河西走廊中部連續兩次強對流天氣對比分析

安婷婷，王伏村，崔 宇，閆昕旸，牛麗娟

（1.甘肅省張掖市氣象局，甘肅 張掖 734000；2.甘肅省氣象局蘭州中心氣象臺，甘肅 蘭州 730020；3.甘肅省氣象局氣象服務中心，甘肅 蘭州 730020）

1 引言

強對流天氣是指直徑超過2 cm的冰雹、超過17 m/s的對流性直線型陣風、任何級別的發生在陸地上的龍卷和超過20 mm/h的短時強降水[1]。其中，冰雹是甘肅省主要災害性天氣之一，危害程度僅次于旱災，位居氣象災害第二[2]，強對流天氣引發的災害已嚴重威脅人民群眾的生命財產安全[3]。強對流天氣發生于中小尺度天氣系統，空間尺度小，生命史短，但突發性強，天氣劇烈，并常伴有狂風、驟雨，對農業生產和人民生命財產安全造成的破壞性極大，提高強對流天氣的短時臨近預報預警準確率，能有效預防或減輕其帶來的危害，這也是預報業務中的重點和難點，近年來國內強對流天氣業務預報水平已得到顯著提升[4]。

張掖市地處甘肅省西北部，河西走廊中段，處于青藏高原與內蒙古高原的過渡地帶，南枕祁連山，北依合黎山、龍首山。河西走廊雷暴的發生往往伴隨著其他天氣現象，包括陣雨、大風、揚沙、沙暴和冰雹等，最多伴隨的天氣現象為陣雨，概率超過55%，其次是大風和揚沙[5]。河西走廊夏季冰雹天氣是僅次于干旱、大風沙塵暴的高影響災害性天氣，強對流天氣的精準預報具有極大難度[6]。文章利用常規氣象觀測資料、衛星云圖、雷達圖及Ecmwf_thin數值模式，對2021年6月6日和8日河西走廊中部連續兩次出現的強對流天氣過程進行對比分析，完善一些短時量化指標判據，從而在強對流天氣的短時臨近預報預警中起到積極的作用，由此為防災減災提供更為可靠的參考依據[7]。

2 天氣實況及災情

2021年，河西走廊中部強對流天氣頻繁，冰雹次數達近五年之最。共出現強對流20次，冰雹天氣3次，僅6月6日和8日河西走廊中部連續兩次出現強對流天氣過程，所轄6個縣區都出現了不同程度的雷雨大風或冰雹天氣，其中6月6日下午河西走廊中部出現一次雷暴大風、冰雹、短時強降水天氣，14時40分—16時先后在肅南裕固族自治縣、臨澤縣、高臺縣局部地方出現冰雹天氣，冰雹最大直徑約1～2 cm，出現在臨澤縣丹霞地質公園，16時—17時高臺縣羅城鎮常豐村1小時降水量11.9 mm，達到河西地區短時強降水標準（1小時降水量≥10.0 mm）；共計78站出現大風，最大風速出現在甘州平山湖（27 m/s，10級），其中7級大風29站，8級大風35站，9級大風11站，10級大風3站。6月8日下午出現大風沙塵雷雨天氣，最大風速出現在甘州堿灘（31.1 m/s，11級），其中甘州區、高臺縣、臨澤縣出現揚沙，最小能見度2 559米，出現在甘州；共計84站出現大風，其中7級大風12站，8級大風26站，9級大風27站，10級大風10站，11級大風9站，這在河西內陸地區實屬罕見。

經核查統計，6月8日的大風沙塵天氣使甘州區3個鄉鎮16個村86戶337人受災，212座農業生產大棚受損，造成農業損失約88.35萬元。

3 大尺度環流背景分析及對比

強對流天氣一般都是在有利的大尺度環流背景下生成、發展，大尺度環流背景決定了中小尺度對流天氣系統的強度、時空尺度、演變特征。孫繼松等[8]按照熱動力學結構特征將中國西北地區強對流天氣的形勢背景分成3類：高空冷平流強迫類、低空暖平流強迫類、斜壓鋒生類。根據本地經驗，河西走廊中部的降雹天氣形勢可分為西北氣流型、高空冷渦型、偏西氣流型、地形強迫型4種，文章在此基礎上，分析了發生在2021年6月6日和8日兩次強對流天氣過程的環流背景及影響系統。

