2021 年8 月牡丹江一次暴雨天氣成因分析

路平平，霍 達(dá)，范天紅

(牡丹江市氣象局，黑龍江 牡丹江 157000)

1 引言

對(duì)流和降水活動(dòng)是大氣中的諸多天氣現(xiàn)象之一，它們是在大尺度條件影響下，主要由中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）造成。暴雨是牡丹江夏季常見的災(zāi)害性天氣，提前預(yù)報(bào)預(yù)警、尤其是落區(qū)預(yù)報(bào)一直是預(yù)報(bào)員工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從暴雨觸發(fā)、加強(qiáng)機(jī)制和各尺度天氣系統(tǒng)間的相互作用等方面開展了大量的研究，同時(shí)也對(duì)暴雨中尺度系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，得出了很多有重要參考價(jià)值的結(jié)論。張芹等[2]對(duì)2017 年山東雨季暖區(qū)暴雨的環(huán)流背景、對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制和大氣垂直結(jié)構(gòu)特征等方面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)西南風(fēng)低空急流的快速加強(qiáng)及向下傳播能觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，是暴雨的觸發(fā)機(jī)制。徐明等[3]指出大多數(shù)強(qiáng)降水事件與中尺度對(duì)流系統(tǒng)關(guān)系密切，MCS 的發(fā)展演變很大程度上決定了暴雨的強(qiáng)度和分布，通過研究其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和移動(dòng)傳播，能夠顯著改進(jìn)暴雨的預(yù)報(bào)。黃思先等[4]研究指出降水云頂亮溫TBB≤-50 ℃區(qū)域與降水區(qū)對(duì)應(yīng)，近似圓形的中尺度對(duì)流系統(tǒng)對(duì)湖北東部強(qiáng)降水十分有利。顧佳佳等[5]研究指出強(qiáng)降水主要由低渦云系中不斷生成發(fā)展的中尺度對(duì)流云團(tuán)造成，其落區(qū)與云頂亮溫（TBB）梯度大值區(qū)對(duì)應(yīng)且靠近其低值中心,地面高溫高濕環(huán)境和冷舌的侵入對(duì)中尺度對(duì)流產(chǎn)生有重要作用,地面輻合線為其觸發(fā)機(jī)制,長(zhǎng)時(shí)間維持導(dǎo)致暴雨發(fā)展;楊群等[6]指出不同區(qū)域生成的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)反復(fù)影響銅仁,形成持續(xù)性暴雨，加上地形阻擋、抬升和喇叭口地形收縮作用,進(jìn)一步增強(qiáng)了局地極端強(qiáng)降水形成。眾多文獻(xiàn)對(duì)暴雨分析和預(yù)報(bào)起到很好指導(dǎo)性作用，對(duì)區(qū)域性強(qiáng)降水具有普遍意義，本文對(duì)2021 年8 月21 日牡丹江暴雨個(gè)例分析，探討影響系統(tǒng)演變過程，并對(duì)物理量進(jìn)行診斷分析，以期提高對(duì)暴雨過程的天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及形成物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，旨在為類似暴雨天氣預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、牡丹江自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)采集的實(shí)況資料、NCEP 再分析資料、FY-2G 衛(wèi)星TBB 云圖資料及牡丹江多普勒雷達(dá)資料，運(yùn)用天氣學(xué)原理方法分析牡丹江2021 年8 月21-22 日暴雨過程。

3 降水實(shí)況

2021 年8 月21 日牡丹江出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降雨天氣，此次降水強(qiáng)度大，局地性強(qiáng)，分析8 月21 日8時(shí)-22 日8 時(shí)牡丹江地市24 h 累積降水量分布發(fā)現(xiàn):暴雨落區(qū)主要集中在寧安、海林和綏芬河，降水強(qiáng)度從西南向東北遞減，35 個(gè)國(guó)家站及考核站降水量超過50 mm，7 個(gè)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(shí)-22 日08 時(shí)，馬河12 h 累積降水量117.4 mm，連續(xù)2 h 出現(xiàn)＞20 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降，最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在22 日03 時(shí)達(dá)25.6 mm·h-1。根據(jù)降水特征，有兩個(gè)問題值得關(guān)注：（1）強(qiáng)降水發(fā)生在夜間；（2）強(qiáng)降水中心落區(qū)出現(xiàn)在牡丹江西南。本文主要從降水發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度三個(gè)角度逐次進(jìn)行機(jī)理分析。

4 大氣環(huán)流背景及主要影響系統(tǒng)

