吉林一次极端降水发生发展动热力过程的数值模拟分析

迟静 周玉淑 冉令坤 周括 沈新勇

1 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044

2 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴院重点实验室，北京 100029

3 中国科学院大学，北京 100049

4 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002

5 南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），珠海 519082

1 引言

夏季暴雨是影响我国东北地区的重要灾害性天气之一（陶诗言, 1980）。近年来，东北地区频繁发生暴雨、大暴雨等极端性天气，并引发严重的洪涝和地质灾害，如1998 年松嫩流域特大洪水以及2005 年黑龙江沙兰镇突发性短时强降水等，给人民群众的生命财产安全造成严重威胁，引发众多学者对东北暴雨展开科学研究。郑秀雅等（1992）以及邹立尧和丁一汇（2010）等对东北暴雨进行了气候学的统计分析和归纳，得到东北暴雨的时空分布特征。也有学者对典型的东北暴雨个例进行分析，如1998 年引发松嫩流域洪涝灾害的大暴雨天气过程等（孙力等, 2000, 2002; 刘景涛等, 2000; 陈立亭等, 2000）。而东北冷涡是影响我国东北地区重要的天气系统，东北地区夏季暴雨常常受其影响。东北冷涡暴雨一般具有局地性、突发性强等特点，不仅给当地造成低温冻害、连续降水洪涝、突发性强对流天气，还会使我国其他地区产生灾害性强的中尺度对流系统，是北方地区降水监测预报的一大难点（王东海等, 2007; 张立祥和李泽椿, 2009）。

东北冷涡环流背景可以为中尺度对流提供有利的动力以及热力条件进而导致强对流等灾害性天气（钟水新等, 2013; 蔡雪薇等, 2019），其中暴雨是其造成的灾害性天气中最为常见的一类。围绕东北冷涡暴雨，众多学者已经对其大中尺度环流背景、物理量场诊断分析以及降水机制等方面进行了研究。冷涡常在其外围与其他天气系统作用产生暴雨，如低压槽、切变线、台风和副热带高压等（李爽等,2016），东北冷涡的活动与东亚阻塞高压、西太平洋副热带高压配合形成了有利于持续性强降水产生的大尺度环流背景（孙力等, 2002），如2014 年山西省一次区域性暴雨就是发生在西太平洋副高东退、东北冷涡东移并与北上的台风“浣熊”相互作用的环流背景之下（王思慜, 2014）。研究指出高、低空急流上下的耦合作用常是东北冷涡暴雨发生的重要原因，高层辐散和低层辐合的垂直环流结构为其提供了有利的动力条件，并且，高空急流出、入口区与低空急流的相对位置对强降水的落区有重要影响（陶诗言, 1980; 钟水新等, 2013; 王宁等, 2014;袁美英等, 2014）。低空急流在冷涡天气中也有着十分重要的作用。低空急流既是暴雨区的水汽输送带，又能为冷涡暴雨建立和维持不稳定层结（张云等, 2008; 张立祥和李泽春, 2009）。此外，东北冷涡暴雨中，对流性降水最为常见，东北冷涡中高空温度比较低，低涡后部一般有冷平流，当低层有暖湿平流输送时，冷暖平流垂直叠加产生层结不稳定，导致冰雹、雷暴等天气以及持续性的局地强降水（郑秀雅等, 1992）。另外，在东北冷涡过程中，不均匀地形常使得中尺度系统发生发展并产生和加强中尺度扰动，中尺度地形影响β 中尺度天气系统的维持发展以及强降水的落区和强度（张玲和李泽椿, 2003）。虽然关于东北暴雨有很多研究开展，但由于其受西风带、副热带及热带环流系统共同影响，尤其是东北冷涡环流下，暴雨具有突发性较强、强度大、持续性强等特点，因此对其预报预警仍是东北地区天气预报面临的重点与难点。

