云 天，王 寧，劉子琪，姚 凱

（吉林省氣象臺，吉林 長春 130062）

東北冷渦是具有一定強度的高空冷性渦旋，是大尺度環(huán)流形勢在東北地區(qū)特定條件下的產(chǎn)物，是我國東北地區(qū)常見且特有的引發(fā)暴雨和強對流天氣的重要天氣系統(tǒng)[1-3]。東北冷渦的水平尺度屬于天氣尺度，但它所造成的災害性天氣帶有明顯的中小尺度特征，它造成的區(qū)域性暴雨和大暴雨的比例較低，主要會引發(fā)局地暴雨、冰雹、雷暴、短時大風，甚至龍卷等強對流天氣，并且在東北冷渦的形成、發(fā)展、持續(xù)、甚至消退期均可能出現(xiàn)各類強對流天氣。白人海等[4]對東北冷渦中尺度天氣背景進行了研究，結果表明冷渦引發(fā)的暴雨或中尺度天氣一般發(fā)生在冷渦的南半部、冷暖空氣交界處，此處通常也是暖濕舌的后部，風切變處，地面對應低壓或冷鋒。近年很多氣象工作者通過對冷渦引發(fā)的強對流天氣個例的分析發(fā)現(xiàn)：冷渦后部的前傾槽形勢下，中高層干冷空氣強、低層暖濕空氣弱，導致靜力不穩(wěn)定層結和中等大小的對流有效位能，容易引發(fā)強對流[5-7]。還有很多研究認為受冷渦底部槽線影響，高、低空溫度平流差動、低空急流和低層溫度暖脊的共同作用為颮線形成提供有利背景[8-9]。除了冷渦暴雨或強對流天氣的空間位置特征研究外，很多學者也聚焦了冷渦背景下的中尺度天氣的時間特點的研究[10-11]，一方面受太陽輻射日變化影響，冷渦背景下的中尺度天氣具有顯著的反復性和日變化特征[12]，但冷渦發(fā)展階段對流有效位能日變化不明顯，其他階段有明顯的日變化，對應降水等中尺度系統(tǒng)也有明顯日變化，主要出現(xiàn)在午后到前半夜[13]。另一方面，從中尺度天氣發(fā)生的時段分析，發(fā)現(xiàn)中尺度天氣多發(fā)生在冷渦發(fā)展和維持階段，即溫壓結構不對稱、大氣斜壓性強時，而冷渦減弱階段相對較少[14-15]，在日常業(yè)務預報中往往容易被忽視，從而出現(xiàn)錯報漏報的現(xiàn)象，所以該類個例特別值得研究和關注。冷渦減弱階段的強天氣不同于其他階段，觸發(fā)機制是中尺度強對流天氣發(fā)生發(fā)展的關鍵因素。應爽等[16]指出因為冷暖空氣的主導作用不同，從而造成不同的水汽分布、不穩(wěn)定層結和觸發(fā)機制。陳力強等[12]分析表明冷渦減弱期對流降水與對流層低層輻合線有很大關系，若沒有明顯地面輻合線提供動力觸發(fā)條件，一般不產(chǎn)生降水。因此，有必要對冷渦減弱階段的強對流天氣展開研究，尤其是觸發(fā)條件，從而提高對東北地區(qū)冷渦背景下強對流天氣的認識。

2016年6月17—19日在東北冷渦減弱的背景下，吉林省連續(xù)3 d出現(xiàn)強對流天氣，這次過程具有持續(xù)時間長、影響范圍廣、致災嚴重等特點，據(jù)不完全統(tǒng)計直接經(jīng)濟損失達4 288萬元。為此，本文利用地面、高空、多普勒C波段天氣雷達等觀測資料及NCEP（0.25°×0.25°）再分析資料，重點探討了冷渦減弱階段有利于強對流天氣發(fā)生的高、低空系統(tǒng)的相互作用、強對流天氣觸發(fā)機制及其中尺度特征，以期為此類強對流天氣預報提供參考。

