華北冷渦背景下青島三次混合型對流天氣環(huán)境場條件對比分析?

馬 艷，董海鷹，郝 燕，宮明曉

(1.青島市氣象災(zāi)害防御工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266003； 2.青島市氣象局，山東 青島 266003； 3.青島市即墨區(qū)氣象局，山東 青島 266200)

高空冷渦是在對流層中、上層的冷性低壓系統(tǒng)。東亞地區(qū)的高空冷渦常形成于貝加爾湖附近，后經(jīng)蒙古國、中國內(nèi)蒙古和東北地區(qū)緩慢東移，根據(jù)其所處地理位置又分為蒙古冷渦、華北冷渦和東北冷渦。由于包含冷渦系統(tǒng)的大氣環(huán)流冷熱對比強(qiáng)，不穩(wěn)定狀態(tài)以及觸發(fā)條件分布的不均勻性，在冷渦系統(tǒng)形成、發(fā)展、消亡期均可發(fā)生局地性強(qiáng)，致災(zāi)性強(qiáng)的短時強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹等天氣。

近年來國內(nèi)許多氣象工作者針對此類天氣從氣候?qū)W、數(shù)值模擬和天氣學(xué)分析等角度開展了一系列研究工作[1-9]。每年春末夏初在東北、京津冀乃至山東半島地區(qū)高空冷渦系統(tǒng)出現(xiàn)的頻率很高，也是造成這一帶地區(qū)強(qiáng)對流天氣的重要天氣系統(tǒng)[10-14]。郁珍艷等[15]開展了京津冀地區(qū)華北冷渦背景下短時強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹和龍卷的基本對流參數(shù)特征分析。雷蕾等[16]利用探空資料判別了北京地區(qū)冰雹、雷暴大風(fēng)以及暴雨強(qiáng)對流天氣類別。李江波等[17]給出了華北冷渦下冰雹發(fā)生的水汽條件和抬升機(jī)制，并指出水汽條件分析的重點(diǎn)應(yīng)在低層大氣、抬升機(jī)制的分析側(cè)重在邊界層以下等預(yù)報著眼點(diǎn)。雖然一定的大氣可降水量是形成短時強(qiáng)降水的必要條件，但對對流過程而言，如果不考慮蒸發(fā)過程，降水強(qiáng)度主要取決于水汽垂直遞減率和低層大氣對流有效位能的大小[18]。張小玲等[19]還開發(fā)了包括水汽、不穩(wěn)定、抬升和垂直風(fēng)切變4個條件的中尺度對流天氣的環(huán)境場條件分析技術(shù)。高曉梅等[20]指出山東中部地區(qū)強(qiáng)降水混合型對應(yīng)的850和500 hPa溫差的最低閾值為25 ℃、相應(yīng)的0～6 km風(fēng)垂直切變最低閾值為8.0 m/s等環(huán)境場要素特征。史緯恒等[21]則給出了山東聊城地區(qū)強(qiáng)對流天氣預(yù)報的判定指標(biāo)。

青島地處山東半島東南部，具有山、海、城、島豐富的下墊面特征，幾乎每年6月都會受高空冷渦的影響出現(xiàn)短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)以及冰雹等強(qiáng)對流天氣?；旌闲蛷?qiáng)對流天氣通常指的是短時強(qiáng)降水伴隨著純雷暴大風(fēng)或者冰雹雷暴大風(fēng)的天氣。2018年6月13日受華北冷渦影響青島市出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹天氣，是一次混合型強(qiáng)對流，全市70 325人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3.36億元。通常強(qiáng)對流天氣形成快，影響時間短，造成的危害大，預(yù)報預(yù)警難度大，天氣預(yù)報員沒有充足的時間利用多源觀測資料和多種模式產(chǎn)品開展對流天氣潛勢分析，預(yù)報服務(wù)壓力大，迫切需要一個能夠直接、簡單、高效的用于預(yù)報業(yè)務(wù)的強(qiáng)對流預(yù)報手段和指標(biāo)。本文從預(yù)報業(yè)務(wù)服務(wù)工作的角度出發(fā)，利用青島站探空資料，對比分析2014、2016和2018年6月華北冷渦背景下發(fā)生在青島的三次混合型對流天氣過程的環(huán)境場條件特征，給出高空冷渦背景下青島發(fā)生短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹的混合型對流天氣的動力和熱力參數(shù)特征，以期對青島此類天氣的短臨預(yù)報業(yè)務(wù)有參考意義。

