由东北冷涡引发的一次强降水、大风、冰雹天气过程分析

张翠艳 娄芳蕾 周福然 史虹婷 胡明

摘要：利用MICAPS 3.1欧阳位温分析图，运用V-3θ结构分析法及常规气象资料，对2016年6月10-12日辽西北地区局地强降水、大风、冰雹天气过程进行分析。结果表明，①此次辽西北地区局地强降水、大风、冰雹天气是在东北冷涡背景下产生的。②通过常规天气学角度预报局地暴雨难度较大，V-3θ结构分析法可以在一定程度上弥补这种不足，在短时暴雨发生前12～24 h，辽西北地区上游及锦州V-3θ图上有超低温存在，整层顺滚流，θ、Θsed和θ*曲线多处左倾，不稳定能量聚集，Θsed和θ*距离较近，湿度条件较好，这些特征对辽西北地区局地暴雨的预报有较好的指示作用。③强冷平流不仅会使地面正变压场加强、地面变压梯度增大，而且促使地面风场发展，造成大风，低层冷平流是辽西北地区产生7～8级大风的主要原因。

关键词：东北冷涡；V-3θ结构分析；冷平流；强对流天气

中图分类号：P46 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）04-0039-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.04.010

The Northeast Cold Turbo-induced A Strong Winds， Precipitation，

Hail Weather Process Analysis

ZHANG Cui-yan， LOU Fang-lei， ZHOU Fu-ran， SHI Hong-ting， HU Ming

（Jinzhou Meteorological Bureau，Jinzhou 121001，Liaoning，China）

Abstract： Using MICAPS3.1 chart of Ouyang Wen and V-3θ structural analysis method and conventional meteorological data，in June 2016，10-12th in northwestern Liaoning， local stronger rainfall， high winds， hail weather process were analysed. The results showed that，①the local heavy rainfall in northwestern Liaoning and the high winds， hail were generated in the context of the Northeast cold vortex.②And it was difficult to forecast local rainstorm through general weather learn angle，while V-3θ structure analysis method could make up the shortage in a certain extent. In short time storm occurred before 12～24 hours，Liaoning northwest area upstream and the Jinzhou V-3θ figure existsed ultra-low temperature，the whole layer flow in the roll flow，θ，Θsed and θ* curve more at left-leaning，unstable energy gathered，more near distance between Θsed and θ*，better humidity conditions features，which had better of indicates role on Liaoning northwest area to local rainstorm of forecast.③Strong cold advection would not only make the ground temperature-pressure strengthening increased，surface pressure gradients increased，but also promote the development of surface wind fields，resulting in high winds，and low level cold advection was a major cause of 7～8 class winds in northwestern Liaoning.

Key words： northeast cold vortex； V-3θ structure analysis； cold advection； strong convective weather

東北冷涡是影响中国东北地区的主要天气系统之一，常引起东北地区强降水、冰雹、大风等天气。东北冷涡降水易发生区并非在冷涡中心处，也不是均匀对称的分布在东北冷涡中，而是发生在偏东南部地区[1]。对于东北冷涡如何引发的局地暴雨、大风、冰雹等作用机理，很多前辈采用不同的方法对其进行研究，孙力等[2]总结了暴雨类和非暴雨类东北冷涡的降水时机和落区，指出暴雨类冷涡降水中心主要位于东北冷涡系统的东南部。陈力强等[3]指出冷涡的不同发展阶段均可对应不稳定能量区，但其分布有较大差异，对流层低层的对于东北冷涡引发的局地暴雨、冰雹、大风等强对流天气的机理暖湿输送及辐合是不稳定能量积累的关键。王培等[4]指出中尺度对流系统易发生在东北冷涡东南侧和东北侧气旋性曲率最大处，此处的对流层低层易形成强辐合区。温舟等[5]采用V-3θ结构分析方法利用特性层信息的非均匀性和不连续性，对一次由东北冷涡引发的锦州地区局地暴雨进行了研究，在一定程度上弥补常规预报局地暴雨的不足。利用MICAPS3.1欧阳位温分析图，运用V-3θ结构分析法及常规气象资料，对2016年6月10-12日由东北冷涡引发辽西北地区一次局地强降水、大风、冰雹天气过程进行分析，以便为以后东北冷涡引发的强降水、大风、冰雹天气预报提供一些参考。

