一次東北冷渦暴雨的成因分析

趙 旻

內(nèi)蒙古烏蘭察布市集寧區(qū)氣象局，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000

東北冷渦是在東亞阻塞形勢下發(fā)生的較為深厚的冷性低值系統(tǒng)，一般在對(duì)流層中上部表現(xiàn)較明顯，也是夏季影響內(nèi)蒙古的重要環(huán)流系統(tǒng)。從行星尺度上來看，東北冷渦除帶來連陰雨天氣外，最引人注目的特點(diǎn)是其誘發(fā)中小尺度系統(tǒng)的突發(fā)性和反復(fù)性[1]。尤其是在穩(wěn)定的大尺度環(huán)流背景下，可導(dǎo)致大范圍強(qiáng)降水頻繁出現(xiàn)。在東北冷渦的形成、發(fā)展、持續(xù)甚至消退期均可伴隨暴雨、冰雹、雷暴、短時(shí)大風(fēng)，甚至龍卷風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣[2]。對(duì)此次暴雨過程的鋒生機(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)提供依據(jù)。

1 資料來源

研究用到的地面觀測資料源于2022年6月內(nèi)蒙古自治區(qū)地面觀測站逐小時(shí)、逐24 h降水資料；高層診斷分析使用了NCEP再分析資料，水平分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為6 h。

2 暴雨概況和環(huán)流形勢特征

2.1 過程概況

2022年6月4—5日內(nèi)蒙古東南部地區(qū)出現(xiàn)一次東北冷渦暴雨過程，冷渦從發(fā)展維持到減弱階段對(duì)應(yīng)有單日暴雨，以對(duì)流性降水為主。從過程量來看，全區(qū)11個(gè)盟市78旗縣的1 028個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)降水，降水范圍在0.1～118.2 mm之間。過程雨量超100 mm的有5個(gè)站，最大出現(xiàn)在興安盟科爾沁右翼中旗杜爾基鎮(zhèn)白音哈拉氣象觀測站，為118.2 mm，強(qiáng)降水主要集中在興安盟、通遼市、錫林郭勒盟等地區(qū)。最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在4日17:00～18:00，為通遼市的C1011站，降雨量為38.6 mm。

2.2 強(qiáng)降水發(fā)生前環(huán)流背景分析

6月3日20:00 500 hPa天氣圖，歐亞大陸上空500 hPa高度場呈“兩脊一槽”型，烏拉爾山高壓脊發(fā)展強(qiáng)盛，鄂霍次克海有阻塞高壓脊較穩(wěn)定，西太平洋副熱帶高壓主體位于海上，副高脊位置偏南，貝加爾湖低槽向南伸展，溫度槽落后于高度槽。隨著脊前西北氣流不斷地引導(dǎo)高緯度冷空氣向南入侵，至4日08:00低槽加深并分裂形成一個(gè)較強(qiáng)的冷渦，副熱帶高壓明顯向北伸展。分裂出的冷渦南下影響內(nèi)蒙古東南部地區(qū)。

從500 hPa高空?qǐng)D中可以看到，內(nèi)蒙古東南部地區(qū)位于冷渦東南象限，上游有短波槽，此位置較有利于降水。由于冷中心落后于冷渦延伸出的高度槽，且槽后有強(qiáng)冷平流，有利于冷渦的發(fā)展加深，副熱帶高壓位于30°N 附近呈帶狀。隨著時(shí)間冷渦呈西北—東南走向，副熱帶高壓脊線西伸。14:00～20:00，500 hPa冷渦東移發(fā)展，不斷補(bǔ)充冷空氣，與短波槽合并加強(qiáng)生成新的冷渦。

700 hPa較500 hPa冷渦中心位置略偏東，屬于后傾配置，冷中心位置仍落后于高度場低值中心。隨著溫度槽前移，平流作用加強(qiáng)，冷渦將持續(xù)發(fā)展[3]。850 hPa在內(nèi)蒙古區(qū)東南部地區(qū)存在“人字形”切變，其中，偏東風(fēng)和南風(fēng)的暖濕切變線對(duì)降水的貢獻(xiàn)較大，造成暖濕空氣的輻合上升。切變線南側(cè)為偏南低空急流。從地面圖看，東南地區(qū)有暖舌伸展，在較強(qiáng)的暖平流作用下，溫度梯度加大造成暖鋒鋒生。降水發(fā)生時(shí)，暖鋒鋒生激發(fā)熱力直接環(huán)流，在鋒區(qū)暖空氣一側(cè)出現(xiàn)上升氣流，并與高低空急流耦合產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流上升支重合。鋒面與高、低空急流耦合作用使次級(jí)環(huán)流加強(qiáng)，在暖鋒附近形成深厚的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。從地面形勢圖可以看出，內(nèi)蒙古東南部地區(qū)主要受地面氣倒槽影響，渦前的正渦度平流和低層暖平流的減壓作用使得地面氣旋從不斷加深發(fā)展，輻合上升運(yùn)動(dòng)明顯[4]。上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)導(dǎo)致降水加強(qiáng)，與實(shí)況相符（圖1）。

圖1 內(nèi)蒙古東南部地區(qū)6月4日14:00環(huán)流形勢圖

隨著系統(tǒng)的東移，有明顯的偏南氣流加強(qiáng)為偏南低空急流。水汽通道建立，一直源源不斷地從渤海灣輸送水汽，為降水提供了水汽條件。850 hPa為濕區(qū)，有充沛的水汽條件，而500 hPa為干區(qū)。顯而易見，干冷空氣和暖濕氣流交匯在內(nèi)蒙古東南部地區(qū)上空，為上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)，引發(fā)了此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程。而后隨著冷中心位置與高度場低值中心逐漸重合，冷渦逐漸填塞[5-7]。

