2016年吉林省“7·26”暴雨天气综合分析

丑士连，刘 娜，邢颖颖，胥珈珈

（1.白山市气象局，吉林 白山134300；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002）

暴雨是中国最主要的灾害性天气， 对经济建设和人民生命财产的影响十分巨大。 因此暴雨预报和研究是气象工作者关注的主要课题之一。 孙力[1-2]等通过对1956—1990 年暴雨分析发现，东北冷涡是夏季影响东北地区的一个十分重要的天气系统， 是造成夏季洪水发生的主要成因。 王晓明[3]等通过40 a汛期暴雨资料， 发现西太平洋副热带高压后部切变也是夏季影响东北地区的一个十分重要的天气系统， 并通过分型建立天气概念模型， 给出了预报提示。 钟水新[4]等对2009 年6 月19 日一次东北冷涡背景下暴雨分析发现， 造成强对流天气的系统具有尺度较小、突发性强的特点。 马玉芬[5]等通过数值模拟发现地形的抬升作用对暴雨在山脉迎风坡一侧的降雨量有明显的增幅作用，云顶亮温TBB 能形象直观地展示出多尺度天气系统的云系和云型特征[6]。刘正新[7]等发现山区暴雨发生在TBB≤-50 ℃中尺度云团边缘等值线梯度最大区域。 胡中明[8]等对2005 年8 月12—14 日吉林省一场区域性暴雨天气过程的TBB 图像特征研究，揭示了西太平洋副热带高压后部切变线上中α 尺度雨团在TBB 场上发生、发展以及移动消亡的规律和强降水发生时间与落区的关系。 刘国强[9]等对巴州一次短时强降水过程的中尺度特征分析发现， 雷达强回波质心在4 km 以下时，降水效率高。 还有一些气象专家和学者[10-19]对典型的强对流暴雨系统、 以及东北冷涡暴雨过程做了动力诊断、中尺度分析和数值试验方面的研究，这些工作无疑加深了人们对暴雨的认识， 同时也为吉林省暴雨预报准确率的提高起到重要的作用。 本文以2016 年7 月25 日08 时—26 日08 时吉林省中部暴雨天气过程为切入点，在东北冷涡天气背景下，对不同尺度的天气系统叠加和相互作用引发的暴雨过程进行了分析， 发现东北冷涡背景下物理量特征值与暴雨落区的关系和卫星云图、 雷达产品特征以及短历时强降水之间的关系， 为以后吉林省东北冷涡暴雨定时、定点暴雨预警提供依据。

1 资料与方法

本文暴雨标准为24 h 时降雨量50～99.9 mm，大暴雨标准为24 h 降雨量100～249.9 mm。 利用2016 年7 月25 日08 时—26 日08 时吉林省51 个区域自动站、1177 个加密自动站、NCEP 1°×1°再分析6 h 资料， 统计分析暴雨发生的空间分布特征和短时强降水发生时段，运用天气动力学诊断的方法，探讨东北冷涡影响吉林省产生暴雨过程中环流形势演变、水汽、动力、地面中尺度特征。时间全部采用北京时。

利用FY-2G 卫星云图云顶亮温TBB 产品追踪MCS， 通过对红外云图进行数值增强处理选择合适的底图以突出其中的对流云团， 根据中尺度对流系统MCS 的椭圆率、 面积、TBB 极小值等判定依据对影响强降水的中尺度对流系统MCS 特征进行分析；利用吉林省辽源市（125.15°E，42.90°N， 366.3 m）新一代C 波段多普勒天气雷达每6 min 体扫产品基数据，实时跟踪对流回波的发展，辽源市雷达资料的径向最大不模糊距离为150 km。

2 降水实况

2016 年7 月25 日08 时—26 日08 时， 吉林省出现暴雨天气过程，降水持续近20 h。 由图1a 可以看到，吉林省中部的四平东部、辽源、吉林和通化北部为暴雨和大暴雨区， 共有193 乡镇暴雨、31 乡镇大暴雨。 区域站最大降水出现在吉林市烟筒山站，24 h 雨量为112.2 mm，吉林市蛟河站次之，为101.5 mm。 降水空间分布特点为：暴雨落区主要集中在吉林省中部， 且大暴雨落区主要集中在吉林市的东西两侧，降水量向南、北两侧逐渐递减，降水梯度最大的地区是由暴雨向大雨过渡区； 从排名前4 个区域站的小时降水量来看， 最大小时降水量出现在蛟河站，出现时间为25 日14—15 时，雨强为34.1 mm/h，其他3 站也都有短时强降水（小时降水量＞20 mm），出现时间分别集中在16—19 时和20—22 时； 超过10 mm 降水时段主要集中在25 日14 时—26 日02时（图1b）。

