2021 年8 月牡丹江一次暴雨天氣成因分析

路平平，霍 達，范天紅

(牡丹江市氣象局，黑龍江 牡丹江 157000)

1 引言

對流和降水活動是大氣中的諸多天氣現(xiàn)象之一，它們是在大尺度條件影響下，主要由中尺度對流系統(tǒng)（MCS）造成。暴雨是牡丹江夏季常見的災害性天氣，提前預報預警、尤其是落區(qū)預報一直是預報員工作中的重點和難點[1]。國內(nèi)外學者從暴雨觸發(fā)、加強機制和各尺度天氣系統(tǒng)間的相互作用等方面開展了大量的研究，同時也對暴雨中尺度系統(tǒng)進行了深入的研究，得出了很多有重要參考價值的結(jié)論。張芹等[2]對2017 年山東雨季暖區(qū)暴雨的環(huán)流背景、對流的觸發(fā)機制和大氣垂直結(jié)構(gòu)特征等方面進行分析，發(fā)現(xiàn)西南風低空急流的快速加強及向下傳播能觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，是暴雨的觸發(fā)機制。徐明等[3]指出大多數(shù)強降水事件與中尺度對流系統(tǒng)關(guān)系密切，MCS 的發(fā)展演變很大程度上決定了暴雨的強度和分布，通過研究其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和移動傳播，能夠顯著改進暴雨的預報。黃思先等[4]研究指出降水云頂亮溫TBB≤-50 ℃區(qū)域與降水區(qū)對應(yīng)，近似圓形的中尺度對流系統(tǒng)對湖北東部強降水十分有利。顧佳佳等[5]研究指出強降水主要由低渦云系中不斷生成發(fā)展的中尺度對流云團造成，其落區(qū)與云頂亮溫（TBB）梯度大值區(qū)對應(yīng)且靠近其低值中心,地面高溫高濕環(huán)境和冷舌的侵入對中尺度對流產(chǎn)生有重要作用,地面輻合線為其觸發(fā)機制,長時間維持導致暴雨發(fā)展;楊群等[6]指出不同區(qū)域生成的強對流云團反復影響銅仁,形成持續(xù)性暴雨，加上地形阻擋、抬升和喇叭口地形收縮作用,進一步增強了局地極端強降水形成。眾多文獻對暴雨分析和預報起到很好指導性作用，對區(qū)域性強降水具有普遍意義，本文對2021 年8 月21 日牡丹江暴雨個例分析，探討影響系統(tǒng)演變過程，并對物理量進行診斷分析，以期提高對暴雨過程的天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及形成物理機制的認識，旨在為類似暴雨天氣預報提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

本文利用常規(guī)觀測資料、牡丹江自動觀測系統(tǒng)采集的實況資料、NCEP 再分析資料、FY-2G 衛(wèi)星TBB 云圖資料及牡丹江多普勒雷達資料，運用天氣學原理方法分析牡丹江2021 年8 月21-22 日暴雨過程。

3 降水實況

2021 年8 月21 日牡丹江出現(xiàn)大范圍強降雨天氣，此次降水強度大，局地性強，分析8 月21 日8時-22 日8 時牡丹江地市24 h 累積降水量分布發(fā)現(xiàn):暴雨落區(qū)主要集中在寧安、海林和綏芬河，降水強度從西南向東北遞減，35 個國家站及考核站降水量超過50 mm，7 個考核站降水量超過100 mm，最大日降水量為寧安馬河126.3 mm。降水主要集中在21 日20 時-22 日08 時，馬河12 h 累積降水量117.4 mm，連續(xù)2 h 出現(xiàn)＞20 mm·h-1的短時強降，最大小時雨強出現(xiàn)在22 日03 時達25.6 mm·h-1。根據(jù)降水特征，有兩個問題值得關(guān)注：（1）強降水發(fā)生在夜間；（2）強降水中心落區(qū)出現(xiàn)在牡丹江西南。本文主要從降水發(fā)生的時間、地點、強度三個角度逐次進行機理分析。

4 大氣環(huán)流背景及主要影響系統(tǒng)

首先分析強降水發(fā)生前對流層中層500 hPa 環(huán)流形式：8 月21 日08 時，牡丹江上游從內(nèi)蒙古東部經(jīng)渤海到我國東南沿海為高空槽，貝加爾湖東西兩側(cè)分別有兩個冷渦，下游副熱帶高壓穩(wěn)定在海上形成阻塞形式，20 時(圖1a)，冷渦南壓，高空槽加深東移北抬，槽前偏南急流將海上的水汽和熱量向北輸送加強，與槽后冷空氣交匯，有利降水發(fā)生。分析降水發(fā)生前對流層低層主要影響系統(tǒng)，8 月21 日08時，700 hPa 環(huán)流形式：牡丹江處于副熱帶高壓外圍偏南氣流控制，其上游為深厚的高空槽，850 hPa 渤海上空形成氣旋性環(huán)流，隨著西風槽東移及海上暖高壓的穩(wěn)定維持，槽前朝鮮半島到牡丹江上空暖濕氣流不斷加強，21 日20 時(圖1b)，對流層中下層在我國東北南部形成較深厚的低壓，在高空偏南引導氣流下，同時受海上高壓阻擋作用，低壓形成后向北移動。

