8月內蒙古東部兩次高空低渦型降雨對比分析

王 穎，趙春亮

（1.呼倫貝爾市氣象臺，內蒙古 呼倫貝爾 021000;2.新巴爾虎左旗氣象局，內蒙古 呼倫貝爾 021200）

1 引言

內蒙古東部的呼倫貝爾草原和大興安嶺林區屬于中國北方重要的生態屏障，具有干旱、半干旱的氣候， 近年來氣候的干暖加劇了內蒙古東部地區的干旱化程度[1-2]，可見降水對于生態環境、水資源和農牧業生產的影響不容忽視。 內蒙古大興安嶺東麓平均年降雨量內蒙古自治區最多[3]，為400-500 mm，本文研究的2020年8月中上旬連續2 次高空低渦影響下的顯著降雨過程極少見， 降雨范圍覆蓋全市并有效的緩解了大部地區的旱情。 統計表明，該時段全市平均降水量較常年（1991-2020年）平均異常偏多，降水距平百分率達到87.9 %， 呼倫貝爾市西部累計降水量達到常年的2-3 倍，對牧草生長發育十分有利，但強降雨和大風造成局部地區房屋倒塌、 農作物受災、供電設施損毀嚴重。

夏季暴雨和強對流天氣的研究一直是天氣預報業務中的重點和難點[4-5]。 近年來，對于強對流天氣個例已有諸多研究， 并逐漸擴展到兩次過程的對比分析。 武威等[6]從環境條件和中尺度特征等方面對比討論了東北冷渦背景下冷平流強迫出現的混合對流和橫槽南下及暖濕氣流引起的濕對流。 高曉梅等[7]指出上干下濕的對流不穩定層結結構和濕度層厚是兩次過程出現短時強降水的關鍵因素。 田付友[8]認為普通的短時強降水可以出現在只具有強烈動力抬升和充足水汽的環境中， 潛在熱力不穩定條件并非必要條件。 孟瑩瑩[9]討論了干冷空氣侵入在大暴雨天氣中的動力作用。 然而對于相鄰時段內相似天氣系統影響下不同性質天氣過程對比分析極少， 且該時段正值汛期關鍵期， 持續性強降雨天氣和大風對人民生產生活極為不利，且易引發洪澇和中小河流洪水、山洪等次生災害， 因此對比分析其成因和特征對于提升內蒙古東部強對流天氣的監測預警、 總結預報經驗和提升防災減災能力具有重要意義。

2 資料說明

所用資料包括：歐洲中心ERA5 再分析資料（空間分辨率0.25°×0.25°，時間分辨率3 h）；多普勒天氣雷達資料； 呼倫貝爾市266 個自動監測站的降雨量數據（含16 個國家站，考核站占比90.6%）、170 個風氣象監測站（考核站占83.0%）及5 個國家站的日平均氣溫和日平均相對濕度數據。

3 過程概述及特點

在2020年8月一周時間內，呼倫貝爾市經歷了兩次明顯的降雨過程，兩次過程累計雨量均較大，但降雨落區不同，且降雨性質具有顯著的差異。 以下將8月7日20 時-9日20 時的降雨過程簡稱為 “過程一”，將8月12日20 時-14日08 時的降雨過程簡稱為“過程二”。

過程一：48 h 內呼倫貝爾市266 個監測站共252個站有降雨（圖1a），區域內平均降雨量22.7 mm。 最大降雨量出現在扎蘭屯市鄂倫春鄉道南村為106.5 mm，其小時雨強為最大達48 mm/h（9日05-06 時）。13 個旗（市、區）中有9 個旗（市、區）的區域站監測到短時強降水天氣的出現， 強降雨多集中在中部和東南部地區，中部一帶伴隨密集的雷電活動（圖略）。

過程二：36 h 內呼倫貝爾市266 個監測站共248個站有降雨（圖1b），降雨自西向東發展，區域內平均降雨量20 mm。 最大降雨量出現在鄂溫克族自治旗好力堡為55.1 mm，最大小時雨強出現在新巴爾虎右旗甲烏拉礦區13日06-07 時為15.9 mm/h， 均為穩定性降雨，降雨主要集中在西部和東南部，無明顯雷電活動（圖略）。

圖1 2020年8月（a）7日20 時-9日20 時（b）12日20 時-14日08 時累計降雨量

總體而言， 兩次過程均具有降雨強度大 （見表1），持續時間長的特點。 過程一主要為短時強降水和雷暴天氣，災害性天氣強度大，局地性特征明顯。 過程二以系統穩定性降雨為主，29%的風氣象監測站監測到極大風速達到7 級以上（見表2）。兩次過程主雨區不同，但10 mm 以上降雨落區基本覆蓋全市，使得嶺西旱情得到緩解， 同時也不至于使得嶺東雨量過大造成農田洪澇災害和過濕墑情。

表1 兩次過程不同區間降雨量出現站次數對比(站)

表2 兩次過程不同風力出現站次數對比(站)

