qū)東風(fēng)急流暴雨預(yù)報技術(shù)研究

董鶴松 張瑩瑩 馮景瑜 隋 妍

（延邊朝鮮族自治州氣象局，吉林 延吉 133000）

1 引言

延邊朝鮮族自治州是吉林省東部邊疆近海區(qū)，處于長白山脈腳下，地形地貌復(fù)雜，且東臨日本海， 海洋上的暖濕氣流時常自東向西進(jìn)入延邊地區(qū)，氣象災(zāi)害頻繁。每年5—10 月常有北上或東移進(jìn)入朝鮮半島、日本海的氣旋影響吉林省東部，其北側(cè)東風(fēng)氣流常給延邊地區(qū)帶來暴雨天氣，降水起止時間、落區(qū)等問題是預(yù)報難點和關(guān)鍵，困擾著當(dāng)?shù)貧庀蠊ぷ髡?。國?nèi)對于回流天氣的研究，多集中于華北、山東半島地區(qū)，對吉林省乃至東北地區(qū)東部的回流天氣研究較少。 華北回流是指對流層底層自東北平原南下經(jīng)渤海影響華北平原的冷空氣， 而影響東北地區(qū)東部的回流是來自日本海的一股暖濕氣流，兩者雖有一定的相似之處，但卻是性質(zhì)完全不同的兩種氣團。 張迎新等[1]發(fā)現(xiàn)，華北回流在降水中起“冷墊”作用，而東北回流則是降水的水汽“供應(yīng)者”。 為充分認(rèn)識吉林省回流暴雨天氣特征， 探討吉林省邊疆近海區(qū)東風(fēng)急流暴雨天氣成因，本文通過分析研究暴雨環(huán)流形勢、風(fēng)場擾動配置、系統(tǒng)演變、物理量指標(biāo)等形成客觀預(yù)報方法， 提升此類暴雨天氣的分析和預(yù)報預(yù)警能力，為今后預(yù)報同類天氣起到參考作用。

2 資料和研究方法

本文利用1990—2019 年常規(guī)觀測資料、NCEP 再分析資料及Micaps 資料。取逐日降水量資料， 當(dāng)受東風(fēng)急流影響在延邊地區(qū)8 個縣（市）國家氣象觀測站中，至少有2 站出現(xiàn)日降水量≥50mm 時，定義為一次東風(fēng)急流暴雨過程。經(jīng)統(tǒng)計，此類過程共出現(xiàn)26 次。

選取26 次暴雨的主要影響系統(tǒng)，根據(jù)主要影響天氣系統(tǒng)的相互配置對暴雨進(jìn)行綜合分型，從地面影響系統(tǒng)來看， 其中受熱帶氣旋影響的占50%（13 例）， 受溫帶氣旋影響的占46%（12 例），受倒槽影響的占4%（1 例）。 可見，東風(fēng)急流影響延邊地區(qū)出現(xiàn)的暴雨影響系統(tǒng)主要分為溫帶氣旋型和熱帶氣旋型。 在溫帶氣旋型12 個個例中，1個個例受蒙古氣旋影響， 其余個例均受南方氣旋影響，因此本文選取南方氣旋型11 個個例作為溫帶氣旋型研究樣本，熱帶氣旋型13 個個例作為熱帶氣旋型研究樣本， 應(yīng)用天氣學(xué)方法將影響延邊地區(qū)的東風(fēng)回流暴雨分為溫帶氣旋型和熱帶氣旋型兩類進(jìn)行分析研究[2]。

3 東風(fēng)急流暴雨時空特征

從暴雨個例時間分布來看， 暴雨主要發(fā)生在5—10 月， 其中7 月和9 月出現(xiàn)的個例最多，77%的個例出現(xiàn)在6 月中旬—9 月中旬。 從空間分布來看，此類暴雨呈非對稱結(jié)構(gòu)，多出現(xiàn)在延邊地區(qū)東部， 位于延邊東部的琿春站出現(xiàn)暴雨的個例占85%， 而僅19%的個例在延邊西部敦化站出現(xiàn)了暴雨。

溫帶氣旋型11 個個例中，8 個個例出現(xiàn)在6—7 月，占73%（圖1a）。此類個例中，降水主要呈現(xiàn)出“東多西少”或“南多北少”的分布特點，暴雨中心出現(xiàn)在4 個縣（市），其中73%（8 個）的個例24h 最大降水量出現(xiàn)在琿春站（圖1b）。 降水中心的24h 降水量為51.8～81.3mm， 最大降水量出現(xiàn)在1992 年6 月17 日的琿春站。

