冷涡背景下冀中致灾冰雹天气过程诊断分析

2022-08-19王志超丁和悦王亚婷

内蒙古科技与经济 2022年12期

王志超，丁和悦，王亚婷，常适

(保定市气象局，河北保定 071000)

冰雹是影响较大的灾害性天气之一，往往会给经济和人民生命财产安全造成重大损失，由于其时空尺度小，突发性、局地性强等特点，给预报预警工作造成很大的困难，一直是天气业务实际工作中的难点。近年来，有关冰雹形成机制的研究也取得了不少成果。蓝渝等[1]给出了华北地区冰雹的天气分型及云型特征。马鸿青等[2]统计了保定地区冰雹的气候学特征并分析了典型冰雹日常用物理量参数的阈值。张南等[3]研究表明，高空冷涡东南象限中“上干冷下暖湿”的不稳定区域是强对流出现的潜势区，干冷空气入侵和边界层辐合线是河北中南部地区对流的触发条件。李晓霞等[4]认为中尺度辐合线和干线也是冰雹天气的触发机制。高宾永等[5]研究指出大冰雹均出现在高空能量锋区以内，落区在低层湿有效能量平流正值中心附近。王在文等[6]认为能量锋、大气的斜压性和层结的条件对称不稳定激发了湿有效能量释放，导致对流不稳定天气的出现。随着多普勒天气雷达资料的广泛应用，加深了对中小尺度对流风暴的认识，同时也得出了一些有助于冰雹短临预警的指标，汤兴芝等[7]指出当强回波高度达到7.6 km时预示有冰雹出现，其临界成功指数达86%，强中心回波顶高跃增现象有助于提前进行冰雹预警。赵海军等[8]通过分析临沂地区冰雹天气的预警参数和指标后发现大部分地面开始降雹都是在C-VIL跃增后2～3个体扫和强反射率因子核心快速下降之时，这两个特征对于冰雹预警的发布具有10 min～20 min的时间提前量。

2020年6月25日午后保定地区出现冰雹天气，笔者利用常规观测资料、ERA5再分析资料等，从天气形势、物理量诊断、卫星雷达资料分析等角度进行诊断分析，以期揭示此次致灾冰雹天气形成的原因，为以后该类天气过程预报提供指示和参考。

1 天气实况与灾情

2020年6月25日13—21时，受华北冷涡系统的影响，河北中部的保定、沧州等地出现了大范围的冰雹天气，同时伴有强雷电、大风和短时强降水等强对流活动。冰雹路径呈西北—东南走向，主要出现在涞源、易县、满城、保定、肃宁、东光等地，其中肃宁冰雹最大直径3.5 cm。统计显示，河北中部共有16个自动气象站出现8级以上短时大风，其中献县小河气象站最大瞬时风速达24.7 m/s。与冰雹天气伴随雨带也为西北—东南走向，降水过程持续时间短、移速快，但降雨强度大，蠡县桑园镇最大小时雨强34.3 mm，5 min最大降水达12.8 mm。

据不完全统计，此次雷雨大风和冰雹灾害造成保定市所辖7个县(区)的26个乡镇不同程度受灾，直接经济损失4 591万元。其中农作物受灾面积4 855.13 hm2、成灾面积2 671.06 hm2、绝收面积781.3 hm2，受灾人口30 751人，另有53人因灾受伤，损坏房屋5间。此外，保定、沧州等地大量汽车因冰雹被砸受损。

2 环流背景

2.1 高空形势

2020年6月25日08时200 hPa中纬度有一西北—东南走向的高空急流轴，河北处于急流轴的左前侧。500 hPa东蒙冷涡稳定少动，冷涡底部不断有短波槽携带冷空气东移南下，形成了阶梯槽的形势。前槽东移过程中给河北带来了降水天气，08时河北中部处于槽后西北气流控制，天气转晴，有利于低层大气增温增湿。后槽位于冷涡中心至河套东北部一线，槽后部有风速大于20 m/s的大风核，同时伴有T-Td>29℃的干区。与500 hPa低槽相配合，700 hPa、850 hPa内蒙古中部到山西北部有南北走向的切变线，高低层配置近乎垂直。850 hPa河北中部为温度>16 ℃的暖温脊和比湿>8 g/kg的湿区，此外，850 hPa与500 hPa温度差达到29 ℃，上干冷、下暖湿的大气层结，大气处于不稳定状态，具备出现强对流天气的潜势条件。

