2023年5月滄州一次極端風(fēng)雹天氣過(guò)程及成因分析

摘 要：2023年5月12日傍晚至夜間，河北滄州出現(xiàn)一次以風(fēng)雹為主、高空冷平流強(qiáng)迫類對(duì)流過(guò)程，過(guò)程第一階段風(fēng)力最大達(dá)到11～12級(jí)，以＜2 cm小冰雹為主，第二階段風(fēng)力減弱，最大9級(jí)，滄州南部出現(xiàn)2～5 cm大冰雹。前期冷池出流作用利于對(duì)流觸發(fā)。水汽、不穩(wěn)定能量及垂直風(fēng)切變條件增強(qiáng)，配合地面輻合線發(fā)展有利于對(duì)流的再次觸發(fā)和加強(qiáng)。中氣旋風(fēng)場(chǎng)后向傾斜加強(qiáng)氣壓梯度、降水粒子的拖拽、干空氣夾卷導(dǎo)致負(fù)浮力加強(qiáng)下沉氣流共同作用，有利于極端雷暴大風(fēng)出現(xiàn)。濕層厚度增加，VIL明顯躍增、風(fēng)暴頂高和強(qiáng)回波高度較高，雷暴質(zhì)心下降較慢；存在典型ZDR柱，CC 0.8 dB高度超過(guò)5 km、KDP顯示空洞，預(yù)示大冰雹出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：雷暴大風(fēng)；冰雹；雙偏振雷達(dá)；觸發(fā)機(jī)制；不穩(wěn)定能量

中圖分類號(hào)：P458.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）08–0-03

強(qiáng)對(duì)流天氣由于其具有突發(fā)性強(qiáng)、尺度小、災(zāi)害大等特征，一直是短臨預(yù)報(bào)領(lǐng)域研究的重難點(diǎn)[1-7]。2023年5月12日16：00～23：00河北東南部滄州地區(qū)95個(gè)站出現(xiàn)8級(jí)以上的短時(shí)大風(fēng)，青縣國(guó)家站風(fēng)速最大達(dá)35.9 m/s（12級(jí)）（圖1a）。據(jù)地面自動(dòng)觀測(cè)站及人工觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，滄州中西部及南部多地出現(xiàn)冰雹（圖1b），過(guò)程未出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，是一次以風(fēng)雹天氣為主的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。從組合反射率和災(zāi)情實(shí)況來(lái)看，過(guò)程分16：00～20：00和20：00 24：00兩階段，第一階段風(fēng)力最大達(dá)到11～12級(jí)，以＜2 cm小冰雹為主，第二階段風(fēng)力減弱，最大9級(jí)，滄州南部出現(xiàn)2～5 cm大冰雹。

極端性風(fēng)雹天氣的出現(xiàn)給滄州地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大影響，并且在大量不穩(wěn)定能量釋放后夜間對(duì)流再次發(fā)展，對(duì)短臨預(yù)報(bào)產(chǎn)生一定難度，因此，使用來(lái)自常規(guī)觀測(cè)和自動(dòng)站資料、空間分辨率為0.25×0.25°ERA5再分析格點(diǎn)資料、雙偏振雷達(dá)資料，對(duì)此次風(fēng)雹天氣進(jìn)行分析，提高未來(lái)對(duì)此類對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)能力，促進(jìn)滄州地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1 極端風(fēng)雹天氣過(guò)程概況

從08：00環(huán)流形勢(shì)和綜合配置圖上來(lái)看，此次天氣為一次典型高空冷平流強(qiáng)迫型對(duì)流過(guò)程（圖2）。滄州地區(qū)位于500 hPa高空槽后西北氣流處，850 hPa轉(zhuǎn)為短波槽前西南氣流，為前傾槽配置，500 hPa冷舌疊加在850 hPa暖脊上方，850～ 500 hPa溫差32 ℃以上，并且中層500 hPa存在明顯干區(qū)，上干冷，下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)有利于前期大量不穩(wěn)定能量積累。

從17：00訂正探空來(lái)看，CAPE為1834 J/kg，K=24.5，850 hPa以下存在假相當(dāng)位溫且隨高度減少，存在不穩(wěn)定條件，不穩(wěn)定能量條件較好，-20 ℃高度5.6 km，WBZ高度2.6 km，融化層高度較低，有利于冰雹出現(xiàn)；整層較干，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?8 m/s，達(dá)中等強(qiáng)度，850 hPa以下位溫線和干絕熱線幾乎平行，有利于雷暴大風(fēng)出現(xiàn)；T-Td較大，濕層淺薄，不利于短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)。

