一次冷渦背景下次天氣尺度系統對強對流環境場的影響

李瑞萍 王秀明 李樹文 王揚 田曉婷 李夢軍

摘 要 在同一東北冷渦背景下，2016年6月12—13日山西境內連續2 d出現強對流天氣，12日為分散性對流而13日為大范圍強對流?；诙嘣促Y料通過對比探討次天氣尺度系統及其演變對風暴環境進而對風暴結構的影響，得出以下結論：（1）兩日風暴強度和風暴結構差異顯著。6月12日對流孤立分散且回波強度小于55 dBZ，而13日準線性風暴發展成尺度較大的弓形回波引發大范圍強對流天氣，回波強度達60 dBZ。（2）此次過程的關鍵影響系統為冷渦背景下的次天氣尺度低渦。12日次天氣尺度低壓擾動開始出現，距離遠而未影響山西；13日低壓擾動東移發展為次天氣尺度切斷低渦，低渦相關的地面冷鋒及850 hPa切變線觸發山西上游對流。（3）12日低層水汽含量低，0～3 km垂直風切變弱，13日低渦前偏南水汽輸送使低層顯著增濕，疊加中層干冷空氣形成不穩定層結，受低渦影響0～3 km風垂直切變增強至5.0×10^-3s^-1，冷鋒觸發的對流風暴在上述環境下強烈發展并產生陣風鋒，陣風鋒組織風暴形成颮線，冷池與0～3 km風切變相互作用使颮線維持。（4）13日有利于颮線發展的環境要素與東北冷渦西側的次天氣尺度切斷低渦系統密切相關，次天氣尺度低渦是颮線形成發展的關鍵系統。

關鍵詞 高空冷渦；次天氣尺度系統；強對流；環境場

中圖分類號：P445文獻標志碼：A文章編號：2096-3599（2024）04-0076-12

DOI：10.19513/j.cnki.hyqxxb.20221030001

收稿日期：2022-10-30；修回日期：2023-05-17

基金項目：國家自然科學基金項目（41875058）；中國氣象局創新發展專項（CXFZ2021Z034）；中國氣象局復盤總結專項（FPZJ2023-018）

第一作者簡介：李瑞萍，女，正高級工程師，主要從事短期天氣預報及強對流研究，lirp246@163.com。

通信作者簡介：王秀明，女，博士，教授，主要研究方向為雷暴與強對流天氣短臨預報、中尺度數值模擬，wangxm@cma.gov.cn。

Effect of sub-synoptic scale system on environment field of strong convection under the background of a cold vortex

LI Ruiping¹， WANG Xiuming²， LI Shuwen¹， WANG Yang³， TIAN Xiaoting¹， LI Mengjun¹

（1. Taiyuan Meteorological Bureau， Taiyuan 030002， China; 2. China Meteorological Administration Training Center， Beijing 100081， China; 3. Shanxi Meteorological Observatory， Taiyuan 030006， China）

Abstract Under the background of a same northeast cold vortex circulation， strong convective weather occurs in Shanxi for two consecutive days from 12 to 13 June 2016. On 12， it is a scattered convection， while it is a large-scale strong convection on 13. Based on multi-source data， the effects of the sub-synoptic scale system and its evolution on the environment and then on the structure of the storms are discussed through comparison. The results are as follows. （1） There are significant differences in the intensity and the structure between the two days storms. On 12， the convection is isolated and dispersed， and the echo intensity is less than 55 dBZ; while on 13， the strong convection is triggered by a quasi-linear convective storm that develops into a larger-scale bow echo， with the central echo intensity of 60 dBZ. （2） The key synoptic system of the process is the sub-synoptic scale vortex under the background of a cold vortex. On 12， the sub-synoptic scale low pressure disturbance begins to appear far away from Shanxi and does not have an effect there; on 13， it moves eastward and develops into a sub-synoptic scale cutoff vortex， and the surface cold front and 850-hPa shear line related to the vortex trigger the convection in the upper reaches of Shanxi. （3） On 12， the low-level specific humidity is low， and the vertical wind shear at 0-3 km is weak. On 13， the southerly water vapor transport in front of the vortex significantly humidifies the low layer， and with the superimposition of the dry cold air in the middle layer， an unstable stratification is formed. Under the influence of the vortex， the vertical wind shear at 0-3 km increases to 5.0×10^-3s^-1. The convective storms triggered by the low-level cold front develop strongly and produce a gust front in the above environment， and the gust front drives the storms to form a squall line. The interaction between the cold pool and the wind shear at 0-3 km maintains the squall line. （4） The environmental factors conducive to the development of the squall line on 13 are closely related to the sub-synoptic scale cutoff vortex on the west of the northeast cold vortex. The sub-synoptic scale vortex is the key system for the formation and development of the squall line.

