黑龙江省一次大暴雨干侵入特征分析

孟莹莹，袁美英，李树岭

(1.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨150030；2.哈尔滨市气象台，黑龙江 哈尔滨150028)

1 引言

暴雨是东北地区主要灾害性天气之一，以局地暴雨出现次数最多，其次是区域性暴雨，特大范围暴雨最少[1]。早期研究发现，东北暴雨主要是西风带、副热带和热带环流系统相互作用的结果[2-4]。西风带中的东北冷涡（及其低槽）是直接带来暴雨的重要影响系统[5]，而副热带高压是起稳定作用的重要环流系统，其南北位置同时也是制约水汽输送的主要条件[6]。另外，热带气旋（或台风）对水汽和热带扰动能量向中纬度的远距离输送对东北暴雨形成也具有重要作用[7-8]。

21世纪以来，干侵入对暴雨的作用得到了广泛地研究。干侵入是具有高位涡的干冷空气的入侵和下传，在水汽图像上表现为暗灰色或近黑色的点状或带状区域，其对气旋的生成和发展，低涡降水的产生、发展和维持都起着促进作用[9-10]；吴迪等[11]研究表明，干侵入为东北冷涡发展创造了不稳定层结条件，同时也是激发冷涡发生、发展的动力条件之一。2017年8月3日黑龙江省的大暴雨是近几年比较罕见的区域性大暴雨过程。本文利用常规气象站观测资料、欧洲中心ERA-Interim再分析资料结合FY2F云图资料，分析和探讨了本次暴雨过程的成因及其干侵入特征和作用。

2 降水实况

2017年8月3日，黑龙江省中西部出现暴雨到大暴雨天气。从3日08时至4日08时24 h累计降水量来看，齐齐哈尔南部、大庆、绥化、哈尔滨西部的暴雨（≥50 mm）区连成一片，甚至在大庆至绥化一带出现西南-东北向的大暴雨（≥100 mm）区，最大降水出现在绥化安达市的昌德站，24 h累计雨量为165 mm。强降水集中时段为3日23时至4日03时，其中最大小时雨强在绥化市安达站，为51 mm/h。可见本次降雨具有强度大、覆盖范围广、时段集中的特点。

3 形势场和云图特征

3.1 大尺度环流形势

本次暴雨主要是由华北上空的低槽以及地面低压东移至黑龙江地区加强发展产生的。2日14时暴雨前期，500 hPa上可见台风“海棠”残涡北上并入内蒙古中部上空的低槽，低槽加深发展，在华北地区形成一个南北向的深槽。3日20时该深槽东移至渤海上空，此时西太平洋副热带高压脊线西伸北抬。与高空槽相对应，地面低压移动至内蒙与东三省交界处，中心气压992.5 hPa，此时低压前部开始影响黑龙江省西部地区。由于副热带高压稳定少动，受其阻挡，低槽移动缓慢，4日02时低槽移动至黑龙江西部上空，地面低压则控制黑龙江中西大部地区，且中心强度增强至990 hPa，此时降雨达到最强，该时段黑龙江省内出现大于40 mm的短时强降水站数最多，共有4站。另外，高空槽前的低层850 hPa上为偏南急流，3日14时中心最大风速已达到28 m/s以上，较强的偏南急流为本次暴雨提供充足的水汽和热力条件，且其北侧西南与偏东风辐合也为暴雨产生提供动力条件。

3.2 水汽条件

西伸北抬的副热带高压边缘的偏东转偏南风和海上台风“奥鹿”的远距离输送，为本次暴雨过程供应了充足的水汽。环流形势分析可见水汽主要来自对流层中低层，850 hPa水汽输送场有两支明显的水汽输送通道，一支是高空低槽与副热带高压之间的偏南低空急流输送来自南部海上的水汽，另一支是台风“奥鹿”与副热带高压之间的偏东气流输送来自日本南部西北太平洋和东海的水汽，与第一支在渤海地区汇合后向北流入暴雨区，遇到暴雨区北部的偏东气流形成水汽辐合。在降水最强时段（4日02时），强降水区位于水汽通量大值中心附近，与水汽通量辐合中心位置基本重合。

3.3 云图特征

如图1所示，4日02时云顶亮温（下称TBB）图显示有逗点云系产生，逗点云头部控制在黑龙江中西部地区上空，其中镶嵌多个小对流云团，中心TBB值最低可达-52℃。降水大值区（大于10 mm/h）呈带状沿着对流云团南部TBB梯度大值区分布，而短时强降水（大于20 mm/h）站点集中分布在逗点云系头部尖角附近，位于地面低压中心附近东北象限上，与大暴雨产生位置相一致。另外，在降水区南部，低空急流所在区域上空，有一明显西南-东北走向的干区，随着云图演变，该干区前沿不断向东北方向侵入逗点云系头部。在水汽云图上，该干区表现为暗灰色，表明低空暖湿急流上空对应有高层干冷空气的侵入。

图1 4日02时TBB（阴影,单位:℃）、1小时降水量大于10 mm的站点分布（散点,单位:mm）、海平面气压场（实线,单位:hPa）和850 hPa风场（风向杆,虚线为大于12 m/s的等风速线,单位:m/s）

