一次爆发性气旋引发东北地区暴雨成因分析

2022-08-03王宁马梁臣霍也

气象与环境学报 2022年3期

王宁马梁臣霍也

(1.吉林省气象科学研究所，吉林长春 130062； 2. 长白山气象与气候变化吉林省重点实验室,吉林长春 130062; 3.吉林省气象台，吉林长春 130062； 4.长春市气象局，吉林长春 130000)

引言

温带气旋一般具有爆发性发展和缓慢演变两种过程。爆发性气旋的概念最初由Sanders 和Gyakum提出[1]，若气旋中心海平面气压在24 h内经过地转调整到60°N后下降到24 hPa以上，也就是气压加深率大于1 hPa·h-1，该气旋就被称为爆发性气旋，爆发性发展的气旋也被气象学者形象地称为“气象炸弹”，它不仅可以产生较强的降水和大风，甚至会产生冰雹、龙卷等更为强烈的天气，由于其影响巨大，因而一直是人们研究的重点课题之一。爆发性气旋是临界增强速率在一个贝吉龙(24 h下降24 hPa乘以sinΦ/sin60°)或一个贝吉龙以上的气旋[2],其中Φ是气旋迅速加深阶段其中心所在的纬度，因而临界速率随纬度的增加而增加。由于爆发性气旋常带来极端天气，对其气候特征、发生发展机制、带来暴雨雪和大风天气成因等问题已开展了一些研究[3]。

董立清和李德辉[4]通过对我国东部沿海爆发性气旋的研究，发现爆发性气旋多发生在春季和冬季，其中春季气旋的初始位置多集中在30°—35°N，西北太平洋包括东海、黄海和渤海，每年有50个左右气旋生成，1个能够出现爆发性发展，达到爆发性气旋的标准。李长青和丁一汇[5]统计分析发现，西北太平洋爆发性气旋大部分集中发生在35°—55°N、140°—165°E的海域。仪清菊和丁一汇[6]通过对西太平洋和东亚地区爆发性气旋的研究发现，爆发性气旋发生在大陆和近海上的远少于发生在西太平洋，而且海上的强度一般强于陆地。国内很多学者对爆发性气旋的形成机制进行了研究，通过研究得出气旋急剧发展的有利条件主要有大气不稳定层结、高空急流的辐散区、中低层大气的强斜压性和西太平洋副热带高压的强暖平流等[5]。吕筱英等[7]认为高空高值位涡的向下传递是气旋爆发性发展的一个重要条件。丁治英等[8]分析大西洋与太平洋上爆发性气旋，发现位涡与气旋的发展关系密切，高层和低层的位涡大值区同时位于低空低涡上空并上下贯通，此时进入地面气旋爆发性发展的时期。黄立文等[9]对西北太平洋温带气旋爆发性发展过程中的物理过程、海温、能量等进行了数值模拟试验研究。目前针对爆发性气旋引发的暴雨雪和大风天气成因的研究仍较少，可能原因是爆发性气旋多发于海上，陆地上的个例较少。蔡丽娜等[10]研究2007年一次气旋爆发性发展所造成的暴雪天气过程，分析表明气旋爆发性发展的主要原因是大气的强斜压性及其冷暖平流，暴雪的产生与气旋爆发性发展、水汽输送及垂直运动等关系密切。

对陆地上爆发性气旋的研究仍不多见，欧亚大陆是气旋多发区[11],完整的气旋生成、发展和消亡过程常发生在东亚大陆[12-13]，其中蒙古气旋春季发生的频率最高[14]。东北地区爆发性气旋出现的频率不高，但是影响较大，5月初东北地区就出现暴雨天气仍为历史罕见。研究爆发性气旋暴雨形成机制等问题，可为暴雨、暴雪等极端天气的预报提供参考。

1 资料与方法

所使用的资料为2016年5月2—4日的NCEP的FNL和GDAS再分析资料，时间分辨率为每6 h一次，水平分辨率为1°×1°，GDAS再分析资料主要用于水汽轨迹追踪。降水实况采用中国气象局地面观测资料。利用NCEP的FNL和GDAS的1°×1°再分析资料、地面观测资料，从大尺度环流背景、水汽源地和输送、动力和热力机制、等熵位涡等方面进行分析。

