高振澤，王健博，田 野，宋廣祿，徐維森

1.長(zhǎng)?？h氣象局，遼寧長(zhǎng)海 116500；2.吉林省遼源市氣象局，吉林遼源 136200；3.大連市氣象裝備保障中心，遼寧大連 116001；4.臺(tái)安縣氣象局，遼寧臺(tái)安 114100

深厚的高空冷渦是產(chǎn)生超級(jí)單體的主要環(huán)流背景。在冷渦槽后干冷氣流影響下，中高層干冷、低層暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生提供了有利的熱、動(dòng)力條件[1]。從冰雹的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，探討短時(shí)間內(nèi)形成大冰雹的天氣系統(tǒng)、深厚的高空冷渦對(duì)冰雹形成的重要作用，中高層（-20℃層高度以上）冷空氣侵入對(duì)產(chǎn)生冰雹的作用、對(duì)流性不穩(wěn)定能量和對(duì)流有效位能反映大氣熱力不穩(wěn)定的能量等。

1 過程概況

2020年6月25日15:00，保 定7縣、北京昌平、滄州5縣先后遭遇風(fēng)雹災(zāi)害；冰雹最大直徑3.5 cm，并伴有10級(jí)雷暴大風(fēng)；保定和滄州地區(qū)分別有8 000多輛汽車被砸，損失慘重。25日21:00，又一強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴橫掃北京、廊坊、天津部分地區(qū)。北京大興冰雹最大直徑達(dá)到5.0 cm，瞬時(shí)風(fēng)力達(dá)到了12級(jí)。廊坊最大風(fēng)速達(dá)28.5 m/s（11級(jí)）。天津西青區(qū)受災(zāi)最嚴(yán)重，最大風(fēng)力出現(xiàn)在張家窩鎮(zhèn)，極大風(fēng)力達(dá)13級(jí)，風(fēng)速達(dá)到41.4 m/s（圖1）。

圖1 6月25日風(fēng)雹所經(jīng)過地區(qū)的極大風(fēng)、1 h雨強(qiáng)（a）及塘沽雷達(dá)間隔為30 min的雷達(dá)拼圖（b）

2 環(huán)流形勢(shì)背景

2.1 高空環(huán)流形勢(shì)分析

從6月25日08:00（以下均為北京時(shí)間）200 hPa的環(huán)流分析來看，我國(guó)北部地區(qū)處于深厚的蒙古氣旋環(huán)流中，槽線底部南伸到長(zhǎng)江流域，說明蒙古冷渦十分深厚，影響范圍極廣（圖2a）。槽線位于呼和、太原、鄭州一線。急流軸線位于黃河流域，最大風(fēng)速達(dá)到58 m/s。20時(shí)300 hPa環(huán)流形勢(shì)，槽線已移到樂亭、青島一線，溫度槽落后于高度槽，槽后有冷平流，京津冀地區(qū)位于急流軸的左側(cè)（圖2b）。

6月25日08:00 500 hPa南支槽線在北京、濟(jì)南、徐州一線；850 hPa 、700 hPa南支槽線已經(jīng)移到大連、煙臺(tái)一線。北支槽自700~500 hPa基本重合（受冷渦影響的是北支槽），均位于呼和、太原一線；850 hPa在呼和、太原之間有一切變線。

2.2 地面形勢(shì)分析

25日11:00地面鋒面氣旋位于內(nèi)蒙古中部二連浩特與呼和之間，在山西大同、原平一線有一地面輻合線（黑色斷線），對(duì)流云團(tuán)觸發(fā)于該地面輻合線附近（圖2c）。

