2017, Vol. 36 
2. 河南省气象台，郑州 450003;
3. 河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州 450003
2. Henan Meteorological Observatory, Zhengzhou 450003;
3. Henan key laboratory of Agricultural Ensuring and Applied Technique, Zhengzhou 450003
冰雹、雷暴大风和短时强降水等强对流天气是在有利的大尺度天气形势下，由中小尺度系统直接产生的。张小玲等[1]通过强对流天气预报业务试验表明，中尺度分析已经成为强对流天气潜势预报的重要依据，何立富等[2]基于多种中小尺度实况观测资料输出强对流实时监测产品，制定建立了强对流天气实时预报业务。由于强对流天气突发性强，发生发展原因复杂，临近预报预警难度较大，因此其分析、研究工作一直受到重视。孙继松等[3]从预报实践的角度讨论了与强对流有关的基本概念、基础理论以及它们在实际强对流预报中的应用问题，内容包括静力不稳定、动力不稳定有关的基本理论，探空分析与不稳定参数，抬升速度、辐合线与对流垂直运动的关系等。张涛等[4]利用多源观测资料识别和掌握强对流天气实况，分析当前对流系统类型及其结构特征，判断未来影响对流系统发生、发展的中尺度环境条件，对未来0~6 h内的强对流天气影响区域进行短临预报预警。马中元等[5]采用统计对比分析和特征提取等方法对强飑线天特征进行分析和研究，认为飑前中小尺度系统是产生此次冰雹灾害的主要系统。郑媛媛等[6]从强对流的天气学条件入手，总结出强烈发展的强风暴常有逆温层、强的风垂直切变、中层干冷空气等有利条件。李德俊等[7]分析了湖北省强冰雹和短时强降水天气过程中雷达产品特征，找出了适合本地强冰雹和短时强降水的雷达临近预警指标。戴建华等[8]认为在东北冷涡天气背景下，高空槽的南摆导致中高层流场发生迅速变化，使强对流发生、发展的环境条件变得更加有利。许爱华等[9]对2000年以来我国中东部近百次强对流天气个例的环境场进行分析，总结出冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类和高架对流类等五种强对流天气类型。这些研究工作对提高强对流天气认识、开展相关研究分析等起到了重要作用。
河南地处中原，由于特殊的地理位置及复杂的地形条件，当我国东北地区有深厚的冷性低涡维持时，易受冷涡后部高压脊前西北气流或横槽影响，冰雹、雷暴大风和短时强降水等强对流天气在河南中北部、东部等地频发，给国民经济和人民生命财产造成重大损失。2009年6月3日商丘强飑线造成22人死亡，2009年6月14日河南出现大范围冰雹、雷暴大风和短时强降水等强对流天气，它们均发生在东北低涡稳定维持的背景下。许多学者对河南地区的强对流天气进行了研究。张霞等[10]从冰雹形成的条件入手，揭示了水汽、不稳定层结以及抬升作用等条件对河南冰雹灾害天气的意义。李姝霞等[11]研究了冷涡背景下环境场特征及其强对流天气的关系。张一平等[12]统计了近年来河南强对流的天气学特征，诊断分析了物理量对强对流的指示作用，并归纳出一些重要的灾害性强对流天气参考指标。牛淑贞等[13-14]分析了河南强对流天气地面中尺度特征，认为天气落区与地面高温高湿区以及地面辐合线对应较好，同时对2009年6月3日商丘强飑线进行了研究分析，建立了河南雷暴大风监测预警指标。
以上研究对提高河南省强对流天气预报预警具有重要意义。然而东北冷涡背景下的强对流天气预报一直是天气预报业务中重点和难点，预报员往往对其强度估计不足、落区把握不准、致灾程度难以预料，因此有必要对新近发生的典型强对流个例进行深入研究。2015年5月6日、8月30日河南省出现了两次致灾性东北冷涡型强对流天气。为提高对东北冷涡形势下河南强对流天气的认识，总结此类天气预报预警经验，本文利用常规观测资料、NCEP 1°×1°间隔6 h再分析资料、加密观测资料、卫星以及雷达资料，对比分析两次过程的环境条件、中尺度特征等，探究在同样的东北冷涡大尺度背景下两种类型不同天气的成因，以期为今后同类形势下河南强对流天气的预报预警提供参考依据
1 天气过程概况与灾情“05.06”过程中，5月6日傍晚到夜里，河南北部及中东部地区先后出现强对流天气，过程兼有大风、冰雹和强降水等多种灾害性天气。图 1a为该过程实况，从中可知，过程自西北向东南移动，具有天气复杂、强度大、范围广，中尺度特征明显等特点，最大降水量出现在扶沟站，为35.3 mm，其中博爱、巩义、洛阳、鄢陵等11个县市出现冰雹，最大冰雹(3 cm)出现在洛阳。图 1b为沿强对流天气发展移动路径方向，依次选博爱、巩义、鄢陵、扶沟、平舆和新蔡6站作小时最大降水量图，分析可知：此次过程主要集中在6日20:00—7日02:00 (北京时，下同)，雨团从西北向东南发展明显，小时降水量均在20 mm以上，最大1 h降水量为31.2 mm，出现在6日23:00—7日00:00的扶沟站，大风相伴强降水同时出现；20:00左右博爱站风速为14.2 m·s-1，21:00左右修武站风速为12 m·s-1，22:30鄢陵站风速为21 m·s-1，23:00左右漯河站风速为18 m·s-1，07:00扶沟站风速达20.4 m·s-1。本次过程为大风冰雹伴随短时强降水天气，造成受灾人口206.79万人，死亡1人；农作物受灾面积178.8千公顷，绝收27.3千公顷；倒塌房屋188间，严重损害房屋1 103间；造成直接经济损失9.58亿元，其中农业损失9.33亿元。
