史一叢

（1.中國(guó)氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003； 2.河南省氣象臺(tái)，鄭州 450003）

強(qiáng)對(duì)流天氣的空間尺度小，發(fā)展迅速，生命周期短，天氣劇烈，常伴隨暴雨、大風(fēng)、冰雹、龍卷等天氣現(xiàn)象［1］，破壞性很強(qiáng)，是我國(guó)主要的災(zāi)害性天氣之一. 東北冷渦是大尺度的深厚環(huán)流系統(tǒng)，可以引導(dǎo)高緯的冷空氣南下，造成大范圍的災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣，對(duì)我國(guó)中東部的氣候有很大影響［2-4］. 目前，氣象研究中多采用鄭秀雅等［5］對(duì)東北冷渦的定義，即東北冷渦是500 hPa高度上115°～145°E，35°～60°N范圍內(nèi)出現(xiàn)閉合等高線，并有冷中心或冷槽相配合，持續(xù)3 d或以上的低壓環(huán)流系統(tǒng). Hu等［6］發(fā)現(xiàn)，東北冷渦的出現(xiàn)頻率和維持時(shí)間有明顯的季節(jié)周期. 謝作威和布和朝魯［7］研究發(fā)現(xiàn)，東北冷渦最易出現(xiàn)在大興安嶺的古利牙山和小興安嶺以北的黑河. 東北冷渦可相對(duì)穩(wěn)定地維持較長(zhǎng)時(shí)間，其后部不斷有冷空氣旋轉(zhuǎn)南下，會(huì)使東北、華北、華中等地區(qū)產(chǎn)生災(zāi)害性中尺度對(duì)流系統(tǒng)，誘發(fā)突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流天氣［8］.

由于冷渦背景下的強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)高空受西北氣流控制，天氣晴好，往往缺乏良好的水汽條件，但是會(huì)有很好的熱力條件，有明顯的不穩(wěn)定層結(jié)，因此可以把大氣層結(jié)穩(wěn)定度變化和后部冷空氣的滲透作為預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)［9］. 應(yīng)爽等［10］認(rèn)為，在東北冷渦不同階段其冷暖空氣的主導(dǎo)作用也不同，從而造成不同的水汽分布、不穩(wěn)定層結(jié)和觸發(fā)機(jī)制，衰減期的冷渦后部高空槽帶動(dòng)大范圍冷空氣南下，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴和冰雹天氣.

以東北冷渦為代表的高空冷渦是造成河南夏季強(qiáng)對(duì)流天氣的重要天氣系統(tǒng)，東北低渦往往并非河南強(qiáng)對(duì)流天氣的直接影響系統(tǒng)，而是間接提供了一個(gè)西北氣流背景. 張一平等［11］通過(guò)普查河南強(qiáng)對(duì)流天氣的歷史發(fā)現(xiàn)，40%的區(qū)域性強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生在東北低渦槽后型天氣形勢(shì)下. 蘇愛(ài)芳等［12］就一次冷渦背景下豫北強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行診斷，指出高空“上干下濕”層結(jié)結(jié)構(gòu)，高層冷平流、低層暖平流的垂直配置對(duì)制作強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)具有指示意義. 牛淑貞等［13］和張一平等［14］分別對(duì)冷渦形勢(shì)下的河南省強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例進(jìn)行了分析，特別關(guān)注了對(duì)流天氣發(fā)生的環(huán)境背景場(chǎng)、中尺度天氣特征和回波演變. 梁鈺等［15］對(duì)2004年6月中下旬鄭州地區(qū)3次比較典型的強(qiáng)對(duì)流天氣的高低空形勢(shì)、物理量場(chǎng)及雷達(dá)資料進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)冷渦位置在42°N以南且鄭州上游有較強(qiáng)冷平流侵入是鄭州地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的大尺度環(huán)流背景. 張一平等［16］統(tǒng)計(jì)了2008—2010年6月河南處于東北低渦槽后形勢(shì)下強(qiáng)對(duì)流天氣的相關(guān)物理量特征和閾值，總結(jié)了河南省此類(lèi)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境要素，歸納出其三維天氣系統(tǒng)要素配置和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn).