等熵位涡可以理解为等熵面上的绝对涡度和静力稳定度乘积，绝热无摩擦大气中，等熵位涡是一个守恒量，等熵位涡守恒与中纬度斜压扰动发展之间的诊断关系可用于对气旋发生发展的预报[15-17]。水汽通量和水汽通量散度可以定量表示水汽输送和水汽汇聚，其中水汽通量表征单位时间通过某一面积的水汽量，水汽通量散度表征单位时间进入和流出单位体积的水汽量[10,18]。水汽轨迹追踪采用的是HYSPLIT-v4.9[19-20]轨迹模型，假设空气中的粒子随风飘动，气流的移动轨迹就是其在时间和空间上位置矢量的积分[21]。该模型被国内很多学者用于水汽来源和输送轨迹研究[18,22-23]。锋生函数是表征锋生结构的定量参数，也可以反映大气动力学和热力学特征，在绝热和不考虑倾斜运动情况下，锋生函数主要有辐散项和形变项决定[24]，文中的锋生函数计算主要取上述两项。

2 结果分析

2.1 气旋实况

2016年5月3—4日地面气旋爆发性发展导致的东北地区的辽宁、吉林、黑龙江等地出现暴雨和7级以上瞬时大风[25]，图1给出地面气旋的逐6 h中心气压和移动路径，中心气压和移动路径是由人工利用MICPAS系统调用地面要素资料确定的，同时黄海北部到渤海湾受海区影响，缺少地面观测，气压值和定位可能略有偏差，但基本能够反映气旋的实况。5月1日气旋在江淮地区生成，在向东北方向移动过程中，气旋中心海平面气压持续下降，3日14时(北京时，下同)发展达到最强，减弱过程中东移分量加大。从气旋中心最低气压可以看出，2日14时中心气压为1000 hPa，3日14时中心气压为976 hPa，24 h中心气压下降24 hPa。爆发性气旋是临界增强速率在一个贝吉龙或以上的气旋，本次气旋的纬度在40°N附近，24 h中心气压下降17.8 hPa就成为爆发性气旋，所以本次过程是一次典型的爆发性气旋。另外，本次气旋的快速加强发展是从3日02时开始，低压中心移动至山东半岛附近，其在辽东半岛登陆后持续加强，用时12 h中心气压下降15 hPa，可见发展之迅速，其强度可与北上台风相“媲美”。

图中移动路径上方数字为时间YYYYMMDDHH，下方为海平面气压，单位为hPa

2.2 降水实况

受气旋北上影响，2016年5月2—4日东北地区出现区域性暴雨天气(图2)，暴雨主要集中在辽宁东部、吉林中部和黑龙江东部，大暴雨主要位于辽宁，共有5个国家气象观测站出现大暴雨，其中48 h最大累计降水出现在辽宁丹东，达到126 mm。暴雨区集中，吉林和黑龙江西部的降水边界梯度较大，以稳定性降水为主。吉林省50个国家气象观测站中，25站出现暴雨，占比50%，最大降水出现在双阳，为89.4 mm。本次过程出现在5月(春季)，对于东北地区而言，较为罕见。

图2 2016年5月2日08时至4日08时东北地区累计降水量

图3给出了2016年5月2日08时至4日20时沈阳站和长春站逐小时降水变化曲线。降水天气过程持续时间长，两个代表站均超过34 h。降水主要从2日午后开始，长春降水开始时间较沈阳晚8 h左右。降水过程总体雨强不强，1 h降水量一般在6 mm以下，但沈阳站在3日06—07时降水量达11.3 mm。总体上是持续时间较长的稳定性降水过程。从逐小时气压变化曲线可以看出，降水开始时间与气压的明显下降有关，沈阳站气压达到最低时降水强度为最大，长春站的强降水时段发生于气压最低值前后。本次气旋降水过程中还伴随6级以上大风。

