冷渦天氣過程分析

朱凱全 張宏偉

摘要 2017年7月9日沈陽桃仙機(jī)場經(jīng)歷了一次冷渦降水天氣過程，伴有強(qiáng)雷雨、冰雹等極端天氣現(xiàn)象。利用NCEP再分析資料，從環(huán)境場特征、中尺度結(jié)構(gòu)和發(fā)生、發(fā)展過程及可能的觸發(fā)機(jī)制等方面，對民航業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)——東北冷渦引發(fā)的低層短波槽型對流性暴雨的典型個(gè)例進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)配置結(jié)構(gòu)，以及中低層擾動(dòng)帶來的渦度場的適時(shí)增強(qiáng)是產(chǎn)生強(qiáng)降水的必要條件。

關(guān)鍵詞 冷渦；強(qiáng)雷雨；中尺度；短波槽

中圖分類號(hào)：P481 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）03-063-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.03.026

Abstract On July 9， 2017， Shenyang Taoxian Airport experienced a cold vortex precipitation process， accompanied by extreme weather such as strong thunderstorms and hails. Utilizing the NCEP reanalysis data， through the characteristics of environmental field， mesoscale structure and occurrence， development process and possible triggering mechanism， the typical case of low level short wave trough convective rainstorm triggered by the Northeast cold vortex which was the difficulty in civil aviation service forecasting was analyzed. The results showed that the structure of the unstable layered configuration with upper layer dry and lower layer wet， and the timely enhancement of the vorticity field caused by the middle and lower layer disturbances were the necessary conditions for the strong precipitation.

Key words Cold vortex； Strong thunderstorm； Mesoscale； Short wave trough

冷渦是大尺度環(huán)流形勢在東北地區(qū)特定條件下的產(chǎn)物，冷渦的形成、滯留和填塞對大氣環(huán)流起著重要的反饋?zhàn)饔?。作為東北地區(qū)主要天氣系統(tǒng)之一，冷渦天氣在各季均會(huì)出現(xiàn)，雷暴日多由冷渦引發(fā)，其出現(xiàn)的頻次雖因不同年份而變化較大，但其所產(chǎn)生的中小尺度天氣對人們的生產(chǎn)和生活都造成了較大影響。

2017年7月9日14：00至10日4：00（北京時(shí)，下同），沈陽桃仙機(jī)場經(jīng)歷了一次中雷雨至強(qiáng)雷雨過程，累計(jì)降水量18.2 mm。該次過程最強(qiáng)降水時(shí)段為9日15：42—15：58及10日0：08—2：58。過程主要特點(diǎn)表現(xiàn)為雨量集中、雨勢強(qiáng)、局地性明顯、強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間較短，給桃仙機(jī)場航班的運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致航班返航17架次，備降9架次，滯留旅客近千人。文中利用NCEP再分析資料，對該次冷渦天氣過程進(jìn)行了分析，旨在為該類天氣的預(yù)警工作提供參考。

1 環(huán)流背景及渦度收支

從大尺度環(huán)流背景來看，2017年7月9日，500 hPa高度場（圖1）上高緯地區(qū)貝加爾湖以西形成了一個(gè)尺度橫跨東西20個(gè)經(jīng)度，南北15個(gè)緯度的冷渦系統(tǒng)，系統(tǒng)不斷向東南方向加深，最終分裂并形成切斷低壓進(jìn)入蒙古國東部及我國內(nèi)蒙古東北部，直至到達(dá)我國東北地區(qū)北部而形成東北冷渦系統(tǒng)。從7月9日8：00和20：00 500 hPa、700 hPa到850 hPa高空圖來看，系統(tǒng)完整且成垂直狀態(tài)，東部副熱帶高壓外沿處于日本海至朝鮮半島地區(qū)，對冷渦槽線東移產(chǎn)生阻擋作用。此外，在700 hPa 副熱帶高壓西北側(cè)遼寧中部地區(qū)上空可見存在一支風(fēng)速大于14 m/s的西南東北向急流，急流核最大風(fēng)速20 m/s，由于急流輻合抬升作用，有利于結(jié)合降水區(qū)的冷空氣和水汽。強(qiáng)對流降水一般是在大尺度環(huán)流背景下，由其分裂的或嵌入的中小尺度系統(tǒng)直接造成的。低層850 hPa內(nèi)蒙古中部到華北北部地區(qū)小波動(dòng)槽活躍，不斷有小波動(dòng)槽東移匯入分裂形成的東北冷渦南部槽中，對冷空氣進(jìn)行補(bǔ)充。降水期間，500 hPa和700 hPa槽處于遼寧西部和華北地區(qū)，槽前西南暖濕氣流明顯，底層850 hPa冷暖空氣交匯于降水區(qū)上空，產(chǎn)生強(qiáng)雷雨。

