吉林省边疆近海区东风急流暴雨预报技术研究

董鹤松 张莹莹 冯景瑜 隋 妍

（延边朝鲜族自治州气象局，吉林 延吉 133000）

1 引言

延边朝鲜族自治州是吉林省东部边疆近海区，处于长白山脉脚下，地形地貌复杂，且东临日本海， 海洋上的暖湿气流时常自东向西进入延边地区，气象灾害频繁。每年5—10 月常有北上或东移进入朝鲜半岛、日本海的气旋影响吉林省东部，其北侧东风气流常给延边地区带来暴雨天气，降水起止时间、落区等问题是预报难点和关键，困扰着当地气象工作者。国内对于回流天气的研究，多集中于华北、山东半岛地区，对吉林省乃至东北地区东部的回流天气研究较少。 华北回流是指对流层底层自东北平原南下经渤海影响华北平原的冷空气， 而影响东北地区东部的回流是来自日本海的一股暖湿气流，两者虽有一定的相似之处，但却是性质完全不同的两种气团。 张迎新等[1]发现，华北回流在降水中起“冷垫”作用，而东北回流则是降水的水汽“供应者”。 为充分认识吉林省回流暴雨天气特征， 探讨吉林省边疆近海区东风急流暴雨天气成因，本文通过分析研究暴雨环流形势、风场扰动配置、系统演变、物理量指标等形成客观预报方法， 提升此类暴雨天气的分析和预报预警能力，为今后预报同类天气起到参考作用。

2 资料和研究方法

本文利用1990—2019 年常规观测资料、NCEP 再分析资料及Micaps 资料。取逐日降水量资料， 当受东风急流影响在延边地区8 个县（市）国家气象观测站中，至少有2 站出现日降水量≥50mm 时，定义为一次东风急流暴雨过程。经统计，此类过程共出现26 次。

选取26 次暴雨的主要影响系统，根据主要影响天气系统的相互配置对暴雨进行综合分型，从地面影响系统来看， 其中受热带气旋影响的占50%（13 例）， 受温带气旋影响的占46%（12 例），受倒槽影响的占4%（1 例）。 可见，东风急流影响延边地区出现的暴雨影响系统主要分为温带气旋型和热带气旋型。 在温带气旋型12 个个例中，1个个例受蒙古气旋影响， 其余个例均受南方气旋影响，因此本文选取南方气旋型11 个个例作为温带气旋型研究样本，热带气旋型13 个个例作为热带气旋型研究样本， 应用天气学方法将影响延边地区的东风回流暴雨分为温带气旋型和热带气旋型两类进行分析研究[2]。

3 东风急流暴雨时空特征

从暴雨个例时间分布来看， 暴雨主要发生在5—10 月， 其中7 月和9 月出现的个例最多，77%的个例出现在6 月中旬—9 月中旬。 从空间分布来看，此类暴雨呈非对称结构，多出现在延边地区东部， 位于延边东部的珲春站出现暴雨的个例占85%， 而仅19%的个例在延边西部敦化站出现了暴雨。

温带气旋型11 个个例中，8 个个例出现在6—7 月，占73%（图1a）。此类个例中，降水主要呈现出“东多西少”或“南多北少”的分布特点，暴雨中心出现在4 个县（市），其中73%（8 个）的个例24h 最大降水量出现在珲春站（图1b）。 降水中心的24h 降水量为51.8～81.3mm， 最大降水量出现在1992 年6 月17 日的珲春站。

热带气旋型13 个个例中，11 个个例出现在7—9 月， 占84.6%；2 个个例出现在10 月，占15.4%（图1c）。 在热带气旋型个例中，降水同样呈现出“东多西少”或“南多北少”的分布特点。 暴雨中心出现在5 个县（市）， 其中46.2%的个例24h最大降水量出现在珲春站 （图1d）。 降水中心的24h 降水量为51.1～174.6mm， 最大降水量出现在2016 年8 月30 日的图们站。

图1 1990—2019 年5—9 月温带气旋型个例月分布（a）、各县（市）出现最大降水中心概率（b）,1990—2019 年7—10 月热带气旋型个例月分布（c）、各县市出现最大降水中心概率（d）

4 天气系统

4.1 副热带高压

分析温带气旋型个例的西太平洋副热带高压（以下简称副高）特征发现，副高呈块状；中心强度为588～592dagpm；脊线在28°N 以北，最北可抬至40°N；西伸脊点在110°E～135°E。

