黑龍江省一次伴有龍卷的暖區暴雨成因分析

徐 玥，張桂華，孟瑩瑩，張禮寶

（黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030）

暖區暴雨因其具有熱帶氣團性質，降雨效率高，影響范圍小，容易造成局地內澇，山體滑坡、泥石流等災害。大多數暖區暴雨缺乏明顯的天氣尺度擾動，是預報的重點和難點。陳翔翔等[1]將華南暖區暴雨分為切變線型、低渦型和偏南風風速前邊輻合型3類。暴雨輻合中心均在850 hPa以下的低層，有較大的濕度梯度。張曉美、伍志方等[2-5]對華南暖區暴雨的中尺度特征和可預報性進行了研究，暖區暴雨與中尺度對流系統的不斷生消有關，雷暴出流和邊界層暖濕氣流形成的輻合線又觸發新生單體等地面中尺度風場可能是暖區暴雨對流系統形成和發展的觸發機制。近些年，北方暖區暴雨的研究逐漸增多。諶蕓、孫軍等[6-10]對北京“7·21”暴雨過程中暖區降水特征進行了分析，趙慶云等[11-13]認為低空急流激發對流云帶發展、加強，低層垂直風切變和超低空急流在對流觸發和維持中可能有重要作用，200 hPa顯著分流區“抽吸作用”等深厚垂直上升運動是暴雨形成的動力機制，弱冷平流與暖平流作用增加了大氣不穩定性。

我國暖區暴雨多出現在華南。黑龍江處于亞洲中高緯，主要有暖鋒鋒生、東北低渦、西風帶低槽與副熱帶高壓結合、臺風等[14-15]等暴雨類型。綜合看來，黑龍江各類暴雨都需要有冷空氣參與，冷暖空氣交匯是產生暴雨的主要原因。對于沒有明顯冷空氣影響下的暖區暴雨較少出現，缺乏預報經驗。

2014年7月19日19—24時，黑龍江西部出現冷鋒前部的暖區強降水，本文利用多源資料從降水特點、環境條件及中尺度對流系統演變等方面對克山“7·19”暴雨成因進行綜合分析，加深黑龍江暖區降水機理的理解，提高此類天氣的預報能力。

1 天氣概況及特點

2014年7月19日19—23時，齊齊哈爾克山縣自北向南出現強降水，全縣有8個鄉鎮出現暴雨，4個鄉鎮大暴雨。降水自19日18時開始，20日01時基本結束，持續7 h，暴雨落區集中在齊齊哈爾北部的訥河、克山、依安和拜泉東部，其中克山降水強度和持續時間均最大。

此次過程分2個階段：第一階段，20—22時克山北部局地強降水，最大累積雨量為162.8 mm，最大小時雨強95.3 mm/h，均出現在曙光鄉；第二階段，21—23時強降水位于克山南部，最大累積雨量141.2 mm（西河），最大小時雨強 81.1 mm/h（西聯鄉）。從降水落區和雨強變化（圖1）來看，此次強降水過程具有明顯的局地性、極端性和突發性，為中尺度對流系統中超級單體產生的強降水。

強降水過程中伴隨有雷暴大風出現，23時地面風速為9 m/s，3個區域站觀測到極大風速為20 m/s。強降水過后，西河、古城部分村屯在23時左右出現龍卷，其中，古城23：06極大風速為25 m/s。強降雨、雷暴大風和龍卷導致克山縣11個鄉鎮發生不同程度的洪澇和風災，造成大面積農作物受災，大量房屋、公共設施損壞，人畜傷亡。

圖1 2014年7月19日20時—20日02時雨強分布

圖2 7月19日20時環流形勢（a為500 hPa等高線和風場，b為850 hPa等溫線和風場，五角星為暴雨落區）

2 暖區暴雨的環流特征

此次暖區降水發生在“北低南高”的環流形勢下，副熱帶高壓（以下簡稱副高）北上是暖區降水的重要環流形勢，邊界層輻合與高空急流和輻散場耦合是觸發機制。

2.1 環流形勢

19日西西伯利亞冷空氣東移與極地南下冷空氣在55°N交匯形成冷渦（圖2），副高588線北上到達45.7°N，克山位于副高外圍580 dagpm附近。副高和冷渦在黑龍江西部對峙，500 hPa西風加強，風速≥20 m/s，強降水位于500 hPa急流軸左側。850 hPa風速增大，偏西風與西南風切變線位于嫩江南部，呈冷式切變線結構，但冷平流較弱，切變線東側為與超低空急流相伴的暖濕舌，850 hPa為暖脊控制，為暖區強降水，對流在暖濕舌頂部觸發。925 hPa超低空急流建立。

