一次东北冷涡暴雨的成因分析

赵 旻

内蒙古乌兰察布市集宁区气象局，内蒙古乌兰察布 012000

东北冷涡是在东亚阻塞形势下发生的较为深厚的冷性低值系统，一般在对流层中上部表现较明显，也是夏季影响内蒙古的重要环流系统。从行星尺度上来看，东北冷涡除带来连阴雨天气外，最引人注目的特点是其诱发中小尺度系统的突发性和反复性[1]。尤其是在稳定的大尺度环流背景下，可导致大范围强降水频繁出现。在东北冷涡的形成、发展、持续甚至消退期均可伴随暴雨、冰雹、雷暴、短时大风，甚至龙卷风等强对流天气[2]。对此次暴雨过程的锋生机制和动力、热力及水汽特征进行诊断分析，探讨暴雨成因，以期为今后东北冷涡背景下暖锋暴雨预报提供依据。

1 资料来源

研究用到的地面观测资料源于2022年6月内蒙古自治区地面观测站逐小时、逐24 h降水资料；高层诊断分析使用了NCEP再分析资料，水平分辨率为1°×1°，时间分辨率为6 h。

2 暴雨概况和环流形势特征

2.1 过程概况

2022年6月4—5日内蒙古东南部地区出现一次东北冷涡暴雨过程，冷涡从发展维持到减弱阶段对应有单日暴雨，以对流性降水为主。从过程量来看，全区11个盟市78旗县的1 028个站点出现降水，降水范围在0.1～118.2 mm之间。过程雨量超100 mm的有5个站，最大出现在兴安盟科尔沁右翼中旗杜尔基镇白音哈拉气象观测站，为118.2 mm，强降水主要集中在兴安盟、通辽市、锡林郭勒盟等地区。最大小时雨强出现在4日17:00～18:00，为通辽市的C1011站，降雨量为38.6 mm。

2.2 强降水发生前环流背景分析

6月3日20:00 500 hPa天气图，欧亚大陆上空500 hPa高度场呈“两脊一槽”型，乌拉尔山高压脊发展强盛，鄂霍次克海有阻塞高压脊较稳定，西太平洋副热带高压主体位于海上，副高脊位置偏南，贝加尔湖低槽向南伸展，温度槽落后于高度槽。随着脊前西北气流不断地引导高纬度冷空气向南入侵，至4日08:00低槽加深并分裂形成一个较强的冷涡，副热带高压明显向北伸展。分裂出的冷涡南下影响内蒙古东南部地区。

从500 hPa高空图中可以看到，内蒙古东南部地区位于冷涡东南象限，上游有短波槽，此位置较有利于降水。由于冷中心落后于冷涡延伸出的高度槽，且槽后有强冷平流，有利于冷涡的发展加深，副热带高压位于30°N 附近呈带状。随着时间冷涡呈西北—东南走向，副热带高压脊线西伸。14:00～20:00，500 hPa冷涡东移发展，不断补充冷空气，与短波槽合并加强生成新的冷涡。

700 hPa较500 hPa冷涡中心位置略偏东，属于后倾配置，冷中心位置仍落后于高度场低值中心。随着温度槽前移，平流作用加强，冷涡将持续发展[3]。850 hPa在内蒙古区东南部地区存在“人字形”切变，其中，偏东风和南风的暖湿切变线对降水的贡献较大，造成暖湿空气的辐合上升。切变线南侧为偏南低空急流。从地面图看，东南地区有暖舌伸展，在较强的暖平流作用下，温度梯度加大造成暖锋锋生。降水发生时，暖锋锋生激发热力直接环流，在锋区暖空气一侧出现上升气流，并与高低空急流耦合产生的次级环流上升支重合。锋面与高、低空急流耦合作用使次级环流加强，在暖锋附近形成深厚的上升运动区。从地面形势图可以看出，内蒙古东南部地区主要受地面气倒槽影响，涡前的正涡度平流和低层暖平流的减压作用使得地面气旋从不断加深发展，辐合上升运动明显[4]。上升运动加强导致降水加强，与实况相符（图1）。

图1 内蒙古东南部地区6月4日14:00环流形势图

随着系统的东移，有明显的偏南气流加强为偏南低空急流。水汽通道建立，一直源源不断地从渤海湾输送水汽，为降水提供了水汽条件。850 hPa为湿区，有充沛的水汽条件，而500 hPa为干区。显而易见，干冷空气和暖湿气流交汇在内蒙古东南部地区上空，为上干下湿的不稳定层结，引发了此次强对流天气过程。而后随着冷中心位置与高度场低值中心逐渐重合，冷涡逐渐填塞[5-7]。

