黑龙江一次强天气过程中对流云合并的观测和机理分析

栾 晨，张 舒

（1.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨 150030；2.黑龙江省气象服务中心，黑龙江 哈尔滨150001）

1 引言

黑龙江夏季强对流天气过程频发，常常会引起强降水、冰雹、雷雨大风等灾害性天气，造成人民经济和生命安全的重大损失。而强对流天气过程中往往伴随着对流云合并过程。对流云合并对对流云的发展、加强有着重要的影响。对对流云合并过程的观测与机理研究有利于对强天气发展加强过程的了解，从而提高对灾害性天气的预报预警能力。

针对对流云合并过程的观测与机理研究很早就引起了国内外学者的重视，至今也已获得了许多成果。但研究多是针对我国南方强对流过程中对流云合并的研究，关于黑龙江乃至我国北方地区的对流云合并的研究很少。而黑龙江有着自己独特的地理条件和天气背景，且夏季强对流天气频发，所以针对黑龙江强对流过程中对流云合并的观测和研究很有必要。为此，文章选取黑龙江强天气过程中对流云合并的典型个例，综合利用静止/极轨气象卫星、新一代多普勒天气雷达、地面气象观测以及NCEP再分析资料，对过程中出现的对流系统合并现象进行观测分析，讨论合并影响及其机制。最终为短时灾害性天气的预报预警提供可参考的预报因子，为进一步提高黑龙江省强对流和灾害性天气预报预警业务水平提供技术支持。

2 个例选取

选取了6月12日作为黑龙江省强天气过程中对流云合并的典型个例，利用卫星、雷达以及地面加密观测数据，对过程中出现的对流系统合并现象进行观测分析，讨论分析其合并影响及机理。

3 研究个例的天气背景

2016年6月12日下午14时，黑龙江省西南部地区出现强对流天气，14时20分，哈尔滨市主城区出现强降水伴有冰雹的灾害性天气。冰雹持续时间长（达 30 min），尺度大（豆粒大小），密度密集，在多地形成汹涌的“白色洪流”。2个多小时内个别区域降水量超过50 mm，许多置于室外的简易遮阳棚被砸倒，冰雹甚至把车顶砸出小坑。

此次过程为高空冷涡配合地面冷锋的天气形势。08时500 hPa高空冷涡中心位于黑龙江省西北，20时，高空冷涡向东南方向扩展，位于黑龙江省中西部。850 hPa温度场的冷槽控制黑龙江省。在中西部，低空风风向具有气旋式切变辐合。

图1 6月12日08时中尺度分析图

从08时和20时的中尺度分析(图1-2)可知，08时和20时，动力条件比较好的地区在黑龙江省中西部自北向南一带，自500 hPa以下均有较强的风的辐合。除了西北地区，黑龙江省大部中层均较干，而700 hPa以下则是深厚的湿层，具备上干下湿的不稳定层结条件。08时西南部850 hPa有暖脊，高层为冷槽控制，形成有利的热力不稳定条件。从哈尔滨探空图可见（图略），风随高度逆转，但风向的变化较为一致，有组织性；且高空风速较大，风速随高度增加快，风的垂直切变较大，有利于超级单体风暴的组织发展；700 hPa以下为深厚的湿层、600 hPa以上为干层，具有不稳定的层结条件。且CAPE值较大，不稳定能量大。再从0℃层和-20℃高度来看，0℃层高度在2-3 km之间，-20℃层高度在6 km左右，这种环境条件下有利于冰雹的生长。

