一次東北冷渦過程暴雨及強對流天氣分析

摘要 利用高空、地面等常規(guī)氣象資料和多普勒雷達(dá)資料，對2022年6月4—7日影響吉林省遼源市的東北冷渦暴雨過程進行診斷，結(jié)果表明：此次冷渦降水主要發(fā)生在冷渦的發(fā)展與成熟階段，類似于中間渦暴雨形勢特征。冷渦降水具有日變化特征，午后極易發(fā)生強對流天氣。暖鋒的發(fā)展為短時強降水提供了初始擾動。干空氣下擺侵入，增強不穩(wěn)定層結(jié)，促使風(fēng)雹天氣發(fā)生。VIL值的躍增和減小與冰雹的出現(xiàn)和消散相對應(yīng)。VIL高值不能說明大冰雹是否出現(xiàn)，還應(yīng)與VIL高值維持時間相聯(lián)系，維持時間越短，越不利于大冰雹的產(chǎn)生，這對冰雹直徑的預(yù)報具有一定的指示意義。

關(guān)鍵詞 東北冷渦；暴雨；強對流；雷達(dá)回波；VIL值

中圖分類號：P458.1+21.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）03–0117-03

東北冷渦（以下簡稱冷渦）是造成東北地區(qū)低溫冷害、持續(xù)陰雨洪澇、突發(fā)性強對流天氣的重要天氣系統(tǒng)，常引發(fā)暴雨、雷電、風(fēng)雹和短時強降水等災(zāi)害性天氣。我國東北地區(qū)22.4%的暴雨和53%的風(fēng)雹都是在冷渦背景下產(chǎn)生的。連續(xù)幾天在同一個地區(qū)產(chǎn)生暴雨是東北冷渦最顯著的特點，也可產(chǎn)生伴隨強對流的短時強降水。由于東北冷渦具有多變性，導(dǎo)致難以預(yù)報東北冷渦天氣系統(tǒng)影響下的降水過程和強對流天氣，所以眾多氣象工作者針對東北冷渦的氣候特點和降水特征，圍繞東北冷渦背景下的強對流天氣預(yù)報等開展了諸多研究。鄭秀雅[1]利用1956—1989年觀測資料，分析了東北冷渦氣候特點和降水特征。黃秀娟[2]分析發(fā)現(xiàn)，500 hPa位勢場上，整個歐亞地區(qū)在40°N附近是否存在明顯的西風(fēng)急流是后期有無東北冷渦形成的關(guān)鍵。何晗[3]對冷渦背景下短時強降水的統(tǒng)計表明，降水主要集中在冷渦中心東南部和西南部。楊曉宇[4]通過分析雷達(dá)產(chǎn)品特征，提出了東北冷渦背景下短時強降水臨近預(yù)警指標(biāo)。李爽[5]認(rèn)為切變輻合與水汽輸送結(jié)合是影響東北冷渦背景下短時強降水的重要因素。

選取2022年6月4—7日影響吉林省遼源地區(qū)的東北冷渦暴雨過程，對該冷渦不同發(fā)展階段的環(huán)流特征、水汽輸送、垂直運動、不穩(wěn)定條件及強對流雷達(dá)回波特征進行診斷，探討冷渦背景下產(chǎn)生強對流天氣預(yù)報的著眼點，為遼源東北冷渦暴雨過程預(yù)報提供參考。

1 降水實況特征

2022年6月4日01：00—7日08：00，遼源市53個自動觀測站過程平均降水量為80.0 mm，累積降水量在100 mm以上的測站有11個，占全市測站的21%，累積達(dá)到50 mm以上的測站有46個，占全市測站的86.8%，累積降水在25 mm以上的測站比例高達(dá)98.1%。最大降水量出現(xiàn)在龍山區(qū)葦塘村，為125.4 mm。

此次冷渦降水出現(xiàn)了典型的日變化特征，降水過程中還出現(xiàn)短時強降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等強對流天氣，多發(fā)于凌晨和午后。短時強降水集中出現(xiàn)的第一個時段為4日03：00～05：00，有5站次降水量在20～30 mm/h之間，最大小時雨強為28.2 mm/h，出現(xiàn)在黃河鎮(zhèn)新榮村；第二個階段出現(xiàn)在6日11：00～14：00，有3站次，其中大陽鎮(zhèn)最大小時雨強為31.0 mm/h。此外，5日15：00～20：00還出現(xiàn)了風(fēng)雹天氣，東遼縣安恕鎮(zhèn)，東豐縣二龍山鄉(xiāng)、大陽鎮(zhèn)、黃河鎮(zhèn)、沙河鎮(zhèn)、楊木林鎮(zhèn)出現(xiàn)了直徑為10～15 mm的冰雹；15：00～17：00出現(xiàn)了6～7級的雷暴大風(fēng)，其中沙河鎮(zhèn)極大風(fēng)速達(dá)到16.3 m/s。

