2013年7月2日東北強降水研究

曾 科， 顧建峰， 劉海文

(1.成都信息工程大學大氣科學學院 高原氣象與環境重點實驗室，四川 成都610225;2.中國氣象局，北京100081)

0 引言

暴雨是中國夏季主要的氣象災害［1］，往往能引起嚴重的洪澇，山洪爆發。20世紀90年代以來，東北地區接連發生了不同程度的洪澇，如1994年東北地區產生的洪澇、1995年大洪水、1998年夏季發生于松花江流域和嫩江流域的超歷史記錄的洪澇和2005年東北大部洪水等［2］，這些洪澇天氣過程給東北地區帶來了嚴重的損失，也引起學者的廣泛關注和研究［3-4］。

關于東北暴雨的研究很多。比如鄭秀雅等［5］就對東北暴雨的氣候特征以及形成東北暴雨的主要天氣系統進行了研究和歸納。鐘水新等［6］通過研究2009年6月19日東北地區一次短時強降水過程，概括出此次暴雨過程的三維概念模型。壽亦萱等［7］應用常規和非常規資料，對2005年6月10日發生在黑龍江省沙蘭河上游的暴雨MCS動力結構的演變特征作了研究，認為導致該次降水的中尺度對流系統是一個具有多單體風暴結構特征的孤立對流系統。鄭秀雅等［5］研究表明，東北地區大范圍的暴雨過程與西風帶、副熱帶和熱帶，亦即所謂的“三帶”環流系統有著密切的聯系。黃泓等［8］研究了1998年8月的一次東北暴雨過程，認為暴雨落區與低層濕位渦正壓項區域相對應。趙思雄等［9］認為，當低緯度的熱帶渦旋系統產生北移，并與東北冷渦共同作用下，就會引發特大暴雨的產生。

東北冷渦是影響中國東北地區的主要系統之一，發生在東北地區的強降水、冰雹、大風等天氣過程大部分都是由于東北冷渦引起［10］。陶詩言［1］指出，作為中國主要暴雨大形勢特點之一的東北冷渦型，其往往能夠引發東北和華北北部雷陣雨過程。Chen等［11］借用Q矢量分析了東北夏季冷渦的中尺度對流系統，揭示出Q矢量能對不穩定的斜壓強迫產生顯著的效果，這為業務預報提供了一定的幫助。陳力強等［12］通過應用MM5模式對一次東北冷渦過程個例進行了模擬，發現當冷渦南部鋒區內若產生斜壓性擾動以及形成有利的不穩定層結，則能給MCS強風暴提供有利的環境條件。齊彥斌等［13］通過對2003年7月8日一次東北冷渦過程中冷渦對流云帶的詳細分析，初步討論了降水可能形成的機制。孫力等［14］通過對1998年松嫩流域東北冷渦大暴雨形成過程進行分析，發現1998年松嫩流域洪澇災害與多次的東北冷渦活動相聯系。喬楓雪等［15］針對一次大范圍持續性暴雨進行了分析與研究，認為長時間的低渦暴雨與低渦，副高以及水汽輸送等方面有密切的關系。

這些研究表明，研究東北冷渦及其導致的東北暴雨顯得非常重要。2013年夏季，東北地區降水過程頻繁，黑龍江、松花江、嫩江等流域出現大洪水，高水位持續時間長，造成了嚴重的持續性洪澇災害［16］。而7月2日是東北2013年入夏以來出現最強的一次暴雨過程，針對此次降水過程，是由什么天氣系統導致的，導致其發生的大尺度降水條件又具有什么樣的特征，到目前為止，尚未有文獻。因此，開展對7月2日東北暴雨的研究，這對認識加深認識影響東北暴雨的機制，具有重要的科學意義。

1 資料與方法

所用資料包括:

(1)降水資料，源于中國氣象局業務系統(meteorological information combine analysis and process system，MICAPS)，包括常規臺站降水資料和加密的自動氣象站降水資料;

(2)大氣環流資料，選自 NCEP/NCAR提供的FNL(final operational global analysis)全球每6 h一次的再分析資料。其水平分辨率為1°×1°，垂直分辨率為26層。要素場包括U，V風場，相對濕度，位勢高度場，垂直速度ω，地面氣壓等。

