摘 要：2020年6月25日天津地區(qū)發(fā)生一次極端雷暴大風(fēng)過程（簡稱“6.25”大風(fēng)過程），利用加密觀測、多普勒天氣雷達、風(fēng)廓線雷達、微波輻射計、VDRAS（變分多普勒雷達分析系統(tǒng)）分析場等數(shù)據(jù)，對引發(fā)“6.25”大風(fēng)過程的超級單體與中尺度對流系統(tǒng)進行了分析。結(jié)果表明：高空前傾槽與低層的暖濕氣流疊加形成上干下濕的對流不穩(wěn)定以及較強的垂直風(fēng)切變、大風(fēng)發(fā)生前超級單體回波形態(tài)由鉤狀轉(zhuǎn)為弓形、對流系統(tǒng)前側(cè)擾動溫度梯度增大、冷池出流與環(huán)境風(fēng)場形成的中尺度輻合中心與天津東南側(cè)局地輻合區(qū)匯合，有利于中尺度對流系統(tǒng)的加強和維持；0—3 km較強的垂直風(fēng)切變促進西青站垂直渦度不斷增長，對中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展起到重要作用；風(fēng)暴后側(cè)3 km高度處入流氣流與風(fēng)暴內(nèi)部的下沉氣流合并有效增強了氣流下沉速度，有利于雷暴大風(fēng)的形成；中層徑向輻合加強、中氣旋直徑減小，V40 up6 （即6 km以上大于40 dBz的強回波總體積）及V40 down6 （即6 km以下大于40 dBz的強回波總體積）指標(biāo)的變化比西青站極端大風(fēng)出現(xiàn)時間提前近30 min，具有一定預(yù)報指示意義。

關(guān)鍵詞：超級單體；弓狀回波；極端大風(fēng)；垂直風(fēng)切變；垂直渦度

中圖法分類號： P458.1 + 23 文獻標(biāo)志碼： A DOI： 10.12406/byzh.2022-093

Analysis of supercell and meso-scale convective system causing an extreme thunderstorm gale in Tianjin on 25 June 2020

SUN Xiaolei 1 ， WANG Ke 1 ， ZUO Tao 1 ， YI Xiaoyuan 2 ， LIN Xiaomeng 2

（1. Tianjin Central Observatory for Oceanic Meteorology， Tianjin 300074; 2. Tianjin Meteorological Observatory ， Tianjin 300074）

Abstract：An extreme thunderstorm gale event （hereinafter referred to as the \"6.25\" event） occurred in Tianjin on 25 June 2020. Based on the intensive stational data and the data from Doppler weather radar， wind profile radar， microwave radiometer， and VDRAS （Variational Dop?pler Radar Analysis System）， we conducted an analysis of supercell and meso-scale convective system causing the“6.25”event. The main results are as follow： Before the occurrence of gale， the echo pattern of the supercell changed from hook to bow. The increase of the distur?bance temperature gradient in the front of mesoscale convective system （MCS） and the mesoscale convergence center formed by the cold pool outflow and the ambient wind field merge with the convergence area in the southeast of Tianjin， which is beneficial to strengthen and main?tain the strength of MCS. The strong vertical wind shear at 0—3 km enhanced the vertical vorticity at the Xiqing station， which also played an important role in the development of MCS. The merging of the incoming air flow at the height of 3 km behind the storm and the downdraft inside the storm enhanced effectively the downdraft velocity， which was conducive to the formation of thunderstorm winds. Mid-altitude Me?ridional Convergence strengthened， the diameter of mesocyclone decreased， and the variation of V40 up6 （total volume of strong echoes greater than 40 dBz over 6 km） and V40 down6 （total volume of strong echoes greater than 40 dBz below 6 km） was nearly 30 minutes earlier than the oc?currence of extreme gale at the Xiqing station，which has some value for prediction.

Key words： supercell， bow echo， extreme wind， vertical wind shear， vertical vorticity

引 言

雷暴大風(fēng)是指對流風(fēng)暴產(chǎn)生的除龍卷以外的地面大風(fēng)，隨著經(jīng)濟社會、城市建設(shè)的不斷發(fā)展，其往往造成嚴(yán)重災(zāi)害甚至威脅生命財產(chǎn)安全，而極端雷暴大風(fēng)由于具有較強的極端性導(dǎo)致人們難以做充分的應(yīng)急準(zhǔn)備從而造成更大的損失，因此深入研究極端雷暴大風(fēng)的發(fā)生發(fā)展特征是進一步提升短時預(yù)報能力、加強氣象防災(zāi)減災(zāi)能力建設(shè)的重要需求。

