8月内蒙古东部两次高空低涡型降雨对比分析

王 颖，赵春亮

（1.呼伦贝尔市气象台，内蒙古 呼伦贝尔 021000;2.新巴尔虎左旗气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021200）

1 引言

内蒙古东部的呼伦贝尔草原和大兴安岭林区属于中国北方重要的生态屏障，具有干旱、半干旱的气候， 近年来气候的干暖加剧了内蒙古东部地区的干旱化程度[1-2]，可见降水对于生态环境、水资源和农牧业生产的影响不容忽视。 内蒙古大兴安岭东麓平均年降雨量内蒙古自治区最多[3]，为400-500 mm，本文研究的2020年8月中上旬连续2 次高空低涡影响下的显著降雨过程极少见， 降雨范围覆盖全市并有效的缓解了大部地区的旱情。 统计表明，该时段全市平均降水量较常年（1991-2020年）平均异常偏多，降水距平百分率达到87.9 %， 呼伦贝尔市西部累计降水量达到常年的2-3 倍，对牧草生长发育十分有利，但强降雨和大风造成局部地区房屋倒塌、 农作物受灾、供电设施损毁严重。

夏季暴雨和强对流天气的研究一直是天气预报业务中的重点和难点[4-5]。 近年来，对于强对流天气个例已有诸多研究， 并逐渐扩展到两次过程的对比分析。 武威等[6]从环境条件和中尺度特征等方面对比讨论了东北冷涡背景下冷平流强迫出现的混合对流和横槽南下及暖湿气流引起的湿对流。 高晓梅等[7]指出上干下湿的对流不稳定层结结构和湿度层厚是两次过程出现短时强降水的关键因素。 田付友[8]认为普通的短时强降水可以出现在只具有强烈动力抬升和充足水汽的环境中， 潜在热力不稳定条件并非必要条件。 孟莹莹[9]讨论了干冷空气侵入在大暴雨天气中的动力作用。 然而对于相邻时段内相似天气系统影响下不同性质天气过程对比分析极少， 且该时段正值汛期关键期， 持续性强降雨天气和大风对人民生产生活极为不利，且易引发洪涝和中小河流洪水、山洪等次生灾害， 因此对比分析其成因和特征对于提升内蒙古东部强对流天气的监测预警、 总结预报经验和提升防灾减灾能力具有重要意义。

2 资料说明

所用资料包括：欧洲中心ERA5 再分析资料（空间分辨率0.25°×0.25°，时间分辨率3 h）；多普勒天气雷达资料； 呼伦贝尔市266 个自动监测站的降雨量数据（含16 个国家站，考核站占比90.6%）、170 个风气象监测站（考核站占83.0%）及5 个国家站的日平均气温和日平均相对湿度数据。

3 过程概述及特点

在2020年8月一周时间内，呼伦贝尔市经历了两次明显的降雨过程，两次过程累计雨量均较大，但降雨落区不同，且降雨性质具有显著的差异。 以下将8月7日20 时-9日20 时的降雨过程简称为 “过程一”，将8月12日20 时-14日08 时的降雨过程简称为“过程二”。

过程一：48 h 内呼伦贝尔市266 个监测站共252个站有降雨（图1a），区域内平均降雨量22.7 mm。 最大降雨量出现在扎兰屯市鄂伦春乡道南村为106.5 mm，其小时雨强为最大达48 mm/h（9日05-06 时）。13 个旗（市、区）中有9 个旗（市、区）的区域站监测到短时强降水天气的出现， 强降雨多集中在中部和东南部地区，中部一带伴随密集的雷电活动（图略）。

过程二：36 h 内呼伦贝尔市266 个监测站共248个站有降雨（图1b），降雨自西向东发展，区域内平均降雨量20 mm。 最大降雨量出现在鄂温克族自治旗好力堡为55.1 mm，最大小时雨强出现在新巴尔虎右旗甲乌拉矿区13日06-07 时为15.9 mm/h， 均为稳定性降雨，降雨主要集中在西部和东南部，无明显雷电活动（图略）。

图1 2020年8月（a）7日20 时-9日20 时（b）12日20 时-14日08 时累计降雨量

总体而言， 两次过程均具有降雨强度大 （见表1），持续时间长的特点。 过程一主要为短时强降水和雷暴天气，灾害性天气强度大，局地性特征明显。 过程二以系统稳定性降雨为主，29%的风气象监测站监测到极大风速达到7 级以上（见表2）。两次过程主雨区不同，但10 mm 以上降雨落区基本覆盖全市，使得岭西旱情得到缓解， 同时也不至于使得岭东雨量过大造成农田洪涝灾害和过湿墒情。

表1 两次过程不同区间降雨量出现站次数对比(站)

表2 两次过程不同风力出现站次数对比(站)

