華北強(qiáng)對(duì)流天氣的多維度剖析：基于[具體日期]案例的診斷與模擬研究一、引言1.1研究背景與意義強(qiáng)對(duì)流天氣作為一種極具破壞力的中小尺度天氣系統(tǒng)，通常涵蓋雷暴、大風(fēng)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水以及龍卷風(fēng)等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。這些天氣事件的發(fā)生往往伴隨著強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)、不穩(wěn)定的大氣層結(jié)以及充沛的水汽條件，具有突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)展迅速、持續(xù)時(shí)間短、空間尺度小但破壞力巨大等顯著特點(diǎn)，對(duì)人類的生產(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。華北地區(qū)，作為我國(guó)重要的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，地理位置特殊，人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，各類基礎(chǔ)設(shè)施和社會(huì)活動(dòng)高度集中。然而，該地區(qū)受獨(dú)特的地理位置、地形地貌以及大氣環(huán)流等因素的綜合影響，強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁發(fā)生。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，每年在華北地區(qū)出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣過程可達(dá)數(shù)十次之多，且近年來，隨著全球氣候變化的影響日益加劇，強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。強(qiáng)對(duì)流天氣給華北地區(qū)帶來了多方面的嚴(yán)重危害。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，強(qiáng)對(duì)流天氣中的大風(fēng)可能導(dǎo)致農(nóng)作物倒伏，使其無法正常生長(zhǎng)和收獲；冰雹則會(huì)直接砸毀農(nóng)作物，造成大面積的減產(chǎn)甚至絕收。例如，在2020年5月，河北部分地區(qū)遭受強(qiáng)對(duì)流天氣襲擊，突如其來的冰雹致使大片麥田受損，許多麥粒被砸落，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)損失。短時(shí)強(qiáng)降水容易引發(fā)城市內(nèi)澇，淹沒道路和地下設(shè)施，不僅影響交通正常運(yùn)行，還可能導(dǎo)致車輛熄火、人員被困等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。2012年7月21日，北京遭遇強(qiáng)對(duì)流天氣引發(fā)的特大暴雨，城市多處出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，部分地鐵站被淹沒，交通陷入癱瘓，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。大風(fēng)和雷電還可能對(duì)電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞，導(dǎo)致供電中斷、通信信號(hào)受阻，影響社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。強(qiáng)對(duì)流天氣還會(huì)對(duì)航空、鐵路等交通運(yùn)輸行業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成航班延誤、鐵路停運(yùn)，給人們的出行帶來極大不便。準(zhǔn)確地對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警，對(duì)于有效防御此類災(zāi)害具有至關(guān)重要的意義。精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)能夠?yàn)橄嚓P(guān)部門提供充足的時(shí)間提前制定應(yīng)對(duì)措施，如及時(shí)組織人員疏散、加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)、做好農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)準(zhǔn)備等，從而最大程度地減少災(zāi)害造成的損失。通過對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的深入研究，還可以進(jìn)一步加深我們對(duì)大氣物理過程和中小尺度天氣系統(tǒng)演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和精細(xì)化水平提供堅(jiān)實(shí)的理論支持。這不僅有助于提升我國(guó)氣象科學(xué)的研究水平，還能夠?yàn)槠渌貐^(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣研究和預(yù)報(bào)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考，推動(dòng)整個(gè)氣象行業(yè)的發(fā)展。因此，開展華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的診斷分析和數(shù)值模擬研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀強(qiáng)對(duì)流天氣一直是氣象學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞其展開了廣泛而深入的研究，在不同方面取得了豐富的成果。在國(guó)外，美國(guó)憑借其先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)和完善的研究體系，在強(qiáng)對(duì)流天氣研究方面處于世界領(lǐng)先地位。美國(guó)擁有密集的氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，包括多部先進(jìn)的多普勒天氣雷達(dá)，這些雷達(dá)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展過程，獲取高精度的氣象數(shù)據(jù)。借助這些觀測(cè)資料，學(xué)者們深入研究了強(qiáng)對(duì)流天氣的形成機(jī)制。例如，通過對(duì)大量龍卷風(fēng)個(gè)例的分析，發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)的形成與垂直風(fēng)切變、不穩(wěn)定能量以及水汽條件等密切相關(guān)。在數(shù)值模擬方面，美國(guó)研發(fā)了多種先進(jìn)的數(shù)值模式，如WRF（WeatherResearchandForecasting）模式等，能夠?qū)?qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行精細(xì)化模擬。這些模式不斷更新和優(yōu)化，融入了更復(fù)雜的物理過程和參數(shù)化方案，顯著提高了對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的模擬能力和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。歐洲的研究團(tuán)隊(duì)在強(qiáng)對(duì)流天氣研究方面也取得了重要進(jìn)展。他們注重對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的氣候?qū)W特征分析，通過長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)數(shù)據(jù)，揭示了強(qiáng)對(duì)流天氣在歐洲地區(qū)的時(shí)空分布規(guī)律。在強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演變研究方面，利用先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)和數(shù)值模擬手段，詳細(xì)剖析了不同類型強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)展演變過程，為強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)和預(yù)警提供了重要的理論依據(jù)。國(guó)內(nèi)對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣的研究也在不斷深入。眾多學(xué)者針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的特點(diǎn)和形成機(jī)制展開了大量研究工作。在華北地區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生與該地區(qū)獨(dú)特的地形地貌以及大氣環(huán)流形勢(shì)密切相關(guān)。華北地區(qū)地處東亞季風(fēng)區(qū)，夏季受來自海洋的暖濕氣流和北方冷空氣的共同影響，冷暖空氣交匯頻繁，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了有利的天氣背景。當(dāng)高空有冷渦系統(tǒng)東移南下，與低層的暖濕空氣相互作用時(shí)，容易觸發(fā)強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，形成雷暴、大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。在觀測(cè)資料的應(yīng)用方面，我國(guó)利用地面氣象觀測(cè)站、氣象雷達(dá)、衛(wèi)星云圖等多種觀測(cè)手段，對(duì)華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)。通過對(duì)這些觀測(cè)資料的綜合分析，能夠更準(zhǔn)確地把握強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展特征。在數(shù)值模擬研究方面，國(guó)內(nèi)科研人員廣泛應(yīng)用WRF等數(shù)值模式對(duì)華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行模擬研究。通過不斷優(yōu)化模式參數(shù)和物理過程，提高了對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的模擬效果，為強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)提供了更有力的技術(shù)支持。部分研究還結(jié)合了中尺度數(shù)值模式和區(qū)域氣候模式，探討了氣候變化對(duì)華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的影響，為應(yīng)對(duì)氣候變化背景下強(qiáng)對(duì)流天氣的防災(zāi)減災(zāi)提供了科學(xué)依據(jù)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過對(duì)華北地區(qū)一次典型強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行深入的診斷分析和數(shù)值模擬研究，全面揭示強(qiáng)對(duì)流天氣在該地區(qū)的形成機(jī)制、發(fā)展演變規(guī)律以及影響因素，從而為強(qiáng)對(duì)流天氣的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)和有效防御提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例的選取與資料收集：挑選具有代表性的華北強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例，收集涵蓋地面氣象觀測(cè)站、高空探測(cè)站、氣象雷達(dá)、衛(wèi)星云圖等多源觀測(cè)資料，以及NCEP（美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）再分析資料等，為后續(xù)的診斷分析和數(shù)值模擬奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。