黑龍江省一次大暴雨干侵入特征分析

孟瑩瑩，袁美英，李樹嶺

(1.黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱150030；2.哈爾濱市氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱150028)

1 引言

暴雨是東北地區(qū)主要災(zāi)害性天氣之一，以局地暴雨出現(xiàn)次數(shù)最多，其次是區(qū)域性暴雨，特大范圍暴雨最少[1]。早期研究發(fā)現(xiàn)，東北暴雨主要是西風(fēng)帶、副熱帶和熱帶環(huán)流系統(tǒng)相互作用的結(jié)果[2-4]。西風(fēng)帶中的東北冷渦（及其低槽）是直接帶來暴雨的重要影響系統(tǒng)[5]，而副熱帶高壓是起穩(wěn)定作用的重要環(huán)流系統(tǒng)，其南北位置同時(shí)也是制約水汽輸送的主要條件[6]。另外，熱帶氣旋（或臺(tái)風(fēng)）對(duì)水汽和熱帶擾動(dòng)能量向中緯度的遠(yuǎn)距離輸送對(duì)東北暴雨形成也具有重要作用[7-8]。

21世紀(jì)以來，干侵入對(duì)暴雨的作用得到了廣泛地研究。干侵入是具有高位渦的干冷空氣的入侵和下傳，在水汽圖像上表現(xiàn)為暗灰色或近黑色的點(diǎn)狀或帶狀區(qū)域，其對(duì)氣旋的生成和發(fā)展，低渦降水的產(chǎn)生、發(fā)展和維持都起著促進(jìn)作用[9-10]；吳迪等[11]研究表明，干侵入為東北冷渦發(fā)展創(chuàng)造了不穩(wěn)定層結(jié)條件，同時(shí)也是激發(fā)冷渦發(fā)生、發(fā)展的動(dòng)力條件之一。2017年8月3日黑龍江省的大暴雨是近幾年比較罕見的區(qū)域性大暴雨過程。本文利用常規(guī)氣象站觀測(cè)資料、歐洲中心ERA-Interim再分析資料結(jié)合FY2F云圖資料，分析和探討了本次暴雨過程的成因及其干侵入特征和作用。

2 降水實(shí)況

2017年8月3日，黑龍江省中西部出現(xiàn)暴雨到大暴雨天氣。從3日08時(shí)至4日08時(shí)24 h累計(jì)降水量來看，齊齊哈爾南部、大慶、綏化、哈爾濱西部的暴雨（≥50 mm）區(qū)連成一片，甚至在大慶至綏化一帶出現(xiàn)西南-東北向的大暴雨（≥100 mm）區(qū)，最大降水出現(xiàn)在綏化安達(dá)市的昌德站，24 h累計(jì)雨量為165 mm。強(qiáng)降水集中時(shí)段為3日23時(shí)至4日03時(shí)，其中最大小時(shí)雨強(qiáng)在綏化市安達(dá)站，為51 mm/h。可見本次降雨具有強(qiáng)度大、覆蓋范圍廣、時(shí)段集中的特點(diǎn)。

3 形勢(shì)場(chǎng)和云圖特征

3.1 大尺度環(huán)流形勢(shì)

