保定“6·25”致雹超級單體過程分析

董疆南，韓英杰，丁和悅

河北省保定市氣象局，河北保定 071000

冰雹是河北省夏季頻發(fā)的災(zāi)害性天氣之一，由于其具有破壞力大、局地性強(qiáng)的特點(diǎn)，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害。冰雹的出現(xiàn)往往伴隨著超級單體，許多學(xué)者對超級單體展開了深入研究。鄭媛媛等[1-4]分別對強(qiáng)降雹過程中的超級單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征及成因做了細(xì)致的研究。陳關(guān)清等[5-6]對降雹過程中超級單體的中尺度特征進(jìn)行了分析。而近年來，許多華北地區(qū)的氣象工作者和科研人員也針對華北冰雹天氣的氣候特征、環(huán)流背景和對流環(huán)境條件進(jìn)行了深入研究，形成了天氣氣候概念模型，明顯改善了冰雹的潛勢預(yù)報(bào)狀況[7-9]。這些研究成果對人們認(rèn)識華北地區(qū)冰雹災(zāi)害的形成機(jī)理、尋找預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)提供了較好的天氣動力學(xué)基礎(chǔ)。

2020年6月25日下午，保定自西向東出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，淶源、易縣、滿城、順平、清苑區(qū)、蠡縣等部分地區(qū)先后出現(xiàn)大冰雹，其中，淶源、易縣、滿城、清苑4個(gè)國家站有測站記錄，降雹時(shí)段主要集中在14:30～18:00，測站最大冰雹直徑為易縣26 mm，此外個(gè)別地點(diǎn)還伴有短時(shí)大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水，最大風(fēng)力22 m/s。

1 環(huán)境條件分析

1.1 天氣形勢分析

2020年6月下旬初，500 hPa亞洲中高緯呈兩槽一脊，巴爾喀什湖以北有一高空冷渦，高空冷渦分裂東移。23日08:00高空冷渦移至貝加爾湖以南，此時(shí)河北地區(qū)受高空槽前西南氣流影響；隨著高空冷渦繼續(xù)東移，河北上空不斷有高空槽滑過，25日08:00，高空冷渦移至110°E以東，位于內(nèi)蒙古和蒙古國交界，此時(shí)河北地區(qū)上空受槽后西北氣流影響，且風(fēng)速明顯增大，最大風(fēng)速達(dá)22 m/s。700 hPa有冷渦配合，河北上空為西北氣流；850 hPa有低渦位于內(nèi)蒙古中部，有一東北—西南向切變線延伸至河套地區(qū)，河北上空為偏南氣流。在地面圖上可以看到，貝加爾湖西南側(cè)有一高壓，內(nèi)蒙古中部有一低壓，有一冷鋒從低壓中心延伸至甘肅地區(qū)，河北處在鋒前低壓區(qū)。

1.2 層結(jié)條件分析

選取2020年6月25日08:00進(jìn)行中尺度分析發(fā)現(xiàn)，本次過程屬于河北冰雹天氣中的典型的西北氣流型（圖1）。200 hPa有高空急流，河北處在高空急流左側(cè)；500 hPa高空槽位于河北東部，槽后有西北急流，最大風(fēng)速達(dá)22 m/s，河北大部分地區(qū)受西北急流控制；850 hPa切變線位于內(nèi)蒙古中部至河套一帶，系統(tǒng)呈前傾結(jié)構(gòu)；地面有一冷鋒位于內(nèi)蒙古中部至甘肅一帶，河北位于鋒前。500 hPa有溫度槽位于河北東部，700 hPa有露點(diǎn)鋒位于河北西部，說明槽后西北風(fēng)急流攜帶干冷空氣南下影響河北地區(qū)；而850 hPa有一暖脊，925 hPa則有一濕舌，說明河北地區(qū)低層受暖濕氣流影響，由此形成了上干下濕、上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)。由此可見，河北地區(qū)在25日08:00已經(jīng)具備適宜強(qiáng)對流發(fā)生的環(huán)境條件。

