王培 沈新勇 高守亭

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室，南京 210044

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實驗室，北京 100029

3 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081

一次東北冷渦過程的數(shù)值模擬與降水分析

王培1，2沈新勇1高守亭2，3

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室，南京 210044

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實驗室，北京 100029

3 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081

本文利用WRF模式對2007年7月8日至12日的東北冷渦過程進(jìn)行模擬。通過分析天氣尺度背景場可知，在對流層中高層出現(xiàn)干侵入過程，干空氣主要來源于我國內(nèi)蒙古西部和東北冷渦的西北部，隨著東北冷渦一起呈渦旋狀運動，在對流層中層的干侵入更加明顯；東北冷渦的東部為水汽通量輻合區(qū)，說明此處水汽豐沛，該處的暖濕空氣與干冷空氣相匯，有利于降水的生成。通過分析中尺度對流系統(tǒng)的地面和對流層中下層的風(fēng)場結(jié)構(gòu)可知，中尺度對流系統(tǒng)易發(fā)生在東北冷渦東南側(cè)和東北側(cè)的氣旋性曲率最大處，此處的對流層低層易形成強(qiáng)輻合區(qū)，而風(fēng)場的水平輻合運動激發(fā)出垂直上升運動，在對流不穩(wěn)定區(qū)配合著強(qiáng)上升運動，有利于對流系統(tǒng)發(fā)展而產(chǎn)生降水，因此在低壓系統(tǒng)東南側(cè)及東北側(cè)的 “氣旋曲度”區(qū)易形成降水。從對流渦度矢量的垂直分量可知，在東北冷渦中的東南側(cè)和東北側(cè)，對流渦度矢量的垂直分量對于中尺度系統(tǒng)的發(fā)生位置和降水區(qū)域有很好的指示作用。

東北冷渦 “氣旋曲度”降水 對流渦度矢量

1 引言

東北冷渦是影響我國東北地區(qū)的主要系統(tǒng)之一，發(fā)生在東北地區(qū)的強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)等天氣過程大部分都是由于東北冷渦引起，所以關(guān)于東北冷渦的研究至關(guān)重要。然而，東北冷渦的降水易發(fā)生區(qū)并非在冷渦中心處，也不是均勻?qū)ΨQ地分布在東北冷渦中，因此，對于東北冷渦引發(fā)降水的區(qū)域一直是一個預(yù)報難點。

東北冷渦是指在500hPa天氣圖中 （35°N～60°N，115°E～145°E）范圍內(nèi)出現(xiàn)閉合等高線，并伴有冷中心或冷槽，且持續(xù)時間在3天或3天以上的低壓環(huán)流系統(tǒng)，它是在東亞阻塞形勢下發(fā)展形成的較為深厚的冷低壓系統(tǒng) （孫力等，1994）。相對于南方暴雨的系統(tǒng)性研究，我國學(xué)者對東北冷渦的研究起步較晚，陶詩言 （1980）指出東北冷渦型是我國主要暴雨的天氣系統(tǒng)之一，通常給東北地區(qū)和華北地區(qū)造成暴雨。趙思雄等 （1980）研究了影響中國的不同低渦過程，指出當(dāng)東北冷渦與北上的熱帶系統(tǒng)相結(jié)合時，就會激發(fā)出極強(qiáng)的暴雨過程。孫力等 （1994）分析了東北冷渦與東亞大型環(huán)流系統(tǒng)之間的關(guān)系，表明東北冷渦的出現(xiàn)不僅在時間上有相對的集中期，在地理分布上也有明顯的密集區(qū)，同時東亞阻塞高壓的異常發(fā)展及位置變化、西太平洋副熱帶高壓的強(qiáng)度及位置變化對東北冷渦的形成和發(fā)展都有重要影響。苗春生等 （2006）對東北冷渦與華南前汛期降水進(jìn)行統(tǒng)計，定義了一個前汛期東北冷渦強(qiáng)度指數(shù) （NECVI）。何金海等 （2006）對東北地區(qū)夏季降水、東北冷渦與前期北半球環(huán)狀模和海溫的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計，定義了夏季東北冷渦強(qiáng)度指數(shù)，表明2月北半球環(huán)狀模和中國近海海溫的異?？梢宰鳛橄募緰|北冷渦異常的一個前兆信號，為東北地區(qū)夏季降水異常的預(yù)測提供參考。齊彥斌等（2007）通過分析東北冷渦中對流云帶的宏觀特征和微物理結(jié)構(gòu)，對降水形成機(jī)制進(jìn)行初步探討。王東海等 （2009）引入切變風(fēng)螺旋度和熱成風(fēng)螺旋度，并對東北冷渦暴雨進(jìn)行診斷分析，研究表明降水中心位置與切變風(fēng)螺旋度的正值和負(fù)值的邊界一致，同時與降水強(qiáng)度變化也有很好的對應(yīng)。姚秀萍等 （2007）通過研究梅雨鋒上與低渦降水相伴的干侵入研究表明，在低渦降水區(qū)以西，高空偏北氣流穿越等壓面下沉，所產(chǎn)生的干冷平流作用將激發(fā)對流層中低層對流不穩(wěn)定的產(chǎn)生，同時引起垂直方向上的降溫，使得對流不穩(wěn)定增強(qiáng)最終導(dǎo)致低渦降水增加。吳迪等 （2010）通過衛(wèi)星水汽圖像和大氣動力場相結(jié)合的方法研究東北冷渦過程中的干侵入特征，表明干侵入是激發(fā)冷渦發(fā)生、發(fā)展的動力條件之一。劉會榮和李崇銀 （2010）分析了濟(jì)南以北地區(qū)干空氣侵入現(xiàn)象的主要方式有兩種，分別為對流層頂附近向下的干空氣侵入和對流層低層由北向南的干空氣侵入。