我國出現(xiàn)的大多數(shù)災(zāi)害性雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的原因是雷暴出流形成的地面大風(fēng)，主要由垂直運動轉(zhuǎn)化而來（下?lián)舯┝鳎┗蛘呃涑匦纬傻年囷L(fēng)（俞小鼎等，2006；許愛華等，2006；孫繼松等，2014）。對流層中下層大氣環(huán)境溫度直減率較大，對流層中層有明顯干層是雷暴內(nèi)強烈下沉氣流形成的有利環(huán)境條件（Johns et al.，1992）。對雷暴大風(fēng)形成發(fā)展的機制的研究表明，冰雹和大的降水粒子的下沉拖曳對下沉氣流的形成起到重要作用，冰雹的融化和雨水的蒸發(fā)冷卻進一步增強了下沉氣流的發(fā)展（Fujita et al.，1977）。此外，眾多研究將產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的風(fēng)暴歸納為四類：無組織孤立的結(jié)構(gòu)松散的脈沖風(fēng)暴、高度組織化的多單體風(fēng)暴（弓形回波）、超級單體風(fēng)暴和颮線。國內(nèi)外學(xué)者對颮線引發(fā)的雷暴大風(fēng)方面的研究取得了很多成果，其中描述颮線發(fā)展傳播的“RKW理論”（Rotunno et al.，1988；Weisman et al.，1992）得到了眾多專家認(rèn)可，該理論指出冷池與低層垂直風(fēng)切變的相互作用直接與颮線前沿氣流垂直抬升的高度和垂直速度的大小相關(guān)，是颮線前方不斷觸發(fā)新對流單體的重要影響因子。線性風(fēng)暴系統(tǒng)后部的中層入流因為加強了對流區(qū)的氣流，因此是極端大風(fēng)形成的重要原因之一（Schmidt et al.，1989；梁建宇等，2012）。陳明軒等（2011）認(rèn)為對流風(fēng)暴的新生地點和傳播方向與局地冷池造成的強溫度梯度有關(guān)。在弱天氣尺度和層結(jié)背景下，冷池與低層環(huán)境風(fēng)場相互作用可以造成對流風(fēng)暴增強傳播下山（肖現(xiàn)，2015），較好的熱力不穩(wěn)定等增強機制可以促使線狀對流發(fā)展為弓形回波（程月星等，2018）。王秀明等（2012）通過分析2009年6月3日商丘極端雷暴大風(fēng)成因發(fā)現(xiàn)，多個超級單體的強下沉氣流合并、強冷池密度流和層狀云部分降水粒子蒸發(fā)、冷池合并是導(dǎo)致雷暴大風(fēng)的重要原因。張樂楠等（2019）指出颮線后部中層以上地轉(zhuǎn)偏差渦度隨高度增加，使得颮線后部中層風(fēng)速加速，低層風(fēng)速減速，形成中低層垂直切變增強。強垂直運動與強垂直風(fēng)切變作用產(chǎn)生的強旋轉(zhuǎn)會使颮線系統(tǒng)初期具有中氣旋特征（孫密娜等，2020）。

華北地區(qū)是強風(fēng)暴多發(fā)地區(qū)，但對由超級單體引發(fā)的極端雷暴大風(fēng)的研究較少，對其發(fā)展變化和極端性形成的環(huán)境條件認(rèn)識仍有不足，因此本文以2020 年 6 月 25 日傍晚至夜間天津地區(qū)極端雷暴大風(fēng)天氣為例，使用地面加密自動站、FY-2G 紅外云圖、風(fēng)廓線雷達、多普勒天氣雷達及 VDRAS 再分析資料對此次天氣過程超級單體與中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展演變機制和環(huán)境條件進行分析，以更深入了解華北強風(fēng)暴的演變發(fā)展規(guī)律。

