2021 年8 月牡丹江一次暴雨天氣成因分析

路平平，霍 達，范天紅

(牡丹江市氣象局，黑龍江 牡丹江 157000)

1 引言

對流和降水活動是大氣中的諸多天氣現象之一，它們是在大尺度條件影響下，主要由中尺度對流系統（MCS）造成。暴雨是牡丹江夏季常見的災害性天氣，提前預報預警、尤其是落區預報一直是預報員工作中的重點和難點[1]。國內外學者從暴雨觸發、加強機制和各尺度天氣系統間的相互作用等方面開展了大量的研究，同時也對暴雨中尺度系統進行了深入的研究，得出了很多有重要參考價值的結論。張芹等[2]對2017 年山東雨季暖區暴雨的環流背景、對流的觸發機制和大氣垂直結構特征等方面進行分析，發現西南風低空急流的快速加強及向下傳播能觸發不穩定能量釋放，是暴雨的觸發機制。徐明等[3]指出大多數強降水事件與中尺度對流系統關系密切，MCS 的發展演變很大程度上決定了暴雨的強度和分布，通過研究其系統結構和移動傳播，能夠顯著改進暴雨的預報。黃思先等[4]研究指出降水云頂亮溫TBB≤-50 ℃區域與降水區對應，近似圓形的中尺度對流系統對湖北東部強降水十分有利。顧佳佳等[5]研究指出強降水主要由低渦云系中不斷生成發展的中尺度對流云團造成，其落區與云頂亮溫（TBB）梯度大值區對應且靠近其低值中心,地面高溫高濕環境和冷舌的侵入對中尺度對流產生有重要作用,地面輻合線為其觸發機制,長時間維持導致暴雨發展;楊群等[6]指出不同區域生成的強對流云團反復影響銅仁,形成持續性暴雨，加上地形阻擋、抬升和喇叭口地形收縮作用,進一步增強了局地極端強降水形成。眾多文獻對暴雨分析和預報起到很好指導性作用，對區域性強降水具有普遍意義，本文對2021 年8 月21 日牡丹江暴雨個例分析，探討影響系統演變過程，并對物理量進行診斷分析，以期提高對暴雨過程的天氣系統結構特征及形成物理機制的認識，旨在為類似暴雨天氣預報提供參考依據。

2 資料與方法

本文利用常規觀測資料、牡丹江自動觀測系統采集的實況資料、NCEP 再分析資料、FY-2G 衛星TBB 云圖資料及牡丹江多普勒雷達資料，運用天氣學原理方法分析牡丹江2021 年8 月21-22 日暴雨過程。

3 降水實況

2021 年8 月21 日牡丹江出現大范圍強降雨天氣，此次降水強度大，局地性強，分析8 月21 日8時-22 日8 時牡丹江地市24 h 累積降水量分布發現:暴雨落區主要集中在寧安、海林和綏芬河，降水強度從西南向東北遞減，35 個國家站及考核站降水量超過50 mm，7 個考核站降水量超過100 mm，最大日降水量為寧安馬河126.3 mm。降水主要集中在21 日20 時-22 日08 時，馬河12 h 累積降水量117.4 mm，連續2 h 出現＞20 mm·h-1的短時強降，最大小時雨強出現在22 日03 時達25.6 mm·h-1。根據降水特征，有兩個問題值得關注：（1）強降水發生在夜間；（2）強降水中心落區出現在牡丹江西南。本文主要從降水發生的時間、地點、強度三個角度逐次進行機理分析。

4 大氣環流背景及主要影響系統

首先分析強降水發生前對流層中層500 hPa 環流形式：8 月21 日08 時，牡丹江上游從內蒙古東部經渤海到我國東南沿海為高空槽，貝加爾湖東西兩側分別有兩個冷渦，下游副熱帶高壓穩定在海上形成阻塞形式，20 時(圖1a)，冷渦南壓，高空槽加深東移北抬，槽前偏南急流將海上的水汽和熱量向北輸送加強，與槽后冷空氣交匯，有利降水發生。分析降水發生前對流層低層主要影響系統，8 月21 日08時，700 hPa 環流形式：牡丹江處于副熱帶高壓外圍偏南氣流控制，其上游為深厚的高空槽，850 hPa 渤海上空形成氣旋性環流，隨著西風槽東移及海上暖高壓的穩定維持，槽前朝鮮半島到牡丹江上空暖濕氣流不斷加強，21 日20 時(圖1b)，對流層中下層在我國東北南部形成較深厚的低壓，在高空偏南引導氣流下，同時受海上高壓阻擋作用，低壓形成后向北移動。

