一次冷涡背景下次天气尺度系统对强对流环境场的影响
2024-03-25李瑞萍王秀明李树文王扬田晓婷李梦军
李瑞萍 王秀明 李树文 王扬 田晓婷 李梦军
摘 要 在同一東北冷涡背景下，2016年6月12—13日山西境内连续2 d出现强对流天气，12日为分散性对流而13日为大范围强对流。基于多源资料通过对比探讨次天气尺度系统及其演变对风暴环境进而对风暴结构的影响，得出以下结论：（1）两日风暴强度和风暴结构差异显著。6月12日对流孤立分散且回波强度小于55 dBZ，而13日准线性风暴发展成尺度较大的弓形回波引发大范围强对流天气，回波强度达60 dBZ。（2）此次过程的关键影响系统为冷涡背景下的次天气尺度低涡。12日次天气尺度低压扰动开始出现，距离远而未影响山西；13日低压扰动东移发展为次天气尺度切断低涡，低涡相关的地面冷锋及850 hPa切变线触发山西上游对流。（3）12日低层水汽含量低，0～3 km垂直风切变弱，13日低涡前偏南水汽输送使低层显著增湿，叠加中层干冷空气形成不稳定层结，受低涡影响0～3 km风垂直切变增强至5.0×10-3s-1，冷锋触发的对流风暴在上述环境下强烈发展并产生阵风锋，阵风锋组织风暴形成飑线，冷池与0～3 km风切变相互作用使飑线维持。（4）13日有利于飑线发展的环境要素与东北冷涡西侧的次天气尺度切断低涡系统密切相关，次天气尺度低涡是飑线形成发展的关键系统。
关键词 高空冷涡；次天气尺度系统；强对流；环境场
中图分类号：P445文献标志码：A文章编号：2096-3599（2024）04-0076-12
DOI：10.19513/j.cnki.hyqxxb.20221030001
收稿日期：2022-10-30；修回日期：2023-05-17
基金项目：国家自然科学基金项目（41875058）；中国气象局创新发展专项（CXFZ2021Z034）；中国气象局复盘总结专项（FPZJ2023-018）
第一作者简介：李瑞萍，女，正高级工程师，主要从事短期天气预报及强对流研究，lirp246@163.com。
通信作者简介：王秀明，女，博士，教授，主要研究方向为雷暴与强对流天气短临预报、中尺度数值模拟，wangxm@cma.gov.cn。
Effect of sub-synoptic scale system on environment field of strong convection under the background of a cold vortex
LI Ruiping1， WANG Xiuming2， LI Shuwen1， WANG Yang3， TIAN Xiaoting1， LI Mengjun1
（1. Taiyuan Meteorological Bureau， Taiyuan 030002， China; 2. China Meteorological Administration Training Center， Beijing 100081， China; 3. Shanxi Meteorological Observatory， Taiyuan 030006， China）
Abstract Under the background of a same northeast cold vortex circulation， strong convective weather occurs in Shanxi for two consecutive days from 12 to 13 June 2016. On 12， it is a scattered convection， while it is a large-scale strong convection on 13. Based on multi-source data， the effects of the sub-synoptic scale system and its evolution on the environment and then on the structure of the storms are discussed through comparison. The results are as follows. （1） There are significant differences in the intensity and the structure between the two days storms. On 12， the convection is isolated and dispersed， and the echo intensity is less than 55 dBZ; while on 13， the strong convection is triggered by a quasi-linear convective storm that develops into a larger-scale bow echo， with the central echo intensity of 60 dBZ. （2） The key synoptic system of the process is the sub-synoptic scale vortex under the background of a cold vortex. On 12， the sub-synoptic scale low pressure disturbance begins to appear far away from Shanxi and does not have an effect there; on 13， it moves eastward and develops into a sub-synoptic scale cutoff vortex， and the surface cold front and 850-hPa shear line related to the vortex trigger the convection in the upper reaches of Shanxi. （3） On 12， the low-level specific humidity is low， and the vertical wind shear at 0-3 km is weak. On 13， the southerly water vapor transport in front of the vortex significantly humidifies the low layer， and with the superimposition of the dry cold air in the middle layer， an unstable stratification is formed. Under the influence of the vortex， the vertical wind shear at 0-3 km increases to 5.0×10-3s-1. The convective storms triggered by the low-level cold front develop strongly and produce a gust front in the above environment， and the gust front drives the storms to form a squall line. The interaction between the cold pool and the wind shear at 0-3 km maintains the squall line. （4） The environmental factors conducive to the development of the squall line on 13 are closely related to the sub-synoptic scale cutoff vortex on the west of the northeast cold vortex. The sub-synoptic scale vortex is the key system for the formation and development of the squall line.
