劉 娜 丑士連 姜世楠 蔡檸澤

（白山市氣象局，吉林 白山 134300）

1 引言

強(qiáng)對(duì)流天氣是伴隨短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣， 一方面給人民生產(chǎn)生活造成很大影響， 另一方面引起強(qiáng)對(duì)流天氣的中尺度系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展及演變機(jī)理復(fù)雜，預(yù)報(bào)預(yù)警難度大[1-4]。強(qiáng)對(duì)流天氣有效監(jiān)測(cè)手段為衛(wèi)星、雷達(dá)產(chǎn)品，特別是在0—2h 臨近預(yù)報(bào)過(guò)程中， 可以有效判斷強(qiáng)對(duì)流天氣類型和強(qiáng)度。 近年來(lái)我國(guó)學(xué)者凝練出很多東北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)指標(biāo)[5-8]，給出了強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中形勢(shì)場(chǎng)特征及物理量場(chǎng)指標(biāo)，并對(duì)衛(wèi)星云圖和雷達(dá)產(chǎn)品的預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)[9-13]給出定量分析。 楊雪艷等[14]凝練概況了吉林省短時(shí)強(qiáng)降雨天氣的中尺度特征及概念模型； 袁美英等[15]對(duì)東北地區(qū)一次短時(shí)大暴雨β 中尺度對(duì)流系統(tǒng)分析， 給出中尺度天氣系統(tǒng)特點(diǎn)及衛(wèi)星產(chǎn)品短時(shí)臨近預(yù)警指標(biāo)；丑士連等[16]、馬利柱等[17]對(duì)吉林省夏季強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行研究， 闡述降水形成是多尺度系統(tǒng)相互作用結(jié)果。 近年來(lái)吉林省強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)， 但極端短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)次數(shù)較少，且針對(duì)極端短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)暴雨的形成特征、與地形的關(guān)系及預(yù)警指標(biāo)凝練研究較少， 如何準(zhǔn)確及時(shí)識(shí)別短時(shí)強(qiáng)降水天氣，及早發(fā)布預(yù)報(bào)預(yù)警，發(fā)揮防災(zāi)減災(zāi)第一道防線作用極為重要。

2 天氣實(shí)況及災(zāi)情

2020 年7 月5 日08 時(shí)—6 日08 時(shí)， 吉林省四平市和松原市出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣， 最大降水量出現(xiàn)在松原市長(zhǎng)嶺縣糧窩村，為259.2mm（圖1a）。由自動(dòng)站逐小時(shí)資料可以看出，5 日14—17 時(shí)連續(xù)3 小時(shí)糧窩村降水量分別為97.5mm、79.2mm、69.9mm （圖1b）。 本次降水以對(duì)流性降水為主，局地性強(qiáng)，降水梯度大，降水時(shí)段集中在午后，短時(shí)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。 罕見(jiàn)的強(qiáng)對(duì)流致災(zāi)短時(shí)暴雨造成當(dāng)?shù)厥転?zāi)人口21 371 人， 農(nóng)作物受災(zāi)面積7 586hm2，一般損壞房屋及進(jìn)水166 戶496間，倒塌房屋17 戶49 間，轉(zhuǎn)移人口291 人。本文針對(duì)此次極端短時(shí)強(qiáng)降雨天氣過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，給出如此罕見(jiàn)的強(qiáng)對(duì)流致災(zāi)短時(shí)暴雨出現(xiàn)的環(huán)境背景和預(yù)報(bào)指標(biāo)，為進(jìn)一步做好衛(wèi)星資料和新一代天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警強(qiáng)對(duì)流天氣提供有利技術(shù)支撐。

圖1 2020 年7 月5 日08 時(shí)-6 日08 時(shí)吉林省降水實(shí)況（a）及7 月5 日長(zhǎng)嶺縣糧窩村逐小時(shí)降水量（b，單位：mm）

3 環(huán)流背景場(chǎng)特征分析

3.1 資料和方法

資料包括2020 年7 月5—6 日降水資料、雷達(dá)資料、ERA5 再分析資料，應(yīng)用天氣學(xué)診斷分析方法和中尺度診斷分析方法，對(duì)2020 年7 月5 日吉林省松原市長(zhǎng)嶺縣一例罕見(jiàn)的極端短時(shí)暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析。

