内蒙古东北地区一次暴雨天气过程的多尺度特征

王慧清

(呼伦贝尔市气象局 内蒙古 海拉尔 021008)

引言

暴雨是我国北方夏季主要的灾害性天气之一。由于特殊的地理位置，我国北方北边极地冷空气频繁入侵，南边受副热带高压、热带环流等的影响，使得其暴雨具有季节性强、历时短、强度大等特点，同时受地理环境的影响，其突发性和局地性特征较明显。其产生往往还伴有强对流天气的发生，经常会造成中小河流洪水、山洪等灾害，对人民生成生活造成巨大影响。[1-3]

一直以来，针对我国北方夏季暴雨的研究从未间断，而且大多研究主要局限于天气尺度的分析，揭示了暴雨发生时的环流形势、主要的影响系统、水汽来源、中低纬系统相互作用等特征，同时也指出北方强降水的加强与冷空气侵入有关，且出现在假相当位温线的密集地带，落区处具有很强的不稳定性。[4-6]

近年来，随着资料的丰富和分析方法的发展，北方暴雨研究工作的重点已从天气尺度转向中尺度。研究结果均表明：中尺度对流系统与北方重大极端暴雨事件相伴出现。并且由于中尺度系统尺度小、强度大、危害强、预报难度高等原因，越来越引起业务人员与研究人员的重视。[7-11]

高时空分辨率的观测资料如卫星、雷达、自动站等是开展中尺度研究的重要基础，其中相当亮度温度(TBB)经常用于识别中尺度对流系统。近年来又有研究表明TBB水平梯度变化对于对流发展有着预警意义。[12-16]然而，暴雨以上量级降水的产生多是由于不同尺度系统间相互作用的结果。目前关于多尺度系统特征的研究多限于南方暴雨，[17-24]认为中尺度对流系统是造成暴雨的直接影响系统，并且是在有利于中尺度系统发展的大尺度环流背景下产生的。而对于北方暴雨的多尺度特征却研究甚少，无论从广度还是深度都不不够，因此有必要从多尺度角度分析暴雨的形成机制。

内蒙古自治区东北部受季风影响，夏季多雨，其中大兴安岭以东是全区2个暴雨多发区之一，而鄂伦春自治旗更是内蒙古自治区年降水量最多的国家站。2018年6月15日至16日发生在内蒙古东北部的暴雨天气是在非常有利的大尺度环流背景下，中尺度系统发生发展的结果，其预报难度大，机理尚未完全弄明白，因此需要开展深入的研究。本文利用常规观测资料、区域自动站降雨量实况资料、NCEP再分析资料，FY-2G卫星相当亮度温度(TBB)资料及多普勒天气雷达资料，针对此次过程从天气尺度背景入手，对中尺度降水系统产生的环境条件、中尺度降水系统的演变与成因进行分析，以期对实际业务中暴雨的预报与分析提供参鉴。

本文所使用的资料包括：常规高空、地面观测资料；区域自动站逐小时降雨量实况资料；NCEP/NCAR再分析资料，水平分辨率2.5°×2.5°，垂直方向17层，时间分辨率6小时；NCEP GDAS/FNL再分析资料，水平分辨率0.25°×0.25°，垂直方向31层，时间分辨率6小时；FY-2G卫星相当亮度温度(TBB)资料，水平分辨率0.1°×0.1°，时间分辨率1小时；加格达奇多普勒天气雷达基数据资料。

1 天气实况概述

受高空槽、低涡及锋面气旋共同影响，2018年6月15日至16日内蒙古东北部呼伦贝尔市出现一次暴雨天气过程。以20时(北京时，下同)为日界计，国家站有1站出现暴雨，2站出现大雨，日降水量最大值出现在小二沟，为92.4mm(15日20:00-16日20:00)，区域站有1站出现大暴雨，39站出现暴雨，55站出现大雨，日降水量最大值出现在鄂伦春自治旗古里乡，为115.9mm(15日20:00-16日20:00)，最大小时雨强为25.7mm，鄂伦春自治旗古里乡(16日08:00-09:00)。

(a) (b)

(c) (d)