本次暴雨主要是由華北上空的低槽以及地面低壓東移至黑龍江地區(qū)加強(qiáng)發(fā)展產(chǎn)生的。2日14時(shí)暴雨前期，500 hPa上可見臺(tái)風(fēng)“海棠”殘渦北上并入內(nèi)蒙古中部上空的低槽，低槽加深發(fā)展，在華北地區(qū)形成一個(gè)南北向的深槽。3日20時(shí)該深槽東移至渤海上空，此時(shí)西太平洋副熱帶高壓脊線西伸北抬。與高空槽相對(duì)應(yīng)，地面低壓移動(dòng)至內(nèi)蒙與東三省交界處，中心氣壓992.5 hPa，此時(shí)低壓前部開始影響黑龍江省西部地區(qū)。由于副熱帶高壓穩(wěn)定少動(dòng)，受其阻擋，低槽移動(dòng)緩慢，4日02時(shí)低槽移動(dòng)至黑龍江西部上空，地面低壓則控制黑龍江中西大部地區(qū)，且中心強(qiáng)度增強(qiáng)至990 hPa，此時(shí)降雨達(dá)到最強(qiáng)，該時(shí)段黑龍江省內(nèi)出現(xiàn)大于40 mm的短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)最多，共有4站。另外，高空槽前的低層850 hPa上為偏南急流，3日14時(shí)中心最大風(fēng)速已達(dá)到28 m/s以上，較強(qiáng)的偏南急流為本次暴雨提供充足的水汽和熱力條件，且其北側(cè)西南與偏東風(fēng)輻合也為暴雨產(chǎn)生提供動(dòng)力條件。

3.2 水汽條件

西伸北抬的副熱帶高壓邊緣的偏東轉(zhuǎn)偏南風(fēng)和海上臺(tái)風(fēng)“奧鹿”的遠(yuǎn)距離輸送，為本次暴雨過程供應(yīng)了充足的水汽。環(huán)流形勢(shì)分析可見水汽主要來自對(duì)流層中低層，850 hPa水汽輸送場(chǎng)有兩支明顯的水汽輸送通道，一支是高空低槽與副熱帶高壓之間的偏南低空急流輸送來自南部海上的水汽，另一支是臺(tái)風(fēng)“奧鹿”與副熱帶高壓之間的偏東氣流輸送來自日本南部西北太平洋和東海的水汽，與第一支在渤海地區(qū)匯合后向北流入暴雨區(qū)，遇到暴雨區(qū)北部的偏東氣流形成水汽輻合。在降水最強(qiáng)時(shí)段（4日02時(shí)），強(qiáng)降水區(qū)位于水汽通量大值中心附近，與水汽通量輻合中心位置基本重合。

3.3 云圖特征

如圖1所示，4日02時(shí)云頂亮溫（下稱TBB）圖顯示有逗點(diǎn)云系產(chǎn)生，逗點(diǎn)云頭部控制在黑龍江中西部地區(qū)上空，其中鑲嵌多個(gè)小對(duì)流云團(tuán)，中心TBB值最低可達(dá)-52℃。降水大值區(qū)（大于10 mm/h）呈帶狀沿著對(duì)流云團(tuán)南部TBB梯度大值區(qū)分布，而短時(shí)強(qiáng)降水（大于20 mm/h）站點(diǎn)集中分布在逗點(diǎn)云系頭部尖角附近，位于地面低壓中心附近東北象限上，與大暴雨產(chǎn)生位置相一致。另外，在降水區(qū)南部，低空急流所在區(qū)域上空，有一明顯西南-東北走向的干區(qū)，隨著云圖演變，該干區(qū)前沿不斷向東北方向侵入逗點(diǎn)云系頭部。在水汽云圖上，該干區(qū)表現(xiàn)為暗灰色，表明低空暖濕急流上空對(duì)應(yīng)有高層干冷空氣的侵入。

圖1 4日02時(shí)TBB（陰影,單位:℃）、1小時(shí)降水量大于10 mm的站點(diǎn)分布（散點(diǎn),單位:mm）、海平面氣壓場(chǎng)（實(shí)線,單位:hPa）和850 hPa風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)向桿,虛線為大于12 m/s的等風(fēng)速線,單位:m/s）