2 環(huán)流形勢和主要天氣系統(tǒng)發(fā)展演變

從500 hPa環(huán)流形勢來看，前期東亞呈“兩槽一脊”型，中高緯度多小槽波動。3日20：00西西伯利亞地區(qū)存在深厚冷性渦旋，不斷向中高緯度甩出小槽，貝加爾湖西側(cè)和河套地區(qū)分別有一小槽東移發(fā)展，形成階梯槽。貝湖西側(cè)小槽加深呈閉合低渦，即2022年第13號東北冷渦于6月4日上午形成，同時與南槽合并，使暖濕氣流北上與西北冷空氣匯合，為短時強降水產(chǎn)生提供了大尺度環(huán)流背景。5日08：00開始，該東北冷渦進入成熟階段，始終維持在40°N～50°N、115°E～145°E范圍內(nèi)，使東北地區(qū)上空渦度和上升速度提升；阻高在55°N～65°N一帶，有利于冷空氣南下，這與分類的中間渦暴雨形勢特征相似。該冷渦強度較大，中心強度達(dá)到558 dagpm，且移動緩慢，直到8日冷渦才減弱消散，但冷中心一直維持在-20～～16 ℃，因此造成連續(xù)5 d的低溫多雨天氣。

3日夜間，700 hPa、850 hPa已經(jīng)形成閉合低渦，東北地區(qū)上空中層存在暖脊，與高層冷槽形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，并在3日20：00 850 hPa上有強度＞12 m/s的西南急流建立，頭部伸向遼寧中部。到4日08：00，西南急流加強達(dá)到16 m/s，北抬到吉林中部，向遼源市輸送暖濕空氣，并與偏東氣流形成暖式切變線壓在遼源市上空，為4日凌晨產(chǎn)生暴雨提供了良好的動力、熱力和水汽條件。5日，隨著冷渦發(fā)展到成熟階段，西南急流也在加強，中心強度達(dá)到20 m/s，形成自海上到東北的水汽通道，為該東北冷渦維持和發(fā)展輸送水汽和能量。遼源市位于冷渦底前部，中層雖處于暖區(qū)，但不斷有干空氣下擺侵入，雖然冷平流不明顯，但冷渦為強大冷性渦旋，有利于產(chǎn)生風(fēng)雹天氣。6日中層低渦中心已移入海上，遼源市上空仍有小的風(fēng)向輻合區(qū)，因此6日仍有降水，并出現(xiàn)局地短時強降水。

3日夜間地面低壓中心已經(jīng)形成，到4日凌晨強度加強，遼源地區(qū)處在暖鋒前部的暖區(qū)，暖區(qū)降水效率高，4日02：00我國南部濕區(qū)有所北抬，提供了水汽條件，吉林省中西部形成暖鋒為短時強降水提供了初始擾動。降水過后，低壓強度略有減弱，能量得到釋放。5日08：00，伴隨冷渦發(fā)展到成熟階段，地面低壓強烈鋒生發(fā)展成伴有冷暖鋒的鋒面氣旋，遼源市始終處于暖鋒控制的暖區(qū)，5日14：00鋒面南壓，暖鋒自北向南劃過遼源市，因而引發(fā)強對流天氣。6日，鋒面氣旋減弱為地面倒槽，因此降水形勢減弱，但在6日12：00，遼源上空有弱輻合區(qū)，觸發(fā)局地短時強降水。

3 物理量診斷分析

3.1 水汽條件分析

暴雨發(fā)生時需要當(dāng)?shù)赜休^多水汽，以及源源不斷的水汽輸送并在暴雨區(qū)輻合。本次暴雨過程700 hPa、850 hPa和925 hPa均存在較強的偏南急流，建立水汽通道，將渤海水汽源源不斷向暴雨區(qū)輸送，為暴雨發(fā)生發(fā)展提供良好的水汽條件。3日20：00開始，遼源地區(qū)上空的中低層比濕逐漸增大，850 hPa比濕均為9～10 g/kg。5日08：00后，比濕下降，至7日始終維持在7～8 g/kg之間。同樣，4日遼源市上空存在明顯的水汽通量散度輻合區(qū)，有利于短時強降水發(fā)生。5日以后水汽輻合強度減弱，有明顯干侵入，這與5日午后出現(xiàn)的風(fēng)雹天氣有關(guān)。