降水过程前期，由于系统倾斜结构明显、冷暖空气尚未相互作用，以稳定性降水为主，量级较小；降水过程盛期，冷暖空气逐渐交汇，系统趋于垂直，对流系统较为活跃，并逐步组织，呈现明显的中尺度特征。16日00:00之前，小时降强超过10mm/h的站点分布较为零散，空间与时间上均不具有连续性，对流性质明显较弱。16日00:00开始，呼伦贝尔市中部及东南部地区开始连续出现局地雨强超过10mm/h的中尺度雨团。中部地区的中尺度雨团自西向东移动，而东南部地区的中尺度雨团在暖锋的作用下稳定少动，持续在局地发展。16日04:00前后高低空系统逐渐叠置，此时中尺度雨团迅速发展，开始出现超过25mm/h的站点，并且空间尺度相应扩大，一直维持至16日10:00，由于低空转为偏西气流，导致地面气旋东移，中尺度雨团逐渐减弱、消亡。

图2 16日00:00-11:00各整点时刻过去1h降水量(单位：mm)

2 环流形势分析

14日08:00(图3a)，东亚地区高、中、低纬度均处于两槽一脊的环流形势控制之中，波动振幅尤以中高纬度明显。高纬度地区，500hPa等压面上，泰梅尔半岛以南极地高压稳定存在，位势高度场中心值高达568dgpm，并配合有温度场的暖中心。极地高压东、西两侧各有一个切断低涡存在，西侧的切断低涡分裂出低槽并携带冷空气东移南下，东侧的切断低涡后部偏北气流携带冷空气取超极地路径南下，为后期冷锋锋生以及低涡、气旋的快速发展提供基础。中纬度地区，青藏高原北部与渤海湾附近各有一低涡活动。两个低涡之间，自河西走廊至华北平原存在强盛的暖性高压脊，高压脊顶后部，对应850hPa等压面上，位势高度场处于均压场控制，但风场上已经可以分析出明显的气旋性环流，并配合有强盛的暖空气活动，温度场中心值高达24℃，低层的热低压在东移北上的过程中不断维持，后期与南下的冷空气相互作用，快速发展为锋面气旋，进一步引发低空低涡快速发展，两者共同北上与500hPa旋转东移的高空槽叠置，是此次暴雨天气产生的主要原因。

进一步分析发现，14日08:00，500hPa东亚沿岸存在4个较为明显的低槽，且4个低槽几乎完全处于同一经度，即4个低槽同位相叠加，在这种环流形势下，槽前低层的偏南气流不间断地自南海东部经东海、黄海进入东北平原，向暴雨区持续输送水汽和热量，为暴雨的产生提供了有利的水汽条件和不稳定条件。

此外在14日08:00，500hPa形势图上上还显示：日本海附近有弱高压脊存在，对应低空850hPa上存在明显的反气旋性环流，该环流始终稳定维持，后期逐渐加强为闭合高压：一方面，闭合高压与东移的低涡相互作用，两者之间位势梯度加大，导致低空急流建立，进一步向暴雨区输送水汽和热量，并提供低空辐合，加强上升运动；另一方面，闭合高压的稳定存在，迫使低涡及锋面气旋在内蒙古东部长时间停留，增加了降水的持续时间。

15日20:00环流形势出现了较为明显的调整，主要系统逐渐显现。500hPa(图3b)上，高纬度地区极地高压继续维持，对应两侧的切断低涡不断向东南和西南延伸，两路冷空气也随之南下。850hPa(图3c)温度场上有明显的冷槽向南伸展，并与扩散北上的暖空气相互作用，导致温度梯度加大，锋区加强，45°N附近锋区最为强盛，5个纬距内可分析出4根等温线，而热低压向上伸展所引发的气旋性环流，已经演变为低涡，850hPa高度场上已经可以分析出等高线，低涡中心与强锋区叠置，促使斜压有效位能得以释放，低涡前部出现了明显的暖平流而低涡后部出现了明显的冷平流，进一步导致低涡快速发展东移。海平面气压场上(图3d)，热低压受冷空气侵入逐渐演变为锋面气旋，并持续加强。

进一步分析发现，高空500hPa上中纬度地区东移的暖脊导致低空850hPa上日本海附近的反气旋环流加强为闭合高压，闭合高压与低涡作用，两者之间位势梯度加大，导致低空急流建立，此外高压南侧的偏东风自洋面而来，并与低空急流的入口区相连，进一步加强了低空急流的水汽输送。

(a)

(b)

(c)

(d)

16日08:00环流形势进一步调整，500hPa(图4a)极地高压东侧的切断低涡已南下至东北地区北部境外，其底部低槽旋转东移。850hPa(图4b)低涡由于获得锋区有效位能得以快速发展，12h内位势高度场加深8dgpm，中心高度低至136dgpm，并且已经可以分析出2根闭合等高线，气旋性环流也随之加强。海平面气压场(图4c)上，锋面气旋进一步加强东移，冷、暖锋均较为清楚。高空低槽、低空低涡、锋面气旋三者在内蒙古东北部与黑龙江交界处叠置，引发强烈的上升运动，导致雨强增大。