1 天氣實況與資料說明

1.1 實況與災(zāi)情

2020年6月25—26日，天津地區(qū)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、冰雹及短時強降水天氣，圖1a為2020年6月25日21∶00—26日00∶00（北京時，下同）逐小時8級以上極大風(fēng)和短時強降水分布圖，西青國家基本氣象站（位置與圖1a 所示西青風(fēng)廓線雷達站相同，以下簡稱西青站）觀測到了50 a一遇的短時大風(fēng)，最大陣風(fēng)達到13級（41.4 m·s -1 ）（圖1b）。Fujita（1981）認(rèn)為，下?lián)舯┝鞯淖畲髲姸瓤蛇_到EF3級龍卷強度的強風(fēng)，經(jīng)查此次雷暴大風(fēng)瞬時風(fēng)速對應(yīng)于 EF1 級龍卷（瞬時風(fēng)速介于39～49 m·s -1 ）等級強風(fēng)（周后福等，2020）。此次過程同時伴隨短時強降水和冰雹，全市最大過程降水量出現(xiàn)在西青大寺鎮(zhèn)達69.4 mm，最大小時雨量55.7mm·h -1 ，降雨主要集中在25日23∶00—26日01∶00，武清（22∶00）、北辰（22∶30）、西青（22∶56）、天津市區(qū)（23∶00）、津南（23∶20）等多地出現(xiàn)冰雹天氣，最大直徑達2.5 cm。從西青站各要素逐小時演變（圖1b）可以看到，西青站出現(xiàn)極端大風(fēng)前17∶00—21∶00東南風(fēng)風(fēng)速從4 m·s -1 逐漸增大為12 m·s -1 ，氣溫波動較小，相對濕度接近70 %，氣壓在18∶00后增幅約1 hPa·h -1 ，而22∶00—23∶00一小時內(nèi)溫度下降8.6 ℃，氣壓增幅2.8 hPa·h -1 ，主要變化時段集中在大風(fēng)發(fā)生前 5 min（22∶50—22∶55）：氣 溫 從24.5 ℃驟降至17.5 ℃，降溫達7 ℃，氣壓陡升2.6 hPa，西青站小時雨強21.5 mm·h -1 ，與其他站相比并不大但降水期間伴有密度較大的小冰雹，冰雹直徑3～5 mm左右。

此次極端大風(fēng)影響的地區(qū)部分社區(qū)圍欄、圍墻倒塌，直徑十幾厘米的樹木被連根拔起，大批樹木枝干折斷、倒伏，造成眾多車輛受損嚴(yán)重，冰雹損毀瓜果蔬菜，強降水導(dǎo)致部分路段積水給城市經(jīng)濟建設(shè)造成重大損失。值得注意的是25日15∶00—20∶00和25日21∶00—26日02∶00，北京地區(qū)出現(xiàn)兩次對流系統(tǒng)并東移過程，但是第一階段（25日15∶00—20∶00）對流系統(tǒng)并未對天津地區(qū)產(chǎn)生影響，天津地區(qū)發(fā)生的極端大風(fēng)及冰雹、短時強降水均是第二階段（25日21∶00—26日02∶00）對流系統(tǒng)在向東南方向移動過程中造成的。本文重點分析造成此次極端雷暴大風(fēng)的雷達特征和環(huán)境條件，并對第一階段對流系統(tǒng)未影響天津地區(qū)的原因進行分析。

1.2 資料情況

本文研究所用氣象資料主要包括：（1） 地面加密自動站逐 5 min 和逐小時氣溫、降水、風(fēng)向、風(fēng)速資料。（2） 2020年6月25日08∶00、20∶00北京探空資料。（3） VDRAS 再分析資料：變分多普勒雷達分析系統(tǒng)VDRAS （Variational Doppler Radar Analysis System）通過使用三維云模式和四維變分同化技術(shù)，實現(xiàn)對多部多普勒雷達資料的快速更新循環(huán)同化分析，從而得到與風(fēng)暴系統(tǒng)生消發(fā)展密切相關(guān)的三維動力和熱動力特征資料（Sun，et al.，2008；陳明軒等，2011；陳明軒和王迎春，2012）。其產(chǎn)品垂直方向上分為15層間隔200 m，水平分辨率5 km。（4） 雷達探測資料：來源于天津塘沽、北京大興和滄州三部S波段多普勒雷達，雷達三維拼圖資料為直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，水平分辨率0.01°×0.01°，垂直方向21層，0.5—6 km分為11層間隔0.5 km；7—11 km分為5層間隔1 km；13—21 km分為5層，間隔2 km。（5） 雷達回波參數(shù)：以V40 up6 （或V40 down6 ）表示6 km高度以上（或以下） 40 dBz強回波體積，6 km高度在前述（4） 雷達資料中位于第11層，參照易笑園等（2017）的標(biāo)準(zhǔn)以單元作為回波參數(shù)單位，一個單元大小是水平 0.01°×0.01°，垂直高度為層與層間的厚度，V40 up6（或V40 down6 ）使用11層以上（或11層以下）數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算。