圖1 21 日20 時（a）500 hPa 環流形勢（b）850 hPa 環流形勢

分析海平面氣壓場(圖2)發現，21 日夜間低壓中心偏北，從低壓中心向南有偏東風和偏北風的輻合線，21 日20 時-22 日08 時地面輻合線演變發現，地面輻合線一直在牡丹江西部，21 日20 時輻合線位于中低層切變線前接近垂直，加劇垂直運動發展，隨著高空槽東移，地面輻合線幾乎穩定不動，造成牡丹江降水強中心位于西南。

圖2 22 日02 時海平面氣壓場和流場及21 日20 時、22 日02 時地面輻合線

5 成因分析

5.1 水汽條件分析

充足的水汽是強降水發生的必要條件。分析水汽通量和風場，結果顯示，21 日14 時副熱帶高壓西側有較大的水汽通量，黑龍江東部位于水汽輻合輸送帶北部，槽前偏南風急流有利水汽向北輸送，21 日20 時低空急流強度加強，水汽輻合中心加強向北移動，有大量的水汽從日本海向牡丹江輸送，21 日00時，水汽輻合高值區最強達到-30 g·cm-2·hPa-1·s-1，22日08 時水汽輻合中心繼續向北移動，強度開始減弱，牡丹江上空有東西向切變線，22 日14 時，水汽輻合中心東移，牡丹江上空水汽通量減小，降水逐漸結束。

分析水汽的垂直分布情況，做牡丹江上空（129°E、45°N）水汽通量散度時間剖面圖（圖3），從時間剖面圖可以看出：21 日14 時牡丹江上空近地面層到700 hPa 有水汽輻合，20 時隨著水汽輻合加強牡丹江降水加強，強降水時段發生在水汽輻合最強階段，水汽條件解釋了強降水發生在21 日夜間。

圖3 8 月20 日20 時-22 日20 時水汽通量時空演變（單位：10-8g.cm-2.hPa-1.s-1）

5.2 動力條件

降水發生前21 日14 時，牡丹江上空大氣開始出現高層輻散、低層輻合結構，此時大氣垂直上升運動開始發展，到22 日00 時前后，輻合、輻散中心也明顯增強，最大輻散中心位于200 hPa 附近，強度達3.5× 10-5s-1，此時垂直上升運動發展最強，有利于將低層濕空氣向上輸送，為暴雨發生提供動力條件，垂直運動條件進一步解釋了降水發生在夜間。

沿44°N(牡丹江緯度）作高度—經度的風場剖面圖（圖略），結果顯示，21 日20 時，牡丹江（129°E）東側上空存在偏南風—西北風的風切變，其東側偏南氣流有強上升運動。22 日02 時，強切變東移，牡丹江東側風速加大，牡丹江位于急流左側的不穩定區域中，有利上升運動及對流不穩定層結的加強和維持。從21 日14 時-22 日02 時垂直速度沿129°E 垂直剖面圖（圖4）可以看出21 日14 時牡丹江上空出現了明顯的強上升氣流，上升運動中心位于500 hPa 附近，強度達到-4.2×10-2hPa·s-1，它與上述低空急流的發展密切相關。還有一個值得注意的現象是，在上升氣流的西側出現了一支徑向次級環流，它的出現表明了上升運動正處于發展旺盛階段，由強上升運動強迫產生的補償次級環流十分有利于對流的發展與維持[3]。22 日02 時上升運動中心東移到132°E,位于上升氣流西側的徑向次級環流減弱，此時上升運動達到最強，與馬河逐小時雨量變化趨勢中小時最大降水量對應，此后上升運動逐步減弱，使得降水在減弱過程中保持一定強度。

