河北省一次強對流天氣機理分析＊

劉建文，王淑云，張 唯，魏秀梅

（滄州市氣象局，河北 滄州061001）

河北省一次強對流天氣機理分析＊

劉建文，王淑云，張 唯，魏秀梅

（滄州市氣象局，河北 滄州061001）

利用常規天氣資料、氣象自動站加密觀測資料及鄉鎮加密雨量站資料、其它物理量資料及衛星云圖資料等，對2009－06－08河北省的強降水及強對流天氣進行了分析。研究表明，蒙古低渦攜帶強的正渦度平流和冷空氣，為強對流天氣提供了良好的動力條件；南風與偏東風急流為大暴雨提供了良好的水汽，同時，低渦底部的西北風急流與2支暖風急流匯合，為暴雨、冰雹、大風等強對流的形成提供了條件。暴雨落區處于低層次大值能量場的頂部，能量場剖面具有鞍形場結構，高層、低層具有大值能量，中層為中性結構，為深對流的發展提供了初始熱力條件。自動氣象站加密風場資料分析表明，長時間的中小尺度風場輻合增強了地面空氣的輻合抬升，同時也是造成此次局地大暴雨的中尺度系統和觸發條件。

低渦；強對流；動力條件；熱力條件；中尺度風場

受冷暖氣流共同影響，2009－06－08白天到夜間，北京、天津及河北省大部分地區出現了雷雨天氣。降雨期間，河北省部分縣市還出現了短時大風、冰雹和短時暴雨等強對流天氣。暴雨區出現在唐山、天津、北京、廊坊、保定、滄州、衡水（圖1），其中，滄州市南皮縣的王寺鄉、圣佛鎮一帶降雨量達到170mm。此次強對流天氣中，雷擊造成1處民房被燒毀，20臺電腦、電視被擊壞；風雹和強降水造成小麥倒伏、農田被淹、果樹落果掉葉等現象，以致農田受災面積達到8萬余畝，各項經濟損失超過億元。

圖1 過程北京、天津及河北省降水量（mm）Fig.1 Rainfall in Beijing，Tianjin cities and Hebei Province（mm）

1 環流背景

500hPa低渦從2009－06－05開始在蒙古國西部生成后開始東移南壓，至2009－06－08移動到我國內蒙古（圖2），河北、北京、天津開始受到渦底部的西北風急流影響（08T08：00急流最大風速為12m·s－1，20：00為22m·s－1），而2009－06－08 925～850hPa有一條來自南海的南風急流生成，08：00其在長江以南最大風速達到20m·s－1，河北區域為6～8m·s－1，20：00河北省南風風速達到12m·s－1，河北區域為南風的北界，風速輻合明顯；北京925hPa為東風，08T08：00為6m·s－1，20：00達到12m·s－1；500hPa的西北風急流、925～850hPa的南風急流、925hPa北京的東風急流，不僅存在風向上的輻合，還有風速的輻合，3支急流所攜帶的冷暖空氣在此區域交匯，8日白天到夜間強降水、雷雨大風、冰雹在河北中部發生。2支低空急流（1支南風或西南風，1支東風或東南風）與1支高空西北風或偏西風急流，在一定的天氣背景下，使河北省出現暴雨或大暴雨天氣的典型風場結構［1－3］。

2 診斷分析

2.1 熱力條件分析

2009－06－07T20：00—08河北省中南部SI指數為－2～0，K指數為32～36℃，具備了河北省弱的對流不穩定特征。07T20：00的850hPaθse圖上（圖略），110～120°N為1個南北向的高能區，河北省處于θse＞56℃高能舌頂部，與07T08：00比較，θse增長了8℃，而河北省東西兩側均為36～40℃的低能量區，能量分布呈現Ω型分布態勢，此種強度、形狀的分布態勢一直維持到08T20：00，09T08：00移到渤海海區，至此，河北省降水結束。

