一次東北冷渦暴雨的成因分析

趙 旻

內蒙古烏蘭察布市集寧區氣象局，內蒙古烏蘭察布 012000

東北冷渦是在東亞阻塞形勢下發生的較為深厚的冷性低值系統，一般在對流層中上部表現較明顯，也是夏季影響內蒙古的重要環流系統。從行星尺度上來看，東北冷渦除帶來連陰雨天氣外，最引人注目的特點是其誘發中小尺度系統的突發性和反復性[1]。尤其是在穩定的大尺度環流背景下，可導致大范圍強降水頻繁出現。在東北冷渦的形成、發展、持續甚至消退期均可伴隨暴雨、冰雹、雷暴、短時大風，甚至龍卷風等強對流天氣[2]。對此次暴雨過程的鋒生機制和動力、熱力及水汽特征進行診斷分析，探討暴雨成因，以期為今后東北冷渦背景下暖鋒暴雨預報提供依據。

1 資料來源

研究用到的地面觀測資料源于2022年6月內蒙古自治區地面觀測站逐小時、逐24 h降水資料；高層診斷分析使用了NCEP再分析資料，水平分辨率為1°×1°，時間分辨率為6 h。

2 暴雨概況和環流形勢特征

2.1 過程概況

2022年6月4—5日內蒙古東南部地區出現一次東北冷渦暴雨過程，冷渦從發展維持到減弱階段對應有單日暴雨，以對流性降水為主。從過程量來看，全區11個盟市78旗縣的1 028個站點出現降水，降水范圍在0.1～118.2 mm之間。過程雨量超100 mm的有5個站，最大出現在興安盟科爾沁右翼中旗杜爾基鎮白音哈拉氣象觀測站，為118.2 mm，強降水主要集中在興安盟、通遼市、錫林郭勒盟等地區。最大小時雨強出現在4日17:00～18:00，為通遼市的C1011站，降雨量為38.6 mm。

2.2 強降水發生前環流背景分析

6月3日20:00 500 hPa天氣圖，歐亞大陸上空500 hPa高度場呈“兩脊一槽”型，烏拉爾山高壓脊發展強盛，鄂霍次克海有阻塞高壓脊較穩定，西太平洋副熱帶高壓主體位于海上，副高脊位置偏南，貝加爾湖低槽向南伸展，溫度槽落后于高度槽。隨著脊前西北氣流不斷地引導高緯度冷空氣向南入侵，至4日08:00低槽加深并分裂形成一個較強的冷渦，副熱帶高壓明顯向北伸展。分裂出的冷渦南下影響內蒙古東南部地區。

從500 hPa高空圖中可以看到，內蒙古東南部地區位于冷渦東南象限，上游有短波槽，此位置較有利于降水。由于冷中心落后于冷渦延伸出的高度槽，且槽后有強冷平流，有利于冷渦的發展加深，副熱帶高壓位于30°N 附近呈帶狀。隨著時間冷渦呈西北—東南走向，副熱帶高壓脊線西伸。14:00～20:00，500 hPa冷渦東移發展，不斷補充冷空氣，與短波槽合并加強生成新的冷渦。

700 hPa較500 hPa冷渦中心位置略偏東，屬于后傾配置，冷中心位置仍落后于高度場低值中心。隨著溫度槽前移，平流作用加強，冷渦將持續發展[3]。850 hPa在內蒙古區東南部地區存在“人字形”切變，其中，偏東風和南風的暖濕切變線對降水的貢獻較大，造成暖濕空氣的輻合上升。切變線南側為偏南低空急流。從地面圖看，東南地區有暖舌伸展，在較強的暖平流作用下，溫度梯度加大造成暖鋒鋒生。降水發生時，暖鋒鋒生激發熱力直接環流，在鋒區暖空氣一側出現上升氣流，并與高低空急流耦合產生的次級環流上升支重合。鋒面與高、低空急流耦合作用使次級環流加強，在暖鋒附近形成深厚的上升運動區。從地面形勢圖可以看出，內蒙古東南部地區主要受地面氣倒槽影響，渦前的正渦度平流和低層暖平流的減壓作用使得地面氣旋從不斷加深發展，輻合上升運動明顯[4]。上升運動加強導致降水加強，與實況相符（圖1）。

圖1 內蒙古東南部地區6月4日14:00環流形勢圖

隨著系統的東移，有明顯的偏南氣流加強為偏南低空急流。水汽通道建立，一直源源不斷地從渤海灣輸送水汽，為降水提供了水汽條件。850 hPa為濕區，有充沛的水汽條件，而500 hPa為干區。顯而易見，干冷空氣和暖濕氣流交匯在內蒙古東南部地區上空，為上干下濕的不穩定層結，引發了此次強對流天氣過程。而后隨著冷中心位置與高度場低值中心逐漸重合，冷渦逐漸填塞[5-7]。

