黑龙江省一次伴有龙卷的暖区暴雨成因分析

徐 玥，张桂华，孟莹莹，张礼宝

（黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨150030）

暖区暴雨因其具有热带气团性质，降雨效率高，影响范围小，容易造成局地内涝，山体滑坡、泥石流等灾害。大多数暖区暴雨缺乏明显的天气尺度扰动，是预报的重点和难点。陈翔翔等[1]将华南暖区暴雨分为切变线型、低涡型和偏南风风速前边辐合型3类。暴雨辐合中心均在850 hPa以下的低层，有较大的湿度梯度。张晓美、伍志方等[2-5]对华南暖区暴雨的中尺度特征和可预报性进行了研究，暖区暴雨与中尺度对流系统的不断生消有关，雷暴出流和边界层暖湿气流形成的辐合线又触发新生单体等地面中尺度风场可能是暖区暴雨对流系统形成和发展的触发机制。近些年，北方暖区暴雨的研究逐渐增多。谌芸、孙军等[6-10]对北京“7·21”暴雨过程中暖区降水特征进行了分析，赵庆云等[11-13]认为低空急流激发对流云带发展、加强，低层垂直风切变和超低空急流在对流触发和维持中可能有重要作用，200 hPa显著分流区“抽吸作用”等深厚垂直上升运动是暴雨形成的动力机制，弱冷平流与暖平流作用增加了大气不稳定性。

我国暖区暴雨多出现在华南。黑龙江处于亚洲中高纬，主要有暖锋锋生、东北低涡、西风带低槽与副热带高压结合、台风等[14-15]等暴雨类型。综合看来，黑龙江各类暴雨都需要有冷空气参与，冷暖空气交汇是产生暴雨的主要原因。对于没有明显冷空气影响下的暖区暴雨较少出现，缺乏预报经验。

2014年7月19日19—24时，黑龙江西部出现冷锋前部的暖区强降水，本文利用多源资料从降水特点、环境条件及中尺度对流系统演变等方面对克山“7·19”暴雨成因进行综合分析，加深黑龙江暖区降水机理的理解，提高此类天气的预报能力。

1 天气概况及特点

2014年7月19日19—23时，齐齐哈尔克山县自北向南出现强降水，全县有8个乡镇出现暴雨，4个乡镇大暴雨。降水自19日18时开始，20日01时基本结束，持续7 h，暴雨落区集中在齐齐哈尔北部的讷河、克山、依安和拜泉东部，其中克山降水强度和持续时间均最大。

此次过程分2个阶段：第一阶段，20—22时克山北部局地强降水，最大累积雨量为162.8 mm，最大小时雨强95.3 mm/h，均出现在曙光乡；第二阶段，21—23时强降水位于克山南部，最大累积雨量141.2 mm（西河），最大小时雨强 81.1 mm/h（西联乡）。从降水落区和雨强变化（图1）来看，此次强降水过程具有明显的局地性、极端性和突发性，为中尺度对流系统中超级单体产生的强降水。

强降水过程中伴随有雷暴大风出现，23时地面风速为9 m/s，3个区域站观测到极大风速为20 m/s。强降水过后，西河、古城部分村屯在23时左右出现龙卷，其中，古城23：06极大风速为25 m/s。强降雨、雷暴大风和龙卷导致克山县11个乡镇发生不同程度的洪涝和风灾，造成大面积农作物受灾，大量房屋、公共设施损坏，人畜伤亡。

图1 2014年7月19日20时—20日02时雨强分布

图2 7月19日20时环流形势（a为500 hPa等高线和风场，b为850 hPa等温线和风场，五角星为暴雨落区）

2 暖区暴雨的环流特征

此次暖区降水发生在“北低南高”的环流形势下，副热带高压（以下简称副高）北上是暖区降水的重要环流形势，边界层辐合与高空急流和辐散场耦合是触发机制。

2.1 环流形势

19日西西伯利亚冷空气东移与极地南下冷空气在55°N交汇形成冷涡（图2），副高588线北上到达45.7°N，克山位于副高外围580 dagpm附近。副高和冷涡在黑龙江西部对峙，500 hPa西风加强，风速≥20 m/s，强降水位于500 hPa急流轴左侧。850 hPa风速增大，偏西风与西南风切变线位于嫩江南部，呈冷式切变线结构，但冷平流较弱，切变线东侧为与超低空急流相伴的暖湿舌，850 hPa为暖脊控制，为暖区强降水，对流在暖湿舌顶部触发。925 hPa超低空急流建立。

