綏化市一次冷渦背景下的強對流天氣成因分析

李 瑩，買永瑞，孫 亮，班秋艷1

1.綏化市氣象局，黑龍江綏化 152000；2.海南藏族自治州氣象局，青海共和 813000

東北冷渦能夠為中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展提供有利的天氣背景和物理條件[1]。而強對流天氣是我國東北地區(qū)夏季常發(fā)生的災(zāi)害性天氣之一，由于具有尺度小、突發(fā)性強等特點，一直是預(yù)報的難點。孫力等[2]對東北冷渦的時空分布特征進行研究發(fā)現(xiàn)，強對流天氣常常在冷渦的背景下發(fā)生，冷渦的形成、發(fā)展、維持和消亡期均可能伴隨強對流天氣；蔡雪薇等[3]對冷渦背景下不同類型強對流天氣的成因進行對比發(fā)現(xiàn)，分散性多單體風(fēng)暴在冷渦中心外圍西南象限的溫濕梯度區(qū)生成，可以引發(fā)強對流天氣。

綏化市位于黑龍江省中南部，地處松嫩平原呼蘭河流域，處于大興安嶺背風(fēng)坡與小興安嶺迎風(fēng)坡構(gòu)成的喇叭口地形[4]。境內(nèi)地勢東北高、西南低，由低山丘陵、高平原向河谷平原傾斜，呈現(xiàn)“二山一水七分田”的地貌類型，以平原為主。

綏化市氣候溫?zé)釢駶櫍涤昙性谙募荆隉嵬凇Ｊ艿匦魏蜌夂虻挠绊懀椈邢募緲O易出現(xiàn)強對流天氣，伴隨出現(xiàn)雷暴、強降雨、大風(fēng)冰雹等，對交通出行、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成十分不利的影響。由于冷渦后部強對流的預(yù)報容易被忽視，從中尺度和雷達回波特征入手，分析綏化市一次冷渦背景下強對流天氣的形成原因。

1 天氣實況

2020年6月28日13:00～20:00，綏化市出現(xiàn)大范圍雷暴天氣，共有3個站雨量超50 mm，最大小時雨強出現(xiàn)在望奎縣靈山站，達60.6 mm/h；午后至傍晚有多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)風(fēng)雹天氣，極大風(fēng)速達到8級以上共53個站，10級以上共6個站，其中，北林區(qū)雙河站出現(xiàn)35.5 m/s(12級)的雷暴大風(fēng)，慶安縣出現(xiàn)直徑15 mm的冰雹。此次強對流天氣對綏化地區(qū)造成了嚴(yán)重的傷害。根據(jù)災(zāi)情統(tǒng)計：慶安有部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受洪澇災(zāi)害，合計受災(zāi)面積：6 615 hm2，受災(zāi)戶數(shù)4 743戶，受災(zāi)人口13 672人，造成直接經(jīng)濟損失3 544.76萬元；北林區(qū)有11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受冰雹災(zāi)害，總受災(zāi)面積683 hm2，直接經(jīng)濟損失4 128.6萬元。

2 天氣形勢背景

2020年6月28日08:00中高緯500 hPa高度場(圖1a)呈“兩槽一脊”形，有2個冷渦中心分別位于鄂霍次克海和日本海，影響此次強對流的主要系統(tǒng)是位于日本海的冷渦。綏化地區(qū)位于冷渦后部和高壓脊前部，500 hPa綏化地區(qū)主要受偏北的干冷氣流控制，在黑龍江北部有閉合的弱低壓，并有明顯的風(fēng)切變，850 hPa(圖1b)有明顯的偏東氣流帶來充足的暖濕空氣，與偏西氣流在綏化北部形成風(fēng)切變。冷暖空氣在此處交匯是引起此次綏化地區(qū)強對流天氣的主要系統(tǒng)。

3 中尺度分析

3.1 水汽條件

充足的水汽是發(fā)生強降雨的必要條件，2020年6月28日08:00綏化地區(qū)低層濕度較大，850 hPa比濕為8 g/kg左右，綏化地區(qū)處在濕區(qū)，由于綏化處在冷渦后部，低層的偏東氣流加強了水汽輸送，綏化北部地面溫度露點差小于4 ℃，在低層濕的環(huán)境場中，對流系統(tǒng)觸發(fā)產(chǎn)生強降水。由于500 hPa上有偏北的干冷氣流補充，相對濕度小于50%，高低空形成上干下濕的結(jié)構(gòu)，有利于大風(fēng)冰雹天氣的產(chǎn)生。