3.2 天氣尺度環(huán)境場(chǎng)分析

2020 年7 月5 日14 時(shí)110°E—130°E，40°N—45°N 附近500hPa 為西風(fēng)槽控制，槽前均為疏散形勢(shì)，且溫度槽落后于高度槽，槽內(nèi)有冷平流和正的熱成風(fēng)渦度平流，使槽得到發(fā)展。120°E，45°N附近西風(fēng)槽前，對(duì)應(yīng)850hPa 西南風(fēng)急流，西南急流一方面提供源源不斷的水汽和潛熱能。 同時(shí)低層急流頭部風(fēng)向、 風(fēng)速輻合和與西北風(fēng)構(gòu)成的冷式切變線為降水提供較好的動(dòng)力抬升機(jī)制。 從海平面氣壓場(chǎng)與925hPa 風(fēng)場(chǎng)疊加可以看出，吉林省松原地區(qū)西部為地面氣旋， 該氣旋在低空引導(dǎo)氣流作用下向東北移動(dòng)，從而影響長(zhǎng)嶺地區(qū)。同時(shí)從925hPa 風(fēng)場(chǎng)還可以看出，在長(zhǎng)嶺地區(qū)存在超低空中尺度急流， 超低空急流為短時(shí)暴雨提供了充足的水汽， 同時(shí)建立和維持著超低空對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)， 也是超低空天氣尺度上升氣流的建立者和對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)者[18]。

3.3 物理量場(chǎng)特征分析

從7 月5 日14 時(shí)850hPa 比濕和水汽通量散度場(chǎng)（圖2a）可以看出，松原地區(qū)處于850hPa 西南急流頭部風(fēng)速輻合區(qū)域，比濕超過(guò)10g/kg，且隨著西南急流輸送，源源不斷地將渤海、黃海水汽輸送到強(qiáng)降水區(qū)域；從水汽通量散度也可以看出，在松原地區(qū)南部長(zhǎng)嶺縣有明顯強(qiáng)的水汽通量輻合中心， 源源不斷的水汽輸送和輻合為降水提供了較好的水汽條件。 從Ki 指數(shù)和850hPa 假相當(dāng)位溫來(lái)看，7 月5 日14 時(shí)降水前期，Ki 指數(shù)達(dá)到36℃，呈帶狀分布，36℃高能量舌等值線頭部伸向松原地區(qū)南部，與假相當(dāng)位溫高能舌吻合（圖2b），強(qiáng)降水區(qū)發(fā)生在高能舌梯度大值區(qū)北側(cè)， 與高層500hPa 槽后冷平流疊加， 形成上干冷下暖濕結(jié)構(gòu)，有利于不穩(wěn)定層結(jié)建立，對(duì)高效率降水產(chǎn)生提供了較好的能量和不穩(wěn)定條件。

圖2 2020 年7 月5 日14 時(shí)850hPa 比濕（a，等值線，單位：g/kg）、水汽通量散度（a，陰影，單位：10-6g/cm2·hPa·s）和2020 年7 月5 日14 時(shí)Ki 指數(shù)（b，等值線，單位：℃）、850hPa 假相當(dāng)位溫（b，陰影，單位：℃）

從2020 年7 月5 日14 時(shí)700hPa 垂直速度（圖3a）、850hPa 風(fēng)場(chǎng)和比濕可以看出， 西南急流一方面將水汽從渤海、 黃海區(qū)域源源不斷地輸送到降水區(qū)，為降水提供較好的水汽輸送，另一方面急流頭部輻合區(qū)處于松原南部，配合700hPa 強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心，為降水提供了較好的動(dòng)力抬升機(jī)制。

綜上，結(jié)合7 月5 日14 時(shí)中尺度分析常規(guī)觀測(cè)資料顯示（圖3b），本次降水過(guò)程500hPa 槽線與700hPa 槽線基本重合， 位于吉林省中西部地區(qū)，系統(tǒng)比較深厚。 500hPa 槽后有冷空氣補(bǔ)充，下暖上冷， 同時(shí)500hPa 干區(qū)與低層850hPa 濕區(qū)疊加，長(zhǎng)嶺縣850hPa 比濕達(dá)12g/kg，絕對(duì)水汽含量充足。同時(shí)低空和超低空急流建立，有利于于水汽向降水區(qū)輸送，局地水汽和水汽輸送充足。上干冷下暖濕使得大氣層結(jié)不穩(wěn)定度加強(qiáng)， 有利于短時(shí)強(qiáng)降水的產(chǎn)生。 850hPa 急流和切變線在強(qiáng)降水前期有建立和加強(qiáng)的過(guò)程， 其中急流左側(cè)風(fēng)速輻合區(qū)和切變線右側(cè)風(fēng)向輻合區(qū)位于長(zhǎng)嶺縣上空，一方面為降水提供較好的動(dòng)力抬升條件， 另一方面有利于水汽和能量的累積， 是低層大氣不穩(wěn)定層結(jié)的建立、加強(qiáng)及不穩(wěn)定能量的觸發(fā)者。