1 強對流天氣實況

根據(jù)東北冷渦強度的演變將此次過程分為兩個階段：第一階段（17日11時—18日17時（北京時，下同））（圖1a），強降水主要出現(xiàn)在吉林省中西部，強中心分散，并伴有相對密集的雷暴大風、小冰雹等強對流天氣，最大雨強出現(xiàn)在農安萬順鄉(xiāng)，為40.7 mm/h，雙陽站陣風最大，為22 m/s；第二階段（18日17時—19日23時）（圖1b），強降水主要出現(xiàn)在吉林省的中南部，強中心集中，永吉官廳鄉(xiāng)雨強最大，為31.4 mm/h，冰雹、雷暴大風等強對流天氣相對較弱。

2 東北冷渦的發(fā)展演變

2.1 天氣形勢演變分析

2016年6月16日08時在貝加爾湖東側形成一個高空低渦，500 hPa低渦中心位于（115°E，51°N）附近，中心強度為552 hPa，16—17日低渦從蒙古高原東側向東南移動，經(jīng)大興安嶺，移至東北平原西部。吉林省位于冷渦東南部，冷渦南壓使其底部的鋒區(qū)增強，同時500 hPa顯著氣流增強，17日20時最大風速為26 m/s。地面圖16日東北地區(qū)位于東西向低壓帶的東段，氣壓強度相對西段較弱。第一階段冷渦強度緩慢減弱。17日08時冷渦中心強度為556 hPa，地面有氣旋鋒面波動。17日14時—18日08時冷渦中心強度維持在560 hPa左右，其間溫度槽和位勢高度槽基本重合，無明顯冷、暖平流，18日08時（圖2a）500 hPa歐亞大陸中高緯呈兩脊一槽形勢，冷渦閉合等高線數(shù)量逐漸減少，水汽圖像上渦旋特征也逐步減弱，白亮云區(qū)的組織性明顯減弱，18日由于冷渦東移并疊加在地面低壓上，低壓中心由16日08時的995 hPa升高至18日08時的1 005 hPa。

圖1 2016年17—19日第一階段（a）、第二階段（b）降水實況

第二階段冷渦強度進一步減弱，中心移至東北平原北部。18日20時冷渦中心強度為564 hPa，19日08時（圖2b）該低渦閉合環(huán)流中心位于（126°E，47°N）附近，低渦減弱為低槽，中心強度約為562 hPa，17—19日冷渦中心氣壓平均每天升高3 hPa以上。18日夜間—19日500 hPa西太平洋副熱帶高壓的588 gadpm等值線穩(wěn)定維持在30°N附近，有利于第二階段強對流天氣的持續(xù)。

圖2 18日08時（a）、19日08時（b）500 hPa形勢場

2.2 冷渦的強度演變分析

基于NCEP再分析資料計算得出冷渦中心500和850 hPa低渦中心絕對渦度演變情況（圖3a），由500 hPa冷渦中心絕對渦度的變化可以看出16日08時冷渦中心絕對渦度值達到3.5×10-4s-1，之后開始減弱，但減弱階段渦度值出現(xiàn)了小幅振蕩，分別在17日02—14時、18日08—14時出現(xiàn)增強，兩階段強對流天氣均發(fā)生在500 hPa冷渦中心絕對渦度減弱的階段，第一階段強對流天氣的發(fā)生與500 hPa絕對渦度小幅振蕩對應，第二階段500 hPa絕對渦度值無升高趨勢。17日08時—19日08時700、850 hPa上的低渦及高空槽的位置與500 hPa基本重合，從虛線表示的850 hPa低渦中心絕對渦度的演變情況，可以看出高空冷渦生成后的12 h內850 hPa呈加強趨勢，中心絕對渦度高達4.4×10-4s-1，從16日20時開始緩慢減弱，但減弱階段渦度值出現(xiàn)小幅振蕩，分別在18日08—14時、19日02—08時出現(xiàn)增強，兩階段的強降水也分別集中出現(xiàn)在這兩段渦度增強的時間內。