1 降水、大风、冰雹实况

1.1 降水实况

2016年6月10日00：00至12日8：00，辽宁省大部分地区出现中到大雨，局部暴雨天气。强降水主要分为两个阶段，第一阶段出现在10日18：00至21：00，辽西北地区出现短时强降水、冰雹、大风等强对流天气；第二阶段出现在11日7：00至14：00，辽中以东地区出现强降水时段。全省1 638个气象观测站中有1 389个站有降水，平均降水量20.7 mm。降水量100.0～249.9 mm的有8个站，其中有7个集中在锦州北镇和黑山地区，另1个出现在鞍山台安；降水量50.0～99.9 mm的有139个站，主要集中在沈阳南部、鞍山北部、辽阳北部、盘锦北部及桓仁、昌图、葫芦岛市区、绥中；降雨量25.0～49.9 mm的有438个站；降雨量10.0～24.9 mm的有437个站，主要集中在辽西和辽中以东地区；最大降水量为142.8 mm，出现在锦州黑山县的新兴镇。

此次降水具有突发性特点，降水时空分布的不连续性在一定程度上反映出冷涡降水的特征（图1）。中尺度雨团较为活跃，11日7：00-8：00锦州北镇柳家乡最大降水量达54 mm/h，10日19：00-20：00，葫芦島建昌县汤神庙最大降雨量达56 mm/h。

1.2 冰雹实况

冷涡降水对流性较强，反映在降水过程中伴有冰雹产生。10日葫芦岛南票黄甲乡、金星镇和建昌县汤神庙乡、王宝营子乡出现冰雹（最大3 mm）；锦州市区出现冰雹（130 mm）；凌源县、北票市区、喀左县卧虎沟乡、建昌县昌隆镇乡出现小冰雹（3 mm）。

1.3 雷暴大风实况

冷涡降水对流性较强，第二特征表现在降水过程中伴有雷暴和短时大风。10日，沈阳、锦州、阜新、铁岭、朝阳、盘锦、葫芦岛地区出现7～8级雷暴大风，瞬时最大风力达10级，出现在朝阳建平县。10-11日，全省共监测到闪电4 179次，主要出现在沈阳、鞍山、抚顺、本溪、锦州、阜新、辽阳、铁岭、朝阳、盘锦、葫芦岛地区。

2 结果与分析

2.1 环流形势演变特征

辽宁地区出现的短时强降水、大风、冰雹天气，主要受高空冷涡影响，均发生在高空冷涡发展阶段。图2A、图2B、图2C分别为6月9日20：00至10日20：00 500 hpa高度场、温度场和850 hpa风场演变情况。分析发现，此次强降水、冰雹、大风天气过程6月9日20：00（图2A）500 hpa高度层为两涡一脊形势，一闭合低涡在50°N以南110～120°E，中心值为5 600 gpm，另一闭合低涡在50°N附近和120～140°E，中心值也为5 600 gpm。前一闭合低涡对应的温度闭合中心远落后于它在贝加尔湖以西地区，中心值为 -20 ℃，500 hpa低槽位于蒙古中部到山西一带，与850 hpa高度层切变基本重合。切变线东侧有12 m/s的西南急流，辽宁西部地区处于西南急流区域内，冷涡处于初级发展阶段，此时各地降水还没有开始。

6月10日8：00（图2B），两个低涡中心合并，系统略有北抬，两个低温中心也合并并且东移，但落后低压中心的相位减小，辽西处于西南急流区域内，急流轴位于河北乐亭-葫芦岛-锦州-沈阳一带，水汽主要来源于渤海，辽西地区的降水已经于10日00：00开始，500 hpa低槽、850 hpa切变线均有所东移，但位置仍重合，850 hpa切变线东侧西南急流加强明显，急流轴风速已达24 m/s，锦州地区正好处于急流轴上，冷涡仍然处于强盛发展阶段。

