馬洪燕,蔣松林,盛升旺,龍凌云

(1.貴州省岑鞏縣氣象局,貴州 岑鞏 557800;2.貴州省丹寨縣氣象局,貴州 丹寨 557500)

0 引言

東北冷渦是影響我國(guó)東北地區(qū)重要的天氣系統(tǒng),常引發(fā)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹等突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣,對(duì)東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)造成一定的影響。我國(guó)氣象學(xué)者對(duì)東北冷渦進(jìn)行天氣學(xué)診斷和數(shù)值模擬并研究東北冷渦的氣候效應(yīng)[1]。由于東北冷渦系統(tǒng)深厚,移動(dòng)緩慢且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),常引發(fā)持續(xù)性降水天氣,為了更全面地了解東北冷渦發(fā)生發(fā)展對(duì)東北地區(qū)降水的影響,本文主要應(yīng)用拉格朗日追蹤方法追蹤2016年7月一次東北冷降水的水汽輸送特征。

東北冷渦的定義:500 hPa天氣圖上,35～60°N,115～145°E范圍內(nèi),有一條或一條以上閉合等高線,并且伴有冷空氣和明顯的冷槽配合,維持3 d或3 d以上的冷性渦旋[2]。張廷治等[3]對(duì)東北冷渦造成的東北地區(qū)暴雨進(jìn)行了研究。孫力等[4]研究指出,夏季東北冷渦持續(xù)性的活動(dòng)會(huì)造成東北地區(qū)低溫冷害,對(duì)東北地區(qū)的降水也有重要影響。陳力強(qiáng)等[5]診斷分析了東北冷渦誘發(fā)的一次連續(xù)強(qiáng)風(fēng)暴的形成條件,指出低層暖濕氣流是冷渦引發(fā)強(qiáng)對(duì)流的預(yù)報(bào)關(guān)鍵。張立祥等[6]簡(jiǎn)述了東北冷渦的形勢(shì)特征、氣候特征和強(qiáng)對(duì)流特征。李春影等[7]指出,高層阻塞形勢(shì)影響著冷渦的形成和消亡,副熱帶高壓脊線南北向的活動(dòng)對(duì)冷渦的活動(dòng)也有影響,同時(shí)偏南的暖濕氣流和冷渦中心西南方向的干切入是造成冷渦活動(dòng)強(qiáng)降水的重要原因。林中冠[8]研究得出,夏季東北冷渦活躍時(shí)期,東北地區(qū)對(duì)流層維持著深厚的偶極型位勢(shì)高度異常,低緯地區(qū)西北太平洋反氣旋異常和中緯地區(qū)的東風(fēng)異常,這種異常有利于東北地區(qū)局地水汽通量的輻合。王黎黎等[9]研究得出,東北冷渦引發(fā)暴雨的水汽主要源地為西太平洋副熱帶高壓南部低緯熱帶地區(qū)和孟加拉灣地區(qū),還有一小部分水汽來(lái)自日本?；亓鳌Ｅc東北冷渦相似,國(guó)外研究學(xué)者主要研究切斷低渦(COL),即位于對(duì)流層中上層300 hPa層面上的孤立渦旋,它是從西風(fēng)急流中分離出來(lái)的[10]。NIETO等[11]指出,當(dāng)對(duì)流層中下層有充足的水汽時(shí),COL是引發(fā)極端降水的一個(gè)重要因素。HIROTA等[12]研究了2014年8月19日廣島極端降水過(guò)程中水汽通道(AR)和COL的作用得出,伴隨著冷中心的COL及其前部的上升運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的不穩(wěn)定能量,與AR自由對(duì)流層的水汽共同作用造成廣島強(qiáng)降水。

