京津冀“7·5”強對流天氣形成的環境條件及中尺度特征

許 敏，沈 芳，劉 璇，劉艷杰，張湘涵

（1.河北省氣象與生態環境重點實驗室，河北 石家莊 050021；2.河北省廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；3.河北省文安縣氣象局，河北 文安 065800）

引 言

短時強降水、雷暴大風、冰雹是夏季華北地區主要的強對流天氣，具有突發性和局地性強、致災性大等特點，常給受影響地區，尤其是大城市的運行帶來挑戰，伴有地質災害、城市內澇等次生災害的強對流天氣更是嚴重危害人民生命財產安全［1-2］。通常認為，短時強降水的發生需要充沛水汽、較強的抬升運動、熱力不穩定層結以及適當的垂直風切變條件［3］，但對于不同區域，所需的環境條件和具體對流參數閾值又不盡相同［4-6］：樊李苗等［7］研究了中國短時強降水、雷暴大風、強冰雹和混合型強對流天氣的環境參數特征，發現純粹短時強降水較其他強對流天氣而言，700～500 hPa 和850～500 hPa 溫差更小，垂直風切變更弱，0 ℃層、-20 ℃層和平衡層高度較高；中亞和新疆東部異常氣旋式和反氣旋式水汽通量距平可引發新疆北部大范圍極端降水［8］；而冀中地區強降水形成的水汽、熱力、動力條件均在降水出現前累積加強，在降水開始前30～90 min 達到極致［9］。各地區的強對流形成于不同的大氣環境背景下，但強對流的最終爆發還需要中尺度系統這一必要條件作為觸發機制［10-11］，進而增強風暴的組織性，影響其對流強度和演變發展［12-13］。為此，對中尺度系統的研究也逐漸成為強對流分析的一個重要部分，為了捕捉這些特征，近年來不斷有學者為彌補傳統探空資料在時間分辨率上的不足，嘗試用微波輻射計獲取分秒級的大氣層結信息，從溫濕、穩定度等多方面進行天氣學診斷分析［14-15］，提取了對短時強降水敏感的對流參數作為預報因子［16］，并通過多源資料應用證明在有利的環境條件下，輻合線、冷池出流等可不斷觸發中尺度對流系統（mesoscale convective system，MCS）新生［17］。

京津冀地區是我國北方主要的強對流區之一［3］，首都北京位于其中部，特殊的地理環境和政治地位使得該地區的強對流天氣一直以來都是預報員和科研工作者研究的重點，如2012年“7·21”和2016年“7·20”北京兩次極端暴雨均由連續和大范圍短時強降水引起，導致嚴重城市內澇和山區泥石流，致使數十人死亡，數十萬人緊急轉移，數百萬人受災，兩次過程中850 hPa 動力抬升和整層可降水量均極端偏強，但抬升指數（lifting index，LI）表征的熱力條件差異巨大，前者偏強，而后者偏弱［18-19］，還有分析表明中尺度對流單體沿低空急流軸左側傳播，具有明顯的重力波傳播特征，低空急流暖濕輸送導致高溫、高濕、高能的對流不穩定層結反復重建，加強了對流的發展［1，20-21］?？梢?，強對流天氣成因復雜，即便同一地區降水，其形成和發展機理也有差異，各種時效尤其是精細化的預報仍面臨較大挑戰，需要運用高時空分辨率的新型觀測資料，從不同角度對強對流天氣過程開展研究，以不斷突破對其對流屬性和機制機理認知的局限性［22-23］。2021年7月5日下午至夜間京津冀中部地區出現了以強降水為主，伴隨雷暴大風和小冰雹的混合型強對流天氣，是一次歷時長、范圍廣、強度較強的區域性強對流天氣，為了解其形成原因，在借鑒一些學者關于強對流個例雷達特征、物理量指數等分析的基礎上［24-25］，綜合運用多源觀測資料對此次天氣過程的環境條件和中尺度特征展開研究，為擴展預報員對此類天氣的認知，重點分析了出現在一日中不同時段強對流的中小尺度物理量差異，為精準預報預警業務的開展提供技術支撐。

