江淮气旋北上造成黑龙江省强雨雪天气成因分析

2022-02-16杨艳敏

气象与环境科学 2022年1期

任丽, 杨艳敏

(黑龙江省气象台，哈尔滨 150030)

引言

中高纬地区的灾害性天气通常与温带锋面气旋的移动和发展相联系[1-6]。20世纪以来，科学家们针对锋面气旋从观测到理论经历了长期不懈的探索和研究过程[7-11]。江淮气旋是我国常见的气旋之一，生成于长江中下游地区和江淮流域。江淮气旋生成后北上，常常会给东北地区带来大范围的暴雨(雪)天气。2007年3月3-5日，受江淮气旋北上影响，中国东北地区出现了最强的一次雨雪天气过程，其中东北东部和南部出现了自1951年有气象记录以来历史同期最强的暴风雪天气[12]。许多学者对此过程进行了研究，揭示了这次暴雪天气的成因机制[13-16]。2013年11月24-26日在中国东北地区发生了一次由北上的江淮气旋引发的雨雪天气过程，在江淮气旋到达东北地区的过程中形成了锢囚锋，黑龙江省的大暴雪过程就发生在与气旋锢囚锋对应的钩状云区中[17-18]。

锢囚锋形成和发展同样会造成较大量级的降水。学者们对于华北锢囚锋降水的研究较多：华北地形锢囚锋是东亚大槽在偏西位置斜压发展，引导冷空气经一定路径南下直接遭遇华北特殊地形影响的产物，华北地形锢囚锋为冷式锢囚，锋区结构浅薄，主要存在于850 hPa以下，其水平和垂直尺度均小于经典锋面气旋锢囚锋[19-21]。回流天气形势下的华北锢囚锋, 是由东西2条冷锋形成的冷锋锢囚锋，在生命史、尺度和结构等方面与陆地气旋锢囚锋区别很大[22-24]。对于东北地区气旋发展到锢囚阶段，冷锋追上暖锋而形成的锢囚锋降水机制研究较少。2018年11月8-9日在中国东北地区发生了一次由江淮气旋北上引发的强降水天气过程。江淮气旋向东北地区移动的过程中，获得强烈发展，在黑龙江省发展到锢囚阶段。黑龙江省东部大部分地区2 d降水累积量超过11月份平均降水量，降水中心牡丹江站更是出现了1961年以来11月份最大的单日降水。本次降水过程强降水范围和强度及单日降水量均较2007年3月3-5日和2013年11月24-26日降水过程的大。那么这样的极端强降水是在怎样的环流背景下产生的?影响系统及环境场有什么特点?深秋时节如此充足的水汽供应从何而来？针对以上问题，本文利用常规观测资料、卫星云图、雷达回波资料、自动气象站降水量及0.25°×0.25°的NCEP/NCAR再分析资料，对本次过程进行全面分析，探究东北地区锢囚锋降水的特点和成因，为预报此类天气提供参考依据。

1 降水实况

2018年11月8日14:00—10日08:00(图1a)东北地区北部出现强降水天气过程，降水集中出现在8日夜间到9日白天。东部地区降水量普遍≥30 mm，超过11月份平均降水量(10～20 mm)。黑龙江省牡丹江地区有3站降水量>50 mm，最大降水(73 mm)出现在牡丹江站，为1961年以来11月份最大的单日降水。黑龙江省中东部地区积雪深度普遍≥10 cm，达到暴雪标准。最大积雪深度出现在小兴安岭地区：五营站为33 cm，伊春站为24 cm(图1b)。

8日下午黑龙江省东南部地区受气旋外围云系影响率先出现降水，暖锋锋生导致降水强度不断增强，9日白天气旋中心经过黑龙江省时降水强度达到最大。本次过程多为雨雪混合态降水。强降水中心牡丹江站(图1c)，9日01:00-10:00温度接近0 ℃，降水相态转为固态(雪)，累积降雪量为46 mm，积雪深度为20 cm；10:00-20:00，气温升高，降水相态转为雨夹雪。9日20:00以后降水强度减小，夜间气温下降，大部地区转为阵雪。此次降水过程中小兴安岭地区整层温度均<0 ℃(图1d)，降水相态一直为雪，所以积雪深度大。