4 天气学特征分析

4.1 大尺度天气背景

过程发生前和持续期间500 hPa 环流45 °N 以北呈经向型，冷空气活动频繁。 两个过程环流特征均表现为在贝加尔湖东部有高空低涡形成 （图2a、d），温度场落后于高度场， 在槽后偏北气流引导下冷空气向槽区中输送利于其进一步加深发展。 在槽前正涡度平流的作用下，促进低空低涡（图2b、e）和地面气旋（图2c、f）发展。 值得一提的是，两次过程中低涡的位置和形态、温压场的配置有所差异。 过程一中低涡位置略偏北，低层暖脊（16 ℃）北伸，在温压场配置下低层受暖平流区控制， 非常有利于对流不稳定层结的建立。 而过程二副热带高压发展强盛，其高压脊在日本海附近形成高压坝，低涡位置偏南，且表现为冷性（12 ℃）低涡的控制，层结较为稳定，副高外围的持续的水汽供应和形成的阻挡形势促进降水长时间持续。 这是造成降雨性质显著不同的重要原因。

图2 2020年8月8日14 时高度场和温度场（a）500 hPa（b）850 hPa，填色区域为低空急流（c）海平面气压场2020年8月13日20 时高度场和温度场（d）500 hPa（e）850 hPa，填色区域为低空急流（f）海平面气压场

海平面气压场的差异体现为， 过程一为低压倒槽的影响，说明低层暖气团强盛，利于暖区对流，8日14 时（图2c）可见冷锋已位于呼伦贝尔市西部，冷锋过境带来西北向风力增强。 过程二为发展完好的锋面气旋，在气旋发展加强的过程中，加上气温的日变化特征，促进中午前后地面风力加大，呼伦贝尔市位于气旋顶前部， 西部大范围测站监测到平均风力达到6 级以上的东南向大风。

4.2 中尺度特征分析和水汽条件

8月7日夜间-8日凌晨、午后和9日凌晨，呼伦贝尔市西中部、 西北部和东南部多地自动气象站分别监测到短时强降水。 过程一7日20 时（图3a）和8日20 时（图略）两时次中尺度分析可以看出系统具有中层后倾，低层前倾的结构，一方面有利于中层干冷空气的侵入， 同时与低层暖脊的发展进一步促进对流不稳定度的增大， 另一方面表明低层的动力抬升作用较明显， 较强的上升运动是强对流天气重要成因之一。其次，急流的建立（图2b）有利于强降雨的出现， 强降雨主要出现在急流头部或左前侧气旋性辐合区域内，以及中尺度辐合线附近，中尺度辐合线是激发对流的主要原因，但水汽通量情况（图4a）表明没有建立完整的水汽通道，没有充足的水汽来源，水汽通道主体达到10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上且随系统移动较快。 图3a 中超过28 ℃的850 hPa 与500 hPa温度差也是不稳定能量积聚的重要体现， 促进了呼伦贝尔市中南部出现密集的雷暴活动（图3a）。 8日20 时全市大部具备上干冷下暖湿的温湿层结， 是较强对流潜势表现之一。

图3 （a）8月7日20 时（b）8月13日20 时中尺度分析图

与过程一不同， 过程二的系统结构低层则表现为明显的后倾结构，上升运动明显弱于过程一，且低层风场辐合特征不明显（图4b），动力条件不利于对流性降雨天气的出现，但在强盛的低空急流作用下，加之中午时段湍流作用加强，动量更易传递，在急流带下的近地面出现东南大风天气。 图4b 可见完整的水汽通道自西南向东北输送，经渤海、日本海得到加强，在辽宁一带中心强度达到40 g·s-1·cm-1·hPa-1，呼伦贝尔市受持续东南气流影响， 全市大范围地区达到10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上， 中西部地区存在水汽通量大值区， 充足的水汽供应和较厚的湿层是过程二持续性降雨的主要原因。 两过程的降雨区域内比湿在9-11 g/kg （图略） ,因此比湿的大小对于是否产生对流性天气而带来更大量级的降雨并无指示意义。

图4 （a）8月7日20 时（b）8月13日20 时水汽通量场

4.3 热力和不稳定条件分析

假相当位温作为反映大气不稳定能量的一个温湿特征量，是暴雨预报中重要的物理量，图5 表明，过程一中呼伦贝尔市西部有高能区 （局地超过340 K），且自西向东扩展，全市大范围达到328 K 以上，过程二中假相当位温基本在328 K 以下， 因此过程一比过程二具备更高的能量。 7日20 时海拉尔站探空曲线可以看到， 夜间仍具有较高的不稳定能量，CAPE 达到572 J/kg，K 指数达到39.8 ℃， 说明已具备不稳定的温湿层结， 小于零的SI 和LI 指数表明雷暴出现概率高， 均对对流性天气有较好的指示意义。过程二与过程一不同，300 hPa 以下温度露点差＜1℃，甚至接近于0 ℃，深厚的湿层表明水汽条件充沛，但各项能量指数较低和抬升指标值较高表明对流潜势弱，均是稳定性降雨的天气成因。 二者均有较高的零度层和-20 ℃层高度，不利于冰雹天气的出现。