2017 年7 月中下旬，吉林省连续出现2 次强降水过程，分别为7 月13～14 日和19～20 日。这两次降水过程天气背景极为相似，均为东北冷涡活动与西太副高配合，且两次过程降水强度大，多地最大小时降水量和日降水量突破当地历史极值，其暴雨影响区域高度重叠，特大暴雨中心均出现在吉林省永吉县和吉林市区。两次降水强度大、特大暴雨区高度重叠、时间间隔短的特点在当地气象史上极为罕见。其中，7 月13～14 日的强降水过程还受副热带高压后部切变影响，造成吉林省19 人死亡、18 人失踪，全省直接经济损失212.3 亿元。本文以此次过程为例，探讨暴雨发生的环流背景和影响机制，利用高分辨率数值模拟资料分析影响强降水发生发展因素，以加深对东北冷涡影响东北地区极端强降水发生过程的理解。

2 资料、降水实况

2.1 资料

本文用于天气形势和降水分析所用的资料：欧洲中期天气预报中心（ECWMF）提供的ERAInterim 全球再分析资料，一日4 次，时间间隔6 h，空间分辨率为0.75°×0.75°；中国气象局提供的国家级地面观测站降水资料和探空资料，以及国家气象信息中心基于全国自动站观测降水量和CMORPH卫星反演降水资料，采用PDF（Probability Density Function）和OI（Optimal Interpolation）两步融合方法生成的中国区域1 h、0.1°×0.1°分辨率的CMORPH 融合降水量数据（沈艳等, 2013）。

2.2 降水实况

2017 年7 月13～14 日的强降雨主要集中在13 日09:00～14:00（协调世界时，下同）。其中吉林、永吉出现暴雨和大暴雨。永吉全县日平均降水量171.5 mm，永吉县春登站降水总量达到291.6 mm，最大1 小时降雨强度达107.1 mm h-1日降雨量和1 h 降水量均突破历史极值，永吉县年平均降水量677.4 mm，本次暴雨仅一天就达到了往年总降水量的三分之一。从24 h 降水分布（图1）可见，除了永吉出现极端降水，吉林多地降水量也达特大暴雨（6 个观测站点）和大暴雨（66 个观测站点）标准，还有58 个站点达到暴雨量级，具有影响范围广，持续时间长，过程雨量大，小时雨强强等特点。

图1 2017 年7 月13 日00:00 至14 日00:00（协调世界时，下同）24 h 累积降水量（单位：mm），虚线为700 m 地形Fig. 1 24 h accumulative precipitation from 0000 UTC 13 July to 0000 UTC 14 July 2017 (units: mm). The dashed line is for an elevation of 700 m

3 天气形势、影响极端降水的环境因素分析

3.1 天气形势

利用ERA-Interim 的0.75°×0.75°再分析资料对此次降水过程的大尺度背景场进析表明，7 月12～13 日，500 hPa 环流场中，西太平洋副热带高压呈带状分布，主体位置偏北，5840 gpm 线位于40°N 附近。欧亚地区中高纬度环流形势为两槽一脊型，温压场斜压性较大，东北地区北部有冷涡稳定维持，涡后有冷空气持续南下影响东北地区。

13 日06:00（图2a），东北地区北部50°N～60°N 低涡中心气压为5600 gpm，吉林省上空受低涡底部和副热带高压之间平直的偏西纬向环流控制，低涡后部有冷舌向南向东发展，使冷空气扩散南下，在内蒙古东部地区有一支高空急流建立并在东移过程中逐渐加强。到13 日12:00，5840 gpm 线南落，低涡南压至黑龙江与内蒙古交界处，冷涡南部低槽由黑龙江北部向南延伸至辽宁西部，槽后的冷空气随西北气流向吉林上空持续输送。200 hPa 高空急流东移加强，急流中心风速达42 m s-1以上，此时吉林地区处于高空急流入口区右侧，表现为明显的高层辐散气流。