東北冷渦背景下，對(duì)流天氣過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)大多相似，但由于高低空溫壓濕配置不同導(dǎo)致對(duì)流天氣的現(xiàn)象和強(qiáng)度明顯不同，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)難度很大. 以往的研究多針對(duì)個(gè)別典型強(qiáng)對(duì)流天氣，很少涉及不同強(qiáng)度對(duì)流天氣特征的比較分析. 為了提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力，本研究選取近年?yáng)|北冷渦控制下不同對(duì)流強(qiáng)度的天氣過(guò)程，對(duì)比研究對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件，為對(duì)流天氣的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)提供依據(jù).

1 研究對(duì)象的篩選

1.1 對(duì)流天氣過(guò)程的選取標(biāo)準(zhǔn)

在研究相似大尺度環(huán)流背景下不同強(qiáng)度對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件和形成機(jī)制的過(guò)程中，為了控制變量，篩選2015—2017 年?yáng)|北冷渦背景下連續(xù)2 d 發(fā)生對(duì)流天氣且過(guò)程強(qiáng)度有明顯區(qū)別的個(gè)例，以保證在盡可能相似的大尺度環(huán)流背景下有2 d對(duì)流天氣的發(fā)生. 將出現(xiàn)10個(gè)縣（區(qū)）以上較大面積雷暴和10站次以上雷暴大風(fēng)或冰雹的過(guò)程定義為典型強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，其他小范圍雷暴或個(gè)別站出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的過(guò)程定義為弱對(duì)流天氣過(guò)程. 基于以上標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2015—2017 年?yáng)|北冷渦背景下河南對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行比較和篩選，選定3組共6個(gè)天氣過(guò)程：2015年8月21日弱對(duì)流天氣過(guò)程和2015年8月22日強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程、2016年6月12日弱對(duì)流天氣過(guò)程和2016年6月13日強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程、2017年7月9日弱對(duì)流天氣過(guò)程和2017年7月10日強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程.

1.2 天氣實(shí)況

2015年和2016年的4次對(duì)流和2017年7月9日的弱對(duì)流均發(fā)生在河南北中部，2017年7月10日的強(qiáng)對(duì)流發(fā)生在河南西部. 具體天氣過(guò)程實(shí)況見(jiàn)圖1.

圖1 6次對(duì)流天氣過(guò)程實(shí)況Fig.1 Six convective weather processes

3次弱對(duì)流過(guò)程中，2015年8月21日和2016年6月12日在河南北中部有零星對(duì)流活動(dòng)發(fā)展，2017年7月9日的弱對(duì)流出現(xiàn)在豫北地區(qū)，且局部伴有短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)，共觀測(cè)到出現(xiàn)了17 m/s以上的雷暴大風(fēng)2站次. 其中2016年6月12日和2017年7月9日上午，河南東南部受低槽影響有陣雨和雷陣雨，本文主要關(guān)注在冷渦后部西北氣流中產(chǎn)生的對(duì)流，因此只討論當(dāng)天夜間河南北部的雷暴.

3次強(qiáng)過(guò)程中，2015年8月22日的強(qiáng)對(duì)流主要發(fā)生在下午到夜里，北中部出現(xiàn)大范圍雷暴天氣，出現(xiàn)9站次雷暴大風(fēng)，最大瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)在輝縣，17：07 風(fēng)速達(dá)20 m/s；鄭州站16：34 出現(xiàn)冰雹，最大冰雹直徑9 mm.2016年6月13日強(qiáng)對(duì)流主要出現(xiàn)在13日夜里至14日上午，持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，本次過(guò)程最顯著的特征為極端雷暴大風(fēng)，當(dāng)天共在河南北中部出現(xiàn)13站次雷暴大風(fēng)，最大瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)在林州（32 m/s）. 2017年7月10日午后至11 日凌晨，豫西地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍雷暴過(guò)程，雷暴大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象明顯，部分地區(qū)伴有短時(shí)強(qiáng)降水，出現(xiàn)雷暴大風(fēng)17 站次，鎮(zhèn)平站最大瞬時(shí)風(fēng)力26 m/s；出現(xiàn)3 站次冰雹，其中欒川站冰雹直徑9 mm. 總體上3次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程均具有典型的風(fēng)雹型強(qiáng)對(duì)流特征.