在東北冷渦過程中出現(xiàn)的中尺度對流系統(tǒng)（MCS）會引發(fā)突發(fā)性強(qiáng)對流，造成局地天氣災(zāi)害，這包括暴雨、冰雹、雷雨、短時大風(fēng)等強(qiáng)對流性天氣災(zāi)害，因此對于東北冷渦中的中尺度系統(tǒng)的研究，在近年得到了更多學(xué)者的關(guān)注。Chen et al.（1988）利用Q矢量對我國夏季東北冷渦的中尺度對流系統(tǒng)進(jìn)行了分析，表明Q矢量能夠抓住較弱的斜壓強(qiáng)迫，能夠為短期預(yù)報提供幫助。陳力強(qiáng)等（2005）用MM5模式模擬東北冷渦過程中的MCS結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)東北冷渦南部鋒區(qū)斜壓擾動和有利的潛在不穩(wěn)定層結(jié)為MCS的產(chǎn)生提供了條件。壽亦萱和許健民 （2007）在不借助數(shù)值模式的情況下，利用常規(guī)觀測資料與衛(wèi)星資料相結(jié)合的方法，研究東北地區(qū)暴雨中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的大尺度和中尺度動力和熱力條件，結(jié)果表明地面中尺度切變線可能是暴雨發(fā)生發(fā)展的一個關(guān)鍵因素，而造成切變線上對流發(fā)展不均勻的原因可能和切變線走向與環(huán)境風(fēng)場的配置有較大關(guān)系。張立祥和李澤椿（2009）研究了東北冷渦MCS邊界層特征，表明在邊界層有三股明顯的氣流匯合于MCS雷暴區(qū)，分別來源于東北部長白山穩(wěn)定氣團(tuán)的東北氣流，西北部的西北下沉氣流和西南氣流，淺薄的東北部底層冷空氣有利于西南氣流的抬升，有利于形成對流。袁美英等 （2010）分析了東北冷渦中MCS從一個γ中尺度發(fā)展為α中尺度對流復(fù)合體 （MCC）的過程，探討了MCS的加強(qiáng)過程和產(chǎn)生暴雨的原因，包括暴雨區(qū)域具有高溫、高濕和對流性不穩(wěn)定層結(jié)，β中尺度云團(tuán)的合并和兩條輻合線交匯，并導(dǎo)致中尺度云團(tuán)強(qiáng)烈發(fā)展而產(chǎn)生暴雨。

盡管對于東北冷渦中的中尺度系統(tǒng)已取得一些研究成果，但對其發(fā)生位置、結(jié)構(gòu)特征及降水演變規(guī)律目前并不十分清楚，本文利用WRF模式對2007年7月7日至12日一次東北冷渦過程進(jìn)行數(shù)值模擬，成功模擬出冷渦演變過程中的中尺度對流系統(tǒng)。重點分析了東北冷渦演變過程中有利于中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生的位置及結(jié)構(gòu)特征，并對中尺度對流系統(tǒng)引起的降水進(jìn)行分析。

圖1 2007年7月500hPa位勢高度 （等值線，單位：dagpm）、850hPa風(fēng)矢量場及200hPa高空急流 （陰影，單位：m／s）：（a）8日08時；（b）9日08時；（c）10日08時Fig.1 The geopotential height at 500hPa（contour，units：dagpm），wind vector at 850hPa，and the upper jet stream at 200hPa（shaded）：（a）0800LST 8Jul；（b）0800LST 9Jul；（c）0800LST 10Jul

2 資料說明與環(huán)流背景

2.1 資料說明

本文使用的常規(guī)資料包括：2007年7月7日08時～12日08時 （北京時，下同）探空資料，1000～100hPa溫度、高度、風(fēng)場及溫度露點差；該時段地面加密觀測資料和24小時累計降水量資料；同時，利用7月6日08時～12日08時NCEP／NCAR一天4次垂直方向26層的再分析資料。將2007年7月6日08時的地面常規(guī)資料和探空資料通過 WRF－3DVAR部分進(jìn)行同化，并將NCEP／NCAR再分析資料作為模式初始場和邊界條件，對本次東北冷渦過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

本文使用的非常規(guī)資料為2007年7月7日08時～12日08時FY－2C靜止衛(wèi)星反演的TBB資料，空間分辨率為0.1°×0.1°，時間分辨率為1小時。通過24小時降水模擬和TBB資料與逐小時降水對比，檢驗?zāi)Ｊ侥M結(jié)果的可靠性。

2.2 環(huán)流背景

本次東北冷渦從7月8日在蒙古與內(nèi)蒙古交界處形成，并逐漸向東南方向移動影響我國東北和華北北部大部分地區(qū)。8日08時的500hPa位勢高度場中（圖略）貝加爾湖以東有一明顯的低槽，同時我國內(nèi)蒙古東部直到渤海灣也存在一個深槽，我國整個東北地區(qū)位于這兩個槽的槽前位置，有利于對流性系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展；850hPa地面風(fēng)場，可以看到在內(nèi)蒙古東部 （43°N，117°E）附近已形成一個氣旋性閉合環(huán)流，在此環(huán)流的作用下我國東北大部分地區(qū)受偏南氣流的影響，有利于將南方的暖濕空氣向我國東北地區(qū)輸送。9日08時 （圖1），500hPa貝加爾湖以東的槽繼續(xù)加深發(fā)展，而內(nèi)蒙古東部地區(qū)出現(xiàn)閉合低壓環(huán)流，形成低渦，且在移動過程中不斷發(fā)展加強(qiáng)，隨著冷渦的形成與加強(qiáng)，原本比較連貫的200hPa高空急流被切斷，在東北冷渦的東側(cè)和西側(cè)分別各存在一支急流區(qū)；到了10日08時（圖略），由500hPa和850hPa的閉合環(huán)流中心位置可以看出這次冷渦過程是一個較深厚的系統(tǒng)，并且影響范圍很大，包括內(nèi)蒙古中東部、華北北部、遼寧、吉林和黑龍江地區(qū)，200hPa上在冷渦西南側(cè)的一支高空急流隨著冷渦而運動，整個冷渦位于此高空急流出口區(qū)的左側(cè)，由于高空急流的動力作用，此處容易形成上升運動。500hPa和850hPa的冷渦東側(cè)為較強(qiáng)的偏南氣流，將大量的暖濕空氣向此處輸送，這種大尺度的天氣配置，易引發(fā)強(qiáng)降水和強(qiáng)對流性天氣。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方案介紹