2021年6月5日20時500 hPa，歐亞中高緯地區呈“兩槽一脊”的形勢，西槽位于貝加爾湖西側（50°N～60°N，85°E～ 95°E）附近，新疆北側有一溫度為-24 ℃的冷中心，此時甘新交界處的短波槽和青藏高原中東部的高原槽呈階梯狀，短波槽槽前等高線疏散，有利于槽的發展加深；至6日8時，新疆北側的冷中心東移發展，強度達-26 ℃，甘新交界處的短波槽東移發展至河西走廊中部-青海中東部，槽后冷空氣不斷下滑影響河西走廊中部，而且等溫線和等高線夾角較大，冷平流較強。對應到同時次700 hPa上，新疆北側有強度達-8 ℃的冷中心，甘新交界處有切變線，切變線后側有冷平流，而甘肅大部受暖脊控制。綜上，上冷下暖的大氣不穩定層結以及前傾槽結構均為此次強對流天氣的發生奠定了基礎。同時，在地面圖上，6日8時中西伯利亞受低壓帶控制，低壓帶底部副冷鋒東移；至6日14時，低壓帶東移南壓并增強，河西走廊有地面輻合線，中尺度輻合線為此次冰雹天氣提供了較好的觸發機制[9]，加之午后近地面增溫明顯，而高空有冷空氣沿西北氣流不斷下滑，加大上下層溫差，使大氣層結的不穩定性增強，在地面輻合線的抬升作用下，不穩定能量釋放，河西走廊中部出現區域性的雷暴天氣，并產生局地短時強降水和冰雹。

2021年6月7日20時500 hPa，歐亞中高緯地區亦呈“兩槽一脊”的形勢，但槽脊位置與5日20時不同，西槽位于貝加爾湖南部-河西走廊中部，槽前等高線呈疏散狀，且冷溫槽落后于高度槽，有利于槽的發展加深，同時貝湖南部有一溫度為-20 ℃的冷渦；至8日8時，冷渦東移，西槽亦隨之緩慢東移并略有加強，槽后有弱冷空氣沿西北氣流不斷下滑影響河西走廊中部，但等溫線和等高線幾乎平行，夾角較小，冷平流較弱。對應到同時次700 hPa上，貝加爾湖南部有一冷渦，中心強度達-4 ℃，河西走廊中西部有切變線，切變線后側有冷平流，切變線前側為暖平流；從而形成了上冷下暖的大氣不穩定層結，非常有利于強對流天氣的發生和發展。在地面圖上，7日20時冷鋒東移至河套地區，受冷鋒東移影響，河西中東部出現了弱降水，蒙古中西部受高壓控制，河西走廊西部有地面輻合線；至8日8時，高壓增強5 hPa，并分裂南下，高壓外圍的下沉氣流有利于地面風速加大，從而有利于雷暴大風的產生，同時河西走廊中部和西部各有一地面輻合線，地面輻合線穩定有利于對流系統的增強[10]；至14時，高壓迅速減少10 hPa，地面輻合線減弱消失。

通過對6日和8日強對流天氣過程的大尺度環流背景及影響系統對比分析發現：6日的強對流天氣屬于西北氣流型；8日的強對流天氣屬于高空冷渦型。

4 中尺度分析及對比

一般認為，強對流天氣的發生必須滿足以下幾個基本條件：水汽條件、不穩定層結條件、抬升條件和垂直風切變條件。中尺度天氣分析是在常規天氣圖分析的基礎上，針對產生中尺度對流性天氣的主要條件，分析各等壓面上相關大氣的各種特征系統和特征線，最后形成中尺度對流性天氣發生、發展大氣環境場“潛勢條件”的高空和地面綜合分析圖[11]。中尺度分析方法在強對流天氣短臨預報預警中發揮著重要的作用，研究將從這幾方面出發，利用地面、高空等觀測資料對過程前的環境場進行中尺度分析。

