一次超級單體雹暴的中尺度對流特征和 形成條件分析

雷蕾 孫繼松 喬林 陳明軒

（1 北京市氣象臺，北京 100089；2 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081； 3 京津冀環境氣象預報預警中心，北京 100089；4 北京城市氣象研究院,北京 100089）

0 引言

冰雹、短時強降水等強對流天氣具有突發性、局地性、致災性強的特點，常常給大城市運行帶來較大的困擾，并且在地質災害易發區造成嚴重的安全隱患，對人民生命財產安全造成嚴重危害。預報和科研人員一直致力于對其結構特征、形成機制和預報著眼點進行探索研究，具有十分重要的經濟價值和社會意義。強對流天氣的發生發展依賴于大氣的熱動力條件，通常都是在有利的天氣背景下發展的，更與中小尺度天氣系統直接相關，此外，還與地形的影響密切相關[1-4]。近年的研究表明，中尺度的輻合（邊界層輻合線、陣風鋒等）抬升機制、近地面冷池的增強往往與對流風暴發生有緊密聯系[5-13]。冰雹在強對流天氣中致災性強，北京地區5—9月均為冰雹多發月份，6月最多，其次為8月和7月[14]；從落區來看西北部山區是高發區[14-15]，主要的天氣影響系統有低槽冷鋒、蒙古渦、西北氣流和東北渦[16-18]，其中西北氣流類型下的對流往往具有獨立發展或多個對流局地發展后合并的特點，回波范圍不大，但很強[16]。本文研究的2014年7月16日這次大雹事件就屬于這種天氣類型降雹。

圖1 2014年7月16日16—22時北京地區（a）冰雹和短時大風和（b）雨量分布 Fig. 1 Hail and wind gust (a), rainfall (b) distribution in Beijing area from 1600 BT to 2200 BT on 16 July 2014

7月16日下午至夜間（16—22時，北京時，下同），位于河北赤城的局地孤立單體進入北京西北部，并發展成超級單體迅速南下，具有強度強，災害嚴重等特點。北京西部和中心城區受其影響出現了嚴重的冰雹天氣（圖1a中紅色三角指示冰雹出現的地方），最大直徑7 cm（昌平流村）（圖2a），密度較大，持續時間約30 min，是繼2005年5月31日北京城區出現的5 cm大冰雹事件[19]之后的又一次更強的冰雹天氣，如此大尺寸在北京地區冰雹記錄中也屬罕見。冰雹導致西北部鄉鎮房屋受損，果樹折斷、倒伏，玉米等農作物大面積受損，現場調查了解，南口鎮花塔村桃園基本絕收，估算造成昌平區直接經濟損失6700萬元。對流過程中伴有6級以上短時大風、其中城區西部一帶局地陣風達9級（圖1a），還伴有局地短時暴雨，最大小時雨強48.4 mm（圖1b），部分路段出現嚴重的積澇，海淀田村附近橋下短時間迅速積水達2 m、淹車18輛（圖2b）。7月16日，延慶、昌平、海淀、石景山等多區發布暴雨黃色（或藍色）預警信號和冰雹黃色預警信號。

圖2 2014年7月16日昌平（a）大冰雹及（b）短時強降水造成的局地內澇 Fig. 2 Big hail (a) and waterlogging disaster (b) in Beijing on 16 July 2014

這次過程提前一天預報有雷陣雨天氣，但是全球及區域模式對于降雨量級、落區、出現的時間均分歧較大，北京的區域中尺度模式表現出較全球模式更接近實況的預報效果。近年來，北京市氣象臺在分類強對流天氣的潛勢預報中做了一些工作，研發了基于區域快速循環同化中尺度模式的強對流天氣分類概率預報系統[20]，但是臨近時次的實況探空、雷達等資料綜合分析依然是更準確預報和預警的手段。對于這次罕見的大冰雹事件，仍需利用觀測資料進行仔細分析其特征，并有必要對這次對流風暴的組織結構和形成原因進行一些探討。

1 天氣背景

7月16日08時，華北東部500～700 hPa有低渦低槽影響，500 hPa溫度槽落后于高空槽，槽后冷平流有利于高空槽加深發展，同時，槽后西北氣流加強，北京正處于西北氣流影響中。低層850 hPa配合有南北向切變線，地面氣壓場呈現“東高西低”分布特征，京津冀處于高壓后部弱輻合區內。高空槽系統配置表現為“前傾槽”結構，槽后的冷平流疊加在低層切變線南側的偏南氣流暖平流之上，大氣層結不穩定（圖3）。在槽和切變線影響下，華北地區850～700 hPa有垂直上升運動，并且北京處于850 hPa的上升中心（圖4a），700 hPa上升中心與之相比略偏西（圖4b），因此北京城區及以西地區均處于有利的動力抬升區域。此外，北京地區850 hPa比濕11～12 g/kg、相對濕度75%以上（圖5a），且處于θse高能量中心（357～360 K），有利于強天氣的發生發展（圖5b）。這次降雹屬于西北氣流類型，這種類型下低層濕度往往是降雹的必要條件，切變線等擾動和輻合上升區即雹云出現和發展地區。