WRF模式為可壓、非靜力模式，控制方程組為通量形式，網(wǎng)格形式采用Arakawa C網(wǎng)格。本文利用NCEP／NCAR再分析資料作為WRF模式的初始資料和邊界資料，用 WRF（V3.0）對2007年7月6日08時～12日08時的一次東北冷渦過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并將2007年7月6日08時的地面常規(guī)資料和探空資料通過WRF－3DVAR進(jìn)行同化處理，利用同化后的結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬采用三層雙向嵌套方案，蘭勃托投影方式，模式模擬中心區(qū)域位置為 （40°N，115°E）；水平網(wǎng)格距分別為81km、27km和9km；水平格點數(shù)分別為111×70、184×130和316×322；垂直分層為28層，時間積分步長為180s、60s和60s；模式選用的物理過程中微物理參數(shù)化方案過程為Ferrier（New Eta）參數(shù)化方案，邊界層為YSU方案，積云參數(shù)化方案為Grell－Devenyi集合方案，長波輻射和短波輻射方案分別為Rrtm和Duhia方案。

3.2 模擬結(jié)果與實況對比分析

本次東北冷渦過程在我國降水主要從2007年7月8日08時到7月10日08時，由圖2可見，實際觀測24小時降水中心主要是在遼寧與內(nèi)蒙古交界處，位于赤峰、朝陽和阜新一帶，整個降水區(qū)域從內(nèi)蒙古一直向東延伸到遼寧北部和吉林大部地區(qū)，且在黑龍江與內(nèi)蒙古交界處也有少量降水；對比該時段的模擬結(jié)果可見，在阜新、朝陽一帶的降水與實際觀測非常接近，但是模擬結(jié)果降水區(qū)域比實際觀測略大，遼寧西南部為主要降水區(qū)域，降水中心的量級與實際觀測一致，在降水大值區(qū)中出現(xiàn)3個降水中心可能是由于模式分辨率較高造成的。9日08時～10日08時24小時實際降水與模擬降水對比，在實際觀測降水中，主要降水中心位于呼倫貝爾以南并一直向南延伸至西遼河的的位置處，此雨帶呈南北方向的走勢，同時在赤峰處存在一個降水大值中心，最大值超過70mm。從模擬結(jié)果中可見一條明顯的南北走向的雨帶從呼倫貝爾以南向西遼河方向延伸，同時在赤峰南側(cè)有一個降水大值中心，由于在內(nèi)蒙古境內(nèi)有地形的作用，因此對降水落區(qū)的模擬結(jié)果有一定影響，但是雨帶走勢及降水大值區(qū)的量級都與實際觀測結(jié)果接近，因此能夠比較真實地反映出這次東北冷渦的降水過程。

另外，從連續(xù)的兩個24小時累計降水的模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，本次冷渦過程引起的降水呈渦旋狀，即雨帶是呈逆時針方向自西北向東南方向移動進(jìn)入我國，我國東北地區(qū)正位于此渦旋狀雨帶的范圍內(nèi)。

3.3 數(shù)值模擬中尺度對流系統(tǒng)

為了進(jìn)一步驗證模擬結(jié)果，將高時空分辨率的衛(wèi)星TBB（云頂黑體溫度）資料和模式模擬結(jié)果1小時累計降水進(jìn)行對比，TBB資料可以用來反映對流云的強(qiáng)度，因此它能夠反映在降水過程中的中尺度對流云團(tuán)的發(fā)展過程。圖3中9日00時開始，在遼寧南部與內(nèi)蒙古交界的地方，出現(xiàn)兩個云頂溫度低于－40℃的區(qū)域，9日02時遼寧南部的TBB低值區(qū)逐漸向北推進(jìn)與朝陽北部的TBB低值區(qū)合并，同時向東北方向移動，在9日03時～04時遼寧和內(nèi)蒙古交界處出現(xiàn)云頂溫度低于－50℃的大范圍區(qū)域，此時中尺度對流云團(tuán)發(fā)展到成熟階段，到9日07時開始逐漸減弱，并在8日趨近于消散。

與TBB過程對應(yīng)的逐小時降水中同樣發(fā)現(xiàn)中尺度對流系統(tǒng)引發(fā)的降水過程（圖4），從9日00時開始在遼寧南部和朝陽北部出現(xiàn)降水區(qū)，9日02時遼寧南部雨區(qū)逐漸向東北方向移動，而朝陽北部降水區(qū)位置不變，強(qiáng)度增強(qiáng)，同樣在9日04時，遼寧南部雨區(qū)由南向北形成一條雨帶，降水量明顯增加；在9日05時和06時每小時降水量超過10mm，達(dá)到逐小時降水量的最大值，這與TBB圖中對流云團(tuán)達(dá)到成熟階段時間一致，然后在07時降水開始減弱，最后到08時逐漸消散。這次降水過程的發(fā)生時間和降水區(qū)域與TBB資料中的強(qiáng)對流云出現(xiàn)的位置和區(qū)域有較好的對應(yīng)關(guān)系，特別是整個過程的開始和結(jié)束的時間對應(yīng)也較好，因此可以認(rèn)為本次模擬結(jié)果能夠反映出東北冷渦過程中的中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展以及成熟到消亡的過程，此模擬結(jié)果可以用來對中尺度對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的分析。

