由東北冷渦引發的一次強降水、大風、冰雹天氣過程分析

張翠艷 婁芳蕾 周福然 史虹婷 胡明

摘要：利用MICAPS 3.1歐陽位溫分析圖，運用V-3θ結構分析法及常規氣象資料，對2016年6月10-12日遼西北地區局地強降水、大風、冰雹天氣過程進行分析。結果表明，①此次遼西北地區局地強降水、大風、冰雹天氣是在東北冷渦背景下產生的。②通過常規天氣學角度預報局地暴雨難度較大，V-3θ結構分析法可以在一定程度上彌補這種不足，在短時暴雨發生前12～24 h，遼西北地區上游及錦州V-3θ圖上有超低溫存在，整層順滾流，θ、Θsed和θ*曲線多處左傾，不穩定能量聚集，Θsed和θ*距離較近，濕度條件較好，這些特征對遼西北地區局地暴雨的預報有較好的指示作用。③強冷平流不僅會使地面正變壓場加強、地面變壓梯度增大，而且促使地面風場發展，造成大風，低層冷平流是遼西北地區產生7～8級大風的主要原因。

關鍵詞：東北冷渦；V-3θ結構分析；冷平流；強對流天氣

中圖分類號：P46 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）04-0039-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.04.010

The Northeast Cold Turbo-induced A Strong Winds， Precipitation，

Hail Weather Process Analysis

ZHANG Cui-yan， LOU Fang-lei， ZHOU Fu-ran， SHI Hong-ting， HU Ming

（Jinzhou Meteorological Bureau，Jinzhou 121001，Liaoning，China）

Abstract： Using MICAPS3.1 chart of Ouyang Wen and V-3θ structural analysis method and conventional meteorological data，in June 2016，10-12th in northwestern Liaoning， local stronger rainfall， high winds， hail weather process were analysed. The results showed that，①the local heavy rainfall in northwestern Liaoning and the high winds， hail were generated in the context of the Northeast cold vortex.②And it was difficult to forecast local rainstorm through general weather learn angle，while V-3θ structure analysis method could make up the shortage in a certain extent. In short time storm occurred before 12～24 hours，Liaoning northwest area upstream and the Jinzhou V-3θ figure existsed ultra-low temperature，the whole layer flow in the roll flow，θ，Θsed and θ* curve more at left-leaning，unstable energy gathered，more near distance between Θsed and θ*，better humidity conditions features，which had better of indicates role on Liaoning northwest area to local rainstorm of forecast.③Strong cold advection would not only make the ground temperature-pressure strengthening increased，surface pressure gradients increased，but also promote the development of surface wind fields，resulting in high winds，and low level cold advection was a major cause of 7～8 class winds in northwestern Liaoning.

Key words： northeast cold vortex； V-3θ structure analysis； cold advection； strong convective weather

東北冷渦是影響中國東北地區的主要天氣系統之一，常引起東北地區強降水、冰雹、大風等天氣。東北冷渦降水易發生區并非在冷渦中心處，也不是均勻對稱的分布在東北冷渦中，而是發生在偏東南部地區[1]。對于東北冷渦如何引發的局地暴雨、大風、冰雹等作用機理，很多前輩采用不同的方法對其進行研究，孫力等[2]總結了暴雨類和非暴雨類東北冷渦的降水時機和落區，指出暴雨類冷渦降水中心主要位于東北冷渦系統的東南部。陳力強等[3]指出冷渦的不同發展階段均可對應不穩定能量區，但其分布有較大差異，對流層低層的對于東北冷渦引發的局地暴雨、冰雹、大風等強對流天氣的機理暖濕輸送及輻合是不穩定能量積累的關鍵。王培等[4]指出中尺度對流系統易發生在東北冷渦東南側和東北側氣旋性曲率最大處，此處的對流層低層易形成強輻合區。溫舟等[5]采用V-3θ結構分析方法利用特性層信息的非均勻性和不連續性，對一次由東北冷渦引發的錦州地區局地暴雨進行了研究，在一定程度上彌補常規預報局地暴雨的不足。利用MICAPS3.1歐陽位溫分析圖，運用V-3θ結構分析法及常規氣象資料，對2016年6月10-12日由東北冷渦引發遼西北地區一次局地強降水、大風、冰雹天氣過程進行分析，以便為以后東北冷渦引發的強降水、大風、冰雹天氣預報提供一些參考。

