一次局地強降水的中尺度特征

周奕含，韓 冰，齊 鐸，王深義

（黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

黑龍江省位于我國東北地區，地處亞洲中高緯，災害性天氣頻發，尤其夏季出現的雷暴大風、冰雹、短時強降水及龍卷等強對流天氣都對生命財產、農業生產有著直接影響。強對流天氣以突發性、局地性、致災性強而備受關注，其中以短時強降水天氣出現的頻率最高。短時強降水通常是在有利的大尺度條件由中小尺度的系統產生而來的[1]。馬素艷[2]認為次天氣尺度系統對強降水的觸發作用更為明顯；刁秀廣[3]提出超低空急流的建立和維持對強降水的形成和維持起到了重要作用。近年來許多氣象學者[4-8]也從中小尺度特征對東北地區出現的短時強降水進行不同角度的研究，進一步對中尺度系統的演變及對東北降水的影響有了深入的理解。

2020年7月6-7日，黑龍江省自西向東出現了一次區域性大到暴雨天氣，在此次降水過程中以7月6日的降水強度最大，在2020年7月6日16-22時（北京時，下同）黑龍江省西南部縣市出現了局地短時暴雨，有10個站的降水累積量超過50 mm。此次過程最強降水出現在巴彥的龍泉鎮累積降水為130.9 mm，最大小時降水出現在18-19時為52.8 mm。肇州縣的興城和肇東市的安民鄉在17-18時的也出現了過程最強小時降水量分別為74.2 mm和54.7 mm（圖1）。本文利用常規資料、自動站資料和ERA5再分析資料對2020年7月6日的一次短時強降水天氣進行中尺度特征分析，為以后此類強對流天氣造成的強降水的出現提供預報指標。

圖1 2020年7月6日 逐小時單站降水量(單位：mm)

2 天氣形勢

2.1 天氣環流背景

500 hPa上，7月4-6日，亞歐大陸呈現兩槽一脊形勢，在中西伯利亞高原形成的高壓脊引導冷空氣南下，由于鄂霍次克海高壓的阻擋，蒙古高原北側的冷渦穩定維持，冷空氣在黑龍江省北部堆積，低壓槽經向度增大。6日14時（圖2a），500 hPa為南、北兩個槽，北部槽線位于黑龍江北部-東北地區南部。850 hPa低渦中心位于黑龍江中部地區，暖式切變位于內蒙古的東部至黑龍江的中部地區，強降水區位于暖式切變南側的暖區內，切變線南側風速增加產生了＞12 m/s的急流，暖濕空氣在黑龍江南部地區輻合產生不穩定能量，形成了黑龍江省西南部的強降水。23時（圖2b）隨著850 hPa西南風轉為西風，低層切變向北抬，強降水隨之結束。

圖2 2020年7月6日（a)14時，(b)23時天氣形勢

2.2 環境特征分析

2020年7月6日08時的哈爾濱探空圖上有兩個明顯濕層分別為850 hPa以下和700-500 hPa，其中間略干層的溫度露點差為5℃，構成了中低層的上干下濕的不穩定結構。利用午后14時地面溫度訂正08時探空后(圖3)，對流有效位能增加至1581.4 J·kg-1，抬升指數為-2.16℃，K指數為32℃。逆溫層位于925 hPa，近地面的暖濕空氣在低層被阻擋，隨著午后升溫，積累的不穩定能量釋放。近地面至850 hPa風隨高度順轉有暖平流存在，700 hPa以上風隨高度逆轉為冷平流，這種冷暖配置也使不穩定層結增加。對比短時強降水出現的環境特征[9]，此次探空濕層達3600 km，保證了降水所需要的水汽，0-6 km的垂直風切變為4.3 m·s-1，深厚的濕層和弱的垂直風切變也為此次強降水提供有利的環境條件。

