一次东北冷涡暴雨过程成因分析

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一次东北冷涡暴雨过程成因分析
斯琴;荀学义;王佳津
【摘要】利用常规气象观测资料、NCEP1°×1°逐6h的再分析资料和FY-2E红外云图、TBB等资料,对2014年7月7-8日由东北冷涡引发内蒙古东北部的暴雨过程形成原因进行了天气学诊断分析,结果表明:①低空急流是主要水汽来源,不同地区出现暴雨的机制不同,兴安盟东部、呼伦贝尔市东南部由于槽前、切变南缘地面暖锋附近,中低空急流汇合处,强辐合抬升触发不稳定能量释放导致强天气的发生,而呼伦贝尔市西南部暴雨跟中上层冷涡的生成发展与对应的地面低压逐步耦合的动力作用相关;②湿位涡的分布对暴雨的发生、落区有较强的指示性作用,700 hPa正负值区过度带的配置是暴雨发生发展的有利潜势,暴雨发生在700 hPa等值线密集带和850 hPa MPV2大于等于0的叠加区域内,700 hPa正负过渡带附近,偏向于正值一侧;③最大降水量的雨强落后于云团TBB最低值1~2 h,并不是强TBB与最强降水同步出现.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2016(044)006
【总页数】8页(P1016-1023)
【关键词】暴雨;东北冷涡;低空急流;高空急流;湿位涡
【作者】斯琴;荀学义;王佳津
【作者单位】内蒙古自治区气象台,呼和浩特010051;内蒙古自治区气象台,呼和浩特010051;四川省气象台,成都610072
【正文语种】中文
东北冷涡(以下简称冷涡)是造成我国东北部地区暴雨洪涝、雷雨大风和冰雹等突发性强对流天气以及低温冷害的重要天气系统,冷涡频发并持续发展对东北部地区的天气气候有重大影响。

东北冷涡在东北地区的频发性、持续性决定了它对东北地区天气气候的重大影响,从行星尺度上讲,东北夏季近40%的东北冷涡能够产生连续阴雨天气,然而东北冷涡最引人注目的特点是其诱发中小尺度系统的突发性和反复性,在东北冷涡的形成、发展、持续甚至消退期均可伴随暴雨、冰雹、雷暴、短时大风,甚至龙卷等强对流天气。

目前关于冷涡的形成天气气候特征方面中国学者做了大量的研究并取得了较客观的成果[1-4],东北冷涡主要是西风带、副热带和热带环流系统相互作用的结果,还有一些学者从动力条件角度分析了冷涡形成的条件[5];何金海等提出东北冷涡的强度与海温变化存在的对应关系进行过分析[6],针对梅雨期的东北冷涡,通过计算冷涡强度指数与全球海温的相关情况, 发现东北冷涡强度指数与北太平洋的海温相关最为显著。

对于东北冷涡造成的降水的突发性、连续性、降水量级、落区预报的高难度性是其他任何天气系统不可比拟的。

冷涡降水的形成是很复杂的过程,虽然对东北冷涡暴雨的研究在 20世纪 80年代才开始真正起步,但是发展较快,侧重点不同,研究内容已经涉及到东北地区暴雨强度、分布及东北冷涡的内部结构特征及其发生发展的物理机制、东北冷涡下中尺度对流系统的结构特征与暴雨的关系、引发东北地区强暴雨过程的水汽源地等问题。

冷涡的不同位置都有可能出现不同程度的降水,冷涡后部及南部降水性质及强度有所不同,南部中高层的极强的冷平流结合低层切变线使得层结不稳定,造成比较激烈的强天气。

东北冷涡导致强对流天气形成的条件[7]较复杂,许多气象工作者对东北冷涡引起的不同类型天气从天气形势[8]、物理量场[9]、卫星云图[10-11]和雷达回波特征[12]等方面都进行了很多分析和研究,探讨不同形势下暴雨的成因,一些专家结合中尺度特征[13-14]及高低空配置[15-
16]来判别是否有利于暴雨的发生发展及其对强度的影响进行了一些研究;王宁等
分析了一次东北冷涡暴雨的水汽输送特征,并结合非常规资料计算的位涡等物理量,指出湿位涡是一个能综合反映大气动力、热力特征和水汽作用的物理量,湿位涡与对称不稳定有很好的对应关系,湿位涡的分析能更全面有效地描述对流的发生发展。