1 降水、大風、冰雹實況

1.1 降水實況

2016年6月10日00：00至12日8：00，遼寧省大部分地區出現中到大雨，局部暴雨天氣。強降水主要分為兩個階段，第一階段出現在10日18：00至21：00，遼西北地區出現短時強降水、冰雹、大風等強對流天氣；第二階段出現在11日7：00至14：00，遼中以東地區出現強降水時段。全省1 638個氣象觀測站中有1 389個站有降水，平均降水量20.7 mm。降水量100.0～249.9 mm的有8個站，其中有7個集中在錦州北鎮和黑山地區，另1個出現在鞍山臺安；降水量50.0～99.9 mm的有139個站，主要集中在沈陽南部、鞍山北部、遼陽北部、盤錦北部及桓仁、昌圖、葫蘆島市區、綏中；降雨量25.0～49.9 mm的有438個站；降雨量10.0～24.9 mm的有437個站，主要集中在遼西和遼中以東地區；最大降水量為142.8 mm，出現在錦州黑山縣的新興鎮。

此次降水具有突發性特點，降水時空分布的不連續性在一定程度上反映出冷渦降水的特征（圖1）。中尺度雨團較為活躍，11日7：00-8：00錦州北鎮柳家鄉最大降水量達54 mm/h，10日19：00-20：00，葫蘆島建昌縣湯神廟最大降雨量達56 mm/h。

1.2 冰雹實況

冷渦降水對流性較強，反映在降水過程中伴有冰雹產生。10日葫蘆島南票黃甲鄉、金星鎮和建昌縣湯神廟鄉、王寶營子鄉出現冰雹（最大3 mm）；錦州市區出現冰雹（130 mm）；凌源縣、北票市區、喀左縣臥虎溝鄉、建昌縣昌隆鎮鄉出現小冰雹（3 mm）。

1.3 雷暴大風實況

冷渦降水對流性較強，第二特征表現在降水過程中伴有雷暴和短時大風。10日，沈陽、錦州、阜新、鐵嶺、朝陽、盤錦、葫蘆島地區出現7～8級雷暴大風，瞬時最大風力達10級，出現在朝陽建平縣。10-11日，全省共監測到閃電4 179次，主要出現在沈陽、鞍山、撫順、本溪、錦州、阜新、遼陽、鐵嶺、朝陽、盤錦、葫蘆島地區。

2 結果與分析

2.1 環流形勢演變特征

遼寧地區出現的短時強降水、大風、冰雹天氣，主要受高空冷渦影響，均發生在高空冷渦發展階段。圖2A、圖2B、圖2C分別為6月9日20：00至10日20：00 500 hpa高度場、溫度場和850 hpa風場演變情況。分析發現，此次強降水、冰雹、大風天氣過程6月9日20：00（圖2A）500 hpa高度層為兩渦一脊形勢，一閉合低渦在50°N以南110～120°E，中心值為5 600 gpm，另一閉合低渦在50°N附近和120～140°E，中心值也為5 600 gpm。前一閉合低渦對應的溫度閉合中心遠落后于它在貝加爾湖以西地區，中心值為 -20 ℃，500 hpa低槽位于蒙古中部到山西一帶，與850 hpa高度層切變基本重合。切變線東側有12 m/s的西南急流，遼寧西部地區處于西南急流區域內，冷渦處于初級發展階段，此時各地降水還沒有開始。

6月10日8：00（圖2B），兩個低渦中心合并，系統略有北抬，兩個低溫中心也合并并且東移，但落后低壓中心的相位減小，遼西處于西南急流區域內，急流軸位于河北樂亭-葫蘆島-錦州-沈陽一帶，水汽主要來源于渤海，遼西地區的降水已經于10日00：00開始，500 hpa低槽、850 hpa切變線均有所東移，但位置仍重合，850 hpa切變線東側西南急流加強明顯，急流軸風速已達24 m/s，錦州地區正好處于急流軸上，冷渦仍然處于強盛發展階段。

