陜北黃土高原夏季2次典型強對流天氣環境參量對比

劉慧敏，李曉利，張建康，任 琦

(榆林市氣象局，陜西榆林 719000)

關于強對流天氣的分析，國內氣象工作者已有許多研究成果，許愛華等[1]通過對2000年以來全國近百次強對流個例的環境場進行分析，提出中國強對流天氣的五種類別；樊李苗等[2]分析了中國短時強對流天氣的探空環境參數，對不同強對流天氣進行了區分；鄭媛媛等[3]對安徽不同類型大尺度背景下的強對流天氣進行了短時臨近預報預警研究；孫繼松等[4]對強對流天氣分析與預報中的若干基本問題進行了分析和歸納，以加深對大氣科學基礎理論的深刻理解和正確應用。高曉梅等[5]對魯中地區強對流天氣進行分類，分別給出環境參量預報閾值。

陜北黃土高原地處西北內陸，近年來極端降水頻繁發生，給人民生命財產安全造成重大影響。對發生在陜北黃土高原榆林市主城區兩次不同類型的極端強對流天氣過程(2013年8月4日，簡稱“8·4過程”；2017年7月23日，簡稱“7·23過程”)進行對比分析，尋找天氣系統關鍵環境參量的異同點，為做好短時臨近天氣預報預警積累經驗。

1 資料選取和處理

選取資料為MICAPS常規氣象數據，選取時次為與強對流天氣發生最接近的時間。在具體分析中，榆林沒有探空站，因此選取距離最近的東勝站和延安站的探空資料進行數據融合(榆林北部是東勝站，南部是延安，榆林與兩者的距離都是200 km)，便于對榆林高空氣溫、濕度、風場等氣象要素的垂直配置變化進行連續性分析，計算使用兩站的探空數據進行線性內插。

2 天氣過程簡述

2013年8月4日18：00—20：00，榆林市區出現極端強對流天氣。主城區狂風暴雨伴隨拳頭大的冰雹，市中心廣場站監測到的極大風速為34.2 m/s，風力等級達臺風(颶風)級別；榆陽區馬合鎮2 h降水量達108.6 mm；榆陽氣象站觀測到的冰雹直徑為17 mm，50 min降水量達47.6 mm，10 min最大降水量達16.9 mm。冰雹砸壞車輛和房屋玻璃，暴雨導致城市內澇，受大風影響多處電力和通訊線路中斷。

2017年7月23日16：00—19：00，榆林市區出現短時對流性大暴雨，市中心廣場站16:33—17:13降雨量64.8 mm，分鐘最大雨量5.5 mm。突發性暴雨導致紅山路被大水全部沖毀，兩側房屋倒塌，經濟損失慘重。

通過對比發現，“8·4過程”是混合型強對流天氣，既有大風，同時還有冰雹、暴雨出現。“7·23過程”是極端強降水天氣。兩次過程都具有局地性強、歷時短、強度大、災情重的特點，是近年來少見的極端強對流天氣。

3 環流背景

3.1 “8·4過程”

2013年8月4日08時200 hPa西風帶高空急流位于40°N。500 hPa天氣圖上(圖1a，圖見第26頁)，亞洲中高緯度為平直西風氣流有小波動，槽區位于115 °E～117 °E。貝加爾湖底部有冷空氣分裂南下，在內蒙古東部115°E形成低于-12 ℃的冷中心，副高588 dagpm線位于長江流域，青藏高壓中心偏東，強度較弱，僅在500 hPa以下有閉合環流。700 hPa河套西部有西風和西南風之間的切變線，切變線兩側均為干區，無明顯的溫度、濕度差異，溫度露點差大于20 ℃。850 hPa河套西部也有弱切變線，位置較700 hPa切變線位置偏西。地面圖上，河套西部為熱低壓，榆林處于低壓前部的偏南氣流中。從環流形勢的垂直分布來看，榆林上空為前傾槽配置，500 hPa以上是干冷層，700 hPa為干區，850 hPa以下是暖濕層。地面上有較強的風場輻合，露點鋒過境觸發了強對流天氣。

3.2 “7·23過程”

2017年7月23日08時200 hPa天氣圖(圖略)上，南亞高壓較為強盛，控制40°N度以南大陸地區，高空急流位于40°N～50°N，亞洲中高緯為西風氣流。500 hPa(圖1b)副熱帶高壓強盛北擴，588 dagpm線西伸北抬至95°E，40°N。西風槽位于蒙古國至甘肅西部，河套上游有弱冷空氣東移，榆林位于副熱帶高壓邊緣西南氣流中，西南風達16 m/s。700 hPa河套地區有西風與西南風之間的切變線，風速4～10 m/s ；850 hPa 銀川與延安之間有橫切變，切變線兩側風速均為8 m/s。榆林上空整層較暖，中高層較干，有弱冷空氣活動，中低層為暖濕氣流。地面處于倒槽北端，有弱的風場輻合。熱力抬升觸發局地對流性暴雨。

