2023年5月沧州一次极端风雹天气过程及成因分析

摘 要：2023年5月12日傍晚至夜间，河北沧州出现一次以风雹为主、高空冷平流强迫类对流过程，过程第一阶段风力最大达到11～12级，以＜2 cm小冰雹为主，第二阶段风力减弱，最大9级，沧州南部出现2～5 cm大冰雹。前期冷池出流作用利于对流触发。水汽、不稳定能量及垂直风切变条件增强，配合地面辐合线发展有利于对流的再次触发和加强。中气旋风场后向倾斜加强气压梯度、降水粒子的拖拽、干空气夹卷导致负浮力加强下沉气流共同作用，有利于极端雷暴大风出现。湿层厚度增加，VIL明显跃增、风暴顶高和强回波高度较高，雷暴质心下降较慢；存在典型ZDR柱，CC 0.8 dB高度超过5 km、KDP显示空洞，预示大冰雹出现。

关键词：雷暴大风；冰雹；双偏振雷达；触发机制；不稳定能量

中图分类号：P458.12 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）08–0-03

强对流天气由于其具有突发性强、尺度小、灾害大等特征，一直是短临预报领域研究的重难点[1-7]。2023年5月12日16：00～23：00河北东南部沧州地区95个站出现8级以上的短时大风，青县国家站风速最大达35.9 m/s（12级）（图1a）。据地面自动观测站及人工观测统计，沧州中西部及南部多地出现冰雹（图1b），过程未出现短时强降水，是一次以风雹天气为主的强对流天气过程。从组合反射率和灾情实况来看，过程分16：00～20：00和20：00 24：00两阶段，第一阶段风力最大达到11～12级，以＜2 cm小冰雹为主，第二阶段风力减弱，最大9级，沧州南部出现2～5 cm大冰雹。

极端性风雹天气的出现给沧州地区农业生产造成较大影响，并且在大量不稳定能量释放后夜间对流再次发展，对短临预报产生一定难度，因此，使用来自常规观测和自动站资料、空间分辨率为0.25×0.25°ERA5再分析格点资料、双偏振雷达资料，对此次风雹天气进行分析，提高未来对此类对流天气的预报能力，促进沧州地区的农业发展。

1 极端风雹天气过程概况

从08：00环流形势和综合配置图上来看，此次天气为一次典型高空冷平流强迫型对流过程（图2）。沧州地区位于500 hPa高空槽后西北气流处，850 hPa转为短波槽前西南气流，为前倾槽配置，500 hPa冷舌叠加在850 hPa暖脊上方，850～ 500 hPa温差32 ℃以上，并且中层500 hPa存在明显干区，上干冷，下暖湿的不稳定层结有利于前期大量不稳定能量积累。

从17：00订正探空来看，CAPE为1834 J/kg，K=24.5，850 hPa以下存在假相当位温且随高度减少，存在不稳定条件，不稳定能量条件较好，-20 ℃高度5.6 km，WBZ高度2.6 km，融化层高度较低，有利于冰雹出现；整层较干，0～6 km垂直风切变为18 m/s，达中等强度，850 hPa以下位温线和干绝热线几乎平行，有利于雷暴大风出现；T-Td较大，湿层浅薄，不利于短时强降水出现。

2 物理量场

从850 hPa以下水汽通量积分叠加925 hPa风场图（图略）可以看到，17：00～20：00 925 hPa超低空西南急流建立并加强，引导水汽源源不断自南部地区不断向河北东南部输送，水汽输送带随之建立，水汽输送有所增强。同时，沧州地区处于急流出口区和强风速脉动区，从水汽通量和水汽通量散度图（图略）可以看到，17：00沧州西北部有弱的水汽通量辐合，其位置与初始对流位置对应，20：00沧州东南部地区出现水汽输送带和水汽辐合大值区，最强水汽辐合达-6×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，强度较前一阶段明显加强。

从相对湿度垂直剖面时序图（图略）来看，与“典型短时强降水深厚湿层特征”明显不同，此次风雹过程对比前后两阶段发现，12日20：00前700～850 hPa干空气夹卷明显，进一步促进雷暴大风发生，而20：00后，低层湿度有所加强，湿层厚度不断向上增厚，有效为雹胚“湿增长”提供机会，有利于大冰雹的出现。