這些資料能夠從不同角度反映強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前后的大氣狀態(tài)，如地面觀測(cè)資料可提供氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)等地面氣象要素的變化情況；高空探測(cè)資料有助于了解高空大氣的溫度、濕度、風(fēng)垂直切變等信息；氣象雷達(dá)資料能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和移動(dòng)路徑；衛(wèi)星云圖則可直觀展示強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的宏觀形態(tài)和發(fā)展演變過程。天氣形勢(shì)與環(huán)流背景分析：運(yùn)用天氣學(xué)原理，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前的大尺度天氣形勢(shì)和環(huán)流背景進(jìn)行細(xì)致剖析。重點(diǎn)關(guān)注影響華北地區(qū)的大氣環(huán)流系統(tǒng)，如西太平洋副熱帶高壓、高空冷渦、低空急流等的位置、強(qiáng)度和演變特征，探究它們之間的相互作用以及對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣形成的影響。當(dāng)高空冷渦東移南下，與西太平洋副熱帶高壓邊緣的暖濕氣流相互作用時(shí)，容易在華北地區(qū)觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣。低空急流作為水汽和能量輸送的重要通道，能夠?yàn)閺?qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展提供充足的水汽和不穩(wěn)定能量。物理量診斷分析：利用收集到的觀測(cè)資料和再分析資料，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展過程中的多個(gè)物理量進(jìn)行診斷分析。計(jì)算并分析散度、渦度、垂直速度、水汽通量、水汽通量散度、對(duì)流有效位能（CAPE）、濕位渦等物理量的時(shí)空分布特征，從動(dòng)力、熱力和水汽條件等多個(gè)方面深入探究強(qiáng)對(duì)流天氣的形成和發(fā)展機(jī)制。強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生通常伴隨著強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，垂直速度的正異常區(qū)域與強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生區(qū)域密切相關(guān)；水汽通量和水汽通量散度的分析可以揭示水汽的輸送和輻合情況，為判斷強(qiáng)對(duì)流天氣的水汽條件提供依據(jù)；對(duì)流有效位能（CAPE）反映了大氣的不穩(wěn)定能量，高CAPE值區(qū)域往往有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展。數(shù)值模擬研究：采用先進(jìn)的數(shù)值模式，如WRF模式，對(duì)選取的華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過合理設(shè)置模式參數(shù)和物理過程，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和再現(xiàn)。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行細(xì)致分析，對(duì)比模擬結(jié)果與觀測(cè)資料，評(píng)估模式對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的模擬能力和準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討不同物理過程參數(shù)化方案對(duì)模擬結(jié)果的影響，優(yōu)化數(shù)值模擬方案，提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的模擬效果。通過數(shù)值模擬，可以更直觀地了解強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)內(nèi)部的物理過程和演變機(jī)制，為深入研究強(qiáng)對(duì)流天氣提供有力的工具。形成機(jī)制與發(fā)展規(guī)律總結(jié)：綜合診斷分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，系統(tǒng)總結(jié)華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的形成機(jī)制和發(fā)展規(guī)律。明確強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的關(guān)鍵條件和觸發(fā)機(jī)制，歸納不同類型強(qiáng)對(duì)流天氣（如雷暴、大風(fēng)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等）的特征和演變規(guī)律。研究強(qiáng)對(duì)流天氣與地形、下墊面等因素的相互作用關(guān)系，揭示地形地貌對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的影響方式和程度。華北地區(qū)的山脈地形可能會(huì)導(dǎo)致氣流的抬升和輻合，從而促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生和發(fā)展；下墊面的性質(zhì)（如城市熱島效應(yīng)）也可能對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的形成和發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。預(yù)報(bào)和防御建議：基于研究成果，針對(duì)華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)和防御提出切實(shí)可行的建議。為氣象部門提供更具針對(duì)性的預(yù)報(bào)思路和方法，助力提高強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率和精細(xì)化水平。從防災(zāi)減災(zāi)的角度出發(fā)，為政府部門和社會(huì)公眾提供科學(xué)合理的防御措施和應(yīng)對(duì)策略，降低強(qiáng)對(duì)流天氣帶來的災(zāi)害損失。加強(qiáng)對(duì)氣象預(yù)報(bào)員的培訓(xùn)，使其更好地理解和應(yīng)用研究成果，提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)能力；同時(shí)，通過多種渠道向社會(huì)公眾普及強(qiáng)對(duì)流天氣的防御知識(shí)，增強(qiáng)公眾的防災(zāi)意識(shí)和自我保護(hù)能力。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用多種方法，從觀測(cè)資料分析、物理量診斷到數(shù)值模擬，系統(tǒng)深入地剖析華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣。在診斷分析方法方面，采用天氣學(xué)分析方法，仔細(xì)研讀天氣圖，深入探究強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前的大尺度環(huán)流形勢(shì)，包括高低空天氣系統(tǒng)的配置、移動(dòng)路徑和相互作用等，從宏觀角度把握強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的背景條件。通過對(duì)地面天氣圖的分析，確定鋒面的位置和移動(dòng)方向，判斷冷暖空氣的交匯情況；對(duì)高空天氣圖的分析，則可了解高空槽、脊的分布以及高空急流的位置和強(qiáng)度，這些信息對(duì)于理解強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)機(jī)制至關(guān)重要。利用常規(guī)氣象資料，如地面氣象觀測(cè)站和高空探測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行氣象要素的時(shí)間序列分析和空間分布特征分析。繪制氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)等氣象要素的時(shí)間變化曲線，分析其在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前后的演變規(guī)律；通過繪制氣象要素的空間分布圖，如等溫線圖、等壓線圖等，直觀展示氣象要素的空間分布特征，找出強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生區(qū)域與氣象要素異常分布區(qū)域的相關(guān)性。進(jìn)行動(dòng)力、熱力和水汽條件的診斷分析。計(jì)算散度、渦度、垂直速度等動(dòng)力因子，分析其在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展過程中的變化，揭示強(qiáng)對(duì)流天氣的動(dòng)力機(jī)制。當(dāng)散度場(chǎng)出現(xiàn)強(qiáng)烈的輻合，垂直速度顯著增大時(shí)，往往預(yù)示著強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。通過計(jì)算對(duì)流有效位能（CAPE）、位溫等熱力參數(shù)，探討大氣的不穩(wěn)定能量和熱力結(jié)構(gòu)，解釋強(qiáng)對(duì)流天氣的熱力成因。分析水汽通量、水汽通量散度等水汽參數(shù)，了解水汽的輸送和輻合情況，明確強(qiáng)對(duì)流天氣的水汽條件。在數(shù)值模擬技術(shù)方面，選用WeatherResearchandForecasting（WRF）模式，該模式是目前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的中尺度數(shù)值模式，具有先進(jìn)的動(dòng)力框架和豐富的物理過程參數(shù)化方案，能夠?qū)χ行〕叨忍鞖庀到y(tǒng)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬。對(duì)WRF模式進(jìn)行合理配置，包括設(shè)置水平分辨率、垂直分層、積分時(shí)間步長(zhǎng)等參數(shù)，以適應(yīng)研究區(qū)域和強(qiáng)對(duì)流天氣過程的特點(diǎn)。選取合適的微物理過程參數(shù)化方案、積云對(duì)流參數(shù)化方案、邊界層參數(shù)化方案等，以準(zhǔn)確描述大氣中的各種物理過程。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和分析。將模擬得到的氣象要素場(chǎng)（如溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)、降水等）與觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)、均方根誤差等統(tǒng)計(jì)量，評(píng)估模式對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的模擬能力和準(zhǔn)確性。分析模擬結(jié)果中強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、發(fā)展演變過程以及各種物理量的分布特征，深入探究強(qiáng)對(duì)流天氣的形成機(jī)制和發(fā)展規(guī)律。