Keywords upper-tropospheric cold vortex; sub-synoptic scale system; strong convection; environmental field
引言
强对流天气的构成除包括层结稳定度、水汽、触发机制3项基本要素外，还有垂直风切变，后者在强对流的组织结构、形态及持续时间上起关键作用。基于对流发生条件的“配料法”预报思路［1-3］被广泛接受，王秀明等［4］、郑永光等［5］、高晓梅等［6］、赵桂香等［7］、吴福浪等［8］基于“配料法”对强对流环境条件进行研究，为强对流潜势预报提供依据。孙建华等［9］通过试验证明，环境水汽含量和垂直分布会影响飑线组织形态、维持时间和强度。王秀明等［10］通过对比研究雷暴大风环境特征与对风暴结构的影响得出，低层湿度是风暴结构的决定因素。寿绍文［11］指出，风垂直切变显著影响对流系统强度、组织性及生命史。上述研究表明，环境条件对风暴形成发展以及风暴结构等有着重要作用。而环流背景与天气系统配置制约对流发生条件，如高空冷涡后部冷空气叠加低层暖湿空气形成不稳定层结［12-13］，为强对流提供有利的天气背景与环境条件。但同样的环流背景下可形成不同类型、强度差异的对流天气［14-15］，因此强对流预报需要综合分析天气系统强迫与环境参数。
次天气尺度系统［16］介于天气尺度与中尺度之间，又称中间尺度系统，也称中α尺度系统［17］。姚文清等［18］研究指出，在天气尺度与次天气尺度系统共同作用下，暴雨才得以产生与维持。梁军等［19］指出次天气尺度系统在大风形成过程中的贡献主要表现为提供正涡度和动能。王秀明等［20］认为，东北龙卷大多发生在东北冷涡背景下，冷涡南侧次天气尺度短波槽是东北龙卷的直接影响系统。这些研究侧重于不同尺度系统间的相互作用以及有关次天气尺度影响系统。以往关于天气系统对强对流影响的研究多集中于高空槽、高空冷涡等天气尺度系统［21-22］，对次天气尺度系统如何影响环境要素进而影响对流风暴结构的相关研究较少。
2016年6月12—13日，在同一冷涡环流背景之下，山西境内出现结构差异显著的强对流。12日仅形成局地分散性对流，13日则生成大范围线状强对流，影响山西大部，大风导致部分构筑物和树木倒毁，农作物受灾，冰雹砸毁车辆，农业设施受损严重，给电力、建筑、农业、航空等部门造成的直接经济损失达2.621 3亿元。本研究利用高分辨率观测及再分析资料，在对比两日风暴结构特征基础上，分析两种风暴产生的环境特征，探讨次天气尺度低涡系统对风暴环境进而对风暴结构的影响。
1 资料与方法
所用资料主要有：常规高空地面观测、加密地面观测、多普勒天气雷达、欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）逐1 h水平分辨率0.25°×0.25°再分析（ECMWF Reanalysis v5，ERA5）资料。雷达组合反射率因子拼图由山西及周边地区（109°～116°E、34°～41.5°N）14部多普勒天气雷达同步组网观测。由于探空观测仅有08时（北京时，下同）和20时，文中14时高空风场、涡度及高度场、风垂直切变等采用ERA5资料。风垂直切变为上下两层风矢量差［23］除以层间高度，计算过程中，将u分量和v分量分别相减再合成風矢量差。通常0～6 km与0～3 km强的垂直风切变分别是超级单体与飑线需要的环境条件，因此本文分析这2个高度的风切变，考虑山西地形高度，计算0～6 km、0～3 km风切变（单位为10-3s-1）时，下层取900 hPa，上层分别取500 hPa、700 hPa。
2 天气实况与风暴演变