許多學(xué)者對(duì)降水的相關(guān)水汽通道特征進(jìn)行了研究[13-16]。近年,越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)基于拉格朗日方法的水汽軌跡追蹤模式(HYSPLIT),對(duì)水汽輸送及其來(lái)源情況進(jìn)行研究。如梁卓然等[17]模擬追蹤南海區(qū)域低層4—6月逐日的氣流,定義了1948—2009年南海夏季風(fēng)的爆發(fā)日期。楊浩等[18]對(duì)淮北雨季和江淮梅雨平均水汽通道特征進(jìn)行了對(duì)比,最后得出淮北雨季的水汽來(lái)自歐亞大陸、印度洋、孟灣—南海和太平洋,它們的水汽貢獻(xiàn)差別不大;江淮梅雨的水汽主要來(lái)源于太平洋、印度洋和孟灣—南海,來(lái)自印度洋的水汽貢獻(xiàn)最大。王佳津等[19]應(yīng)用HYSPLIT4模式對(duì)四川盆地一次夏季暴雨的水汽輸送特征和源地進(jìn)行模擬追蹤,指出此次暴雨過(guò)程的水汽主要來(lái)源于對(duì)流層低層950 hPa和850 hPa,950 hPa上有5條水汽輸送路徑,其中2條來(lái)自于北方,另外3條來(lái)自于南方。850 hPa的水汽輸送路徑主要有2條,分別為北方路徑和南方路徑。

本文旨在應(yīng)用基于拉格朗日方法的軌跡模式(HYSPLIT_4),后向追蹤2016年7月23—29日東北地區(qū)降水的水汽輸送軌跡及其來(lái)源情況,結(jié)合高低空環(huán)流形勢(shì)及物理量場(chǎng)的分析,研究此次過(guò)程?hào)|北冷渦降水的結(jié)構(gòu)特征。

1 資料方法

1.1 資料

本文所用的資料有:歐洲中心(ECWMF)ERA-Interim水平分辨率為1°×1°的逐12 h預(yù)報(bào)降水資料;NCEP FNL逐6 h水平分辨率為1°×1°的緯向風(fēng)、徑向風(fēng)、溫度、相對(duì)濕度和垂直速度等再分析資料;驅(qū)動(dòng)基于拉格朗日方法的軌跡模式的NOAA Reanalysis水平分辨率為2.5°×2.5°的再分析資料。

1.2 軌跡模式(HYSPLIT_4)簡(jiǎn)介

基于拉格朗日方法的氣流追蹤模式(HYSPLIT-Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model)是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局在過(guò)去20 a間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專(zhuān)業(yè)模型。

假設(shè)空氣中的粒子隨風(fēng)飄動(dòng),HYSPLIT_4的模擬方法[20]是對(duì)氣塊移動(dòng)軌跡的時(shí)間和空間上位置矢量進(jìn)行積分。模式利用NCEP再分析資料,對(duì)每一次空氣粒子所在位置的物理量進(jìn)行差值計(jì)算,氣塊的最終位置通過(guò)初始位置(P)和第一猜測(cè)位置(P1)的平均速率計(jì)算得到:

P1(t+△t)=P(t)+V(P,t)△t

(1)

P(t+△t)=P(t)+0.5×[V(P,t)+V(P1,t+△t)]△t

(2)

式中,V為平均速率,△t為時(shí)間步長(zhǎng),本文選擇△t為6 h。

1.3 軌跡模擬方案

本文24 h累積的最大降水量的時(shí)間為7月25日00時(shí)—7月26日00時(shí)(世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC,下同),故選取7月26日00時(shí)為軌跡追蹤的初始時(shí)間,同時(shí)該時(shí)間對(duì)應(yīng)的前24 h累積降水量最大區(qū)域(41.0～42.5°N,122.5～126.0°E)為軌跡模擬的初始位置。垂直方向上分別選取500 m、1000 m、2000 m、5500 m和10 000 m作為模擬的初始高度,每一初始高度選取15個(gè)點(diǎn)作為起始追蹤點(diǎn),后向追蹤模擬7 d,每隔6 h所有軌跡點(diǎn)重新后向追蹤模擬,每隔12 h輸出一次軌跡點(diǎn)的位置。

2 過(guò)程分析及環(huán)流形勢(shì)