即使是同一冷涡系统,其冷涡结构、物理过程和影响特点具有许多不同的特点,对于东北冷涡的结构特征目前还未能从多要素、多角度、多层次进行综合细致的分析。

特别是内蒙古地域辽阔、观测站的稀少和研究的匮乏, 目前对内蒙古东北部暴雨多发区内的灾害出现的规律、大尺度环流背景、天气系统形成机制和发展演变的物理过程及环境条件等问题还缺乏应有的认识, 许多工作开展得不够深入,内蒙古东北部暴雨研究进展较慢。

这也直接导致了我们对这种灾害性天气的监测和预报预测水平与实际存在较大的差距, 今后需要开展更多相关研究,以期提高内蒙古东北部暴雨和强对流天气等灾害性天气的预报预测能力。

基于以上问题,本文选取2014年7月7—8日主要影响内蒙古东北地区的东北冷涡暴雨过程,利用常规物理量及湿位涡对其进行诊断,以期对内蒙古东北冷涡暴雨过程的预报提供参考。

本文利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction,简称NCEP)1°×1°逐6 h的再分析资料的1000~100 hPa标准等压面物理量要素场再
分析资料、实况和监测资料选用内蒙古119个气象观测站和自动气象监测站雨量、高度场、风场资料,时间长度为2014年7月7—8日;此外还选用了相应时段的FY-2E水汽云图及对应TBB资料。

在p坐标系中,湿位涡的定义为
×V)·×θc
考虑到大气垂直速度的水平变化比水平速度的垂直切变小得多, 当忽略ω的水平变化时, p坐标系下湿位涡守恒方程为[17]:
式(3)中,MPV1为湿位涡的垂直分量,其值由空气块绝对涡度的垂直分量和相当
位温的垂直梯度共同决定。

式(4)中,MPV2为湿位涡的水平分量, 其值由风的垂直切变和假相当位温的水平梯度决定,用于表征大气的湿斜压性。

u表示径向风分量,v表示纬向风分量,g表示重力加速度,p表示大气压强,ζp是垂直方向涡度,f
是地转涡度,θse是假相当位温。

2.1 过程概况
东北冷涡(简称冷涡)是影响东北地区前夏天气过程的主要环流系统,平均每次过程持续4天左右,最长可达13天。

冷涡在东北地区的频发、持续形成和发展决定了其对东北地区天气气候的重大影响,据内蒙古自治区天气预报手册中统计我区东部大雨、暴雨过程80%以上由冷涡造成,包括蒙古冷涡、贝加尔湖冷涡及东北冷涡。

2014年7月冷涡活动频繁,共有5次冷涡活动,其中7月7日的东北冷涡过程持续了8天左右,无论是影响时间之长、影响范围之广、还是影响强度之大,均为
历史同期罕见,正是由于东北冷涡活动的频繁活动,配合大兴安岭大地形作用下内蒙古东北地区成为内蒙古的两大暴雨多发区之一,这次冷涡在内蒙古东北部形成之后逐渐发展成熟并东移,东北三省及内蒙古东北部受其影响出现了不同程度的降水,暴雨及强对流天气主要集中在7日08:00至8日08:00,也就说强天气发生在冷
涡发生发展阶段,直至14日08:00冷涡开始减弱,降水结束。

7月7日08:00至8日08:00区域站降水实况分布(图略)可看到兴安盟和呼伦贝尔市有6个乡镇24 h累计降水量超过了100 mm, 最大雨量出现在兴安盟三合146.7 mm,共有56个站出现暴雨, 雨量为51.3~96 mm,共有138个站出现大雨,雨量为25~49.9 mm,大雨以上量级降水主要分布在兴安盟北部和东部,呼伦贝尔市东南部、北部和西部,内蒙古东北部31个站出现了1 h降水量超过20 mm的短时强降水,并伴有雷雨大风等强对流天气,7日下午共有7个乡镇先后
出现6级以上雷雨大风。