1 資料與方法

1.1 資 料

利用北京、天津和河北中部地區1966個區域自動氣象站逐時降水量、風向、風速、氣溫等地面觀測資料，分析天氣實況及地面中尺度系統特征；歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析資料ERA5（空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h），主要用于環境條件分析；北京站S 波段多普勒天氣雷達數據，該雷達位于北京南部，此次過程研究的強降水落區均在雷達周邊100 km 以內，處于其有效探測范圍中，可真實反映對流系統發展過程；北京探空資料和FY-2G 氣象衛星的可見光資料，用于分析大氣垂直溫濕狀態和中尺度對流云特征；廊坊北部的大廠回族自治縣（簡稱“大廠”）位于強降水區內，且與最大降水量出現地（北京通州副中心辦公區）僅相隔潮白河，可較好地反映對流發生前后的垂直大氣環境，因此使用大廠的QFW-6000 型微波輻射計測得的相對濕度、云底高度和云底紅外亮溫資料，用于分析強對流上空的相對濕度特征和云底高度、云底紅外亮溫變化趨勢；以上資料的起止時間均為2021年7月5—6日。

1.2 方 法

抬升指數LI、SI和K指數計算公式［3］分別為：

式中：T500（℃）為500 hPa 的實際溫度；TL（℃）指氣塊從自由對流高度開始沿濕絕熱線抬升到500 hPa 的溫度。

式中：TS（℃）指氣塊從850 hPa 開始先沿干絕熱線上升到凝結高度，再沿濕絕熱線抬升到500 hPa 的溫度。

式中：T850、T700、T500（℃）分別為850、700、500 hPa的溫度，Td850、Td700（℃）分別是850、700 hPa的露點溫度。

2 強對流天氣實況

2021年7月5日下午至夜間，北京東南部、天津西部及與其毗鄰的廊坊中北部和保定東北部出現短時強降水、雷暴大風，北京大興國際機場觀測到冰雹；過程累計降水量普遍為50.0～150.0 mm［圖1（a）］，最大值152.7 mm 出現在廊坊市安次區仇莊鄉，最大雨強（72.2 mm·h-1）出現在14：00—15：00（北京時，下同），位于北京通州副中心辦公區［圖1（c）］，之后降雨強度有所減弱，且具有一定的間歇性，但多個時段為20～40 mm·h-1；此次強對流天氣過程中，北京通州、天津中南部、廊坊和保定出現了8級以上大風，6日凌晨天津和平區小白樓出現了27.3 m·s-1（10 級風）的陣風，為此次過程最大極大風速［圖1（b）］。此次強對流天氣范圍廣、持續時間長，給京津冀中部地區帶了不同程度影響。

圖1 2021年7月5日09：00至6日08：00京津冀中部累計降水量（a，單位：mm）、極大風速（b，單位：m·s-1）和代表站逐時降水量（c）Fig.1 Cumulative precipitation (a,Unit: mm),extreme wind speed (b,Unit: m·s-1) and hourly rainfall of representative stations (c)in central Beijing-Tianjin-Hebei from 09:00 BST on 5 to 08:00 BST on 6 July 2021

3 水汽條件

水汽是形成短時強降水和雷暴大風的首要條件，分析此次天氣過程中的水汽條件可見，7月5日15：00 北京大部、天津中西部、保定和廊坊的整層大氣可降水量（PWV）超過30 mm（圖2），同時，表征大氣穩定度指數的LI 普遍為-8.0～-4.0 ℃，說明大氣在強有力的抬升條件下為強降水的形成提供了豐富的水汽。圖3為強降水持續時間最長的代表站（天津武清區泗村店站）水汽通量散度和比濕的時間-高度剖面，可見5日08：00 后，800～700 hPa 和925 hPa 及以下基本維持弱的水汽通量輻合，當近地面層的水汽通量輻合加大，比濕達到12～14 g·kg-1，而850 hPa 附近水汽出現強輻散時，約2 h 后（5日16：00）泗村店站出現了強降水，且隨著強降水臨近，上述垂直方向上水汽的輻合和輻散均呈現增強趨勢，5日17：00 達到最強。相比而言，夜間強降雨時段水汽輻合則集中于900～700 hPa?？傮w而言，強降水開始前1～2 h，925 hPa及以下或800～700 hPa即出現水汽通量的強輻合，伴隨強的不穩定能量上升，使得降水時段整層大氣可降水量達到30 mm以上。