圖1 21 日20 時（a）500 hPa 環(huán)流形勢（b）850 hPa 環(huán)流形勢

分析海平面氣壓場(圖2)發(fā)現(xiàn)，21 日夜間低壓中心偏北，從低壓中心向南有偏東風和偏北風的輻合線，21 日20 時-22 日08 時地面輻合線演變發(fā)現(xiàn)，地面輻合線一直在牡丹江西部，21 日20 時輻合線位于中低層切變線前接近垂直，加劇垂直運動發(fā)展，隨著高空槽東移，地面輻合線幾乎穩(wěn)定不動，造成牡丹江降水強中心位于西南。

圖2 22 日02 時海平面氣壓場和流場及21 日20 時、22 日02 時地面輻合線

5 成因分析

5.1 水汽條件分析

充足的水汽是強降水發(fā)生的必要條件。分析水汽通量和風場，結(jié)果顯示，21 日14 時副熱帶高壓西側(cè)有較大的水汽通量，黑龍江東部位于水汽輻合輸送帶北部，槽前偏南風急流有利水汽向北輸送，21 日20 時低空急流強度加強，水汽輻合中心加強向北移動，有大量的水汽從日本海向牡丹江輸送，21 日00時，水汽輻合高值區(qū)最強達到-30 g·cm-2·hPa-1·s-1，22日08 時水汽輻合中心繼續(xù)向北移動，強度開始減弱，牡丹江上空有東西向切變線，22 日14 時，水汽輻合中心東移，牡丹江上空水汽通量減小，降水逐漸結(jié)束。

分析水汽的垂直分布情況，做牡丹江上空（129°E、45°N）水汽通量散度時間剖面圖（圖3），從時間剖面圖可以看出：21 日14 時牡丹江上空近地面層到700 hPa 有水汽輻合，20 時隨著水汽輻合加強牡丹江降水加強，強降水時段發(fā)生在水汽輻合最強階段，水汽條件解釋了強降水發(fā)生在21 日夜間。

圖3 8 月20 日20 時-22 日20 時水汽通量時空演變（單位：10-8g.cm-2.hPa-1.s-1）

5.2 動力條件

降水發(fā)生前21 日14 時，牡丹江上空大氣開始出現(xiàn)高層輻散、低層輻合結(jié)構(gòu)，此時大氣垂直上升運動開始發(fā)展，到22 日00 時前后，輻合、輻散中心也明顯增強，最大輻散中心位于200 hPa 附近，強度達3.5× 10-5s-1，此時垂直上升運動發(fā)展最強，有利于將低層濕空氣向上輸送，為暴雨發(fā)生提供動力條件，垂直運動條件進一步解釋了降水發(fā)生在夜間。

沿44°N(牡丹江緯度）作高度—經(jīng)度的風場剖面圖（圖略），結(jié)果顯示，21 日20 時，牡丹江（129°E）東側(cè)上空存在偏南風—西北風的風切變，其東側(cè)偏南氣流有強上升運動。22 日02 時，強切變東移，牡丹江東側(cè)風速加大，牡丹江位于急流左側(cè)的不穩(wěn)定區(qū)域中，有利上升運動及對流不穩(wěn)定層結(jié)的加強和維持。從21 日14 時-22 日02 時垂直速度沿129°E 垂直剖面圖（圖4）可以看出21 日14 時牡丹江上空出現(xiàn)了明顯的強上升氣流，上升運動中心位于500 hPa 附近，強度達到-4.2×10-2hPa·s-1，它與上述低空急流的發(fā)展密切相關(guān)。還有一個值得注意的現(xiàn)象是，在上升氣流的西側(cè)出現(xiàn)了一支徑向次級環(huán)流，它的出現(xiàn)表明了上升運動正處于發(fā)展旺盛階段，由強上升運動強迫產(chǎn)生的補償次級環(huán)流十分有利于對流的發(fā)展與維持[3]。22 日02 時上升運動中心東移到132°E,位于上升氣流西側(cè)的徑向次級環(huán)流減弱，此時上升運動達到最強，與馬河逐小時雨量變化趨勢中小時最大降水量對應(yīng)，此后上升運動逐步減弱，使得降水在減弱過程中保持一定強度。

