保定“6·25”致雹超级单体过程分析

董疆南，韩英杰，丁和悦

河北省保定市气象局，河北保定 071000

冰雹是河北省夏季频发的灾害性天气之一，由于其具有破坏力大、局地性强的特点，给工农业生产、国防建设及人民生命财产带来严重危害。冰雹的出现往往伴随着超级单体，许多学者对超级单体展开了深入研究。郑媛媛等[1-4]分别对强降雹过程中的超级单体风暴的结构特征及成因做了细致的研究。陈关清等[5-6]对降雹过程中超级单体的中尺度特征进行了分析。而近年来，许多华北地区的气象工作者和科研人员也针对华北冰雹天气的气候特征、环流背景和对流环境条件进行了深入研究，形成了天气气候概念模型，明显改善了冰雹的潜势预报状况[7-9]。这些研究成果对人们认识华北地区冰雹灾害的形成机理、寻找预报着眼点提供了较好的天气动力学基础。

2020年6月25日下午，保定自西向东出现强对流天气，涞源、易县、满城、顺平、清苑区、蠡县等部分地区先后出现大冰雹，其中，涞源、易县、满城、清苑4个国家站有测站记录，降雹时段主要集中在14:30～18:00，测站最大冰雹直径为易县26 mm，此外个别地点还伴有短时大风和短时强降水，最大风力22 m/s。

1 环境条件分析

1.1 天气形势分析

2020年6月下旬初，500 hPa亚洲中高纬呈两槽一脊，巴尔喀什湖以北有一高空冷涡，高空冷涡分裂东移。23日08:00高空冷涡移至贝加尔湖以南，此时河北地区受高空槽前西南气流影响；随着高空冷涡继续东移，河北上空不断有高空槽滑过，25日08:00，高空冷涡移至110°E以东，位于内蒙古和蒙古国交界，此时河北地区上空受槽后西北气流影响，且风速明显增大，最大风速达22 m/s。700 hPa有冷涡配合，河北上空为西北气流；850 hPa有低涡位于内蒙古中部，有一东北—西南向切变线延伸至河套地区，河北上空为偏南气流。在地面图上可以看到，贝加尔湖西南侧有一高压，内蒙古中部有一低压，有一冷锋从低压中心延伸至甘肃地区，河北处在锋前低压区。

1.2 层结条件分析

选取2020年6月25日08:00进行中尺度分析发现，本次过程属于河北冰雹天气中的典型的西北气流型（图1）。200 hPa有高空急流，河北处在高空急流左侧；500 hPa高空槽位于河北东部，槽后有西北急流，最大风速达22 m/s，河北大部分地区受西北急流控制；850 hPa切变线位于内蒙古中部至河套一带，系统呈前倾结构；地面有一冷锋位于内蒙古中部至甘肃一带，河北位于锋前。500 hPa有温度槽位于河北东部，700 hPa有露点锋位于河北西部，说明槽后西北风急流携带干冷空气南下影响河北地区；而850 hPa有一暖脊，925 hPa则有一湿舌，说明河北地区低层受暖湿气流影响，由此形成了上干下湿、上冷下暖的不稳定层结。由此可见，河北地区在25日08:00已经具备适宜强对流发生的环境条件。

图1 2020年6月25日08:00中尺度分析

随着白天温度的升高，不稳定能量积聚，北京14:00探空图显示，华北地区上空对流有效位能(CAPE)为1 587.9 J/kg，沙 氏 指 数 为-2.06℃，K指 数 为33℃，850 hPa与500 hPa温差为27.2℃，说明不稳定能量大，大气层结不稳定（图2）。从风向的垂直变化可见，对流层低层风随高度顺转，伴有较明显暖平流，而高层则是顺高度逆转，有冷平流，湿层也主要集中在700 hPa以下，形成了“上冷下暖，上干下湿”的形势，有利于大气层结不稳定。另外，从风速风向来看，低层为东南风，风速较小；中高层转为偏西风和西北风，风速较大，说明垂直风切变较大。大气温度层结的分布特征为：0℃层高度位于3.8 km，-20℃层高度位于6.7 km，适宜冰雹的形成。

图2 2020年6月25日14:00北京探空

垂直风切变是雷暴的增强机制，大冰雹的出现常常伴有较大的垂直风切变。用欧洲中心ERA5再分析资料河北中部地区0～3 km垂直风切变的变化趋势发现，25日14:00保定上空0～3 km垂直风切变为2.5～3.0 m/（s·km）左右，此时0～3 km垂直风切变大值区主要分布在西部山区，太行山东麓平原地区较小，而对流也主要出现在西部山区，且强度相对较小（图3a）。随着系统的加强，18:00 0～3 km垂直风切变达到4.5 m/（s·km），大值区主要位于保定西北至东南一带，正是这种强垂直风切变维持了对流风暴的发展加强，使得雷暴发展成超级单体，有利于大冰雹天气的出现（图3b）。