6月10日20：00（图2C）冷涡中心移动较慢，但冷涡南部移动较快，低槽断裂成两部分，南部低槽仍然与850 hpa切变线重合，此时温度槽仍然落后于高度槽，但相位已经很近，冷涡处于持续发展状态，但由于辽西强降水已于18：00开始，冷涡发展速度减慢，急流轴最大风速减弱到20 m/s，并且东移到辽宁中部地区，此时锦州地区位于急流轴的左侧，而后随着冷涡东移发展，辽宁中东部地区依次出现较强降水，随着冷涡发展成熟到逐渐消亡，各地降水强度明显减弱，到11日14：00各地降水基本结束。

2.2 强降水V-3θ图演变特征分析

V-3θ（V为探空资料中风向和风速的直接观测数据，在MICAPS3中以风羽形式显示并设置在θsed曲线上。θ为位温，θsed为以露点温度计算的假相当位温，θ*为人为假定饱和状态下的假相当位温。3条曲线在P-T坐标图上显示）。结构分析法是针对转折性灾害性天气预报较有效的一种新预报方法，其原理是来自演化的转折性和流体的涡旋转换[6]，方法核心在于充分利用涡旋演化中的非均匀性或不连续的直接观测的结构信息和旋转方向的变化，来预测天气演化的转折性变化。由于辽宁地区探空站比较稀疏，造成探空资料的缺乏，因此选用上游河北乐亭站探空资料来分析辽西北地区的短时强降水和冰雹天气，用锦州站探空资料分析北镇黑山地区的强降水过程。

9日20：00，河北乐亭、锦州V-3Θ图（图3）低层均为偏南风，中层为西南风，高层为西北风，均构成整体顺滚流，并在250 hpa θ线均有一左拐点，说明有一薄层超低温层，显示大气垂直结构不稳定，并蕴含不稳定能量，它相当于一个冷盖，是产生和发展暴雨到大暴雨的一个重要条件。不同的是乐亭Θsed和θ*曲线呈现基本一致曲拐方向，但锦州不是，相同的是二者距离均较远，且南风辐合层均在400 hpa附近，说明此时虽有不稳定能量聚集，但水汽条件还不是很充足。

10日8：00，比9日20：00乐亭、锦州站（图4）整层风速均加大，顺滚流加强，250～200 hpa θ曲线近似垂直K轴（锦州更垂直一些），超低温层增厚，乐亭、锦州站Θsed和θ*曲线呈现基本一致，多次曲拐或一次曲拐，且距离均较近，说明水汽条件已经很充足，南风水汽辐合层均已达300 hpa附近，此种形势虽然不是典型的暴雨形势，但预示着乐亭和锦州以北地区12～24 h内将会有强对流天气发生。实况表明，在10日14：00-21：00葫芦岛建昌、南票、朝阳喀左、凌源部分乡镇及锦州市区出现1.3～3.0 cm不等的冰雹天气及短时强降水，同时锦州北镇和黑山地区出现短时强降水天气。

10日20：00（图5）比10日8：00，乐亭虽低层还是西南风，850 hpa层以上为偏西风或西比风，存在顺滚流，但Θsed和θ*距离较远，湿度条件较差，且不存在超低温层，也就预示着未来12～24 h其以北地区不会再有强降水发生。锦州站仍然存在整层顺滚流及超低温层，湿度条件较好，预示着在其北部未来12～24 h仍存在强降水，实况是11日7：00-8：00北镇和黑山东部乡镇再一次出现短时强降水时段。

2.3 强降水雷达回波特征分析

从全省雷达拼图（图6）可以看出，与东北冷涡对应的云带回波于14：30进入辽西，回波为层云和积云混合，向东南压的同时向东北方向移动，回波带上不断有对流云团生成和消散，造成各地陆续产生短时强降水时段，个别地区产生冰雹天气，至20：00回波东移至辽宁中部地区逐渐减弱，辽西北地区强降水天气暂时告一段落。

