东北冷涡减弱阶段强对流天气特征及触发机制分析

云 天，王 宁，刘子琪，姚 凯

（吉林省气象台，吉林 长春 130062）

东北冷涡是具有一定强度的高空冷性涡旋，是大尺度环流形势在东北地区特定条件下的产物，是我国东北地区常见且特有的引发暴雨和强对流天气的重要天气系统[1-3]。东北冷涡的水平尺度属于天气尺度，但它所造成的灾害性天气带有明显的中小尺度特征，它造成的区域性暴雨和大暴雨的比例较低，主要会引发局地暴雨、冰雹、雷暴、短时大风，甚至龙卷等强对流天气，并且在东北冷涡的形成、发展、持续、甚至消退期均可能出现各类强对流天气。白人海等[4]对东北冷涡中尺度天气背景进行了研究，结果表明冷涡引发的暴雨或中尺度天气一般发生在冷涡的南半部、冷暖空气交界处，此处通常也是暖湿舌的后部，风切变处，地面对应低压或冷锋。近年很多气象工作者通过对冷涡引发的强对流天气个例的分析发现：冷涡后部的前倾槽形势下，中高层干冷空气强、低层暖湿空气弱，导致静力不稳定层结和中等大小的对流有效位能，容易引发强对流[5-7]。还有很多研究认为受冷涡底部槽线影响，高、低空温度平流差动、低空急流和低层温度暖脊的共同作用为飑线形成提供有利背景[8-9]。除了冷涡暴雨或强对流天气的空间位置特征研究外，很多学者也聚焦了冷涡背景下的中尺度天气的时间特点的研究[10-11]，一方面受太阳辐射日变化影响，冷涡背景下的中尺度天气具有显著的反复性和日变化特征[12]，但冷涡发展阶段对流有效位能日变化不明显，其他阶段有明显的日变化，对应降水等中尺度系统也有明显日变化，主要出现在午后到前半夜[13]。另一方面，从中尺度天气发生的时段分析，发现中尺度天气多发生在冷涡发展和维持阶段，即温压结构不对称、大气斜压性强时，而冷涡减弱阶段相对较少[14-15]，在日常业务预报中往往容易被忽视，从而出现错报漏报的现象，所以该类个例特别值得研究和关注。冷涡减弱阶段的强天气不同于其他阶段，触发机制是中尺度强对流天气发生发展的关键因素。应爽等[16]指出因为冷暖空气的主导作用不同，从而造成不同的水汽分布、不稳定层结和触发机制。陈力强等[12]分析表明冷涡减弱期对流降水与对流层低层辐合线有很大关系，若没有明显地面辐合线提供动力触发条件，一般不产生降水。因此，有必要对冷涡减弱阶段的强对流天气展开研究，尤其是触发条件，从而提高对东北地区冷涡背景下强对流天气的认识。

2016年6月17—19日在东北冷涡减弱的背景下，吉林省连续3 d出现强对流天气，这次过程具有持续时间长、影响范围广、致灾严重等特点，据不完全统计直接经济损失达4 288万元。为此，本文利用地面、高空、多普勒C波段天气雷达等观测资料及NCEP（0.25°×0.25°）再分析资料，重点探讨了冷涡减弱阶段有利于强对流天气发生的高、低空系统的相互作用、强对流天气触发机制及其中尺度特征，以期为此类强对流天气预报提供参考。

1 强对流天气实况

根据东北冷涡强度的演变将此次过程分为两个阶段：第一阶段（17日11时—18日17时（北京时，下同））（图1a），强降水主要出现在吉林省中西部，强中心分散，并伴有相对密集的雷暴大风、小冰雹等强对流天气，最大雨强出现在农安万顺乡，为40.7 mm/h，双阳站阵风最大，为22 m/s；第二阶段（18日17时—19日23时）（图1b），强降水主要出现在吉林省的中南部，强中心集中，永吉官厅乡雨强最大，为31.4 mm/h，冰雹、雷暴大风等强对流天气相对较弱。

