暖锋锋生引发中尺度暴雨的环境条件及诊断分析

2014-09-02谢玉静张惠君

黑龙江气象 2014年1期

谢玉静,韩冰,张惠君,金磊

（1.黑龙江省气象台,黑龙江哈尔滨 150030;2.黑龙江省气象局，黑龙江哈尔滨150001）

1 引言

黑龙江省暖锋锋生暴雨比较常见，多由江淮、华北、河套低压等北上、东移形成。一般暖锋在向北移动过程中，遭遇冷空气，在冷暖平流的作用下，锋区加强产生锋生，西南急流风速辐合在急流前部，切变线附近辐合最强烈，暴雨在此发生[1]，暖锋产生的降水一般以大范围稳定性或混合性降水为主，降水缓慢，持续时间长。而此次过程受暖锋影响不仅产生持续的大范围的暴雨天气，并且在降水过程中，多次出现降水集中加强的时段，造成局地的强降水，累积达大暴雨量级，主要是由于暖锋锋生以及暖锋前触发对流造成的。

在大尺度背景环流下，中小尺度系统的增强是造成短时暴雨及累积降水量较大的重要条件。中小尺度天气系统的生命史较短，中、小尺度系统的活动，往往造成局地短时的暴雨。丁一汇、陶诗言[2-3]等老一辈气象学家指出：暴雨是各种尺度天气系统相互作用的产物，其中中尺度天气系统是直接造成暴雨的天气系统，它在各种系统相互作用中起着关键性作用，一次大暴雨常常由几场降水组成，而每场降水都对应一个中尺度系统。近年来，我国对暴雨有过不少的研究，尤其在中尺度方面的分析研究工作较深入[3-7]，中尺度扰动的生成和维持与大尺度条件密切相关，持续性的暴雨发生时，经常存在一支天气尺度的低空急流，将暴雨区外围的水汽向暴雨区集中。暴雨持久要有位势不稳定层结建立的机制，低空暖湿空气的流入很重要，对于暴雨,一般弱的冷平流较为有利，强的冷干平流对暴雨并不十分有利，低空急流的左前方，一方面引起暴雨区水汽的输送和辐合，同时也促进对流不稳定能量的再生[2]。

2 暴雨过程概况

2012年7月28-30日，黑龙江省自西南向东北出现了区域性的暴雨。9 站降水量超过100 mm，降水集中在28日18时-30日08时。

根据降水集中时段和区域分析，可按三个时段进行讨论，降水自西向东推进，杜蒙、林甸强降水集中在28日21时-29日02时，出现短时局地暴雨，降水强度大，持续时间短，累积降水量分别为131 mm和104 mm，突破历史极值。绥化、庆安、依兰、肇东降水集中在29日11-17时，午后中小尺度天气系统发展造成短时的强降水，该区域降水持续时间长，并且出现短时的暴雨，累积降水量超过100 mm。尚志、佳木斯、汤原累积降水量也超过100 mm，主要是由于降水时间长，从降水开始到结束有三个降水峰值，降水集中增强主要是在29日16-22时。此次过程在大范围降水中，自西向东9 个站点出现大暴雨，具有明显的中尺度特征。

3 背景形势及影响系统

3.1 背景形势

从500 hPa 形式看（图略），贝湖北部冷空气下滑，河套低槽发展北上，在内蒙古东部形成深厚的低涡系统，该系统沿着副高外围由西南向东北影响黑龙江省大部，造成大范围的暴雨天气。副热带高压脊稳定维持在我国大陆东岸，与西藏高原的暖脊合并加强，其西侧的偏南气流向我国北方输送大量暖湿空气，在黑龙江省形成高温、高湿和不稳定的大气层结，为黑龙江省暴雨发生提供了有利的条件。同时副热带高压与北部鄂霍茨克高压脊相叠加，对阻挡东北低压东移起到重要作用。

3.2 影响系统

图1 2012年7月28日20时850 hPa 形势与7月29日02时地面气压场（左图：高度：实线，单位：dagpm，温度：虚线，单位：℃。右图：阴影区为6 h 雨量>40 mm 的区域)

第一时段：28日20时850 hPa 上，西南气流前部有暖锋锋区，锋区北侧及西侧为相对稳定的冷空气，暖锋前缘有冷、暖空气汇合，锋前偏东风与锋后西南风形成暖式风切变（图1）。切变线南部有较强的偏南风，与温度脊配合，有较强的暖平流，锋区在暖平流的作用下产生锋生，锋区加强。低涡前部的暖湿切变与暖锋位置基本重合，暖锋锋生期间，加强了辐合抬升运动，使上升运动加强，降水量级最大，区域性暴雨主要产生在850 hPa 上T-Td≤2 ℃的区域。地面，河套低压在偏南气流引导下东移北上，地面上辐合形势更加明显，北部冷空气进入暖槽，锋生作用使得暖锋前降水强度增强，如图1 阴影区，02时6 h 雨量超过40 mm。

第二时段：29日08时，冷空气移到副高西侧，588 线的范围明显减小，副高有所减弱(图2)。低涡进一步向东北方向移动，低涡后部冷平流的影响，不断有冷空气下滑，到暖脊控制区，锋区进一步加强，冷暖空气共同作用，加之午后热力条件的增强，在暖锋锋面前触发对流性降水，降水时间短，强度大。地面低压也是东移北上，29日14时低压中心在吉林省西部，黑龙江省中南部受暖锋影响，暖锋前为明显的负变压区，北冷南暖同时加强，暖锋两侧温度梯度增大，雨强明显增加，如图2 阴影区雨量超过30 mm。

