冷渦減弱階段的強(qiáng)對(duì)流天氣中尺度特征分析

云 天 劉子琪 王 寧 劉海峰

（吉林省氣象臺(tái)，吉林長(zhǎng)春 130062）

1 引言

東北冷渦（NECV）一般指在500hPa天氣圖上，35°N—60°N、115°E—145°E范圍內(nèi)有閉合等高線，配合有冷中心或冷槽，具有能夠持續(xù)維持3d或3d以上的低壓環(huán)流系統(tǒng)[1]。東北冷渦是東北地區(qū)常見(jiàn)且特有的引發(fā)暴雨的天氣系統(tǒng)，也是引發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣的重要天氣系統(tǒng)之一[2]。研究顯示，在東北冷渦的形成、發(fā)展、持續(xù)、消退期均可伴隨強(qiáng)對(duì)流天氣，但強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)生在東北冷渦加強(qiáng)和維持階段，而在冷渦減弱時(shí)相對(duì)較少，所以該類(lèi)個(gè)例也特別值得研究和關(guān)注[3]；東北冷渦不同階段產(chǎn)生暴雨的強(qiáng)度、范圍以及中小尺度特征均呈現(xiàn)不同特征[4]。本研究選取處于成熟—消退階段的冷渦天氣過(guò)程，對(duì)該冷渦引發(fā)的強(qiáng)對(duì)流天氣從天氣尺度環(huán)流形勢(shì)、環(huán)境場(chǎng)變化、中尺度對(duì)流系統(tǒng)特征等角度進(jìn)行分析，揭示冷渦背景下連續(xù)的強(qiáng)對(duì)流天氣的多尺度作用及中尺度特征。

2 天氣概況

2.1 天氣背景分析

2019年6月16日08時(shí)貝加爾湖東側(cè)形成一個(gè)高空低渦，500hPa上，低渦中心位于115°E、51°N附近，中心強(qiáng)度為549dagpm，有閉合等高線2條。16—19日低渦從蒙古高原東側(cè)經(jīng)內(nèi)蒙古東北部移至東北平原北部，500hPa低渦中心氣壓值呈緩慢升高趨勢(shì)。18日08時(shí)500hPa歐亞大陸中高緯呈兩脊一槽形勢(shì)，溫度槽和位勢(shì)高度槽基本重合，無(wú)明顯冷暖平流。19日08時(shí)該低渦中心位于126°E、46°N附近，中心強(qiáng)度為562dagpm。19日白天低渦減弱為西風(fēng)槽繼續(xù)東移。東北冷渦緩慢東移的過(guò)程中，不僅500hPa中心強(qiáng)度在減弱，從18日開(kāi)始閉合等高線數(shù)量也逐漸減少，進(jìn)一步分析水汽圖像發(fā)現(xiàn)云圖的渦旋特征也逐步減弱，白亮云區(qū)的組織性明顯變差。同時(shí)，地面氣壓場(chǎng)也有顯著減弱趨勢(shì)，16日東北地區(qū)位于地面東西向低壓帶的東段，地面氣壓相對(duì)西段較弱，16—17日地面上有鋒面氣旋波動(dòng)，18日由于冷渦的東移疊加在地面低壓上，低壓中心由16日08時(shí)的995hPa升高至18日08時(shí)的1 005hPa。另外，副高的588dagpm等值線穩(wěn)定維持在30°N附近。6月19日500hPa低渦減弱為高空槽線。

2.2 強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)況介紹

受東北冷渦影響2016年6月17—19日吉林省連續(xù)3天出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，由于東北冷渦的位置及發(fā)展階段不同，3天強(qiáng)對(duì)流天氣的特點(diǎn)均不相同。第一天，低渦東南移動(dòng)，經(jīng)過(guò)大興安嶺山脈移至東北平原西部，吉林省始終位于冷渦第四象限。東北地區(qū)中南部出現(xiàn)分散性對(duì)流天氣，主要以雷電天氣為主，同時(shí)吉林西部和黑龍江南部伴有分散性短時(shí)強(qiáng)降水。第二天（圖1a），低渦東移至黑龍江中部，吉林省位置由冷渦的第四象限轉(zhuǎn)為第三象限。此階段東北地區(qū)出現(xiàn)了種類(lèi)復(fù)雜多樣且空間分布相對(duì)17日密集的強(qiáng)對(duì)流天氣。強(qiáng)對(duì)流天氣主要出現(xiàn)在大興安嶺和長(zhǎng)白山脈之間，吉林省中西部尤為集中，主要包括冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等。此外，吉林省短時(shí)強(qiáng)降水也是3天中最顯著的（圖1b），24h出現(xiàn)4站暴雨，其中遼源降水量最大，為61.3mm。第三天，低渦逐漸減弱為低槽，繼續(xù)東移。強(qiáng)對(duì)流天氣集中出現(xiàn)在吉林省東南部地區(qū)，以閃電和少量短時(shí)強(qiáng)降水為主。