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图 1 2015年5月6日20:00—7日02:00天气实况(a, 色斑表示降水量, 风向标表示大风, 红色三角表示冰雹)以及该时段代表站点小时最大降水量(b, 单位: mm) Fig. 1 (a) The distribution of live weather (Shaded indicates precipitation, barb indicates wind, and red triangle indicates hail) from 20:00 BT on 6 to 02:00 BT on 7 May 2015 and (b) hourly maxium precipitation (unit: mm) of representative stations at the same time. |
“08.30”过程中，8月30日下午到夜里，河南地区出现了一次短时强降水，局部伴有雷暴大风的强对流天气。过程从豫北向东南移动，主要影响河南北中部，降水分布不均匀，雨区中排列着一连串小的降水中心，最大降水量出现在开封站，为68.3 mm，嵩山站次之，为60.4 mm，呈现出清晰的中尺度特征(图 2a)。同样沿强对流移动路径依次选取淇县、获嘉、开封、新密、嵩山和舞阳等6站作小时最大降水量图(图 2b)，分析可知，本次过程强降水集中时段为30日16:00—21: 00，自北向东南移动明显，小时雨量多在40 mm以上，最强1 h降水量50 mm出现在17:00—18:00的开封站，可见，该过程是一次明显的以短时强降水为主伴有大风的强对流天气，降水强度较大，致使路段积水严重，部分道路瘫痪，造成了较大的经济损失。
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图 2 2015年8月30日16:00—21:00天气实况(a, 色斑为降水量, 风向标为大风)以及该时段代表站点小时最大降水量(b, 单位: mm) Fig. 2 (a) The distribution of the live weather (Shaded indicates precipitation, barb indicates wind) from 16:00 BT to 21:00 BT on 30 August 2015 and (b) hourly maxium precipitation (unit: mm) of representative stations at the same time. |
上述两次强对流天气的共同点主要表现在：生命史较短、降水时段集中、小时雨强大、伴有雷电大风天气、中尺度特征明显。不同点主要表现在：“05.06”过程属于大风冰雹伴随短时强降水的混合对流；“08.30”过程则是以短时强降水为主伴有局地大风的湿对流。从灾情上来看，前者主要是风灾和雹害，致灾性较强，由于大风持续时间长，冰雹范围广，大部分农作物以及许多房屋严重受损；后者则是由强降水造成的积水内涝，严重影响交通出行。
2 环流形势与影响系统图 3、4分别为2015年5月6日20:00、8月30日08:00 500 hPa环流形势和高低空综合分析图，从中可见，“05.06”过程中，2015年5月6日20:00，500 hPa (图 3a)中高纬上环流形势为两槽一脊，冷空气沿脊前西北气流南下，贝加尔湖附近及黑龙江东北部各有一低涡，乌拉尔山西部有一高压脊，河南受脊前西北气流影响，冷平流作用较强。地面图(图略)上，河南北中部处于均压场中，未来受河套地区近东西向的冷锋东移影响。从20:00高低空配置(图 3b)来看，925 hPa上河南位于偏南、偏东与偏北气流的辐合中，温度露点差T-Td≤2℃，水汽条件较好；850 hPa切变线均位于豫北，700 hPa河套地区有一切变线，风向风速辐合明显，北部有明显负变温，24 h变温达-4 ℃，对应850 hPa有暖脊存在，上冷下暖的层结为强对流天气发生提供了不稳定条件；中西部850 hPa与500 hPa温差ΔT850-500 ≥28 ℃，说明有较大的温度垂直递减率；200 hPa豫北中部位于高空急流入口区右侧的强辐散区，垂直风切变较大，有利于强上升运动。“08.30”过程中，2015年8月30日08:00，500 hPa (图 4a)环流也呈两槽一脊形势，贝加尔湖高压脊呈东北—西南向，高纬冷空气沿脊前东北气流南下，在东北地区辽宁与黑龙江交界附近形成闭合低涡，低涡不断分裂下滑槽东移，携带冷空气南下影响河南。从08:00高低层配置(图 4b)可知，925 hPa上豫北有偏北风与偏南风辐合，其南侧850 hPa上有暖脊发展，河套地区850 hPa有一低压中心，从暖中心向东延伸出一暖式切变线，提供有利的动力抬升条件；切变线南侧豫北中部水汽近饱和，低层湿层较厚，为强对流天气提供了较好的水汽条件，700 hPa上切变线偏南；豫大部分地区ΔT850-500在26 ℃以上，豫北地区冷槽叠加在低层暖脊上，有利于午后对流发展。地面图(图略)上，冷空气从贝加尔湖沿东北路南下扩散，地面暖低压从川东向河南移动，倒槽向北发展伸向豫北，冷暖空气交汇明显，激发对流天气。
