吉林省一例罕见短时致灾暴雨中尺度分析

刘 娜 丑士连 姜世楠 蔡柠泽

（白山市气象局，吉林 白山 134300）

1 引言

强对流天气是伴随短时强降水、雷暴大风、冰雹等灾害性天气， 一方面给人民生产生活造成很大影响， 另一方面引起强对流天气的中尺度系统发生、发展及演变机理复杂，预报预警难度大[1-4]。强对流天气有效监测手段为卫星、雷达产品，特别是在0—2h 临近预报过程中， 可以有效判断强对流天气类型和强度。 近年来我国学者凝练出很多东北地区强对流天气潜势预报指标[5-8]，给出了强对流天气过程中形势场特征及物理量场指标，并对卫星云图和雷达产品的预报预警指标[9-13]给出定量分析。 杨雪艳等[14]凝练概况了吉林省短时强降雨天气的中尺度特征及概念模型； 袁美英等[15]对东北地区一次短时大暴雨β 中尺度对流系统分析， 给出中尺度天气系统特点及卫星产品短时临近预警指标；丑士连等[16]、马利柱等[17]对吉林省夏季强对流触发暴雨天气过程进行研究， 阐述降水形成是多尺度系统相互作用结果。 近年来吉林省强对流天气频发， 但极端短时强降水出现次数较少，且针对极端短时强降水引发暴雨的形成特征、与地形的关系及预警指标凝练研究较少， 如何准确及时识别短时强降水天气，及早发布预报预警，发挥防灾减灾第一道防线作用极为重要。

2 天气实况及灾情

2020 年7 月5 日08 时—6 日08 时， 吉林省四平市和松原市出现强对流天气， 最大降水量出现在松原市长岭县粮窝村，为259.2mm（图1a）。由自动站逐小时资料可以看出，5 日14—17 时连续3 小时粮窝村降水量分别为97.5mm、79.2mm、69.9mm （图1b）。 本次降水以对流性降水为主，局地性强，降水梯度大，降水时段集中在午后，短时强降水持续时间长。 罕见的强对流致灾短时暴雨造成当地受灾人口21 371 人， 农作物受灾面积7 586hm2，一般损坏房屋及进水166 户496间，倒塌房屋17 户49 间，转移人口291 人。本文针对此次极端短时强降雨天气过程进行总结，给出如此罕见的强对流致灾短时暴雨出现的环境背景和预报指标，为进一步做好卫星资料和新一代天气雷达监测预警强对流天气提供有利技术支撑。

图1 2020 年7 月5 日08 时-6 日08 时吉林省降水实况（a）及7 月5 日长岭县粮窝村逐小时降水量（b，单位：mm）

3 环流背景场特征分析

3.1 资料和方法

资料包括2020 年7 月5—6 日降水资料、雷达资料、ERA5 再分析资料，应用天气学诊断分析方法和中尺度诊断分析方法，对2020 年7 月5 日吉林省松原市长岭县一例罕见的极端短时暴雨天气过程进行诊断分析。

3.2 天气尺度环境场分析

2020 年7 月5 日14 时110°E—130°E，40°N—45°N 附近500hPa 为西风槽控制，槽前均为疏散形势，且温度槽落后于高度槽，槽内有冷平流和正的热成风涡度平流，使槽得到发展。120°E，45°N附近西风槽前，对应850hPa 西南风急流，西南急流一方面提供源源不断的水汽和潜热能。 同时低层急流头部风向、 风速辐合和与西北风构成的冷式切变线为降水提供较好的动力抬升机制。 从海平面气压场与925hPa 风场叠加可以看出，吉林省松原地区西部为地面气旋， 该气旋在低空引导气流作用下向东北移动，从而影响长岭地区。同时从925hPa 风场还可以看出，在长岭地区存在超低空中尺度急流， 超低空急流为短时暴雨提供了充足的水汽， 同时建立和维持着超低空对流不稳定层结， 也是超低空天气尺度上升气流的建立者和对流不稳定能量释放的触发者[18]。

