河西走廊中部连续两次强对流天气对比分析

2023-09-11安婷婷王伏村闫昕旸牛丽娟

甘肃科技 2023年8期

安婷婷，王伏村，崔宇，闫昕旸，牛丽娟

（1.甘肃省张掖市气象局，甘肃张掖 734000；2.甘肃省气象局兰州中心气象台，甘肃兰州 730020；3.甘肃省气象局气象服务中心，甘肃兰州 730020）

1 引言

强对流天气是指直径超过2 cm的冰雹、超过17 m/s的对流性直线型阵风、任何级别的发生在陆地上的龙卷和超过20 mm/h的短时强降水[1]。其中，冰雹是甘肃省主要灾害性天气之一，危害程度仅次于旱灾，位居气象灾害第二[2]，强对流天气引发的灾害已严重威胁人民群众的生命财产安全[3]。强对流天气发生于中小尺度天气系统，空间尺度小，生命史短，但突发性强，天气剧烈，并常伴有狂风、骤雨，对农业生产和人民生命财产安全造成的破坏性极大，提高强对流天气的短时临近预报预警准确率，能有效预防或减轻其带来的危害，这也是预报业务中的重点和难点，近年来国内强对流天气业务预报水平已得到显著提升[4]。

张掖市地处甘肃省西北部，河西走廊中段，处于青藏高原与内蒙古高原的过渡地带，南枕祁连山，北依合黎山、龙首山。河西走廊雷暴的发生往往伴随着其他天气现象，包括阵雨、大风、扬沙、沙暴和冰雹等，最多伴随的天气现象为阵雨，概率超过55%，其次是大风和扬沙[5]。河西走廊夏季冰雹天气是仅次于干旱、大风沙尘暴的高影响灾害性天气，强对流天气的精准预报具有极大难度[6]。文章利用常规气象观测资料、卫星云图、雷达图及Ecmwf_thin数值模式，对2021年6月6日和8日河西走廊中部连续两次出现的强对流天气过程进行对比分析，完善一些短时量化指标判据，从而在强对流天气的短时临近预报预警中起到积极的作用，由此为防灾减灾提供更为可靠的参考依据[7]。

2 天气实况及灾情

2021年，河西走廊中部强对流天气频繁，冰雹次数达近五年之最。共出现强对流20次，冰雹天气3次，仅6月6日和8日河西走廊中部连续两次出现强对流天气过程，所辖6个县区都出现了不同程度的雷雨大风或冰雹天气，其中6月6日下午河西走廊中部出现一次雷暴大风、冰雹、短时强降水天气，14时40分—16时先后在肃南裕固族自治县、临泽县、高台县局部地方出现冰雹天气，冰雹最大直径约1～2 cm，出现在临泽县丹霞地质公园，16时—17时高台县罗城镇常丰村1小时降水量11.9 mm，达到河西地区短时强降水标准（1小时降水量≥10.0 mm）；共计78站出现大风，最大风速出现在甘州平山湖（27 m/s，10级），其中7级大风29站，8级大风35站，9级大风11站，10级大风3站。6月8日下午出现大风沙尘雷雨天气，最大风速出现在甘州碱滩（31.1 m/s，11级），其中甘州区、高台县、临泽县出现扬沙，最小能见度2 559米，出现在甘州；共计84站出现大风，其中7级大风12站，8级大风26站，9级大风27站，10级大风10站，11级大风9站，这在河西内陆地区实属罕见。

经核查统计，6月8日的大风沙尘天气使甘州区3个乡镇16个村86户337人受灾，212座农业生产大棚受损，造成农业损失约88.35万元。

3 大尺度环流背景分析及对比

强对流天气一般都是在有利的大尺度环流背景下生成、发展，大尺度环流背景决定了中小尺度对流天气系统的强度、时空尺度、演变特征。孙继松等[8]按照热动力学结构特征将中国西北地区强对流天气的形势背景分成3类：高空冷平流强迫类、低空暖平流强迫类、斜压锋生类。根据本地经验，河西走廊中部的降雹天气形势可分为西北气流型、高空冷涡型、偏西气流型、地形强迫型4种，文章在此基础上，分析了发生在2021年6月6日和8日两次强对流天气过程的环流背景及影响系统。