Keywords upper-tropospheric cold vortex; sub-synoptic scale system; strong convection; environmental field

引言

強對流天氣的構成除包括層結穩定度、水汽、觸發機制3項基本要素外，還有垂直風切變，后者在強對流的組織結構、形態及持續時間上起關鍵作用?；趯α靼l生條件的“配料法”預報思路^［1-3］被廣泛接受，王秀明等^［4］、鄭永光等^［5］、高曉梅等^［6］、趙桂香等^［7］、吳福浪等^［8］基于“配料法”對強對流環境條件進行研究，為強對流潛勢預報提供依據。孫建華等^［9］通過試驗證明，環境水汽含量和垂直分布會影響颮線組織形態、維持時間和強度。王秀明等^［10］通過對比研究雷暴大風環境特征與對風暴結構的影響得出，低層濕度是風暴結構的決定因素。壽紹文^［11］指出，風垂直切變顯著影響對流系統強度、組織性及生命史。上述研究表明，環境條件對風暴形成發展以及風暴結構等有著重要作用。而環流背景與天氣系統配置制約對流發生條件，如高空冷渦后部冷空氣疊加低層暖濕空氣形成不穩定層結^［12-13］，為強對流提供有利的天氣背景與環境條件。但同樣的環流背景下可形成不同類型、強度差異的對流天氣^［14-15］，因此強對流預報需要綜合分析天氣系統強迫與環境參數。

次天氣尺度系統^［16］介于天氣尺度與中尺度之間，又稱中間尺度系統，也稱中α尺度系統^［17］。姚文清等^［18］研究指出，在天氣尺度與次天氣尺度系統共同作用下，暴雨才得以產生與維持。梁軍等^［19］指出次天氣尺度系統在大風形成過程中的貢獻主要表現為提供正渦度和動能。王秀明等^［20］認為，東北龍卷大多發生在東北冷渦背景下，冷渦南側次天氣尺度短波槽是東北龍卷的直接影響系統。這些研究側重于不同尺度系統間的相互作用以及有關次天氣尺度影響系統。以往關于天氣系統對強對流影響的研究多集中于高空槽、高空冷渦等天氣尺度系統^［21-22］，對次天氣尺度系統如何影響環境要素進而影響對流風暴結構的相關研究較少。

2016年6月12—13日，在同一冷渦環流背景之下，山西境內出現結構差異顯著的強對流。12日僅形成局地分散性對流，13日則生成大范圍線狀強對流，影響山西大部，大風導致部分構筑物和樹木倒毀，農作物受災，冰雹砸毀車輛，農業設施受損嚴重，給電力、建筑、農業、航空等部門造成的直接經濟損失達2.621 3億元。本研究利用高分辨率觀測及再分析資料，在對比兩日風暴結構特征基礎上，分析兩種風暴產生的環境特征，探討次天氣尺度低渦系統對風暴環境進而對風暴結構的影響。

1 資料與方法

所用資料主要有：常規高空地面觀測、加密地面觀測、多普勒天氣雷達、歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）逐1 h水平分辨率0.25°×0.25°再分析（ECMWF Reanalysis v5，ERA5）資料。雷達組合反射率因子拼圖由山西及周邊地區（109°～116°E、34°～41.5°N）14部多普勒天氣雷達同步組網觀測。由于探空觀測僅有08時（北京時，下同）和20時，文中14時高空風場、渦度及高度場、風垂直切變等采用ERA5資料。風垂直切變為上下兩層風矢量差^［23］除以層間高度，計算過程中，將u分量和v分量分別相減再合成風矢量差。通常0～6 km與0～3 km強的垂直風切變分別是超級單體與颮線需要的環境條件，因此本文分析這2個高度的風切變，考慮山西地形高度，計算0～6 km、0～3 km風切變（單位為10^-3s^-1）時，下層取900 hPa，上層分別取500 hPa、700 hPa。