分析热带气旋型个例，副高均呈块状；中心强度为588～592dagpm；脊线位置偏北，位于35°N～40°N；西伸脊点位于135°E 附近，副高位置明显偏东偏北。 副高在日本列岛附近形成一个南北向的高压坝，其西侧有一条较强的偏南风急流带，引导台风北上。

可见暴雨发生时，副高多呈块状，位置偏北，强度偏强。 因此，副高的强度、位置和形状对于东风急流暴雨的出现至关重要[3-4]。

4.2 高低空环流形势

温带气旋型个例中，500hPa 欧亚大陆中高纬地区多呈“两脊一槽”型，高压脊分别位于贝加尔湖附近和日本海附近， 蒙古国至东北地区西部多有南北向高空槽。 冷空气沿贝加尔湖附近的高压东侧南下，使得高空槽不断发展加强，并逐渐向东移动，但由于日本海附近高压坝的存在，使得高空槽移动缓慢，降水时间较长。 700hPa 上均受切变线影响。过程开始初，切变线一般在渤海湾至朝鲜半岛附近发展加强， 个别个例切变线位于吉林省西部，之后切变线逐渐向东北或向东移动。强降水期间，切变线多从延边地区南部或西部穿过，且延边地区多为东南风或偏东风风速辐合。 850hPa 上在过程开始初， 多在朝鲜半岛附近或吉林省西部存在低涡，低涡逐渐东移北上，且部分个例存在人字形切变线。在主要降水期间，延边地区多处于冷式切变线的东侧，或人字形切变线的内部，个别个例位于暖式切变线的北侧。随着切变线移近，延边地区风速辐合逐渐增强，降水强度逐渐增强。

热带气旋型个例中，500hPa 欧亚大陆中高纬地区为“两脊一槽”型或“两脊两槽”型，其中“两脊一槽”型占多数，达61.5%。 “两脊一槽”型中，一脊位于贝加尔湖以西， 另一脊位于库页岛至日本列岛一带，两高压脊之间为宽广的东亚槽区。之后整个东亚槽区缓慢东移南压， 即在贝加尔湖以东为一个冷空气堆，在槽（涡）后有冷空气入侵，热带气旋或台风亦处于东亚槽区内。“两脊两槽”型中，一槽多位于巴尔喀什湖以北，其他槽脊位置与“两脊一槽”型槽脊位置类似。 700hPa 和850hPa 上，均受热带气旋北部切变线影响， 切变线一般从日本海或朝鲜半岛附近北上影响延边地区， 多为偏东风或东南风与东北风的风向切变以及偏东风或东南风的风速辐合。随着切变线移近延边地区，风速辐合增强，降水强度增强。

5 预报因子

从实际预报业务出发， 本文选取了基层台站预报业务中常用的几个物理量作为预报因子进行统计分析[5-8]。

5.1 低空急流

分析温带气旋型个例700hPa 风场可以看出，在延边地区附近多存在偏东或东南急流，风速大值区呈东南—西北向带状分布，延边地区处于急流轴北侧风速梯度大值区，700hPa 急流核最大风速多为12～24m·s-1，最强可达28m·s-1。 850hPa 风场上， 所有个例均存在偏东风或东南风急流，风速大值区呈东北—西南向或东南—西北向带状分布，延边地区处于急流轴风速梯度大值区，急流核最大风速多为12～24m·s-1， 最大可达28m·s-1（图2a）。

分析热带气旋型个例700hPa 风场可以发现，大多数个例在延边地区附近存在偏东风或东南风急流， 风速大值区呈东南—西北向带状分布， 延边东部处于急流轴风速梯度大值区，700hPa 急流核最大风速多为18～28m·s-1，最强可达32m·s-1。 850hPa 风场上，84.6%的个例在延边地区附近存在偏东风或东南风急流，风速大值区呈东西向或东南—西北向带状分布，延边东部处于急流轴风速梯度大值区， 急流核最大风速为12～24m·s-1（图2b）。

综上所述， 偏东风和东南风急流将水汽源源不断地向延边地区输送， 为暴雨的产生提供了充沛的水汽和能量条件， 急流的方向和强度是判断能否出现东风急流暴雨的重要指标[9]。

5.2 比湿

温带气旋型个例中，850hPa 比湿均在6g·kg-1以上，最大达到13g·kg-1；700hPa 比湿均在4g·kg-1以上，最大达到10g·kg-1（图2a）。