3.3 2次過程環流背景的異同點

相同點：西風帶急流位于40°N附近，副高比較強盛，天氣影響區內低層具有高溫、高濕和不穩定層結的特征。不同點：冷空氣的影響方式有差異。“8·4過程”發生在前傾槽形勢下，貝加爾湖底部-12 ℃強冷空氣影響榆林，850 hPa有較強暖平流，形成了不穩定層結和較大的不穩定能量，且地面有較強的風場輻合和露點鋒。“7·23過程”發生在副高588 dagpm線內部的高溫高濕環境下，中低層存在切變線，大尺度風場輻合較弱，地面處于倒槽北端，且有北路弱冷空氣影響，地面熱力抬升觸發局地性強的對流性暴雨。

4 對流特征分析

形成對流的三個條件是水汽、不穩定層結和抬升力。

4.1 不穩定條件

分別用T850-500(靜力不穩定)、θse(850-500)(位勢不穩定)、CAPE(對流有效位能)分析兩次過程的不穩定條件。8月4日08時T850-500為28 ℃，7月23日08時為23 ℃，“8·4過程”500 hPa更冷，靜力不穩定更強。8月4日08時θse(850-500)是21 ℃，7月23日08時是20 ℃，兩次過程都處于盛夏，位勢不穩定都比較強。8月4日08時，東勝探空站CAPE值達到1 587 J/kg。7月23日08時延安探空站達到1 499 J/kg，兩次過程均有較大的對流有效位能，“8·4過程”的對流抑制大于“7·23過程”。“8·4過程”整層比較干，沒有明顯的濕層，0 ℃層較低，位于600 hPa。“7·23過程”600 hPa以下為濕層，0 ℃層較高，位于500 hPa” (圖2，圖見第26頁)。

4.2 水汽條件

地面露點溫度表征近地層水汽的飽和程度，比濕和濕層厚度表征對流發生區上空的水汽含量，水汽通量散度表征水汽輸送的輻合能力。

8月4日08時，榆林站地面(1.5 m)露點溫度為15 ℃。17時對流發生前增大到21 ℃，露點溫度出現躍增，低層濕度進一步增大。7月23日08時，榆林地面(1.5 m)露點溫度為20 ℃。14時對流發生前下降到18 ℃，地面更為干熱。地面露點溫度變化表明，“8·4過程”強對流天氣臨近時，露點溫度增加，低層的溫度濕度增大，有利于積聚更多的能量。“7·23過程”強對流天氣臨近時，地面溫度升高，露點溫度降低，低層暖干，有利于熱力對流的產生。兩次過程的比濕分布顯示，“8·4過程”天氣區上空的水汽含量最大層位于850 hPa，達到13.4 g/kg，只在地面到850 hPa有濕層；“7·23過程”最大比濕達到17 g/kg，濕層位于850～700 hPa。7月23日天氣區的中低層比濕大于8月4日的中低層比濕，濕層比8月4日偏厚。本地水汽條件“7·23過程”優于“8·4過程”。

分析兩次強對流天氣發生之前(當日08—14時)水汽輸送能力(水汽通量散度和流場相配合)發現，8月4日08時，水汽通量散度輻合區的水平范圍較大，37°N～43°N均為輻合區，中心輻合區位于39°N～40°N。在天氣區的北側，最大水汽通量散度達-7×10-7g/(cm2·hPa·s)。垂直方向上有2個輻合層，低層輻合較強，位于地面到750 hPa；中層輻合較弱位于600～300 hPa。流場上表現為一致的上升氣流。14時，低層的中心輻合值減小到-2.5×10-7g/(cm2·hPa·s)，輻合層增厚到600 hPa；中層輻合值增大到-0.5×10-7g/(cm2·hPa·s)。流場仍表現為一致的上升氣流。20時是強天氣發生時段，低層輻合再次增大到-7×10-7g/(cm2·hPa·s)，輻合中心進一步接近天氣區；且天氣區北側40°N形成較強的下沉氣流，對天氣區的上升運動有補償作用。

