冷渦背景下冀中致災冰雹天氣過程診斷分析

王志超，丁和悅，王亞婷，常 適

(保定市氣象局，河北 保定 071000)

冰雹是影響較大的災害性天氣之一，往往會給經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全造成重大損失，由于其時空尺度小，突發(fā)性、局地性強等特點，給預報預警工作造成很大的困難，一直是天氣業(yè)務實際工作中的難點。近年來，有關冰雹形成機制的研究也取得了不少成果。藍渝等[1]給出了華北地區(qū)冰雹的天氣分型及云型特征。馬鴻青等[2]統(tǒng)計了保定地區(qū)冰雹的氣候?qū)W特征并分析了典型冰雹日常用物理量參數(shù)的閾值。張南等[3]研究表明，高空冷渦東南象限中“上干冷下暖濕”的不穩(wěn)定區(qū)域是強對流出現(xiàn)的潛勢區(qū)，干冷空氣入侵和邊界層輻合線是河北中南部地區(qū)對流的觸發(fā)條件。李曉霞等[4]認為中尺度輻合線和干線也是冰雹天氣的觸發(fā)機制。高賓永等[5]研究指出大冰雹均出現(xiàn)在高空能量鋒區(qū)以內(nèi)，落區(qū)在低層濕有效能量平流正值中心附近。王在文等[6]認為能量鋒、大氣的斜壓性和層結的條件對稱不穩(wěn)定激發(fā)了濕有效能量釋放，導致對流不穩(wěn)定天氣的出現(xiàn)。隨著多普勒天氣雷達資料的廣泛應用，加深了對中小尺度對流風暴的認識，同時也得出了一些有助于冰雹短臨預警的指標，湯興芝等[7]指出當強回波高度達到7.6 km時預示有冰雹出現(xiàn)，其臨界成功指數(shù)達86%，強中心回波頂高躍增現(xiàn)象有助于提前進行冰雹預警。趙海軍等[8]通過分析臨沂地區(qū)冰雹天氣的預警參數(shù)和指標后發(fā)現(xiàn)大部分地面開始降雹都是在C-VIL躍增后2～3個體掃和強反射率因子核心快速下降之時，這兩個特征對于冰雹預警的發(fā)布具有10 min～20 min的時間提前量。

2020年6月25日午后保定地區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣，筆者利用常規(guī)觀測資料、ERA5再分析資料等，從天氣形勢、物理量診斷、衛(wèi)星雷達資料分析等角度進行診斷分析，以期揭示此次致災冰雹天氣形成的原因，為以后該類天氣過程預報提供指示和參考。

1 天氣實況與災情

2020年6月25日13—21時，受華北冷渦系統(tǒng)的影響，河北中部的保定、滄州等地出現(xiàn)了大范圍的冰雹天氣，同時伴有強雷電、大風和短時強降水等強對流活動。冰雹路徑呈西北—東南走向，主要出現(xiàn)在淶源、易縣、滿城、保定、肅寧、東光等地，其中肅寧冰雹最大直徑3.5 cm。統(tǒng)計顯示，河北中部共有16個自動氣象站出現(xiàn)8級以上短時大風，其中獻縣小河氣象站最大瞬時風速達24.7 m/s。與冰雹天氣伴隨雨帶也為西北—東南走向，降水過程持續(xù)時間短、移速快，但降雨強度大，蠡縣桑園鎮(zhèn)最大小時雨強34.3 mm，5 min最大降水達12.8 mm。

據(jù)不完全統(tǒng)計，此次雷雨大風和冰雹災害造成保定市所轄7個縣(區(qū))的26個鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度受災，直接經(jīng)濟損失4 591萬元。其中農(nóng)作物受災面積4 855.13 hm2、成災面積2 671.06 hm2、絕收面積781.3 hm2，受災人口30 751人，另有53人因災受傷，損壞房屋5間。此外，保定、滄州等地大量汽車因冰雹被砸受損。

