天津一次強對流天氣過程分析

童翹宇，史 珺，孫碧瑩

(天津市東麗區(qū)氣象局 天津 300300)

0 引 言

強對流天氣是發(fā)生在對流單體或云系中伴有短時強降水、雷雨大風、冰雹等的災害性天氣，具有生命史短、突發(fā)性強、災害性大的特點。在全球變暖的氣候背景下，夏季強對流天氣的發(fā)生更為頻繁，對社會經濟和人民生命財產安全產生了重要影響。多年來，強對流天氣一直是國內外學者關注的重點，通過持續(xù)總結強對流天氣的時空分布與天氣學特征[1-3]，探討強對流天氣的預報指標與預報方法[4-9]，利用衛(wèi)星云圖、雷達回波特征及數(shù)值模式等[10-13]對強對流天氣進行綜合分析，逐漸形成了強對流天氣發(fā)生發(fā)展機制的堅實理論基礎。

2021年8月23日，天津一天內發(fā)生多場降雨，較短時間內的集中降雨給城市交通運行和居民生活出行帶來不便。通過對本次雷雨大風過程的降水特點、環(huán)流配置、物理量特征及衛(wèi)星云圖等進行分析，加強對其物理機制的理解并增強預報預警能力，以期為今后強對流天氣預報提供參考。

1 天氣概況

2021年8月23日，天津地區(qū)出現(xiàn)強對流天氣過程，局地伴有短時大風，未出現(xiàn)冰雹天氣。按照降水量演變狀態(tài)，整個降水過程可以分為2個階段：第一階段為23日下午(14：50～16：30)，雨帶呈東西帶狀分布，主要出現(xiàn)在天津市區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)、東麗區(qū)及寧河區(qū)等地，最大降水量44.6 mm，最大小時雨強為33.9 mm(15～16時)，西青區(qū)和寧河區(qū)出現(xiàn)7級陣風；第二階段為23日傍晚至前半夜(19：50～01：30)，全市均出現(xiàn)降雨，最大降水量97.5 mm、最大小時雨強65.4 mm(00～01時)和最大陣風24.3 m/s (9級)均出現(xiàn)在濱海新區(qū)沿海地區(qū)。

2 成因分析

2.1 環(huán)流形勢分析

利用MICAPS實時數(shù)據分析8月23日8時天氣形勢(圖1)，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)受深厚冷渦系統(tǒng)控制，其高空槽從冷渦中心一直向南延伸至30°N附近，溫度槽明顯落后于高度槽，槽后有顯著的冷平流存在。500 hPa中高緯呈緯向型環(huán)流，副熱帶高壓呈帶狀穩(wěn)定維持在華南一帶，平直鋒區(qū)上短波槽不斷生成，河套附近有低槽東移，帶動冷空氣入侵華北地區(qū)。從高低空配置上看，500 hPa槽與700 hPa槽位置基本一致，但明顯落后于850 hPa槽，對流層中低層天津附 近存在多條切變線，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。與高空冷渦系統(tǒng)相對應，地面圖上表現(xiàn)為低值系統(tǒng)，冷鋒位于蒙古上空，天津處于低壓底部的均壓場中。隨后河套槽快速南壓，14時整層呈現(xiàn)為前傾槽結構，中上層冷空氣疊加到中下層暖濕空氣上，上干冷下暖濕的不穩(wěn)定結構更加顯著。同時地面暖低壓增強，臺風持續(xù)北上，天津附近的氣壓梯度不斷增大。

圖1 2021年8月23日8時天氣形勢 Fig.1 Synoptic situation at 8：00 on 23th August 2021

2.2 地面中小尺度分析

分析地面加密自動站觀測到的風場發(fā)現(xiàn)地面輻合線鋒生是短時強對流產生的有利觸發(fā)機制。8月23日11時，天津東部出現(xiàn)明顯的地面切變線，該切變線自東南向西北推進，產生明顯風向輻合、局地切變和垂直上升運動，與第一階段雷雨大風的落區(qū)和時間對應吻合。而在第二階段降水首先出現(xiàn)于天津西南部，雨區(qū)逐漸擴大并朝東北方向發(fā)展，主要是受高槽東移影響。23時槽后西北風與渤海沿岸東北風相遇產生切變，導致濱海新區(qū)沿海地區(qū)觸發(fā)局地暴雨 大風。