4 中尺度對流系統(tǒng)

4.1 干冷空氣活動與水汽輸送

中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展離不開天氣尺度環(huán)境場，環(huán)境場為其提供有利的發(fā)展條件，同時也制約、影響著它的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等特征，因此在分析中尺度對流系統(tǒng)之前，對于環(huán)境場的分析必不可少。

首先對干冷空氣的活動情況進(jìn)行分析，姚秀萍等 （2007）將相對濕度小于或等于60%來表征干侵入氣流，劉會榮和李崇銀 （2010）以北風(fēng)表征干空氣的活動特征，用其強(qiáng)弱表征干空氣活動的強(qiáng)弱。因此將300hPa和500hPa的相對濕度和經(jīng)向風(fēng)場的分布和范圍進(jìn)行分析對比 （圖5），研究本次東北冷渦過程中干空氣的活動特征。在300hPa上7日08時，我國內(nèi)蒙古中北部為相對濕度在20%以下的干空氣區(qū)，此干空氣區(qū)在42°N處向東延伸至遼寧省境內(nèi)；從經(jīng)向風(fēng)場中可知在干空氣區(qū)有較強(qiáng)的北風(fēng)氣流，中心強(qiáng)度達(dá)18m／s，有利于北方干冷空氣的輸送。8日08時，原位于我國內(nèi)蒙古境內(nèi)的干空氣區(qū)向東移動，此時影響我國華北地區(qū)和華東北部地區(qū)，另外，隨著東北冷渦的南下加強(qiáng)，在貝加爾湖以東也有一個相對濕度小于20% 的干區(qū)，并呈氣旋性渦旋運動，向我國華北地區(qū)的干冷空氣區(qū)靠近。此時在兩個干區(qū)偏西處出現(xiàn)最大風(fēng)速達(dá)24m／s的偏北風(fēng)，而在兩個干區(qū)中心偏東處出現(xiàn)最大風(fēng)速達(dá)24m／s的偏南風(fēng)，因此經(jīng)向風(fēng)梯度很大，這也說明了干侵入過程明顯。到9日08時，貝加爾湖以東的干區(qū)已與華北地區(qū)的干冷空氣區(qū)匯合，并隨著東北冷渦一起呈渦旋狀移動，干冷空氣區(qū)主要位于東北冷渦的西北側(cè)，由于干冷空氣較強(qiáng)，在冷渦南側(cè)也有相對濕度低值區(qū)，特別在遼寧中部和吉林東南部也出現(xiàn)相對濕度小于20%的區(qū)域；在經(jīng)向風(fēng)場中，114°E以西主要為較強(qiáng)的偏北風(fēng)，而在114°E以東主要為強(qiáng)偏南風(fēng)，但是在遼寧西南側(cè)出現(xiàn)一個4m／s的偏北風(fēng)，從相對濕度和經(jīng)向風(fēng)場中都可看出此處有干冷空氣的輸送。

圖3 7月 （a）8日23時和9日 （b）00時、（c）01時、（d）02時、（e）03時、（f）04時、（g）05時、（h）06時TBB分布。陰影：TBB＜－40℃Fig.3 Hourly distribution of TBB for（a）2300LST 8Jul and（b）0000LST，（c）0100LST，（d）0200LST，（e）0300LST，（f）0400LST，（g）0500LST，（h）0600LST on 9Jul（shaded：TBB＜－40℃）

500hPa相對濕度場和經(jīng)向風(fēng)場的變化與300hPa相似，但是干空氣區(qū)范圍卻比300hPa更大，特別是在9日08時東北冷渦的南側(cè)，干空氣向南延伸至31°N，且在31°N以北已出現(xiàn)偏北風(fēng)，而在遼寧西南處最大偏北風(fēng)達(dá)12m／s，表明此時干侵入已向南擴(kuò)大。

圖4 模式模擬7月8日23時～9日06時逐小時降水量分布 （陰影，單位：mm），其余同圖3Fig.4 Same as Fig.3，but for simulated hourly precipitation from 2300LST 8Jul to 0600LST 9Jul

從上面的相對濕度場和經(jīng)向風(fēng)場分析可知，在對流層中高層出現(xiàn)干侵入過程，干空氣主要來源于我國內(nèi)蒙古西部和東北冷渦的西北部，隨著東北冷渦一起呈渦旋狀運動，而中層的干空氣范圍比高層要大得多，表明在對流層中層的干侵入更加明顯。

圖6給出9日08時位溫和相對濕度在121°E的垂直剖面圖，從34°N向北，在對流層頂向下伸出一個干舌，其北側(cè)的對流層中層均為干空氣區(qū)，而在40°N至46°N對流層高層300hPa有一個濕空氣中心，這種上層濕下層干的大氣層結(jié)很容易產(chǎn)生對流不穩(wěn)定。另外，從等位溫線中可見，在40°N從對流層低層到高層的一個向上凸的等位溫線，說明在對流層中層對應(yīng)的干區(qū)對應(yīng)的都是冷空氣，由垂直剖面圖中也可以看到在對流層中出現(xiàn)干侵入過程，并且在對流層中層的干侵入最為明顯。

