王志超，丁和悅，王亞婷，常 適

(保定市氣象局，河北 保定 071000)

冰雹是影響較大的災(zāi)害性天氣之一，往往會(huì)給經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大損失，由于其時(shí)空尺度小，突發(fā)性、局地性強(qiáng)等特點(diǎn)，給預(yù)報(bào)預(yù)警工作造成很大的困難，一直是天氣業(yè)務(wù)實(shí)際工作中的難點(diǎn)。近年來(lái)，有關(guān)冰雹形成機(jī)制的研究也取得了不少成果。藍(lán)渝等[1]給出了華北地區(qū)冰雹的天氣分型及云型特征。馬鴻青等[2]統(tǒng)計(jì)了保定地區(qū)冰雹的氣候?qū)W特征并分析了典型冰雹日常用物理量參數(shù)的閾值。張南等[3]研究表明，高空冷渦東南象限中“上干冷下暖濕”的不穩(wěn)定區(qū)域是強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn)的潛勢(shì)區(qū)，干冷空氣入侵和邊界層輻合線(xiàn)是河北中南部地區(qū)對(duì)流的觸發(fā)條件。李曉霞等[4]認(rèn)為中尺度輻合線(xiàn)和干線(xiàn)也是冰雹天氣的觸發(fā)機(jī)制。高賓永等[5]研究指出大冰雹均出現(xiàn)在高空能量鋒區(qū)以?xún)?nèi)，落區(qū)在低層濕有效能量平流正值中心附近。王在文等[6]認(rèn)為能量鋒、大氣的斜壓性和層結(jié)的條件對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定激發(fā)了濕有效能量釋放，導(dǎo)致對(duì)流不穩(wěn)定天氣的出現(xiàn)。隨著多普勒天氣雷達(dá)資料的廣泛應(yīng)用，加深了對(duì)中小尺度對(duì)流風(fēng)暴的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也得出了一些有助于冰雹短臨預(yù)警的指標(biāo)，湯興芝等[7]指出當(dāng)強(qiáng)回波高度達(dá)到7.6 km時(shí)預(yù)示有冰雹出現(xiàn)，其臨界成功指數(shù)達(dá)86%，強(qiáng)中心回波頂高躍增現(xiàn)象有助于提前進(jìn)行冰雹預(yù)警。趙海軍等[8]通過(guò)分析臨沂地區(qū)冰雹天氣的預(yù)警參數(shù)和指標(biāo)后發(fā)現(xiàn)大部分地面開(kāi)始降雹都是在C-VIL躍增后2～3個(gè)體掃和強(qiáng)反射率因子核心快速下降之時(shí)，這兩個(gè)特征對(duì)于冰雹預(yù)警的發(fā)布具有10 min～20 min的時(shí)間提前量。

2020年6月25日午后保定地區(qū)出現(xiàn)冰雹天氣，筆者利用常規(guī)觀測(cè)資料、ERA5再分析資料等，從天氣形勢(shì)、物理量診斷、衛(wèi)星雷達(dá)資料分析等角度進(jìn)行診斷分析，以期揭示此次致災(zāi)冰雹天氣形成的原因，為以后該類(lèi)天氣過(guò)程預(yù)報(bào)提供指示和參考。