1 資料介紹

利用由歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)提供的0.25°×0.25°分析場開展大尺度環(huán)流場的分析。通過分析青島地區(qū)嶗頂、普集鎮(zhèn)和青島站的逐小時降水量、風(fēng)速的觀測資料開展對流天氣發(fā)生期間降水量和風(fēng)速的變化特征。其中自動氣象站嶗頂、普集鎮(zhèn)和青島站的地理位置分別為(36.18°N，120.62°E)、(36.12°N，119.72°E)和(36.07°N，120.33°E)。最后利用探空站青島站資料分析強(qiáng)對流天氣發(fā)生前期不同高度溫濕和風(fēng)速風(fēng)向的變化，其中青島探空站資料來源于美國懷俄明大學(xué)(http:∥weather.uwyo.edu)。

2 強(qiáng)對流天氣過程概況

2014年6月1～2日在華北冷渦和地面氣旋的共同影響下，青島全市共計出現(xiàn)了暴雨14個站、大暴雨5個站和2個站次的特大暴雨。本次過程雨量最大站點(diǎn)出現(xiàn)在嶗山區(qū)北九水319.5 mm，小時最大雨強(qiáng)39.1 mm出現(xiàn)在嶗頂(見表1)。在本文描述中將此次過程簡稱為20140601過程，以下類同。

2016年6月14日20～22時(北京時，下同)在華北冷渦控制下青島市區(qū)、黃島區(qū)、嶗山區(qū)、城陽區(qū)、即墨市、膠州市發(fā)生大面積的短時強(qiáng)降水。膠州市鋪集鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨、大風(fēng)和冰雹，小時最大雨強(qiáng)62.7 mm。

2018年6月13日受深厚華北冷渦影響，13日01～23時，青島全市累計平均降水量32.2 mm，出現(xiàn)21個站次暴雨，嶗山區(qū)氣象度假村最大94.6 mm，小時最大雨強(qiáng)達(dá)到了66.1 mm。全市多個觀測站點(diǎn)出現(xiàn)10～12級雷雨大風(fēng)，青島站出現(xiàn)極大風(fēng)速34.8 m·s-1(12級)，市區(qū)、嶗山、黃島、膠州、平度局部地區(qū)還先后出現(xiàn)冰雹。

這三次過程均為混合型對流天氣天氣過程，共同點(diǎn)是都有短時強(qiáng)降水和地面8級或以上陣風(fēng)天氣，差異主要表現(xiàn)在對流強(qiáng)度上。

((a)2014年6月1日嶗頂站； (b)2016年6月14日普集鎮(zhèn)站；(c)2018年6月13日青島站。(a)June 1st,2014 at Laodin； (b)June 14th,2016 at Pujizhen, (c)June 13th , 2018 at Qingdao.)

如圖1和2所示，2014年過程降雨穩(wěn)定均勻，以層狀云降水為主，持續(xù)時間長，局部有弱對流，凌晨前后在嶗頂出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水，地面大風(fēng)是東南急流造成的系統(tǒng)性大風(fēng)，而不是對流性雷暴大風(fēng)。2016和2018年兩次過程是以對流性強(qiáng)降水為主，并伴有冰雹和強(qiáng)雷暴大風(fēng)天氣；2016年6月14日21:00普集鎮(zhèn)站小時降水量62.7 mm，陣風(fēng)17.5 m·s-1，2018年6月13日18:00青島站小時降水量達(dá)到了43.7 mm并伴隨著34.8 m·s-1的陣風(fēng)(見圖1)。本文依據(jù)所發(fā)生的天氣現(xiàn)象的種類和強(qiáng)度，對流強(qiáng)度依次表現(xiàn)為2018年6月13日最強(qiáng)，2016年6月14日次之，2014年6月1日最弱。