圖5 2007年7月300hPa（a、c、e）和500hPa（b、d、f）相對濕度 （陰影為相對濕度＜60%的區(qū)域）和經(jīng)向風(fēng)分量 （等值線，虛線為偏北風(fēng)，實線為偏南風(fēng)）：（a、b）7日08時；（c、d）8日08時；（e、f）9日08時Fig.5 The relative humility（shaded）and meridional wind（contour，units：m／s）at（a，c，e）300hPa and（b，d，f）500hPa：（a，b）0800 LST 7Jul 2007；（c，d）0800LST 8Jul 2007；（e，f）0800LST 9Jul 2007）

在700hPa風(fēng)場中可以看到 （圖7），內(nèi)蒙古東部的氣旋性渦旋東側(cè)，為大范圍的偏南風(fēng)，這有利于將南方的暖濕氣流向東北地區(qū)輸送，特別是從渤海灣地區(qū)帶來較為充沛的水汽。另外，通過整層水汽通量散度積分可知，在遼寧南部與內(nèi)蒙古交界處，從8日21時開始出現(xiàn)水汽輻合區(qū)，并逐漸加強(qiáng)；在9日02時輻合中心達(dá)到最強(qiáng)，而這個區(qū)域正與TBB（圖3）中的中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生的區(qū)域一致，說明此處水汽輸送量很強(qiáng)；而到了9日05時輻合區(qū)逐漸減弱，并逐漸被水汽通量輻散區(qū)代替，表明這次水汽輸送過程逐漸結(jié)束，而與此同時，中尺度對流系統(tǒng)也逐漸減弱。因此大尺度背景場的水汽輸送對中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展起重要作用。

圖6 2007年7月9日08時 位溫 （等值線，單位：K）和相對濕度 （陰影為相對濕度＜60%的區(qū)域）沿121°E的垂直剖面圖Fig.6 Vertical cross section of potential temperatures （contour，units：K）and relative humidity（areas with humility less than 60%are shaded）along 121°E at 0800LST 9Jul 2007

4.2 中尺度對流系統(tǒng)的地面物理量分析

通過上述對環(huán)境場的分析，了解了本次東北冷渦中的冷空氣與暖濕空氣的活動特征，為了分析其中的中尺度對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先對中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生時近地面物理量的變化情況進(jìn)行分析 （圖8）。在 （43°N，121°E）處，中午12時溫度和濕度都達(dá)到最大，說明此時是大氣處于高溫高濕的狀態(tài)，地面氣壓也穩(wěn)定在1001hPa左右，此時冷渦中的中尺度對流系統(tǒng)并沒有發(fā)生；到了晚上18時，地面溫度與14時相比下降了6℃，比濕變化不大。同時地面氣壓也略有下降；在21時，逐漸開始產(chǎn)生降水，溫度維持不變，但比濕卻略有回升。并不斷有水汽的補充，由水汽輸送通量圖 （圖7）也可看到，南方的暖濕空氣不斷向此處輸送水汽，因此也是水汽開始逐漸增加的原因之一。另外，在降水發(fā)生后，地面氣壓略有增加，但在21時開始地面氣壓下降約4hPa，在9日04時達(dá)到最低約為995hPa，說明此時的中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展成熟，伴隨著強(qiáng)的降壓和降水過程；在9日07時，比濕明顯下降，說明此時已無水汽的補充輸送，由水汽通量散度圖也可知此時主要為水汽通量輻散區(qū)，對應(yīng)的降水也逐漸減弱，此次中尺度對流系統(tǒng)的降水過程趨近于結(jié)束。

4.3 中尺度對流系統(tǒng)的風(fēng)壓場演變特征

“氣旋曲度”降水在天氣業(yè)務(wù)預(yù)報中用到，是指在天氣圖中，等壓線或等高線不能形成閉合曲線，但是風(fēng)場中卻存在著明顯的氣旋性彎曲，在氣旋性彎曲的氣旋曲率最大處容易形成降水，此處的降水稱為 “氣旋曲度”降水。

由地面氣壓場和風(fēng)場圖 （圖9）可見，7月8日23時東北冷渦中心位于 （45°N，115°E），在此處存在閉合等壓線，其周圍有明顯的風(fēng)場輻合運動，但在這個冷渦的右前方，大約 （43°N，119°E）附近，出現(xiàn)一個閉合小低壓中心，配合著風(fēng)場輻合區(qū)。在9日02時，隨著冷渦中心氣壓降至994hPa，冷渦前的小低壓也在不斷加強(qiáng)擴(kuò)大，且與此低壓系統(tǒng)配合的風(fēng)場風(fēng)速加大，在此低壓的東南側(cè)有一股氣流來自渤海灣，有利于暖濕空氣的輸送，此低壓的西北側(cè)即冷渦的西北側(cè)為來自西伯利亞地區(qū)的干冷空氣，這兩股氣流在低壓的東南側(cè)和東北側(cè)交匯，而這里有明顯的氣旋性輻合，因此有利于降水的生成。到了9日05時，小低壓的范圍和強(qiáng)度幾乎與冷渦相同，同時低壓東南側(cè)的中尺度降水系統(tǒng)沿著東南風(fēng)氣流向低壓東北側(cè)移動。在9日08時，低壓系統(tǒng)合并進(jìn)入冷渦中，而此時的低壓降水幾乎都沿著低壓東側(cè)的偏南風(fēng)向東北方向移動，但由于低壓與冷渦的合并使得低壓東南側(cè)的風(fēng)場輻合減弱，同時由于水汽輻合場的填塞，導(dǎo)致降水逐漸減弱消失。