2 超級單體雷達回波演變特征

造成此次極端大風(fēng)的超級單體從生成到入海減弱超過6 h，由于天津塘沽雷達南側(cè)存在一個接近90°擋角，為連續(xù)分析超級單體發(fā)展演變情況選用滄州雷達進行反射率因子和徑向速度分析。

25日20∶00—20∶36位于北京境內(nèi)的回波由20 dBz快速增強至60 dBz，21∶06（圖2a）回波呈鉤狀并伴有三體散射，1.5°仰角圖上可見旁瓣回波（圖略），質(zhì)心強度達65 dBz的回波呈直立狀，伸展高度達5 km，徑向速度圖上風(fēng)速輻合區(qū)在6 km以下，此時地面以短時強降水為主，隨后回波以12 m·s -1 左右的速度緩慢向東南移動。21∶54（圖2b）回波后側(cè)出現(xiàn)顯著入流，65 dBz強回波核區(qū)逐漸前移到回波前沿，形態(tài)由鉤狀演變?yōu)楣?，高反射率因子梯度區(qū)位于弓形回波前進方向右側(cè)，徑向速度剖面圖上開始出現(xiàn)強烈后側(cè)下沉氣流，3—7 km范圍內(nèi)最大正負速度差值達到35 m·s -1 ，中層徑向輻合顯著，受傾斜下沉、上升氣流的影響，強回波向入流一側(cè)傾斜，垂直伸展高度達9 km，表明低層入流的旋轉(zhuǎn)輻合上升特征明顯，該階段在弓形的頂點處開始出現(xiàn)8級以上大風(fēng)，最大風(fēng)速28.5 m·s -1 。根據(jù)Klimoski等（2004）對弓形回波形成方式的分類，其演變屬于由經(jīng)典超級單體風(fēng)暴演變?yōu)楣位夭◤?fù)合體的類型。22∶48（圖2c）回波主體距離西青站約6 km，此時65 dBz回波核高度下降，西青站附近中氣旋核區(qū)直徑約6 km旋轉(zhuǎn)速度15 m·s -1 ，風(fēng)暴后側(cè)下沉氣流速度增大至20 m·s -1 并及地，風(fēng)暴頂9—15 km對應(yīng)較強輻散氣流。低層強烈的輻散風(fēng)出流迫使前側(cè)暖空氣強迫抬升增強了上升氣流，高層輻散抽吸有利于上升運動的發(fā)展和長時間維持，與此同時風(fēng)暴后側(cè)偏北風(fēng)入流造成降水粒子大量蒸發(fā)，產(chǎn)生的負浮力利于強下曳氣流產(chǎn)生進而加強下沉氣流，5 min后22：53西青站監(jiān)測到本次過程最大風(fēng)速41.4 m·s -1 。23：30（圖2d）回波雖仍維持傾斜懸垂結(jié)構(gòu)，但強回波中心變得松散且高度下降，速度剖面圖上風(fēng)暴內(nèi)部的上升、下沉氣流傾斜度加大，23：33津南小站自動站監(jiān)測到大風(fēng)31.8 m·s -1的西北風(fēng)，由于風(fēng)向垂直于雷達徑向，因此在徑向速度圖上看不到明顯的大風(fēng)速區(qū)。

前文提到在雷暴大風(fēng)發(fā)生前強回波核出現(xiàn)下降，據(jù)統(tǒng)計6 km高度及以上的溫度一般為-15 ℃～ -20 ℃，此高度云中主要是冰相粒子（霰、冰晶、冰雹）組成，在一定程度上反映了云內(nèi)上升氣流的旺盛程度，易笑園等（2017）指出V40 up6 或V40 down6 可以反映某一時刻強回波核的大小和所處的高度，在一定程度上反映對流云云體的空間大小、旺盛程度、降水強度和云中粒子下沉的拖曳作用。通過本次過程40 dBz體積變化可以看到（圖3），6 km以上40 dBz回波體積在22：30開始下降，相應(yīng)6 km以下體積增加，表明伴隨著強烈的下沉氣流強回波核開始下落，這個變化比西青站出現(xiàn)大風(fēng)（22：53）提前近30 min，具有一定預(yù)報指示意義。

