论文

一次东北冷涡过程的结构特征与降水关系分析

  • 齐铎 ,
  • 袁美英 ,
  • 周奕含 ,
  • 韩冰
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  • 黑龙江省气象台, 黑龙江 哈尔滨 150030
袁美英(1963 -), 女, 山东人, 正研级高工, 主要从事暴雨、 强对流预报技术等方面的相关研究. E-mail:

齐铎(1988 -), 女, 黑龙江人, 工程师, 主要从事短期天气预报及相关研究. E-mail:

收稿日期: 2018-10-16

  修回日期: 2019-09-09

  网络出版日期: 2020-08-28

基金资助

公益性行业科研专项(GYHY201306011)

国家重点研发计划项目(2018YFC1507303)

黑龙江省气象局项目(HQ2015037)

黑龙江省院士工作站项目(YSMS201703)

东北地区暴雨预报技术研究创新团队项目

Analysis of the Relationship between Structures of a Cold Vortex Process and Rainfall over the Northeast China

  • Duo QI ,
  • Meiying YUAN ,
  • Yihan ZHOU ,
  • Bing HAN
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  • Heilongjiang Meteorological Observatory, Harbin 150030, Heilongjiang, China

Received date: 2018-10-16

  Revised date: 2019-09-09

  Online published: 2020-08-28

本文亮点

利用FNL1°×1°逐6 h再分析资料、 常规实况观测资料对近10年来一次最强典型东北冷涡区域性暴雨过程在东北冷涡环流演变不同阶段中的动力、 热力、 水汽条件及不稳定能量与降水的关系进行诊断分析。根据冷涡系统的环流特点, 将冷涡过程划分为初生、 发展、 成熟和减弱等阶段。冷涡初生阶段, 降水主要分布在垂直运动较强的位置, 降水强度不大; 发展阶段, 斜压性较强, 冷涡前部有大范围高层干冷平流、 低层暖湿平流叠加, 降水主要分布在冷涡前部切变辐合最强的位置, 降水强度与低层辐合中心强度及垂直速度成正比; 成熟阶段, 冷涡演变为准正压结构, 垂直上升运动的强度和范围都达最大, 广泛分布在冷涡中心及前部, 降水中心向冷涡中心移动, 强度与发展阶段接近, 该阶段降水与不稳定能量分布及中高层干冷空气入侵关系更为密切, 但与动力因子相关程度下降; 减弱阶段, 降水变得分散, 强度迅速减弱, 与环流及物理量之间关系的规律不再显著。在冷涡演变的整个过程中, 偏南、 偏西及偏东的水汽通道对水汽的输送和集中是此次强降水得以发生发展的必要条件, 其中偏南气流带来的水汽净流入是此次降水过程的主要水汽来源, 降水区水汽净收入与降水强度之间存在明显的正相关关系。

本文引用格式

齐铎 , 袁美英 , 周奕含 , 韩冰 . 一次东北冷涡过程的结构特征与降水关系分析[J]. 高原气象, 2020 , 39(4) : 808 -818 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00078

Highlights

Based on conventional observations and the FNL reanalysis data, this paper analyzes the relationship between the rainfall characteristics and the circulation of a cold vortex during different phases for the strongest cold vortex associated rainstorm in recent 10 years over the northeast China.In general, the rainfall distribution is closely related to the dynamical and thermal conditions and water vapor distribution in a cold vortex process.The cold vortex process can be divided into four phases, the formation, developing, mature, and dissipating phase, respectively.In the formation phase, the precipitation is mainly confined in the area with strong vertical movement, but the precipitation rate is small.In the developing phase, the baroclinic condition is strong.Over the front part of the cold vortex there are strong dry and cold advections in the upper level and warm and wet advections in the lower level.Intensive rainfall is mainly distributed in the front of the cold vortex where the convergence is the strongest.The precipitation rate shows a direct proportional relationship to the strength and vertical velocity of the convergence center in the lower level.In the mature phase, the cold vortex is quasi-barotropic.The intensity and range of the vertical velocity are the largest, the precipitation is widely distributed in the center and front of the cold vortex.The precipitation center moves towards the center of the cold vortex, and its intensity is similar to that during the developing phase.The precipitation distribution is more related to the distribution of unstable energy and dry cold air than to the dynamical conditions.In the dissipating phase, the precipitation is scattered and its intensity decreases rapidly, and its relationship with circulation and other conditions is no longer significant.For this case, the convergence of water vapor from the south, west and east played an essential role in the evolution of the cold vortex.The inflow of water vapor from the south was the main water vapor source for the strong rainstorm.There was significant positive correlation between the net inflow of water vapor and the intensity of precipitation.