圖2 2021年7月5日15：00整層大氣可降水量PWV（彩色填色區，單位：mm）和抬升指數LI（紅色等值線，單位：℃）分布Fig.2 Distribution of whole layer PWV （color shaded areas，Unit：mm） and LI （red isolines，Unit：℃） at 15：00 BST on 5 July 2021

圖3 2021年7月5日08：00至6日07：00天津武清區泗村店站水汽通量散度（彩色填色區，單位：10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1）和比濕（黑色等值線，單位：g·kg-1）的時間-高度剖面Fig.3 The height-time cross sections of water vapor flux divergence （color shaded areas，Unit：10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1） and specific humidity （black isolines，Unit：g·kg-1） in Sicundian station of Wuqing district in Tianjin from 08：00 BST on 5 to 07：00 BST on 6 July 2021

4 熱力不穩定能量

在具備一定的水汽條件后，環境熱力、動力條件是影響對流的另外兩個主要因素［26-28］。5日14：00—15：00 北京通州副中心辦公區出現了此次強對流過程的最大雨強，14：00 北京探空站T-lnP圖（圖4）可直接反映雨區上空的大氣狀態，此時，在925 hPa 以上強盛西南氣流作用下，850～700 hPa 濕層形成，且850 hPa上下出現西南風與東南風的強垂直風切變，0～6 km 的垂直風切變達到14.1 m·s-1，對流有效位能CAPE（convective available potential energy）值也由08：00 的240.7 J·kg-1增至2106.1 J·kg-1，K指數和SI 分別達到38.7 ℃和-3.5 ℃，強降水發生的強熱力不穩定環境形成，此后2 h 內，廊坊大廠站的相對濕度變化顯示1500 m（約850 hPa）以下相對濕度繼續增加，14：30 后達到90%，而5500 m（約500 hPa）以上則為相對濕度小于40%的干空氣層，“上干下濕”不穩定層結得以維持［圖5（a）］。

圖4 2021年7月5日14：00北京探空站T-ln P圖Fig.4 T-ln P of Beijing sounding station at 14：00 BST on 5 July 2021

假相當位溫θse是反映大氣溫濕狀況的重要物理量，θse隨高度或氣壓的變化常用來判別大氣層結穩定度，即θse隨高度增大（?θse/?z＞0）為對流性穩定，隨高度減?。?θse/?z＜0）為對流性不穩定［29］。圖5（b）為北京通州副中心辦公區假相當位溫θse的時間-高度剖面，可以看出5日上午開始500 hPa以下?θse/?z＜0，即大氣呈現出對流不穩定狀態，具體表現為10：00后850 hPa 以下θse迅速增大，700～500 hPaθse低值區下降，垂直方向上θse梯度加大，600 hPa 與900 hPa的最大θse之差達30.0 ℃，能量鋒區逐漸形成加強，為強降水的出現和發展提供了良好的能量條件。

圖5 2021年7月5日12：00—16：00廊坊大廠站相對濕度（a，單位：%）及5日08：00至6日07：00北京通州副中心辦公區站假相當位溫θse（b，單位：℃）的時間-高度剖面Fig.5 The height-time cross sections of relative humidity at Dachang station of Langfang from 12:00 BST to 16:00 BST on 5 (a,Unit: %) and θse in sub-central office area station of Tongzhou in Beijing from 08:00 BST on 5 to 07:00 BST on 6 (b,Unit: ℃) July 2021

5 抬升觸發機制

5.1 天氣尺度上升運動

強對流天氣是由中小尺度系統直接引發，而中小尺度系統又是在一定的天氣尺度背景下發展起來的，尤其是多災種、區域性強對流天氣通常需要具備有利的背景條件［29］。7月5日08：00 500 hPa京津冀處于中緯度高空槽前，槽線位于河套西部地區，配合的溫度場冷槽線已到達華北地區［圖6（a）］，預示高空冷空氣已由北向南滲透，此時850 hPa 上有中心強度超過22.0 ℃的暖脊向京津冀中部伸展，與南風氣流攜帶的濕空氣相互作用，使得京津冀上空大氣的層結不穩定性增加［圖6（b）］；14：00 蒙古國東部的偏北氣流轉為東北氣流，使高空槽在東移過程中，南北向槽線逐漸順轉為近東西向，形成了天氣尺度上升運動的同時，不斷引導北方冷空氣南下，覆蓋在低層持續的暖濕氣流上，為強對流的爆發提供了充足的動力條件。