3 天气尺度影响系统及环流特征

此次降水过程是在500 hPa 两脊一槽的环流形势下产生的， 影响系统分别为200 hPa 高空急流、500 hPa 东北冷涡、副热带高压、850 hPa 低空急流、低空切变和地面黄河气旋。

3.1 高空影响系统及环流特征分析

7 月23 日20 时500 hPa 上， 东亚地区环流经向度发展，蒙古高压脊和中西伯利亚高压打通叠加，鄂霍次克海至日本岛高压脊向北发展， 贝加尔湖东侧有低涡生成， 中心强度560 dagpm， 之后逐渐发展、加深，西太平洋副热带高压较为稳定，副高北脊线588 dagpm 等值线维持在40°N 附近。 从图2a 可以看出，25 日08 时，该低涡中心位于我国东北地区北部， 有3 圈闭合等值线， 中心强度加深为556 dagpm， 低涡南部已进入我国东北部，-16 ℃冷中心较低涡中心略偏南，温度槽落后于高度槽，结合东北冷涡定义，该低涡已成为东北冷涡。此时西太平洋副热带高压与大陆高压合并、加强，整体呈东西带状分布，副高北脊线北抬至42°N 附近，从而吉林省上空形成了东北冷涡与西太平洋副热带高压南北对峙的局面；同时，蒙古高压脊区北伸和鄂霍次克海至日本岛高压北挺导致两高压脊顶均北伸至65°N 附近，使两阻塞高压之间的东北冷涡相对稳定，移动缓慢；25 日14 时起，蒙古高压脊区东移，鄂霍次克海至日本岛高压脊区也东移， 位于朝鲜半岛附近副高北脊线快速南退， 导致东北低涡携带的中空冷空气逐渐入侵进入吉林省中部，与低空西南暖湿气流交绥，使低涡前对流活动加强，出现短时强降水。

图1 吉林省2016 年25 日08 时—26 日08 时24 h 累计降水量（a）和排名前4 区域站小时降水量（b）

200 hPa 上，伴随着东亚环流经向度发展，25 日08 时高空偏西急流区位于我国东北部，急流核在内蒙古东部，核区风速50～60 m/s，吉林省处在高空偏西急流核入口区的右侧， 风速30～50 m/s，25 日14时高空偏西急流东移南压并开始减弱，20 时50～60 m/s 急流核消失。同时，25 日08 时高空为正散度区，并持续到20 时（图2a~2c），高空辐散，为强降水提供动力抽吸条件，为14—23 时的短时强降水提供了动力条件。

3.2 海平面气压场和低层风场特征

此次暴雨过程中，海平面气压场的锋面、低层风场切变线等中尺度系统与暴雨落区有较好的对应关系。25 日08 时的海平面气压场（图3a）上，黄河气旋生成于黄河下游地区，出现了明显的冷暖峰，地面暖锋已进入辽宁省中部， 随着黄河气旋东移，14—20时，地面暖锋区进入吉林省中部，短时强降水也出现在吉林省中部地区， 与地面暖锋位置基本吻合；850 hPa 风场的暖式切变与地面暖锋位置重叠，25 日08—14 时，850 hPa 低空西南急流由渤海湾附近北上至吉林中西部，急流头抵达我省东南部，西南急流北部出现了东风，形成西南—东南向的暖锋式切变，东风风速增强为急流，暖锋式切变加强并于14 时进入到吉林省中部地区，14 时之后短时强降水发生，短历时强降水发生在850 hPa 暖锋式切变右侧的地面暖锋区中。 地面暖锋区与850 hPa 暖锋式切变区位置基本重叠， 短时强降水落区出现在地面暖锋区与850 hPa 暖锋式切变区内， 短时强降水伴随低层暖锋式切变的加强而加强， 与低空急流强度和维持时间密切相关。

4 物理量特征

4.1 中低层干冷空气下沉抬升作用

图2 2016 年7 月25—26 日500 hPa 高度场（实粗线，单位:dagpm）、200 hPa 急流（阴影，单位:m/s）、散度场（细线，单位:10-6 s-1）

