京津冀“7·5”强对流天气形成的环境条件及中尺度特征

许 敏，沈 芳，刘 璇，刘艳杰，张湘涵

（1.河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021；2.河北省廊坊市气象局，河北 廊坊 065000；3.河北省文安县气象局，河北 文安 065800）

引 言

短时强降水、雷暴大风、冰雹是夏季华北地区主要的强对流天气，具有突发性和局地性强、致灾性大等特点，常给受影响地区，尤其是大城市的运行带来挑战，伴有地质灾害、城市内涝等次生灾害的强对流天气更是严重危害人民生命财产安全［1-2］。通常认为，短时强降水的发生需要充沛水汽、较强的抬升运动、热力不稳定层结以及适当的垂直风切变条件［3］，但对于不同区域，所需的环境条件和具体对流参数阈值又不尽相同［4-6］：樊李苗等［7］研究了中国短时强降水、雷暴大风、强冰雹和混合型强对流天气的环境参数特征，发现纯粹短时强降水较其他强对流天气而言，700～500 hPa 和850～500 hPa 温差更小，垂直风切变更弱，0 ℃层、-20 ℃层和平衡层高度较高；中亚和新疆东部异常气旋式和反气旋式水汽通量距平可引发新疆北部大范围极端降水［8］；而冀中地区强降水形成的水汽、热力、动力条件均在降水出现前累积加强，在降水开始前30～90 min 达到极致［9］。各地区的强对流形成于不同的大气环境背景下，但强对流的最终爆发还需要中尺度系统这一必要条件作为触发机制［10-11］，进而增强风暴的组织性，影响其对流强度和演变发展［12-13］。为此，对中尺度系统的研究也逐渐成为强对流分析的一个重要部分，为了捕捉这些特征，近年来不断有学者为弥补传统探空资料在时间分辨率上的不足，尝试用微波辐射计获取分秒级的大气层结信息，从温湿、稳定度等多方面进行天气学诊断分析［14-15］，提取了对短时强降水敏感的对流参数作为预报因子［16］，并通过多源资料应用证明在有利的环境条件下，辐合线、冷池出流等可不断触发中尺度对流系统（mesoscale convective system，MCS）新生［17］。

京津冀地区是我国北方主要的强对流区之一［3］，首都北京位于其中部，特殊的地理环境和政治地位使得该地区的强对流天气一直以来都是预报员和科研工作者研究的重点，如2012年“7·21”和2016年“7·20”北京两次极端暴雨均由连续和大范围短时强降水引起，导致严重城市内涝和山区泥石流，致使数十人死亡，数十万人紧急转移，数百万人受灾，两次过程中850 hPa 动力抬升和整层可降水量均极端偏强，但抬升指数（lifting index，LI）表征的热力条件差异巨大，前者偏强，而后者偏弱［18-19］，还有分析表明中尺度对流单体沿低空急流轴左侧传播，具有明显的重力波传播特征，低空急流暖湿输送导致高温、高湿、高能的对流不稳定层结反复重建，加强了对流的发展［1，20-21］。可见，强对流天气成因复杂，即便同一地区降水，其形成和发展机理也有差异，各种时效尤其是精细化的预报仍面临较大挑战，需要运用高时空分辨率的新型观测资料，从不同角度对强对流天气过程开展研究，以不断突破对其对流属性和机制机理认知的局限性［22-23］。2021年7月5日下午至夜间京津冀中部地区出现了以强降水为主，伴随雷暴大风和小冰雹的混合型强对流天气，是一次历时长、范围广、强度较强的区域性强对流天气，为了解其形成原因，在借鉴一些学者关于强对流个例雷达特征、物理量指数等分析的基础上［24-25］，综合运用多源观测资料对此次天气过程的环境条件和中尺度特征展开研究，为扩展预报员对此类天气的认知，重点分析了出现在一日中不同时段强对流的中小尺度物理量差异，为精准预报预警业务的开展提供技术支撑。