在700hPa風(fēng)場圖中 （圖10），8日23時，冷渦中心已經(jīng)很明顯，中心氣壓達(dá)到298dagpm，但在冷渦中心的東側(cè)并沒有形成閉合的低壓系統(tǒng)，只是有一條較弱的切變線，對應(yīng)有較弱的降水。在9日02時，冷渦范圍擴(kuò)大，且強(qiáng)度加強(qiáng)，中心氣壓降至296dagpm，在冷渦的東南和東北側(cè)風(fēng)場有明顯的氣旋性切變，此切變處既是氣旋性曲率最大處，也是冷暖氣團(tuán)的交界處，因此容易產(chǎn)生降水，此時的降水被稱為 “氣旋曲度”降水。9日05時，冷渦東北側(cè)的風(fēng)場氣旋性切變?nèi)苑€(wěn)定存在，而冷渦東側(cè)的偏南氣流加強(qiáng)，將降水區(qū)沿著風(fēng)場外圍向北推進(jìn)，中尺度系統(tǒng)降水沿著渦旋外圍向東北方向移動，與冷渦東北側(cè)的雨帶合并。在9日08時，渦旋中心略向東南方向移動且強(qiáng)度加強(qiáng)，此時渦旋東側(cè)幾乎全為西南氣流，減少水汽的輸送，同時降水也逐漸減少。

從地面風(fēng)場和700hPa風(fēng)場可知，在對流層低層，渦旋中心的東側(cè)有一低壓系統(tǒng)，配合著風(fēng)場的輻合運動，有利于上升運動的產(chǎn)生。同時在低壓系統(tǒng)的東側(cè)為暖濕的東南氣流，與低壓系統(tǒng)西側(cè)的干冷空氣在低壓系統(tǒng)的東南側(cè)和東北側(cè)相遇。另外，低壓系統(tǒng)的東南側(cè)和東北側(cè)有明顯的風(fēng)場氣旋性切變，出現(xiàn)了最大氣旋性曲率，由此引發(fā)的降水被稱為“氣旋曲度”降水，這種區(qū)域在氣象預(yù)報中非常重要，也正是中尺度系統(tǒng)降水在該處發(fā)生的主要原因。最后，隨著東北冷渦系統(tǒng)的逐漸向東南方向移動，冷渦前的低壓合并進(jìn)入冷渦中使得冷渦加強(qiáng)，冷渦東側(cè)偏南風(fēng)氣流主要為西南氣流，水汽輸送減弱而使得降水逐漸減少。

圖7 2007年7月700hPa位勢高度場 （實線，單位：dagpm）、風(fēng)場 （矢量）及整層大氣水汽通量散度 （陰影，單位：10－5 g·cm－1·s－1）：（a）8日21時；（b）8日23時；（c）9日02時；（d）9日05時；（e）9日08時Fig.7 Vertically integrated water vapor transport（shaded，units：10－5 g·cm－1·s－1）from ground to 200hPa and the geopotential height（contour，units：dagpm），wind vector at 700hPa in Jul 2007：（a）2100LST 8Jul；（b）2300LST 8Jul；（c）0200LST 9Jul；（d）0500LST 9Jul；（e）0800LST 9Jul

4.4 中尺度對流系統(tǒng)的垂直環(huán)流與結(jié)構(gòu)

在對中尺度對流系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)研究前，首先對其散度的垂直剖面進(jìn)行分析 （如圖11），從121°N的散度垂直剖面上，7月9日02時，對流層低層800～850hPa為水平輻合區(qū)，在40.5°N和43°N有兩個散度輻合區(qū)中心，這正與東北冷渦東側(cè)低壓系統(tǒng)的“氣旋曲度”區(qū)位置一致，而在650hPa附近為水平輻散區(qū)，因此 “氣旋曲度”區(qū)有利于在對流層低層形成氣旋式輻合區(qū)。在9日08時水平散度的垂直剖面圖中，只有在42°N～43°N的對流層低層有較弱的水平輻合區(qū)，而原本在40.5°N的水平輻合區(qū)已變?yōu)檩椛^(qū)，說明此處的氣旋式輻合區(qū)主要在北側(cè)，而南側(cè)的水平輻合區(qū)消散，這也與中尺度降水逐漸北移的過程一致。

下面對中尺度系統(tǒng)的垂直環(huán)流和層結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 （圖12），7月8日23時，在41°N～43°N處的對流層中層650hPa為假相當(dāng)位溫θse的低值中心，在對流層中低層為?θse／?p＞0的區(qū)域，即對流不穩(wěn)定區(qū)，有利于對流的發(fā)展；從此時的垂直環(huán)流圖中可知，在42°N以南的對流層低層有垂直上升運動，而在43°N北側(cè)有一支上升運動區(qū)，并一直向上運動至對流層中高層大約300hPa的高度，而在400hPa附近有一個垂直次級環(huán)流圈，因此在對流不穩(wěn)定區(qū)對應(yīng)著兩個垂直上升區(qū)，分別在41°N以南及43°N附近，這正與東北冷渦東側(cè)的 “氣旋曲度”降水的對應(yīng)位置一致，因此 “氣旋曲度”區(qū)有利于在流層低層形成輻合運動，從而激發(fā)出較強(qiáng)的垂直上升運動，在對流不穩(wěn)定區(qū)產(chǎn)生降水。7月9日02時，對流不穩(wěn)定區(qū)范圍向北擴(kuò)大，41°N到43°N的垂直上升運動范圍合并，形成一個較為集中的上升運動區(qū)。7月9日05時對流性不穩(wěn)定區(qū)向南，在7月9日08時對流不穩(wěn)定區(qū)又向北擴(kuò)大，主要在43°N～46°N的對流層中低層，但此時在這個區(qū)域中的對流層中低層垂直運動主要以下沉運動為主，抑制了對流系統(tǒng)的發(fā)展，因此降水逐漸減弱。

由垂直散度、垂直環(huán)流及層結(jié)結(jié)構(gòu)的分析可知，在東北冷渦東側(cè)的低壓系統(tǒng)中，“氣旋曲度”區(qū)易在對流層低層產(chǎn)生強(qiáng)輻合運動，而風(fēng)場的水平輻合運動激發(fā)出較強(qiáng)的上升運動，在對流不穩(wěn)定區(qū)配合著強(qiáng)上升運動，有利于對流系統(tǒng)的發(fā)展而在此處產(chǎn)生降水，因此在低壓系統(tǒng)東南側(cè)及東北側(cè)的 “氣旋曲度”區(qū)易形成降水。

圖8 2007年7月8日09時～9日08時 （43°N，121°E）地面2m的 （a）溫度 （單位：℃）、（b）比濕 （單位：g／kg）、（c）地面氣壓 （單位：hPa）、（d）逐小時模擬地面降水量 （單位：mm）Fig.8 Surface results from 0900LST 8Jul to 0800LST 9Jul，2007at（43°N，121°E）：（a）2－m temperature（℃）；（b）2－m water vapor mixing ration（g／kg）；（c）2－m barometric pressure（hPa）；（d）the hourly precipitation（mm）

4.5 對流渦度矢量對降水落區(qū)的診斷分析

對流渦度矢量 （簡稱CVV）（Gao et al.，2004；趙宇和高守亭，2008）的表達(dá)形式為

其中，ζa為絕對渦度由牽連渦度和相對渦度構(gòu)成，θ為位溫，Δθ表示位溫梯度，ρ為大氣密度。在深對流中，等位溫面的分布近于垂直，因此等位溫梯度主要呈水平方向，在這種情況下，CVV的垂直方向表現(xiàn)明顯，因此可以用CVV的垂直分量來判斷中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展。

圖9 2007年7月地面氣壓場 （實線，單位：hPa）、風(fēng)場 （矢量）和逐小時模擬降水 （陰影，單位：mm）：（a）8日23時；（b）9日02時；（c）9日05時；（d）9日08時Fig.9 The surface pressure（contour，units：hPa），surface wind vector，and the hourly precipitation（shaded）in Jul 2007：（a）2300 LST 8Jul；（b）0200LST 9Jul；（c）0500LST 9Jul；（d）0800LST 9Jul

圖10 700hPa等位勢高度場 （實線，單位：dagpm）、風(fēng)場 （矢量）和逐小時模擬降水 （陰影，單位：mm），其余同圖9Fig.10 Same as Fig.9，but for the geopotential height at 700hPa（contour，units：dagpm），wind vector at 700hPa，and the hourly precipitation（shaded）

700hPa CVV的垂直分量與東北冷渦逐小時降水落區(qū)進(jìn)行對比 （圖13），在降水剛開始的時候，CVV的垂直分量也較小，說明此時只是降水的初期階段，并沒有形成深對流；到了9日01時，此時降水區(qū)逐漸擴(kuò)大，同時CVV的垂直分量區(qū)也逐漸增大，而CVV的垂直分量表示深對流的強(qiáng)度，說明深對流在加強(qiáng)，9日01時和9日0 4時降水發(fā)生的區(qū)域均有CVV的垂直分量，因此，可以說明此時中尺度對流系統(tǒng)進(jìn)入成熟階段。從此過程可知，CVV的垂直分量對于東北冷渦中的中尺度對流系統(tǒng)有一定的指示作用，雖然其對于降水初期的預(yù)報不是很準(zhǔn)確，但是當(dāng)中尺度對流系統(tǒng)進(jìn)入深對流階段時，CVV可以作為一個診斷量，配合 “氣旋曲度”降水，對東北冷渦中的中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生區(qū)域進(jìn)行預(yù)報。

圖11 2007年7月9日散度場 （等值線，單位：10－5s－1）沿121°E的垂直剖面圖：（a）02時，（b）08時Fig.11 Vertical cross sections of divergence field（contour，units：10－5s－1）along 121°E on 9July 2007：（a）0200LST，（b）0800LST

圖12 2007年7月v－ω合成流線圖 （細(xì)箭矢）與假相當(dāng)位溫θse（等值線，單位：K）沿121°E的垂直剖面圖：（a）8日23時；（b）9日02時；（c）9日05時；（d）9日08時Fig.12 Vertical cross sections of stream line（thin arrows）and pseudo－equivalent potential temperature（contour，units：K）along 121°E in Jul 2007：（a）2300LST 8Jul；（b）0200LST 9Jul；（c）0500LST 9Jul；（d）0800LST 9Jul

5 結(jié)論和討論

本文通過對一次東北冷渦過程的 “氣旋曲度”降水進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了有利于降水發(fā)生的天氣尺度背景場和中尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具體結(jié)論如下：

（1）本文利用WRF數(shù)值模式，對2007年7月7日08時～12日08時的東北冷渦過進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比7月8日08時～9日08時24小時降水和9日08時～10日08時24小時降水可知，模擬降水結(jié)果與實際觀測結(jié)果基本一致，但是由于模式分辨率較高以及內(nèi)蒙古境內(nèi)的地形作用使模擬結(jié)果略有偏差。通過對比逐時模擬降水與TBB資料，說明此次東北冷渦的模擬結(jié)果能夠體現(xiàn)出其中的一次中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展過程，因此可以對中尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖13 2007年7月CVV垂直分量 （實線，單位：10－7 m2·s－1·K·kg－1）和逐小時降水量 （陰影，單位：mm）：（a）8日23時；（b）9日01時；（c）9日04時Fig.13 Distribution of the simulated vertical component of the convective vorticity vector（contour，units：10－7 m2·s－1·K·kg－1）and hourly precipitation（shaded，units：mm）in July 2007：（a）2300LST 8Jul；（b）0100LST 9Jul；（c）0400LST 9Jul

（2）通過分析天氣尺度背景場可知，本次東北冷渦過程是一個深厚系統(tǒng)，從850hPa到300hPa都存在閉合環(huán)流。500hPa在貝加爾湖以東存在一個低槽，此低槽不斷向東北冷渦系統(tǒng)輸送干冷空氣，有利于東北冷渦的維持與加強(qiáng)。從相對濕度場和經(jīng)向風(fēng)場分析可知，在對流層中高層出現(xiàn)干侵入過程，干空氣主要來源于我國內(nèi)蒙古西部和東北冷渦的西北部，隨著東北冷渦一起呈渦旋狀運動，而中層的干空氣范圍比高層要大得多，因此在對流層中層的干侵入更加明顯。850hPa和700hPa中冷渦東部的偏南氣流，不斷向東北地區(qū)輸送水汽和暖空氣，提供充足的水汽條件，從水汽通量中可以看到，在遼寧南部和內(nèi)蒙古交界處存在明顯的水汽通量輻合區(qū)，為氣旋曲度降水的發(fā)生提供必要的水汽條件。

（3）通過分析對流層中低層的風(fēng)場結(jié)構(gòu)可知，在對流層低層冷渦中心的東側(cè)有一個小低壓系統(tǒng)，配合著風(fēng)場的輻合運動，有利于上升運動的產(chǎn)生。在此小低壓系統(tǒng)的東側(cè)為暖濕空氣，與低壓系統(tǒng)西側(cè)的干冷空氣相遇，而低壓系統(tǒng)的東南側(cè)和東北側(cè)為氣旋性渦旋曲率最大處，因此降水主要發(fā)生在低壓系統(tǒng)的東南側(cè)和東北側(cè)，這種類型的降水為 “氣旋曲度”降水。另外，通過分析由垂直散度、垂直環(huán)流及層結(jié)結(jié)構(gòu)的分析可知，東北冷渦東側(cè)的低壓系統(tǒng)中，“氣旋曲度”區(qū)易在對流層低層產(chǎn)生強(qiáng)輻合運動，而風(fēng)場的水平輻合運動激發(fā)出較強(qiáng)的上升運動，在對流不穩(wěn)定區(qū)配合著強(qiáng)上升運動，有利于對流系統(tǒng)的發(fā)展而在此處產(chǎn)生降水，因此在低壓系統(tǒng)東南側(cè)及東北側(cè)的 “氣旋曲度”區(qū)易形成降水。東北冷渦過程中并非所有區(qū)域都存在降水，也并非渦旋中心有強(qiáng)降水，而是在有利于降水發(fā)生的天氣尺度背景下，且由于氣旋性曲率最大處形成明顯的風(fēng)場輻合運動區(qū)，易形成較大降水。

（4）700hPa的對流渦度矢量 （CVV）的垂直分量與降水區(qū)對應(yīng)一致，在降水剛開始時，CVV的垂直分量較小，而在降水進(jìn)入深對流時，CVV的垂直分量增大，降水區(qū)有CVV的垂直分量，說明此時為對流系統(tǒng)達(dá)到成熟階段，而隨著CVV垂直分量的減少，中尺度對流系統(tǒng)的降水也減弱。從此過程可以看出，在東北冷渦中尺度對流系統(tǒng)進(jìn)入成熟階段時，CVV的垂直分量對發(fā)降水的區(qū)域有一定的指示作用。

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A Numerical Study and Rainfall Analysis of a Cold Vortex Process over Northeast China

WANG Pei1，2，SHEN Xinyong1，and GAO Shouting2，3

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterofMinistryofEducation，NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology，Nanjing210044
2LaboratoryofCloud－PrecipitationPhysicsandSevereStorms，InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029
3StateKeyLaboratoryofSevereWeather，ChineseAcademyofMeteorologicalSciences，Beijing100081

Using the WRF／ARW model to simulate a proceeding of cold vortex over Northeast China during 8－12July 2007.The analysis of synoptic weather indicates that the cold air mass above the north of Lake Baikal moves to the cold vortex over Northeast China and enforces it.What is more，apart of the cold air transfers to the middle and lower troposphere from the tropopause，which causes the process of dry intrusion.Besides，in the east of cold vortex，there is the convergence of water vapor transport，which indicates the water vapor is plentiful there，and the intersection of the cold dry air and the warm wet air benefits the formulation of rainfall.The results of wind structure of mesoscale convective system（MCS）prove that the southeast and northeast parts of cold vortex，where there exists the maximum of cyclonic curvature，are the areas prone to MCS，which leads to the heavy rainfall.Finally，the vertical component of convective vorticity（CVV）is used to diagnose the location of MCS rainfall，and the corresponding of CVV and rainfall shows that CVV could indicate the area of rainfall.

cold vortex over Northeast China，rainfall of cyclonic curvature，convective vorticity

1006－9895（2012）01－0130－15

P443

A

王培，沈新勇，高守亭.2012.一次東北冷渦過程的數(shù)值模擬與降水分析 ［J］.大氣科學(xué)，36（1）：130－144. Wang Pei，Shen Xinyong，Gao Shouting.2012.A numerical study and rainfall analysis of a cold vortex process over Northeast China［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（1）：130－144.

2011－01－26，2011－04－25收修定稿

國家自然科學(xué)基金資助項目40930950、41075039，災(zāi)害天氣國家重點實驗室開放課題2008LASW－A01

王培，女，1986年生，碩士，主要從事中尺度天氣學(xué)和數(shù)值模擬研究。E－mail：wangpei6＠gmail.com