圖4 （a) 21 日12 時和（b)22 日02 時沿129°E 垂直速度緯度-高度剖面(單位：10-3hPa.s-1）

5.3 熱力及不穩定條件

θse是表征大氣溫濕特征的物理量，對流層中假相當位溫高值區代表高溫高濕區，即高能量區。?θse/?p（即Δθse=θse700-θse850）表示大氣對流穩定度，當Δθse＜0 時為不穩定層結，當Δθse＞0 時為穩定層結；假相當位溫隨高度增加減小的越快，氣層對流不穩定性越強。一般暴雨發生前，Δθse值較小，反映大氣很不穩定，暴雨發生時和發生中，由于暴雨區內水汽變得深厚，其值逐漸趨于中性。21 日20 時Δθse值均在-5-0 ℃之間，21 日02 時最強達到-6 ℃，說明牡丹江地區在暴雨過程中大氣層結始終處于對流不穩定狀態，有利對流發展。

6 中尺度特征分析

6.1 衛星云圖特征

Maddox 提出使用-32 ℃和-52 ℃黑體亮溫(black body temperature，TBB) 標識的區域范圍及形狀等來識別中尺度對流復合體。通常，TBB ≤-32 ℃和TBB≤-52 ℃被用來作為識別大氣對流活動強度的兩個閾值。21 日08 時在副高外圍黑龍江西部存在中尺度對流系統（MCS)，最低云頂亮溫≤-42 ℃。8-20時對流云團范圍迅速擴大，20 時在吉林西部對流云團（云團A)中云頂亮溫≤-52 ℃，21 時對流云團A 強中心面積增加向北移動進入黑龍江南部，冷云罩范圍擴大發展成圓形，暴雨區降水開始加強，隨后22時在強對流云團東側又有云頂亮溫≤-42 ℃的中尺度對流云團（云團B)發展，兩個中尺度對流云團在向北移動過程中強中心逐漸合并，緩慢移動影響牡丹江地區，此時多普勒雷達回波強中心位于海林，云團南部不斷有小尺度對流生成，暴雨中心馬河小時降水量最大。隨著中尺度對流云團向北移動，影響牡丹江的降水逐漸結束(圖5)。

圖5 “8·21”過程(a)21 日20 時、(b)21 時、(c)22 時、(d)23 時、(e) 24 時、(f)22 日03 時、的FY-2E 云圖TBB 資料的空間分布(單位：℃)

6.2 雷達回波演變特征

利用分辨率更高的多普勒雷達分析本次降水，與TBB 圖上迅速發展的中尺度云團對應，21 日20時牡丹江西南部有范圍較大的混合性降水回波，其中鑲嵌著多個大小、強度不等的對流單體。21 日22時-22 日2 時分散的小對流單體合并加強發展，回波覆蓋牡丹江全區帶來大范圍降水，強中心位于寧安和海林南部。3-7 時回波主體位于海林、寧安整體呈氣旋性旋轉，旋轉過程中不斷有小對流單體生消，回波強中心不到45 dBZ,從多普勒雷達回波強度可以看出，本次降水過程比較均勻，小時降水量最大25.6 mm·h-1，強降水落區位于牡丹江西南。

7 小結

（1）這次降水過程發生前副熱帶高壓持續偏強，配合高低空急流，地面風場輻合線與中低層切變線疊加，加劇垂直運動發展，觸發本地不穩定能量和水汽釋放，造成了局地強降水。

（2）物理量分析可以看出降水區有明顯的水汽輻合為暴雨發生提供了水汽條件；低層輻合、高層輻散的動力配置有利上升運動發展，由強上升運動強迫產生的徑向次級環流十分有利強降水發生，牡丹江地區在暴雨過程中大氣層結始終處于對流不穩定狀態，有利對流發展。

（3）中尺度對流云團在牡丹江上空持續時間較長是產生暴雨的重要天氣系統，在雷達反射率因子圖上表現為大范圍的混合云降水回波，呈氣旋性旋轉移動緩慢，導致降水持續時間較長達到暴雨。

（4）針對本次強降水天氣過程，提前一天發布大雨預報并升級大到暴雨預報，但對強降水中心提前預報量級不夠精確，對于暴雨中心落區及強度預報有待進一步提高。