2019年5月北京一次强降水超级单体特征及成因分析

刘艳杰 王清川 许敏 周贺玲

(廊坊市气象局，河北 廊坊 065000)

引言

短时强降水、雷暴大风、冰雹、龙卷等强对流天气，具有强突发性和局地性，如其持续时间长，破坏能力较强，会对人民生命财产安全和生产生活造成严重威胁。此类灾害性天气往往是由中小尺度系统直接影响产生的，超级单体风暴即为重要的中尺度天气系统之一，一直是气象学者关注的重点。早在20世纪60—70年代国外学者就提出了超级单体的概念及其雷达观测特征[1-2]，后来超级单体被划分为强降水超级单体、弱降水超级单体和经典超级单体[3]。

随着新一代多普勒雷达的广泛应用，国内针对超级单体风暴的研究逐渐增多，且多从雷达回波形态与演变、大尺度环流背景和环境参数等角度进行分析。郑媛媛等[4]和刘维成等[5]分析的皖北和甘肃定西的超级单体均具有钩状回波、有界弱回波区、中气旋等典型特征。苏爱芳等[6]研究发现豫北一次超级单体是在东北冷涡背景下，由地面辐合线触发的。Yu等[7]统计了中国228次超级单体风暴环境参数特征，分析了CAPE、0—6 km风矢量差、中气旋旋转速度等参量的峰值区间。王福侠等[8]和廖玉芳等[9]讨论了超级单体风暴的分裂过程和原因。郭鸿鸣等[10]研究表明低层强回波区为下沉气流，且上升气流与下沉气流长时间分离时，超级单体加强并维持。有针对不同地区的伴有雷暴大风、强降水的超级单体形成机制进行的研究[11-13]。以上分析多是针对经典超级单体，强降水超级单体由于其持续时间较长、致灾性多样，受到越来越多的关注。胡玲等[14]对比了发生在天津的两次强、弱降水超级单体，发现除影响系统不同外，两种超级单体移动特征也不尽相同。潘玉洁等[15]发现弓形回波移向右侧的单体，分裂后在适宜条件下发展为强降水超级单体。吴芳芳等[16]分析的一次伴有龙卷的强降水超级单体，其长时间维持与海风锋有关的地面边界层辐合有密切关系。张玉洁等[17]对比分析了江苏盐城和河北邢台两次冰雹大风天气过程，发现由超级单体引发的盐城大风过程中风暴参数更为明显。闵锦忠等[18]指出边界层偏东风为强降水超级单体提供了非常充足的水汽，对暴雨起到增幅作用。张文龙等[19]给出了“623”北京大暴雨过程强降水超级单体物理机制概念模型。

强降水超级单体一般具有突发性强、发展迅速、演变方式多样等特点，给预报带来极大的困难与挑战，且5月北方水汽条件不是非常充沛，因此春季北方出现的强降水超级单体值得深入研究。本文利用加密自动站、微波辐射计等多种观测资料对2019年5月17日发生在北京通州的一次由强降水超级单体引发的多灾种强对流天气进行观测分析与成因研究，以期为此类强天气的预报预警提供参考。

1 资料来源

本文所用资料主要有地面、高空观测资料，其中地面加密自动站资料包括风、温度、相对湿度等逐5 min数据。廊坊大厂站QFW-6000型微波辐射计反演的相对湿度和温度资料。北京站S波段雷达资料。欧洲中心(ERA-interim)逐6 h位势高度、风、温度、湿度等资料。

2 结果分析

2.1 实况天气

2019年5月17日午后至夜间，京津冀中部出现突发性多灾种强对流天气。过程雨量达暴雨的区域主要出现在北京东部及河北中部(图1)，最大雨区出现在北京通州区，2个区域站雨量超过100 mm。多地出现冰雹，通州最大冰雹直径5 cm，持续时间约1 h。通州永二村观测到26.5 m·s-1的极大风速。由于本次过程强降水中心主要出现在北京通州区附近，降雨强度大，且伴随多种灾害性天气，因此本文主要分析影响此处的强风暴特征及成因。

图1 2019年5月17日16:00至18日02:00京津冀中部降水量Fig.1 Precipitation in central Beijing-Tianjin-Hebei region from 16:00 on May 17 to 02:00 on May 18,2019