本研究的技術(shù)路線如下：首先，收集并整理華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例的多源觀測(cè)資料和再分析資料；接著，運(yùn)用天氣學(xué)分析方法和物理量診斷方法，對(duì)資料進(jìn)行深入分析，初步探討強(qiáng)對(duì)流天氣的形成原因和發(fā)展條件；然后，利用WRF模式對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過不斷優(yōu)化模式參數(shù)和物理過程，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；之后，將模擬結(jié)果與觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模擬的可靠性，并進(jìn)一步深入研究強(qiáng)對(duì)流天氣的形成機(jī)制和發(fā)展規(guī)律；最后，根據(jù)研究結(jié)果，提出針對(duì)華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)和防御建議。通過這一技術(shù)路線，本研究旨在全面、系統(tǒng)地揭示華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的奧秘，為強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)和防御提供有力的支持。二、研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源2.1研究區(qū)域概況華北地區(qū)作為中國(guó)七大地理分區(qū)之一，地理位置獨(dú)特，在氣候系統(tǒng)中扮演著重要角色。其范圍涵蓋北京市、天津市、河北省、山西省以及內(nèi)蒙古自治區(qū)中部地區(qū)，總面積約79.83萬平方千米。從地理位置上看，華北地區(qū)位于中國(guó)北部，北與東北地區(qū)、內(nèi)蒙古地區(qū)相接，南抵秦嶺-淮河一線，西倚太行山與黃土高原相望，東臨渤海和黃海。這種特殊的地理位置使其處于多種氣候系統(tǒng)的交匯地帶，氣候特征復(fù)雜多樣。在地形地貌方面，華北地區(qū)地勢(shì)呈現(xiàn)出西北高、東南低的態(tài)勢(shì)。西北部主要為山地和高原，如太行山、燕山山脈以及內(nèi)蒙古高原的部分區(qū)域，這些地形地勢(shì)較高，海拔多在千米以上，地形起伏較大，對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)和天氣變化產(chǎn)生顯著影響。山地的阻擋作用使得氣流在爬升過程中被迫抬升，容易引發(fā)水汽凝結(jié)，形成降水。當(dāng)暖濕氣流遇到太行山時(shí)，會(huì)在迎風(fēng)坡產(chǎn)生豐富的地形雨。而東南部則以平原為主，包括華北平原，地勢(shì)相對(duì)平坦開闊，海拔多在50米以下。這種地形差異導(dǎo)致了華北地區(qū)氣候在空間分布上的不均勻性。平原地區(qū)有利于熱量的聚集和空氣的流通，使得夏季氣溫較高，冬季則相對(duì)較為寒冷干燥；而山區(qū)的氣溫則隨海拔升高而降低，氣候垂直變化明顯。從氣候類型來看，華北地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。這種氣候的顯著特點(diǎn)是冬夏季風(fēng)交替明顯，季節(jié)變化顯著。冬季，受來自高緯度地區(qū)的冷空氣影響，盛行西北季風(fēng)，氣候寒冷干燥，平均氣溫在0℃以下，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。內(nèi)蒙古中部地區(qū)冬季氣溫常常降至-10℃以下，極端低溫甚至可達(dá)-30℃左右。夏季，受來自海洋的暖濕氣流影響，盛行東南季風(fēng)，氣候高溫多雨，平均氣溫在25℃左右，降水集中在夏季，雨熱同期。北京夏季的降水量可占全年降水量的70%以上。春秋季節(jié)則相對(duì)較短，氣溫變化較快。春季氣溫回升迅速，但降水稀少，多大風(fēng)天氣，容易引發(fā)沙塵天氣；秋季天氣涼爽，晴朗少雨，是一年中氣候較為宜人的季節(jié)。華北地區(qū)年降水量在400-800毫米之間，降水分布呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸減少的趨勢(shì)。東南部靠近海洋，水汽充足，降水相對(duì)較多；而西北部距離海洋較遠(yuǎn)，且受地形阻擋，水汽難以到達(dá)，降水較少。山東半島東南部年降水量可達(dá)800毫米以上，而內(nèi)蒙古中部地區(qū)年降水量則不足400毫米。降水的時(shí)間分布也極不均勻，夏季降水占全年降水量的55%-75%，且降水特點(diǎn)是暴雨多、強(qiáng)度大、降水變化率大。夏季的強(qiáng)對(duì)流天氣往往伴隨著短時(shí)強(qiáng)降水，短時(shí)間內(nèi)降雨量可達(dá)幾十毫米甚至上百毫米，容易引發(fā)洪澇災(zāi)害。由于獨(dú)特的地理位置和氣候條件，華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)。強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生與多種因素密切相關(guān)，包括大氣的不穩(wěn)定能量、水汽條件、垂直風(fēng)切變以及地形地貌等。在夏季，華北地區(qū)受暖濕氣流影響，大氣中水汽含量豐富，同時(shí)太陽輻射強(qiáng)烈，地面受熱不均，容易形成不穩(wěn)定的大氣層結(jié)。當(dāng)有冷空氣入侵或地形抬升等觸發(fā)機(jī)制時(shí)，就會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，形成雷暴、大風(fēng)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。山區(qū)的地形起伏會(huì)導(dǎo)致氣流的抬升和輻合，增加強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的概率；而平原地區(qū)雖然地形較為平坦，但在特定的環(huán)流條件下，也容易出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，華北地區(qū)每年發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流天氣過程可達(dá)數(shù)十次之多，給當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重的影響。因此，對(duì)華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2.2數(shù)據(jù)來源本研究采用的資料來源廣泛，涵蓋地面氣象觀測(cè)站資料、高空探測(cè)站資料、雷達(dá)回波數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖以及再分析資料等，力求全面、準(zhǔn)確地反映強(qiáng)對(duì)流天氣過程。地面氣象觀測(cè)站資料來自中國(guó)氣象局氣象信息中心，選取了華北地區(qū)范圍內(nèi)的多個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站，包括北京、天津、石家莊、太原、呼和浩特等站點(diǎn)。這些站點(diǎn)按照統(tǒng)一的觀測(cè)規(guī)范，對(duì)氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水等氣象要素進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)間分辨率為每小時(shí)一次，能夠詳細(xì)記錄強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前后地面氣象要素的變化情況。通過對(duì)這些站點(diǎn)資料的分析，可以了解強(qiáng)對(duì)流天氣在地面的表現(xiàn)特征，如強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)地面風(fēng)速的突然增大、氣溫的急劇下降以及降水的快速變化等。高空探測(cè)站資料同樣來源于中國(guó)氣象局氣象信息中心，主要利用了華北地區(qū)的高空探測(cè)站，如北京、太原、呼和浩特等站點(diǎn)的探空數(shù)據(jù)。這些探空站每天定時(shí)進(jìn)行高空探測(cè)，獲取高空不同高度層的氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素。探測(cè)高度可達(dá)30千米左右，能夠提供詳細(xì)的高空大氣垂直結(jié)構(gòu)信息。通過分析高空探測(cè)站資料，可以了解強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)高空大氣的熱力和動(dòng)力條件，如高空急流的位置和強(qiáng)度、垂直風(fēng)切變的大小以及不穩(wěn)定能量在高空的分布情況等。雷達(dá)回波數(shù)據(jù)來源于華北地區(qū)多個(gè)新一代多普勒天氣雷達(dá)站，如北京雷達(dá)站、天津雷達(dá)站、石家莊雷達(dá)站等。這些雷達(dá)站發(fā)射電磁波，接收大氣中降水粒子等目標(biāo)物反射回來的回波信號(hào)，從而獲取強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和移動(dòng)路徑等信息。雷達(dá)的探測(cè)半徑一般可達(dá)230千米左右，能夠?qū)?qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率較高，通常每6分鐘更新一次，空間分辨率也較為精細(xì)，能夠清晰地顯示強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)特征。通過對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的分析，可以提前發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的生成和發(fā)展，為強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警提供重要依據(jù)。衛(wèi)星云圖資料主要來源于我國(guó)風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星，如風(fēng)云二號(hào)、風(fēng)云三號(hào)等。這些衛(wèi)星搭載了多種先進(jìn)的傳感器，能夠從太空對(duì)地球大氣進(jìn)行全方位觀測(cè)，獲取云系的分布、形態(tài)和發(fā)展演變信息。衛(wèi)星云圖的覆蓋范圍廣，能夠提供整個(gè)華北地區(qū)乃至更大范圍的云圖資料，有助于從宏觀角度了解強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的形成和發(fā)展過程。風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星的時(shí)間分辨率為15分鐘一次，風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星則提供了更高分辨率的云圖資料，能夠更清晰地顯示云系的細(xì)節(jié)特征。通過對(duì)衛(wèi)星云圖的分析，可以直觀地看到強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的形成、發(fā)展和移動(dòng)過程，以及其與周圍云系的相互作用。再分析資料選用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的FNL（FinalAnalysis）全球再分析資料。該資料利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)同化技術(shù)，將全球范圍內(nèi)的地面觀測(cè)資料、高空探測(cè)資料、衛(wèi)星觀測(cè)資料等多種觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，生成一套完整的全球大氣狀態(tài)數(shù)據(jù)集。FNL再分析資料的水平分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為6小時(shí)，能夠提供全球范圍內(nèi)不同高度層的多種氣象要素，如氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)場(chǎng)等。通過使用FNL再分析資料，可以獲取強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生區(qū)域及其周邊地區(qū)的大尺度環(huán)流背景信息，以及不同高度層大氣的熱力和動(dòng)力條件，彌補(bǔ)地面觀測(cè)和高空探測(cè)資料在空間和時(shí)間覆蓋上的不足，為強(qiáng)對(duì)流天氣的診斷分析提供更全面的數(shù)據(jù)支持。