暴雨及强对流天气有明显的东北冷涡降水日变化特征,
主要发生在午后到前半夜。

据不完全统计,受雷雨大风、短时强降水影响,房屋倒塌,部分大棚设施被风雨破坏、农作物受损,牲畜死亡、直接经济损失达到825.6万元左右。

表1为境内119个国家站降水实况,最大雨量出现在在乌兰浩特市为86 mm,其次满洲里为64 mm,超过了极端日降水量阈值56.3 mm。

有2个站
1 h累计降水量超过20 mm,分别为索伦及胡尔勒站。

2.2 环流形势特征
图1a(彩页)是7日20:00 500 hPa高度场和温度场叠加图,从图中可以看到,500 hPa高度场上,阻塞高压位于贝加尔湖北部地区,其后部的暖平流不断向阻高中输送,致使该高压稳定,在脊前有一切断东北冷涡分布在蒙古国东部到我国东北地区,受下游鄂霍次克海高压脊及副高的共同影响,东北冷涡的移动受到阻挡,呈准静止状态,冷涡的长久维持、冷空气在冷涡后部偏北气流的引导下不断南下,与槽前暖湿气流汇合,造成我区东北部持续低温和不稳定性的阵雨天气。

随着副高外围热带气旋北上,当东北冷涡与北上的热带系统相结合时,9日开始副高西伸南退,导致东北冷涡减弱东移,整个过程中冷涡的移动路径为偏东为主。

7日20:00 500 hPa冷涡中心在呼伦贝尔市西南部,从700 hPa、850 hPa流场图上可见(图略),冷涡前的持续的西南风和东南风的切变存在,切变线两侧为西南风及东南部风急流区,最大中心风速达到20 m·s-1以上,为暴雨提供了持续的上升运动和水汽,配合大兴安岭地形的强迫抬升作用对东北冷涡生成时暴雨形成起了重要作用,对照地面图(图1b,彩页),有气旋活动与冷涡配合,降水并非出现在冷锋附近,而是出现在冷锋前远离锋面约5、6个经度的区域,降水带走向与锋面平行。

200 hPa高空急流位于我区东北部偏南地区,急流出口区左侧为高空辐散区,可见,高空抽吸作用的强迫作用是东北冷涡得到发展的直接原因之一,随着冷涡发展,降水带逐渐向地面气旋锋面靠近,也即逐渐向冷涡中心靠近。

8日20:00高低空冷涡中心几乎接近垂直结构,冷涡发展进入成熟阶段,9日08:00涡中心与温度中心基
本重合,中心位于黑龙江西部,随后高空急流维持少动,冷涡强度维持,位置略东移南压,降水范围扩大,强度减弱,主要以中雨及以下量级降水为主。

在冷涡减弱阶段,受副高外围西南气流的影响,配合低层出现了弱上升运动,这正是导致冷涡减弱阶段产生弱降水的原因。

内蒙古强对流天气通常是指出现短时强降水、雷雨大风和冰雹等灾害性天气,强对流天气突发性强、破坏力大、是内蒙古的主要灾害性天气之一。

短时强降水、冰雹、雷雨大风的定义与我国天气业务规定一致。

即使在同一东北冷涡背景下产生的天气,由于冷涡不同部位和不同发展阶段中暴雨及强对流天气成因各有差别。

此次过程中冷涡形成时期暴雨及强对流天气均发生在冷涡的东南部,而随着冷涡的发展降水逐渐向冷涡中心靠近,以稳定性降水为主,几乎没有出现强对流天气。

由于西来槽及冷涡的共同影响全区大部地区出现了不同程度的降水,我区东部偏北地区受东北冷涡的影响降水开始于7日08:00,局地有暴雨,兴安盟东部和呼伦贝尔市东南部地区降水以对流性降水为主,国家站最大雨强为43 mm·h-1,并伴有雷雨大风,持续到8日02:00,而呼伦贝尔市西南部降水以稳定性、连续降水为主,24 h累计降
水达到50 mm以上。