图2为北京雷达回波发展演变过程，初始阶段(16:40—17:30)，16:40开始通州东部出现分散的弱回波，回波中心强度为30 dBz，17:00—17:30(图2a和图2b)回波不断向东北移动合并，其中心强度迅速加强至65 dBz。发展阶段(17:30—20:00)，17:30之后回波不断加强，随后发展为强降水超级单体，18:12(图2 d)雷暴右后侧出现V型缺口，表明有强下沉气流，并引起地面灾害性大风，18:00—19:00通州区漷县观测到极大风速达19.6 m·s-1。低层有钩状回波，18:00—19:00通州东部多站出现短时强降水，101农场最大雨强为69.8 mm·h-1。通州地面观测站、西集等地出现强冰雹，持续近1 h。18:30(图2e)前后强风暴分裂，右侧风暴B迅速发展为超级单体，左侧风暴A依然维持，两个风暴呈气旋式旋转，持续影响通州。19:00(图2f)风暴A逐渐减弱，风暴B维持并向东南移动，其后部不断有新回波生成，再次影响通州东部。减弱阶段(20:00—21:00)，20:00风暴B减弱移出通州，21:00后续降水性质趋于稳定，逐渐移出。

箭头代表强回波移向图2 2019年5月17日17:00(a)、17:30(b)、18:00(c)、18:12(d)、18:30(e)、19:00(f)北京雷达2.4°仰角反射率因子Fig.2 Radar reflectivity at the 2.4° elevation angle at 17:00 (a),17:30 (b),18:00 (c) ,18:12 (d) ,18:30 (e),and 19:00 (f) measured by Doppler weather radar in Beijing on May 17，2019

2.2 强降水超级单体的雷达回波特征

以上分析可见，本次强天气过程相伴出现了短时强降水、短时大风和大冰雹，同时出现V型缺口、钩状回波等特征，表明该强雷暴有可能是强降水超级单体，因此需进行详细分析与识别。

有研究表明[15，20]，当雷达产品识别出钩状回波、V型缺口、有界弱回波区、悬垂回波和中气旋等特征时，强雷暴可判别为强降水超级单体。2019年5月17日17:36(图3a)开始多个时次低仰角观测到钩状回波，表明有强的暖湿入流。反射率因子的垂直剖面已经出现明显的悬垂回波和典型的有界弱回波区(BWER)(图3b)，表明雷暴前侧持续有暖湿空气进入强烈的上升运动区。随后回波主体进一步加强，强回波范围扩大，并气旋式旋转南压，18:12雷暴右后侧出现V型缺口(图3c)，此时悬垂回波和BWER依然存在，65 dBz以上的强反射率因子位于2—3 km(图3d)，这种低降水质心，使得降水效率较高，可出现短时强降水，101农场18:10—18:20降水量达34 mm，强降水的拖曳和中层干冷空气快速下沉的共同作用，引起地面灾害性大风，18:27永二村极大风速达26.5 m·s-1。此外17:36—18:12天津站雷达低仰角监测到三体散射(图略)，通州观测到直径为5 cm的大冰雹。

箭头所指为有界弱回波(BWER)，区方框为钩状回波位置图3 2019年5月17日17:36(a)、18:12(c)北京雷达2.4°仰角反射率因子和17:36(b)、18:12(d)反射率因子沿白线剖面Fig.3 Radar reflectivity at the 2.4° elevation angle at 17:36 (a),18:12 (c),and crossing section of radar reflectivity along the white contours at 17:36 (b),18:12 (d) on May 17,2019 in Beijing

18:00—18:30为雷暴强烈发展阶段，在1.5°仰角反射率因子钩状回波处，径向速度图上对应中气旋(图4)，其距雷达中心约30 km。最大入流速度为20—27 m·s-1，最大出流速度为15—20 m·s-1，旋转速度约20.5 m·s-1，核区直径为4.5 km。

白色圆圈为中气旋位置图4 2019年5月17日18:24北京雷达1.5°仰角径向速度(a)和反射率因子(b)Fig.4 Radial velocity (a) and radar reflectivity (b) at the 1.5° elevation angle at 18:24 on May 17，2019 in Beijing