熱帶氣旋型13 個個例中，11 個個例出現(xiàn)在7—9 月， 占84.6%；2 個個例出現(xiàn)在10 月，占15.4%（圖1c）。 在熱帶氣旋型個例中，降水同樣呈現(xiàn)出“東多西少”或“南多北少”的分布特點。 暴雨中心出現(xiàn)在5 個縣（市）， 其中46.2%的個例24h最大降水量出現(xiàn)在琿春站 （圖1d）。 降水中心的24h 降水量為51.1～174.6mm， 最大降水量出現(xiàn)在2016 年8 月30 日的圖們站。

圖1 1990—2019 年5—9 月溫帶氣旋型個例月分布（a）、各縣（市）出現(xiàn)最大降水中心概率（b）,1990—2019 年7—10 月熱帶氣旋型個例月分布（c）、各縣市出現(xiàn)最大降水中心概率（d）

4 天氣系統(tǒng)

4.1 副熱帶高壓

分析溫帶氣旋型個例的西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）特征發(fā)現(xiàn)，副高呈塊狀；中心強度為588～592dagpm；脊線在28°N 以北，最北可抬至40°N；西伸脊點在110°E～135°E。

分析熱帶氣旋型個例，副高均呈塊狀；中心強度為588～592dagpm；脊線位置偏北，位于35°N～40°N；西伸脊點位于135°E 附近，副高位置明顯偏東偏北。 副高在日本列島附近形成一個南北向的高壓壩，其西側(cè)有一條較強的偏南風(fēng)急流帶，引導(dǎo)臺風(fēng)北上。

可見暴雨發(fā)生時，副高多呈塊狀，位置偏北，強度偏強。 因此，副高的強度、位置和形狀對于東風(fēng)急流暴雨的出現(xiàn)至關(guān)重要[3-4]。

4.2 高低空環(huán)流形勢

溫帶氣旋型個例中，500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)多呈“兩脊一槽”型，高壓脊分別位于貝加爾湖附近和日本海附近， 蒙古國至東北地區(qū)西部多有南北向高空槽。 冷空氣沿貝加爾湖附近的高壓東側(cè)南下，使得高空槽不斷發(fā)展加強，并逐漸向東移動，但由于日本海附近高壓壩的存在，使得高空槽移動緩慢，降水時間較長。 700hPa 上均受切變線影響。過程開始初，切變線一般在渤海灣至朝鮮半島附近發(fā)展加強， 個別個例切變線位于吉林省西部，之后切變線逐漸向東北或向東移動。強降水期間，切變線多從延邊地區(qū)南部或西部穿過，且延邊地區(qū)多為東南風(fēng)或偏東風(fēng)風(fēng)速輻合。 850hPa 上在過程開始初， 多在朝鮮半島附近或吉林省西部存在低渦，低渦逐漸東移北上，且部分個例存在人字形切變線。在主要降水期間，延邊地區(qū)多處于冷式切變線的東側(cè)，或人字形切變線的內(nèi)部，個別個例位于暖式切變線的北側(cè)。隨著切變線移近，延邊地區(qū)風(fēng)速輻合逐漸增強，降水強度逐漸增強。

熱帶氣旋型個例中，500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)為“兩脊一槽”型或“兩脊兩槽”型，其中“兩脊一槽”型占多數(shù)，達(dá)61.5%。 “兩脊一槽”型中，一脊位于貝加爾湖以西， 另一脊位于庫頁島至日本列島一帶，兩高壓脊之間為寬廣的東亞槽區(qū)。之后整個東亞槽區(qū)緩慢東移南壓， 即在貝加爾湖以東為一個冷空氣堆，在槽（渦）后有冷空氣入侵，熱帶氣旋或臺風(fēng)亦處于東亞槽區(qū)內(nèi)?！皟杉箖刹邸毙椭校徊鄱辔挥诎蜖柨κ埠员?，其他槽脊位置與“兩脊一槽”型槽脊位置類似。 700hPa 和850hPa 上，均受熱帶氣旋北部切變線影響， 切變線一般從日本?；虺r半島附近北上影響延邊地區(qū)， 多為偏東風(fēng)或東南風(fēng)與東北風(fēng)的風(fēng)向切變以及偏東風(fēng)或東南風(fēng)的風(fēng)速輻合。隨著切變線移近延邊地區(qū)，風(fēng)速輻合增強，降水強度增強。