3.3 物理量场特征分析

从7 月5 日14 时850hPa 比湿和水汽通量散度场（图2a）可以看出，松原地区处于850hPa 西南急流头部风速辐合区域，比湿超过10g/kg，且随着西南急流输送，源源不断地将渤海、黄海水汽输送到强降水区域；从水汽通量散度也可以看出，在松原地区南部长岭县有明显强的水汽通量辐合中心， 源源不断的水汽输送和辐合为降水提供了较好的水汽条件。 从Ki 指数和850hPa 假相当位温来看，7 月5 日14 时降水前期，Ki 指数达到36℃，呈带状分布，36℃高能量舌等值线头部伸向松原地区南部，与假相当位温高能舌吻合（图2b），强降水区发生在高能舌梯度大值区北侧， 与高层500hPa 槽后冷平流叠加， 形成上干冷下暖湿结构，有利于不稳定层结建立，对高效率降水产生提供了较好的能量和不稳定条件。

图2 2020 年7 月5 日14 时850hPa 比湿（a，等值线，单位：g/kg）、水汽通量散度（a，阴影，单位：10-6g/cm2·hPa·s）和2020 年7 月5 日14 时Ki 指数（b，等值线，单位：℃）、850hPa 假相当位温（b，阴影，单位：℃）

从2020 年7 月5 日14 时700hPa 垂直速度（图3a）、850hPa 风场和比湿可以看出， 西南急流一方面将水汽从渤海、 黄海区域源源不断地输送到降水区，为降水提供较好的水汽输送，另一方面急流头部辐合区处于松原南部，配合700hPa 强上升运动中心，为降水提供了较好的动力抬升机制。

综上，结合7 月5 日14 时中尺度分析常规观测资料显示（图3b），本次降水过程500hPa 槽线与700hPa 槽线基本重合， 位于吉林省中西部地区，系统比较深厚。 500hPa 槽后有冷空气补充，下暖上冷， 同时500hPa 干区与低层850hPa 湿区叠加，长岭县850hPa 比湿达12g/kg，绝对水汽含量充足。同时低空和超低空急流建立，有利于于水汽向降水区输送，局地水汽和水汽输送充足。上干冷下暖湿使得大气层结不稳定度加强， 有利于短时强降水的产生。 850hPa 急流和切变线在强降水前期有建立和加强的过程， 其中急流左侧风速辐合区和切变线右侧风向辐合区位于长岭县上空，一方面为降水提供较好的动力抬升条件， 另一方面有利于水汽和能量的累积， 是低层大气不稳定层结的建立、加强及不稳定能量的触发者。

图3 2020 年7 月5 日14 时700hPa 垂直速度（a，阴影，单位：10-2Pa/s）、850hPa 风场（a，风向杆，单位：m/s）、850hPa 比湿（a，等值线，单位：g/kg）及2020 年7 月5 日14 时中尺度分析（b，棕色线为700hPa 和500hPa 槽线；蓝色箭头为500hPa 槽后冷空气；黄色锯齿线为500hPa 干区；绿色锯齿线为850hPa 湿区；红色双实线为850hPa 切变线；黑色点画线为地面辐合线；黄色虚线为T850-500 温度差值线；阴影为强对流发生区）

3.4 大气层结特征分析

此次强降水过程探空曲线对流参数上有很好的指示意义。 首先从2020 年7 月5 日08 时长岭县重构探空曲线对流参数来看，ki 指数34℃；TT总指数45℃；SI 指数-1℃；LI 指数-3℃；CAPE 对流有效位能为1 449J/kg；CIN 对流抑制能为5J/kg；低层偏东风2m/s；高层偏西风3m/s 左右；0—6km整层垂直风切变较小， 在8.2m/s；Td 为20.4℃，大气绝对含水量高；地面温度露点差小于3℃，可初步判断08 时水汽较充沛。14 时ki 指数升至36℃；TT 总指数升至47℃；CAPE 对流有效位能增加至2 103J/kg；CIN 对流抑制为10J/kg， 整层垂直风切变仍较小；SI 指数-2℃，LI 指数-5℃， 大气对流不稳定性较08 时明显加强； 自由对流高度（PLFC）和抬升凝结高度（PLCL）08—14 时均有所下降，特别是抬升凝结高度下降至0℃高度以下，暖云层厚度增厚；0—6km 垂直风切变有所加强，为11.4m/s的中等强度垂直风切变。 综上大气层结有利于低质心高效率的降水产生。