圖1 2016年6月18日08時(shí)—19日08時(shí)東北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)況（a）及吉林省降水量（b，單位：mm）

3 強(qiáng)對(duì)流天氣特征分析

3.1 水汽條件分析

合適的水汽條件是產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣的基礎(chǔ)之一，也是產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的必要條件[5-8]。在本次冷渦維持期間，吉林省中低層絕對(duì)濕度條件較好，17—19日850hPa比濕持續(xù)維持在6～10g/kg，18日的比濕最大，接近且達(dá)到東北地區(qū)產(chǎn)生暴雨的比濕標(biāo)準(zhǔn)（10g/kg）。同時(shí)地面露點(diǎn)溫度在17—18日也維持在15～18℃，特別是18日，由于低空偏南急流產(chǎn)生的暖濕平流，地面顯著增溫增濕，18日08時(shí)露點(diǎn)溫度最高達(dá)20℃。

3.2 大尺度環(huán)境特征分析

17—18日吉林省中西部存在850hPa暖脊，在冷渦背景下，很容易形成上冷下暖的垂直結(jié)構(gòu)，形成大范圍的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域。17日08時(shí)和18日08時(shí)T850-500均大于25℃，17日08時(shí)850hPa在黃淮到東北南部形成偏南低空急流，17日20時(shí)，低空急流加強(qiáng)北抬，急流出口區(qū)移至東北中部，同時(shí)，925hPa吉林省中部有超低空急流存在，地面的暖式切變觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。但是高空槽距離吉林省約5個(gè)經(jīng)距，不利于大范圍冷空氣的提供[9]。18日08時(shí)高、低空冷切變進(jìn)一步東移，切變前部上冷下暖的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加強(qiáng)，925hPa仍然存在顯著氣流的輻合形勢(shì)。

3.3 探空資料特征分析

對(duì)比分析17日、18日強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前的探空資料，前后兩天的K指數(shù)均大于32℃，0℃層高度為3.3～3.5km，-20℃層高度在6.6～6.7km，0～6km垂直風(fēng)切變都較小，最大不超過(guò)12m/s。上述條件均有利于對(duì)流的發(fā)生，但由于垂直風(fēng)切變較小，不利于大冰雹和大范圍雷暴大風(fēng)的發(fā)生[10]。

17日和18日的探空資料也存在較大的差異，主要表現(xiàn)在CAPE值和θse的高低層差值上。17日08時(shí)CAPE值較低，而對(duì)流抑制能量又偏大，不利于對(duì)流發(fā)生，但17日低空急流發(fā)展，暖、濕輸送顯著，午后地面氣溫升高，導(dǎo)致CAPE值增大，CIN減小，自由對(duì)流高度較低（LFC=0.7km），相對(duì)容易觸發(fā)對(duì)流（表1）。從WRF模式預(yù)報(bào)的14時(shí)探空曲線可見(jiàn)17日有CAPE值增大、CIN值減小的趨勢(shì)，17日20時(shí)實(shí)況探空顯示也符合該趨勢(shì)。18日08時(shí)露點(diǎn)溫度的廓線在600hPa以上急劇減小，出現(xiàn)上干下濕的垂直結(jié)構(gòu)特征，由此可以判斷18日有發(fā)生雷暴大風(fēng)的可能性。

表1 2016年6月17日08時(shí)至18日20時(shí)長(zhǎng)春站探空資料

3.4 多普勒雷達(dá)特征分析

6月17日冷渦向東南方向移動(dòng)，副熱帶高壓穩(wěn)定少動(dòng)，冷渦和副熱帶高壓之間氣壓梯度增大，冷渦底前部有低空急流和超低空急流的建立和發(fā)展，且急流由南向北移動(dòng)，急流出口在吉林中西部產(chǎn)生輻合線，觸發(fā)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展。輻合線觸發(fā)的對(duì)流既表現(xiàn)為落區(qū)的不均勻性，又表現(xiàn)為雷達(dá)回波低質(zhì)心且反射率因子偏低（最大約為45dBz）等特征，強(qiáng)降水回波均伴有不同仰角的徑向速度輻合，有利于降水效率提高。農(nóng)安萬(wàn)順鄉(xiāng)12h降水量為70.1mm，雨強(qiáng)為40.7mm/h（圖2）。

