Diurnal Variation Characteristics of Heavy Precipitation and Its Causes of Northeast Cold Vortex during the Warm Season

  • Li REN , 1, 2 ,
  • Ying LIU , 3
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  • 1. Institute of Atmospheric Environment of China Meteorological Administration,Shenyang 110166,Liaoning,China
  • 2. Meteorological Observatory of Heilongjiang Province,Harbin 150030,Heilongjiang,China
  • 3. State Key Laboratory of Climate System Prediction and Risk Management/China Meteorological Administration Climate Studies Key Laboratory,National Climate Centre,China Meteorological Administration,Beijing 100081,China

Received date: 2024-05-23

  Revised date: 2025-01-09

  Online published: 2025-07-10

Copyright

© Editorial Department of Plateau Meteorology (CC BY-NC-ND)

Abstract

Using the hourly precipitation data of 80 national stations in Heilongjiang Province, the NCEP/ NCAR and the EC-ERA5 reanalysis data, the diurnal variation characteristics of heavy precipitation (hourly precipitation≥5 mm) by Northeast Cold Vortex (NECV) during the warm season (from May to September) from 1981 to 2022 were analyzed.Multiple typical cases at four times a day were selected for synthesis, which was used to eliminate the influence of intensity change caused by the generation and extinction process of a single case system, and analyze the reasons for the diurnal variation characteristics of heavy precipitation.The results showed that: (1) the heavy rainfall in the warm season was concentrated in June to August, and the heavy rainfall occurred mostly in July, and the maximum precipitation was the heaviest in June and August.The high frequency region of heavy precipitation was located in the southeast quadrant of NECV, the lower frequency could be found in the northeast quadrant.(2) The central position and intensity of NECV corresponding to the large-scale heavy precipitation had obvious diurnal variation characteristics: NECV was stronger at night, and its location was north and west.During the day, NECV was weak, and its position was south to east.The large range of heavy rainfall coupled with the high and low air jet stream appeared: the strong rainfall area was located in the upper jet stream core right back or left front side, the lower jet stream front and left front side.The distribution of the high and low air jet showed significant diurnal variation: the strongest in the afternoon and the best dynamic conditions; the upper level jet stream is weakest at night, and the corresponding upper level divergence conditions are weakest.The southerly air vapor transport was the main at night; During the day, the water vapor transport of the southwest air stream was significantly enhanced, and in the afternoon, the water vapor transport of the southwest air stream was mainly.(3) The wide range of heavy precipitation was corresponded to strong cyclonic activities, and there was little difference in the central positions of cyclones among different times.Both the cyclone intensity and the surface dew point temperature had significant diurnal variation characteristics.The high frequency area of heavy precipitation generally appeared in the large pressure gradient area of the cyclone center and its north or east side, corresponding to the larger dew point temperature.(4) The high frequency of heavy precipitation was related to the distribution of local topography.The mesoscale vertical circulation at night played a more prominent role in the magnitude and high frequency distribution of heavy precipitation on the east side of NECV.The cold air at night was more active, the spatial gradient of nighttime precipitation was larger, and the heavy precipitation was more localized and affected by terrain more significantly.The effect of topography on increased precipitation in daytime was not obvious.The amount of water on the leeward slope was generally greater than that on the windward slope.

Cite this article

Li REN , Ying LIU . Diurnal Variation Characteristics of Heavy Precipitation and Its Causes of Northeast Cold Vortex during the Warm Season[J]. Plateau Meteorology, 2025 , 44(4) : 961 -973 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00004