3.2 不穩(wěn)定條件

K指數(shù)是研究強對流天氣的熱力指標(biāo)[5]。通常強對流發(fā)生區(qū)上空都會存在著不穩(wěn)定能量區(qū)，K值的大小可作為判斷是否會出現(xiàn)雷雨活動的預(yù)報因子，其中，K值在20以下時，無雷雨天氣，K值在20～25之間，常出現(xiàn)孤立的雷雨天氣，當(dāng)K值處于25～30會出現(xiàn)零星的雷雨天氣，若是K值在30～35之間，發(fā)生分散性雷雨的概率較大，K值達到35以上，會發(fā)生成片的雷雨。由于綏化沒有探空站，因此，利用2020年6月28日14:00綏化市地面溫度和露點溫度訂正齊齊哈爾20:00的探空圖(圖2)，可以看到，600 hPa以上溫度與露點明顯分離，即“喇叭口”特征，并且有明顯的垂直風(fēng)切變，這是典型的地面大風(fēng)特征。高層有干冷空氣補充，形成上下溫度和濕度的梯度區(qū)，對流有效位能為2 091.6 J/kg，K指數(shù)為31 ℃，沙氏指數(shù)為1.32，說明大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于出現(xiàn)強對流天氣。0 ℃層的高度為3.5 km左右，相對較低且對流較強，有利于冰雹的發(fā)生。

圖2 2020年6月28日20:00齊齊哈爾探空圖

3.3 抬升條件

由于綏化位于冷渦后部，低層偏東氣流加強，與西北氣流在綏化地區(qū)北部形成切變線，14:00的地面圖(圖3)上，綏化中部有明顯的輻合線，呈西北—東南走向，形成溫度和濕度的梯度區(qū)，造成輻合抬升，觸發(fā)強對流天氣。地面輻合線沿著等露點線分布，并在濕舌前端形成對流系統(tǒng)和冷池，強烈的抬升運動是暴雨發(fā)生的動力原因之一，易出現(xiàn)風(fēng)雹天氣。

圖3 2020年6月28日08:00中分析和14:00地面輻合線

4 雷達回波特征分析

從綏化市新一代天氣雷達反射率因子圖上可以清晰地看到，對流單體在綏化西北部觸發(fā)，并逐漸發(fā)展東移，形成西北—東南走向的線狀系統(tǒng)。此時，強回波帶和地面輻合線位置基本一致，綏化市北部降水強度增強。15:08綏化市雷達0.5°仰角基本反射率(圖4a)強回波中心超過65 dBz，并有明顯的“V”形缺口，在出現(xiàn)冰雹的區(qū)域附近有明顯的負徑向速度(圖4c)，垂直液態(tài)水含量(圖4e)最大值達到58 kg/m2。在風(fēng)雹出現(xiàn)的地區(qū)，沿雷達徑向方向?qū)痉瓷渎?圖4b)和徑向速度(圖4d)作剖面顯示，回波頂高達15 km，有高懸的強回波中心，徑向速度垂直方向上出流與入流的垂直分量形成垂直環(huán)流，有利于產(chǎn)生冰雹[6]。徑向速度有明顯的中層徑向輻合，并且在回波主體前能看到陣風(fēng)鋒，是大風(fēng)的典型特征，對應(yīng)實況出現(xiàn)在北林區(qū)的降水和風(fēng)雹天氣。

圖4 2020年6月28日15:08綏化雷達0.5°仰角基本反射率(a)、沿雷達徑向方向的基本反射率垂直剖面(b)、0.5°仰角徑向速度(c)、沿雷達徑向方向的徑向速度垂直剖面(d)、垂直液態(tài)水含量(e)

5 結(jié)論與討論

2020年6月28日13:00～20:00綏 化市出現(xiàn)大范圍的雷暴大風(fēng)冰雹短時強降雨天氣，此次冷渦背景下的強對流天氣具有強度大、范圍廣、災(zāi)害性強的特點，根據(jù)上述分析得出以下結(jié)論：

(1)綏化地區(qū)處在冷渦后部和高壓脊前部，500 hPa受偏北的干冷氣流控制，850 hPa有偏東氣流帶來充足的暖濕空氣，綏化北部有風(fēng)切變，冷暖空氣在此處交匯，是引起這次綏化地區(qū)強對流天氣的主要系統(tǒng)。

(2)水汽條件分析：綏化地區(qū)低層濕度較大，偏東氣流加強了水汽輸送，500 hPa上有偏北的干冷氣流補充，濕度較小，高低空形成上干下濕的結(jié)構(gòu)，有利于風(fēng)雹天氣產(chǎn)生。

(3)不穩(wěn)定條件分析：探空圖上有明顯的“喇叭口”，并且有明顯的垂直風(fēng)切變，具有典型的地面大風(fēng)結(jié)構(gòu)，對流有效位能為2 091.6 J/kg，K指數(shù)為31 ℃，沙氏指數(shù)為1.32，說明大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，0 ℃層的高度相對較低且對流較強，有利于冰雹的發(fā)生。

(4)抬升條件分析：地面輻合線造成輻合抬升，觸發(fā)強對流天氣，濕舌前端形成對流系統(tǒng)和冷池，易出現(xiàn)風(fēng)雹天氣。

(5)發(fā)生對流天氣地區(qū)基本反射率強度較強，并有“V”形缺口，表明降水可能有冰雹的產(chǎn)生，垂直液態(tài)水含量大值區(qū)對應(yīng)風(fēng)雹出現(xiàn)的地區(qū)；反射率和徑向速度剖面圖上，回波頂高度較高，并有高懸的強回波中心，是冰雹的特征；徑向速度有明顯的中層徑向輻合，并且有陣風(fēng)鋒，是大風(fēng)的典型特征。