5 預(yù)報因子

從實際預(yù)報業(yè)務(wù)出發(fā)， 本文選取了基層臺站預(yù)報業(yè)務(wù)中常用的幾個物理量作為預(yù)報因子進(jìn)行統(tǒng)計分析[5-8]。

5.1 低空急流

分析溫帶氣旋型個例700hPa 風(fēng)場可以看出，在延邊地區(qū)附近多存在偏東或東南急流，風(fēng)速大值區(qū)呈東南—西北向帶狀分布，延邊地區(qū)處于急流軸北側(cè)風(fēng)速梯度大值區(qū)，700hPa 急流核最大風(fēng)速多為12～24m·s-1，最強可達(dá)28m·s-1。 850hPa 風(fēng)場上， 所有個例均存在偏東風(fēng)或東南風(fēng)急流，風(fēng)速大值區(qū)呈東北—西南向或東南—西北向帶狀分布，延邊地區(qū)處于急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū)，急流核最大風(fēng)速多為12～24m·s-1， 最大可達(dá)28m·s-1（圖2a）。

分析熱帶氣旋型個例700hPa 風(fēng)場可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)個例在延邊地區(qū)附近存在偏東風(fēng)或東南風(fēng)急流， 風(fēng)速大值區(qū)呈東南—西北向帶狀分布， 延邊東部處于急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū)，700hPa 急流核最大風(fēng)速多為18～28m·s-1，最強可達(dá)32m·s-1。 850hPa 風(fēng)場上，84.6%的個例在延邊地區(qū)附近存在偏東風(fēng)或東南風(fēng)急流，風(fēng)速大值區(qū)呈東西向或東南—西北向帶狀分布，延邊東部處于急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū)， 急流核最大風(fēng)速為12～24m·s-1（圖2b）。

綜上所述， 偏東風(fēng)和東南風(fēng)急流將水汽源源不斷地向延邊地區(qū)輸送， 為暴雨的產(chǎn)生提供了充沛的水汽和能量條件， 急流的方向和強度是判斷能否出現(xiàn)東風(fēng)急流暴雨的重要指標(biāo)[9]。

5.2 比濕

溫帶氣旋型個例中，850hPa 比濕均在6g·kg-1以上，最大達(dá)到13g·kg-1；700hPa 比濕均在4g·kg-1以上，最大達(dá)到10g·kg-1（圖2a）。

圖2 溫帶氣旋型（a）、熱帶氣旋型（b）東風(fēng)急流暴雨預(yù)報因子（風(fēng)速，單位：m·s-1；比濕，單位：g·kg-1；垂直速度，單位：10-1Pa·s-1；水汽通量，單位：g·cm-1·hPa-1·s-1；水汽通量散度，單位：10-8g·cm-2·hPa-1·s-1；假相當(dāng)位溫，單位：℃）

熱帶氣旋型個例中，850hPa 比濕均在6g·kg-1以 上， 最 大 可 達(dá)14g·kg-1；700hPa 比 濕 基 本 在6.5g·kg-1以上，最大可達(dá)11g·kg-1（圖2b）。

5.3 水汽通量及水汽通量散度

分析溫帶氣旋型個例850hPa 水汽通量分布可以看出，水汽通量大值軸呈現(xiàn)東南—西北向分布，且多位于日本海附近， 中心強度為10g·（cm·hPa·s）-1以上， 最大可達(dá)25g·（cm·hPa·s）-1。 延邊地區(qū)850hPa 水汽通量在3g·（cm·hPa·s）-1以上， 最大達(dá)15g·（cm·hPa·s）-1。 從850hPa 水汽通量散度分布來看， 延邊地區(qū)位于水汽通量輻合區(qū)內(nèi)， 強度在-1.5×10-8g·（cm2·hPa·s）-1以上， 最強可達(dá)-8×10-8g·（cm2·hPa·s）-1（圖2a）。