2 東北冷渦背景下對(duì)流天氣形勢(shì)和環(huán)境條件

2.1 環(huán)流背景和天氣尺度系統(tǒng)

選取每次對(duì)流天氣過(guò)程發(fā)生前最后一個(gè)時(shí)次探空資料，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)它們的環(huán)流背景有明顯相似之處：一是東北地區(qū)有一低渦，配合有冷中心，低槽自低渦中心向南伸展，渦后西北氣流攜帶冷空氣南下，中高層有明顯冷平流；二是東北冷渦槽后冷平流活躍，容易形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，同時(shí)槽后的大風(fēng)速帶使得0～6 km的垂直風(fēng)切變加強(qiáng)，為雷暴的發(fā)展加強(qiáng)提供了有利的動(dòng)力條件，更容易產(chǎn)生高度組織化的強(qiáng)風(fēng)暴天氣.

由圖2可見(jiàn)3組對(duì)流天氣過(guò)程，同組強(qiáng)弱過(guò)程高空形勢(shì)非常接近. 2015年組對(duì)流過(guò)程500 hPa低渦位于東北地區(qū)，位置較穩(wěn)定，冷渦西側(cè)有橫槽，南側(cè)有低槽伸向我國(guó)東部，其后部至河套地區(qū)為西北氣流區(qū)，上游有冷平流；850 hPa和700 hPa河南均為偏北氣流控制，華北地區(qū)低層有切變線，整層相對(duì)較干. 2016年組對(duì)流過(guò)程500 hPa低渦位于東北地區(qū)，緩慢東北移，南側(cè)有低槽伸向渤海，進(jìn)而向南伸展至我國(guó)東部；6月13日相比6月12日低槽東移至沿海地區(qū)，其后部至我國(guó)西北地區(qū)均為西北氣流區(qū)，上游有冷平流；700 hPa河南均為偏北或西北氣流控制，高空槽前低層有切變；850 hPa山西和河北南部有弱切變，整層相對(duì)較干，但是低層濕度條件稍好. 2017 年組對(duì)流過(guò)程500 hPa 低渦位于東北地區(qū)西部，逐漸北移并減弱，南側(cè)有低槽向南伸展；7月10日相比7月9日低槽略有東移，低槽后部均為西北氣流區(qū)，上游有冷平流，特別是7月10日500 hPa冷槽較為明顯，對(duì)流層中高層均為偏北或西北氣流控制；850 hPa 華北南部有暖脊，有上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，但整層濕度條件一般.

圖2 6次對(duì)流天氣的高空分析綜合圖Fig.2 Upper-air analysis map of six convective weather processes

比較幾次對(duì)流發(fā)生的環(huán)境條件，提取歸納共同點(diǎn)繪制東北冷渦背景下對(duì)流天氣高空形勢(shì)模型概念圖（圖3），500 hPa 低渦位于東北地區(qū)，低槽伸至我國(guó)東部，其后部為較強(qiáng)西北氣流區(qū)，500 hPa 和700 hPa 大風(fēng)速軸自河套北部攜帶冷空氣影響河南，這一方面使河南高空更加干冷，加劇層結(jié)不穩(wěn)定，另一方面大風(fēng)速帶說(shuō)明有強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，加強(qiáng)了動(dòng)力不穩(wěn)定.850～500 hPa 溫度差大值中心說(shuō)明有強(qiáng)的垂直溫度梯度，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有出現(xiàn)對(duì)流天氣的潛勢(shì). 如果底層有南風(fēng)和濕舌向東北伸展，河南北部和中東部低層熱力條件將加強(qiáng)，有相對(duì)好的水汽條件.

圖3 東北冷渦背景下對(duì)流天氣高空形勢(shì)模型概念圖Fig.3 The conceptual model of severe convective weather under background of northeast cold vortex