1 引言

东北冷涡是指出现在东北地区的具有冷心结构的深厚闭合低压区, 移动缓慢维持时间较长的东北冷涡, 是造成东北地区夏季降水的主要天气系统, 每一次活动几乎都会伴有局地或区域性的暴雨天气过程(陶诗言, 1980; 白人海等, 1993, 1997), 它的频繁活动所带来的持续性暴雨是引发东北地区洪涝灾害的主要原因(孙力等, 2002)。东北冷涡的气候特点、 环流特征及降水特点是众多学者的研究重点。郑秀雅等(1992)利用1956 -1989年的观测资料, 分析了东北冷涡的气候特点和降水特征。黄秀娟等(1997)在对东北冷涡活动期环流形势特点进行分析中发现, 500 hPa位势场上整个欧亚地区在40°N附近是否存在明显的西风急流是后期是否有东北冷涡形成的关键。胡开喜(2010)对冷涡降水分布型以及相应的环流特征进行统计分析, 指出对于东北地区而言, 大约1/4的年降水量是与东北冷涡相关联的。钟水新(2011a)将冷涡划分为持续移动型及短时移动型两种, 对其环流特征分别进行讨论。
很多学者对与东北冷涡相关联的中尺度系统发展演变特征与降水关系进行诊断和模拟, 发现中尺度系统形成机理、 触发条件及对降水的作用(陈力强等, 2005; 张云等, 2008; 袁美英等, 2010; 钟水新等, 2011b, 2013; 王培等, 2012; 刘英等, 2012; 王宁等, 2016; 张桂莲等, 2018)。还有很多学者分别从动力、 热力、 水汽及微物理条件等角度探讨不同因子对东北冷涡的作用。邓涤菲等(2012)利用有限区域分解方法对风场和水汽通量场进行分解, 探讨冷涡不同阶段无辐散或无旋分量的作用和动能转换规律。吴迪等(2015), 傅慎明等(2015)从涡度和动能收支角度探讨东北冷涡各阶段的特点。陈力强等(2008)从东北冷涡不同阶段不稳定能量的分布和演变角度讨论冷涡降水发生机理。吴迪等(2010)、 刘英等(2012)及沈浩等(2014)分析了干冷空气对东北冷涡演变的影响。孙颖姝等(2018)和马梁臣等(2017)利用轨迹追踪方法分析了东北冷涡暴雨的主要水汽来源。齐彦斌等(2012a, 2012b), Zhen et al(2014)讨论了东北冷涡中的云微物理过程和降水机制。孙永罡等(1997)和王培等(2012)分别从Q矢量和对流涡矢量因子与降水关系的角度对冷涡暴雨进行分析。另外, 还有一些学者对冷涡暴雨的降水落区等预报中的关键问题进行研究, 发现冷涡暴雨多发生在冷涡系统的东南部(王宗敏等, 2015), 主要出现在冷涡的发展阶段(孙力等, 1995)。但是, 也有研究表明, 在冷涡后部的晴空区, 常有高空冷平流和低空暖平流叠加, 同时常伴有低层的白天辐射增温, 容易形成不稳定气流, 也有暴雨发生的可能(斯公望, 1988)。
郑秀雅等(1992)将东北冷涡定义为, 500 hPa天气图上, (35°N -60°N, 115°E -145°E) 范围内有闭合等高线, 配合有冷中心或冷槽, 具有能够持续维持3天或3天以上的低压环流系统。按地理位置可分为北涡(50°N -60°N), 中涡(40°N -50°N)和南涡(35°N -40°N)。冷涡主体进入黑龙江省的属于中涡, 关于中涡各个阶段结构特征及与降水关系的研究比较少。钟水新等(2011b), 对2006年7月21 -22日中涡过程进行了比较深入的分析。本文选取2012年7月28日至8月1日的中涡过程是近10年来造成最强区域性暴雨的典型冷涡过程, 对该冷涡几个不同发展阶段的环流背景、 水汽输送、 垂直运动、 冷空气活动、 不稳定条件与降水强度及落区的关系进行分析, 探讨不同阶段的冷涡暴雨预报着眼点, 为今后冷涡暴雨的位置和强度预报提供经验和参考。