圖6 2021年7月5日08：00 500 hPa位勢高度場（綠色實等值線，單位：dagpm）、溫度場（紅色虛等值線，單位：℃）（a）及850 hPa風場（風矢量，單位：m·s-1）、溫度場（彩色填色區，單位：℃）（b）Fig.6 The geopotential height field （green solid isolines，Unit：dagpm），temperature field （red dotted isolines，Unit：℃） at 500 hPa （a）and wind field （wind vectors，Unit：m·s-1），temperature field （color shaded areas，Unit：℃） at 850 hPa （b） at 08：00 BST on 5 July 2021

5.2 中尺度特征

在有利的天氣尺度背景條件下，冷暖空氣不斷在華北交匯，使得引發暴雨的中尺度系統不斷發展［30］。7月5日14：00，在FY-2G 可見光云圖上已清晰顯現出北京東部初生的雷暴單體［圖7（a）］，云體的東南邊界有暗影出現，13：00—15：00 廊坊大廠站的云底高度在120 min內由5300 m 迅速降至4300 m［圖7（c）］，同時，云底紅外亮溫驟增，從13：00 的-2.4 ℃升至0.5 ℃，表明深厚積雨云團形成，強降水一觸即發。相比而言，18：00 可見光云圖上對流呈多單體形式［圖7（b）］，云團小而分散，同樣出現的暗影表明積雨云云頂已上沖至較高高度，但云底高度僅下降100 m，云底紅外亮溫40 min 內下降0.7 ℃，隨后開始上升，至19：00 強降水開始時達到最高0.3 ℃?？梢?，可見光云圖上暗影的出現，以及云底高度迅速下降、云底紅外亮溫驟增均預示著強對流云團的形成。

圖7 2021年7月5日14：00（a）、18：00（b）FY-2G衛星可見光云圖（單位：%）和08：00—23：59廊坊大廠站云底高度、云底紅外亮溫（c）Fig.7 The visible cloud picture from FY-2G satellite (Unit: %) at 14:00 BST (a),18:00 BST (b) and cloud base height,infrared brightness temperature from 08：00 BST to 23:59 BST at Dachang station of Langfang (c) on 5 July 2021

強對流在有利的天氣背景下發展，依賴于大氣的熱力、動力條件，更與中小尺度系統直接相關［31］。經過輻射增溫，7月5日14：00 京津冀地區地面氣溫已接近日最高氣溫值，由于局地強雷暴云的生成，高強度降雨形成，導致低層強烈降溫，與周圍溫度梯度迅速加大，從地面1 h 變溫和風場（圖8）可以看出，北京中東部到廊坊北部已形成明顯冷池，冷池中心最大1 h 變溫達到-10.5 ℃·h-1，并且沿冷池南部邊界有近東西向輻合線生成，隨后，冷池與輻合線均向南推移。15：00 冷池覆蓋北京東南部與廊坊北部地區，輻合線南移至北京和廊坊交界，在此期間，冷池移動所經區域出現短時強降水，地面輻合線則始終位于冷池與強降水落區移動的前方。19：00—21：00 廊坊和天津武清出現強降水，同樣在北京、廊坊交界，以及武清境內存在穩定少動的近東西向和南北向的地面輻合線，且輻合線的北側還出現了輻合中心，強降水位于兩輻合線之間，但與下午出現在北京中東部的強降水不同，冷池強度明顯減弱，1 h 變溫僅為-2.0～0.0 ℃·h-1，這與強降水出現時間以及前期降雨使得能量釋放密不可分。14：00 接近盛夏地面氣溫最高時段，強對流的爆發勢必導致能量迅速釋放，局地氣溫驟降，冷池形成，而發生在夜間的強降水，尤其是前期本地或周邊已出現降雨的情況下，冷池效應將大大減弱，為此，在分析冷池時要結合時間等因素綜合考慮。此外，地面輻合線在兩個時段強降水過程中均起到了觸發作用。