從7月9日8：00沿41.8°N渦度垂直剖面圖（圖2a，b）可以看出，在中高層300～200 hPa，位于112°E～120°E和123°E～132°E范圍內(nèi)各存在一個(gè)正渦度中心，中心最大正渦度值分別達(dá)到14×10-5/s和16×10-5/s。至9日20：00，原來112°E～120°E的正渦度中心分裂為2個(gè)較弱的正渦度中心，渦度值分別為12×10-5/s和6×10-5/s，且高度降基本不變。處于123°E～132°E的正渦度中心東移至133°E～136°E，范圍收窄，并出現(xiàn)了大于18×10-5/s的正渦度中心。而從相同時(shí)刻經(jīng)過相同位置的垂直速度場上來看（圖3a，b），7月9日8：00位于桃仙機(jī)場上游800 hPa以下105°E～110°E和117°E～123°E 2個(gè)區(qū)域分別存在明顯的復(fù)合上升區(qū)，這與7月9日8：00渦度場垂直剖面中2個(gè)正渦度大值區(qū)的東部正渦度大值區(qū)相對應(yīng)。另外，在同一時(shí)次的600 hPa以下124°E～133°E范圍內(nèi)存在明顯的下沉輻散區(qū)，同樣和同一時(shí)次的渦度剖面這一區(qū)域的另一個(gè)正渦度大值區(qū)相對應(yīng)。到7月9日20：00，垂直速度場位于105°E～110°E的上升復(fù)合區(qū)抬升到700 hPa附近，顯示上升加強(qiáng)的趨勢。這種中層正渦度大值區(qū)配合上游抬升下游沉降的流場形勢，有利于暴雨形成的前期水汽輻合及能量聚集。

2 中尺度對流條件分析

強(qiáng)對流的產(chǎn)生需要比較好的動(dòng)力條件、大氣的不穩(wěn)定層結(jié)以及充沛的水汽。分析2017年7月9日8：00和20：00探空資料可知，強(qiáng)雷雨前期，中低層濕度較大，垂直方向上925～700 hPa風(fēng)速切變明顯，500 hPa附近存在干空氣層，這種中低層上干下濕的結(jié)構(gòu)有利于對流發(fā)展，并產(chǎn)生較強(qiáng)降水。

2017年7月9日14時(shí)沈陽上空CAPE指數(shù)達(dá)到了2 400 J/kg，K指數(shù)為37.5℃。而從9日△θse（500a-850 hPa）分布（圖4a，4b）可以看出，9日8：00沈陽地區(qū)△θse（500a-850 hPa）均為負(fù)值，且異常偏小，最低值為-16℃，9日20：00后才變大，表明強(qiáng)降雨發(fā)生前后沈陽地區(qū)上空均表現(xiàn)為層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)，且強(qiáng)雷雨位于低值區(qū)前方或附近。在低層小槽不斷擾動(dòng)侵入，同時(shí)配合不穩(wěn)定能量釋放的作用下，沈陽桃仙機(jī)場出現(xiàn)了對流性強(qiáng)降水。

3 擾動(dòng)變量場分析

擾動(dòng)變量可以清晰地反映出大尺度天氣背景下中小尺度天氣異常加劇或減弱等變化，從圖5可以看出900～800 hPa和500～300 hPa 2個(gè)高度層存在明顯的正渦度擾動(dòng)大值區(qū)，而200～300 hPa高度為負(fù)渦度擾動(dòng)大值區(qū)，濕度擾動(dòng)顯示在在300～500 hPa存在一干區(qū)，配合200～400 hPa溫度擾動(dòng)項(xiàng)出現(xiàn)的暖頂，這種高層強(qiáng)烈擾動(dòng)輻散，中低層強(qiáng)烈擾動(dòng)輻合的配置結(jié)構(gòu)造成了強(qiáng)雷雨區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)盛的上升氣流；擾動(dòng)濕度場表明，強(qiáng)雷雨區(qū)在中低層水汽輸送加大，并有較大的正水汽通量擾動(dòng)輻合；而擾動(dòng)溫度場從垂直方向看，高層的暖性異常和底層的冷性異常，應(yīng)該是強(qiáng)雷雨中高層潛熱釋放及中低層冷空氣不斷侵入造成的。因此，該次過程的大氣環(huán)境擾動(dòng)疊加誘發(fā)了強(qiáng)雷雨的產(chǎn)生。

4 小結(jié)

（1）該次強(qiáng)降水是在副熱帶高壓阻擋下的冷渦天氣形勢下產(chǎn)生的，阻擋作用對于冷渦的加深有一定的促進(jìn)多用，同時(shí)高空急流的加強(qiáng)對于水汽的補(bǔ)充與輸送起到了關(guān)鍵作用，活躍的短波槽一方面帶來了源源不斷的冷空氣，另一方面槽前的西南氣流也起到了補(bǔ)充水汽的效果。

（2）強(qiáng)降水產(chǎn)生前后中低層的風(fēng)速切邊和500 hPa干空氣層，使得降水區(qū)上空產(chǎn)生了上濕下干的不穩(wěn)定層結(jié)均有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

（3）通過分析擾動(dòng)變量發(fā)現(xiàn)，疊加大尺度系統(tǒng)下的從低層到中高層的正負(fù)渦度變化以及濕度擾動(dòng)共同誘發(fā)了該次強(qiáng)降水的產(chǎn)生，降水落區(qū)位于擾動(dòng)大值區(qū)中間位置。

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責(zé)任編輯：劉赟