天津一次強對流天氣過程分析

童翹宇，史 珺，孫碧瑩

(天津市東麗區氣象局 天津 300300)

0 引 言

強對流天氣是發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]，利用衛星云圖、雷達回波特征及數值模式等[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生發展機制的堅實理論基礎。

2021年8月23日，天津一天內發生多場降雨，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、環流配置、物理量特征及衛星云圖等進行分析，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，天津地區出現強對流天氣過程，局地伴有短時大風，未出現冰雹天氣。按照降水量演變狀態，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，主要出現在天津市區、西青區、北辰區、東麗區及寧河區等地，最大降水量44.6 mm，最大小時雨強為33.9 mm(15～16時)，西青區和寧河區出現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)均出現在濱海新區沿海地區。

2 成因分析

2.1 環流形勢分析

利用MICAPS實時數據分析8月23日8時天氣形勢(圖1)，發現華北地區受深厚冷渦系統控制，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中高緯呈緯向型環流，副熱帶高壓呈帶狀穩定維持在華南一帶，平直鋒區上短波槽不斷生成，河套附近有低槽東移，帶動冷空氣入侵華北地區。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，處于不穩定狀態。與高空冷渦系統相對應，地面圖上表現為低值系統，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定結構更加顯著。同時地面暖低壓增強，臺風持續北上，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現地面輻合線鋒生是短時強對流產生的有利觸發機制。8月23日11時，天津東部出現明顯的地面切變線，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和時間對應吻合。而在第二階段降水首先出現于天津西南部，雨區逐漸擴大并朝東北方向發展，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，導致濱海新區沿海地區觸發局地暴雨 大風。

2.3 物理量診斷分析

分析8月23日8時物理量場發現天津低層到中高層呈現一致的垂直上升，在散度場上表現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，整層呈現上干下濕的不穩定層結。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)，發現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。可見在強對流發生前天津地區已經具備較好的層結不穩定，不穩定能量增加，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。

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)，發現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向下侵入，同時利于底層的水汽持續輻合，不斷增強能量積累。從對流參數上發現對流有效位能達到2 018.4 J/kg，同時K指數 為36.1℃，均說明天津地區存在很強的潛在不穩定能量。

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

2.5 衛星云圖分析

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，尾部后側干縫持續卷入頭部，表現為晴空區。云系尾部附近色調白亮，對流云團發展旺盛，伸展高度也比較高，容易激發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，表明中上層存在下沉的干冷空氣，在冷空氣激發下，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

利用常規觀測資料、地面加密自動站、衛星云圖 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，可以發現以下情況。

①分析23日形勢場看到華北地區高空有冷渦持續東移，對流層中下層天津附近有多條切變線配合，這種高低層環流配置為本次強對流的發生提供有利的大尺度環流條件。同時臺風持續北上，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，導致濱海新區沿海地區產生局地暴雨大風天氣。