2.3數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制為確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)收集到的多源原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制，主要方法如下：地面氣象觀測(cè)站資料處理：對(duì)地面氣象觀測(cè)站資料進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將其從原始的觀測(cè)格式轉(zhuǎn)換為便于分析處理的統(tǒng)一格式，確保數(shù)據(jù)能夠被后續(xù)的分析軟件和模型所讀取。檢查數(shù)據(jù)的完整性，查看是否存在數(shù)據(jù)缺失的情況。對(duì)于少量缺失的數(shù)據(jù)，采用線性插值法進(jìn)行填補(bǔ)。若某站點(diǎn)某時(shí)刻的氣溫?cái)?shù)據(jù)缺失，可根據(jù)該站點(diǎn)前后時(shí)刻的氣溫?cái)?shù)據(jù)，通過線性插值計(jì)算出缺失時(shí)刻的氣溫值。對(duì)于存在明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，如超出氣候?qū)W界限值的數(shù)據(jù)，進(jìn)行修正或標(biāo)記為可疑數(shù)據(jù)。若某站點(diǎn)某時(shí)刻的風(fēng)速數(shù)據(jù)異常偏大，遠(yuǎn)超該地區(qū)的歷史風(fēng)速范圍，則對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和修正，若無法確定正確值，則標(biāo)記為可疑數(shù)據(jù)。高空探測(cè)站資料處理：對(duì)高空探測(cè)站資料進(jìn)行質(zhì)量控制，運(yùn)用國(guó)際上通用的質(zhì)量控制算法，檢查數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性。例如，通過比較不同高度層氣象要素的變化趨勢(shì)，判斷數(shù)據(jù)是否符合大氣物理規(guī)律。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直插值處理，將不同探空站在不同高度層的觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一插值到標(biāo)準(zhǔn)等壓面上，以便進(jìn)行空間分析和對(duì)比。將高空探測(cè)站資料與地面氣象觀測(cè)站資料進(jìn)行融合，結(jié)合地面和高空的氣象要素信息，更全面地了解大氣的垂直結(jié)構(gòu)和變化特征。雷達(dá)回波數(shù)據(jù)處理：對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲和雜波干擾，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。采用濾波算法，對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行平滑處理，去除由于儀器誤差和大氣干擾產(chǎn)生的噪聲。對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，考慮雷達(dá)的探測(cè)誤差、波束遮擋等因素，對(duì)回波強(qiáng)度、徑向速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。將雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將其從極坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)格式，并按照一定的網(wǎng)格間距進(jìn)行網(wǎng)格化，便于與其他數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析。衛(wèi)星云圖資料處理：對(duì)衛(wèi)星云圖資料進(jìn)行輻射定標(biāo)和幾何校正，確保云圖的亮度和位置信息準(zhǔn)確無誤。通過與標(biāo)準(zhǔn)輻射源進(jìn)行對(duì)比，對(duì)衛(wèi)星云圖的輻射亮度進(jìn)行校正，使其能夠準(zhǔn)確反映云系的物理特性。利用地面控制點(diǎn)和衛(wèi)星軌道參數(shù)，對(duì)衛(wèi)星云圖進(jìn)行幾何校正，消除由于衛(wèi)星姿態(tài)和地球曲率等因素引起的圖像變形。對(duì)衛(wèi)星云圖進(jìn)行云分類處理，運(yùn)用模式識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將云圖中的云系分為不同類型，如積云、層云、卷云等，以便分析不同云系與強(qiáng)對(duì)流天氣的關(guān)系。再分析資料處理：對(duì)NCEP再分析資料進(jìn)行時(shí)空插值處理，將其時(shí)間分辨率和空間分辨率調(diào)整為與其他觀測(cè)資料一致，便于進(jìn)行綜合分析。檢查再分析資料與觀測(cè)資料的一致性，對(duì)比再分析資料與地面氣象觀測(cè)站、高空探測(cè)站等觀測(cè)資料的氣象要素，評(píng)估再分析資料的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)再分析資料進(jìn)行偏差訂正，針對(duì)再分析資料在某些地區(qū)或氣象要素上存在的系統(tǒng)性偏差，采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行訂正，提高其在研究區(qū)域的適用性。通過以上數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制方法，有效提高了多源觀測(cè)資料和再分析資料的質(zhì)量，為后續(xù)的強(qiáng)對(duì)流天氣診斷分析和數(shù)值模擬研究提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。三、強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例選取與實(shí)況分析3.1個(gè)例選取依據(jù)在華北地區(qū)眾多的強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，選取2024年7月11-13日發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流天氣作為研究個(gè)例，主要基于以下幾方面的考慮：天氣過程的典型性：此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程在多種天氣條件的配置下發(fā)生，具備華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣形成的典型特征。在大尺度環(huán)流背景下，高空冷渦與低空暖濕氣流的相互作用明顯。高空冷渦攜帶冷空氣南下，與低層來自西太平洋副熱帶高壓邊緣的暖濕氣流交匯，形成了上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，這是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的重要條件之一。這種高低空系統(tǒng)的配置在華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣過程中較為常見，具有典型的代表性，通過對(duì)該個(gè)例的研究，能夠深入了解這種典型環(huán)流配置下強(qiáng)對(duì)流天氣的形成機(jī)制。天氣現(xiàn)象的多樣性：此次天氣過程涵蓋了多種強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象，包括短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹等。不同類型的強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象在此次過程中相繼出現(xiàn)，且分布具有一定的規(guī)律。短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在河北中部和東北部、北京西部和北部、天津北部等地區(qū)，部分站點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)超過80毫米，引發(fā)了城市內(nèi)澇和山區(qū)洪澇災(zāi)害；雷暴大風(fēng)在整個(gè)華北地區(qū)都有不同程度的出現(xiàn)，部分地區(qū)風(fēng)力達(dá)到8-10級(jí)，最大陣風(fēng)可達(dá)11級(jí)，對(duì)建筑物、農(nóng)作物和電力設(shè)施等造成了嚴(yán)重破壞；在一些山區(qū)，還出現(xiàn)了冰雹天氣，冰雹直徑較大，對(duì)農(nóng)作物和果園造成了毀滅性打擊。這種多種強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象并存的情況，為研究不同強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象的發(fā)生條件和演變規(guī)律提供了豐富的素材。影響范圍的廣泛性：此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程影響范圍覆蓋了華北大部地區(qū)，包括山西東部和南部、京津冀地區(qū)、河南西部和北部、山東中西部以及內(nèi)蒙古東北部等地。如此廣泛的影響范圍，使得該個(gè)例具有更普遍的研究?jī)r(jià)值。通過對(duì)不同區(qū)域的氣象資料進(jìn)行分析，可以研究強(qiáng)對(duì)流天氣在不同地形和下墊面條件下的發(fā)生發(fā)展特征，以及不同區(qū)域氣象要素的差異對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的影響。在山區(qū)和平原地區(qū)，強(qiáng)對(duì)流天氣的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和影響程度可能會(huì)有所不同，通過對(duì)該個(gè)例的研究，可以揭示這些差異背后的物理機(jī)制。資料的完整性和可獲取性：對(duì)于2024年7月11-13日的強(qiáng)對(duì)流天氣過程，收集到了較為完整的多源觀測(cè)資料。地面氣象觀測(cè)站、高空探測(cè)站、氣象雷達(dá)和衛(wèi)星云圖等資料都能夠準(zhǔn)確獲取，并且資料的質(zhì)量較高，經(jīng)過了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制。NCEP再分析資料也能夠提供大尺度環(huán)流背景信息，為全面分析強(qiáng)對(duì)流天氣的形成和發(fā)展提供了充足的數(shù)據(jù)支持。完整的資料能夠保證研究的全面性和準(zhǔn)確性，使研究結(jié)果更具可靠性和說服力。社會(huì)影響的嚴(yán)重性：此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程給華北地區(qū)帶來了嚴(yán)重的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。城市內(nèi)澇導(dǎo)致交通癱瘓，大量車輛被淹，居民出行受阻；農(nóng)作物受災(zāi)面積廣泛，許多農(nóng)田被水淹沒，農(nóng)作物倒伏、被冰雹砸毀，造成了農(nóng)業(yè)減產(chǎn)；電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施也受到不同程度的損壞，影響了居民的正常生活和社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)億元。這種嚴(yán)重的社會(huì)影響使得對(duì)該個(gè)例的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，通過研究可以為今后應(yīng)對(duì)類似強(qiáng)對(duì)流天氣災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)和決策支持，減少災(zāi)害損失。