2 东北冷涡的发展演变

2.1 天气形势演变分析

2016年6月16日08时在贝加尔湖东侧形成一个高空低涡，500 hPa低涡中心位于（115°E，51°N）附近，中心强度为552 hPa，16—17日低涡从蒙古高原东侧向东南移动，经大兴安岭，移至东北平原西部。吉林省位于冷涡东南部，冷涡南压使其底部的锋区增强，同时500 hPa显著气流增强，17日20时最大风速为26 m/s。地面图16日东北地区位于东西向低压带的东段，气压强度相对西段较弱。第一阶段冷涡强度缓慢减弱。17日08时冷涡中心强度为556 hPa，地面有气旋锋面波动。17日14时—18日08时冷涡中心强度维持在560 hPa左右，其间温度槽和位势高度槽基本重合，无明显冷、暖平流，18日08时（图2a）500 hPa欧亚大陆中高纬呈两脊一槽形势，冷涡闭合等高线数量逐渐减少，水汽图像上涡旋特征也逐步减弱，白亮云区的组织性明显减弱，18日由于冷涡东移并叠加在地面低压上，低压中心由16日08时的995 hPa升高至18日08时的1 005 hPa。

图1 2016年17—19日第一阶段（a）、第二阶段（b）降水实况

第二阶段冷涡强度进一步减弱，中心移至东北平原北部。18日20时冷涡中心强度为564 hPa，19日08时（图2b）该低涡闭合环流中心位于（126°E，47°N）附近，低涡减弱为低槽，中心强度约为562 hPa，17—19日冷涡中心气压平均每天升高3 hPa以上。18日夜间—19日500 hPa西太平洋副热带高压的588 gadpm等值线稳定维持在30°N附近，有利于第二阶段强对流天气的持续。

图2 18日08时（a）、19日08时（b）500 hPa形势场

2.2 冷涡的强度演变分析

基于NCEP再分析资料计算得出冷涡中心500和850 hPa低涡中心绝对涡度演变情况（图3a），由500 hPa冷涡中心绝对涡度的变化可以看出16日08时冷涡中心绝对涡度值达到3.5×10-4s-1，之后开始减弱，但减弱阶段涡度值出现了小幅振荡，分别在17日02—14时、18日08—14时出现增强，两阶段强对流天气均发生在500 hPa冷涡中心绝对涡度减弱的阶段，第一阶段强对流天气的发生与500 hPa绝对涡度小幅振荡对应，第二阶段500 hPa绝对涡度值无升高趋势。17日08时—19日08时700、850 hPa上的低涡及高空槽的位置与500 hPa基本重合，从虚线表示的850 hPa低涡中心绝对涡度的演变情况，可以看出高空冷涡生成后的12 h内850 hPa呈加强趋势，中心绝对涡度高达4.4×10-4s-1，从16日20时开始缓慢减弱，但减弱阶段涡度值出现小幅振荡，分别在18日08—14时、19日02—08时出现增强，两阶段的强降水也分别集中出现在这两段涡度增强的时间内。

冷涡从17日14时—19日处于减弱阶段，第一阶段高、低层均出现了绝对涡度的小幅振荡，而第二阶段仅在低层出现绝对涡度的小幅振荡，说明随着冷涡的减弱高层的作用逐渐减弱。两个阶段的强降水集中时段与低层绝对涡度增强在时间上有对应关系。

3 强对流天气系统及物理机制

3.1 高、低空系统相互作用

两个阶段200 hPa高空急流均显著偏南，强天气落区位于东北冷涡东南部、500 hPa显著气流出口区的左侧、850 hPa“人”字形切变暖区一侧，且两个阶段均出现了低空急流扰动，850和925 hPa急流核区的最大风速出现了2～3次小幅度增加，850和925 hPa急流的最大风速分别高达20和15 m/s（图3b），但低层系统配置有较大差异。第一阶段，17日08时高、低层冷涡中心由低到高向西倾斜，500 hPa槽线位于850 hPa槽线西侧，17—18日白天吉林省中西部存在850 hPa暖脊，在冷涡背景下，很容易形成上冷下暖的垂直结构，形成大范围的静力不稳定区域，长春站ΔT850-500在26～28℃波动。850和925 hPa从渤海湾到东北南部形成偏南低空急流，强对流天气主要出现在地面辐合线南侧，500 hPa显著气流出口区左侧。直径5～10 mm的冰雹出现在吉林省西部地区的辐合线附近（图4a），17日20时，低空急流加强北抬，急流核增强，急流出口区移至东北中部，925 hPa超低空急流和地面辐合线仍然存在。

