26期（xin）

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羿闵
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1 中国农学通报 2014,30(26): Chinese Agricultural Science Bulletin 呼伦贝尔市一次短时强降水特征分析常煜, 刘勇 ( 内蒙古呼伦贝尔市气象局, 内蒙古呼伦贝尔 ) 摘要 : 为了研究呼伦贝尔市短时强降水特征, 防范短时强降水引发的洪涝灾害对农业产生的影响, 利用地面逐时加密观测资料 NCEP 再分析资料和卫星云图资料, 对 2009 年 7 月 12 日呼伦贝尔市出现局地短时强降水天气成因进行分析结果表明 : 前倾槽结构为此次短时强降水提供了非常有利的大尺度环境短时强降水发生在低层暖湿切变线辐合区与高空弱脊辐散区相叠置区域,MCC 发展阶段的入流边界短时强降水落区具有低层高温高湿强对流不稳定层结, 强的垂直风切变, 强烈上升运动, 并伴有螺旋度正值区的特征, 中高层干冷空气入侵触发了不稳定能量释放, 产生此次短时强降水天气关键词 : 局地短历时强降水 ; 前倾槽 ;MCC 中图分类号 :P458 文献标志码 :A 论文编号 : Analysis of A Severe Short-term Precipitation in Hulun Buir City Chang Yu, Liu Yong (Hulun Buir Meterological Bureau, Hulun Buir Inner Mongolia ) Abstract: In order to study the characteristics of severe short-term precipitation in Hunlun Buir and to guard against the impact on agriculture from flood disasters caused by severe short- term precipitation, using automatic meteorogical observing data, NCEP reanalysis data and satellite images, the causes of a severe shortterm precipitation occurred in Hulun Buir on 12 July 2009 were preliminarily studied. The results showed that: upper forward trough provided favorable large scale condition for the severe short- term precipitation, it occurred on coincidence area between the convergence by warm shear line in low level and the divergence by weak ridge in high level, appeared inflow boundary of the development stage of MCC. The atmosphere feature of the severe short- term precipitation exhibited strong convective instability of higher humidity and higher temperature in low level, strengthen vertical wind shear, ascending motion and positive helicity. The convective instability was released by the invasion of dry air in the middle troposphere, that caused the severe short-term precipitation. Key words: severe short-term precipitation; upper forward trough; MCC 0 引言很多研究表明 : 强对流天气发生发展与大气水汽条件不稳定性抬升力条件和垂直风切变强度等密切相关在实际预报中, 由于强对流天气的复杂性, 其预 [1] 报准确性往往不尽人意有专家结论得出 : 产生大范围或区域性的短时强降水是在天气图上一般都能分析出明显的影响系统 ; 小范围短时强降水的天气系统缺乏一致性, 预报难度较大 ; 而局地性强降水在天气图上没有明显的天气系统, 预报难度最大尽管国内外在这方面的研究已经有了大量的成果, 可是强对流天气的发生因不同地理位置天气系统和地形等都可能 [2-5] 有很大的差异, 研究还表明, 在有利的大尺度环境背景形势下, 中小尺度系统的生成是短时强降水产生的 [6-8] 原因基金项目 : 内蒙古自治区气象局科技创新项目呼伦贝尔市短时临近预报平台 (nmqxkjcx201202); 内蒙古专家型暴雨团队 ; 内蒙古山洪地质灾害防治气象保障工程预报预警业务系统建设强对流天气历史个例库建设研究第一作者简介 : 常煜, 女,1974 年出生, 辽宁海城人, 高级工程师, 硕士, 研究方向 : 强对流通信地址 : 内蒙古呼伦贝尔市气象局,Tel: , changyu0258@163.com 收稿日期 : , 修回日期 :

了非常有利的大尺度环境短时强降水发生在低层暖湿切变线辐合区与高空弱脊辐散区相叠置区域,MCC 发展阶段的入流边界短时强降水落区具有低层高温高湿强对流不稳定层结, 强的垂直风切变, 强烈上升运动, 并伴有螺旋度正值区