2.4 大风成因分析

2.4.1 地面氣压场特征分析 从10日8：00-17：00地面气压场（图7）可以看出，辽宁地区处于蒙古气旋前部，东部为日本海高压，东高西低的气压场形式，有利于辽宁地区西南大风的形成。气旋中心位于蒙古中部地区，气压中心强度为1 000 hpa，随着气旋缓慢东移南压，辽西北部地区越来越靠近气旋中心，为辽西北地区大风的出现提供地面形势。

2.4.2 温度平流与地面变压场的关系 温度平流与地面风场之间是通过变压场相互关联和促进的，强冷平流不仅会使地面正变压场加强、地面变压梯度增大，促使地面风场发展，造成大风，冷平流越强，出现风力也越大。低层冷平流是导致此次辽西北大风的重要原因。

图8为10日14：00 850 hpa温度平流场，冷平流区域位于内蒙-河北一带，冷平流中心值为-30×10-4 K/S，冷平流梯度较大，与之对应的地面（图9a）此时此区域内正变压场加强，变压梯度增大。随着冷平流区域东移北抬，依次扫过辽西北地区（图9b），各地陆续出现7～8级大风天气，至20：00冷平流减弱，与之对应的地面（图9c）此时此区域内正变压场减弱，变压梯度减小。大风天气基本结束。

2.4.3 地面变压场与地面风场的关系 对于中纬度天气尺度系统来说，在地面层中，水平风速主要取决于变压梯度分布的大小，当风向沿着变压梯度方向时，变压梯度加强将使风速加大，反之使风速减小，因此地面变压场将直接影响地面风场，这是导致地面大风出现的原因之一。

辽西北地区的大风均出现在10日14：00-20：00， 10日14：00与高空冷涡相伴的冷空气从西北东移南下，冷空气前部的正变压域已南压至蒙古东部至河北西部一带，辽西北地区为负变压区控制，变压梯度密集区位于河北西部地区。10日17：00辽西北地区被正变压区和变压梯度密集区所覆盖，各地陆续出现7～8级大风。10日20：00虽然辽西北地区仍为正变压区，但变压梯度明显减小，各地风速也明显减弱。以上分析表明，辽西北地区出现的7～8级大风与地变压场的变化密切相关。

3 小结

此次辽西北地区局地强降雨、大风、冰雹天气是在东北冷涡背景下产生的。

通过常规天气学角度预报局地强降雨难度较大，V-3θ结构分析法可以在一定程度上弥补这种不足，在短时暴雨发生前12～24 h，辽西北地区上游及锦州V-3θ图上有超低温存在，整层顺滚流，θ、Θsed和θ*曲线多处左倾，不稳定能量聚集，Θsed和θ*距离较近，湿度条件较好，这些特征对辽西北地区局地暴雨的预报有较好的指示作用。

强冷平流不仅会使地面正变压场加强、地面变压梯度增大，促使地面风场发展，造成大风，冷平流越强，出现风力也越大。低层冷平流是辽西北地区产生7～8级大风的主要原因。

参考文献：

[1] 张立祥，李泽椿.东北冷涡研究概述[J].气候与环境研究，2009， 14（2）：218-228.

[2] 孙 力，安 刚.1998年松嫩流域东北冷涡大暴雨过程的诊断分析[J].大气科学，2001，25（3）：342-354.

[3] 陈力强，张立祥，周小珊.东北冷涡不稳定能量分布特征及其与降水落区的关系[J].高原气象，2008，27（2）：339-348.

[4] 王 培，沈新勇，高守亭.一次东北冷涡过程的数值模拟与降水分析[J].大气科学，2012，36（1）：130-144.

[5] 温 舟，张 放，杨桂娟，等.锦州地区一次短时局地暴雨V-3θ图特征[J].气象与环境学报，2014，30（6）：37-42.

[6] 欧阳首承.天气演化与结构预测[M].北京：气象出版社，1998.