分析2009－06－08T08：00沿38.1°N 方向的θse剖面圖（圖3），可以看出，在114～116°E之間，850hPa以下為55℃的高能區，600～300hPa之間有一個55℃的高能舌下探，而其東西兩側均位于40～50℃的低能區，在112～120°E的上空呈現鞍形場結構特征。許煥斌［4］指出，在鞍形中心區，中上部是θse的深厚等值區，下部是θse隨高度增高的遞減區，一旦低層有擾動，上升運動就會發展。由于的厚度較淺，上升運動的空氣到達中層時其速度并不大，不會受阻，可延伸到高層，容易形成1支深厚的、其上升速度受低層輻合量所制約的、上下基本均勻的垂直對流形勢，足以支撐著一個深厚云區，為暴雨的發展提供優越的條件。另外，張可蘇等［5］也指出在中高層鞍形場的中心為中性區，而其周圍是穩定區，這樣一個局面，可以造成周圍大氣中的快速波動，在傳到鞍形場的中心時逐漸減速，形成波能的輻合，這也有利于其中心區的垂直運動發展。由此可見，θse中層鞍形場的出現，很容易形成深厚的上升氣流，有利于暴雨及強對流天氣的出現。

2.2 水汽條件分析

本次降水天氣過程的水汽積累從2009－06－07夜間開始，2009－06－08T08：00的925hPa風場上（圖4），從廣東到湖南、江西一帶有1個中心值達到20m·s－1的南風急流帶，浙江沿海有1個12m·s－1的南風大風區，山東有1個中心值達到14m·s－1的南風急流帶，此3條急流帶對應同時次的925hPa水汽通量圖上（圖4），有3個水汽通量大值中心，16～18g·（cm·hPa·s）－1的2個水汽通量大值中心，1個位于湖南，1個位于東海；山東附近有1個以14g·（cm·hPa·s）－1為中心的大值區。可以看出，河北省的降水水汽來源有三個，其為南海、東海和黃渤海。到08T20：00，伴隨著上面所分析的南風急流、偏東風急流的爆發，來自孟加拉灣的水汽通量中心值增大到22g·（cm·hPa·s）－1，東海的水汽通量減小到8g·（cm·hPa·s）－1，黃渤海的水汽通量中心增加到16g·（cm·hPa·s）－1，水汽來源形成2個明顯的通道，1個來自孟加拉灣，1個來自黃渤海。從850hPa水汽通量散度圖上可以看出，2009－06－08T08：00河北省中南部有1個－12g·cm－2·hPa－1·s－1的輻合中心（圖5），到20：00增大到－15g·cm－2·hPa－1·s－1，輻合中心位置沒有變化，強降水發生在輻合中心的北部。從經過河北中南部的緯向剖面圖看出（圖略），08T08：00—20：00，河北省90%區域的相對濕度達到了500hPa，濕層很深厚，而丁一匯［6］指出，濕層厚度達到700hPa就有利于暴雨的產生。

2.3 低渦西北風急流所提供的動力條件分析

從2009－06－07T20：00開始，低渦正渦度區域從蒙古向我國的內蒙古、山西、河北傳遞，08T08：00（圖略），河北省上空被正渦度覆蓋，大的正渦度中心在低渦位置（108～112°E，42～44°N）的東部、250～300hPa高度層上，中心值為60×10－5s－1，500～850hPa為20×10－5s－1的相對大值區；08T20：00（圖略），正渦度繼續向低層傳播，低層渦旋性增強，112～120°E范圍內，河北省1 000～700hPa渦度值達到28×10－5s－1。08：00經過河北省中南部的渦度平流緯向剖面圖表明（圖6），500hPa以上層次114°E以西為負的渦度平流，以東為正的渦度平流，大的正渦度平流中心在118～120°E上空250hPa，中心最大值為45×10－10s－2，渦度平流具有向低層的脊狀分布，脊的底部直到850hPa。20：00大的正渦度平流中心依然在118～120°E上空250hPa位置，中心最大值為36×10－10s－2，500hPa以下層的正渦度平流減弱，接近于0，可見08：00、20：00在250hPa以下正渦度平流隨高度明顯增大，在高層強烈的正渦度平流作用下，高層輻散抽吸作用使低層輻合產生上升運動，觸發低層對流發展，并促發地面低壓的發展和維持［7］。

