2020年6月下旬河北地區(qū)一次強(qiáng)對(duì)流天氣過程成因分析

郭子晗 張鑠 張成影

摘要 利用常規(guī)氣象探測(cè)資料、歐洲中心ERA5再分析資料、多普勒雷達(dá)資料和微波輻射計(jì)資料，對(duì)2020年6月25日出現(xiàn)在河北地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）河北地區(qū)這次強(qiáng)對(duì)流天氣屬于西北氣流型冰雹，高低空急流和地面冷鋒的共同作用為冰雹天氣的出現(xiàn)提供了動(dòng)力和熱力條件；（2）在冰雹天氣出現(xiàn)的過程中，6.0°仰角反射率因子圖中存在三體散射和旁瓣回波，大冰雹特征極為明顯；（3）2 km高度以下的整層大氣相對(duì)濕度大值區(qū)較為集中，而2 km高度以上的相對(duì)濕度數(shù)值偏小，整層大氣以上干下濕的結(jié)構(gòu)為主，這種不穩(wěn)定層結(jié)的分布形勢(shì)為對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展加強(qiáng)提供了有利條件。

關(guān)鍵詞 強(qiáng)對(duì)流天氣；環(huán)流形勢(shì)；層結(jié)條件；超級(jí)單體

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）09–0-03

強(qiáng)對(duì)流天氣是雷暴群、颮線等中小尺度天氣系統(tǒng)的產(chǎn)物，是在有利的大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生的，主要特點(diǎn)是變化快、尺度小、突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)展劇烈，往往帶來災(zāi)害性的大風(fēng)和局地暴雨天氣，是氣象預(yù)報(bào)的難題[1]。

由于強(qiáng)對(duì)流天氣伴隨著雷暴、暴雨、冰雹、下?lián)舯┝鳌埦淼葹?zāi)害性天氣，極易引發(fā)氣象和次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[2-4]。因此，越來越多的學(xué)者加大了對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣成因、形成機(jī)理、影響結(jié)果等方面的研究力度，并得出了很多有意義的結(jié)論[5-6]。

河北省強(qiáng)對(duì)流天氣主要集中在春末和夏季，因地形條件復(fù)雜多樣，兼具平原、盆地、丘陵、山地和高原不同地貌類型，使得強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁出現(xiàn)。因此，以常規(guī)氣象探測(cè)資料和再分析資料為基礎(chǔ)，結(jié)合多普勒雷達(dá)資料和微波輻射計(jì)資料，分析2020年6月25日出現(xiàn)在河北地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，深入了解該類型強(qiáng)對(duì)流天氣形成的原因和觸發(fā)機(jī)制，以期為日后河北地區(qū)同類型強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)提供參考。

1 天氣實(shí)況

2020年6月25日河北省出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，當(dāng)天08：00～17：00，張家口、承德、唐山、秦皇島、保定中北部出現(xiàn)降水，降水區(qū)平均降水量5.2 mm。張家口南部、承德、唐山南部、保定北部有35個(gè)站點(diǎn)降水量超過25 mm，其中，灤南、豐寧有3個(gè)站點(diǎn)降水量超過50 mm（暴雨），灤南南堡鎮(zhèn)最大為64.7 mm。河北省北部的滄州肅寧、獻(xiàn)縣、泊頭、東光、保定的望都、蠡縣等部分地區(qū)均出現(xiàn)冰雹，滄州肅寧冰雹尺寸最大，直徑達(dá)3.5 cm，個(gè)頭如雞蛋大小。當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物均遭受了不同程度的損害。

2 環(huán)流形勢(shì)

在500 hPa高度處，2020年6月下旬初，亞洲中高緯度地區(qū)呈現(xiàn)出“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)，有一高空冷渦出現(xiàn)在巴爾喀什湖北部地區(qū)，高空冷渦分裂后不斷向東部地區(qū)轉(zhuǎn)移。隨著時(shí)間的推移，至23日08：00，高空冷渦移動(dòng)至貝加爾湖以南，高空槽前部存在西南氣流，并對(duì)河北大部分地區(qū)產(chǎn)生影響。在高空冷渦繼續(xù)向東轉(zhuǎn)移的過程中，高空槽不斷從河北上空滑過；25日20：00（圖1），高空冷渦向東移動(dòng)時(shí)到達(dá)110°E東部，同時(shí)出現(xiàn)在蒙古國(guó)與內(nèi)蒙古的交界地帶，槽后的西北氣流開始對(duì)河北地區(qū)上空產(chǎn)生影響，且風(fēng)速增大現(xiàn)象明顯，此時(shí)的最大風(fēng)速高達(dá)22 m/s。