圖2 2016年6月17日19時(shí)長(zhǎng)春雷達(dá)組合反射率因子（a）、強(qiáng)回波剖面（b）、1.5°仰角（c）和3.4°仰角（d）徑向速度特征（黑線表示剖面位置；黑圈表示徑向速度輻合）

18日的觸發(fā)機(jī)制和中尺度對(duì)流系統(tǒng)相對(duì)17日較為復(fù)雜，18日08時(shí)白城地區(qū)地面有東北—西南向風(fēng)切變，同時(shí)，內(nèi)蒙古東部露點(diǎn)溫度小于12℃，而其東部同一緯度上的松原露點(diǎn)溫度為18℃，除切變線的存在，地面上還存在一定強(qiáng)度的露點(diǎn)鋒呈南北向分布，因此18日上午，切變線和露點(diǎn)鋒共同抬升，產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流。通過(guò)探空資料和大尺度環(huán)流分析，中層有明顯的干冷空氣卷入，表現(xiàn)為“上干下濕”的“喇叭口”特征，形成強(qiáng)烈的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)；加上0℃層、-20℃層的高度都較為適宜，因此在吉林西部出現(xiàn)冰雹。例如洮南10:35產(chǎn)生冰雹天氣，長(zhǎng)嶺13:00出現(xiàn)冰雹天氣，兩次冰雹對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波反射率因子均大于50dBz，回波頂高超過(guò)9.0km，另外長(zhǎng)嶺站回波2.4°仰角顯示強(qiáng)回波對(duì)應(yīng)氣旋性輻合（圖3a、圖3b、圖3c）。進(jìn)一步分析雷達(dá)組合反射率因子發(fā)現(xiàn)，冰雹均發(fā)生在多單體線狀回波帶中[11-13]，同時(shí)，線狀回波帶中還伴隨有短時(shí)強(qiáng)降水和溫度驟降與氣壓驟升，降水前后溫度相差超過(guò)5℃，所以推測(cè)對(duì)應(yīng)多單體線狀回波帶的地面上可能產(chǎn)生陣風(fēng)鋒。陣風(fēng)鋒不斷東移推進(jìn)，移速很快，引發(fā)短時(shí)大風(fēng)。從回波特征來(lái)看18日18時(shí)雙陽(yáng)回波比較典型，回波呈線狀，1.5°仰角的徑向速度達(dá)15m/s，甚至高層出現(xiàn)速度模糊（圖3d、圖3e、圖3f）。陣風(fēng)鋒除了產(chǎn)生較強(qiáng)的瞬時(shí)大風(fēng)外，還有可能觸發(fā)前沿對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展[14]。

圖3 2016年6月18日13時(shí)長(zhǎng)春雷達(dá)組合反射率因子（a）、強(qiáng)回波剖面（b）和1.5°仰角徑向速度（c）；18日18時(shí)長(zhǎng)春雷達(dá)組合反射率因子（d）、1.5°仰角徑向速度（e）和圖e白框區(qū)域（f）的2倍擴(kuò)大（黑線表示剖面位置；黑圈表示氣旋性輻合）

19日500hPa低渦減弱東移，出現(xiàn)前傾槽形勢(shì)，在低層切變和高層槽線之間出現(xiàn)對(duì)流天氣，且對(duì)流天氣出現(xiàn)在東部山區(qū)。因此除了低層切變線的觸發(fā)作用外，地形作用也為強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)提供了一定的動(dòng)力抬升條件。