3 環(huán)流形勢分析

2016年6月14日和2018年6月13日08時500 hPa高度場上均表現(xiàn)為歐亞中高緯度地區(qū)為兩槽一脊型，貝加爾湖以西是一高壓脊，引導(dǎo)極地冷空氣南下，在俄羅斯、東北和華北一帶表現(xiàn)為較強(qiáng)的低值區(qū)。冷中心分別為-13和-15 ℃的低渦位于42°N附近。青島地區(qū)處于冷渦系統(tǒng)影響下，上游有較強(qiáng)的冷平流侵入，同時在700和850 hPa也有對應(yīng)的低渦系統(tǒng)存在(見圖3(b),(c))。這種中低層都有低渦系統(tǒng)存在的天氣形勢是一種有利于強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展的大尺度環(huán)流背景。而2014年6月1日08時500 hPa高度場上，貝加爾湖以東為高壓脊，華北地區(qū)為一個切斷低渦，伴有-13 ℃的冷中心的低渦雖也在42°N附近，但是渦后部表現(xiàn)為一個暖脊，沒有上游的冷平流補(bǔ)充(見圖3(a))。

表1 華北冷渦下青島三次混合型對流天氣過程概況Table 1 Three co-existence convective processes at Qingdao under the background of cold vortex over North China

((a)2014年6月1日15:59;(b)2016年6月14日20:36;(c)2018年6月13日16:31。(a)15:59 June 1st,2014;(b)20:36 June 14th,2016; (c)16:31 June 13th , 2018.)

這三次強(qiáng)對流天氣發(fā)生時，地面都有氣旋生成，2014年6月1日08時氣旋中心強(qiáng)度為1 002.5 hPa，青島地區(qū)位于氣旋東北部頂部輻合處，而2016年6月14日和2018年6月13日氣旋中心強(qiáng)度則低至998 hPa，青島地區(qū)位于氣旋前部，低層輻合抬升較強(qiáng)。同時三次過程都存在低空偏南風(fēng)急流，但急流強(qiáng)度存在明顯差異。20140601過程監(jiān)測到23 m·s-1左右的東南風(fēng)急流，某些時段急流更強(qiáng)，可達(dá)27 m·s-1以上(圖略)，青島同時處于東南風(fēng)和東北風(fēng)的輻合之中，對短時強(qiáng)降水發(fā)生起到觸發(fā)作用。另外兩次過程存在12～14 m·s-1西南風(fēng)急流，20180613過程還表現(xiàn)出了高層西北風(fēng)輸送的干冷空氣與低層西南暖濕氣流隨高度順轉(zhuǎn)的暖平流活動特征，為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了較大的不穩(wěn)定能量、水汽條件和觸發(fā)條件。