圖1 2020年6月25日08:00中尺度分析

隨著白天溫度的升高，不穩(wěn)定能量積聚，北京14:00探空圖顯示，華北地區(qū)上空對流有效位能(CAPE)為1 587.9 J/kg，沙 氏 指 數(shù) 為-2.06℃，K指 數(shù) 為33℃，850 hPa與500 hPa溫差為27.2℃，說明不穩(wěn)定能量大，大氣層結(jié)不穩(wěn)定（圖2）。從風(fēng)向的垂直變化可見，對流層低層風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，伴有較明顯暖平流，而高層則是順高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流，濕層也主要集中在700 hPa以下，形成了“上冷下暖，上干下濕”的形勢，有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定。另外，從風(fēng)速風(fēng)向來看，低層為東南風(fēng)，風(fēng)速較?。恢懈邔愚D(zhuǎn)為偏西風(fēng)和西北風(fēng)，風(fēng)速較大，說明垂直風(fēng)切變較大。大氣溫度層結(jié)的分布特征為：0℃層高度位于3.8 km，-20℃層高度位于6.7 km，適宜冰雹的形成。

圖2 2020年6月25日14:00北京探空

垂直風(fēng)切變是雷暴的增強(qiáng)機(jī)制，大冰雹的出現(xiàn)常常伴有較大的垂直風(fēng)切變。用歐洲中心ERA5再分析資料河北中部地區(qū)0～3 km垂直風(fēng)切變的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，25日14:00保定上空0～3 km垂直風(fēng)切變?yōu)?.5～3.0 m/（s·km）左右，此時(shí)0～3 km垂直風(fēng)切變大值區(qū)主要分布在西部山區(qū)，太行山東麓平原地區(qū)較小，而對流也主要出現(xiàn)在西部山區(qū)，且強(qiáng)度相對較?。▓D3a）。隨著系統(tǒng)的加強(qiáng)，18:00 0～3 km垂直風(fēng)切變達(dá)到4.5 m/（s·km），大值區(qū)主要位于保定西北至東南一帶，正是這種強(qiáng)垂直風(fēng)切變維持了對流風(fēng)暴的發(fā)展加強(qiáng)，使得雷暴發(fā)展成超級單體，有利于大冰雹天氣的出現(xiàn)（圖3b）。

圖3 2020年6月25日14:00（a）與18:00（b）河北中部0～3 km垂直風(fēng)切變

2 超級單體特征分析

本次強(qiáng)冰雹過程，石家莊新樂雷達(dá)多個(gè)仰角產(chǎn)品均有比較明顯特征出現(xiàn)。在反射率因子圖上，14:24保定西北部已經(jīng)有對流回波生成，最大強(qiáng)度已達(dá)69.5 dBz，受對流單體A影響，淶源14:28出現(xiàn)冰雹。隨著系統(tǒng)東移，對流單體A、B不斷加強(qiáng)，受A影響，15:55易縣出現(xiàn)冰雹。隨后對流單體A下山加強(qiáng)，17:18新樂雷達(dá)1.5°仰角反射率因子最大回波強(qiáng)度達(dá)到75.5 dBz，且風(fēng)暴前側(cè)有“V”形缺口（圖4a）。同時(shí)，6.0°仰角反射率因子圖有旁瓣回波和三體散射，具有很明顯的大冰雹特征，說明已風(fēng)暴單體A此時(shí)已經(jīng)發(fā)展成超級單體（圖4b）。在徑向速度圖上，從17:00開始連續(xù)存在5個(gè)體掃均有速度對出現(xiàn)，說明有中氣旋生成。17:30，4.3°仰角徑向速度圖上，黑色方框區(qū)域內(nèi)有負(fù)速度中心，最大負(fù)速度達(dá)-10 m/s，而圓形區(qū)域內(nèi)有正速度，且伴有速度模糊，最大正速度為35 m/s，由此可知，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到22.5 m/s，且距離雷達(dá)中心80 km左右，因此該速度對已達(dá)到強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，說明此時(shí)對流單體A已發(fā)展為強(qiáng)降雹超級單體（圖4c）。受超級單體的影響，滿城、清苑、蠡縣多地先后出現(xiàn)特大冰雹，造成嚴(yán)重災(zāi)害。17:42雷達(dá)0.5°仰角反射率因子圖上橢圓區(qū)域有陣風(fēng)鋒出現(xiàn)，該陣風(fēng)鋒一直沿超級單體的右前側(cè)移動，且距離風(fēng)暴較近，因此該陣風(fēng)鋒對風(fēng)暴母體也具有一定的正反饋?zhàn)饔?，使得本次降雹超單得以長時(shí)間維持發(fā)展（圖4d）。另外，陣風(fēng)鋒的出現(xiàn)，也造成了清苑等地的大風(fēng)天氣。