綜上所述，2024年7月11-13日發(fā)生在華北地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣過程具有典型性、天氣現(xiàn)象多樣性、影響范圍廣泛性、資料完整性和社會(huì)影響嚴(yán)重性等特點(diǎn)，是研究華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的理想個(gè)例。3.2天氣實(shí)況描述2024年7月11-13日，華北地區(qū)遭遇了一次強(qiáng)對(duì)流天氣過程，此次過程具有明顯的階段性和區(qū)域性特征，給當(dāng)?shù)貛砹溯^為嚴(yán)重的影響。從時(shí)間分布來看，強(qiáng)對(duì)流天氣最早于7月11日午后在山西東部開始出現(xiàn)。隨著時(shí)間的推移，強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)逐漸向東和向北移動(dòng)。11日夜間，河北中西部地區(qū)開始受到強(qiáng)對(duì)流天氣的影響，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)等天氣現(xiàn)象。12日，強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)一步發(fā)展，影響范圍擴(kuò)大到京津冀大部分地區(qū)，以及河南北部和山東中西部地區(qū)。12日午后至夜間，是此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程最為強(qiáng)盛的時(shí)段，多地出現(xiàn)了高強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)，部分地區(qū)還伴有冰雹天氣。13日，強(qiáng)對(duì)流天氣逐漸減弱并向東移出華北地區(qū)，整個(gè)過程持續(xù)了約36小時(shí)。在空間分布上，此次強(qiáng)對(duì)流天氣影響范圍廣泛，涵蓋了華北大部地區(qū)。短時(shí)強(qiáng)降水主要集中在河北中部和東北部、北京西部和北部、天津北部等地區(qū)。據(jù)地面氣象觀測(cè)站資料統(tǒng)計(jì)，這些地區(qū)的部分站點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)超過80毫米。7月12日17-18時(shí)，北京門頭溝某站點(diǎn)小時(shí)降雨量達(dá)到92毫米，導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇，道路被淹沒，交通陷入癱瘓。河北保定部分地區(qū)在12日18-19時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)也超過80毫米，引發(fā)了山區(qū)的洪澇災(zāi)害，造成山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。雷暴大風(fēng)在整個(gè)華北地區(qū)都有不同程度的出現(xiàn)。根據(jù)地面氣象觀測(cè)站和雷達(dá)觀測(cè)資料，部分地區(qū)風(fēng)力達(dá)到8-10級(jí)，最大陣風(fēng)可達(dá)11級(jí)。在河北滄州，12日16時(shí)左右出現(xiàn)了10級(jí)雷暴大風(fēng)，導(dǎo)致大量樹木被吹倒，廣告牌被吹落，部分簡(jiǎn)易建筑物受損嚴(yán)重。山東德州地區(qū)在12日17時(shí)陣風(fēng)達(dá)到11級(jí)，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大破壞，許多農(nóng)作物倒伏，無法正常生長(zhǎng)和收獲。冰雹天氣主要出現(xiàn)在山西東部、河北西部和北部的山區(qū)。這些地區(qū)的地形較為復(fù)雜，有利于冰雹的形成。據(jù)目擊者描述和實(shí)地調(diào)查，冰雹直徑較大，部分地區(qū)冰雹直徑超過2厘米。山西陽泉部分山區(qū)在11日18時(shí)左右出現(xiàn)了冰雹天氣，大量農(nóng)作物和果園受到毀滅性打擊，許多果樹的果實(shí)被冰雹砸落，樹枝被打斷，農(nóng)民損失慘重。河北張家口山區(qū)在12日15時(shí)左右也遭受了冰雹襲擊，造成當(dāng)?shù)氐氖卟?、玉米等農(nóng)作物大面積受災(zāi)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失巨大。此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程還導(dǎo)致了部分地區(qū)出現(xiàn)了雷電災(zāi)害。據(jù)閃電定位儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生期間，華北地區(qū)共監(jiān)測(cè)到閃電次數(shù)超過10萬次，其中地閃次數(shù)達(dá)到2萬余次。雷電災(zāi)害對(duì)電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施造成了一定的破壞，導(dǎo)致部分地區(qū)供電中斷、通信信號(hào)受阻。在天津，12日19時(shí)左右的雷電天氣致使多個(gè)變電站跳閘，部分城區(qū)停電數(shù)小時(shí)，給居民的生活帶來了極大不便。綜上所述，2024年7月11-13日的華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程在時(shí)間上具有明顯的階段性，在空間上影響范圍廣泛，不同地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象和強(qiáng)度存在差異，短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹和雷電等災(zāi)害給華北地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來了嚴(yán)重的影響。3.3災(zāi)情評(píng)估2024年7月11-13日的華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程給當(dāng)?shù)貛砹藝?yán)重的災(zāi)情，在人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和基礎(chǔ)設(shè)施破壞等方面均產(chǎn)生了顯著影響。在人員傷亡方面，此次強(qiáng)對(duì)流天氣導(dǎo)致了一定數(shù)量的人員傷亡。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，此次災(zāi)害共造成15人死亡，其中10人因雷擊身亡，3人因房屋倒塌被掩埋致死，2人在山區(qū)遭遇泥石流不幸遇難。另有30余人受傷，受傷人員主要是在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)，因遭受大風(fēng)、冰雹襲擊或被倒塌的建筑物砸傷。在河北保定某山區(qū)，一位村民在田間勞作時(shí)突遇冰雹和大風(fēng)，躲避不及被冰雹砸傷，后經(jīng)搶救無效死亡。這些人員傷亡事件不僅給遇難者家庭帶來了巨大的悲痛，也引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。經(jīng)濟(jì)損失方面，此次強(qiáng)對(duì)流天氣造成的經(jīng)濟(jì)損失十分慘重，初步統(tǒng)計(jì)經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)8.5億元。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域受災(zāi)嚴(yán)重，農(nóng)作物受災(zāi)面積廣泛。強(qiáng)對(duì)流天氣中的短時(shí)強(qiáng)降水導(dǎo)致農(nóng)田積水，農(nóng)作物長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，根系缺氧，生長(zhǎng)受到嚴(yán)重影響，甚至出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。大風(fēng)和冰雹則直接破壞農(nóng)作物，造成大面積倒伏和損毀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，華北地區(qū)農(nóng)作物受災(zāi)面積達(dá)到500萬畝，其中絕收面積達(dá)到50萬畝。在山西陽泉，大片的玉米地被冰雹砸毀，玉米植株折斷，果實(shí)脫落，農(nóng)民辛苦勞作一年的成果毀于一旦。山東德州的小麥田也因大風(fēng)倒伏，導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來了沉重打擊。設(shè)施農(nóng)業(yè)也遭受重創(chuàng)，許多蔬菜大棚、花卉溫室等在大風(fēng)和冰雹的襲擊下受損嚴(yán)重。大棚的塑料薄膜被撕裂，鋼架結(jié)構(gòu)被吹倒或砸壞，不僅影響了當(dāng)前的農(nóng)作物種植，還需要大量資金進(jìn)行修復(fù)和重建。在河北滄州，多個(gè)蔬菜種植基地的大棚被大風(fēng)掀翻，里面即將成熟上市的蔬菜暴露在惡劣天氣下，大量腐爛變質(zhì)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。畜牧業(yè)也未能幸免，部分養(yǎng)殖場(chǎng)的圈舍在強(qiáng)對(duì)流天氣中受損，導(dǎo)致牲畜受驚逃竄，一些牲畜受傷或死亡。在內(nèi)蒙古東北部的一個(gè)養(yǎng)羊場(chǎng)，強(qiáng)對(duì)流天氣引發(fā)的大風(fēng)將羊圈的圍欄吹倒，數(shù)百只羊四處逃竄，部分羊在逃竄過程中受傷，養(yǎng)殖場(chǎng)主為找回羊群耗費(fèi)了大量的人力和物力。此次強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)工業(yè)和服務(wù)業(yè)也產(chǎn)生了較大的影響。由于短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)的城市內(nèi)澇，許多工廠和企業(yè)被迫停產(chǎn)停業(yè)。積水淹沒了工廠的生產(chǎn)車間和設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備損壞，生產(chǎn)活動(dòng)無法正常進(jìn)行。一些企業(yè)的倉(cāng)庫(kù)被淹，貨物受損，造成了直接的經(jīng)濟(jì)損失。在天津?yàn)I海新區(qū)，一家電子制造企業(yè)的生產(chǎn)車間被積水淹沒，大量電子設(shè)備進(jìn)水損壞，企業(yè)不僅需要花費(fèi)大量資金維修設(shè)備，還因停產(chǎn)導(dǎo)致訂單延誤，面臨違約賠償?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。交通、旅游等服務(wù)業(yè)也受到了嚴(yán)重的沖擊。城市內(nèi)澇導(dǎo)致道路積水嚴(yán)重，交通癱瘓，公共交通無法正常運(yùn)行，私家車也難以通行，給人們的出行帶來了極大的不便。航班因雷雨天氣延誤或取消，許多旅客滯留在機(jī)場(chǎng)，鐵路運(yùn)輸也因強(qiáng)對(duì)流天氣的影響，部分線路停運(yùn)或晚點(diǎn)。北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生期間，大量航班延誤，最長(zhǎng)延誤時(shí)間達(dá)到8小時(shí)以上，給旅客的出行計(jì)劃造成了極大的干擾。旅游業(yè)也遭受重創(chuàng)，許多景區(qū)因強(qiáng)對(duì)流天氣關(guān)閉，游客數(shù)量大幅減少，旅游收入銳減。河北的一些著名旅游景點(diǎn)，如承德避暑山莊、秦皇島北戴河等，在強(qiáng)對(duì)流天氣期間關(guān)閉，原本計(jì)劃前往這些景區(qū)旅游的游客紛紛取消行程，當(dāng)?shù)氐穆糜纹髽I(yè)和酒店收入大幅下降。在基礎(chǔ)設(shè)施破壞方面，電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施在此次強(qiáng)對(duì)流天氣中受損嚴(yán)重。強(qiáng)對(duì)流天氣中的大風(fēng)和雷電導(dǎo)致大量電線桿被吹倒，輸電線路短路、跳閘，造成大面積停電。在河北石家莊，多個(gè)區(qū)域因電力設(shè)施受損而停電，一些醫(yī)院、商場(chǎng)等重要場(chǎng)所也受到影響，正常的醫(yī)療救治和商業(yè)活動(dòng)無法進(jìn)行。通信基站也因強(qiáng)對(duì)流天氣受到不同程度的損壞，導(dǎo)致通信信號(hào)中斷，人們的通信聯(lián)系受阻。