第三时段：30日08时500 hPa 影响黑龙江的低涡系统减弱为低槽，副高也进一步减弱东移。850 hPa上低涡中心已经在黑龙江东北部，黑龙江省大部地区已经在冷空气控制之下，随后冷中心与低涡中心基本重合，东北低涡缓慢填塞减弱，其影响强度略有减弱，地面低压向东移动到黑龙江东南，强度减弱（图3）。自29日凌晨低涡系统影响黑龙江省，减弱东移，黑龙江中东部从暖锋降水转为低涡降水，降水持续，造成范围大和持续时间长的暴雨天气。

图2 2012年7月29日08时850 hPa 形势与7月29日14时地面图（左图：高度：实线，单位：dagpm，温度：虚线，单位：℃。右图：阴影区为6 h 雨量>30 mm 的区域)

图3 2012年7月30日08时850 hPa 形势与7月30日08时地面图（左图：高度：实线，单位：dagpm，温度：虚线，单位：℃)

4 中尺度环境条件及抬升触发机制

4.1 环境条件

图4 为29日08时的中尺度综合分析，高空低涡后部冷平流影响使得低涡及地面低压强烈发展，黑龙江省对流层中低层受暖式切变影响，西南暖湿气流向北伸展到切变线附近，因热力作用产生上升运动。对流层低层高温高湿的空气与中层向南渗透的干冷空气结合，导致中低层位势不稳定的建立，为暴雨提供热力和动力条件。

4.2 急流作用

高低空急流同时出现，对暴雨起着重要的作用，此次过程高低空急流平行，如图4。云区位于高空急流与低空急流之间，高空急流的存在有利于上升气流的维持和加强，为长久的上升运动提供动力，中低层西南急流的持续不仅为暴雨提供充足水汽，还使锋区加强北移，有利于暖锋锋生，为暴雨提供了动力条件。

同时在低空急流或暖湿气流输送的出口辐合上升区与高空急流辐散区耦合处有强对流天气出现（图4），低空急流输送暖湿空气，高空急流输送干冷空气，二者叠置后加强了大气潜在不稳定，在低空急流最大风速中心的前方有明显的水汽辐合和质量辐合及强上升运动，这对产生暴雨的强对流活动的连续发展非常有利。

图4 2012年7月29日08时中尺度综合分析（500 hPa 干区、850 hPa 湿区为锯齿朝向以内）

4.3 触发条件

干冷空气侵入对暴雨的产生发展起着重要的动力作用，并且能够调整湿度场结构，产生热力效应，此次过程中弱的干冷输送对于增强暖锋降水起到重要作用。28日20时（图略），干冷舌伸出吉林南部，与中空急流配合，干冷空气进入到暖锋后部,触发暖锋锋生。 29日08时，中低层西南暖湿气流依然很强并且维持，西部与北部冷空气从低涡后部进入，随着涡旋与暖湿气流汇合，同时午后热力条件有所增加，在暖锋前部触发对流性强降水。

4.4 地面辐合抬升作用

较强降雨的出现与地面中尺度气旋性环流形成和加强密切相关。在29日凌晨及29日下午，分别有地面风场的气旋性环流加强的过程，与强降水出现的时间和区域相吻合（图略）。尤其是29日下午，偏东、偏北与偏南三股不同方向的气流在强降水发生区域汇合，不但有暖式辐合的影响，同时还有较冷的气流冲入暖区，伴随地面的气旋性环流建立及强烈的辐合抬升作用产生较强降水。

5 物理量场诊断分析

5.1 水汽条件

充沛的水汽含量、持续的水汽输送和辐合是产生暴雨的必要条件。此次暴雨的水汽主要是来自于黄、渤海海面及其以南的东海海面上，该水汽通过副高南部和西部边缘的偏东转偏南气流输送到黑龙江省。暴雨发生时，对流层中低层的相对湿度>90%，比湿场上，在雨区或低空急流北端有湿舌或湿中心存在，沿副高外围呈现自西南向东北的湿带。 850 hPa上大暴雨发生在比湿处于10-12 g/kg 的湿舌上。暴雨发生在水汽通量辐合区前部或者水汽通量辐合与辐散交替地带。

5.2 能量场特征

假相当位温场分析，暴雨发生在高能舌前沿，Ω能量锋区附近。对流层低层有一条相当位温舌伸向暴雨区，同时中高层，暴雨区有干冷舌配合，暴雨发生时，暴雨区西南部有高温高湿能量向暴雨区提供，暴雨区北部有干冷空气向暴雨区入侵，暴雨区正位于这个锋区上。中层的干冷舌垂直配置于低层的暖湿舌之上，增强了大气不稳定度，有利于中尺度对流天气的触发。

5.3 稳定度特征

暴雨往往对应较强的位势不稳定，不稳定能量主要集中在低层或中低层，低层有比较强的暖、湿平流，在高层有干、冷平流，使得雨区的上空变得更加不稳定。对K 指数、沙氏指数、垂直速度场分析发现，暴雨产生于不稳定区前方，从暴雨区周围稳定度情况看，暴雨区南部比暴雨区内更不稳定，暴雨区北部是对流稳定状态，暴雨发生在稳定与不稳定的过渡带中。

5.4 对流有效位能

对流有效位能对暴雨预报也有较好指示性。在暴雨前，对流有效位能急剧增加，暴雨结束时，对流有效位能迅速减少或出现负值。28日20时哈尔滨探空图CAPE 值1 171.9 J/kg，大气的对流不稳定较弱，暖湿能量较高，到29日08时大气处于强的对流不稳定，K 指数37，SI 指数-2.02，CAPE 值441.4 J/kg，是对流天气发生的典型垂直不稳定层结状态。