2016年6月12日16—21时，山西出现7站次8级以上雷暴大风，极大风速为24.1 m·s-1（9级），风向多变，分布零散（图1a）。13日17—23时，山西108个国家级地面气象观测站中先后有61站出现8级以上阵风，其中瞬时风速v≥20.8 m·s-1（9级）占比超过50%，多测站风力突破或达到历史极值，风向为相对一致的西北风，大风灾害严重，部分测站伴随短时强降水和冰雹（图1b）。13日地面观测站点记录的最大风速达30.1 m·s-1（11级），出现在交口县，6个县（市）出现冰雹，长治市内大冰雹直径达60 mm，雨强不低于20 mm·h-1的短时强降水多分布于平川河谷地带，最大雨强为28.3 mm·h-1。强对流具有典型的飑线特征，对流系统影响时测站气象要素发生剧烈变化，出现风速突增、温度骤降、气压陡升以及湿度增大等现象。
综上，两日对流天气强度与规模差异显著。12日对流强度弱且分散；13日强对流天气剧烈，影响范围覆盖山西大部分区域，灾害严重。两日对流回波形态及风暴类型差异亦显著。由图2a可知，12日19—21时对流较旺盛，出现雷暴大风，分布于山西中西部以及南部地区，对流回波孤立分散，对流单体在演变过程中相互独立，未发生合并，组织性差，回波强度普遍在55 dBZ以下。13日午后对流风暴在山西境外新生，东移过程中逐渐加强，从西北方向进入山西，由准线性风暴［24］发展成弓形回波，图2b展示了17：36—22：24期间35 dBZ以上回波演变特征。18：36，呈准带状排列的回波，随着对流单体不断新生合并，形成长和宽分别为180 km、35 km的飑线。19：36，回波带东移中与山西东北部新生对流回波合并，长度显著增加，宽度变窄，排列密集，集中于一条弧线上，发展成为一个水平尺度约为400 km的超长弓形回波，强度达60 dBZ，对流发展十分旺盛。20：24，回波带范围进一步扩大，强回波单体排列更加紧凑，回波带上没有明显断裂，水平尺度约为480 km，宽为25 km。21：30，回波减弱，对流单体间排列松散，回波带逐渐变宽，长度缩减，中心强度减弱。23时移出山西，风暴在山西境内持续约6 h。
3 次天气尺度系统对风暴环境特征的影响
3.1 东北冷涡与次天气尺度低涡
如图3a、b所示，2016年6月12—13日，500 hPa山西均处于高空冷涡后西北气流中，12日14时在东北冷涡西侧90°～100°E、45°～50°N区域有中心值为8×10-5s-1的涡度中心，配合有水平风切变，出现低压扰动。高空冷涡引导其后部冷空气南下，冷涡中心强度增强，并向东南方向移动。13日14时形成次天气尺度切断低涡，有中心值为10×10-5s-1的正涡度区，低涡底部有强西北风急流扰动，急流核达到28 m·s-1，配合有气旋式切变，低涡前侧西南气流开始影响山西。该低涡为深厚冷性系统，在850 hPa表现为切变辐合线，低涡后部干冷下沉气流在地面形成冷锋（图3d）。观测资料显示，12日08时，700 hPa山西上空为一致的西北气流，850 hPa为偏西风（图3c），地面受弱高压控制；13日08时，500 hPa在山西西北方向有一短波槽，700 hPa切变线位于短波槽西侧，切变线后配合有冷平流。而低层850 hPa辐合线位于山西上游河套地区，辐合线前受暖气团控制，山西西南方向有地面温度露点差t-td≤4℃的湿区。850 hPa辐合线落后于500 hPa短波槽线，槽后的干冷空气叠加于低层暖湿气团之上，形成前倾结构（图3d）。13日08时，地面冷锋位于内蒙古至甘肃一带，14时东移至河套西侧，山西受锋前暖低压控制，气温为25～34℃。
由此可见，12日500 hPa低压扰动开始出现，仅表现为伴水平风切变的涡度中心，高度场尚未调整，距离山西较远，后经发展演变形成次天气尺度切断低涡，13日低涡及其相伴的低层系统在东移发展过程中影响山西地区。此外，13日前倾短波槽也为强对流酝酿、发生、发展提供了有利的环流形势。