20时地面低压中心位于黑龙江西北部，冷锋位于内蒙古小二沟，暖锋在俄罗斯境内，黑龙江为冷暖锋间暖区。雷暴触发地在讷河附近，大兴安岭山前迎风坡，地面上为偏南风与东南风辐合，距离小二沟约100 km（图3）。地面与850 hPa辐合气流在地形抬升作用下触发抬升对流。

与850 hPa暖脊配合，地面冷锋前部为向北伸展的暖湿舌，中尺度对流系统沿暖湿舌顶部的辐合线发展。暖舌顶部具有暖锋特征，水平尺度约100 km（图 3）。

此次过程中500~850 hPa均为暖脊控制。降水过程中，850 hPa暖脊北上，促使等温线加强，呈现暖锋锋生的特点。强降水出现在850 hPa上18℃等温线附近的暖脊中，地面冷锋前部的暖区，距离暖锋距离超过200 km（图3），并且低层没有明显冷空气入侵。

由温度平流垂直剖面可知，暖平流出现在600 hPa以下并逐渐增大，而500 hPa附近有弱冷平流，强降水过程中冷暖平流均增大，垂直不稳定增加，但仍以低层暖平流为主。

图3 地面锋面与23时地面等温线（25℃）和风场分布（黄色圆圈：对流新生区；：暴雨落区；：龙卷）

2.2 高、低空急流

高低空急流对强降水的产生有重要作用，尤其是超低空急流。19日08—20时高低空风速增大，925 hPa中心风速达16 m/s，达到超低空急流标准。急流从渤海输送水汽北上，暴雨落区位于超低空急流头部。850 hPa风速增加后，急流中心位置偏北，暴雨区处于急流后部，齐齐哈尔与嫩江两站间存在风速辐合。925 hPa超低空急流头部、850 hPa西南风和500 hPa西风急流交汇处。超低空急流增强了水汽条件和位势不稳定，增强了低层垂直风切变，降低自由对流高度，有利于强降水和龙卷的发展。急流交汇区有利于形成深厚的上升运动。

20时200 hPa高空急流东移，黑龙江西部为高空流场辐散区，高空急流出口区左前侧与加强的超低空急流耦合促使中尺度对流系统快速发展，诱发强降水。

20日08时200 hPa高空急流西退，而低空急流东移减弱，高低空耦合和水汽输送消失，因此降水快速结束。高低空急流的耦合是促使对流迅猛发展的主要因素，耦合的快速消失也是强降水快速结束的重要原因。

2.3 地形作用

此次过程中，地形对强降水的触发有重要作用。强对流触发在松嫩平原北部，小兴安岭迎风坡。地面的暖湿区与平原边界吻合（图3），呈向南开口的“喇叭”状，低层暖湿空气输送至松嫩平原后，在夹角区聚积。地面风场与地形走向一致，西南风、偏南风与东南风的辐合区也在夹角处。风向辐合抬升暖湿空气，触发对流发展。触发后的对流系统东移在小兴安岭山脉作用下抬升。克山附近地形为中间高四周低，该处有沿山谷的气旋式环流，并且持续时间较长。大、小兴安岭与松嫩平原的特殊地形是该处出现强降水的重要原因之一。

图4 水汽通量散度（阴影）和垂直速度（线条）沿125.5°E垂直剖面（a为19日20时，b为20日02时）

3 水汽条件

水汽是产生短时强降水的重要条件，尤其低层湿空气有利于对流发展[16]。08—20时伴随副高北上整层大气比湿增加，700 hPa以下增湿显著，850 hPa最强，地面比湿超过16 g/kg，湿层深厚。500 hPa湿度增幅小，“上干下湿”增强，位势不稳定增大（图4）。

地面湿度也有明显增强。降水开始前地面露点由20℃增至22℃。地面上西南风、偏南风、东南风和偏东风的辐合中心，有利于暖湿空气向暴雨区集中，强对流沿地面辐合线发展。

低层比湿的快速增长源于超低空急流将渤海湾水汽向北输送。925 hPa超低空急流与水汽通量中心吻合，水汽通量增大。水汽通量散度垂直分布表明（图4），强降水落区（48°N）附近为深厚的水汽辐合区。 20时600~900 hPa为水汽辐合层，辐合中心在800 hPa附近，并与上升速度中心相对应，有利于水汽的凝结抬升。水汽辐合和垂直上升运动继续增强，14日02时水汽辐合中心和上升速度中心南移，强度分别达到-4×10-5g·（s·hPa·cm2）-1和-60×10-5hPa·s-1，水汽辐合和抬升运动均达到最强，但是水汽辐合中心在850 hPa附近，而上升速度中心位于600~700 hPa，二者逐渐分离，水汽垂直输送和凝结作用逐渐减小。