2 環(huán)流背景

2.1 高空形勢

2020年6月25日08時200 hPa中緯度有一西北—東南走向的高空急流軸，河北處于急流軸的左前側(cè)。500 hPa東蒙冷渦穩(wěn)定少動，冷渦底部不斷有短波槽攜帶冷空氣東移南下，形成了階梯槽的形勢。前槽東移過程中給河北帶來了降水天氣，08時河北中部處于槽后西北氣流控制，天氣轉(zhuǎn)晴，有利于低層大氣增溫增濕。后槽位于冷渦中心至河套東北部一線，槽后部有風速大于20 m/s的大風核，同時伴有T-Td>29℃的干區(qū)。與500 hPa低槽相配合，700 hPa、850 hPa內(nèi)蒙古中部到山西北部有南北走向的切變線，高低層配置近乎垂直。850 hPa河北中部為溫度>16 ℃的暖溫脊和比濕>8 g/kg的濕區(qū)，此外，850 hPa與500 hPa溫度差達到29 ℃，上干冷、下暖濕的大氣層結，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具備出現(xiàn)強對流天氣的潛勢條件。

2.2 探空特征

利用ERA5再分析資料計算了冰雹發(fā)生區(qū)域逐3小時格點探空，可以看出：前期降水過后，08時850 hPa以下為飽和濕區(qū)，露點溫度高，中高層為高空槽后部西北氣流控制，大氣濕度條件較差，存在明顯的干區(qū)，大氣層結呈上干下濕的喇叭口形狀，已經(jīng)具備了一定的不穩(wěn)定能量，對流有效位能為585.2 J·kg-1。14時中高層大氣溫濕曲線變化不大，850 hPa以下溫度明顯升高，說明低層存在暖平流，此時飽和濕層變得淺薄，僅在850 hPa附近存在，上干冷、下暖濕的特征更加明顯。從能量條件上看，濕對流有效位能(CAPE)增加至1 221.8 J·kg-1，對流抑制能量(CIN)由237.2 J·kg-1下降到101.4 J·kg-1，K指數(shù)增至34 ℃，SI減小到-5.56 ℃，大氣能量充沛且層結非常不穩(wěn)定。500 hPa以下風向隨高度順轉(zhuǎn)達90°，隨著中高層風速加大，垂直風切變不斷增強，14時0～6 km垂直風切變增至15.9 m·s-1，較強的垂直風切變有利于強對流天氣的加強和發(fā)展。此次降雹過程0°層高度在3.8 km(610 hPa)左右，-20°層高度在6.4 km(550 hPa)附近，符合華北地區(qū)一般降雹高度指標。平衡高度上升至269 hPa，自由對流高度下降至700 hPa附近，層結曲線和狀態(tài)曲線所圍正面積增加，對流上升速度更大，使得對流云可以發(fā)展的更加旺盛，0°層和-20°層高度均在自由對流區(qū)域內(nèi)，有助于雹坯的快速增長，從而形成較大冰雹。17時降雹天氣結束后，濕對流有效位能迅速減小至128.6 J·kg-1，自由對流高度回升到600 hPa附近，大氣恢復到層結穩(wěn)定狀態(tài)，對流天氣結束。

表1 2020年6月25日保定逐3小時對流指數(shù)演變

3 云圖和雷達

3.1 衛(wèi)星云圖特征

從葵花衛(wèi)星可見光云圖演變可以看到，2020年6月25日中午前后張家口地區(qū)有對流云開始發(fā)展，影響保定的對流云生成于張家口南部與保定交界處。15時衛(wèi)星云圖上可以看到，淶水西部和淶源中部分別發(fā)展出對流單體A和對流單體B，配合有向下游方向伸展的云砧，單體A向東南方向移動影響易縣，易縣冰雹出現(xiàn)在15時55分，冰雹直徑2.6 cm，之后單體逐漸減弱，下游沒有冰雹出現(xiàn)；單體B生命史較長，貫穿整個保定和滄州市，且向東南方向移動過程中不斷發(fā)展增強，18時30分可見光云圖上可以看到保定和滄州交界處強的孤立的對流單體，上沖云頂也非常清楚，有利于明顯降雹天氣，這一階段觀測到最大冰雹直徑3.5 cm，18時46分出現(xiàn)在滄州肅寧。接下來本文將重點分析本次對流天氣發(fā)展和維持的機制，同時討論對流單體A和B發(fā)展過程中維持時間不同的成因。