圖8 2021年7月5日14：00（a）、15：00（b）、19：00（c）、20：00（d）地面1 h變溫（彩色填色區，單位：℃）和風向（箭頭）（棕色實線為地面輻合線，字母D為地面輻合中心）Fig.8 Hourly variation of surface temperature （color shaded areas，Unit：℃） and direction of the wind （arrows） at 14：00 BST （a），15：00 BST （b），19：00 BST （c） and 20：00 BST （d） on 5 July 2021（The brown solid lines are the ground convergence lines，letter D is the ground convergence center）

圖9為2021年7月5日14：00—16：00 北京S 波段雷達6.0°仰角和0.5°仰角反射率因子?？梢钥闯?，14：00通州北部及以西6.0°仰角的反射率因子迅速增大為45～60 dBZ，最大小時雨強為13.3 mm·h-1［圖10（a）］，隨著700 hPa 引導氣流向東移動，強回波范圍擴大，強度增強，15：00 通州東部最強回波增至65 dBZ，并向南擴展，北京通州副中心辦公區最大雨強陡增至72.2 mm·h-1［圖10（b）］，此時，0.5°仰角上通州至大興方向出現了由北向南的陣風鋒，移速約為25 km·h-1，這與冷池南邊界的位置及移動速度完全吻合，而隨著陣風鋒形成和移動，通州和廊坊北部的風速也明顯加大，極大風速由14：00 的不足5.0 m·s-1增至17.2 m·s-1，達到8 級災害性大風標準。此外，陣風鋒的移動過程中還觸發了對流單體A 和B 的生成，此后半小時內隨著陣風鋒的遠離，A 單體迅速減弱，B 單體發展加強，強降水量落區同時向東南方向擴展［圖10（c）］，這與程月星等［32］研究結論一致，即上游雷暴冷池出流作用將觸發地面輻合抬升最強處新生單體并迅速發展。以上分析均證明了邊界層中尺度輻合線、陣風鋒等抬升和地面冷池增強與對流風暴的發生發展關系密切［10，33-35］，從而影響雷暴大風的形成和強降水落區變化。

6 結 論

本文運用多源探測資料，從大尺度環境條件和中小尺度觸發機制等多角度分析探討了2021年盛夏京津冀的一次強對流天氣，以揭示天氣過程發生發展前后各物理量變化趨勢和重要特征，為強降水、雷暴大風等短臨預報預警提供更科學參考。

（1）2021年7月5日京津冀中部出現強對流天氣，最大雨強72.2 mm·h-1，極大風速達27.3 m·s-1（10 級），局地伴有短時小冰雹。低層925 hPa 及以下和中層800～700 hPa 的水汽強輻合早于強降水1～2 h出現，在強抬升作用下促使整層大氣可降水量不斷累積，為強對流的發生發展儲備了良好的水汽條件。

（2）“上干下濕”不穩定層結維持，垂直θse能量鋒區形成并加強，0～6 km 強垂直風切變，對流有效位能CAPE 躍升，K指數和SI 等條件的建立，共同構成了此次強對流天氣形成的熱力、動力不穩定環境。

（3）中緯度500 hPa 西風帶高空槽東移，攜帶干冷空氣南下，與850 hPa 由西南伸向華北的暖脊形成了不穩定的溫度垂直分布，提供了天氣尺度上升運動條件；冷暖空氣在華北不斷交匯引發了中尺度對流系統的發展，云底高度迅速下降、云底紅外亮溫驟增均預示著強對流云團的形成，可見光云圖上云體東南邊界暗影的出現則表明了積雨云已發展至較高高度，強對流一觸即發。

（4）冷池在南移過程中與強降水落區相對應，其間既有風暴的移動，也有冷池誘發的對流單體新生發展，而位于其移動前方的地面輻合線對強降水的生成起到了直接觸發作用。相比夜間，午后強降水導致的局地降溫幅度更大，冷池效應更明顯，這也提示預報員在分析強對流天氣時除了分析氣象要素變化，還要關注其出現時間，以及前期是否已有能量釋放，從而更加準確預報中尺度系統的生消和強度發展。