新乡地区一次华北低涡下的强对流天气过程分析

陈静雯

摘 要：本文利用MICAPS数据资料、NCEP 1°×1°再分析资料、常规观测数据和多普勒雷达资料等，从大尺度环流形势演变、影响系统、探空资料、水汽条件及能量分析等方面对这次华北低涡影响下的一次暴雨伴冰雹天气过程进行了分析。结果表明：充足的水汽条件、不稳定层结（低层暖空气高层冷平流）、外部抬升力和触发条件等条件同时满足，易导致强对流性天气的产生；适宜的0℃层和-20℃层高度有利于雹粒的增长，易发生冰雹天气。通过对本次过程的雷达反射率图和剖面图的分析可知，强回波（65dBZ以上）与0℃和-20℃温度层的高度、三体散射和有界弱回波区的出现是判断冰雹发生的明显依据，为以后在预报这类天气时提供重要参考。

关键词：华北低涡；暴雨；冰雹；雷达回波

中图分类号：P458.121.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0155-06

Analysis of a Strong Convective Weather Process Caused by North

China Low Vortex in Xinxiang

CHEN Jingwen

（Fengqiu Meteorological Administration，Fengqiu Hennan 453300）

Abstract： Based on Micaps data， NCEP 1°×1°reanalysis data， the conventional observed meteorological data and Doppler Radar data， the severe convection weather and hailing caused by north China low vortex in Xinxiang was analyzed by synoptic analysis method ，energy analysis method， physical quantity analysis method and radar data analysis method. The results showed that the severe convection weather occurs easily when the sufficient water vapor and instability （the warm and moisture air at low layer and the cold advection in upper air） and the outer rising force and trigger condition are all suitable. An appropriate height about 0 ℃ layer and -20 ℃ layer will be advantageous to the hail augmentation and hail. We analyzed radar reflectivity images and radar echo reflectivity cross section about this severe convection weather. As for hail， the typical echo characters include strong echo（over 65，dBZ）and an appropriate height about 0 ℃ layer and -20 ℃ layer， WER （Weak Echo Region） or BWER （Boundary WER）， TBSS （Three-Body Scatter Spider）. Thus， it provided us some important clues， aids in forecasting this kind of weather before long.

Keywords： North China low vortex；torrential rain；hail；radar echo

1 研究背景

強对流天气是夏季经常出现的一种灾害性天气现象，具有过程强度大、天气现象剧烈的特点，发生时常伴有短时强降水、大风、冰雹和龙卷风等激烈的天气现象，且往往会引发山洪、泥石流等严重的自然灾害和城市积水、内涝等灾害，给人民生产、生活造成极大的危害和经济损失。近年来，国内很多学者都对强对流天气进行了多方面研究。毛冬艳[1]总结了近几年我国强对流天气主要业务进展，提出强对流业务未来发展的方向和主要任务。朱乾根等[2]等总结了发生在我国的强对流天气所需的基本条件。张一平[3-6]等则对河南地区的伴有冰雹过程的强对流天气进行了中尺度天气背景、各个物理量和雷达回波特征的详细分析和研究。马月枝、叶东[7-9]等人则对新乡地区的强对流天气进行了详细研究，地理位置与本文相同，参考意义更加明显。杨敏[10]等则统计分析了40年不同天气形势下河南地区冰雹的时空分布特征，总结出冰雹发生时的大致天气形势及特征。而钟兴华[9]等则具体总结了新乡地区的降雹特征。牛淑贞[12]等利用新一代天气雷达产品，结合卫星、探空、天气图、地面雨量等资料对发生在河南省北部、西部和中部的强对流风暴过程进行分析。路志英[13-14]等则对冰雹的雷达图像特征进行了更加详细的分析研究。2016年6月4日，新乡市区、获嘉、辉县和卫辉出现了局地冰雹、短时强降水、雷暴和大风等灾害性天气。探讨强对流天气的发生发展，对提高预报准确率和预报提前量具有重要的现实意义。本文利用常规资料、加密观测资料和多普勒雷达等资料，加强对此类天气的认识和诊断分析，以期在今后的工作中对此类灾害性天气提前发出预报预警，为提高预报准确率提供参考。