2021年6月5日20时500 hPa，欧亚中高纬地区呈“两槽一脊”的形势，西槽位于贝加尔湖西侧（50°N～60°N，85°E～ 95°E）附近，新疆北侧有一温度为-24 ℃的冷中心，此时甘新交界处的短波槽和青藏高原中东部的高原槽呈阶梯状，短波槽槽前等高线疏散，有利于槽的发展加深；至6日8时，新疆北侧的冷中心东移发展，强度达-26 ℃，甘新交界处的短波槽东移发展至河西走廊中部-青海中东部，槽后冷空气不断下滑影响河西走廊中部，而且等温线和等高线夹角较大，冷平流较强。对应到同时次700 hPa上，新疆北侧有强度达-8 ℃的冷中心，甘新交界处有切变线，切变线后侧有冷平流，而甘肃大部受暖脊控制。综上，上冷下暖的大气不稳定层结以及前倾槽结构均为此次强对流天气的发生奠定了基础。同时，在地面图上，6日8时中西伯利亚受低压带控制，低压带底部副冷锋东移；至6日14时，低压带东移南压并增强，河西走廊有地面辐合线，中尺度辐合线为此次冰雹天气提供了较好的触发机制[9]，加之午后近地面增温明显，而高空有冷空气沿西北气流不断下滑，加大上下层温差，使大气层结的不稳定性增强，在地面辐合线的抬升作用下，不稳定能量释放，河西走廊中部出现区域性的雷暴天气，并产生局地短时强降水和冰雹。

2021年6月7日20时500 hPa，欧亚中高纬地区亦呈“两槽一脊”的形势，但槽脊位置与5日20时不同，西槽位于贝加尔湖南部-河西走廊中部，槽前等高线呈疏散状，且冷温槽落后于高度槽，有利于槽的发展加深，同时贝湖南部有一温度为-20 ℃的冷涡；至8日8时，冷涡东移，西槽亦随之缓慢东移并略有加强，槽后有弱冷空气沿西北气流不断下滑影响河西走廊中部，但等温线和等高线几乎平行，夹角较小，冷平流较弱。对应到同时次700 hPa上，贝加尔湖南部有一冷涡，中心强度达-4 ℃，河西走廊中西部有切变线，切变线后侧有冷平流，切变线前侧为暖平流；从而形成了上冷下暖的大气不稳定层结，非常有利于强对流天气的发生和发展。在地面图上，7日20时冷锋东移至河套地区，受冷锋东移影响，河西中东部出现了弱降水，蒙古中西部受高压控制，河西走廊西部有地面辐合线；至8日8时，高压增强5 hPa，并分裂南下，高压外围的下沉气流有利于地面风速加大，从而有利于雷暴大风的产生，同时河西走廊中部和西部各有一地面辐合线，地面辐合线稳定有利于对流系统的增强[10]；至14时，高压迅速减少10 hPa，地面辐合线减弱消失。

通过对6日和8日强对流天气过程的大尺度环流背景及影响系统对比分析发现：6日的强对流天气属于西北气流型；8日的强对流天气属于高空冷涡型。

4 中尺度分析及对比

一般认为，强对流天气的发生必须满足以下几个基本条件：水汽条件、不稳定层结条件、抬升条件和垂直风切变条件。中尺度天气分析是在常规天气图分析的基础上，针对产生中尺度对流性天气的主要条件，分析各等压面上相关大气的各种特征系统和特征线，最后形成中尺度对流性天气发生、发展大气环境场“潜势条件”的高空和地面综合分析图[11]。中尺度分析方法在强对流天气短临预报预警中发挥着重要的作用，研究将从这几方面出发，利用地面、高空等观测资料对过程前的环境场进行中尺度分析。