2.1 過(guò)程簡(jiǎn)介

本次東北冷渦活動(dòng)維持的時(shí)間較長(zhǎng),從7月23日12時(shí)低渦形成持續(xù)到29日18時(shí),由西北緩慢向東南移動(dòng),冷渦中心活動(dòng)的主要范圍為50～60°N,110～130°E。受東北冷渦的影響,東北地區(qū)及內(nèi)蒙古東北部局地有降水發(fā)生,較強(qiáng)的降水時(shí)期,雨帶主要呈東北—西南走向。23日12時(shí)東北冷渦開(kāi)始形成,對(duì)應(yīng)24日00時(shí)(圖1a)前24 h累積日降水量主要位于黑龍江北部、吉林及遼寧東部,日降水量≥10 mm。24日冷渦迅速發(fā)展,雨帶向東移且逐步形成東北—西南走向,東北地區(qū)的雨量相對(duì)較小(圖1b,24日00時(shí)—25日00時(shí))。25—26日凌晨東北冷渦穩(wěn)定維持并向東南方向移動(dòng),對(duì)應(yīng)26日00時(shí)(圖1c)前24 h日降水量最大,降水區(qū)域主要在冷渦外圍東南部地區(qū)(黑龍江東部,吉林省東部及遼寧省),平均日降水量為40 mm左右,降水大值中心位于遼寧中部,最大日降水量達(dá)到65 mm以上。26日夜間—27日白天冷渦穩(wěn)定少動(dòng),冷渦中心基本維持在黑龍江西北部,雨帶東移位于東北地區(qū)東部沿岸,降水量減少(圖1d)。28日后冷渦快速消亡,降水明顯減弱,東北大部分地區(qū)還有少量降水,平均日降水量為12 mm左右,30日00時(shí)東北冷渦已完全消失。

在本次東北冷渦降水過(guò)程中,冷渦形成初期開(kāi)始有少量降水。隨著冷渦的發(fā)展降水強(qiáng)度增強(qiáng),在冷渦快速發(fā)展期間,降水區(qū)域狹窄位于冷渦中心東側(cè)和東南側(cè),雨帶呈東北—西南走向。冷渦成熟時(shí)期,強(qiáng)度穩(wěn)定維持并向東南方向移動(dòng),雨量相對(duì)較大,雨帶東移。而冷渦消亡時(shí)期,降水顯著減弱,但降水區(qū)域相對(duì)較大,東北大部分地區(qū)都有降水的發(fā)生。

2.2 環(huán)流形勢(shì)分析

23日06時(shí)對(duì)應(yīng)冷渦形成前期,東亞中高緯地區(qū)高空200 hPa上主要呈現(xiàn)兩脊一槽的形勢(shì),蒙新高地高壓脊,貝加爾湖上空有一低壓槽,低壓槽前有風(fēng)速≥40 m·s-1的高空西風(fēng)急流,暖中心在內(nèi)蒙古東北部與東北三省的交界處,其西南側(cè)有高空急流,黑龍江、吉林、遼寧中東部有一呈東北—西南走向的高壓脊,溫度脊落后于高度脊。貝加爾湖槽向南加深,而東北東部的脊向北發(fā)展,23日12時(shí),低壓槽被切斷,在貝加爾湖東北側(cè)形成閉合低壓,與之相配的是溫度為-44 ℃的暖中心,低壓外圍南側(cè)的高空急流帶向東移動(dòng)。24日18時(shí)低壓稍稍南壓東移發(fā)展加強(qiáng),低壓中心南部等高線逐漸變得密集,暖中心也有所加強(qiáng),其中心溫度為-40 ℃。但是暖中心稍稍超前于低壓中心,其南側(cè)的高空急流也向東移發(fā)展,急流中心最大風(fēng)速達(dá)到50 m·s-1以上。25日00—06時(shí)低壓維持在黑龍江西北側(cè),暖中心與低壓中心基本重合,低壓中心強(qiáng)度繼續(xù)維持,急流帶位于黑龍江中部及遼寧北部,且急流帶由位于低壓中心南側(cè)轉(zhuǎn)為東南側(cè)。25日12時(shí)后,低壓中心等高線漸漸變得稀疏,但強(qiáng)度變化不大,急流最大風(fēng)速減弱為40 m·s-1。26日00時(shí)東北地區(qū)東北—西南向的顯著流線最大風(fēng)速為30 m·s-1,急流消失,且低壓中心也開(kāi)始減弱。27日12時(shí)—28日00時(shí),低壓又稍稍增強(qiáng),與-44 ℃的暖中心重合。隨后,低壓東移減弱,29日18時(shí)低壓閉合中心已消失(圖略)。