6日8時中尺度分析：河西走廊位于200 hPa高空急流左側，風速有明顯的氣旋性切變，高空抽吸作用有利于中低層氣流的輻合抬升；500 hPa河西中部至青海中部有低槽，冷溫槽位于新疆北部；700 hPa甘新交界有切變線，冷溫槽位于新疆北部，高低空配置可以看出明顯的前傾槽結構，前傾槽有利于強對流的產生和發展；地面上，河西走廊西部的副冷鋒有利于觸發不穩定能量的釋放，從而產生強對流天氣。從水汽條件來看，此次過程河西500 hPa溫度露點差達4～6 ℃，700 hPa比濕為6 g/kg，河西中西部地面露點達10～14 ℃，中低層水汽條件較好。探空資料在強對流天氣分析中占有重要地位，強天氣的出現必然對應某些中尺度物理量的異常[12]。中國探空對應于北京時間8時和20時，而對流活動多發生在下午和傍晚，如果用8時探空狀態判斷下午和傍晚的對流潛勢，誤判的可能性很大，因此，需用14時的溫度對8時探空圖進行訂正，訂正后CAPE值由2.3 J/kg升高至1 231.7 J/kg，說明大氣層結極不穩定，較高CAPE值有利于強對流天氣發生[13]；另外，大氣層結不穩定還可以用700 hPa與500 hPa之間的溫度差來表示，溫差越大，表示條件不穩定越明顯，此次過程700 hPa和500 hPa溫差達21 ℃，也表明河西走廊大氣層結處于不穩定狀態。從張掖站的探空圖可以看出，600～700 hPa為濕層，600 hPa以上和700 hPa以下大氣層結較干，有利于雷雨大風的產生；0～3 km風矢量差15.5 m/s，0～6 km風矢量差11.2 m/s，0～3 km垂直風切變最強，對流性特征明顯[14]，有利于對流風暴的發生和加強。

8日8時中尺度分析：河西走廊亦位于200 hPa高空急流左側，風速呈氣旋性切變，但與6日8時不同的是，8日8時200 hPa高空急流距離河西走廊中部更近，高空抽吸對中低層氣流的輻合抬升作用更強；500 hPa貝加爾湖附近冷渦底部低槽延伸至河西走廊中部，冷溫槽位于新疆東部；700 hPa河西中部有切變線，冷溫槽位于新疆中部；地面上，河西走廊中部和西部各有一個地面輻合線，有利于不穩定能量的釋放，從而產生強對流天氣。從水汽條件來看，500 hPa張掖上空溫度露點差達7 ℃，700 hPa比濕為5 g/kg，地面露點達7～8 ℃，整層水汽條件較差。同樣，用14時的溫度對8時探空圖進行訂正，訂正后CAPE值由0 J/kg升高至1 409.7 J/kg，說明大氣層結極不穩定；另外，700 hPa和500 hPa溫差達22 ℃，也表明河西走廊大氣層結處于不穩定狀態。張掖站的探空圖表明，低層有逆溫層，形成干暖蓋，近地面層的逆溫層為強對流發生積累了能量；大氣層結從底層到高層均較干，有利于雷雨大風的產生；中低層有明顯的垂直風切變，0～3 km風矢量差7.1 m/s，0～6 km風矢量差24.7 m/s，有強垂直風切變，更有利于強對流風暴的發生和加強。

綜上分析表明：8日的水汽條件比6日的差；就大氣層結穩定性而言，8日更不穩定；而且8日的垂直風切變明顯比6日的大；但8日的抬升條件不如6日。

此外，0 ℃層和-20 ℃層是表示雹云特征的重要參數，就河西走廊中部而言，有利于降雹的0 ℃層高度約在4 km（600 hPa）附近，-20 ℃層高度約在5 km（400 hPa）附近。分析探空資料發現，6日的0 ℃層和-20 ℃層高度分別位于3 975 m和7 228 m，8日的0 ℃層和-20 ℃層高度分別位于4 194 m和7 324 m，因此，6日特征層高度更適宜降雹。

5 衛星資料分析及對比

從2021年6月6日的衛星云圖（圖1）上可以看出，12時酒泉市境內形成多個對流云團，強度較弱；13時對流云團東移發展增強；14時位于酒泉市東部的對流云團進入河西走廊中部的高臺縣和肅南裕固族自治縣西部；15時該對流云團發展東移至河西走廊中部的臨澤縣和肅南裕固族自治縣中部，強度增強，且頭邊界光滑整齊，云團影響區域出現冰雹天氣；16時酒泉市上空片狀對流云團東移增強，影響河西走廊中部的高臺縣西北部，此時高臺縣西北部的天成出現小冰雹；17時該對流云團呈盾狀，頭邊界清晰可見，強度繼續增強，影響高臺縣和臨澤縣北部，其中高臺西北部的長豐村出現大于10.0 mm/h的短時強降水天氣；18時對流云團發展成MCC呈團狀，主體移出甘肅省。

