冀中一次干對流過程的成因分析

郭志強，丁和悅，韓英杰，于 雷

保定市氣象局，河北保定 071000

作為一種致災性、高影響性天氣，強對流不但是預報預警的重點和難點，而且也是國內外的重要研究內容之一，但大多數研究都圍繞強雷暴展開，關于弱對流的關注程度相對較低。而在實際業務中，弱對流天氣可能會出現漏報，其社會關注度也較為明顯，因而對其展開分析研究同樣具有重要意義。2021年4月15日河北保定漏報了一次弱對流過程，雖然雨量小，但大風造成了揚沙且伴有局地小冰雹，加之過程發生時臨近當地中小學放學，造成了較大的社會影響。

卓鴻等[1]人對2001—2014年北京首都機場發生的459個雷暴日進行分類時指出，伴隨大風但無冰雹的干對流過程占比15.1%。對于此類天氣個例，武麥鳳等[2]人對陣風鋒大風個例進行診斷分析時發現，地面輻合線是強對流天氣的觸發機制，850 hPa切變線提供了初始擾動，中層干入侵和上干下濕的垂直環流是陣風鋒形成和發展的必要條件。郭蘭[3]在對致災強冰雹天氣個例進行分析時指出，在干對流環境背景下，強天氣發生在邊界層的高濕區內，低層切變線提供了動力條件。查書瑤等[4]人發現冷鋒過境時對流性大風與冷空氣大風疊加共同造成了地面大風。

上述研究較為細致深入，冀中平原以往對此類天氣的研究較少，為進一步積累經驗，利用常規觀測資料、地面自動站加密觀測資料和ERA5的0.1°×0.1°再分析資料等，對本次漏報過程進行診斷分析，以期為當地的預報預警工作提供借鑒和參考。

1 環流演變與天氣概況

2021年4月15日08:00地面蒙古氣旋已經控制我國東北、華北等地，氣旋中心氣壓999.5 hPa位于內蒙古那仁寶力格附近，河北處在冷鋒前的暖區中。700～850 hPa中緯度高空槽分為2支，北支自氣旋中心向西南方伸展至41°N附近的河套地區，南支自冀東南經山東伸向河南，河北北部位于北支槽前受西南氣流控制，南部則處在南支波動的槽后，同時850 hPa南支波動的上游晉陜交界處有一短波。與之相對應，500 hPa高空槽自貝加爾湖東側伸至臨河（內蒙古巴彥淖爾），槽前氣流略呈疏散形勢，河北北部風向WSW，南部風向W。至20:00地面冷鋒已經過境河北，700 hPa南、北兩支高空槽已同位相疊加并東移至冀東北—渤海灣—魯西北一帶；850 hPa槽線略偏東，位于東北平原—渤海灣—山東半島，原來于晉陜交界處的短波此時已經并入系統。

冷鋒翻過太行山進入冀中平原時引發“干對流”，多個臺站出現8級大風。干對流觸發前整層大氣都較為干燥，15日08時:00北京站（站號 54511）和邢臺站（站號53798）925 hPa的比濕分別為4和3 g/kg；850 hPa分別為1和3 g/kg；600 hPa以上兩臺站比濕均小于1 g/kg；此外兩臺站500 hPa風速分別為19.6和22 m/s。對流觸發后，上述環境條件有利于中高層干空氣被夾卷進入風暴，加速下沉氣流內的雨滴蒸發，有利于地面對流大風的出現和加強。

本次過程中，保定站（38.74°N，115.48°E）降水起止時間為16:12～16:24，雨量1.6 mm，降水出現前16:10～16:11風力達到極值19.5 m/s，據本地氣象信息員反饋，其西南側9 km處的蔣村，降水時伴有花生米大小的冰雹。

圖1為保定站部分氣象要素的觀測實況：16:00溫度21℃、溫度露點差11.7℃、西北風3.1 m/s、海平面氣壓1001.4 hPa。然后溫度少變但風速增加，溫度露點差變大，氣壓升高；16:11溫度20.9℃、海平面氣壓1 003.1 hPa、溫度露點差和風速均達到極值分別為16℃和19.5 m/s。隨后降水出現，溫度迅速下降但氣壓上升幅度減弱，溫度露點差數值減小，風速也在波動中下降。需要說明的是，降水發生前后16:00～16:30，地面相對濕度維持在35%～47%。以上要素的分布特征表明，降水出現前，近地面已經有干冷空氣影響保定，降水出現后由于蒸發冷卻和冷池出流才導致了氣溫下降。