图3 2016年5月2日08时至4日20时沈阳站和长春站逐小时降水和本站气压变化

2.3 大尺度环流形势

2016年为超强厄尔尼诺的次年，中国北方容易出现洪涝灾害。2016年5月西风带平均位置整体偏北(图略)，有利于南方暖湿空气北上与北方冷空气对碰形成强降水天气，而且5月初中国东北地区气温回升明显，为暴雨的出现提供了高温高湿的环境背景。2016年5月2日20时500 hPa受高空深槽影响(图4a)，东北地区处于高空槽前，槽前有强的正涡度平流输送，有利于产生强的上升运动。温度槽落后于高度槽，槽中有冷平流输送，有利于高空槽的进一步加深发展。3日08时(图4b)高空槽加强发展成为闭合低涡，低涡中心位置偏南，位于辽宁西南部，因持续有冷平流输送，低涡中心得到加强，鄂霍次克海附近有高压脊存在，有利于系统稳定。3日20时(图4c)低涡进一步加强发展，分析有3条闭合等值线，低涡中心位势高度为536 dagpm，等温线和等高线趋于一致。综上，中国东北地区降水的高空形势：高空槽快速发展为闭合低涡，初生低涡位置偏南，在发展过程中缓慢北上且略有东移，中国东北地区降水主要发生在低涡的东北象限。

从低空850 hPa的风场叠加海平面气压场可以看出，2016年5月2日20时(图4d)在500 hPa高空槽前部，850 hPa低层有西北风和西南风的切变线，地面气旋位于低空西南气流中。有三根闭合等压线，中心气压低于1002.5 hPa，从地面到高空，低压槽系统向西倾斜，是典型的后倾槽形势，大气的斜压性较强。3日08时(图4e)低空切变线发展为低空低涡，风速进一步加大，低空形成明显的西南急流，源源不断地将海上的水汽、动量、热量向东北地区输送，并在气旋中心和头部形成强的辐合抬升，有利于出现强降水。地面气旋同时加强发展，中心气压低于987.5 hPa，等压线密集，气压梯度大，有利于出现低压大风，气旋在发展的同时略有北上，中国东北地区位于气旋的头部。3日20时(图4f)高空低涡东移到地面气旋上空，大气层斜压性减弱，气旋发展达到最强盛，气旋中心气压小于980 hPa，高低空温压场接近正压。综上，低空切变线加强发展为低涡，与低涡配合，其东部形成明显的低空急流，源源不断地将海上的水汽、动量、热量向东北地区输送。地面气旋呈爆发性发展，等压线密集，气压梯度大，有利于出现强的上升运动而导致强降水以及地面大风。从以上分析可知，天气形势对爆发性气旋生成、发展及强降水非常有利。

黑实线为位势高度，单位为dagpm;灰虚线为等温线，单位为℃;灰实线为海平面气压，单位为hPa

2.4 气旋爆发性发展的成因

本次暴雨过程与气旋的爆发性发展密切相关，高松影等[26]从天气学角度对该气旋发展机制已经进行了研究，为进一步补充，选取等熵位涡进行系统发展分析。320 K等熵面相当于对流层中高层，从2日20时、3日08时、20时、4日08时320 K等熵位涡分布(图5)可以看出，320 K等熵面有明显的高值位涡从北部向南输送，一边输送一边东移北上，地面气旋的移动路径与320K等熵面位涡的移动较为一致。2日20时320 K等熵面的中高层高位涡区中心值大于5 PVU，305 K等熵面(图略)上的低层位涡大值区位于其东南侧。3日08时由于高层位涡向下输送，低层位涡开始增强。到3日20时低层305 K等熵面位涡大值达到1.5 PVU，开始大于同一位置的高空320 K的位涡值，且在发展加强过程中，305 K(低层)等熵面位涡大值区始终位于320 K(中高层)东侧附近。4日08时320 K位涡呈现出明显的南移、卷入特征，最后输送通道切断、系统减弱。以上分析表明，等熵位涡自320 K高层向305 K低层输送下传，并逐步向东南移动，高空正位涡下传，促使地面气旋发展，上升运动加强，有利于暴雨发生。

