一次超级单体雹暴的中尺度对流特征和 形成条件分析

雷蕾 孙继松 乔林 陈明轩

（1 北京市气象台，北京 100089；2 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081； 3 京津冀环境气象预报预警中心，北京 100089；4 北京城市气象研究院,北京 100089）

0 引言

冰雹、短时强降水等强对流天气具有突发性、局地性、致灾性强的特点，常常给大城市运行带来较大的困扰，并且在地质灾害易发区造成严重的安全隐患，对人民生命财产安全造成严重危害。预报和科研人员一直致力于对其结构特征、形成机制和预报着眼点进行探索研究，具有十分重要的经济价值和社会意义。强对流天气的发生发展依赖于大气的热动力条件，通常都是在有利的天气背景下发展的，更与中小尺度天气系统直接相关，此外，还与地形的影响密切相关[1-4]。近年的研究表明，中尺度的辐合（边界层辐合线、阵风锋等）抬升机制、近地面冷池的增强往往与对流风暴发生有紧密联系[5-13]。冰雹在强对流天气中致灾性强，北京地区5—9月均为冰雹多发月份，6月最多，其次为8月和7月[14]；从落区来看西北部山区是高发区[14-15]，主要的天气影响系统有低槽冷锋、蒙古涡、西北气流和东北涡[16-18]，其中西北气流类型下的对流往往具有独立发展或多个对流局地发展后合并的特点，回波范围不大，但很强[16]。本文研究的2014年7月16日这次大雹事件就属于这种天气类型降雹。

图1 2014年7月16日16—22时北京地区（a）冰雹和短时大风和（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日下午至夜间（16—22时，北京时，下同），位于河北赤城的局地孤立单体进入北京西北部，并发展成超级单体迅速南下，具有强度强，灾害严重等特点。北京西部和中心城区受其影响出现了严重的冰雹天气（图1a中红色三角指示冰雹出现的地方），最大直径7 cm（昌平流村）（图2a），密度较大，持续时间约30 min，是继2005年5月31日北京城区出现的5 cm大冰雹事件[19]之后的又一次更强的冰雹天气，如此大尺寸在北京地区冰雹记录中也属罕见。冰雹导致西北部乡镇房屋受损，果树折断、倒伏，玉米等农作物大面积受损，现场调查了解，南口镇花塔村桃园基本绝收，估算造成昌平区直接经济损失6700万元。对流过程中伴有6级以上短时大风、其中城区西部一带局地阵风达9级（图1a），还伴有局地短时暴雨，最大小时雨强48.4 mm（图1b），部分路段出现严重的积涝，海淀田村附近桥下短时间迅速积水达2 m、淹车18辆（图2b）。7月16日，延庆、昌平、海淀、石景山等多区发布暴雨黄色（或蓝色）预警信号和冰雹黄色预警信号。

图2 2014年7月16日昌平（a）大冰雹及（b）短时强降水造成的局地内涝 Fig. 2 Big hail (a) and waterlogging disaster (b) in Beijing on 16 July 2014

这次过程提前一天预报有雷阵雨天气，但是全球及区域模式对于降雨量级、落区、出现的时间均分歧较大，北京的区域中尺度模式表现出较全球模式更接近实况的预报效果。近年来，北京市气象台在分类强对流天气的潜势预报中做了一些工作，研发了基于区域快速循环同化中尺度模式的强对流天气分类概率预报系统[20]，但是临近时次的实况探空、雷达等资料综合分析依然是更准确预报和预警的手段。对于这次罕见的大冰雹事件，仍需利用观测资料进行仔细分析其特征，并有必要对这次对流风暴的组织结构和形成原因进行一些探讨。

1 天气背景

7月16日08时，华北东部500～700 hPa有低涡低槽影响，500 hPa温度槽落后于高空槽，槽后冷平流有利于高空槽加深发展，同时，槽后西北气流加强，北京正处于西北气流影响中。低层850 hPa配合有南北向切变线，地面气压场呈现“东高西低”分布特征，京津冀处于高压后部弱辐合区内。高空槽系统配置表现为“前倾槽”结构，槽后的冷平流叠加在低层切变线南侧的偏南气流暖平流之上，大气层结不稳定（图3）。在槽和切变线影响下，华北地区850～700 hPa有垂直上升运动，并且北京处于850 hPa的上升中心（图4a），700 hPa上升中心与之相比略偏西（图4b），因此北京城区及以西地区均处于有利的动力抬升区域。此外，北京地区850 hPa比湿11～12 g/kg、相对湿度75%以上（图5a），且处于θse高能量中心（357～360 K），有利于强天气的发生发展（图5b）。这次降雹属于西北气流类型，这种类型下低层湿度往往是降雹的必要条件，切变线等扰动和辐合上升区即雹云出现和发展地区。