4 高空急流及干侵入特征

4.1 高空急流

水汽云圖結(jié)合物理量場(chǎng)分析表明，高空急流對(duì)干侵入和暴雨的形成具有重要作用。如圖2所示，3日20時(shí)水汽圖像在40°-50°N之間有兩個(gè)明顯的干帶（暗區(qū)）存在，偏西的干帶位于新疆東北部與內(nèi)蒙交界附近，呈東西走向，偏東的干帶則呈西南-東北走向位于地面低壓西南部，對(duì)應(yīng)圖1中的低空急流上空無云區(qū)。偏西的干帶300 hPa上空有高位渦中心（中心值為5 PVU），配合200 hPa的高空急流，是典型的具有高位渦的動(dòng)力干帶。高空急流在地面低壓后部斷裂形成東、西兩支，其中西支的高空急流出口區(qū)右側(cè)為下沉氣流（400 hPa中心值為0.18 Pa/s），可將兩干帶中干冷空氣以及偏西的干帶中的高位渦帶入地面低壓后部的中低層大氣中，而東支高空急流的入口區(qū)右側(cè)的上升氣流區(qū)剛好對(duì)應(yīng)地面低壓前部的暴雨區(qū)，利于增強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)。

圖2 3日20時(shí)水汽圖像疊加300 hPa位渦（實(shí)線,單位:1 PVU,1 PVU=10-6 m2·s-1·K·kg-1）、200 hPa急流（風(fēng)向桿,單位:＞32 m/s）和400 hPa下沉速度（虛線,單位:10-2 Pa/s）

4.2 干侵入作用分析

干侵入是對(duì)流層高層或平流層向低層下沉的高位渦、干冷氣流[10]，因此本文用相對(duì)濕度小于50%和位渦值大于1 PVU的區(qū)域來代表干侵入。沿著各時(shí)次的地面低壓所在緯度（表1）做相對(duì)濕度、位渦、假相當(dāng)位溫和風(fēng)場(chǎng)的緯向剖面圖，可見3日08-14時(shí)（圖略）地面低壓以西對(duì)流層中高層，有位渦高能舌向東向下伸展，并從低壓后部侵入低壓中心，地面低壓中心上空位渦不斷增強(qiáng)，如圖3a所示，4日02時(shí)2 PVU位渦柱厚度已從900 hPa延伸至600 hPa，而中低層位渦的增強(qiáng)，將在其下層引起一個(gè)正渦度疊加在地面低壓處，使地面低壓不斷加強(qiáng)發(fā)展，低壓前方的垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，850 hPa垂直運(yùn)動(dòng)中心強(qiáng)度由3日14時(shí)的-1.26 Pa/s加強(qiáng)到4日02時(shí)的-1.80 Pa/s，為暴雨提供動(dòng)力條件。表1可見，3日08時(shí)至4日02時(shí)，隨著高位渦不斷下傳，地面低壓中心值也持續(xù)下降，4日02時(shí)中心氣壓已低至990 hPa，此時(shí)降水達(dá)到最強(qiáng)。

表1 3日08時(shí)至4日02時(shí)地面低壓中心強(qiáng)度和位置

干侵入將高位渦帶入低層大氣的同時(shí)，也將干冷空氣帶入地面低壓中。干舌（相對(duì)濕度小于50%）與高位渦區(qū)相伴，一直隨地面低壓中心移動(dòng)，如圖3a所示，4日02時(shí)干舌從對(duì)流層頂向下伸展至700 hPa附近，表明不斷有高層干冷空氣從地面低壓后部入侵。如圖3b所示，在低層925-850 hPa上均出現(xiàn)了“相對(duì)干舌”自低壓后部向低壓的東北方向延伸，其北側(cè)為強(qiáng)降水區(qū)域，表明高層干冷空氣侵入，并疊加于低層高溫、高濕的低空急流之上，為強(qiáng)降雨的產(chǎn)生提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。3日08時(shí)至14時(shí)地面低壓中心上空假相當(dāng)位溫隨高度下降，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，而3日20時(shí)至4日02時(shí)，由于上升運(yùn)動(dòng)引起大氣的強(qiáng)烈混合，使對(duì)流層中高層假相當(dāng)位溫升高。