另外，在低层水汽通量辐合增强的同时，北部水汽通量辐散也进一步加大，致使48°N附近低层水汽梯度明显增强。地面相邻两站间形成24℃和20℃的露点差，强降水出现在露点高值区附近。

4 不稳定条件

4.1 条件性位势不稳定

齐齐哈尔探空显示大气层结为条件性位势不稳定。假相当位温垂直剖面（图5）表明，50°N以南600 hPa以下为伴有暖平流的高能区，高能舌在800 hPa以下并向北伸展，48°N附近为低值区，19日20时—20日02时能量锋区和暖平流逐渐增强，暖平流中心分别在900、850和700 hPa附近，450 hPa附近冷平流增强，中层冷空气入侵使不稳定进一步增大。低层暖湿空气的强烈输送形成能量锋区，为强降水提供了水汽和不稳定能量，强降水出现在锋区高能一侧的暖区中，低层为强暖平流。700 hPa和950 hPa假相当位温垂直温差由20时的-8 K，增大至02时的-16 K。

位势不稳定层结的建立主要取决于高低层水汽和热量平流的差异。低层强暖平流和水汽通量辐合，使得“上干冷下暖湿”特征加强，位势不稳定增大。

4.2 逆温层

由于低层强水汽和热量输送，20时齐齐哈尔800 hPa出现逆温层。逆温层以下相对湿度大，强对流发展所需的能量得以累积。按最低逆温层订正后，齐齐哈尔站CAPE由2 536.7 J/kg降至1 278.9 J/kg，CIN由34.9 J/kg增至54 J/kg，不稳定能量明显降低，可见，逆温层可使大气不稳定能量增加一倍。

4.3 关键环境参数

齐齐哈尔探空关键参数表明（表1），20时大气环境有利于强对流出现。CAPE达2 536.7 J/kg，CIN降至 34.9 J/kg，LI＜-5，K 指数达 34 ℃，LFC 和 LCL降至850 hPa以下，暖云层增厚，降水效率增大[17]。研究表明，低层露点高、抬升凝结高度低以及低空急流的存在有利于出现短时强降水，而低抬升凝结高度和低空急流也是龙卷的参考指标。

表1 2014年7月19日齐齐哈尔探空关键物理量参数

图5 假相当位温（线条）和温度平流（阴影）沿125.5°E垂直剖面（a为19日20时，b为20日02时）

4.4 垂直风切变

垂直风切变是判断对流强弱和持续时间的重要指标[18]，弱的垂直风切变可以减小水滴的蒸发以提高降水效率[19]，强垂直风切变容易导致中气旋形成，导致对流系统有更长的生命史[20]。

嫩江和齐齐哈尔各高度垂直风切变表明（表2），强降水开始前各高度垂直风切变均有所增强，暖区中（齐齐哈尔）垂直风切变明显强于辐合区（嫩江），且增幅最大。20时，嫩江0~3 km和0~6 km达到中等以上垂直风切变，有利于风暴组织性增强，产生短时强降水。齐齐哈尔0~1 km垂直风切变快速增至8.7×10-3s-1，发展中的中尺度对流系统随地面辐合线南移靠近齐齐哈尔时低层风切变增大，十分有利于出现伴有龙卷的超级单体风暴。0~3 km和0~6 km垂直风切变大，不利于出现强降水。

表2 嫩江和齐齐哈尔垂直风切变 10-3s-1

5 中尺度对流系统特征分析

雷达反射率因子和径向速度演变表明，地面辐合线附近不断有对流单体生消合并形成中尺度对流雨带，雨带具有明显的后向传播、准静止和“列车效应”等特点，从而产生局地强降水。中尺度对流系统的维持发展与暖平流与“冷池”发展有关。

5.1 雷达回波演变

前期，黑龙江上游黑河附近的暖锋上有云团发展。18时，地面风场辐合中心位于讷河，地面风场辐合触发对流。19时莫旗西南部为西南风、偏南风与偏东风的辐合中心，对流单体沿辐合区发展，新生单体随平均风东移，雨带走向与移动方向平行，“列车效应”致讷河18—19时小时降水量达72 mm。

