冷渦天氣過程分析

朱凱全 張宏偉

摘要 2017年7月9日沈陽桃仙機場經歷了一次冷渦降水天氣過程，伴有強雷雨、冰雹等極端天氣現象。利用NCEP再分析資料，從環境場特征、中尺度結構和發生、發展過程及可能的觸發機制等方面，對民航業務預報中的難點——東北冷渦引發的低層短波槽型對流性暴雨的典型個例進行了分析。結果表明：上干下濕的不穩定層結配置結構，以及中低層擾動帶來的渦度場的適時增強是產生強降水的必要條件。

關鍵詞 冷渦；強雷雨；中尺度；短波槽

中圖分類號：P481 文獻標識碼：A 文章編號：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

冷渦是大尺度環流形勢在東北地區特定條件下的產物，冷渦的形成、滯留和填塞對大氣環流起著重要的反饋作用。作為東北地區主要天氣系統之一，冷渦天氣在各季均會出現，雷暴日多由冷渦引發，其出現的頻次雖因不同年份而變化較大，但其所產生的中小尺度天氣對人們的生產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，下同），沈陽桃仙機場經歷了一次中雷雨至強雷雨過程，累計降水量18.2 mm。該次過程最強降水時段為9日15：42—15：58及10日0：08—2：58。過程主要特點表現為雨量集中、雨勢強、局地性明顯、強降水持續時間較短，給桃仙機場航班的運行造成了嚴重影響，導致航班返航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行了分析，旨在為該類天氣的預警工作提供參考。

1 環流背景及渦度收支

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

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范圍內各存在一個正渦度中心，中心最大正渦度值分別達到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，并出現了大于18×10-5/s的正渦度中心。而從相同時刻經過相同位置的垂直速度場上來看（圖3a，b），7月9日8：00位于桃仙機場上游800 hPa以下105°E～110°E和117°E～123°E 2個區域分別存在明顯的復合上升區，這與7月9日8：00渦度場垂直剖面中2個正渦度大值區的東部正渦度大值區相對應。另外，在同一時次的600 hPa以下124°E～133°E范圍內存在明顯的下沉輻散區，同樣和同一時次的渦度剖面這一區域的另一個正渦度大值區相對應。到7月9日20：00，垂直速度場位于105°E～110°E的上升復合區抬升到700 hPa附近，顯示上升加強的趨勢。這種中層正渦度大值區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

強對流的產生需要比較好的動力條件、大氣的不穩定層結以及充沛的水汽。分析2017年7月9日8：00和20：00探空資料可知，強雷雨前期，中低層濕度較大，垂直方向上925～700 hPa風速切變明顯，500 hPa附近存在干空氣層，這種中低層上干下濕的結構有利于對流發展，并產生較強降水。

2017年7月9日14時沈陽上空CAPE指數達到了2 400 J/kg，K指數為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△θse（500a-850 hPa）均為負值，且異常偏小，最低值為-16℃，9日20：00后才變大，表明強降雨發生前后沈陽地區上空均表現為層結不穩定狀態，且強雷雨位于低值區前方或附近。在低層小槽不斷擾動侵入，同時配合不穩定能量釋放的作用下，沈陽桃仙機場出現了對流性強降水。

3 擾動變量場分析

擾動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個高度層存在明顯的正渦度擾動大值區，而200～300 hPa高度為負渦度擾動大值區，濕度擾動顯示在在300～500 hPa存在一干區，配合200～400 hPa溫度擾動項出現的暖頂，這種高層強烈擾動輻散，中低層強烈擾動輻合的配置結構造成了強雷雨區出現強盛的上升氣流；擾動濕度場表明，強雷雨區在中低層水汽輸送加大，并有較大的正水汽通量擾動輻合；而擾動溫度場從垂直方向看，高層的暖性異常和底層的冷性異常，應該是強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，該次過程的大氣環境擾動疊加誘發了強雷雨的產生。

4 小結

（1）該次強降水是在副熱帶高壓阻擋下的冷渦天氣形勢下產生的，阻擋作用對于冷渦的加深有一定的促進多用，同時高空急流的加強對于水汽的補充與輸送起到了關鍵作用，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充水汽的效果。

（2）強降水產生前后中低層的風速切邊和500 hPa干空氣層，使得降水區上空產生了上濕下干的不穩定層結均有利于強降水的產生。

（3）通過分析擾動變量發現，疊加大尺度系統下的從低層到中高層的正負渦度變化以及濕度擾動共同誘發了該次強降水的產生，降水落區位于擾動大值區中間位置。

參考文獻

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責任編輯：劉赟