2.2 單站探空資料分析

對(duì)比6 次對(duì)流天氣發(fā)生前的臨近站點(diǎn)探空曲線（圖4）可以看到，由于同組強(qiáng)弱對(duì)流環(huán)境背景場(chǎng)相似，因此在整層風(fēng)廓線上較為接近. 更值得關(guān)注的是強(qiáng)弱過(guò)程之間探空曲線的區(qū)別：3 次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程明顯較3 次弱對(duì)流天氣過(guò)程的有效位能（CAPE）形態(tài)寬而高，強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程CAPE 均在2000 J/kg 以上. 強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程在探空曲線上有很多共同點(diǎn)，可以把2016年6月13日20時(shí)鄭州探空曲線作為東北冷渦背景下強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的一個(gè)典型探空曲線，反映了3 次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程探空的很多共性特征：高空為西北氣流控制，低層為弱的偏西風(fēng)或偏南風(fēng)；整層相對(duì)較干，只在底層水汽條件稍好，低層有淺薄濕層，而中層有明顯干層，濕層以上相對(duì)濕度快速下降，中層干層清晰且邊界相對(duì)明顯；2 km 以下的環(huán)境溫度廓線接近干絕熱線，大氣層結(jié)非常不穩(wěn)定，自由對(duì)流高度低于700 hPa，500～850 hPa溫度差超過(guò)30 ℃，CAPE 在2000 J/kg 以上且存在一定對(duì)流抑制，為后期能量的持續(xù)積累和爆發(fā)提供了有利條件；同時(shí)0 ℃線和-20 ℃層基本位于600 hPa 和400 hPa，探空顯示出很強(qiáng)的對(duì)流潛勢(shì)，有利于風(fēng)雹天氣的發(fā)生發(fā)展.

需要特別說(shuō)明的是2017 年兩次對(duì)流天氣過(guò)程由于前期降水導(dǎo)致地面高濕，因此近地面探空需要進(jìn)行訂正. 由圖5 可以看到，2017 年7 月10 日14 時(shí)，鄭州CAPE 高達(dá)3130 J/kg，似乎顯示出很強(qiáng)的對(duì)流潛勢(shì)，但是近地面附近露點(diǎn)溫度隨高度快速下降，最底層987 hPa 處探空記錄氣溫35 ℃、露點(diǎn)24 ℃，溫度露點(diǎn)差11 ℃，而次底層981 hPa 處氣溫34 ℃、露點(diǎn)14 ℃，溫度露點(diǎn)差達(dá)到20 ℃，相差6 hPa 的兩個(gè)氣層之間氣溫僅相差1 ℃，而露點(diǎn)溫度卻急劇下降10 ℃，這說(shuō)明近地面層湍流交換明顯，近地面層大氣的露點(diǎn)由于地面蒸發(fā)等作用顯著偏高. 王秀明等［17］的統(tǒng)計(jì)表明：抬升氣塊的溫度每升高1 ℃，CAPE 值平均增加200 J/kg；露點(diǎn)增加1 ℃，CAPE 值平均增加500 J/kg，變化范圍從0～1000 J/kg 存在較大變率. 由于CAPE 值的計(jì)算對(duì)于大氣底層溫度和濕度十分敏感，鄭州站探空底層露點(diǎn)受地面蒸發(fā)等影響異常偏高，不能反映大氣底層的真實(shí)情況. 為了使計(jì)算的CAPE 更能反映實(shí)際對(duì)流能量，應(yīng)合理估計(jì)大氣底層在排除地面蒸發(fā)等干擾后具有的露點(diǎn)值. 因此使用次底層的露點(diǎn)14 ℃替換了地面露點(diǎn)對(duì)鄭州站探空進(jìn)行修正. 修正后的CAPE 僅為406 J/kg，已經(jīng)和對(duì)流抑制（CIN）處于同一數(shù)量級(jí)，且在891～877 hPa 之間存在逆溫，自底層抬升的氣塊實(shí)際上難以獲得繼續(xù)上升的能量，因此鄭州站所代表的河南北中部地區(qū)實(shí)際上大氣層結(jié)并不利于對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展，當(dāng)日鄭州也無(wú)對(duì)流發(fā)生. 2017 年7 月9 日20 時(shí)鄭州站探空情況與之類(lèi)似，在圖4 中進(jìn)行了訂正. 由此可以看出，在對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中要特別注意整層探空資料的應(yīng)用. 由于對(duì)流參數(shù)的計(jì)算中可能過(guò)于依賴(lài)某個(gè)指定層或某個(gè)要素的探空結(jié)果，而這些探空結(jié)果由于觀測(cè)誤差、湍流交換或者是已經(jīng)出現(xiàn)降水和對(duì)流，使得探空數(shù)據(jù)遭到污染等種種原因，會(huì)使計(jì)算出的對(duì)流參數(shù)結(jié)果偏離其設(shè)計(jì)時(shí)所代表的物理意義，單純使用某一對(duì)流參數(shù)不能很好地反映實(shí)際對(duì)流潛勢(shì)，從而給對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)造成干擾.