850 hPa 天气图上的形势场与500 hPa 配合较好，低压中心同样位于东北地区北部，13 日06:00（图2c），吉林北部到辽宁西部有一条东北—西南向的切变线，切变线以东，辽宁中部上空有一条明显的西南急流带。到13 日12:00（图2d），切变线增强，并由吉林北部发展延伸至渤海北部，低空西南急流加强北抬深入到吉林东北部地区，最大风速达到18 m s-1。吉林中部地区对应高空急流入口区右侧、低空急流的左侧，形成了高空辐散低空辐合的环流形势。随着中高层冷空气的侵入下沉和低空西南急流将暖湿空气源源不断输送至吉林地区，形成下层暖湿中高层冷干的不稳定层结，为降水提供了有利的动力和水汽条件。

图2 2017 年7 月13 日（a、b）500 hPa 位势高度（实线，单位：gpm）、温度（虚线，单位：°C）、风场（矢量箭头，单位：m s-1）和200 hPa 高空急流（阴影，单位：m s-1）分布以及（c、d）850 hPa 位势高度（等值线，单位：gpm）、风场（风羽符号，单位：m s-1）和低空急流（阴影，单位：m s-1）分布：06:00（左列）；12:00（右列）Fig. 2 (a, b) Distribution of geopotential height (solid lines, units: gpm), temperature (dashed lines, units: °C), wind (vectors, units: m s-1) at 500 hPa and high-level jet (shaded, units: m s-1) at 200 hPa; (c, d) distribution of geopotential height (isolines, units: gpm), wind (wind barbs, units: m s-1) and low-level jet (shaded, units: m s-1) at 850 hPa at (a, c) 0600 UTC and (b, d) 1200 UTC on July 13, 2017

综上所述，在副高偏北、中纬度锋区明显的环流背景下，受500 hPa 东北冷涡底部槽、850 hPa切变线、高低空急流的共同影响导致了对流性强降水，而冷暖空气在吉林中部交汇，导致冷暖空气切变线长时间维持在吉林上空，是导致此次极端暴雨的重要天气形势。

3.2 水汽输送和辐合特征分析

3.2.1 水汽输送

充足的水汽输送和辐合是持续性暴雨形成的必要条件。分析本次暴雨期间的水汽通量场发现，7月13 日06:00，低层929 hPa（图3a）的水汽从孟加拉湾经南海沿西南气流经由山东半岛—黄渤海一带向东北地区输送。与925 hPa 对比，700 hPa（图3b）水汽输送强度较弱，除了孟加拉湾西南暖湿水汽通道外，还有一条从萨彦岭沿西北路径向吉林省输送冷湿气流的水汽通道，这两支水汽在吉林省中部汇合。而由大气整层水汽通量积分（图3c）所示，西南路径的水汽通量值明显大于西北路径，西南急流输送的水汽是此次降水过程的主要水汽来源。而来自西南的暖湿空气与来自西北的冷湿空气在吉林上空交汇，使吉林地区持续处于冷暖水汽辐合区，为暴雨的发生提供了有利的水汽条件。

图3 2017 年7 月13 日06:00（a）925 hPa、（b）700 hPa 水汽通量（单位：g cm-1 hPa s-1）以及（c）大气整层水汽通量（单位：kg m-1 s-1）Fig. 3 Water vapor fluxes at (a) 925 hPa; (b) 700 hPa (units: g cm-1 hPa s-1), and (c) water vapor fluxes of the whole layer (units: kg m-1 s-1) at 0600 UTC on July 13, 2017

水汽通量是表征水汽输送强度和方向的重要物理参量，但其不能表征水汽的源汇，因此还需要分析水汽通量散度，以及降水水汽来源和辐合区。分析此次降水过程850 hPa 水汽通量散度与比湿分布发现，降水前期13 日00:00（图4a），850 hPa 比湿大值区位于吉林省与辽宁省的交界处，但还有一条明显的湿度舌（比湿大于12 g kg-1）东伸至吉林省北部，且吉林省中部与辽宁交界处也处于水汽通量的弱辐合区。13 日12:00（图4b），比湿大值区东移，吉林省中部比湿增加到14 g kg-1以上，同时该地区水汽通量辐合增加，与降水强度变化相符。结合降水量分布情况（图1）对比可见，水汽辐合与比湿大值的叠加区与暴雨落区有着较好的对应关系和时间相关性。水汽输送通道的形成和对流层中低层水汽在该地区的持续大量的积聚为暴雨过程提供了充足的水汽条件。从比湿与水汽通量散度沿43.5°N 的纬向垂直剖面图中可以看出，13 日00:00（图4c），比湿大于14 g kg-1区域主要集中在850 hPa 及以下层，126°E 西侧有湿舌向高空延伸，而中层比湿等值线向低层下凹，说明有低层暖湿空气加强抬升并与其上层干冷空气作用。850 hPa以下有水汽辐合，高层水汽辐散，而126°E 东侧则与之相反，850 hPa 以上出现水汽辐合中心。至12:00（图4d），126°E 西侧850 hPa 低层水汽辐合增强，且辐合区域向东斜升，125°E 附近辐合区抬升至700 hPa，吉林地区西低东高的山地地形对由西而来的水汽有明显的山前堆积辐合作用和抬升作用，有利于对流触发。