牡丹江站较大降水集中出现在8日21:00-9日12:00(图1c)。其间，有两个降水峰值：11.8 mm·h-1(9日08:00)和10.2 mm·h-1(9日12:00)。可见本次强降水过程具有中尺度特征。11月份黑龙江省出现降水强度≥10 mm·h-1的降水很罕见。随着江淮气旋的北上，牡丹江站气压由8日17:00的1019.7 hPa下降到9日11:00的1005.6 hPa，18 h下降了14.1 hPa，气旋经历了强烈发展的过程。

图1 2018年11月8日14时-10日08时降水量(阴影,单位：mm)和最大积雪深度(数字，单位：cm，仅显示>10 cm)(a)，地形高度分布(b，单位：m)，11月8日17时-10日07时牡丹江站逐时降水量、气温和气压演变(c)及9日08时伊春站探空图(d)

2 天气尺度环境背景

2.1 天气尺度环流背景

500 hPa上，2018年11月7日08:00(图略)，极涡位置偏向亚洲大陆北部，在西西伯利亚平原北部(80°E、72°N)和中西伯利亚高原东部(120°E、68°N)分别有2个极涡中心，均有t<-40 ℃的冷中心与之对应。在极涡缓慢东移的过程中不断有冷空气旋转南下，表现为多个短波槽引导冷空气东移南下；河套到四川东部地区(106°E)为高空冷槽，受北部短波槽后冷平流的影响，缓慢东移并不断加深。8日20:00(图2a)，分别在贝加尔湖北部和蒙古国东部有2个高空槽，河套附近的冷槽东移至中国大陆沿海120°E附近。冷槽经向度较大，槽前后风速均较大，槽前西南气流引导气旋向东北方向移动；冷槽东部为高压脊。之后高压脊不断加强，冷槽东移受阻，向北移动的分量逐渐加大，和蒙古国东部的高空槽合并加强切断成冷涡。10日02:00(图2b)，冷涡位于黑龙江省上空，各地转为分散性阵雪天气。

图2 2018年11月8日20时(a)和10日02时(b)500 hPa高度场(实线)和温度场(虚线)

850 hPa上，8日14:00(图略)低涡中心位于辽东半岛南部，黑龙江省东南部处于低涡东北侧，有偏南气流辐合，开始出现降水。8日20:00-9日02:00(图略)低涡向东北移动的过程中，其东北侧的东南气流加强达到急流标准，急流前侧加强的辐合作用促使降水强度增大。9日08:00(图3a)，低涡移至海参崴附近，其北侧的东南低空急流继续加强，风速≥20 m·s-1；锋区移动到黑龙江省东南部地区，强暖平流促使暖锋锋生(图3b)，低空急流从日本海上向北输送的热量和水汽在锋区处辐合抬升，从而形成强降水。9日01:00-10:00，东南部山区受暖锋锋生及低涡中心强辐合作用，出现强降水(牡丹江站为46 mm)，此时大气中低层温度≤0 ℃，加之夜间地面辐射冷却作用，2 m气温下降至接近0 ℃，降水相态转为雪。之后，强辐合区及强降水区随低涡缓慢向北移动。9日20:00(图3a)，低涡中心移至黑龙江省东北角，全省大部地区受涡后西北气流控制，转为阵雪天气。

图3 2018年11月9日08时850 hPa高度场(实线)、温度场(虚线)、风场(风羽)、温度平流(阴影)(a)及锋生函数(阴影)(b)