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的環(huán)境條件

3.1 充沛的水汽輸送

3.1.1 相對(duì)濕度、整層水汽含量 從700 hPa全風(fēng)速和相對(duì)濕度場、整層水汽含量（圖2）來看，冷渦東移發(fā)展的過程中配合著較好的水汽輸送，低空急流的大值區(qū)與相對(duì)濕度大值區(qū)、整層水汽含量的大值區(qū)配合較好。且隨著系統(tǒng)東移發(fā)展，低空急流中心也東移加強(qiáng)，從08:00的10 m/s增強(qiáng)至20:00的20 m/s，進(jìn)一步加強(qiáng)水汽輸送和輻合抬升，使得14:00～20:00降水集中且強(qiáng)度較大，與實(shí)況相符（相對(duì)濕度為90%，整層水汽含量為35 mm）。

圖2 2022年6月4日14:00 700 hPa風(fēng)場（實(shí)線為全風(fēng)速＞8 m/s）和相對(duì)濕度（填圖）（a），1、3及整層水汽含量（填圖）（b）

3.1.2 比濕和散度的時(shí)間剖面 從內(nèi)蒙古東南部比濕和散度的時(shí)間剖面圖（圖3）來看，內(nèi)蒙古東南部地區(qū)從4日08:00開始水汽條件逐漸轉(zhuǎn)好，近地層比濕在12～14 g/kg，500 hPa以上濕度較差，形成上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)。且低層水汽通量散度均為負(fù)值，為輻合區(qū)，水汽增加，為此次大暴雨天氣提供了充足的水汽。低層負(fù)散度輻合上升，配合高層正散度輻散下沉，抽吸作用明顯。

圖3 2022年6月4日比濕（填圖）和散度（等值線）的時(shí)間剖面圖

3.2 動(dòng)力抬升條件

高低空急流耦合形成的次級(jí)環(huán)流是觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定和位勢不穩(wěn)定能量釋放的典型形勢，有利于降水的維持和加強(qiáng)。分析200 hPa和850 hPa風(fēng)場可以看出，發(fā)現(xiàn)降水發(fā)生前后，高低空急流出現(xiàn)調(diào)整適應(yīng)過程。2022年6月4日14:00，高空急流軸位于42°N附近，在內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部地區(qū)存在急流核，風(fēng)速達(dá)54 m/s，并在向東偏南方向移動(dòng)過程中加強(qiáng)；4日20:00(圖4)，急流軸到達(dá)40°N，急流核向東伸展至東南地區(qū)，風(fēng)速超過55 m/s，且與降水相伴的低空南風(fēng)急流也十分強(qiáng)盛，低空急流核強(qiáng)度達(dá)20 m/s，為偏南風(fēng)急流。南壓的高空急流左前方與低空急流左側(cè)重疊，形成高低空急流耦合。與低空急流相聯(lián)系的次級(jí)環(huán)流的上升支均位于低空急流左側(cè)。通遼市、興安盟等地區(qū)位于高空急流左前方和低空急流左側(cè)，這與實(shí)際暴雨落區(qū)位置一致。

圖4 2022年6月4日14:00（a）、20:00（b）高空急流（填圖）和850 hPa風(fēng)場圖

3.3 不穩(wěn)定條件

通過考察暴雨區(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。假相當(dāng)位溫表示大氣對(duì)流穩(wěn)定度。假相當(dāng)位溫值＜0時(shí)，層結(jié)穩(wěn)定；假相當(dāng)位溫值＞0時(shí)，層結(jié)不穩(wěn)定。它的水平分布反映了大氣能量場的分布特征，其垂直分布代表了大氣的垂直穩(wěn)定度。4日為冷渦新生后維持階段，從假相當(dāng)位溫和K指數(shù)（填圖）和0～6 km垂直風(fēng)切變（圖5）分析可知，6月4日14:00，內(nèi)蒙古東南部地區(qū)為明顯的高溫高濕區(qū)。850 hPa內(nèi)蒙古東南部地區(qū)為南北向能量鋒區(qū)，高能舌由低緯度向北伸展至內(nèi)蒙古東南部地區(qū)。同時(shí)，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，尤其是暴雨區(qū)，K≥35 ℃，0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)12 m/s，為此次降水提供了不穩(wěn)定條件。

圖5 2022年6月4日14:00假相當(dāng)位溫（a）、14:00 K指數(shù)（填圖）和0～6 km垂直風(fēng)切變（b）

4 結(jié)論

（1）從天氣系統(tǒng)配置分析此次降水過程可知，環(huán)流形勢高、中、低層的整體配置較好，低值系統(tǒng)覆蓋三層并東移南壓，抽吸作用明顯，動(dòng)力抬升條件較好。

（2）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。在較強(qiáng)的暖平流作用下，溫度梯度加大形成暖鋒鋒生。降水發(fā)生時(shí)，暖鋒鋒生激發(fā)熱力直接環(huán)流，在鋒區(qū)暖空氣一側(cè)出現(xiàn)上升氣流，并與高低空急流耦合產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流上升支重合，鋒面與高、低空急流耦合作用使次級(jí)環(huán)流加強(qiáng)，在暖鋒附近形成深厚的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。

（3）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，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)。

（4）850 hPa在內(nèi)蒙古東南部地區(qū)存在“人字形”切變，其中，偏東風(fēng)和南風(fēng)的暖濕切變線對(duì)降水的貢獻(xiàn)較大，造成暖濕空氣輻合上升。切變線南側(cè)為偏南低空急流，水汽通道建立，一直源源不斷地從渤海灣輸送水汽，為降水提供了有利的水汽條件。