6月10日20：00（圖2C）冷渦中心移動較慢，但冷渦南部移動較快，低槽斷裂成兩部分，南部低槽仍然與850 hpa切變線重合，此時溫度槽仍然落后于高度槽，但相位已經很近，冷渦處于持續發展狀態，但由于遼西強降水已于18：00開始，冷渦發展速度減慢，急流軸最大風速減弱到20 m/s，并且東移到遼寧中部地區，此時錦州地區位于急流軸的左側，而后隨著冷渦東移發展，遼寧中東部地區依次出現較強降水，隨著冷渦發展成熟到逐漸消亡，各地降水強度明顯減弱，到11日14：00各地降水基本結束。

2.2 強降水V-3θ圖演變特征分析

V-3θ（V為探空資料中風向和風速的直接觀測數據，在MICAPS3中以風羽形式顯示并設置在θsed曲線上。θ為位溫，θsed為以露點溫度計算的假相當位溫，θ*為人為假定飽和狀態下的假相當位溫。3條曲線在P-T坐標圖上顯示）。結構分析法是針對轉折性災害性天氣預報較有效的一種新預報方法，其原理是來自演化的轉折性和流體的渦旋轉換[6]，方法核心在于充分利用渦旋演化中的非均勻性或不連續的直接觀測的結構信息和旋轉方向的變化，來預測天氣演化的轉折性變化。由于遼寧地區探空站比較稀疏，造成探空資料的缺乏，因此選用上游河北樂亭站探空資料來分析遼西北地區的短時強降水和冰雹天氣，用錦州站探空資料分析北鎮黑山地區的強降水過程。

9日20：00，河北樂亭、錦州V-3Θ圖（圖3）低層均為偏南風，中層為西南風，高層為西北風，均構成整體順滾流，并在250 hpa θ線均有一左拐點，說明有一薄層超低溫層，顯示大氣垂直結構不穩定，并蘊含不穩定能量，它相當于一個冷蓋，是產生和發展暴雨到大暴雨的一個重要條件。不同的是樂亭Θsed和θ*曲線呈現基本一致曲拐方向，但錦州不是，相同的是二者距離均較遠，且南風輻合層均在400 hpa附近，說明此時雖有不穩定能量聚集，但水汽條件還不是很充足。

10日8：00，比9日20：00樂亭、錦州站（圖4）整層風速均加大，順滾流加強，250～200 hpa θ曲線近似垂直K軸（錦州更垂直一些），超低溫層增厚，樂亭、錦州站Θsed和θ*曲線呈現基本一致，多次曲拐或一次曲拐，且距離均較近，說明水汽條件已經很充足，南風水汽輻合層均已達300 hpa附近，此種形勢雖然不是典型的暴雨形勢，但預示著樂亭和錦州以北地區12～24 h內將會有強對流天氣發生。實況表明，在10日14：00-21：00葫蘆島建昌、南票、朝陽喀左、凌源部分鄉鎮及錦州市區出現1.3～3.0 cm不等的冰雹天氣及短時強降水，同時錦州北鎮和黑山地區出現短時強降水天氣。

10日20：00（圖5）比10日8：00，樂亭雖低層還是西南風，850 hpa層以上為偏西風或西比風，存在順滾流，但Θsed和θ*距離較遠，濕度條件較差，且不存在超低溫層，也就預示著未來12～24 h其以北地區不會再有強降水發生。錦州站仍然存在整層順滾流及超低溫層，濕度條件較好，預示著在其北部未來12～24 h仍存在強降水，實況是11日7：00-8：00北鎮和黑山東部鄉鎮再一次出現短時強降水時段。