这一时次，伴随低涡东移北上，低空850hPa上的日本海高压得以东进，且高压南侧出现热带气旋活动，日本海高压与热带气旋之间的偏东风从东海提供水汽，而高原槽东移过程中前部低空偏南风又从南海提供水汽，两支水汽通道最终汇入低空急流，得以将水汽输送至暴雨区。

3 环境条件特征

3.1水汽条件

水汽条件方面，16日08:00，925hPa比湿(图5a)多在8～10g·kg-1，个别地区比湿达12g·kg-1，局地水汽含量并非特别充足，整层大气可降水量(图5b)也仅在20mm，个别地区超过30mm，因而并没有出现较大的小时雨强。但从水汽通量的整层积分(图5c)可见，对应孟加拉湾低槽、高原槽以及冷涡底部低槽槽前的位置，偏南气流完全建立并且相连，水汽通道完全贯通，水汽自阿拉伯海，经印度半岛、我国西南、华中、华北、东北进入暴雨区，途中孟加拉湾附近的偏南气流以及日本海高压西侧的东南气流对水汽输送进一步补充。而从水汽通量散度的整层积分(图5d)可见，暴雨区处于明显的水汽汇之中，整层水汽通量高达-0.45g·s-1·cm-2，这种量级的的水汽辐合在高纬度地区极为罕见，甚至在全球范围内，同一时次也仅有西太平洋台风“格美(201806)”附近出现了如此强烈的水汽辐合。

综上而言，此次暴雨天气过程的水汽局地含量并不高，但持续的水汽输送与强烈的水汽辐合，为暴雨的产生提供了非常有利的水汽条件。

3.2 动力条件

对16日08:00暴雨区上空流场(图6a)、散度场(图6b)、垂直速度场(图6c)以及涡度场(图6d)的垂直剖面(起点124°E，49°N；终点126°E，51°N)可见，引发这次暴雨天气过程的直接系统呈现出明显的中尺度特征：水平尺度约100km的范围内呈现出明显的垂直环流，垂直速度的量级为1Pa·s-1，而涡度与散度的量级均为10-4s-1，均符合典型的中尺度特征值。

流场垂直剖面反映出近地面风向出现了对吹的现象，表明边界层中出现了明显的风场辐合，边界层以上，整层气流都呈现出明显的斜升，说明上升运动的层次相当深厚，这一点从垂直速度场剖面上可以更为直观的反映，1000hPa向上至200hPa均为负值区，最小值超过-5Pa·s-1。垂直速度场剖面上2个低值中心，恰好对应散度场2个无辐散层，反观涡度场，并没有呈现明显的特征，但在垂直速度场最低值所在的位置，即上升运动最强的区域，涡度场呈现出上凸的形态，说明此处有涡度的垂直输送。综上可见,此次暴雨天气过程的动力条件呈现出明显的中尺度特征；上升运动的产生主要由风场的辐合辐散所导致，此外锋区次级环流的强迫也对上升运动起到了增幅作用。

3.3不稳定条件

从15日20:00，海拉尔(50527)、嫩江(50557)、齐齐哈尔(50745)3站温度对数压力图及垂直位温分析图(图7)可见：海拉尔与齐齐哈尔2站上空整层处于饱和区控制，而嫩江站上空中层存在十分明显的干区，中低层干湿叠置导致大气层结趋于不稳定；θse垂直廓线显示嫩江站与齐齐哈尔2站上空650hPa以下为对流性不稳定，尤以嫩江站更为明显，θse自地面至650hPa骤减15℃，500hPa以上则为中性，而海拉尔站上空整层基本处于中性层结控制之中，因此对流与强降水的盛期出现在嫩江站附近；从抬升凝结高度(LCL)距地面的距离来看，海拉尔站最低，为219.4m，齐齐哈尔站与嫩江站则分别为1142.3m和889.8m，换而言之，在同样的抬升条件下，海拉尔站附近降水云系更易发展；从垂直风廓线的配置可见，海拉尔与嫩江2站的垂直风切变更强，因此对流在中部产生后沿海拉尔与嫩江一线向东偏北方向移动，在进入嫩江站附近的强对流性不稳定的区域后得以快速发展，最终导致暴雨产生。综上而言：由于海拉尔站附近LCL距地面更低，因此对流得以在中部产生，而海拉尔、嫩江2站垂直风切变相对更强，更有利于对流系统的组织，因此对流在中部产生后向东偏北方向移动，进入嫩江站附近，在强对流性不稳定层结与强垂直风切变的共同作用下，对流得以快速组织发展，最终引发暴雨。

