冷涡天气过程分析

朱凯全 张宏伟

摘要 2017年7月9日沈阳桃仙机场经历了一次冷涡降水天气过程，伴有强雷雨、冰雹等极端天气现象。利用NCEP再分析资料，从环境场特征、中尺度结构和发生、发展过程及可能的触发机制等方面，对民航业务预报中的难点——东北冷涡引发的低层短波槽型对流性暴雨的典型个例进行了分析。结果表明：上干下湿的不稳定层结配置结构，以及中低层扰动带来的渦度场的适时增强是产生强降水的必要条件。

关键词 冷涡；强雷雨；中尺度；短波槽

中图分类号：P481 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2018）03-063-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.03.026

Abstract On July 9， 2017， Shenyang Taoxian Airport experienced a cold vortex precipitation process， accompanied by extreme weather such as strong thunderstorms and hails. Utilizing the NCEP reanalysis data， through the characteristics of environmental field， mesoscale structure and occurrence， development process and possible triggering mechanism， the typical case of low level short wave trough convective rainstorm triggered by the Northeast cold vortex which was the difficulty in civil aviation service forecasting was analyzed. The results showed that the structure of the unstable layered configuration with upper layer dry and lower layer wet， and the timely enhancement of the vorticity field caused by the middle and lower layer disturbances were the necessary conditions for the strong precipitation.

Key words Cold vortex； Strong thunderstorm； Mesoscale； Short wave trough

冷涡是大尺度环流形势在东北地区特定条件下的产物，冷涡的形成、滞留和填塞对大气环流起着重要的反馈作用。作为东北地区主要天气系统之一，冷涡天气在各季均会出现，雷暴日多由冷涡引发，其出现的频次虽因不同年份而变化较大，但其所产生的中小尺度天气对人们的生产和生活都造成了较大影响。

2017年7月9日14：00至10日4：00（北京时，下同），沈阳桃仙机场经历了一次中雷雨至强雷雨过程，累计降水量18.2 mm。该次过程最强降水时段为9日15：42—15：58及10日0：08—2：58。过程主要特点表现为雨量集中、雨势强、局地性明显、强降水持续时间较短，给桃仙机场航班的运行造成了严重影响，导致航班返航17架次，备降9架次，滞留旅客近千人。文中利用NCEP再分析资料，对该次冷涡天气过程进行了分析，旨在为该类天气的预警工作提供参考。

1 环流背景及涡度收支

从大尺度环流背景来看，2017年7月9日，500 hPa高度场（图1）上高纬地区贝加尔湖以西形成了一个尺度横跨东西20个经度，南北15个纬度的冷涡系统，系统不断向东南方向加深，最终分裂并形成切断低压进入蒙古国东部及我国内蒙古东北部，直至到达我国东北地区北部而形成东北冷涡系统。从7月9日8：00和20：00 500 hPa、700 hPa到850 hPa高空图来看，系统完整且成垂直状态，东部副热带高压外沿处于日本海至朝鲜半岛地区，对冷涡槽线东移产生阻挡作用。此外，在700 hPa 副热带高压西北侧辽宁中部地区上空可见存在一支风速大于14 m/s的西南东北向急流，急流核最大风速20 m/s，由于急流辐合抬升作用，有利于结合降水区的冷空气和水汽。强对流降水一般是在大尺度环流背景下，由其分裂的或嵌入的中小尺度系统直接造成的。低层850 hPa内蒙古中部到华北北部地区小波动槽活跃，不断有小波动槽东移汇入分裂形成的东北冷涡南部槽中，对冷空气进行补充。降水期间，500 hPa和700 hPa槽处于辽宁西部和华北地区，槽前西南暖湿气流明显，底层850 hPa冷暖空气交汇于降水区上空，产生强雷雨。