2 降水实况

2012年7月28日08:00(北京时, 下同)内蒙古中部偏东地区有高空槽向东北方向移动, 在28日14:00发展加强为冷涡, 受其前部低层切变影响, 黑龙江省西南部开始出现降水。在冷涡向东北移动过程中经历的各个不同发展阶段, 黑龙江省都对应有不同程度的降水。到31日20:00随着500 hPa冷涡减弱为高空槽, 并逐渐移出我省, 降水过程趋于结束。整个过程降水中心成东北-西南走向的带状分布, 累积降水量在100 mm以上的测站主要集中在松嫩平原以及三江平原的西南部[图1, 该图是基于黑龙江省标准地图服务网站下载的审图号为s(2017)030的标准地图制作, 底图无修改], 累积达到50 mm的测站有49个, 占全省测站的60%, 累积降水在25 mm以上的测站比例更是高达79%。此次过程中, 强降水主要出现在7月28日20:00至29日20:00, 即冷涡的发展和成熟阶段。除去冷涡降水典型的日变化特征外, 降水还表现为很强的对流性特点。降水强度大, 降水时段集中。其中超过30 mm·h-1的有3个站(次), 超过20 mm·h-1的达11个站(次), 小时雨强最强的测站出现在绥化庆安, 达36.4 mm·h-1。
图1 2012年7月28日08:00至8月1日08:00累积雨量分布(单位: mm)

图中数字代表累积降水超过100 mm测站的雨量

Fig.1 The precipitation distribution from 08:00 on 28 July to 08:00 on 1 August 2012.Unit: mm.Label characters respect accumulated precipitation over 100 mm in the figure

3 环流演变特征与降水关系

暴雨是多尺度系统相互作用的结果, 行星尺度和天气尺度环流决定了暴雨发生位置、 强度和持续时间, 同时也制约着产生暴雨的中尺度系统的活动。作为暴雨发生的直接背景条件, 在探讨其他因子作用的同时要对行星及天气尺度环流特点及与降水的关系进行分析。
在东北冷涡形成以前内蒙古中部地区500 hPa高度场上存有高空槽东移发展, 配合850 hPa上有气旋性环流逐渐生成, 环流东南部最先达到急流强度, 200 hPa风场上西风急流成平直带状分布(图略); 到28日14:00(图略)高空槽逐渐加强切断为冷涡, 副高成块状控制华东地区, 东北地区在副高北侧, 受副高西北侧的西南暖湿气流影响, 副高南侧有台风在西太平洋洋面上活动, 200 hPa上东亚地区为两脊一槽的环流型, 黑龙江位于东部脊线附近, 120°E附近高空急流呈“人”字形辐散, 整个东北地区都处于辐散场的控制, 850 hPa与高空冷涡相配合的低涡环流中心风速均达到12 m·s-1的标准, 地面有蒙古气旋发展, 从强降水落区与环流的配合看, 黑龙江省西南部受低涡前部的暖湿切变影响, 降水开始, 此时正处于冷涡新生阶段, 降水出现在距冷涡中心较远的低层切变线附近, 强度偏弱, 范围偏小; 随着系统向东北方向移动, 冷涡不断加强, 中心气压下降, 200 hPa“人”字型切变更加明显, 高空急流强度加强, 急流核的范围扩大, 到29日02:00 -08:00 [图2(a), (b), 图2及后面各图中所涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1697的标准地图制作, 底图无修改]850 hPa上的低涡前部暖式切变已经完全控制黑龙江西南部, 西南急流的范围从华东直抵黑龙江南部, 地面低压中心强度低于1000 hPa, 从低层到高层仍保持后倾的结构, 但是倾斜程度减小, 这一阶段冷涡主要处于发展期, 强降水主要位于高空冷涡前部, 低层暖湿切变附近的狭窄带状区域, 强度以切变线为中心向两侧递减; 此后冷涡发展达到最强, 进入成熟阶段[图2(c), (d)], 冷涡中心范围、 低涡环流范围、 以及地面低压范围开始逐渐扩大, 且中心基本重合, 成标准的正压结构, 200 hPa急流东段从此前的东西两个急流核合并为一个, 中心风速大于50 m·s-1, 降水强度从冷涡中心向外逐渐减弱, 低涡前部切变线附近的降水较之前明显减弱, 降水中心强度与上一阶段强度接近仍为30 mm·(6h)-1。30日02:00以后(图略)冷涡开始迅速减弱, 200 hPa急流核与低层系统逐渐脱离向南移动, 降水仍主要出现在冷涡中心附近, 但是强降水开始变得分散, 规律性变得不再明显。31日彻底减弱为高空槽, 快速东移, 此轮天气过程结束。
图2 2012年7月29日02:00 -20:00环流形势