圖2 2020年6月25日08:00 200 hPa（a）、20:00 300 hPa高空?qǐng)D（b）、11:00地面圖（c）

3 熱力和動(dòng)力不穩(wěn)定能量分析

3.1 深厚垂直次級(jí)環(huán)流的建立、動(dòng)量下傳垂直風(fēng)切變不斷增大

2020年6月24日08:00~25日20:00有關(guān)探空站垂直風(fēng)場(chǎng)演變可以看出： 25日08:00， 400 hPa以上高空槽均已過呼和浩特、太原；300 hPa槽線已經(jīng)移過邢臺(tái)；此時(shí)北京400 hPa以上為槽前西南氣流，中層700~400 hPa為西北氣流，風(fēng)速在9 m/s以下，925~800 hPa均為西南暖濕氣流，近地面層為東南氣流（圖3）。20:00，北京高空650 hPa以上均轉(zhuǎn)為西北氣流，中層風(fēng)速明顯增大，600~400 hPa風(fēng)速達(dá)到20 m/s以上，而300 hPa以上風(fēng)速明顯減小，表明高空動(dòng)量下傳至中層；此時(shí)700 hPa由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)速卻減小至4 m/s，暖濕氣流進(jìn)一步增厚；近地層?xùn)|南氣流進(jìn)一步增厚、增強(qiáng)，已達(dá)到925 hPa，風(fēng)速達(dá)到8~9 m/s（低層紅色圓圈處）；950~850 hPa、700 hPa、600 hPa、500 hPa的風(fēng)矢量差分別為11、10、27、31 m/s，達(dá)到強(qiáng)垂直風(fēng)切變。此時(shí)300 hPa槽線已過樂亭。從高層槽的移動(dòng)速度看出，降雹時(shí)高空形成近地層為東南、低層為西南暖濕氣流，中高層為西北干冷氣流的深厚垂直環(huán)流，這種下暖濕上干冷的熱力不穩(wěn)定層結(jié)，加之強(qiáng)烈的深層垂直風(fēng)切變，極易產(chǎn)生冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。

圖3 2020年6月24日08:00~25日20:00有關(guān)探空站風(fēng)場(chǎng)

3.2 西部山區(qū)地形對(duì)初始對(duì)流云團(tuán)的觸發(fā)作用

從6月25日12:00地面1 h極大風(fēng)和雷達(dá)回波看，在山西東部、河北北部、北京西北部山區(qū)有一東北西南向的地面輻合線，輻合線左側(cè)為東北、西北風(fēng)，其右側(cè)為東南風(fēng)；由于下墊面受熱不均勻，山區(qū)的氣溫上升較快，海拔高度在900 m以上的廣靈、蔚縣氣溫達(dá)到29℃左右，而比平原地區(qū)上空同一海拔高度的溫度高出10℃以上（圖4a）。這就極大地增加了山區(qū)上空的垂直溫度遞減率，使山區(qū)上空熱力不穩(wěn)定能量迅速增大。加之西部山區(qū)以東的華北平原盛行強(qiáng)盛的東南風(fēng)，在山區(qū)迎風(fēng)坡抬升的動(dòng)力作用下，12:00在輻合線附近觸發(fā)了對(duì)流云團(tuán)，然后在東移的過程中迅速發(fā)展，造成25日下午保定、北京、滄州部分地區(qū)的風(fēng)雹災(zāi)害。19:00，除了中部輻合線略有南壓外，山西東部、北京西北部的輻合線基本未動(dòng)（圖4b）。對(duì)流云團(tuán)又是在西部山區(qū)地面輻合線附近觸發(fā)，然后向東南移動(dòng)并迅速發(fā)展，形成25日晚上的風(fēng)雹災(zāi)害；至于對(duì)流云團(tuán)的形成是否與高層槽過境和動(dòng)量下傳有關(guān)，還有待研究。

圖4 6月25日12:00和19:00加密觀測(cè)站1 h極大風(fēng)、多普勒反射率因子

3.3 對(duì)流有效位能與對(duì)流性不穩(wěn)定能量

對(duì)于氣塊而言，不論是干絕熱還是濕絕熱過程，假相當(dāng)位溫θse都是保守的。在v-3θ圖上，以低層最大的θse點(diǎn)作平行于Y軸的直線，該直線與飽和假相當(dāng)位溫θse曲線所圍成的面積（粉色區(qū)域）為對(duì)流有效位能CAPE（圖5）[2]。該直線與θse曲線所圍成的面積（粉色+黃色），稱為對(duì)流性不穩(wěn)定能量。因?yàn)棣萻e曲線代表了整層大氣的溫、壓、濕狀況，它更能代表環(huán)境大氣的熱力不穩(wěn)定特征；而CAPE只考慮了抬升氣塊的溫濕狀況，而與抬升氣塊之上的環(huán)境大氣水汽條件無(wú)關(guān)，這顯然不切實(shí)際。北京08:00（圖5a）、15:00（圖5b）、20:00（圖5c）對(duì)流有效位能分別為：826、2 360、1 073 J/kg，最大上升速度分別為：40、68.7、46.5 m/s；而對(duì)應(yīng)的對(duì)流性不穩(wěn)定能量分別為：1 650、3 540、1 600 J/kg，最大上升速度分別為：57.5、83.5、56.5 m/s。而實(shí)際最大上升氣流最多為上述理想值的50%。此次風(fēng)雹災(zāi)害冰雹的最大直徑達(dá)到5 cm，可見用對(duì)流性不穩(wěn)定能量計(jì)算得到的最大上升速度更切合實(shí)際。