图4 2017 年7 月13 日（a、b）850 hPa 比湿（等值线，单位：g kg-1）、水汽通量散度（阴影，单位：10-7 g cm-2 hPa s-1）分布以及（c、d）比湿（等值线，单位：g kg-1）、水汽通量散度（阴影，单位：10-7 g cm-2 hPa s-1）沿43.5°N 的纬向—垂直剖面：（a、c）00:00；（b、d）12:00。黑色阴影为地形，下同Fig. 4 (a, b) Distribution of specific humidity (isolines, units: g kg-1) and vapor flux divergence (shaded, units: 10-7 g cm-2 hPa s-1) at 850 hPa; (c, d)zonal-vertical cross sections of specific humidity (isolines, units: g kg-1) and vapor flux divergences (shaded, units: 10-7 g cm-2 hPa s-1) along 43.5°N on July 13, 2017: (a, c) 0000 UTC; (b, d) 1200 UTC. Black shading denotes terrain, the same below

由此可见，持续充足的水汽输送为此次暴雨过程提供了有利的环境条件，低层暖湿空气在吉林中部辐合上升与中层干冷空气发生作用触发降水，而长白山地形对水汽的阻挡抬升作用使得降水持续集中并在该地区辐合。

3.2.2 水汽输送及辐合的极端性特点

整层大气可降水量是分析降水的一个重要参量，与降水范围有密切关系（杨红梅等, 1998; 刘晶等,2019）。其定义是指单位面积内垂直气柱中所含有的水汽总量，并假设其全部凝结后积聚的液态水深度，可以反映该地区大气的水汽含量（李霞和张广兴, 2003）。此次降水过程中，吉林地区大气可降水量（图5a）分布表明，在降水开始前，吉林省中部多数站点大气可降水量均超过50 mm，且高值区与降水中心吻合较好。由图5b 可见，13 日06:00吉林市大气可降水量为53.5 mm，为7 月以来最高值。

图5 2017 年（a）7 月13 日06:00 吉林省整层大气可降水量（PWAT；图中数字，单位：mm）及小时降水量（阴影，单位mm）分布；（b）吉林站7 月1～17 日整层大气可降水量时间演变（单位：mm；虚线为平均值）Fig. 5 (a) Precipitable water vapor (PWAT; numbers, units: mm) and 1-h accumulated precipitation (shaded, units: mm) in Jilin Province at 0600 UTC on July 13, 2017; (b) time series of PWAT (units: mm., the dashed line is the average) from 1 to July 7 of Jilin station in 2017

选取吉林站（54172 站）近5 年以来日降水量≥50 mm 的8 次暴雨个例作为统计对象，利用ERAInterim 再分析资料计算表征水汽条件的物理量：大气整层可降水量、水汽通量散度及其平均值（图6）可见，本次降水过程与历史暴雨过程的样本对比，大气整层可降水量和水汽通量散度均远超8 次暴雨样本的平均值，其中大气整层可降水量为次大，而水汽通量散度为极大值，证明了极端的水汽输送和辐合，是此次极端降水事件发生的前提条件。