3.5 衛(wèi)星資料TBB特征

根據(jù)東北冷渦的移動(dòng)和演變特征將此次冷渦過(guò)程分為3個(gè)階段。第一階段，6月17日冷渦中心位于中蒙邊界上，屬于冷渦減弱前的成熟期，17日受冷渦尾部螺旋云帶的影響，產(chǎn)生對(duì)流性降水，降水量不大。第二階段，18日08時(shí)，隨著低渦的旋轉(zhuǎn)并且南壓，低渦的尾部螺旋雨帶也南壓，同時(shí)減弱。此時(shí)在冷渦第四現(xiàn)象，接近低渦中心的槽前位置生成對(duì)流云團(tuán)A（圖4），A云團(tuán)東移減弱，11時(shí)又生成B云團(tuán)和C云團(tuán)，B云團(tuán)和C云團(tuán)合并增長(zhǎng)，在17時(shí)達(dá)到鼎盛時(shí)期，形成一個(gè)MαCS，-32℃冷云的面積為2.5×105km。在MαCS的發(fā)展期，吉林省中西部地區(qū)出現(xiàn)大到暴雨。從垂直結(jié)構(gòu)來(lái)看，鋒面附近（40°N—45°N）為上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，另外中部的地形抬升作用也起到了輔助作用。第三階段，18日23時(shí)吉林省西邊界生成對(duì)流單體D，中心TBB值也小于-22℃，在四平、遼源、吉林、通化北部產(chǎn)生了較強(qiáng)的降水。但是單體D沒(méi)有像MαCS一樣發(fā)展為那么大的體量，原因有三，一是冷渦處于減弱階段，19日08時(shí)低渦已減弱為槽；二是生成在夜間；三是前期經(jīng)過(guò)了能量的釋放[15]。

圖4 2016年6月18—19日中尺度系統(tǒng)的TBB特征（單位：℃）

18日暴雨天氣相對(duì)集中，暴雨云團(tuán)在槽前觸發(fā)，東移發(fā)展。對(duì)照雷達(dá)回波分析云圖西北邊界對(duì)應(yīng)的線狀多單體風(fēng)暴，其隨地面切變線向東南移動(dòng)，并且在多單體風(fēng)暴上產(chǎn)生冰雹、短時(shí)大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，沈陽(yáng)和長(zhǎng)春之間也生成了一些對(duì)流云，從連續(xù)的回波演變上分析，這些對(duì)流云在四平東—遼源一帶進(jìn)入吉林省，受地形抬升加強(qiáng)，在長(zhǎng)春南部和吉林市西部產(chǎn)生強(qiáng)降水，在18日19時(shí)前后和減弱的線狀對(duì)流合并，對(duì)流云團(tuán)D的產(chǎn)生和移動(dòng)正是這種機(jī)制的體現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）2016年6月17—19日在東北冷渦背景下吉林省連續(xù)3天發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。17日在西南急流前產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水；18日在地面中尺度冷式切變前產(chǎn)生了以雷暴大風(fēng)、小冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水為主的強(qiáng)對(duì)流天氣；19日在前傾槽形勢(shì)下，低層切變和地形共同作用下引發(fā)了強(qiáng)對(duì)流天氣。

（2）低層輻合線和切變線為此次強(qiáng)對(duì)流天氣的主要觸發(fā)機(jī)制，不同階段還同時(shí)存在不同的中尺度觸發(fā)條件。

（3）第一階段對(duì)流位于冷渦第四象限，觸發(fā)機(jī)制為輻合線和超低空急流；第二階段對(duì)流天氣發(fā)生在冷渦底部，冷鋒前干線、陣風(fēng)鋒、切變線綜合作用，產(chǎn)生相對(duì)復(fù)雜多樣的強(qiáng)對(duì)流天氣；第三階段是冷鋒和中尺度地形共同影響的結(jié)果。

（4）小冰雹（直徑<10mm）的產(chǎn)生機(jī)制：中層有明顯的干冷空氣卷入，層結(jié)表現(xiàn)為“上干下濕”的“喇叭口”特征，形成強(qiáng)烈的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)；0℃層、-20℃層的高度都較為適宜。因此冰雹發(fā)生可能性較大。但0—6km、0—3km垂直風(fēng)切變都很小，上升氣流無(wú)法維持，托舉冰雹的作用大大減弱，因此，形成大冰雹的概率大大降低。

（5）短時(shí)強(qiáng)降水的產(chǎn)生機(jī)制：低層比濕較大，較強(qiáng)的反射率因子（>45dBz），質(zhì)心偏低、徑向速度輻合為降水效率較高的特征。

（6）短時(shí)大風(fēng)產(chǎn)生機(jī)制：多單體雷暴過(guò)程的下沉氣流到達(dá)地面后形成冷池，其前沿的陣風(fēng)鋒快速東移過(guò)程中出現(xiàn)大風(fēng)天氣。在雷達(dá)回波上體現(xiàn)為多單體線狀對(duì)流，有較大的徑向速度和高空徑向速度模糊。