2 天气概况

受华北冷涡的影响，2016年6月4日傍晚到夜里，河南省北部和东部出现了一次大范围的伴有雷电大风、冰雹、短时强降水等强对流天气过程。图1为2016年6月4日08：00至5日08：00河南省降水量分布图。从图1可以看出，本次降水过程雨量分布不均匀，获嘉、许昌、扶沟和修武四地出现暴雨。新乡地区出现这次强对流天气过程的特点是强度大、历时短、局地性强、降水时段集中且伴有冰雹。从实况记录（见图2）来看，新乡地区以大到暴雨天气为主，最大降水量出现在获嘉县，为91mm，主要降水时段集中在20：00—23：00，最大小时雨强达到50mm。随着该天气过程的移动，自西北向东南先后出现了18m/s以上的大风天气，其中最大风速出现在原阳师寨，为25.0m/s，出现时间为22：07。在该天气过程时段内，新乡市的郊区、辉县和卫辉等地区还出现了冰雹天气。辉县的降雹过程强度较强，平均直径为30mm，持续时间达30min，导致30 000人受灾，农作物受灾面积2 233hm?，直接经济损失达8 191万元。

此次强对流天气过程是2016年新乡市入夏以来的第一次强对流天气伴有降雹过程，由于预报员的主要精力主要集中在对强降水、雷电大风和局地冰雹等的预警，对于突发性降雹过程始料未及。此次冰雹天气受灾严重，值得我们深入思考和研究。为了提高对局地强对流天气的认识，为今后灾害性天气精细化预报和预警提供参考，本文对该次天气过程进行了详细研究。

3 天气背景

3.1 资料与方法

利用MICAPS数据资料、常规观测资料、NCEP 1°×1°再分析资料和多普勒雷达资料等，从大尺度环流形势演变、影响系统、探空资料、水汽条件和能量分析等方面对这次天气过程进行了综合分析。

3.2 天气背景

从图3可以看出，2016年6月4日08：00 200hPa上，自河套地区经河南到黄河入海口有一52m/s的高空急流。500hPa，河北北部与内蒙东部处有一568dagpm的低值中心，青海、甘肃经内蒙古西部到贝加尔湖为一强盛的高压脊，华北到黄淮处于低涡后部、高压脊前部一致的西北急流里，平均风速为18m/s。从温压配置来看，在西北气流的作用下，高空冷空气不断向河南地区输送，有明显的冷平流。700hPa，华北冷涡和贝加尔湖高压脊仍然存在，河南处于高压脊前强西北气流里。850hPa，榆林、朔州到北京一带有一东北西南向的切变线，河南处于切变线的南侧，存在暖平流，河套地区到河南850hPa和500hPa温度差达26℃。925hPa，河南西部到太原南部有一20℃的暖中心。

从高空分析图可以看出，河南北部位于高空急流轴左侧的辐散区内，对应较强的上升运动，为强对流天气的发生提供了动力不稳定条件。高空冷平流低层暖中心，较大的垂直温度递减率为暴雨、冰雹等天气的出现提供了不稳定层结条件，低层切变线为强对流天气提供了动力触发条件。到14：00，地面上，安阳至辉县有一东北西南向的辐合线存在，温度场上，新乡地区均为30℃以上，且附近有明显的气旋性辐合。太行山东侧至沿黄一带有一16～18℃的露点温度高值带，而太行山西北侧的有一平均露点温度为12℃的相对干区，存在明显的干线。到17：00，新乡西部ΔP3为-1.7hPa，说明太行山西北侧的相对干区向东南方移动，气团越过太行山，受地形作用的影响使其到达新乡西部时，气团进一步变干，由于干空气升温快，使得新乡西部的地表温度更容易达到对流温度。2016年6月4日19：00地面综合分析图见图4。从上述分析可以得出，新乡西部的高温、高湿中心为局地暴雨、冰雹的产生提供了较好的局地热力条件，气团内部的热力涡度、地面气旋性辐合和干线对局地暴雨伴冰雹天气起到了触发作用。