图6 吉林站（54172 站）2012 年以来8 次日降水量≥50 mm 的暴雨过程中（a）整层可降水量（单位：mm）、（b）水汽通量散度（单位：10-8 g cm-2 hPa s-1）和及其平均值（虚线）的对比Fig. 6 Comparison diagram between (a) PWAT (units: mm), (b) vapor flux divergences (units: 10-8 g cm-2 hPa s-1) and their average (dashed line) in the eight rainstorms with daily precipitation ≥50 mm since 2012 in Jilin station (54172)

3.3 动力条件分析

强大的动力抬升作用是暴雨发生发展的重要条件。图7 给出了7 月13 日各时刻沿降水中心43.5°N 的垂直速度和涡度散度的纬向垂直剖面图，可以看到13 日06:00（图7a、d），121°E～126°E范围内，在850 hPa 以下有辐合中心，500 hPa 中高层附近有弱的辐散，对应500 hPa 以下有局地上升运动。12:00（图7b、e）低层辐合加强范围向东扩展，在126°E～129°E 之间，由于山地作用，辐合区域向高空倾斜抬升至300 hPa，200 hPa 由于高空急流的建立转为强辐散中心，这种高层辐散低层辐合的抽吸作用使垂直上升运动迅速增强，进而导致降水发生发展。18:00 后（图7c、f），低层辐合高层辐散减弱，垂直上升速度相应减小，降水随之减弱。从涡度场分布看，冷涡低槽对应的正涡度带加强并向东倾斜发展，12:00，500 hPa 以下为倾斜的正涡度带，正涡度中心位于122°E 附近低层，对应高空低槽东移和低空切变线的形成。因此，从垂直速度和散度涡度场中可见，在吉林上空抽吸作用与散度涡度的倾斜发展加强了垂直上升运动，为此次强降水的发生发展提供了良好的动力条件。

图7 2017 年7 月13 日（a、d）06:00、（b、e）12:00 和（c、f）18:00（a-c）垂直速度（单位：Pa s-1）以及（d-f）散度（阴影，单位：10-5 s-1）、涡度（等值线，单位：10-5 s-1）沿43.5°N 的垂直剖面Fig. 7 Vertical cross sections of (a-c) w (units: Pa s-1) and (d-f) divergence (shaded, units: 10-5 s-1), vorticity (contours, units: 10-5 s-1) along 43.5°N at (a, d) 0600 UTC, (b, e) 1200 UTC, and (c, f) 1800 UTC on July 13, 2017

4 中尺度数值模式（WRF）试验设计及验证

本文重点研究长白山地区附近东北冷涡与地形对暴雨的作用，鉴于现有观测资料时空分辨率低，为进一步对强降水过程机理进行更细致的分析，故利用中尺度数值模拟模式WRF（4.0 版本）对此次暴雨过程开展高分辨率数值模拟。

4.1 WRF 数值模拟试验设计

模式初始场和边界条件采用分辨率为1°×1°，时间间隔为6 h 的NCEP/NCAR 提供的FNL 全球再分析资料，模拟区域选取见图8，水平分辨率为3 km，格点数为701×711，垂直分辨率为51 层。模式模拟的起始时间为2017 年7 月12 日00:00，积分步长18 s，共积分72 h，逐0.5 h 输出模拟结果。模式的具体参数化如表1 所列，数值模拟区域及地形高度分布如图8 所示。

图8 模式模拟区域（阴影表示地形高度，单位：m）Fig. 8 Model domains. The shading denotes the terrain (units: m)

表1 模式主要参数列表Table 1 Model configuration for simulation

4.2 WRF 模拟结果验证

从13 日07:00～13:00 的WRF 模拟（图9a）与CMORPH 降水资料（图9b）的6 h 累积降水量分布中可以看出，与实况相比，虽然模拟的雨带略微偏东偏南，暴雨落区略微偏大，但模拟的强降水中心与实况基本一致，主要位于吉林市东南侧，对暴雨落区、雨量大小的模拟都较好。为进一步验证模式模拟结果可靠性，选取降水最强时刻2017 年7 月13 日12:00 的WRF 模拟的逐小时累积降水分布（图9c）与实况（图9d）进行对比。对于主要研究的吉林市地区而言，与6 小时累积降水对比情况相近，也是模拟的降水区域范围稍偏大，但模拟的暴雨中心位置与实况较为一致，模拟的暴雨量级也与实况一致。总的来说，虽然模式在吉林省北部有虚假的雨带，但是对于发生极端降水区域的暴雨中心和雨带而言，模式对本次强降水研究地区的降水落区和强度的模拟结果较为理想，基本再现了此次永吉县的极端降水过程。