1 引言

中纬度西风带中长波槽强烈发展后在槽南部形成冷性闭合环流, 这种深厚低压系统被称作切断低压(Palmen and Newton, 1969Nieto et al, 2005)。东北冷涡(Northeast Cold Vortex, NECV)是中国常见的切断低压, 是活动于我国东北地区或其附近的高空大型冷涡, 能够维持3~4天或更长时间的深厚系统(朱乾根等, 2000Fang et al, 2022)。一年四季均可出现, 夏季最为活跃(Zhang et al, 2008)。从时空特征上来看, 东北冷涡属于天气尺度系统, 是造成冰雹、 雷雨大风、 龙卷等突发性强对流天气的重要天气系统(才奎志等, 2022贾旭轩等, 2024)。东北冷涡具有持续性和准静止性的特征, 其持续活动具有显著的“气候效应”(丁婷等, 2015Zhou et al, 2023), 是造成东北地区低温冷害、 洪涝或干旱等灾害的重要原因(史月琴等, 2022)。频繁的东北冷涡活动会导致“冷涡雨季”出现, 使得东北地区夏季降水偏多(刘刚等, 2017)。在气候学特征方面, 学者们从冷涡日数、 年月际变化趋势及环流特征等方面开展了大量的统计分析工作, 得到的气候特征较为一致(房一禾等, 2022)。
降水日变化的重要性不仅体现在精细化天气过程或降水事件的研究中(Jo et al, 2020Park et al, 2021), 还体现在气候尺度的相关研究中(Li et al, 2008)。以往的研究显示中国降水具有明显的日变化特征和很强的季节性、 地域性特点(吴学珂等, 2013)。中国包括世界海拔最高的青藏高原, 东临太平洋, 地形和海陆分布极其复杂, 是降水日变化特征最丰富和区域特点最显著的地区(陈炯等, 2013), 其东南沿海和东北地区的降水日峰值主要集中在下午(赵玉春和王叶红, 2020李尚锋等, 2022), 西南和西北地区降水峰值多发生在午夜(李强等, 2020杨霞等, 2021), 长江中上游地区的强降水多出现在清晨(白爱娟等, 2011)。
2012年7月28 -31日东北冷涡区域性暴雨过程, 强降水发生在冷涡发展和成熟阶段, 发展阶段强降水主要分布在冷涡前部切变辐合最强处, 与低层辐合强度及垂直速度成正比; 成熟阶段强降水更接近冷涡中心, 与不稳定能量分布及中高层干冷空气入侵关系更为密切(齐铎等, 2020)。2019年7月16日东北冷涡南侧由MCC活动引发的暴雨过程, 暴雨区大气低层强对流不稳定、 中层湿对称不稳定、 高层有干侵入气流, 地面辐合线及锋面锋生促使对流新生和发展(任丽和杨艳敏, 2021任丽等, 2021)。2021年6月1日和9日冷涡背景下两次强龙卷过程, 干线与地面辐合线为中尺度触发机制, 龙卷出现在地面伪冷锋与干线交界处的湿区一侧(徐玥等, 2022)。目前对东北冷涡强降水的研究多集中于天气尺度的个例分析, 缺少对长时间尺度的东北冷涡强降水日变化的气候特征分析和总结。因此, 本文将气候学特征统计和天气学相结合, 统计1981 -2022年暖季(5 -9月)所有东北冷涡个例对应的黑龙江省强降水日变化特征, 分析产生强降水日变化的原因, 以提高东北冷涡强降水的精细化预报水平, 为东北地区粮食安全、 洪涝灾害防御提供科学依据。

2 研究区域与观测数据

2.1 研究区域和资料来源

黑龙江省所在经纬度为43.43°N -53.55°N, 121.18°E -135.08°E, 辖区总面积47.3×104 km2(东北三省38.72°N -53.55°N, 118.88°E -135.08°E, 总面积78.7×104 km2)。黑龙江省占据东北三省60.1%的辖区面积, 从其所在地理位置上看, 可以代表东北地区中北部。
本文采用1981 -2022年5 -9月经过黑龙江省气象信息中心质量控制的80 个国家级地面气象观测站(图1)的逐小时观测数据集。采用美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)(简称NCEP/NCAR)提供的每日4次(时空分辨率为6 h、 2.5°×2.5°)500 hPa高度场和温度场再分析资料, 通过客观自动识别与主观检验筛选相结合的方式完成东北冷涡过程的提取工作。采用欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据ERA5(时空分辨率为1 h、 0.25°×0.25°)用于东北冷涡强降水发生环境场的精细化分析及日变化成因分析。
图1 黑龙江省80个国家级地面气象观测站点分布(黑色圆点)及地形高度(填色, 单位: m)