在700 hPa高度處，由于冷渦配合良好，河北上空以西北氣流為主；850 hPa低層處，在內(nèi)蒙古中部地區(qū)有一低渦存在，同時(shí)還有一切變線不斷朝河套地區(qū)延伸，以東北至西南走向?yàn)橹鳎颖鄙峡毡憩F(xiàn)為偏南氣流。結(jié)合地面圖，有一高壓出現(xiàn)在貝加爾湖西南側(cè)，有一低壓則位于內(nèi)蒙古中部地區(qū)；從低壓中心有一冷鋒不斷朝著甘肅地區(qū)延伸，此時(shí)河北省位于鋒前的低壓區(qū)。

3 層結(jié)條件

通過對(duì)2020年6月25日08：00出現(xiàn)在河北地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行中尺度分析發(fā)現(xiàn)，此次天氣過程是河北省冰雹天氣中極為常見的西北氣流型。在200 hPa高度處，有一高空急流存在，且河北地區(qū)在該急流的左側(cè)位置處；在500 hPa處，河北東部存在高空槽，且槽后有西北急流，最大風(fēng)速達(dá)到22 m/s，西北急流幾乎控制河北省大部分地區(qū)；在850 hPa低空處，內(nèi)蒙古中部到河套一帶存在切變線，系統(tǒng)的前傾結(jié)構(gòu)極為明顯。在地面圖中，內(nèi)蒙古中部到甘肅一帶有一冷鋒，前鋒位置處則分布在河北地區(qū)。

在500 hPa處，河北東部有溫度槽存在；700 hPa處，河北西部地區(qū)則出現(xiàn)露點(diǎn)鋒。由此不難看出，槽后的西北風(fēng)急流不斷攜帶干冷空氣向南方地區(qū)轉(zhuǎn)移，并對(duì)河北地區(qū)產(chǎn)生影響。在850 hPa處有一暖脊，925 hPa超低空處存在濕舌，說明暖濕氣流對(duì)整個(gè)河北地區(qū)的低層產(chǎn)生影響，進(jìn)而形成了上層干冷、下層暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)。根據(jù)以上信息，說明在25日08：00，河北地區(qū)的環(huán)境條件已經(jīng)適宜強(qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)。

垂直風(fēng)切變是雷暴的主要增強(qiáng)機(jī)制，大冰雹天氣出現(xiàn)的過程中往往會(huì)有較大的垂直風(fēng)切變出現(xiàn)。結(jié)合歐洲中心ERA5再分析資料可以獲取河北中部地區(qū)0～3 km垂直風(fēng)切變的變化趨勢(shì)。25日14：00，保定上空0～3 km高度處的垂直風(fēng)切變?cè)?.5～3.0 m/（s·km）之間，而在西部山區(qū)則分布有0～3 km高度處的垂直風(fēng)切變大值區(qū)，該區(qū)域也是主要的對(duì)流區(qū)，只是強(qiáng)度偏小，而垂直風(fēng)切變的小值主要分布在太行山東麓平原區(qū)（圖2a）。因系統(tǒng)強(qiáng)度不斷增加，隨著時(shí)間的推移，至當(dāng)天18：00，0～3 km高度處的垂直風(fēng)切變達(dá)到4.5 m/（s·km），而保定西北到東南一帶則是大值區(qū)分布區(qū)域。由于強(qiáng)垂直風(fēng)切變的這種分布形勢(shì)，使得對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展加強(qiáng)的趨勢(shì)繼續(xù)維持，為雷暴發(fā)展成超級(jí)單體提供了有利條件，促進(jìn)了大冰雹天氣的出現(xiàn)（圖2b）。