圖1 2021年4月15日保定站地面各氣象要素的觀測實況

2 鋒區特征分析

參照楊貴名等[5]人的研究方法，以等θse廓線密集區表征鋒區，考慮本次過程中冷、暖氣團的屬性，分別以298K和308 K作為鋒區的界面，如圖2藍色線條所示。

圖2給出了38.7°N處θse的空間分布，14:00地面鋒區尚未下山，鋒區內，大氣呈中性狀態，鋒區內114°E附近、600 hPa以下各層有一淺槽（下文簡稱“東槽”），其上游113°E附近、750 hPa以下各層有一短波（下文簡稱“西槽”）；16:00鋒區東移下山，主要影響114°E～116°E區域，鋒區內大氣層結仍呈中性狀態，但θse線更加密集，即鋒區強度有所增加，鋒前暖區內的θse數值增大并有暖舌向高空伸展，同時鋒后冷區內800 hPa以下θse數值減小，此時鋒區內的西槽已并入東槽，槽線位于115.5°E附近。

圖2 2021年4月15日14:00（a）、16:00（b）38.7°N處的假相當位溫（等值線 K）、u-w流場的空間分布（陰影區為山脈，下同）

以相對渦度表征高空槽的強度，如圖3所示，14:00 38.7°N處的最大正渦度恰好與850 hPa西槽相對應，而東槽的渦度較小。隨著高空槽的合并，16:00 700 hPa以下各層正渦度有所加強，且高空槽前后的西南風和西北風風速較14:00均明顯增加。

圖3 2021年4月15日14:00（a）、16:00（b）38.7°N處鋒區（藍色線條K）、水平風場和渦度（陰影 10-5 s-1）的空間分布

由以上形勢分析可知，由于“西槽”的并入，“東槽”強度增加，槽后西北氣流加速同時鋒前暖區的θse數值也有所增大，導致冷鋒自太行山東移至冀中平原后，冷暖對比加大、鋒區強度和鋒生次級環流加強，環境條件逐漸有利于上升運動的建立和對流天氣的產生。

3 “干對流”成因分析

許多學者的研究表明，對于類似圖2中的中性層結大氣，空氣垂直運動處于無阻力也無浮力的狀態，垂直動能在運動中的消耗很小，低層一旦有擾動出現，上升運動將會穩定維持[6-8]。圖4為16:00 38.7°N處的垂直運動分布，小于-1 Pa/s的上升運動區從地面伸展至450 hPa，恰好處在鋒區內靠近暖區一側。

結合圖4中上升運動區與鋒區的對應關系，以及圖1中近地面先受干冷空氣影響、后出現降水的觀測實況可知，本次“干對流”是由冷鋒過境引發的一次天氣過程，降水出現在鋒區內。

圖4 2021年4月15日16:00 38.7°N處鋒區（藍色線條 K）、溫度（紅色線條 ℃）、垂直速度（黑色線條 Pa/s）和相對濕度（陰影）的空間分布

前文所述的鋒區強度增加、較強的上升運動建立并維持，必然導致鋒生次級環流的加強，近地層風速也將增加。由此可以推斷，圖1中風速自16:00左右緩慢增加，與此時冷鋒開始過境有關，而由于800 hPa以下的大氣較為干燥，干對流觸發后雨滴粒子在低層大氣中的蒸發效應，進一步加大了下沉氣流與周圍環境大氣的密度差，出流效應的疊加是降水出現前2min風速急速增加的原因，即鋒面系統性大風和干對流大風組成的混合性大風導致了16:10～16:11出現19.5 m/s的風速。

由于低層高空槽兩側風速的加強，低層大氣垂直風切變也會隨之加大，促使風暴進一步發展（圖5）。16:00 115.5°E、38.7°N處 地 面 至700 hPa風向已由15:00的西南風轉為西北風且風速加大，其中v風分量的變幅大于u風分量，700 hPa以上西南風速則有所減小。此外，700 hPa以上各層的u、v風分量在16:00有所減小，但v分量在7～8 m/s，u分量基本20 m/s以上且隨高度增加，換言之，干對流發生時中層環境大氣的水平風速較大，這有利于干冷空氣的夾卷。