Fig.1 Distribution of 80 national surface meteorological observation stations in Heilongjiang Province (black dots) and topographic height (colored, unit: m)

文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS(2017)3320的中国地图制作, 底图无修改。

2.2 东北冷涡及强降水定义

根据孙力等(1994)提出的传统东北冷涡定义, 本文定义同时符合下列三个条件的为一次东北冷涡过程: ①500 hPa天气图上至少能分析出一条闭合等高线(以4 dagpm为间隔), 并有冷中心或明显冷槽配合的低压环流系统; ②冷涡中心出现在(35°N -60°N, 110°E -145°E)区域内; ③冷涡在上述区域内至少维持3 d。1981 -2022年暖季有408个东北冷涡个例, 共1743 d, 逐小时降水数据集的95%分位数为5 mm·h-1, 本文定义P 1h ≥5 mm为强降水, 统计时段内逐小时强降水/短时强降水站次累加为强降水频次/短时强降水频次。
根据中国气象局业务标准: 1 h降水量P 1h≥0.1 mm记为有降水; P 1h≥20 mm记为短时强降水; 1 d降水量P 1d≥50 mm 记为暴雨。1 d为08:00(北京时, 下同)至次日08:00。上午为08:00, 对应08:00 -13:00的6 h降水; 下午为14:00, 对应14:00 -19:00的6 h降水; 前半夜为20:00, 对应20:00至次日01:00的6 h降水; 后半夜为02:00, 对应02:00 -07:00的6 h降水。

3 东北冷涡强降水日变化特征

根据东北冷涡暖季强降水逐月分布特征(表1), 发现强降水集中出现在6 -8月, 占总频次的82.13%, P 1h≥20 mm的短时强降水更加集中于6 -8月, 占到总频次的94.69%。其中以7月出现最多, 强降水和短时强降水分别占总频次36.55%和50.32%。降水极值6月和8月最大, 分别达到88.3 mm和86.7 mm, 比7月极值大, 这是因为极端降水不仅需要暖湿空气, 还需要一定强度的冷空气配合, 6月和8月冷空气比7月活跃(沈柏竹等, 2011)。
表1 1981 -2022年东北冷涡暖季强降水逐月分布特征

Table 1 Monthly distribution characteristics of heavy precipitation of NECV during the warm season from 1981 to 2022

月份 强降水频次/站次 短时强降水频次/站次 最大小时降水量/(mm·h-1
5月 1469 17 42.7
6月 5032 216 88.3
7月 7462 550 71.3
8月 4273 269 86.7
9月 2178 41 72.3
东北冷涡中心位置对应的黑龙江省强降水频次图, 发现冷涡中心在(47.5°N, 120°E)和(47.5°N, 122.5°E)两点发生强降水频次最高, 分别达到1346站次和1336站次, 强降水频次以两点为中心向四周迅速减小(图2)。冷涡中心位于(45°N -52.5°N, 117.5°E -125°E)区域内, 可以发生超过60%的强降水。其中有3处强降水频次分布梯度特征显著不同: 辽东半岛、 俄罗斯远东地区、 朝鲜东部日本海域, 这3处东北冷涡中心位置对应的强降水频次稍多。
图2 不同位置东北冷涡引发黑龙江省强降水频次(单位: 次)

黑点和数字表示强降水频次最高的两个位置和频次数

Fig.2 The frequency of heavy precipitation in Heilongjiang Province caused by NECV at different locations.Unit: times.Black dots and numbers indicate the two locations and frequ-ency with the highest frequency of heavy precipitation