寿绍文[20]研究表明，来自高层稳定环境的高位涡气流侵入低层不稳定环境后涡度增大， 会促进气旋的发生和发展，有利于引发暴雨或强对流天气。可见，高层干冷空气的侵入对强降水具有触发作用。此次暴雨过程中强降水的发生与干冷空气下沉有直接关系。从图4a 蛟河站（127.33°E，43.70°N，294.5 m）25 日08 时—26 日08 时冷暖平流和垂直运动的垂直分布来看，14 时，600～750 hPa 为明显冷平流，同时也为正速度区，即以下沉运动为主，说明在蛟河站的中低空，有冷空气下沉活动；从图4b 的相对湿度和风的垂直分布可以看出，14 时，650 hPa 之上相对湿度超过80%，为相对湿空气，700～900 hPa 以下相对湿度均低于60%，为相对干空气，对应的风为偏西风，风速小于12 m/s，到20 时，风场转为偏南风，整层相对湿度均大于90%，为湿空气。 综合蛟河站14 时的温度平流、垂直运动和相对湿度，发现中低层有干冷空气下沉活动，造成暖湿气流抬升。随着暖湿气流的抬升，冷暖交绥，促使强降水的发生。

4.2 850 hPa 水汽通量和风场

图3 海平面气压场（单位:hPa）和850 hPa 风场（单位:m/s）

图4 蛟河站7 月25 日08 时—26 日08 时温度平流（阴影，单位：K/s）、垂直运动（实线，单位：10-2 s-1）

从低层的水汽通量、风场的水平分布看，此次天气的水汽主要来源于西太平洋和南海，沿西南气流，经我国南方、再由华北地区，最后进入吉林省中部。从850 hPa 的水汽通量和流场分析，暴雨过程前期，西太平洋和南海水汽在西南气流的作用下， 进入我国南方地区，导致该区域的水汽通量快速增大，之后随着西太平洋副热带高压与大陆高压合并， 西南气流加强成为西南急流， 南方水汽再向华北地区输送和汇聚，到25 日14 时（图5a），西南急流已进入到吉林省中部，水汽通量中心略滞后于急流头部，位于辽宁省中东部，中心值为22 g·（cm·hPa·s）-1，在山东中部同样存在一个水汽通量大值中心， 之后急流继续发展、加强，到20 时，西南急流头部已移出吉林省， 水汽通量中心值增加到27 g·（cm·hPa·s）-1，并进入吉林省中西部（图5b）。 从水汽通量散度分析，25 日14 时，水汽辐合区位于吉林省中西部，中心位于四平东部，中心强度为-80×10-6g·（cm2·hPa·s）-1（图5c），到20 时，吉林省除了其西北部，其他地区均处于水汽辐合区当中，辐合中心位于吉林市北部，中心强度-140×10-6g·（cm2·hPa·s）-1（图5d）。所以西南急流携带暖湿空气在吉林省中部集中， 水汽通量迅速增大， 随后丰沛的水汽在高空抽吸作用和抬升共同作用下，充足的水汽产生了强烈辐合，使得过程中发生强降水，从而达到暴雨和大暴雨。

5 中尺度特征

5.1 地面风场辐合和地形抬升

25 日08 时地面风场填图中（图6a），烟筒山北部为偏东风，南部为偏南风，所以在吉林市的北部存在偏东—偏南向风切变， 而此时地面低压中心位于辽宁省中北部；25 日14 时，辽源南、吉林市南部均为一致的偏南风，而在辽源和吉林市的北侧，为偏东或偏北风，所以在辽源、吉林市的中部，为明显的对头风，同时在辽源北部为风向辐合中心（图6b），说明地面低压中心已进入到吉林省中部。所以，当出现地面低压和地面辐合线时，有利于地面水汽的抬升，为之后的短历时强降水的发生提供动力条件。另外，从图中的高精度地形可以看到， 从辽源到吉林市站开始，为吉林哈达岭前缘，特别是蛟河站，处在吉林哈达岭的迎风坡， 当大尺度的上升运动区进入该区域时，受地形抬升作用的影响，会加强大尺度的上升运动，促进强对流的发生。

