曾 科， 顾建峰， 刘海文

(1.成都信息工程大学大气科学学院 高原气象与环境重点实验室，四川 成都610225;2.中国气象局，北京100081)

0 引言

暴雨是中国夏季主要的气象灾害［1］，往往能引起严重的洪涝，山洪爆发。20世纪90年代以来，东北地区接连发生了不同程度的洪涝，如1994年东北地区产生的洪涝、1995年大洪水、1998年夏季发生于松花江流域和嫩江流域的超历史记录的洪涝和2005年东北大部洪水等［2］，这些洪涝天气过程给东北地区带来了严重的损失，也引起学者的广泛关注和研究［3-4］。

关于东北暴雨的研究很多。比如郑秀雅等［5］就对东北暴雨的气候特征以及形成东北暴雨的主要天气系统进行了研究和归纳。钟水新等［6］通过研究2009年6月19日东北地区一次短时强降水过程，概括出此次暴雨过程的三维概念模型。寿亦萱等［7］应用常规和非常规资料，对2005年6月10日发生在黑龙江省沙兰河上游的暴雨MCS动力结构的演变特征作了研究，认为导致该次降水的中尺度对流系统是一个具有多单体风暴结构特征的孤立对流系统。郑秀雅等［5］研究表明，东北地区大范围的暴雨过程与西风带、副热带和热带，亦即所谓的“三带”环流系统有着密切的联系。黄泓等［8］研究了1998年8月的一次东北暴雨过程，认为暴雨落区与低层湿位涡正压项区域相对应。赵思雄等［9］认为，当低纬度的热带涡旋系统产生北移，并与东北冷涡共同作用下，就会引发特大暴雨的产生。

东北冷涡是影响中国东北地区的主要系统之一，发生在东北地区的强降水、冰雹、大风等天气过程大部分都是由于东北冷涡引起［10］。陶诗言［1］指出，作为中国主要暴雨大形势特点之一的东北冷涡型，其往往能够引发东北和华北北部雷阵雨过程。Chen等［11］借用Q矢量分析了东北夏季冷涡的中尺度对流系统，揭示出Q矢量能对不稳定的斜压强迫产生显著的效果，这为业务预报提供了一定的帮助。陈力强等［12］通过应用MM5模式对一次东北冷涡过程个例进行了模拟，发现当冷涡南部锋区内若产生斜压性扰动以及形成有利的不稳定层结，则能给MCS强风暴提供有利的环境条件。齐彦斌等［13］通过对2003年7月8日一次东北冷涡过程中冷涡对流云带的详细分析，初步讨论了降水可能形成的机制。孙力等［14］通过对1998年松嫩流域东北冷涡大暴雨形成过程进行分析，发现1998年松嫩流域洪涝灾害与多次的东北冷涡活动相联系。乔枫雪等［15］针对一次大范围持续性暴雨进行了分析与研究，认为长时间的低涡暴雨与低涡，副高以及水汽输送等方面有密切的关系。

这些研究表明，研究东北冷涡及其导致的东北暴雨显得非常重要。2013年夏季，东北地区降水过程频繁，黑龙江、松花江、嫩江等流域出现大洪水，高水位持续时间长，造成了严重的持续性洪涝灾害［16］。而7月2日是东北2013年入夏以来出现最强的一次暴雨过程，针对此次降水过程，是由什么天气系统导致的，导致其发生的大尺度降水条件又具有什么样的特征，到目前为止，尚未有文献。因此，开展对7月2日东北暴雨的研究，这对认识加深认识影响东北暴雨的机制，具有重要的科学意义。

1 资料与方法

所用资料包括:

(1)降水资料，源于中国气象局业务系统(meteorological information combine analysis and process system，MICAPS)，包括常规台站降水资料和加密的自动气象站降水资料;

(2)大气环流资料，选自 NCEP/NCAR提供的FNL(final operational global analysis)全球每6 h一次的再分析资料。其水平分辨率为1°×1°，垂直分辨率为26层。要素场包括U，V风场，相对湿度，位势高度场，垂直速度ω，地面气压等。