圖3 2020 年7 月5 日14 時(shí)700hPa 垂直速度（a，陰影，單位：10-2Pa/s）、850hPa 風(fēng)場(chǎng)（a，風(fēng)向桿，單位：m/s）、850hPa 比濕（a，等值線，單位：g/kg）及2020 年7 月5 日14 時(shí)中尺度分析（b，棕色線為700hPa 和500hPa 槽線；藍(lán)色箭頭為500hPa 槽后冷空氣；黃色鋸齒線為500hPa 干區(qū)；綠色鋸齒線為850hPa 濕區(qū)；紅色雙實(shí)線為850hPa 切變線；黑色點(diǎn)畫(huà)線為地面輻合線；黃色虛線為T(mén)850-500 溫度差值線；陰影為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生區(qū)）

3.4 大氣層結(jié)特征分析

此次強(qiáng)降水過(guò)程探空曲線對(duì)流參數(shù)上有很好的指示意義。 首先從2020 年7 月5 日08 時(shí)長(zhǎng)嶺縣重構(gòu)探空曲線對(duì)流參數(shù)來(lái)看，ki 指數(shù)34℃；TT總指數(shù)45℃；SI 指數(shù)-1℃；LI 指數(shù)-3℃；CAPE 對(duì)流有效位能為1 449J/kg；CIN 對(duì)流抑制能為5J/kg；低層偏東風(fēng)2m/s；高層偏西風(fēng)3m/s 左右；0—6km整層垂直風(fēng)切變較小， 在8.2m/s；Td 為20.4℃，大氣絕對(duì)含水量高；地面溫度露點(diǎn)差小于3℃，可初步判斷08 時(shí)水汽較充沛。14 時(shí)ki 指數(shù)升至36℃；TT 總指數(shù)升至47℃；CAPE 對(duì)流有效位能增加至2 103J/kg；CIN 對(duì)流抑制為10J/kg， 整層垂直風(fēng)切變?nèi)暂^?。籗I 指數(shù)-2℃，LI 指數(shù)-5℃， 大氣對(duì)流不穩(wěn)定性較08 時(shí)明顯加強(qiáng)； 自由對(duì)流高度（PLFC）和抬升凝結(jié)高度（PLCL）08—14 時(shí)均有所下降，特別是抬升凝結(jié)高度下降至0℃高度以下，暖云層厚度增厚；0—6km 垂直風(fēng)切變有所加強(qiáng)，為11.4m/s的中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變。 綜上大氣層結(jié)有利于低質(zhì)心高效率的降水產(chǎn)生。

4 衛(wèi)星雷達(dá)產(chǎn)品特征分析

4.1 中尺度云團(tuán)特征

有利的大尺度環(huán)流背景下， 長(zhǎng)嶺縣中尺度系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)展， 對(duì)FY-2H 紅外云圖云頂亮溫TBB變化分析， 可推斷出強(qiáng)降水區(qū)域主要受中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）影響，其中15—17 時(shí)為中-β 尺度MCS 發(fā)展最旺盛階段。 云團(tuán)在有利環(huán)境中生成—加強(qiáng)—維持—減弱。 14 時(shí)為初生階段，850hPa 風(fēng)場(chǎng)處于低空急流輻合頭部，切變線左側(cè)，此處上冷下暖大氣層結(jié)不穩(wěn)定，低層輻合抬升作用，有利于對(duì)流云團(tuán)發(fā)展，云頂TBBmin 為-44℃，小于-32℃區(qū)域范圍884km2，圓形度為0.86（圖4a）。14 時(shí)30分云頂TBBmin 增加到-56℃，小于-32℃區(qū)域范圍擴(kuò)大到1.2×104km2，圓形度減小到0.45。15 時(shí)長(zhǎng)嶺上空的MCS 識(shí)別消失，但云體還在，范圍再次增大，云頂TBBmin 增加到-60℃（圖4b），其主要原因是該發(fā)展的云團(tuán)與在遼寧省北部中-α 的MCS合并，成為該MCS 的頭部，TBB 等值線密集加大，即TBB 梯度增強(qiáng)。 同時(shí)從地面風(fēng)場(chǎng)可以看出，此時(shí)在強(qiáng)降水地區(qū)存在明顯地面中尺度輻合中心，輻合線內(nèi)存儲(chǔ)大量水汽和能量， 同時(shí)輻合線附近上升運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)， 此時(shí)強(qiáng)短歷時(shí)降水已經(jīng)開(kāi)始。16 時(shí)中低層風(fēng)場(chǎng)依舊維持西南風(fēng)急流， 中-α 的MCS 仍然維持， 長(zhǎng)嶺站上空的TBBmin 達(dá)到此次降水的最強(qiáng)階段，-60℃區(qū)域范圍擴(kuò)大， 中心最小值為-63℃，TBB 梯度持續(xù)增強(qiáng)， 小時(shí)降水量較大（圖4c）。 隨著降水能量的進(jìn)一步釋放，地面中尺度輻合中心消失，17 時(shí)長(zhǎng)嶺站上空的云團(tuán)范圍略有減小， 小于-60℃中心區(qū)域消失，TBB 梯度減小（圖4d）。18 時(shí)隨著系統(tǒng)東北移動(dòng)，強(qiáng)度減弱，降水轉(zhuǎn)為層狀云降水。 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，14—16 時(shí)是TBB 強(qiáng)度增大、 梯度增強(qiáng)的過(guò)程， 產(chǎn)生了短時(shí)暴雨。 16—17 時(shí)，是TBB 強(qiáng)度減小、梯度減小的過(guò)程， 也產(chǎn)生了短時(shí)暴雨， 且短時(shí)暴雨都位于TBB等值線密集區(qū)靠近偏暖區(qū)一側(cè)。 此次短時(shí)暴雨發(fā)生在對(duì)流云團(tuán)發(fā)展和減弱過(guò)程中，特別是TBBmin值快速降低對(duì)降水強(qiáng)度減弱有一定指示意義。