3 中尺度對流系統發展的環境條件

3.1 充沛的水汽輸送

3.1.1 相對濕度、整層水汽含量 從700 hPa全風速和相對濕度場、整層水汽含量（圖2）來看，冷渦東移發展的過程中配合著較好的水汽輸送，低空急流的大值區與相對濕度大值區、整層水汽含量的大值區配合較好。且隨著系統東移發展，低空急流中心也東移加強，從08:00的10 m/s增強至20:00的20 m/s，進一步加強水汽輸送和輻合抬升，使得14:00～20:00降水集中且強度較大，與實況相符（相對濕度為90%，整層水汽含量為35 mm）。

圖2 2022年6月4日14:00 700 hPa風場（實線為全風速＞8 m/s）和相對濕度（填圖）（a），1、3及整層水汽含量（填圖）（b）

3.1.2 比濕和散度的時間剖面 從內蒙古東南部比濕和散度的時間剖面圖（圖3）來看，內蒙古東南部地區從4日08:00開始水汽條件逐漸轉好，近地層比濕在12～14 g/kg，500 hPa以上濕度較差，形成上干下濕的不穩定層結。且低層水汽通量散度均為負值，為輻合區，水汽增加，為此次大暴雨天氣提供了充足的水汽。低層負散度輻合上升，配合高層正散度輻散下沉，抽吸作用明顯。

圖3 2022年6月4日比濕（填圖）和散度（等值線）的時間剖面圖

3.2 動力抬升條件

高低空急流耦合形成的次級環流是觸發對流不穩定和位勢不穩定能量釋放的典型形勢，有利于降水的維持和加強。分析200 hPa和850 hPa風場可以看出，發現降水發生前后，高低空急流出現調整適應過程。2022年6月4日14:00，高空急流軸位于42°N附近，在內蒙古自治區東南部地區存在急流核，風速達54 m/s，并在向東偏南方向移動過程中加強；4日20:00(圖4)，急流軸到達40°N，急流核向東伸展至東南地區，風速超過55 m/s，且與降水相伴的低空南風急流也十分強盛，低空急流核強度達20 m/s，為偏南風急流。南壓的高空急流左前方與低空急流左側重疊，形成高低空急流耦合。與低空急流相聯系的次級環流的上升支均位于低空急流左側。通遼市、興安盟等地區位于高空急流左前方和低空急流左側，這與實際暴雨落區位置一致。

圖4 2022年6月4日14:00（a）、20:00（b）高空急流（填圖）和850 hPa風場圖

3.3 不穩定條件

通過考察暴雨區在強降水時段的不穩定條件，選取對預報暴雨有指示意義的物理量。假相當位溫表示大氣對流穩定度。假相當位溫值＜0時，層結穩定；假相當位溫值＞0時，層結不穩定。它的水平分布反映了大氣能量場的分布特征，其垂直分布代表了大氣的垂直穩定度。4日為冷渦新生后維持階段，從假相當位溫和K指數（填圖）和0～6 km垂直風切變（圖5）分析可知，6月4日14:00，內蒙古東南部地區為明顯的高溫高濕區。850 hPa內蒙古東南部地區為南北向能量鋒區，高能舌由低緯度向北伸展至內蒙古東南部地區。同時，西南暖濕氣流向北輸送水汽，使大氣中低層顯著增濕，K指數較大，尤其是暴雨區，K≥35 ℃，0～6 km垂直風切變達12 m/s，為此次降水提供了不穩定條件。

圖5 2022年6月4日14:00假相當位溫（a）、14:00 K指數（填圖）和0～6 km垂直風切變（b）

4 結論

（1）從天氣系統配置分析此次降水過程可知，環流形勢高、中、低層的整體配置較好，低值系統覆蓋三層并東移南壓，抽吸作用明顯，動力抬升條件較好。

（2）在東北冷渦前側，低層持續受暖鋒影響出現持續性暴雨。在較強的暖平流作用下，溫度梯度加大形成暖鋒鋒生。降水發生時，暖鋒鋒生激發熱力直接環流，在鋒區暖空氣一側出現上升氣流，并與高低空急流耦合產生的次級環流上升支重合，鋒面與高、低空急流耦合作用使次級環流加強，在暖鋒附近形成深厚的上升運動區。

（3）暖鋒鋒生加強了低層輻合抬升，高層位于高空急流入口區，加強了高層輻散，降水強度增大。冷渦東移減弱階段，暖鋒穩定維持在同一區域，且不斷鋒生造成暴雨。強降水出現在鋒區南側，呈東西帶狀分布，暴雨與最大鋒生區相對應。

（4）850 hPa在內蒙古東南部地區存在“人字形”切變，其中，偏東風和南風的暖濕切變線對降水的貢獻較大，造成暖濕空氣輻合上升。切變線南側為偏南低空急流，水汽通道建立，一直源源不斷地從渤海灣輸送水汽，為降水提供了有利的水汽條件。