东北冷涡引起的对流输送过程个例分析和数值模拟
一次东北冷涡型暴雪天气过程分析
黑龙江气象HEILONGJIANG METEOROLOGY 第37卷第3期2020年9月Vol.37 No.3Sept. 2020文章编号：1002-252X(2020)03-0008-02一次东北冷涡型暴雪天气过程分析李季，王吉豪,谢静雯(鹤岗市气象局，黑龙江鹤岗154100)摘 要：本文从高空环流背景、地面影响系统、水汽条件及动力条件等方面+对2015年12月2-4 日一次冷涡产生的暴雪天气过程进行分析，总结出现此次冷涡型暴雪天气受各层正涡度中心(系 统近乎垂直)随着东北冷涡逐步东移至鹤岗市中心，并且偏东气流在鹤岗地区形成小兴安岭的迎 风面+地形的抬升导致了上升运动的维持+低涡东南部有一东北西南向的水汽通道$持续输送渤海 的 气流，加之偏东气流带来的水汽，鹤岗市东南部上空形成堆积辐合，为降雪提供了充足的 水汽来源，上因素的作用使降雪 0关键词：高空环流;东北冷涡；暴雪中图分类号:P458.1+21 文献标识码:AAnalysis of an abnormal northeast cold vortex snowstormLI Ji,WANG Ji-hao,XIE Jing-wen(Hegang Meteorological Bureau, Heilongjiang Hegang 154100)Abstract : This paper analyzes the snowstorm process caused by a cold vortex on December 2-4, 2015 from the aspects of upper air circulation background, ground influence system, water vapor condition and dynamic condi tion, It is concluded that the positive vorticity center of each layer (system is nearly vertical) moves eastward to the center of Hegang along with the northeast cold vortex, and the easterly airflow forms the windward side of Xiaoxing'an Mountains in Hegang area, The uplift of the terrain leads to the maintenance of the ascending move ment. There is a northeast southwest water vapor channel in the southeast of the vortex, which continuously transports the warm and humid air flow from the Bohai Sea. In addition, the water vapor brought by the easterly airflow forms the accumulation and convergence over the southeast of Hegang City, which provides sufficient wa ter vapor source for snowfall. In summary, the effect of other factors on the snowfall has an obvious increase. Key words ： upper air circulation; northeast cold vortex; heavy snow1 引言每年冬季，我国北方很多地区都会出现暴雪天 气，尤其是我国东北等地区暴雪天气最为频繁）而因 为暴雪天气，人们的交通出行以及农业生产方面受 到了严重的影响）鹤岗市位于黑龙江省东北部，西北 部为低山丘陵区，东南部为三江平原西缘、北隔黑龙 江%东南临松花江、西屏小兴安岭，地势由西北至东 南逐渐平缓，其气候特征是：受温带大陆性季风影 响，冬季寒冷多雪、夏季温暖多雨，春季干燥多风、秋季短暂降温迅速，年平均降水量约为640 mm ）本文 利用常规资料及数值预报产品，对此次暴雪天气进 行诊断，可为以后同类暴雪天气预报提供一些参考） 2降雪实况2015年12月2日-4日，受冷涡和蒙古气旋影 响，鹤岗市普降暴雪:其中3日降雪最大，萝北县降雪 量为21.9 mm ,过程量为30.9 mm ；鹤岗市3日降雪收稿日期：2020-6-1第一作者简介：李 季（1990-）,女，黑龙江省鹤岗市人，南京信息工程大学，本科生，助理工程师.第3期李季，等:一次东北冷涡型暴雪天气过程分析914.2mm,过程量22.4mm,绥滨县过程降雪17.4mm。
一次强东北冷涡的分析
重 要 的 水 汽 输 送 作 用 。 选 取 ’(#$%& 的 强 风 - >? ",<・= * " . 轴代表低空急流，连续几天的低空急流 演变动态过程图 （ 图略 ） 。( 月 "@ 日急流由渤海湾沿 到了 ( 月 ,# 日低空急流前侧引导气流深入到了黑龙 江省东南部直接影响至牡丹江市。这支急流的前侧 湿舌从海上带来了大量的水汽，从每日的湿区 （ B* 的推进可以看出这一点。 BC D )E 的区域 ） 有了大量的水汽并不意味着就有暴雨，急流轴 经过的吉林省雨量并不均匀，甚至有些地方没有降 水， 说明急流本身并不是触发暴雨的机制。需要指出 的是东北气流在牡丹江、 东宁、 绥芬河等地得到了加 强，与西南方向的急流在这里转变为东北气流和西 南气流的切变线，在高空冷涡的引导下形成了强盛 的稳定少动的辐合线 （ 见图 )） 。在 ,# 日 #’ 时至 ,# 时只移动了几十公里， 正是这条辐合线， 造成了这次 的暴雨。
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之一，其急流的前沿的引导气流也足以传送大量水 汽，与动力辐合场相联系，同时高空处在一个辐散 区， 有利于上升气流的引导， 暴雨的落点易在该处产 生， 当然与地面稳定的辐合线有着密切的关系， 要注 意抓住强天气的触发机制， 如辐合线等。