4 对流云合并的卫星云图

6月12日，由于冷涡后部冷空气的补充，黑龙江省西南部有新的冷涡生成，齐齐哈尔、大庆一带午后有多个块状对流云生成，其中在大庆的一块状对流云发展(记为A)最为旺盛，高度最高，对流云A即此次对流云合并过程的主体云体。12时，对流云A处于发展阶段，云顶亮温（TBB）最低可达-51.2℃，面积为8010 km2,其前侧有一个新生出的对流单体；13时，对流云A不断发展，最低云顶亮温仍为-51.2℃，面积扩大，达13726 km2，其前侧的对流单体也同样发展加强，且两对流云团之间产生云桥，有合并的趋势；14时主冷锋的后部，低压中心处两条副冷锋的形态愈发明显，正是由于冷锋后部的冷区中层结不稳定，在午后极易产生暴雨和冰雹天气。此副冷锋是由于气旋长时间维持、冷空气补充所形成的。与主冷锋相比，副冷锋的长度和宽度都较小，且主要以对流云为主，冰雹则产生在副冷锋锋线附近的块状对流云中。此时，对流云A进一步发展，面积扩大，且与前侧出流边界上新生的小块对流云发生合并，云顶亮温进一步降低，最低云顶亮温达-53.2℃。15时，对流云A面积不断缓慢扩大，其后侧对流单体也有所加强，云顶亮温继续降低，低亮温区域扩大，15时最低亮温达-54.2℃。16时最低云顶亮温达-55.2℃，17时最低云顶亮温达到-56.2℃。可见，合并之后对流单体结构密实，尺度变大，维持时间长，色调变得更加明亮，边界更加清晰，云顶发展更高，亮温梯度变大，对流活动强，利于冰雹、强降水、大风等强天气的产生。

5 对流云合并过程的地面降水与风速演变特征

表1 对流云合并过程中地面降水与风速演变特征表

计算发生合并的对流活动区内降水量的单站最大值和区域平均值（算术平均）；再以小时降水量大于0.1 mm为标准，统计对流活动区内降水站点个数，以此来表示降水的范围。统计合并过程中逐小时单站降水量最大值、区域平均雨量和区域降水站点个数，从而分析地面降水量与对流云合并的关系。统计发生合并的对流活动区内的单站最大瞬时风速，分析地面风速演变特征与对流云合并的关系。

对流云合并主要发生在14-15时，从表1中可以看出，以两块状对流云所覆盖区域作为统计区域，较强降水（单站最大雨量）恰好发生在对流云合并时(14-15时)，达52.3 mm；区域平均雨量也在14-15时达到最多，为5.3 mm；降水范围（区域降水站点个数）也在14-15时从101个站增加到130个站，在合并后15-16时达到最多；最大单站瞬时风速也在14-15时达到最大，为56.4 m/s。

可见，最大单站小时降水量、区域平均降水量、最大单站瞬时风速均在14-15时（对流云合并时）达到最大值。

6 对流云合并过程的机理探讨

利用NCEP再分析资料，分别对系统所在区域垂直方向和水平u、v方向上的风场和海平面气压场分布情况进行分析，探讨对流云合并机理，得到对流云合并的动力因子。

6月12日对流云合并区域位于黑龙江省南部绥化、哈尔滨西部一带，合并区域在水平方向上u分量变化不大,西侧偏北一带有向南v分量的大值中心，南部v分量很小，合并区为0-1之间的向北v分量，风在v分量上有汇聚，有利于合并的发生。

从14时风矢量图(图3(a))上可以看出，合并区域环境风速较小，但有西北风和西南风风向的辐合。从垂直风速图(图3(b))上可以看出，合并区域有较大的上升垂直速度，有利于对流云的发展、加强。从14时海平面气压图(图3(c))上可以看出，合并区域处于低压南部，等值线较密集的区域，有指向低压中心的气压梯度力，在水平v分量上有向北的气压梯度力，可推动南部对流云团向北移动与其西北方向对流云团相遇。

图3 2016年6月12日14时(a)风矢量图，(b)垂直风速图（0.001 pa/s），(c)海平面气压（hPa）

7 小结

通过以上分析研究，可以得到以下结论：

（1）对流云合并时，对流云结构变得紧密，最低云顶亮温值明显降低，低云顶亮温面积明显增大，云顶亮温梯度也同时增大。

（2）地面降水量和风速随着对流云的合并有所增加，且冰雹、大风等强对流天气也往往发生在对流云合并时或合并后。对流云合并有利于对流云的发展、加强，且合并后很可能会引起短时强降水、冰雹、大风等灾害性天气。

（3）分析发现，在合并区域，850 hPa 上风的 u、v分量上有风向或者风速的辐合，对流云移动方向基本与850 hPa风向方向一致；垂直方向上有较强的上升速度，有利于对流云的发展扩大；合并区域位于地面低压中心的南部，有指向低压中心的气压梯度力，在水平u分量上有相向的气压梯度力，可推动两对流云之间相向而行，进而合并。

（4）合并区域垂直方向和水平u、v方向上的风场和海平面气压场是对流云合并有利的动力因子，可为短时灾害性天气的预报预警提供参考。