3.2 水汽及层结不稳定度
由图4a可知，12日08时850 hPa山西大部地区比湿为8 g·kg-1以下，山西南部边界比湿较高，超过10 g·kg-1，但山西境内风速较小，风向为偏西风，水汽输送不明显，08—14时变化不大（图4c）。探空与地面观测（表1）显示，12日08时850 hPa以下平均比湿为9 g·kg-1。12日08—14时，太原925 hPa近地层比湿从10 g·kg-1降为8 g·kg-1（表2），地面温度露点差t-td北部由10～12℃上升至15℃以上，中南部从6℃及以下升至12～16℃；13日08时山西中南部水汽含量为10～12 g·kg-1（图4b），明显高于12日08时，850 hPa高湿中心位于山西西南侧，水汽从高湿中心向山西输送，形成明显的南风水汽输送带。14时随着次天气尺度低涡系统东移，山西西侧偏西风显著增强，切变辐合区逼近山西西部，山西境内偏南风风速有所增大，南部的比湿增大，而北中部比湿略有下降，但低层仍处于高湿状态，850 hPa比湿维持在8～12 g·kg-1（圖4d）。实况显示，太原13日08时850 hPa以下平均比湿达11 g·kg-1（表1），08—14时，925 hPa比湿从12 g·kg-1降至11 g·kg-1（表2），地面温度露点差由2～10℃上升至12～18℃。14时地面气温和露点温度订正的太原探空曲线（图5）显示，两日中层均存在明显干层，12日尤其清晰（表1）。6月12日14时对流有效位能（convective available potential energy，CAPE）为537 J·kg-1，13日14时CAPE值达1 596 J·kg-1（表2），大气层结极不稳定，强的对流有效位能有利于风暴内产生强的上升气流，CAPE值达到1 500 J·kg-1以上，有利于冰雹增长［25］，湿球温度0℃层高度为3.9 km，是比较适宜的冰雹融化层高度。-20℃层高度在7 100 m（表1），郑旭程等［26］研究指出，中国东部地区发生冰雹时，-20～0℃之间的厚度一般为3.0～3.6 km，13日-20～0℃之间的厚度为3.1 km，适合冰雹生长。
12日、13日层结不稳定度及其变化差异显著。由前文环流形势及系统演变分析可知，12日500 hPa低压扰动开始出现，距离山西约1 200 km，13日发展为切断低涡系统。在低涡自西向东逐渐移动到山西上空的过程中，850 hPa上切变线前侧偏南气流影响山西，将西南方向高湿中心的水汽源源不断输送过来，形成水汽输送带，从而影响低层水汽。在冷涡背景下，两日温度垂直结构相似，对流层中层均显著干，850 hPa以下相对湿度差异不明显，产生差异的关键因素为低层水汽（绝对湿度），低层水汽含量影响层结稳定度。12日，低层水汽含量小，14时对流有效位能弱。13日，由于偏南水汽输送，850 hPa及以下低层保持高湿，14时近地面比湿为11 g·kg-1，叠加500 hPa层之上的干冷空气，形成极不稳定层结，对流有效位能強。就山西而言，中部太原6月13日08时850 hPa比湿的气候平均值仅为7.5 g·kg-1，初夏“上干冷下暖”的不稳定层结多见，低层高湿条件却不易满足，13日850 hPa以下平均比湿达到11 g·kg-1，低层水汽含量高于降雨之后［27］和中低层有暖湿气流输送［28］的两次山西飑线过程，接近12 g·kg-1的典型湿下击暴流比湿阈值下限［29］，强对流的物理过程介于典型干下击暴流与湿下击暴流之间。当低层高湿且垂直风切变集中于低层时，能够形成高度组织化的超级单体和弓形回波［10］，是风暴类型的决定性因素。