图2 温带气旋型（a）、热带气旋型（b）东风急流暴雨预报因子（风速，单位：m·s-1；比湿，单位：g·kg-1；垂直速度，单位：10-1Pa·s-1；水汽通量，单位：g·cm-1·hPa-1·s-1；水汽通量散度，单位：10-8g·cm-2·hPa-1·s-1；假相当位温，单位：℃）

热带气旋型个例中，850hPa 比湿均在6g·kg-1以 上， 最 大 可 达14g·kg-1；700hPa 比 湿 基 本 在6.5g·kg-1以上，最大可达11g·kg-1（图2b）。

5.3 水汽通量及水汽通量散度

分析温带气旋型个例850hPa 水汽通量分布可以看出，水汽通量大值轴呈现东南—西北向分布，且多位于日本海附近， 中心强度为10g·（cm·hPa·s）-1以上， 最大可达25g·（cm·hPa·s）-1。 延边地区850hPa 水汽通量在3g·（cm·hPa·s）-1以上， 最大达15g·（cm·hPa·s）-1。 从850hPa 水汽通量散度分布来看， 延边地区位于水汽通量辐合区内， 强度在-1.5×10-8g·（cm2·hPa·s）-1以上， 最强可达-8×10-8g·（cm2·hPa·s）-1（图2a）。

分析热带气旋型个例850hPa 水汽通量分布可以发现， 热带气旋与日本海附近的副热带高压之间所形成的偏东风和东南风低空急流将日本海水汽源源不断地向延边地区输送。 水汽通量大值轴呈现东西向或东南—西北向分布， 中心位于日本海附近，强度在10g·（cm·hPa·s）-1以上，最大可达33g·（cm·hPa·s）-1。 延边地区850hPa 最大水汽通量在6g·（cm·hPa·s）-1以上， 最大达22g·（cm·hPa·s）-1。 从850hPa 水汽通量散度的分布来看，延边地区位于水汽通量辐合区内，强度在-1.0×10-8g·（cm2·hPa·s）-1以上，最强可达-17×10-8g·（cm2·hPa·s）-1（图2b）。

综上所述，850hPa 水汽通量辐合中心位于延边东部，与暴雨落区有较好的对应关系，可用于预报强降水中心位置。

5.4 垂直速度

温带气旋型个例中， 暴雨期间垂直速度上升区呈带状分布， 延边地区700hPa 垂直速度≤-0.4Pa·s-1， 最强为-1.2Pa·s-1；850hPa 多为正负速度对，延边地区在垂直速度上升区内，垂直速度≤-0.1Pa·s-1，最强为-1.0Pa·s-1（图2a）。

热带气旋型个例中， 暴雨期间垂直速度上升区呈带状分布， 延边地区700hPa 垂直速度≤-0.4Pa·s-1，最强为-2Pa·s-1；850hPa 多为正负速度对， 延边地区在垂直速度上升区内， 垂直速度≤-0.3Pa·s-1，最强为-2Pa·s-1（图2b）。

5.5 假相当位温

分析温带气旋型个例850hPa 假相当位温水平分布， 从中可见假相当位温大值中心起初位于日本海或渤海湾附近，并逐渐向北推进，且梯度增强， 延边地区最大值为36～68℃， 平均值为47℃（图2a）。

分析热带气旋型个例850hPa 假相当位温水平分布， 从中可见假相当位温大值中心起初位于日本海上，随着热带气旋或台风北上，大值区逐渐从海上跨上大陆，并伸入延边东部。此后假相当位温量值增大、梯度增强，延边东部最大量值为31～74℃，平均值为57℃（图2b）。

通过分析发现， 暴雨中心一般位于能量舌上或能量锋区附近且靠近大值区一侧。

6 概念模型的建立

根据不同环流形势配置，对温带气旋型11 个个例，热带气旋型13 个个例的常规预报因子进行统计分析， 在此基础上建立温带气旋型东风急流暴雨概念模型（图3）和热带气旋型东风急流暴雨概念模型（图4）。

图3 温带气旋型东风急流暴雨概念模型（蓝色箭头：干冷气流；红色箭头：暖湿气流；棕色实线：500hPa 槽线；红色双实线：850hPa 切变线；绿色实线：850hPa 湿区；绿色阴影：暴雨区）