4 強(qiáng)對流天氣發(fā)生時的環(huán)境條件

4.1 水汽條件

圖4分析了2014年6月1日20時(距離對流天氣發(fā)生前4小時)、2016年6月14日20時(距離對流天氣發(fā)生前1小時)、2018年6月13日08時(距離對流天氣發(fā)生前10小時)青島站各氣象要素垂直分布，從青島站溫度露點(diǎn)差和相對濕度的廓線分布，如圖4(e)和4(f)所示，三次過程均表現(xiàn)出了近地面飽和，但在其以上又具有不同的分布型態(tài)。20140601是這三次對流過程中水汽條件最好的，在3 000 m高度以下溫度露點(diǎn)差均小于2 ℃，925～700 hPa平均相對濕度大于90%；但500 hPa 相對濕度僅為9%，為干層特征，具有典型的短時強(qiáng)降水的水汽層結(jié)特征。20160614濕層不太明顯，在3 000 m高度以下層平均溫度露點(diǎn)差為5.7 ℃，925～700 hPa 平均相對濕度68%，500 hPa 相對濕度39%。20180613過程水汽條件是最差的，對流天氣發(fā)生前中低層較干，925～700 hPa 平均相對濕度35%，但是在500～400 hPa 存在平均相對濕度73%淺薄濕層，這種中層濕中下層干的配置更有利于風(fēng)雹的產(chǎn)生。分析青島站850 hPa溫度露點(diǎn)差和500 hPa溫度露點(diǎn)差12 h變化(見表2)，也反映出20180613過程期間淺薄濕層和明顯干層特征?？偟膩砜矗械蛯虞^厚濕層和中層干燥大氣存在利于強(qiáng)降水天氣出現(xiàn)；三次過程都有干空氣侵入，干空氣侵入強(qiáng)度越強(qiáng)以及較低的干層層次較容易誘發(fā)較強(qiáng)的地面大風(fēng)和冰雹天氣的產(chǎn)生。這是因?yàn)槔妆┐箫L(fēng)是由雷暴云中一股強(qiáng)下沉氣流到達(dá)地面或地面附近產(chǎn)生的。而雷暴云中內(nèi)的下沉氣流的一個來源就是雷暴云周圍對流層中層的干冷空氣從云體右后方進(jìn)入，并和云中的空氣混合，然后下沉到地面而形成的。因此，對流層中層干冷空氣侵入與雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生有著密切的關(guān)系。

圖3 2014年6月1日(a)、2016年6月14日(b)和2018年6月13日(c)08時500hPa環(huán)流形勢Fig.3 500 hPa circulation fields at (a)08:00 June 1st,2014, (b) 08:00 June 14th,2016 and (c) 08:00 June 13th , 2018

大氣可降水量是一個地區(qū)上空整層大氣的水汽全部凝結(jié)并降至地面的降水量?？捎孟率奖硎荆?/p>

其中：PW為大氣可降水量；q為比濕；g為重力加速度；Pt、P0分別為大氣頂部氣壓和地面氣壓。由于大氣中高層水汽含量很少，絕大部分集中于中低對流層，所以在計算可降水量時，其積分限從地面取至300或400 hPa即可。本文分析這三次混合型對流過程以及每一次對流過程發(fā)生前和發(fā)生時地面露點(diǎn)溫度和大氣可降水量的變化來表征對流天氣過程中的水汽絕對含量。露點(diǎn)溫度在13～21，大氣可降水量值在28～39 mm之間變化，差異都不大。三次過程都出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水，但是降水強(qiáng)度又有差異，20140601最弱，20180613最強(qiáng)。在大氣可降水量差別不大的情況下，20180613過程有中高層西北風(fēng)輸送干冷空氣侵入造成500 hPa 降溫，850 hPa低層卻又增暖的環(huán)境大氣對應(yīng)的降水強(qiáng)度就更大，同時也發(fā)現(xiàn)CAPE越大的環(huán)境大氣也和較大的降水強(qiáng)度有一定的對應(yīng)關(guān)系(見表2和3)。

4.2 不穩(wěn)定條件

對流發(fā)生前的大氣層結(jié)狀態(tài)對于預(yù)判對流強(qiáng)度具有重要的指示意義。三次過程大氣穩(wěn)定度差異明顯，20160614和20180613過程均發(fā)生在不穩(wěn)定的環(huán)境大氣中，明顯強(qiáng)于20140601大氣不穩(wěn)定度。從反映大氣垂直溫度梯度的850和500 hPa溫度差來看(見表2)，20160614高低空溫差值為29.7 ℃，20180613的更是達(dá)到了34.7 ℃，遠(yuǎn)大于20140601弱對流過程的21.9 ℃的高低空溫差值。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，夏季華北地區(qū)冰雹和雷暴大風(fēng)的高低空溫差均值可達(dá)28 ℃以上，而暴雨均值為25 ℃，說明不太大的高低層溫差條件即可產(chǎn)生暴雨，但是強(qiáng)的雷暴天氣必須要達(dá)到比較大的溫差才有可能出現(xiàn)[16]。青島站500和850 hPa 24 h變溫也進(jìn)一步表明了這兩次過程在中層有干冷空氣侵入，低層大氣是一個增暖的上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)。如圖4(b)所示，在1～3 km高度范圍內(nèi)這三次冷渦天氣也都呈現(xiàn)出相當(dāng)位溫隨高度下降或者隨高度變化很小的不穩(wěn)定層結(jié)特性，但是同時出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹的20180613過程，相對位溫還呈現(xiàn)出了在低層出現(xiàn)極大值，在中層出現(xiàn)極小值且極小值隨高度增加的顯著的不穩(wěn)定層結(jié)特征。此外，在對流天氣發(fā)生前，20160614和20180613的500和850 hPa相當(dāng)位溫差均在10 K以上(見表2)，與20140601過程相比表現(xiàn)出了強(qiáng)的不穩(wěn)定性。在強(qiáng)的環(huán)境大氣不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)下，發(fā)生對流天氣的強(qiáng)度也較強(qiáng)。