引言 东北高空冷涡是产生强降水和强对流的重要天 气系统之一 R " S ， 其诱发对流的天气是预报业务的重点 和难点，有尺度小、突发性强等特点，因此现有数值 预报效果比较差， 尤其对其落区、 强度很难把握。冷 涡出现在东北地区极易引发暴雨、大风冰雹等强对 流天气， 会造成严重的损失， 分析东北高空冷涡天气 演变过程， 并对基本物理量进行了诊断分析。
211144891_一次东北冷涡过程暴雨及强对流天气分析
农业灾害研究 2023,13(3)一次东北冷涡过程暴雨及强对流天气分析崔 悦，王健博辽源市气象局，吉林辽源 136200摘要 利用高空、地面等常规气象资料和多普勒雷达资料，对2022年6月4—7日影响吉林省辽源市的东北冷涡暴雨过程进行诊断，结果表明：此次冷涡降水主要发生在冷涡的发展与成熟阶段，类似于中间涡暴雨形势特征。
冷涡降水具有日变化特征，午后极易发生强对流天气。
暖锋的发展为短时强降水提供了初始扰动。
干空气下摆侵入，增强不稳定层结，促使风雹天气发生。
VIL值的跃增和减小与冰雹的出现和消散相对应。
VIL高值不能说明大冰雹是否出现，还应与VIL高值维持时间相联系，维持时间越短，越不利于大冰雹的产生，这对冰雹直径的预报具有一定的指示意义。
关键词 东北冷涡；暴雨；强对流；雷达回波；VIL值中图分类号：P458.1+21.1 文献标识码：B 文章编号：2095–3305(2023)03–0117-03东北冷涡（以下简称冷涡）是造成东北地区低温冷害、持续阴雨洪涝、突发性强对流天气的重要天气系统，常引发暴雨、雷电、风雹和短时强降水等灾害性天气。
我国东北地区22.4%的暴雨和53%的风雹都是在冷涡背景下产生的。
连续几天在同一个地区产生暴雨是东北冷涡最显著的特点，也可产生伴随强对流的短时强降水。
由于东北冷涡具有多变性，导致难以预报东北冷涡天气系统影响下的降水过程和强对流天气，所以众多气象工作者针对东北冷涡的气候特点和降水特征，围绕东北冷涡背景下的强对流天气预报等开展了诸多研究。
郑秀雅[1]利用1956—1989年观测资料，分析了东北冷涡气候特点和降水特征。
黄秀娟[2]分析发现，500 hPa位势场上，整个欧亚地区在40°N附近是否存在明显的西风急流是后期有无东北冷涡形成的关键。
何晗[3]对冷涡背景下短时强降水的统计表明，降水主要集中在冷涡中心东南部和西南部。
杨晓宇[4]通过分析雷达产品特征，提出了东北冷涡背景下短时强降水临近预警指标。
一次东北冷涡降水过程的数值模拟研究
一次东北冷涡降水过程的数值模拟研究近年来，随着气候变化的加剧，冷涡降水作为一种极端天气现象的出现更为频繁。
冷涡的发展和集结是极端天气的重要构成部分。
冷涡降水是既影响了冷涡降水结构，又影响冷涡内部的热力过程的复杂的暴雨形成机理。
因此，研究冷涡降水过程中的各种特征，对于深入了解冷涡降水是至关重要的。
近期，中国东北地区发生了一次冷涡降水过程，本文将通过数值模拟的方法，研究这次冷涡降水过程的暴雨过程和特征。
首先，通过从中国地面观测站获取的实测数据，我们分析了这次冷涡降水过程的特征和发展趋势。
发现，这次冷涡发展着分布在东北地区的空气压弱区域，中心气压减弱至980hPa，其动力机制主要是偏北异常风造成的动力支撑。
通过分析，发现冷涡主要出现在山谷位置，冷涡的腰部变窄，腹部变宽，存在较大的变形。
本次雨涝的主要特征是变化迅速，强度较大，存在暴雨出现。
接下来，通过建立冷涡降水数值模拟模型，对本次冷涡降水过程进行模拟，分析其发展过程。
数值模拟结果表明，冷涡形成的关键是上升气流与暖湿气流的辐合，湿度较高的暖湿气流经过辐合运动，把湿度较大的空气带入到冷涡中，形成大量的降水。
此外，在山谷位置，地形对气流的影响也是一个重要因素，当气流经过山谷时，会造成湿度较低的冷空气沿着地面向上山谷两侧扩散，同时上升到较高的地形上，形成山谷流。
从而把湿度较大的暖湿气流抽向山谷位置，与辐合导致的上升气流融合，形成更强的降水。
最后，本文利用数值模拟的方法，研究了一次东北冷涡降水过程的暴雨过程和特征，发现冷涡发展的关键是上升气流与暖湿气流的辐合，地形的影响也不容忽视，此外，变化迅速，强度较大，存在暴雨出现的特点也体现出这种特殊气候过程的特征。
本文的研究可作为深入研究冷涡降水的重要参考，最终实现极端天气的预测。
综上所述，本文以一次东北冷涡降水过程为研究对象，利用数值模拟技术，研究了冷涡降水过程形成的机制及其特征。
研究结果表明：上升气流与暖湿气流的辐合和地形的影响是冷涡发展的关键，变化迅速，强度较大，存在暴雨出现是这一极端天气过程的特征。
东北冷涡引发的强雷暴个例分析
引言对雷暴云起电机制的研究，无论是从雷暴云内的实际探测，还是实验室模拟和数值模拟，目前都有了一定的进展。
有多种关于雷暴云起电机制的假设，有些是在实验室的基础上提出的，有些是根据一些物理现象或概念在数值模拟的基础上提出的，这些假设大多是以降水为基础的感应过程和非感应过程。
实验室的实验表明[1]，感应过程只有当环境电场高于10kV ·m -1时才有显著作用。
言穆弘等[2]研究了雹云中与冰相有关的起电机制，认为极化起电、表面电位差起电和次生冰晶起电都是雹云的优势起电机制。
当有次生冰晶效应时，表面电位差起电机制和次生冰晶起电机制有很大的起电率，降水形成后数分钟内电场就能增长到400kV ·m -1。
雷暴云的电荷结构发展对其闪电有着重要的影响，Williams 等[3]注意到，在云内闪电活动增加时，有地闪活动受到抑制的趋势，说明不同闪电类型之间对同一电荷源存在着竞争。
目前，在非王宇欣,宋瑶.东北冷涡引发的强雷暴个例分析[J].暴雨灾害,2014,33(3):264-272WANG Yuxin,SONG Yao.Investigation of severe thunderstorms caused by northeast cold vortex [J].Torrential Rain and Disasters,2014,33(3):264-272东北冷涡引发的强雷暴个例分析王宇欣1，宋瑶2(1.辽宁省气象信息中心，沈阳110166；2.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京210044)摘要：2013年6月3日辽宁省境内出现剧烈的雷电活动，在17h 内观测到落雷14103次。