同樣，從2021年6月8日的衛星云圖（圖2）上可以看出，在河西走廊西部形成并發展東移的對流云系于14時開始進入河西走廊中部，并且繼續發展增強，伴隨著云系的東移增強，河西走廊中部自西向東出現雷暴大風天氣；至19時，該對流云系開始減弱消散；21時，主體移出河西走廊中部。

由此可看出，兩次過程均表現出對流云團于午后發展東移并不斷增強，造成河西中部的區域性雷暴天氣；但6月6日的對流云團比8日的更白，云高更高，發展更旺盛，強度更強，故6日還出現了局地冰雹和短時強降水天氣過程。

6 雷達資料分析及對比

張掖雷達是C波段（λ＝5 cm）多普勒天氣雷達，在短時臨近天氣預報預警工作中發揮了極為重要的作用，文章通過分析張掖天氣雷達的各類PUP產品，從而得出冰雹、雷雨大風的預報著眼點。

從2021年6月6日14：33雷達圖（圖3）上可以看出，河西走廊中部的肅南裕固族自治縣出現58 dBz的超級單體回波，強回波呈東北-西南向帶狀分布；此后，帶狀回波自西北向東南移動并發展加強，14：39—14：57，強回波發展呈“s”形鉤狀回波，回波最強達66 dBz，位于臨澤丹霞附近，中低層有弱回波區，低層有有界弱回波區，15：00觀測到該地出現直徑達2 cm的大冰雹；15：03—15：09，回波強度持續在60 dBz以上，“s”形鉤狀回波結構逐漸減弱消散，至15：15呈弓形回波，弓形回波預示著雷暴大風的來臨[15]，強度減弱至58 dBz。在速度圖上，強回波附近出現了逆風區，而逆風區的出現，說明風場具有明顯的切變，有利于強對流回波的發展和加強；此外，在帶狀回波前側低層輻散、高層輻合，有利于下沉氣流增強，從而有利于地面大風的形成。分析垂直累積液態水含量（VIL）值發現，丹霞附近14：51VIL值最大達42 kg/m2，14：57VIL迅速下降至33 kg/m2，VIL較大區域和降雹區對應較好，對冰雹落區預報有很好的指示意義。回波頂高（ET）值在降雹前上升至9 km附近，降雹時段躍變至11.6 km，說明對流云發展旺盛，并在降雹后迅速下降到8 km附近，冰雹發生在風暴單體回波頂高下降期間[16]。垂直風切變對強對流的發生、發展和維持有很好的指示意義[17]，分析17：31—18：31的風廓線圖（VWP）發現，17：31—18：01低層（2.7 km以下）風向隨高度升高由偏東風轉為西北風，說明低層有強的垂直風切變，有利于強對流的形成和加強；此外，在云下高溫干燥的環境場作用下，由于雨滴蒸發降溫作用，動量下傳促使降水粒子下沉作用加強，在4.6 km高度風速達19.0 m/s，對地面大風有加強作用，容易形成地面輻散大風，實況場18：00張掖風速達最大，這與實況一致。

圖3 2021年6月6日14：57張掖雷達2.4°仰角回波強度圖（a）和速度圖（b）

6月8日雷達圖（圖4）上，14：00開始混合云降水回波開始進入河西走廊中部，自西北向東南移動，16：14在混合云降水回波前沿形成帶狀弓形回波，回波強度最強達59 dBz，中低層有弱回波區，表明低層有強烈的上升運動，回波繼續自西北向東南移動影響河西走廊中部，強度先減弱后增強。16：49速度圖上可以明顯看到有一對牛眼出現，“牛眼”位于雷達站西北、東南兩側，并出現了速度模糊，底層風速達-33 m/s，距離地面高度僅1.8 km，出現在近距離、低仰角，有利于地面形成強烈大風天氣，這與地面大風實況一致。垂直累積液態水含量（VIL）值最大達10 kg/m2，最強回波對應回波頂高（ET）5～8 km。分析16：31—17：31的風廓線圖（VWP）發現，16：31—17：01低層（2.4 km以下）風向由偏南風轉為偏北風，說明低層垂直風切變很強，有利于強對流的形成和加強；同時，高層風速較大，有利于動量下傳，從而造成地面大風，實況場17：00張掖風速達最大，與實況有很好的一致性。