2.3 物理量診斷分析

分析8月23日8時物理量場發(fā)現(xiàn)天津低層到中高層呈現(xiàn)一致的垂直上升，在散度場上表現(xiàn)為低層輻合配合高層輻散，輻合高度略低于最大上升層高度，利于上升運動的維持。從濕度場上看，850 hPa天津比濕8～10 g/kg，而500 hPa比濕僅為2 g/kg，整層呈現(xiàn)上干下濕的不穩(wěn)定層結。以天津東麗站為例分析假相當位溫和水汽通量散度的垂直時間變化(圖2)，發(fā)現(xiàn)降水期間假相當位溫隨著氣壓降低而減小，低層有明顯的水汽輻合?？梢娫趶妼α靼l(fā)生前天津地區(qū)已經具備較好的層結不穩(wěn)定，不穩(wěn)定能量增加，上升運動旺盛，中下層水汽充沛，非常有利于強對流天氣的觸發(fā)。

圖2 假相當位溫和水汽通量散度的垂直分布隨時間的演變(黑色框為降雨發(fā)生時間段) Fig.2 Time series variation of vertical distributions of θse and vapor flux divergence (the black circle indicates the whole rainstorm process)

2.4 探空資料分析

分析8月23日8時北京探空資料(圖3)，發(fā)現(xiàn)850 hPa以上風隨高度順轉有弱暖平流，其下層風隨高度逆轉有冷平流。從溫度層結曲線及濕度的垂直變化上看中層有明顯干層，底層存在的弱逆溫層不僅阻擋其上層的干冷空氣繼續(xù)向下侵入，同時利于底層的水汽持續(xù)輻合，不斷增強能量積累。從對流參數(shù)上發(fā)現(xiàn)對流有效位能達到2 018.4 J/kg，同時K指數(shù) 為36.1℃，均說明天津地區(qū)存在很強的潛在不穩(wěn)定能量。

圖3 2021年8月23日8時北京溫度對數(shù)壓力圖 Fig.3 Beijing T-lnp diagram of temperature at 8：00 on 23th August 2021

2.5 衛(wèi)星云圖分析

從紅外云圖上看(圖4)，中高緯度存在稠密的渦旋云系，其頭部有高空吹散的卷云羽，絲縷狀紋理較 清晰，尾部后側干縫持續(xù)卷入頭部，表現(xiàn)為晴空區(qū)。云系尾部附近色調白亮，對流云團發(fā)展旺盛，伸展高度也比較高，容易激發(fā)新的強對流云團生成。從水汽云圖也可以看到云系色調白亮，意味水汽充足，同時存在顯著暗區(qū)，表明中上層存在下沉的干冷空氣，在冷空氣激發(fā)下，暖濕氣流劇烈抬升，對流天氣旺盛。

圖4 2021年8月23日14時紅外云圖和水汽云圖 Fig.4 Infrared cloud image and water vapor cloud image at 14：00 on 23th August 2021

3 總 結

利用常規(guī)觀測資料、地面加密自動站、衛(wèi)星云圖 等多種觀測資料對2021年8月23日天津雷雨大風天氣進行初步的診斷分析，可以發(fā)現(xiàn)以下情況。

①分析23日形勢場看到華北地區(qū)高空有冷渦持續(xù)東移，對流層中下層天津附近有多條切變線配合，這種高低層環(huán)流配置為本次強對流的發(fā)生提供有利的大尺度環(huán)流條件。同時臺風持續(xù)北上，地面暖低壓增強，天津附近的氣壓梯度不斷增大，這是大風發(fā)生的重要背景。

②在冷渦東移過程中冷空氣與暖濕氣流相遇，高層濕度小、低層濕度大，上干冷下暖濕的結構特征產生不穩(wěn)定層結。高層輻散、低層輻合的垂直配置有利于強盛上升空氣的維持。低層水汽通量輻合表明 有源源不斷的水汽輸送，為降雨提供了充沛的水汽 條件。

③按降水量的時間演變可將整個降水過程分為2個階段：第一階段為23日下午，持續(xù)時間不足3 h，小時雨強大，雨帶呈東西帶狀，此時東移的高空冷渦尚未移近天津，短時強降水主要是地面輻合線觸發(fā)產生的局地對流性降水；第二階段為23日傍晚到前半夜，受冷渦東移影響，天津全市產生降水，雨勢相對平緩，而在渤海沿岸的偏北風輻合加強，導致濱海新區(qū)沿海地區(qū)產生局地暴雨大風天氣。