7日夜间到8日清晨，中国东南沿海到长江口附近为低压倒槽，8日02:00，在长江口北岸形成低压，中心气压为1017 hPa，之后迅速加强为锋面气旋，经朝鲜半岛沿日本海与大陆交界处向东北方向移动。9日02:00气旋移至朝鲜半岛东北部(图4a)，中心气压为1001 hPa，24 h变压为-16 hPa，具有后弯特征的暖锋移至黑龙江省东南地区(图4b)，降水强度开始增大。9日08:00气旋在日本海东侧再度登陆，中心强度为998 hPa，暖锋北侧有大范围△p6≤-3 hPa的负变压区，冷锋后侧有大范围△p6≥2 hPa的正变压区，有变压风向负变压中心辐合，正负变压中心之间变压梯度大的区域内变压风较大。气旋发展加深，向负变压中心移动，锋面附近有变压风辐合，低层辐合加强导致强降水。9日14:00气旋强度达到最大并出现锢囚锋，之后强度逐渐减弱，对应的降水强度减小(图4c)。

2.2 锋面结构特征

位温(θ)、比湿(q)、水平风场和锋生函数的垂直剖面图上(图5a、b、c)，可见暖锋和锢囚锋特征。由9日02:00沿129.4°E(牡丹江站所在经度)作的垂直剖面(图5a)可看出，42°-47°N低层为等θ密集带，即为宽广的暖锋锋区，锋区向北倾斜，坡度较小。对流层低层40°N以南为偏西风冷平流，以北为源自日本海的东南风暖湿气流(图5d)，强暖平流作用促使锋区上900-700 hPa有强锋生带，低层锋生，降水强度开始增大。9日08:00(图5b)40°N附近为冷锋，锋后为偏西到西北风，对应着强冷平流(图5e)；暴雪区处于暖锋前，中低层为暖锋锋区，由偏东风转为东北风，温度平流较弱，低层维持较大比湿(800 hPa以下，比湿≥4 g·kg-1)。43°-45°N，暖湿气团沿着锋面抬升，低层等温线向上突起，偏东风和偏北风的辐合加强了暖湿空气的上升运动，导致黑龙江省东南部地区出现强降水。

由9日14:00沿132°E作的垂直剖面(图5c)可见，三江平原地区(46°N)两个锋面相交，位温呈漏斗状，具有锢囚锋特征：锋区变窄，锋面南侧干冷空气位温为282 K，冷空气前侧为弱冷平流(图5f)；锋区北侧干冷空气位温为276 K，为偏东气流，有较强的暖平流。锋区北侧低层有强锋生带，在北移的过程中不断锋生。暖湿气团被抬离地面，46°N附近 600 hPa以下等温线向上突起(图5f)，900 hPa高度上与北侧冷气团的温差可达8 ℃。三江平原的强降水主要是锢囚锋强烈抬升暖湿空气造成的。

图5 2018年11月9日02—14时位温(黑实线)、比湿(短虚线)、水平风场(风向杆)、锋生函数(阴影)的经向剖面图(a、b、c，双实线为锢囚锋)及温度平流(红实线和蓝色长虚线)、温度(短虚线)和v-ω(ω放大20倍)经向剖面图(d、e、f)

黑龙江省东南部地区长时间(>6 h)处于暖锋锋区中，锋区低层有锋生作用，促使低层锋区加强且更加倾斜，暖湿空气在暖锋上持续辐合抬升，形成长时间的强降水。暖锋前偏东气流强度大，维持时间长，为强降水提供了充足的水汽。东北部地区受锢囚锋影响出现强降水，此锢囚锋的北侧暖锋前冷空气强度大于南侧冷锋后冷空气强度，是暖式锢囚锋。