黑色实线为500 hPa位势高度场(单位: dagpm); 红色虚线为海平面气压场(单位: hPa); 蓝色箭头为风速大于20 m·s-1的200 hPa风场(单位: m·s-1); 蓝色细实线为200 hPa风速大于40 m·s-1的等值线; 阴影代表6 h降水量(单位: mm)

Fig.2 The weather pattern from 02:00 to 20:00 on 29 July 2012.Black counter denote geopotential height at 500 hPa (unit: dagpm); Red counter denote sea level pressure (unit: hPa); Blue vectors denote wind speed ≥20 m·s-1 at 200 hPa (unit: m·s-1); Blue counter denote wind speed ≥40 m·s-1 at 200 hPa; The shaded denote 6 hourly precipitation (unit: mm)

从降水落区与环流形势的配合看, 在冷涡的不同发展阶段降水落区与系统的关系特点不同。在冷涡初生阶段, 降水较弱, 主要分布在低涡前部切变线附近, 距冷涡中心较远; 在发展阶段, 降水出现在冷涡中心到低层气旋式环流前部切变线附近的带状区域内, 且在切变线附近降水强度最大; 在冷涡的成熟阶段, 降水中心移至冷涡中心, 强度与发展阶段中心强度接近; 在减弱阶段, 降水落区仍分布在冷涡中心附近, 但是强降水出现的位置开始变得分散, 与天气尺度系统没有明显的匹配关系。

4 垂直环流结构

从冷涡不同发展阶段的水平环流演变与降水匹配上可以看出降水特点和环流演变之间的关系。冷涡是一个三维结构的系统, 为了确定各个层次、 各种要素在冷涡不同发展阶段对降水的影响, 我们对冷涡的垂直结构进一步加以讨论。从三维空间上探索环流特征、 动力及热力条件与降水的关系。
从冷涡发展的初期[图3(a), (b)], 高度负距平中心随高度向西向北倾斜, 温度槽落后于高度槽, 在低层这种落后表现的更加明显, 愈到高层二者愈接近, 在300 hPa以上高度负距平中心与温度负距平中心接近重合, 这表明在此阶段冷涡在高层的表现更强; 此时, 与高度负距平中心相配合的相对湿度大值区集中在中层, 垂直上升运动最强的位置出现在低涡前部高度等值线相对密集的地区, 同时, 这里也是降水相对较强的位置。从冷涡的发展阶段来看[图3(c), (d)], 温度场依然落后于高度场, 但是等温度距平线在低层变得较初期更为密集, 温度梯度在低层有所加大; 相对湿度的大值中心开始下降, 从低层到中层都达到接近饱和的状态; 涡前部整个都被上升运动所控制, 降水范围加大, 降水强度仍与上升运动的大小表现出明显的正相关。在冷涡的成熟阶段[图3(e), (f)], 高度距平中心与温度距平中心几乎重合, 垂直速度扩展至整个高度负距平的控制范围, 强降水范围此时也达到最大, 但强降水中心与垂直运动的中心相关性减弱, 垂直运动中心仍位于冷涡前部, 但强降水在冷涡附近及冷涡前部均有出现。冷涡发展至最强阶段以后, 迅速减弱, 温度和高度场的中心强度及等值线的密集程度都迅速下降, 降水强度明显减弱且表现出显著的分散性特点。
图3 2012年7月28日20:00至29日20:00垂直环流的纬向(左)、 经向(右)-高度剖面