4 高空急流及干侵入特征

4.1 高空急流

水汽云图结合物理量场分析表明，高空急流对干侵入和暴雨的形成具有重要作用。如图2所示，3日20时水汽图像在40°-50°N之间有两个明显的干带（暗区）存在，偏西的干带位于新疆东北部与内蒙交界附近，呈东西走向，偏东的干带则呈西南-东北走向位于地面低压西南部，对应图1中的低空急流上空无云区。偏西的干带300 hPa上空有高位涡中心（中心值为5 PVU），配合200 hPa的高空急流，是典型的具有高位涡的动力干带。高空急流在地面低压后部断裂形成东、西两支，其中西支的高空急流出口区右侧为下沉气流（400 hPa中心值为0.18 Pa/s），可将两干带中干冷空气以及偏西的干带中的高位涡带入地面低压后部的中低层大气中，而东支高空急流的入口区右侧的上升气流区刚好对应地面低压前部的暴雨区，利于增强垂直上升运动。

图2 3日20时水汽图像叠加300 hPa位涡（实线,单位:1 PVU,1 PVU=10-6 m2·s-1·K·kg-1）、200 hPa急流（风向杆,单位:＞32 m/s）和400 hPa下沉速度（虚线,单位:10-2 Pa/s）

4.2 干侵入作用分析

干侵入是对流层高层或平流层向低层下沉的高位涡、干冷气流[10]，因此本文用相对湿度小于50%和位涡值大于1 PVU的区域来代表干侵入。沿着各时次的地面低压所在纬度（表1）做相对湿度、位涡、假相当位温和风场的纬向剖面图，可见3日08-14时（图略）地面低压以西对流层中高层，有位涡高能舌向东向下伸展，并从低压后部侵入低压中心，地面低压中心上空位涡不断增强，如图3a所示，4日02时2 PVU位涡柱厚度已从900 hPa延伸至600 hPa，而中低层位涡的增强，将在其下层引起一个正涡度叠加在地面低压处，使地面低压不断加强发展，低压前方的垂直上升运动加强，850 hPa垂直运动中心强度由3日14时的-1.26 Pa/s加强到4日02时的-1.80 Pa/s，为暴雨提供动力条件。表1可见，3日08时至4日02时，随着高位涡不断下传，地面低压中心值也持续下降，4日02时中心气压已低至990 hPa，此时降水达到最强。

表1 3日08时至4日02时地面低压中心强度和位置

干侵入将高位涡带入低层大气的同时，也将干冷空气带入地面低压中。干舌（相对湿度小于50%）与高位涡区相伴，一直随地面低压中心移动，如图3a所示，4日02时干舌从对流层顶向下伸展至700 hPa附近，表明不断有高层干冷空气从地面低压后部入侵。如图3b所示，在低层925-850 hPa上均出现了“相对干舌”自低压后部向低压的东北方向延伸，其北侧为强降水区域，表明高层干冷空气侵入，并叠加于低层高温、高湿的低空急流之上，为强降雨的产生提供了不稳定层结条件。3日08时至14时地面低压中心上空假相当位温随高度下降，大气层结不稳定，而3日20时至4日02时，由于上升运动引起大气的强烈混合，使对流层中高层假相当位温升高。

图3 4日02时（a）沿地面低压中心的相对湿度（阴影,单位:%）、位涡（实线,单位:1 PVU）和假相当位温（虚线,单位:K）纬向剖面图和（b）850 hPa相对湿度（阴影,单位:%）、垂直速度（等值线,单位:10-2 Pa/s）和风场

4.3 干冷空气源地

本文通过等熵面物理量场分析[12]追溯了干冷空气的源地，用相对湿度小于10%的作为干冷空气中心。如图4a所示，2日08时340 K等熵面上可见，在巴尔喀什湖附近有强劲的西北气流携带高层的干冷空气流向较低层，入我国境内转为西风气流，干冷空气随着西风气流不断向东输送，分别在新疆上空和西藏至内蒙西部上空形成两支干冷空气带。随后两干冷空气带不断东移，3日20时其位置、走向均与图2中水汽图像上的暗区相一致，随后两支干冷空气在吉林上空汇合并流向黑龙江西南部地区，形成本次暴雨的干侵入。如图4b所示，4日02时地面低压的后部为明显干区，偏西风穿越等位势高度线从高位势指向低位势，表明持续有高层干冷空气沿着等熵面下滑，从低压后部侵入地面低压中心附近，干冷空气前沿已移入并控制黑龙江西南地区，此时刚好对应最强降水。

图4 （a）2日08时和（b）4日02时340 K等熵面上相对湿度（阴影,单位:%）、风场（风矢量,单位:m/s）和位势高度场（实线,单位:10 gpm）

5 小结

（1）本次过程为一次区域性大暴雨天气过程，具有降雨强度大、范围广、时段集中的特点。

（2）暴雨主要是由上游华北上空的低槽以及地面低压东移至黑龙江地区加强发展产生的；低空强暖湿急流为暴雨提供充足的水汽和热力条件；西伸北抬的副热带高压边缘偏东转偏南气流和海上台风“奥鹿”为本次暴雨过程供应了充足的水汽。

（3）云图上，强降水区呈带状分布于逗点云系头部的对流云团南部TBB梯度大值区附近，位于地面低压中心前东北象限上；水汽云图上，低空暖湿急流上空有高层干冷空气的侵入。

（4）中纬度高空急流对暴雨的产生具有重要作用，一方面为干冷空气的入侵提供动力条件，另一方面增强了低压前部暴雨区的垂直上升运动。

（5）干侵入对暴雨的作用，一方面高位涡的下传引起对流层中下层正的位涡异常，诱发地面低压加强发展，为暴雨的产生提供垂直上升运动条件；另一方面干冷空气从低压后部侵入低压中心并叠加在低层暖湿急流上，为强降水的发生提供了不稳定层结条件。

（6）本次干侵入的源头是巴尔喀什湖附近的对流层顶的干冷空气，由中高纬度西风气流远距离输送而来。