东北部降水开始之前7日08:00 700 hPa及以下为弱的偏南风控制,没有明显的
风场辐合,湿度条件较弱,20:00 700 hPa偏南风风速加大,最大风速高达26 m·s-1,850 hPa偏南风转为西南风和东南风两支气流汇合,辐合中心位于兴安盟东部和呼伦贝尔市南部,对流层低层的暖湿输送及辐合是不稳定能量积累的关键,内蒙古东部地区处于低空急流的左侧(图2a),200 hPa高空急流出口区(图2b),
兴安盟东部、呼伦贝尔市东南部受地形影响垂直运动加强,沿暴雨中心47°N处绘制垂直速度剖面可看出由前一时次的两个上升运动中心合并形成了强烈的上升运动中心(图2c),中心位于对流层中层,中心值为-50×10-1 Pa·s-1,一般暴雨中心最大上升气流速度多数出现在850 hPa和700 hPa,这次是最大上升气流速度出现层
次较高的一天。

对应散度剖面(图2d)可以看到, 600 hPa以下为辐合层,辐合中
心位于850 hPa,中心值为-9×10-5s-1,600 hPa以上为辐散层,辐散中心位于400 hPa,中心值为15×10-5s-1,一般暴雨辐散层中心较高,这次是较低的一次,此时高空辐散中心位于高空急流出口区左侧,且高空辐散较低层辐合明显偏强,高空抽吸作用十分明显,高空这种较强辐散形势有利于低层形成对流不稳定,层结不稳定得以发展。

可见,兴安盟东部和呼伦贝尔市东南部暴雨及强对流天气主要由低层切变线及地形抬升作用下低层辐合的水汽在垂直方向上输送、不稳定能量释放导致,总之这次过程的最显著的特点是最大上升气流出现层次较高,辐散层较低,正是这种机制在暴雨区形成深厚的湿层并维持着暴雨期间源源不断的水汽供应。

水汽通量散度分布(图略)显示,7日08:00整层为弱的辐散,至14:00,暴雨区
700 hPa上为强盛的水汽水平辐合,最大辐合中心位于临近暴雨中心的西南方,
维持到8日02:00,与暴雨和强对流天气出现时间一致,说明本次暴雨过程的水汽主要来自700 hPa。

而850 hPa上水汽辐合中心形成较晚并减弱较快,7日
20:00为最强盛,8日02:00之后500 hPa、700 hPa、850 hPa水汽水平辐合急剧减弱,逐渐转为弱的辐散。

呼伦贝尔市西南部降水从7日08:00开始,从6 h降水演变来看,降水持续到8
日14:00,主要降水集中在7日下午至8日前半夜,24 h累计降水量超过50 mm,但是1 h累计降水没有超过20 mm, 产生的降水以稳定性、混合性为主。

相关研
究表明[18],强大的冷涡后部常有高空冷平流和低空暖平流迭加,加上地面白天辐
射增温,形成不稳定层结,有利于对流的发展,中空冷平流带来层结不稳定,使它所产生的天气比较激烈,带有阵性,很少能够产生区域性暴雨,但这次冷涡移动缓慢,
维持时间比较长,冷涡发展较快、在500 hPa高空冷涡中心、中低层冷涡后部出
现了连续性降水。

7日08:00呼伦贝尔市西南部700 hPa以上为西南风控制,
700 hPa以下存在弱的东北风和偏南风的辐合,20:00在500 hPa至850 hPa已
形成了一个深厚的冷涡系统且随高度向西北倾斜,一定程度上反映了低涡在开始加强发展时具有很强的斜压性,与对应的地面低压逐步耦合,为暴雨提供了较好的动力条件。