6日8时中尺度分析：河西走廊位于200 hPa高空急流左侧，风速有明显的气旋性切变，高空抽吸作用有利于中低层气流的辐合抬升；500 hPa河西中部至青海中部有低槽，冷温槽位于新疆北部；700 hPa甘新交界有切变线，冷温槽位于新疆北部，高低空配置可以看出明显的前倾槽结构，前倾槽有利于强对流的产生和发展；地面上，河西走廊西部的副冷锋有利于触发不稳定能量的释放，从而产生强对流天气。从水汽条件来看，此次过程河西500 hPa温度露点差达4～6 ℃，700 hPa比湿为6 g/kg，河西中西部地面露点达10～14 ℃，中低层水汽条件较好。探空资料在强对流天气分析中占有重要地位，强天气的出现必然对应某些中尺度物理量的异常[12]。中国探空对应于北京时间8时和20时，而对流活动多发生在下午和傍晚，如果用8时探空状态判断下午和傍晚的对流潜势，误判的可能性很大，因此，需用14时的温度对8时探空图进行订正，订正后CAPE值由2.3 J/kg升高至1 231.7 J/kg，说明大气层结极不稳定，较高CAPE值有利于强对流天气发生[13]；另外，大气层结不稳定还可以用700 hPa与500 hPa之间的温度差来表示，温差越大，表示条件不稳定越明显，此次过程700 hPa和500 hPa温差达21 ℃，也表明河西走廊大气层结处于不稳定状态。从张掖站的探空图可以看出，600～700 hPa为湿层，600 hPa以上和700 hPa以下大气层结较干，有利于雷雨大风的产生；0～3 km风矢量差15.5 m/s，0～6 km风矢量差11.2 m/s，0～3 km垂直风切变最强，对流性特征明显[14]，有利于对流风暴的发生和加强。

8日8时中尺度分析：河西走廊亦位于200 hPa高空急流左侧，风速呈气旋性切变，但与6日8时不同的是，8日8时200 hPa高空急流距离河西走廊中部更近，高空抽吸对中低层气流的辐合抬升作用更强；500 hPa贝加尔湖附近冷涡底部低槽延伸至河西走廊中部，冷温槽位于新疆东部；700 hPa河西中部有切变线，冷温槽位于新疆中部；地面上，河西走廊中部和西部各有一个地面辐合线，有利于不稳定能量的释放，从而产生强对流天气。从水汽条件来看，500 hPa张掖上空温度露点差达7 ℃，700 hPa比湿为5 g/kg，地面露点达7～8 ℃，整层水汽条件较差。同样，用14时的温度对8时探空图进行订正，订正后CAPE值由0 J/kg升高至1 409.7 J/kg，说明大气层结极不稳定；另外，700 hPa和500 hPa温差达22 ℃，也表明河西走廊大气层结处于不稳定状态。张掖站的探空图表明，低层有逆温层，形成干暖盖，近地面层的逆温层为强对流发生积累了能量；大气层结从底层到高层均较干，有利于雷雨大风的产生；中低层有明显的垂直风切变，0～3 km风矢量差7.1 m/s，0～6 km风矢量差24.7 m/s，有强垂直风切变，更有利于强对流风暴的发生和加强。

综上分析表明：8日的水汽条件比6日的差；就大气层结稳定性而言，8日更不稳定；而且8日的垂直风切变明显比6日的大；但8日的抬升条件不如6日。

此外，0 ℃层和-20 ℃层是表示雹云特征的重要参数，就河西走廊中部而言，有利于降雹的0 ℃层高度约在4 km（600 hPa）附近，-20 ℃层高度约在5 km（400 hPa）附近。分析探空资料发现，6日的0 ℃层和-20 ℃层高度分别位于3 975 m和7 228 m，8日的0 ℃层和-20 ℃层高度分别位于4 194 m和7 324 m，因此，6日特征层高度更适宜降雹。