3 天氣形勢和環(huán)境條件分析

3.1 天氣環(huán)流背景

圖4給出2020年6月25日20時形勢場的中分析和 21 時 FY-2G 紅外云圖，天津上游 500 hPa 氣溫從-13 ℃下降至-15 ℃，西北氣流在天津地區(qū)上空形成風(fēng)速輻合，輻合線后存在24 m·s -1 中空急流，700 hPa高空槽及850 hPa切變線位于上游的北京地區(qū)，高低空呈現(xiàn)前傾結(jié)構(gòu)，850 hPa和500 hPa溫差達26 ℃，垂直溫度遞減率較大，有利于強對流發(fā)展。700—500 hPa有-1×10 -4 K·s -1 冷平流侵入，低層850 hPa存在一條自渤海向內(nèi)陸的2×10 -4 K·s -1 暖平流輸送帶，925 hPa天津及華北地區(qū)上空有暖脊，地面上始終維持渤海吹向內(nèi)陸的東南氣流（圖略），綜上可知，本次屬于高空冷平流強迫類強對流過程。從層結(jié)不穩(wěn)定增長機制來看，500 hPa的西北中空急流將高層的干冷空氣逐漸向東南方向輸送，與低層的暖濕氣流疊加，使得強對流發(fā)生前的環(huán)境場具有上干下濕、對流不穩(wěn)定及較強的垂直風(fēng)切變特征。前傾槽配合中高層干、底層暖濕的天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為強對流的生成提供了有利的環(huán)流背景，因此21∶00衛(wèi)星云圖上在前傾槽結(jié)構(gòu)中700與850 hPa交叉處前側(cè)觸發(fā)出圓形對流云團，隨后這個云團強烈發(fā)展成MCC，是造成天津風(fēng)雹天氣的直接影響系統(tǒng)。

3.2 雷暴大風(fēng)發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件

2020 年 6 月 25 日北京探空圖顯示（圖 5），08∶00925 hPa以下溫度露點差2.6 ℃，1 000—925 hPa相對濕度≥80%，925 hPa以上為相對干層，500 hPa和450 hPa附近溫度露點差接近20 ℃。20∶00（圖5b）溫濕廓線出現(xiàn)雷暴大風(fēng)典型特征，700 hPa以上等露點廓線與溫度廓線形成向上的喇叭口，850 hPa以下形成向下的喇叭口，整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為X型，850 hPa溫度露點差減小至0.4 ℃，濕層略增厚，500 hPa及以上仍維持干層，300 hPa以上偏南風(fēng)急流轉(zhuǎn)為西北風(fēng)急流。由此可見從08∶00-20∶00大氣環(huán)境存在上干下濕的層結(jié)結(jié)構(gòu)，相對干層增厚至對流層中上層，有利于干空氣夾卷進入使得雨滴蒸發(fā)，促使下沉氣流內(nèi)溫度低于環(huán)境溫度而產(chǎn)生向下的加速度。此外，由于下午的加熱作用使得地面至850 hPa之間的溫度廓線直減率接近干絕熱，有利于保持下沉氣流在下沉增壓增溫過程中和環(huán)境之間的負溫差，使得下沉氣流在下降過程中溫度始終低于環(huán)境溫度，一直保持向下的加速度（孫繼松等，2014）。

本次過程中多個物理量參數(shù)超過或接近6月份渤海西部雷雨大風(fēng)強對流參數(shù)參考閾值（王亞男等，2020）（表1），其中CAPE值從825.6 J·kg -1 增長至1 072.9 J·kg -1 ，20 時 SWEAT 指數(shù)達到 281.4、K 指數(shù)為 35.6 ℃，0—3 km垂直風(fēng)切變?yōu)?2 m·s -1 ，大風(fēng)指數(shù)為19.4，表明大氣環(huán)境具有較好的熱力和動力條件，在這樣的環(huán)境條件下，只要有觸發(fā)機制，雷暴將迅速生成。

從圖５可以看到，此次雷暴大風(fēng)發(fā)生前大氣環(huán)境場具有較強的垂直風(fēng)切變。20時北京探空上 500—600 hPa風(fēng)速增強至20～23 m·s -1 ，導(dǎo)致0—6 km垂直風(fēng)切變達到21 m·s -1 ，3—6 km的垂直風(fēng)切變達到18 m·s -1 ，在熱力不穩(wěn)定環(huán)境中，垂直風(fēng)切變的加強通常能導(dǎo)致對流更強和生命史更長風(fēng)暴的產(chǎn)生和發(fā)展。