2 220 中国农学通报呼伦贝尔市位于中国纬度最北地区, 内蒙古东北部, 面积约 25 万 km 2 夏季, 短时强降水冰雹雷电等强对流天气时有发生, 由于强对流天气空间尺度小生命史短突发性强破坏力大预报难度大等特点, 对当地人民生命财产常造成威胁在众多文献中, 有关呼伦贝尔市短时强降水等强对流天气的发生规律和特征指标等研究并不多见, 因此本研究对发生在呼伦贝尔市 2009 年 7 月 12 日一次致灾的局地短历时强降水天气过程, 利用 NCEP 再分析资料卫星云图资料进行分析和总结, 以期为当地短时强降水产生的物理成因提供参考, 为当地防灾减灾提供科学依据 1 资料来源本研究降水量分析来自呼伦贝尔市 105 个自动雨量站资料 ; 环流形势和物理量场分析利用 NCEP 2.5 [9] 2.5 逐日 4 个时次再分析资料 ; 局地短时强降水定义 : 1 h 降水量不小于 20 mm, 强降水历时不超过 6 h, 过程总降水量不小于 50 mm, 强降水出现范围不超过 100 km ( 中尺度 ) 2 雨情与灾情 2009 年 7 月 11 日 20 时 12 日 20 时呼伦贝尔市出现局地暴雨天气, 此次暴雨天气具有局地性强降水强度集中并且强度大的特点, 暴雨落区在东南部的辉索木站和东北部的阿里河站 ( 见图 1a),24 h 降水量分别为 mm 2 个站的逐小时雨量时间分布可见 ( 见图 1b), 暴雨是由降水量出现时间相对集中短时强降水完成, 阿里河 (12 13 时 ) 和辉索木 (18 19 时 )1 h 降雨量分别为 mm 由于阿里河地区地形特殊泄洪能力薄弱, 造成局地洪灾, 据初步统计, 此次受灾 1100 户,3850 人, 水损房屋 200 户 600 间, 农作物受灾 127 hm 2, 共计经济损失万元阿里河辉索木降水量时间时 (a) 降水量 (b) 逐小时降水实况图年 7 月 11 日 20 时 12 日 20 时降水量和逐小时降水实况 3 高低空环流形势暴雨发生前期中高纬度上空 500 hpa 环流经向型, 中西伯利亚有阻塞高压建立, 贝加尔湖有切断低涡形成, 西风带上不断分裂出小槽东移发展 2009 年 7 月 12 日 8 时分裂的小槽在华北形成西北 - 东南向低槽 ( 见图 2a), 配合正涡度平流, 呼伦贝尔市受低槽前部高压脊控制 850 hpa 在低槽槽线以西约 1 个经度形成 1 个闭合低涡 ( 见图 2b), 中心值达 1380 gpm, 低涡东北象限存在偏南风和偏东风形成的暖湿切变线, 短时强降水落区位于切变线偏南约 1 个纬度从 850 hpa 风场可见, 低涡东侧有 1 支由渤海伸向内陆东南风速带, 向东北地区输送丰富水汽和大量不稳定能量海平面气压场配合 850 hpa 低涡有 1 个气旋形成 ( 见图 2c), 暴雨落区位于气旋暖锋南部分析可见, 高低空系统相互配置构成前倾槽结构, 低层暖湿切变线辐合区与高空脊区辐散配置, 为短历时强降水的发生提供了有利的大尺度环流背景条件另外,8 时地面流场和地形的叠加可见 ( 见图 2d), 阿里河站位于大兴安岭山脉与东南暖湿气流正交的山脉迎风坡, 在大兴安岭山脉地形外力强迫抬升作用下, 使得暖区中的不稳定能量得以释放, 使局地对流云团强烈发展, 对阿里河站局地短时强降水天气起到了重要作用 4 卫星云图从红外云图演变可见, 冷锋云系发展北上的同时, 其上不断有对流单体生成, 此次短时强降水过程由发展迅速的中尺度对流复合体 MCC 产生的 ( 图略 ) 7 月 12 日 12 时 ( 见图 3a) 在呼伦贝尔市上空分布零散的

在众多文献中, 有关呼伦贝尔市短时强降水等强对流天气的发生规律和特征指标等研究并不多见, 因此本研究对发生在呼伦贝尔市 2009 年 7 月 12 日一次致灾的局地短历时强降水天气过程, 利用 NCEP 2.5 2.