1 资料与方法

1.1 资 料

利用北京、天津和河北中部地区1966个区域自动气象站逐时降水量、风向、风速、气温等地面观测资料，分析天气实况及地面中尺度系统特征；欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大气再分析资料ERA5（空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h），主要用于环境条件分析；北京站S 波段多普勒天气雷达数据，该雷达位于北京南部，此次过程研究的强降水落区均在雷达周边100 km 以内，处于其有效探测范围中，可真实反映对流系统发展过程；北京探空资料和FY-2G 气象卫星的可见光资料，用于分析大气垂直温湿状态和中尺度对流云特征；廊坊北部的大厂回族自治县（简称“大厂”）位于强降水区内，且与最大降水量出现地（北京通州副中心办公区）仅相隔潮白河，可较好地反映对流发生前后的垂直大气环境，因此使用大厂的QFW-6000 型微波辐射计测得的相对湿度、云底高度和云底红外亮温资料，用于分析强对流上空的相对湿度特征和云底高度、云底红外亮温变化趋势；以上资料的起止时间均为2021年7月5—6日。

1.2 方 法

抬升指数LI、SI和K指数计算公式［3］分别为：

式中：T500（℃）为500 hPa 的实际温度；TL（℃）指气块从自由对流高度开始沿湿绝热线抬升到500 hPa 的温度。

式中：TS（℃）指气块从850 hPa 开始先沿干绝热线上升到凝结高度，再沿湿绝热线抬升到500 hPa 的温度。

式中：T850、T700、T500（℃）分别为850、700、500 hPa的温度，Td850、Td700（℃）分别是850、700 hPa的露点温度。

2 强对流天气实况

2021年7月5日下午至夜间，北京东南部、天津西部及与其毗邻的廊坊中北部和保定东北部出现短时强降水、雷暴大风，北京大兴国际机场观测到冰雹；过程累计降水量普遍为50.0～150.0 mm［图1（a）］，最大值152.7 mm 出现在廊坊市安次区仇庄乡，最大雨强（72.2 mm·h-1）出现在14：00—15：00（北京时，下同），位于北京通州副中心办公区［图1（c）］，之后降雨强度有所减弱，且具有一定的间歇性，但多个时段为20～40 mm·h-1；此次强对流天气过程中，北京通州、天津中南部、廊坊和保定出现了8级以上大风，6日凌晨天津和平区小白楼出现了27.3 m·s-1（10 级风）的阵风，为此次过程最大极大风速［图1（b）］。此次强对流天气范围广、持续时间长，给京津冀中部地区带了不同程度影响。

图1 2021年7月5日09：00至6日08：00京津冀中部累计降水量（a，单位：mm）、极大风速（b，单位：m·s-1）和代表站逐时降水量（c）Fig.1 Cumulative precipitation (a,Unit: mm),extreme wind speed (b,Unit: m·s-1) and hourly rainfall of representative stations (c)in central Beijing-Tianjin-Hebei from 09:00 BST on 5 to 08:00 BST on 6 July 2021

3 水汽条件

水汽是形成短时强降水和雷暴大风的首要条件，分析此次天气过程中的水汽条件可见，7月5日15：00 北京大部、天津中西部、保定和廊坊的整层大气可降水量（PWV）超过30 mm（图2），同时，表征大气稳定度指数的LI 普遍为-8.0～-4.0 ℃，说明大气在强有力的抬升条件下为强降水的形成提供了丰富的水汽。图3为强降水持续时间最长的代表站（天津武清区泗村店站）水汽通量散度和比湿的时间-高度剖面，可见5日08：00 后，800～700 hPa 和925 hPa 及以下基本维持弱的水汽通量辐合，当近地面层的水汽通量辐合加大，比湿达到12～14 g·kg-1，而850 hPa 附近水汽出现强辐散时，约2 h 后（5日16：00）泗村店站出现了强降水，且随着强降水临近，上述垂直方向上水汽的辐合和辐散均呈现增强趋势，5日17：00 达到最强。相比而言，夜间强降雨时段水汽辐合则集中于900～700 hPa。总体而言，强降水开始前1～2 h，925 hPa及以下或800～700 hPa即出现水汽通量的强辐合，伴随强的不稳定能量上升，使得降水时段整层大气可降水量达到30 mm以上。