圖4 對(duì)流天氣發(fā)生前臨近站點(diǎn)的探空曲線Fig.4 The sounding curves of the adjacent sites before convective weather

圖5 2017年組對(duì)流過(guò)程鄭州站探空曲線Fig.5 Air sounding curve of Zhengzhou station

2.3 對(duì)流參數(shù)分析

表1 選取6 次過(guò)程中對(duì)流發(fā)生前最后一個(gè)時(shí)次距離對(duì)流發(fā)生區(qū)域最近探空站的各項(xiàng)對(duì)流參數(shù)進(jìn)行對(duì)比：3 次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程和3 次弱對(duì)流天氣過(guò)程大氣層結(jié)最顯著的特征就是對(duì)流CAPE 顯著差異. 表1 中2017年7月9日鄭州站的CAPE 根據(jù)上面的討論進(jìn)行了訂正，強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的CAPE 均在2000 J/kg以上，而弱對(duì)流天氣過(guò)程的CAPE均小于1000 J/kg. CAPE指標(biāo)對(duì)于對(duì)流發(fā)生區(qū)域有較好的指示作用，特別是較弱對(duì)流過(guò)程中對(duì)流發(fā)生區(qū)域均為CAPE的相對(duì)大值區(qū). T85為850～500 hPa溫差，強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中整層溫度遞減率較大，T85均在30 ℃以上，表明有明顯的上冷下暖不穩(wěn)定層結(jié). 以上兩個(gè)指數(shù)經(jīng)檢驗(yàn)對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)效果較好，這也符合東北冷渦槽后型對(duì)流天氣的特點(diǎn)，高層明顯的西北氣流使得高空干冷，同時(shí)天氣晴好，地面和低層輻射加熱明顯，形成不穩(wěn)定層結(jié).

表1 對(duì)流過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Convection parameters of each process

沙氏指數(shù)（SI）強(qiáng)、弱兩類(lèi)對(duì)流過(guò)程的取值范圍分別為-5.31～0.31 和0.5～3.19，強(qiáng)弱對(duì)流過(guò)程差異不夠顯著，可以看到較大的負(fù)值和較大的正值分別對(duì)應(yīng)強(qiáng)弱對(duì)流過(guò)程，但是具體的參考值域強(qiáng)弱過(guò)程分界不清晰. Q925 和Q850 分別為925 hPa 和850 hPa 比濕，2016 年和2017 年的對(duì)流過(guò)程相對(duì)比較典型，強(qiáng)對(duì)流過(guò)程比濕明顯大于弱對(duì)流過(guò)程，但是2015 年的過(guò)程不符合經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，整體來(lái)看Q925 達(dá)到10 g/kg 以上時(shí)，低層有一定水汽條件，易發(fā)生大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣. 類(lèi)似的還有基于經(jīng)驗(yàn)的強(qiáng)對(duì)流威脅指標(biāo)SWEAT 指數(shù)，SWEAT 在2016 年和2017 年的兩組對(duì)流過(guò)程應(yīng)用效果較好，強(qiáng)對(duì)流過(guò)程指數(shù)分別為395 和405，弱對(duì)流過(guò)程指數(shù)分別為143 和165，可在實(shí)際預(yù)報(bào)中作為輔助參考. 最有利抬升指數(shù)（BLI）在強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中數(shù)值大于同一組的弱過(guò)程，在預(yù)報(bào)上有一定的指示意義，但是強(qiáng)弱兩類(lèi)對(duì)流過(guò)程的取值范圍為-0.2～5.9和4～10.7，中間范圍有重疊，難以給出確定的判別指標(biāo). 干球0 ℃層高度（H0）和零下20 ℃層高度（H20）數(shù)值分別在4.2～5.0 km和7.3～8.4 km，稍微偏高，當(dāng)有較大的CAPE時(shí)可有小冰雹. 對(duì)流抑制（CIN）除2017年7月9日弱過(guò)程因露點(diǎn)訂正原因外，均為200 J/kg上下. K指數(shù)（KI）是一個(gè)綜合性指數(shù)，不僅表征了大氣層結(jié)的不穩(wěn)定程度，也反映了中低層的濕度，6次對(duì)流天氣過(guò)程中反映氣團(tuán)指標(biāo)的K指數(shù)都不是很大（23～31 ℃）. 實(shí)際上由于東北冷渦后部的西北氣流下空氣干冷、溫度露點(diǎn)差大，K指數(shù)對(duì)于這種較干環(huán)境下的對(duì)流強(qiáng)弱指示性不好.