4 卫星雷达产品特征分析

4.1 中尺度云团特征

有利的大尺度环流背景下， 长岭县中尺度系统强烈发展， 对FY-2H 红外云图云顶亮温TBB变化分析， 可推断出强降水区域主要受中尺度对流系统（MCS）影响，其中15—17 时为中-β 尺度MCS 发展最旺盛阶段。 云团在有利环境中生成—加强—维持—减弱。 14 时为初生阶段，850hPa 风场处于低空急流辐合头部，切变线左侧，此处上冷下暖大气层结不稳定，低层辐合抬升作用，有利于对流云团发展，云顶TBBmin 为-44℃，小于-32℃区域范围884km2，圆形度为0.86（图4a）。14 时30分云顶TBBmin 增加到-56℃，小于-32℃区域范围扩大到1.2×104km2，圆形度减小到0.45。15 时长岭上空的MCS 识别消失，但云体还在，范围再次增大，云顶TBBmin 增加到-60℃（图4b），其主要原因是该发展的云团与在辽宁省北部中-α 的MCS合并，成为该MCS 的头部，TBB 等值线密集加大，即TBB 梯度增强。 同时从地面风场可以看出，此时在强降水地区存在明显地面中尺度辐合中心，辐合线内存储大量水汽和能量， 同时辐合线附近上升运动非常强， 此时强短历时降水已经开始。16 时中低层风场依旧维持西南风急流， 中-α 的MCS 仍然维持， 长岭站上空的TBBmin 达到此次降水的最强阶段，-60℃区域范围扩大， 中心最小值为-63℃，TBB 梯度持续增强， 小时降水量较大（图4c）。 随着降水能量的进一步释放，地面中尺度辐合中心消失，17 时长岭站上空的云团范围略有减小， 小于-60℃中心区域消失，TBB 梯度减小（图4d）。18 时随着系统东北移动，强度减弱，降水转为层状云降水。 通过分析发现，14—16 时是TBB 强度增大、 梯度增强的过程， 产生了短时暴雨。 16—17 时，是TBB 强度减小、梯度减小的过程， 也产生了短时暴雨， 且短时暴雨都位于TBB等值线密集区靠近偏暖区一侧。 此次短时暴雨发生在对流云团发展和减弱过程中，特别是TBBmin值快速降低对降水强度减弱有一定指示意义。

图4 2020 年7 月5 日14 时（a）、15 时（b）、16 时（c）17 时（d）对流云团演变过程（单位：℃）

4.2 雷达产品特征

从2020 年7 月5 日14:09—15:14 松原雷达0.5°仰角平均径向速度产品（图5a、图5b、图5c）可以看出， 长岭县北侧强降水区域前期低层为西南风负速度区域，风速较小。 至14:56 沿雷达径向方向有一对正负速度对， 正负速度辐合强度在15m/s，表示低层存在明显风场辐合。 15:14 正负速度中心值加大， 辐合强度加强达15～20m/s。 在2.4°、3.4°仰角（图5d、图5e）也同样存在两个正负速度辐合对。 6.0°仰角（图5f）径向速度转为辐散场。 由于强降水区域处于雷达90～120km 距离圈内， 远距离观测有如此强的低层辐合和高层辐散说明此系统发展深厚， 与前面分析地面风场低层存在明显中尺度辐合中心一致， 对应雷达速度场在强降水区有强中-γ 尺度的中尺度辐合系统，为强降水维持、发展提供了较好的动力抬升机制。