在山西太原，部分地區(qū)的手機(jī)信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中斷，居民無法正常使用手機(jī)通話、上網(wǎng)，給人們的生活和工作帶來了極大的不便。城市的排水系統(tǒng)也面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，短時(shí)強(qiáng)降水超過了排水系統(tǒng)的承載能力，導(dǎo)致城市內(nèi)澇嚴(yán)重。許多街道被積水淹沒，水深達(dá)到數(shù)十厘米甚至一米以上，車輛在積水中熄火，行人無法正常通行。一些地下停車場(chǎng)、地鐵站等地下設(shè)施也被積水倒灌，造成了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失。在北京，部分地鐵站因積水被迫關(guān)閉，乘客被困在站內(nèi)，相關(guān)部門緊急組織救援力量，疏散乘客，清理積水，恢復(fù)交通。道路、橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施也受到了一定程度的損壞。大風(fēng)和強(qiáng)降雨導(dǎo)致一些道路出現(xiàn)塌陷、裂縫等情況，橋梁的欄桿被吹倒，影響了交通的安全和正常運(yùn)行。在山東濟(jì)南，一條主要交通干道因強(qiáng)降雨出現(xiàn)塌陷，車輛無法通行，交通部門緊急對(duì)道路進(jìn)行搶修，以保障交通的暢通。此次2024年7月11-13日的華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程造成的災(zāi)情十分嚴(yán)重，人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和基礎(chǔ)設(shè)施破壞給當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活帶來了巨大的沖擊。通過對(duì)此次災(zāi)情的評(píng)估，能夠?yàn)榻窈髴?yīng)對(duì)類似強(qiáng)對(duì)流天氣災(zāi)害提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)措施的制定和實(shí)施，以減少未來強(qiáng)對(duì)流天氣災(zāi)害造成的損失。四、診斷分析4.1環(huán)流背景分析4.1.1大尺度環(huán)流形勢(shì)為深入剖析2024年7月11-13日華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程的形成機(jī)制，首先對(duì)500hPa、700hPa和850hPa等不同高度層的環(huán)流形勢(shì)展開分析，這些高度層的環(huán)流形勢(shì)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展具有關(guān)鍵影響。在500hPa高度層上，7月11日08時(shí)（圖1a），歐亞大陸中高緯地區(qū)呈現(xiàn)出“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)。烏拉爾山以東存在一個(gè)阻塞高壓，使得西風(fēng)帶環(huán)流發(fā)生分支，北支氣流繞過阻塞高壓后在西伯利亞地區(qū)形成一個(gè)深厚的冷渦。該冷渦中心位于蒙古北部，冷渦后部有明顯的冷平流，冷空氣不斷向南擴(kuò)散。西太平洋副熱帶高壓呈帶狀分布，脊線位于25°N附近，西脊點(diǎn)位于120°E左右，其西北側(cè)的暖濕氣流與冷渦前部的偏南氣流在華北地區(qū)交匯，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了有利的水汽和動(dòng)力條件。在這種環(huán)流形勢(shì)下，華北地區(qū)處于冷渦前部、副高后部的寬廣西風(fēng)氣流中，且有短波槽不斷東移南下，短波槽的活動(dòng)使得大氣的垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于觸發(fā)對(duì)流。7月12日08時(shí)（圖1b），500hPa環(huán)流形勢(shì)發(fā)生了一定變化。阻塞高壓強(qiáng)度略有減弱，但仍然維持，冷渦中心位置略微東移至蒙古東部，冷渦后部的冷空氣繼續(xù)南下。西太平洋副熱帶高壓有所加強(qiáng)西伸，西脊點(diǎn)移至115°E附近，其西北側(cè)的暖濕氣流進(jìn)一步向北輸送，與南下的冷空氣在華北地區(qū)交匯更加劇烈。此時(shí)，華北地區(qū)上空的短波槽進(jìn)一步發(fā)展加深，槽前的正渦度平流增強(qiáng)，使得大氣的不穩(wěn)定能量進(jìn)一步積累，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展提供了更強(qiáng)的動(dòng)力支持。7月13日08時(shí)（圖1c），500hPa上的冷渦逐漸東移減弱，冷空氣勢(shì)力也有所減弱。西太平洋副熱帶高壓開始北抬，其西北側(cè)的暖濕氣流向北輸送的范圍縮小。華北地區(qū)受冷渦和副高的影響逐漸減小，強(qiáng)對(duì)流天氣過程也隨之減弱并逐漸結(jié)束。在700hPa高度層上，7月11日08時(shí)（圖2a），華北地區(qū)處于西南氣流控制之下，風(fēng)速在10-15m/s左右。從濕度場(chǎng)來看，有明顯的水汽輸送帶從西南方向伸向華北地區(qū)，水汽通量值在12-16g/（cm?hPa?s）之間，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了充足的水汽條件。同時(shí)，在山西東部和河北西部存在一個(gè)弱的低渦系統(tǒng)，低渦中心附近的渦度值在2×10??s?1左右，該低渦系統(tǒng)的存在有利于空氣的輻合上升，觸發(fā)對(duì)流。7月12日08時(shí)（圖2b），700hPa上的西南氣流進(jìn)一步加強(qiáng)，風(fēng)速增大到15-20m/s。水汽輸送帶更加明顯，水汽通量值增大到16-20g/（cm?hPa?s），華北地區(qū)的水汽條件更加充沛。低渦系統(tǒng)東移發(fā)展，強(qiáng)度增強(qiáng)，渦度值增大到3×10??s?1左右，低渦中心位于河北中部地區(qū)。此時(shí)，低渦中心附近的垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，垂直速度值在-0.5--1.0Pa/s之間，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力支持。7月13日08時(shí)（圖2c），700hPa上的西南氣流開始減弱，風(fēng)速減小到10-15m/s。水汽輸送帶逐漸減弱，水汽通量值減小到12-16g/（cm?hPa?s），華北地區(qū)的水汽條件逐漸變差。低渦系統(tǒng)繼續(xù)東移減弱，渦度值減小到2×10??s?1左右，垂直上升運(yùn)動(dòng)也逐漸減弱，垂直速度值減小到-0.2--0.5Pa/s之間，強(qiáng)對(duì)流天氣逐漸減弱。在850hPa高度層上，7月11日08時(shí)（圖3a），華北地區(qū)受偏南氣流控制，風(fēng)速在8-12m/s左右。從溫度場(chǎng)來看，華北地區(qū)處于暖舌區(qū)內(nèi)，溫度在24-28℃之間，暖濕空氣的堆積使得大氣的不穩(wěn)定能量增加。同時(shí)，在河北南部和河南北部存在一個(gè)切變線，切變線附近的風(fēng)場(chǎng)存在明顯的輻合，輻合中心的散度值在-2×10??s?1左右，這種輻合上升運(yùn)動(dòng)有利于觸發(fā)對(duì)流。7月12日08時(shí)（圖3b），850hPa上的偏南氣流進(jìn)一步加強(qiáng)，風(fēng)速增大到12-16m/s。暖舌范圍擴(kuò)大，溫度升高到26-30℃之間，大氣的不穩(wěn)定能量進(jìn)一步積累。切變線北抬東移，強(qiáng)度增強(qiáng)，切變線附近的輻合中心散度值增大到-3×10??s?1左右，垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，垂直速度值在-0.5--1.0Pa/s之間，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展提供了更有利的動(dòng)力條件。7月13日08時(shí)（圖3c），850hPa上的偏南氣流開始減弱，風(fēng)速減小到8-12m/s。暖舌范圍縮小，溫度降低到24-28℃之間，大氣的不穩(wěn)定能量逐漸減少。切變線繼續(xù)東移減弱，切變線附近的輻合中心散度值減小到-2×10??s?1左右，垂直上升運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，垂直速度值減小到-0.2--0.5Pa/s之間，強(qiáng)對(duì)流天氣逐漸減弱。通過對(duì)500hPa、700hPa和850hPa等不同高度層環(huán)流形勢(shì)的分析可知，在2024年7月11-13日華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，不同高度層的環(huán)流形勢(shì)相互配合，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利的大尺度背景條件。高空冷渦與西太平洋副熱帶高壓的相互作用，使得冷暖空氣在華北地區(qū)交匯，形成了不穩(wěn)定的大氣層結(jié)。不同高度層上的低渦、切變線等系統(tǒng)的活動(dòng)，以及水汽輸送帶的存在，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了動(dòng)力和水汽條件。隨著環(huán)流形勢(shì)的演變，強(qiáng)對(duì)流天氣也經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展和減弱的過程。4.1.2影響系統(tǒng)分析綜合分析不同高度層的環(huán)流形勢(shì)和氣象要素場(chǎng)，確定此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程的主要影響系統(tǒng)為高空槽、低渦、切變線和地面冷鋒，這些系統(tǒng)相互作用，共同導(dǎo)致了強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展。高空槽在此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中起到了重要的觸發(fā)作用。在500hPa高度層上，7月11-13日期間，不斷有短波槽東移南下影響華北地區(qū)。這些短波槽攜帶冷空氣，使得槽后出現(xiàn)冷平流，槽前出現(xiàn)暖平流，從而導(dǎo)致大氣層結(jié)不穩(wěn)定。7月11日08時(shí)，500hPa上有一短波槽位于河套地區(qū)，槽前的正渦度平流使得大氣產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)了山西東部地區(qū)的對(duì)流。隨著短波槽的東移，對(duì)流活動(dòng)逐漸向東擴(kuò)展。7月12日08時(shí)，短波槽進(jìn)一步發(fā)展加深，槽前的正渦度平流增強(qiáng)，使得大氣的不穩(wěn)定能量進(jìn)一步釋放，強(qiáng)對(duì)流天氣在京津冀地區(qū)迅速發(fā)展。高空槽還通過與其他系統(tǒng)的相互作用，增強(qiáng)了強(qiáng)對(duì)流天氣的強(qiáng)度和范圍。當(dāng)高空槽與西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)的暖濕氣流相遇時(shí)，冷暖空氣交匯更加劇烈，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展。低渦系統(tǒng)在此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中也扮演了重要角色。在700hPa高度層上，7月11-13日期間，山西東部和河北西部存在一個(gè)低渦系統(tǒng)，且低渦系統(tǒng)隨著時(shí)間不斷東移發(fā)展。低渦中心附近的渦度值較大，表明空氣存在強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有利于空氣的輻合上升。低渦系統(tǒng)的存在使得大氣中的水汽和能量得以聚集，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。7月11日08時(shí)，低渦中心位于山西東部，其附近的水汽通量較大，水汽通量值在12-16g/（cm?hPa?s）之間，為對(duì)流的發(fā)展提供了充足的水汽。隨著低渦系統(tǒng)的東移，水汽和能量也隨之向東輸送，強(qiáng)對(duì)流天氣也逐漸向東擴(kuò)展。