使用静止卫星和多普勒雷达探测数据显示雷暴系统的发展特征，计算了该过程中辽宁省境内单位面积落雷密度，并对雷暴的生成环境和WRF-3.5.1模拟的雷暴云中冰晶、霰和雨滴等粒子数浓度的空间分布状态进行了探讨。
东北冷涡背景下河南不同强度对流天气特征分析
东北冷涡背景下河南不同强度对流天气特征分析
史一丛
【期刊名称】《河南科学》
【年(卷),期】2022(40)6
【摘要】筛选2015—2017年河南处于东北冷涡形势下连续两日发生对流天气、且过程强度有明显区别的3组共6个个例,利用多种观测资料分析比较其发生发展的环境条件和形成机制.结果表明:(1)3个较弱过程均以雷暴天气为主,3个较强过程均有较大范围雷电和雷暴大风天气,且同时多有小冰雹.(2)所有过程发生时均处于东北冷涡后部较强西北气流区,高空干冷同时低层辐射增温.(3)3次弱过程CAPE均小于1000 J/kg;3次强过程CAPE形态宽而高,数值均在2000 J/kg以上,850~500 h Pa温差大于30℃,低层有浅薄湿层,中层干层清晰且边界相对明显.(4)对流天气基本发生在当日地面最高温度≥33℃的区域内,3次强过程地面温度分别较前一日的弱过程升温2~4℃,同时伴有露点升高.(5)从对流过程雷达图像演变可以发现,山西南部和河南西部是河南东北低涡背景强对流天气的关键区,当对流回波自关键区进入河南并迅速加强组织化或以40 km/h以上速度快速移动时,即预示将出现灾害性强对流天气.
【总页数】10页(P904-913)
【作者】史一丛
【作者单位】中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室;河南省气象台
【正文语种】中文
【中图分类】P458.3
【相关文献】
1.东北冷涡外围辽西沿海强对流天气特征分析
2.东北冷涡持续影响下郑州地区多日对流性天气特征分析
3.东北冷涡背景下一次强对流过程环境条件和对流风暴特征分析
4.华北冷涡背景下强对流天气的基本特征分析
5.东北冷涡背景下一次强对流过程环境条件和对流风暴特征分析
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一次典型东北冷涡暴雨的数值模拟及诊断分析
从图 3 可看出，在加格达奇地区和齐齐哈尔地区南 部分别有较 强 的 低 空 涡 度 （850 hPa）中 心 ，在 上 述 地 区 高空（300 hPa）有 强 烈 的 辐 散 运 动 ，有 效 支 配 着 低 层 的 辐合运动，从而产生强烈的上升运动，为暴雨的产生提 供了动力条件。
本次降雨过程表现出对流性强，短时间降雨明显的 特征。 在 2004 年 8 月 28 日 08 时~29 日 08 时的降水过 程中，大兴安岭、黑河、齐齐哈尔、绥化、大庆、哈尔滨等 24 站降大雨，3 站降暴雨，其中加格达奇 61.6 mm。
产生暴雨的系统为江淮低压倒槽北上进入东北，发 展成为深厚的东北低涡， 具备锢囚锋或成熟低压的特 征。 8 月 27 日 20 时 850 hPa（图略）黑龙江西部、内蒙古 东部到华北一线有一明显的东北西南向的切变，西南暖 空气上升， 在地面冷锋前方凝结，8 月 28 日 20 时低涡 发展深厚，低涡中心在大兴安岭南部，黑龙江西部是一 个强烈的切变形势，在切变的作用下西部产生大范围大 雨，同时东部有台风的推进和副高的阻挡作用，降水偏 西偏北。
第 25 卷 第 4 期 2008 年 12 月
黑龙江气象 HEILONGJIANG METEOROLOGY
文 章 编 号 ：1002－252X(2008)04－0011－03
Vol.25 No.4 Dec. 2008
一次典型东北冷涡暴雨的 数值模拟及诊断分析
马国忠 1，王秋京 2，赵广娜 1 （1.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨 150030;2.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150030）
WRF（the Weather Research and Forecast）模式是由 NCAR、NOAA、 俄 克 拉 荷 马 大 学 的 暴 雨 分 析 预 报 中 心 （CAPS）和 FSL 等多单位共同合作开发的新一代非静力 平衡、高分辨率、科研和业务预报统一的中尺度预报和 资料同化模式。 模式网格设计分辨率 1~10 km，采用全 可压、非静力学方程，分为欧拉高度坐标和欧拉质量坐 标两种坐标体系， 水平格点采用 Arakawa C 类格点，能 同时从事业务预报、区域气候预报及理想的动力研究的 统一模式。
一次冷涡天气过程的分析与应对措施
农业灾害研究 2023,13(10)一次冷涡天气过程的分析与应对措施郭婧芝，王楠楠，刘鑫鹏吉林省珲春市气象局，吉林珲春 133300摘要 东北冷涡是亚洲东北部特有的天气系统，在气象学中具有重要地位。
冷涡是指在高空槽或脊附近的冷空气形成的涡旋，通常伴随着低气压或槽线，是一种强烈对流天气。
此次东北冷涡天气过程在夏季发生，具有强度大、持续时间长和影响范围广的特点。
该冷涡天气过程造成了严重的风雨和降温，给当地农业生产带来了严重影响，造成了一定的经济损失。
通过回溯气象要素和雷达回波资料，分析了此次冷涡天气过程的成因和后果，探讨了针对本次冷涡天气过程当地采取的应对措施，为类似天气过程的应对提供参考。
关键词 冷涡天气；预报；应对中图分类号：P458.1+22 文献标识码：B 文章编号：2095–3305(2023)10–0265-03东北冷涡的形成与发展，通常会引发暴雨、雷电、风雹等灾害性天气，对农业生产、交通出行等领域造成负面影响。
有研究表明，我国东北地区22.4%的暴雨与53%的风雹由冷涡引起，因此提升气象预报准确性，使气象预报更好地服务于民，要加强对冷涡天气的研究[1]。
近年来，有大量学者研究东北冷涡，有研究指出，要对冷涡活动的个数、强度、影响进行统计，明确冷涡天气的频次、位置、环流背景、水汽输送、降水、冷暖平流等要素[2]。
部分研究者就冷涡影响下的区域持续性暴雨天气过程、强对流天气进行研究，认为冷涡研究对于提升气象预报质量、保障人们生产生活具有重要意义[3]。
1 东北冷涡介绍在东北地区，冷涡经常出现在夏季和初秋，是造成东北地区低温冷害、阴雨洪涝的主要因素，其研究价值极高。
东北冷涡的主要特征是温度差异大。
由于受到高空槽线的影响，冷空气在东北地区聚集，形成温度梯度较大的区域。