3 中尺度对流系统发展的环境条件

3.1 充沛的水汽输送

3.1.1 相对湿度、整层水汽含量 从700 hPa全风速和相对湿度场、整层水汽含量（图2）来看，冷涡东移发展的过程中配合着较好的水汽输送，低空急流的大值区与相对湿度大值区、整层水汽含量的大值区配合较好。且随着系统东移发展，低空急流中心也东移加强，从08:00的10 m/s增强至20:00的20 m/s，进一步加强水汽输送和辐合抬升，使得14:00～20:00降水集中且强度较大，与实况相符（相对湿度为90%，整层水汽含量为35 mm）。

图2 2022年6月4日14:00 700 hPa风场（实线为全风速＞8 m/s）和相对湿度（填图）（a），1、3及整层水汽含量（填图）（b）

3.1.2 比湿和散度的时间剖面 从内蒙古东南部比湿和散度的时间剖面图（图3）来看，内蒙古东南部地区从4日08:00开始水汽条件逐渐转好，近地层比湿在12～14 g/kg，500 hPa以上湿度较差，形成上干下湿的不稳定层结。且低层水汽通量散度均为负值，为辐合区，水汽增加，为此次大暴雨天气提供了充足的水汽。低层负散度辐合上升，配合高层正散度辐散下沉，抽吸作用明显。

图3 2022年6月4日比湿（填图）和散度（等值线）的时间剖面图

3.2 动力抬升条件

高低空急流耦合形成的次级环流是触发对流不稳定和位势不稳定能量释放的典型形势，有利于降水的维持和加强。分析200 hPa和850 hPa风场可以看出，发现降水发生前后，高低空急流出现调整适应过程。2022年6月4日14:00，高空急流轴位于42°N附近，在内蒙古自治区东南部地区存在急流核，风速达54 m/s，并在向东偏南方向移动过程中加强；4日20:00(图4)，急流轴到达40°N，急流核向东伸展至东南地区，风速超过55 m/s，且与降水相伴的低空南风急流也十分强盛，低空急流核强度达20 m/s，为偏南风急流。南压的高空急流左前方与低空急流左侧重叠，形成高低空急流耦合。与低空急流相联系的次级环流的上升支均位于低空急流左侧。通辽市、兴安盟等地区位于高空急流左前方和低空急流左侧，这与实际暴雨落区位置一致。

图4 2022年6月4日14:00（a）、20:00（b）高空急流（填图）和850 hPa风场图

3.3 不稳定条件

通过考察暴雨区在强降水时段的不稳定条件，选取对预报暴雨有指示意义的物理量。假相当位温表示大气对流稳定度。假相当位温值＜0时，层结稳定；假相当位温值＞0时，层结不稳定。它的水平分布反映了大气能量场的分布特征，其垂直分布代表了大气的垂直稳定度。4日为冷涡新生后维持阶段，从假相当位温和K指数（填图）和0～6 km垂直风切变（图5）分析可知，6月4日14:00，内蒙古东南部地区为明显的高温高湿区。850 hPa内蒙古东南部地区为南北向能量锋区，高能舌由低纬度向北伸展至内蒙古东南部地区。同时，西南暖湿气流向北输送水汽，使大气中低层显著增湿，K指数较大，尤其是暴雨区，K≥35 ℃，0～6 km垂直风切变达12 m/s，为此次降水提供了不稳定条件。

图5 2022年6月4日14:00假相当位温（a）、14:00 K指数（填图）和0～6 km垂直风切变（b）

4 结论

（1）从天气系统配置分析此次降水过程可知，环流形势高、中、低层的整体配置较好，低值系统覆盖三层并东移南压，抽吸作用明显，动力抬升条件较好。

（2）在东北冷涡前侧，低层持续受暖锋影响出现持续性暴雨。在较强的暖平流作用下，温度梯度加大形成暖锋锋生。降水发生时，暖锋锋生激发热力直接环流，在锋区暖空气一侧出现上升气流，并与高低空急流耦合产生的次级环流上升支重合，锋面与高、低空急流耦合作用使次级环流加强，在暖锋附近形成深厚的上升运动区。

（3）暖锋锋生加强了低层辐合抬升，高层位于高空急流入口区，加强了高层辐散，降水强度增大。冷涡东移减弱阶段，暖锋稳定维持在同一区域，且不断锋生造成暴雨。强降水出现在锋区南侧，呈东西带状分布，暴雨与最大锋生区相对应。

（4）850 hPa在内蒙古东南部地区存在“人字形”切变，其中，偏东风和南风的暖湿切变线对降水的贡献较大，造成暖湿空气辐合上升。切变线南侧为偏南低空急流，水汽通道建立，一直源源不断地从渤海湾输送水汽，为降水提供了有利的水汽条件。