天津一次强对流天气过程分析

童翘宇，史 珺，孙碧莹

(天津市东丽区气象局 天津 300300)

0 引 言

强对流天气是发生在对流单体或云系中伴有短时强降水、雷雨大风、冰雹等的灾害性天气，具有生命史短、突发性强、灾害性大的特点。在全球变暖的气候背景下，夏季强对流天气的发生更为频繁，对社会经济和人民生命财产安全产生了重要影响。多年来，强对流天气一直是国内外学者关注的重点，通过持续总结强对流天气的时空分布与天气学特征[1-3]，探讨强对流天气的预报指标与预报方法[4-9]，利用卫星云图、雷达回波特征及数值模式等[10-13]对强对流天气进行综合分析，逐渐形成了强对流天气发生发展机制的坚实理论基础。

2021年8月23日，天津一天内发生多场降雨，较短时间内的集中降雨给城市交通运行和居民生活出行带来不便。通过对本次雷雨大风过程的降水特点、环流配置、物理量特征及卫星云图等进行分析，加强对其物理机制的理解并增强预报预警能力，以期为今后强对流天气预报提供参考。

1 天气概况

2021年8月23日，天津地区出现强对流天气过程，局地伴有短时大风，未出现冰雹天气。按照降水量演变状态，整个降水过程可以分为2个阶段：第一阶段为23日下午(14：50～16：30)，雨带呈东西带状分布，主要出现在天津市区、西青区、北辰区、东丽区及宁河区等地，最大降水量44.6 mm，最大小时雨强为33.9 mm(15～16时)，西青区和宁河区出现7级阵风；第二阶段为23日傍晚至前半夜(19：50～01：30)，全市均出现降雨，最大降水量97.5 mm、最大小时雨强65.4 mm(00～01时)和最大阵风24.3 m/s (9级)均出现在滨海新区沿海地区。

2 成因分析

2.1 环流形势分析

利用MICAPS实时数据分析8月23日8时天气形势(图1)，发现华北地区受深厚冷涡系统控制，其高空槽从冷涡中心一直向南延伸至30°N附近，温度槽明显落后于高度槽，槽后有显著的冷平流存在。500 hPa中高纬呈纬向型环流，副热带高压呈带状稳定维持在华南一带，平直锋区上短波槽不断生成，河套附近有低槽东移，带动冷空气入侵华北地区。从高低空配置上看，500 hPa槽与700 hPa槽位置基本一致，但明显落后于850 hPa槽，对流层中低层天津附 近存在多条切变线，处于不稳定状态。与高空冷涡系统相对应，地面图上表现为低值系统，冷锋位于蒙古上空，天津处于低压底部的均压场中。随后河套槽快速南压，14时整层呈现为前倾槽结构，中上层冷空气叠加到中下层暖湿空气上，上干冷下暖湿的不稳定结构更加显著。同时地面暖低压增强，台风持续北上，天津附近的气压梯度不断增大。

图1 2021年8月23日8时天气形势 Fig.1 Synoptic situation at 8：00 on 23th August 2021

2.2 地面中小尺度分析

分析地面加密自动站观测到的风场发现地面辐合线锋生是短时强对流产生的有利触发机制。8月23日11时，天津东部出现明显的地面切变线，该切变线自东南向西北推进，产生明显风向辐合、局地切变和垂直上升运动，与第一阶段雷雨大风的落区和时间对应吻合。而在第二阶段降水首先出现于天津西南部，雨区逐渐扩大并朝东北方向发展，主要是受高槽东移影响。23时槽后西北风与渤海沿岸东北风相遇产生切变，导致滨海新区沿海地区触发局地暴雨 大风。

2.3 物理量诊断分析

分析8月23日8时物理量场发现天津低层到中高层呈现一致的垂直上升，在散度场上表现为低层辐合配合高层辐散，辐合高度略低于最大上升层高度，利于上升运动的维持。从湿度场上看，850 hPa天津比湿8～10 g/kg，而500 hPa比湿仅为2 g/kg，整层呈现上干下湿的不稳定层结。以天津东丽站为例分析假相当位温和水汽通量散度的垂直时间变化(图2)，发现降水期间假相当位温随着气压降低而减小，低层有明显的水汽辐合。可见在强对流发生前天津地区已经具备较好的层结不稳定，不稳定能量增加，上升运动旺盛，中下层水汽充沛，非常有利于强对流天气的触发。

图2 假相当位温和水汽通量散度的垂直分布随时间的演变(黑色框为降雨发生时间段) Fig.2 Time series variation of vertical distributions of θse and vapor flux divergence (the black circle indicates the whole rainstorm process)

2.4 探空资料分析

分析8月23日8时北京探空资料(图3)，发现850 hPa以上风随高度顺转有弱暖平流，其下层风随高度逆转有冷平流。从温度层结曲线及湿度的垂直变化上看中层有明显干层，底层存在的弱逆温层不仅阻挡其上层的干冷空气继续向下侵入，同时利于底层的水汽持续辐合，不断增强能量积累。从对流参数上发现对流有效位能达到2 018.4 J/kg，同时K指数 为36.1℃，均说明天津地区存在很强的潜在不稳定能量。

图3 2021年8月23日8时北京温度对数压力图 Fig.3 Beijing T-lnp diagram of temperature at 8：00 on 23th August 2021

2.5 卫星云图分析

从红外云图上看(图4)，中高纬度存在稠密的涡旋云系，其头部有高空吹散的卷云羽，丝缕状纹理较 清晰，尾部后侧干缝持续卷入头部，表现为晴空区。云系尾部附近色调白亮，对流云团发展旺盛，伸展高度也比较高，容易激发新的强对流云团生成。从水汽云图也可以看到云系色调白亮，意味水汽充足，同时存在显著暗区，表明中上层存在下沉的干冷空气，在冷空气激发下，暖湿气流剧烈抬升，对流天气旺盛。

图4 2021年8月23日14时红外云图和水汽云图 Fig.4 Infrared cloud image and water vapor cloud image at 14：00 on 23th August 2021

3 总 结

利用常规观测资料、地面加密自动站、卫星云图 等多种观测资料对2021年8月23日天津雷雨大风天气进行初步的诊断分析，可以发现以下情况。

①分析23日形势场看到华北地区高空有冷涡持续东移，对流层中下层天津附近有多条切变线配合，这种高低层环流配置为本次强对流的发生提供有利的大尺度环流条件。同时台风持续北上，地面暖低压增强，天津附近的气压梯度不断增大，这是大风发生的重要背景。

②在冷涡东移过程中冷空气与暖湿气流相遇，高层湿度小、低层湿度大，上干冷下暖湿的结构特征产生不稳定层结。高层辐散、低层辐合的垂直配置有利于强盛上升空气的维持。低层水汽通量辐合表明 有源源不断的水汽输送，为降雨提供了充沛的水汽 条件。

③按降水量的时间演变可将整个降水过程分为2个阶段：第一阶段为23日下午，持续时间不足3 h，小时雨强大，雨带呈东西带状，此时东移的高空冷涡尚未移近天津，短时强降水主要是地面辐合线触发产生的局地对流性降水；第二阶段为23日傍晚到前半夜，受冷涡东移影响，天津全市产生降水，雨势相对平缓，而在渤海沿岸的偏北风辐合加强，导致滨海新区沿海地区产生局地暴雨大风天气。