单位为PVU

2.5 水汽条件和输送

水汽是成云致雨最关键的要素之一，对于中国东北内陆地区而言显得尤为重要。表征水汽的物理量要素有相对湿度、比湿、水汽通量、水汽通量散度等。从图6不同时刻850 hPa的相对湿度和比湿分布可以看出，5月2日20时(图6a)气旋中心比湿已经达到10 g·kg-1以上，而中国东北地区的暴雨区相对湿度在90%以上，水汽已经饱和，比湿达到6—8 g·kg-1，对比1981—2020年5月850 hPa平均比湿分布(图6d)可以看到，中国东北地区一般在3.5—4.5 g·kg-1，表明本次过程低层比湿相当大。而且过程发生在5月初，尤其是辽宁南部比湿超过8 g·kg-1，有利于出现异常暴雨。3日08时(图6b)饱和区和湿舌位置东移，暴雨区比湿维持在6—8 g·kg-1，沈阳附近比湿开始下降，降水也呈现减弱趋势。到3日20时(图6c)比湿继续减小，沈阳比湿降至4 g·kg-1左右，吉林和黑龙江东部一般在4—6 g·kg-1，比湿条件明显减弱，降水随之减弱。以上分析表明，东北地区5月850 hPa比湿的气候态一般在4 g·kg-1，而6 g·kg-1以上非常有利于暴雨的出现，对中国东北地区春末夏初暴雨预报有一定的参考意义。

黑实线为比湿，单位为g·kg-1；填色为比湿距平场，单位为g·kg-1

比湿虽然与降水量关系较为密切，但是暴雨或以上量级的降水，需要持续的水汽供应和强的水汽辐合抬升。从不同时刻850 hPa水汽通量和水汽通量散度分布图可以看出，中国东北地区5月2日20时主降水前期(图7a)，在渤海东部有强的水汽输送，水汽通量达到30 g·(cm·s·hPa)-1以上，说明降水前东海和黄海有源源不断的水汽向东北地区输送，为降水提供非常有利的水汽条件，同时在辽宁中东部和吉林中部有水汽通量散度的负值区，表明存在水汽辐合上升与凝结，降水开始。5月3日08时主降水开始之后(图7b)，仍然有持续的水汽供应，但水汽输送通道略向东移动，东北地区的水汽辐合位于辽宁和吉林中部，水汽通量散度负值区的范围增大、强度增强，850 hPa水汽通量散度负值区和降水区吻合，降水中心达到-30×10-7kg·(m2·s·hPa)-1以上。5月3日20时主降水基本结束(图7c)，水汽输送大值中心继续向东偏移，水汽通量辐合中心东移，主降水移动到黑龙江东部。以上分析表明，中国东北地区这次爆发性气旋的降水，水汽主要来源于东海、黄海及西北太平洋，并占主要地位，水汽输送通道持续12 h以上，降水尤其是暴雨区与850 hPa水汽通量散度的负值区有较好的对应关系。

填色为水汽通量，单位为g·(cm·s·hPa)-1；箭头矢量为水汽输送，单位为10 g·(cm·s·hPa)-1；黑虚线为水汽通量散度，单位为10-7 kg·(m2·s·hPa)-1

以上的水汽研究是基于欧拉观点，为了进一步证实水汽来源和输送的事实，下面从拉格朗日观点对水汽来源进行分析。起始点选取41°—47°N、122°—128°E范围，间隔为1°×1°的网格点，中心在长春附近，高度分别选取1500 m、3000 m、5500 m和8000 m，时间选取为5月3日08时，即长春和沈阳发生较强降水时间，运用HYSPLIT-v4.9轨迹模型进行后向120 h水汽的轨迹追踪。从图8不同高度水汽的后向轨迹可以看出，整个对流层都有明显的偏南水汽输送，5500 m以下水汽轨迹终点(即后向轨迹追踪的起始点)比湿一般在4 g·kg-1以上，说明湿层非常深厚，整层水汽主要来源于西北太平洋，起始比湿一般大于9 g·kg-1，层次越低，比湿越大。1500 m和3000 m水汽后向轨迹相类似，高比湿水汽主要来源于南侧的海上，西北侧有明显的干空气入侵，干湿空气在中低层碰撞，形成明显的湿度不连续带，能够触发对流亦能够促进对流发展，是降水增强的原因之一。高层5500 m主要以偏南水汽输送为主，水汽源地比湿含量偏高，8000 m有西风气流将大陆干空气卷入，仍以西南侧水汽输送为主。以上分析表明，整层大气的水汽主要来源南侧的西北太平洋，中低层有明显的干湿空气交汇，高度越低，终点比湿越大。