4 超級(jí)單體特征

在河北地區(qū)強(qiáng)冰雹天氣出現(xiàn)的過程中，結(jié)合石家莊新樂雷達(dá)資料，發(fā)現(xiàn)多個(gè)仰角產(chǎn)品均出現(xiàn)了較為明顯的特征。結(jié)合反射率因子，14：24有對(duì)流回波在保定西北部生成，且強(qiáng)度高達(dá)

69.5 dBz。在對(duì)流單體A的作用下，14：28淶源出現(xiàn)冰雹天氣。由于系統(tǒng)不斷向東轉(zhuǎn)移，對(duì)流單體A和對(duì)流單體B的強(qiáng)度不斷加大，再加上對(duì)流單體A的作用，引發(fā)了15：55易縣冰雹天氣的出現(xiàn)。隨著時(shí)間的推移，對(duì)流單體A下山且強(qiáng)度繼續(xù)加大，尤其是17：18新樂雷達(dá)1.5°仰角反射率因子最大回波強(qiáng)度高達(dá)

75.5 dBz，且風(fēng)暴前側(cè)存在“V”形狀的缺口。與此同時(shí)，在6.0°仰角反射率因子圖上存在三體散射和旁瓣回波，對(duì)應(yīng)的大冰雹特征極為明顯，說明此時(shí)的風(fēng)暴單體A已經(jīng)發(fā)展成為超級(jí)單體。

結(jié)合徑向速度圖，從17：00連續(xù)5個(gè)體掃過程中均出現(xiàn)了速度對(duì)，說明生成有中氣旋；至17：30，結(jié)合4.3°徑向速度圖，有負(fù)速度中心出現(xiàn)在黑色方框的區(qū)域內(nèi)，且最大負(fù)速度高達(dá)-10 m/s，正速度則出現(xiàn)在圓形區(qū)域內(nèi)，同時(shí)有速度模糊與之伴隨，此時(shí)最大正速度高達(dá)35 m/s，而旋轉(zhuǎn)速度也達(dá)到了22.5 m/s，同雷達(dá)中心之間相距80 km左右，該速度與強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)相符，說明對(duì)流單體A發(fā)展成為強(qiáng)降雹超級(jí)單體，對(duì)冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)較為有利。在超級(jí)單體的作用下，滿城、清苑區(qū)等地相繼出現(xiàn)特大冰雹天氣，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害極大；17：42，結(jié)合雷達(dá)0.5°仰角反射率因子圖，有陣風(fēng)鋒出現(xiàn)在橢圓區(qū)域內(nèi)，且沿著超級(jí)單體不斷朝著右前側(cè)轉(zhuǎn)移，與風(fēng)暴之間的距離較近。由此說明該陣風(fēng)鋒對(duì)風(fēng)暴母體的正反饋?zhàn)饔妹黠@，也是造成降雹超級(jí)單體維持較長(zhǎng)時(shí)間的主要原因。除此之外，受到陣風(fēng)鋒的影響，清苑等地出現(xiàn)了大風(fēng)天氣。

5 微波輻射計(jì)資料分析

結(jié)合清苑觀測(cè)站微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)信息，地面氣壓從17：30開始上升，從開始的995.0 hPa上升至999.1 hPa，上升幅度達(dá)到了4.1 hPa。隨著時(shí)間的推移，至18：00清苑觀測(cè)站微波輻射計(jì)的地面氣壓下降，此時(shí)的氣壓數(shù)值為997.5 hPa，下降幅度為1.6 hPa；17：30地面溫度大幅度下降，從開始的28 ℃下降至20 ℃，下降幅度為8 ℃，同一時(shí)刻的地面濕度隨之增大。