20时超低空急流北上，地面偏南风风速加大，雨带回波呈弓形向北凸起（图6），回波东部地面暖中心和辐合线处有多单体块状回波发展加强，对流单体高6~7 km，质心超过50 dBZ，高2~3 km，表现为低质心的热带型降水回波特征，降水效率高。合并后的块状回波呈准静止状态。准静止特征与地面中尺度辐合线稳定少动有关。区域站风场显示（图8），克山北部存在γ中尺度气旋性环流，该环流为地形性环流，持续时间长，导致环流北部辐合线稳定维持。强降水从20：20开始持续至21：40，80 min内降水量达161.3 mm，20—21时最大雨强达95.3 mm/h。随后，回波向东移入地面冷池，风场辐合消失，系统迅速减弱。

图6 2014年7月19日强降水雷达回波特征（白色圆圈为第一阶段强降水落区，白色矩形为第二阶段强降水和龙卷落区）

在北部强降水发生时，雨带沿南侧辐合线发展形成近东西向的回波带。莫旗南部辐合区不断有单体新生，在回波上表现为西南向的后向传播，雨带整体沿地面辐合线向东南方移动。22时雨带达到最强，长120 km，宽30 km，回波顶高8 km，单体质心达57.5 dBZ，质心高4 km，质心较北部回波高，呈弱倾斜结构，回波带具有冷锋特征。21：30—22：45强降水出现在雨带东侧，最大降水量达141.1 mm，“列车效应”产生强降水。此时，北部对流的暖湿输送被切断，也是北部降水迅速减弱的原因之一。

图7 1.5°仰角径向速度（圆圈：对应冷池的正速度区；方框：0.5°仰角中气旋特征）

5.2 径向速度特征

低空急流、地面冷池和辐合线在雷达径向速度图上演变特征明显（图7）。19：30回波向北发展，与其对应1.5°仰角径向速度出现超过20 m/s的中心，回波形态和径向速度表明环境风场增强，尤其低层更加明显。

20：32伴随降水的负径向速度区中出现正速度，20：57雨带上的对流单体内出现小面积的正速度区，21：33正速度区向南扩展连结成片，21：59正速度区与偏南风负速度区形成东西向辐合线，此时雨带组织性最强。对比发现，正速度区为强对流产生的下沉冷气流，而负速度区为偏南风暖气流。23时降水产生的下沉冷空气导致地面出现2.7℃的最大降温，而此时正是南部降水最强时段。

发展旺盛的对流降水产生的下沉冷空气形成地面冷池。地面风速分布表明，“冷池”附近存在西南和西北风辐合线，极大风速超过18 m/s，“冷池”加强过程中偏北风显著增强。回波垂直剖面显示冷空气一侧存在低层入流，回波倾斜，强回波中心高悬。24时，对流系统能量释放后，强度减弱，降水效率下降。另外，研究表明，黑龙江龙卷易发生在势力均衡的冷暖空气交汇区。此次过程中龙卷出现在地面冷区最强阶段，冷暖空气势均力敌。加之该处长时间维持并加强的地形性中尺度涡旋，低层有中气旋发展。0.5°仰角径向速度表明（图7），在正速度区冷空气加强的过程中，冷暖空气交汇处出现局地的径向速度大值区，21：43呈现速度对，此时负速度偏大，22：55速度对增强，此时正速度大，且出现速度模糊，此时下沉冷空气较强，随后产生龙卷。

5.3 地面冷暖空气作用

回波演变与降水量分布表明，克山强降水分为2个阶段。第一阶段：20—22时为低质心暖云降水回波，降水效率高，对流准静止导致局地降水时间长。第二阶段：21—23时为由降水产生的“冷池”与南部暖湿平流形成的具有锋面性质的中尺度对流雨带，列车效应导致强降水出现。两次降水过程中地面冷暖平流差异明显，其回波性质有所不同。

第一阶段为低空急流带来的显著增温增湿，在地形和辐合作用下产生中尺度雨团。此过程中为动力触发，没有冷空气参与。第二阶段为地面冷池与南部增强的暖湿平流相互作用，使得地面等温线和辐合线加强，使中尺度对流雨带长时间维持。该过程中地面“冷池”由降水产生。地面冷空气抬升暖湿空气使得中尺度对流系统倾斜，具有冷锋性质。研究表明，在深厚的对流不稳定层中，在高温高湿的环境下，冷池边缘的空气块抬升是维持对流的一种方式[21]。