图3 高、低空低涡中心绝对涡度（a）和低空急流核区最大风速（b）

第二阶段，高、低空冷性切变进一步东移，500和850 hPa低涡中心及冷切变线在地面的投影位置更为接近。切变线前部上冷下暖的垂直结构依然维持，但强度减弱，18日20时长春站的ΔT850-500迅速下降为25℃，850 hPa急流主体北抬，湿区范围较第一阶段明显扩大。925 hPa仍然存在急流辐合，强降水出现在地面3 h显著正变压南侧的超低空急流的辐合区里，直径5～10 mm的冰雹出现在850 hPa急流核区附近，该区域0～3 km垂直风切变接近20 m/s，有利于有组织对流产生（图4b）。

3.2 探空资料分析

分析17—19日强天气发生前后的探空资料（表1），SI指数、CAPE值、θse的高、低层差值的变化表明大气不稳定度在持续下降，第一阶段大气不稳定度明显强于第二阶段。K指数在19日08时之前一直＞30℃，分别在17日20时和18日20时出现35℃的峰值，第一阶段K指数峰值和SI指数、CAPE值、θse的高低层差值等对流参数的峰值（或谷值）在时间上对应，第二阶段低空急流北抬东进，低层暖湿平流增强是K指数再次升高、0～6 km和0～3 km垂直风切变出现突变性增大的主要原因。此外，K指数、CAPE值和θse的高低层差值均在两个阶段表现为先增长、后出现突变性下降的趋势，说明在对流产生前两个阶段的环境大气均出现了不同程度的不稳定度的提高。17日08时CAPE值较低，而对流抑制能量又偏大，不利于对流发生，但17日低空急流发展，暖、湿输送显著，湿层增厚，午后地面气温升高，导致CAPE值增大，CIN减小，自由对流高度较低（LFC=0.7 km），相对容易触发对流。吉林省业务运行WRF模式水平分辨率为3 km，时间分辨率为3 h，可输出实况无法提供的中间时次的探空资料，从WRF模式预报的14时探空曲线可见，17日有CAPE值增大、CIN减小的趋势，实况17日20时的探空资料显示也符合该趋势。18—19日冷涡进一步减弱，CAPE值有显著日变化特征，与陈力强等[12]的研究结论一致。上述分析表明第一阶段主要是高层干冷、低层暖湿的垂直结构配置为强对流发生发展提供了有利的层结条件，第二阶段层结不稳定环境主要和低空急流及其带来的湿度变化有关。

表1 2016年6月17日08时—19日20时长春探空资料

吉林省有68.2%的冰雹天气0℃层高度在2.2～4.1 km，-20℃层的高度在5.2～7.1 km，上述两层的差值一般在3 km左右[17]。冷涡活动期间0℃层、-20℃层的高度均维持在较为适宜的高度，17和18日长春站上空0℃层高度为3.3～3.5 km，-20℃层高度在6.6～6.7 km，0～6 km垂直风切变都较小，最大不超过10 m/s。上述条件均有利于对流的发生，但垂直风切变始终在中等偏弱强度范围内，不利于典型大冰雹的发生，第二阶段低空急流北抬至吉林中部，中低层垂直风切变在18日20时突然增加，长春站垂直风切变由2 m/s增至14 m/s，中低层垂直风切变的增强为第二阶段的强对流天气提供了一定的动力条件，这是第二阶段在层结不稳定相对较弱的情况下依然出现了冰雹等对流天气的原因之一。