图2 2021年7月5日15：00整层大气可降水量PWV（彩色填色区，单位：mm）和抬升指数LI（红色等值线，单位：℃）分布Fig.2 Distribution of whole layer PWV （color shaded areas，Unit：mm） and LI （red isolines，Unit：℃） at 15：00 BST on 5 July 2021

图3 2021年7月5日08：00至6日07：00天津武清区泗村店站水汽通量散度（彩色填色区，单位：10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1）和比湿（黑色等值线，单位：g·kg-1）的时间-高度剖面Fig.3 The height-time cross sections of water vapor flux divergence （color shaded areas，Unit：10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1） and specific humidity （black isolines，Unit：g·kg-1） in Sicundian station of Wuqing district in Tianjin from 08：00 BST on 5 to 07：00 BST on 6 July 2021

4 热力不稳定能量

在具备一定的水汽条件后，环境热力、动力条件是影响对流的另外两个主要因素［26-28］。5日14：00—15：00 北京通州副中心办公区出现了此次强对流过程的最大雨强，14：00 北京探空站T-lnP图（图4）可直接反映雨区上空的大气状态，此时，在925 hPa 以上强盛西南气流作用下，850～700 hPa 湿层形成，且850 hPa上下出现西南风与东南风的强垂直风切变，0～6 km 的垂直风切变达到14.1 m·s-1，对流有效位能CAPE（convective available potential energy）值也由08：00 的240.7 J·kg-1增至2106.1 J·kg-1，K指数和SI 分别达到38.7 ℃和-3.5 ℃，强降水发生的强热力不稳定环境形成，此后2 h 内，廊坊大厂站的相对湿度变化显示1500 m（约850 hPa）以下相对湿度继续增加，14：30 后达到90%，而5500 m（约500 hPa）以上则为相对湿度小于40%的干空气层，“上干下湿”不稳定层结得以维持［图5（a）］。

图4 2021年7月5日14：00北京探空站T-ln P图Fig.4 T-ln P of Beijing sounding station at 14：00 BST on 5 July 2021

假相当位温θse是反映大气温湿状况的重要物理量，θse随高度或气压的变化常用来判别大气层结稳定度，即θse随高度增大（∂θse/∂z＞0）为对流性稳定，随高度减小（∂θse/∂z＜0）为对流性不稳定［29］。图5（b）为北京通州副中心办公区假相当位温θse的时间-高度剖面，可以看出5日上午开始500 hPa以下∂θse/∂z＜0，即大气呈现出对流不稳定状态，具体表现为10：00后850 hPa 以下θse迅速增大，700～500 hPaθse低值区下降，垂直方向上θse梯度加大，600 hPa 与900 hPa的最大θse之差达30.0 ℃，能量锋区逐渐形成加强，为强降水的出现和发展提供了良好的能量条件。

图5 2021年7月5日12：00—16：00廊坊大厂站相对湿度（a，单位：%）及5日08：00至6日07：00北京通州副中心办公区站假相当位温θse（b，单位：℃）的时间-高度剖面Fig.5 The height-time cross sections of relative humidity at Dachang station of Langfang from 12:00 BST to 16:00 BST on 5 (a,Unit: %) and θse in sub-central office area station of Tongzhou in Beijing from 08:00 BST on 5 to 07:00 BST on 6 (b,Unit: ℃) July 2021

5 抬升触发机制

5.1 天气尺度上升运动

强对流天气是由中小尺度系统直接引发，而中小尺度系统又是在一定的天气尺度背景下发展起来的，尤其是多灾种、区域性强对流天气通常需要具备有利的背景条件［29］。7月5日08：00 500 hPa京津冀处于中纬度高空槽前，槽线位于河套西部地区，配合的温度场冷槽线已到达华北地区［图6（a）］，预示高空冷空气已由北向南渗透，此时850 hPa 上有中心强度超过22.0 ℃的暖脊向京津冀中部伸展，与南风气流携带的湿空气相互作用，使得京津冀上空大气的层结不稳定性增加［图6（b）］；14：00 蒙古国东部的偏北气流转为东北气流，使高空槽在东移过程中，南北向槽线逐渐顺转为近东西向，形成了天气尺度上升运动的同时，不断引导北方冷空气南下，覆盖在低层持续的暖湿气流上，为强对流的爆发提供了充足的动力条件。