2.3 环流背景

2019年5月17日08:00的500 hPa欧亚中高纬地区为宽广低涡，40°—50°N位于涡底平直西风环流中，其上有短波槽东移，槽后风速较大为16—30 m·s-1，冷空气自西北向京津冀输送，有较明显冷平流，南支槽位于河北省南部至中国华东地区，北京位于两槽之间，500 hPa大风速带的右侧。200 hPa急流轴位于33°N附近，急流出口区存在一个左侧上升，右侧下沉的次级环流，京津冀恰位于出口区左侧的上升运动加强区。850 hPa内蒙中东部配合切变线，京津冀位于暖区中，850 hPa暖舌向东北伸展，中北部有弱暖平流(图5)。另外，500—850 hPa比湿均小于3 g·kg-1，925 hPa比湿达14 g·kg-1，中高层干冷，低空有浅薄湿层，层结趋于不稳定。地面气压场为“鞍型场”结构，京津冀位于锋前暖区中，东部气压梯度较大，为偏东风或东南风。因此本次过程前期京津冀中部存在弱的系统性辐合上升，不稳定层结条件和浅薄的超低空湿层，具有出现对流性天气的潜在条件，但能否出现强降水，取决于午后低空水汽输送情况。

图5 2019年5月17日08:00综合天气图Fig.5 Composite weather map at 08:00 on May 17，2019

进一步分析对流发生前高低空风场特征，17日14:00的500 hPa高度北京地区仍受偏西气流控制，风速达14—16 m·s-1，并伴有较强冷平流(图6a)。

850 hPa切变线位于张家口附近，平原地区为偏南风，冷暖平流活动不明显(图6b)。950 hPa河北西南部出现一个100 km×100 km的小低压系统，平原地区均为东南风(图6c)，1000 hPa这个小低压依然存在，北京及廊坊中北部位于低压倒槽顶部，该低压东部等压线密集，风向为东南风(图6d)。850 hPa至1000 hPa渤海湾附近相对湿度均大于60%，此时超低空水汽输送通道已建立。08:00和20:00此小低压并未形成(图略)，京津冀平原地区当天最高气温为31—34 ℃，可能是由于午后近地面加热形成了局地浅薄系统。该系统的出现使得平原地区东南风进一步加强，为本次过程提供了充沛的水汽，其与高空西风急流相互作用，使北京东部垂直风切变增强。

实线为位势高度，单位为dagpm；虚线为温度，单位为℃；一个风向杆4 m·s-1；填色为相对湿度，单位为%图6 2019年5月17日14：00 500 hPa(a)、850 hPa(b)、950 hPa(c)、1000 hPa(d)位势高度叠加风场、温度场和相对湿度综合图Fig.6 Composite map of wind field，geopotential height，temperature and relative humidity at 500 hPa (a),850 hPa (b) ,950 hPa (c),and 1000 hPa (d) at 14:00 on May 17,2019

2.4 不稳定层结

2019年5月17日08:00北京925 hPa附近有逆温层(图7a)，以下为浅薄湿层，表明边界层已经积累了一定的暖湿空气。850 hPa和500 hPa附近为较明显的干层，温度露点差分别为26 ℃和19 ℃，925 hPa为0 ℃，850 hPa与500 hPa温差达34 ℃，上层干冷空气和近地面暖湿空气被逆温层分离，能量不断积累储存。14:00订正CAPE值达2800 J·kg-1，表明有能量的积累。0 ℃层高度为3.8 km，-20 ℃层高度为6.4 km，符合5月京津冀中部降雹标准[21]，600 hPa开始下沉对流有效位能为1143.6 J·kg-1，具有出现雷暴大风的潜势。0—6 km风矢量差为10 m·s-1，中等强度的垂直风切变有利于风暴的组织加强。14:00—18:00廊坊大厂站微波辐射计反演温度廓线(图7b)显示，700—800 m、1300—1400 m高度处仍然存在浅薄逆温层，使得午后能量进一步积累。

图7 2019年5月17日08:00北京探空图(a)和14:00—18:00大厂站3000 m以下温度廓线(b)Fig.7 Sounding chart in Beijing at 08:00 (a) and temperature profiles below 3000 m at Dachang station from 14:00 to 18:00 (b) on May 17，2019

2.5 对流不稳定和垂直运动

2019年5月17日14:00低层1000—800 hPa北京位于假相当位温的高值区，最大值为338 K，恰位于通州(116.5°—117.0°E)附近，1000—500 hPa假相当位温随高度减小，表明北京高低层大气呈对流不稳定状态(图8a)。从水平分布来看，低层假相当位温高值区位于河北衡水至北京北部，唐山南部至渤海湾附近为低值中心(图略)，北京东部至渤海湾地区等θse线密集。高低空比湿分布与假相当位温分布相似，因此北京东部午后增温增湿较为明显。