黑线为高度距平等值线(单位: dagpm); 红线为温度距平等值线(单位: ℃); 阴影表示相对湿度大于70%的区域; 矢量代表ω×100与u的合成(单位: m·s-1); 橙色柱状线条代表同一经、 纬度上6 h累积降水量分布(单位: mm)

Fig.3 The zonal (left) and meridional (right)-vertical section of air circulation from 20:00 on 28 to 20:00 on 29 July 2012.Black counter denote height anomaly field (unit: dagpm); Red counter denote temperature anomaly field (unit: ℃); The shaded denote the area of humility ≥70%; Vectors denote composition of ω×100 and u (unit: m·s-1), and orange bar denote 6 hourly precipitation accumulation (unit: mm )

散度场的垂直剖面可以从另一个角度反映垂直运动的情况, 在冷涡的发展阶段[图4(a)~(c)]低层辐合主要集中在750 hPa以下, 中高层辐散中心大体位于400 hPa附近, 降水中心与低层辐合中心、 高层辐散中心相匹配的区域分布一致。在冷涡的成熟阶段[图4(d)], 低层辐合的高度下降, 主要集中在850 hPa以下, 辐合中心高度下降至925 hPa附近, 中心强度不变, 此时更有利于低层水汽向暴雨区集中, 与其对应位置的降水强度大, 但高层辐散的强度减弱, 强降水与动力条件的相关程度下降, 这个结论与垂直速度的分析结果也基本一致。两种不同动力因子的分析结果一致, 说明强降水与动力因子的关系是比较可信的。
图4 2012年7月29日02:00 -20:00各物理量场的纬向-高度剖面

黑色线为散度场(单位: ×10-5 s-1); 阴影为等位涡线(单位:1 PVU=1×10-6 m2·K·s-1·kg-1); 红色线表示相对湿度小于等于50%的区域; 橙色柱状线条代表同一经、 纬度上6 h累积降水量分布(单位: mm)

Fig.4 The zonal -vertical section of variables from 02:00 to 20:00 on 29 July 2012.Black counter denote divergence field (unit: ×10-5 s-1); The shaded denote PV field (unit:1 PVU=1×10-6 m2·K·s-1·kg-1); Red counter denote the area of humility≤50%; Orange bar denote 6 hourly precipitation accumulation (unit: mm)

一般而言, 垂直速度和散度场主要表征大气的动力性质, 而位涡是能够反映大气动力和热力特征的综合指标。从位涡分布的垂直剖面来看(图4), 随着冷涡的不断发展加强, 位涡的中心强度逐渐加强, 向下延伸的范围也不断扩大。同时, 高位涡区外围不断有≥1 PVU的闭合位涡区分裂东移, 并向低处延伸, 配合有中心相对湿度≤10%的干舌也向东、 向下移动, 随着高PVU舌和干舌的移动, 强降水中心也自西向东移动。至冷涡的成熟阶段[图4(d)], 在整个降水区上空300~450 hPa上都存在位涡舌与干舌, 并伴随有两个高位涡中心, 此时降水范围达到最大。
因此, 综合冷涡发展和成熟阶段的动力和热力性质与降水的关系可见, 在冷涡的发展阶段, 动力因子与降水的强度和中心位置匹配较好, 低层辐合高层辐散有利于降水的发生和增强; 在冷涡的成熟阶段, 降水强度不仅取决于动力因子的作用还取决于热力因子的影响, 因此, 在成熟阶段, 降水强度与位涡的强度和分布相关更显著。