2 天氣實況與風暴演變

2016年6月12日16—21時，山西出現7站次8級以上雷暴大風，極大風速為24.1 m·s^-1（9級），風向多變，分布零散（圖1a）。13日17—23時，山西108個國家級地面氣象觀測站中先后有61站出現8級以上陣風，其中瞬時風速v≥20.8 m·s^-1（9級）占比超過50%，多測站風力突破或達到歷史極值，風向為相對一致的西北風，大風災害嚴重，部分測站伴隨短時強降水和冰雹（圖1b）。13日地面觀測站點記錄的最大風速達30.1 m·s^-1（11級），出現在交口縣，6個縣（市）出現冰雹，長治市內大冰雹直徑達60 mm，雨強不低于20 mm·h^-1的短時強降水多分布于平川河谷地帶，最大雨強為28.3 mm·h^-1。強對流具有典型的颮線特征，對流系統影響時測站氣象要素發生劇烈變化，出現風速突增、溫度驟降、氣壓陡升以及濕度增大等現象。

綜上，兩日對流天氣強度與規模差異顯著。12日對流強度弱且分散；13日強對流天氣劇烈，影響范圍覆蓋山西大部分區域，災害嚴重。兩日對流回波形態及風暴類型差異亦顯著。由圖2a可知，12日19—21時對流較旺盛，出現雷暴大風，分布于山西中西部以及南部地區，對流回波孤立分散，對流單體在演變過程中相互獨立，未發生合并，組織性差，回波強度普遍在55 dBZ以下。13日午后對流風暴在山西境外新生，東移過程中逐漸加強，從西北方向進入山西，由準線性風暴^［24］發展成弓形回波，圖2b展示了17：36—22：24期間35 dBZ以上回波演變特征。18：36，呈準帶狀排列的回波，隨著對流單體不斷新生合并，形成長和寬分別為180 km、35 km的颮線。19：36，回波帶東移中與山西東北部新生對流回波合并，長度顯著增加，寬度變窄，排列密集，集中于一條弧線上，發展成為一個水平尺度約為400 km的超長弓形回波，強度達60 dBZ，對流發展十分旺盛。20：24，回波帶范圍進一步擴大，強回波單體排列更加緊湊，回波帶上沒有明顯斷裂，水平尺度約為480 km，寬為25 km。21：30，回波減弱，對流單體間排列松散，回波帶逐漸變寬，長度縮減，中心強度減弱。23時移出山西，風暴在山西境內持續約6 h。

3 次天氣尺度系統對風暴環境特征的影響

3.1 東北冷渦與次天氣尺度低渦

如圖3a、b所示，2016年6月12—13日，500 hPa山西均處于高空冷渦后西北氣流中，12日14時在東北冷渦西側90°～100°E、45°～50°N區域有中心值為8×10^-5s^-1的渦度中心，配合有水平風切變，出現低壓擾動。高空冷渦引導其后部冷空氣南下，冷渦中心強度增強，并向東南方向移動。13日14時形成次天氣尺度切斷低渦，有中心值為10×10^-5s^-1的正渦度區，低渦底部有強西北風急流擾動，急流核達到28 m·s^-1，配合有氣旋式切變，低渦前側西南氣流開始影響山西。該低渦為深厚冷性系統，在850 hPa表現為切變輻合線，低渦后部干冷下沉氣流在地面形成冷鋒（圖3d）。觀測資料顯示，12日08時，700 hPa山西上空為一致的西北氣流，850 hPa為偏西風（圖3c），地面受弱高壓控制；13日08時，500 hPa在山西西北方向有一短波槽，700 hPa切變線位于短波槽西側，切變線后配合有冷平流。而低層850 hPa輻合線位于山西上游河套地區，輻合線前受暖氣團控制，山西西南方向有地面溫度露點差t-t_d≤4℃的濕區。850 hPa輻合線落后于500 hPa短波槽線，槽后的干冷空氣疊加于低層暖濕氣團之上，形成前傾結構（圖3d）。13日08時，地面冷鋒位于內蒙古至甘肅一帶，14時東移至河套西側，山西受鋒前暖低壓控制，氣溫為25～34℃。