这种温度差异会导致大气层结不稳定，容易产生强对流天气。
同时，持续时间长、影响范围广也是东北冷涡的主要特征，一次典型的东北冷涡天气过程通常会持续数天，影响范围广泛。
一次东北冷涡暴雨数值模拟及动力诊断分析
一次东北冷涡暴雨数值模拟及动力诊断分析任丽;杨艳敏;金磊;韩冰;关铭【摘要】Based on conventionally observational data,the NCEP reanalysis data and satellite cloud image,a rain-storm process caused by Northeast China cold vortex in the southwest of Heilongjiang province on June 18-19, 2009 was analyzed and simulated by a WRF numerical model.The effects of weather system and mesoscale charac-teristics were discussed.The results indicate that the heavy rain is caused by warm-wet shear in front of Northeast China cold vortex.Cold vortex moves slowly because of impeding effect of Okhotsk high,which leads to increase of precipitation.The strong convergence and updraft of strong southeast warm-wet airflow on the shear provide dy-namic conditions for the heavy rain,while low-level jets supply abundant water vapor for the heavyrain.The in-crease of temperature and humidity in the low level makes atmospheric stratification unstable.Low strong conver-gence area and upper strong divergence area overlay,which consequently leads intense ascending movement.It provides conditions of deep convection development and promotes the formation and maintenance of mesoscale system when heavy rain occurs.Rainstorm is caused by development and movement of several mesoscale cloud clusters that is in the cloud belt of warm front.The mesoscale convergence line on the ground provides the advanta-geous conditions for the development and maintenance of mesoscale cloud clusters.The numerical simulation result suggests thatrainstorm happens because two mesoscale shear lines develop and move successively in the same re-gion.There is a mesoscale vertical circulation which is related to rainstorm on the mesoscale shear line.%利用常规观测资料、NCEP再分析资料和卫星云图产品，对2009年6月18-19日黑龙江省西南部地区的一次东北冷涡暴雨过程进行诊断分析，并利用WRF中尺度模式对暴雨过程进行数值模拟，分析产生暴雨的天气尺度和中尺度系统特征。
东北冷涡强对流过程分析
2018年8月n m itJournal of Green Science and Technology第16期东北冷涡强对流过程分析宋岷釜、李金龙2,王峰2,赵晓钰、白帆1(1.辽宁省普兰店市气象局，辽宁普兰店116200;2.大连市金州新区气象局，辽宁大连116600)摘要：指出了东北冷涡是我国东北地区特有的天气系统，是造成东北地区低温冷害、持续阴雨洪涝、突发性强对流天气的重要天气系统，对东北地区的天气气候有重要影响。
结合常规地面及高空观测等资料对2006年6月7〜11日发生的一次东北冷涡过程进行了综合尺度数值模拟。
结果表明：从冷涡位置看，环流中心到达辽宁的冷涡是冷空气深厚的深冷型冷涡，如果有好的水汽和不稳定能量条件配合，会产生明显降水。
关键词：东北冷涡；强对流；分析中图分类号：P456 文献标识码：A文章编号：1674-9944(2018)16-0143-031引言东北冷涡是东北地区夏季降水和暴雨的重要环流 形势，是引发东北强降水的主要天气系统，并且东北冷 涡活动异常频繁。
在东北冷涡影响下产生的强对流天 气具有规模小，突发强度大，持续时间短，结构复杂等特 点。
这种强天气的发生时间和对落地区的估计往往缺 乏可靠的依据，一直是东北地区气象业务预报的重点和 难点。
2个案分析2.1冷涡数值模拟研究近年来中尺度数值模拟研究东北冷涡中尺度对流 系统的结构特征、积云过程成为可能。
陈力强等对2002年7月发生在其南部锋区上一次由东北冷涡诱发 的强风暴，应用MM5模式进行了数值模拟，较成功地 模拟出了 M C S强对流风暴结构。
SAK AM O TO利用 中尺度模式ECMW F和MM5资料，数值模拟了 1999 年7〜8月份高层冷涡（UCL)，并对西北太平洋切断低 涡发展和弱化的过程做了较为详细的研究，对其顶高层 冷涡的垂直速度结构分析。