對(duì)流層中層500 hPa上,23日06時(shí)冷渦形成前期,貝加爾湖北側(cè)有一呈東西走向的高壓脊,貝加爾湖東側(cè)有一大槽并且有一溫度槽與之相配,副熱帶高壓脊北伸到了東北北部地區(qū),中空急流不是很顯著。貝加爾湖東側(cè)的冷槽向南加深發(fā)展,加上副熱帶高壓北抬,其脊線向西北方向加深,冷槽被切斷。23日12時(shí)(圖2a)在貝加爾湖與我國(guó)東北地區(qū)的西北側(cè)之間形成閉合的低壓,與之對(duì)應(yīng)的冷中心為-16℃,即東北冷渦生成,冷渦中心位于(56°N,116°E),中心強(qiáng)度為560 dagpm。隨后,冷渦開(kāi)始發(fā)展并向東南方向移動(dòng),冷渦中心的等高線漸漸趨于密集,其南側(cè)有風(fēng)速≥20 m·s-1的西風(fēng)急流,副熱帶高壓588線已位于日本海南部40°N左右,脊線繼續(xù)向北伸。24日00—18時(shí)(圖2b),冷渦迅速增強(qiáng),中心強(qiáng)度變?yōu)?56 dagpm,冷渦中心等高線也相對(duì)密集,伴隨著冷渦的增強(qiáng)其中心南側(cè)的西風(fēng)急流也增強(qiáng),最大風(fēng)速達(dá)到24 m·s-1以上,副熱帶高壓強(qiáng)度加強(qiáng),4日12時(shí)副熱帶高壓中心強(qiáng)度達(dá)到592 dagpm,并且在冷渦迅速發(fā)展期間稍稍向西推進(jìn)。25日00時(shí),冷渦中心強(qiáng)度還是556 dagpm,但其南側(cè)中空急流相對(duì)減弱風(fēng)速為20 m·s-1,副熱帶高壓強(qiáng)度不變(圖略)。25日06時(shí)—27日期間,東北冷渦中心強(qiáng)度都維持在560 dagpm左右,冷渦及副熱帶高壓外圍的影響,東北地區(qū)主要受西南風(fēng)氣流的影響,且在冷渦維持的過(guò)程中。25日06—18時(shí)吉林省和遼寧省交界處生成一較短的偏西南風(fēng)中空急流帶(如圖2c),同時(shí)冷渦向東南方向移動(dòng),副熱帶高壓逐漸南退。27日06時(shí)—28日凌晨東北冷渦中心強(qiáng)度變?yōu)?64 dagpm,溫度中心也減弱到-12℃,冷渦穩(wěn)定少動(dòng),基本維持在52.5°N,125°E左右,等高線變得相對(duì)稀疏,副熱帶高壓588線南退至35°N位置,東北地區(qū)主要受偏西風(fēng)氣流的影響(如圖2d)。28日白天后冷渦迅速東南方向移動(dòng)減弱,30日00時(shí)冷渦已完全消失。

圖2 2016年7月23日12時(shí)(a)、24日18時(shí)(b)、25日12時(shí)(c)、27日12時(shí)(d)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(實(shí)線,單位:dagpm)、溫度場(chǎng)(虛線,單位:℃)和≥20 m的中空急流(陰影,單位:s-1)

在冷渦降水過(guò)程中,冷渦生成前期,中空冷槽發(fā)展,其槽前對(duì)應(yīng)的對(duì)流層低層850 hPa上,我國(guó)東北地區(qū)西北側(cè)有渦旋生成,渦旋的四周風(fēng)速都較大,風(fēng)速≥12 m·s-1。直到冷渦的生成(23日12時(shí)),500 hPa上西南氣流引導(dǎo)850 hPa上低空渦旋發(fā)展,并向東北方向移動(dòng),該渦旋向南伸展一低壓槽(圖3a)。冷渦發(fā)展期間,低空渦旋逐漸減弱,并向北移動(dòng),海上高壓北抬,低槽也隨之向東北方向移動(dòng),到24日18時(shí)(圖3b)冷渦發(fā)展強(qiáng)盛時(shí)期,底層渦旋移動(dòng)到黑龍江西北部,低槽影響東北中東部地區(qū)。冷渦成熟穩(wěn)定期間,低空渦旋相對(duì)較弱,等高線逐漸變得稀疏,在華北北部有新的渦旋生成。25日12時(shí)(圖3c)華北北部生成的渦旋移動(dòng)到吉林和遼寧的交界處,其東南部的西南風(fēng)低空急流風(fēng)速達(dá)到16 m·s-1及以上,對(duì)應(yīng)25日00時(shí)—26日00時(shí)的降水大值區(qū)域。26日00時(shí)(圖3d),東北西北部的渦旋向東南方向移動(dòng)減弱,但影響范圍擴(kuò)大,東北東部沿海地區(qū)維持著狹長(zhǎng)的西南風(fēng)低空急流帶,海上高壓也向東南方向移動(dòng)。26日12時(shí)以后,東北地區(qū)大部分受渦旋控制,急流不明顯。