由此可見，12日500 hPa低壓擾動開始出現，僅表現為伴水平風切變的渦度中心，高度場尚未調整，距離山西較遠，后經發展演變形成次天氣尺度切斷低渦，13日低渦及其相伴的低層系統在東移發展過程中影響山西地區。此外，13日前傾短波槽也為強對流醞釀、發生、發展提供了有利的環流形勢。

3.2 水汽及層結不穩定度

由圖4a可知，12日08時850 hPa山西大部地區比濕為8 g·kg^-1以下，山西南部邊界比濕較高，超過10 g·kg^-1，但山西境內風速較小，風向為偏西風，水汽輸送不明顯，08—14時變化不大（圖4c）。探空與地面觀測（表1）顯示，12日08時850 hPa以下平均比濕為9 g·kg^-1。12日08—14時，太原925 hPa近地層比濕從10 g·kg^-1降為8 g·kg^-1（表2），地面溫度露點差t-t_d北部由10～12℃上升至15℃以上，中南部從6℃及以下升至12～16℃；13日08時山西中南部水汽含量為10～12 g·kg^-1（圖4b），明顯高于12日08時，850 hPa高濕中心位于山西西南側，水汽從高濕中心向山西輸送，形成明顯的南風水汽輸送帶。14時隨著次天氣尺度低渦系統東移，山西西側偏西風顯著增強，切變輻合區逼近山西西部，山西境內偏南風風速有所增大，南部的比濕增大，而北中部比濕略有下降，但低層仍處于高濕狀態，850 hPa比濕維持在8～12 g·kg^-1（圖4d）。實況顯示，太原13日08時850 hPa以下平均比濕達11 g·kg^-1（表1），08—14時，925 hPa比濕從12 g·kg^-1降至11 g·kg^-1（表2），地面溫度露點差由2～10℃上升至12～18℃。14時地面氣溫和露點溫度訂正的太原探空曲線（圖5）顯示，兩日中層均存在明顯干層，12日尤其清晰（表1）。6月12日14時對流有效位能（convective available potential energy，CAPE）為537 J·kg^-1，13日14時CAPE值達1 596 J·kg^-1（表2），大氣層結極不穩定，強的對流有效位能有利于風暴內產生強的上升氣流，CAPE值達到1 500 J·kg^-1以上，有利于冰雹增長^［25］，濕球溫度0℃層高度為3.9 km，是比較適宜的冰雹融化層高度。-20℃層高度在7 100 m（表1），鄭旭程等^［26］研究指出，中國東部地區發生冰雹時，-20～0℃之間的厚度一般為3.0～3.6 km，13日-20～0℃之間的厚度為3.1 km，適合冰雹生長。

12日、13日層結不穩定度及其變化差異顯著。由前文環流形勢及系統演變分析可知，12日500 hPa低壓擾動開始出現，距離山西約1 200 km，13日發展為切斷低渦系統。在低渦自西向東逐漸移動到山西上空的過程中，850 hPa上切變線前側偏南氣流影響山西，將西南方向高濕中心的水汽源源不斷輸送過來，形成水汽輸送帶，從而影響低層水汽。在冷渦背景下，兩日溫度垂直結構相似，對流層中層均顯著干，850 hPa以下相對濕度差異不明顯，產生差異的關鍵因素為低層水汽（絕對濕度），低層水汽含量影響層結穩定度。12日，低層水汽含量小，14時對流有效位能弱。13日，由于偏南水汽輸送，850 hPa及以下低層保持高濕，14時近地面比濕為11 g·kg^-1，疊加500 hPa層之上的干冷空氣，形成極不穩定層結，對流有效位能強。就山西而言，中部太原6月13日08時850 hPa比濕的氣候平均值僅為7.5 g·kg^-1，初夏“上干冷下暖”的不穩定層結多見，低層高濕條件卻不易滿足，13日850 hPa以下平均比濕達到11 g·kg^-1，低層水汽含量高于降雨之后^［27］和中低層有暖濕氣流輸送^［28］的兩次山西颮線過程，接近12 g·kg^-1的典型濕下擊暴流比濕閾值下限^［29］，強對流的物理過程介于典型干下擊暴流與濕下擊暴流之間。當低層高濕且垂直風切變集中于低層時，能夠形成高度組織化的超級單體和弓形回波^［10］，是風暴類型的決定性因素。