对比雷达回波演变与区域站地面温度和风场可以发现（图8），19—20时地面温度整体下降，此时为日落后的辐射降温。而在回波发展区，降水导致地面温度降幅较大，而暖平流还不明显。在讷河气流辐合中心形成的中尺度对流系统沿引导气流东移，20时中尺度对流系统南部出现东西向辐合线，但位于冷区中的对流系统并未向辐合线一侧的暖区移动，而是继续东移，在东部相对较弱的暖区和辐合线处发展，当对流系统处于无辐合线的冷区时减弱。

20时后暖平流增强导致地面暖舌内增温明显，强增温区内风速显著增大，地面辐合增强。北部强降水产生的地面冷池进一步发展，21时地面温度22℃，克山南部（125.6°E，47.7°N）暖中心稳定在 25 ℃左右，冷暖空气交汇，等温线梯度增强，偏东风与偏南风辐合线增大，中尺度雨带位于锋区上。22时雨带东部降温持续增大，等温线南凹，表明地面冷空气强度增大。冷空气发展是该地对流发展旺盛、降水较强的标志。

在长100 km的中尺度雨带上判断哪个地方对流会显著发展比较困难。此次过程中，系统快速发展的区域正处于地面气旋式环流中。21时在雨带的东侧有气旋式流场，而该环流从19—24时始终存在，为地形作用产生的。低层气旋式辐合与冷暖空气共同作用促使对流发展，强降水使地面冷暖平流对峙更加明显，促使对流进一步增强，强降水与地面“冷池”形成互相促进的正反馈机制。

图8 19日20—23时区域站风场、等温线和1 h变温（阴影，单位：0.1℃）（黑色曲线为地面辐合线，黑色圆圈为20—22时北部强降水回波区，黑色矩形为21—23时南部雨带回波区）

6 结论

本文利用常规、非常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料等对冷锋前部的暖区强降水的环境特征和中尺度对流系统的成因进行分析，得出以下结论：

（1）此次强降水主要出现在副高外围580 dagpm线附近，副高北上诱发超低空急流，超低空急流带来的低层暖湿平流输送为强降水提供了充沛的水汽和不稳定能量。地面辐合和地形抬升触发对流发展。在超低空急流形成的同时，高空急流东移，高空急流出口区左侧和辐散区与低层辐合相耦合促使对流快速发展增强。高低空耦合消失，强降水快速减弱。此次强降水持续时间短、局地性强与高低空急流耦合的时间密切相关。

（2）中低层强暖平流呈现暖锋锋生特征，强降水出现在不稳定层结和上升运动快速增强的阶段。强降水过程中850 hPa和925 hPa暖脊增强幅度超过了19日08—20时暖脊增幅，低空的暖湿输送增强了低层水汽和位势不稳定，超低空急流中心前方风速辐合区增强了水汽的辐合和上升运动。上升运动与水汽通量辐合中心重合，强降水出现时上升速度和“上干下湿”层结快速增强。

（3）辐合层深厚。强降水落区地面为偏南方与东南风的中尺度辐合线，925 hPa对应为超低空急流头部风速辐合区，850 hPa为偏西风与西南风的弱冷式切变线，500 hPa急流轴左侧气旋性涡度区，200 hPa高空急流出口区左侧和辐散区形成的深厚上升运动层，促使对流快速发展。风场随高度变化产生的垂直风切变较大，尤其是0~1 km垂直风切变有利于强对流发展。

（4）中尺度对流雨带沿地面辐合线生消，雨带具有后向传播、准静止和“列车效应”等特点。克山北部强降水发生在地面暖湿舌前部，对流沿平均风移动，在地面暖中心和辐合区发展，雷达上表现为低质心暖云降水回波，降水效率高，稳定辐合线产生的准静止性导致局地降水时间长。南部强降水出现在与辐合线相伴的等温线梯度区上，持续强降水产生的冷池与加强的暖湿输送形成具有冷锋性质的对流雨带，地面冷空气促使雨带倾斜。列车效应造成极端强降水。冷池与强降水具有正反馈作用，地面冷空气抬升暖湿空气有利于对流维持。冷暖空气势均力敌及中尺度气旋性环流有利于龙卷产生。

（5）地形对降水的作用显著。松嫩平原的喇叭口地形辐合、地形性气旋式环流等对强对流的发生和发展有重要作用。