20時地面低壓中心位于黑龍江西北部，冷鋒位于內蒙古小二溝，暖鋒在俄羅斯境內，黑龍江為冷暖鋒間暖區。雷暴觸發地在訥河附近，大興安嶺山前迎風坡，地面上為偏南風與東南風輻合，距離小二溝約100 km（圖3）。地面與850 hPa輻合氣流在地形抬升作用下觸發抬升對流。

與850 hPa暖脊配合，地面冷鋒前部為向北伸展的暖濕舌，中尺度對流系統沿暖濕舌頂部的輻合線發展。暖舌頂部具有暖鋒特征，水平尺度約100 km（圖 3）。

此次過程中500~850 hPa均為暖脊控制。降水過程中，850 hPa暖脊北上，促使等溫線加強，呈現暖鋒鋒生的特點。強降水出現在850 hPa上18℃等溫線附近的暖脊中，地面冷鋒前部的暖區，距離暖鋒距離超過200 km（圖3），并且低層沒有明顯冷空氣入侵。

由溫度平流垂直剖面可知，暖平流出現在600 hPa以下并逐漸增大，而500 hPa附近有弱冷平流，強降水過程中冷暖平流均增大，垂直不穩定增加，但仍以低層暖平流為主。

圖3 地面鋒面與23時地面等溫線（25℃）和風場分布（黃色圓圈：對流新生區；：暴雨落區；：龍卷）

2.2 高、低空急流

高低空急流對強降水的產生有重要作用，尤其是超低空急流。19日08—20時高低空風速增大，925 hPa中心風速達16 m/s，達到超低空急流標準。急流從渤海輸送水汽北上，暴雨落區位于超低空急流頭部。850 hPa風速增加后，急流中心位置偏北，暴雨區處于急流后部，齊齊哈爾與嫩江兩站間存在風速輻合。925 hPa超低空急流頭部、850 hPa西南風和500 hPa西風急流交匯處。超低空急流增強了水汽條件和位勢不穩定，增強了低層垂直風切變，降低自由對流高度，有利于強降水和龍卷的發展。急流交匯區有利于形成深厚的上升運動。

20時200 hPa高空急流東移，黑龍江西部為高空流場輻散區，高空急流出口區左前側與加強的超低空急流耦合促使中尺度對流系統快速發展，誘發強降水。

20日08時200 hPa高空急流西退，而低空急流東移減弱，高低空耦合和水汽輸送消失，因此降水快速結束。高低空急流的耦合是促使對流迅猛發展的主要因素，耦合的快速消失也是強降水快速結束的重要原因。

2.3 地形作用

此次過程中，地形對強降水的觸發有重要作用。強對流觸發在松嫩平原北部，小興安嶺迎風坡。地面的暖濕區與平原邊界吻合（圖3），呈向南開口的“喇叭”狀，低層暖濕空氣輸送至松嫩平原后，在夾角區聚積。地面風場與地形走向一致，西南風、偏南風與東南風的輻合區也在夾角處。風向輻合抬升暖濕空氣，觸發對流發展。觸發后的對流系統東移在小興安嶺山脈作用下抬升。克山附近地形為中間高四周低，該處有沿山谷的氣旋式環流，并且持續時間較長。大、小興安嶺與松嫩平原的特殊地形是該處出現強降水的重要原因之一。

圖4 水汽通量散度（陰影）和垂直速度（線條）沿125.5°E垂直剖面（a為19日20時，b為20日02時）

3 水汽條件

水汽是產生短時強降水的重要條件，尤其低層濕空氣有利于對流發展[16]。08—20時伴隨副高北上整層大氣比濕增加，700 hPa以下增濕顯著，850 hPa最強，地面比濕超過16 g/kg，濕層深厚。500 hPa濕度增幅小，“上干下濕”增強，位勢不穩定增大（圖4）。

地面濕度也有明顯增強。降水開始前地面露點由20℃增至22℃。地面上西南風、偏南風、東南風和偏東風的輻合中心，有利于暖濕空氣向暴雨區集中，強對流沿地面輻合線發展。

低層比濕的快速增長源于超低空急流將渤海灣水汽向北輸送。925 hPa超低空急流與水汽通量中心吻合，水汽通量增大。水汽通量散度垂直分布表明（圖4），強降水落區（48°N）附近為深厚的水汽輻合區。 20時600~900 hPa為水汽輻合層，輻合中心在800 hPa附近，并與上升速度中心相對應，有利于水汽的凝結抬升。水汽輻合和垂直上升運動繼續增強，14日02時水汽輻合中心和上升速度中心南移，強度分別達到-4×10-5g·（s·hPa·cm2）-1和-60×10-5hPa·s-1，水汽輻合和抬升運動均達到最強，但是水汽輻合中心在850 hPa附近，而上升速度中心位于600~700 hPa，二者逐漸分離，水汽垂直輸送和凝結作用逐漸減小。