圖4 （a) 21 日12 時和（b)22 日02 時沿129°E 垂直速度緯度-高度剖面(單位：10-3hPa.s-1）

5.3 熱力及不穩(wěn)定條件

θse是表征大氣溫濕特征的物理量，對流層中假相當位溫高值區(qū)代表高溫高濕區(qū)，即高能量區(qū)。?θse/?p（即Δθse=θse700-θse850）表示大氣對流穩(wěn)定度，當Δθse＜0 時為不穩(wěn)定層結(jié)，當Δθse＞0 時為穩(wěn)定層結(jié)；假相當位溫隨高度增加減小的越快，氣層對流不穩(wěn)定性越強。一般暴雨發(fā)生前，Δθse值較小，反映大氣很不穩(wěn)定，暴雨發(fā)生時和發(fā)生中，由于暴雨區(qū)內(nèi)水汽變得深厚，其值逐漸趨于中性。21 日20 時Δθse值均在-5-0 ℃之間，21 日02 時最強達到-6 ℃，說明牡丹江地區(qū)在暴雨過程中大氣層結(jié)始終處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)，有利對流發(fā)展。

6 中尺度特征分析

6.1 衛(wèi)星云圖特征

Maddox 提出使用-32 ℃和-52 ℃黑體亮溫(black body temperature，TBB) 標識的區(qū)域范圍及形狀等來識別中尺度對流復合體。通常，TBB ≤-32 ℃和TBB≤-52 ℃被用來作為識別大氣對流活動強度的兩個閾值。21 日08 時在副高外圍黑龍江西部存在中尺度對流系統(tǒng)（MCS)，最低云頂亮溫≤-42 ℃。8-20時對流云團范圍迅速擴大，20 時在吉林西部對流云團（云團A)中云頂亮溫≤-52 ℃，21 時對流云團A 強中心面積增加向北移動進入黑龍江南部，冷云罩范圍擴大發(fā)展成圓形，暴雨區(qū)降水開始加強，隨后22時在強對流云團東側(cè)又有云頂亮溫≤-42 ℃的中尺度對流云團（云團B)發(fā)展，兩個中尺度對流云團在向北移動過程中強中心逐漸合并，緩慢移動影響牡丹江地區(qū)，此時多普勒雷達回波強中心位于海林，云團南部不斷有小尺度對流生成，暴雨中心馬河小時降水量最大。隨著中尺度對流云團向北移動，影響牡丹江的降水逐漸結(jié)束(圖5)。

圖5 “8·21”過程(a)21 日20 時、(b)21 時、(c)22 時、(d)23 時、(e) 24 時、(f)22 日03 時、的FY-2E 云圖TBB 資料的空間分布(單位：℃)

6.2 雷達回波演變特征

利用分辨率更高的多普勒雷達分析本次降水，與TBB 圖上迅速發(fā)展的中尺度云團對應(yīng)，21 日20時牡丹江西南部有范圍較大的混合性降水回波，其中鑲嵌著多個大小、強度不等的對流單體。21 日22時-22 日2 時分散的小對流單體合并加強發(fā)展，回波覆蓋牡丹江全區(qū)帶來大范圍降水，強中心位于寧安和海林南部。3-7 時回波主體位于海林、寧安整體呈氣旋性旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中不斷有小對流單體生消，回波強中心不到45 dBZ,從多普勒雷達回波強度可以看出，本次降水過程比較均勻，小時降水量最大25.6 mm·h-1，強降水落區(qū)位于牡丹江西南。

7 小結(jié)

（1）這次降水過程發(fā)生前副熱帶高壓持續(xù)偏強，配合高低空急流，地面風場輻合線與中低層切變線疊加，加劇垂直運動發(fā)展，觸發(fā)本地不穩(wěn)定能量和水汽釋放，造成了局地強降水。

（2）物理量分析可以看出降水區(qū)有明顯的水汽輻合為暴雨發(fā)生提供了水汽條件；低層輻合、高層輻散的動力配置有利上升運動發(fā)展，由強上升運動強迫產(chǎn)生的徑向次級環(huán)流十分有利強降水發(fā)生，牡丹江地區(qū)在暴雨過程中大氣層結(jié)始終處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)，有利對流發(fā)展。

（3）中尺度對流云團在牡丹江上空持續(xù)時間較長是產(chǎn)生暴雨的重要天氣系統(tǒng)，在雷達反射率因子圖上表現(xiàn)為大范圍的混合云降水回波，呈氣旋性旋轉(zhuǎn)移動緩慢，導致降水持續(xù)時間較長達到暴雨。

（4）針對本次強降水天氣過程，提前一天發(fā)布大雨預報并升級大到暴雨預報，但對強降水中心提前預報量級不夠精確，對于暴雨中心落區(qū)及強度預報有待進一步提高。