由東北冷渦引發(fā)的一次強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹天氣過(guò)程分析

張翠艷 婁芳蕾 周福然 史虹婷 胡明

摘要：利用MICAPS 3.1歐陽(yáng)位溫分析圖，運(yùn)用V-3θ結(jié)構(gòu)分析法及常規(guī)氣象資料，對(duì)2016年6月10-12日遼西北地區(qū)局地強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，①此次遼西北地區(qū)局地強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹天氣是在東北冷渦背景下產(chǎn)生的。②通過(guò)常規(guī)天氣學(xué)角度預(yù)報(bào)局地暴雨難度較大，V-3θ結(jié)構(gòu)分析法可以在一定程度上彌補(bǔ)這種不足，在短時(shí)暴雨發(fā)生前12～24 h，遼西北地區(qū)上游及錦州V-3θ圖上有超低溫存在，整層順滾流，θ、Θsed和θ*曲線多處左傾，不穩(wěn)定能量聚集，Θsed和θ*距離較近，濕度條件較好，這些特征對(duì)遼西北地區(qū)局地暴雨的預(yù)報(bào)有較好的指示作用。③強(qiáng)冷平流不僅會(huì)使地面正變壓場(chǎng)加強(qiáng)、地面變壓梯度增大，而且促使地面風(fēng)場(chǎng)發(fā)展，造成大風(fēng)，低層冷平流是遼西北地區(qū)產(chǎn)生7～8級(jí)大風(fēng)的主要原因。

關(guān)鍵詞：東北冷渦；V-3θ結(jié)構(gòu)分析；冷平流；強(qiáng)對(duì)流天氣

中圖分類(lèi)號(hào)：P46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

東北冷渦是影響中國(guó)東北地區(qū)的主要天氣系統(tǒng)之一，常引起東北地區(qū)強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)等天氣。東北冷渦降水易發(fā)生區(qū)并非在冷渦中心處，也不是均勻?qū)ΨQ(chēng)的分布在東北冷渦中，而是發(fā)生在偏東南部地區(qū)[1]。對(duì)于東北冷渦如何引發(fā)的局地暴雨、大風(fēng)、冰雹等作用機(jī)理，很多前輩采用不同的方法對(duì)其進(jìn)行研究，孫力等[2]總結(jié)了暴雨類(lèi)和非暴雨類(lèi)東北冷渦的降水時(shí)機(jī)和落區(qū)，指出暴雨類(lèi)冷渦降水中心主要位于東北冷渦系統(tǒng)的東南部。陳力強(qiáng)等[3]指出冷渦的不同發(fā)展階段均可對(duì)應(yīng)不穩(wěn)定能量區(qū)，但其分布有較大差異，對(duì)流層低層的對(duì)于東北冷渦引發(fā)的局地暴雨、冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的機(jī)理暖濕輸送及輻合是不穩(wěn)定能量積累的關(guān)鍵。王培等[4]指出中尺度對(duì)流系統(tǒng)易發(fā)生在東北冷渦東南側(cè)和東北側(cè)氣旋性曲率最大處，此處的對(duì)流層低層易形成強(qiáng)輻合區(qū)。溫舟等[5]采用V-3θ結(jié)構(gòu)分析方法利用特性層信息的非均勻性和不連續(xù)性，對(duì)一次由東北冷渦引發(fā)的錦州地區(qū)局地暴雨進(jìn)行了研究，在一定程度上彌補(bǔ)常規(guī)預(yù)報(bào)局地暴雨的不足。利用MICAPS3.1歐陽(yáng)位溫分析圖，運(yùn)用V-3θ結(jié)構(gòu)分析法及常規(guī)氣象資料，對(duì)2016年6月10-12日由東北冷渦引發(fā)遼西北地區(qū)一次局地強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹天氣過(guò)程進(jìn)行分析，以便為以后東北冷渦引發(fā)的強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹天氣預(yù)報(bào)提供一些參考。