研究发现96%的强降水发生在东北冷涡中心相对经度-10°~15°, 相对纬度-10°~10°范围内, 以冷涡中心为基准, 绘制上述范围内的强降水频次空间分布图(图3), 发现东南象限频次最多, 其次是东北象限。-4°<x<0°坐标轴附近和y坐标轴附近是强降水的次高发区, 冷涡西北象限和西南象限很少出现强降水。总的来看以冷涡中心为坐标原点的0°<x<12°, -6°<y<4°范围内可以发生图3区域内70%的强降水, 此区域为强降水的高发区域。强降水的这种分布特征与夏季风、 海陆分布等因素有关(图2): 东部区域位置偏南, 受夏季风影响相对较早; 西部区域位置偏北, 处于内陆地区属于夏季风边缘带(谭政华和巩远发, 2022); 冷涡东南部对应日本海, 偏南(东南)气流向北输送水汽, 遇到陆地地形作用, 易于出现局地辐合抬升, 更易产生强降水。
图3 以东北冷涡中心为坐标原点的强降水频次空间分布图

Fig.3 Spatial distribution of heavy precipitation frequency with the center of NECV as the coordinate origin

根据冷涡中心位置识别的时间频次(每日4次), 以冷涡中心为基准绘制强降水频次空间分布的日变化图(图4)发现, 下午为出现强降水的高频时段, 其次是前半夜。后半夜是出现强降水的低频时段。从空间分布上看, 02:00冷涡中心x>0°和y>0°的坐标轴附近为强降水高频区, x>0°坐标轴附近的高频区有随时间推移在东西方向收缩、 向南北方向扩散的趋势; y>0°坐标轴附近的强降水高频区有随时间推移向东扩散的趋势。上午时段出现强降水的频次冷涡东北象限高于东南象限, 下午至前半夜则反之。
图4 以东北冷涡中心为坐标原点的强降水频次空间分布日变化图

Fig.4 Diurnal variation of the spatial distribution of heavy precipitation frequency with the center of NECV as the coordinate origin

根据东北冷涡暖季强降水日变化特征信息表(表2), 发现强降水频次≥5次的站点全部包含在图3范围内。强降水频次≥10次的站点全部出现在冷涡东南象限和东北象限。白天强降水站点数、 强降水频次迅速增加, 下午达到最高。随着时间的推移逐渐减小, 强降水频次减小的速率更快, 特别是频次越高的站点数减小得越快, 到后半夜达到最小。
表2 1981 -2022年东北冷涡暖季强降水日变化特征信息表

Table 2 Daily variation characteristic information table of heavy precipitation of NECV during the warm season from 1981 to 2022

时次 强降水站点数/个 强降水频次/站次 强降水频次≥10次的站点数/个 强降水频次≥10次的站点相对位置 强降水频次≥5次的站点数/个 强降水频次≥5次的站点相对位置
02:00 1786 3738 5 4.12°≤x≤5.88, -0.32°≤y≤2.33° 147 -3.88°≤x≤13.63°, -7.72°≤y≤4.83°
08:00 1912 4074 14 2.35°≤x≤10.03°, 3.17°S -2.57°N 171 -1.82°≤x≤11.98°, -9.70°≤y≤7.33°
14:00 2817 7364 58 1.27°≤x≤10.83°, -5.10°≤y≤4.22° 443 -4.00°≤x≤14.37°, -7.60°S≤y≤6.25°
20:00 2122 5238 25 0.93°≤x≤10.47°, 4.47°S -2.90°N 283 -6.20°≤x≤14.28°, -9.17°≤y≤6.93°
不同时次强降水站点位置与冷涡中心距离的箱线图, 发现4个时次的箱线图均呈准正态分布, >75%的强降水发生在距冷涡中心945 km以内(图5)。白天强降水站点位置与冷涡中心距离普遍较小且较为集中, 14:00距离最小且最集中, 最小值19 km, 最大值1407 km, 中位数608 km。夜间距离逐渐增大且更加分散, 02:00距离最大且最分散, 最小值28 km, 最大值1, 618 km, 中位数700 km。
图5 不同时次强降水站点位置与冷涡中心距离箱线图