根据乔枫雪等［15］对东北区域范围的研究，定义38°N ～54°N，119°E ～135°E 的区域作为东北研究范围。通过运用Cressman客观分析法［17］，定义东北区域范围内的站点数据插值为1°×1°的格点数据，从而获得东北地区区域平均逐日降水量。

文中主要使用了天气诊断分析等方法。其中，计算整层积分水汽通量的方法与 Trenberth［18］和 Lei等［19］的方法相类似，公式如下:

公式中g为重力加速度，Qu、Qv分别代表纬向和经向的水汽输送通量和方向，两者的单位为kg/(m·s)，u，v分别为纬向风和经向风，q为比湿，Ps为地面气压场，在此代表下界气压，而P取为300 hPa，代表上界气压。

2 7月2日暴雨过程简介

图1 2013年7月2日东北地区降水空间分布图(阴影为≥50 mm，单位:mm)

图1给出了7月2日东北降水的空间分布特征。由图可见，东北大部分地区都出现了降水，其中长春以东大部分地区都达到大雨以上降水量级，强降水中心主要位于白城附近，其6小时降水量超过50 mm，这是东北2013年出现的最强的一次强降水过程。由于其降水出现时间早，且雨量大，因此作为研究的主要对象。

3 影响7月2日东北暴雨的天气形势和系统

图2 500 hPa高度场

大范围暴雨是出现在一定的大尺度环流形势下［1］。在暴雨出现前的6月30日08时(北京时)的500 hPa天气图上，在高纬度地区，整个欧亚大陆上空为一槽一脊型，其中在叶尼塞河附近为一低涡，东北北部为一暖脊;在中高纬度地区，环流比较平直，东北上空为一短波槽控制。24小时以后(图2b)，叶尼塞河附近的低涡分裂成2个小低涡，一个向叶尼塞河的西南方向发展，另一个东移至贝加尔湖以北地区，值得注意的是，在东北地区的西部，此时已经形成低涡，此即所谓的东北低涡。到了7月2日08时(图2c)，高纬地区环流形势稳定少变，被分裂的两个低涡范围明显变小，此时在拉普捷夫海峡南部地区又生成一个小的低涡中心，表明又有新的冷空气在该处堆积，位于东北上空西部的东北冷涡范围较24小时前有所扩大，该低涡在7月3日08时进一步加深变强(图2d)，进而导致了东北7月2日强降水的发生;7月3日08时位于叶尼塞河西南部的低涡和其北部的冷空气切断，在里海北部附近形成一个切断低涡。到了7月4日和7月5日08时的500 hPa天气图上，东北低涡逐步减弱直至形成一个高空槽，影响东北7月2日暴雨过程也随之结束。需要注意的是，在整个暴雨形成过程中，中纬度的副热带高压位置稳定少变，表现为5840 gpm线基本维持在北纬31°N附近，这样的“北低南高”的环流配置，有利于冷暖空气在东北附近长时间相互作用，使暴雨得以发生。

图3 850 hPa高度场

对流层中低层850 hPa的环流形势和对流层中高层500 hPa天气形势相比，大致相同。6月30日08时(图3a)，一弱低涡形成于贝加尔湖南端以及蒙古东南部。7月1日08时(图3b)，低涡迅速向东部移动进入东北地区，并逐渐开始控制东北区域，在此移动过程中，低涡经向度拉长，强度变大不大。同时，国际编号为1306的强热带风暴“温比亚”出现于中国南海附近，中心位置约位于114°E，18.3°N。充沛的水汽在该热带涡旋的牵引下向中高纬度地区移动，然后在西风带系统的影响下输送至低涡。7月2日08时(图3c)，低涡中心略微南移，中心强度继续加深，“温比亚”北移至广西，加强与西风带系统的联系，将水汽进一步输送至低涡中心，对7月2日暴雨过程的产生和增强起到了一定的作用。随后低涡迅速发展成熟，在次日08时(图3d)低涡发展达到最大，基本控制了整个东北地区，中心强度达到1250 gpm。24小时后(图3e)，低涡开始东移减弱，到7月5日08时(图3f)，低涡已彻底消失。值得注意的是，整个过程中低层低涡出现，发展成熟，减弱以及消失的时间与中层基本一致。

