2021 年8 月牡丹江一次暴雨天气成因分析

路平平，霍 达，范天红

(牡丹江市气象局，黑龙江 牡丹江 157000)

1 引言

对流和降水活动是大气中的诸多天气现象之一，它们是在大尺度条件影响下，主要由中尺度对流系统（MCS）造成。暴雨是牡丹江夏季常见的灾害性天气，提前预报预警、尤其是落区预报一直是预报员工作中的重点和难点[1]。国内外学者从暴雨触发、加强机制和各尺度天气系统间的相互作用等方面开展了大量的研究，同时也对暴雨中尺度系统进行了深入的研究，得出了很多有重要参考价值的结论。张芹等[2]对2017 年山东雨季暖区暴雨的环流背景、对流的触发机制和大气垂直结构特征等方面进行分析，发现西南风低空急流的快速加强及向下传播能触发不稳定能量释放，是暴雨的触发机制。徐明等[3]指出大多数强降水事件与中尺度对流系统关系密切，MCS 的发展演变很大程度上决定了暴雨的强度和分布，通过研究其系统结构和移动传播，能够显著改进暴雨的预报。黄思先等[4]研究指出降水云顶亮温TBB≤-50 ℃区域与降水区对应，近似圆形的中尺度对流系统对湖北东部强降水十分有利。顾佳佳等[5]研究指出强降水主要由低涡云系中不断生成发展的中尺度对流云团造成，其落区与云顶亮温（TBB）梯度大值区对应且靠近其低值中心,地面高温高湿环境和冷舌的侵入对中尺度对流产生有重要作用,地面辐合线为其触发机制,长时间维持导致暴雨发展;杨群等[6]指出不同区域生成的强对流云团反复影响铜仁,形成持续性暴雨，加上地形阻挡、抬升和喇叭口地形收缩作用,进一步增强了局地极端强降水形成。众多文献对暴雨分析和预报起到很好指导性作用，对区域性强降水具有普遍意义，本文对2021 年8 月21 日牡丹江暴雨个例分析，探讨影响系统演变过程，并对物理量进行诊断分析，以期提高对暴雨过程的天气系统结构特征及形成物理机制的认识，旨在为类似暴雨天气预报提供参考依据。

2 资料与方法

本文利用常规观测资料、牡丹江自动观测系统采集的实况资料、NCEP 再分析资料、FY-2G 卫星TBB 云图资料及牡丹江多普勒雷达资料，运用天气学原理方法分析牡丹江2021 年8 月21-22 日暴雨过程。

3 降水实况

2021 年8 月21 日牡丹江出现大范围强降雨天气，此次降水强度大，局地性强，分析8 月21 日8时-22 日8 时牡丹江地市24 h 累积降水量分布发现:暴雨落区主要集中在宁安、海林和绥芬河，降水强度从西南向东北递减，35 个国家站及考核站降水量超过50 mm，7 个考核站降水量超过100 mm，最大日降水量为宁安马河126.3 mm。降水主要集中在21 日20 时-22 日08 时，马河12 h 累积降水量117.4 mm，连续2 h 出现＞20 mm·h-1的短时强降，最大小时雨强出现在22 日03 时达25.6 mm·h-1。根据降水特征，有两个问题值得关注：（1）强降水发生在夜间；（2）强降水中心落区出现在牡丹江西南。本文主要从降水发生的时间、地点、强度三个角度逐次进行机理分析。

4 大气环流背景及主要影响系统

首先分析强降水发生前对流层中层500 hPa 环流形式：8 月21 日08 时，牡丹江上游从内蒙古东部经渤海到我国东南沿海为高空槽，贝加尔湖东西两侧分别有两个冷涡，下游副热带高压稳定在海上形成阻塞形式，20 时(图1a)，冷涡南压，高空槽加深东移北抬，槽前偏南急流将海上的水汽和热量向北输送加强，与槽后冷空气交汇，有利降水发生。分析降水发生前对流层低层主要影响系统，8 月21 日08时，700 hPa 环流形式：牡丹江处于副热带高压外围偏南气流控制，其上游为深厚的高空槽，850 hPa 渤海上空形成气旋性环流，随着西风槽东移及海上暖高压的稳定维持，槽前朝鲜半岛到牡丹江上空暖湿气流不断加强，21 日20 时(图1b)，对流层中下层在我国东北南部形成较深厚的低压，在高空偏南引导气流下，同时受海上高压阻挡作用，低压形成后向北移动。