2.4 地面要素分析

對(duì)比6次對(duì)流天氣過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，在東北冷渦背景下，雷暴基本上出現(xiàn)在日最高氣溫33 ℃以上區(qū)域（圖略），但并不是所有在此背景下地面溫度大于33 ℃的區(qū)域都有對(duì)流天氣形成. 此外，對(duì)流發(fā)生區(qū)域的地面均為南風(fēng)或東南風(fēng)，有利于底層增溫增濕，但是3次弱對(duì)流和3次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程在地面要素上分類(lèi)區(qū)別不夠顯著，溫度和露點(diǎn)取值范圍重疊.

相比地面要素的絕對(duì)值，要素的變化更有意義. 以2016年組為例，對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)間均為22時(shí)以后，地面參數(shù)對(duì)比可以較好地排除日變化的影響. 2016年6月12日20時(shí)，河南北部氣溫27～28 ℃、露點(diǎn)16～20 ℃；13日20時(shí)氣溫29～31 ℃、露點(diǎn)19～22 ℃. 特別是對(duì)流天氣發(fā)生前的12日23時(shí)，新鄉(xiāng)站氣溫26 ℃、露點(diǎn)19 ℃；13日23時(shí)氣溫30 ℃、露點(diǎn)20 ℃. 以此地面資料對(duì)當(dāng)日20時(shí)的鄭州站探空進(jìn)行訂正，可得到12日23時(shí)新鄉(xiāng)站CAPE為695 J/kg，而13日23時(shí)訂正CAPE高達(dá)1596 J/kg. 實(shí)際上因?yàn)?2日23時(shí)雷暴已經(jīng)靠近新鄉(xiāng)站，底層濕度已經(jīng)升高，由上文討論可知，此時(shí)計(jì)算的CAPE數(shù)值已經(jīng)偏高，因此12日和13日對(duì)流移近新鄉(xiāng)站時(shí)，發(fā)展形勢(shì)明顯不同：12日對(duì)流天氣缺乏繼續(xù)發(fā)展的對(duì)流能量，很快減弱消散；而13日對(duì)流天氣則能夠在這里繼續(xù)發(fā)展，生成新單體，強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)此地繼續(xù)東移. 各組強(qiáng)對(duì)流天氣相對(duì)于弱對(duì)流天氣高溫區(qū)域均明顯擴(kuò)大，時(shí)隔一天地面氣溫普遍有2～4 ℃升溫，同時(shí)伴有濕度增加. 因此，地面較前一天大范圍的顯著增暖增濕可以作為強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的輔助指標(biāo).

3 雷達(dá)回波演變特征

結(jié)合圖6 對(duì)流天氣過(guò)程雷達(dá)回波的演變，東北冷渦背景下一般對(duì)流和典型強(qiáng)對(duì)流天氣有一些共同點(diǎn)：①不管是強(qiáng)對(duì)流還是弱對(duì)流天氣，其回波的最大強(qiáng)度均較強(qiáng)，中心強(qiáng)度可超過(guò)50 dBz. ②對(duì)流均在下午到夜里出現(xiàn). ③對(duì)流基本是在高空氣流引導(dǎo)下向東南方向移動(dòng)，較少影響河南南部地區(qū).

圖6 對(duì)流過(guò)程的雷達(dá)組合反射率因子拼圖Fig.6 Radar combined reflectivity factors of convective weather processes