3 常煜等 : 呼伦贝尔市一次短时强降水特征分析 221 (a)500 hpa 等高线正相对涡度槽线和 200 hpa 高空急流 (b)850 hpa 等高线和风场, 切变线 (c) 海平面气压场 (d) 地面流场和地形高度图年 7 月 12 日 8 时 500 hpa 等高线 ( 实线, 单位 :gpm) 正相对涡度 ( 虚线, 单位 :10-5 s -1 ) 槽线 ( 单实线 ) 和 200 hpa 高空急流 ( 阴影区, 风速 30 m/s);850 hpa 等高线和风场, 切变线 ( 双实线 ); 海平面气压场 ( 单位 :hpa); 地面流场和地形高度 ( 等值线 ) 暖锋云团, 阿里河镇上空没有明显降水云系, 但到了 12:30( 见图 3b) 在阿里河站上空偏南地区有 2 个对流云团快速发展,13 时对流云团合并向北移动 ( 见图 3c), 强度增强, 面积增大, 在原地迅速发展, 云顶温度达到 -83 摄氏度, 演变为 MCC, 阿里河站位于 MCC 偏北与冷空气交汇一侧,13 时以后对流云团范围迅速扩大东北移动, 短时强降水强度迅速减弱 ( 图略 ) 18 时 ( 见图 3d), 辉索木站短时强降水落区上空偏北一侧 MCC 原地迅速发展,18:30, 发展的 MCC 与南面的强对流云团合并,19 时合并的 MCC 加强范围增大, 产生短时强降水天气分析可见, 短时强降水落区与 MCC 位置并没有重合, 而是位于 MCC 中尺度对流复合体偏南干冷气流的入流边界, 并且短时强降水均出现在 MCC 发展初始阶段,MCC 发展成熟面积扩大短时强降水结束, 与专家研究指出的最强降水出现在 MCC 云 [8] 团边缘有相似之处另外, 短时强降水的直接制造 [2] 者 MCC 位于槽前部高压脊中, 与专家指出的中尺度对流复合体常与对流层中层 500 hpa 长波脊的活动具有密不可分的关系, 基本上都产生在对流层长波脊的脊线附近, 具有明显的反气旋曲率基本相一致 5 短时强降水发生的条件 5.1 水汽条件暴雨的发生不仅决定于水汽的通过能力 ( 水汽通量 ), 而且决定于水汽的集中能力 ( 水汽通量散度 ) [10-12] 7 月 12 日 14 时 ( 见图 4a) 和 20 时 ( 见图 4b), 水汽通量大值区沿副热带高压外围由中国沿海附近海面沿渤海日本海源源不断向东北输送, 为暴雨的发生提供了大量的水汽来源, 但是通过分析水汽通量散度发现, 此次暴雨过程中水汽通量散度都为正值区, 短时强降水产生并没伴有明显的水汽辐合, 这可能是此次过程仅产生局地暴雨, 而未产生大范围暴雨原因所在

云团, 阿里河镇上空没有明显降水云系, 但到了 12:30( 见图 3b) 在阿里河站上空偏南地区有 2 个对流云团快速发展,13 时对流云团合并向北移动 ( 见图 3c), 强度增强, 面积增大, 在原地迅速发展, 云顶温度达到 -83 摄氏度, 演变为