从7月9日8：00沿41.8°N涡度垂直剖面图（图2a，b）可以看出，在中高层300～200 hPa，位于112°E～120°E和123°E～132°E范围内各存在一个正涡度中心，中心最大正涡度值分别达到14×10-5/s和16×10-5/s。至9日20：00，原来112°E～120°E的正涡度中心分裂为2个较弱的正涡度中心，涡度值分别为12×10-5/s和6×10-5/s，且高度降基本不变。处于123°E～132°E的正涡度中心东移至133°E～136°E，范围收窄，并出现了大于18×10-5/s的正涡度中心。而从相同时刻经过相同位置的垂直速度场上来看（图3a，b），7月9日8：00位于桃仙机场上游800 hPa以下105°E～110°E和117°E～123°E 2个区域分别存在明显的复合上升区，这与7月9日8：00涡度场垂直剖面中2个正涡度大值区的东部正涡度大值区相对应。另外，在同一时次的600 hPa以下124°E～133°E范围内存在明显的下沉辐散区，同样和同一时次的涡度剖面这一区域的另一个正涡度大值区相对应。到7月9日20：00，垂直速度场位于105°E～110°E的上升复合区抬升到700 hPa附近，显示上升加强的趋势。这种中层正涡度大值区配合上游抬升下游沉降的流场形势，有利于暴雨形成的前期水汽辐合及能量聚集。

2 中尺度对流条件分析

强对流的产生需要比较好的动力条件、大气的不稳定层结以及充沛的水汽。分析2017年7月9日8：00和20：00探空资料可知，強雷雨前期，中低层湿度较大，垂直方向上925～700 hPa风速切变明显，500 hPa附近存在干空气层，这种中低层上干下湿的结构有利于对流发展，并产生较强降水。

2017年7月9日14时沈阳上空CAPE指数达到了2 400 J/kg，K指数为37.5℃。而从9日△θse（500a-850 hPa）分布（图4a，4b）可以看出，9日8：00沈阳地区△θse（500a-850 hPa）均为负值，且异常偏小，最低值为-16℃，9日20：00后才变大，表明强降雨发生前后沈阳地区上空均表现为层结不稳定状态，且强雷雨位于低值区前方或附近。在低层小槽不断扰动侵入，同时配合不稳定能量释放的作用下，沈阳桃仙机场出现了对流性强降水。

3 扰动变量场分析

扰动变量可以清晰地反映出大尺度天气背景下中小尺度天气异常加剧或减弱等变化，从图5可以看出900～800 hPa和500～300 hPa 2个高度层存在明显的正涡度扰动大值区，而200～300 hPa高度为负涡度扰动大值区，湿度扰动显示在在300～500 hPa存在一干区，配合200～400 hPa温度扰动项出现的暖顶，这种高层强烈扰动辐散，中低层强烈扰动辐合的配置结构造成了强雷雨区出现强盛的上升气流；扰动湿度场表明，强雷雨区在中低层水汽输送加大，并有较大的正水汽通量扰动辐合；而扰动温度场从垂直方向看，高层的暖性异常和底层的冷性异常，应该是强雷雨中高层潜热释放及中低层冷空气不断侵入造成的。因此，该次过程的大气环境扰动叠加诱发了强雷雨的产生。

4 小结

（1）该次强降水是在副热带高压阻挡下的冷涡天气形势下产生的，阻挡作用对于冷涡的加深有一定的促进多用，同时高空急流的加强对于水汽的补充与输送起到了关键作用，活跃的短波槽一方面带来了源源不断的冷空气，另一方面槽前的西南气流也起到了补充水汽的效果。

（2）强降水产生前后中低层的风速切边和500 hPa干空气层，使得降水区上空产生了上湿下干的不稳定层结均有利于强降水的产生。

（3）通过分析扰动变量发现，叠加大尺度系统下的从低层到中高层的正负涡度变化以及湿度扰动共同诱发了该次强降水的产生，降水落区位于扰动大值区中间位置。

参考文献

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责任编辑：刘赟