1 天氣實(shí)況與災(zāi)情

2020年6月25日13—21時(shí)，受華北冷渦系統(tǒng)的影響，河北中部的保定、滄州等地出現(xiàn)了大范圍的冰雹天氣，同時(shí)伴有強(qiáng)雷電、大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)。冰雹路徑呈西北—東南走向，主要出現(xiàn)在淶源、易縣、滿(mǎn)城、保定、肅寧、東光等地，其中肅寧冰雹最大直徑3.5 cm。統(tǒng)計(jì)顯示，河北中部共有16個(gè)自動(dòng)氣象站出現(xiàn)8級(jí)以上短時(shí)大風(fēng)，其中獻(xiàn)縣小河氣象站最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)24.7 m/s。與冰雹天氣伴隨雨帶也為西北—東南走向，降水過(guò)程持續(xù)時(shí)間短、移速快，但降雨強(qiáng)度大，蠡縣桑園鎮(zhèn)最大小時(shí)雨強(qiáng)34.3 mm，5 min最大降水達(dá)12.8 mm。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，此次雷雨大風(fēng)和冰雹災(zāi)害造成保定市所轄7個(gè)縣(區(qū))的26個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失4 591萬(wàn)元。其中農(nóng)作物受災(zāi)面積4 855.13 hm2、成災(zāi)面積2 671.06 hm2、絕收面積781.3 hm2，受災(zāi)人口30 751人，另有53人因?yàn)?zāi)受傷，損壞房屋5間。此外，保定、滄州等地大量汽車(chē)因冰雹被砸受損。

2 環(huán)流背景

2.1 高空形勢(shì)

2020年6月25日08時(shí)200 hPa中緯度有一西北—東南走向的高空急流軸，河北處于急流軸的左前側(cè)。500 hPa東蒙冷渦穩(wěn)定少動(dòng)，冷渦底部不斷有短波槽攜帶冷空氣東移南下，形成了階梯槽的形勢(shì)。前槽東移過(guò)程中給河北帶來(lái)了降水天氣，08時(shí)河北中部處于槽后西北氣流控制，天氣轉(zhuǎn)晴，有利于低層大氣增溫增濕。后槽位于冷渦中心至河套東北部一線(xiàn)，槽后部有風(fēng)速大于20 m/s的大風(fēng)核，同時(shí)伴有T-Td>29℃的干區(qū)。與500 hPa低槽相配合，700 hPa、850 hPa內(nèi)蒙古中部到山西北部有南北走向的切變線(xiàn)，高低層配置近乎垂直。850 hPa河北中部為溫度>16 ℃的暖溫脊和比濕>8 g/kg的濕區(qū)，此外，850 hPa與500 hPa溫度差達(dá)到29 ℃，上干冷、下暖濕的大氣層結(jié)，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具備出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的潛勢(shì)條件。

2.2 探空特征

利用ERA5再分析資料計(jì)算了冰雹發(fā)生區(qū)域逐3小時(shí)格點(diǎn)探空，可以看出：前期降水過(guò)后，08時(shí)850 hPa以下為飽和濕區(qū)，露點(diǎn)溫度高，中高層為高空槽后部西北氣流控制，大氣濕度條件較差，存在明顯的干區(qū)，大氣層結(jié)呈上干下濕的喇叭口形狀，已經(jīng)具備了一定的不穩(wěn)定能量，對(duì)流有效位能為585.2 J·kg-1。14時(shí)中高層大氣溫濕曲線(xiàn)變化不大，850 hPa以下溫度明顯升高，說(shuō)明低層存在暖平流，此時(shí)飽和濕層變得淺薄，僅在850 hPa附近存在，上干冷、下暖濕的特征更加明顯。從能量條件上看，濕對(duì)流有效位能(CAPE)增加至1 221.8 J·kg-1，對(duì)流抑制能量(CIN)由237.2 J·kg-1下降到101.4 J·kg-1，K指數(shù)增至34 ℃，SI減小到-5.56 ℃，大氣能量充沛且層結(jié)非常不穩(wěn)定。500 hPa以下風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)達(dá)90°，隨著中高層風(fēng)速加大，垂直風(fēng)切變不斷增強(qiáng)，14時(shí)0～6 km垂直風(fēng)切變?cè)鲋?5.9 m·s-1，較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的加強(qiáng)和發(fā)展。此次降雹過(guò)程0°層高度在3.8 km(610 hPa)左右，-20°層高度在6.4 km(550 hPa)附近，符合華北地區(qū)一般降雹高度指標(biāo)。平衡高度上升至269 hPa，自由對(duì)流高度下降至700 hPa附近，層結(jié)曲線(xiàn)和狀態(tài)曲線(xiàn)所圍正面積增加，對(duì)流上升速度更大，使得對(duì)流云可以發(fā)展的更加旺盛，0°層和-20°層高度均在自由對(duì)流區(qū)域內(nèi)，有助于雹坯的快速增長(zhǎng)，從而形成較大冰雹。17時(shí)降雹天氣結(jié)束后，濕對(duì)流有效位能迅速減小至128.6 J·kg-1，自由對(duì)流高度回升到600 hPa附近，大氣恢復(fù)到層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)流天氣結(jié)束。