所以，地面风场辐合和地形抬升作用，都有利于低空气流的辐合与抬升，气流垂直上升加强，从而有利于触发中尺度对流系统MCS 发生、发展和加强。

5.2 中尺度云图TBB 分析

图5 850 hPa 水汽通量（阴影，单位:g·（cm·hPa·s）-1）、水平风（矢量，单位:m/s）（a，b）和水汽通量散度（阴影，单位:10-6 g·（cm2·hPa·s）-1）、水平风（矢量，单位:m/s）（c，d）

图6 25 日08 和14 时吉林省中南部地面风场填图

受常规观测资料时空分辨率的限制， 无法获取短历时强对流过程中中小尺度天气系统的演变特征，而高分辨率的云图资料恰好能弥补这一缺点。从此次降水过程的FY-2G 红外云图云顶亮温TBB 变化来看，可推断出一共有3 个中尺度对流系统MCS影响吉林省中部地区， 影响时间分别为25 日14—17 时，17—20 时和20—23 时。 25 日14 时，一面积1.5×105km2、 椭圆率0.36、TBBmin为-60 ℃中α 尺度MCS 进入辽源西部， 即MαCS1；15 时，MαCS1从辽源西部移至烟筒山和磐石西部， 面积增加到2.1×105km2、 椭圆率下降到0.26，TBBmin前部升高到-56 ℃，后部降低至-64 ℃（图7a），MαCS1发展到最强盛期，16 时，MαCS1分裂为3 部分， 其中一部分位于烟筒山、磐石站上空地区，TBBmin值为-52 ℃，17 时MαCS1消失。 在16—17 时， 烟筒山站出现短历时强降水，TBBmin是先达到-52 ℃后在原地快速升高，说明该时段为对流减弱阶段。18 时，在辽源南部，存在一个面积4×104km2、椭圆率0.40，TBBmin-56 ℃的中β 尺度的MCS，磐石站TBBmin＞-32 ℃（图7b），到19 时，磐石站已位于MβCS2TBBmin-52 ℃边缘区，TBB 等值线较为密集。 相应地，在18—19 时磐石地区出现短历时强降水，TBBmin由-32 ℃快速降低到-52 ℃的过程中，为对流发展的阶段。20 时，在辽宁省东边界出现面积7×104km2、 椭圆率0.24，TBBmin达到-68 ℃，该云团属于中α 尺度的MCS， 即MαCS3，21 时，MαCS3面积增加到1×105km2、 椭圆率0.34，TBBmin升高到-64 ℃，辽源站TBBmin不仅降低到-56 ℃，而且为TBB 等直线密集区， 磐石站东部已位于TBBmin-52 ℃区， 但TBB 等值线密集度明显低于辽源站（图7c），22 时， 辽源站的TBBmin仍为-56 ℃，且-56 ℃区域范围扩大，但TBB 等值线密集程度较21 时明显降低（图7d），23 时对流云图南下至吉林省东南部，辽源站TBBmin升高到-32 ℃。 在21—22时辽源站上空TBB 等值线密集度降低，说明该时段处于对流发展阶段，特别是到22 时，TBBmin-56 ℃区域变大， 也说明是对流发展阶段， 出现短历时强降水，但22—23 时，虽开始有对流云团，但由于其快速移出，未造成大的降水量。

通过分析， 发现对流单体都是生成于西南急流区中， 然后向吉林省中部输送， 形成类似“列车效应”，辽源站、磐石站短历时强降水发生在对流云团发展过程中，与之相对应的是TBB 等值线由密集变得相对稀疏， 而烟筒山站则发生在对流云团减弱过程中，与之相对应是TBBmin值快速升高，两者相似点在于前者TBBmin不高于-52 ℃，而后者从-52 ℃开始升高，所以-52 ℃是短历时强降水发生的临界值，而且当TBBmin＞-48 ℃之后，MCS 趋于消失；同时MCS的椭圆率＞0.2 时，才能保持MCS 的维持与发展。

5.3 雷达分析

天气雷达具有较高的时空分辨率， 是分析中尺度垂直结构、强度等信息的有利手段。辽源站c 波段新一代天气雷达与烟筒山站、磐石站、蛟河站直线距离分别为87、79、201 km，能够对辽源、烟筒山和磐石站18—19 时（磐石），20—22 时（烟筒山、辽源）发生的中尺度垂直结构、强度等信息进行有效判断。