由于850 hPa以下受暖湿气流控制，中层有干冷空气侵入，θse在低层密集并随高度减小，存在对流不稳定性，并在17：00近地面层θse达到324 K以上，低层暖湿气流进一步加强，使得沧州地区一直处于强的不稳定状态；第一阶段结束后，20：00可以看到低层风将对流不稳定能量持续向上输送，对后期对流发生热力环境十分有利。

从K指数分布来看，两阶段K指数大值区位置与过程风雹影响区域近乎重合，17：00沧州西北部K指数较大，达到36 ℃，随后此区域出现10级以上大风和小冰雹，至20：00由于850 hPa暖平流加强和低层水汽条件转好，有利于不稳定能量的加强，导致整个沧州地区K指数大范围增大均超过32 ℃，并且第二阶段沧州中南部降雹集中区K指数最大达到38 ℃，3 h增量达10 ℃（图3a、图3b）。

从17：00、20：00 0～6 km垂直风切变分布可以看到，夜间垂直前边大值中心不断向沧州地区扩展，强度达到30 m/s以上，属于强的垂直风切变，具有明显的极端性。垂直风切变增强有利于上升和下沉气流长时间共存，使得风暴有组织化和长时间维持，有利于超级单体风暴的发展。结合回波实况发现，第一、第二阶段确实均有超级单体出现，并且由于垂直风切加强，第二阶段超级单体更强（图4）。

从触发机制来看，12日17：00河北中南部地区地面气温已接近日最高气温值，从FY4可见光云图可知已经有局地强对流云团发展，产生降水导致近地面温度骤降，在沧州西北地区已形成明显冷池（图略）。3 h变压梯度较大，雷暴冷池出流加强，有利于冷池东南部地面辐合线加强，进一步使大量不稳定能量迅速释放，导致沧州出现极端性大风天气。至20：00地面完全受冷空气控制，但由于地面中尺度辐合线再次发展，为对流的再次触发提供了有利条件。

3 雷达特征

在此天气过程中，2个阶段均识别出勾状回波、有界弱回波区、回波悬垂、中气旋，判断有超级单体出现。第一阶段超级单体在向沧州地区发展移动的过程中，在17：18 HCL图上（图略）可以看到，0.5°仰角钩状回波显示有冰雹和降水粒子，其重力拖曳作用使此处附近风暴顶高和最大反射率因子高度从17：00～

18：00迅速分别下降至8.7和2.5 km附近，形成强烈下沉气流，至地面辐散产生大风。从17：30多个速度仰角可以看到，气旋风场是向后倾斜分布的，地面下沉气流附近高压与低层中气旋附近气压下降地区形成强变压梯度，进一步使风暴低层辐散加强。在风廓线图上，中低层显著干层附近风力达到20 m/s以上，下沉气流内水凝物受到附近夹卷入风暴的较干空气影响，持续蒸发降温，下沉气流内部和外界产生明显温差，致使空气受到向下的负浮力，引起下沉气流的加强，有利于下击暴流加强。

从2个阶段的超级单体附近VIL值分布可以看到，在降雹发生前产生跃增，一个体扫增量均达到20～35 kg/m2，但风暴顶高在第二阶段最高达到14.7 km，强回波高度最高达到7.3 km，-20 ℃高度在5.6 km附近，雷暴质心下降较慢，对第二阶段冰雹持续增长十分有利。第一阶段地面观测到小冰雹时，出现ZDR柱，但中心强度偏低，说明上升气流较弱，KDP也没有出现明显空洞，固态水凝物较少，CC 0.8 dB高度刚刚达到5 km处。第二阶段反射率因子低层弱回波区有大冰雹存在，ZDR 1.5 dB达3.4 km，0.5 dB接近5 km，强上升气流将大量水凝物抬升至0 ℃层高度以上，形成典型ZDR柱；CC剖面0.8 bB高度超过5 km；KDP由于大冰雹不符合瑞利散射显示空洞（图5）。

4 总结

（1）此次天气过程是一次以风雹为主、高空冷平流强迫类对流过程，前期冷池出流作用有利于对流触发。

（2）水汽、能量及垂直风切变条件转好配合地面辐合线发展利于对流的再次触发。

（3）中气旋风场后向倾斜加强气压梯度、降水粒子的拖拽及干空气夹卷导致负浮力加强下沉气流共同作用有利于极端雷暴大风出现。

（4）湿层厚度增加，VIL明显跃增、风暴顶高和强回波高度较高，雷暴质心下降较慢；存在典型ZDR柱，CC值0.8 dB高度超过5 km、KDP显示空洞，预示大冰雹出现。

参考文献

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