表1 2020年6月25日保定逐3小時(shí)對(duì)流指數(shù)演變

3 云圖和雷達(dá)

3.1 衛(wèi)星云圖特征

從葵花衛(wèi)星可見(jiàn)光云圖演變可以看到，2020年6月25日中午前后張家口地區(qū)有對(duì)流云開(kāi)始發(fā)展，影響保定的對(duì)流云生成于張家口南部與保定交界處。15時(shí)衛(wèi)星云圖上可以看到，淶水西部和淶源中部分別發(fā)展出對(duì)流單體A和對(duì)流單體B，配合有向下游方向伸展的云砧，單體A向東南方向移動(dòng)影響易縣，易縣冰雹出現(xiàn)在15時(shí)55分，冰雹直徑2.6 cm，之后單體逐漸減弱，下游沒(méi)有冰雹出現(xiàn)；單體B生命史較長(zhǎng)，貫穿整個(gè)保定和滄州市，且向東南方向移動(dòng)過(guò)程中不斷發(fā)展增強(qiáng)，18時(shí)30分可見(jiàn)光云圖上可以看到保定和滄州交界處強(qiáng)的孤立的對(duì)流單體，上沖云頂也非常清楚，有利于明顯降雹天氣，這一階段觀測(cè)到最大冰雹直徑3.5 cm，18時(shí)46分出現(xiàn)在滄州肅寧。接下來(lái)本文將重點(diǎn)分析本次對(duì)流天氣發(fā)展和維持的機(jī)制，同時(shí)討論對(duì)流單體A和B發(fā)展過(guò)程中維持時(shí)間不同的成因。

圖1 2020年6月25日15時(shí)和18時(shí)30分葵花衛(wèi)星可見(jiàn)光云圖

3.2 雷達(dá)回波特征

2020年6月25日中午張家口南部開(kāi)始有對(duì)流單體產(chǎn)生，之后單體逐漸增多，并且向保定西北部地區(qū)移動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，14∶30前后形成了東北—西南走向的多單體風(fēng)暴，風(fēng)暴上3個(gè)主要對(duì)流單體分別位于淶水西部、淶源東部和西南部，從反射率因子垂直剖面上看，中間的對(duì)流單體為低質(zhì)心降水結(jié)構(gòu)，兩側(cè)的對(duì)流單體大于55 dBZ強(qiáng)回波區(qū)達(dá)到8 km高度，具有出現(xiàn)冰雹天氣的可能性，在引導(dǎo)氣流的作用下，對(duì)流單體風(fēng)暴向東南方向移動(dòng)，15時(shí)30分中間的對(duì)流單體明顯減弱，兩側(cè)的對(duì)流單體進(jìn)一步發(fā)展增強(qiáng)，北側(cè)對(duì)流單體之后影響易縣，出現(xiàn)直徑2.6 cm的冰雹，之后在繼續(xù)東移過(guò)程中也逐漸減弱。而南側(cè)的對(duì)流單體在移動(dòng)過(guò)程中始終在發(fā)展增強(qiáng)，18時(shí)30分成為孤立的強(qiáng)對(duì)流單體風(fēng)暴，徑向速度圖上可以看到明顯的徑向速度對(duì)流，說(shuō)明有中氣旋的出現(xiàn)。反射率因子垂直剖面圖上，強(qiáng)回波區(qū)垂直向上伸展，大于65 dBZ強(qiáng)回波伸展到10 km高度，隨后肅寧出現(xiàn)本次過(guò)程中觀測(cè)到最大冰雹直徑為3.5 cm。而后對(duì)流風(fēng)暴繼續(xù)向東南方向移動(dòng)影響河北東部和山東西北部。總體來(lái)看，北部的對(duì)流單體影響時(shí)長(zhǎng)為3個(gè)小時(shí)，南部對(duì)流回波影響時(shí)長(zhǎng)可達(dá)7個(gè)小時(shí)。