分析指出，干绝热动力学可 以解释高层冷涡的结构的垂直运动，在U C L的锋前有 上升运动，对流云的潜热释放对U C L冷中心的减弱起 到了重要的作用。
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东北冷涡引起的对流输送过程个例分析和数值模拟李丹;卞建春【摘要】平流层-对流层物质交换是影响全球大气成分收支的重要过程.过去的研究认为大尺度的交换过程在平流层-对流层物质交换中最为重要,但是近些年的研究表明,中小尺度过程对平流层-对流层物质交换也有重要贡献.本文利用OMI和MLS 数据、ERA-Interim再分析资料,结合中尺度WRF模式综合分析了东北地区发生在冷涡前部和冷涡后部的两次强对流天气过程.结果表明:发生在冷涡前部暖锋云系中的强对流持续时间长,对流垂直尺度小,下平流层静力稳定度高;发生在冷涡后部的孤立强对流持续时间短,水平尺度较小,且在对流层顶附近,静力稳定度小,对流可穿出热力学对流层顶.从示踪物分布情况来看,两次强对流都可将示踪物输送到对流层顶附近,但是冷涡前部对流可将示踪物从边界层输送到整个对流层,而孤立对流是把示踪物输送到对流层顶,而不与自由对流层空气发生混合.【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2018(061)009【总页数】10页(P3607-3616)【关键词】平流层-对流层物质交换;东北冷涡;对流输送;WRF模式【作者】李丹;卞建春【作者单位】中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室,北京 100029;中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室,北京100029;中国科学院大学地球科学学院,北京 100049【正文语种】中文【中图分类】P4340 引言平流层-对流层交换(Stratosphere-Troposphere Exchange，STE)可以改变温室气体在上对流层/下平流层(Upper Troposphere and Lower Stratosphere，UTLS)的浓度和分布情况，因此对化学、气候及辐射平衡产生重要影响.尽管大、中尺度STE过程(如平流层入侵和对流层顶折叠过程等)已经得到广泛关注(Xie et al.,2008；陈洪滨等, 2006；Li and Bian, 2015；Song et al., 2016；Xie et al., 2016)，但当前对小、微尺度STE过程(如穿透性对流输送)研究有限，当前气候模式对此问题理解也有限度.深对流引起的物质输送目前并没有得到很好解决方案，尤其发生在东亚中、高纬度地区的冷涡对流过程.夏季东北地区，冷涡是重要的天气系统之一，常伴随强对流的发生.齐彦斌等(2007)对发生在东北地区的冷涡对流云开展一次飞机穿云观测试验，结果表明，冷涡云系具有水平带状回波，云系垂直尺度小.对流过程可以在短时间内将边界层水汽及其他示踪气体输送到UTLS区域.已有大量观测事实证明热带外对流对STE有直接或者间接影响(Fischer et al., 2003; Anderson et al., 2012; Homeyer et al., 2014; Sargent et al., 2014).大部分研究集中在对流对水汽及示踪物输送到下平流层的研究，并指出对流输送及混合过程的垂直分布范围较小.平流层-对流层交换过程的观测工具主要有卫星、雷达及常规定点探空.但这些观测工具很难有效地观测到小尺度的输送及混合过程.近年来高精度的数值模式已用于模拟强对流，以及由对流过程引起的输送过程(Gray, 2003; Wang, 2003; Mullendore et al., 2005; Le and Gallus, 2012).数值模式结果指出，与穿透性对流相关的重力波破碎引起物质不可逆输送(Gray, 2003).穿透性对流也可引起对流层物质与下平流层物质直接混合(Wang, 2003).然而，关于穿透性对流穿出高度的垂直范围，不可逆过程以及下平流层高静力稳定度对对流输送过程的影响等相关研究工作开展较少.结合实际观测情况以及卫星和雷达资料获取情况，选取发生在2006年7月20日(20060720)和2011年8月21日(20110821)的两次冷涡对流过程进行模拟分析.其中，个例20060720发生在冷涡前部锋面云系内，个例20110821是发生在冷涡后部的孤立对流.为了研究两类冷涡对流对物质的输送作用，本文使用WRF模式并开启示踪物模块.模拟不同天气背景场下的两次冷涡对流过程，研究并分析对流对物质输送的影响.1 个例及天气过程概述1.1 对流20060720天气背景对流20060720发生在2006年7月20日06时(世界时，下同).300 hPa等压面上，贝加尔湖东北部有一深厚东亚大槽发展.东亚大槽向南延伸，在(120°E，45°N)附近形成一个闭合低压(即东北冷涡)，低压中心位于内蒙古与东北交界地带(图1a).同时刻，在日本岛北部至堪察加半岛有一深厚涡旋系统.深厚涡旋系统阻挡东北地区云系的向东移动.从7月20日04时50分的MODIS云光学厚度资料可以看到，整个云系呈涡旋状，螺旋云带清晰可辨.主要的降水云团位于内蒙古东北部，黑龙江和吉林西部地区呈“人”字形分布，对流最强中心出现在黑龙江和吉林交界处，云的最大光学厚度达到60(图1b).OMI观测到东北上空的低压中心内臭氧柱总量分布也呈类似螺旋状结构(图1c).臭氧柱总量大值区对应位势涡度场高值区.330 K等熵面上位势涡度在东北上空呈现“斧形”结构，对应MODIS云光学厚度图上是一个暗区，表明整层水汽含量较低.7月20日04时53分CloudSat轨迹扫过低压中心前部锋面对流云区(图1c)，可以观测到对流云的垂直结构.此次对流云发生的天气背景与施春华等(2014)研究个例相似，但冷涡位置偏北10个纬距.温度递减率剖面图显示靠近冷涡低纬一侧，对流层顶发生变形折叠，折叠发生在40°N—45°N附近(图2a)，偏西风急流斜下方.对流层顶折叠下来的位势涡度舌状部分伸展到对流层中层，并跨越350 K等熵面，折叠最深处达到了500 hPa高度.45°N以北地区，贴近对流层顶的下平流层区域有强逆温层存在.20日04时53分CloudSat测得的反射率剖面图显示(图2b)，对流云结构表现为一个强大的对流云带，并在云带中有最强回波中心区，位于47°N—48°N附近，而此类结构的对流系统往往能造成短时强降水.