圖5 6月25日北京08:00（a）、15:00（b）、20:00（c）對(duì)流性不穩(wěn)定能量圖

3.4 高層大的垂直溫度遞減率對(duì)冰雹的作用

由于冰雹的形成過程在對(duì)流層中高層，并且在短時(shí)間內(nèi)成長(zhǎng)為大冰雹。這就要求對(duì)流層中高層必須具備2個(gè)必要條件：（1）強(qiáng)烈且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的上升氣流。（2）冰雹只有在低溫的環(huán)境中短時(shí)間內(nèi)才能形成“速凍”，這也是常被大家忽略而又十分重要的條件。吳劍坤等[3]指出，50 dBz最大高度越高，冰雹直徑越大。歐陽(yáng)首承等[4]指出，冰雹只有在低溫的環(huán)境中短時(shí)間內(nèi)形成“速凍”，才有利于冰雹的成長(zhǎng)，不會(huì)在冰雹下降過程中融化。上述文獻(xiàn)說明了冰雹在形成過程中，其上升高度越高，環(huán)境溫度越低，冰雹才能實(shí)現(xiàn)“速凍”和增長(zhǎng)。這就要求對(duì)流層中高層有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)作為支撐，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是依靠熱浮力來實(shí)現(xiàn)的；浮力的大小是由垂直溫度遞減率決定的，可見對(duì)于大的冰雹（冰雹直徑≥2 cm）要求中高層（-20℃層以上），溫度垂直遞減率要大。筆者曾統(tǒng)計(jì)了我國(guó)84個(gè)大冰雹個(gè)例，在對(duì)流層頂以下-20℃高度層以上，均存在一個(gè)垂直溫度遞減率＞0.8℃/100 m的層次（平均達(dá)到0.89℃/100 m），對(duì)大冰雹的形成起到至關(guān)重要的作用，而0℃~20℃層的垂直溫度遞減率要小得多（平均為0.68℃/100 m）。25日08:00，429~373 hPa高度層垂直溫度遞減率達(dá)到0.94℃/100 m；0℃~20℃層的垂直溫度遞減率為0.66℃/100 m（圖6a）。25日20:00，463~384 hPa高度層垂直溫度遞減率為0.9℃/100 m，0℃~20℃層之間的垂直溫度遞減率為0.67℃/100 m（圖6c）。此次風(fēng)雹災(zāi)害的強(qiáng)回波在-30℃高度層左右，與-20℃高度層以上大的垂直溫度遞減率的高度基本一致。

圖6 6月25日08:00北京（a）、15:00肅寧（b）、20:00北京（c）T-lnP圖

4 結(jié)論與討論

（1）高空冷渦（蒙古冷渦、東北冷渦）是“6·25”京津冀地區(qū)罕見大冰雹的重要環(huán)流背景。

（2）“速凍”是產(chǎn)生大冰雹的必要條件，在-20℃層高度以上平衡高度以下，存在垂直溫度遞減率大于0.8℃/100 m的層次，遠(yuǎn)大于0℃~-20℃高度層之間的垂直溫度遞減率。上干冷（高層一致的西北風(fēng)）下暖濕（近地面層?xùn)|南、低層西南風(fēng)）的垂直環(huán)流形勢(shì)，使動(dòng)量迅速下傳，增加大氣水平渦度（垂直風(fēng)切變），以及對(duì)流性不穩(wěn)定能量，是風(fēng)雹產(chǎn)生的重要條件。對(duì)流性不穩(wěn)定能量更能反映環(huán)境大氣的熱力不穩(wěn)定特征。在暖區(qū)強(qiáng)對(duì)流中，山區(qū)迎風(fēng)坡的動(dòng)力抬升和地面輻合線是強(qiáng)對(duì)流的主要觸發(fā)機(jī)制。

（3）風(fēng)雹的移動(dòng)方向具有直線型的特征，與300 hPa高空風(fēng)的方向基本一致，對(duì)于高質(zhì)心的云來說，引導(dǎo)氣流偏高。