首先分析強(qiáng)降水發(fā)生前對(duì)流層中層500 hPa 環(huán)流形式：8 月21 日08 時(shí)，牡丹江上游從內(nèi)蒙古東部經(jīng)渤海到我國(guó)東南沿海為高空槽，貝加爾湖東西兩側(cè)分別有兩個(gè)冷渦，下游副熱帶高壓穩(wěn)定在海上形成阻塞形式，20 時(shí)(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(qiáng)，與槽后冷空氣交匯，有利降水發(fā)生。分析降水發(fā)生前對(duì)流層低層主要影響系統(tǒng)，8 月21 日08時(shí)，700 hPa 環(huán)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(huán)流，隨著西風(fēng)槽東移及海上暖高壓的穩(wěn)定維持，槽前朝鮮半島到牡丹江上空暖濕氣流不斷加強(qiáng)，21 日20 時(shí)(圖1b)，對(duì)流層中下層在我國(guó)東北南部形成較深厚的低壓，在高空偏南引導(dǎo)氣流下，同時(shí)受海上高壓阻擋作用，低壓形成后向北移動(dòng)。

圖1 21 日20 時(shí)（a）500 hPa 環(huán)流形勢(shì)（b）850 hPa 環(huán)流形勢(shì)

分析海平面氣壓場(chǎng)(圖2)發(fā)現(xiàn)，21 日夜間低壓中心偏北，從低壓中心向南有偏東風(fēng)和偏北風(fēng)的輻合線，21 日20 時(shí)-22 日08 時(shí)地面輻合線演變發(fā)現(xiàn)，地面輻合線一直在牡丹江西部，21 日20 時(shí)輻合線位于中低層切變線前接近垂直，加劇垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，隨著高空槽東移，地面輻合線幾乎穩(wěn)定不動(dòng)，造成牡丹江降水強(qiáng)中心位于西南。

圖2 22 日02 時(shí)海平面氣壓場(chǎng)和流場(chǎng)及21 日20 時(shí)、22 日02 時(shí)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(qiáng)降水發(fā)生的必要條件。分析水汽通量和風(fēng)場(chǎng)，結(jié)果顯示，21 日14 時(shí)副熱帶高壓西側(cè)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(fēng)急流有利水汽向北輸送，21 日20 時(shí)低空急流強(qiáng)度加強(qiáng)，水汽輻合中心加強(qiáng)向北移動(dòng)，有大量的水汽從日本海向牡丹江輸送，21 日00時(shí)，水汽輻合高值區(qū)最強(qiáng)達(dá)到-30 g·cm-2·hPa-1·s-1，22日08 時(shí)水汽輻合中心繼續(xù)向北移動(dòng)，強(qiáng)度開始減弱，牡丹江上空有東西向切變線，22 日14 時(shí)，水汽輻合中心東移，牡丹江上空水汽通量減小，降水逐漸結(jié)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(shí)間剖面圖（圖3），從時(shí)間剖面圖可以看出：21 日14 時(shí)牡丹江上空近地面層到700 hPa 有水汽輻合，20 時(shí)隨著水汽輻合加強(qiáng)牡丹江降水加強(qiáng)，強(qiáng)降水時(shí)段發(fā)生在水汽輻合最強(qiáng)階段，水汽條件解釋了強(qiáng)降水發(fā)生在21 日夜間。

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

5.2 動(dòng)力條件

降水發(fā)生前21 日14 時(shí)，牡丹江上空大氣開始出現(xiàn)高層輻散、低層輻合結(jié)構(gòu)，此時(shí)大氣垂直上升運(yùn)動(dòng)開始發(fā)展，到22 日00 時(shí)前后，輻合、輻散中心也明顯增強(qiáng)，最大輻散中心位于200 hPa 附近，強(qiáng)度達(dá)3.5× 10-5s-1，此時(shí)垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展最強(qiáng)，有利于將低層濕空氣向上輸送，為暴雨發(fā)生提供動(dòng)力條件，垂直運(yùn)動(dòng)條件進(jìn)一步解釋了降水發(fā)生在夜間。

沿44°N(牡丹江緯度）作高度—經(jīng)度的風(fēng)場(chǎng)剖面圖（圖略），結(jié)果顯示，21 日20 時(shí)，牡丹江（129°E）東側(cè)上空存在偏南風(fēng)—西北風(fēng)的風(fēng)切變，其東側(cè)偏南氣流有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。22 日02 時(shí)，強(qiáng)切變東移，牡丹江東側(cè)風(fēng)速加大，牡丹江位于急流左側(cè)的不穩(wěn)定區(qū)域中，有利上升運(yùn)動(dòng)及對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的加強(qiáng)和維持。從21 日14 時(shí)-22 日02 時(shí)垂直速度沿129°E 垂直剖面圖（圖4）可以看出21 日14 時(shí)牡丹江上空出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)上升氣流，上升運(yùn)動(dòng)中心位于500 hPa 附近，強(qiáng)度達(dá)到-4.2×10-2hPa·s-1，它與上述低空急流的發(fā)展密切相關(guān)。還有一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，在上升氣流的西側(cè)出現(xiàn)了一支徑向次級(jí)環(huán)流，它的出現(xiàn)表明了上升運(yùn)動(dòng)正處于發(fā)展旺盛階段，由強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)迫產(chǎn)生的補(bǔ)償次級(jí)環(huán)流十分有利于對(duì)流的發(fā)展與維持[3]。22 日02 時(shí)上升運(yùn)動(dòng)中心東移到132°E,位于上升氣流西側(cè)的徑向次級(jí)環(huán)流減弱，此時(shí)上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到最強(qiáng)，與馬河逐小時(shí)雨量變化趨勢(shì)中小時(shí)最大降水量對(duì)應(yīng)，此后上升運(yùn)動(dòng)逐步減弱，使得降水在減弱過程中保持一定強(qiáng)度。