3.3 次天氣尺度低渦對風垂直切變的影響

6月12日14時0～6 km風切變為2.6×10^-3s^-1（圖6a），屬中等偏弱風切變^［23］；13日08時0～6 km風垂直切變為2.5×10^-3s^-1，由3.1節可知，500 hPa次天氣尺度切斷低渦底部有強西北風急流擾動，急流核達到28 m·s^-1。隨著上游切斷低渦加強東移，13日對流發生前500 hPa風速由13 m·s^-1增大至17 m·s^-1，14時0～6 km深層風切變增至3.5×10^-3s^-1，為較強風切變（圖6b），也有利于形成大冰雹。由低層風切變來看，12日08時0～3 km風垂直切變為2.0×10^-3s^-1，08—14時700 hPa由西北風6 m·s^-1轉為偏西風4 m·s^-1，風力明顯變弱，0～3 km風切變減小至1.6×10^-3s^-1（圖6c）；13日08時700 hPa已受到上游擾動影響，實況顯示風速達11 m·s^-1，因此，0～3 km風垂直切變與前一日差異顯著：13日08時0～3 km風垂直切變為3.0×10^-3s^-1，14時700 hPa風速進一步增大，0～3 km風切變顯著增強至5.0×10^-3s^-1，達到強垂直切變水平（圖6d）。對流發生前，13日0～3 km垂直風切變是12日其值的3倍?？梢钥闯?，次天氣尺度切斷低渦系統在發展演變及移動過程中，通過影響500 hPa、700 hPa風場，從而影響0～6 km、0～3 km垂直風切變環境。

6月13日對流發生前，0～6 km深層垂直風切變加強，0～3 km風切變顯著增強，是由于500 hPa有次天氣尺度的強西北風急流擾動，配合有氣旋式切變，并且有中心值為10×10^-5 s^-1的正渦度區（圖3b），擾動明顯且系統呈前傾結構所致。對流層中層風場加強，增大了與低層風的矢量差。垂直風切變加強導致對流風暴加強和發展，尤其表現為組織程度明顯提高。

3.4 次天氣尺度低渦對強對流觸發與維持的影響

3.4.1 對流觸發

12日14時，地面冷鋒位于45°N以北（圖7a），20時在山西西部呂梁地區、臨汾地區等地輻合線附近觸發產生對流回波（圖7b）。由于無明顯影響系統，地面輻合線或沿山脈生成，或由下墊面受熱不均形成，呈準靜止狀，尺度較小且強度較弱，其觸發的對流持續時間較短。

13日14時，次天氣尺度低渦東移發展，與其相伴的低層850 hPa切變系統隨之東移，低渦后部干冷下沉氣流在地面形成冷鋒，前沿位于42°N附近（圖7c）。850 hPa偏西風顯著增強，14—15時，內蒙古中西部地區風速由4～8 m·s^-1增至10～12 m·s^-1，切變輻合增強，在850 hPa切變與地面冷鋒之間觸發較強對流（圖7d），隨后向東移動影響山西西北地區，期間對流持續發展，回波呈準帶狀排列，17時后移入山西境內。

3.4.2 冷池與對流發展維持

13日17時后，強對流云團由西北進入山西境內，冷的下沉氣流在近地面形成冷池，冷中心與外圍溫度差值達到8℃以上。雷達回波（圖8a）顯示，強對流單體呈線狀排列。冷池前沿陣風鋒觸發對流單體新生，新生單體并入準帶狀對流云團中，使對流風暴加強發展，規模擴大?；夭◤姸仍鰪?，對流單體之間不斷有新的回波產生。由于多個對流單體組成雷暴群，冷下沉氣流到達地面的冷池連為一體，形成共同的冷堆^［23］向前推進，冷池尺度擴展，強度增強（圖8b），在冷池前沿陣風鋒區不斷有更多強對流單體觸發新生合并，而強的垂直風切變使對流風暴加強并組織化，形成一條連續的超長線狀回波帶，單體排列密集，回波帶上沒有明顯斷裂，水平尺度約為480 km，寬為25 km，最強回波超過65 dBZ。隨著冷池增強，颮線進一步發展（圖8c）。由于冷池的溫度梯度產生了較強密度流，陣風鋒區同時也是1 h正變壓中心所在區域。而冷池密度流疊加單體下沉輻散氣流在冷池外圍形成最強風，冷池前陣風鋒區與v≥17 m·s^-1的大風區相重合。13日19—20時，冷池直徑達150 km，冷中心與外圍溫差大于10℃，相比于孫密娜等^［30］分析華北一次颮線過程所形成的8℃溫差，冷池更強。1 h最大變壓為5.3 hPa。