1 降水、大風(fēng)、冰雹實(shí)況

1.1 降水實(shí)況

2016年6月10日00：00至12日8：00，遼寧省大部分地區(qū)出現(xiàn)中到大雨，局部暴雨天氣。強(qiáng)降水主要分為兩個(gè)階段，第一階段出現(xiàn)在10日18：00至21：00，遼西北地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣；第二階段出現(xiàn)在11日7：00至14：00，遼中以東地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)段。全省1 638個(gè)氣象觀測(cè)站中有1 389個(gè)站有降水，平均降水量20.7 mm。降水量100.0～249.9 mm的有8個(gè)站，其中有7個(gè)集中在錦州北鎮(zhèn)和黑山地區(qū)，另1個(gè)出現(xiàn)在鞍山臺(tái)安；降水量50.0～99.9 mm的有139個(gè)站，主要集中在沈陽(yáng)南部、鞍山北部、遼陽(yáng)北部、盤(pán)錦北部及桓仁、昌圖、葫蘆島市區(qū)、綏中；降雨量25.0～49.9 mm的有438個(gè)站；降雨量10.0～24.9 mm的有437個(gè)站，主要集中在遼西和遼中以東地區(qū)；最大降水量為142.8 mm，出現(xiàn)在錦州黑山縣的新興鎮(zhèn)。

此次降水具有突發(fā)性特點(diǎn)，降水時(shí)空分布的不連續(xù)性在一定程度上反映出冷渦降水的特征（圖1）。中尺度雨團(tuán)較為活躍，11日7：00-8：00錦州北鎮(zhèn)柳家鄉(xiāng)最大降水量達(dá)54 mm/h，10日19：00-20：00，葫蘆島建昌縣湯神廟最大降雨量達(dá)56 mm/h。

1.2 冰雹實(shí)況

冷渦降水對(duì)流性較強(qiáng)，反映在降水過(guò)程中伴有冰雹產(chǎn)生。10日葫蘆島南票黃甲鄉(xiāng)、金星鎮(zhèn)和建昌縣湯神廟鄉(xiāng)、王寶營(yíng)子鄉(xiāng)出現(xiàn)冰雹（最大3 mm）；錦州市區(qū)出現(xiàn)冰雹（130 mm）；凌源縣、北票市區(qū)、喀左縣臥虎溝鄉(xiāng)、建昌縣昌隆鎮(zhèn)鄉(xiāng)出現(xiàn)小冰雹（3 mm）。

1.3 雷暴大風(fēng)實(shí)況

冷渦降水對(duì)流性較強(qiáng)，第二特征表現(xiàn)在降水過(guò)程中伴有雷暴和短時(shí)大風(fēng)。10日，沈陽(yáng)、錦州、阜新、鐵嶺、朝陽(yáng)、盤(pán)錦、葫蘆島地區(qū)出現(xiàn)7～8級(jí)雷暴大風(fēng)，瞬時(shí)最大風(fēng)力達(dá)10級(jí)，出現(xiàn)在朝陽(yáng)建平縣。10-11日，全省共監(jiān)測(cè)到閃電4 179次，主要出現(xiàn)在沈陽(yáng)、鞍山、撫順、本溪、錦州、阜新、遼陽(yáng)、鐵嶺、朝陽(yáng)、盤(pán)錦、葫蘆島地區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)流形勢(shì)演變特征

遼寧地區(qū)出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹天氣，主要受高空冷渦影響，均發(fā)生在高空冷渦發(fā)展階段。圖2A、圖2B、圖2C分別為6月9日20：00至10日20：00 500 hpa高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和850 hpa風(fēng)場(chǎng)演變情況。分析發(fā)現(xiàn)，此次強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)天氣過(guò)程6月9日20：00（圖2A）500 hpa高度層為兩渦一脊形勢(shì)，一閉合低渦在50°N以南110～120°E，中心值為5 600 gpm，另一閉合低渦在50°N附近和120～140°E，中心值也為5 600 gpm。前一閉合低渦對(duì)應(yīng)的溫度閉合中心遠(yuǎn)落后于它在貝加爾湖以西地區(qū)，中心值為 -20 ℃，500 hpa低槽位于蒙古中部到山西一帶，與850 hpa高度層切變基本重合。切變線東側(cè)有12 m/s的西南急流，遼寧西部地區(qū)處于西南急流區(qū)域內(nèi)，冷渦處于初級(jí)發(fā)展階段，此時(shí)各地降水還沒(méi)有開(kāi)始。