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图 3 2015年5月6日20:00 500 hPa环流形势(a)和高低空综合分析图(b) Fig. 3 (a) 500 hPa circulation and (b) comprehensive analysis map of upper-level and low-level at 20:00 BT on 6 May 2015. |
综上所述，两次过程均为东北冷涡型强对流天气，但由于季节不同，冷涡位置有所不同，“05.06”过程冷涡主体在50°—55°N、125°—140°E之间，位势高度为532 dagpm；“08.30”过程冷涡相对偏西、偏南，主体位于45°—50°N、120°—130°E，位势高度为572 dagpm。从系统配置来看，前者是高层西北气流作用下干冷平流触发的槽后型强天气，干冷平流形成的热力不稳定与高空急流形成动力不稳定叠加，干冷平流使得0 ℃与-20 ℃高度低，有利于出现冰雹，高空急流动量下传形成强风速垂直切变，形成雷雨大风；后者则是500 hPa横槽携冷空气南下与低层暖湿气流交汇，产生强对流天气，中低层切变线以及地面发展的暖倒槽造成的上升运动，导致不稳定能量释放，从近地层到850 hPa上湿层较厚，有利于短时强降水。
3 探空分析T-lnp图能够反映探空站以及附近气象要素的垂直分布，有效的判断强对流的条件和类型。选取郑州站进行探空分析，2015年5月6日20:00 (图 5a)，925—850 hPa上偏东风与偏南风形成风切变明显，500 hPa上为明显干层，低层风随高度强烈顺转，中高层风向逆转有冷平流，中层500 hPa上有强冷空气侵入，喇叭口特征明显，有利于大风冰雹出现；2015年8月30日14:00 (图 5b)郑州上空对流不稳定能量明显较高，500 hPa以下风随高度顺转，有较弱暖平流，850 hPa上水汽接近饱和，以上湿度逐渐变干，但不及“05.06”过程，有利于短时强降水。在垂直风切变(图 5、表 1)上，“05.06”过程300 hPa以上风速较大，0—6 km垂直风切变为25.43 m·s-1，风切变较强，0 ℃层高度在3 351 m左右，-20 ℃层高度在6 148 m上，均为冰雹产生的有利高度，对应实况上洛阳、郑州等地出现大范围大冰雹；“08.30”过程上干下湿的层结不明显，热力稳定性比前者差，整层风场较小，0—6 km垂直风切变仅为8.63 m·s-1，不利于冰雹的形成。
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图 5 2015年5月6日20:00 (a)和8月30日14:00 (b)郑州T-lnp图 Fig. 5 T-lnp of Zhengzhou station at (a) 20:00 BT on 6 May and (b) 14:00 BT on 30 August 2015. |
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表 1 2015年“05.06”过程及“08.30”过程郑州站对流参数 Table 1 The convection parameters of Zhengzhou station of the "05.06" event and "08.30" event in 2015. |
表 1为2015年两次过程郑州站对流参数，从中可见，“05.06”过程，6日20:00郑州站上空K指数达35 ℃，沙氏指数SI为-2.1 ℃，Δθse500-850为-10.89 ℃，此时郑州站尚未出现对流，由于近地面出现逆温层，CAPE仅为312 J·kg-1，但随着对流发展，逆温层破坏导致不稳定能量增加；7日08:00对流参数明显下降，能量几乎释放完毕，此时强对流早已结束。“08.30”过程，30日08:00 K指数同为35 ℃，SI为-3.9 ℃，Δθse500-850为-15.89 ℃，CAPE高达1 758 J·kg-1，表明本次过程发生前对流潜势较大；30日20:00强对流刚经过郑州，随着能量的释放，SI、Δθse500-850增幅较大，CAPE明显减小，本地区对流逐渐结束。此外，对比两次过程整层可降水量PW及0—6 km风切变SHR0-6 km可知，“08.30”过程PW高达40 mm以上，远远大于“05.06”过程(PW≤29 mm)，但“08.30”过程SHR0-6 km（9.97 m·s-1)却远小于“05.06”过程SHR0-6 km（25.43 m·s-1)，也反映了两次天气有所差异。综上所述，两次过程均有一定的不稳定能量和明显的上干下湿层结，但不同之处主要表现在：“05.06”过程，大气具有强的热力不稳定和较强的深层垂直风切变，同时中高层干冷空气的卷入有利于大风、冰雹的形成，0 ℃和-20 ℃层高度H0 ℃、H-20 ℃对出现大冰雹有利；“08.30”过程，大气具有中等以上强度的CAPE和弱垂直风切变，低层水汽饱和，有利于形成短时强降水。