圖3 2016年7月23日12時(shí)(a)、24日18時(shí)(b)、25日12時(shí)(c)、26日00時(shí)(d)850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(實(shí)線,單位:dagpm)和風(fēng)場(chǎng)

冷渦形成前期對(duì)應(yīng)的 925 hPa上,東北地區(qū)西北部有渦旋向東北方向移動(dòng),渦旋東側(cè)西南風(fēng)急流軸顯著。在冷渦形成之后,低空渦旋有減弱的趨勢(shì),且東側(cè)急流軸風(fēng)速也有所減弱。冷渦成熟期,低空渦旋向東擴(kuò)散,強(qiáng)度減弱,其東側(cè)急流軸向東移動(dòng),而在華北地區(qū)北部有新的渦旋生成,向東北方向移動(dòng),在降水較大時(shí)期(25日00時(shí)—26日00時(shí))華北一帶的渦旋移動(dòng)到東北東南部地區(qū),伴有較強(qiáng)的低空西南風(fēng)急流,與降水大值區(qū)域相對(duì)應(yīng)。隨后東北西北部的渦旋與東南部的渦旋合并,東移影響整個(gè)東北地區(qū),且東北東部保持著顯著的西南風(fēng)流線(圖略)。

綜合上述,冷渦生成前,對(duì)流層上層西部貝加爾湖的槽加深發(fā)展,溫度槽落后于高度槽,對(duì)應(yīng)的中層槽也加強(qiáng),同時(shí)副熱帶高壓脊線向西北方向延伸,冷槽被切斷形成冷渦,此時(shí)低空渦旋也得到加強(qiáng),并受高空西南氣流的影響向東北方向移動(dòng)。在冷渦發(fā)展時(shí)期,中層及高層的急流也隨之加強(qiáng),而低空急流卻有減弱的傾向,所以冷渦發(fā)展期間降水相對(duì)較弱,但高低空的急流都為西南風(fēng),雨帶在冷渦發(fā)展期間逐漸形成東北—西南走向。在冷渦成熟穩(wěn)定后,高空維持偏西風(fēng)急流,低層?xùn)|北東南側(cè)為西南風(fēng)低空急流,且遼寧中部處于低空急流左側(cè),對(duì)應(yīng)著降水大值中心。在冷渦的消亡階段,中高層副熱帶高壓南退,低層?xùn)|北主要受渦旋控制,大部分地區(qū)有降水,但降水量減小。

2.3 物理量場(chǎng)分析

沿東北冷渦中心的渦度平流和溫度平流的經(jīng)向垂直剖面(圖4)分析本次冷渦發(fā)生發(fā)展的熱力、動(dòng)力條件。冷渦發(fā)展初期23日12時(shí)(圖4a),即剛生成的時(shí)刻,冷渦西側(cè)為正渦度平流區(qū)域,中心在400～300 hPa之間,其東側(cè)為負(fù)渦度平流,冷渦向東移動(dòng),同時(shí),對(duì)流層中上層冷渦后部為冷平流,為冷渦的發(fā)展提供有利條件,冷渦的東側(cè)為暖平流。24日冷渦迅速加強(qiáng),18時(shí)(圖4b)達(dá)到最強(qiáng),此時(shí)冷渦中心及東側(cè)都為正渦度平流,其中心在500～400 hPa之間,對(duì)流層中低層的冷平流加強(qiáng)并東移擴(kuò)散,冷渦在一定程度上穩(wěn)定維持,對(duì)流層上層為弱的暖平流和正渦度平流控制,而低層為負(fù)渦度平流,隨高度呈現(xiàn)西傾結(jié)構(gòu),有利于對(duì)流的發(fā)生。25日12時(shí)(圖4c)正渦度平流減小,對(duì)流層中低層?xùn)|西兩側(cè)都為負(fù)渦度平流,低層西側(cè)由冷平流轉(zhuǎn)為暖平流,冷渦仍向東移動(dòng),但強(qiáng)度有所減弱。27日12時(shí)(圖4d),冷渦大部為正渦度平流區(qū)域,中低層都是弱的暖平流控制,低層1000～900 hPa上還有弱的冷平流,對(duì)流層上層為負(fù)渦度平流和冷平流,冷渦減弱。冷渦發(fā)展初期,對(duì)流層中高層槽前的正渦度平流和槽上冷平流對(duì)冷渦的發(fā)展加強(qiáng)起著重要作用;冷渦成熟期間對(duì)流層低層開(kāi)始轉(zhuǎn)為暖平流,中層的冷平流使冷渦強(qiáng)度繼續(xù)維持;在冷渦消亡時(shí)期,高低空冷暖平流交匯,造成弱的降水。