圖3 2020年7月6日08時（實況訂正后）哈爾濱站探空曲線

3 水汽條件

低層的水汽輻合通常與降水落區相對應。在17時龍泉鎮出現強降水時，沿降水中心做水汽通量散度和垂直速度的經向-高度的剖面（圖4a），強降水區附近存在近地面至800 hPa的水汽輻合，輻合中心位于近地面，強度為-12×10-5g·（hPa·cm·s)-1，從輻合中心向上至200 hPa為較強的垂直上升運動，上升運動中心位于500 hPa，強度達到-15×10-2Pa·s-1。對比14時近地面的輻合中心增加了4×10-5g·（hPa·cm·s)-1。近地面的水汽通量輻合通過垂直運動向上延展，進而引起高層出現凝結,為降水提供了水汽供應。

在14時（圖4b）強降水區的南側925 hPa上西南風風速開始增強，形成了超低空的中尺度西南急流，并在17時強降水開始前進一步加強，急流最大風速為18 m/s。同時東北地區能明顯的分析出兩個水汽通量大值區分別位于黑龍江的北部和遼寧至黑龍江西南部一帶，形成了南北兩個水汽通道，并在黑龍江的中部地區匯合，雖然兩個水汽通量大值區均位于陸地，但是南側通過超低空西南急流從渤海灣的輸送，為強降水提供源源不斷的水汽供應。水汽通量場表現黑龍江中部地區有-15 g·（hPa·cm·s)-1的輻合中心。降水強盛時期，兩支水汽通道均有水汽流入加強，南支大值中心超過12 g·（hPa·cm·s)-1。水汽通量輻合中心范圍增大并成帶狀分布，強降水區與水汽輻合區域對應較好。超低層急流的形成為此次強降水提供充足的水汽供應。

圖4 2020年7月6日17時（a）龍泉鎮水汽通量散度（陰影區，單位：g·（hPa·cm·s)-1）和垂直速度（黑色虛線，單位：10-2 Pa·s-1）的經向-高度剖面和（b）925 hPa水汽通量(黑色虛線，單位：g·（hPa·cm·s)-1)、水汽通量散度（陰影區，單位：g·（hPa·cm·s)-1）和風場矢量（黑色矢量，單位：m/s）

4 熱力不穩定特征

假相當位溫θse為濕度、溫度、氣壓的函數，它能清楚的反應大氣層結的能量分布。沿強降水中心127.5°E做假相當位溫的經向-高度剖面圖，強降水發生前期在46°N-48°N的近地面有θse＞336 K的高能舌向上伸展至800 hPa，在600 hPa的中層有低能區相配合，形成了大氣對流性不穩定。在17時強降水開始時刻（圖5a），低層比濕增大了2 g/kg，在強降水附近出現了從下至上的濕舌，且方向略向北傾斜，低層近地面暖平流增加了10×10-6K·s-1,500-700 hPa為冷平流，強度中心值為-5×10-6K·s-1。低層不斷增暖，中高層不斷變冷，這種“上冷下暖”的結構分布更有利于大氣不穩定的增加。強降水區的北部北側中高層也存在著更大的冷平流中心和能量的低值區，不斷向降水區靠近，干冷空氣隨之向下滲透，低層的增溫增濕與中層干冷空氣入侵使之前的低能區與高能舌垂直梯度增大，在強降水區的上空形成了能量鋒區，不穩定層結加強，更有利于對流系統的維持和加強[10]。隨著降水后潛熱釋放（圖5b），20時近地面變為冷平流影響，中低層比濕線平直，濕舌消失，θse減小，強降水趨于結束。通過分析發現此次強對流天氣是由于中層干冷空氣的入侵和低層的增溫增濕加強了對流的不穩定性而形成的局地對流性強降水。

圖5 2020年7月6日（a)17時，(b)20時龍泉鎮的假相當位溫（陰影區，單位：K）、溫度平流(黑色實線，單位：10-6 K·s-1)和比濕（黑色虛線，單位：g/kg）經向-高度剖面