3.2 垂直運動分析

水汽是暴雨形成的重要條件，動力因子則是重要的觸發(fā)機制，只有強烈的抬升運動才能形成暴雨。4日凌晨至夜間，遼寧東北部和吉林中部正好位于高空急流中心右后側(cè)和低空急流中心的左前方，此區(qū)域高空輻散、低空輻合，有利于對流層中低層產(chǎn)生強烈上升運動，有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展。5日冷渦發(fā)展成熟，其本身就是強大的渦旋系統(tǒng)，在旋轉(zhuǎn)過程中受地轉(zhuǎn)偏向力作用形成抽吸，維持上升運動，這是降水產(chǎn)生的必要條件。7日冷渦東移減弱，低層輻合、高層輻散的配置消散，上升運動不再維持，降水也隨之結(jié)束。

3.3 不穩(wěn)定條件分析

假相當(dāng)位溫θse能很好地反映出氣團與鋒區(qū)的活動，θse高值區(qū)常常是高溫高濕區(qū)，而暴雨往往與θse的高能舌相聯(lián)系。3日20：00降水前期，遼源市850 hPa的θse＞56 ℃，且θse高能舌頂端伸向遼源市，說明有較多能量在此積累，因此4日凌晨產(chǎn)生的降水也較強烈（圖1a）。5—6日隨著降水產(chǎn)生，能量逐漸得到釋放，850 hPa的θse維持在40 ℃左右。K指數(shù)變化態(tài)勢與降水、強對流天氣現(xiàn)象相對應(yīng)。3日20：00短時強降水發(fā)生前，遼源市K指數(shù)超過32 ℃，而4日08：00強降水過后，K指數(shù)降至22 ℃。這體現(xiàn)了溫濕能量在降水發(fā)生前后的積累與釋放。由于遼源市沒有探空資料，因此選取上游沈陽站探空資料，可以發(fā)現(xiàn)5日08：00～20：00，沈陽沙氏指數(shù)SI、抬升指數(shù)LI、K指數(shù)明顯增大，表明該地區(qū)的大氣垂直不穩(wěn)定性明顯加劇，具備產(chǎn)生強天氣的不穩(wěn)定條件。0 ℃層在600 hPa附近，-20 ℃層位于400 hPa以上，合適的0 ℃層和-20 ℃層的高度有利于冰雹產(chǎn)生。利用沈陽17：00氣溫對探空進行拖動訂正后，有效位能CAPE也顯著加強（圖1b），說明能量條件也較充分。溫度對數(shù)壓力圖上有小“喇叭口”形狀，說明中高層有干冷空氣侵入，有利于雷暴大風(fēng)產(chǎn)生。但冷空氣強度較弱，并且垂直風(fēng)切變并不明顯，因此雷暴大風(fēng)的天氣不劇烈，僅有個別加密站監(jiān)測到大風(fēng)。

4 雷達(dá)回波特征

4.1 短時強降水雷達(dá)回波特征

4日凌晨有降水回波自西向東移入遼源北部，從圖2a中可看到，該回波逐漸發(fā)展為自西向東延展的帶狀回波，與移動方向幾乎平行，在遼源市北部形成“列車效應(yīng)”，產(chǎn)生短時強降水。該回波發(fā)展過程中最大中心強度達(dá)67 dBz，對比多仰角回波強度，發(fā)現(xiàn)回波質(zhì)心較低，降水效率高；且移動速度較慢，整個回波持續(xù)影響3 h，導(dǎo)致多站出現(xiàn)暴雨天氣。