圖1 2020年6月25日15時和18時30分葵花衛(wèi)星可見光云圖

3.2 雷達回波特征

2020年6月25日中午張家口南部開始有對流單體產(chǎn)生，之后單體逐漸增多，并且向保定西北部地區(qū)移動，經(jīng)過一段時間的發(fā)展，14∶30前后形成了東北—西南走向的多單體風暴，風暴上3個主要對流單體分別位于淶水西部、淶源東部和西南部，從反射率因子垂直剖面上看，中間的對流單體為低質(zhì)心降水結構，兩側(cè)的對流單體大于55 dBZ強回波區(qū)達到8 km高度，具有出現(xiàn)冰雹天氣的可能性，在引導氣流的作用下，對流單體風暴向東南方向移動，15時30分中間的對流單體明顯減弱，兩側(cè)的對流單體進一步發(fā)展增強，北側(cè)對流單體之后影響易縣，出現(xiàn)直徑2.6 cm的冰雹，之后在繼續(xù)東移過程中也逐漸減弱。而南側(cè)的對流單體在移動過程中始終在發(fā)展增強，18時30分成為孤立的強對流單體風暴，徑向速度圖上可以看到明顯的徑向速度對流，說明有中氣旋的出現(xiàn)。反射率因子垂直剖面圖上，強回波區(qū)垂直向上伸展，大于65 dBZ強回波伸展到10 km高度，隨后肅寧出現(xiàn)本次過程中觀測到最大冰雹直徑為3.5 cm。而后對流風暴繼續(xù)向東南方向移動影響河北東部和山東西北部?？傮w來看，北部的對流單體影響時長為3個小時，南部對流回波影響時長可達7個小時。

4 對流初生及維持機制

2020年6月25日上午850 hPa暖舌由山西南部向河北西北部伸展，上午天空晴朗少云，地表裸露，氣溫升高，有助于能量的不斷積累。同時河北西北部地區(qū)處于高空冷渦的東南象限，存在南北向的切變線，中午前后在熱力和動力的共同作用下觸發(fā)了對流性天氣。對流云觸發(fā)后會在引導氣流作用下移動，切變線的東側(cè)和南側(cè)為高濕的不穩(wěn)定能量區(qū)，供給對流活動充分的水汽條件，使得對流活動不斷發(fā)展加強。

500 hPa冷渦底部存在大于20 m/s的大風速核，大風速核有助于形成較強的高低空垂直風切變，利于強對流風暴的出現(xiàn)，大風核上有正渦度東傳。對流層低層1 000 hPa北京和河北東北部為22 ℃低溫區(qū)，河北南部氣溫大于32 ℃，二者之間的河北中部地區(qū)為溫度鋒區(qū)，鋒區(qū)南北兩側(cè)分別為偏南風和偏東風。對流云在河北西部觸發(fā)后沿引導氣流東移，低層鋒區(qū)偏南風氣流作為入流氣流為對流云的發(fā)展提供了源源不斷的水汽，保障了對流活動的長時間維持。這也解釋了上文可見光云圖上對流單體A和B維持時間不同的原因，對流單體A下游方向為偏東風冷空氣影響，單體B下游為偏南暖濕氣流，為對流單體發(fā)展提供充沛的水汽和能量，有利于對流活動的長時間維持。

圖2 2020年6月25日18時500hPa風場和渦度場、1000hPa風場和溫度場

5 結束語

500 hPa東蒙冷渦底部大風核攜帶冷空氣東移，與低層暖溫度脊和高濕區(qū)疊加，形成上干冷、下暖濕的大氣不穩(wěn)定層結，具備出現(xiàn)強對流天氣的潛勢。

較強的垂直風切變有利于強對流天氣的加強和發(fā)展，適宜的0°層和-20°層高度，符合華北地區(qū)降雹高度指標。

對流單體在移動過程中始終在發(fā)展增強成為孤立的強對流單體風暴，徑向速度圖上有中氣旋的出現(xiàn)。強回波區(qū)垂直向上伸展，大于65 dBZ強回波伸展到10 km高度。

高空冷渦的東南象限低層切變線附近由于熱力和動力的共同作用觸發(fā)了午后的對流性天氣。500 hPa冷渦底部大風速核有助于形成較強的高低空垂直風切變，利于強對流風暴的出現(xiàn)，低層偏南風氣流作為入流氣流為對流云的發(fā)展提供了源源不斷的水汽，保障了對流活動的長時間維持。