图6 2021年7月5日08：00 500 hPa位势高度场（绿色实等值线，单位：dagpm）、温度场（红色虚等值线，单位：℃）（a）及850 hPa风场（风矢量，单位：m·s-1）、温度场（彩色填色区，单位：℃）（b）Fig.6 The geopotential height field （green solid isolines，Unit：dagpm），temperature field （red dotted isolines，Unit：℃） at 500 hPa （a）and wind field （wind vectors，Unit：m·s-1），temperature field （color shaded areas，Unit：℃） at 850 hPa （b） at 08：00 BST on 5 July 2021

5.2 中尺度特征

在有利的天气尺度背景条件下，冷暖空气不断在华北交汇，使得引发暴雨的中尺度系统不断发展［30］。7月5日14：00，在FY-2G 可见光云图上已清晰显现出北京东部初生的雷暴单体［图7（a）］，云体的东南边界有暗影出现，13：00—15：00 廊坊大厂站的云底高度在120 min内由5300 m 迅速降至4300 m［图7（c）］，同时，云底红外亮温骤增，从13：00 的-2.4 ℃升至0.5 ℃，表明深厚积雨云团形成，强降水一触即发。相比而言，18：00 可见光云图上对流呈多单体形式［图7（b）］，云团小而分散，同样出现的暗影表明积雨云云顶已上冲至较高高度，但云底高度仅下降100 m，云底红外亮温40 min 内下降0.7 ℃，随后开始上升，至19：00 强降水开始时达到最高0.3 ℃。可见，可见光云图上暗影的出现，以及云底高度迅速下降、云底红外亮温骤增均预示着强对流云团的形成。

图7 2021年7月5日14：00（a）、18：00（b）FY-2G卫星可见光云图（单位：%）和08：00—23：59廊坊大厂站云底高度、云底红外亮温（c）Fig.7 The visible cloud picture from FY-2G satellite (Unit: %) at 14:00 BST (a),18:00 BST (b) and cloud base height,infrared brightness temperature from 08：00 BST to 23:59 BST at Dachang station of Langfang (c) on 5 July 2021

强对流在有利的天气背景下发展，依赖于大气的热力、动力条件，更与中小尺度系统直接相关［31］。经过辐射增温，7月5日14：00 京津冀地区地面气温已接近日最高气温值，由于局地强雷暴云的生成，高强度降雨形成，导致低层强烈降温，与周围温度梯度迅速加大，从地面1 h 变温和风场（图8）可以看出，北京中东部到廊坊北部已形成明显冷池，冷池中心最大1 h 变温达到-10.5 ℃·h-1，并且沿冷池南部边界有近东西向辐合线生成，随后，冷池与辐合线均向南推移。15：00 冷池覆盖北京东南部与廊坊北部地区，辐合线南移至北京和廊坊交界，在此期间，冷池移动所经区域出现短时强降水，地面辐合线则始终位于冷池与强降水落区移动的前方。19：00—21：00 廊坊和天津武清出现强降水，同样在北京、廊坊交界，以及武清境内存在稳定少动的近东西向和南北向的地面辐合线，且辐合线的北侧还出现了辐合中心，强降水位于两辐合线之间，但与下午出现在北京中东部的强降水不同，冷池强度明显减弱，1 h 变温仅为-2.0～0.0 ℃·h-1，这与强降水出现时间以及前期降雨使得能量释放密不可分。14：00 接近盛夏地面气温最高时段，强对流的爆发势必导致能量迅速释放，局地气温骤降，冷池形成，而发生在夜间的强降水，尤其是前期本地或周边已出现降雨的情况下，冷池效应将大大减弱，为此，在分析冷池时要结合时间等因素综合考虑。此外，地面辐合线在两个时段强降水过程中均起到了触发作用。

