冀中一次干對流過程的成因分析

郭志強，丁和悅，韓英杰，于 雷

保定市氣象局，河北保定 071000

作為一種致災(zāi)性、高影響性天氣，強對流不但是預(yù)報預(yù)警的重點和難點，而且也是國內(nèi)外的重要研究內(nèi)容之一，但大多數(shù)研究都圍繞強雷暴展開，關(guān)于弱對流的關(guān)注程度相對較低。而在實際業(yè)務(wù)中，弱對流天氣可能會出現(xiàn)漏報，其社會關(guān)注度也較為明顯，因而對其展開分析研究同樣具有重要意義。2021年4月15日河北保定漏報了一次弱對流過程，雖然雨量小，但大風(fēng)造成了揚沙且伴有局地小冰雹，加之過程發(fā)生時臨近當(dāng)?shù)刂行W(xué)放學(xué)，造成了較大的社會影響。

卓鴻等[1]人對2001—2014年北京首都機場發(fā)生的459個雷暴日進行分類時指出，伴隨大風(fēng)但無冰雹的干對流過程占比15.1%。對于此類天氣個例，武麥鳳等[2]人對陣風(fēng)鋒大風(fēng)個例進行診斷分析時發(fā)現(xiàn)，地面輻合線是強對流天氣的觸發(fā)機制，850 hPa切變線提供了初始擾動，中層干入侵和上干下濕的垂直環(huán)流是陣風(fēng)鋒形成和發(fā)展的必要條件。郭蘭[3]在對致災(zāi)強冰雹天氣個例進行分析時指出，在干對流環(huán)境背景下，強天氣發(fā)生在邊界層的高濕區(qū)內(nèi)，低層切變線提供了動力條件。查書瑤等[4]人發(fā)現(xiàn)冷鋒過境時對流性大風(fēng)與冷空氣大風(fēng)疊加共同造成了地面大風(fēng)。

上述研究較為細(xì)致深入，冀中平原以往對此類天氣的研究較少，為進一步積累經(jīng)驗，利用常規(guī)觀測資料、地面自動站加密觀測資料和ERA5的0.1°×0.1°再分析資料等，對本次漏報過程進行診斷分析，以期為當(dāng)?shù)氐念A(yù)報預(yù)警工作提供借鑒和參考。

1 環(huán)流演變與天氣概況

2021年4月15日08:00地面蒙古氣旋已經(jīng)控制我國東北、華北等地，氣旋中心氣壓999.5 hPa位于內(nèi)蒙古那仁寶力格附近，河北處在冷鋒前的暖區(qū)中。700～850 hPa中緯度高空槽分為2支，北支自氣旋中心向西南方伸展至41°N附近的河套地區(qū)，南支自冀東南經(jīng)山東伸向河南，河北北部位于北支槽前受西南氣流控制，南部則處在南支波動的槽后，同時850 hPa南支波動的上游晉陜交界處有一短波。與之相對應(yīng)，500 hPa高空槽自貝加爾湖東側(cè)伸至臨河（內(nèi)蒙古巴彥淖爾），槽前氣流略呈疏散形勢，河北北部風(fēng)向WSW，南部風(fēng)向W。至20:00地面冷鋒已經(jīng)過境河北，700 hPa南、北兩支高空槽已同位相疊加并東移至冀東北—渤海灣—魯西北一帶；850 hPa槽線略偏東，位于東北平原—渤海灣—山東半島，原來于晉陜交界處的短波此時已經(jīng)并入系統(tǒng)。

