一次局地强降水的中尺度特征

时间：2024-07-28

周奕含，韩冰，齐铎，王深义

（黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨 150030）

1 引言

黑龙江省位于我国东北地区，地处亚洲中高纬，灾害性天气频发，尤其夏季出现的雷暴大风、冰雹、短时强降水及龙卷等强对流天气都对生命财产、农业生产有着直接影响。强对流天气以突发性、局地性、致灾性强而备受关注，其中以短时强降水天气出现的频率最高。短时强降水通常是在有利的大尺度条件由中小尺度的系统产生而来的[1]。马素艳[2]认为次天气尺度系统对强降水的触发作用更为明显；刁秀广[3]提出超低空急流的建立和维持对强降水的形成和维持起到了重要作用。近年来许多气象学者[4-8]也从中小尺度特征对东北地区出现的短时强降水进行不同角度的研究，进一步对中尺度系统的演变及对东北降水的影响有了深入的理解。

2020年7月6-7日，黑龙江省自西向东出现了一次区域性大到暴雨天气，在此次降水过程中以7月6日的降水强度最大，在2020年7月6日16-22时（北京时，下同）黑龙江省西南部县市出现了局地短时暴雨，有10个站的降水累积量超过50 mm。此次过程最强降水出现在巴彦的龙泉镇累积降水为130.9 mm，最大小时降水出现在18-19时为52.8 mm。肇州县的兴城和肇东市的安民乡在17-18时的也出现了过程最强小时降水量分别为74.2 mm和54.7 mm（图1）。本文利用常规资料、自动站资料和ERA5再分析资料对2020年7月6日的一次短时强降水天气进行中尺度特征分析，为以后此类强对流天气造成的强降水的出现提供预报指标。

图1 2020年7月6日逐小时单站降水量(单位：mm)

2 天气形势

2.1 天气环流背景

500 hPa上，7月4-6日，亚欧大陆呈现两槽一脊形势，在中西伯利亚高原形成的高压脊引导冷空气南下，由于鄂霍次克海高压的阻挡，蒙古高原北侧的冷涡稳定维持，冷空气在黑龙江省北部堆积，低压槽经向度增大。6日14时（图2a），500 hPa为南、北两个槽，北部槽线位于黑龙江北部-东北地区南部。850 hPa低涡中心位于黑龙江中部地区，暖式切变位于内蒙古的东部至黑龙江的中部地区，强降水区位于暖式切变南侧的暖区内，切变线南侧风速增加产生了＞12 m/s的急流，暖湿空气在黑龙江南部地区辐合产生不稳定能量，形成了黑龙江省西南部的强降水。23时（图2b）随着850 hPa西南风转为西风，低层切变向北抬，强降水随之结束。

图2 2020年7月6日（a)14时，(b)23时天气形势

2.2 环境特征分析

2020年7月6日08时的哈尔滨探空图上有两个明显湿层分别为850 hPa以下和700-500 hPa，其中间略干层的温度露点差为5℃，构成了中低层的上干下湿的不稳定结构。利用午后14时地面温度订正08时探空后(图3)，对流有效位能增加至1581.4 J·kg-1，抬升指数为-2.16℃，K指数为32℃。逆温层位于925 hPa，近地面的暖湿空气在低层被阻挡，随着午后升温，积累的不稳定能量释放。近地面至850 hPa风随高度顺转有暖平流存在，700 hPa以上风随高度逆转为冷平流，这种冷暖配置也使不稳定层结增加。对比短时强降水出现的环境特征[9]，此次探空湿层达3600 km，保证了降水所需要的水汽，0-6 km的垂直风切变为4.3 m·s-1，深厚的湿层和弱的垂直风切变也为此次强降水提供有利的环境条件。

图3 2020年7月6日08时（实况订正后）哈尔滨站探空曲线

3 水汽条件

低层的水汽辐合通常与降水落区相对应。在17时龙泉镇出现强降水时，沿降水中心做水汽通量散度和垂直速度的经向-高度的剖面（图4a），强降水区附近存在近地面至800 hPa的水汽辐合，辐合中心位于近地面，强度为-12×10-5g·（hPa·cm·s)-1，从辐合中心向上至200 hPa为较强的垂直上升运动，上升运动中心位于500 hPa，强度达到-15×10-2Pa·s-1。对比14时近地面的辐合中心增加了4×10-5g·（hPa·cm·s)-1。近地面的水汽通量辐合通过垂直运动向上延展，进而引起高层出现凝结,为降水提供了水汽供应。

在14时（图4b）强降水区的南侧925 hPa上西南风风速开始增强，形成了超低空的中尺度西南急流，并在17时强降水开始前进一步加强，急流最大风速为18 m/s。同时东北地区能明显的分析出两个水汽通量大值区分别位于黑龙江的北部和辽宁至黑龙江西南部一带，形成了南北两个水汽通道，并在黑龙江的中部地区汇合，虽然两个水汽通量大值区均位于陆地，但是南侧通过超低空西南急流从渤海湾的输送，为强降水提供源源不断的水汽供应。水汽通量场表现黑龙江中部地区有-15 g·（hPa·cm·s)-1的辐合中心。降水强盛时期，两支水汽通道均有水汽流入加强，南支大值中心超过12 g·（hPa·cm·s)-1。水汽通量辐合中心范围增大并成带状分布，强降水区与水汽辐合区域对应较好。超低层急流的形成为此次强降水提供充足的水汽供应。