圖4 2016年7月23日12時(shí)(a)、24日18時(shí)(b)、25日12時(shí)(c)、27日12時(shí)(d)沿冷渦中心56°N、54°N、54°N、52.5°N的渦度平流(陰影,單位:10-5 K·s-1)和溫度平流(實(shí)線,單位:10-10·s-2)的經(jīng)向垂直剖面

圖5給出了本次低渦過(guò)程4個(gè)代表時(shí)次的低空急流、高空急流、200 hPa與850 hPa散度差的特點(diǎn)。在23日12時(shí)(圖5a),低層有明顯的低空急流,不斷向東北地區(qū)輸送水汽,使得整個(gè)東北地區(qū)處于充沛水汽中。高層,在東北地區(qū)西側(cè),有高空急流存在,急流中心值維持在45 m·s-1以上,東北地區(qū)中心位于急流軸前方。在24日18時(shí)(圖5b),低層明顯的低空急流消失,低空急流向東北移動(dòng),離開(kāi)我國(guó)。高層,高空急流中心值加強(qiáng)到50 m·s-1以上,并向東北移動(dòng)到東北地區(qū)中西部,影響東北地區(qū)。在25日12時(shí)(圖5c),低層低空急流再次出現(xiàn),位于東北地區(qū)東南部,不斷向東北地區(qū)輸送水汽。高層,高空急流繼續(xù)東移,急流中心值減小,維持在45 m·s-1以上,東北地區(qū)中心位于急流軸左后方。27日12時(shí)(圖5d),高低空急流基本消失,過(guò)程強(qiáng)度減弱,降水減弱。

圖5 2016年7月23日12時(shí)(a)、24日18時(shí)(b)、25日12時(shí)(c)、27日12時(shí)(d)200 hPa風(fēng)速≥40 m·s-1的高空急流(虛線)、850 hPa風(fēng)速≥12 m·s-1的低空急流(實(shí)線)和200 hPa與850 hPa的散度差(陰影,單位:s-1)

200 hPa與850 hPa的散度差,反映過(guò)程的垂直運(yùn)動(dòng)情況。23日12時(shí)(圖5a),東北大部處于散度差的正值區(qū)域,即為較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),有利于對(duì)流的發(fā)展。24日18時(shí)(圖5b)黑龍江北部和東部及遼寧大部仍然處于散度差的正值區(qū)域,低層輻合高層輻散,處于良好的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域,且數(shù)值也有所上升,說(shuō)明上升運(yùn)動(dòng)略有增強(qiáng),有利于降水。25日12時(shí)(圖5c)散度差正值區(qū)域向東移動(dòng),在東北地區(qū)東部處于上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域,遼寧中部散度差值最大。27日12時(shí)(圖5d),散度差正值區(qū)域明顯減弱,上升運(yùn)動(dòng)減弱,降水減弱。

分析本次降水過(guò)程850 hPa上水汽通量(圖6),可以看到明顯的水汽帶演變特征。從孟加拉灣分支向東北方向輸送水汽,在我國(guó)西南部與南海過(guò)來(lái)的水汽合并,共同繼續(xù)向東北方向輸送,途經(jīng)渤海在東北地區(qū)交匯,還有少量水汽來(lái)自日本海的回流。23日12時(shí)(圖6a),水汽帶相對(duì)強(qiáng)盛,主要交匯于黑龍江東北部,整個(gè)東北地區(qū)水汽較充足。24日18時(shí)(圖6b),由于低層渦旋的東移發(fā)展和華北一帶切變的影響,水汽主要交匯于華北地區(qū),東北東部沿岸有少量的渤海支流和日本海的回流,東北地區(qū)的水汽帶向東推移,也是造成本次降水雨帶東移的原因。25日12時(shí)(圖6c),對(duì)應(yīng)低空急流軸左側(cè),在吉林南部和遼寧中北部地區(qū)水汽交匯,并且形成水汽大值區(qū),水汽輸送帶狹長(zhǎng),水汽主要來(lái)源于渤海。27日12時(shí)(圖6d),水汽輸送薄弱,東北地區(qū)水汽輸送不明顯。