4 环境条件诊断与对比分析 4.1 水汽条件强对流天气一般低层水汽充沛，两次过程850 hPa均有比湿大值中心或大值带，但“08.30”过程水汽条件更为充沛。2015年5月6日20:00 (图略)河南大部分地区850 hPa比湿大于等于8 g·kg-1，湿舌由东南伸向西北，西北部比湿梯度较大，该地区正在发生有组织的强对流天气，并向东南移动；2015年8月30日14:00 (图略)大部分850 hPa比湿在10 g·kg-1以上，湿舌伸向豫北，为对流发生提供了充沛的水汽条件；北部已经有偏南风与东南风辐合，开始出现分散的对流天气。以上分析表明，两次过程中未出现明显水汽通道，但低层比湿较大，不仅满足了强对流天气所需的水汽条件，也对短时强降水的发展有利，导致两次过程中出现强降水。进一步对比分析两次过程水汽垂直分布（图略）可知，“05.06”过程中800 hPa以下比湿在8 g·kg-1以上，600 hPa以上比湿随高度迅速减小，上干下湿明显，有利于大风冰雹出现；“08.30”过程地面到900 hPa上112—114°E附近地区比湿高达12 g·kg-1，湿层明显比“05.06”过程厚，对短时强降水发展有利，因此对流产生的强降水也明显大于“05.06”过程。
4.2 不稳定层结形成发展温度平流是表明大气斜压性的一种度量，强对流的不稳定条件也与之有关。许爱华等[9, 15]在对强对流天气的天气特征分类时，认为对流不稳定的发展，可以由中高层冷平流加强产生，也可以由低层暖平流加强产生，还可以冷暖平流共同作用导致。2015年5月6日20:00 (图 6a)，豫西北110—112°E附近500 hPa以上为冷平流，900—800 hPa出现暖平流，112°E以东整层暖平流较强，强对流天气从西北部开始；7日02:00(图 6b)随西北气流南下，高层冷平流侵入到低层，400 hPa出现冷平流中心，强度为-2.5×10-4 ℃·s-1，800 hPa冷平流为-0.5×10-4 ℃·s-1，925 hPa以下为浅薄的暖平流层，中高层强冷平流向低层渗透，有利于大气温度垂直递减率加大，造成低层空气负浮力增加，极易出现大风冰雹天气。2015年8月30日14:00 (图 6c)，112—114°E附近600 hPa以下平流几乎为零，接近中性，500 hPa上冷平流强度为-0.2×10-4 ℃·s-1，相比“05.06”过程较弱；30日20:00 (图 6d)，中低层(900—600 hPa)有暖平流发展，110—114°E附近出现中心为0.4×10-4 s℃·s-1的暖平流，对应700 hPa上豫西北部的暖低压；中高层冷平流强度仍维持-0.2×10-4 ℃·s-1左右，该过程中冷暖平流强度不及“05.06”过程平流显著，且中层暖平流的发展使得H0 ℃、H-20 ℃较高，因此没有出现区域性冰雹天气。综上所述，两次过程对流发生前均出现不同程度的上冷下暖层结：“05.06”过程是中高层冷平流强迫发展，500 hPa干冷空气叠加在低层相对暖湿气流上，形成了明显的位势不稳定；“08.30”过程则类似准正压类强对流天气，中低层由中性平流发展成弱暖平流，一定强度的暖平流的抬升配合上层冷平流也有利于位势不稳定层结的形成和发展。
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图 6 2015年5月6日20:00 (a)、7日02:00 (b)沿35°N以及8月30日14:00 (c)、20:00 (d)沿36°N的温度平流(单位:10-4 ℃·s-1)高度-经度剖面图(黑色短线表示对流落区) Fig. 6 The height-longitude cross section of temperature advection (unit:℃·s-1) along 35°N at (a) 20:00 BT on 6, (b) 02:00 BT on 7 May and along 36°N at (c) 14:00 BT, (d) 20:00 BT on 30 August 2015 (Black thick lines indicates strong convection zone). |
强对流天气的发生需要一定的动力抬升条件。从两次过程低层散度场(图略)来看，850 hPa均有明显的辐合中心自北向东南方向移动。2015年5月6日20:00 (图略)，豫西北为辐合大值区，中心值达-90×10-6 s-1；2015年8月30日14:00 (图略)，新乡以北为辐合区，辐合中心(-30×10-6 s1)位于安阳西北部，低层辐合为两次过程提供了强的辐合上升运动。对应垂直速度剖面(图略)上，两个时次110°—112°E附近均有强上升运动中心，上升运动区从地面一直伸向300 hPa左右。“05.06”上升运动中心值达-6 Pa·s-1，高度在900 hPa；“08.30”上升运动中心值达-2.1 Pa·s-1，高度位于900—850 hPa。对比发现，两次过程均有较强的动力条件，“05.06”过程整层上升速度较强，强上升气流伸对流层顶部，导致雹块增长从而产生冰雹；“08.30”过程上升气流较前者弱，但低层强辐合上升为强降水提供了很好的动力条件。