6月10日8：00（圖2B），兩個(gè)低渦中心合并，系統(tǒng)略有北抬，兩個(gè)低溫中心也合并并且東移，但落后低壓中心的相位減小，遼西處于西南急流區(qū)域內(nèi)，急流軸位于河北樂(lè)亭-葫蘆島-錦州-沈陽(yáng)一帶，水汽主要來(lái)源于渤海，遼西地區(qū)的降水已經(jīng)于10日00：00開(kāi)始，500 hpa低槽、850 hpa切變線均有所東移，但位置仍重合，850 hpa切變線東側(cè)西南急流加強(qiáng)明顯，急流軸風(fēng)速已達(dá)24 m/s，錦州地區(qū)正好處于急流軸上，冷渦仍然處于強(qiáng)盛發(fā)展階段。

6月10日20：00（圖2C）冷渦中心移動(dòng)較慢，但冷渦南部移動(dòng)較快，低槽斷裂成兩部分，南部低槽仍然與850 hpa切變線重合，此時(shí)溫度槽仍然落后于高度槽，但相位已經(jīng)很近，冷渦處于持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但由于遼西強(qiáng)降水已于18：00開(kāi)始，冷渦發(fā)展速度減慢，急流軸最大風(fēng)速減弱到20 m/s，并且東移到遼寧中部地區(qū)，此時(shí)錦州地區(qū)位于急流軸的左側(cè)，而后隨著冷渦東移發(fā)展，遼寧中東部地區(qū)依次出現(xiàn)較強(qiáng)降水，隨著冷渦發(fā)展成熟到逐漸消亡，各地降水強(qiáng)度明顯減弱，到11日14：00各地降水基本結(jié)束。

2.2 強(qiáng)降水V-3θ圖演變特征分析

V-3θ（V為探空資料中風(fēng)向和風(fēng)速的直接觀測(cè)數(shù)據(jù)，在MICAPS3中以風(fēng)羽形式顯示并設(shè)置在θsed曲線上。θ為位溫，θsed為以露點(diǎn)溫度計(jì)算的假相當(dāng)位溫，θ*為人為假定飽和狀態(tài)下的假相當(dāng)位溫。3條曲線在P-T坐標(biāo)圖上顯示）。結(jié)構(gòu)分析法是針對(duì)轉(zhuǎn)折性災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)較有效的一種新預(yù)報(bào)方法，其原理是來(lái)自演化的轉(zhuǎn)折性和流體的渦旋轉(zhuǎn)換[6]，方法核心在于充分利用渦旋演化中的非均勻性或不連續(xù)的直接觀測(cè)的結(jié)構(gòu)信息和旋轉(zhuǎn)方向的變化，來(lái)預(yù)測(cè)天氣演化的轉(zhuǎn)折性變化。由于遼寧地區(qū)探空站比較稀疏，造成探空資料的缺乏，因此選用上游河北樂(lè)亭站探空資料來(lái)分析遼西北地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹天氣，用錦州站探空資料分析北鎮(zhèn)黑山地區(qū)的強(qiáng)降水過(guò)程。