图3 2020年6月25日14:00（a）与18:00（b）河北中部0～3 km垂直风切变

2 超级单体特征分析

本次强冰雹过程，石家庄新乐雷达多个仰角产品均有比较明显特征出现。在反射率因子图上，14:24保定西北部已经有对流回波生成，最大强度已达69.5 dBz，受对流单体A影响，涞源14:28出现冰雹。随着系统东移，对流单体A、B不断加强，受A影响，15:55易县出现冰雹。随后对流单体A下山加强，17:18新乐雷达1.5°仰角反射率因子最大回波强度达到75.5 dBz，且风暴前侧有“V”形缺口（图4a）。同时，6.0°仰角反射率因子图有旁瓣回波和三体散射，具有很明显的大冰雹特征，说明已风暴单体A此时已经发展成超级单体（图4b）。在径向速度图上，从17:00开始连续存在5个体扫均有速度对出现，说明有中气旋生成。17:30，4.3°仰角径向速度图上，黑色方框区域内有负速度中心，最大负速度达-10 m/s，而圆形区域内有正速度，且伴有速度模糊，最大正速度为35 m/s，由此可知，旋转速度达到22.5 m/s，且距离雷达中心80 km左右，因此该速度对已达到强中气旋标准，说明此时对流单体A已发展为强降雹超级单体（图4c）。受超级单体的影响，满城、清苑、蠡县多地先后出现特大冰雹，造成严重灾害。17:42雷达0.5°仰角反射率因子图上椭圆区域有阵风锋出现，该阵风锋一直沿超级单体的右前侧移动，且距离风暴较近，因此该阵风锋对风暴母体也具有一定的正反馈作用，使得本次降雹超单得以长时间维持发展（图4d）。另外，阵风锋的出现，也造成了清苑等地的大风天气。

图4 2020年6月25日石家庄新乐雷达回波

3 微波辐射计资料分析

清苑观测站微波辐射计显示，17:30开始地面气压涌升，从995.0 hPa升至999.1 hPa，上升了4.1 hPa，18:00气压再次下降至997.5 hPa左右；17:30地面温度骤降，从28℃降至20℃；17:30地面湿度也大幅增加。说明17:30～18:00清苑地区有强对流风暴经过。再分析路径液态水含量可以发现，17:30液态水含量明显跃增，且幅度很大，说明对流风暴伴有大冰雹。

从微波辐射计观测到的大气状态来看，17:30整层温度明显下降，说明对流风暴开始影响清苑观测站，降雹开始。在相对湿度图上，17:00以前整层大气相对湿度大值区集中在2 km以下，km以上水汽密度有所增大，0.5～1.5 km以下水汽密度明显减小。2 km以上相对湿度较小，整层大气呈“上干下湿”结构，这种不稳定层结有利于对流风暴的发展加强。降雹开始前，17:20左右，低层的湿度迅速增大，0.5～2.5 km附近大气接近饱和。同时高空冷空气开始侵入，4.5 km以上相对湿度迅速减小；17:30降雹开始后，边界层大气呈“上下湿、中间干”的3层结构，2～2.5 km处存在的明显干层，说明有干冷空气向下侵入。在整个降雹的过程中，1.5 km以下水汽密度超过10 g/m3的，近地面水汽密度超过16 g/m3并且一直持续到降雹结束，降雹结束后1.5

4 结论

（1）本次致灾冰雹过程属西北气流型冰雹天气，高低空急流和地面冷锋为此次强冰雹天气提供了有利的动力与热力条件，较强的不稳定层结和垂直风切变适宜大冰雹的出现。

（2）石家庄新乐雷达显示，降雹期间对流云团具有三体散射、旁瓣回波等大冰雹特征，还出现持久深厚的中气旋，具有明显的超级单体特征；超级单体是本次强降雹过程长时间维持的主要原因。

（3）微波辐射计和风廓线观测资料显示，强降雹超级单体临近时液态水含量明显跃增，整层大气呈“上干下湿”结构，说明大气层结不稳定；降雹开始后，边界层大气呈“上下湿、中间干”的3层结构说明有干冷空气向下侵入，有利于对流风暴的发展和加强。