另外，在低層水汽通量輻合增強的同時，北部水汽通量輻散也進一步加大，致使48°N附近低層水汽梯度明顯增強。地面相鄰兩站間形成24℃和20℃的露點差，強降水出現在露點高值區附近。

4 不穩定條件

4.1 條件性位勢不穩定

齊齊哈爾探空顯示大氣層結為條件性位勢不穩定。假相當位溫垂直剖面（圖5）表明，50°N以南600 hPa以下為伴有暖平流的高能區，高能舌在800 hPa以下并向北伸展，48°N附近為低值區，19日20時—20日02時能量鋒區和暖平流逐漸增強，暖平流中心分別在900、850和700 hPa附近，450 hPa附近冷平流增強，中層冷空氣入侵使不穩定進一步增大。低層暖濕空氣的強烈輸送形成能量鋒區，為強降水提供了水汽和不穩定能量，強降水出現在鋒區高能一側的暖區中，低層為強暖平流。700 hPa和950 hPa假相當位溫垂直溫差由20時的-8 K，增大至02時的-16 K。

位勢不穩定層結的建立主要取決于高低層水汽和熱量平流的差異。低層強暖平流和水汽通量輻合，使得“上干冷下暖濕”特征加強，位勢不穩定增大。

4.2 逆溫層

由于低層強水汽和熱量輸送，20時齊齊哈爾800 hPa出現逆溫層。逆溫層以下相對濕度大，強對流發展所需的能量得以累積。按最低逆溫層訂正后，齊齊哈爾站CAPE由2 536.7 J/kg降至1 278.9 J/kg，CIN由34.9 J/kg增至54 J/kg，不穩定能量明顯降低，可見，逆溫層可使大氣不穩定能量增加一倍。

4.3 關鍵環境參數

齊齊哈爾探空關鍵參數表明（表1），20時大氣環境有利于強對流出現。CAPE達2 536.7 J/kg，CIN降至 34.9 J/kg，LI＜-5，K 指數達 34 ℃，LFC 和 LCL降至850 hPa以下，暖云層增厚，降水效率增大[17]。研究表明，低層露點高、抬升凝結高度低以及低空急流的存在有利于出現短時強降水，而低抬升凝結高度和低空急流也是龍卷的參考指標。

表1 2014年7月19日齊齊哈爾探空關鍵物理量參數

圖5 假相當位溫（線條）和溫度平流（陰影）沿125.5°E垂直剖面（a為19日20時，b為20日02時）

4.4 垂直風切變

垂直風切變是判斷對流強弱和持續時間的重要指標[18]，弱的垂直風切變可以減小水滴的蒸發以提高降水效率[19]，強垂直風切變容易導致中氣旋形成，導致對流系統有更長的生命史[20]。

嫩江和齊齊哈爾各高度垂直風切變表明（表2），強降水開始前各高度垂直風切變均有所增強，暖區中（齊齊哈爾）垂直風切變明顯強于輻合區（嫩江），且增幅最大。20時，嫩江0~3 km和0~6 km達到中等以上垂直風切變，有利于風暴組織性增強，產生短時強降水。齊齊哈爾0~1 km垂直風切變快速增至8.7×10-3s-1，發展中的中尺度對流系統隨地面輻合線南移靠近齊齊哈爾時低層風切變增大，十分有利于出現伴有龍卷的超級單體風暴。0~3 km和0~6 km垂直風切變大，不利于出現強降水。

表2 嫩江和齊齊哈爾垂直風切變 10-3s-1

5 中尺度對流系統特征分析

雷達反射率因子和徑向速度演變表明，地面輻合線附近不斷有對流單體生消合并形成中尺度對流雨帶，雨帶具有明顯的后向傳播、準靜止和“列車效應”等特點，從而產生局地強降水。中尺度對流系統的維持發展與暖平流與“冷池”發展有關。

5.1 雷達回波演變

前期，黑龍江上游黑河附近的暖鋒上有云團發展。18時，地面風場輻合中心位于訥河，地面風場輻合觸發對流。19時莫旗西南部為西南風、偏南風與偏東風的輻合中心，對流單體沿輻合區發展，新生單體隨平均風東移，雨帶走向與移動方向平行，“列車效應”致訥河18—19時小時降水量達72 mm。