圖3 2014年7月16日08時（a）500 hPa、（b）700 hPa、（c）850 hPa，以及（d）14時地面天氣形勢 Fig. 3 Synoptic maps at 500 hPa (a),700 hPa (b), 850 hPa (c) at 0800 BT and surface (d) at 1400 BT on 16 July 2014

圖4 2014年7月16日08時（a）850 hPa和（b）700 hPa垂直速度（單位：Pa/s） Fig. 4 Vertical velocity at 850 hPa (a), 700 hPa (b) at 0800 BT on 16 July 2014 (unit: Pa/s)

圖5 2014年7月16日08時850 hPa比濕（單位：g/kg）配合相對濕度（a）和假相當位溫θse場（b）（單位：K） Fig. 5 Specific humidity (unit: g/kg) and relative humidity (a), θse (b) (unit:K) at 0800 BT on 16 July 2014

北京16日08時探空顯示CAPE值達到1785 J/kg，K指數為36 ℃，SI指數達-4 ℃，0～6 km垂直風切變約為10.92 m/s（圖6a）。14時，在強雷暴發生前，500 hPa以上有明顯的干空氣侵入，中低層濕度也略有減小，探空呈現出“喇叭口”型結構，是典型的冰雹和雷暴大風的探空曲線結構（圖6b）。此外，低層轉為弱的東南風，垂直風切變進一步增大。08時0 ℃層和-20 ℃層，層高度分別位于610 hPa、400 hPa附近，14時0 ℃層略有抬升，由4300 m左右升高到4500 m，使得和-20 ℃層之間的厚度減小，層結不穩定性趨于增大，滿足北京地區出現冰雹的特性層高度條件[21]。

圖6 2014年7月16日08時（a）和14時（b）北京（54511）探空 Fig. 6 Radio sounding at 0800 BT (a) and 1400 BT (b) on 16 July 2014 at Beijing Observation Station

2 降雹的超級單體的雷達回波特征

由觀象臺SA雷達監測可見，7月16日下午北京地區出現非常清楚的邊界層輻合線（由天津附近的雷暴陣風鋒和海風合并造成）由東南部向西移動，表明低層的輻合條件非常好同時該輻合線也形成了向西伸展的濕舌和豐富的水汽輸送[13]。此時（16:18）河北赤城的局地孤立單體即將進入延慶（圖7a）。該單體迅速向東南方向移動，經延慶進入昌平。17:36，該單體與邊界層輻合線相遇后強度迅速加強，同時前側梯度加大；18時，6.0度仰角出現“三體散射”的特征，徑向速度上觀測到非常清楚的中氣旋（圖7b、7c），旋轉速度達到23.5 m/s，表明超級單體已經形成。其最強反射率因子達70 dBz，高度在6 km左右，回波頂高在15 km以上，垂直累積液態水含量達70 kg/m2。正是受該超級單體影響，昌平區多地遭冰雹襲擊，最大冰雹直徑達7 cm。

圖7 觀象臺SA雷達（a）1.5°反射率因子（16:18），（b）6.0°反射率因子（18:00），（c）6.0°徑向速度（18:00），（d）0.5°徑向速度(18:18)，（e）組合反射率因子（18:48），（f）垂直剖面（經過圖e超級單體雷暴）（18:48） Fig. 7 Beijing SA-band radar reflectivity factor at 1.5° (1618 BT) (a) and 6.0° (1800 BT) (b) radial velocity at 6.0° (1800 BT) (c) and 0.5 andve BT) (d), composed reflectivity factor (1848 BT) (e), and vertical profile across the supercell (f) (1848 BT)

18:18，低層0.5度仰角的徑向速度上出現沿徑向的正負速度對（下擊暴流）（圖7d），且中層4.3度、6.0度仰角有明顯的中層徑向輻合，預示地面將有較強的短時大風。18:20昌平流村出現18.8 m/s的8級瞬時大風，并且多地出現6～7級短時大風。

該超級單體經昌平進入海淀后，反射率因子的垂直剖面仍然表現為非常典型的穹窿狀懸垂結構，低層有明顯的有界弱回波特征，55 dBz以上的強回波高度達12 km，70 dBz強回波高度為10 km左右（圖7e、7f）。之后，強反射率因子核高度下降至1～2 km，演變為低質心、強降水對流系統，VIL由80 kg/m2降至40 kg/m2，但是強度依然維持在60 dBz以上，對應海淀局地出現短時暴雨，導致了小范圍嚴重積澇。

3 形成條件

北京的地形三面環山，延慶、門頭溝，以及房山的西部地區海拔在500～2000 m，自西向東由山地向平原過渡，昌平山區向平原過渡地區處于喇叭口地形中（圖8），此外，由于午后至傍晚山區受熱不均，對流云容易在山區發展，配合邊界層輻合線恰好移動到山前，低層偏東風在山前有很好的輻合條件，可見超級單體在從延慶經昌平山區后明顯加強與地形和邊界層輻合線有密切關系。這種從延慶經昌平中部進入海淀的冰雹路徑也是北京4條冰雹路徑之一[14]。