图9 （a、c）CMORPH 资料实况与（b、d）WRF 模拟的2017 年7 月13 日（a、b）07:00～12:00 6 h 累积降水量（彩色阴影，单位：mm）和（c、d）12:00 1 h 累积降水量（彩色阴影，单位：mm）分布。图中灰阶阴影区域表示地形（单位：m）Fig. 9 Distribution of (a, b) 6-h (0700 UTC-1200 UTC) and (c, d) 1-h (1200 UTC) accumulated precipitation (colored shade, units: mm) on July 13,2017: (a, c) Observed from CMORPH data; (b) simulated by WRF model. The monochrome shaded areas are indicated as terrain (units: m)

长春探空站（54161 站；43.54°N，125.13°E）位于此次强降水研究区域内，因此，将WRF 模拟的长春站探空资料（图10a）与长春观测站的探空资料进行对比（图10b），可以看出，虽然模式模拟的对流层高层偏干，但模拟结果准确地反映出长春站700～500 hPa 存在干层，850 hPa 对流层低层以及500～250 hPa 对流层中高层接近饱和的层结特征；从风向上看，模拟结果准确表现出850 hPa以下低层长春上空风向随高度顺时针旋转，为暖平流；上空700 hPa 风向逆转，冷平流侵入，激发对流不稳定能量释放产生降水。以上说明模式较好地反映了此次强降水研究区域的层结及风场情况。

图10 2017 年7 月13 日00:00 长春站（a）实况与（b）模拟的探空曲线，其中黑色实线表示环境温度，蓝色实线表示环境露点温度Fig. 10 (a) Observed and (b) simulated sounding at Changchun station on 0000 UTC July 13, 2017. Solid red line indicates ambient temperature curve and solid blue line indicates environmental dew point temperature curve

综合上述对比分析可见，无论是降水量还是层结和风场的模拟，WRF 模式对此次暴雨的模拟与时实况基本相符，因此数值模拟试验结果是基本可信的，可以利用高分辨率模拟资料对本次暴雨过程的机理进行深入分析。

5 低层辐合线、高低空急流演变与动量输送作用分析

5.1 切变线和高低空急流演变特征

图11 为7 月12 日22:00 和13 日11:00 模拟的风场和雷达回波，可以看出，700 hPa 风场上存在平直西风带与西南风形成的东西走向水平风切变，对应产生了低层辐合线，在对流系统发展初期，00:00 模拟的强回波位于吉林、辽宁与内蒙古三省交界处；13 日00:00，随着冷涡槽后西北风南下，辐合线转为西北—东南走向，对流发展移动至吉林省中部（图略）；11:00 雷达回波由团状发展成带状，吉林中南部为大于40 dBZ的强回波区，为强烈发展的对流云区，槽后西北气流与西南急流交汇造成的强烈的气流辐合和切变，为对流发展和移动提供了极为有利的中尺度环境条件。

图11 2017 年7 月（a）12 日22:00 和（b）13 日11:00 模拟的雷达组合反射率（彩色阴影，单位：dBZ）和700 hPa 风场（风向标，单位：m s-1）分布Fig. 11 Distribution of simulated radar reflectivity (colored shade, units: dBZ) and wind bars (units: m s-1) at 700 hPa on (a) 2200 UTC July 12 and(b) 1100 UTC July 13, 2017

