京津冀强对流天气的环境场条件及触发机制

2022-07-13任福玲田晓飞

陕西气象 2022年4期

许敏，刘璇，沈芳，任福玲，田晓飞

(1.廊坊市气象局，河北廊坊 065000；2.文安县气象局，河北文安 065800)

京津冀地处华北地区中东部，干湿季分明，短时强降水、雷暴大风，甚至冰雹等强对流天气是夏季主要的灾害性天气，因其影响范围小、突发性强、致灾性大，通常被认为是夏季天气的预报难点。短时强降水主要指发生时间短、降水效率高的对流性降雨，1 h降水量达到或超过20 mm，雷暴大风指伴随强雷暴天气而出现的瞬时风速大于17.2 m/s的短时大风[1]。

国内外诸多气象学者对本地或本区域发生的强对流天气进行了分析，得出了一些有益结论[2-6]。有的学者分析了各种对流天气的气候分布和天气学特征，王迪等[7]提炼了河南分类强对流的关键物理参数，高晓梅等[8]讨论了鲁中地区雷暴大风、冰雹雷暴大风和强降水混合型强对流天气的环境参量和预报阈值，华雯丽等[9]基于500 hPa和850 hPa的影响系统，对山东省的雷暴大风进行了详细的天气学分型。另有一些侧重于个例研究：马晓华等[10]对西北地区一次由低涡系统引发的暴雨过程进行了诊断分析，认为水汽通量的突增与降水的增强有对应关系；王丛梅等[11]通过对河北一次极端强降水的分析，得出了半定常地面辐合切变线对新生对流的触发和已有对流的维持及加强起到了重要作用的结论；肖贻青等[12]分析了一次副高异常强盛背景下的强对流暴雨；孙靖等[13]则通过研究北京强降水过程中三个对流单体组织发展的特征和成因，得出了大范围降水发生后近地面层所形成的水平出流，可能与其前部偏东环境风构成明显风切变有关的结论；王晨曦等[14]从研究降水过程中的不稳定性出发，对对流稳定度、惯性稳定度和条件性对称不稳定(CSI)进行了分析。其他多位学者也从不同角度分析了强对流天气的形成机制[15-18]，得出了一些重要结论。

以往的研究个例多局限在一个相对较小的范围内，并以单一种类天气现象研究为主，但京津冀地区处于北部、西部环山，东边临海复杂地形下，对局地性强对流天气的研究成果很难直接应用于其中某一地区的预报业务中。本文选取2019年盛夏一次覆盖京津冀中南部大部分地区的混合型强对流进行综合分析，以期获得普适性更好的多灾种强对流天气物理环境场和生消特征，为此类天气的短期预报和临近预警提供一定参考。

1 资料与方法

所用资料为2019年7月29日京津冀高空和地面气象观测资料，其中降水资料为国家气象站逐小时观测资料，天气形势分析使用中国气象局下发的MICAPS资料；物理量特征分析使用美国NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料，以及北京、邢台探空资料，并根据相关物理量定义对其进行计算。

2 强对流天气概况及环流背景

2019年7月29日凌晨至下午，京津冀出现区域性降雨天气，暴雨区主要分布在保定、廊坊南部、石家庄北部、沧州和衡水北部，以及承德南部、唐山和秦皇岛的北部，雨量普遍在50～152 mm之间，最大降雨量达199.9 mm，出现在廊坊大城大尚屯镇(图1)。其中中东部地区伴有阶段性强对流，河北境内有64个县(市)出现短时强降水，最大雨强为114 mm/h(秦皇岛青龙三拨子)，35个县(市)出现8级以上短时大风(风速≥17.2 m/s)，最大极大风速达到30.6 m/s(11级)。此次过程是2019年夏季京津冀地区范围最广的一次强对流性天气，诱发多地城市内涝，一度造成交通拥堵。

图1 2019-07-28T20—29T20京津冀降雨量(a 单位为mm)和极大风速(b 单位为m/s)分布图(审图号为GS(2017)3320号)