2009－06－08T08：00河北省上空400hPa以上為正散度區，散度中心處于250hPa高度，中心值達到52×10－5s－1，400hPa以下為負散度區，散度中心處于700hPa高度，中心值達到－24×10－5s－1，低層輻合、高空輻散強盛，高空輻散抽吸強于低層輻合；20：00，河北省上空400hPa以上為正散度區，400hPa以下為負散度區，正負中心高度沒有變化，范圍略有縮減，強度有所減小，分別為12×10－5s－1，－12×10－5s－1，低層輻合、高空輻散依然強盛，低層強輻合、高空強輻散非常有利于上升運動的發展。

上述渦度、散度場的配置有利于上升運動的維持。08T08：00及20：00河北省上空整層維持強的上升運動，08：00最大上升速度在300～500hPa，中心最大值為－51×10－2hPa·s－1，700hPa有1個相對大值中心，為－20×10－2hPa·s－1，20：00，400和700hPa分別出現2個－17×10－2hPa·s－1的速度中心，速度值略有減小。

3 冷空氣的影響

低層暖濕、高層干冷是發生冰雹的指標之一。由河北省境內與周邊的探空圖上可知，由于受高空低渦東南部西南氣流的影響，2009－06－08T08：00，500hPa以上高層溫度露點差較小，其下低層反而較大；08T 20：00，隨著低渦的東移南壓，600～400hPa出現明顯干區，低層隨著低空急流的發展，600hPa以下濕度增大，以山東省章丘探空為例（圖略），08T20：00，600～400hPa干區的溫度露點差最大達到30℃，600hPa以下溫度露點差小于2℃，600～500hPa有對流不穩定區域，CAPE值114J·kg－1，下層暖濕，高層干冷，此種濕度配置有利于強對流天氣的發展。

從北京探空的時間剖面圖上（圖7）可看出，08T08：00，850～200hPa為一致的西南風，850～700hPa風向隨高度增加順時針旋轉趨勢明顯，有暖平流，上部隨高度增大風向變化不明顯，但風速切變較大。與07T20：00相比，500～400hPa風速明顯增大6～10m·s－1，在邊界層由07T20：00的速度為10m·s－1的西南風轉變為速度為6m·s－1的東風，東風氣流來自渤海，溫度較低，邊界層弱冷空氣的侵入，抬升暖濕氣流，致使降水發生。08T20：00，邊界層內東風增大到12m·s－1，500hPa西風風速增大到24m·s－1，500 hPa以下風向隨高度增加順時針旋轉，暖平流明顯，500～400hPa風向隨高度逆時針旋轉，有冷平流，與08T08：00相比，500～200hPa風速均有10m·s－1的增大，低層暖平流明顯，高層冷平流明顯，又有增大的垂直風切變，可使暖濕氣流源源不斷地輸送到上升氣流中，并促使其發展，有利于低空上升氣流與高空下沉氣流長時間共存，保證了有組織的強對流發生，為河北省強降水及強對流的發生提供了有利的熱力及動力條件［8］。09T08：00，除邊界層外，北京高空為一致的西北氣流代替，冷暖平流不再明顯，河北省的降水基本結束。

4 衛星云圖和加密氣象資料應用

2009－06－08白天到夜間，河北區域有3次云系影響：09：00—11：00的強降水云團，主要影響秦皇島、唐山市，持續時間短；16：00—20：00的強對流云團，主要影響廊坊、衡水、滄州，雨強大，部分鄉鎮出現雷電、冰雹、大風強對流天氣；09T01：00—07：00的強降水云系，主要影響衡水、滄州，以強降雨為主，最強降水區在滄州的南皮縣南部的10余個鄉鎮，這6個小時內降水均超過100mm。研究河北省氣象自動站逐時加密風場的變化，可以發現加密風場上中小尺度切變線、小尺度氣旋性閉合環流的生成和維持，促進了氣流的輻合上升，導致了強降水和強對流天氣的發生。