4.4 垂直风切变俞小鼎等[16]认为强风暴一般都有强的风速切变环境，章国材[17]也通过大量强对流个例总结出风切变值为2.5×10-3~4.6×10-3s-1。图 7为2015年5月6日20:00沿35°N和8月30日14:00沿36°N的风场及涡度的高度—经度剖面图，从中可见，2015年5月6日20:00 (图 7a)低层没有急流，但中高层有西北风急流存在，从低层到高层有明显的垂直风切变，112°E附近100—700 hPa (0—3 km)上、1 000—500 hPa (0—6 km)上垂直风矢量差分别为20 m·s-1、28 m·s-1，切变值分别为6.67×10-3 s-1、4.67×10-3s-1；2015年8月30日14:00 (图 7b)风场相对较弱，高低空急流均没有出现，112°—116°E附近地区1 000—700 hPa、1 000—500 hPa上垂直风矢量差分别为8 m·s-1、12 m·s-1，切变值分别为2.67×10-3s-1、2.0×10-3s-1。对比发现，两次过程中低层风随高度顺转有利于对流风暴的产生，但“05.06”过程中垂直风切变较强，有利于增强中层干冷空气的吸入，加强对流风暴中的下沉气流，导致地面产生大风，这与王秀明等[18]研究结论一致，同时强垂直切变区存在较大水平正涡度，风暴内外的垂直速度差使涡度扭曲，产生风暴内垂直涡度，产生较强的上升运动，也有利于冰雹；“08.30”过程风场较弱，切变不明显，实况以短时强降水为主并伴随大风。
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图 7 2015年5月6日20:00 (a)沿35°N和8月30日14:00 (b)沿36°N的风场(等值线为风速, 单位:m·s-1)及涡度(阴影为正涡度, 单位:10-5s-1)的高度—经度剖面图 Fig. 7 The height-longitude cross section of vertical wind fields (a) along 35°N at 20:00 BT on 6 May and (b) along 36°N at 14:00 BT on 30 August 2015 (Contour lines represents wind speed, unit:m·s-1, and shaded represents positive vorticity, unit: 10-5 s-1). |
张一平等[12]、吴蓁等[19]深入研究了东北低涡形势下河南强对流的发展，认为此类强对流天气多由在山西生成的雷暴单体翻越太行山发展引起。以上分析也印证了这一点，但两次过程中雷暴发展以后为何会出现不同强对流天气？
图 8为“05.06”过程地面逐时温度、露点和地面流场，从中可见，20:00 (图 8a)山西和河南交界有12 ℃冷中心和8 ℃干中心(这里北部有太行山，西侧有秦岭，太行山和秦岭之间为黄淮丘陵地区，特殊的地形构成地面冷空气南下的重要通道，地形锋区导致该地区容易出现冷干中心，也有人认为是系统性所致，如中尺度雷暴高压)，前侧为明显的温度和露点等值线密集区，冷暖交汇、干湿对比显著，豫西北太行山附近和豫中分别有地面中尺度辐合线，在地面辐合抬升下，强对流天气首先在西北部辐合线、露点梯度较大附近产生。21:00 (图 8b)在西北气流作用下，冷空气加强，地面辐合线向高温高湿区移动。到22:00 (图 8c)辐合有所加强，在郑州附近形成一辐合线，辐合线附近正处于温度密集区和露点为14—16 ℃的高湿区内，实况上豫中地区出现短时强降水和雷暴大风等强对流天气。23:00 (图 8d)冷空气沿西北路进一步扩散南下，豫北转为一致的偏北风，风速明显增大，辐合线东移南压到开封、许昌到漯河一线，随着辐合线与进入高温高湿区，不稳定能量触发，辐合达到最强，对流天气也最强烈。7日00:00 (图 8e)冷空气已影响至豫东南部，地面辐合线断裂成两段，一段稳定少动，一段则东移至驻马店东部以及周口南部附近，上述地区处于温度为20 ℃的高温区和露点为18 ℃的高湿区，导致短时强降水、短时大风以及冰雹等对流天气维持和发展。7日01:00 (图 8f)，冷空气完全影响整个河南地区，辐合线配合高温高湿区南压到驻马店和信阳东部，到02:00 (图略)随着温度和露点密集区逐渐消失，强天气结束。由此可知，“05.06”过程主要发生在干湿交汇和冷暖交汇的环境中，始于豫西北部辐合线、露点密集带附近地区，在槽后西北气流的引导下在高温高湿区发展，配合强垂直风切变、中层干冷空气共存等条件，形成大风冰雹天气。
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图 8 2015年5月6日20:00—7日01:00地面逐时温度场(红实线, 单位: ℃)和露点场(蓝虚线, 单位: ℃) (黑色箭头表示地面流场, 黑色点虚线为地面辐合线) Fig. 8 Hourly surface temperature field (red solid line unit:℃) and dew point field (blue dashed line, unit:℃) from 20:00 BT on 6 to 01:00 BT on 7 May 2015 (Surface black arrow represents flow field and black dotted line represents convergence line). |