風(fēng)廓線雷達的水平風(fēng)速產(chǎn)品能夠清楚地刻畫水平風(fēng)廓線隨時間的變化規(guī)律，圖6a為6月25日21∶00—23∶00西青站風(fēng)廓線每6 min時間間隔的雷達風(fēng)廓線分布圖（22∶30—23∶00時段1 000 m高度以下數(shù)據(jù)缺測主要是受對流系統(tǒng)過境降水影響）。西青站500 m以下為一致的偏東風(fēng)影響，塘沽站風(fēng)廓線（圖略）偏東風(fēng)高度在1 000 m，可見偏東風(fēng)的高度從內(nèi)陸向沿岸增加。西青站4 500 m以上西北風(fēng)自21：15后不斷增強，22∶30開始1 000—2 000 m風(fēng)速陡升至28～30 m·s -1 。計算兩兩相鄰高度層之間的垂直風(fēng)切變值，2 km高度上垂直風(fēng)切變在12 min內(nèi)（22∶30—22∶42）從0.1 s -1 增長至0.27 s -1 ，達到垂直風(fēng)切變嚴(yán)重等級（gt;0.20 s -1 ，胡明寶，2015），比大風(fēng)出現(xiàn)時間提前20 min。

基于前面的分析，為了解當(dāng)天下午第一階段（25日15∶00—20∶00）對流移入天津減弱的原因，進一步分析了當(dāng)時天津本地的環(huán)境條件。沿著對流系統(tǒng)自北京至天津的移動路線（圖8a中AB線段）做剖面圖，發(fā)現(xiàn)在25日14∶00對流系統(tǒng)東南側(cè)即天津地區(qū)為垂直運動下沉區(qū)，下沉氣流從300 hPa高空向東傾斜，分別在400 hPa及700—800 hPa存在-30×10 -2 m·s -1 和-50×10 -2 m·s -1下沉運動大值中心，且850 hPa較強上升運動中心仍位于上游地區(qū)，天津地區(qū)主要受下沉氣流影響。利用天津本地微波輻射計反演的探空曲線（圖 7d）可以看到本地區(qū)的自由對流高度在 869.9 hPa，此時相應(yīng)高度為下沉氣流不利于氣塊抬升形成加速上升運動。在第一階段內(nèi)天津地區(qū)低層950 hPa以下為冷平流影響，因此無論是動力還是熱力條件都不利于對流系統(tǒng)發(fā)展維持。20∶00（圖7b）天津地區(qū)的自由對流高度下降至1 km左右，低層偏東風(fēng)抬升加強，800 hPa附近存在150×10 -2 m·s -1 上升運動中心，此時高空整層轉(zhuǎn)為上升運動，因此當(dāng)上游系統(tǒng)移入時很容易加強并長時間維持。

4 中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展

4.1 地面中尺度輻合系統(tǒng)的演變

邊界層是地表與大氣之間水汽和能量交換的重要場所，其內(nèi)部的溫、濕、風(fēng)場等條件變化往往對局地暴雨的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用（孫繼松等，2006）。擾動溫度可以表示溫度場的相對冷暖，其變化情況可以指示冷池的影響（陳明軒等，2012），擾動溫度空間梯度可以定性表示雷暴出流相對位置和強弱。本文利用逐小時地面區(qū)域自動站數(shù)據(jù)計算各站點氣溫與所選區(qū)域內(nèi)平均氣溫之差，通過插值方法得到基于實況的地面擾動溫度空間分布情況（圖8）。根據(jù)圖1可知21∶00處在發(fā)展階段的對流系統(tǒng)主要以短時強降水為主，此時擾動溫度梯度較小，為0.12 ℃·km -1 ，僅一個站出現(xiàn)8級以上陣風(fēng)（圖8a）。北京地區(qū)降水使天津西北側(cè)氣溫降低，39.5°N以南特別是天津南側(cè)及渤海西岸由于白天輻射充足氣溫相對較高，擾動溫度中心達到6 ℃，配合有自東南向西北方向伸展的10×10 -5 s -1 正渦度輻合區(qū)，為對流系統(tǒng)提供了較好的熱，力和動力環(huán)境。22∶00（圖8b）對流系統(tǒng)已經(jīng)演變?yōu)楣危湟苿臃较蚯皞?cè)冷池與暖區(qū)之前擾動溫度梯度達到0.3 ℃·km -1 ，冷池出流與環(huán)境風(fēng)場產(chǎn)生輻合形成中尺度地面輻合線，對應(yīng)2×10 -5 s -1 正渦度中心，過去一小時內(nèi)回波影響區(qū)域共14個自動站陣風(fēng)超過8級。從圖8c可見下沉出流造成近地面溫度持續(xù)下降，冷池中心加強至-2 ℃，前側(cè)擾動溫度梯度增加至0.5 ℃·km -1 ，輻合中心與位于天津東南的正渦度區(qū)合并，促使系統(tǒng)自身的輻合進一步增強，22∶00-23∶00回波移動路徑上21個自動站監(jiān)測到8級以上極大風(fēng)，其中西青站監(jiān)測到本次過程最大風(fēng)速。26日00∶00（圖8d）對流系統(tǒng)沿著擾動溫度梯度和渦度大值區(qū)向暖濕一側(cè)移動至渤海沿岸，雖然強度和緊密的結(jié)構(gòu)均有減弱但仍給沿途33個自動站帶來8級以上陣風(fēng)。