观测资料分析表明，在该区域附近阿尔山站3 h降水达49 mm.强对流发展深厚，反射率大于10 dBZ的高度达10 km，云体为强的、深厚的回波亮带；少数云粒子回波穿透对流层顶向下平流层区域伸展，但穿出高度较低.图1 2006年7月20日06时，(a)300 hPa位势高度场(实线，单位：gpkm)和风速(阴影，单位：m·s-1)，(b)MODIS云光学厚度图(4时50分)， (c)OMI观测的O3柱总量(阴影，单位：DU)， 330 K等熵面上位势涡度(1、2、4、8 PVU)，紫色实线为CloudSat扫过轨迹，黑色点线为MLS轨迹.Fig.1 (a) 300 hPa geopotential height (gpkm,contour) with wind field (m·s-1, shade), (b) The cloud optical thickness from MODIS, and (c) Total column ozone from OMI with potential vorticity (1, 2, 4, and 8 PVU) on the 330 K isentropic surfaceat 06∶00 on 20 July 2006. Purple line marks the CloudSat track, the black dots mark the MLS tracks.图2 7月20日，(a)06时过图1a中直线的温度递减率剖面图，(b)04时53分的CloudSat雷达反射率剖面图.热力学第一、第二对流层顶高度(黑点，单位：hPa)，纬向风速(黑色实线，单位：m·s-1，等值线间隔为10 m·s-1)，310 K、330 K、350 K和380 K等熵线(蓝色虚线，单位：K)，PV(红色实线，单位：1、2、4、6、8 PVU)，白色点线标注阿尔山站Fig.2 (a) Cross sections of the temperature lapse rate at 06∶00 and (b) CloudSat observed radar reflectivity (dBZ, shade) at 04∶53 on 20 July with the lapse-rate tropopause and the secondary tropopause (hPa, black dots), ERA-Interim zonal wind (black contours at 10 m·s-1 intervals), 310 K, 330 K, 350 K, and 380 K isentropes (blue dashed line), and PV (1, 2, 4, 6, and 8 PVU, red line). The white dotted line marks the location of Arxan.由此可见，此次强对流过程发生在冷涡前部暖锋云系中，中尺度云团中有发展旺盛的对流云，将其标记为“06MCS”，便于后面相关小节的讨论.1.2 对流20110821天气背景对流20110821发生在2011年8月21日11时.此时刻附近的21日12时的ERA-Interim再分析资料的300 hPa环流形势表明欧亚地区有一个强大的高压脊分布在贝加尔湖上空.东北地区为一个低槽型流场所控制，冷涡中心位于黑龙江东北部.在冷涡后部，偏北气流引导空气南下影响辽宁地区(图3a)，触发孤立强对流(标记为“11IC”).从风场形势可以看到在冷涡东部日本海上空存在强副热带西风急流，对冷涡移动起到阻挡作用.根据天气实况资料，此次强对流发生在21日10时至11时，在辽宁地区造成强降水，最大降水落区出现在沈阳市区，降水量为73.9 mm(方纯纯和关春玲，2014).图3 2011年8月21日12时，(a)300 hPa上位势高度(实线，单位：gpkm)和水平风场(阴影，单位：m·s-1)，(b)过图3a中直线的温度递减率剖面图，其他标注同图2a，白色虚线标注沈阳站Fig.3 (a) 300 hPa geopotential height (gpkm, contour) with wind field (m·s-1, shade) at 12∶00 on 21 August 2011. (b) As Fig.2a but for cross section of the temperature lapse rate along the blackline in Fig.3a. The white dashed line marks the location of Shenyang.辽宁省雷达站观测到此次强对流过程，对流持续时间短，影响范围小，对流垂直发展旺盛.由温度递减率剖面图可知(图3b)，21日12时沈阳上空对流层顶发生折叠，折叠走向为东北—西南.折叠发生在150 hPa至300 hPa高度处，位势涡度舌状结构沿着350 K等熵面由42°N向36°N方向伸展.沈阳位于热力学对流层顶断裂带下方，断裂带内下平流层温度递减率变化在-2 K·km-1到2 K·km-1之间，为对流层向平流层转换区.06MCS个例中，在低涡的东侧，下平流层空气入侵到对流层，对流层顶折叠发生，在热力学对流层顶之上存在一层高静力稳定度层结.ERA-Interim的静力稳定度N2从典型的对流层值(～1)迅速地转换到平流层值(～4)(图4).11IC个例中，冷涡触发的对流位于冷涡后部，孤立对流的下平流层静力稳定度小于中尺度对流复合体的下平流层稳定度(图4).11IC个例中，在对流层顶附近，温度及稳定度由对流层过渡到平流层是一个缓慢过程，转换层厚度较厚位于350 hPa和100 hPa，厚度约有5 km.图4 对流云发生时刻过阿尔山站(06MCS, 红色实线)和沈阳站(11IC, 黑色实线)的温度廓线图及静力稳定度分布Fig.4 Profiles of temperature and static stability from the ERA-Interim for Arxan (06MCS, red line) and Shenyang (11IC, black line)对比以上两个个例可知，11IC孤立对流，持续时间短，影响范围小，对流发展旺盛.