（a为17日08时，b为18日20时）

合适的水汽条件是产生强对流天气的条件之一，也是产生强降水的必要条件。在本次强对流维持期间，吉林省中低层绝对湿度条件较好，17—19日850 hPa比湿先增加后减小，持续维持在6～10 g/kg，18日的比湿最大，达到东北地区产生暴雨的比湿标准（10 g/kg）。同时地面露点温度也维持在15～18℃，18日由于低空偏南急流产生的暖、湿平流，地面显著增温增湿，18日08时露点温度高达20℃。

分析第一阶段17日20时的T-ln P图发现，相对湿度为80%以上的湿层厚度接近3 km，700 hPa附近存在干层，700 hPa以上的湿区对应大尺度层云，这种层结会减少降水过程中的蒸发作用，有利于提高降水效率（图5a）。第一阶段中后期，18日08时探空资料和大尺度环流分析发现中层有明显的干冷空气卷入，露点温度廓线在600 hPa以上急剧减小，温湿层结表现为“上干下湿”的“喇叭口”特征，相对湿度为80%以上的湿层主要位于900～850 hPa（图5b），该特征与强对流天气中要求湿层较薄、低空暖湿、中层干燥的理论一致[18-19]。19日08时尽管CAPE值明显下降，但是湿层厚度再次增加至6 km左右，湿层厚度显著高于第一阶段，为第二阶段强降水提供有利的水汽条件（图5c）。

图5 长春站T-ln P

4 强对流触发机制及雷达回波特点

4.1 触发条件分析

17日850 hPa低空急流东移发展，同时925 hPa超低空急流建立并发展，午后吉林省西部产生地面辐合线，触发对流系统发展（图6a）。18日11时地面风场显示在西部地区有东北—西南向的辐合线，同时，内蒙古东部露点温度＜12℃，而其东部同一纬度上的松原露点温度为18℃，说明地面上还存在一定强度的露点锋呈南北向分布，因此18日上午，地面辐合线和露点锋共同抬升，产生强对流天气，并且直径5～10 mm的冰雹的分布与露点锋走向一致（图6c），由此可见双重触发机制有利于有组织对流的发展，进而有利于冰雹直径的增长。进一步分析雷达组合反射率因子发现，冰雹发生在多单体线状回波带中，同时，线状回波带中还伴随有强降水，温度骤降与气压骤升，变压梯度迅速增加，降水前后温度差超过5℃（图7a），对应多单体线状回波带的地面上产生阵风锋（阵风锋在C波段雷达屏显上比较难于观测，但实时区域站温、压、风等要素的变化量的分析恰好弥补了这方面的不足），阵风锋不断向东推进，移速很快，引发短时大风。阵风锋除了产生较强的瞬时大风外，也触发前沿对流系统的发展。18日17时以后中西部强降水基本结束，但是阵风锋触发的风雹天气在中部地区继续维持了1～2 h。

图6 地面流场和露点温度T d（蓝线，单位：℃）

第二阶段，18日夜间500 hPa低涡东移，对流天气主要出现在吉林省东部山区。特殊地形的辐合与抬升促使上升运动增强[20]，吉林省地形呈东高西低的特点，中部地区为平原向山区过渡地带，位于中部的四平站海拔为167.2 m；与四平相距约60 km的辽源海拔为254.4 m。分析18日23时四平到辽源一带的中低层垂直剖面，近地层以南风为主，受地形摩擦作用，风速自西向东逐渐减小，850 hPa在125°E以西主要以偏西风为主，125°E以东偏西风分量减小，造成西风辐合，对应上升速度增强（图7b）。19日早晨风速辐合逐渐转变为南北向辐合线（图6b），05—08时中南部降水增强。对比分析两个阶段典型加密站逐时雨量分布发现，第一阶段强降水一般由孤立的对流单体产生，雨强较大，降水效率较高（图8a）；第二阶段强降水的回波属于混合类对流回波，降水由2～3个对流单体先后在边界层地形作用下加强产生（图8b）。结合上述分析可见第二阶段除了低层辐合线的触发作用外，地形抬升作用也为强降水提供有利的动力条件。