图1 21 日20 时（a）500 hPa 环流形势（b）850 hPa 环流形势

分析海平面气压场(图2)发现，21 日夜间低压中心偏北，从低压中心向南有偏东风和偏北风的辐合线，21 日20 时-22 日08 时地面辐合线演变发现，地面辐合线一直在牡丹江西部，21 日20 时辐合线位于中低层切变线前接近垂直，加剧垂直运动发展，随着高空槽东移，地面辐合线几乎稳定不动，造成牡丹江降水强中心位于西南。

图2 22 日02 时海平面气压场和流场及21 日20 时、22 日02 时地面辐合线

5 成因分析

5.1 水汽条件分析

充足的水汽是强降水发生的必要条件。分析水汽通量和风场，结果显示，21 日14 时副热带高压西侧有较大的水汽通量，黑龙江东部位于水汽辐合输送带北部，槽前偏南风急流有利水汽向北输送，21 日20 时低空急流强度加强，水汽辐合中心加强向北移动，有大量的水汽从日本海向牡丹江输送，21 日00时，水汽辐合高值区最强达到-30 g·cm-2·hPa-1·s-1，22日08 时水汽辐合中心继续向北移动，强度开始减弱，牡丹江上空有东西向切变线，22 日14 时，水汽辐合中心东移，牡丹江上空水汽通量减小，降水逐渐结束。

分析水汽的垂直分布情况，做牡丹江上空（129°E、45°N）水汽通量散度时间剖面图（图3），从时间剖面图可以看出：21 日14 时牡丹江上空近地面层到700 hPa 有水汽辐合，20 时随着水汽辐合加强牡丹江降水加强，强降水时段发生在水汽辐合最强阶段，水汽条件解释了强降水发生在21 日夜间。

图3 8 月20 日20 时-22 日20 时水汽通量时空演变（单位：10-8g.cm-2.hPa-1.s-1）

5.2 动力条件

降水发生前21 日14 时，牡丹江上空大气开始出现高层辐散、低层辐合结构，此时大气垂直上升运动开始发展，到22 日00 时前后，辐合、辐散中心也明显增强，最大辐散中心位于200 hPa 附近，强度达3.5× 10-5s-1，此时垂直上升运动发展最强，有利于将低层湿空气向上输送，为暴雨发生提供动力条件，垂直运动条件进一步解释了降水发生在夜间。

沿44°N(牡丹江纬度）作高度—经度的风场剖面图（图略），结果显示，21 日20 时，牡丹江（129°E）东侧上空存在偏南风—西北风的风切变，其东侧偏南气流有强上升运动。22 日02 时，强切变东移，牡丹江东侧风速加大，牡丹江位于急流左侧的不稳定区域中，有利上升运动及对流不稳定层结的加强和维持。从21 日14 时-22 日02 时垂直速度沿129°E 垂直剖面图（图4）可以看出21 日14 时牡丹江上空出现了明显的强上升气流，上升运动中心位于500 hPa 附近，强度达到-4.2×10-2hPa·s-1，它与上述低空急流的发展密切相关。还有一个值得注意的现象是，在上升气流的西侧出现了一支径向次级环流，它的出现表明了上升运动正处于发展旺盛阶段，由强上升运动强迫产生的补偿次级环流十分有利于对流的发展与维持[3]。22 日02 时上升运动中心东移到132°E,位于上升气流西侧的径向次级环流减弱，此时上升运动达到最强，与马河逐小时雨量变化趋势中小时最大降水量对应，此后上升运动逐步减弱，使得降水在减弱过程中保持一定强度。