夏季，造成京津冀地区区域性暖区暴雨或强对流天气的影响系统通常可归为三类，即高空槽前、副高控制和西风带冷空气与副高相互作用。分析此次天气过程前后的高空形势和588 dagpm的动态可以看出(图2、图3)，7月28日08时，500 hPa等压面上副高588 dagpm北端位于河南、安徽和江苏北部，同时西风槽纬向度较大，槽区宽广，500 hPa及以上华北处于一致的偏西气流中。20时，588 dagpm线迅速北跳至河南北部至山东中部一带，12 h移动2～3个经度，随着副高北上，西风槽在东移过程中受其阻挡经向度逐步加大，在蒙古国中部至河西走廊地区形成明显槽线。此后，588 dagpm线稳定在山东境内，呈小幅摆动趋势，西风槽在东移过程中进一步加强，29日08时至20时槽线由蒙古国东部至河套移至晋冀交界地区。与此同时，850 hPa切变线也移出河套，并在29日由山西穿越河北，副高维持过程中，其外围形成低空急流，一致的西南暖湿气流既可以向华北地区输送源源不断的水汽，又使不稳定能量维持，加剧对流的发展(图略)。地面形势场显示(图4)，29日凌晨地面冷锋进入河北，02时在冷锋前约300 km暖区内出现短时强降水、短时大风天气，14时锋面位置到达保定东部时，锋前再次出现强降水(图略)。

图2 2019-07-29T08 500 hPa高度场(黑色实线，单位为dagpm)及槽线演变(棕线为槽线)(审图号为GS(2019)3082号)

图3 500 hPa副热带高压588 dagpm线演变(审图号为GS(2019)3082号)

图4 2019-07-29 T02地面形势场(黑色实线为气压场，单位为hPa)(审图号为GS(2019)3082号)

3 物理量特征分析

3.1 水汽条件

丰富的水汽供应是强对流系统发生、发展和维持的必要条件和能量来源[19]。此次强对流天气过程属西风槽与副高共同作用造成的强天气，副高外围暖湿气流在850 hPa形成西南低空急流，湿舌伸至东北南部，畅通的水汽通道建立(图略)。水汽通量散度是表征水汽条件的重要物理量之一，负值表明水汽为辐合，正值为辐散，并且负值越小，水汽辐合程度越高。从此次强对流过程前后水汽通量散度的演变情况(图5，见第26页)可以看出，在28日20时至29日02时，850 hPa负的水汽通量散度区呈现明显的由山西向京津冀地区移动的趋势，结合图6(见第26页)逐小时雨量可见，凌晨前后雨区发展至河北西部的顺平。02时京津冀中北部的水汽通量散度值达到-4×10-8g/(cm2·hPa·s)以下，表明该区域水汽强烈辐合，此时最大雨强达到44.8 mm/h；08时后水汽通量散度值增大，水汽辐合程度迅速下降，降雨出现间歇；14时随着水汽通量散度再次陡降至-10×10-8g/(cm2·hPa·s)，京津冀中东部的强降雨开始，文安和青龙的最大雨强相继达到27.2 mm/h和76.4 mm/h；20时水汽通量散度场转为弱辐合或辐散，强对流天气过程结束。可见，当850 hPa水汽通量散度值降至-4×10-8g/(cm2·hPa·s)时，最大雨强可达到40 mm/h左右，而强降雨区及周边区域水汽通量散度达到-10×10-8g/(cm2·hPa·s)时，雨强可超过70 mm/h，即水汽通量的辐合辐散与降雨强度和起始结束有着密切联系。

图5 2019-07-28—29 850 hPa水汽通量散度(单位为10-8 g/(cm2·hPa·s)；a 28日20时，b 29日02时，c 29日14时，d 29日20时)(文见第25页)

图6 2019-07-28T21—29T20逐小时降雨量(文见第25页)

