黑龍江一次強天氣過程中對流云合并的觀測和機理分析

欒 晨，張 舒

（1.黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象服務中心，黑龍江 哈爾濱150001）

1 引言

黑龍江夏季強對流天氣過程頻發(fā)，常常會引起強降水、冰雹、雷雨大風等災害性天氣，造成人民經(jīng)濟和生命安全的重大損失。而強對流天氣過程中往往伴隨著對流云合并過程。對流云合并對對流云的發(fā)展、加強有著重要的影響。對對流云合并過程的觀測與機理研究有利于對強天氣發(fā)展加強過程的了解，從而提高對災害性天氣的預報預警能力。

針對對流云合并過程的觀測與機理研究很早就引起了國內外學者的重視，至今也已獲得了許多成果。但研究多是針對我國南方強對流過程中對流云合并的研究，關于黑龍江乃至我國北方地區(qū)的對流云合并的研究很少。而黑龍江有著自己獨特的地理條件和天氣背景，且夏季強對流天氣頻發(fā)，所以針對黑龍江強對流過程中對流云合并的觀測和研究很有必要。為此，文章選取黑龍江強天氣過程中對流云合并的典型個例，綜合利用靜止/極軌氣象衛(wèi)星、新一代多普勒天氣雷達、地面氣象觀測以及NCEP再分析資料，對過程中出現(xiàn)的對流系統(tǒng)合并現(xiàn)象進行觀測分析，討論合并影響及其機制。最終為短時災害性天氣的預報預警提供可參考的預報因子，為進一步提高黑龍江省強對流和災害性天氣預報預警業(yè)務水平提供技術支持。

2 個例選取

選取了6月12日作為黑龍江省強天氣過程中對流云合并的典型個例，利用衛(wèi)星、雷達以及地面加密觀測數(shù)據(jù)，對過程中出現(xiàn)的對流系統(tǒng)合并現(xiàn)象進行觀測分析，討論分析其合并影響及機理。

3 研究個例的天氣背景

2016年6月12日下午14時，黑龍江省西南部地區(qū)出現(xiàn)強對流天氣，14時20分，哈爾濱市主城區(qū)出現(xiàn)強降水伴有冰雹的災害性天氣。冰雹持續(xù)時間長（達 30 min），尺度大（豆粒大?。?，密度密集，在多地形成洶涌的“白色洪流”。2個多小時內個別區(qū)域降水量超過50 mm，許多置于室外的簡易遮陽棚被砸倒，冰雹甚至把車頂砸出小坑。

此次過程為高空冷渦配合地面冷鋒的天氣形勢。08時500 hPa高空冷渦中心位于黑龍江省西北，20時，高空冷渦向東南方向擴展，位于黑龍江省中西部。850 hPa溫度場的冷槽控制黑龍江省。在中西部，低空風風向具有氣旋式切變輻合。

圖1 6月12日08時中尺度分析圖

從08時和20時的中尺度分析(圖1-2)可知，08時和20時，動力條件比較好的地區(qū)在黑龍江省中西部自北向南一帶，自500 hPa以下均有較強的風的輻合。除了西北地區(qū)，黑龍江省大部中層均較干，而700 hPa以下則是深厚的濕層，具備上干下濕的不穩(wěn)定層結條件。08時西南部850 hPa有暖脊，高層為冷槽控制，形成有利的熱力不穩(wěn)定條件。從哈爾濱探空圖可見（圖略），風隨高度逆轉，但風向的變化較為一致，有組織性；且高空風速較大，風速隨高度增加快，風的垂直切變較大，有利于超級單體風暴的組織發(fā)展；700 hPa以下為深厚的濕層、600 hPa以上為干層，具有不穩(wěn)定的層結條件。且CAPE值較大，不穩(wěn)定能量大。再從0℃層和-20℃高度來看，0℃層高度在2-3 km之間，-20℃層高度在6 km左右，這種環(huán)境條件下有利于冰雹的生長。