冷渦從17日14時—19日處于減弱階段，第一階段高、低層均出現(xiàn)了絕對渦度的小幅振蕩，而第二階段僅在低層出現(xiàn)絕對渦度的小幅振蕩，說明隨著冷渦的減弱高層的作用逐漸減弱。兩個階段的強降水集中時段與低層絕對渦度增強在時間上有對應關系。

3 強對流天氣系統(tǒng)及物理機制

3.1 高、低空系統(tǒng)相互作用

兩個階段200 hPa高空急流均顯著偏南，強天氣落區(qū)位于東北冷渦東南部、500 hPa顯著氣流出口區(qū)的左側、850 hPa“人”字形切變暖區(qū)一側，且兩個階段均出現(xiàn)了低空急流擾動，850和925 hPa急流核區(qū)的最大風速出現(xiàn)了2～3次小幅度增加，850和925 hPa急流的最大風速分別高達20和15 m/s（圖3b），但低層系統(tǒng)配置有較大差異。第一階段，17日08時高、低層冷渦中心由低到高向西傾斜，500 hPa槽線位于850 hPa槽線西側，17—18日白天吉林省中西部存在850 hPa暖脊，在冷渦背景下，很容易形成上冷下暖的垂直結構，形成大范圍的靜力不穩(wěn)定區(qū)域，長春站ΔT850-500在26～28℃波動。850和925 hPa從渤海灣到東北南部形成偏南低空急流，強對流天氣主要出現(xiàn)在地面輻合線南側，500 hPa顯著氣流出口區(qū)左側。直徑5～10 mm的冰雹出現(xiàn)在吉林省西部地區(qū)的輻合線附近（圖4a），17日20時，低空急流加強北抬，急流核增強，急流出口區(qū)移至東北中部，925 hPa超低空急流和地面輻合線仍然存在。

圖3 高、低空低渦中心絕對渦度（a）和低空急流核區(qū)最大風速（b）

第二階段，高、低空冷性切變進一步東移，500和850 hPa低渦中心及冷切變線在地面的投影位置更為接近。切變線前部上冷下暖的垂直結構依然維持，但強度減弱，18日20時長春站的ΔT850-500迅速下降為25℃，850 hPa急流主體北抬，濕區(qū)范圍較第一階段明顯擴大。925 hPa仍然存在急流輻合，強降水出現(xiàn)在地面3 h顯著正變壓南側的超低空急流的輻合區(qū)里，直徑5～10 mm的冰雹出現(xiàn)在850 hPa急流核區(qū)附近，該區(qū)域0～3 km垂直風切變接近20 m/s，有利于有組織對流產(chǎn)生（圖4b）。