3.3 次天气尺度低涡对风垂直切变的影响
6月12日14时0～6 km风切变为2.6×10-3s-1（图6a），属中等偏弱风切变［23］；13日08时0～6 km风垂直切变为2.5×10-3s-1，由3.1节可知，500 hPa次天气尺度切断低涡底部有强西北风急流扰动，急流核达到28 m·s-1。随着上游切断低涡加强东移，13日对流发生前500 hPa风速由13 m·s-1增大至17 m·s-1，14时0～6 km深层风切变增至3.5×10-3s-1，为较强风切变（图6b），也有利于形成大冰雹。由低层风切变来看，12日08时0～3 km风垂直切变为2.0×10-3s-1，08—14时700 hPa由西北风6 m·s-1转为偏西风4 m·s-1，风力明显变弱，0～3 km风切变减小至1.6×10-3s-1（图6c）；13日08时700 hPa已受到上游扰动影响，实况显示风速达11 m·s-1，因此，0～3 km风垂直切变与前一日差异显著：13日08时0～3 km风垂直切变为3.0×10-3s-1，14时700 hPa风速进一步增大，0～3 km风切变显著增强至5.0×10-3s-1，达到强垂直切变水平（图6d）。对流发生前，13日0～3 km垂直风切变是12日其值的3倍。可以看出，次天气尺度切断低涡系统在发展演变及移动过程中，通过影响500 hPa、700 hPa风场，从而影响0～6 km、0～3 km垂直风切变环境。
6月13日对流发生前，0～6 km深层垂直风切变加强，0～3 km风切变显著增强，是由于500 hPa有次天气尺度的强西北风急流扰动，配合有气旋式切变，并且有中心值为10×10-5 s-1的正涡度区（图3b），扰动明显且系统呈前倾结构所致。对流层中层风场加强，增大了与低层风的矢量差。垂直风切变加强导致对流风暴加强和发展，尤其表现为组织程度明显提高。
3.4 次天气尺度低涡对强对流触发与维持的影响
3.4.1 对流触发
12日14时，地面冷锋位于45°N以北（图7a），20时在山西西部吕梁地区、临汾地区等地辐合线附近触发产生对流回波（图7b）。由于无明显影响系统，地面辐合线或沿山脉生成，或由下垫面受热不均形成，呈准静止状，尺度较小且强度较弱，其触发的对流持续时间较短。
13日14时，次天气尺度低涡东移发展，与其相伴的低层850 hPa切变系统随之东移，低涡后部干冷下沉气流在地面形成冷锋，前沿位于42°N附近（图7c）。850 hPa偏西风显著增强，14—15时，内蒙古中西部地区风速由4～8 m·s-1增至10～12 m·s-1，切变辐合增强，在850 hPa切变与地面冷锋之间触发较强对流（图7d），随后向东移动影响山西西北地区，期间对流持续发展，回波呈准带状排列，17时后移入山西境内。
3.4.2 冷池与对流发展维持
13日17时后，强对流云团由西北进入山西境内，冷的下沉气流在近地面形成冷池，冷中心与外围温度差值达到8℃以上。雷达回波（图8a）显示，强对流单体呈线状排列。冷池前沿阵风锋触发对流单体新生，新生单体并入准带状对流云团中，使对流风暴加强发展，规模扩大。回波强度增强，对流单体之间不断有新的回波产生。由于多个对流单体组成雷暴群，冷下沉气流到达地面的冷池连为一体，形成共同的冷堆［23］向前推进，冷池尺度扩展，强度增强（图8b），在冷池前沿阵风锋区不断有更多强对流单体触发新生合并，而强的垂直风切变使对流风暴加强并组织化，形成一条连续的超长线状回波带，单体排列密集，回波带上没有明显断裂，水平尺度约为480 km，宽为25 km，最强回波超过65 dBZ。随着冷池增强，飑线进一步发展（图8c）。由于冷池的温度梯度产生了较强密度流，阵风锋区同时也是1 h正变压中心所在区域。而冷池密度流叠加单体下沉辐散气流在冷池外围形成最强风，冷池前阵风锋区与v≥17 m·s-1的大风区相重合。13日19—20时，冷池直径达150 km，冷中心与外围温差大于10℃，相比于孙密娜等［30］分析华北一次飑线过程所形成的8℃温差，冷池更强。1 h最大变压为5.3 hPa。