20時超低空急流北上，地面偏南風風速加大，雨帶回波呈弓形向北凸起（圖6），回波東部地面暖中心和輻合線處有多單體塊狀回波發展加強，對流單體高6~7 km，質心超過50 dBZ，高2~3 km，表現為低質心的熱帶型降水回波特征，降水效率高。合并后的塊狀回波呈準靜止狀態。準靜止特征與地面中尺度輻合線穩定少動有關。區域站風場顯示（圖8），克山北部存在γ中尺度氣旋性環流，該環流為地形性環流，持續時間長，導致環流北部輻合線穩定維持。強降水從20：20開始持續至21：40，80 min內降水量達161.3 mm，20—21時最大雨強達95.3 mm/h。隨后，回波向東移入地面冷池，風場輻合消失，系統迅速減弱。

圖6 2014年7月19日強降水雷達回波特征（白色圓圈為第一階段強降水落區，白色矩形為第二階段強降水和龍卷落區）

在北部強降水發生時，雨帶沿南側輻合線發展形成近東西向的回波帶。莫旗南部輻合區不斷有單體新生，在回波上表現為西南向的后向傳播，雨帶整體沿地面輻合線向東南方移動。22時雨帶達到最強，長120 km，寬30 km，回波頂高8 km，單體質心達57.5 dBZ，質心高4 km，質心較北部回波高，呈弱傾斜結構，回波帶具有冷鋒特征。21：30—22：45強降水出現在雨帶東側，最大降水量達141.1 mm，“列車效應”產生強降水。此時，北部對流的暖濕輸送被切斷，也是北部降水迅速減弱的原因之一。

圖7 1.5°仰角徑向速度（圓圈：對應冷池的正速度區；方框：0.5°仰角中氣旋特征）

5.2 徑向速度特征

低空急流、地面冷池和輻合線在雷達徑向速度圖上演變特征明顯（圖7）。19：30回波向北發展，與其對應1.5°仰角徑向速度出現超過20 m/s的中心，回波形態和徑向速度表明環境風場增強，尤其低層更加明顯。

20：32伴隨降水的負徑向速度區中出現正速度，20：57雨帶上的對流單體內出現小面積的正速度區，21：33正速度區向南擴展連結成片，21：59正速度區與偏南風負速度區形成東西向輻合線，此時雨帶組織性最強。對比發現，正速度區為強對流產生的下沉冷氣流，而負速度區為偏南風暖氣流。23時降水產生的下沉冷空氣導致地面出現2.7℃的最大降溫，而此時正是南部降水最強時段。

發展旺盛的對流降水產生的下沉冷空氣形成地面冷池。地面風速分布表明，“冷池”附近存在西南和西北風輻合線，極大風速超過18 m/s，“冷池”加強過程中偏北風顯著增強。回波垂直剖面顯示冷空氣一側存在低層入流，回波傾斜，強回波中心高懸。24時，對流系統能量釋放后，強度減弱，降水效率下降。另外，研究表明，黑龍江龍卷易發生在勢力均衡的冷暖空氣交匯區。此次過程中龍卷出現在地面冷區最強階段，冷暖空氣勢均力敵。加之該處長時間維持并加強的地形性中尺度渦旋，低層有中氣旋發展。0.5°仰角徑向速度表明（圖7），在正速度區冷空氣加強的過程中，冷暖空氣交匯處出現局地的徑向速度大值區，21：43呈現速度對，此時負速度偏大，22：55速度對增強，此時正速度大，且出現速度模糊，此時下沉冷空氣較強，隨后產生龍卷。

5.3 地面冷暖空氣作用

回波演變與降水量分布表明，克山強降水分為2個階段。第一階段：20—22時為低質心暖云降水回波，降水效率高，對流準靜止導致局地降水時間長。第二階段：21—23時為由降水產生的“冷池”與南部暖濕平流形成的具有鋒面性質的中尺度對流雨帶，列車效應導致強降水出現。兩次降水過程中地面冷暖平流差異明顯，其回波性質有所不同。

第一階段為低空急流帶來的顯著增溫增濕，在地形和輻合作用下產生中尺度雨團。此過程中為動力觸發，沒有冷空氣參與。第二階段為地面冷池與南部增強的暖濕平流相互作用，使得地面等溫線和輻合線加強，使中尺度對流雨帶長時間維持。該過程中地面“冷池”由降水產生。地面冷空氣抬升暖濕空氣使得中尺度對流系統傾斜，具有冷鋒性質。研究表明，在深厚的對流不穩定層中，在高溫高濕的環境下，冷池邊緣的空氣塊抬升是維持對流的一種方式[21]。