圖4 （a) 21 日12 時(shí)和（b)22 日02 時(shí)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(wěn)定條件

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

6 中尺度特征分析

6.1 衛(wèi)星云圖特征

Maddox 提出使用-32 ℃和-52 ℃黑體亮溫(black body temperature，TBB) 標(biāo)識(shí)的區(qū)域范圍及形狀等來(lái)識(shí)別中尺度對(duì)流復(fù)合體。通常，TBB ≤-32 ℃和TBB≤-52 ℃被用來(lái)作為識(shí)別大氣對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)度的兩個(gè)閾值。21 日08 時(shí)在副高外圍黑龍江西部存在中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS)，最低云頂亮溫≤-42 ℃。8-20時(shí)對(duì)流云團(tuán)范圍迅速擴(kuò)大，20 時(shí)在吉林西部對(duì)流云團(tuán)（云團(tuán)A)中云頂亮溫≤-52 ℃，21 時(shí)對(duì)流云團(tuán)A 強(qiáng)中心面積增加向北移動(dòng)進(jìn)入黑龍江南部，冷云罩范圍擴(kuò)大發(fā)展成圓形，暴雨區(qū)降水開始加強(qiáng)，隨后22時(shí)在強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)東側(cè)又有云頂亮溫≤-42 ℃的中尺度對(duì)流云團(tuán)（云團(tuán)B)發(fā)展，兩個(gè)中尺度對(duì)流云團(tuán)在向北移動(dòng)過程中強(qiáng)中心逐漸合并，緩慢移動(dòng)影響牡丹江地區(qū)，此時(shí)多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)中心位于海林，云團(tuán)南部不斷有小尺度對(duì)流生成，暴雨中心馬河小時(shí)降水量最大。隨著中尺度對(duì)流云團(tuán)向北移動(dòng)，影響牡丹江的降水逐漸結(jié)束(圖5)。

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

6.2 雷達(dá)回波演變特征

利用分辨率更高的多普勒雷達(dá)分析本次降水，與TBB 圖上迅速發(fā)展的中尺度云團(tuán)對(duì)應(yīng)，21 日20時(shí)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(gè)大小、強(qiáng)度不等的對(duì)流單體。21 日22時(shí)-22 日2 時(shí)分散的小對(duì)流單體合并加強(qiáng)發(fā)展，回波覆蓋牡丹江全區(qū)帶來(lái)大范圍降水，強(qiáng)中心位于寧安和海林南部。3-7 時(shí)回波主體位于海林、寧安整體呈氣旋性旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中不斷有小對(duì)流單體生消，回波強(qiáng)中心不到45 dBZ,從多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)度可以看出，本次降水過程比較均勻，小時(shí)降水量最大25.6 mm·h-1，強(qiáng)降水落區(qū)位于牡丹江西南。

7 小結(jié)

（1）這次降水過程發(fā)生前副熱帶高壓持續(xù)偏強(qiáng)，配合高低空急流，地面風(fēng)場(chǎng)輻合線與中低層切變線疊加，加劇垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展，觸發(fā)本地不穩(wěn)定能量和水汽釋放，造成了局地強(qiáng)降水。

（2）物理量分析可以看出降水區(qū)有明顯的水汽輻合為暴雨發(fā)生提供了水汽條件；低層輻合、高層輻散的動(dòng)力配置有利上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，由強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)迫產(chǎn)生的徑向次級(jí)環(huán)流十分有利強(qiáng)降水發(fā)生，牡丹江地區(qū)在暴雨過程中大氣層結(jié)始終處于對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)，有利對(duì)流發(fā)展。

（3）中尺度對(duì)流云團(tuán)在牡丹江上空持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)是產(chǎn)生暴雨的重要天氣系統(tǒng)，在雷達(dá)反射率因子圖上表現(xiàn)為大范圍的混合云降水回波，呈氣旋性旋轉(zhuǎn)移動(dòng)緩慢，導(dǎo)致降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)達(dá)到暴雨。

（4）針對(duì)本次強(qiáng)降水天氣過程，提前一天發(fā)布大雨預(yù)報(bào)并升級(jí)大到暴雨預(yù)報(bào)，但對(duì)強(qiáng)降水中心提前預(yù)報(bào)量級(jí)不夠精確，對(duì)于暴雨中心落區(qū)及強(qiáng)度預(yù)報(bào)有待進(jìn)一步提高。