3.2 动力条件

能否形成高强度的降水，以及对流性大风等强天气，动力条件是关键因素之一。此次强对流天气过程中，从由西向东4个代表站点涡度和散度(图7，见第27页)的变化上可以看出，28日20时，灵寿、顺平和文安三站500～700 hPa均出现了明显的散度负值，即中高层水平方向的辐合早于降水开始出现，随后700～850 hPa的辐合程度增强，并且辐合层增厚，强度达到(-0.5～-1.0)×10-4s-1。29日08时最低辐合层的高度上升，700 hPa以下辐合减弱，甚至出现辐散，降雨进入间歇时段。14时前后文安和青龙的600～850 hPa辐合迅速增强，强中心集中于700 hPa附近，而500 hPa以上维持辐散。对比涡度变化情况可见，降雨开始前，各站的正涡度普遍集中于850 hPa以下。29日凌晨前后随着降雨的开始，灵寿的正涡度层跃增至700 hPa以上，在29日下午的强降雨中，文安和青龙的正涡度伸达500 hPa。综上可见，700 hPa高度大气的辐合、500 hPa以上的强辐散，使低层水汽不断抬升，加之高层的抽吸作用，引发京津冀的中南部出现强降雨天气，并且中低层辐合越强，对应的雨强越大。

图7 2019-07-28T20—30T02京津冀代表站点涡度(线条，单位为10-3 s-1)和散度(阴影，单位为10-4 s-1)随时间和高度的演变(a 灵寿；b 顺平；c 文安；d 青龙)(文见第25页)

3.3 对流不稳定条件

不稳定条件对于对流性天气的发展有着至关重要的作用[20]，常用于代表热力不稳定条件的指数有对流有效位能CAPE、沙氏指数SI、K指数，以及850 hPa与500 hPa温差(ΔT850-500)等。对比此次天气过程前后北京和邢台两地的指数(表1)特征可以看出，强对流天气来临前的28日20时，邢台的CAPE值已达到3 516.1 J/kg，高出北京2 500 J/kg，抬升指数LI和沙氏指数SI更是达到了-7.21 ℃和-6.22 ℃，表明邢台大气的不稳定性更强。29日08时，两地的CAPE值骤降，邢台的LI和SI减弱，但仍维持负值。对比两地出现的强对流天气种类(京津冀中部短时强降水，南部大风)可以发现，雷暴大风比强降水的形成需要更强的热力不稳定性。28日20时ΔT850-500较大，29日08时邢台K指数增加至44 ℃，与此后出现强降雨和大风有较好的对应关系。可见，热力指数强度的增加对强对流天气的开始有着很好的指示意义，LI和SI变化对短时强降水更加敏感，指数越强，短时强降水发生概率越大，ΔT850-500与K指数的变化也反映了热力条件对强对流的影响。总体而言，此次雷暴大风发生在更加不稳定的大气热力环境中。

表1 2019-07-28—29热力不稳定指数特征值(北京/邢台)

进一步分析28日20时的探空曲线(图8)可见，北京和邢台低层都具有丰富的水汽，且存在一定的垂直风切变。但邢台上空中高层出现了明显的干空气侵入，低层近于干绝热，满足对流大风形成的垂直温湿条件；而北京附近的整层湿度都比较大，更有利于形成高强度的降雨。

图8 2019-07-28T20温度对数压力图(a 北京；b 邢台)

4 中尺度触发机制

强对流的发生发展与锋前暖区的中尺度辐合线有着密切关系[21]。此次区域性强对流天气过程中地面风场显示(图略)，29日00时开始，保定南部到石家庄北部出现了东北—西南向的辐合线，红外卫星云图上出现覆盖京津冀中西部对流云团，中心亮温达到了230 K(图9)。02时辐合线向东伸展，其东北方向到达廊坊南部，南端位于邢台西部，云图上密实云区范围继续扩大，北侧伸展至张家口、承德南部，以及唐山西部地区。在此后的约4 h内，切变线在冀中维持过程中，北京、保定、廊坊和沧州出现短时降雨，多个站点累计降雨量超过50 mm。07—11时降雨出现间歇，14时在京津冀东部再次出现地面辐合线，东部地区降雨开始。到16时沧州、衡水至邢台辐合线仍然维持，同时承德南部至秦皇岛发展出一条近于东西向的辐合线，表现在红外云图上上述地区中心亮温值超过250 K，此时泊头和青龙的小时雨强分别达到50.7 mm/h和76.4 mm/h。综合可见，地面辐合线的生成加强了近地面的抬升作用，与强降水的出现有密切的对应关系，是此次强对流发生的触发机制。