2 物理量場(chǎng)

從850 hPa以下水汽通量積分疊加925 hPa風(fēng)場(chǎng)圖（圖略）可以看到，17：00～20：00 925 hPa超低空西南急流建立并加強(qiáng)，引導(dǎo)水汽源源不斷自南部地區(qū)不斷向河北東南部輸送，水汽輸送帶隨之建立，水汽輸送有所增強(qiáng)。同時(shí)，滄州地區(qū)處于急流出口區(qū)和強(qiáng)風(fēng)速脈動(dòng)區(qū)，從水汽通量和水汽通量散度圖（圖略）可以看到，17：00滄州西北部有弱的水汽通量輻合，其位置與初始對(duì)流位置對(duì)應(yīng)，20：00滄州東南部地區(qū)出現(xiàn)水汽輸送帶和水汽輻合大值區(qū)，最強(qiáng)水汽輻合達(dá)-6×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，強(qiáng)度較前一階段明顯加強(qiáng)。

從相對(duì)濕度垂直剖面時(shí)序圖（圖略）來(lái)看，與“典型短時(shí)強(qiáng)降水深厚濕層特征”明顯不同，此次風(fēng)雹過(guò)程對(duì)比前后兩階段發(fā)現(xiàn)，12日20：00前700～850 hPa干空氣夾卷明顯，進(jìn)一步促進(jìn)雷暴大風(fēng)發(fā)生，而20：00后，低層濕度有所加強(qiáng)，濕層厚度不斷向上增厚，有效為雹胚“濕增長(zhǎng)”提供機(jī)會(huì)，有利于大冰雹的出現(xiàn)。

由于850 hPa以下受暖濕氣流控制，中層有干冷空氣侵入，θse在低層密集并隨高度減小，存在對(duì)流不穩(wěn)定性，并在17：00近地面層θse達(dá)到324 K以上，低層暖濕氣流進(jìn)一步加強(qiáng)，使得滄州地區(qū)一直處于強(qiáng)的不穩(wěn)定狀態(tài)；第一階段結(jié)束后，20：00可以看到低層風(fēng)將對(duì)流不穩(wěn)定能量持續(xù)向上輸送，對(duì)后期對(duì)流發(fā)生熱力環(huán)境十分有利。

從K指數(shù)分布來(lái)看，兩階段K指數(shù)大值區(qū)位置與過(guò)程風(fēng)雹影響區(qū)域近乎重合，17：00滄州西北部K指數(shù)較大，達(dá)到36 ℃，隨后此區(qū)域出現(xiàn)10級(jí)以上大風(fēng)和小冰雹，至20：00由于850 hPa暖平流加強(qiáng)和低層水汽條件轉(zhuǎn)好，有利于不穩(wěn)定能量的加強(qiáng)，導(dǎo)致整個(gè)滄州地區(qū)K指數(shù)大范圍增大均超過(guò)32 ℃，并且第二階段滄州中南部降雹集中區(qū)K指數(shù)最大達(dá)到38 ℃，3 h增量達(dá)10 ℃（圖3a、圖3b）。

從17：00、20：00 0～6 km垂直風(fēng)切變分布可以看到，夜間垂直前邊大值中心不斷向滄州地區(qū)擴(kuò)展，強(qiáng)度達(dá)到30 m/s以上，屬于強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，具有明顯的極端性。垂直風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)有利于上升和下沉氣流長(zhǎng)時(shí)間共存，使得風(fēng)暴有組織化和長(zhǎng)時(shí)間維持，有利于超級(jí)單體風(fēng)暴的發(fā)展。結(jié)合回波實(shí)況發(fā)現(xiàn)，第一、第二階段確實(shí)均有超級(jí)單體出現(xiàn)，并且由于垂直風(fēng)切加強(qiáng)，第二階段超級(jí)單體更強(qiáng)（圖4）。