2009－06－08T01：00河北省自動站為南風或東南風，03：00（圖8）河北省西北部開始轉為東北風，與南部的南風、東部的東南風形成中尺度輻合線，降水切變線西北部的冷區開始。之后，東北風區域向西南方向擴展，至07：00，在河北省中南部形成明顯的東南西北向的輻合線，其北段在38.5°N附近，此復合線穩定少動，直至17：00。18：00輻合線突然南壓到38.2°N，風場發生變化，輻合中心變為2個，1個在衡水區域，1個在滄州區域，短時強降雨、雷電、大風、冰雹等強對流災害天氣開始出現，此種風場配置直至23：00；自09T 00：00—02：00，衡水、滄州區域分別出現2個氣旋性閉合環流，降水開始增大，03：00衡水的風場難以為繼，北風向南壓，衡水降水趨于結束，而滄州的閉合環流演變為切變線，繼續維持至09T09：00，強降水從02：00持續到08：00，之后降水開始減小。

5 結 論

綜合上述可知：

1）本次大暴雨及強對流天氣是由蒙古低渦、暖濕氣流和冷空氣的共同影響產生的。3支不同高度、不同風向、不同速度的急流使冷暖空氣交匯，形成了大暴雨和強對流天氣。

2）強對流天氣發生前期，能量積聚明顯，使得天氣區出現深厚的濕中性層結區，為深厚對流的發展提供了條件。

3）來自孟加拉灣、東海、黃渤海的水汽向河北省輸送，使得濕層厚度深厚，為暴雨提供了良好的水汽條件。

4）邊界層冷空氣的侵入為暴雨提供了初始觸發動力，低渦使得河北省上空維持強的正渦度平流，高層維持強輻散，低層維持強輻合，上升運動持續發展。低渦冷空氣的不斷入侵使得強對流持續。

5）在低渦和低層暖濕氣流的共同控制下，具備了強降水、強對流的初始條件，但是降水的發生并不均勻，最小降水10mm左右，最大降水170mm，大風、冰雹等強對流天氣只在部分鄉鎮發生，這也正是位置及降雨強度預報的難點。

6）從自動氣象站加密風場資料上可以發現，中小尺度切變線、小尺度氣旋性閉合環流的生成和維持促進了氣流的輻合上升，為強降水、強對流的生成和維持提供了良好的中小尺度輻合動力，參考逐時自動站風場、降水資料，可以較準確的預報強對流天氣的大致落區，一定程度上提高預報準確率，確保決策和公共服務產品的可信性。

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Mechanism Analysis of a Strong Convective Weather in Hebei Province

LIU Jian－wen，WANG Shu－yun，ZHANG Wei，WEI Xiu－mei
（Cangzhou Meteorological bureau of Hebei Province，Cangzhou 061001，China）

An analysis for the heavy rain and strong convective weather at night on 8June 2009in Hebei Province was performed using conventional data，surface intensified observational data，rainfall of automatic weather stations，physical quantity and satellite image，etc.Results indicated that the vast vorticity advection and cold air of the Mongolian vortex provided dynamical condition for the strong convection；Southerly and easterly jet stream provided rich water vapour，while the confluence of northwesterly jet stream of the low vortex with two warm jet streams facilitated the formation of the torrential rain，hailstone and gale.Strong rain districts were all located in the top part of lower－level energy field，the profile of energy field had a col structure，which had large energy in upper and lower layers，neutral in middlelevel，which provided an initial thermal condition for the deep convection.Intensified observational data of wind field showed that the extended meso－microscale wind field convergence enhanced the lifting convergence of surface air，resulting in this mesoscale system and triggered condition of the local torrential rain.

low vortex；strong convective；dynamical condition；thermal condition；mesoscale wind field

October 11，2010

P458

A

1671－6647（2012）01－0009－08

2010－10－11

河北省氣象局地方科研基金項目——基于數值預報的滄州市夏季暴雨落區（點）預報模型和指標研究（10KY23）

劉建文（1967－），男，工程師，主要從事天氣預報及服務方面研究.E－mail：czwsy68＠163.com

（杜素蘭 編輯）