圖3 4日02時(shí)（a）沿地面低壓中心的相對(duì)濕度（陰影,單位:%）、位渦（實(shí)線,單位:1 PVU）和假相當(dāng)位溫（虛線,單位:K）緯向剖面圖和（b）850 hPa相對(duì)濕度（陰影,單位:%）、垂直速度（等值線,單位:10-2 Pa/s）和風(fēng)場(chǎng)

4.3 干冷空氣源地

本文通過等熵面物理量場(chǎng)分析[12]追溯了干冷空氣的源地，用相對(duì)濕度小于10%的作為干冷空氣中心。如圖4a所示，2日08時(shí)340 K等熵面上可見，在巴爾喀什湖附近有強(qiáng)勁的西北氣流攜帶高層的干冷空氣流向較低層，入我國境內(nèi)轉(zhuǎn)為西風(fēng)氣流，干冷空氣隨著西風(fēng)氣流不斷向東輸送，分別在新疆上空和西藏至內(nèi)蒙西部上空形成兩支干冷空氣帶。隨后兩干冷空氣帶不斷東移，3日20時(shí)其位置、走向均與圖2中水汽圖像上的暗區(qū)相一致，隨后兩支干冷空氣在吉林上空匯合并流向黑龍江西南部地區(qū)，形成本次暴雨的干侵入。如圖4b所示，4日02時(shí)地面低壓的后部為明顯干區(qū)，偏西風(fēng)穿越等位勢(shì)高度線從高位勢(shì)指向低位勢(shì)，表明持續(xù)有高層干冷空氣沿著等熵面下滑，從低壓后部侵入地面低壓中心附近，干冷空氣前沿已移入并控制黑龍江西南地區(qū)，此時(shí)剛好對(duì)應(yīng)最強(qiáng)降水。

圖4 （a）2日08時(shí)和（b）4日02時(shí)340 K等熵面上相對(duì)濕度（陰影,單位:%）、風(fēng)場(chǎng)（風(fēng)矢量,單位:m/s）和位勢(shì)高度場(chǎng)（實(shí)線,單位:10 gpm）

5 小結(jié)

（1）本次過程為一次區(qū)域性大暴雨天氣過程，具有降雨強(qiáng)度大、范圍廣、時(shí)段集中的特點(diǎn)。

（2）暴雨主要是由上游華北上空的低槽以及地面低壓東移至黑龍江地區(qū)加強(qiáng)發(fā)展產(chǎn)生的；低空強(qiáng)暖濕急流為暴雨提供充足的水汽和熱力條件；西伸北抬的副熱帶高壓邊緣偏東轉(zhuǎn)偏南氣流和海上臺(tái)風(fēng)“奧鹿”為本次暴雨過程供應(yīng)了充足的水汽。

（3）云圖上，強(qiáng)降水區(qū)呈帶狀分布于逗點(diǎn)云系頭部的對(duì)流云團(tuán)南部TBB梯度大值區(qū)附近，位于地面低壓中心前東北象限上；水汽云圖上，低空暖濕急流上空有高層干冷空氣的侵入。

（4）中緯度高空急流對(duì)暴雨的產(chǎn)生具有重要作用，一方面為干冷空氣的入侵提供動(dòng)力條件，另一方面增強(qiáng)了低壓前部暴雨區(qū)的垂直上升運(yùn)動(dòng)。

（5）干侵入對(duì)暴雨的作用，一方面高位渦的下傳引起對(duì)流層中下層正的位渦異常，誘發(fā)地面低壓加強(qiáng)發(fā)展，為暴雨的產(chǎn)生提供垂直上升運(yùn)動(dòng)條件；另一方面干冷空氣從低壓后部侵入低壓中心并疊加在低層暖濕急流上，為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。

（6）本次干侵入的源頭是巴爾喀什湖附近的對(duì)流層頂?shù)母衫淇諝猓芍懈呔暥任黠L(fēng)氣流遠(yuǎn)距離輸送而來。