圖4 2020年6月25日石家莊新樂雷達(dá)回波

3 微波輻射計(jì)資料分析

清苑觀測站微波輻射計(jì)顯示，17:30開始地面氣壓涌升，從995.0 hPa升至999.1 hPa，上升了4.1 hPa，18:00氣壓再次下降至997.5 hPa左右；17:30地面溫度驟降，從28℃降至20℃；17:30地面濕度也大幅增加。說明17:30～18:00清苑地區(qū)有強(qiáng)對流風(fēng)暴經(jīng)過。再分析路徑液態(tài)水含量可以發(fā)現(xiàn)，17:30液態(tài)水含量明顯躍增，且幅度很大，說明對流風(fēng)暴伴有大冰雹。

從微波輻射計(jì)觀測到的大氣狀態(tài)來看，17:30整層溫度明顯下降，說明對流風(fēng)暴開始影響清苑觀測站，降雹開始。在相對濕度圖上，17:00以前整層大氣相對濕度大值區(qū)集中在2 km以下，km以上水汽密度有所增大，0.5～1.5 km以下水汽密度明顯減小。2 km以上相對濕度較小，整層大氣呈“上干下濕”結(jié)構(gòu)，這種不穩(wěn)定層結(jié)有利于對流風(fēng)暴的發(fā)展加強(qiáng)。降雹開始前，17:20左右，低層的濕度迅速增大，0.5～2.5 km附近大氣接近飽和。同時(shí)高空冷空氣開始侵入，4.5 km以上相對濕度迅速減??；17:30降雹開始后，邊界層大氣呈“上下濕、中間干”的3層結(jié)構(gòu)，2～2.5 km處存在的明顯干層，說明有干冷空氣向下侵入。在整個(gè)降雹的過程中，1.5 km以下水汽密度超過10 g/m3的，近地面水汽密度超過16 g/m3并且一直持續(xù)到降雹結(jié)束，降雹結(jié)束后1.5

4 結(jié)論

（1）本次致災(zāi)冰雹過程屬西北氣流型冰雹天氣，高低空急流和地面冷鋒為此次強(qiáng)冰雹天氣提供了有利的動力與熱力條件，較強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)和垂直風(fēng)切變適宜大冰雹的出現(xiàn)。

（2）石家莊新樂雷達(dá)顯示，降雹期間對流云團(tuán)具有三體散射、旁瓣回波等大冰雹特征，還出現(xiàn)持久深厚的中氣旋，具有明顯的超級單體特征；超級單體是本次強(qiáng)降雹過程長時(shí)間維持的主要原因。

（3）微波輻射計(jì)和風(fēng)廓線觀測資料顯示，強(qiáng)降雹超級單體臨近時(shí)液態(tài)水含量明顯躍增，整層大氣呈“上干下濕”結(jié)構(gòu)，說明大氣層結(jié)不穩(wěn)定；降雹開始后，邊界層大氣呈“上下濕、中間干”的3層結(jié)構(gòu)說明有干冷空氣向下侵入，有利于對流風(fēng)暴的發(fā)展和加強(qiáng)。