次天氣尺度低渦擾動對強對流觸發及發展維持的影響表現為兩個方面。首先，與低渦相伴的低層系統觸發產生較強對流；其次，強的垂直風切變導致對流發展并組織化，而高度組織化的雷暴群產生大范圍冷池。根據RKW理論^［31］，冷池與低層垂直風切變維持準平衡狀態，颮線得以維持，陳明軒等^［32］驗證了該理論適用于華北颮線。

3.4.3 強冰雹雷達回波特征分析

6月13日14：00—17：30，山西東南部在颮線前低壓暖區內生成超級單體強風暴，沁縣、襄垣、長治、壺關等地相繼出現冰雹。15：50—16：00，長治市區降大冰雹，最大冰雹直徑達60 mm。由長治新一代C波段多普勒天氣雷達1.5°仰角反射率因子演變（圖9a—c）可以看出，15：46—16：00，長治市境內有強回波，中心強度達65 dBZ，具有典型的超級單體鉤狀回波特征，盡管由于風暴距離雷達站小于30 km，反射率因子垂直剖面高處被遮擋，仍顯示存在有界弱回波區和回波懸垂（圖9d）。15：56，1.5°仰角徑向速度圖（圖9e）上，白色圓圈標識區域內，向著雷達的速度中心與遠離雷達速度中心值之差達到38 m·s^-1，具有非常強的輻合特征，意味著該區域有相當強烈的上升氣流。降雹前垂直累積液態含水量（vertically integrated liquid，VIL）在14：59—15：15出現躍增，15：15長治市內VIL最大值達40 kg·m^-2（圖9f）。

4 結論與討論

（1）次天氣尺度低渦系統通過影響水汽與層結不穩定度、垂直風切變等關鍵環境因素，以及對流觸發機制、冷池發展，從而影響對流強度、規模以及風暴結構。次天氣尺度低渦在颮線形成發展中的作用至關重要，一方面提供強的初始對流觸發機制，同時增加層結不穩定度，進一步增大垂直風切變，也使得冷池加強發展，是同一冷渦背景下相鄰兩日出現結構與規模差異巨大強對流的關鍵原因。

（2）在同一高空冷渦背景下，6月12日與13日有顯著差異的環境因素為低層水汽含量與垂直風切變。12日低層水汽含量小，環境垂直風切變弱，僅形成分散性對流；13日低層高濕，環境風切變尤其是低層垂直風切變強，形成颮線。低層高濕疊加中層干冷空氣形成極不穩定層結，在對流發展加強中發揮決定性作用。而垂直風切變對強對流的組織結構及持續時間具有關鍵作用。低層好的水汽條件配合0～3 km較強垂直風切變，環境風切變與風暴相互作用形成高度組織化的弓形回波，低層濕度與垂直風切變成為風暴結構與生命史的決定因素，該結論與以往研究相一致，是基于“配料法”進行對流環境分析及對流潛勢預報的重要條件。

（3）6月13日颮線形成前出現冷池，在陣風鋒區不斷新生強對流單體，使得颮線維持，冷池密度流與強對流下沉氣流疊加，進一步加劇了雷暴大風的極端性。在具有較強對流有效位能、冰雹融化層與-20℃層高度以及-20～0℃層間厚度適合、深層垂直風切變中等偏強等環境條件下，雷達監測到60 dBZ以上強回波、超級單體鉤狀回波結構、有界弱回波區、低層強輻合、VIL躍增等特征，是大冰雹預報預警的重要指標。

（4）就省市級強對流預報業務現狀而言，次天氣尺度系統介于天氣尺度與中尺度之間，其對強對流短時預報的影響比較關鍵，從次天氣尺度系統演變及影響的角度，結合數值模式和觀測資料分析環境場變化，是強對流短時預報思路和方法的嘗試與探索。

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