分析熱帶氣旋型個例850hPa 水汽通量分布可以發(fā)現(xiàn)， 熱帶氣旋與日本海附近的副熱帶高壓之間所形成的偏東風(fēng)和東南風(fēng)低空急流將日本海水汽源源不斷地向延邊地區(qū)輸送。 水汽通量大值軸呈現(xiàn)東西向或東南—西北向分布， 中心位于日本海附近，強度在10g·（cm·hPa·s）-1以上，最大可達(dá)33g·（cm·hPa·s）-1。 延邊地區(qū)850hPa 最大水汽通量在6g·（cm·hPa·s）-1以上， 最大達(dá)22g·（cm·hPa·s）-1。 從850hPa 水汽通量散度的分布來看，延邊地區(qū)位于水汽通量輻合區(qū)內(nèi)，強度在-1.0×10-8g·（cm2·hPa·s）-1以上，最強可達(dá)-17×10-8g·（cm2·hPa·s）-1（圖2b）。

綜上所述，850hPa 水汽通量輻合中心位于延邊東部，與暴雨落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，可用于預(yù)報強降水中心位置。

5.4 垂直速度

溫帶氣旋型個例中， 暴雨期間垂直速度上升區(qū)呈帶狀分布， 延邊地區(qū)700hPa 垂直速度≤-0.4Pa·s-1， 最強為-1.2Pa·s-1；850hPa 多為正負(fù)速度對，延邊地區(qū)在垂直速度上升區(qū)內(nèi)，垂直速度≤-0.1Pa·s-1，最強為-1.0Pa·s-1（圖2a）。

熱帶氣旋型個例中， 暴雨期間垂直速度上升區(qū)呈帶狀分布， 延邊地區(qū)700hPa 垂直速度≤-0.4Pa·s-1，最強為-2Pa·s-1；850hPa 多為正負(fù)速度對， 延邊地區(qū)在垂直速度上升區(qū)內(nèi)， 垂直速度≤-0.3Pa·s-1，最強為-2Pa·s-1（圖2b）。

5.5 假相當(dāng)位溫

分析溫帶氣旋型個例850hPa 假相當(dāng)位溫水平分布， 從中可見假相當(dāng)位溫大值中心起初位于日本?；虿澈掣浇⒅饾u向北推進(jìn)，且梯度增強， 延邊地區(qū)最大值為36～68℃， 平均值為47℃（圖2a）。

分析熱帶氣旋型個例850hPa 假相當(dāng)位溫水平分布， 從中可見假相當(dāng)位溫大值中心起初位于日本海上，隨著熱帶氣旋或臺風(fēng)北上，大值區(qū)逐漸從海上跨上大陸，并伸入延邊東部。此后假相當(dāng)位溫量值增大、梯度增強，延邊東部最大量值為31～74℃，平均值為57℃（圖2b）。

通過分析發(fā)現(xiàn)， 暴雨中心一般位于能量舌上或能量鋒區(qū)附近且靠近大值區(qū)一側(cè)。

6 概念模型的建立

根據(jù)不同環(huán)流形勢配置，對溫帶氣旋型11 個個例，熱帶氣旋型13 個個例的常規(guī)預(yù)報因子進(jìn)行統(tǒng)計分析， 在此基礎(chǔ)上建立溫帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型（圖3）和熱帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型（圖4）。

圖3 溫帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型（藍(lán)色箭頭：干冷氣流；紅色箭頭：暖濕氣流；棕色實線：500hPa 槽線；紅色雙實線：850hPa 切變線；綠色實線：850hPa 濕區(qū)；綠色陰影：暴雨區(qū)）

圖4 熱帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型（紅色實線：熱帶氣旋路徑；棕色實線：500hPa 槽線；棕色箭頭：700hPa 急流；紅色箭頭：850hPa 急流；綠色實線：850hPa 濕區(qū)；綠色陰影：暴雨區(qū)）

6.1 溫帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型

500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)呈“兩脊一槽”型，冷空氣沿貝加爾湖附近高壓脊南下， 使得東北一帶高空槽不斷發(fā)展加強， 日本海附近高壓壩使高空槽東移緩慢。副高呈塊狀，中心強度為588～592dagpm，脊線位于28°N～40°N，西伸脊點在110°E～135°E。

700hPa 切變線從延邊地區(qū)南部或西部穿過后減弱入海， 延邊地區(qū)多處于東南風(fēng)或偏東風(fēng)風(fēng)速輻合區(qū)內(nèi)。 850hPa 低渦東移北上，在主要降水期間位于冷式切變線東側(cè)。