根據喬楓雪等［15］對東北區域范圍的研究，定義38°N ～54°N，119°E ～135°E 的區域作為東北研究范圍。通過運用Cressman客觀分析法［17］，定義東北區域范圍內的站點數據插值為1°×1°的格點數據，從而獲得東北地區區域平均逐日降水量。

文中主要使用了天氣診斷分析等方法。其中，計算整層積分水汽通量的方法與 Trenberth［18］和 Lei等［19］的方法相類似，公式如下:

公式中g為重力加速度，Qu、Qv分別代表緯向和經向的水汽輸送通量和方向，兩者的單位為kg/(m·s)，u，v分別為緯向風和經向風，q為比濕，Ps為地面氣壓場，在此代表下界氣壓，而P取為300 hPa，代表上界氣壓。

2 7月2日暴雨過程簡介

圖1 2013年7月2日東北地區降水空間分布圖(陰影為≥50 mm，單位:mm)

圖1給出了7月2日東北降水的空間分布特征。由圖可見，東北大部分地區都出現了降水，其中長春以東大部分地區都達到大雨以上降水量級，強降水中心主要位于白城附近，其6小時降水量超過50 mm，這是東北2013年出現的最強的一次強降水過程。由于其降水出現時間早，且雨量大，因此作為研究的主要對象。

3 影響7月2日東北暴雨的天氣形勢和系統

圖2 500 hPa高度場

大范圍暴雨是出現在一定的大尺度環流形勢下［1］。在暴雨出現前的6月30日08時(北京時)的500 hPa天氣圖上，在高緯度地區，整個歐亞大陸上空為一槽一脊型，其中在葉尼塞河附近為一低渦，東北北部為一暖脊;在中高緯度地區，環流比較平直，東北上空為一短波槽控制。24小時以后(圖2b)，葉尼塞河附近的低渦分裂成2個小低渦，一個向葉尼塞河的西南方向發展，另一個東移至貝加爾湖以北地區，值得注意的是，在東北地區的西部，此時已經形成低渦，此即所謂的東北低渦。到了7月2日08時(圖2c)，高緯地區環流形勢穩定少變，被分裂的兩個低渦范圍明顯變小，此時在拉普捷夫海峽南部地區又生成一個小的低渦中心，表明又有新的冷空氣在該處堆積，位于東北上空西部的東北冷渦范圍較24小時前有所擴大，該低渦在7月3日08時進一步加深變強(圖2d)，進而導致了東北7月2日強降水的發生;7月3日08時位于葉尼塞河西南部的低渦和其北部的冷空氣切斷，在里海北部附近形成一個切斷低渦。到了7月4日和7月5日08時的500 hPa天氣圖上，東北低渦逐步減弱直至形成一個高空槽，影響東北7月2日暴雨過程也隨之結束。需要注意的是，在整個暴雨形成過程中，中緯度的副熱帶高壓位置穩定少變，表現為5840 gpm線基本維持在北緯31°N附近，這樣的“北低南高”的環流配置，有利于冷暖空氣在東北附近長時間相互作用，使暴雨得以發生。

圖3 850 hPa高度場

對流層中低層850 hPa的環流形勢和對流層中高層500 hPa天氣形勢相比，大致相同。6月30日08時(圖3a)，一弱低渦形成于貝加爾湖南端以及蒙古東南部。7月1日08時(圖3b)，低渦迅速向東部移動進入東北地區，并逐漸開始控制東北區域，在此移動過程中，低渦經向度拉長，強度變大不大。同時，國際編號為1306的強熱帶風暴“溫比亞”出現于中國南海附近，中心位置約位于114°E，18.3°N。充沛的水汽在該熱帶渦旋的牽引下向中高緯度地區移動，然后在西風帶系統的影響下輸送至低渦。7月2日08時(圖3c)，低渦中心略微南移，中心強度繼續加深，“溫比亞”北移至廣西，加強與西風帶系統的聯系，將水汽進一步輸送至低渦中心，對7月2日暴雨過程的產生和增強起到了一定的作用。隨后低渦迅速發展成熟，在次日08時(圖3d)低渦發展達到最大，基本控制了整個東北地區，中心強度達到1250 gpm。24小時后(圖3e)，低渦開始東移減弱，到7月5日08時(圖3f)，低渦已徹底消失。值得注意的是，整個過程中低層低渦出現，發展成熟，減弱以及消失的時間與中層基本一致。