4 局地暴雨伴冰雹天气分析

4.1 探空资料分析

从4日08：00郑州探空资料（见图5）计算的层结稳定度参数来看，对流有效位能CAPE值为2.1J/kg，大气层结相对稳定。用14：00新乡地区的温度和露点订正后的探空图中（见图6），CAPE值达1 447J/kg，K指数为26.6℃，与08：00相比，CAPE值有明显涨幅，表明气团内部具备较强的热力不稳定条件，大气层结的不稳定性得到较大发展。另外，ΔT850-500达26℃，0～6km的垂直风切变为14.49m/s，大气可降水量较大，达30.9mm。对流温度为31.5℃，14：00新乡地区地面平均温度为30℃，白天太阳辐射加热边界层使得14：00新乡地区地面温度基本达到对流温度，也即没有其他动力抬升作用下，暖湿气团也可以从地面自由抬升。从探空资料还可看出，0℃层高度为4.1km，较强的对流不稳定和适宜的0℃和-20℃层高度的位置为降雹提供了有利的环境条件。从14：00订正探空图还可以看出，露点较大的湿层从地面扩展到850hPa，较好的水汽条件和大的对流有效位能意味着在降冰雹的同时，出现短时强降水的可能性也较大。到20：00，CAPE值、K指数、0℃层高度数值均未发生较大变化，说明午后至傍晚强对流潜势呈稳定维持的状态，强天气威胁指数SWEAT为238.2，这些指数的加强为强对流天气的出现提供了有利条件。对比《河南省天气预报技术手册》[15]中华北低涡型物理量指标，本次过程中的一些物理量并未达到阈值，这可能是造成此次强对流过程并未发展成大范围强降水伴冰雹天气，而是局地降雹的原因之一。

4.2 动力条件

垂直运动的分析判断在天气分析预报中有着特殊的作用。大尺度垂直运动的分布决定了大范围天气现象的分布，大气中发生的热量和动量的垂直输送及位能与动能之间的相互转换等，都与垂直运动有密切关系。因此，加强对相关天气过程中垂直速度的分析，可以了解大气中热量与动量的垂直输送情况。

从强对流区域上空垂直运动随时间连续演变来看，上升气流位置及强度的变化很好地对应了强对流过程的发生与发展。从强对流中心（35°N，114°E）作垂直运动的纬向剖面图（见图7）可以看出，4日08：00至14：00，强对流中心东侧上有一个较弱的上升运动区发展，期间新乡地区无天气过程发生。到20：00，新乡西部地区上空上升运动得到快速发展，特别是低层垂直运动得到了明显加强，存在一明显的垂直上升运动大值区，最大值达-1.4Pa/s，与短时强降水、大风及冰雹出现的时段有很好的对应关系。

从图8可以看出，散度的分布特征为：600hPa为无辐散层，600hPa之上为辐散，以下为辐合，散度的负值最小层（辐合最强层）是边界层的925hPa层，最小值达到-4（×10-5s-1）。925～600hPa辐合渐弱，600～200hPa辐散渐强，即由低层到高层散度值是增大的。与垂直上升运动对应，低层辐合高层辐散，有利于垂直上升运动的发展加强。

4.3 水汽条件

对流天气的能量来源主要来自于不稳定能量的释放和水汽凝结后的潜热释放，因此，强对流的产生和维持需要充分的水汽供应。夏季西北气流形势下，通常没有水汽输送，出现的强对流天气多以短时强降水、局地伴有雷电大风和冰雹等为主，雨量分布不均。从850hPa比湿时间序列图（见图9）可以看出，4日02：00到5日08：00之间，新乡地区的比湿始终在10g/kg之上。暴雨期间，比湿为11.5g/kg，达到了河南出现暴雨的临界指标值。一般情况下，西北气流形势下无水汽输送通道，水汽条件相对较差，不利于降水，而本次过程6月4日08：00，空气中水汽条件较好，午后辐射增温，地面暖湿空气上升，使边界层水汽含量进一步加大。由此可见，在夏季没有水汽输送的情况下，空气中的水汽含量足够大，甚至可能随着地面辐射增温使边界层水汽进一步增加，从而变成有利的降水条件。综上所述，6月4日08：00到14：00 CAPE值显著增加，较高的水汽含量，为暴雨伴随冰雹强对流过程提供了充分的不稳定能量和水汽条件。