圆点代表比湿，单位为g·kg-1；曲线代表轨迹；实心三角代表起始点

以上给出的拉格朗日水汽来源分析，能够反映水汽输送方向和比湿情况，但是不能清晰地展示水汽输送高度的变化。为做进一步分析，同样选择发生较强降水时间5月3日08时，以长春和沈阳两个点为代表，做后向120 h水汽的三维轨迹(图9)，起始高度选择3000 m，实心点的大小代表比湿。由图9可以看出，两地的水汽来源方向基本一致，西北侧高度较高的干空气向东南方向移动过程中高度下降，高度下降主要和空气粒子的垂直下沉运动或者沿等熵面下沉运动有关，空气粒子在大气低层和我国东南部沿海等高水汽含量区域进行吸湿，比湿增大，在120°—125°E附近高度最低、比湿最大，随后向北输送，从南侧低层向中国东北地区中层输送水汽，输送过程中水汽抬升凝结而出现降水。长春的水汽轨迹在到达之前有一次高度变动，可能是提前发生降水导致的高度下降。另外，轨迹3000 m高度的终点比湿长春高于沈阳，从降水实况分析，沈阳强降水时段已基本结束，而长春此时降水明显偏强，所以终点比湿大小和降水强度有一定的正相关。通过上面分析更清楚地看到，此次气旋降水的水汽来源于西南侧的低层，轨迹略呈螺旋式上升，从南侧低层向中国东北地区中层输送水汽。

图9 2016年5月3日08时长春和沈阳后向120 h水汽三维轨迹

2.6 动力和热力诊断

动力条件从低层风场信息可以有较好的判断，2016年5月3日08时700 hPa风场(图10a)存在风速大于12 m·s-1的偏南风低空急流，在低空急流左前侧的暴雨区存在强的风速辐合和风向切变，为明显的暖式切变，产生强的动力抬升。从3日08时700 hPa垂直速度和850 hPa绝对涡度可以看出，暴雨区与二者有较好的对应关系，上升运动中心主要集中在吉林中南部和辽宁大部，最大上升运动中心达到-1.0 Pa·s-1。20时(图10b)辽宁降水明显减弱，长春降水仍在持续，垂直速度中心向东北方向移动到黑龙江和吉林交界，绝对涡度的正值中心也向吉林移动，绝对涡度正值中心略落后于垂直速度中心，但总体能够反映降水移动和落区。

虚线为垂直速度，单位为Pa·s-1；填色区为绝对涡度，单位为10-5s-1

由于中国东北地区春季较长，干冷空气长时间控制，降水的出现一般需要较好的暖湿条件。从2016年5月3日08时850 hPa相当位温θe分布(图11a)可以看出，明显的“暖湿舌”从日本海向北伸到中国东北地区，在吉林和辽宁中部存在明显的能量锋区，即相当位温密集带。主要降水位于能量锋区以及偏暖区一侧，相当位温达到30 ℃以上。能量锋区存在明显的冷暖空气交汇，非常有利于出现强降水。从锋生函数同样看出，吉林和辽宁中部存在明显暖区锋生，锋生强度达到4—6 K·(100 km·3 h)-1。3日20时(图11b),“暖湿舌”位置明显东移，等相当位温线变稀疏，锋生函数明显减弱，尤其沈阳减弱更为明显，降水亦出现明显减弱趋势。以上分析表明，强降水区与850 hPa相当位温密集带和暖区锋生区相对应，降水位于能量锋区以及偏暖区一侧。