研究表明，高空急流的位置与强度对周边地区的天气和气候变化起影响作用（耿全震和黄荣辉,1996; 吴伟杰等, 2006）。Chen（1982）指出高低空急流的耦合不仅能加强垂直次级环流和对流强度，还能通过潜热释放进而使低空急流加强，为强降水的发生发展提供有利条件。孙继松（2005）研究表明在中尺度降水过程中急流的产生与加强能促进急流轴前的动力辐合过程。在本次降水过程中，上游6～10 km 有高空急流稳定存在（图12），从2017 年7 月13 日01:00 开始（图略），高空急流前端8 km 以下高度存在强烈的下沉气流，吉林市上空2 km 处出现低空急流，此时有弱降水产生；之后，6 km 高空30 m s-1急流中心有动量迅速下传，05:00～09:00（图7b 和c）吉林市上空低空急流不断加强，15 m s-1急流中心高度下传到1 km左右，产生超低空急流，在山前迎风坡产生风辐合，吉林市低空动量局地积聚。11:00（图7d）低层西北气流与西南气流交汇辐合，同时在长白山地形的抬升作用下，产生了强烈的上升运动，引发强降水。在降水发生前，对流层低层有明显的暖平流，还有较强的水汽辐合，不同高度的三支急流互相配合，使暖湿空气深厚且持续向暴雨区输送，辐合线上风速的增强对于暴雨中尺度系统的触发具有重要意义。

图12 模拟的2017 年7 月13 日（a）05:00、（b）07:00、（c）09:00 和（d）11:00 风速（阴影，单位：m s-1）和风矢量（箭头, 单位：m s-1）沿图11b 中黑色实线的垂直剖面（灰色柱状图表示1 h 累积降水量）Fig. 12 Vertical cross sections along the solid black line (shown in Fig. 11b) of simulated wind velocity (shaded, units: m s-1) and wind vectors(units: m s-1) at (a) 0500 UTC, (b) 0700 UTC, (c) 0900 UTC, and (d) 1100 UTC on July 13, 2017. The gray bar denotes 1-h accumulated precipitation

5.2 动量收支分析

急流的强度变化体现为动量的输送（钟中等,2010），张琳娜等（2018）推导得出适用于中尺度对流系统的动量方程，并指出强降水等强烈天气过程大多存在着一定的动量输送，动量下传与地形作用导致的动量局地变化有利于地面风增强。下面利用该动量方程进一步分析动量下传对低层风辐合的影响，方程如下：

其中，v=(u,v,w)，u、v、和w分别为x、y和z方向的速度，f为科氏参数，p为气压， ρ为密度，∇=∂/∂xi+∂/∂y j+∂/∂zk为三维空间梯度算子， ρu和ρv分别为纬向（或x方向）和经向（或y方向）的动量。由于此次对流过程以经向为主，低层风场受偏南风与偏北风辐合作用，所以主要利用方程（2）分析此次对流过程的经向动量（ρv）的变化以及经向动量的输送特征。

图13 是方程（2）右端的经向动量通量散度项[－∇·(vρv)]、科氏力项（－fρu）和气压经向梯度项（－∂p/∂y）沿126.3°E 的垂直分布。在11:00 降水强盛，降水量主要出现在43.2°N 周围。方程中的三个强迫项也主要分布在降水区域上空10 km 高度以下，其中动量通量散度项在经向动量局地变化中起主导作用，这与该区域较大的经向风速变化有关。在43.2°N 北侧降水区域，动量通量散度项在近地面层表现为正值，说明降水区域近地面层存在地面风辐合。2～6 km 高空则存在负高值区，这主要是由急流中心风速在此高度造成下传和低槽加深使经向风速增大辐合。高层的正值中心由散度项和气压经向梯度项共同作用，这可能与高空急流出口的风速辐合以及冷涡环流有关。北部降水区在2 km 以下近地面有散度项的正高值区，可能由山区地形抬升辐合作用导致。综上所述，6 km 以下在经向动量的局地变化中动量通量的散度项占主导作用，说明经向动量下传对低层风辐合切变变化有重要作用。