3 环境条件特征

3.1 水汽特征和动力条件

气旋一路北上的过程中，其东侧一直存在的东南风低空急流，将海上的水汽和热量向气旋环流中输送，使其不断发展加强。2018年11月9日02:00(图6a)，气旋中心移至朝鲜北部，在低空850 hPa上有一条近乎南北向的带状水汽通量高值区，从东海、经日本海不断向东北地区伸展，东北地区中东部低层大气湿度不断增大。不断向北输送的水汽在气旋中心北部及水汽输送带上均有辐合，黑龙江省东南部地区低层水汽辐合开始加强。08:00(图略)，带状水汽通量高值区北抬到黑龙江省东部，水汽通量高值舌前部有低层水汽强辐合，黑龙江省东部通量值达到12 g·s-1·cm-1·hPa-1，并出现大范围-6×10-7g·s-1·cm-2·hPa-1的水汽辐合区，02:00—08:00黑龙江省东南部地区出现持续性的强降水天气(图1b)。14:00(图6b)，带状水汽通量高值区北抬到黑龙江省东北部，水汽通量值与水汽辐合的最大值强度与08:00的相当，范围缩小，强降水区北抬。

9日02:00沿129.4°E的经向剖面图(图6c)上，44°—45°N上升运动区一直延伸至对流层高层，在对流层中上层(500—400 hPa)达到最大，为-2.4 Pa·s-1。对流层中低层为较强的水汽辐合区，与强上升运动相重叠的区域即为强降水区，强降水区两侧有较弱的下沉运动。08:00(图略)，中低层的水汽辐合区与强上升运动区向北移动到45°N附近，上升运动大值区下降到600 hPa。14:00沿132°E的经向剖面图(图6d)上，水汽辐合区下降到850 hPa以下，低层辐合加强；上升运动区的向上伸展高度降低，大值区下降到850 hPa以下，黑龙江省东北部地区降水强度达到最大。

图6 2018年11月9日02-14时850 hPa水汽通量(等值线)及水汽通量散度(阴影)(a、b)和水汽通量散度(阴影)、垂直速度(等值线)及v-ω(ω放大20倍)的垂直剖面(c、d)

9日08:00，地面到300 hPa水汽通量垂直积分(图7a)显示强降水期间有两条水汽输送路径：第一支为气旋东部的偏南急流从黄海、东海向北输送水汽，第二支为气旋北部的偏东急流从日本海向西输送水汽。最后这两支携带水汽的低空急流合并由强降水区的东边界输入产生强降水。

利用NCEP/NCAR每天4次的0.25°×0.25°再分析资料，计算8日14:00—10日08:00强降水区(图7a中黑色方框4个边界128.5°—134°E、44°—48.5°N)地面至300 hPa各边界每隔6 h水汽输送量(正值为流入，负值为流出)。各边界水汽计算公式为

(1)

式中,l1和l2表示边界两端经(纬)度，ps为海平面气压。

计算结果(图7b)表明，8日14:00—9日08:00主要依靠东边界输入水汽，且输入量迅速增加，在08:00达到最大，为14.99×107t·s-1。除了降水刚开始的6 h内南边界有少量水汽输入外，其他边界均为水汽输出。9日14:00以后东边界水汽输入量迅速减小，直至转为水汽输出；其他边界均由水汽输出转为水汽输入，且西边界和北边界的水汽输入量较大。8日14:00—9日14:00，强降水阶段，东、南、北边界的水汽输入量分别为38.95×107、9.82×107和2.70×107t·s-1,分别占水汽输入总量的75.68%、19.08%和5.24%。西边界的水汽输出量为16.40 t·s-1。9日20:00—10日08:00，降水减弱阶段，南、西、北边界的水汽输入量分别为8.99×107、20.36×107和14.14×107t·s-1,分别占水汽输入总量的20.68%、46.81%和32.51%。东边界的水汽输出量为10.26×107t·s-1。可见，强降水期间东边界的水汽输入最为关键，占到整个水汽输入总量的75.68%，与水汽通量分析显示的气旋东侧的东南气流将日本海上的水汽源源不断地向东北地区输送是一致的。

图7 2018年11月9日08时地面到300 hPa水汽通量的垂直积分(a，填色区和矢量)和8日14时—10日08时图7(a)方框各边界地面到300 hPa的水汽输送(b)