圖4 2020 年7 月5 日14 時(shí)（a）、15 時(shí)（b）、16 時(shí)（c）17 時(shí)（d）對(duì)流云團(tuán)演變過(guò)程（單位：℃）

4.2 雷達(dá)產(chǎn)品特征

從2020 年7 月5 日14:09—15:14 松原雷達(dá)0.5°仰角平均徑向速度產(chǎn)品（圖5a、圖5b、圖5c）可以看出， 長(zhǎng)嶺縣北側(cè)強(qiáng)降水區(qū)域前期低層為西南風(fēng)負(fù)速度區(qū)域，風(fēng)速較小。 至14:56 沿雷達(dá)徑向方向有一對(duì)正負(fù)速度對(duì)， 正負(fù)速度輻合強(qiáng)度在15m/s，表示低層存在明顯風(fēng)場(chǎng)輻合。 15:14 正負(fù)速度中心值加大， 輻合強(qiáng)度加強(qiáng)達(dá)15～20m/s。 在2.4°、3.4°仰角（圖5d、圖5e）也同樣存在兩個(gè)正負(fù)速度輻合對(duì)。 6.0°仰角（圖5f）徑向速度轉(zhuǎn)為輻散場(chǎng)。 由于強(qiáng)降水區(qū)域處于雷達(dá)90～120km 距離圈內(nèi)， 遠(yuǎn)距離觀測(cè)有如此強(qiáng)的低層輻合和高層輻散說(shuō)明此系統(tǒng)發(fā)展深厚， 與前面分析地面風(fēng)場(chǎng)低層存在明顯中尺度輻合中心一致， 對(duì)應(yīng)雷達(dá)速度場(chǎng)在強(qiáng)降水區(qū)有強(qiáng)中-γ 尺度的中尺度輻合系統(tǒng)，為強(qiáng)降水維持、發(fā)展提供了較好的動(dòng)力抬升機(jī)制。

圖5 2020 年7 月5 日松原雷達(dá)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）徑向速度產(chǎn)品（單位：m/s）