圖4 7月2日08時200 hPa風場(陰影代表高空急流，單位:m/s，矩形方框代表東北區域)

圖5 7月2日08時850 hPa風場(陰影代表低空急流，單位:m/s，矩形方框代表東北區域)

圖6 7月2日08時高低空急流與東北范圍的水平位置分布圖(虛線代表高空急流，單位:m/s，實線代表低空急流，單位:m/s，矩形方框代表東北區域)

圖7 沿125°E矢量風(v-ω的合成)的經向剖面圖(黑色粗實箭頭代表次級環流移動方向)

7月2日東北強降水期間，200 hPa高空西風急流帶緯向范圍寬廣，從70°E一直延伸到140°E左右(圖4)。急流軸存在2個大風核，其中一高空急流核位于90°E附近新疆東部，呈準東西向分布，另一高空急流核呈“反氣旋性”彎曲，主要位于東北區域上空及其東南側。前者中心風速超過55 m/s，后者中心風速超過50 m/s。暴雨的產生往往伴隨著低空急流的出現，兩者關系密切［1］，作為能夠觸發風暴發展，發生的因子，低空急流不僅能將水汽輸送給中緯度暴雨，同時也能給強對流系統提供動量［20］。7月2日08時，在低層850 hPa風場上(圖5)，有一明顯的低空急流。該急流初生于中國南海，接著在副熱帶高壓西北部的引導下，沿著中國南部北上，經過中部以及華北地區，再穿越過東海，最后進入到東北地區中。急流最初以風速14 m/s左右經過中國內陸，當移入華北地區后，風速迅速增強至18 m/s，急流軸呈西南-東北走向，急流核強度超過20 m/s，此后強盛的風力一直持續到急流進入東北地區后。

高低空急流的耦合對暴雨等劇烈天氣的發生發展尤為重要［21］，因此為了了解高低空急流與東北區域的耦合情況，繪出高低空急流與東北范圍的水平位置分布圖(圖6)。7月2日東北強降水過程中，呈“反氣旋”彎曲的高空急流大風核南界與在東北地區南部上空的低空急流北界出現重疊，東北強雨帶主要處在該高空急流大風核內部以及低空急流左前側，而往往低空急流中心的前方存在明顯的水汽輻合和強的上升運動。

圖7為沿125°E經向風與垂直氣流的合成矢量經向剖面圖。圖中，東北區域南部38°N至45°N上空主要為上升運動所控制，而強的下沉運動支出現在低空急流南側位置對流層低層29°N附近。可以看到，一支與高空鋒區相聯系橫跨高空急流與低空急流的經向垂直環流存在于東北地區上空及其南面。深厚的上升氣流從低層徑直上升，到達200 hPa處后向南部發生偏折，緊接著在29°N左右處下沉，至對流層低層處再轉向北，構成一支北側上升，南側下沉的次級環流。因此，高低空急流耦合在東北地區上空形成強烈的上升運動是引起該日東北地區強降水的原因之一。

4 東北低渦的結構分析

圖8 7月2日08時沿125°E高度-緯度剖面圖

為了進一步分析影響該次暴雨的東北低渦的結構，圖8給出過低渦中心的125°E高度-緯度剖面圖。由圖8(a)可見，在45°N至50°N的上空850 hPa～650 hPa處，東北地區有一個θse閉合的低值中心，和低值中心配合的是向下凹的等比濕線，這說明7月2日在對流層中低層，東北低渦為一干冷的天氣系統。根據?θse/?ρ＞0，可知這一時刻東北地區正處于對流不穩定狀態［22］。在東北地區南部，存在一個明顯的高空鋒區，這說明了東北低渦具有斜壓波的特性。圖8(b)和圖8(a)相比，東北上空位溫和相對濕度的垂直剖面圖有很大不同。在45°N至50°N的上空，并沒有出現低值中心，在東北地區南部也沒有出現高空鋒區的特征，這些都充分說明了東北低渦對流層中層主要由大氣濕度導致的所謂干的結構，需要指出的是，在對流層中上層有一個明顯的相對濕度低值中心，姚秀萍等［23］將相對濕度≤60%的干空氣，定義為高空干侵入，因此高空干空氣的向對流層下部傾入，是此次暴雨發生的一個重要觸發機制之一。另外，無論是圖8(a)還是圖8(b)，在東北南部850 hPa到300 hPa處，假相當位溫和位溫都表現出一個向下凹的特征，表明此對流層中上層的都存有一冷空氣柱，結合圖2和圖3東北低渦的水平分布，該冷空氣可能來自于貝加爾湖的西北氣流有關，而冷空氣的侵入非常有利于東北低渦的加強和維持。