而06MCS个例中，冷涡中尺度对流云系统，云团覆盖范围广，持续时间长，中尺度云团中，存在个别发展旺盛的对流云，产生局地强降水.因此，我们针对冷涡引起的不同形态对流云系特征，展开研究，模拟两种不同类型冷涡对流过程及其对应下平流层高静力稳定度对物质输送影响.2 模拟方法介绍为进一步分析冷涡对流对示踪物输送过程，我们使用时间、空间分辨率可调的中尺度模式WRF-V3.4.1模拟此次过程.模式采用Lambert地图投影方式，格点及区域设置见表1.表1 WRF模拟区域及格点设置Table 1 Domain and grid set for WRF simulation个例区域中心格点数分辨率(km)模拟时段11ICD01D02(47°N,123°E)94×9420126×12642011年8月20日18时—21日18时06MCSD01D02(42°N,122°E)100×10025141×14152006年7月19日12时—21日00时图5 (a)WRF模拟冷涡对流外层(D01)和内层(D02)区域，11IC(蓝色)和06MCS(红色)，(b)模式模拟的垂直分辨率随高度变化，红点标注模式层高度.Fig.5 For WRF simulations, (a) outer (D01) and nested (D02) domains for 11IC (blue) and 06MCS (red), and (b) model vertical resolution, the red dots show altitudes of the individual levels.两个个例模拟水平区域设置及模式垂直分辨率设置分别如图5a和图5b.这里垂直分辨率采用不等间距，在近地层及在UTLS区域采用加密设置，垂直分辨率为200 m，为更精确地模拟对流入流、出流过程.模式主要采用的物理方案包括：KF积云对流参数化方案、YSU行星边界层方法、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Noah陆面参数化方案，云微物理过程选用Lin方案等.3 观测与模拟对比WRF模拟的06MCS个例20日05时雷达反射率因子分布(图6)，显示强回波区主要有三个：第一个是121°E附近的南北走向云系；第二个是(123°E，46°N)附近的云团；最后一个是位于最东侧的西北—东南走向的云带.因此时刻没有获取到有效的地基雷达资料，因此我们将模拟的云型和图1b中卫星观测的同时刻云图做简单对比分析(20日05时).在MODIS云光学厚度显示图中，涡旋前部云系，云光学厚度大值区有三块.模拟结果与观测主要云带位置较相近.图6 WRF模拟的雷达反射率分布图Fig.6 The radar reflectivity from WRF simulation11IC个例中，沈阳站S波段雷达恰好观测到此次强对流个例，图7给出了强对流发生时刻的21日11时以及13时附近的雷达回波图及对应时刻模拟的雷达反射率因子.但由于对流发生位置距雷达测站较近，因此在距离高度显示上，云顶高度数据缺失.所以这里只对雷达平面图像进行比较.由图7a可以看到，在测站西南方向20 km处有一强对流回波，最强回波达到58 dBZ.在最强回波西侧，有一长条强回波带.而模拟的雷达回波模拟出了最强回波中心，在回波范围上和观测略有差异(图7c).12时58分强对流回波移动到测站东南方向，长条回波带回波减弱并呈弓形分布(图7b).模拟的回波也出现弓形回波特点(图7d).由此可见，WRF模拟的回波基本上可以重现对流过程.4 对流对示踪物输送为了研究不同冷涡对流对示踪物输送的过程，给出了WRF模拟06MCS个例在20日06时过图1a中直线的位温递减率及边界层示踪物垂直剖面图(图8).位温递减率在对流层顶附近由对流层的典型值(<10 K·km-1)快速增加至平流层典型值(>10 K·km-1).对流发生区的下平流层温度低于-50 ℃，静力稳定度高，位温递减率高达20 K·km-1，分布在150 hPa至225 hPa区间内，厚度大约2 km(图8a).边界层示踪物在06MCS对流输送作用下，已达对流层顶.垂直混合过程已通过模式中的边界层方案解决.在对流层顶处，由于下平流层高静力稳定度，对流云顶发展受到限制，导致示踪物被限制在热力学对流层顶处，而不能穿透对流层顶继续向下平流层输送(图8b).06MCS个例中强对流是在暖锋云系中，所以边界层示踪物在对流层内混合程度很高，在整个对流层内均匀分布.图7 (a, b) S波段雷达观测的组合反射率(dBZ)及(c, d) WRF模拟的雷达反射率(a,c)8月21日11时，(b, d)8月21日13时.Fig.7 Composite radar reflectivity from (a, b) S-band radar observations, (c, d) WRF simulations at 11∶00 (a, c) and 13∶00 (b, d) on 21 August模拟结果表明，低压前部暖锋云系中的强对流过程引起示踪物在对流层顶区域分布发生变化.MLS扫过对流云区，因此，可以通过观测资料验证06MCS个例中对流对大气化学成分输送.在上对流层/下平流层区域，臭氧体积浓度剖面图显示平流层高臭氧浓度空气在对流层顶附近也出现折叠结构(图9a)，高位势涡度舌状结构侵入中纬度对流层.MLS在强对流顶部(49°N)观测到臭氧“弧形”低值区，尽管在250 hPa以下高度没有有效观测数据，但还是在对流层顶部观测到臭氧低值.相反，一氧化碳体积浓度在对流层顶上部是一个高值中心(图9b).此观测结果再次证实WRF模拟结果.即对流在短时间内将近地面层低臭氧浓度空气和高一氧化碳浓度空气输送到对流层顶附近.由于MLS观测的地理位置比CloudSat观测位置偏西，观测位置不完全对应导致结果可能略有差异(轨道差异见图1b).8月21日11时30分，过图3a中直线的位温递减率剖面图显示，11IC强对流发生位置的对流层顶及下平流层的静力稳定度出现低值区(125 hPa到250 hPa之间，41°N到42°N之间)(图10a)，与06MCS个例中的下平流层的高静力稳定度不同.模拟结果显示，近地面示踪物在对流发展旺盛时期，由于云中强上升气流的抬升作用，使示踪物快速上升，并在短时间内输送到对流层顶附近，并有一部分已经穿透了对流层顶，进入下平流层，从而引起对流层顶有大量边界层示踪物(图10b).强上升气流在输送过程中的作用是重要的.