呼伦贝尔市西南部暴雨中心临近700 hPa冷涡中心,850 hPa冷涡后部偏东风控制,风速明显加强,形成低空急流,之后虽然冷涡中心维持少动,但是冷涡后部的东南风减弱,东北风加强,说明冷空气开始侵入,7日20:00假相当位温梯度区及K指数大值区(36 ℃以上)(图略)位于700 hPa和850 hPa冷涡后部东南风和东北风的切变线辐合中心附近,说明能量集中在此处,这与低层偏南气流带来的增暖、增湿有关,与中高层的冷空气结合产生了稳定的连续性降水,体现了冷涡中心降水对暴雨的落区和范围影响最大, 对强度的影响次之。

同时冷涡中心降水的出现意味着冷涡不再发展,降水释放的凝结潜热,会加快冷心的填塞,促使冷涡趋于减弱和消亡,8日08:00 500 hPa冷涡中心值为556 dagpm,之后开始减弱变为560 dagpm并维持。

水汽通量散度平面图上各时次各层辐合中心并没有对应暴雨中心,散度图可看出7日08:00 850 hPa为弱的辐合中心,之后低层辐合加强,20:00高层形成明显的辐散区,低层辐合较高层辐散大(图3a),沿暴雨中心49°N处绘制垂直速度剖面图演变来看,7日14:00—20:00垂直上升运动加强,并中心逐渐抬高,上升气流随高度向东倾斜,20:00(图3b)上升运动中心位于500~400 hPa之间,中心值为-18×10-1Pa·s-1,之后开始减弱,8日02:00整层下沉运动控制。

总之冷涡发展阶段冷涡中心降水主要由能量聚积并冷涡中心附近系统的动力作用下能量释放导致连续性暴雨出现。

3.2 湿位涡特征
湿位涡是一个能综合反映大气动力、热力特征和水汽作用的物理量,以下从湿位涡的角度对兴安盟东部发生暴雨及强对流天气时段进行分析。

从暴雨中心沿着47°N 处MPV1的径向剖面(图4a)中可看到,7日08:00 600
hPa以下为负值区,说明大气低层存在弱的对流不稳定,45°~50°N、115°~125°E之间有一个-0.4 PVU(其中1 PVU=1×10-6m2·s-1·K·kg-1)中心,在负值对应的范围内600~400 hPa 为正值区,14:00,也就是强降水开始前,负值中心
在47°N、120°E附近(图4b),中心值迅速增长,达到-1.5 PVU左右,与之对应
的600 hPa以上正值区增长,中心值达到2 PVU左右,从500 hPa 向下有一漏
斗形高湿位涡区伸展,高位涡 (2 PVU)的范围伸展到了700 hPa 附近,表明对流
层高层为对流稳定区,冷空气向下入侵,这将有利于低层的不稳定能量大大释放,对流不稳定迅速发展高低层正负值中心垂直结构不是完全垂直迭加配置,正负中心随高度向东北方向倾斜,表明低层冷空气侵入将暖湿空气强烈抬升,使得不稳定能量得到释放,这种MPV1 正负值区垂直迭加配置是强降水及暴雨发生发展的有利
形式,这次暴雨过程发生在对流层中低层MPV1负值区内,暴雨产生前暴雨中心
中低层 850 hPa 和700 hPa 为负值控制,表明大气处于对流不稳定状态,一旦有冷空气触发潜在不稳定能量释放,将产生对流性强降水天气,在47°N、122°E暴雨中心附近形成了MPV1较强的等值线相对密集带,正是冷暖空气交汇的地带,
有利于水汽辐合,垂直涡度剧烈发展。

湿位涡斜压项的大小决定于水平风的垂直切变和相当位温的水平梯度,所以其值
越大表明大气的斜压性越强。

从沿暴雨中心47°N 处MPV2 的经向剖面图可看到,7日08:00(图4c)兴安盟地区850~400 hPa之间MPV2值为0,到14:00(图4d)兴安盟中东部地区800 hPa以下开始出现正值区,中心为2.5 PVU,表明此处开
始有对流云团发展,800 hPa以上有-2 PVU的负值中心,兴安盟东部地区处于正负中心过渡带,斜压性非常强,有利于强对流发展,产生暴雨强降水。