图4 2020年7月6日17时（a）龙泉镇水汽通量散度（阴影区，单位：g·（hPa·cm·s)-1）和垂直速度（黑色虚线，单位：10-2 Pa·s-1）的经向-高度剖面和（b）925 hPa水汽通量(黑色虚线，单位：g·（hPa·cm·s)-1)、水汽通量散度（阴影区，单位：g·（hPa·cm·s)-1）和风场矢量（黑色矢量，单位：m/s）

4 热力不稳定特征

假相当位温θse为湿度、温度、气压的函数，它能清楚的反应大气层结的能量分布。沿强降水中心127.5°E做假相当位温的经向-高度剖面图，强降水发生前期在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的中层有低能区相配合，形成了大气对流性不稳定。在17时强降水开始时刻（图5a），低层比湿增大了2 g/kg，在强降水附近出现了从下至上的湿舌，且方向略向北倾斜，低层近地面暖平流增加了10×10-6K·s-1,500-700 hPa为冷平流，强度中心值为-5×10-6K·s-1。低层不断增暖，中高层不断变冷，这种“上冷下暖”的结构分布更有利于大气不稳定的增加。强降水区的北部北侧中高层也存在着更大的冷平流中心和能量的低值区，不断向降水区靠近，干冷空气随之向下渗透，低层的增温增湿与中层干冷空气入侵使之前的低能区与高能舌垂直梯度增大，在强降水区的上空形成了能量锋区，不稳定层结加强，更有利于对流系统的维持和加强[10]。随着降水后潜热释放（图5b），20时近地面变为冷平流影响，中低层比湿线平直，湿舌消失，θse减小，强降水趋于结束。通过分析发现此次强对流天气是由于中层干冷空气的入侵和低层的增温增湿加强了对流的不稳定性而形成的局地对流性强降水。

图5 2020年7月6日（a)17时，(b)20时龙泉镇的假相当位温（阴影区，单位：K）、温度平流(黑色实线，单位：10-6 K·s-1)和比湿（黑色虚线，单位：g/kg）经向-高度剖面

5 中尺度对流特征

5.1 中尺度对流云团

云顶黑体亮温通常对东北冷涡降水有很好的指示作用[11]。7月6日16时从内蒙东北部至黑龙江西部地区和黑龙江的中东部地区有两条带状的对流云系在黑龙江中部地区相连，此次强降水主要是由于西侧中尺度对流云带引起的。在17时（图6a）整体云带迅速向东移动，西侧云带≤-32℃的范围向东延伸，强中心≤-62℃的面积也逐渐变大东伸，此时暴雨区的降水强度开始增大。18-19时（图6b、c）TBB＜-62℃的范围向东收缩，对流云带继续加强，TBB中心最低值降至-64℃，龙泉镇位于中心强度东侧的梯度大值区，此时龙泉镇的降水量为52.8 mm/h。20时（图6d）TBB中心还在强降水区，但是TBB的梯度减弱，降水仍在持续，＜-32℃的冷云面积减小。21时TBB中心移出强降水中心，该小时的降水强度明显下降为19.7 mm，云带强度开始下降并明显东移减弱直到消失。此次对流云带中心强度在黑龙江中部地区时达到最强且冷云面积扩展至最大并在强降水区持续了3 h，强降水的最强小时雨强出现在TBB中心温度最低时，且位于冷云前侧TBB梯度大值区内，中尺度特征明显。

图6 7月6日（a)17时，(b)18时，(c)19时，(d)20时Fy-2G卫星黑体亮温

5.2 雷达系统演变

雨强和降水时间是强降水识别的重要因素。此次强降水主要受β中尺度线状对流发生发展的影响[12]。从雷达演变特征中可以看出，16时开始强降水中心龙泉镇北侧有混合性降水回波形成窄带排列开始影响该地区出现降水(图略)，在西南风的作用下强回波快速向东北方向移动，17时巴彦至呼兰有地面中尺度辐合线存在，由于辐合线的触发，在呼兰(图7a)不断有新的γ对流单体生成向东北方向移动不断的在巴彦合并。前侧的回波衰减，后侧回波不断新生合并替代前侧回波，生成了后向传播的“列车效应”，长时间的强回波影响使得龙泉镇产生了的强降水。

图7 （a)16时56分，(b)18时26分哈尔滨雷达2.4°反射率因子

重点分析18-19时最强降水时段的雷达特征(图7a、b)，在哈尔滨雷达2.4°仰角的反射率因子图上，强降水中心始终位于强回波中心，回波带最强时刻的反射率因子＞60 dBZ，多个超过50 dBZ的强中心点，其高度均在4 km以下，具有低质心暖云降水的特征。从垂直液态水演变上（图8）分析可知，从18时03分开始连续6个体扫巴彦县南部影响强降水的回波带中最大垂直液态水含量值为34.6 kg·m2，垂直液态水大值带位于回波带的反射率因子大值区和低层径向速度辐合处。而这种高垂直液态水高值带的维持也是中尺度对流引发“列车效应”进而造成局地强降水的重要因素[13]。

图8 强回波中心垂直液态水演变