5 水汽输送分析

除去动力与热力因子以外, 充足的水汽供应也是暴雨发生的必要条件, 决定降水强度的分布及演变。因此, 有必要进一步了解降水过程中三维空间上水汽的来源、 输送强度及分布特点与降水强度的关系, 以便为今后的暴雨强度预报提供参考和依据。
从冷涡不同阶段的水汽输送和集中情况的分布上看, 在冷涡降水的初始阶段[图5(a)], 降水区的水汽主要来自副高外围的西南气流对水汽的输送, 水汽辐合主要出现在吉林以及黑龙江西南部, 此时实况降水也主要集中在这个区域; 在冷涡的发展阶段初期[图5(b)], 随着冷涡的东进, 副高略有东退, 除副高外围的西南支水汽输送以外, 贝加尔湖至东北的偏西气流的水汽输送逐渐开始建立, 偏南气流造成的水汽辐合区在向东部移动过程中范围逐渐变大, 偏西支水汽输送配合的水汽辐合区出现在东北地区的西部; 在冷涡的成熟阶段[图5(c), (d)]在黑龙江北部又出现一支自日本海的偏东水汽输送通道, 整个黑龙江省都处于水汽辐合区的控制范围, 南、 西、 东三支水汽输送通道建立且影响范围不断扩大。
图5 2012年7月28日20:00至29日20:00整层水汽通量[矢量, 单位: g·(cm·s)-1]及水汽通量散度[阴影区, 单位: ×10-6 g·(cm2·s)-1]分布

黑色等值线为500 hPa上588 dagpm线

Fig.5 The distribute of moisture flux [vector, unit: g·(cm·s)-1] and its divergence [the shaded, unit: ×10-6 g·(cm2·s)-1] from 20:00 on 28 to 20:00 on 29 July 2012.The black counter is 588 dagpm geopotential height at 500 hPa

为了确定此次过程中的水汽输送“源-汇”结构, 采用相关矢量场方法追踪水汽输送(徐祥德等, 2003)。在降水时间演变过程中水汽通量场上(图6)的三条水汽输送通道在合成矢量图上显著表现为从华南沿海-华东-渤海-东北的偏南输送通道、 贝加尔湖-东北的偏西输送通道以及鄂霍次克海和日本海-东北地区北部的偏东水汽通道。这三条通道与黑龙江省平均降水量的相关显著性水平高达99.5%, 三条通道在黑龙江省内交汇, 是此次降水过程的主要水汽来源。
图6 2012年7月28日08:00至31日20:00黑龙江省6 h平均降水与1000~300 hPa整层水汽通量分量(qu, qv)的相关合成矢量场

矢量箭头代表相关合成矢量场; 阴影代表相关合成矢量大小通过0.1、 0.05、 0.025、 0.01、 0.005等显著性水平的区域

Fig.6 The correlated vector field between integrated water apor flux (qu, qv) from 1000 hPa to 300 hPa and 6 hourly precipitation from 08:00 on 28 to 20:00 on 31 July 2012.Vectors represent correlated vector field; Shaded areas represent the regions where the correlation coefficient passed the significance level of 0.1, 0.05, 0.025, 0.01, 0.005, etc.

为深入了解三支水汽输送通道在此次降水过程中对于水汽集中的贡献, 选取了121°E -136°E、 43°N -55°N范围的四条边界, 分析水汽的收支情况。从4条边界净收支上看[图7(a)], 南边界主要为水汽的净流入方, 东边界主要为水汽的净流出方, 其余的两条边界以弱的净流出为主。这说明三支水汽通道中, 只有偏南的一支水汽通道占有绝对优势, 对降水区的水汽集中有正贡献。从强降水发生时开始南边界的净水汽流入持续增大, 至冷涡成熟阶段达到最强, 此后迅速减小, 至降水结束4个边界都转为净支出。从整体上看[图7(b)], 纬向有水汽的净流入, 且在28日20:00至29日20:00强降水持续阶段显著偏高, 而经向有水汽的净支出, 与纬向的水汽收支情况表现为几乎相反的位相特点。经向与纬向的总和表现为与经向收支相同的特征, 即在强降水持续期间, 降水区有净水汽收入, 水汽净流入在冷涡发展最强的成熟阶段达到最大, 这个特点与前面的水汽通量散度的演变特征一致。
图7 2012年7月28日08:00至31日20:00黑龙江省(121°E -136°E、 43°N -55°N)1000~300 hPa整层水汽净收支的时间序列