通過對流系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的冷池發(fā)展演變、擾動溫度梯度變化結(jié)合5 min加密觀測風(fēng)場分析發(fā)現(xiàn)（圖略），對流系統(tǒng)前側(cè)擾動溫度梯度增大表明雷暴出流加強，主要是由于風(fēng)暴后側(cè)下沉氣流將高空干冷空氣夾卷攜帶至地面以及降水影響使冷池加強，促使冷暖區(qū)之間溫差增大，冷池出流與環(huán)境風(fēng)場形成中尺度地面輻合中心與位于天津東南側(cè)暖區(qū)中正渦度輻合區(qū)合并，導(dǎo)致自身輻合進一步增強，因此對流系統(tǒng)的加強、維持與擾動溫度梯度、地面中尺度輻合及渦度大值區(qū)關(guān)系密切。

4.2 中低層垂直風(fēng)切變的作用

本文利用VDRAS資料探討本次過程中超級單體從鉤狀轉(zhuǎn)為弓形后環(huán)境垂直風(fēng)切變（v/z）及垂直速度的發(fā)展演變特征，分析其與垂直渦度變化的關(guān)系。圖9展示了0—3 km高度之間 v/z 的情況，可以看到在 強 對 流 系 統(tǒng) 后 側(cè) 經(jīng) 向 風(fēng) 隨 高 度 的 增 加 減 小v/zlt;0 ，系統(tǒng)前進方向右前側(cè) v/zgt;0 即經(jīng)向風(fēng)隨高度增大，說明系統(tǒng)移動方向前側(cè)為顯著的高低空垂直風(fēng)切變大值區(qū)。隨著對流系統(tǒng)的移動沿不同經(jīng)度進行垂直速度和v·10×w流場剖面，可以看到22∶12對流系統(tǒng)位于 v/zgt;0 區(qū)域北側(cè)，沿116.8 °E所作剖面圖（圖9b），看到風(fēng)暴前沿上升氣流速度達到1.5 m·s -1 ，氣流在上升過程中自南向北傾斜最高伸展到5.5 km，其中有一支上升氣流在3 km高度處轉(zhuǎn)到風(fēng)暴后側(cè)下沉。22∶30對流系統(tǒng)緩慢向東南風(fēng)向移動，117°E剖面圖上（圖9d）風(fēng)暴后側(cè)有入流氣流加入，與前側(cè)上升氣流在3 km高度處轉(zhuǎn)為下沉的氣流合并，反氣旋性次級環(huán)流加強，促進下沉氣流速度加大至-2 m·s -1 ，10 min后地面出現(xiàn)了24 m·s -1 西北風(fēng)陣風(fēng)。22∶42上升氣流的陡度增加轉(zhuǎn)為直上直下，后側(cè)下沉氣流高度從3.5 km高度伸展至5.5 km以上，3.5—5.5 km原本的上升氣流轉(zhuǎn)為下沉，從高層至低層全部轉(zhuǎn)為深厚的下沉氣流與雷達徑向速度剖面圖中強烈的下沉氣流對應(yīng)，11 min后在西青站觀測到41.4 m·s -1 極大風(fēng)。丁治英等（2013）指出水平風(fēng)垂直切變可引起垂直環(huán)流的變化形成水平渦度，水平渦度的性質(zhì)像垂直渦度引起水平旋轉(zhuǎn)一樣，水平渦度的存在會引起垂直剖面上的旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致垂直環(huán)流的出現(xiàn)。由以上分析可見， v/zgt;0 引起北側(cè)上升、南側(cè)下沉在經(jīng)向平面（y—z）上v的變化會引起經(jīng)圈環(huán)流或次級環(huán)流或更小尺度環(huán)流，促進對流系統(tǒng)的發(fā)展和維持，同時伴有垂直速度在水平方向上的不均勻分布。根據(jù)渦度方程可知，垂直渦度的發(fā)展主要與輻合、風(fēng)垂直切變（傾斜項）等有關(guān)，當(dāng)既有風(fēng)的垂直切變同時又有垂直運動在水平方向不均勻分布時會引起垂直渦度變化。通過西青站垂直渦度隨高度變化的時序圖（圖10a）可見，2—4 km垂直渦度自21∶20開始增大22∶12最大達到6×10 -5 s -1 ，且對流風(fēng)暴的移動以及降水落區(qū)（圖1a）與垂直渦度正值區(qū)（圖10b）存在較好的對應(yīng)關(guān)系，說明對流風(fēng)暴在高空引導(dǎo)氣流作用下，沿著垂直渦度大值區(qū)自西北向東南移動。結(jié)合前文分析可知，本次過程中0—3 km強烈的垂直風(fēng)切變促進西青站垂直渦度不斷增長，是對流風(fēng)暴組織化并長時間維持的主要原因之一。