圖6 2016年7月23日12時(shí)(a)、24日18時(shí)(b)、25日12時(shí)(c)、27日12時(shí)(d)850 hPa水汽通量(矢量,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1;陰影部分為水汽通量矢量和≥6 g·cm-1·hPa-1·s-1)

根據(jù)以上水汽實(shí)況和相關(guān)環(huán)流形勢(shì)及物理量的分析,25日00時(shí)—26日00時(shí)期間24 h累積日降水量相對(duì)較大,因此通過(guò)這期間降水大值區(qū)域中心沿42°N的相對(duì)濕度和垂直速度的經(jīng)向垂直剖面圖來(lái)分析此次過(guò)程降水的上升運(yùn)動(dòng)和濕度狀況。選擇東北地區(qū)115～135°E區(qū)域,圖中黑色實(shí)線框?yàn)榻邓笾抵行膮^(qū)域。25日00時(shí)(圖7a),整個(gè)對(duì)流層的相對(duì)濕度都在80%以上,水汽充足,降水大值區(qū)域的垂直上升運(yùn)動(dòng)相對(duì)較強(qiáng),有利于對(duì)流的發(fā)生。25日06時(shí)(圖7b),低層的相對(duì)濕度維持在70%以上,中層出現(xiàn)小范圍的干區(qū),高層水汽狀況相對(duì)較好,而降水大值區(qū)域東側(cè)為弱的下沉運(yùn)動(dòng),西側(cè)上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),對(duì)流在一定程度上受到限制。25日12時(shí)(圖7c),中層干區(qū)向西擴(kuò)張,低層轉(zhuǎn)為弱的下沉運(yùn)動(dòng),降水減少。25日18時(shí)(圖7d),相對(duì)濕度為90%及以上,濕度相對(duì)較好,垂直運(yùn)動(dòng)較弱,降水減小。通過(guò)這4個(gè)時(shí)次的分析,本降水過(guò)程為一個(gè)減弱的過(guò)程,但對(duì)流層高層濕度高,基本維持在90%及以上,中層后期有干區(qū)入侵,不利于對(duì)流發(fā)展。垂直運(yùn)動(dòng)方面,西側(cè)基本處于上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域,東側(cè)中低層由上升運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng),25日18時(shí)后低層維持一個(gè)較弱的垂直運(yùn)動(dòng),水汽也相對(duì)較好,有相對(duì)弱的對(duì)流運(yùn)動(dòng),造成少量降水。

圖7 2016年7月25日00時(shí)(a)、25日06時(shí)(b)、25日12時(shí)(c)、25日18時(shí)(d)沿42°N的相對(duì)濕度(陰影,單位:%)和垂直速度(實(shí)線,單位:Pa·s-1)的經(jīng)向垂直剖面

3 基于拉格朗日方法的水汽軌跡追蹤

垂直高度為500 m(圖8a)的水汽追蹤,水汽主要來(lái)源于我國(guó)東部海岸帶東海、黃海及渤海地區(qū)偏北路線輸送,源于900～850 hPa的水汽塊7月19日00時(shí)向北輸送并下沉,22日00時(shí)與1000～950 hPa的水汽塊匯合并后水平向北輸送,25日00時(shí)水汽塊開(kāi)始抬升。垂直高度為1000 m(圖8b)的水汽源主要分為2條,第一條來(lái)自于南海海域,向東北方向移動(dòng),23日左右與另一條來(lái)自于東海海域的水汽塊共同向北輸送,到達(dá)遼寧地區(qū)。垂直高度為2000 m(圖8c)的追蹤水汽來(lái)源也分為2條,一條來(lái)自于孟加拉灣,另一條來(lái)自于南海,都向西北方向移動(dòng),來(lái)源于孟加拉灣的水汽在移動(dòng)過(guò)程中先抬升后下沉,來(lái)源于南海的水汽主要以水平運(yùn)動(dòng)為主。垂直高度為5500 m(圖8d)的水汽主要來(lái)源于孟加拉灣,有一小部分來(lái)源于里海,孟加拉灣水汽向東北方向輸送,里海水汽緯向輸送,在內(nèi)蒙中部地區(qū)匯合,繼續(xù)向東輸送到東北地區(qū)。垂直高度為10 000 m(圖8e)的水汽主要來(lái)源于里海,沿緯向向東輸送到東北地區(qū)。

圖8 2016年7月26日拉格朗日后向軌跡追蹤模式,垂直方向高度為500 m(a)、1000 m(b)、2000 m(c)、5500 m(d)、10 000 m(e)的水汽追蹤軌跡圖

綜合上述,從500 m、1000 m、2000 m高度的水汽軌跡圖上可看出本次降水過(guò)程低層的水汽主要來(lái)源于南海和孟加拉灣,與上文分析的水汽通量的水汽帶相對(duì)吻合。結(jié)合環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)的分析,水汽主要受海上高壓外圍氣流的影響,向東北方向輸送,到達(dá)華北地區(qū)后,在低渦和海上高壓的共同作用下繼續(xù)向東北方向輸送,在東北地區(qū)輻合上升,造成東北地區(qū)東部的降水。對(duì)流層中層水汽主要來(lái)源于孟加拉灣,少部分來(lái)自里海,孟加拉灣源地的水汽是由副熱帶高壓外圍氣流帶動(dòng)到東北地區(qū),里海源地的水汽主要是在西風(fēng)氣流的影響下向東輸送到達(dá)東北地區(qū)。對(duì)流層高層的水汽來(lái)源于里海,受高層西風(fēng)氣流引導(dǎo)影響東北地區(qū)。

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)基于拉格朗日方法的水汽追蹤模式(HYSPLIT_4)追蹤2016年7月23—29日東北冷渦降水過(guò)程的水汽輸送及其來(lái)源情況,并通過(guò)分析本次過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)和物理量場(chǎng)特征,對(duì)造成東北地區(qū)降水的影響因子進(jìn)行總結(jié),得出結(jié)論如下:

(1)本次東北冷渦降水過(guò)程中,隨著冷渦的發(fā)展降水強(qiáng)度增強(qiáng),雨帶逐步呈現(xiàn)東北—西南走向并向東移動(dòng)。冷渦成熟時(shí)期降水達(dá)到最大,而冷渦消亡期,降水顯著減弱,但降水區(qū)域相對(duì)較大,東北大部分地區(qū)都有降水的發(fā)生。

(2)通過(guò)環(huán)流形勢(shì)的分析,冷渦發(fā)生發(fā)展時(shí)期,東北地區(qū)影響系統(tǒng)在垂直方向上形成西傾的結(jié)構(gòu),有利于對(duì)流發(fā)展。成熟時(shí)期,西太平洋副熱帶高壓的加強(qiáng)及北抬,冷渦穩(wěn)定維持,高層西風(fēng)急流與低層西南風(fēng)急流的配置,對(duì)應(yīng)著降水大值區(qū)。副熱帶高壓南退減弱,冷渦快速東移消亡,低層受渦旋控制,東北大部分地區(qū)仍有降水。

(3)對(duì)流層中高層槽前的正渦度平流和槽上冷平流對(duì)冷渦的發(fā)展加強(qiáng)起著重要作用,同時(shí)東北地區(qū)東西兩側(cè)冷暖平流的交匯,對(duì)應(yīng)低層急流區(qū)域濕氣流的輻合上升運(yùn)動(dòng),造成較強(qiáng)降水。而冷渦開(kāi)始消亡時(shí),低層暖濕空氣與中層干冷空氣作垂直運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生較弱的降水。

(4)通過(guò)水汽通量的分析和水汽追蹤,得出本次東北冷渦降水低層水汽主要來(lái)源于南海和孟加拉灣,中層水汽主要來(lái)源于西北方向輸送的孟加拉灣和少量來(lái)自于緯向輸送的里海,而高層水汽受西風(fēng)氣流影響來(lái)源于里海一帶。

本文主要通過(guò)HYSPLIT_4模式分析了2016年7月一次東北冷渦個(gè)例的降水通道特征及主要的影響系統(tǒng),在后續(xù)工作中,將會(huì)深度研究多個(gè)個(gè)例,整合分析東北冷渦降水的水汽通道特征,并研究不同通道水汽的貢獻(xiàn)率及不同水汽通道對(duì)東北冷渦降水強(qiáng)度的影響。