图7 18日14时地面1 h变压（a，等值线，单位：Pa）、变温（a填色，单位：℃）和23时（b）沿43°N垂直剖面（黑色虚线为垂直速度，单位：Pa/s）

图8 自动雨量站E1226（a）和E7006（b）逐时雨量变化

4.2 中尺度特征

第一阶段前期辐合线触发的对流一方面表现为降水回波分布不均匀，另一方面由于近地层的增温增湿，雷达回波表现为低质心结构（质心低于5 km），雷达组合反射率因子强度也相对偏低（最大约为45 dBZ），强降水回波均伴有不同仰角的径向速度辐合，因此降水效率较大。以农安万顺乡为例，12 h降水量为70.1 mm，最大雨强（19—20时）为40.7 mm/h。同时受地面辐合线和露点锋影响的区域冰雹的尺寸相对较大，回波特征也更为典型。例如洮南地区10：35产生冰雹天气，长岭站13时出现冰雹天气，两次冰雹对应的雷达回波反射率因子均＞50 dBZ，回波顶高＞9 km，另外长岭站2.4°仰角回波显示强回波对应气旋性辐合。第一阶段后期阵风锋出现后，18日16时双阳出现比较典型短时大风，回波呈线状分布，1.5°仰角的径向速度达15 m/s，甚至高层出现速度模糊。第二阶段回波特征表现为片絮状的混合型降水回波，与第一阶段前期降水回波相似，但是镶嵌在稳定降水回波上的强回波单体比较多，在单站多次出较强降水。

5 结论和讨论

（1）此次强对流天气主要发生在冷涡减弱阶段，根据东北冷涡强度的演变将此次过程分为两个阶段，第一阶段，东北冷涡缓慢减弱，强降水伴随相对密集的冰雹、雷暴大风出现在吉林省中西部，热力条件强于第二阶段，强降水主要出现在低空急流的出口和地面辐合线之间，降水效率高，雨强较强。5～10 mm直径的冰雹分布在地面辐合线附近，并沿露点锋南北向分布；第二阶段，冷涡减弱为高空槽，强降水伴随相对较弱的风雹天气出现在吉林省中南部，水汽条件优于第一阶段。强降水以混合型为主，雨强小于第一阶段，单站降水持续时间较长。

（2）T-ln P对流参数分析表明随着冷涡的减弱，大气不稳定度也在持续下降，第一阶段不稳定度明显强于第二阶段，第一阶段K指数峰值和SI指数、CAPE值、θse的高低层差值等对流参数峰值（或谷值）在时间上对应，高层干冷、低层暖湿条件的持续增长使环境场形成大范围的静力不稳定区域和较低的自由对流高度有利于强降水，对流层中上层露点温度急剧减小，形成上干下湿的垂直结构特征，有利于冰雹和雷暴大风的形成。第二阶段低空急流北抬东进，低层暖湿平流增强是K指数再次升高、0～6和0～3 km垂直风切变出现突变性增大的主要原因。且垂直风切变的突变性增大是第二阶段在层结不稳定相对较弱的情况下依然出现了冰雹等对流天气的原因之一。

（3）两个阶段的主要触发条件均为低空急流和地面辐合线，第一阶段，强对流天气首先由低空急流和地面辐合线触发，辐合线和露点锋双重触发条件产生了直径较大的冰雹，密集降雹和强降水引发地面气温骤降和气压骤升，诱发阵风锋并触发雷暴大风等强对流天气；第二阶段，925 hPa急流和辐合线再次为中南部强对流发展提供触发条件，同时地形抬升为降水增幅提供了有利条件。

（4）本轮强对流天气过程风雹灾害严重，冰雹半径不大，但降雹密度较大，对农业生产影响较大，该特征与特性层高度、厚度，垂直风切变等的关系有待进一步研究。

致谢：特别感谢吉林省气象台正高级工程师刘海峰台长给予的指导和支持！