數(shù)據(jù)信息說明17：30～18：00，清苑地區(qū)有強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴出現(xiàn)；通過對(duì)路徑液態(tài)水含量數(shù)值的分析發(fā)現(xiàn)，液態(tài)水含量在17：30出現(xiàn)驟增，且增加幅度相對(duì)較大，說明對(duì)流風(fēng)暴出現(xiàn)時(shí)伴隨著大冰雹天氣。通過對(duì)微波輻射計(jì)觀測(cè)到的大氣狀態(tài)進(jìn)行分析，17：30整層溫度下降幅度較大，說明清苑觀測(cè)站受到了對(duì)流風(fēng)暴的影響，當(dāng)?shù)亻_始出現(xiàn)冰雹天氣。在17：00以前，2 km高度以下的整層大氣相對(duì)濕度大值區(qū)較為集中，而2 km高度以上的相對(duì)濕度數(shù)值偏小，整層大氣以上干下濕的結(jié)構(gòu)為主，這種不穩(wěn)定層結(jié)的分布形勢(shì)為對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展加強(qiáng)提供了有利條件。

在冰雹天氣尚未出現(xiàn)之前，在17：20左右，低層處的相對(duì)濕度數(shù)值快速增大，尤其是0.5～2.5 km高度處的大氣濕度幾乎接近飽和。此時(shí)高空處的冷空氣開始入侵，4.5 km高度以上的相對(duì)濕度值快速減小；17：30冰雹天氣出現(xiàn)后，邊界層大氣呈現(xiàn)上層濕、中間干、下層濕的特征，尤其是2.0～2.5 km高度處的干層極為明顯，說明此時(shí)的干冷空氣不斷向下層入侵。在冰雹天氣出現(xiàn)的過程中，1.5 km高度以下水汽密度在10 g/m3以上，尤其是近地面層的水汽密度超過了16 g/m3且該數(shù)值一直持續(xù)至冰雹天氣結(jié)束。在冰雹天氣結(jié)束后，1.5 km高度以上的水汽密度小幅度增加，而0.5～1.5 km高度以下的水汽密度數(shù)值下降明顯，說明影響河北省部分地區(qū)的降雹天氣趨于結(jié)束。

6 結(jié)論

（1）河北地區(qū)此次強(qiáng)對(duì)流天氣屬于西北氣流型冰雹，高低空急流和地面冷鋒的共同作用為冰雹天氣的出現(xiàn)提供了動(dòng)力和熱力條件；850 hPa處有一暖脊，925 hPa超低空處存在濕舌，說明暖濕氣流對(duì)整個(gè)河北地區(qū)的低層產(chǎn)生影響，進(jìn)而形成了上層干冷、下層暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于大冰雹天氣的出現(xiàn)。

（2）在冰雹天氣出現(xiàn)的過程中，6.0°仰角反射率因子圖中存在三體散射和旁瓣回波，大冰雹特征極為明顯；在超級(jí)單體的作用下，使得滿城、清苑縣等地相繼出現(xiàn)特大冰雹天氣，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害極大；陣風(fēng)鋒對(duì)風(fēng)暴母體的正反饋?zhàn)饔妹黠@，也是造成降雹超級(jí)單體維持較長(zhǎng)時(shí)間的主要原因。

（3）2 km高度以下的整層大氣相對(duì)濕度大值區(qū)較為集中，而2 km高度以上的相對(duì)濕度數(shù)值偏小，整層大氣以上干下濕的結(jié)構(gòu)為主，這種不穩(wěn)定層結(jié)的分布形勢(shì)為對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展加強(qiáng)提供了有利條件。

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Analysis of the Causes of A Severe Convective Weather Process in Hebei Province in Late June 2020

Guo Zi-han et al（Tangshan Meteorological Bureau， Tangshan， Hebei 063000）

Abstract The process of severe convective weather over Hebei on June 25， 2020 was analyzed by using conventional meteorological observation data， ERA5 reanalysis data， Doppler radar data and microwave radiometer data. The results showed that： （1） the strong convective weather in Hebei area belongs to the northwest airflow type hail， and the combination of high and low air jet and surface cold front provides the dynamic and thermal conditions for the occurrence of the hail weather; （2） In the process of hail weather， there were three-body scattering and sidelobe echo in the reflectance factor map of 6.0° elevation Angle， and the characteristics of large hail were very obvious; （3） The large relative humidity values of the whole layer of the atmosphere below 2 km were concentrated， while the relative humidity values above

2 km were small， and the structure of the whole layer of the atmosphere was mainly dry and wet. This unstable stratification distribution situation provided favorable conditions for the development and strengthening of convective storms

Key words Severe convection weather; Circulation situation; Stratification condition; Supercell