豫东一次超级单体风暴造成的强对流天气分析

2021-03-16闵晓桐李梦园郝笑杜天宇

广东气象 2021年1期

闵晓桐，李梦园，郝笑，杜天宇

（1.兰考县气象局，河南兰考 475300；2.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都 610225；3.广州市气象台，广东广州 511430；4.杞县气象局，河南杞县 475200）

强对流天气通常是指雷暴大风、冰雹、短时强降水、龙卷等水平尺度一般小于200 km，历时短、突发性强、剧烈的灾害性天气，往往给国民经济和人民生命财产造成严重损失。国内外学者对这种破坏性强、预报难度大的强对流天气的成因特征、潜势预报等方面进行了大量研究［1-4］。姜帅等［5］采用方差分析等统计方法对强对流天气发生前各物理量指标进行对比分析；牛淑贞等［6］的研究表明单站物理量参数可提前6～8 h提供强对流天气信息。作为局地对流发展最强烈的表现形式，超级单体一直吸引着众多研究者的关注；王红霞等［7］的研究发现地面冷锋、β中尺度地面辐合线和露点锋易触发局地强对流天气；王坚红等［8］在研究分析中认为，中尺度露点锋锋生的动力学、热力学过程是强对流降水天气发生发展的重要机制。

河南的夏季，强对流天气十分常见，豫东地区又是超级单体、飑线等灾害性天气系统的多发区，而对其的研究却相对较少。本研究利用常规观测、区域站以及郑州多普勒雷达资料，对2017年8月9日发生在豫东地区的一次超级单体造成的强对流天气过程进行分析，并探究露点锋对风暴的影响，以期增进对此类强对流天气发生发展物理机制的认识，为提高强对流天气的预报和服务能力提供依据。

1 天气实况

2017年8月9日傍晚，豫东地区出现强对流天气过程（简称“17·8”过程），区域站加密观测数据显示（图略），该次强对流天气主要发生在19：00—23：00（北京时，下同），开封南部、商丘西南部及周口北部、东北部多地遭受大风、冰雹、强降水等灾害性天气，造成4人死亡，直接经济损失达到数十万元。其中开封市通许县出现了64.9 mm的局地暴雨以及50.9 mm的1 h最大降水量，通许厉庄区域站的最大瞬时风速达到35 m/s，最大风力达12级，造成多处道路中断，蔬菜大棚、树木、电力线路等受损严重，通许县因灾造成直接经济损失达24万元以上。

2 天气背景分析

2.1 天气形势

8月8日08：00，500 hPa形势场上，贝加尔湖西侧形成低压中心，其南部不断有低槽生成并向前传播。小槽东移过程中不断发展，同时副热带高压在我国东部海域开始北抬，中纬度地区纬向环流逐渐向径向环流调整。9日08：00，豫东地区已处在北京-豫西的槽前，等温线在槽后与等高线接近垂直，槽后冷平流较强。与500 hPa相对应，700与850 hPa在天津至豫中北部均有一低槽，此时前倾槽形势已基本形成。20：00，500与700 hPa低槽缓慢东移并加深，850 hPa低槽无位移但也有所发展，前倾槽形势更加明朗。中高层槽后强冷平流与低层槽前强暖平流在开封地区上空叠置，为该次强对流天气提供了有利的大尺度环流背景。

2.2 地面形势与流场

过程前河北至河南一带的地面低压逐渐发展，9日20：00开封地区北部形成低压中心。分析过程前与过程发生时的地面流场表明，9日17：00濮阳至南阳形成一中尺度辐合线，此时地面辐合使上升运动开始加强，对流云团得以发展。20：00，辐合线发展至开封地区东部，其北端形成辐合中心（图1），辐合线上风速水平切变加强，超级单体移经此处时得到发展。

图1 2017年8月9日20：00地面流场

3 多普勒雷达回波特征分析

初期，18：20 PPI上中牟南部、尉氏北部有两个弱回波单体同时生成，随后迅速发展增强并于18：42在尉氏境内合并，此时中牟又有一个弱回波单体生成，其与合并的单体一起东移、发展。18：20—19：06，开封西部与通许北部另有3个回波单体生成并发展；多个单体中，强度最强、范围最大的是开封的钩状回波，19：18中心最大强度已达到60 dBz（图2a），是该次超级单体的主体。到19：24，多个单体与主体合并，在开封、尉氏、通许三地交界发展成一个强大的钩状回波，中心最大强度68 dBz。此时开始进入该次天气过程的最强时段（图2b），沿风暴移动方向对基本反射率因子做垂直剖面显示，强的对流云体一直伸展到12 km以上，且存在有界弱回波区（BWER）。强的超级单体回波一直维持到20：06，这与观测到的局地暴雨以及受灾民众所描述的强风出现时段较为吻合；之后开始分裂成若干个单体（图2c），部分单体仍然有55 dBz，产生强对流天气并影响杞县、商丘西部和周口东北部地区。