次天气尺度低涡扰动对强对流触发及发展维持的影响表现为两个方面。首先，与低涡相伴的低层系统触发产生较强对流；其次，强的垂直风切变导致对流发展并组织化，而高度组织化的雷暴群产生大范围冷池。根据RKW理论［31］，冷池与低层垂直风切变维持准平衡状态，飑线得以维持，陈明轩等［32］验证了该理论适用于华北飑线。
3.4.3 强冰雹雷达回波特征分析
6月13日14：00—17：30，山西东南部在飑线前低压暖区内生成超级单体强风暴，沁县、襄垣、长治、壶关等地相继出现冰雹。15：50—16：00，長治市区降大冰雹，最大冰雹直径达60 mm。由长治新一代C波段多普勒天气雷达1.5°仰角反射率因子演变（图9a—c）可以看出，15：46—16：00，长治市境内有强回波，中心强度达65 dBZ，具有典型的超级单体钩状回波特征，尽管由于风暴距离雷达站小于30 km，反射率因子垂直剖面高处被遮挡，仍显示存在有界弱回波区和回波悬垂（图9d）。15：56，1.5°仰角径向速度图（图9e）上，白色圆圈标识区域内，向着雷达的速度中心与远离雷达速度中心值之差达到38 m·s-1，具有非常强的辐合特征，意味着该区域有相当强烈的上升气流。降雹前垂直累积液态含水量（vertically integrated liquid，VIL）在14：59—15：15出现跃增，15：15长治市内VIL最大值达40 kg·m-2（图9f）。
4 结论与讨论
（1）次天气尺度低涡系统通过影响水汽与层结不稳定度、垂直风切变等关键环境因素，以及对流触发机制、冷池发展，从而影响对流强度、规模以及风暴结构。次天气尺度低涡在飑线形成发展中的作用至关重要，一方面提供强的初始对流触发机制，同时增加层结不稳定度，进一步增大垂直风切变，也使得冷池加强发展，是同一冷涡背景下相邻两日出现结构与规模差异巨大强对流的关键原因。
（2）在同一高空冷涡背景下，6月12日与13日有显著差异的环境因素为低层水汽含量与垂直风切变。12日低层水汽含量小，环境垂直风切变弱，仅形成分散性对流；13日低层高湿，环境风切变尤其是低层垂直风切变强，形成飑线。低层高湿叠加中层干冷空气形成极不稳定层结，在对流发展加强中发挥决定性作用。而垂直风切变对强对流的组织结构及持续时间具有关键作用。低层好的水汽条件配合0～3 km较强垂直风切变，环境风切变与风暴相互作用形成高度组织化的弓形回波，低层湿度与垂直风切变成为风暴结构与生命史的决定因素，该结论与以往研究相一致，是基于“配料法”进行对流环境分析及对流潜势预报的重要条件。
（3）6月13日飑线形成前出现冷池，在阵风锋区不断新生强对流单体，使得飑线维持，冷池密度流与强对流下沉气流叠加，进一步加剧了雷暴大风的极端性。在具有较强对流有效位能、冰雹融化层与-20℃层高度以及-20～0℃层间厚度适合、深层垂直风切变中等偏强等环境条件下，雷达监测到60 dBZ以上强回波、超级单体钩状回波结构、有界弱回波区、低层强辐合、VIL跃增等特征，是大冰雹预报预警的重要指标。
（4）就省市级强对流预报业务现状而言，次天气尺度系统介于天气尺度与中尺度之间，其对强对流短时预报的影响比较关键，从次天气尺度系统演变及影响的角度，结合数值模式和观测资料分析环境场变化，是强对流短时预报思路和方法的尝试与探索。
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