图4 热带气旋型东风急流暴雨概念模型（红色实线：热带气旋路径；棕色实线：500hPa 槽线；棕色箭头：700hPa 急流；红色箭头：850hPa 急流；绿色实线：850hPa 湿区；绿色阴影：暴雨区）

6.1 温带气旋型东风急流暴雨概念模型

500hPa 欧亚大陆中高纬地区呈“两脊一槽”型，冷空气沿贝加尔湖附近高压脊南下， 使得东北一带高空槽不断发展加强， 日本海附近高压坝使高空槽东移缓慢。副高呈块状，中心强度为588～592dagpm，脊线位于28°N～40°N，西伸脊点在110°E～135°E。

700hPa 切变线从延边地区南部或西部穿过后减弱入海， 延边地区多处于东南风或偏东风风速辐合区内。 850hPa 低涡东移北上，在主要降水期间位于冷式切变线东侧。

延边地区处于低空急流轴风速梯度大值区，700hPa 和850hPa 急流核最大风速多为12～24m·s-1，最大可达28m·s-1。

850hPa 比 湿 大 于6g·kg-1，700hPa 比 湿 大 于4g·kg-1。 有来自日本海中心强度在10g·（cm·hPa·s）-1以上的850hPa 水汽通量输送， 延边地区850hPa水汽通量值在3g·（cm·hPa·s）-1以上， 且位于850hPa 水汽辐合区内， 水汽通量散度小于-1.5×10-8g·（cm2·hPa·s）-1。

700hPa 垂直速度小于-0.4Pa·s-1；850hPa 垂直速度小于-0.1Pa·s-1。

延边地区位于能量舌上或能量锋区附近且靠近大值区一侧，假相当位温为36～68℃。

6.2 热带气旋型东风急流暴雨概念模型

500hPa 欧亚大陆中高纬地区为 “两脊一槽”或“两脊两槽”型。 副高呈块状；中心强度为588～592dagpm；脊线位置偏北，位于35°N～40°N；西伸脊点位于135°E 附近， 在日本列岛附近形成一个南北向高压坝。

700hPa 和850hPa 上均受热带气旋或台风北部切变线影响， 多为偏东风或东南风与东北风风向切变以及偏东风或东南风风速辐合。

延边东部处于急流轴风速梯度大值区，700hPa 急流核最大风速为18～28m·s-1；850hPa 急流核最大风速为12～24m·s-1。

850hPa 比 湿 大 于6g·kg-1，700hPa 比 湿 大 于6.5g·kg-1；有中心位于日本海强度在10g·（cm·hPa·s）-1以上的850hPa 水汽通量输送。延边地区850hPa 水汽通量值大于6g·（cm·hPa·s）-1，且位于850hPa 水汽辐合区内；水汽通量散度小于-1.0×10-8g·（cm2·hPa·s）-1。

700hPa 垂直速度小于-0.4Pa·s-1；850hPa 垂直速度小于-0.3Pa·s-1。假相当位温从日本海伸入延边地区东部，量值大、梯度强，最大量值为31～74℃。

7 结语

利用1990—2019 年常规观测资料、NCEP 再分析资料及Micaps 资料，统计了吉林省边疆近海区东风急流暴雨发生时空分布特征， 划分了天气类型， 在此基础上对常规预报因子进行了统计分析，建立概念模型，给出了定量化的物理量判别指标。

（1）东风急流暴雨主要发生在5—10 月，其中77%个例出现在6 月中旬—9 月中旬。暴雨呈非对称结构，多出现在延边地区东部，珲春站最多，占个例总数的85%。

（2） 东风急流暴雨环流形势配置划分为温带气旋型和热带气旋型。中高纬地区均呈经向环流，暴雨发生时，副高多呈块状，位置偏北，强度偏强，中心强度一般为588～592dagpm。 偏东风和东南风急流的建立为暴雨发生提供了充沛的水汽和能量条件。 850hPa 水汽通量辐合中心位于延边东部，与暴雨落区有较好的对应关系。

（3） 选取了基层台站预报业务中常用的低空急流、比湿、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度、假相当位温作为预报因子进行统计分析， 给出了定量化的物理量判别指标， 建立了温带气旋型和热带气旋型东风急流暴雨概念模型。

（4） 本文填补了与东风急流相伴的吉林省边疆近海区暴雨的研究空白， 为提高此类天气过程的诊断分析和预报预警能力提供了科学依据。 下一步开展地形因素对此类暴雨落区影响的研究工作。