Fig.7 The time series of vertically integrated water vapor budget between 1000 hPa and 300 hPa in Heilongjiang province from 08:00 on 28 to 20:00 on 31 July 2012

从水汽在各个层次上的净收支与黑龙江省6 h平均降水量随时间演变的时间序列上可以看出(图8), 在强降水发生时段, 700 hPa以下全部表现为水汽的净收入, 900 hPa以下净收入≥12×10-3 kg·(m2·s)-1所对应的29日02:00、 29日14:00均是全省平均降水量最大的时段。当低层由净收入转为净支出以后, 强降水停止, 平均降水量迅速减少。
图8 2012年7月28日08:00至31日20:00黑龙江省(121°E -136°E、 43°N -55°N)6 h区域平均降水(柱状)及1000~300 hPa水汽净收支[黑线, 单位: ×10-3 kg·(m2·s)-1]的时间序列

实线代表水汽净收入, 虚线代表净支出

Fig.8 The time series of 6 hourly regional average precipitation (gray bar) and the temporal-vertical section of water vapor budget [black line, unit: ×10-3 kg·(m2·s)-1] between 1000 hPa and 300 hPa in Heilongjiang province from 08:00 on 28 to 20:00 on 31 July 2012.The dashed line represents water vapor expend and solid represents income

6 不稳定能量变化特点

从强降水分布的逐小时演变(图略)可以看出, 冷涡发展和成熟阶段的降水还表现为降水强度大、 持续时间短等对流性特征。因此, 在接下来的分析中我们进一步从对流不稳定条件和中尺度抬升条件等方面讨论其与降水分布的关系。在冷涡的发展阶段[图9(a), (b)], 强降水主要分布在超低空偏西南急流与偏东急流所形成的切变最强, 辐合最剧烈的位置上, 对流不稳定能量的范围大, 但强度相对较小, 与强降水的关系不十分显著; 在冷涡的成熟阶段[图9(c), (d)], 超低空偏西南急流、 偏东急流与偏西急流一起形成了大范围的气旋性辐合区, 强降水范围极大且全部出现在气旋性辐合区内, 降水中心同时也是高CAPE值、 高K指数的中心, 强降水位置与CAPE值≥1000 J·Kg-1、 K指数≥35 ℃的显著不稳定区分布一致。
图9 2012年7月29日02:00 -20:00不稳定条件及6 h降水分布的关系

黑线为950 hPa散度(单位: ×10-5 s-1); 红线为K指数(单位: ℃); 蓝色实线为CAPE等值线(单位: J·Kg-1); 风向杆为950 hPa风场(单位: m·s-1); 阴影表示6 h降水量(单位: mm)

Fig.9 The distribute of unstable condition and 6 hourly precipitation from 02:00 to 20:00 on 29 July 2012.The black counters represent divergence at 950 hPa (unit: ×10-5 s-1); Red counters represent K index (unit: ℃); blue counter represent the CAPE (unit: J·Kg-1); Vector denote wind field at 925 hPa (unit: m·s-1); The shaded represent 6 hourly precipitation (unit: mm)