Fig.5 Boxplot of distance between the location of the heavy precipitation station and the center of NECV at different times

4 日变化特征成因分析

典型个例选取标准: ①个例发生于6 -8月, ②6 h内出现强降水(P 1h≥5 mm)的站次>30站次, ③当日为暴雨日(至少1站P 1d≥50 mm), ④冷涡中心位置重合或相邻(Δlon≤2.5°, Δlat≤2.5°)。根据上述标准每个时刻选取6~8个典型个例采用算数平均的方式进行合成, 用于消除单个个例系统生消过程引发强度变化的影响, 分析产生强降水日变化特征的原因。下文中图6~10均为合成图。
图6 合成形势场中500 hPa位势高度场(黑色实线, 单位: dagpm)、 温度场(红色虚线, 单位: ℃)、 200 hPa水平风场(黄色实线, 箭矢, 单位: m·s-1, 仅显示≥35 m·s-1) 、 850 hPa水平风场(风向杆, 单位: m·s-1, 仅显示≥12 m·s-1)和强降水频次(彩色圆点, 单位: 次)

Fig.6 500 hPa geopotential height field (solid black lines, unit: dagpm), temperature field (red dashed lines, unit: ℃), 200 hPa wind field (solid yellow lines, vector, unit: m·s-1, only show ≥35 m·s-1), 850 hPa wind field (barb, unit: m·s-1, only show ≥12 m·s-1) in composite fields and heavy precipitation frequency (colored dots, unit: time)

图7 合成形势场中850 hPa水汽通量(箭矢, 单位: g·s-1·cm-1·hPa-1)、 水汽通量散度(阴影, 单位: ×10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)、 比湿(等值线, 单位: g·kg-1) 和强降水频次(彩色圆点, 单位: 次)

Fig.7 850 hPa vapor flux (vector, unit: g·s-1·cm-1·hPa-1), vapor flux divergence(shade, unit: ×10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1), specific humidity (contour, unit: g·kg-1) in composite fields and heavy precipitation frequency (colored dots, unit: time)

图8 合成形势场中海平面气压场(等值线, 单位: hPa)和露点温度(阴影, 单位: ℃)

Fig.8 Sea level pressure field (contour, unit: hPa) and dew point temperature (shade, unit: ℃) in ground composite fields

图9 合成形势场中冷涡中心及东侧纬向垂直剖面图

上图: 水平水汽通量(阴影, 单位: g·s-1·cm-1·hPa-1)、 水汽通量散度(等值线, 单位: ×10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1) 、 u方向风(单位: m·s-1)与15倍垂直速度(单位: Pa·s-1)(箭矢), 黑色阴影代表地形高度; 下图: 蓝色直方图代表站点观测的典型过程平均6 h降水量(P 1h≥5 mm)在纬向上的投影[单位: mm·(6h)-1

Fig.9 Latitudinal vertical profile of the center and east side of NECV in the composite fields.In top figures, the horizontal vapor flux (shade, unit: g·s-1·cm-1·hPa-1), the vapor flux divergence(contour, unit: ×10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1), U-direction wind (unit: m·s-1) and 15 times vertical velocity (unit: Pa·s-1) (vector), the black shadings represent terrain.In top figures, blue bars represent the latitudinal projection of the average 6-hour precipitation (P 1h≥5 mm) for typical processes observed at the station [unit: mm·(6h)-1

图10 合成形势场中冷涡中心及东侧纬向垂直剖面图

左图: 假相当位温(阴影, 单位: K)、 垂直速度(等值线, 单位: Pa·s-1); 右图: 散度(阴影, 单位: ×10-5 s-1)、 涡度(等值线, 单位: ×10-5 s-1);u方向风速(单位: m·s-1)与15倍垂直速度(单位: Pa·s-1)的合成场(箭矢), 黑色阴影代表地形