4.2 冰雹雷達(dá)回波特征

根據(jù)遼源雷達(dá)回波監(jiān)測，5日14：30東豐縣突發(fā)對流單體沿東北方向向沙河鎮(zhèn)附近移動，移動過程中回波強度逐漸增強，且先后發(fā)展為A、B、C共3個對流單體組成的多單體組織（圖2a、b）。在0.5°、1.5°、2.4° 3個不同仰角基本反射率圖像上均顯示其中心強度超過55 dBz，可見該多單體垂直伸展高度較高。回波頂高（ET）產(chǎn)品顯示，15：03開始該對流有小部分回波頂高超過9 km。至15：20，單體A回波頂高超過11 km，且高回波頂面積較大，說明單體A發(fā)展成熟，15：31單體A回波頂高迅速減小至8 km。垂直累積液態(tài)水含量（VIL）產(chǎn)品顯示（圖2c～圖2h），15：15單體A最大VIL為25 kg/m2，而一個體掃過后，15：20 VIL躍增至46 kg/m2，到15：26，VIL迅速減至30 kg/m2。VIL的躍增和消散說明有冰雹出現(xiàn)，這與實況對應(yīng)。單體A減弱后，單體B迅速發(fā)展，15：26單體最大VIL為30 kg/m2，15：31 VIL躍增至50 kg/m2，15：48該對流多單體VIL降至20 kg/m2以下，整個降雹過程結(jié)束。雖然該對流多單體的VIL最大值達(dá)到50 kg/m2，但未有直徑超過20 mm的大冰雹。由此可見，僅以VIL高值不能說明大冰雹是否出現(xiàn)，還應(yīng)與VIL高值維持時間相聯(lián)系。該多單體VIL的躍增與消散均在2個體掃內(nèi)完成，說明該對流多單體發(fā)展并不強盛，濕熱能量積聚消散得快，不足以支撐發(fā)展為大冰雹。

5 結(jié)論

（1）此次冷渦降水主要發(fā)生在冷渦的發(fā)展與成熟階段，類似于中間渦暴雨形勢特征。冷渦的發(fā)展與維持為大范圍降水提供了有利的環(huán)流背景，偏南急流建立水汽通道向遼源持續(xù)輸送水汽，高層輻散與低層風(fēng)場輻合形成抽吸作用為暴雨的產(chǎn)生提供了動力條件。此外，冷渦過程中鋒生，出現(xiàn)鋒面過程，導(dǎo)致東北地區(qū)大范圍降水。

（2）此次冷渦降水有日變化特征，午后易發(fā)生強對流天氣。暖區(qū)溫濕能量大，為短時強降水發(fā)生提供了潛在條件，為暖鋒發(fā)展提供了初始擾動。在冷渦成熟過程中，不斷有干空氣下擺侵入，但使得上干冷、下暖濕不穩(wěn)定層結(jié)加強，引發(fā)此次風(fēng)雹天氣過程。

（3）0 ℃層在600 hPa附近，-20 ℃層位于400 hPa以上，合適的0 ℃層和-20 ℃層高度有利于冰雹產(chǎn)生。

（4）VIL的躍增和減小與冰雹出現(xiàn)和消散相對應(yīng)。VIL高值不能說明大冰雹是否出現(xiàn)，還應(yīng)與VIL高值維持時間相聯(lián)系，維持時間越短越不利于大冰雹產(chǎn)生。多單體VIL躍增與減小均在2個體掃內(nèi)完成，說明對流發(fā)展并不強盛，濕熱能量積聚消散得快，因而出現(xiàn)直徑為10～15 mm的小冰雹。這對冰雹直徑預(yù)報具有一定的指示意義。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Analysis of A Heavy Rain and Strong Convective Weather in Northeast Cold Vortex Process

Cui Yue et al（Liaoyuan Meteorological Bureau， Liaoyuan， Jilin 136200）

Abstract In this paper， the northeast cold vortex rainstorm process affecting Liaoyuan， Jilin Province on June 4-7， 2022 was selected for diagnosis based on the conventional meteorological data such as upper air and ground and Doppler radar data. The results show that the cold vortex precipitation mainly occurs in the development and maturity stage of the cold vortex， similar to the characteristics of the middle vortex rainstorm situation. The cold vortex precipitation had daily variation characteristics， and strong convection weather was very easy to occur in the afternoon. The development of warm front provides initial disturbance for short-term heavy rainfall. The invasion of dry air at the bottom enhances the unstable stratification and promotes the occurrence of wind and hail weather. The jump and decrease of VIL correspond to the occurrence and dissipation of hail. The high value of VIL cannot indicate whether the big hail appears or not， but also should be related to the maintenance time of the high value of VIL. The shorter the maintenance time was， the worse the big hail will be， which has certain indicating significance for the prediction of hail diameter.

Key words Northeast cold vortex; Rainstorm; Strong convection; Radar echo; VIL value

作者簡介 崔悅（1990—），女，吉林遼源人，工程師，主要從事天氣預(yù)報工作。

收稿日期 2023-01-06