19：18的径向速度图（图2d）上，通许西北部就开始出现中气旋，这与PPI分析的钩状回波特征相吻合；中气旋一直持续到20：06，最大转动速度超过28 m/s在19：42的通许中部，属强中气旋（图2e）。中气旋的存在说明此地有强烈的辐合上升运动，是超级单体的标志，也是强对流天气发生的重要信号。

图 2 2017年8月9日1.5°仰角的基本反射率因子（a、b、c）和相对风暴径向速度（d、e、f）

4 强对流天气与地面中尺度露点锋

4.1 地面中尺度露点锋的生成

露点相对于温度是更加保守的量，露点分布与雷暴发生发展移动都有密切的联系［9］，露点锋一般是季风相关的暖湿气流与干冷气流相交而成的干湿不连续。用区域站逐时观测资料分析影响本次过程的中尺度系统发现，在强对流发生前低层至地面均无明显的辐合线或涡旋系统，但从河南省各站的温度露点差（t-td）水平分布的变化可以看出，17：00豫东地区大体呈西干东湿态势，干湿差距不大（图3a）；18：00开始，豫东t-td迅速增大，干燥程度普遍加重，而开封南部出现湿中心，其西边的郑州干湿差距开始加大；19：00强干舌（t-td≥8℃）东伸（图3b），同时豫东北干中心南压至开封北部，尉氏至开封形成“厂”字形密集带，露点锋初步形成；20：00干舌在郑州增强成t-td为13℃的干中心（图3c），露点锋强度达到最强；之后逐渐减弱并向东南移动影响商丘西南部、周口北部地区，至23：00露点锋消失，天气过程也基本结束。

图3 2017年8月9日河南地区t-td（实线）和T（虚线）的逐时分布（单位：℃）

从温度场分析，冷中心与湿中心、暖中心与干中心配合都较为一致。19：00郑州的温度高达31℃，这是一个暖干舌分布，20：00郑州比尉氏高出9℃，且暖中心与干中心已完全重合。19：00—21：00干暖空气与冷湿空气交绥于尉氏至开封一带，形成较强的露点锋，该地区在这个时段内爆发了64.9 mm的降水和雷电大风。强对流天气与地面露点锋有很好的对应关系，降水和大风出现在露点锋前侧的湿区内，冷湿中心正好位于通许城区，而之后时段的天气强度要弱得多。这就说明随着强对流天气的发生，露点锋所积聚的能量释放的很快，使地面至低层的温湿场也发生了快速的变化。

另外，在图3上可见露点锋的长度在100 km左右，生命史约3 h，属中-β尺度系统。但值得注意的是，该次过程中的露点锋与常见的属性配置不同。我国常见的露点锋往往是暖湿空气活跃北上，与干冷空气形成局地的干湿不连续［10-11］；但该次过程中形成干湿对比的主导气流并不是东南暖湿空气，而是来自西侧和北侧的干暖空气，推测可能与太行山南麓的过山西北气流有关，也与孙淑清等［10］研究的北京一次突发暴雨过程中的干线相似。

4.2 地面露点锋生成的环境条件

对9日形势进行中尺度分析，20：00（图4）850 hPa存在露点锋经过开封至通许一带，同时有一个暖脊伸至通许附近；从925至500 hPa的槽前倾明显，此时通许正处于地面锋线前沿、高空锋区内，有利于垂直运动的迅速加强。低层露点锋对应地面中尺度露点锋，又与地面中尺度辐合线（图1）结合，触发对流并使其迅速发展。而08：00河南中西部已出现一条东伸的干舌，这对强对流的触发预报有一定的指示意义。

图4 2017年8月9日20：00河南及周边地区中尺度分析

5 强对流天气的触发机制

通过对天气形势和地面露点的分析得知，地面中尺度辐合线和地面露点锋都对该次强对流天气的发生发展有一定的影响，为了进一步探究强对流天气的触发机制，对比分析了地面加密观测资料的风向与露点两个要素。由雷达回波特征（图略）分析可知，超级单体强势期开始于19：30，这也是实况大风开始出现的时间；区域气象站分钟风场数据（图5）显示，在18：30之前开封西北部已出现地面辐合线，而此时次对应的露点场中的干线并不明显，其在19：00才开始显著发展。由此表明，虽然在该次超级单体强对流天气中地面露点锋伴随着辐合线出现，但露点锋是其主要的触发机制［12-13］。