Fig.10 Latitudinal vertical profile of the center and east side of the cold vortex in the composite fields In left figures, the potential pseudo-equivalent temperature (shade, unit: K), the vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1).In right figures, the divergence (shade, unit: ×10-5 s-1), the vorticity (contour, unit: ×10-5 s-1).U-direction wind (unit: m·s-1) and 15 times vertical velocity (unit: Pa·s-1) (vector), the black shadings represent terrain

4.1 环流背景和影响系统对比

高空合成形势场, 与大范围强降水对应的冷涡中心位置和强度, 及与其配合的冷槽强度均有明显的日变化特征(图6)。夜间(20:00和次日02:00)冷涡中心位置偏北偏西(距黑龙江省较远), 与其配合的冷槽温度更低, 冷涡偏强; 白天(08:00和14:00)冷涡中心位置偏南偏东(距黑龙江省较近), 与其配合的冷槽温度较高, 冷涡偏弱。黑龙江省处于冷涡前暖区中, 高空温度夜间较白天更低, 这是因为冷涡强降水具有不稳定性与高低空存在较大温差密切相关(宇如聪和李建, 2016), 所以高空温度与地面温度的日变化同步。
850 hPa合成形势场(图7), 产生大范围强降水对应的湿度条件: 比湿≥9 g·kg-1。随着比湿的增大, 强降水的范围、 极值和频次均会随之增大。强降水频次同样与局地地形密切相关, 导致强降水高频区与比湿大值区不是完全对应的。
与大范围强降水对应的强降水区域内水汽通量、 水汽通量散度和比湿均有明显的日变化特征。与强降水对应的低空有两条水汽通道: 西南气流将华北到黄渤海的水汽向北输送, 偏南气流将日本海的水汽向北输送。夜间以偏南气流水汽输送为主; 白天西南气流水汽输送作用显著增强, 到下午达到最强, 下午以西南气流水汽输送为主。低空水汽通量辐合区后半夜强度最小, 上午范围最小, 下午强度和范围均达到最大, 前半夜次之。
地面合成形势场(图8)上, 大范围强降水与较强气旋(中心气压P<1000 hPa)活动相对应, 气旋中心位于吉林西部至黑龙江西南部, 各时次位置相差不大。气旋强度和露点温度T d有显著的日变化特征。后半夜气旋强度和露点温度(P<1000 hPa, 黑龙江南部地区T d≈18~19 ℃)均为最小, 之后逐渐增强, 到下午(P<992.5 hPa, T d≈20~21 ℃)均达到最大, 之后再度减小。海平面气压和露点温度的日变化不仅与近地面气压和气温的日变化有关, 同时还与气旋本身强度有关。强降水高频区(图7)一般出现在气旋中心及其北侧或东侧的气压梯度大值区内, 与较大的露点温度相对应。