4 中尺度对流云团演变特征

从降水前期和降水盛期的FY-2G卫星的相当亮度温度(TBB)可见(图8)，降水前期已经出现了较为明显的降水云系，但是分布较为零散，无明显的组织结构，并且进入15日夜间开始逐渐东移减弱。尽管前期的降水云系对暴雨的产生没有直接贡献，但降水云系的出现却对环境场起到了一定的作用，导致不稳定重建，因此前期的降水云系东移后，15日21:00，在其后部出现了明显的局地对流单体，尺度不足100km，但TBB均低至-52℃，4个局地对流单体在有利的环境条件下开始逐渐合并，16日00:00，逐渐发展出明显的带状结构，并且带状云系的后部出现明显的西北气流侵入，导致云系整体逐渐呈现出涡旋结构，至16日04:00，云系的涡旋结构已经十分明显，并且亮温梯度加大，同时中心附近出现亮温高值区，说明此处同时存在下沉运动，表明中尺度环流的存在，至16日07:00，云系的下沉运动区更加明显，进一步表明云系与对流更加组织化。此时的云系形态特征类似于MCC，尽管强度、持续时间、偏心率均不达标，但此时的确出现了最大的雨强。

图8 15日16:00-16日11:00时FY-2G相当亮度温度(TBB)演变图(单位：℃)

5 雷达回波演变特征

从15日夜间至16日上午的加格达奇雷达1.5°仰角基本反射率因子的演变(图9)可见，前期的回波仍然以层状云回波为主，雨强较小，16日01:00后，随着高低空系统相互作用的加强，反射率因子上开始逐渐出现积状云回波，层、积混合云降水回波在暴雨区上空维持超过8h。从各个时次反射率因子剖面可见，一方面，回波顶高与回波质心高度均较低，顶高基本在8km以下，质心高度基本在2km上下，而此时0℃层高度与融化层高度均在3km左右，表明云系以暖云为主，因此得以维持较高的降水效率；另一方面，在长达8h的时间内，沿暴雨区不断有高降水效率的强回波反复经过，形成明显的列车效应，最终导致暴雨的产生。

图9 15日-16日加格达奇雷达1.5°仰角不同时次的基本反射率因子及沿雨带剖面(单位：dBZ)

6 结论

6.1 此次暴雨天气过程发生在高纬度冷空气活动频繁、低纬度副高与南压高压均较弱的行星尺度背景下；前期东亚沿岸中低层多个低槽叠加导致经向环流加强，促使水汽与热量由南至北向暴雨区输送，为后期暴雨的产生提供了物料基础。

6.2 引发此次暴雨的直接的天气尺度系统为高空槽、低涡以及锋面气旋，高空槽由冷涡底部自西向东划过，锋面气旋由热低压在北上过程中变性发展而来，三者在内蒙古东部地区叠置，共同引发暴雨；低空急流建立与加强为暴雨的产生提供了水汽输送条件，同时也导致不稳定的重建，并为对流的产生提供动力条件；日本海高压的稳定存在迫使系统在暴雨区上空长时间停留，增加了降水的持续时间。

6.3 此次暴雨天气过程中，局地的水汽含量并不高，但是却有非常优异的水汽输送条件与水汽辐合条件，水汽通道可一直向南追溯至阿拉伯海，此外孟加拉湾低槽槽前的偏南气流以及日本海高压西南的东南气流均对水汽有所补充，另外，在暴雨区上空出现了极为强烈的水汽辐合，这是暴雨产生的最直接的原因。

6.4 中低层系统叠置引发中尺度量级的辐合辐散，进一步导致上升运动出现，锋区次级环流又进一步加剧了上升运动。

6.5 TBB分析显示此次暴雨天气过程是由4个局地对流单体东移合并、组织加强所引发。引发此次暴雨天气过程的对流系统先由LCL较低的中部地区产生，进而沿垂直风切变较强的方向向东偏北方向移动，在进入强对流性不稳定区域后快速发展加强，导致雨强迅速增大。

6.6 基本反射率因子反映此次暴雨过程的回波为层积混合云回波，回波质心较低，降水效率较高，并在有利的环境条件下形成列车效应，最终导致暴雨产生。