4 222 中国农学通报 (a)12:00 (b)12:30 (c)13:00 (d)18:00 (e)18:30 (f)19:00 图年 7 月 12 日 FY-2C 红外云图 (a)14 时 (b)20 时图年 7 月 19 日 850 hpa 水汽通量 ( 箭头 ) 和水汽通量散度 ( 浅色阴影, 小于 g/(s hpa cm 2 )) 5.2 不稳定条件由于强对流天气发生的地点距离呼伦贝尔市探空站较远, 并且附近没有探空测站因此, 缺少 Tlog 资料, 在此利用 NCEP 资料对不稳定条件进行分析为了进一步分析暴雨发生时的短历时强降水特征, 分别在短历时强降水发生阿里河站 14 时沿 114 E ( 见图 5a) 和辉索木站 20 时沿 119 E( 见图 5b) 进行剖面分析结果表明, 短时强降水共同特征是 800 hpa 以下假相当位温在为不稳定区, 并存在比湿大于 8 k/kg 的湿区, 低层具有高温高湿的特征 500~800 hpa 基本上为中性层结, 强对流发生落区上升运动发展强烈, 上升速度达到 200 hpa, 对对流活动的发展非常有利风场也可看出 :14 时和 20 时强对流发生落区共同特征是在对流层低层都存在明显的风切变,900 hpa 以下为偏东或东南风, 为 6~8 m/s,850~500 hpa 为西南风, 为 2~4 m/s, 对流层低层风速明显大于对流层高层, 垂直风切变的增强有利于对流天气的发生和激发局地对流单体的生成不同点是 : 冷空气入侵的高度不同, 14 时在强对流落区上空 500~400 hpa 风向随高度逆转, 而 20 时在强对流落区上空 400~300 hpa 风向随高度逆转, 并都对应下凹的假相当位温等值线, 说明入侵阿里河站上空的冷空气出现在对流层中层, 而辉索木站上空的冷空气是由对流层中高层入侵的短时强降水上空的强垂直风切变, 有利于激发 MCC 对流云团迅

5 常煜等 : 呼伦贝尔市一次短时强降水特征分析 223 (a)14 时沿 124 E 剖面 ( 三角形代表阿里河站 ) (b)20 时沿 119 E 剖面 ( 三角形代表辉索木站 ) 图年 7 月 12 日垂直剖面, 假相当位温 ( 实线, 单位 :K) 比湿 ( 虚线, 单位 :g/kg) 负垂直速度 ( 浅色阴影, 单位 :hpa/s) 和风场 ( 单位 :m/s), 黑色阴影代表地形速形成和发展, 在高空干冷空气和低空暖湿空气的共同作用下触发了对流不稳定 5.3 动力抬升机制 14 时 ( 见图 6a), 在强对流落区涡度由对流层低层到高层均为正值, 并且发展高度较高, 上升高度达到 200 hpa, 散度 500 hpa 以下对应负散度区, 略向南偏, 中心值达到 /s,500 hpa 以上为正散度, 中心值明显大于负散度值, 可见短时强降水落区上空高层抽吸作用强烈 20 时 ( 见图 6b), 短时强对流落区上空存在正涡度大值区, 对应散度场, 低层散度均为正值, 高层为负值区分析可见, 短时强降水天气落区都存在低层辐合, 高层辐散, 有强烈的上升运动条件, 对于对 (a)14 时沿 124 E 剖面 ( 三角形代表阿里河站 ) (b)20 时沿 119 E 剖面 ( 三角形代表辉索木站 ) 图年 7 月 12 日垂直剖面散度 ( 实线, 单位 :10-5 s -1 ) 和涡度 ( 虚线, 单位 :10-5 s -1 ) 流活动的发展非常有利 6 螺旋度螺旋度是一个用来衡量风暴入流气流强弱及沿入 [13] 流方向涡度分量大小的参数近年来, 有专家通过实例分析, 将各层次局地螺旋度水平分布于暴雨的滞后相关关系进行对比分析指出, hpa 的水平分布于暴雨的滞后相关较好, 暴雨一般发生在局地螺旋 [14-15] 度大值区里 12 日 14 时阿里河站螺旋度垂直剖面可见 ( 见图 7a), 在 500~200 hpa 有 1 个负螺旋度闭合中心 ( 中心值 hpa/s 2 ), 低层为较弱正螺旋度, 说明强对流发生高层辐散强烈发展由图 7b 可知,20 时强对流区对流层低层 200 hpa 以下为正螺旋度, 上空 200 hpa 以上为负螺旋度中心, 与强对流落区有较好的对应关系强降水落区与垂直螺旋度中心, 以及强盛上升中心基本重合