5 卫星资料分析及对比

从2021年6月6日的卫星云图（图1）上可以看出，12时酒泉市境内形成多个对流云团，强度较弱；13时对流云团东移发展增强；14时位于酒泉市东部的对流云团进入河西走廊中部的高台县和肃南裕固族自治县西部；15时该对流云团发展东移至河西走廊中部的临泽县和肃南裕固族自治县中部，强度增强，且头边界光滑整齐，云团影响区域出现冰雹天气；16时酒泉市上空片状对流云团东移增强，影响河西走廊中部的高台县西北部，此时高台县西北部的天成出现小冰雹；17时该对流云团呈盾状，头边界清晰可见，强度继续增强，影响高台县和临泽县北部，其中高台西北部的长丰村出现大于10.0 mm/h的短时强降水天气；18时对流云团发展成MCC呈团状，主体移出甘肃省。

同样，从2021年6月8日的卫星云图（图2）上可以看出，在河西走廊西部形成并发展东移的对流云系于14时开始进入河西走廊中部，并且继续发展增强，伴随着云系的东移增强，河西走廊中部自西向东出现雷暴大风天气；至19时，该对流云系开始减弱消散；21时，主体移出河西走廊中部。

由此可看出，两次过程均表现出对流云团于午后发展东移并不断增强，造成河西中部的区域性雷暴天气；但6月6日的对流云团比8日的更白，云高更高，发展更旺盛，强度更强，故6日还出现了局地冰雹和短时强降水天气过程。

6 雷达资料分析及对比

张掖雷达是C波段（λ＝5 cm）多普勒天气雷达，在短时临近天气预报预警工作中发挥了极为重要的作用，文章通过分析张掖天气雷达的各类PUP产品，从而得出冰雹、雷雨大风的预报着眼点。

从2021年6月6日14：33雷达图（图3）上可以看出，河西走廊中部的肃南裕固族自治县出现58 dBz的超级单体回波，强回波呈东北-西南向带状分布；此后，带状回波自西北向东南移动并发展加强，14：39—14：57，强回波发展呈“s”形钩状回波，回波最强达66 dBz，位于临泽丹霞附近，中低层有弱回波区，低层有有界弱回波区，15：00观测到该地出现直径达2 cm的大冰雹；15：03—15：09，回波强度持续在60 dBz以上，“s”形钩状回波结构逐渐减弱消散，至15：15呈弓形回波，弓形回波预示着雷暴大风的来临[15]，强度减弱至58 dBz。在速度图上，强回波附近出现了逆风区，而逆风区的出现，说明风场具有明显的切变，有利于强对流回波的发展和加强；此外，在带状回波前侧低层辐散、高层辐合，有利于下沉气流增强，从而有利于地面大风的形成。分析垂直累积液态水含量（VIL）值发现，丹霞附近14：51VIL值最大达42 kg/m2，14：57VIL迅速下降至33 kg/m2，VIL较大区域和降雹区对应较好，对冰雹落区预报有很好的指示意义。回波顶高（ET）值在降雹前上升至9 km附近，降雹时段跃变至11.6 km，说明对流云发展旺盛，并在降雹后迅速下降到8 km附近，冰雹发生在风暴单体回波顶高下降期间[16]。垂直风切变对强对流的发生、发展和维持有很好的指示意义[17]，分析17：31—18：31的风廓线图（VWP）发现，17：31—18：01低层（2.7 km以下）风向随高度升高由偏东风转为西北风，说明低层有强的垂直风切变，有利于强对流的形成和加强；此外，在云下高温干燥的环境场作用下，由于雨滴蒸发降温作用，动量下传促使降水粒子下沉作用加强，在4.6 km高度风速达19.0 m/s，对地面大风有加强作用，容易形成地面辐散大风，实况场18：00张掖风速达最大，这与实况一致。