冷鋒翻過太行山進入冀中平原時引發(fā)“干對流”，多個臺站出現(xiàn)8級大風(fēng)。干對流觸發(fā)前整層大氣都較為干燥，15日08時:00北京站（站號 54511）和邢臺站（站號53798）925 hPa的比濕分別為4和3 g/kg；850 hPa分別為1和3 g/kg；600 hPa以上兩臺站比濕均小于1 g/kg；此外兩臺站500 hPa風(fēng)速分別為19.6和22 m/s。對流觸發(fā)后，上述環(huán)境條件有利于中高層干空氣被夾卷進入風(fēng)暴，加速下沉氣流內(nèi)的雨滴蒸發(fā)，有利于地面對流大風(fēng)的出現(xiàn)和加強。

本次過程中，保定站（38.74°N，115.48°E）降水起止時間為16:12～16:24，雨量1.6 mm，降水出現(xiàn)前16:10～16:11風(fēng)力達(dá)到極值19.5 m/s，據(jù)本地氣象信息員反饋，其西南側(cè)9 km處的蔣村，降水時伴有花生米大小的冰雹。

圖1為保定站部分氣象要素的觀測實況：16:00溫度21℃、溫度露點差11.7℃、西北風(fēng)3.1 m/s、海平面氣壓1001.4 hPa。然后溫度少變但風(fēng)速增加，溫度露點差變大，氣壓升高；16:11溫度20.9℃、海平面氣壓1 003.1 hPa、溫度露點差和風(fēng)速均達(dá)到極值分別為16℃和19.5 m/s。隨后降水出現(xiàn)，溫度迅速下降但氣壓上升幅度減弱，溫度露點差數(shù)值減小，風(fēng)速也在波動中下降。需要說明的是，降水發(fā)生前后16:00～16:30，地面相對濕度維持在35%～47%。以上要素的分布特征表明，降水出現(xiàn)前，近地面已經(jīng)有干冷空氣影響保定，降水出現(xiàn)后由于蒸發(fā)冷卻和冷池出流才導(dǎo)致了氣溫下降。

圖1 2021年4月15日保定站地面各氣象要素的觀測實況

2 鋒區(qū)特征分析

參照楊貴名等[5]人的研究方法，以等θse廓線密集區(qū)表征鋒區(qū)，考慮本次過程中冷、暖氣團的屬性，分別以298K和308 K作為鋒區(qū)的界面，如圖2藍(lán)色線條所示。

圖2給出了38.7°N處θse的空間分布，14:00地面鋒區(qū)尚未下山，鋒區(qū)內(nèi)，大氣呈中性狀態(tài)，鋒區(qū)內(nèi)114°E附近、600 hPa以下各層有一淺槽（下文簡稱“東槽”），其上游113°E附近、750 hPa以下各層有一短波（下文簡稱“西槽”）；16:00鋒區(qū)東移下山，主要影響114°E～116°E區(qū)域，鋒區(qū)內(nèi)大氣層結(jié)仍呈中性狀態(tài)，但θse線更加密集，即鋒區(qū)強度有所增加，鋒前暖區(qū)內(nèi)的θse數(shù)值增大并有暖舌向高空伸展，同時鋒后冷區(qū)內(nèi)800 hPa以下θse數(shù)值減小，此時鋒區(qū)內(nèi)的西槽已并入東槽，槽線位于115.5°E附近。

圖2 2021年4月15日14:00（a）、16:00（b）38.7°N處的假相當(dāng)位溫（等值線 K）、u-w流場的空間分布（陰影區(qū)為山脈，下同）

以相對渦度表征高空槽的強度，如圖3所示，14:00 38.7°N處的最大正渦度恰好與850 hPa西槽相對應(yīng)，而東槽的渦度較小。隨著高空槽的合并，16:00 700 hPa以下各層正渦度有所加強，且高空槽前后的西南風(fēng)和西北風(fēng)風(fēng)速較14:00均明顯增加。

圖3 2021年4月15日14:00（a）、16:00（b）38.7°N處鋒區(qū)（藍(lán)色線條K）、水平風(fēng)場和渦度（陰影 10-5 s-1）的空間分布