5 中尺度對流特征

5.1 中尺度對流云團

云頂黑體亮溫通常對東北冷渦降水有很好的指示作用[11]。7月6日16時從內蒙東北部至黑龍江西部地區和黑龍江的中東部地區有兩條帶狀的對流云系在黑龍江中部地區相連，此次強降水主要是由于西側中尺度對流云帶引起的。在17時（圖6a）整體云帶迅速向東移動，西側云帶≤-32℃的范圍向東延伸，強中心≤-62℃的面積也逐漸變大東伸，此時暴雨區的降水強度開始增大。18-19時（圖6b、c）TBB＜-62℃的范圍向東收縮，對流云帶繼續加強，TBB中心最低值降至-64℃，龍泉鎮位于中心強度東側的梯度大值區，此時龍泉鎮的降水量為52.8 mm/h。20時（圖6d）TBB中心還在強降水區，但是TBB的梯度減弱，降水仍在持續，＜-32℃的冷云面積減小。21時TBB中心移出強降水中心，該小時的降水強度明顯下降為19.7 mm，云帶強度開始下降并明顯東移減弱直到消失。此次對流云帶中心強度在黑龍江中部地區時達到最強且冷云面積擴展至最大并在強降水區持續了3 h，強降水的最強小時雨強出現在TBB中心溫度最低時，且位于冷云前側TBB梯度大值區內，中尺度特征明顯。

圖6 7月6日（a)17時，(b)18時，(c)19時，(d)20時Fy-2G衛星黑體亮溫

5.2 雷達系統演變

雨強和降水時間是強降水識別的重要因素。此次強降水主要受β中尺度線狀對流發生發展的影響[12]。從雷達演變特征中可以看出，16時開始強降水中心龍泉鎮北側有混合性降水回波形成窄帶排列開始影響該地區出現降水(圖略)，在西南風的作用下強回波快速向東北方向移動，17時巴彥至呼蘭有地面中尺度輻合線存在，由于輻合線的觸發，在呼蘭(圖7a)不斷有新的γ對流單體生成向東北方向移動不斷的在巴彥合并。前側的回波衰減，后側回波不斷新生合并替代前側回波，生成了后向傳播的“列車效應”，長時間的強回波影響使得龍泉鎮產生了的強降水。

圖7 （a)16時56分，(b)18時26分哈爾濱雷達2.4°反射率因子

重點分析18-19時最強降水時段的雷達特征(圖7a、b)，在哈爾濱雷達2.4°仰角的反射率因子圖上，強降水中心始終位于強回波中心，回波帶最強時刻的反射率因子＞60 dBZ，多個超過50 dBZ的強中心點，其高度均在4 km以下，具有低質心暖云降水的特征。從垂直液態水演變上（圖8）分析可知，從18時03分開始連續6個體掃巴彥縣南部影響強降水的回波帶中最大垂直液態水含量值為34.6 kg·m2，垂直液態水大值帶位于回波帶的反射率因子大值區和低層徑向速度輻合處。而這種高垂直液態水高值帶的維持也是中尺度對流引發“列車效應”進而造成局地強降水的重要因素[13]。

圖8 強回波中心垂直液態水演變

6 結論

本文利用常規觀測資料、衛星云圖、雷達回波資料、自動氣象站降水量和ERA5再分析資料，對一次暖區短時強降水天氣進行中尺度特征分析，得出結論如下：

（1）2020年7月6日午后的強降水主要是發生在東北冷渦和低層西南風增強的暖區內，具有范圍小，持續時間短，降水強度大的特點。

（2）強降水發生期間，垂直方向上的運動明顯加強，上升運動中心位于500 hPa，強度達到-15×10-2Pa·s-1，垂直方向上近地面的水汽輻合向上延伸，輻合中心增加了4×10-5g·（hPa·cm·s)-1形成水汽凝結。超低空有西南急流形成，為此次強降水提供水汽供應。

（3）強降水發生前是對流層中層冷平流不斷加強和低層增溫增濕而產生的對流性不穩定促進了局地對流性降水的發生。

（4）對流云帶午后迅速發展，到達強降水區的過程中冷云的強度和面積達到最大，小時雨強最大出現在TBB中心溫度<-62℃時，且位于冷云前側TBB梯度大值區內，具有明顯的中尺度特征。

（5）由于地面的輻合線的觸發，不斷有γ對流單體生成，前側單體減弱，后側單體新生，形成了后向傳播的“列車效應”。降水強度最大時，對流單體的垂直液體含水量超過34.6 kg·m2且維持多個體掃，也是中尺度對流引發此次“列車效應”的原因。