尽管湿位涡斜压部分数值比正压部分要小,但是它在暴雨落区方面是很好的预报参考指标。

3.3 暴雨云系特征
暴雨、短时强降水、雷暴大风等强对流天气是由中小尺度天气系统造成的,使用卫
星云图不仅可以大尺度系统分布,而且还可以反映大尺度系统中的中小尺度系统的生命期全过程。

研究结果表明,在冷涡中心的东北至西北部水汽辐合中心构成冷涡逗点云系的头部且由于在冷涡发展强盛期风速较强、风速辐合亦较强的涡旋云系头部的南部和东南部涡旋云带中对流活动旺盛,这与兴安盟东部暴雨及强降水落区有较好的对应关系。

为了清楚地了解中尺度对流系统演变特征,下面利用黑体亮温和水汽图像资料分析中尺度系统云顶亮温演变和暴雨、强对流天气关系。

7日10:00开始在对流低层的低空急流配合的宽广的暖输送带中中尺度对流云团开始生成合并加强,对流云团随着冷涡的形成和旋转而逐渐向东北方向移动,15:00对流云团移动到兴安盟中部,对应云顶亮温TBB 迅速减小,梯度加大,18:00云顶亮温最低(≤220 K)(图5a),对流云团后部TBB梯度区内开始出现强降水,云系的冷侧存在高空急流配合的明显的入流暗区,对流云团东移,云顶亮温梯度继续加大(图5b),对流云团发展最旺盛时期,兴安盟东部受大范围的云顶亮温梯度区控制,与之相应兴安盟东部地区降水加强,大范围的暴雨及强降水出现。

8日02:00形成逗点云系,中尺度对流云团逐渐变松散, 云顶亮温TBB小于220 K的区域及后部梯度区已完全消失, 降水开始减弱,强降水基本停止,整个过程中最大降水量的雨强落后于云团 TBB最低值1~2 h,说明不稳定能量自高层向低层传导是有一定时间间隔的,并不是强TBB与最强降水同步出现。

02:00之后受涡旋云系头部影响冷涡中心出现了弱的连续性降水。

本文利用常规物理量及湿位涡、结合水汽云图对7月7—8日由东北冷涡引发内蒙古东北部的暴雨、短时强降水等强对流天气过程形成原因进行了天气学诊断分析,结论如下:
(1)此次过程主要影响系统是东北冷涡,地面图上,有气旋活动与冷涡配合;低空急流与暴雨的出现关系密切,不仅提供充分水汽,而且能为冷涡暴雨的产生提供热
力或动力不稳定条件;高空急流具有较强的斜压结构,有利于不稳定能量释放。

(2) 东北冷涡形成阶段能量集中在冷涡的东南部、由低层切变线及地形抬升作用下不稳定能量释放,降水主要以对流性暴雨及强降水为主,而冷涡发展阶段转为冷涡中心降水,能量集中在500 hPa冷涡中心东南部、接近冷涡中心,700 hPa和850 hPa冷涡后部东南风和东北风的切变线辐合中心附近,结合低涡发展时具有
的很强斜压性,地面气旋中心的西北部,以稳定的连续性降水为主,所以冷涡中心及地面气旋的移动可以帮助我们估计大雨、暴雨发生的部位,并体现了冷涡中心降水对暴雨的落区和范围影响最大,对强度的影响次之特点。

(3) 无论冷涡形成时期或发展时期,这次过程的最显著的特点是最大上升气流出现层次较高,辐散层较低,正是这种机制在暴雨区形成深厚的湿层并维持着暴雨期间源源不断的水汽供应。

(4) 暴雨发生在700 hPa MPV1等值线密集带和850 hPa MPV2≥0的叠加区域内,700 hPa MPV1正负过渡带附近,偏向于正值一侧,湿位涡斜压部分在暴雨落区
方面是很好的预报参考指标。

(5)在红外云图上表现为形成逗点云系,最大降水量的雨强落后于云团 TBB最低值1~2 h,并不是强TBB中心与最强降水同步出现。

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