图 9为“08.30”过程地面逐时温度、露点和地面流场，从中可见，15:00 (图 9a)在豫北地区有明显的等温线密集区，冷暖对峙明显，在温度梯度较大处有地面中尺度辐合线。在强的热力不稳定条件下，形成较高的不稳定能量，强对流天气也最先出现在等温线密集区和辐合线附近。16:00 (图 9b)地面辐合线随着等温线密集区缓慢向高湿区南压，冷暖交汇进一步加强，激发出较强的短时降水。到17:00 (图 9c)辐合线处于等温线密集区和露点为20 ℃的高湿区中，在较大的温度梯度下，对流不稳定性增强，造成17:00—18:00开封站1 h降水量高达57.9 mm。18:00 (图 9d)随着冷空气不断侵入，郑州地区位于等温线密集带，其北部与东部各形成一辐合线，北部辐合线稳定少动，东部辐合线也位于露点在20~22 ℃的高湿区中，导致短时强降水有所发展。19:00—20:00 (图 9e、f)，地面辐合线移至豫中东地区，在移动中由于高温高湿的作用，其前方不断有暖湿空气供应，维持短时强降水、雷雨大风等强天气发展，致使18:00—19:00郑州市新密站、19:00—20:00许昌长葛站1 h降水量分别为30.5 mm、42.4 mm。可见，“08.30”过程是主要由冷暖交汇引发，在河南北部辐合线、温度梯度大值区附近产生，辐合线在移动中前侧不断有水汽辐合，后侧有冷空气下沉，上升和下沉气流的相互对峙作用导致短时强降水迅速发展。
综上所述，两次过程的相同点为，强对流发生在温度、露点大值区及高梯度区，高温高湿有利于能量的积聚，地面辐合线是强对流系统的触发者。不同点表现在，“05.06”过程不仅是冷暖交汇明显，且干湿对也很显著，是在冷暖交绥和干湿交汇的有利环境下由地面辐合线触发，不仅出现大风冰雹，还伴随短时强降水；“08.30”过程则是在高湿环境下由冷暖交汇剧烈产生不稳定，伴随着地面辐合线移动，前侧有水汽辐合上升，后侧有冷空气下沉，二者相互对峙产生较强的短时降水。可见，分析地面风场、温度场和露点场的发展演变，可以定性判断对流天气出现的时间、落区以及强度等。
6 中尺度特征分析 6.1 对流云团与中尺度雨团利用逐时卫星TBB对1 h大于等于20 mm的中尺度雨团进行追踪分析。
“05.06”过程(图 10)中，2015年5月6日20:00—21:00 (图 10a、b)，安阳、济源和焦作等地区有中β尺度对流云团生成，TBB中心达220 K，使博爱站20:00—21:00、荥阳站21:00—22:00降水量均达29.3 mm，等TBB线梯度大值区和强天气落区吻合。22:00 (图 10c)对流云团发展旺盛，继续向东南方向移动，TBB中心维持在220 K且范围有所扩大，对应实况该地区不仅出现短时强降水，还伴随着16 m·s-1的大风和冰雹等灾害天气。23:00 (图 10d) 220 K的对流云团主要位于郑州、新乡和开封三地区的交界，强度达到最大并进一步向东南移动。从逐小时降水量上看，周口、开封附近降水量最大，其中周口扶沟站1 h降水量达31.9 mm。7日00:00—01:00 (图 10e、f)该对流云团逐渐减弱，220 K的TBB中心消失，对流云团逐渐移出河南地区。
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图 10 2015年5月6日20:00—7日01:00逐时FY2红外云图(色斑为对流云团, 黑色等值线为TBB, 单位: K)与后推1 h的逐时降水量(数字表示≥10 mm降水量)叠加图 Fig. 10 Hourly infrared cloud image of FY2 (Shaded represents convective cloud, black contour represents TBB, unit: K) and hourly precipitation (Figures show more than 10 mm precipitation) pushed back 1 hour from 20:00 BT on 6 to 01:00 BT on 7 May 2015. |
08.30”过程(图 11)中，2015年8月30日15:00—16:00 (图 11a、b)安阳、鹤壁和濮阳附近有中β尺度对流云团生成，云团中心TBB达220 K。17:00 (图 11c)上述对流云团发展合并，东移南压，强度增加，220 K的TBB范围增大，主要位于鹤壁、新乡等北部地区，新乡和焦作交界处对流云团发展较为旺盛，新乡境内获嘉17:00—18:00降水量为38 mm，并伴有短时大风。18:00—19:00 (图 11d、e) TBB为220 K的对流云团稳定少动，在郑州、开封等北中部地区停滞，促使该地区暴发短时强降水。20:00 (图 11f)云团逐渐移动许昌等中部，强度开始减弱，强对流天气明显减弱。可见，“08.30”过程主要是由在豫北形成的中β尺度对流云团在南压过程中造成的。
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图 11 同图 10, 但为2015年8月30日15:00—20:00 Fig. 11 Same as Fig. 10, but from 5:00 to 20:00 on 30 August 2015. |
综上所述，两次过程均由发展旺盛的对流云团由北向南移动而产生，云顶TBB低至210~220 K，中尺度雨团与TBB高梯度区对应较好。同时，两次过程中对流云团发展到旺盛阶段时，云系单体逐渐发展为近椭圆形结构，极易出现短时强降水。方翀等[20]在对区域性雷暴大风天气的云型分类时，认为椭圆状的对流云团成熟阶段有利于短时强降水发展，上述分析也印证了这一点。此外，对比图 8、9和图 10、11可知，两次过程对流云团发展与地面中尺度辐合线移动一致。从图 10、11逐时降水量分布来看，“05.06”过程降水基本处于对流云团后侧，说明对流系统移动快；“08.30”过程降水大多位于对流云团前侧，说明对流系统移动较慢。