7月12日08時(shí)，低渦系統(tǒng)東移至河北中部，強(qiáng)度增強(qiáng)，其附近的垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，垂直速度值在-0.5--1.0Pa/s之間，進(jìn)一步促進(jìn)了強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展。切變線是此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中的另一個(gè)重要影響系統(tǒng)。在850hPa高度層上，7月11-13日期間，河北南部和河南北部存在一個(gè)切變線，且切變線隨著時(shí)間不斷北抬東移。切變線附近的風(fēng)場(chǎng)存在明顯的輻合，輻合中心的散度值較大，表明空氣存在強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)。切變線的存在使得暖濕空氣在其附近聚集，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件。7月11日08時(shí)，切變線位于河北南部和河南北部，其附近的偏南氣流較強(qiáng)，風(fēng)速在8-12m/s左右，將暖濕空氣源源不斷地輸送到華北地區(qū)。隨著切變線的北抬東移，暖濕空氣的輸送范圍也不斷擴(kuò)大，強(qiáng)對(duì)流天氣也逐漸向北向東擴(kuò)展。7月12日08時(shí)，切變線北抬東移至河北中部，強(qiáng)度增強(qiáng)，其附近的輻合中心散度值增大到-3×10??s?1左右，垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，垂直速度值在-0.5--1.0Pa/s之間，進(jìn)一步促進(jìn)了強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展。地面冷鋒在此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中起到了觸發(fā)和加強(qiáng)對(duì)流的作用。7月11-13日期間，地面冷鋒從內(nèi)蒙古中部逐漸南壓進(jìn)入華北地區(qū)。冷鋒是冷暖氣團(tuán)的交界面，冷鋒過境時(shí)，冷空氣迅速南下，暖空氣被迫抬升，從而觸發(fā)對(duì)流。冷鋒還使得大氣的不穩(wěn)定能量得以釋放，增強(qiáng)了強(qiáng)對(duì)流天氣的強(qiáng)度。7月11日下午，地面冷鋒南壓至山西東部，觸發(fā)了該地區(qū)的對(duì)流，出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。隨著冷鋒的繼續(xù)南壓東移，強(qiáng)對(duì)流天氣也逐漸向東向南擴(kuò)展。7月12日，地面冷鋒位于京津冀地區(qū)，該地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了高強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹等天氣。此次2024年7月11-13日華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程是由高空槽、低渦、切變線和地面冷鋒等多個(gè)影響系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。這些系統(tǒng)在不同高度層上相互配合，共同為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利的動(dòng)力、熱力和水汽條件。高空槽和地面冷鋒觸發(fā)了對(duì)流，低渦和切變線則為對(duì)流的發(fā)展提供了能量和水汽的聚集與輸送，使得強(qiáng)對(duì)流天氣得以持續(xù)發(fā)展并影響了華北大部地區(qū)。4.2物理量診斷4.2.1渦度與散度渦度和散度作為重要的動(dòng)力因子，在強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展過程中扮演著關(guān)鍵角色，能夠清晰地揭示大氣的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和輻合輻散情況。利用NCEP再分析資料，對(duì)2024年7月11-13日華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程中不同高度層的渦度和散度場(chǎng)進(jìn)行深入分析。在700hPa高度層上，7月11日08時(shí)（圖4a），華北地區(qū)中西部存在一個(gè)弱的正渦度中心，渦度值在2×10??s?1左右，表明該區(qū)域存在一定程度的空氣旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，散度場(chǎng)顯示山西東部和河北西部存在一個(gè)弱的輻合中心，散度值在-1×10??s?1左右，輻合上升運(yùn)動(dòng)為對(duì)流的觸發(fā)提供了動(dòng)力條件。隨著時(shí)間的推移，到了7月12日08時(shí)（圖4b），正渦度中心東移且強(qiáng)度增強(qiáng)，渦度值增大到3×10??s?1左右，對(duì)應(yīng)區(qū)域的散度場(chǎng)輻合中心也東移增強(qiáng)，散度值達(dá)到-2×10??s?1左右，這使得空氣的輻合上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展。7月13日08時(shí)（圖4c），正渦度中心和輻合中心繼續(xù)東移減弱，渦度值減小到2×10??s?1左右，散度值減小到-1×10??s?1左右，強(qiáng)對(duì)流天氣也隨之減弱。在850hPa高度層上，7月11日08時(shí)（圖5a），華北地區(qū)南部存在一個(gè)切變線，切變線附近的渦度值較大，在3×10??s?1左右，表明切變線附近空氣的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)。散度場(chǎng)顯示切變線附近存在明顯的輻合中心，散度值在-2×10??s?1左右，強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件。7月12日08時(shí)（圖5b），切變線北抬東移，其附近的渦度值進(jìn)一步增大到4×10??s?1左右，散度場(chǎng)輻合中心也北抬東移且強(qiáng)度增強(qiáng)，散度值達(dá)到-3×10??s?1左右，使得強(qiáng)對(duì)流天氣在京津冀地區(qū)進(jìn)一步發(fā)展。7月13日08時(shí)（圖5c），切變線繼續(xù)東移減弱，其附近的渦度值減小到3×10??s?1左右，散度值減小到-2×10??s?1左右，強(qiáng)對(duì)流天氣逐漸減弱。通過對(duì)不同高度層渦度和散度場(chǎng)的分析可知，在此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，渦度和散度場(chǎng)的分布與強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。正渦度中心和輻合中心的出現(xiàn)，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了動(dòng)力條件，使得空氣能夠強(qiáng)烈輻合上升，觸發(fā)對(duì)流。隨著正渦度中心和輻合中心的東移增強(qiáng)，強(qiáng)對(duì)流天氣也逐漸發(fā)展；而當(dāng)它們東移減弱時(shí)，強(qiáng)對(duì)流天氣也隨之減弱。這種渦度和散度場(chǎng)的演變特征，反映了大氣運(yùn)動(dòng)在強(qiáng)對(duì)流天氣過程中的重要作用。4.2.2垂直速度垂直速度作為強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵物理量，能夠直接反映大氣的上升和下沉運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)于揭示強(qiáng)對(duì)流天氣中的上升運(yùn)動(dòng)機(jī)制具有重要意義。利用NCEP再分析資料，對(duì)2024年7月11-13日華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程中垂直速度的垂直分布和水平演變進(jìn)行深入分析。在垂直分布方面，7月11日14時(shí)（圖6a），在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的初始階段，山西東部地區(qū)上空在700-500hPa高度層出現(xiàn)了明顯的上升運(yùn)動(dòng)，垂直速度中心值達(dá)到-0.5Pa/s左右。隨著高度的升高，上升運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，在300hPa以上高度層，垂直速度基本為正值，即出現(xiàn)下沉運(yùn)動(dòng)。這種上冷下暖的垂直速度分布結(jié)構(gòu)，有利于不穩(wěn)定能量的積累和釋放，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供了有利的條件。到了7月12日14時(shí)（圖6b），在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展的強(qiáng)盛階段，京津冀地區(qū)上空的上升運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，垂直速度中心值增大到-1.0Pa/s左右，且上升運(yùn)動(dòng)的高度范圍擴(kuò)大，從地面一直延伸到300hPa高度層左右。此時(shí)，300hPa以上高度層的下沉運(yùn)動(dòng)也相應(yīng)增強(qiáng)，形成了強(qiáng)烈的上升-下沉氣流耦合結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步促進(jìn)了強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展。7月13日14時(shí)（圖6c），在強(qiáng)對(duì)流天氣減弱階段，華北地區(qū)上空的上升運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，垂直速度中心值減小到-0.5Pa/s左右，上升運(yùn)動(dòng)的高度范圍也縮小，主要集中在700-500hPa高度層。300hPa以上高度層的下沉運(yùn)動(dòng)也減弱，強(qiáng)對(duì)流天氣逐漸趨于結(jié)束。在水平演變方面，7月11日14-20時(shí)（圖7a-7c），垂直速度大值區(qū)（垂直速度小于-0.5Pa/s）首先在山西東部地區(qū)生成，隨后逐漸向東移動(dòng)。在移動(dòng)過程中，垂直速度大值區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大，強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。7月12日02-08時(shí)（圖7d-7f），垂直速度大值區(qū)繼續(xù)向東移動(dòng)，影響到河北中西部地區(qū)，此時(shí)垂直速度大值區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，中心值達(dá)到-1.0Pa/s左右。7月12日14-20時(shí)（圖7g-7i），垂直速度大值區(qū)東移至京津冀大部分地區(qū)，且強(qiáng)度維持在較高水平，中心值仍在-1.0Pa/s左右。7月13日02-14時(shí)（圖7j-7l），垂直速度大值區(qū)繼續(xù)東移，強(qiáng)度逐漸減弱，范圍逐漸縮小，強(qiáng)對(duì)流天氣也隨之逐漸減弱并移出華北地區(qū)。通過對(duì)垂直速度垂直分布和水平演變的分析可知，在此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，垂直速度的變化與強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)和高度范圍的擴(kuò)大，有利于不穩(wěn)定能量的釋放和水汽的垂直輸送，促進(jìn)了強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展。垂直速度大值區(qū)的水平移動(dòng)，也與強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的移動(dòng)路徑一致，反映了強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)在水平方向上的演變特征。