4 對(duì)流初生及維持機(jī)制

2020年6月25日上午850 hPa暖舌由山西南部向河北西北部伸展，上午天空晴朗少云，地表裸露，氣溫升高，有助于能量的不斷積累。同時(shí)河北西北部地區(qū)處于高空冷渦的東南象限，存在南北向的切變線(xiàn)，中午前后在熱力和動(dòng)力的共同作用下觸發(fā)了對(duì)流性天氣。對(duì)流云觸發(fā)后會(huì)在引導(dǎo)氣流作用下移動(dòng)，切變線(xiàn)的東側(cè)和南側(cè)為高濕的不穩(wěn)定能量區(qū)，供給對(duì)流活動(dòng)充分的水汽條件，使得對(duì)流活動(dòng)不斷發(fā)展加強(qiáng)。

500 hPa冷渦底部存在大于20 m/s的大風(fēng)速核，大風(fēng)速核有助于形成較強(qiáng)的高低空垂直風(fēng)切變，利于強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的出現(xiàn)，大風(fēng)核上有正渦度東傳。對(duì)流層低層1 000 hPa北京和河北東北部為22 ℃低溫區(qū)，河北南部氣溫大于32 ℃，二者之間的河北中部地區(qū)為溫度鋒區(qū)，鋒區(qū)南北兩側(cè)分別為偏南風(fēng)和偏東風(fēng)。對(duì)流云在河北西部觸發(fā)后沿引導(dǎo)氣流東移，低層鋒區(qū)偏南風(fēng)氣流作為入流氣流為對(duì)流云的發(fā)展提供了源源不斷的水汽，保障了對(duì)流活動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間維持。這也解釋了上文可見(jiàn)光云圖上對(duì)流單體A和B維持時(shí)間不同的原因，對(duì)流單體A下游方向?yàn)槠珫|風(fēng)冷空氣影響，單體B下游為偏南暖濕氣流，為對(duì)流單體發(fā)展提供充沛的水汽和能量，有利于對(duì)流活動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間維持。

圖2 2020年6月25日18時(shí)500hPa風(fēng)場(chǎng)和渦度場(chǎng)、1000hPa風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)

5 結(jié)束語(yǔ)

500 hPa東蒙冷渦底部大風(fēng)核攜帶冷空氣東移，與低層暖溫度脊和高濕區(qū)疊加，形成上干冷、下暖濕的大氣不穩(wěn)定層結(jié)，具備出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的潛勢(shì)。

較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的加強(qiáng)和發(fā)展，適宜的0°層和-20°層高度，符合華北地區(qū)降雹高度指標(biāo)。

對(duì)流單體在移動(dòng)過(guò)程中始終在發(fā)展增強(qiáng)成為孤立的強(qiáng)對(duì)流單體風(fēng)暴，徑向速度圖上有中氣旋的出現(xiàn)。強(qiáng)回波區(qū)垂直向上伸展，大于65 dBZ強(qiáng)回波伸展到10 km高度。

高空冷渦的東南象限低層切變線(xiàn)附近由于熱力和動(dòng)力的共同作用觸發(fā)了午后的對(duì)流性天氣。500 hPa冷渦底部大風(fēng)速核有助于形成較強(qiáng)的高低空垂直風(fēng)切變，利于強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的出現(xiàn)，低層偏南風(fēng)氣流作為入流氣流為對(duì)流云的發(fā)展提供了源源不斷的水汽，保障了對(duì)流活動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間維持。