3.2 探空資料分析

分析17—19日強天氣發(fā)生前后的探空資料（表1），SI指數(shù)、CAPE值、θse的高、低層差值的變化表明大氣不穩(wěn)定度在持續(xù)下降，第一階段大氣不穩(wěn)定度明顯強于第二階段。K指數(shù)在19日08時之前一直＞30℃，分別在17日20時和18日20時出現(xiàn)35℃的峰值，第一階段K指數(shù)峰值和SI指數(shù)、CAPE值、θse的高低層差值等對流參數(shù)的峰值（或谷值）在時間上對應，第二階段低空急流北抬東進，低層暖濕平流增強是K指數(shù)再次升高、0～6 km和0～3 km垂直風切變出現(xiàn)突變性增大的主要原因。此外，K指數(shù)、CAPE值和θse的高低層差值均在兩個階段表現(xiàn)為先增長、后出現(xiàn)突變性下降的趨勢，說明在對流產(chǎn)生前兩個階段的環(huán)境大氣均出現(xiàn)了不同程度的不穩(wěn)定度的提高。17日08時CAPE值較低，而對流抑制能量又偏大，不利于對流發(fā)生，但17日低空急流發(fā)展，暖、濕輸送顯著，濕層增厚，午后地面氣溫升高，導致CAPE值增大，CIN減小，自由對流高度較低（LFC=0.7 km），相對容易觸發(fā)對流。吉林省業(yè)務運行WRF模式水平分辨率為3 km，時間分辨率為3 h，可輸出實況無法提供的中間時次的探空資料，從WRF模式預報的14時探空曲線可見，17日有CAPE值增大、CIN減小的趨勢，實況17日20時的探空資料顯示也符合該趨勢。18—19日冷渦進一步減弱，CAPE值有顯著日變化特征，與陳力強等[12]的研究結論一致。上述分析表明第一階段主要是高層干冷、低層暖濕的垂直結構配置為強對流發(fā)生發(fā)展提供了有利的層結條件，第二階段層結不穩(wěn)定環(huán)境主要和低空急流及其帶來的濕度變化有關。

表1 2016年6月17日08時—19日20時長春探空資料

吉林省有68.2%的冰雹天氣0℃層高度在2.2～4.1 km，-20℃層的高度在5.2～7.1 km，上述兩層的差值一般在3 km左右[17]。冷渦活動期間0℃層、-20℃層的高度均維持在較為適宜的高度，17和18日長春站上空0℃層高度為3.3～3.5 km，-20℃層高度在6.6～6.7 km，0～6 km垂直風切變都較小，最大不超過10 m/s。上述條件均有利于對流的發(fā)生，但垂直風切變始終在中等偏弱強度范圍內，不利于典型大冰雹的發(fā)生，第二階段低空急流北抬至吉林中部，中低層垂直風切變在18日20時突然增加，長春站垂直風切變由2 m/s增至14 m/s，中低層垂直風切變的增強為第二階段的強對流天氣提供了一定的動力條件，這是第二階段在層結不穩(wěn)定相對較弱的情況下依然出現(xiàn)了冰雹等對流天氣的原因之一。

（a為17日08時，b為18日20時）

合適的水汽條件是產(chǎn)生強對流天氣的條件之一，也是產(chǎn)生強降水的必要條件。在本次強對流維持期間，吉林省中低層絕對濕度條件較好，17—19日850 hPa比濕先增加后減小，持續(xù)維持在6～10 g/kg，18日的比濕最大，達到東北地區(qū)產(chǎn)生暴雨的比濕標準（10 g/kg）。同時地面露點溫度也維持在15～18℃，18日由于低空偏南急流產(chǎn)生的暖、濕平流，地面顯著增溫增濕，18日08時露點溫度高達20℃。

分析第一階段17日20時的T-ln P圖發(fā)現(xiàn)，相對濕度為80%以上的濕層厚度接近3 km，700 hPa附近存在干層，700 hPa以上的濕區(qū)對應大尺度層云，這種層結會減少降水過程中的蒸發(fā)作用，有利于提高降水效率（圖5a）。第一階段中后期，18日08時探空資料和大尺度環(huán)流分析發(fā)現(xiàn)中層有明顯的干冷空氣卷入，露點溫度廓線在600 hPa以上急劇減小，溫濕層結表現(xiàn)為“上干下濕”的“喇叭口”特征，相對濕度為80%以上的濕層主要位于900～850 hPa（圖5b），該特征與強對流天氣中要求濕層較薄、低空暖濕、中層干燥的理論一致[18-19]。19日08時盡管CAPE值明顯下降，但是濕層厚度再次增加至6 km左右，濕層厚度顯著高于第一階段，為第二階段強降水提供有利的水汽條件（圖5c）。

圖5 長春站T-ln P

4 強對流觸發(fā)機制及雷達回波特點

4.1 觸發(fā)條件分析

17日850 hPa低空急流東移發(fā)展，同時925 hPa超低空急流建立并發(fā)展，午后吉林省西部產(chǎn)生地面輻合線，觸發(fā)對流系統(tǒng)發(fā)展（圖6a）。18日11時地面風場顯示在西部地區(qū)有東北—西南向的輻合線，同時，內蒙古東部露點溫度＜12℃，而其東部同一緯度上的松原露點溫度為18℃，說明地面上還存在一定強度的露點鋒呈南北向分布，因此18日上午，地面輻合線和露點鋒共同抬升，產(chǎn)生強對流天氣，并且直徑5～10 mm的冰雹的分布與露點鋒走向一致（圖6c），由此可見雙重觸發(fā)機制有利于有組織對流的發(fā)展，進而有利于冰雹直徑的增長。進一步分析雷達組合反射率因子發(fā)現(xiàn)，冰雹發(fā)生在多單體線狀回波帶中，同時，線狀回波帶中還伴隨有強降水，溫度驟降與氣壓驟升，變壓梯度迅速增加，降水前后溫度差超過5℃（圖7a），對應多單體線狀回波帶的地面上產(chǎn)生陣風鋒（陣風鋒在C波段雷達屏顯上比較難于觀測，但實時區(qū)域站溫、壓、風等要素的變化量的分析恰好彌補了這方面的不足），陣風鋒不斷向東推進，移速很快，引發(fā)短時大風。陣風鋒除了產(chǎn)生較強的瞬時大風外，也觸發(fā)前沿對流系統(tǒng)的發(fā)展。18日17時以后中西部強降水基本結束，但是陣風鋒觸發(fā)的風雹天氣在中部地區(qū)繼續(xù)維持了1～2 h。

圖6 地面流場和露點溫度T d（藍線，單位：℃）

第二階段，18日夜間500 hPa低渦東移，對流天氣主要出現(xiàn)在吉林省東部山區(qū)。特殊地形的輻合與抬升促使上升運動增強[20]，吉林省地形呈東高西低的特點，中部地區(qū)為平原向山區(qū)過渡地帶，位于中部的四平站海拔為167.2 m；與四平相距約60 km的遼源海拔為254.4 m。分析18日23時四平到遼源一帶的中低層垂直剖面，近地層以南風為主，受地形摩擦作用，風速自西向東逐漸減小，850 hPa在125°E以西主要以偏西風為主，125°E以東偏西風分量減小，造成西風輻合，對應上升速度增強（圖7b）。19日早晨風速輻合逐漸轉變?yōu)槟媳毕蜉椇暇€（圖6b），05—08時中南部降水增強。對比分析兩個階段典型加密站逐時雨量分布發(fā)現(xiàn)，第一階段強降水一般由孤立的對流單體產(chǎn)生，雨強較大，降水效率較高（圖8a）；第二階段強降水的回波屬于混合類對流回波，降水由2～3個對流單體先后在邊界層地形作用下加強產(chǎn)生（圖8b）。結合上述分析可見第二階段除了低層輻合線的觸發(fā)作用外，地形抬升作用也為強降水提供有利的動力條件。

圖7 18日14時地面1 h變壓（a，等值線，單位：Pa）、變溫（a填色，單位：℃）和23時（b）沿43°N垂直剖面（黑色虛線為垂直速度，單位：Pa/s）

圖8 自動雨量站E1226（a）和E7006（b）逐時雨量變化

4.2 中尺度特征

第一階段前期輻合線觸發(fā)的對流一方面表現(xiàn)為降水回波分布不均勻，另一方面由于近地層的增溫增濕，雷達回波表現(xiàn)為低質心結構（質心低于5 km），雷達組合反射率因子強度也相對偏低（最大約為45 dBZ），強降水回波均伴有不同仰角的徑向速度輻合，因此降水效率較大。以農安萬順鄉(xiāng)為例，12 h降水量為70.1 mm，最大雨強（19—20時）為40.7 mm/h。同時受地面輻合線和露點鋒影響的區(qū)域冰雹的尺寸相對較大，回波特征也更為典型。例如洮南地區(qū)10：35產(chǎn)生冰雹天氣，長嶺站13時出現(xiàn)冰雹天氣，兩次冰雹對應的雷達回波反射率因子均＞50 dBZ，回波頂高＞9 km，另外長嶺站2.4°仰角回波顯示強回波對應氣旋性輻合。第一階段后期陣風鋒出現(xiàn)后，18日16時雙陽出現(xiàn)比較典型短時大風，回波呈線狀分布，1.5°仰角的徑向速度達15 m/s，甚至高層出現(xiàn)速度模糊。第二階段回波特征表現(xiàn)為片絮狀的混合型降水回波，與第一階段前期降水回波相似，但是鑲嵌在穩(wěn)定降水回波上的強回波單體比較多，在單站多次出較強降水。

5 結論和討論

（1）此次強對流天氣主要發(fā)生在冷渦減弱階段，根據(jù)東北冷渦強度的演變將此次過程分為兩個階段，第一階段，東北冷渦緩慢減弱，強降水伴隨相對密集的冰雹、雷暴大風出現(xiàn)在吉林省中西部，熱力條件強于第二階段，強降水主要出現(xiàn)在低空急流的出口和地面輻合線之間，降水效率高，雨強較強。5～10 mm直徑的冰雹分布在地面輻合線附近，并沿露點鋒南北向分布；第二階段，冷渦減弱為高空槽，強降水伴隨相對較弱的風雹天氣出現(xiàn)在吉林省中南部，水汽條件優(yōu)于第一階段。強降水以混合型為主，雨強小于第一階段，單站降水持續(xù)時間較長。

（2）T-ln P對流參數(shù)分析表明隨著冷渦的減弱，大氣不穩(wěn)定度也在持續(xù)下降，第一階段不穩(wěn)定度明顯強于第二階段，第一階段K指數(shù)峰值和SI指數(shù)、CAPE值、θse的高低層差值等對流參數(shù)峰值（或谷值）在時間上對應，高層干冷、低層暖濕條件的持續(xù)增長使環(huán)境場形成大范圍的靜力不穩(wěn)定區(qū)域和較低的自由對流高度有利于強降水，對流層中上層露點溫度急劇減小，形成上干下濕的垂直結構特征，有利于冰雹和雷暴大風的形成。第二階段低空急流北抬東進，低層暖濕平流增強是K指數(shù)再次升高、0～6和0～3 km垂直風切變出現(xiàn)突變性增大的主要原因。且垂直風切變的突變性增大是第二階段在層結不穩(wěn)定相對較弱的情況下依然出現(xiàn)了冰雹等對流天氣的原因之一。

（3）兩個階段的主要觸發(fā)條件均為低空急流和地面輻合線，第一階段，強對流天氣首先由低空急流和地面輻合線觸發(fā)，輻合線和露點鋒雙重觸發(fā)條件產(chǎn)生了直徑較大的冰雹，密集降雹和強降水引發(fā)地面氣溫驟降和氣壓驟升，誘發(fā)陣風鋒并觸發(fā)雷暴大風等強對流天氣；第二階段，925 hPa急流和輻合線再次為中南部強對流發(fā)展提供觸發(fā)條件，同時地形抬升為降水增幅提供了有利條件。

（4）本輪強對流天氣過程風雹災害嚴重，冰雹半徑不大，但降雹密度較大，對農業(yè)生產(chǎn)影響較大，該特征與特性層高度、厚度，垂直風切變等的關系有待進一步研究。

致謝：特別感謝吉林省氣象臺正高級工程師劉海峰臺長給予的指導和支持！