图5 （a）8月7日20 时（b）8月13日20 时假相当位温场

4.4 雷达回波演变特征

在上述大尺度和中尺度天气背景下， 海拉尔多普勒天气雷达监测到了云雨回波特征（图略）。 过程一组合反射率图表现为积状云-层状云混合的絮状回波，以积云为主，南部的对流单体向北移动。 过程二则为层状云回波，产生稳定性降雨，且出现了速度模糊（图略），存在低空东南偏南风急流。二者的VAD风廓线也具有显著的差异（图略），过程一边界层的东南风与中层的西南风形成较大的垂直风切变，是对流性天气的重要特征；过程二为一致的东南-南风气流，一方面利于湿层的加深，另一方面利于动量下传加大近地层风力，同时近地层有西北气流的侵入，是本次稳定性降雨的动力抬升条件。

4.5 其他成因

前期大气的温湿状况对于后期天气的形成也有着不可分割的作用。 对于两次过程发生前近地层的温湿状况有明显的区别（图6），在过程一发生前以及持续期间， 各站气温维持在18-21 ℃（鄂伦春自治旗除外，此站局地对流活动不明显），相对湿度在75-95 %，具备高温高湿的条件，在过程一结束后的8月9-11日，气温下降2-4 ℃，相对湿度下降10-20 %，下垫面能量条件不足以给随后12-14日的对流性天气创造条件。

图6日平均相对湿度和平均气温的日变化特征

5 降雨落区差异的讨论

通过加密自动气象站12 h 降雨落区资料， 结合海平面气压场和地形的关系（图略）得出，过程一降雨出现在低压区及前侧的暖区里， 随着系统进一步向东北方向移动，降雨区也进一步北移，而12 h 内大到暴雨出现在其前侧暖区气流与大兴安岭地形相互作用的区域。 过程二气旋的位置较过程一偏南，降雨出现在气旋的顶前部， 中到大雨出现在气旋顶部风场辐合区内以及顶前部与地形有交角的区域内，随着系统东移， 呼伦贝尔市转为气旋后部东北气流的影响， 中到大雨降雨区域与地形的密切关系仍较为突出。

因此， 地面低压或气旋的位置及强度对于主雨区的位置有直接影响， 主雨区降雨强度除了与低压或气旋强度有关， 还与可能出现的降雨性质密切相关。 除了地形对暖湿气流的抬升而产生的地形增幅外， 主雨区可能出现在低压或气旋的前部水汽通道上，或出现在其顶前部有一定风场辐合的区域内。

6 讨论与结论

(1)高、低空低涡的垂直结构和温压场配置构成降雨性质差异的主因。 过程一大尺度的环境背景场表现为中层后倾，低层前倾的垂直结构，以及低层强盛暖平流均是增强不稳定度的成因， 同时促进强盛上升运动的发展。 过程二表现为冷性涡旋影响，具有较弱的垂直风切变。

(2)过程一中没有建立完整水汽通道，南风急流下有水汽通量10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上区域随系统移动较快；过程二表现为持续的水汽供应，东南风急流下全市大范围水汽通量达到10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上，部分区域超过15 g·s-1·cm-1·hPa-1。

(3)相比水汽条件，过程一的优势是具备更高的不稳定能量，850 hPa 假相当位温可以达到336 K 以上，K 指数达到39.8 ℃，SI 指数达到-3 ℃，前期大气的温湿状况对于后期天气的形成也有着不可分割的作用，高温高湿的环境更有利于对流性天气的发生，因而降雨特征表现为小时雨强大，累积雨量多，局地性特征明显； 过程二中850 hPa 假相当位温在330K以下，K 指数为31.6 ℃，SI 指数4.09 ℃， 降雨为稳定性降雨，没有出现短时强降水天气。

(4)过程一具有较大垂直风切变，且强对流天气与850 hPa-500 hPa 的温度差≥28 ℃有很好的对应关系。中尺度辐合线是激发对流的主要原因。地形对降雨的增幅作用以及存在对流潜势并可能出现的短时强降水对降雨落区的影响不容忽视。

(5)两个过程可见地面低压或气旋的位置和强度对主雨区有直接影响，可能出现在其前侧暖区内，或其顶前部风场辐合区域内。

(6)过程一大风天气是对流性加低空急流共同影响，局地性强；过程二大风天气来自于地面气旋发展带来的系统性大风。