17日14:00北京上空200 hPa附近出现正涡度中心，中心强度为10×10-5s-1，其东部通州(116.5°—117.0°E)上空也为正涡度平流，有一定的高空辐散。114°—115°E低层有偏西风与东南偏南风构成的辐合，119°E以西区域为上升运动区(图8b)，由此可见，在高空急流和低空偏南风的共同作用下，在北京附近出现了一个低层辐合—垂直上升—高层辐散的垂直环流圈，动力条件更为有利。

图a实线为假相当位温，单位为K；图a虚线为比湿，单位为g·kg-1；图b实线为相对涡度，单位为10-5 s-1；图b虚线为垂直速度，单位为Pa·s-1；一个风旗为20 m·s-1，一个风向杆为4 m·s-1图8 2019年5月17日14:00假相当位温和比湿(a)，相对涡度、垂直速度、水平风(b)沿39.75°N剖面图Fig.8 Crossing sections of pseudo-equivalent potential temperature and relative humidity (a),relative vorticity，vertical velocity，and horizontal wind (b) along 39.75°N at 14:00 on May 17，2019

2.6 水汽分布

强降水超级单体风暴通常在低层具有丰富水汽和弱的对流前逆温层顶盖的环境中得以发展和维持[21]，利用2019年5月17日14:00—21:00通州东部大厂站微波辐射计反演出的相对湿度(图9)，分析强对流发生前北京东部大气中水汽分布情况，发现16:00开始1000 m以下大气湿度迅速增大，17:30的500 m以下相对湿度增至80%及以上。表明强对流天气开始前超低空湿度明显增加，低层大气水汽迅速积聚。

图9 2019年5月17日14:00—21:00大厂站相对湿度演变Fig.9 Variation of relative humidity at Dachang station from 14:00 to 21:00 on May 17，2019

分析地面湿度场发现(图略)，17:00—17:30通州东部地面湿度开始增加，其东部东南风风速较大，为4—8 m·s-1，水汽在通州东部聚集。随后通州东北部强回波对应区域相对湿度迅速增加，18:00—19:00最大相对湿度达90%以上，其南部等湿线密集，湿度梯度大。17:40—18:20最大比湿均维持在15 g·kg-1，正是由于湿度大值区强度和位置稳定少动，才使得雷暴获得充分的水汽供应，强雷暴维持时间较长。

2.7 中尺度对流系统的触发与维持

2.7.1 冷池的形成与触发作用

2019年5月17日16:00—17:00时廊坊北部出现对流性降水，形成弱冷池，L1表示由此处西移的冷空气，天津地区受海风锋影响，气温较低，L2为来温差达3.9 ℃，温度梯度为0.51 ℃·km-1(图10b)。冷池前沿(116.8°E、39.75°N)转为东北风出流，辐合线南部的偏南风增至4—6 m·s-1，辐合线东段风切变最明显。18:00冷池内外温差快速增至6.7 ℃，其南部温度梯度为0.64 ℃·km-1，这与2016年6月出现在山东的一次长生命史超级单体风暴演变过程中产生的冷池温度梯度相当[22]。冷池东南部有暖舌向东北伸展(图10c)，冷暖气流对峙在辐合线触发下生成对流。

自东南的冷空气，通州东部相对两侧气温较高，地面气压下降，出现一条辐合线(图10a)，随后触发出对流。17:40通州东部已经出现明显降水，冷池范围扩大，其南部被28—31 ℃的暖空气包围，冷池内外

阴影为温度平流，单位为10-6·K·s-1；实线为温度，单位为℃图10 2019年5月17日17:00(a)、17:40(b)、18:00(c)北京东部地面温度平流、温度和风场分布Fig.10 Distribution of surface temperature advection，temperature，and wind in the eastern part of Beijing at 17:30 (a),18:00 (b) ,18:30 (c),and 19:00 (d) on May 17，2019