图5 2020 年7 月5 日松原雷达0.5°仰角14:09（a）、14:56（b）、15:14（c），15:14 的2.4°仰角（d）、3.4°仰角（e）、6.0°仰角（f）径向速度产品（单位：m/s）

与低层速度场同时次的雷达反射率因子也有很好的预报预警指示意义。 从7 月5 日14:09—15:14，0.5°仰角（图6a、图6b、图6c）雷达反射率因子产品分析可以看出， 配合速度辐合场，14:09 强降水区有分散的对流回波生成，随着速度场辐合加强， 至15:14 反射率因子回波强度由前期的30dBz 增长至50dBz。 结合15:14 的CR 产品（图6d）可以看出，最强反射率因子达55dBz，回波有3 个明显的强中心。 此次强对流风暴表现为典型中尺度多单体对流回波特征， 回波在有利的大尺度环境背景下， 配合前文所提的中尺度辐合线和辐合中心，为强对流发生、发展提供了有利的背景条件。 充沛的水汽和较强的动力抬升机制，结合中尺度不稳定条件和触发条件，长岭县东部强降水区域内强降水回波不断新陈代谢，16:24 （图6e）、17:14（图6f）雷达CR 产品反射率因子回波平均强度在50～55dBz，最强回波达到65dBz。结合强降水时段风暴单体追踪信息（STI）产品分析，强降水区单体风暴最大反射率因子和单体质心高度接近4.5km，VIL 垂直累积液态水含量在15～20kg/m2，降雹概率较低，以短时强降雨为主。在有利的中尺度环境系统下， 强降水回波持续影响3h 左右，造成该区域内罕见短时暴雨天气。

图6 2020 年7 月5 日松原雷达0.5°仰角14:09（a）、14:56（b）、15:14（c）雷达反射率因子及15:14（d）、16:24（e）、17:14（f）雷达CR 产品（单位：dBz）

5 结语

（1） 此次极端短时暴雨天气过程发生在吉林省中西部中高纬度西风槽前， 地面位于低压前部暖区内，中低空存在中尺度急流、超低空急流和切变线， 不仅为强降水提供了较好的水汽、 能量条件，还提供了较好的动力抬升触发机制。地面存在中尺度辐合线和辐合中心， 有利于不稳定能量的集聚和触发， 在高温高湿环境条件有利的大尺度环境背景下， 中小尺度系统在强降水区不断强烈发展造成了本次极端天气。

（2） 此次极端强降水天气ki 指数达到36℃，TT 总指数为47℃，CAPE 对流有效位能为2 103J/kg，Si 为-2℃，Li 为-5℃，同时整层垂直风切变小，且湿层深厚，强降水期间大气高温高湿高能，大气层结极其不稳定性，为短时暴雨提供了充沛不稳定能量。

（3）卫星云图上对本次降水有较好的指示，分析高分辨率FY-2H 红外云图云顶亮温TBB 变化发现， 中尺度对流系统MCS 形成于850hPa 暖湿气流顶部潮湿不稳定环境中， 低层暖湿平流与高层干冷平流叠加有利于其生产和发展加强。 TBB强度增大、TBB 梯度增强的过程， 产生了强降水，短时暴雨区域出现在TBB 等值线密集区靠近偏暖区一侧，此处不断有西南风暖湿气流补充，有利于云团维持和发展。 此次短时暴雨发生在对流云团发展和减弱过程中， 特别是TBBmin 值快速降低对降水强度减弱有一定指示意义。

（4） 地面中尺度环流场与雷达平均速度场均反映， 强降水区域内存在强的低层辐合和高层辐散，即强的中-γ 尺度的辐合系统，系统发展深厚，为强降水维持、发展提供了较好的动力抬升机制，是本次强降水产生的直接原因。 此次强降水回波为低质心、高效率的大陆型强对流降水回波，超过50dBz 回波高度在4.5km 左右， 高效率的大陆型强对流降水回波在有利的大尺度环境条件下不断新陈代谢，对强降水预报预警有一定指示意义。