比較強(qiáng)對(duì)流天氣和弱對(duì)流天氣過(guò)程的雷達(dá)回波特征，可以發(fā)現(xiàn)一些顯著區(qū)別：①雖然強(qiáng)或弱對(duì)流天氣過(guò)程的回波中心強(qiáng)度都可以達(dá)到50 dBz以上，但弱對(duì)流天氣基本是孤立的塊狀回波或者松散的帶狀回波，而強(qiáng)對(duì)流天氣則會(huì)出現(xiàn)高度組織化的超級(jí)單體和颮線. ②在回波移動(dòng)和發(fā)展中，強(qiáng)對(duì)流天氣往往出現(xiàn)明顯的傳播現(xiàn)象，在回波主體的前方20～30 km處觸發(fā)新對(duì)流，這在弱對(duì)流天氣中較少出現(xiàn)，僅在2017年7月9日弱對(duì)流天氣過(guò)程中觀察到，且跟該次過(guò)程相對(duì)較強(qiáng)有關(guān). 強(qiáng)對(duì)流和弱對(duì)流天氣過(guò)程的回波在持續(xù)時(shí)間上有明顯差別：強(qiáng)對(duì)流天氣持續(xù)時(shí)間均超過(guò)7 h，甚至可以達(dá)到10 h以上，持續(xù)至次日上午；而弱對(duì)流天氣過(guò)程持續(xù)時(shí)間小于4 h. 強(qiáng)對(duì)流或弱對(duì)流天氣過(guò)程的回波移動(dòng)特征也有區(qū)別：強(qiáng)對(duì)流天氣在平原地區(qū)回波移速可達(dá)到40～50 km/h，弱對(duì)流天氣回波往往移速較慢，常在30 km/h以下，甚至原地生消，最快的2017年7月9日弱對(duì)流天氣過(guò)程接近40 km/h，此次過(guò)程出現(xiàn)了兩站雷暴大風(fēng)，比另兩個(gè)弱對(duì)流天氣過(guò)程更強(qiáng).

3次強(qiáng)對(duì)流天氣的回波均自山西南部移入或傳播進(jìn)入河南西部和北部. 強(qiáng)對(duì)流天氣回波往往是在山西南部或河南西部山區(qū)生成，隨后逐漸加強(qiáng)，在高空西北氣流引導(dǎo)下向東南方向移動(dòng). 山西南部和河南西部是東北低渦背景下河南強(qiáng)對(duì)流天氣的關(guān)鍵區(qū)，其對(duì)流回波向東南方向移出山區(qū)進(jìn)入對(duì)流潛勢(shì)較好的平原地區(qū)后將快速增強(qiáng). 觀測(cè)到對(duì)流回波自關(guān)鍵區(qū)進(jìn)入河南省后迅速加強(qiáng)并組織化，以40 km/h以上速度快速移動(dòng)，即預(yù)示將帶來(lái)區(qū)域雷雨大風(fēng)、冰雹、局地強(qiáng)降水等災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣，須及時(shí)發(fā)布相關(guān)預(yù)警.

4 觸發(fā)條件討論

分析對(duì)流天氣的觸發(fā)條件，由表2可知，6次對(duì)流天氣過(guò)程中有4次對(duì)流回波是從河南省外移入，雷暴冷池出流觸發(fā)對(duì)流，其發(fā)生時(shí)間的預(yù)報(bào)依賴(lài)于河南省外回波演變的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，目前仍依賴(lài)中尺度數(shù)值模式預(yù)報(bào)或者對(duì)已出現(xiàn)的回波進(jìn)行外推預(yù)報(bào). 還有兩個(gè)對(duì)流天氣過(guò)程分別是2015年8月21日的弱對(duì)流和2017年7月10日的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程. 2015年8月21日鶴壁和鄭州西部分別有地面輻合線和嵩山地形強(qiáng)迫抬升觸發(fā)的小塊回波發(fā)展. 2017年7月10日的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程在雷達(dá)拼圖上雖然可以看到有大量回波在山西南部發(fā)展并向東南方向移動(dòng)，看似仍然是一次由省外回波移入的過(guò)程，但仔細(xì)分析每個(gè)對(duì)流單體的移動(dòng)和發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，山西南部對(duì)流單體實(shí)際是在與河南省交界處的山區(qū)減弱消散，同時(shí)河南西部地區(qū)有回波在本地生成發(fā)展，兩者之間有一定距離. 同時(shí)，由于太行山地形的阻隔，冷池出流應(yīng)當(dāng)無(wú)法自山西進(jìn)入河南觸發(fā)對(duì)流. 這種現(xiàn)象的可能解釋是中低層有弱切變線自山西南部南壓進(jìn)入河南西部觸發(fā)對(duì)流，這種很弱的波動(dòng)目前還很難在數(shù)值模式中反映出來(lái).