4.2 中尺度对流系统发展环境条件对比

黑龙江省西南部为松嫩平原(图1), 平原西侧为大兴安岭和蒙古高原、 北侧为小兴安岭、 东侧为长白山脉; 黑龙江省东北部为三江平原, 平原西侧为小兴安岭、 南侧为长白山脉、 北侧为黑龙江。这种复杂地形易于形成中小尺度垂直环流, 对冷涡东侧强降水的量级及高频区分布有重要作用(图9)。地面观测站点空间分布不均匀, 在黑龙江省北部和东部地区测站偏少, 对统计结果有一定影响。
沿冷涡中心向东做各物理量纬向垂直剖面图及典型过程观测站点平均6 h降水量图(仅统计P 1h≥5 mm的站点), 来探究图4沿x轴强降水高频区日变化的原因。02:00[图9(a)], 冷涡东侧平均降水量分布不均匀、 降水空间梯度大、 强降水范围小。冷涡东侧低层以偏东风为主, 遇到山脉被迫抬升, 在山脉东侧形成较强的上升运动, 到山脉背风坡下沉, 形成下沉运动。山脉附近地区及其东侧平原低层有较强水汽输送, 显著增温增湿。沿着山脉东西两侧均有强烈的水汽辐合, 形成强降水。山脉西侧山麓(背风坡)低层水汽辐合强度和降水量均大于山脉东侧迎风坡及平原, 可见强降水与低层强水汽辐合区相对应。
08:00[图9(b)], 冷涡东侧平均降水量分布较为均匀, 降水空间梯度较小、 强降水范围也较小。冷涡东侧低层同样以偏东风为主, 山脉附近地区及其东侧平原低层有较强水汽输送, 低层显著增温增湿。偏东风遇到6°~8°处的山脉被迫抬升, 在山脉东侧形成较强的上升运动, 越过山顶下沉, 并与背风坡处的气流辐合再次形成更强的上升运动。同样的山脉背风坡低层水汽辐合强度和降水量均大于山脉东侧迎风坡及平原, 只是地形对降水的增幅作用不明显。
14:00[图9(c)], 冷涡东侧降水空间梯度和强降水范围均较上午增大。最大降水出现在冷涡东侧平原内, 地形对降水的增幅作用不明显。此时有全天最强的水汽输送, 大气中低层高温高湿, 在平原区域形成大范围水汽辐合和强降水。在这种背景下, 局地地形作用可以忽略不计。
20:00[图9(d)], 冷涡东侧降水空间梯度比白天更大。冷涡东侧低层, 0°~6°以偏西风为主, 6°~15°以偏东风为主。在两处山脉迎风坡均有较强的上升运动, 到山脉背风坡下沉。最大降水出现在冷涡东侧6°附近的背风坡, 低层东西气流辐合的区域。东侧山脉附近水汽条件和低层辐合条件更好, 但降水量却比西侧山脉附近小。这可能是因为低层经向风贡献较大, 同时与东部地区测站偏少有关。
总的来看, 夜间降水空间梯度大, 强降水局地性更强, 受地形影响更显著; 白天地形对降水的增幅作用不明显。山脉背风坡降水量普遍大于迎风坡。
计算不同时次冷涡东侧代表热力、 不稳定及动力条件的物理量, 绘制垂直剖面图。后半夜[图10(a), (b)], 冷涡中心附近的干冷空气自中层向东扩展至两山之间的谷区(6°~9°, 假相当位温θ se=325~328 K), 而谷区低层为暖湿空气(θ se≈330 K), 这样在谷区形成上干冷下暖湿的深厚对流不稳定( d θ s e / d p=6×10-2~8×10-2 K·hPa-1)大气。低层偏东气流在山前爬坡, 地形辐合和强迫抬升作用促使迎风坡(10°~12°)低层形成强辐合, 辐合层较薄, 900 hPa转为辐散, 对应上升运动和较大降水。偏东气流过山后开始下坡, 进入不稳定大气中, 沿着背风坡低层有强辐合, 形成上升运动。背风坡至山谷区为正涡柱结构, 有利于上升运动的维持和加强, 形成局地强降水。
上午[图10(c), (d)], 干冷空气仅在冷涡中心附近中层活动, 在3°~12°的主要降水区域内大气中低层均为暖湿空气(θ se=334~337 K), 近地面层存在浅薄的对流不稳定层( d θ s e / d p≈3×10-2 K·hPa-1), 900 hPa以上受偏南暖湿气流影响增温增湿, 转为对流稳定( d θ s e / d p<0)。局地地形(6°~8°)附近有低层辐合和上升运动, 对应较大降水。3°~9°大气中低层均为正涡度结构, 有利于强降水的维持。
下午[图10(e), (f)], 干冷空气活动范围近一步减小, 仅在冷涡中心活动。强降水区中低层θ se=336~340 K达到全天最高, 低层具有全天最高的温度和湿度, 900 hPa以下及800~700 hPa表现为对流不稳定( d θ s e / d p≈4×10-2 K·hPa-1)。气旋中心东侧0°~9°大气中低层均为正涡度, 且为全天最强, 对应全天最强、 范围最大的强上升运动, 形成大范围强降水。
前半夜[图10(g), (h)], 冷涡中心附近的干冷空气自中层向东向下扩展至6°~9°(θ se=319~325 K), 9°以西的区域内大气中低层表现为较强的对流不稳定( d θ s e / d p=7×10-2~10×10-2 K·hPa-1)。5°~9°大气具有较大的涡度, 表现为正涡柱结构, 大气中低层为较强的条件不稳定, 对应有较强的上升运动和较大的降水。
白天和夜间产生大范围强降水的条件有所不同: 白天水汽和热力条件更好, 有大范围的辐合上升运动; 夜间的冷空气更活跃、 大气不稳定性更强、 强降水空间梯度更大。夜间中小尺度垂直环流对冷涡东侧强降水的量级及高频区分布作用更突出。
冷涡中心东侧纬向方向上, 山脉背风坡降水量普遍大于迎风坡, 特别是夜间最大降水量均处于背风坡。除了上面分析的有利条件外, 可能原因还有: 冷涡东侧5°~9°与黑龙江省测站相对密集的中部地区相对应, 强降水频次高(图6); 经向地形复杂、 经向风贡献较大等。