9日20：00，河北樂(lè)亭、錦州V-3Θ圖（圖3）低層均為偏南風(fēng)，中層為西南風(fēng)，高層為西北風(fēng)，均構(gòu)成整體順滾流，并在250 hpa θ線均有一左拐點(diǎn)，說(shuō)明有一薄層超低溫層，顯示大氣垂直結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，并蘊(yùn)含不穩(wěn)定能量，它相當(dāng)于一個(gè)冷蓋，是產(chǎn)生和發(fā)展暴雨到大暴雨的一個(gè)重要條件。不同的是樂(lè)亭Θsed和θ*曲線呈現(xiàn)基本一致曲拐方向，但錦州不是，相同的是二者距離均較遠(yuǎn)，且南風(fēng)輻合層均在400 hpa附近，說(shuō)明此時(shí)雖有不穩(wěn)定能量聚集，但水汽條件還不是很充足。

10日8：00，比9日20：00樂(lè)亭、錦州站（圖4）整層風(fēng)速均加大，順滾流加強(qiáng)，250～200 hpa θ曲線近似垂直K軸（錦州更垂直一些），超低溫層增厚，樂(lè)亭、錦州站Θsed和θ*曲線呈現(xiàn)基本一致，多次曲拐或一次曲拐，且距離均較近，說(shuō)明水汽條件已經(jīng)很充足，南風(fēng)水汽輻合層均已達(dá)300 hpa附近，此種形勢(shì)雖然不是典型的暴雨形勢(shì)，但預(yù)示著樂(lè)亭和錦州以北地區(qū)12～24 h內(nèi)將會(huì)有強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。實(shí)況表明，在10日14：00-21：00葫蘆島建昌、南票、朝陽(yáng)喀左、凌源部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)及錦州市區(qū)出現(xiàn)1.3～3.0 cm不等的冰雹天氣及短時(shí)強(qiáng)降水，同時(shí)錦州北鎮(zhèn)和黑山地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

10日20：00（圖5）比10日8：00，樂(lè)亭雖低層還是西南風(fēng)，850 hpa層以上為偏西風(fēng)或西比風(fēng)，存在順滾流，但Θsed和θ*距離較遠(yuǎn)，濕度條件較差，且不存在超低溫層，也就預(yù)示著未來(lái)12～24 h其以北地區(qū)不會(huì)再有強(qiáng)降水發(fā)生。錦州站仍然存在整層順滾流及超低溫層，濕度條件較好，預(yù)示著在其北部未來(lái)12～24 h仍存在強(qiáng)降水，實(shí)況是11日7：00-8：00北鎮(zhèn)和黑山東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)再一次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段。

2.3 強(qiáng)降水雷達(dá)回波特征分析

從全省雷達(dá)拼圖（圖6）可以看出，與東北冷渦對(duì)應(yīng)的云帶回波于14：30進(jìn)入遼西，回波為層云和積云混合，向東南壓的同時(shí)向東北方向移動(dòng)，回波帶上不斷有對(duì)流云團(tuán)生成和消散，造成各地陸續(xù)產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段，個(gè)別地區(qū)產(chǎn)生冰雹天氣，至20：00回波東移至遼寧中部地區(qū)逐漸減弱，遼西北地區(qū)強(qiáng)降水天氣暫時(shí)告一段落。

2.4 大風(fēng)成因分析

2.4.1 地面氣壓場(chǎng)特征分析 從10日8：00-17：00地面氣壓場(chǎng)（圖7）可以看出，遼寧地區(qū)處于蒙古氣旋前部，東部為日本海高壓，東高西低的氣壓場(chǎng)形式，有利于遼寧地區(qū)西南大風(fēng)的形成。氣旋中心位于蒙古中部地區(qū)，氣壓中心強(qiáng)度為1 000 hpa，隨著氣旋緩慢東移南壓，遼西北部地區(qū)越來(lái)越靠近氣旋中心，為遼西北地區(qū)大風(fēng)的出現(xiàn)提供地面形勢(shì)。