在其中心区，存在着一个较为连续的输送带直达对流层顶.可见示踪物在输送带中上升时，较少向周围输送.对流中心强上升气流最终在对流层顶被抑制，只有一少部分边界层示踪物则在云顶处穿透对流层顶.在对流层顶附近，示踪物浓度的梯度很大，体现了对流层顶附近的高的静力稳定度对输送的抑制作用，同时也表示边界层示踪物向平流层的输送量对于对流层顶高度的选取比较敏感.强对流类似一个移动的“烟囱”，在其运动过程中，不断地将边界层内空气抽吸入对流层上层乃至下平流层，引起对流层低层物质(温室气体，气溶胶等)向下平流层的输送，从而对区域大气环境和大气辐射收支造成影响，而且这种输送的效率很高，只需数个小时即可完成，与Yan和Bian(2015)研究结果较一致.图8 WRF模拟的06时过图1a直线的静力稳定度剖面图(a)及边界层示踪物垂直分布(b)图(a)中黑色虚线标注温度(单位：℃)，图(b)中黑点标注热力学对流层顶.Fig.8 Vertical cross sections of (a) the static stability (K·km-1, shade) along the line in Fig.1a, and (b) the boundary layer tracer (shade)The black dashed line in (a) marks the temperature (℃), the black dots in (b) mark the height of the lapse-rate tropopause.图9 2006年7月20日沿着MLS轨迹(a)臭氧、(b)一氧化碳体积混合比浓度的剖面图(阴影，单位：ppbv)，热力学第一、第二对流层顶高度(黑点，单位：hPa)，纬向风速(黑色实线，单位：m·s-1，等值线间隔为10 m·s-1)，310 K、330 K、350 K、380 K等熵线(蓝色虚线，单位：K)，PV(紫色实线，单位：1、2、4、6、8 PVU)Fig.9 The cross sections of ozone mixing ratio (a) and CO (b) on 20 July 2006 with the lapse-rate tropopause and the secondary tropopause (hPa, black dots), ERA-Interim zonal wind (m·s-1, black contours), 310 K, 330 K, 350 K, and 380 K isentropes (blue dashed line), and PV (1, 2, 4, 6, and 8 PVU, purple line)图10 同图8，但时间为2011年8月21日Fig.10 Same as Fig.8, but for 21 August 2011图11 (a、b)06MCS和(c、d)11IC对流的(a、c)散度(10-5 s-1)和(b、d)边界层示踪物分布(%)Fig.11 The profiles of (a, c) diversity (10-5s-1) and (b, d) theboundary layer tracer (%) for 06MCS (a, b) and 11IC (c, d)通常情况下，平流层大气的比湿很低.水汽、云水、云冰等各种水物质被强对流输送至平流层后，能够对平流层起到显著的增湿作用.因此水物质向平流层的输送也受到人们的关注.另外，对流层内很多可溶性气体污染物(如硫化物、氮氧化物等)可以溶解在云水中，若水物质能够进入平流层，其中溶解的可溶性污染物就可以在平流层进行湿相化学反应.在模拟初始时刻，在UTLS区域边界层示踪物是0(图略).随着模拟时间延长，可以在UTLS区域观测到示踪物.两类对流对示踪物输送垂直范围有所不同.06MCS个例中，对流影响区域平均散度廓线大值分布在200～300 hPa(图11a)，致使边界层示踪物输送到对流层顶附近后向外辐散，相应地，示踪物在200～300 hPa也出现高值中心(图11b)，在此范围内，边界层示踪物比例达到40%.另外，自由对流层内示踪物浓度均匀分布在30%左右.而11IC个例中，对流影响区域平均散度峰值也出现在200～300 hPa高度(图11c)，高达13×10-5 s-1，比06MCS个例中散度峰值高很多.孤立对流输送的示踪物主要分布在对流层顶附近，强对流出流高度在200～300 hPa范围内，此处，边界层示踪物浓度高达50%.相反地，自由对流层内示踪物浓度较低(图11d).11IC个例中，示踪物直接从边界层输送到对流层顶附近，而与自由对流层内物质几乎无交换，与06MCS个例即冷涡前暖锋云系中对流输送显著不同.冷涡前部暖锋云系中强对流输送在整个对流层都有明显的作用.5 结论本文应用MLS和OMI等卫星观测资料，及地基S波段雷达观测资料，并结合WRF模式模拟了东北冷涡影响下的两次强对流引起的平流层-对流层输送过程：一是2006年7月20日06时发生在内蒙古与黑龙江交界处的冷涡前部的暖锋云系中强对流过程(06MCS)；二是2011年8月21日发生在辽宁省沈阳市强对流过程(11IC)，对流发生在冷涡天气系统后部.开启WRF模式中示踪物模块，通过示踪物分布特征研究对流对物质的输送过程.模拟的两次对流过程都在高空冷涡影响下发生，不同的是，06MCS发生在冷涡前部暖锋云系中的对流过程，11IC发生在冷涡后部的孤立强对流过程.06MCS对流云呈经向带状分布.此类对流云发生在冷涡天气系统整个阶段，持续时间长，造成对流水平尺度较大，但对流垂直尺度较小，下平流层静力稳定度高.11IC也在冷涡天气影响下发生，冷涡输送高纬干冷空气到沈阳地区，造成此次强对流过程.对流发生在冷涡后部，这种对流突发性强，持续时间短，造成强对流水平尺度较小，垂直发展旺盛，且在对流层顶附近，静力稳定度变化小，转换层厚度较厚.模拟的边界层示踪物浓度时空分布特征表明冷涡对流可将示踪物输送到对流层顶附近.同时可将对流层大气化学成分(一氧化碳等)输送到对流层顶，使对流层顶附近大气化学成分重新分布.冷涡云系前部暖区中强对流，可将边界层物质输送到对流层顶区域，但在自由对流层整层均有一定比例的示踪物分布.而冷涡后部的孤立对流对物质输送可直达对流层顶区域，而不与自由对流层空气混合，输送时间尺度较小. 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