5 多普勒雷达观测资料分析

5.1 对流风暴的发展和演变

从濮阳新一代雷达回波看，2016年6月4日傍晚到夜里，新乡地区的强对流天气过程主要表现为三个阶段。16：00山西长治南北侧各有块状回波生成，向东南方移动，经过短暂的合并后，由于受到地形作用的影响，再次分裂成两块回波，其中一块继续向东移动至鹤壁境内后逐渐减弱消散，另一块回波A，17：09移入新乡市辉县境内，强度进一步加强，达55dBZ。其后侧不断有对流单体新生、发展、合并，在长治地区形成回波B。A回波继续向东南方移动，经辉县北部、卫辉等地区后快速减弱消散；在此过程中，B回波不断向东南方移动并加强进入辉县地区，同时C回波在高平北部生成。B回波移到辉县中部时回波强度达到最强，为65dBZ，相应的，该地区出现了雷电、冰雹等强对流天气。C回波移动至新乡地区的过程中，不断有新的风暴单体产生，并快速合并，由先前的块状回波发展成片状回波，且范围不断扩大，20：48至23：00，获嘉、新乡和卫辉地区受该回波的影响，出现了不同程度的短时强降水，C回波于6月5日02：00移出新乡地区。这三个阶段对应的回波各有特点，A回波发展迅速，移动较快，过程中产生阵性降水；B回波在山西南部生成后，在向新乡地区移动的过程中，强度不断加强，形成较强的风暴单体，虽然没有新的单体与其合并，但一直维持着高强度，容易产生局地性的强对流天气；C回波属于典型的对流单体，在移动过程中，不断激发出新的单体，经过合并后形成有组织的片状回波，在新乡上空持续时间较长，带来了短时强降水等强对流天气。图10至图12展示了三个阶段的演变过程。

5.2 局地冰雹回波结构及其演变特征

現在单独对在新乡辉县产生冰雹过程的B回波进行讨论，对B回波进行剖面分析。从图13可以看出，该风暴16：39在山西南部生成，随后随着引导风向西移动。18：53进入新乡辉县境内时，已发展为超级单体，且强回波中心（>60dBZ）高度扩展至7.2km左右，与-20℃等温线高度基本一致。至19：29，B回波在基本反射率上表现出三体散射特征，同时在剖面图上具有弱的BWER特征。这些都表明该回波具有产生大冰雹的可能性，与降雹实况吻合。19：41移出辉县地区继续向西移动并逐渐减弱消散。

6 小结与讨论

2016年6月4日新乡地区的这次强对流天气是一次华北冷涡作用下的强对流天气过程。

①高空冷平流低层暖中心，形成上干冷下暖湿的大气层结条件下，太行山的地形作用使得气团过山之后进一步变干，对流作用加强，加剧了大气层结构的不稳定性，气团内部的热力涡度、地面气旋性辐合和干线对局地暴雨伴冰雹天气起到了触发作用。

②从6月4日08：00的探空图和14：00订正后的探空图可知，CAPE值有明显涨幅，不稳定能量增加，湿层从地面延伸至850hPa，湿层深厚，有良好的水汽条件，较好的水汽条件和对流有效位能是造成这次强对流天气的主要条件；0℃和-20℃层分别在4km和7km左右，为降雹提供了良好的环境条件。

③强对流发生之前，垂直上升运动不断发展并增强，在20：00，强对流发生时段达到最大值，过程结束后垂直上升运动减弱，与短时强降水，大风及冰雹出现的时段有很好的对应关系；散度变现为低层辐合、高层辐散，有利于上升运动发展。空气中比湿一直维持在一个较高水平，总体在10g/kg以上，本次过程没有水汽输送，但在午后地面辐射作用下暖湿空气上升，使边界层水汽含量进一步增加，午后辐射增温地面暖湿空气上升使边界层水汽含量进一步加大，提供了有利的降水水汽条件。

④通过雷达分析可知，B回波发展移动至辉县地区时回波中心（>60dBZ）高度扩展至7.2km左右，与-20℃等温线高度基本一致，在基本反射率上表现出三体散射特征，三体散射特征的出现对确定发生降雹天气有指示意义。

⑤与河南省强对流发生指标对比发现，本次过程中的一些物理量并未达到阈值，这可能是造成此次强对流过程是一个局地的降雹现象而非一个大范围强降水伴随冰雹天气的原因之一。此外，不同地区之间各个指标也稍有差别，大范围的指标具有一定的参考意义，但应该根据当地的情况总结出一套更精确和适用于当地的指标。

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