與低層速度場(chǎng)同時(shí)次的雷達(dá)反射率因子也有很好的預(yù)報(bào)預(yù)警指示意義。 從7 月5 日14:09—15:14，0.5°仰角（圖6a、圖6b、圖6c）雷達(dá)反射率因子產(chǎn)品分析可以看出， 配合速度輻合場(chǎng)，14:09 強(qiáng)降水區(qū)有分散的對(duì)流回波生成，隨著速度場(chǎng)輻合加強(qiáng)， 至15:14 反射率因子回波強(qiáng)度由前期的30dBz 增長(zhǎng)至50dBz。 結(jié)合15:14 的CR 產(chǎn)品（圖6d）可以看出，最強(qiáng)反射率因子達(dá)55dBz，回波有3 個(gè)明顯的強(qiáng)中心。 此次強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴表現(xiàn)為典型中尺度多單體對(duì)流回波特征， 回波在有利的大尺度環(huán)境背景下， 配合前文所提的中尺度輻合線和輻合中心，為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生、發(fā)展提供了有利的背景條件。 充沛的水汽和較強(qiáng)的動(dòng)力抬升機(jī)制，結(jié)合中尺度不穩(wěn)定條件和觸發(fā)條件，長(zhǎng)嶺縣東部強(qiáng)降水區(qū)域內(nèi)強(qiáng)降水回波不斷新陳代謝，16:24 （圖6e）、17:14（圖6f）雷達(dá)CR 產(chǎn)品反射率因子回波平均強(qiáng)度在50～55dBz，最強(qiáng)回波達(dá)到65dBz。結(jié)合強(qiáng)降水時(shí)段風(fēng)暴單體追蹤信息（STI）產(chǎn)品分析，強(qiáng)降水區(qū)單體風(fēng)暴最大反射率因子和單體質(zhì)心高度接近4.5km，VIL 垂直累積液態(tài)水含量在15～20kg/m2，降雹概率較低，以短時(shí)強(qiáng)降雨為主。在有利的中尺度環(huán)境系統(tǒng)下， 強(qiáng)降水回波持續(xù)影響3h 左右，造成該區(qū)域內(nèi)罕見(jiàn)短時(shí)暴雨天氣。

圖6 2020 年7 月5 日松原雷達(dá)0.5°仰角14:09（a）、14:56（b）、15:14（c）雷達(dá)反射率因子及15:14（d）、16:24（e）、17:14（f）雷達(dá)CR 產(chǎn)品（單位：dBz）

5 結(jié)語(yǔ)

（1） 此次極端短時(shí)暴雨天氣過(guò)程發(fā)生在吉林省中西部中高緯度西風(fēng)槽前， 地面位于低壓前部暖區(qū)內(nèi)，中低空存在中尺度急流、超低空急流和切變線， 不僅為強(qiáng)降水提供了較好的水汽、 能量條件，還提供了較好的動(dòng)力抬升觸發(fā)機(jī)制。地面存在中尺度輻合線和輻合中心， 有利于不穩(wěn)定能量的集聚和觸發(fā)， 在高溫高濕環(huán)境條件有利的大尺度環(huán)境背景下， 中小尺度系統(tǒng)在強(qiáng)降水區(qū)不斷強(qiáng)烈發(fā)展造成了本次極端天氣。

（2） 此次極端強(qiáng)降水天氣ki 指數(shù)達(dá)到36℃，TT 總指數(shù)為47℃，CAPE 對(duì)流有效位能為2 103J/kg，Si 為-2℃，Li 為-5℃，同時(shí)整層垂直風(fēng)切變小，且濕層深厚，強(qiáng)降水期間大氣高溫高濕高能，大氣層結(jié)極其不穩(wěn)定性，為短時(shí)暴雨提供了充沛不穩(wěn)定能量。

（3）衛(wèi)星云圖上對(duì)本次降水有較好的指示，分析高分辨率FY-2H 紅外云圖云頂亮溫TBB 變化發(fā)現(xiàn)， 中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS 形成于850hPa 暖濕氣流頂部潮濕不穩(wěn)定環(huán)境中， 低層暖濕平流與高層干冷平流疊加有利于其生產(chǎn)和發(fā)展加強(qiáng)。 TBB強(qiáng)度增大、TBB 梯度增強(qiáng)的過(guò)程， 產(chǎn)生了強(qiáng)降水，短時(shí)暴雨區(qū)域出現(xiàn)在TBB 等值線密集區(qū)靠近偏暖區(qū)一側(cè)，此處不斷有西南風(fēng)暖濕氣流補(bǔ)充，有利于云團(tuán)維持和發(fā)展。 此次短時(shí)暴雨發(fā)生在對(duì)流云團(tuán)發(fā)展和減弱過(guò)程中， 特別是TBBmin 值快速降低對(duì)降水強(qiáng)度減弱有一定指示意義。

（4） 地面中尺度環(huán)流場(chǎng)與雷達(dá)平均速度場(chǎng)均反映， 強(qiáng)降水區(qū)域內(nèi)存在強(qiáng)的低層輻合和高層輻散，即強(qiáng)的中-γ 尺度的輻合系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)展深厚，為強(qiáng)降水維持、發(fā)展提供了較好的動(dòng)力抬升機(jī)制，是本次強(qiáng)降水產(chǎn)生的直接原因。 此次強(qiáng)降水回波為低質(zhì)心、高效率的大陸型強(qiáng)對(duì)流降水回波，超過(guò)50dBz 回波高度在4.5km 左右， 高效率的大陸型強(qiáng)對(duì)流降水回波在有利的大尺度環(huán)境條件下不斷新陳代謝，對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警有一定指示意義。