4 對流云合并的衛(wèi)星云圖

6月12日，由于冷渦后部冷空氣的補充，黑龍江省西南部有新的冷渦生成，齊齊哈爾、大慶一帶午后有多個塊狀對流云生成，其中在大慶的一塊狀對流云發(fā)展(記為A)最為旺盛，高度最高，對流云A即此次對流云合并過程的主體云體。12時，對流云A處于發(fā)展階段，云頂亮溫（TBB）最低可達-51.2℃，面積為8010 km2,其前側有一個新生出的對流單體；13時，對流云A不斷發(fā)展，最低云頂亮溫仍為-51.2℃，面積擴大，達13726 km2，其前側的對流單體也同樣發(fā)展加強，且兩對流云團之間產(chǎn)生云橋，有合并的趨勢；14時主冷鋒的后部，低壓中心處兩條副冷鋒的形態(tài)愈發(fā)明顯，正是由于冷鋒后部的冷區(qū)中層結不穩(wěn)定，在午后極易產(chǎn)生暴雨和冰雹天氣。此副冷鋒是由于氣旋長時間維持、冷空氣補充所形成的。與主冷鋒相比，副冷鋒的長度和寬度都較小，且主要以對流云為主，冰雹則產(chǎn)生在副冷鋒鋒線附近的塊狀對流云中。此時，對流云A進一步發(fā)展，面積擴大，且與前側出流邊界上新生的小塊對流云發(fā)生合并，云頂亮溫進一步降低，最低云頂亮溫達-53.2℃。15時，對流云A面積不斷緩慢擴大，其后側對流單體也有所加強，云頂亮溫繼續(xù)降低，低亮溫區(qū)域擴大，15時最低亮溫達-54.2℃。16時最低云頂亮溫達-55.2℃，17時最低云頂亮溫達到-56.2℃。可見，合并之后對流單體結構密實，尺度變大，維持時間長，色調變得更加明亮，邊界更加清晰，云頂發(fā)展更高，亮溫梯度變大，對流活動強，利于冰雹、強降水、大風等強天氣的產(chǎn)生。

5 對流云合并過程的地面降水與風速演變特征

表1 對流云合并過程中地面降水與風速演變特征表

計算發(fā)生合并的對流活動區(qū)內降水量的單站最大值和區(qū)域平均值（算術平均）；再以小時降水量大于0.1 mm為標準，統(tǒng)計對流活動區(qū)內降水站點個數(shù)，以此來表示降水的范圍。統(tǒng)計合并過程中逐小時單站降水量最大值、區(qū)域平均雨量和區(qū)域降水站點個數(shù)，從而分析地面降水量與對流云合并的關系。統(tǒng)計發(fā)生合并的對流活動區(qū)內的單站最大瞬時風速，分析地面風速演變特征與對流云合并的關系。

對流云合并主要發(fā)生在14-15時，從表1中可以看出，以兩塊狀對流云所覆蓋區(qū)域作為統(tǒng)計區(qū)域，較強降水（單站最大雨量）恰好發(fā)生在對流云合并時(14-15時)，達52.3 mm；區(qū)域平均雨量也在14-15時達到最多，為5.3 mm；降水范圍（區(qū)域降水站點個數(shù)）也在14-15時從101個站增加到130個站，在合并后15-16時達到最多；最大單站瞬時風速也在14-15時達到最大，為56.4 m/s。

可見，最大單站小時降水量、區(qū)域平均降水量、最大單站瞬時風速均在14-15時（對流云合并時）達到最大值。

6 對流云合并過程的機理探討

利用NCEP再分析資料，分別對系統(tǒng)所在區(qū)域垂直方向和水平u、v方向上的風場和海平面氣壓場分布情況進行分析，探討對流云合并機理，得到對流云合并的動力因子。

6月12日對流云合并區(qū)域位于黑龍江省南部綏化、哈爾濱西部一帶，合并區(qū)域在水平方向上u分量變化不大,西側偏北一帶有向南v分量的大值中心，南部v分量很小，合并區(qū)為0-1之間的向北v分量，風在v分量上有匯聚，有利于合并的發(fā)生。

從14時風矢量圖(圖3(a))上可以看出，合并區(qū)域環(huán)境風速較小，但有西北風和西南風風向的輻合。從垂直風速圖(圖3(b))上可以看出，合并區(qū)域有較大的上升垂直速度，有利于對流云的發(fā)展、加強。從14時海平面氣壓圖(圖3(c))上可以看出，合并區(qū)域處于低壓南部，等值線較密集的區(qū)域，有指向低壓中心的氣壓梯度力，在水平v分量上有向北的氣壓梯度力，可推動南部對流云團向北移動與其西北方向對流云團相遇。

圖3 2016年6月12日14時(a)風矢量圖，(b)垂直風速圖（0.001 pa/s），(c)海平面氣壓（hPa）

7 小結

通過以上分析研究，可以得到以下結論：

（1）對流云合并時，對流云結構變得緊密，最低云頂亮溫值明顯降低，低云頂亮溫面積明顯增大，云頂亮溫梯度也同時增大。

（2）地面降水量和風速隨著對流云的合并有所增加，且冰雹、大風等強對流天氣也往往發(fā)生在對流云合并時或合并后。對流云合并有利于對流云的發(fā)展、加強，且合并后很可能會引起短時強降水、冰雹、大風等災害性天氣。

（3）分析發(fā)現(xiàn)，在合并區(qū)域，850 hPa 上風的 u、v分量上有風向或者風速的輻合，對流云移動方向基本與850 hPa風向方向一致；垂直方向上有較強的上升速度，有利于對流云的發(fā)展擴大；合并區(qū)域位于地面低壓中心的南部，有指向低壓中心的氣壓梯度力，在水平u分量上有相向的氣壓梯度力，可推動兩對流云之間相向而行，進而合并。

（4）合并區(qū)域垂直方向和水平u、v方向上的風場和海平面氣壓場是對流云合并有利的動力因子，可為短時災害性天氣的預報預警提供參考。