4 天氣學特征分析

4.1 大尺度天氣背景

過程發生前和持續期間500 hPa 環流45 °N 以北呈經向型，冷空氣活動頻繁。 兩個過程環流特征均表現為在貝加爾湖東部有高空低渦形成 （圖2a、d），溫度場落后于高度場， 在槽后偏北氣流引導下冷空氣向槽區中輸送利于其進一步加深發展。 在槽前正渦度平流的作用下，促進低空低渦（圖2b、e）和地面氣旋（圖2c、f）發展。 值得一提的是，兩次過程中低渦的位置和形態、溫壓場的配置有所差異。 過程一中低渦位置略偏北，低層暖脊（16 ℃）北伸，在溫壓場配置下低層受暖平流區控制， 非常有利于對流不穩定層結的建立。 而過程二副熱帶高壓發展強盛，其高壓脊在日本海附近形成高壓壩，低渦位置偏南，且表現為冷性（12 ℃）低渦的控制，層結較為穩定，副高外圍的持續的水汽供應和形成的阻擋形勢促進降水長時間持續。 這是造成降雨性質顯著不同的重要原因。

圖2 2020年8月8日14 時高度場和溫度場（a）500 hPa（b）850 hPa，填色區域為低空急流（c）海平面氣壓場2020年8月13日20 時高度場和溫度場（d）500 hPa（e）850 hPa，填色區域為低空急流（f）海平面氣壓場

海平面氣壓場的差異體現為， 過程一為低壓倒槽的影響，說明低層暖氣團強盛，利于暖區對流，8日14 時（圖2c）可見冷鋒已位于呼倫貝爾市西部，冷鋒過境帶來西北向風力增強。 過程二為發展完好的鋒面氣旋，在氣旋發展加強的過程中，加上氣溫的日變化特征，促進中午前后地面風力加大，呼倫貝爾市位于氣旋頂前部， 西部大范圍測站監測到平均風力達到6 級以上的東南向大風。

4.2 中尺度特征分析和水汽條件

8月7日夜間-8日凌晨、午后和9日凌晨，呼倫貝爾市西中部、 西北部和東南部多地自動氣象站分別監測到短時強降水。 過程一7日20 時（圖3a）和8日20 時（圖略）兩時次中尺度分析可以看出系統具有中層后傾，低層前傾的結構，一方面有利于中層干冷空氣的侵入， 同時與低層暖脊的發展進一步促進對流不穩定度的增大， 另一方面表明低層的動力抬升作用較明顯， 較強的上升運動是強對流天氣重要成因之一。其次，急流的建立（圖2b）有利于強降雨的出現， 強降雨主要出現在急流頭部或左前側氣旋性輻合區域內，以及中尺度輻合線附近，中尺度輻合線是激發對流的主要原因，但水汽通量情況（圖4a）表明沒有建立完整的水汽通道，沒有充足的水汽來源，水汽通道主體達到10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上且隨系統移動較快。 圖3a 中超過28 ℃的850 hPa 與500 hPa溫度差也是不穩定能量積聚的重要體現， 促進了呼倫貝爾市中南部出現密集的雷暴活動（圖3a）。 8日20 時全市大部具備上干冷下暖濕的溫濕層結， 是較強對流潛勢表現之一。

圖3 （a）8月7日20 時（b）8月13日20 時中尺度分析圖

與過程一不同， 過程二的系統結構低層則表現為明顯的后傾結構，上升運動明顯弱于過程一，且低層風場輻合特征不明顯（圖4b），動力條件不利于對流性降雨天氣的出現，但在強盛的低空急流作用下，加之中午時段湍流作用加強，動量更易傳遞，在急流帶下的近地面出現東南大風天氣。 圖4b 可見完整的水汽通道自西南向東北輸送，經渤海、日本海得到加強，在遼寧一帶中心強度達到40 g·s-1·cm-1·hPa-1，呼倫貝爾市受持續東南氣流影響， 全市大范圍地區達到10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上， 中西部地區存在水汽通量大值區， 充足的水汽供應和較厚的濕層是過程二持續性降雨的主要原因。 兩過程的降雨區域內比濕在9-11 g/kg （圖略） ,因此比濕的大小對于是否產生對流性天氣而帶來更大量級的降雨并無指示意義。

圖4 （a）8月7日20 時（b）8月13日20 時水汽通量場

4.3 熱力和不穩定條件分析

假相當位溫作為反映大氣不穩定能量的一個溫濕特征量，是暴雨預報中重要的物理量，圖5 表明，過程一中呼倫貝爾市西部有高能區 （局地超過340 K），且自西向東擴展，全市大范圍達到328 K 以上，過程二中假相當位溫基本在328 K 以下， 因此過程一比過程二具備更高的能量。 7日20 時海拉爾站探空曲線可以看到， 夜間仍具有較高的不穩定能量，CAPE 達到572 J/kg，K 指數達到39.8 ℃， 說明已具備不穩定的溫濕層結， 小于零的SI 和LI 指數表明雷暴出現概率高， 均對對流性天氣有較好的指示意義。過程二與過程一不同，300 hPa 以下溫度露點差＜1℃，甚至接近于0 ℃，深厚的濕層表明水汽條件充沛，但各項能量指數較低和抬升指標值較高表明對流潛勢弱，均是穩定性降雨的天氣成因。 二者均有較高的零度層和-20 ℃層高度，不利于冰雹天氣的出現。