图8 2021年7月5日14：00（a）、15：00（b）、19：00（c）、20：00（d）地面1 h变温（彩色填色区，单位：℃）和风向（箭头）（棕色实线为地面辐合线，字母D为地面辐合中心）Fig.8 Hourly variation of surface temperature （color shaded areas，Unit：℃） and direction of the wind （arrows） at 14：00 BST （a），15：00 BST （b），19：00 BST （c） and 20：00 BST （d） on 5 July 2021（The brown solid lines are the ground convergence lines，letter D is the ground convergence center）

图9为2021年7月5日14：00—16：00 北京S 波段雷达6.0°仰角和0.5°仰角反射率因子。可以看出，14：00通州北部及以西6.0°仰角的反射率因子迅速增大为45～60 dBZ，最大小时雨强为13.3 mm·h-1［图10（a）］，随着700 hPa 引导气流向东移动，强回波范围扩大，强度增强，15：00 通州东部最强回波增至65 dBZ，并向南扩展，北京通州副中心办公区最大雨强陡增至72.2 mm·h-1［图10（b）］，此时，0.5°仰角上通州至大兴方向出现了由北向南的阵风锋，移速约为25 km·h-1，这与冷池南边界的位置及移动速度完全吻合，而随着阵风锋形成和移动，通州和廊坊北部的风速也明显加大，极大风速由14：00 的不足5.0 m·s-1增至17.2 m·s-1，达到8 级灾害性大风标准。此外，阵风锋的移动过程中还触发了对流单体A 和B 的生成，此后半小时内随着阵风锋的远离，A 单体迅速减弱，B 单体发展加强，强降水量落区同时向东南方向扩展［图10（c）］，这与程月星等［32］研究结论一致，即上游雷暴冷池出流作用将触发地面辐合抬升最强处新生单体并迅速发展。以上分析均证明了边界层中尺度辐合线、阵风锋等抬升和地面冷池增强与对流风暴的发生发展关系密切［10，33-35］，从而影响雷暴大风的形成和强降水落区变化。

6 结 论

本文运用多源探测资料，从大尺度环境条件和中小尺度触发机制等多角度分析探讨了2021年盛夏京津冀的一次强对流天气，以揭示天气过程发生发展前后各物理量变化趋势和重要特征，为强降水、雷暴大风等短临预报预警提供更科学参考。

（1）2021年7月5日京津冀中部出现强对流天气，最大雨强72.2 mm·h-1，极大风速达27.3 m·s-1（10 级），局地伴有短时小冰雹。低层925 hPa 及以下和中层800～700 hPa 的水汽强辐合早于强降水1～2 h出现，在强抬升作用下促使整层大气可降水量不断累积，为强对流的发生发展储备了良好的水汽条件。

（2）“上干下湿”不稳定层结维持，垂直θse能量锋区形成并加强，0～6 km 强垂直风切变，对流有效位能CAPE 跃升，K指数和SI 等条件的建立，共同构成了此次强对流天气形成的热力、动力不稳定环境。

（3）中纬度500 hPa 西风带高空槽东移，携带干冷空气南下，与850 hPa 由西南伸向华北的暖脊形成了不稳定的温度垂直分布，提供了天气尺度上升运动条件；冷暖空气在华北不断交汇引发了中尺度对流系统的发展，云底高度迅速下降、云底红外亮温骤增均预示着强对流云团的形成，可见光云图上云体东南边界暗影的出现则表明了积雨云已发展至较高高度，强对流一触即发。

（4）冷池在南移过程中与强降水落区相对应，其间既有风暴的移动，也有冷池诱发的对流单体新生发展，而位于其移动前方的地面辐合线对强降水的生成起到了直接触发作用。相比夜间，午后强降水导致的局地降温幅度更大，冷池效应更明显，这也提示预报员在分析强对流天气时除了分析气象要素变化，还要关注其出现时间，以及前期是否已有能量释放，从而更加准确预报中尺度系统的生消和强度发展。