5 结论

本文统计1981 -2022年暖季所有东北冷涡个例对应的强降水日变化特征, 选取一天4个时次多个典型个例进行合成, 消除单个个例系统生消过程引发的强度变化的影响, 分析产生强降水日变化特征的原因。得到以下主要结论:
(1) 暖季强降水集中出现在6 -8月, 特别是P 1h≥20 mm 的短时强降水更加集中, 又以7月出现最多。降水极值6月和8月最大。96%的强降水发生在东北冷涡中心相对经度-10°~15°, 相对纬度-10°~10°范围内。冷涡东南象限强降水频次最高, 其次是东北象限, 冷涡西北象限和西南象限很少出现强降水。总的来看以冷涡中心为坐标原点的0°<x<12°, -6°<y<4°范围为强降水高频区。上午时段出现强降水的频次冷涡东北象限高于东南象限, 下午至前半夜则反之。
(2) 与大范围强降水对应的冷涡中心位置和强度有明显的日变化特征: 夜间冷涡偏强, 位置偏北偏西; 白天冷涡偏弱, 位置偏南偏东。大范围强降水与高低空急流耦合相伴出现: 强降水区位于高空急流核右后侧或左前侧, 低空急流前侧和左前侧。高低空急流分布具有显著的日变化特征: 下午均是全天最强, 动力条件最好; 夜间高空急流最弱, 相应的高层辐散条件最弱。夜间以偏南气流水汽输送为主; 白天西南气流水汽输送作用显著增强, 到下午以西南气流水汽输送为主。
(3) 大范围强降水与较强气旋活动相对应, 各时次气旋中心位置相差不明显。气旋强度和露点温度均有显著的日变化特征。强降水高频区一般出现在气旋中心及其北侧或东侧的气压梯度大值区内, 与较大的露点温度相对应。
(4) 高频次强降水与局地地形分布相关, 一般出现在小兴安岭南侧和东侧山麓、 长白山脉北侧、 西侧和东侧山麓。夜间中小尺度垂直环流对冷涡东侧强降水的量级及高频区分布作用更突出: 夜间冷空气更活跃, 降水空间梯度大, 强降水局地性更强、 受地形影响更显著; 白天地形对降水的增幅作用不明显。山脉背风坡降水量普遍大于迎风坡。夜间最大降水量出现在背风坡与黑龙江省中部地区测站相对密集、 强降水频次高, 经向地形复杂、 经向风贡献较大等原因有关。
后续将深入分析典型冷涡降水个例, 对本文的统计特征进行验证。同时开展对所有东北冷涡个例的逐个分析统计工作, 特别是针对长持续时间的降水过程, 定义初生期、 发展期、 成熟期、 消亡期, 再根据各个时间点分别进行合成分析, 对日变化特征和成因进行研究, 对预报冷涡影响的强降水前兆信号有更好的参考意义。
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Outlines

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