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的災害性天氣之一，由于其具有破壞力大、局地性強的特點，給工農業生產、國防建設及人民生命財產帶來嚴重危害。冰雹的出現往往伴隨著超級單體，許多學者對超級單體展開了深入研究。鄭媛媛等[1-4]分別對強降雹過程中的超級單體風暴的結構特征及成因做了細致的研究。陳關清等[5-6]對降雹過程中超級單體的中尺度特征進行了分析。而近年來，許多華北地區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、環流背景和對流環境條件進行了深入研究，形成了天氣氣候概念模型，明顯改善了冰雹的潛勢預報狀況[7-9]。這些研究成果對人們認識華北地區冰雹災害的形成機理、尋找預報著眼點提供了較好的天氣動力學基礎。

2020年6月25日下午，保定自西向東出現強對流天氣，淶源、易縣、滿城、順平、清苑區、蠡縣等部分地區先后出現大冰雹，其中，淶源、易縣、滿城、清苑4個國家站有測站記錄，降雹時段主要集中在14:30～18:00，測站最大冰雹直徑為易縣26 mm，此外個別地點還伴有短時大風和短時強降水，最大風力22 m/s。

1 環境條件分析

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，此時河北地區受高空槽前西南氣流影響；隨著高空冷渦繼續東移，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，位于內蒙古和蒙古國交界，此時河北地區上空受槽后西北氣流影響，且風速明顯增大，最大風速達22 m/s。700 hPa有冷渦配合，河北上空為西北氣流；850 hPa有低渦位于內蒙古中部，有一東北—西南向切變線延伸至河套地區，河北上空為偏南氣流。在地面圖上可以看到，貝加爾湖西南側有一高壓，內蒙古中部有一低壓，有一冷鋒從低壓中心延伸至甘肅地區，河北處在鋒前低壓區。

1.2 層結條件分析

選取2020年6月25日08:00進行中尺度分析發現，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；500 hPa高空槽位于河北東部，槽后有西北急流，最大風速達22 m/s，河北大部分地區受西北急流控制；850 hPa切變線位于內蒙古中部至河套一帶，系統呈前傾結構；地面有一冷鋒位于內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有露點鋒位于河北西部，說明槽后西北風急流攜帶干冷空氣南下影響河北地區；而850 hPa有一暖脊，925 hPa則有一濕舌，說明河北地區低層受暖濕氣流影響，由此形成了上干下濕、上冷下暖的不穩定層結。由此可見，河北地區在25日08:00已經具備適宜強對流發生的環境條件。

圖1 2020年6月25日08:00中尺度分析

隨著白天溫度的升高，不穩定能量積聚，北京14:00探空圖顯示，華北地區上空對流有效位能(CAPE)為1 587.9 J/kg，沙 氏 指 數 為-2.06℃，K指 數 為33℃，850 hPa與500 hPa溫差為27.2℃，說明不穩定能量大，大氣層結不穩定（圖2）。從風向的垂直變化可見，對流層低層風隨高度順轉，伴有較明顯暖平流，而高層則是順高度逆轉，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，有利于大氣層結不穩定。另外，從風速風向來看，低層為東南風，風速較小；中高層轉為偏西風和西北風，風速較大，說明垂直風切變較大。大氣溫度層結的分布特征為：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

垂直風切變是雷暴的增強機制，大冰雹的出現常常伴有較大的垂直風切變。用歐洲中心ERA5再分析資料河北中部地區0～3 km垂直風切變的變化趨勢發現，25日14:00保定上空0～3 km垂直風切變為2.5～3.0 m/（s·km）左右，此時0～3 km垂直風切變大值區主要分布在西部山區，太行山東麓平原地區較小，而對流也主要出現在西部山區，且強度相對較小（圖3a）。隨著系統的加強，18:00 0～3 km垂直風切變達到4.5 m/（s·km），大值區主要位于保定西北至東南一帶，正是這種強垂直風切變維持了對流風暴的發展加強，使得雷暴發展成超級單體，有利于大冰雹天氣的出現（圖3b）。

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

2 超級單體特征分析

本次強冰雹過程，石家莊新樂雷達多個仰角產品均有比較明顯特征出現。在反射率因子圖上，14:24保定西北部已經有對流回波生成，最大強度已達69.5 dBz，受對流單體A影響，淶源14:28出現冰雹。隨著系統東移，對流單體A、B不斷加強，受A影響，15:55易縣出現冰雹。隨后對流單體A下山加強，17:18新樂雷達1.5°仰角反射率因子最大回波強度達到75.5 dBz，且風暴前側有“V”形缺口（圖4a）。同時，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，說明已風暴單體A此時已經發展成超級單體（圖4b）。在徑向速度圖上，從17:00開始連續存在5個體掃均有速度對出現，說明有中氣旋生成。17:30，4.3°仰角徑向速度圖上，黑色方框區域內有負速度中心，最大負速度達-10 m/s，而圓形區域內有正速度，且伴有速度模糊，最大正速度為35 m/s，由此可知，旋轉速度達到22.5 m/s，且距離雷達中心80 km左右，因此該速度對已達到強中氣旋標準，說明此時對流單體A已發展為強降雹超級單體（圖4c）。受超級單體的影響，滿城、清苑、蠡縣多地先后出現特大冰雹，造成嚴重災害。17:42雷達0.5°仰角反射率因子圖上橢圓區域有陣風鋒出現，該陣風鋒一直沿超級單體的右前側移動，且距離風暴較近，因此該陣風鋒對風暴母體也具有一定的正反饋作用，使得本次降雹超單得以長時間維持發展（圖4d）。另外，陣風鋒的出現，也造成了清苑等地的大風天氣。

圖4 2020年6月25日石家莊新樂雷達回波

3 微波輻射計資料分析

清苑觀測站微波輻射計顯示，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清苑地區有強對流風暴經過。再分析路徑液態水含量可以發現，17:30液態水含量明顯躍增，且幅度很大，說明對流風暴伴有大冰雹。

從微波輻射計觀測到的大氣狀態來看，17:30整層溫度明顯下降，說明對流風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”結構，這種不穩定層結有利于對流風暴的發展加強。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。同時高空冷空氣開始侵入，4.5 km以上相對濕度迅速減小；17:30降雹開始后，邊界層大氣呈“上下濕、中間干”的3層結構，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并且一直持續到降雹結束，降雹結束后1.5

4 結論

（1）本次致災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冰雹天氣提供了有利的動力與熱力條件，較強的不穩定層結和垂直風切變適宜大冰雹的出現。

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

（3）微波輻射計和風廓線觀測資料顯示，強降雹超級單體臨近時液態水含量明顯躍增，整層大氣呈“上干下濕”結構，說明大氣層結不穩定；降雹開始后，邊界層大氣呈“上下濕、中間干”的3層結構說明有干冷空氣向下侵入，有利于對流風暴的發展和加強。