7 结论与讨论

利用NCEP逐6 h的再分析资料、 国家级自动站逐小时降水资料和FY-2E的卫星资料对2012年7月28日至8月1日影响东北地区的区域性冷涡暴雨过程中冷涡在不同发展阶段的大尺度环流背景、 垂直环流结构、 水汽输送、 云系演变特征、 中尺度系统及不稳定能量分布与降水强度和位置的关系等方面进行讨论。主要分析结果如下:
(1) 从环流背景与降水分布特点的关系上看: 冷涡初生阶段, 200 hPa西风急流呈带状分布, 500 hPa高空槽前低层850 hPa上有低涡活动, 低涡东南部西南风达到急流标准, 降水主要出现在低空急流前侧切变线附近, 降水强度较弱; 冷涡发展阶段, 200 hPa上黑龙江位于东部脊线附近, 西侧高空急流呈“人”字形辐散, 整个东北地区都处于辐散场的控制, 500 hPa冷槽加深发展, 在南部切断为东北冷涡。850 hPa上与高空冷涡相配合的低涡环流中心风速均达到12 m·s-1的标准, 地面有蒙古气旋强烈发展, 强降水主要位于高空冷涡前部, 低层暖湿切变附近的狭窄带状区域, 强度以切变线为中心向两侧递减; 冷涡成熟阶段, 冷涡中心范围、 低涡环流范围、 以及地面低压范围开始逐渐扩大, 且中心基本重合, 降水中心强度与上一阶段强度接近, 降水强度从冷涡中心向外逐渐减弱, 低涡前部切变线附近的降水较之前明显减弱; 冷涡消亡阶段, 涡旋中心强度开始迅速减弱, 200 hPa急流核与低层系统逐渐脱离向南移动, 降水仍主要出现在冷涡中心附近, 但是强降水开始变得分散, 规律性变得不再明显, 随系统快速减弱东移, 此轮天气过程结束。
(2) 从垂直环流及物理量分布与降水强度和位置的关系上看: 冷涡发展阶段, 温度距平及高度距平场都随高度向西北方向倾斜, 相对湿度中心下降, 饱和区集中在中、 低层, 涡前部整个都被上升运动所控制, 上升运动与低层辐合、 高层辐散的垂直分布特征相匹配, 降水强度与上升运动及低层辐合的大小表现出明显的正相关。冷涡成熟阶段, 温、 压场接近重合, 垂直速度扩展至整个高度负距平的控制范围, 强降水范围扩大, 垂直运动中心仍位于冷涡前部, 但强降水中心在冷涡附近及冷涡前部均有出现, 此阶段, 降水更多的表现为与位涡舌、 干舌的延伸高度及位置显著相关。
(3) 从水汽输送及收支与降水演变的关系上看: 冷涡发展阶段, 偏东、 偏西及偏南三条水汽通道逐渐建立, 水汽辐合及净收入逐渐增加, 降水相应增强, 至冷涡成熟阶段达到最大, 此后迅速减弱, 降水基本结束。
(4) 从不稳定能量与强降水分布的关系来看: 冷涡发展阶段, 降水分布集中, 强降水中心与低层辐合线及中尺度辐合中心关系密切; 冷涡成熟阶段, 中尺度系统范围变大, 强降水中心与不稳定能量中心配合更好。
(5) 综合此次典型持续移动型冷涡过程中各个发展阶段环流特点、 动力、 热力及水汽条件与降水的关系, 对于此种类型冷涡天气中的暴雨落区和强度预报, 在冷涡发展和成熟两个主要降水阶段, 预报着眼点不同: 冷涡发展阶段, 冷涡前部是天气尺度的低层暖湿平流、 高层干冷平流控制范围, 层结不稳定普遍存在, 降水强度和位置与动力抬升条件直接相关。此时, 暴雨中心多出现在垂直运动强、 低层辐合抬升强的位置。在冷涡的成熟阶段, 垂直运动达到最强, 冷涡中心及冷涡前部都是垂直运动控制的范围。此时, 应更多关注中尺度对流不稳定条件较好的区域, 这些范围有利于较大对流性降水的发生, 往往是暴雨中心所在。另外, 水汽的净收支变化, 预示着降水中心强度的变化, 在暴雨强度预报中有明确的指示意义。
此次暴雨过程是典型冷涡影响下的区域性暴雨过程, 满足一般冷涡暴雨的日变化、 多对流性短时强降水等基本特征。但是, 相似影响系统的不同过程在不同的动力、 热力、 水汽及中尺度系统的背景下所产生的暴雨强度及分布却存在很大差异。本文通过对此次区域性暴雨过程中冷涡不同发展阶段的大尺度环流背景、 垂直环流结构、 水汽输送、 中尺度系统及不稳定能量分布与降水强度和位置的关系等方面进行讨论, 希望以此来了解相似路径、 相似配置情况降水的分布特点, 为冷涡暴雨的位置和强度预报提供一定的经验参考。但由于受资料类型和时空分辨率的限制, 本文研究仅限于定性的诊断, 对指导相同类型的暴雨定量预报还远远不够。因此, 今后还将借助中尺度数值模式, 进一步讨论冷涡不同阶段降水的强度及分布特征。
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