6.2 雷达特征与可预警性分析雷达特征能够反映强对流天气的回波结构特征和速度特征，在强天气分析研究有重要作用。本文重点对比两次过程的雷达特征，判断不同类型的强对流天气，从而对强对流天气进行分类预警。
“05.06”过程中，2015年5月6日20:45 (图 12a)，郑州雷达基本反射率上显示博爱、沁阳等地出现弓状回波，回波中镶嵌着中心大于等于60 dBz的强单体。径向速度上(图 12b)，与弓状回波的前沿相对应为辐合区，后面存在大片负速度大于等于20 m·s-1的大风区，表明后侧入流较强；济源、孟县和孟津之间形成由正负速度对组成的反气旋系统，其中正速度与前侧负速度形成辐散区，预示有大风出现，实况上该地区出现20~22 m·s-1的大风。剖面(图 12c)上，距郑州雷达150 km西处有一正在发展并趋于成熟的强对流单体，55 dBz回波高度已发展近12 km，65 dBz的回波高度在9 km左右，呈现出高质心的雹暴结构；回波悬垂明显且位于6 km以上，与底层弱回波形成无界弱回波(WER)，对应径向速度上(图 12d)有中层径向辐合(MARC)，3 km以下由强核心反射率下降所引发的强下沉气流在地面形成辐散，与地面观测的大风对应，利用MARC可以提前10—15 min预报地面大风。21:50 (图 12e)弓状回波到达郑州，后侧新生回波不断并入弓形回波中，汝州南部出现明显的三体散射特征(TBSS)，说明对流风暴中有冰雹存在，TBSS特征在21:50—21: 56形成，22:32左右伊川、汝阳、汝州、宝丰等地出现冰雹，超前于降雹时间约30—40 min，具有指示意义；对应速度上(图 12f)汝州南部和长葛东部各出现明显的中气旋，在髙悬的强回波条件下，中气旋可以明显增加强冰雹的概率，冰雹下落时的拖曳作用与蒸发作用形成冷池，造成地面大风，在径向速度上表现为郑州南部是宽阔的大风区。在其剖面(图 12g)上，对流单体进一步发展，65 dBz强回波高度在6—9 km左右，远远超过-20 ℃的高度；强前悬回波明显，使得WER发展为显著有界弱回波区(BWER)，在速度剖面上(图 12h)有高层辐散、低层辐合特征(蓝色椭圆处)，单体风暴顶9 km左右正负速度差达25 m·s-1，顶端辐散较强，降雹潜势较大。到22:23 (图略)对流风暴已呈现明显飑线结构，径向速度上显示飑线前沿出现明显的辐合特征，后侧新郑和尉氏之间存在大风核，该地区出现16~ 20 m·s-1的大风；同时鄢陵西部、尉氏北部等存在强烈的中气旋，旋转速度约为19 m·s-1；对应速度剖面(图略)上，有从3 km一直向上伸展到8 km左右的中气旋(黑色圆圈处)，且距雷达东南50 km处出现中层径向辐合(MARC)特征，预示着大风冰雹出现，同时降雹过程中一些融化的雨滴与暖云区的水滴碰并作用导致短时强降水的出现。
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图 12 2015年5月6日20:45 (a-d)、21:50 (e-h)郑州雷达基本反射率(a, e)、径向速度(b, f)及沿图a、e中黑线所作的反射率剖面(c, g)和速度剖面(d, h) Fig. 12 (a, e) The base reflectivity, (b, f) radial velocity, and profile of (c, g) reflectivity, and (d, h) velocity along the black line in a, e from Zhengzhou radar at (a-d) 20:45 and (e-h) 21:50 on 6 May 2015. |
“08.30”过程中，2015年8月30日16:50 (图略)郑州雷达上可见豫北等地出现大范围对流性回波，中心强度达50~60 dBz，其中有大于等于65 dBz的强降水单体，原阳南部、郑州北部出现西北—东南向边界辐合线回波，降水单体沿着边界辐合线向东南移动造成短时强降水，对应径向速度(图略)上零速度线位于获嘉至武陟附近且呈“S”型，说明风随高度顺转，低层暖平流明显。17:48 (图 13a)降水单体回波东移南压至郑州、中牟和开封一带，强度仍维持在50~60 dBz之间；在径向速度上(图 13b)巩县附近存在明显的逆风区，对应反射率上巩县等地出现60~65 dBz的强降水回波，导致该地区1 h降水量为40.6 mm；开封南部出现中气旋，对应实况出现雷雨大风等对流天气，其中开封站1 h降水量高达57.9 mm。剖面上17:48 (图 13c)强反射率因子位于低层，强降水单体质心发展较低，≥60 dBz的强回波高度在3 km以下，与大风冰雹的强对流回波差异明显，实况以短时强降水为主，对应速度上(图 13d)有高层辐散、中低层辐合特征(蓝色椭圆处)。距雷达50—70 km处高度3—6 km上有一明显的辐散区，近地层辐散下沉气流达20~25 m·s-1，与地面大风对应。19:05对流单体发展成带状，中心强度为60 dBz，径向速度(图 13e)正速度由西南切入，在太康北侧、睢县西南侧附近与偏东的负速度相互作用，不仅激发出中气旋，还产生出小的对流辐合区，且在辐合区附近还出现强度大于等于65 dBz的强降水单体，对应上述分析的大于20~30 mm·h-1的中尺度雨团；对应速度剖面(图 13f)上，低层2—3 km上有辐合区，高层9 km以上为辐散区，有利于对流降水的发展和维持。