图3 2021年6月6日14：57张掖雷达2.4°仰角回波强度图（a）和速度图（b）

6月8日雷达图（图4）上，14：00开始混合云降水回波开始进入河西走廊中部，自西北向东南移动，16：14在混合云降水回波前沿形成带状弓形回波，回波强度最强达59 dBz，中低层有弱回波区，表明低层有强烈的上升运动，回波继续自西北向东南移动影响河西走廊中部，强度先减弱后增强。16：49速度图上可以明显看到有一对牛眼出现，“牛眼”位于雷达站西北、东南两侧，并出现了速度模糊，底层风速达-33 m/s，距离地面高度仅1.8 km，出现在近距离、低仰角，有利于地面形成强烈大风天气，这与地面大风实况一致。垂直累积液态水含量（VIL）值最大达10 kg/m2，最强回波对应回波顶高（ET）5～8 km。分析16：31—17：31的风廓线图（VWP）发现，16：31—17：01低层（2.4 km以下）风向由偏南风转为偏北风，说明低层垂直风切变很强，有利于强对流的形成和加强；同时，高层风速较大，有利于动量下传，从而造成地面大风，实况场17：00张掖风速达最大，与实况有很好的一致性。

图4 2021年6月8日16：14张掖雷达3.2°仰角回波强度图（a）和16：49张掖雷达0.5°仰角速度图（b）

综上分析可得：就回波强度而言，8日的回波强度不如6日出现冰雹的回波强度，6日出现超级单体回波，8日主要以混合云降水回波为主；速度场特征表现出虽然6日的风速大小不如8日，但6日的垂直风切变明显强于8日，强的垂直风切变更有利于冰雹的产生；8日的VIL和ET明显低于6日出现冰雹时的VIL和ET，大的VIL有利于冰雹的产生，而高的ET说明上升运动强烈，有利于产生大冰雹；VWP很好地体现了动量下传，有利于地面大风形成和加强。

7 Ecmwf_thin数值预报偏差分析

分析Ecmwf_thin数值预报场可以发现，2021年6月5日20时起报的6日8时500 hPa欧亚中高纬地区亦呈“两槽一脊”的形势，与实况一致；但实况场上河西走廊中部-青海中部有一短波槽，而预报场上河西走廊中部的西风槽和青藏高原中东部的高原槽呈阶梯状，短波槽槽前等高线呈疏散状，有利于槽的发展加深。在地面风场预报中，通过对比分析6日14时的10 m风场预报和地面风场实况可知，实况场上河西走廊中部风场的辐合中心在模式预报中没有体现，模式对中尺度辐合中心的预报能力不足是造成此次强对流天气预报偏差的主要原因[18]。同时，分析6日14时Ecmwf_thin预报河西走廊中部CAPE值达708 J/kg，比经过订正得到的CAPE值偏小。

2021年6月7日20时起报的8日8时500 hPa环流形势与实况基本一致，但预报场上冷涡及冷涡底部低槽位置明显比实况场偏东。通过对比分析实况场和预报场的海平面气压发现，预报场8日8时影响河西走廊的冷高压比实况场偏弱5 hPa，而且在地面风场预报中，模式预报的8日8时10 m风场河西走廊中部地面辐合线比实况场明显偏北，造成此次强对流天气预报偏差。同时，分析8日14时Ecmwf_thin预报河西走廊中部CAPE值最大仅182 J/kg，比经过订正得到的CAPE值明显偏小。

综上分析发现Ecmwf_thin数值预报场500 hPa环流形势与实况基本一致，说明欧洲中心数值预报在大尺度环流形势的预报中表现出比较强的预报能力，但是对中尺度辐合中心的预报以及对CAPE值等物理量的预报能力不足，偏差较大，导致对强对流预报的预报效果不佳。