2.4.2 溫度平流與地面變壓場(chǎng)的關(guān)系 溫度平流與地面風(fēng)場(chǎng)之間是通過(guò)變壓場(chǎng)相互關(guān)聯(lián)和促進(jìn)的，強(qiáng)冷平流不僅會(huì)使地面正變壓場(chǎng)加強(qiáng)、地面變壓梯度增大，促使地面風(fēng)場(chǎng)發(fā)展，造成大風(fēng)，冷平流越強(qiáng)，出現(xiàn)風(fēng)力也越大。低層冷平流是導(dǎo)致此次遼西北大風(fēng)的重要原因。

圖8為10日14：00 850 hpa溫度平流場(chǎng)，冷平流區(qū)域位于內(nèi)蒙-河北一帶，冷平流中心值為-30×10-4 K/S，冷平流梯度較大，與之對(duì)應(yīng)的地面（圖9a）此時(shí)此區(qū)域內(nèi)正變壓場(chǎng)加強(qiáng)，變壓梯度增大。隨著冷平流區(qū)域東移北抬，依次掃過(guò)遼西北地區(qū)（圖9b），各地陸續(xù)出現(xiàn)7～8級(jí)大風(fēng)天氣，至20：00冷平流減弱，與之對(duì)應(yīng)的地面（圖9c）此時(shí)此區(qū)域內(nèi)正變壓場(chǎng)減弱，變壓梯度減小。大風(fēng)天氣基本結(jié)束。

2.4.3 地面變壓場(chǎng)與地面風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系 對(duì)于中緯度天氣尺度系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在地面層中，水平風(fēng)速主要取決于變壓梯度分布的大小，當(dāng)風(fēng)向沿著變壓梯度方向時(shí)，變壓梯度加強(qiáng)將使風(fēng)速加大，反之使風(fēng)速減小，因此地面變壓場(chǎng)將直接影響地面風(fēng)場(chǎng)，這是導(dǎo)致地面大風(fēng)出現(xiàn)的原因之一。

遼西北地區(qū)的大風(fēng)均出現(xiàn)在10日14：00-20：00， 10日14：00與高空冷渦相伴的冷空氣從西北東移南下，冷空氣前部的正變壓域已南壓至蒙古東部至河北西部一帶，遼西北地區(qū)為負(fù)變壓區(qū)控制，變壓梯度密集區(qū)位于河北西部地區(qū)。10日17：00遼西北地區(qū)被正變壓區(qū)和變壓梯度密集區(qū)所覆蓋，各地陸續(xù)出現(xiàn)7～8級(jí)大風(fēng)。10日20：00雖然遼西北地區(qū)仍為正變壓區(qū)，但變壓梯度明顯減小，各地風(fēng)速也明顯減弱。以上分析表明，遼西北地區(qū)出現(xiàn)的7～8級(jí)大風(fēng)與地變壓場(chǎng)的變化密切相關(guān)。

3 小結(jié)

此次遼西北地區(qū)局地強(qiáng)降雨、大風(fēng)、冰雹天氣是在東北冷渦背景下產(chǎn)生的。

通過(guò)常規(guī)天氣學(xué)角度預(yù)報(bào)局地強(qiáng)降雨難度較大，V-3θ結(jié)構(gòu)分析法可以在一定程度上彌補(bǔ)這種不足，在短時(shí)暴雨發(fā)生前12～24 h，遼西北地區(qū)上游及錦州V-3θ圖上有超低溫存在，整層順滾流，θ、Θsed和θ*曲線多處左傾，不穩(wěn)定能量聚集，Θsed和θ*距離較近，濕度條件較好，這些特征對(duì)遼西北地區(qū)局地暴雨的預(yù)報(bào)有較好的指示作用。

強(qiáng)冷平流不僅會(huì)使地面正變壓場(chǎng)加強(qiáng)、地面變壓梯度增大，促使地面風(fēng)場(chǎng)發(fā)展，造成大風(fēng)，冷平流越強(qiáng)，出現(xiàn)風(fēng)力也越大。低層冷平流是遼西北地區(qū)產(chǎn)生7～8級(jí)大風(fēng)的主要原因。

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