由以上形勢分析可知，由于“西槽”的并入，“東槽”強度增加，槽后西北氣流加速同時鋒前暖區(qū)的θse數(shù)值也有所增大，導(dǎo)致冷鋒自太行山東移至冀中平原后，冷暖對比加大、鋒區(qū)強度和鋒生次級環(huán)流加強，環(huán)境條件逐漸有利于上升運動的建立和對流天氣的產(chǎn)生。

3 “干對流”成因分析

許多學(xué)者的研究表明，對于類似圖2中的中性層結(jié)大氣，空氣垂直運動處于無阻力也無浮力的狀態(tài)，垂直動能在運動中的消耗很小，低層一旦有擾動出現(xiàn)，上升運動將會穩(wěn)定維持[6-8]。圖4為16:00 38.7°N處的垂直運動分布，小于-1 Pa/s的上升運動區(qū)從地面伸展至450 hPa，恰好處在鋒區(qū)內(nèi)靠近暖區(qū)一側(cè)。

結(jié)合圖4中上升運動區(qū)與鋒區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，以及圖1中近地面先受干冷空氣影響、后出現(xiàn)降水的觀測實況可知，本次“干對流”是由冷鋒過境引發(fā)的一次天氣過程，降水出現(xiàn)在鋒區(qū)內(nèi)。

圖4 2021年4月15日16:00 38.7°N處鋒區(qū)（藍(lán)色線條 K）、溫度（紅色線條 ℃）、垂直速度（黑色線條 Pa/s）和相對濕度（陰影）的空間分布

前文所述的鋒區(qū)強度增加、較強的上升運動建立并維持，必然導(dǎo)致鋒生次級環(huán)流的加強，近地層風(fēng)速也將增加。由此可以推斷，圖1中風(fēng)速自16:00左右緩慢增加，與此時冷鋒開始過境有關(guān)，而由于800 hPa以下的大氣較為干燥，干對流觸發(fā)后雨滴粒子在低層大氣中的蒸發(fā)效應(yīng)，進一步加大了下沉氣流與周圍環(huán)境大氣的密度差，出流效應(yīng)的疊加是降水出現(xiàn)前2min風(fēng)速急速增加的原因，即鋒面系統(tǒng)性大風(fēng)和干對流大風(fēng)組成的混合性大風(fēng)導(dǎo)致了16:10～16:11出現(xiàn)19.5 m/s的風(fēng)速。

由于低層高空槽兩側(cè)風(fēng)速的加強，低層大氣垂直風(fēng)切變也會隨之加大，促使風(fēng)暴進一步發(fā)展（圖5）。16:00 115.5°E、38.7°N處 地 面 至700 hPa風(fēng)向已由15:00的西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)且風(fēng)速加大，其中v風(fēng)分量的變幅大于u風(fēng)分量，700 hPa以上西南風(fēng)速則有所減小。此外，700 hPa以上各層的u、v風(fēng)分量在16:00有所減小，但v分量在7～8 m/s，u分量基本20 m/s以上且隨高度增加，換言之，干對流發(fā)生時中層環(huán)境大氣的水平風(fēng)速較大，這有利于干冷空氣的夾卷。

由圖4還可知38.7°N處上升運動中心主要位于0℃層與-10℃層之間，相對濕度大于50%的區(qū)域也位于0℃層之上、大于80%的區(qū)域位于-10℃層之上，同時相對濕度大值區(qū)基本與上升運動區(qū)相對應(yīng)并略偏向于后者的東側(cè)。結(jié)合圖5中垂直風(fēng)切變的分析，可知環(huán)境大氣有利于雹胚的增長及降落。

圖5 2021年4月15日15:00（虛線）、16:00（實線）115.5°E、38.7°N處風(fēng)速u分量（紅色線條 m/s）和v分量（藍(lán)色線條m/s）的垂直廓線