在對流天氣發(fā)生前，如圖4(a)所示，20140601沒有逆溫層結(jié)，20160614和20180613低層都存在逆溫層結(jié)。2016年6月13日08時，在對流天氣發(fā)生前39小時，青島近地面層存在逆溫強(qiáng)度為0.47 ℃/100 m逆溫層，之后逆溫層結(jié)持續(xù)存在，但是逆溫強(qiáng)度呈現(xiàn)出了先增強(qiáng)又減弱的特點(diǎn)，到對流天氣發(fā)生前3小時左右，逆溫層結(jié)減弱為中性層結(jié)。2018年6月12日08時，對流天氣發(fā)生前的33 小時為非常淺薄的逆溫層，之后逆溫強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，從6月12日08時的0.03 ℃/100 m發(fā)展到13日08時的0.80 ℃/100 m。對流天氣發(fā)生前存在強(qiáng)的逆溫層結(jié)和逆溫層結(jié)持續(xù)時間長均有利于不穩(wěn)定能量的積聚，給強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供充足的能量。20160614和20180613過程均發(fā)生了冰雹、短時強(qiáng)降水和大風(fēng)天氣。

4.3 垂直風(fēng)切變條件

風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化影響著對流系統(tǒng)的組織、結(jié)構(gòu)和演變。一般情況下，風(fēng)垂直切變越大，風(fēng)暴生命史越長，強(qiáng)度也會越強(qiáng)[22]。0～3 km和6 km風(fēng)垂直切變?yōu)榈孛婧?和6 km高度處上下兩層的風(fēng)矢(或風(fēng)速)差。Rasmussen和Blanchard[23]認(rèn)為，0～3 km高度范圍內(nèi)風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)是風(fēng)暴形成、發(fā)展的一個關(guān)鍵因子。低層0～3 km風(fēng)切變對颮線的發(fā)展維持最為重要，但是在颮線發(fā)展旺盛階段應(yīng)考慮0～6 km的風(fēng)切變[2]。如表3所示，20140601、20160614和20180613過程0～6 km垂直風(fēng)切變均達(dá)到了中等或以上強(qiáng)度[24]，0～3 km垂直風(fēng)切變值差異較大。同時出現(xiàn)了冰雹、雷暴大風(fēng)和短時強(qiáng)降水的20180613過程，雖然其0～6 km風(fēng)切變是在這三次過程中最小的，但是0～3 km 垂直風(fēng)切變卻是最大的，強(qiáng)對流天氣結(jié)束時其量值還有22 m·s-1。20140601出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水和大風(fēng)，青島站0～3 km垂直風(fēng)切變較小(-2 m·s-1，地面風(fēng)明顯強(qiáng)于700 hPa 高度上的風(fēng)，如圖4(c)所示)，0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)到了23 m·s-1。對于這三次混合型對流天氣過程，在存在不穩(wěn)定層結(jié)和低層水汽充足的情況下，0～3 km垂直風(fēng)切變對青島及周邊地區(qū)強(qiáng)雷暴大風(fēng)和冰雹的預(yù)報預(yù)警有較好的指示意義。