图4 7月2日08时200 hPa风场(阴影代表高空急流，单位:m/s，矩形方框代表东北区域)

图5 7月2日08时850 hPa风场(阴影代表低空急流，单位:m/s，矩形方框代表东北区域)

图6 7月2日08时高低空急流与东北范围的水平位置分布图(虚线代表高空急流，单位:m/s，实线代表低空急流，单位:m/s，矩形方框代表东北区域)

图7 沿125°E矢量风(v-ω的合成)的经向剖面图(黑色粗实箭头代表次级环流移动方向)

7月2日东北强降水期间，200 hPa高空西风急流带纬向范围宽广，从70°E一直延伸到140°E左右(图4)。急流轴存在2个大风核，其中一高空急流核位于90°E附近新疆东部，呈准东西向分布，另一高空急流核呈“反气旋性”弯曲，主要位于东北区域上空及其东南侧。前者中心风速超过55 m/s，后者中心风速超过50 m/s。暴雨的产生往往伴随着低空急流的出现，两者关系密切［1］，作为能够触发风暴发展，发生的因子，低空急流不仅能将水汽输送给中纬度暴雨，同时也能给强对流系统提供动量［20］。7月2日08时，在低层850 hPa风场上(图5)，有一明显的低空急流。该急流初生于中国南海，接着在副热带高压西北部的引导下，沿着中国南部北上，经过中部以及华北地区，再穿越过东海，最后进入到东北地区中。急流最初以风速14 m/s左右经过中国内陆，当移入华北地区后，风速迅速增强至18 m/s，急流轴呈西南-东北走向，急流核强度超过20 m/s，此后强盛的风力一直持续到急流进入东北地区后。

高低空急流的耦合对暴雨等剧烈天气的发生发展尤为重要［21］，因此为了了解高低空急流与东北区域的耦合情况，绘出高低空急流与东北范围的水平位置分布图(图6)。7月2日东北强降水过程中，呈“反气旋”弯曲的高空急流大风核南界与在东北地区南部上空的低空急流北界出现重叠，东北强雨带主要处在该高空急流大风核内部以及低空急流左前侧，而往往低空急流中心的前方存在明显的水汽辐合和强的上升运动。

图7为沿125°E经向风与垂直气流的合成矢量经向剖面图。图中，东北区域南部38°N至45°N上空主要为上升运动所控制，而强的下沉运动支出现在低空急流南侧位置对流层低层29°N附近。可以看到，一支与高空锋区相联系横跨高空急流与低空急流的经向垂直环流存在于东北地区上空及其南面。深厚的上升气流从低层径直上升，到达200 hPa处后向南部发生偏折，紧接着在29°N左右处下沉，至对流层低层处再转向北，构成一支北侧上升，南侧下沉的次级环流。因此，高低空急流耦合在东北地区上空形成强烈的上升运动是引起该日东北地区强降水的原因之一。

4 东北低涡的结构分析

图8 7月2日08时沿125°E高度-纬度剖面图

为了进一步分析影响该次暴雨的东北低涡的结构，图8给出过低涡中心的125°E高度-纬度剖面图。由图8(a)可见，在45°N至50°N的上空850 hPa～650 hPa处，东北地区有一个θse闭合的低值中心，和低值中心配合的是向下凹的等比湿线，这说明7月2日在对流层中低层，东北低涡为一干冷的天气系统。根据∂θse/∂ρ＞0，可知这一时刻东北地区正处于对流不稳定状态［22］。在东北地区南部，存在一个明显的高空锋区，这说明了东北低涡具有斜压波的特性。图8(b)和图8(a)相比，东北上空位温和相对湿度的垂直剖面图有很大不同。在45°N至50°N的上空，并没有出现低值中心，在东北地区南部也没有出现高空锋区的特征，这些都充分说明了东北低涡对流层中层主要由大气湿度导致的所谓干的结构，需要指出的是，在对流层中上层有一个明显的相对湿度低值中心，姚秀萍等［23］将相对湿度≤60%的干空气，定义为高空干侵入，因此高空干空气的向对流层下部倾入，是此次暴雨发生的一个重要触发机制之一。另外，无论是图8(a)还是图8(b)，在东北南部850 hPa到300 hPa处，假相当位温和位温都表现出一个向下凹的特征，表明此对流层中上层的都存有一冷空气柱，结合图2和图3东北低涡的水平分布，该冷空气可能来自于贝加尔湖的西北气流有关，而冷空气的侵入非常有利于东北低涡的加强和维持。