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图 13 2015年8月30日17:48郑州雷达基本反射率(a)、径向速度(b)和沿图a黑线所作反射率剖面(c)、速度剖面(d)，以及19:05径向速度(e)及沿图e黑线所作剖面(f) Fig. 13 (a) The base reflectivity, (b) radial velocity, and profile of (c) reflectivity, (d) velocity at 17:48 along the black line in a, and (e) radial velocity, and (f) profile of velocity at 19:05 along the black line in e from Zhengzhou radar on 30 August 2015. |
综合对比，两次过程雷达特征明显不同，对应的天气实况也有所差异。“05.06”过程对流单体呈回波悬垂，强中心伸展高度较高，平均在6 km以上，并出现三体散射、弱回波和有界弱回波等，径向速度上有中气旋、大风区、中层径向辐合等特征，对应大风冰雹等天气；“08.30”过程回波结构密实，高反射率位于粗壮的中下部，50 dBz以上的强回波伸展不高，质心较低，约在3 km以下，对应速度上逆风区和辐合区多次出现，造成短时强降水天气。
7 讨论东北冷涡形势下强对流天气预报一直是业务预报的重点和难点。对于2015年河南两次强对流天过程，数值模式和实时预报未能提前准确预测，其落区和强度均有偏差，尤其是对“05.06”过程冰雹存在漏报。因此在实际预报中，以下几点值得关注：
(1) 注重强对流天气环境场分析，以“配料法”为思路对有利于对流发展的必要条件(水汽、不稳定、抬升)进行分析，同时要紧密结合探空分析。使用08:00探空曲线对冷涡形势下强对流进行潜势预报，应充分考虑日变化的影响，可用14:00地面温度和露点订正或者利用模式预报场的探空曲线，订正后如CAPE、LCL等物理量有增大趋势，强天气发生的可能性较高，需要引起关注。
(2) 垂直风切变决定了强对流天气的类型和强度，“05.06”过程预报时仅考虑到中高层强冷平流的变化，忽略了平流对垂直风切变的作用，导致该过程冰雹漏报。因此平流过程对垂直风切变的影响，既可利用探空曲线来推算本地区的垂直风切变大小，也可通过风廓线雷达或者雷达风廓线产品进行估算。
(3) 地面辐合线、温湿梯度等与强对流天气发生发展关系密切。业务中预报员往往重视回波生消却忽视了地面系统的演变，应加强基于地面加密观测资料(温度、风场、湿度等)分析，其较高的时空分辨率能够更好分析强对流天气演变特征，尤其是在河南或平原地区。廖移山等[21]在研究地面中尺度系统时发现，当冷涡后侧出现的下沉冷出流在低层扩散南下时，地面上往往会形成冷中心或冷舌，与午后不断加强的暖湿气流作用增强了地面斜压性，从而导致地面辐合系统(辐合线或中尺度气旋)加强，这是一种典型的冷涡下地面辐合系统发展的物理机制。以本文两次典型的冷涡天气为例，在地形抬升或局地热力抬升条件下豫北地区形成中尺度辐合线，地面冷舌以及温湿梯度促进了辐合线发展。干冷空气与暖湿气流交汇形成温湿锋区，在强斜压性与辐合抬升的共同作用下，导致地面辐合线上气旋性扰动加强从而使得辐合线维持和发展，触发强对流天气。因此在今后短临预报中，结合上述几点以及回波特征预警点，可定性判断强对流天气的时间、落区、类型及强度等。
8 结论本文通过对2015年河南两次东北冷涡型强对流天气过程的对比分析，得到以下结论：
(1) 两次强对流过程均发生在东北低涡环流形势下，“05.06”过程是由高层干冷平流形成热力不稳定以及高空急流形成动力不稳定叠加，形成大风冰雹及短时强降水的混合对流；“08.30”过程则是500 hPa横槽携冷空气南下与低层暖湿气流交汇，低层切变线及地面暖倒槽抬升造成强上升运动，产生短时强降水并伴有大风的湿对流。
(2) 两次过程层结上干下湿，对流不稳定能量明显。但“05.06”过程中高层出现强冷平流，叠加在低空暖平流上，位势不稳定发展，动力条件和垂直风切变较强，有利于雷暴大风、冰雹等出现；“08.30”过程则类似准正压类强对流天气，中低层由中性平流发展成弱暖平流，配合上层冷平流导致不稳定层结发展，风切变较弱，较好的水汽条件有利于短时强降水发展。
(3) 强对流天气发生在温度、露点大值区及高梯度区，高温高湿有利于不稳定能量的聚集，地面辐合线是强对流的触发者。“05.06”过程在冷暖交汇和干湿交汇的有利环境下由地面辐合线触发强对流天气，带来了大风冰雹以及短时强降水天气；“08.30”过程是在高湿区中由冷暖交汇剧烈产生对流不稳定，地面辐合线引起短时强降水等天气。
(4) 两次过程均有发展旺盛的中β尺度对流云团生成自西北向东南移动发展，中尺度雨团与TBB高梯度区对应较好；两次过程中对流云团发展到旺盛阶段时，云系单体逐渐发展为近椭圆形结构，有利于短时强降水和大风的形成和出现。
(5) 两次过程雷达特征明显差异，“05.06”过程强回波悬垂，中心伸展高，并出现三体散射、弱回波和有界弱回波等，径向速度上有大风区、中层径向辐合、中气旋等特征，对应大风冰雹天气；“08.30”过程回波结构密实，回波质心较低，高反射率在粗壮的中下部，速度上有逆风区和辐合区等特征出现，有利于短时强降水。
本文在成稿过程中得到河南省气象台张一平、苏爱芳两位老师的悉心指导，谨致谢忱！| [1] |
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