3.2 不稳定特征

图8是2018年11月9日02:00—14:00的湿位涡MPV和∂θe/∂p的经向垂直剖面图。02:00(图8a)43°N以北整层大气∂θe/∂p<0，为对流稳定状态。08:00(图8b)43°—45°N低层依然为对流稳定，出现MPV<0，表现为湿对称不稳定，与牡丹江雷达1.5°仰角反射率因子图(图10b)上表现为两条带状主雨带特征相对应。考察湿对称不稳定区正压项MPV1和斜压项MPV2的贡献发现，该处MPV1>0且MPV2<0(图略)，即强斜压性是湿对称不稳定产生的主要原因。此处为暖锋前(图5b)，对流层低层大气稳定度增大，中高层稳定度减小。暖湿空气的辐合抬升加强了上升运动，中高层大气稳定度减小有利于上升运动的维持和发展。

14:00(图8c)，43°—48°N对流层低层在锢囚锋附近及其两侧的冷气团内(图5c)大气变得更加稳定。锢囚锋低层等温线向上突起的地方(图5f)为大气逆温，稳定度最大，∂θe/∂p<-2.1 K·hPa-1；锢囚锋中高层大气稳定度进一步减小。

图8 2018年11月9日MPV(阴影，仅给出负值)和∂θe/∂p(等值线)的经向剖面图MPV单位:10-6 m2·K·s-1·kg-1,∂θe/∂p

可见在暖锋降水过程中，低层出现湿对称不稳定，中高层大气稳定度减小，有利于上升运动的维持和发展。锢囚锋与暖锋相比，低层大气对流稳定更强，中高层大气稳定度更小。

3.3 高低空急流

随着气旋的北上加强，气旋东侧和北侧的气流加强成低空急流。11月9日02:00(图略)，气旋北侧的东南低空急流移至黑龙江省东南部，此处降水强度增大。200 hPa上西风急流断裂为南北两支，南支位于125°E以西35°N附近，北支位于125°E以东50°N附近，急流核强度均达到40 m·s-1。08:00(图9a)，低空东南急流随气旋北移加强，风速>20 m·s-1；两支高空急流均加强北移，急流核强度>50 m·s-1。低空急流左前侧的强辐合区位于暖锋前(图9b)，与北支高空急流右后侧及南支高空急流左前侧的强辐散区(图9c)重叠，有强烈的上升运动，迫使暖湿空气强烈抬升，造成强降水。

图9 2018年11月9日08时高低空急流(a)和850 hPa(b)及200 hPa(c)散度场

14:00(图略)，低空东南急流维持较大强度缓慢向北移动；南北两支高空急流东移的过程中分别有向南北方向的位移，高低空急流耦合作用减弱，气流上升速度减小。20:00以后，低空东南急流减弱移出黑龙江省，南支高空急流核南退至30°N，北支高空急流东移到140°E以东，降水强度大幅度减小。

4 中尺度特征

气旋在向东北方向移动的过程中获得发展，形成连续完整的涡旋云系。2018年11月9日10:00可见光云图上(图10a),涡旋云系位于中国东北地区到日本岛一带，冷锋云系与晴空区交界附近云顶多凸起的褶皱和斑点，表明有对流活动，对流云西侧的暗影清晰可见。在气旋中心附近也有对流活动，给黑龙江省东南部地区带来较大降水。云系北侧云顶表面较为光滑、均匀，在云系的北边界出现向东北方向伸展的纤维状卷云，表明高空风速大。之后涡旋云系缓慢向北偏东方向移动，在涡中心及锢囚锋和冷锋云系后边界附近不断有弱对流活动，表明此次降水过程具有中尺度特征。

9日08:04牡丹江雷达1.5°仰角反射率因子图(图10b)上，存在两条主雨带，为混合云降水回波，强回波最大反射率因子>35 dBZ。此时牡丹江站气温为0.1 ℃，地面观测降水性质为雪，排除零度层亮带的影响，图像上>35 dBZ的回波为对流云回波，也说明了降水过程具有中尺度特征。由沿图4b中直线作的反射率因子垂直剖面(图10c)发现，降雪回波高度较低，一般不超过4 km，>35 dBZ的较强反射率因子高度在2 km以下。