表2 雷達(dá)特征對(duì)比Tab.2 Radar feature comparison of convective weather cases

從以上對(duì)于對(duì)流觸發(fā)的討論可以看到，目前對(duì)于河南省東北冷渦背景下對(duì)流天氣落區(qū)和時(shí)間的預(yù)報(bào)仍然有較大困難，不論數(shù)值模式還是地面分析，要在河南省內(nèi)對(duì)流出現(xiàn)前準(zhǔn)確抓住中尺度甚至小尺度的輻合線和切變線仍然具有挑戰(zhàn)性.

5 結(jié)論和討論

1）所有對(duì)流天氣過(guò)程均發(fā)生在午后到夜里，其中3次較強(qiáng)對(duì)流天氣均有較大范圍雷電和雷暴大風(fēng)天氣，同時(shí)多有小冰雹；東北冷渦背景下對(duì)流天氣高空形勢(shì)為500 hPa低渦位于東北地區(qū)，低槽伸至我國(guó)東部，其后部為較強(qiáng)西北氣流區(qū)，500 hPa和700 hPa大風(fēng)速軸自河套北部攜帶冷空氣影響河南；850 hPa和500 hPa間有強(qiáng)的垂直溫度梯度，中層有明顯干區(qū)，有出現(xiàn)對(duì)流天氣的潛勢(shì).

2）3次強(qiáng)對(duì)流天氣明顯較3次弱對(duì)流天氣的CAPE形態(tài)寬而高. 3次強(qiáng)對(duì)流天氣探空共性特征包括：①高空為西北氣流控制，低層為弱的偏西風(fēng)或偏南風(fēng). ②整層相對(duì)較干，只在低層有淺薄濕層，而中層有明顯干層，濕層以上相對(duì)濕度快速下降，中層干層清晰且邊界相對(duì)明顯. ③2 km以下的環(huán)境溫度廓線接近干絕熱線，大氣層結(jié)非常不穩(wěn)定，自由對(duì)流高度低于700 hPa，同時(shí)0 ℃線和-20 ℃層基本位于600 hPa和400 hPa.

3）3次強(qiáng)對(duì)流天氣和3次較弱對(duì)流天氣的大氣層結(jié)最顯著區(qū)別為對(duì)流CAPE的顯著差異，強(qiáng)對(duì)流天氣的CAPE 均在2000 J/kg 以上，而3次弱對(duì)流天氣的CAPE 均小于1000 J/kg. CAPE 指標(biāo)對(duì)于對(duì)流發(fā)生區(qū)域有較好的指示作用，弱對(duì)流天氣對(duì)流發(fā)生區(qū)域均為CAPE 的相對(duì)大值區(qū)，3 次強(qiáng)對(duì)流天氣的T85 均在30 ℃以上.以上兩個(gè)指數(shù)經(jīng)檢驗(yàn)對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)效果較好，但應(yīng)注意訂正探空底層溫濕度受地面影響可能造成的CAPE異常大值. 其他可輔助判斷的強(qiáng)對(duì)流參數(shù)閾值有：SI≤0，SWEAT≥180，925 hPa比濕≥10 g/kg.

4）對(duì)流天氣基本出現(xiàn)在日最高氣溫33 ℃以上區(qū)域，地面均為南風(fēng)或東南風(fēng)，有利于底層增溫增濕. 3次強(qiáng)對(duì)流天氣的地面溫度均較3次弱對(duì)流天氣的地面溫度高2～4 ℃，同時(shí)伴有露點(diǎn)升高，有利于出現(xiàn)較強(qiáng)對(duì)流天氣.

5）弱對(duì)流天氣的雷達(dá)回波基本呈孤立的塊狀或者松散的帶狀，移速較慢，常在30 km/h以下，甚至原地生消. 強(qiáng)對(duì)流天氣則會(huì)出現(xiàn)高度組織化的超級(jí)單體和颮線，平原地區(qū)雷達(dá)回波移速達(dá)到40～50 km/h. 山西南部和河南西部是東北低渦背景下強(qiáng)對(duì)流天氣的關(guān)鍵區(qū)，該區(qū)的對(duì)流回波向東南方向移出山區(qū)并進(jìn)入對(duì)流潛勢(shì)較好的平原地區(qū)后將快速增強(qiáng). 對(duì)流回波進(jìn)入河南省后迅速加強(qiáng)并組織化，以40 km/h以上速度快速移動(dòng)，即預(yù)示將出現(xiàn)區(qū)域性雷雨大風(fēng)、冰雹和局地強(qiáng)降水等災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣.