吉林省民航机场集团有限公司航务管理部白城分部，吉林 白城

收稿日期：2022年12月10日；录用日期：2023年1月7日；发布日期：2023年1月16日

摘要

本文利用ERA-5再分析资料，诊断分析了吉林省白城市2022年7月13日发生的强降水过程，结果表明：本次白城地区的强降水过程具有范围广、突发性强、持续时间较长的特征，并伴有频繁的雷电活动，为一次典型的对流性强降水过程；强降水发生之前白城地区水汽充沛、处于高能高湿的环境场中，有不稳定能量的蓄积；500 hPa、700 hPa的高空槽以及地面锋面系统为强降水的发生提供了动力抬升条件，同时白城地区附近中低层辐合、高层辐散的配置使得垂直上升运动增强并维持，垂直上升运动将低层的水汽源源不断地输送到对流层中高层，并触发不稳定能量的释放，诱发白城的强降水；且此次暴雨过程符合中尺度对流复合体(MCC)的特征。

关键词

暴雨，水汽条件，动力条件，热力条件，不稳定能量

Diagnosis and Analysis of Heavy Rainfall at Baicheng Airport on July 13, 2022

Rui Gao

Baicheng Branch of Aviation Management Department of Jilin Civil Aviation Airport Group Co., Ltd., Baicheng Jilin

Received: Dec. 10^th, 2022; accepted: Jan. 7^th, 2023; published: Jan. 16^th, 2023

ABSTRACT

This paper uses ERA-5 reanalysis data to diagnose and analyze the heavy rainfall process in Baicheng City, Jilin Province on July 13, 2022. The results show that the heavy rainfall process in Baicheng area has the characteristics of wide range, strong burst, long duration, and frequent lightning activities, which is a typical convective heavy rainfall process; Before the heavy rainfall, Baicheng area had abundant water vapor, was in the environment field of high energy and high humidity, and had unstable energy accumulation; The 500 hPa and 700 hPa high troughs and the surface frontal system provide the dynamic lifting conditions for the occurrence of heavy rainfall. At the same time, the configuration of convergence at the middle and lower levels and divergence at the upper levels near Baicheng District enhances and maintains the vertical upward movement. The vertical upward movement continuously transports the water vapor source at the lower levels to the middle and upper troposphere, triggers the release of unstable energy, and induces the heavy rainfall in Baicheng; And the rainstorm process conforms to the characteristics of mesoscale convective complex (MCC).

Keywords:Rainstorm, Water Vapor Conditions, Dynamic Conditions, Thermal Conditions, Unstable Energy

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

短时强降水是我国常见的影响极大的天气之一，由于其具有历时短、强度大等特点，可以在短时间内形成大量级的降水，引发滑坡、泥石流、城市内涝等灾害，常常造成重大经济损失和人员伤亡。另一方面，由于其突发性强、时空尺度较小，一直是气象预报业务的难点 [1] [2]。我国境内短时强降水具有地域分布较为广泛，时间尺度间隔偏大的特征。局地性强降水过程和大范围持续性强降水过程往往会极大地增加发生重大洪涝灾害的概率，从而对社会造成较为严重的经济损失。

2022年7月13日，受高空槽和地面锋面过境的共同影响，吉林省自西南向东北出现中到大雨，局部达到暴雨或大暴雨量级，并伴有雷暴、短时强降水等强对流天气现象。吉林省白城市地处嫩江平原西部，科尔沁草原东部，对全省社会经济发展具有重要作用。在此次吉林省强降水过程中，白城市正处于降水大值区范围内，位于降水中心的西北侧，本文将对白城市此次降水过程的动力、热力及不稳定能量等物理量特征进行诊断分析，以期对区域性强降水过程建立更深入、全面的认识，防御和减轻强对流天气所带来的次生灾害。

2. 资料和方法

2.1. 所用资料

本文利用2022年7月13日ERA-5再分析资料，分辨率为0.25˚ × 0.25˚，观测时次为每日的02时、08时、14时、20时。包括风场(uwnd、vwnd)、位势场(hgt)、比湿场(shum)、地面气压场(pres)、垂直速度场(omega)、散度场(div)、海平面气压场(slp)。全文中的时次如无特别说明，均为北京时；且全文中的图表如无特别说明，均为利用ERA-5再分析资料处理所得到。

2.2. 研究方法

2.2.1. 整层水汽通量散度

采用从地面气压往上垂直积分至300 hPa的方式，计算整层水汽通量散度，计算公式为：

$Q_{div}=-\frac{1}{g}\cdot \nabla \cdot {\displaystyle {\int }_{p_s}^p\stackrel{\to }{V}}qdp$ (1)

其中，Q_div表示整层水汽通量散度，单位为kg·m⁻²·s⁻¹；g为重力加速度，单位为m·s⁻¹； $\stackrel{\to }{V}$ 是u、v方向的风速，单位为m·s⁻¹；q为各层比湿，单位为g·kg⁻¹；大气层顶p取为300 hPa，p_s为地面气压。水汽通量散度的物理意义为：水汽通量散度为正值的区域表示水汽以该地区为中心，向周围辐散，即该地区为附近地区内水汽源；反之，若某区域水汽通量散度表现为负值，则表示其四周有水汽向该区域汇合、聚集，则表明该地区为水汽汇。

2.2.2. 假相当位温

一般来说，在绝热情况下，大气层中气块的温度一方面随气压场的变化而产生相应的变化，另一方面其变化也受到水汽凝结和蒸发的影响，基于以上理论，引入一个物理量，用以对空气冷暖程度进行衡量，该物理量即为假相当位温 ${\theta }_{se}$。假相当位温( ${\theta }_{se}$ )是指：气温经历过湿绝热过程，将气团内含有的全部水汽凝结、释放，再经过干绝热过程达到1000 hPa时，该气团所具有的温度，其计算公式为：

${\theta }_{se}=T{\left(\frac{1000}{p-e}\right)}^{R_d/c_{pd}}\exp \left(\frac{Lr}{c_{pd}{T}_c}\right)$， (2)

其中， ${\theta }_{se}$ 是温度、气压、水汽含量的函数，是表征温压湿综合的物理量，假相当位温不但考量了气压对气团温度的影响，并且还把凝结潜热使气团的升温的影响，也做了最大程度的考虑，因此，假相当位温无论在干湿绝热过程中，还是在湿绝热过程中，都具有相当的保守性。由T-lnp图可知，在同一气压下， ${\theta }_{se}$ 越大，代表该气团越暖、越湿， ${\theta }_{se}$ 越小，代表该气团气越干、越冷。

2.2.3. K指数

在本文的分析中，涉及到一个衡量大气热力不稳定度的常用指数——K指数，计算公式 [3] 为：

$K=\left(T_{850}-T_{500}\right)+T_{d850}-{\left(T-T_d\right)}_{700}$ (3)

式中，T和T_d分别表示气温和露点温度，下标850，700和500表示T和T_d所在的垂直高度层次分别为850，700和500 hPa。K指数在实际天气业务中往往用来对大气层结的稳定性进行判识，K指数的数值越大，表示大气层结不稳定度越高；反之K指数数值越小，则表示大气层结稳定度越高。

3. 过程概况和天气形势

3.1. 过程概况

受高空槽线以及地面锋面过境影响，2022年7月13日，吉林省自西南向东北出现一次中到大雨天气过程，局部甚至达到暴雨、大暴雨量级，并伴有雷暴、短时强降水、大风、冰雹等强对流天气现象，13日6时至14时，白城地区累计降水量为178.1 mm，达到大暴雨等级，白城机场也持续出现雷雨天气。

此次降水过程从7月13日早上开始，持续到13日夜间，持续时间较长。由白城站雷达拼图可知(图1)，13日06时03分探测到白城市南部地区已经出现了大范围的强对流天气(图1(a))，其中心最大值已超过50 dBz，降水回波由西南向东北方向推进，逐渐靠近白城地区。至09时00分(图1(b))，强对流回波已覆盖白城大部地区，中心强度仍超过50 dBz，其中降水主要集中在白城南部以及东北部地区。至16时36分(图1(c))，第二波降水回波再次由西南向白城地区移动，雨强中心也进一步向东北方向移动，其中心最大值仍超过50 dBz。至19时33分(图1(d))，降水回波再次盖白城南部以及东北部地区。白城此次强对流回波分布与降水落区基本对应，以短时强降水和雷暴为主，由此可知，本次白城地区的降水性质为对流性强降水。且本次降水过程强度大、范围广、持续时间较长，有较强的破坏力。

图1. (a) 7月13日06时03分；(b) 7月13日09时00分；(c) 7月13日16时36分；(d) 7月13日19时33分。白城站雷达组合反射率(单位：dBz)

3.2. 环流背景

暴雨一般出现在有利的高低空系统配置下，为了研究强降水发生时的天气系统配置，分析500 hPa上(图2)此次强对流天气发生前、中、后期的环流形势，13日08时(图2(a))，亚欧大陆中高纬度地区基本表现为“两槽一脊”型环流形势，高压脊位于贝加尔湖南侧至内蒙古中西部地区，2个低压槽区分别位于新疆西北部地区和内蒙古东北至华北一线，呈带状分布，白城地区处于高空槽前部，槽后较强的偏北气流对冷空气南下有引导作用，与槽前西南暖湿气流交汇，为暴雨的发生发展提供了有利的条件，配合地面出现冷锋，导致白城气温急速下降；西太平洋副热带高压(以下简称副高)在中低纬地区较强，西伸脊点在(120˚E，35˚N)附近；副高的加强西伸，既延滞了东亚深槽的移动，又促使西南气流加强，进一步为暴雨的发展提供了有利条件。至13日14时(图2(b))，槽线进一步向东移动，此时副高有所减弱，为槽线的移动提供了有利条件，而此时白城仍处于槽前，持续的西南暖湿气流为暴雨的发生、发展提供了较为有利的水汽条件。至13日14时(图2(c))，此时白城地区槽过境，转为西北气流，槽线移动至我国东北地区。至14日02时(图2(d))，副高显著南退，槽线进一步向东南方向移动，此时白城地区处于辐合区中心。由以上高空环流形势分析可知，在对流中层风场出现辐合，副高减弱，配合一股弱冷空气南下，这些都是有利于中尺度天气系统发生的一些基本条件。

图2. (a) 7月13日08时；(b) 7月13日14时；(c) 7月13日20时；(d) 7月14日02时。500 hPa位势高度场、风场(位势高度场单位：10 gpm，风速：m/s)

从700 hPa位势高度场和风场上(图3(a)，图3(b))可以看到，此次暴雨过程中白城地区处于较强的西南气流辐合区，为暴雨的发生、发展提供了充足的水汽。13日08时(图3(a))，白城处于槽前，较强的西南气流向降水区输送了大量的暖湿气流，表明此时水汽输送显著，主要影响区域为内蒙古东北部以及黑龙江、吉林西部地区。至13日14时(图3(b))，槽线进一步维持并加强，发展至东北西部地区至渤海一线，冷空气也进一步东移南下。同时由850 hPa位势高度场和风场(图3(c)，图3(d))可知，850 hPa位势高度场也揭示了本次强降水过程的水汽来源，较强的西南气流将大量水汽由我国渤海地区输送至我国内蒙古东北部以及东北地区，与西北气流交汇，为本次暴雨的形成提供了有利条件。从850 hPa位势高度场和风场上可知，13日08时(图3(c))，吉林省西部地区形成了低空西南急流，且白城地区此时处于西南气流中，

图3. (a) 7月13日08时；(b) 7月13日14时；700 hPa位势高度、风场；(c) 7月13日08时；(d) 7月13日20时；850 hPa位势高度、风场

为暴雨的形成提供了大量的暖湿气流。至13日20时(图3(d))，白城地区处于辐合区中心，为暴雨的进一步维持提供了有利条件。

由图4可知，由于高空槽后冷平流的输送，白城的海平面气压场逐渐降低，地面温度出现明显下降。高层干冷、中低层暖湿的配置加大了气层的不稳定性，有利于白城地区对流性强降水的发生。13日08时(图4(a))，此时锋面位于内蒙古东北部至渤海以及东南沿海地区一线，白城基本处于锋前位置。至13日20时(图4(b))，白城处于低压中心位置，这种低层强烈的辐合上升运动，为暴雨的持续提供了有利的动力条件。

图4. (a) 7月13日08时；(b) 7月13日20时。地面气压场(气压场单位：hPa)

由以上分析可知，出现在中高层的槽线以及地面锋面系统是此次白城地区暴雨的主要影响天气系统。高空槽后偏北气流引导冷空气南下与中低层的暖湿气流相交汇，同时配合地面锋面过境，为本次暴雨过程提供了较好的动力及热力条件。

4. 物理量诊断分析

4.1. 水汽条件

一个地区上空水汽含量的多寡对暴雨的产生、发展和结束有着直接的影响，同时某地降水的强度及频率与该地上空整个大气柱的水汽含量以及水汽饱和程度有着紧密的关联 [4]。作为强降水过程发生的关键物理条件之一，是否有充沛、持续的水汽供应是诊断强降水过程必须要考虑的因素。大气中水汽含量的多少、传输特点及其聚集度是决定降水多少的重要影响因子。

水汽辐合程度对暴雨的发生尤为重要，通过对整层大气水汽通量散度(图5)的分析发现，此次强降水过程中有极强的水汽聚集过程。由850 hPa上风场、水汽通量散度以及比湿分析可知，13日08时(图5(a))，水汽通量散度的辐合中心位于辽宁省中部地区，辐合中心强度超过了−200 × 10⁻⁷ kg/m²·s，且白城地区比

图5. (a) 7月13日08时；(b) 7月13日14时；(c) 7月13日20时；(d) 7月14日02时。850 hPa风场、水汽通量散度(阴影，单位：10⁻⁷ kg/m²·s)以及比湿(等值线，单位：g/kg)

湿超过了12 g/kg，表明此时白城地区的水汽含量较为充沛，且在降水发生期间水汽辐合一直维持，同时持续的西南气流为暴雨的发生发展提供了充足的水汽。之后水汽通量散度的辐合中心逐渐向西移动，至13日14时(图5(b))，白城地区比湿仍超过12 g/g，表明此时白城上空水汽含量仍较为充沛。至13日20时(图5(c))，白城地区上空比湿有所减小，此时白城处于西北风与西南风的切变区域，为暴雨的持续提供了有利的动力条件。至14日02时(图5(d))，白城地区在850 hPa上的风场为西北风，此时空中槽已过境，降水过程趋于结束。由此可知，白城地区在此次产生强降水的时段内比湿较大，且水汽辐合的维持以及风切变为暴雨的发生和持续提供了有利的条件。

4.2. 动力条件

充沛的水汽、较长时间的维持和强烈的上升运动是促使暴雨过程发生、发展的必要条件 [5]，而散度、垂直速度通常被用以表征强降水过程中动力条件的强弱。图6给出了沿122.84˚E做剖面白城地区上空的垂直速度分布，45˚N为研究区域，可以看到，13日08时(图6(a))，强降水开始时白城地区以南850 hPa附近存在显著的oemga场负值区，表明该区域存在一定的垂直上升运动，高空和低空的差异较小，而在45˚N~47˚N之间700 hPa以上为oemga场负值区，同时由散度场分析可知，在41˚N附近900 hPa上存在较大的散度负值区，白城位于负值中心北部，表明该区域有强烈的辐合上升运动，而在700 hPa附近为散度正值中心区，表明在该高度上有辐散下沉运动，这种交替的上升下沉运动为暴雨的发生提供了较好的动力条件。由以上分析可知，在白城地区南部低空辐合，高空辐散产生的抽吸作用利于垂直上升运动的加强和维持，为暴雨的发生发展提供了较为有利的动力条件。同时由于高空槽在高层大气中引导冷空气南下，低层又存在充足的暖湿气流，在这样的配置下，斜压能量在中层得到大量积累，这种斜升区带来的斜压不稳定，为不稳定能量的储备及释放提供了强大的动力机制。至13日20时(图6(b))，随着降水的持续，白城附近仍然存在较强的垂直上升运动，为降水的持续提供了动力抬升条件。

图6. (a) 7月13日08时；(b) 7月13日14时。沿122.84˚E剖面垂直速度场(阴影，单位：Pa/s)、散度场(单位：10⁻⁶ s⁻¹)

4.3. 热力条件

4.3.1. 假相当位温(θ_se)

假相当位温(θ_se)是表征大气温湿特征的物理量，对流层中，θ_se的数值越高，代表着对应的区域温度和湿度越高 [6]。同样沿122.84˚E做剖面，白城地区处于槽前西南气流，为降水区输送了大量的暖湿气流，由图7(a)可知，13日08时白城以南41˚N附近的900 hPa上为冷平流，42˚N附近为暖平流，这种冷暖气团的交汇，进一步为暴雨发展提供了有利条件。同时由图可知，白城位于850 hPa假相当位温的大值区，具备高能高湿的不稳定条件，表明此时随着降水的发生，不稳定能量逐渐释放。且750 hPa以下普遍为偏南风，为降水区持续输送了大量的暖湿空气。至13日20时(图7(b))，白城以南的冷平流范围进一步扩大，分别在700 hPa以及350 hPa附近形成了两个冷平流中心，冷空气逐渐向白城地区靠近，白城以南地区700 hPa以下也转为了西北风，且白城地区假相当位温的大值区范围有所减小，白城附近θ_se的数值也显著减小，这表明近地层天气系统已经过境，此次降水过程趋于结束。综上所述，由西南向东北方向倒灌的干冷空气加强了白城地区南北向的温度梯度，倒灌的干冷气流与南上的暖湿气流在东北西南部地区交汇，从而加强了水汽在暴雨区的积聚，为白城地区暴雨的发生、发展提供了有利的热力条件。

图7. (a) 7月13日08时；(b) 7月13日20时。沿122.84˚E剖面温度平流(阴影，单位：℃)、假相当位温场(单位：K)以及风场(单位：m/s)

4.3.2. K指数

可供释放的对流不稳定能量的大小是降水过程强弱的潜在量度。K指数是表征大气热力不稳定度的常用指数，根据统计得出：K < 20℃，无雷雨；20℃ < K < 25℃，有孤立的雷雨；25℃ < K < 30℃，有零星的雷雨；K > 30℃，有成片的雷雨 [5]。由图8可知，13日04时(图8(a))，内蒙古东北部以及吉林省西部地区出现了两个K指数大值区，其中心数值超过36℃，白城处于大值中心北侧，K指数数值超过36℃。至13日08时(图8(b))，白城地区出现大规模的强降水天气过程，此时白城地区处于K指数大值区，其中心数值超过36℃，表明此时白城地区的大气不稳定程度较强。至13日20时(图8(c))，此次降水过程逐渐结束，K指数大值区进一步向南移动且数值减小较为显著，此时白城地区的大气不稳定程度减弱也较为显著。由以上分析可知，西南向东北倒灌的干冷空气增大了南北温差，冷暖空气交汇，使得大气层结较不稳定度进一步增大。同时随K指数的增加，温度差也增大，这表明在垂直方向上的湍流运动较强，为暴雨的形成与发展进一步提供了热力不稳定条件。

图8. (a) 7月13日04时；(b) 7月13日08时；(c) 7月13日20时。K指数(单位：℃)

4.4. 不稳定能量

本文选取白城站的探空图(图9)，分析此次雷暴强对流天气发生前、中、后期的不稳定能量，由探空的比湿曲线可以看出，12日20时(图9(a))，850 hPa以下水汽含量在8 g/kg以上，说明近地层水汽条件较好，而在600~500 hPa的位置上存在逆温层，有利于不稳定能量的储存。在400 hPa以下均为西南风，这表明此时白城地区处于空中槽前，且此时CAPE值为200 J/kg。至13日08时(图9(b))，逆温层仍在600~500 hPa之间，且上干下湿，有利于雷雨天气的形成。且此时层结曲线落后于状态曲线，CAPE值为1084 J/kg，表明此时已积累了大量不稳定能量，为此次强对流天气过程的持续发展提供了较为有利的动力以及热力条件。至13日20时(图9(c))，此时近地层800 hPa以下存在逆温层，而此时CAPE值已经减小为183 J/kg，表明此次强对流天气过程已经趋于结束。

4.5. 卫星TBB分析

降水过程的发生发展与云的结构以及云系演变过程有着直接的关系。由于此次暴雨过程符合中尺度对流复合体(MCC)的特征，本文利用风云-2G卫星红外云图TBB (图10)，分析此次雷暴强对流天气发生前、中、后期的变化特征。由红外云图(图10)分析可知，12日20时(图10(a))受空中槽移动以及水汽输送的影响，在我国内蒙古东北部地区有一强暖湿气团生成。此时为中尺度对流复合体的初生期，由迅速发展的对流单体造成内蒙古东北部以及东北西部地区出现强降水。至13日08时(图10(b))，云系受西南风影响，发展过程中其南侧不断有云带形成，此时强降水区域的面积也进一步扩大，且与TBB较低的区域相对应，而白城地区处于TBB小于−50的中心区域内，白城地区也出现了强降水天气。至13日14时(图10(c))，在白城地区北部以及东南部地区逐渐形成两个冷云区，并在风场的作用下进一步向白城地区输送水汽，降水区域随云区面积的扩大也进一步扩大。随后至14日02时(图10(d))，此次中尺度对流复合体的发展进入结束期，此时白城地区强降水过程逐渐结束。

图9. (a) 7月12日20时；(b) 7月13日08时；(c) 7月13日20时。斜温对数压力图

图10. (a) 7月12日20时；(b) 7月13日08时；(c) 7月13日14时；(d) 7月14日02时。TBB

5. 小结

本文对2022年7月13日白城地区暴雨的天气学成因进行了诊断分析，得到如下结论：

1) 本次白城地区的强降水过程具备范围广、突发性强、持续时间较长的特征，伴随强降水，有频繁的雷电活动，为一次典型的对流性强降水过程。

2) 降水发生前，亚洲中高纬度500 hPa基本为两槽一脊型，高压脊位于贝加尔湖南侧至内蒙古中西部地区，两个低压槽区分别位于新疆西北部地区和内蒙古东北至华北一线，呈带状分布，槽后偏北气流引导冷空气南下，导致白城地面气温下降；对流中层风场出现辐合，副高减弱，配合一股弱冷空气南下，为中尺度天气系统的发生提供了有利的基本条件。空中槽和地面锋面系统过境是本次白城强降水过程的主要影响系统。

3) 水汽条件方面，白城地区处于水汽通量散度大值区，水汽辐合上升，为本次降水过程提供了充足的水汽，而此次强降水过程的水汽主要来自我国渤海地区。在此次产生强降水的时段内白城地区的比湿较大，且水汽辐合的维持以及风切变为暴雨的发生和持续提供了有利的条件。

4) 动力条件方面，在暴雨区有着强烈的垂直运动，近地层动量交换频繁，同时在白城地区上空低层辐合、高层辐散，这种交替的上升下沉运动为暴雨的发生提供了较好的动力条件。

5) 热力条件方面，K指数及假相当位温的数值在强降水出现前增大，在降水区，产生强烈的上升运动将低层的水汽源源不断地输送到对流层中高层，以维持对流云团和暴雨的发展，为暴雨的发展提供了较好的热力条件，同时，垂直上升运动触发不稳定能量的释放，也为此次白城的强对流天气提供了有利条件。

6) 不稳定能量方面，通过对白城站的探空图分析可知，在此次强降水过程中，大气层结维持上干下湿，进一步加深了不稳定层结，而逆温层范围也一度扩大至600~500 hPa之间，为暴雨的发展积累了大量的不稳定能量。

7) 通过对卫星TBB的分析可知，此次暴雨过程符合中尺度对流复合体(MCC)的特征，受空中槽移动以及水汽输送的影响，白城地区处于TBB小于−50的区域内，在白城地区北部以及东南部地区形成了两个冷云区中心，并在风场的作用下向白城地区输送水汽，为强降水的持续提供了较为有利的条件。

文章引用

高 睿. 2022年7月13日白城机场强降水诊断分析
Diagnosis and Analysis of Heavy Rainfall at Baicheng Airport on July 13, 2022[J]. 气候变化研究快报, 2023, 12(01): 59-71. https://doi.org/10.12677/CCRL.2023.121007

参考文献