從觸發(fā)機(jī)制來(lái)看，12日17：00河北中南部地區(qū)地面氣溫已接近日最高氣溫值，從FY4可見(jiàn)光云圖可知已經(jīng)有局地強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)發(fā)展，產(chǎn)生降水導(dǎo)致近地面溫度驟降，在滄州西北地區(qū)已形成明顯冷池（圖略）。3 h變壓梯度較大，雷暴冷池出流加強(qiáng)，有利于冷池東南部地面輻合線加強(qiáng)，進(jìn)一步使大量不穩(wěn)定能量迅速釋放，導(dǎo)致滄州出現(xiàn)極端性大風(fēng)天氣。至20：00地面完全受冷空氣控制，但由于地面中尺度輻合線再次發(fā)展，為對(duì)流的再次觸發(fā)提供了有利條件。

3 雷達(dá)特征

在此天氣過(guò)程中，2個(gè)階段均識(shí)別出勾狀回波、有界弱回波區(qū)、回波懸垂、中氣旋，判斷有超級(jí)單體出現(xiàn)。第一階段超級(jí)單體在向滄州地區(qū)發(fā)展移動(dòng)的過(guò)程中，在17：18 HCL圖上（圖略）可以看到，0.5°仰角鉤狀回波顯示有冰雹和降水粒子，其重力拖曳作用使此處附近風(fēng)暴頂高和最大反射率因子高度從17：00～

18：00迅速分別下降至8.7和2.5 km附近，形成強(qiáng)烈下沉氣流，至地面輻散產(chǎn)生大風(fēng)。從17：30多個(gè)速度仰角可以看到，氣旋風(fēng)場(chǎng)是向后傾斜分布的，地面下沉氣流附近高壓與低層中氣旋附近氣壓下降地區(qū)形成強(qiáng)變壓梯度，進(jìn)一步使風(fēng)暴低層輻散加強(qiáng)。在風(fēng)廓線圖上，中低層顯著干層附近風(fēng)力達(dá)到20 m/s以上，下沉氣流內(nèi)水凝物受到附近夾卷入風(fēng)暴的較干空氣影響，持續(xù)蒸發(fā)降溫，下沉氣流內(nèi)部和外界產(chǎn)生明顯溫差，致使空氣受到向下的負(fù)浮力，引起下沉氣流的加強(qiáng)，有利于下?lián)舯┝骷訌?qiáng)。

從2個(gè)階段的超級(jí)單體附近VIL值分布可以看到，在降雹發(fā)生前產(chǎn)生躍增，一個(gè)體掃增量均達(dá)到20～35 kg/m2，但風(fēng)暴頂高在第二階段最高達(dá)到14.7 km，強(qiáng)回波高度最高達(dá)到7.3 km，-20 ℃高度在5.6 km附近，雷暴質(zhì)心下降較慢，對(duì)第二階段冰雹持續(xù)增長(zhǎng)十分有利。第一階段地面觀測(cè)到小冰雹時(shí)，出現(xiàn)ZDR柱，但中心強(qiáng)度偏低，說(shuō)明上升氣流較弱，KDP也沒(méi)有出現(xiàn)明顯空洞，固態(tài)水凝物較少，CC 0.8 dB高度剛剛達(dá)到5 km處。第二階段反射率因子低層弱回波區(qū)有大冰雹存在，ZDR 1.5 dB達(dá)3.4 km，0.5 dB接近5 km，強(qiáng)上升氣流將大量水凝物抬升至0 ℃層高度以上，形成典型ZDR柱；CC剖面0.8 bB高度超過(guò)5 km；KDP由于大冰雹不符合瑞利散射顯示空洞（圖5）。

4 總結(jié)

（1）此次天氣過(guò)程是一次以風(fēng)雹為主、高空冷平流強(qiáng)迫類對(duì)流過(guò)程，前期冷池出流作用有利于對(duì)流觸發(fā)。

（2）水汽、能量及垂直風(fēng)切變條件轉(zhuǎn)好配合地面輻合線發(fā)展利于對(duì)流的再次觸發(fā)。

（3）中氣旋風(fēng)場(chǎng)后向傾斜加強(qiáng)氣壓梯度、降水粒子的拖拽及干空氣夾卷導(dǎo)致負(fù)浮力加強(qiáng)下沉氣流共同作用有利于極端雷暴大風(fēng)出現(xiàn)。

（4）濕層厚度增加，VIL明顯躍增、風(fēng)暴頂高和強(qiáng)回波高度較高，雷暴質(zhì)心下降較慢；存在典型ZDR柱，CC值0.8 dB高度超過(guò)5 km、KDP顯示空洞，預(yù)示大冰雹出現(xiàn)。

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