綜上所述，影響該次降水的東北低渦具有干冷的結構特征，高空干空氣的向對流層下部傾入，是此次暴雨發生的一個重要觸發機制之一，在東北南部850 hPa到300 hPa處，存在的冷空氣柱非常有利于東北低渦的加強和維持。

5 水汽條件的來源及水汽收支

圖9 7月2日08時地面到300 hPa整層積分的水汽通量(矩形方框代表東北區域)

圖10 7月2日08時東北地區水汽收支/kg/s

產生暴雨以上的大降水量必須要有源源不斷的水汽供應［24］。圖10為7月2日08時地面到300 hPa整層積分水汽通量圖。由圖10可見，在7月2日東北強降水期間，主要存在4支水汽通道，第一支來自阿拉伯海經過孟加拉灣，第二支來自于南海，第三支來自于西太平洋南部的偏東風水汽輸送，最后一支來源于中緯度西風帶，由偏西風輸送，這支水汽通道大致經過貝加爾湖、蒙古東側以及呼和浩特東北部到達東北上空。上述水汽在東北地區匯合，為該日強降水的形成提供了良好的水汽條件。

為進一步分析此次東北地區暴雨過程水汽條件，圖11給出東北地區范圍的四邊水汽收支情況。由圖11可見，在東北地區強降水發生階段，東邊界，南邊界以及西邊界為東北地區提供了水汽，其值分別為:1.43×107kg/s、21.46 ×107kg/s和4.82 ×107kg/s，而北邊界的水汽貢獻為負值，為6.16×106kg/s。與東邊界相比，西邊界和南邊界的水汽供應值更為充沛，其中來自南邊界的水汽值最大，比前者高出約16.64×107kg/s，對東北地區的水汽供應起著非常重要的作用，這顯然與上述水汽來源分析相一致。經、緯向水汽凈輻合，達到27.1×107kg/s，因此，整個區域水汽盈余。

6 結論與討論

利用常規觀測、加密自動氣象站降水資料以及NCEP/NCAR再分析資料等，分析了2013年7月2日影響東北暴雨的天氣形勢和影響系統，得到如下結論:

(1)7月2日東北暴雨具有發生時間早，降水強度大，災害性強等特點。影響此次暴雨的主要天氣形勢是“北低南高”。“北低”就是東北低渦，“南高”就是500 hPa上空的西太平洋副熱帶高壓。穩定少變的天氣形勢，使得東北南部形成一個從地面到對流層高層的高空鋒區，導致冷暖空氣在東北持續相互作用，7月2日暴雨得以發生。

(2)在強降水期間，東北地區正好處于呈“反氣旋”彎曲的高空急流大風核后方和低空急流左前側。與高空鋒區相聯系，一次級環流形成于高低空急流耦合區內，上升支處于東北地區38°N至45°N上空，到達200 hPa處后往南偏折，接著在29°N左右處下沉，下沉支位于低空急流南側29°N附近，至對流層低層處再轉向北，從而構成高低空急流耦合激發的次級環流。因此，高低空急流耦合在東北地區產生強烈的上升運動是引起7月2日東北地區強降水的原因之一。

(3)影響該次降水的東北低渦具有干冷的結構特征，高空干空氣的向對流層下部傾入，是此次暴雨發生的一個重要觸發機制之一，東北上空為對流不穩定狀態，在東北南部850 hPa到300 hPa處，存在的冷空氣柱，非常有利于東北低渦的加強和維持。

(4)強降雨中心一直是水汽通量輻合的大值區，其中主要的水汽源有4支:一支來自于阿拉伯海和孟加拉灣，一支來自于中國南海，另外一支為西北太平洋，最后一支來自于西風帶水汽通道。這四支水汽源源不斷地將豐富的水汽輸送到東北地區，使得東北水汽盈余，為該日東北暴雨提供了良好的水汽條件。

需要指出的是，僅僅從天氣診斷的角度對此次東北暴雨進行了分析，對導致這次降水的物理機制，將用中尺度數值模式加以驗證，也是下一步研究的主要重點。

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