2.3 強降水雷達回波特征分析

從全省雷達拼圖（圖6）可以看出，與東北冷渦對應的云帶回波于14：30進入遼西，回波為層云和積云混合，向東南壓的同時向東北方向移動，回波帶上不斷有對流云團生成和消散，造成各地陸續產生短時強降水時段，個別地區產生冰雹天氣，至20：00回波東移至遼寧中部地區逐漸減弱，遼西北地區強降水天氣暫時告一段落。

2.4 大風成因分析

2.4.1 地面氣壓場特征分析 從10日8：00-17：00地面氣壓場（圖7）可以看出，遼寧地區處于蒙古氣旋前部，東部為日本海高壓，東高西低的氣壓場形式，有利于遼寧地區西南大風的形成。氣旋中心位于蒙古中部地區，氣壓中心強度為1 000 hpa，隨著氣旋緩慢東移南壓，遼西北部地區越來越靠近氣旋中心，為遼西北地區大風的出現提供地面形勢。

2.4.2 溫度平流與地面變壓場的關系 溫度平流與地面風場之間是通過變壓場相互關聯和促進的，強冷平流不僅會使地面正變壓場加強、地面變壓梯度增大，促使地面風場發展，造成大風，冷平流越強，出現風力也越大。低層冷平流是導致此次遼西北大風的重要原因。

圖8為10日14：00 850 hpa溫度平流場，冷平流區域位于內蒙-河北一帶，冷平流中心值為-30×10-4 K/S，冷平流梯度較大，與之對應的地面（圖9a）此時此區域內正變壓場加強，變壓梯度增大。隨著冷平流區域東移北抬，依次掃過遼西北地區（圖9b），各地陸續出現7～8級大風天氣，至20：00冷平流減弱，與之對應的地面（圖9c）此時此區域內正變壓場減弱，變壓梯度減小。大風天氣基本結束。

2.4.3 地面變壓場與地面風場的關系 對于中緯度天氣尺度系統來說，在地面層中，水平風速主要取決于變壓梯度分布的大小，當風向沿著變壓梯度方向時，變壓梯度加強將使風速加大，反之使風速減小，因此地面變壓場將直接影響地面風場，這是導致地面大風出現的原因之一。

遼西北地區的大風均出現在10日14：00-20：00， 10日14：00與高空冷渦相伴的冷空氣從西北東移南下，冷空氣前部的正變壓域已南壓至蒙古東部至河北西部一帶，遼西北地區為負變壓區控制，變壓梯度密集區位于河北西部地區。10日17：00遼西北地區被正變壓區和變壓梯度密集區所覆蓋，各地陸續出現7～8級大風。10日20：00雖然遼西北地區仍為正變壓區，但變壓梯度明顯減小，各地風速也明顯減弱。以上分析表明，遼西北地區出現的7～8級大風與地變壓場的變化密切相關。

3 小結

此次遼西北地區局地強降雨、大風、冰雹天氣是在東北冷渦背景下產生的。

通過常規天氣學角度預報局地強降雨難度較大，V-3θ結構分析法可以在一定程度上彌補這種不足，在短時暴雨發生前12～24 h，遼西北地區上游及錦州V-3θ圖上有超低溫存在，整層順滾流，θ、Θsed和θ*曲線多處左傾，不穩定能量聚集，Θsed和θ*距離較近，濕度條件較好，這些特征對遼西北地區局地暴雨的預報有較好的指示作用。

強冷平流不僅會使地面正變壓場加強、地面變壓梯度增大，促使地面風場發展，造成大風，冷平流越強，出現風力也越大。低層冷平流是遼西北地區產生7～8級大風的主要原因。

參考文獻：

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[3] 陳力強，張立祥，周小珊.東北冷渦不穩定能量分布特征及其與降水落區的關系[J].高原氣象，2008，27（2）：339-348.

[4] 王 培，沈新勇，高守亭.一次東北冷渦過程的數值模擬與降水分析[J].大氣科學，2012，36（1）：130-144.

[5] 溫 舟，張 放，楊桂娟，等.錦州地區一次短時局地暴雨V-3θ圖特征[J].氣象與環境學報，2014，30（6）：37-42.

[6] 歐陽首承.天氣演化與結構預測[M].北京：氣象出版社，1998.