7月23日08時，38°N強天氣區已有水汽通量輻合中心，輻合區水平范圍為37°N～39°N；垂直高度達550 hPa，中心為-8×10-7g/(cm2·hPa·s)，位于850 hPa。流場上表現為上升氣流。14時，水汽通量散度的輻合中心北移到40°N，中心為-3×10-7g/(cm2·hPa·s)。從流場可以看到天氣區及其北側形成雙垂直環流圈，35°N和40°N為下沉支，38°N(天氣區)為強的上升支。流場中下沉氣流的反饋作用有利于天氣區上升運動的發展，并將低層的水汽輸送到自由對流高度(750 hPa附近)，高于抬升凝結高度(850 hPa)，有利于水汽的凝結，形成了中低層水汽的強輻合。

兩次過程的水汽通量散度分析表明，“7·23過程”具有更強的水汽輻合。流場上表現為天氣區的南北兩側分別有下沉氣流對天氣區的上升氣流形成補償，有利于天氣區水汽的垂直輸送。

4.3 觸發和抬升條件

雷暴的觸發需要大氣低層有持續的上升氣流[5]。有組織的垂直風切變有利于形成較強的垂直上升運動，是對流發生強度的關鍵參量。地面切變輻合形成的動力抬升和加熱形成的熱力抬升是強對流發生的觸發條件。

“8·4過程”風的垂直切變計算表明，榆林北部的東勝探空站850～500 hPa風矢量差最大為15.1 m/s，達到中等以上較強垂直風切變[2]。在地面天氣圖上可以分析出明顯的干線(露點鋒)過境，并且對流發生前本站地面風向為東南風，風力達到4 m/s。較大的風場輻合形成的動力抬升，觸發了強對流的發生。“7·23過程”經計算東勝850～500 hPa風矢量差為14.0 m/s，屬于弱的垂直風切變[2]。在地面天氣圖上有弱的切變輻合系統，對流發生前地面風場由西南風2 m/s轉為西北風2 m/s，說明有風場弱輻合。午后最高溫度升到32.6 ℃，對流首先由熱力抬升觸發，隨后與850 hPa切變線相結合，形成了深厚的濕對流強降水。

5 關鍵環境參量的預報參考閾值

從與強對流有關系的各種環境參量中，提取分別反映不穩定能量、抬升力和水汽條件的11項主要因子(表1)。將兩次過程的各個因子比較可以看出，兩次過程發生前都具有地面溫度和露點溫度較高,比濕較大, CAPE較大和垂直風切變、水汽通量輻合較大，表征位勢不穩定的θse(850-500)均大于20 ℃。但是兩次強對流天氣的部分環境參量還是有很大的不同，這也許是區分對流性強降水和混合性對流天氣的重要因素，可作為強對流天氣分類預報的參考閾值。主要表現為：“8·4過程”有較強的地面風場輻合，700 hPa有干層，T(850-500)明顯高于“7·23過程”，體現了高層干冷的特征。可見對于“8·4過程”，除了必備的能量和不穩定層結外，需要700 hPa干層和地面較大的風速輻合。“7·23過程”較“8·4過程”的顯著不同之處是θse850和比濕更大，700 hPa沒有干層，500 hPa沒有強冷中心，中低層均為濕熱型，這類過程容易產生對流性暴雨。

6 結論與討論

(1)兩次過程都發生在盛夏，西風帶急流位于40°N，副高588 dagpm線西伸到110°E以西，低層高溫高濕的環境和高空急流的抽吸作用是形成強對流天氣的環流背景。兩次極端強對流天氣都具有尺度小、強度大、歷時短、災情重的特點。

表1 兩次強對流天氣的關鍵環境參量

(2)兩種類型強對流天氣的關鍵參量相同點是，過程發生前地面溫度和露點溫度均較高，850 hPa比濕較大，CAPE接近1 500 J/kg，垂直風切變大于14 m/s，水汽通量散度小于-7×10-7g/(cm2·hPa·s)，表征位勢不穩定的θse850-500均大于20 ℃。

(3)兩次強對流天氣的部分環境參量有很大不同，這也許是區分對流性強降水和混合性對流天氣的重要因子。主要表現在：“8·4過程”有較強的地面風場輻合，700 hPa有干層，T850-500明顯高于“7·23過程”，體現了中高層干冷的特征。對于類似“8·4過程”的混合型強對流天氣，除了具備必要的能量和不穩定層結外，需要700 hPa干層和地面較大的風速輻合。“7·23過程”較“8·4過程”θse850和比濕更大，700 hPa沒有干層，500 hPa沒有強的冷中心，中低層均為濕熱型，這類天氣容易產生對流性暴雨。