图3 2014年7月16日08时（a）500 hPa、（b）700 hPa、（c）850 hPa，以及（d）14时地面天气形势 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

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

图5 2014年7月16日08时850 hPa比湿（单位：g/kg）配合相对湿度（a）和假相当位温θse场（b）（单位：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时探空显示CAPE值达到1785 J/kg，K指数为36 ℃，SI指数达-4 ℃，0～6 km垂直风切变约为10.92 m/s（图6a）。14时，在强雷暴发生前，500 hPa以上有明显的干空气侵入，中低层湿度也略有减小，探空呈现出“喇叭口”型结构，是典型的冰雹和雷暴大风的探空曲线结构（图6b）。此外，低层转为弱的东南风，垂直风切变进一步增大。08时0 ℃层和-20 ℃层，层高度分别位于610 hPa、400 hPa附近，14时0 ℃层略有抬升，由4300 m左右升高到4500 m，使得和-20 ℃层之间的厚度减小，层结不稳定性趋于增大，满足北京地区出现冰雹的特性层高度条件[21]。

图6 2014年7月16日08时（a）和14时（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 降雹的超级单体的雷达回波特征

由观象台SA雷达监测可见，7月16日下午北京地区出现非常清楚的边界层辐合线（由天津附近的雷暴阵风锋和海风合并造成）由东南部向西移动，表明低层的辐合条件非常好同时该辐合线也形成了向西伸展的湿舌和丰富的水汽输送[13]。此时（16:18）河北赤城的局地孤立单体即将进入延庆（图7a）。该单体迅速向东南方向移动，经延庆进入昌平。17:36，该单体与边界层辐合线相遇后强度迅速加强，同时前侧梯度加大；18时，6.0度仰角出现“三体散射”的特征，径向速度上观测到非常清楚的中气旋（图7b、7c），旋转速度达到23.5 m/s，表明超级单体已经形成。其最强反射率因子达70 dBz，高度在6 km左右，回波顶高在15 km以上，垂直累积液态水含量达70 kg/m2。正是受该超级单体影响，昌平区多地遭冰雹袭击，最大冰雹直径达7 cm。

图7 观象台SA雷达（a）1.5°反射率因子（16:18），（b）6.0°反射率因子（18:00），（c）6.0°径向速度（18:00），（d）0.5°径向速度(18:18)，（e）组合反射率因子（18:48），（f）垂直剖面（经过图e超级单体雷暴）（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，低层0.5度仰角的径向速度上出现沿径向的正负速度对（下击暴流）（图7d），且中层4.3度、6.0度仰角有明显的中层径向辐合，预示地面将有较强的短时大风。18:20昌平流村出现18.8 m/s的8级瞬时大风，并且多地出现6～7级短时大风。

该超级单体经昌平进入海淀后，反射率因子的垂直剖面仍然表现为非常典型的穹窿状悬垂结构，低层有明显的有界弱回波特征，55 dBz以上的强回波高度达12 km，70 dBz强回波高度为10 km左右（图7e、7f）。之后，强反射率因子核高度下降至1～2 km，演变为低质心、强降水对流系统，VIL由80 kg/m2降至40 kg/m2，但是强度依然维持在60 dBz以上，对应海淀局地出现短时暴雨，导致了小范围严重积涝。

3 形成条件

北京的地形三面环山，延庆、门头沟，以及房山的西部地区海拔在500～2000 m，自西向东由山地向平原过渡，昌平山区向平原过渡地区处于喇叭口地形中（图8），此外，由于午后至傍晚山区受热不均，对流云容易在山区发展，配合边界层辐合线恰好移动到山前，低层偏东风在山前有很好的辐合条件，可见超级单体在从延庆经昌平山区后明显加强与地形和边界层辐合线有密切关系。这种从延庆经昌平中部进入海淀的冰雹路径也是北京4条冰雹路径之一[14]。