5 結(jié)論

本文利用地面加密自動氣象站資料、多普勒雷達資料、FY-2G紅外云圖、北京探空資料以及西青站風(fēng)廓線雷達資料、市區(qū)站微波輻射計資料及VDRAS，對2020年6月25日發(fā)生在天津地區(qū)的一次極端雷暴大風(fēng)過程的雷達特征和環(huán)境條件進行詳細分析，主要得出以下結(jié)論：

（1） 本次過程發(fā)生在高空降溫、前傾槽、500 hPa中空急流與低層暖濕氣流疊加的背景下，對流層中層干冷空氣侵入與較強的垂直風(fēng)切變促使環(huán)境場上干下濕對流不穩(wěn)定層結(jié)加強，大風(fēng)指數(shù)（WINDEX）、強天氣威脅指數(shù)（SWEAT）、K指數(shù)、垂直風(fēng)切變等物理量參數(shù)均遠超過6月份渤海西部雷雨大風(fēng)強對流閾值。700與850 hPa切變線交叉處觸發(fā)出的圓形對流云團是造成天津風(fēng)雹天氣的直接影響系統(tǒng)，極端雷暴大風(fēng)發(fā)生前5 min內(nèi)氣溫驟降7 ℃，氣壓陡升2.6 hPa，短時強降水和密集的小冰雹下落拖曳加強了下沉氣流。

（2） 造成極端大風(fēng)的超級單體生命史長，進入天津后其后側(cè)出現(xiàn)顯著入流，回波形態(tài)由鉤狀轉(zhuǎn)為弓形，屬于由經(jīng)典超級單體演變?yōu)楣位夭◤?fù)合體類型。大風(fēng)發(fā)生前中層徑向輻合加強、中氣旋直徑減小，風(fēng)暴后側(cè)3 km之下的下沉氣流速度加大并及地，V40 up6及V40 down6 指標(biāo)的變化比西青站出現(xiàn)極端大風(fēng)的時間提前近30 min，具有一定預(yù)報指示意義。

（3） 對流系統(tǒng)前側(cè)擾動溫度梯度增大表明雷暴出流加強，主要由于風(fēng)暴后側(cè)下沉氣流將高空干冷空氣夾卷向下輸送以及降水影響使冷池加強，促進冷暖區(qū)之間溫差增大，冷池出流與環(huán)境風(fēng)場形成的中尺度輻合中心與天津東南側(cè)輻合區(qū)合并，導(dǎo)致對流系統(tǒng)長時間維持，因此對流系統(tǒng)的加強、維持與擾動溫度梯度、地面中尺度輻合及渦度大值區(qū)關(guān)系密切。

（4） 根據(jù)西青站風(fēng)廓線的演變發(fā)現(xiàn)，雷暴發(fā)生前底層?xùn)|風(fēng)的厚度從內(nèi)陸向沿岸增加，利用VDRAS資料分析0—3 km高度之間 v/z 及垂直速度的演變情況，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴后側(cè)3 km高度處的入流氣流與風(fēng)暴內(nèi)部的下沉氣流合并促使下沉速度增大，在極端大風(fēng)出現(xiàn)前，高空下沉氣流的加入進一步加強了低層下沉氣流速度，較強的垂直風(fēng)切變?yōu)槲髑嗾敬怪睖u度不斷增大提供動力條件，是本次對流系統(tǒng)組織化并長時間維持的主要原因之一。

（5） 25日第一階段（15∶00—20∶00）對流系統(tǒng)未進入天津造成降水，主要是因為14∶00—17∶00天津地區(qū)為垂直運動下沉區(qū)并伴隨低層冷平流，且自由對流高度較高，缺少維持對流系統(tǒng)發(fā)展的動力、熱力條件。

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（責(zé)任編輯 張 文）