圖4 三次對流天氣下青島站各氣象要素垂直分布Fig.4 Profiles of meteorological variables at site of Qingdao under three convective processes

表2 青島站各氣象要素12 h變化特征Table 2 Variations in 12 h on meteorological variables at Qingdao

表3 青島站大氣穩(wěn)定度指數(shù)Table 3 Atmospheric stability indexes at Qingdao

風(fēng)向的垂直變化情況是：20140601短時強(qiáng)降水過程前期為整層的偏南風(fēng)，20160614天氣過程，除在3 600～5 800 m高度上有淺薄的西北風(fēng)外，在強(qiáng)對流天氣發(fā)生前其余各高度上均表現(xiàn)為暖濕的偏南風(fēng)。對于20180613強(qiáng)對流天氣，則明顯表現(xiàn)出了中高層西北風(fēng)輸送的干冷空氣與低層西南暖濕氣流的風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)的暖平流活動特征(見圖4(d))。在這樣的風(fēng)場結(jié)構(gòu)下，大氣層結(jié)不穩(wěn)定加劇，為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了較大的不穩(wěn)定能量、水汽條件和觸發(fā)條件。

5 結(jié)論和討論

華北冷渦背景下2014年6月1日青島出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水和大風(fēng)、2016年6月14日出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水、大風(fēng)和冰雹、2018年6月13日則出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹天氣。本文通過對比分析這三次不同強(qiáng)度混合型對流天氣過程環(huán)流形勢以及水汽、不穩(wěn)定和垂直風(fēng)切變環(huán)境場條件特征，得到了如下結(jié)論：

(1)這三次過程500 hPa上華北冷渦位置均位于42°N附近，700和850 hPa有對應(yīng)低渦系統(tǒng)存在，青島處在地面氣旋的前部或東北部頂部輻合較強(qiáng)處；不同點(diǎn)是20160614和20180613對流天氣過程冷渦后部有冷空氣補(bǔ)充，低層為西南急流，20140601低層為更強(qiáng)的東南急流。

(2)上干下濕、925～700 hPa較厚濕層以及較大的相對濕度配合中層干空氣的水汽分布有利于短時強(qiáng)降水天氣出現(xiàn)；500～400 hPa淺薄濕層和中下層干的配置以及干空氣侵入容易誘發(fā)地面大風(fēng)和冰雹天氣的產(chǎn)生。

(3)天氣過程中環(huán)境穩(wěn)定度差異決定了對流強(qiáng)度的差異。同時出現(xiàn)短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹的20180613的層結(jié)不穩(wěn)定性明顯強(qiáng)于只出現(xiàn)短時強(qiáng)降水和大風(fēng)的20140601過程；強(qiáng)的東南急流為不穩(wěn)定條件較差的20140601過程提供豐富的水汽和動力條件。對流天氣發(fā)生前24 h存在逆溫層結(jié)或中性層結(jié)并持續(xù)有利于不穩(wěn)定能量的積聚，給雷暴大風(fēng)和冰雹強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供了充足的能量。

(4)在不穩(wěn)定層結(jié)存在和低層水汽充足的情況下，0～3 km垂直風(fēng)切變對青島地區(qū)強(qiáng)雷暴大風(fēng)和冰雹天氣的預(yù)報預(yù)警有較好的指示意義。

在高空冷渦背景下，受地形地貌特征、不同季節(jié)氣候差異以及局地環(huán)流特征的影響，發(fā)生強(qiáng)對流天氣的環(huán)境場條件也會具有不同的變化特點(diǎn)，對于不同地區(qū)或同一范圍都會存在這些差異性。本文只是針對青島6月份三次冷渦過程開展了總結(jié)分析，希望其中定性和定量的分析能夠?yàn)榇祟愄鞖獾念A(yù)報服務(wù)工作提供借鑒和幫助，但是更多具有普適性的量化指標(biāo)還需要在多個個例總結(jié)下提煉和完善。