图13 方程（2）左端的（a）经向动量的局地变化项（阴影，单位：10-3 kg m-2 s-2）、（b）经向动量通量散度项（阴影，单位：10-3 kg m-2 s-2）、（c）科氏力项（阴影，单位：10-3 kg m-2 s-2）和（d）气压经向梯度（阴影，单位：10-3 Pa m-1）2017 年7 月13 日11:00 沿126.3°E 的经向—垂直剖面。灰色阴影区为地形，黑色实线表示模拟的1 h 累积降水量（单位：mm）Fig. 13 Meridional-vertical sections of (a) local changes in meridional momentum (shaded, units: 10-3 kg m-2 s-2), (b) divergence of meridional momentum flux (shaded, units: 10-3 kg m-2 s-2), (c) Coriolis force term (shaded, units: 10-3 kg m-2 s-2), and (d) meridional gradient of pressure(shaded, units: 10-3 Pa m-1) along 126.3°E at 1100 UTC on July 13, 2017. The gray shading denotes terrain, and the black line denotes the simulated 1 h precipitation (units: mm)

经向垂直剖面图（图14）显示了经向动量在降水过程中的演变。07:00（图14a）中层为北风动量高值区，位于降水区域北部。近地面层降水区域南侧为南风动量高值区，北侧是北风动量高值区，两者正好在43.2°N 附近的降水中心交汇。09:00～11:00（图14b、c），在3～6 km 有较强的由北向南的经向动量通量(vρv,wρv)，向下倾斜输送北风动量，使近地面北风动量增强，导致近地面北风增大，南北风动量在低空的交汇增强了低空切变线上的风速和风向辐合，南风动量向高空的输送使高空急流增强，加强了高层抽吸作用，在低空切变线辐合加强的共同作用下，将低空来自西南的暖湿气流抬升至更高高度触发强降水。

图14 2017 年7 月13 日（a）07:00、（b）09:00、（c）11:00 经向动量（阴影，单位：kg m-2 s-2）和经向动量通量（箭头，单位：kg m-2 s-2）沿126.3°E 的经向—垂直剖面。灰色阴影区为地形，黑色实线表示模拟的1 h 累积降水量（单位：mm）Fig. 14 Meridional-vertical sections of meridional momentum (shaded, units: kg m-2 s-2) and its fluxes (arrows, units: kg m-2 s-2) at (a) 0700 UTC on July 13, 2017; (b) 0900 UTC on July 13, 2017; (c) 1100 UTC on July 13, 2017

6 结论与讨论

本文基于ERA-Interim 再分析资料、东北地区的多种观测资料和WRF 高分辨率模拟资料，对2017 年7 月13 日吉林极端降水事件环流背景、水汽输送条件、动热力结构、动量输送等特点进行分析，得到以下结论：“两槽一脊”的环流形势，以及副高北抬、东北冷涡、中纬度锋区形成是此次降水发生的有利天气背景，东北冷涡南侧低槽、低空切变线、高低空急流是引发极端降水的重要天气系统。

（2）降水水汽来源有两条，一条为副高外围西南气流输送的孟加拉湾、南海水汽，另一条是东北冷涡槽后带来的西北路径的水汽。吉林地区西低东高的地形对山前西南气流有阻挡和强迫抬升作用。本次降水的整层可降水量为近5 年第二强，水汽通量散度为近5 年暴雨过程的极值，水汽条件极为有利。吉林上空低层辐合高层辐散，涡度倾斜发展的垂直结构使得上升运动加强，为极端降水的发生提供动力条件。

（3）吉林上空中层有干冷空气侵入，低层低空急流的暖湿水汽输送导致吉林地区条件不稳定层结形成和加强。降水前，高空动量下传加强了低空急流发展，超低空急流的产生与高低空急流相互作用，使上升运动持续加强。高空低槽导致北风动量下传，与低层强的南风动量交汇，南北经向动量的交汇加强了低层风辐合切变，配合上升运动，最终影响了极端降水的强度与落区。

本文虽然对此次吉林省特大暴雨进行了诊断分析和模拟试验，也得到了一些结论，但还未对降水过程中的中尺度对流系统的演变及其对降水发展的作用进行分析，以及长白山地形对降水作用的影响分析还要继续加强，后续工作中将进一步进行针对性研究。