本次過程中大氣較為干燥，圖6為16:00 38.7°N處云水混合比的空間分布，可知云水主要集中在0℃～-20℃層的上升運動區(qū)內(nèi)，且處在上升運動中心的上方偏下游一側(cè)（東側(cè)），其中心值為0.08 g/kg，恰好位于-10℃層附近。超過0.1 g/kg的云冰混合比在空間上與云水混合比相垂直并位于其上方，0.3 g/kg云冰混合比等值線的下緣基本對應(yīng)云水區(qū)的上緣，由此推斷，雹胚-10℃層上方、上升氣流的邊緣垂直翻滾并不斷增長。此外雨水粒子主要集中在0℃層下方，其中心處在上升氣流的邊緣，上升運動中心和下沉運動區(qū)也有雨水粒子分布，同時云冰粒子的下緣恰好對應(yīng)雨水粒子的中心，這反映出部分雨水粒子是由冰雹粒子融化而來。此外，冰雹粒子的融化也會加劇下沉氣流與環(huán)境大氣的溫差，進而有利于氣流的加速下沖和近地面風(fēng)速的增加。

綜合圖4和圖6可知，相對濕度大于80%的濕區(qū)均位于上升運動區(qū)，該區(qū)域以-20℃層高度為界，下方主要是云水粒子，上方主要是云冰粒子，而云水混合比的中心值小于0.1 g/kg表明了大氣整體干燥，這解釋了地面降水量為何僅有1.6 mm。而在-20℃層上方，是一個由冰相粒子組成的近飽和區(qū)，其內(nèi)有上升運動維持，雹胚在此將迅速增長，因而盡管本次過程發(fā)生前CAPE值為0，但仍有局地小冰雹降落。雹胚的主要增長區(qū)內(nèi)水相粒子含量很低，沒有足夠的過冷卻水供雹胚增長為大冰雹，而小冰雹在降落時不可避免地會出現(xiàn)融化，因而本次過程僅有局地出現(xiàn)小冰雹。

圖6 2021年4月15日16:00 38.7°N處溫度（紅色線條 ℃）、垂直速度（黑色線條 Pa/s）、云冰（藍(lán)色線條 g/kg）、云水（陰影 g/kg）和雨水（綠色線條 g/kg）的空間分布

4 小結(jié)

（1）低槽冷鋒系統(tǒng)自太行山東移進入冀中平原時，低層大氣中的短波合并加強，高空槽前、后的θse數(shù)值分別增大和減小，導(dǎo)致冷暖對比加大、鋒區(qū)強度增加。鋒區(qū)內(nèi)，大氣層結(jié)呈中性，空氣垂直運動處于無阻力也無浮力的狀態(tài)，低層擾動導(dǎo)致的上升運動得以穩(wěn)定維持并觸發(fā)了干對流。

（2）低層高空槽加強，導(dǎo)致槽后西北風(fēng)加速，迅速增大的低層垂直風(fēng)切變有利于風(fēng)暴的加強。相對濕度大于80%的區(qū)域位于上升氣流的邊緣、-10℃層之上，但云水含量不足0.1 g/kg，水汽含量低導(dǎo)致過程降水量較小。

（3）地面降水出現(xiàn)前，冷鋒已經(jīng)影響保定并導(dǎo)致了地面風(fēng)力加大。中層較大的水平風(fēng)速有利于干空氣被夾卷進入風(fēng)暴并加速下沉氣流內(nèi)的雨滴蒸發(fā)，冰雹融化和雨粒子蒸發(fā)等進一步加劇了下沖氣流與環(huán)境大氣之間的溫差。密度流疊加冷空氣大風(fēng)，共同導(dǎo)致了地面19.5 m/s的風(fēng)速。

（4）云中冰相粒子主要位于-10℃層上方， -10℃與-20℃層之間的云水配合上升氣流為雹胚的增長提供了有利環(huán)境條件，由于過冷卻水含量較低，雹胚僅能增長為小冰雹。部分雨粒子是由冰雹融化而來。