图8 北京地形高度及2014年7月16日超级单体移动路径（表示超级单体；地形高度单位：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时自动站风场及其后1 h降雨量客观分析发现（图9），17—18时延庆地区降水与偏东风在海坨山山前的辐合抬升有关（图9a）；18—21时超级单体出流使地面辐合线进一步加强，强出流沿山坡加速下滑推动地面辐合线快速向东南方向移动[13]，平原地区强降水均出现在地面辐合线附近，并且雨团随辐合线向东南方向移动，说明地面辐合线对于强对流系统的维持有很重要的作用（图9b～d）。

图9 2014年7月16日地面自动站风场叠加及其后1 h雨量 （a）17时；（b）18时；（c）19时；（d）20时 Fig. 9 Surface ground wind and rainfall one hour later from 1700 BT to 2100 BT on 16 July 2014

图10 2014年7月16日18:37 200 m VDRAS水平风场（风矢量）叠加扰动温度场（等值线）（a）和沿如图所示剖面（等值线为垂直速度、填色为扰动温度，叠加流场）（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资料对昌平的超级单体分析发现，18—19时低层扰动温度场上表现为明显的冷池，中心的扰动温度可达-9 ℃左右，强度比一般对流系统形成的冷池强得多，并且冷池南侧偏北风出流与其前侧偏东风形成更强烈的辐合（图10a）。沿雷暴冷池大梯度区和最大出流位置（图10a中的A-B线）分析垂直扰动温度、流场以及上升运动发现（图10b），-5 ℃以下的冷池厚度可到2 km，其上为明显的下沉气流，其前侧为辐合上升气流配合上升运动，构成了完整的垂直径向环流。随时间的推移，超级单体的增强造成冷池的增强，进而造成了扰动温度大梯度，配合有利地形，前侧辐合加强并出现更为显著的垂直上升运动，因而超级单体得以继续发展和不断向南移动。因此，18—19时、19—20时的雨量和扰动温度梯度场发展有明显的相关关系（图11），强降水位于扰动温度梯度中心偏雷暴移动的右前侧。

图11 2014年7月16日1 h降水量（a. 18—19时，b. 19—20时，单位：mm）和扰动温度梯度（c. 18—19时，d. 19—20时，单位：℃） 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 结论与讨论

本文通过多种观测资料分析了这次由超级单体导致的强对流天气的中尺度特征和形成条件，初步分析结果表明：

1）这次过程是高空西北气流型的降雹，出现在低层切变线和地面辐合区（辐合线）附近。在这种天气形势下，低层有明显的垂直上升运动，并且垂直风切变较大。850 hPa以下偏南风、近地面东南风的水汽输送使得本地低层比湿大，水汽条件好是这种类型下降雹的必要条件。此外，1500 J/kg以上的高CAPE以及上干下湿的不稳定层结、850 hPa θse360 K的高能舌中心均有利于强对流的发生；“喇叭口”型探空、适宜的0 ℃层和-20 ℃层高度以及这两个特性层之间厚度变小是大冰雹天气出现的典型环境。

2）造成此次大冰雹的超级单体有非常明显的三体散射、穹窿状回波悬垂、中气旋等典型特征。而后期强降水时段，强反射率因子核所在高度迅速下降，演变为低质心结构，指示地面强降水和短时大风发生。

3）昌平山区向平原过渡地区的喇叭口地形，以及由于午后至傍晚山区受热不均，配合低层偏东风在山前很好的辐合条件（边界层辐合线恰好移动到山前），有利于超级单体下山增强，是强对流维持和发展的原因之一。

4）由超级单体强降雹、降水导致的低层强烈降温使雷暴冷池增强，进而造成了扰动温度大梯度前侧辐合的加强和更为显著的垂直上升运动，因而雷暴得以继续发展和不断向南移动。雨量和扰动温度梯度场发展有明显的相关关系，强降水位于扰动温度梯度中心偏雷暴移动的右前侧。

虽然这次强对流天气发生在华北“七下八上”雨季的开端，但是从前期的环流形势来看，副热带高压的主体仍然偏南，环流径向度较大，仍然以冷空气频繁活动为主，因此出现风雹类的强对流天气的可能性更大；而在7月18日副高明显北跳后，西南暖湿气流随之向北推进，雨季才真正开始，对流天气逐渐转变为以短时强降水造成的暴雨天气为主。因此，在强对流天气类别潜势预报中，预报员对于大尺度形势的把握是至关重要的。