圖4 2021年6月8日16：14張掖雷達3.2°仰角回波強度圖（a）和16：49張掖雷達0.5°仰角速度圖（b）

綜上分析可得：就回波強度而言，8日的回波強度不如6日出現冰雹的回波強度，6日出現超級單體回波，8日主要以混合云降水回波為主；速度場特征表現出雖然6日的風速大小不如8日，但6日的垂直風切變明顯強于8日，強的垂直風切變更有利于冰雹的產生；8日的VIL和ET明顯低于6日出現冰雹時的VIL和ET，大的VIL有利于冰雹的產生，而高的ET說明上升運動強烈，有利于產生大冰雹；VWP很好地體現了動量下傳，有利于地面大風形成和加強。

7 Ecmwf_thin數值預報偏差分析

分析Ecmwf_thin數值預報場可以發現，2021年6月5日20時起報的6日8時500 hPa歐亞中高緯地區亦呈“兩槽一脊”的形勢，與實況一致；但實況場上河西走廊中部-青海中部有一短波槽，而預報場上河西走廊中部的西風槽和青藏高原中東部的高原槽呈階梯狀，短波槽槽前等高線呈疏散狀，有利于槽的發展加深。在地面風場預報中，通過對比分析6日14時的10 m風場預報和地面風場實況可知，實況場上河西走廊中部風場的輻合中心在模式預報中沒有體現，模式對中尺度輻合中心的預報能力不足是造成此次強對流天氣預報偏差的主要原因[18]。同時，分析6日14時Ecmwf_thin預報河西走廊中部CAPE值達708 J/kg，比經過訂正得到的CAPE值偏小。

2021年6月7日20時起報的8日8時500 hPa環流形勢與實況基本一致，但預報場上冷渦及冷渦底部低槽位置明顯比實況場偏東。通過對比分析實況場和預報場的海平面氣壓發現，預報場8日8時影響河西走廊的冷高壓比實況場偏弱5 hPa，而且在地面風場預報中，模式預報的8日8時10 m風場河西走廊中部地面輻合線比實況場明顯偏北，造成此次強對流天氣預報偏差。同時，分析8日14時Ecmwf_thin預報河西走廊中部CAPE值最大僅182 J/kg，比經過訂正得到的CAPE值明顯偏小。

綜上分析發現Ecmwf_thin數值預報場500 hPa環流形勢與實況基本一致，說明歐洲中心數值預報在大尺度環流形勢的預報中表現出比較強的預報能力，但是對中尺度輻合中心的預報以及對CAPE值等物理量的預報能力不足，偏差較大，導致對強對流預報的預報效果不佳。

8 小結

（1）2021年6月6日和8日河西走廊中部連續兩次出現強對流天氣過程，其中6日屬于西北氣流型，8日屬于高空冷渦型。

（2）通過中尺度對比分析得出：6日水汽條件、抬升條件較好；而8日大氣層結更不穩定、垂直風切變更大，更有利于地面大風的出現。另外，對比分析特征層高度發現，0 ℃層和-20 ℃層高度在適宜的高度及略偏低的高度更容易降雹。

（3）由衛星云圖演變可看出：兩次過程均表現出對流云團于午后發展東移并不斷增強，造成河西中部的區域性雷暴天氣；但6日的對流云團云高更高，發展更旺盛，強度更強，故6日還出現了局地冰雹和短時強降水天氣。

（4）通過分析雷達資料發現：超級單體回波、較大的VIL值、較高的ET值均符合冰雹回波的特點，可作為強冰雹預警的輔助指標。而VWP很好地體現了動量下傳，有利于地面大風形成和加強。

（5）歐洲中心數值預報對大尺度環流形勢的預報能力較強，但是對中尺度輻合中心的預報以及對CAPE值等物理量的預報能力不足，導致對強對流預報的預報效果不佳。因此，在今后的實際工作中還需進行更多的個例總結，以提高強對流天氣的預報能力。