图4 （a) 21 日12 时和（b)22 日02 时沿129°E 垂直速度纬度-高度剖面(单位：10-3hPa.s-1）

5.3 热力及不稳定条件

θse是表征大气温湿特征的物理量，对流层中假相当位温高值区代表高温高湿区，即高能量区。∂θse/∂p（即Δθse=θse700-θse850）表示大气对流稳定度，当Δθse＜0 时为不稳定层结，当Δθse＞0 时为稳定层结；假相当位温随高度增加减小的越快，气层对流不稳定性越强。一般暴雨发生前，Δθse值较小，反映大气很不稳定，暴雨发生时和发生中，由于暴雨区内水汽变得深厚，其值逐渐趋于中性。21 日20 时Δθse值均在-5-0 ℃之间，21 日02 时最强达到-6 ℃，说明牡丹江地区在暴雨过程中大气层结始终处于对流不稳定状态，有利对流发展。

6 中尺度特征分析

6.1 卫星云图特征

Maddox 提出使用-32 ℃和-52 ℃黑体亮温(black body temperature，TBB) 标识的区域范围及形状等来识别中尺度对流复合体。通常，TBB ≤-32 ℃和TBB≤-52 ℃被用来作为识别大气对流活动强度的两个阈值。21 日08 时在副高外围黑龙江西部存在中尺度对流系统（MCS)，最低云顶亮温≤-42 ℃。8-20时对流云团范围迅速扩大，20 时在吉林西部对流云团（云团A)中云顶亮温≤-52 ℃，21 时对流云团A 强中心面积增加向北移动进入黑龙江南部，冷云罩范围扩大发展成圆形，暴雨区降水开始加强，随后22时在强对流云团东侧又有云顶亮温≤-42 ℃的中尺度对流云团（云团B)发展，两个中尺度对流云团在向北移动过程中强中心逐渐合并，缓慢移动影响牡丹江地区，此时多普勒雷达回波强中心位于海林，云团南部不断有小尺度对流生成，暴雨中心马河小时降水量最大。随着中尺度对流云团向北移动，影响牡丹江的降水逐渐结束(图5)。

图5 “8·21”过程(a)21 日20 时、(b)21 时、(c)22 时、(d)23 时、(e) 24 时、(f)22 日03 时、的FY-2E 云图TBB 资料的空间分布(单位：℃)

6.2 雷达回波演变特征

利用分辨率更高的多普勒雷达分析本次降水，与TBB 图上迅速发展的中尺度云团对应，21 日20时牡丹江西南部有范围较大的混合性降水回波，其中镶嵌着多个大小、强度不等的对流单体。21 日22时-22 日2 时分散的小对流单体合并加强发展，回波覆盖牡丹江全区带来大范围降水，强中心位于宁安和海林南部。3-7 时回波主体位于海林、宁安整体呈气旋性旋转，旋转过程中不断有小对流单体生消，回波强中心不到45 dBZ,从多普勒雷达回波强度可以看出，本次降水过程比较均匀，小时降水量最大25.6 mm·h-1，强降水落区位于牡丹江西南。

7 小结

（1）这次降水过程发生前副热带高压持续偏强，配合高低空急流，地面风场辐合线与中低层切变线叠加，加剧垂直运动发展，触发本地不稳定能量和水汽释放，造成了局地强降水。

（2）物理量分析可以看出降水区有明显的水汽辐合为暴雨发生提供了水汽条件；低层辐合、高层辐散的动力配置有利上升运动发展，由强上升运动强迫产生的径向次级环流十分有利强降水发生，牡丹江地区在暴雨过程中大气层结始终处于对流不稳定状态，有利对流发展。

（3）中尺度对流云团在牡丹江上空持续时间较长是产生暴雨的重要天气系统，在雷达反射率因子图上表现为大范围的混合云降水回波，呈气旋性旋转移动缓慢，导致降水持续时间较长达到暴雨。

（4）针对本次强降水天气过程，提前一天发布大雨预报并升级大到暴雨预报，但对强降水中心提前预报量级不够精确，对于暴雨中心落区及强度预报有待进一步提高。