圖5 （a）8月7日20 時（b）8月13日20 時假相當位溫場

4.4 雷達回波演變特征

在上述大尺度和中尺度天氣背景下， 海拉爾多普勒天氣雷達監測到了云雨回波特征（圖略）。 過程一組合反射率圖表現為積狀云-層狀云混合的絮狀回波，以積云為主，南部的對流單體向北移動。 過程二則為層狀云回波，產生穩定性降雨，且出現了速度模糊（圖略），存在低空東南偏南風急流。二者的VAD風廓線也具有顯著的差異（圖略），過程一邊界層的東南風與中層的西南風形成較大的垂直風切變，是對流性天氣的重要特征；過程二為一致的東南-南風氣流，一方面利于濕層的加深，另一方面利于動量下傳加大近地層風力，同時近地層有西北氣流的侵入，是本次穩定性降雨的動力抬升條件。

4.5 其他成因

前期大氣的溫濕狀況對于后期天氣的形成也有著不可分割的作用。 對于兩次過程發生前近地層的溫濕狀況有明顯的區別（圖6），在過程一發生前以及持續期間， 各站氣溫維持在18-21 ℃（鄂倫春自治旗除外，此站局地對流活動不明顯），相對濕度在75-95 %，具備高溫高濕的條件，在過程一結束后的8月9-11日，氣溫下降2-4 ℃，相對濕度下降10-20 %，下墊面能量條件不足以給隨后12-14日的對流性天氣創造條件。

圖6日平均相對濕度和平均氣溫的日變化特征

5 降雨落區差異的討論

通過加密自動氣象站12 h 降雨落區資料， 結合海平面氣壓場和地形的關系（圖略）得出，過程一降雨出現在低壓區及前側的暖區里， 隨著系統進一步向東北方向移動，降雨區也進一步北移，而12 h 內大到暴雨出現在其前側暖區氣流與大興安嶺地形相互作用的區域。 過程二氣旋的位置較過程一偏南，降雨出現在氣旋的頂前部， 中到大雨出現在氣旋頂部風場輻合區內以及頂前部與地形有交角的區域內，隨著系統東移， 呼倫貝爾市轉為氣旋后部東北氣流的影響， 中到大雨降雨區域與地形的密切關系仍較為突出。

因此， 地面低壓或氣旋的位置及強度對于主雨區的位置有直接影響， 主雨區降雨強度除了與低壓或氣旋強度有關， 還與可能出現的降雨性質密切相關。 除了地形對暖濕氣流的抬升而產生的地形增幅外， 主雨區可能出現在低壓或氣旋的前部水汽通道上，或出現在其頂前部有一定風場輻合的區域內。

6 討論與結論

(1)高、低空低渦的垂直結構和溫壓場配置構成降雨性質差異的主因。 過程一大尺度的環境背景場表現為中層后傾，低層前傾的垂直結構，以及低層強盛暖平流均是增強不穩定度的成因， 同時促進強盛上升運動的發展。 過程二表現為冷性渦旋影響，具有較弱的垂直風切變。

(2)過程一中沒有建立完整水汽通道，南風急流下有水汽通量10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上區域隨系統移動較快；過程二表現為持續的水汽供應，東南風急流下全市大范圍水汽通量達到10 g·s-1·cm-1·hPa-1以上，部分區域超過15 g·s-1·cm-1·hPa-1。

(3)相比水汽條件，過程一的優勢是具備更高的不穩定能量，850 hPa 假相當位溫可以達到336 K 以上，K 指數達到39.8 ℃，SI 指數達到-3 ℃，前期大氣的溫濕狀況對于后期天氣的形成也有著不可分割的作用，高溫高濕的環境更有利于對流性天氣的發生，因而降雨特征表現為小時雨強大，累積雨量多，局地性特征明顯； 過程二中850 hPa 假相當位溫在330K以下，K 指數為31.6 ℃，SI 指數4.09 ℃， 降雨為穩定性降雨，沒有出現短時強降水天氣。

(4)過程一具有較大垂直風切變，且強對流天氣與850 hPa-500 hPa 的溫度差≥28 ℃有很好的對應關系。中尺度輻合線是激發對流的主要原因。地形對降雨的增幅作用以及存在對流潛勢并可能出現的短時強降水對降雨落區的影響不容忽視。

(5)兩個過程可見地面低壓或氣旋的位置和強度對主雨區有直接影響，可能出現在其前側暖區內，或其頂前部風場輻合區域內。

(6)過程一大風天氣是對流性加低空急流共同影響，局地性強；過程二大風天氣來自于地面氣旋發展帶來的系統性大風。