對比雷達回波演變與區域站地面溫度和風場可以發現（圖8），19—20時地面溫度整體下降，此時為日落后的輻射降溫。而在回波發展區，降水導致地面溫度降幅較大，而暖平流還不明顯。在訥河氣流輻合中心形成的中尺度對流系統沿引導氣流東移，20時中尺度對流系統南部出現東西向輻合線，但位于冷區中的對流系統并未向輻合線一側的暖區移動，而是繼續東移，在東部相對較弱的暖區和輻合線處發展，當對流系統處于無輻合線的冷區時減弱。

20時后暖平流增強導致地面暖舌內增溫明顯，強增溫區內風速顯著增大，地面輻合增強。北部強降水產生的地面冷池進一步發展，21時地面溫度22℃，克山南部（125.6°E，47.7°N）暖中心穩定在 25 ℃左右，冷暖空氣交匯，等溫線梯度增強，偏東風與偏南風輻合線增大，中尺度雨帶位于鋒區上。22時雨帶東部降溫持續增大，等溫線南凹，表明地面冷空氣強度增大。冷空氣發展是該地對流發展旺盛、降水較強的標志。

在長100 km的中尺度雨帶上判斷哪個地方對流會顯著發展比較困難。此次過程中，系統快速發展的區域正處于地面氣旋式環流中。21時在雨帶的東側有氣旋式流場，而該環流從19—24時始終存在，為地形作用產生的。低層氣旋式輻合與冷暖空氣共同作用促使對流發展，強降水使地面冷暖平流對峙更加明顯，促使對流進一步增強，強降水與地面“冷池”形成互相促進的正反饋機制。

圖8 19日20—23時區域站風場、等溫線和1 h變溫（陰影，單位：0.1℃）（黑色曲線為地面輻合線，黑色圓圈為20—22時北部強降水回波區，黑色矩形為21—23時南部雨帶回波區）

6 結論

本文利用常規、非常規觀測資料和NCEP/NCAR再分析資料等對冷鋒前部的暖區強降水的環境特征和中尺度對流系統的成因進行分析，得出以下結論：

（1）此次強降水主要出現在副高外圍580 dagpm線附近，副高北上誘發超低空急流，超低空急流帶來的低層暖濕平流輸送為強降水提供了充沛的水汽和不穩定能量。地面輻合和地形抬升觸發對流發展。在超低空急流形成的同時，高空急流東移，高空急流出口區左側和輻散區與低層輻合相耦合促使對流快速發展增強。高低空耦合消失，強降水快速減弱。此次強降水持續時間短、局地性強與高低空急流耦合的時間密切相關。

（2）中低層強暖平流呈現暖鋒鋒生特征，強降水出現在不穩定層結和上升運動快速增強的階段。強降水過程中850 hPa和925 hPa暖脊增強幅度超過了19日08—20時暖脊增幅，低空的暖濕輸送增強了低層水汽和位勢不穩定，超低空急流中心前方風速輻合區增強了水汽的輻合和上升運動。上升運動與水汽通量輻合中心重合，強降水出現時上升速度和“上干下濕”層結快速增強。

（3）輻合層深厚。強降水落區地面為偏南方與東南風的中尺度輻合線，925 hPa對應為超低空急流頭部風速輻合區，850 hPa為偏西風與西南風的弱冷式切變線，500 hPa急流軸左側氣旋性渦度區，200 hPa高空急流出口區左側和輻散區形成的深厚上升運動層，促使對流快速發展。風場隨高度變化產生的垂直風切變較大，尤其是0~1 km垂直風切變有利于強對流發展。

（4）中尺度對流雨帶沿地面輻合線生消，雨帶具有后向傳播、準靜止和“列車效應”等特點。克山北部強降水發生在地面暖濕舌前部，對流沿平均風移動，在地面暖中心和輻合區發展，雷達上表現為低質心暖云降水回波，降水效率高，穩定輻合線產生的準靜止性導致局地降水時間長。南部強降水出現在與輻合線相伴的等溫線梯度區上，持續強降水產生的冷池與加強的暖濕輸送形成具有冷鋒性質的對流雨帶，地面冷空氣促使雨帶傾斜。列車效應造成極端強降水。冷池與強降水具有正反饋作用，地面冷空氣抬升暖濕空氣有利于對流維持。冷暖空氣勢均力敵及中尺度氣旋性環流有利于龍卷產生。

（5）地形對降水的作用顯著。松嫩平原的喇叭口地形輻合、地形性氣旋式環流等對強對流的發生和發展有重要作用。