2.7.2 对流的维持机制

2019年5月17日在对流发展的整个过程中通州东部冷池一直存在(图10和图12)。冷池中冷空气出流与暖湿气流交汇，在其前沿形成假相当位温θse密集带，表明此处大气具有较强的不稳定性。该密集带与水平锋生函数大值区对应(图11)，表明在冷池前沿的湿热边界层辐合线附近θse水平梯度增大，利于中小尺度锋生，产生强降水。17:40开始锋生函数大值区和θse密集带与强回波区位置相对应，高能量的暖湿气流被中小尺度锋面抬升，不断触发新对流，并向后传播，合并加强。至18:10冷池逐渐加强，但位置稳定少动，θse密集带和锋生也在加强，为对流发展提供了持续稳定的不稳定能量，形成强降水超级单体A。18:30冷池加强并南侵，强锋生区主要位于冷池东南和西南，分别对应风暴A和风暴B，且B附近锋生函数值更大，此后B强烈发展为超级单体，其东南移动时再次影响通州东部。19:00之后冷池向西南移动，且移速较对流系统快，这样偏南暖湿气流被其阻断，对流呈减弱趋势。

阴影为假相当位温，单位为K；实线为水平锋生函数，单位为10-9·K·s-1·m-1图11 2019年5月17日17:40(a)、18:10(b)、18:30(c)、19:00(d)北京东部地面假相当位温、水平锋生函数和风场分布Fig.11 Distribution of surface pseudo-equivalent potential temperature，frontogenesis function，and wind in the eastern part of Beijing at 17:40 (a),18:10 (b),18:30 (c),and 19:00 (d) on May 17，2019

因此地面辐合线触发出对流降水，其冷却蒸发形成冷池，冷池前沿逐渐形成一个高能量区，加之源源不断的暖湿气流输送，在中尺度锋面的强烈抬升下，触发深对流，而冷池稳定少动，是对流系统持续加强并长时间维持的主要原因。

2.7.3 地面散度的分布

从地面散度场分布可见(图12)，2019年5月17日冷池前沿地面散度为负值，其大值区与水平锋生区相对应。对流风暴初期在辐合区生成，随后在辐合区北侧强烈发展。18:10冷池前沿风场强烈辐合，出现一对很强的正负散度对，负散度中心达-1.2×10-3s-1，为强降水超级单体提供了有利的抬升机制。18:30演变为2个散度对，分别对应风暴A和风暴B。19:00散度场减弱，地面辐合线南移。强辐合区在通州东部维持约1 h，使得此处强降水持续时间长，降水总量大。

填色为散度，单位为10-3 s-1；实线为温度，单位为℃；一个风向杆为4 m·s-1图12 2019年5月17日17:40(a)、18:10(b)、18:30(c)、19:00(d)北京东部地面自动站的散度、温度和风场分布Fig.12 Distribution of divergence，temperature，and wind at automated weather stations in the eastern part of Beijing at 17:40 (a),18:10 (b),18:30 (c),and 19:00 (d) on May 17，2019

3 结论与讨论

(1)2019年5月17日北京通州区强对流天气发生在500 hPa大风速带附近，高空短波槽配合低空切变线，地面位于锋前暖区，超低空有浅薄湿层，高空有冷平流，层结不稳定，具有发生对流性天气的潜在条件。

(2)午后近地面加热形成的局地浅薄低压，使平原地区东南风进一步加强，为强降水超级单体的发生提供了充沛的水汽，并与高空西风急流相互作用，增大垂直风切变，使得动力条件更为有利。

(3)午后CAPE值达2800 J·kg-1，925 hPa附近有逆温层，并一直持续。持久的东南气流，使得17：00之后低层湿度显著上升，是强降水超级单体发生发展的有利环境。北京东部午后增温增湿明显，位于假相当位温高值区，对流不稳定呈加强趋势。

(4)地面冷池不断发展加强并向西伸展，与南部向东北伸展的暖舌对峙，冷池前沿为一条湿热边界层辐合线，强烈锋生触发深对流。冷池的长时间维持，加之稳定的东南风，使通州区附近形成显著辐合区，雷暴发展加强，形成了强降水超级单体。强雷暴后期分裂出另一超级单体，强回波反复经过通州东部是导致极端强降水出现的原因之一。

(5)本次过程出现在5月，就北京地区来说水汽条件一般并不充沛，加之数值预报显示高低空系统午后北抽，各地市气象台并未对本次强降水做出准确预报，也表明了北方强降水天气的复杂性。午后超低空小低压的生成及东南风的持续加强，地面气象要素场的分布能够提示强降水的发生，但强风暴分裂的原因、分裂后发展趋势及其云物理特征等还有待进一步研究。