3 动力抬升机制 14 时 ( 见图 6a), 在强对流落区涡度由对流层低层到高层均为正值, 并且发展高度较高, 上升高度达到 200 hpa, 散度 500 hpa 以下对应负散度区, 略向南偏, 中心值达到 -12 10-5 /s,500 hpa 以上为正散度, 中心值明

6 224 中国农学通报 (a)14 时沿 124 E 剖面 ( 三角形代表阿里河站 ) (b)20 时沿 119 E 剖面 ( 三角形代表辉索木站 ) 图年 7 月 12 日垂直剖面螺旋度 ( 单位 :10 hpa/s) 7 结论与讨论 (1) 高低空系统相互配置构成前倾槽结构, 有利于不稳定层结的建立和加强, 配合低层暖湿切变的存在容易激发局地强对流天气, 同时, 大兴安岭山脉地形对短时强降水的发生起到了外界动力强迫抬升作用 (2) 短时强降水落区位于 MCC 中尺度对流复合体入流边界, 并发生在 MCC 发展初始阶段,MCC 发展成熟面积扩大短时强降水过程结束另外, 短时强降水的直接制造者 MCC 位于槽前部长波脊的脊线附近 (3) 水汽通量大值区沿副热带高压外围由中国沿海附近海面沿渤海日本海源源不断向东北输送, 为短时强降水的发生提供了丰富的水汽来源和不稳定能量短时强降水落区具有低层高温高湿强对流不稳定层结, 强的垂直风切变, 强烈上升运动, 并伴有螺旋度正值区的特征, 中高层干冷空气入侵触发了不稳定能量释放, 产生此次短时强降水天气参考文献 [1] 尹承美, 梁永礼, 冉桂平, 等. 济南市区短时强降水特征分析 [J]. 气象科学,2010,30(2): [2] Williams E R. The electrification of severe storms[j].meteorol Monogr,2001,28: [3] 郭英莲, 吴翠红, 王继竹, 等宜昌大暴雨的地形影响特征 [J]. 气象,2012,38(1): [4] 陈良栋, 高太久. 长江河谷穿谷流对其下风方强对流活动的影响 [J]. 气象,1983,9(9):2-7. [5] 常煜, 韩经纬, 常立群, 等. 近 40a 呼伦贝尔市暴雨时空变化特征分析 [J]. 暴雨灾害,2012,31(4): [6] 张京英, 陈金敏, 刘英杰, 等. 大暴雨过程中短时强降水机制分析 [J]. 气象科学,2010,30(3): [7] 曹晓岗, 王慧, 邹兰军, 等. 上海特大暴雨与大暴雨对比分析 [J]. 高原气象,2011,30(3): [8] 黄明策, 李江南, 农孟松, 等. 一次华南西部低涡切变特大暴雨的中尺度特征分析 [J]. 气象学报,2010,68(5): [9] 章国材. 强对流天气分析与预报 [M]. 北京 : 气象出版社,2100: [10] 赵思雄, 张立生, 孙建华.2007 年淮河流域致洪暴雨及其中尺度系统特征的分析 [J]. 气候与环境研究,2007,12(6): [11] 常煜, 常立群, 徐桂华, 等. 呼伦贝尔市区域暴雨分析 [J]. 内蒙古气象, 2008(2): [12] 韩经纬, 吴学宏, 宋桂英, 等.2006 年春季内蒙古久旱转雨过程分析 [J]. 气象科学,2009,29(2): [13] 寿绍文, 励申申, 寿亦萱, 等. 中尺度大气动力学 [M]. 北京 : 高等教育出版社,2009:284,291. [14] 穆建利, 李泽椿, 寿绍文, 等. 高原东侧突发性大暴雨过程中螺旋度的诊断分析 [J]. 气象科学,2009,29(2): [15] 李强, 王中, 白莹莹, 等. 一次区域性大暴雨过程中尺度诊断分析 [J]. 气象科技,2011,39(4):

层结的建立和加强, 配合低层暖湿切变的存在容易激发局地强对流天气, 同时, 大兴安岭山脉地形对短时强降水的发生起到了外界动力强迫抬升作用 (2) 短时强降水落区位于 MCC 中尺度对流复合体入流边界, 并发生在 MCC 发展初始阶

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