延邊地區(qū)處于低空急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū)，700hPa 和850hPa 急流核最大風(fēng)速多為12～24m·s-1，最大可達(dá)28m·s-1。

850hPa 比 濕 大 于6g·kg-1，700hPa 比 濕 大 于4g·kg-1。 有來自日本海中心強度在10g·（cm·hPa·s）-1以上的850hPa 水汽通量輸送， 延邊地區(qū)850hPa水汽通量值在3g·（cm·hPa·s）-1以上， 且位于850hPa 水汽輻合區(qū)內(nèi)， 水汽通量散度小于-1.5×10-8g·（cm2·hPa·s）-1。

700hPa 垂直速度小于-0.4Pa·s-1；850hPa 垂直速度小于-0.1Pa·s-1。

延邊地區(qū)位于能量舌上或能量鋒區(qū)附近且靠近大值區(qū)一側(cè)，假相當(dāng)位溫為36～68℃。

6.2 熱帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型

500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)為 “兩脊一槽”或“兩脊兩槽”型。 副高呈塊狀；中心強度為588～592dagpm；脊線位置偏北，位于35°N～40°N；西伸脊點位于135°E 附近， 在日本列島附近形成一個南北向高壓壩。

700hPa 和850hPa 上均受熱帶氣旋或臺風(fēng)北部切變線影響， 多為偏東風(fēng)或東南風(fēng)與東北風(fēng)風(fēng)向切變以及偏東風(fēng)或東南風(fēng)風(fēng)速輻合。

延邊東部處于急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū)，700hPa 急流核最大風(fēng)速為18～28m·s-1；850hPa 急流核最大風(fēng)速為12～24m·s-1。

850hPa 比 濕 大 于6g·kg-1，700hPa 比 濕 大 于6.5g·kg-1；有中心位于日本海強度在10g·（cm·hPa·s）-1以上的850hPa 水汽通量輸送。延邊地區(qū)850hPa 水汽通量值大于6g·（cm·hPa·s）-1，且位于850hPa 水汽輻合區(qū)內(nèi)；水汽通量散度小于-1.0×10-8g·（cm2·hPa·s）-1。

700hPa 垂直速度小于-0.4Pa·s-1；850hPa 垂直速度小于-0.3Pa·s-1。假相當(dāng)位溫從日本海伸入延邊地區(qū)東部，量值大、梯度強，最大量值為31～74℃。

7 結(jié)語

利用1990—2019 年常規(guī)觀測資料、NCEP 再分析資料及Micaps 資料，統(tǒng)計了吉林省邊疆近海區(qū)東風(fēng)急流暴雨發(fā)生時空分布特征， 劃分了天氣類型， 在此基礎(chǔ)上對常規(guī)預(yù)報因子進(jìn)行了統(tǒng)計分析，建立概念模型，給出了定量化的物理量判別指標(biāo)。

（1）東風(fēng)急流暴雨主要發(fā)生在5—10 月，其中77%個例出現(xiàn)在6 月中旬—9 月中旬。暴雨呈非對稱結(jié)構(gòu)，多出現(xiàn)在延邊地區(qū)東部，琿春站最多，占個例總數(shù)的85%。

（2） 東風(fēng)急流暴雨環(huán)流形勢配置劃分為溫帶氣旋型和熱帶氣旋型。中高緯地區(qū)均呈經(jīng)向環(huán)流，暴雨發(fā)生時，副高多呈塊狀，位置偏北，強度偏強，中心強度一般為588～592dagpm。 偏東風(fēng)和東南風(fēng)急流的建立為暴雨發(fā)生提供了充沛的水汽和能量條件。 850hPa 水汽通量輻合中心位于延邊東部，與暴雨落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系。

（3） 選取了基層臺站預(yù)報業(yè)務(wù)中常用的低空急流、比濕、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度、假相當(dāng)位溫作為預(yù)報因子進(jìn)行統(tǒng)計分析， 給出了定量化的物理量判別指標(biāo)， 建立了溫帶氣旋型和熱帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型。

（4） 本文填補了與東風(fēng)急流相伴的吉林省邊疆近海區(qū)暴雨的研究空白， 為提高此類天氣過程的診斷分析和預(yù)報預(yù)警能力提供了科學(xué)依據(jù)。 下一步開展地形因素對此類暴雨落區(qū)影響的研究工作。