综上所述，影响该次降水的东北低涡具有干冷的结构特征，高空干空气的向对流层下部倾入，是此次暴雨发生的一个重要触发机制之一，在东北南部850 hPa到300 hPa处，存在的冷空气柱非常有利于东北低涡的加强和维持。

5 水汽条件的来源及水汽收支

图9 7月2日08时地面到300 hPa整层积分的水汽通量(矩形方框代表东北区域)

图10 7月2日08时东北地区水汽收支/kg/s

产生暴雨以上的大降水量必须要有源源不断的水汽供应［24］。图10为7月2日08时地面到300 hPa整层积分水汽通量图。由图10可见，在7月2日东北强降水期间，主要存在4支水汽通道，第一支来自阿拉伯海经过孟加拉湾，第二支来自于南海，第三支来自于西太平洋南部的偏东风水汽输送，最后一支来源于中纬度西风带，由偏西风输送，这支水汽通道大致经过贝加尔湖、蒙古东侧以及呼和浩特东北部到达东北上空。上述水汽在东北地区汇合，为该日强降水的形成提供了良好的水汽条件。

为进一步分析此次东北地区暴雨过程水汽条件，图11给出东北地区范围的四边水汽收支情况。由图11可见，在东北地区强降水发生阶段，东边界，南边界以及西边界为东北地区提供了水汽，其值分别为:1.43×107kg/s、21.46 ×107kg/s和4.82 ×107kg/s，而北边界的水汽贡献为负值，为6.16×106kg/s。与东边界相比，西边界和南边界的水汽供应值更为充沛，其中来自南边界的水汽值最大，比前者高出约16.64×107kg/s，对东北地区的水汽供应起着非常重要的作用，这显然与上述水汽来源分析相一致。经、纬向水汽净辐合，达到27.1×107kg/s，因此，整个区域水汽盈余。

6 结论与讨论

利用常规观测、加密自动气象站降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料等，分析了2013年7月2日影响东北暴雨的天气形势和影响系统，得到如下结论:

(1)7月2日东北暴雨具有发生时间早，降水强度大，灾害性强等特点。影响此次暴雨的主要天气形势是“北低南高”。“北低”就是东北低涡，“南高”就是500 hPa上空的西太平洋副热带高压。稳定少变的天气形势，使得东北南部形成一个从地面到对流层高层的高空锋区，导致冷暖空气在东北持续相互作用，7月2日暴雨得以发生。

(2)在强降水期间，东北地区正好处于呈“反气旋”弯曲的高空急流大风核后方和低空急流左前侧。与高空锋区相联系，一次级环流形成于高低空急流耦合区内，上升支处于东北地区38°N至45°N上空，到达200 hPa处后往南偏折，接着在29°N左右处下沉，下沉支位于低空急流南侧29°N附近，至对流层低层处再转向北，从而构成高低空急流耦合激发的次级环流。因此，高低空急流耦合在东北地区产生强烈的上升运动是引起7月2日东北地区强降水的原因之一。

(3)影响该次降水的东北低涡具有干冷的结构特征，高空干空气的向对流层下部倾入，是此次暴雨发生的一个重要触发机制之一，东北上空为对流不稳定状态，在东北南部850 hPa到300 hPa处，存在的冷空气柱，非常有利于东北低涡的加强和维持。

(4)强降雨中心一直是水汽通量辐合的大值区，其中主要的水汽源有4支:一支来自于阿拉伯海和孟加拉湾，一支来自于中国南海，另外一支为西北太平洋，最后一支来自于西风带水汽通道。这四支水汽源源不断地将丰富的水汽输送到东北地区，使得东北水汽盈余，为该日东北暴雨提供了良好的水汽条件。

需要指出的是，仅仅从天气诊断的角度对此次东北暴雨进行了分析，对导致这次降水的物理机制，将用中尺度数值模式加以验证，也是下一步研究的主要重点。

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