2.2 探空特征

利用ERA5再分析资料计算了冰雹发生区域逐3小时格点探空，可以看出：前期降水过后，08时850 hPa以下为饱和湿区，露点温度高，中高层为高空槽后部西北气流控制，大气湿度条件较差，存在明显的干区，大气层结呈上干下湿的喇叭口形状，已经具备了一定的不稳定能量，对流有效位能为585.2 J·kg-1。14时中高层大气温湿曲线变化不大，850 hPa以下温度明显升高，说明低层存在暖平流，此时饱和湿层变得浅薄，仅在850 hPa附近存在，上干冷、下暖湿的特征更加明显。从能量条件上看，湿对流有效位能(CAPE)增加至1 221.8 J·kg-1，对流抑制能量(CIN)由237.2 J·kg-1下降到101.4 J·kg-1，K指数增至34 ℃，SI减小到-5.56 ℃，大气能量充沛且层结非常不稳定。500 hPa以下风向随高度顺转达90°，随着中高层风速加大，垂直风切变不断增强，14时0～6 km垂直风切变增至15.9 m·s-1，较强的垂直风切变有利于强对流天气的加强和发展。此次降雹过程0°层高度在3.8 km(610 hPa)左右，-20°层高度在6.4 km(550 hPa)附近，符合华北地区一般降雹高度指标。平衡高度上升至269 hPa，自由对流高度下降至700 hPa附近，层结曲线和状态曲线所围正面积增加，对流上升速度更大，使得对流云可以发展的更加旺盛，0°层和-20°层高度均在自由对流区域内，有助于雹坯的快速增长，从而形成较大冰雹。17时降雹天气结束后，湿对流有效位能迅速减小至128.6 J·kg-1，自由对流高度回升到600 hPa附近，大气恢复到层结稳定状态，对流天气结束。

表1 2020年6月25日保定逐3小时对流指数演变

3 云图和雷达

3.1 卫星云图特征

从葵花卫星可见光云图演变可以看到，2020年6月25日中午前后张家口地区有对流云开始发展，影响保定的对流云生成于张家口南部与保定交界处。15时卫星云图上可以看到，涞水西部和涞源中部分别发展出对流单体A和对流单体B，配合有向下游方向伸展的云砧，单体A向东南方向移动影响易县，易县冰雹出现在15时55分，冰雹直径2.6 cm，之后单体逐渐减弱，下游没有冰雹出现；单体B生命史较长，贯穿整个保定和沧州市，且向东南方向移动过程中不断发展增强，18时30分可见光云图上可以看到保定和沧州交界处强的孤立的对流单体，上冲云顶也非常清楚，有利于明显降雹天气，这一阶段观测到最大冰雹直径3.5 cm，18时46分出现在沧州肃宁。接下来本文将重点分析本次对流天气发展和维持的机制，同时讨论对流单体A和B发展过程中维持时间不同的成因。

图1 2020年6月25日15时和18时30分葵花卫星可见光云图

3.2 雷达回波特征

2020年6月25日中午张家口南部开始有对流单体产生，之后单体逐渐增多，并且向保定西北部地区移动，经过一段时间的发展，14∶30前后形成了东北—西南走向的多单体风暴，风暴上3个主要对流单体分别位于涞水西部、涞源东部和西南部，从反射率因子垂直剖面上看，中间的对流单体为低质心降水结构，两侧的对流单体大于55 dBZ强回波区达到8 km高度，具有出现冰雹天气的可能性，在引导气流的作用下，对流单体风暴向东南方向移动，15时30分中间的对流单体明显减弱，两侧的对流单体进一步发展增强，北侧对流单体之后影响易县，出现直径2.6 cm的冰雹，之后在继续东移过程中也逐渐减弱。而南侧的对流单体在移动过程中始终在发展增强，18时30分成为孤立的强对流单体风暴，径向速度图上可以看到明显的径向速度对流，说明有中气旋的出现。反射率因子垂直剖面图上，强回波区垂直向上伸展，大于65 dBZ强回波伸展到10 km高度，随后肃宁出现本次过程中观测到最大冰雹直径为3.5 cm。而后对流风暴继续向东南方向移动影响河北东部和山东西北部。总体来看，北部的对流单体影响时长为3个小时，南部对流回波影响时长可达7个小时。

4 对流初生及维持机制

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，气温升高，有助于能量的不断积累。同时河北西北部地区处于高空冷涡的东南象限，存在南北向的切变线，中午前后在热力和动力的共同作用下触发了对流性天气。对流云触发后会在引导气流作用下移动，切变线的东侧和南侧为高湿的不稳定能量区，供给对流活动充分的水汽条件，使得对流活动不断发展加强。

500 hPa冷涡底部存在大于20 m/s的大风速核，大风速核有助于形成较强的高低空垂直风切变，利于强对流风暴的出现，大风核上有正涡度东传。对流层低层1 000 hPa北京和河北东北部为22 ℃低温区，河北南部气温大于32 ℃，二者之间的河北中部地区为温度锋区，锋区南北两侧分别为偏南风和偏东风。对流云在河北西部触发后沿引导气流东移，低层锋区偏南风气流作为入流气流为对流云的发展提供了源源不断的水汽，保障了对流活动的长时间维持。这也解释了上文可见光云图上对流单体A和B维持时间不同的原因，对流单体A下游方向为偏东风冷空气影响，单体B下游为偏南暖湿气流，为对流单体发展提供充沛的水汽和能量，有利于对流活动的长时间维持。