圖8 北京地形高度及2014年7月16日超級單體移動路徑（表示超級單體；地形高度單位：米） Fig. 8 Topography height and supercell movement path on 16 July 2014 in Beijing (represents supercell；topography height unit: m)

此外，17—20時自動站風場及其后1 h降雨量客觀分析發現（圖9），17—18時延慶地區降水與偏東風在海坨山山前的輻合抬升有關（圖9a）；18—21時超級單體出流使地面輻合線進一步加強，強出流沿山坡加速下滑推動地面輻合線快速向東南方向移動[13]，平原地區強降水均出現在地面輻合線附近，并且雨團隨輻合線向東南方向移動，說明地面輻合線對于強對流系統的維持有很重要的作用（圖9b～d）。

圖9 2014年7月16日地面自動站風場疊加及其后1 h雨量 （a）17時；（b）18時；（c）19時；（d）20時 Fig. 9 Surface ground wind and rainfall one hour later from 1700 BT to 2100 BT on 16 July 2014

圖10 2014年7月16日18:37 200 m VDRAS水平風場（風矢量）疊加擾動溫度場（等值線）（a）和沿如圖所示剖面（等值線為垂直速度、填色為擾動溫度，疊加流場）（b） Fig. 10 Wind field and perturbation temperature (contour) at 200 m of VDRAS (left), vertical profile of vertical velocity (dashed contour), perturbation temperature(shaded), and streamline(right) at 1837 BT on 16 July 2014

利用VDRAS資料對昌平的超級單體分析發現，18—19時低層擾動溫度場上表現為明顯的冷池，中心的擾動溫度可達-9 ℃左右，強度比一般對流系統形成的冷池強得多，并且冷池南側偏北風出流與其前側偏東風形成更強烈的輻合（圖10a）。沿雷暴冷池大梯度區和最大出流位置（圖10a中的A-B線）分析垂直擾動溫度、流場以及上升運動發現（圖10b），-5 ℃以下的冷池厚度可到2 km，其上為明顯的下沉氣流，其前側為輻合上升氣流配合上升運動，構成了完整的垂直徑向環流。隨時間的推移，超級單體的增強造成冷池的增強，進而造成了擾動溫度大梯度，配合有利地形，前側輻合加強并出現更為顯著的垂直上升運動，因而超級單體得以繼續發展和不斷向南移動。因此，18—19時、19—20時的雨量和擾動溫度梯度場發展有明顯的相關關系（圖11），強降水位于擾動溫度梯度中心偏雷暴移動的右前側。

圖11 2014年7月16日1 h降水量（a. 18—19時，b. 19—20時，單位：mm）和擾動溫度梯度（c. 18—19時，d. 19—20時，單位：℃） Fig. 11 Precipitation (a, b, unit: mm) and gradient perturbation temperature (c, d, unit: ℃) on 16 July 2014 (a, c are from 1800 to 1900 BT, and b, d are from 1900 to 2000 BT)

4 結論與討論

本文通過多種觀測資料分析了這次由超級單體導致的強對流天氣的中尺度特征和形成條件，初步分析結果表明：

1）這次過程是高空西北氣流型的降雹，出現在低層切變線和地面輻合區（輻合線）附近。在這種天氣形勢下，低層有明顯的垂直上升運動，并且垂直風切變較大。850 hPa以下偏南風、近地面東南風的水汽輸送使得本地低層比濕大，水汽條件好是這種類型下降雹的必要條件。此外，1500 J/kg以上的高CAPE以及上干下濕的不穩定層結、850 hPa θse360 K的高能舌中心均有利于強對流的發生；“喇叭口”型探空、適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度以及這兩個特性層之間厚度變小是大冰雹天氣出現的典型環境。

2）造成此次大冰雹的超級單體有非常明顯的三體散射、穹窿狀回波懸垂、中氣旋等典型特征。而后期強降水時段，強反射率因子核所在高度迅速下降，演變為低質心結構，指示地面強降水和短時大風發生。

3）昌平山區向平原過渡地區的喇叭口地形，以及由于午后至傍晚山區受熱不均，配合低層偏東風在山前很好的輻合條件（邊界層輻合線恰好移動到山前），有利于超級單體下山增強，是強對流維持和發展的原因之一。

4）由超級單體強降雹、降水導致的低層強烈降溫使雷暴冷池增強，進而造成了擾動溫度大梯度前側輻合的加強和更為顯著的垂直上升運動，因而雷暴得以繼續發展和不斷向南移動。雨量和擾動溫度梯度場發展有明顯的相關關系，強降水位于擾動溫度梯度中心偏雷暴移動的右前側。

雖然這次強對流天氣發生在華北“七下八上”雨季的開端，但是從前期的環流形勢來看，副熱帶高壓的主體仍然偏南，環流徑向度較大，仍然以冷空氣頻繁活動為主，因此出現風雹類的強對流天氣的可能性更大；而在7月18日副高明顯北跳后，西南暖濕氣流隨之向北推進，雨季才真正開始，對流天氣逐漸轉變為以短時強降水造成的暴雨天氣為主。因此，在強對流天氣類別潛勢預報中，預報員對于大尺度形勢的把握是至關重要的。