2023年5月滄州一次極端風雹天氣過程及成因分析

摘 要：2023年5月12日傍晚至夜間，河北滄州出現一次以風雹為主、高空冷平流強迫類對流過程，過程第一階段風力最大達到11～12級，以＜2 cm小冰雹為主，第二階段風力減弱，最大9級，滄州南部出現2～5 cm大冰雹。前期冷池出流作用利于對流觸發(fā)。水汽、不穩(wěn)定能量及垂直風切變條件增強，配合地面輻合線發(fā)展有利于對流的再次觸發(fā)和加強。中氣旋風場后向傾斜加強氣壓梯度、降水粒子的拖拽、干空氣夾卷導致負浮力加強下沉氣流共同作用，有利于極端雷暴大風出現。濕層厚度增加，VIL明顯躍增、風暴頂高和強回波高度較高，雷暴質心下降較慢；存在典型ZDR柱，CC 0.8 dB高度超過5 km、KDP顯示空洞，預示大冰雹出現。

關鍵詞：雷暴大風；冰雹；雙偏振雷達；觸發(fā)機制；不穩(wěn)定能量

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

強對流天氣由于其具有突發(fā)性強、尺度小、災害大等特征，一直是短臨預報領域研究的重難點[1-7]。2023年5月12日16：00～23：00河北東南部滄州地區(qū)95個站出現8級以上的短時大風，青縣國家站風速最大達35.9 m/s（12級）（圖1a）。據地面自動觀測站及人工觀測統(tǒng)計，滄州中西部及南部多地出現冰雹（圖1b），過程未出現短時強降水，是一次以風雹天氣為主的強對流天氣過程。從組合反射率和災情實況來看，過程分16：00～20：00和20：00 24：00兩階段，第一階段風力最大達到11～12級，以＜2 cm小冰雹為主，第二階段風力減弱，最大9級，滄州南部出現2～5 cm大冰雹。

極端性風雹天氣的出現給滄州地區(qū)農業(yè)生產造成較大影響，并且在大量不穩(wěn)定能量釋放后夜間對流再次發(fā)展，對短臨預報產生一定難度，因此，使用來自常規(guī)觀測和自動站資料、空間分辨率為0.25×0.25°ERA5再分析格點資料、雙偏振雷達資料，對此次風雹天氣進行分析，提高未來對此類對流天氣的預報能力，促進滄州地區(qū)的農業(yè)發(fā)展。

1 極端風雹天氣過程概況

從08：00環(huán)流形勢和綜合配置圖上來看，此次天氣為一次典型高空冷平流強迫型對流過程（圖2）。滄州地區(qū)位于500 hPa高空槽后西北氣流處，850 hPa轉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)定層結有利于前期大量不穩(wěn)定能量積累。

從17：00訂正探空來看，CAPE為1834 J/kg，K=24.5，850 hPa以下存在假相當位溫且隨高度減少，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；整層較干，0～6 km垂直風切變?yōu)?8 m/s，達中等強度，850 hPa以下位溫線和干絕熱線幾乎平行，有利于雷暴大風出現；T-Td較大，濕層淺薄，不利于短時強降水出現。

2 物理量場

從850 hPa以下水汽通量積分疊加925 hPa風場圖（圖略）可以看到，17：00～20：00 925 hPa超低空西南急流建立并加強，引導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。同時，滄州地區(qū)處于急流出口區(qū)和強風速脈動區(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，其位置與初始對流位置對應，20：00滄州東南部地區(qū)出現水汽輸送帶和水汽輻合大值區(qū)，最強水汽輻合達-6×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1，強度較前一階段明顯加強。

從相對濕度垂直剖面時序圖（圖略）來看，與“典型短時強降水深厚濕層特征”明顯不同，此次風雹過程對比前后兩階段發(fā)現，12日20：00前700～850 hPa干空氣夾卷明顯，進一步促進雷暴大風發(fā)生，而20：00后，低層濕度有所加強，濕層厚度不斷向上增厚，有效為雹胚“濕增長”提供機會，有利于大冰雹的出現。

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，存在對流不穩(wěn)定性，并在17：00近地面層θse達到324 K以上，低層暖濕氣流進一步加強，使得滄州地區(qū)一直處于強的不穩(wěn)定狀態(tài)；第一階段結束后，20：00可以看到低層風將對流不穩(wěn)定能量持續(xù)向上輸送，對后期對流發(fā)生熱力環(huán)境十分有利。

從K指數分布來看，兩階段K指數大值區(qū)位置與過程風雹影響區(qū)域近乎重合，17：00滄州西北部K指數較大，達到36 ℃，隨后此區(qū)域出現10級以上大風和小冰雹，至20：00由于850 hPa暖平流加強和低層水汽條件轉好，有利于不穩(wěn)定能量的加強，導致整個滄州地區(qū)K指數大范圍增大均超過32 ℃，并且第二階段滄州中南部降雹集中區(qū)K指數最大達到38 ℃，3 h增量達10 ℃（圖3a、圖3b）。

從17：00、20：00 0～6 km垂直風切變分布可以看到，夜間垂直前邊大值中心不斷向滄州地區(qū)擴展，強度達到30 m/s以上，屬于強的垂直風切變，具有明顯的極端性。垂直風切變增強有利于上升和下沉氣流長時間共存，使得風暴有組織化和長時間維持，有利于超級單體風暴的發(fā)展。結合回波實況發(fā)現，第一、第二階段確實均有超級單體出現，并且由于垂直風切加強，第二階段超級單體更強（圖4）。

從觸發(fā)機制來看，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可見光云圖可知已經有局地強對流云團發(fā)展，產生降水導致近地面溫度驟降，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，有利于冷池東南部地面輻合線加強，進一步使大量不穩(wěn)定能量迅速釋放，導致滄州出現極端性大風天氣。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，為對流的再次觸發(fā)提供了有利條件。

3 雷達特征

在此天氣過程中，2個階段均識別出勾狀回波、有界弱回波區(qū)、回波懸垂、中氣旋，判斷有超級單體出現。第一階段超級單體在向滄州地區(qū)發(fā)展移動的過程中，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，形成強烈下沉氣流，至地面輻散產生大風。從17：30多個速度仰角可以看到，氣旋風場是向后傾斜分布的，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)形成強變壓梯度，進一步使風暴低層輻散加強。在風廓線圖上，中低層顯著干層附近風力達到20 m/s以上，下沉氣流內水凝物受到附近夾卷入風暴的較干空氣影響，持續(xù)蒸發(fā)降溫，下沉氣流內部和外界產生明顯溫差，致使空氣受到向下的負浮力，引起下沉氣流的加強，有利于下擊暴流加強。

從2個階段的超級單體附近VIL值分布可以看到，在降雹發(fā)生前產生躍增，一個體掃增量均達到20～35 kg/m2，但風暴頂高在第二階段最高達到14.7 km，強回波高度最高達到7.3 km，-20 ℃高度在5.6 km附近，雷暴質心下降較慢，對第二階段冰雹持續(xù)增長十分有利。第一階段地面觀測到小冰雹時，出現ZDR柱，但中心強度偏低，說明上升氣流較弱，KDP也沒有出現明顯空洞，固態(tài)水凝物較少，CC 0.8 dB高度剛剛達到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3.4 km，0.5 dB接近5 km，強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5 km；KDP由于大冰雹不符合瑞利散射顯示空洞（圖5）。

4 總結

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

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

（3）中氣旋風場后向傾斜加強氣壓梯度、降水粒子的拖拽及干空氣夾卷導致負浮力加強下沉氣流共同作用有利于極端雷暴大風出現。

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

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