由圖4還可知38.7°N處上升運動中心主要位于0℃層與-10℃層之間，相對濕度大于50%的區域也位于0℃層之上、大于80%的區域位于-10℃層之上，同時相對濕度大值區基本與上升運動區相對應并略偏向于后者的東側。結合圖5中垂直風切變的分析，可知環境大氣有利于雹胚的增長及降落。

圖5 2021年4月15日15:00（虛線）、16:00（實線）115.5°E、38.7°N處風速u分量（紅色線條 m/s）和v分量（藍色線條m/s）的垂直廓線

本次過程中大氣較為干燥，圖6為16:00 38.7°N處云水混合比的空間分布，可知云水主要集中在0℃～-20℃層的上升運動區內，且處在上升運動中心的上方偏下游一側（東側），其中心值為0.08 g/kg，恰好位于-10℃層附近。超過0.1 g/kg的云冰混合比在空間上與云水混合比相垂直并位于其上方，0.3 g/kg云冰混合比等值線的下緣基本對應云水區的上緣，由此推斷，雹胚-10℃層上方、上升氣流的邊緣垂直翻滾并不斷增長。此外雨水粒子主要集中在0℃層下方，其中心處在上升氣流的邊緣，上升運動中心和下沉運動區也有雨水粒子分布，同時云冰粒子的下緣恰好對應雨水粒子的中心，這反映出部分雨水粒子是由冰雹粒子融化而來。此外，冰雹粒子的融化也會加劇下沉氣流與環境大氣的溫差，進而有利于氣流的加速下沖和近地面風速的增加。

綜合圖4和圖6可知，相對濕度大于80%的濕區均位于上升運動區，該區域以-20℃層高度為界，下方主要是云水粒子，上方主要是云冰粒子，而云水混合比的中心值小于0.1 g/kg表明了大氣整體干燥，這解釋了地面降水量為何僅有1.6 mm。而在-20℃層上方，是一個由冰相粒子組成的近飽和區，其內有上升運動維持，雹胚在此將迅速增長，因而盡管本次過程發生前CAPE值為0，但仍有局地小冰雹降落。雹胚的主要增長區內水相粒子含量很低，沒有足夠的過冷卻水供雹胚增長為大冰雹，而小冰雹在降落時不可避免地會出現融化，因而本次過程僅有局地出現小冰雹。

圖6 2021年4月15日16:00 38.7°N處溫度（紅色線條 ℃）、垂直速度（黑色線條 Pa/s）、云冰（藍色線條 g/kg）、云水（陰影 g/kg）和雨水（綠色線條 g/kg）的空間分布

4 小結

（1）低槽冷鋒系統自太行山東移進入冀中平原時，低層大氣中的短波合并加強，高空槽前、后的θse數值分別增大和減小，導致冷暖對比加大、鋒區強度增加。鋒區內，大氣層結呈中性，空氣垂直運動處于無阻力也無浮力的狀態，低層擾動導致的上升運動得以穩定維持并觸發了干對流。

（2）低層高空槽加強，導致槽后西北風加速，迅速增大的低層垂直風切變有利于風暴的加強。相對濕度大于80%的區域位于上升氣流的邊緣、-10℃層之上，但云水含量不足0.1 g/kg，水汽含量低導致過程降水量較小。

（3）地面降水出現前，冷鋒已經影響保定并導致了地面風力加大。中層較大的水平風速有利于干空氣被夾卷進入風暴并加速下沉氣流內的雨滴蒸發，冰雹融化和雨粒子蒸發等進一步加劇了下沖氣流與環境大氣之間的溫差。密度流疊加冷空氣大風，共同導致了地面19.5 m/s的風速。

（4）云中冰相粒子主要位于-10℃層上方， -10℃與-20℃層之間的云水配合上升氣流為雹胚的增長提供了有利環境條件，由于過冷卻水含量較低，雹胚僅能增長為小冰雹。部分雨粒子是由冰雹融化而來。