通过对25 日组合反射率因子（CR）和1.5°仰角径向速度（V）演变过程，可以看出，18:11 磐石西南部出现一片积层混合降水回波， 积状云回波居于中心，层状云分布于四周，整体面积小于4×104km2（图8a）， 说明该积层混合降水回波为一个中β 尺度对流单体，最强回波为48 dBZ，通过其垂直剖面，发现最大回波质心在2~3 km。 该雷达产品与卫星云图7b 中的MCS 云团相对应； 径向速度场上低层为西南风且有超低空急流，中高层为偏西风（图8c），这对于水汽输送非常有利；同时，在30 km 速度区内，负速度区的面积大于正速度区的面积， 说明低层为辐合；在东丰西侧，负速度为-14 m/s，而磐石西侧正速度＜10 m/s， 说明磐石西侧的低层有速度的辐合，整体说明低空辐合抬升明显， 有利于短历时强降水的发生。 21:00 辽源西侧出现一片积层混合降水回波，积状云回波居于中心，回波区内面积＜4×104km2（图8b），说明该积层混合降水回波为一个中β 尺度对流单体，对比卫星云图图8c，云团所在的吉林省位置所占的比重较小，故可以视为中β 尺度对流单体；最强回波为40 dBZ，通过其垂直剖面，发现最大回波质心在2 km；径向速度场上低层为西南风且负速度中心速度出现模糊， 相对应的正速度区为正24.6 m/s，说明有超低空急流，且存在速度的辐合，速度零线呈“S”型（图8d），说明低空为暖平流，所以低空西南急流不光对水汽输送有利， 还有利于水汽的辐合抬升。 21:50，径向速度在柳河西侧的负速度区中出现正速度区， 此为逆风区， 该区域出现于21:45，21:50 范围最大，到21:55 消散。 逆风区的出现，说明该地区有中尺度系统的辐合加强，有利于短历时强降水的发生， 辽源站加密站降水也证实了这一观点。

图7 25 日MCS 演变过程（单位:℃）

图8 25 日组合反射率因子CR（a，b）和1.5°仰角径向速度V（c，d）演变

通过以上分析可以发现， 吉林省处在西南暖湿急流当中，存在着明显的风速辐合，有利于暖湿空气抬升；当出现强回波低质心结构特征时，即使持续时间较短，但由于降水强度较大，也能达到短历时强降水标准； 当逆风区出现时， 也意味着有强降水的发生。

6 结论

利用NCEP 1°×1°再分析资料、FY-2G 卫星云图、多普勒C 波段天气雷达以及吉林省区域自动站和加密自动站资料， 运用统计分析和天气动力学诊断的方法， 综合分析2016 年7 月25—26 日吉林省暴雨天气过程，得出如下结论：

（1）此次暴雨过程出现东北冷涡天气背景下，25日14—22 时的短时强降水大部分由东北低涡前部局地对流活动的加强触发MCS 生成。 500 hPa 为两脊一槽形势， 受西太平洋副热带高压阻挡东北冷涡较为稳定，吉林省位于东北冷涡前沿的西南气流中，850 hPa 西太平洋副热带高压西侧的西南急流直达吉林省中南部， 在其北端产生西南—东南向暖锋式切变，并与地面黄河气旋暖锋区相对应，短时强降水落区出现在地面暖锋区与850 hPa 暖锋式切变区内。

（2）此次暴雨的水汽主要源自于西太平洋和南海，由西南气流远距离的输送至吉林省中部， 暴雨区上空有较强的水汽输送和水汽辐合， 中低层有干冷空气下沉活动，造成暖湿气流抬升。随着暖湿气流的抬升，冷暖交绥，促使强降水的发生。

（3）通过红外云图对中尺度对流系统MCS 的椭圆率、面积、TBB 极小值等识别，发现对流单体都是生成于西南急流上， 然后沿西南-东北向向吉林省中部输送，形成类似“列车效应”；当TBB 等值线由密集变得相对稀疏或TBBmin值由≤-52 ℃快速升高，就有可能发生短时强降水，所以在实际业务中着重关注TBBmin-52 ℃和等值线变化。

（4）通过雷达反射率产品，能够很好地判断对流性降水，当出现强回波低质心结构特征时，即使持续时间较短，但降水强度较大，也能达到短历时强降水标准；通过径向速度，可以很好地判断冷暖平流和风速辐合区，当逆风区出现时，意味着有中尺度对流的发生与发展，一定伴随着短历时强降水的发生。