4.2.3水汽條件水汽作為強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的重要條件之一，其含量、輸送和輻合情況對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的形成和發(fā)展具有至關(guān)重要的影響。利用NCEP再分析資料，對(duì)2024年7月11-13日華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程中的比濕、水汽通量和水汽通量散度進(jìn)行深入分析，以全面評(píng)估水汽對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的貢獻(xiàn)。在比濕方面，7月11日08時(shí)（圖8a），華北地區(qū)中西部的比濕值在10-14g/kg之間，表明該區(qū)域大氣中水汽含量較為充足。隨著時(shí)間的推移，到了7月12日08時(shí)（圖8b），華北地區(qū)的比濕值普遍增大，大部分地區(qū)的比濕值在14-18g/kg之間，水汽含量進(jìn)一步增加。7月13日08時(shí)（圖8c），華北地區(qū)的比濕值開始減小，大部分地區(qū)的比濕值在10-14g/kg之間，水汽含量逐漸減少。在水汽通量方面，7月11日08時(shí)（圖9a），從水汽通量矢量圖可以看出，有明顯的水汽輸送帶從西南方向伸向華北地區(qū)，水汽通量值在12-16g/（cm?hPa?s）之間，表明西南氣流為華北地區(qū)輸送了大量的水汽。7月12日08時(shí)（圖9b），水汽輸送帶進(jìn)一步加強(qiáng)，水汽通量值增大到16-20g/（cm?hPa?s）之間，更多的水汽被輸送到華北地區(qū)，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展提供了更充足的水汽條件。7月13日08時(shí)（圖9c），水汽輸送帶開始減弱，水汽通量值減小到12-16g/（cm?hPa?s）之間，輸送到華北地區(qū)的水汽逐漸減少。在水汽通量散度方面，7月11日08時(shí)（圖10a），華北地區(qū)中西部存在一個(gè)弱的水汽通量輻合中心，散度值在-2×10??g/（cm2?hPa?s）左右，表明該區(qū)域水汽有一定程度的輻合。7月12日08時(shí)（圖10b），水汽通量輻合中心東移且強(qiáng)度增強(qiáng)，散度值達(dá)到-3×10??g/（cm2?hPa?s）左右，更多的水汽在該區(qū)域輻合，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展提供了有利的水汽條件。7月13日08時(shí)（圖10c），水汽通量輻合中心繼續(xù)東移減弱，散度值減小到-2×10??g/（cm2?hPa?s）左右，水汽輻合逐漸減弱。通過對(duì)比濕、水汽通量和水汽通量散度的分析可知，在此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，水汽條件對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展起到了重要的作用。充足的水汽含量、強(qiáng)烈的水汽輸送和明顯的水汽輻合，為強(qiáng)對(duì)流天氣的形成和發(fā)展提供了必要的水汽條件。隨著水汽條件的變化，強(qiáng)對(duì)流天氣也經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展和減弱的過程。4.2.4大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度是衡量大氣是否易于發(fā)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)的重要指標(biāo)，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展具有關(guān)鍵影響。利用NCEP再分析資料，通過計(jì)算對(duì)流有效位能（CAPE）和抬升指數(shù)（LI）等指標(biāo)，對(duì)2024年7月11-13日華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程中大氣的不穩(wěn)定程度進(jìn)行深入分析。對(duì)流有效位能（CAPE）是指氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時(shí)的正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分，它反映了大氣中潛在的不穩(wěn)定能量。7月11日08時(shí)（圖11a），華北地區(qū)中西部的CAPE值在500-1000J/kg之間，表明該區(qū)域大氣具有一定的不穩(wěn)定能量。隨著時(shí)間的推移，到了7月12日08時(shí)（圖11b），華北地區(qū)的CAPE值普遍增大，大部分地區(qū)的CAPE值在1000-1500J/kg之間，大氣的不穩(wěn)定能量進(jìn)一步增加。7月13日08時(shí)（圖11c），華北地區(qū)的CAPE值開始減小，大部分地區(qū)的CAPE值在500-1000J/kg之間，大氣的不穩(wěn)定能量逐漸減少。抬升指數(shù)（LI）是指將氣塊從地面絕熱上升到500hPa高度時(shí)，氣塊溫度與500hPa環(huán)境溫度的差值。LI值越小，表明大氣越不穩(wěn)定。7月11日08時(shí)（圖12a），華北地區(qū)中西部的LI值在-2-0之間，表明該區(qū)域大氣處于弱不穩(wěn)定狀態(tài)。7月12日08時(shí)（圖12b），華北地區(qū)的LI值普遍減小，大部分地區(qū)的LI值在-4--2之間，大氣的不穩(wěn)定程度明顯增強(qiáng)。7月13日08時(shí)（圖12c），華北地區(qū)的LI值開始增大，大部分地區(qū)的LI值在-2-0之間，大氣的不穩(wěn)定程度逐漸減弱。通過對(duì)對(duì)流有效位能（CAPE）和抬升指數(shù)（LI）的分析可知，在此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，大氣的不穩(wěn)定程度與強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。較高的CAPE值和較低的LI值，表明大氣具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量和不穩(wěn)定程度，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展。隨著大氣不穩(wěn)定能量和不穩(wěn)定程度的變化，強(qiáng)對(duì)流天氣也經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展和減弱的過程。4.3中尺度分析4.3.1雷達(dá)回波特征利用華北地區(qū)多個(gè)新一代多普勒天氣雷達(dá)站的資料，對(duì)2024年7月11-13日強(qiáng)對(duì)流天氣過程的雷達(dá)回波特征展開詳細(xì)分析，包括回波強(qiáng)度、高度、移動(dòng)速度和回波結(jié)構(gòu)等方面，以識(shí)別強(qiáng)對(duì)流天氣的中尺度特征。在回波強(qiáng)度方面，7月11日14時(shí)（圖13a），山西東部地區(qū)首先出現(xiàn)對(duì)流回波，回波強(qiáng)度在35-40dBz之間，隨著時(shí)間的推移，回波強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。16時(shí)（圖13b），回波強(qiáng)度增大到40-45dBz，部分對(duì)流單體的回波強(qiáng)度超過50dBz。18時(shí)（圖13c），回波強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，部分區(qū)域的回波強(qiáng)度達(dá)到55-60dBz，且回波范圍不斷擴(kuò)大。在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展的強(qiáng)盛階段，7月12日14時(shí)（圖14a），京津冀地區(qū)的回波強(qiáng)度普遍在50-55dBz之間，部分強(qiáng)對(duì)流單體的回波強(qiáng)度超過60dBz，甚至在個(gè)別區(qū)域達(dá)到65dBz以上。16時(shí)（圖14b），回波強(qiáng)度維持在較高水平，強(qiáng)回波區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大。隨著強(qiáng)對(duì)流天氣的減弱，7月13日14時(shí)（圖15a），華北地區(qū)的回波強(qiáng)度逐漸減小，大部分區(qū)域的回波強(qiáng)度在35-40dBz之間，強(qiáng)回波區(qū)域明顯縮小。16時(shí)（圖15b），回波強(qiáng)度進(jìn)一步減小，回波范圍繼續(xù)收縮?；夭ǜ叨纫渤尸F(xiàn)出明顯的變化特征。7月11日14時(shí)（圖13a），山西東部地區(qū)的對(duì)流回波頂高在7-8km左右，隨著對(duì)流的發(fā)展，回波頂高逐漸升高。18時(shí)（圖13c），部分對(duì)流單體的回波頂高達(dá)到9-10km。在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展的強(qiáng)盛階段，7月12日14時(shí)（圖14a），京津冀地區(qū)的回波頂高普遍在10-12km之間，部分強(qiáng)對(duì)流單體的回波頂高超過12km。16時(shí)（圖14b），回波頂高維持在較高水平。隨著強(qiáng)對(duì)流天氣的減弱，7月13日14時(shí)（圖15a），華北地區(qū)的回波頂高逐漸降低，大部分區(qū)域的回波頂高在7-8km左右。16時(shí)（圖15b），回波頂高進(jìn)一步降低?；夭ㄒ苿?dòng)速度在強(qiáng)對(duì)流天氣過程中也有所變化。7月11日14-18時(shí)（圖13a-13c），對(duì)流回波自山西東部向河北中西部移動(dòng)，移動(dòng)速度在30-40km/h左右。7月12日14-16時(shí)（圖14a-14b），回波移動(dòng)速度略有加快，達(dá)到40-50km/h左右，強(qiáng)對(duì)流天氣迅速向東擴(kuò)展。7月13日14-16時(shí)（圖15a-15b），回波移動(dòng)速度逐漸減慢，在20-30km/h左右，強(qiáng)對(duì)流天氣逐漸移出華北地區(qū)。在回波結(jié)構(gòu)方面，7月11日14時(shí)（圖13a），對(duì)流回波主要表現(xiàn)為分散的單體回波，隨著時(shí)間的推移，單體回波逐漸合并發(fā)展。18時(shí)（圖13c），部分區(qū)域出現(xiàn)了帶狀回波結(jié)構(gòu)，回波帶呈東北-西南走向。在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)展的強(qiáng)盛階段，7月12日14時(shí)（圖14a），京津冀地區(qū)形成了較為完整的中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS），回波呈現(xiàn)出明顯的帶狀結(jié)構(gòu)，且在回波帶上存在多個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體，形成“列車效應(yīng)”，導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。16時(shí)（圖14b），中尺度對(duì)流系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展，回波帶進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著強(qiáng)對(duì)流天氣的減弱，7月13日14時(shí)（圖15a），中尺度對(duì)流系統(tǒng)逐漸瓦解，回波結(jié)構(gòu)變得較為零散。16時(shí)（圖15b），回波結(jié)構(gòu)更加分散，強(qiáng)對(duì)流天氣逐漸結(jié)束。通過對(duì)雷達(dá)回波特征的分析可知，在此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，雷達(dá)回波強(qiáng)度、高度、移動(dòng)速度和回波結(jié)構(gòu)的變化與強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。強(qiáng)回波強(qiáng)度、高回波頂高、較快的回波移動(dòng)速度以及中尺度對(duì)流系統(tǒng)的形成，都反映了強(qiáng)對(duì)流天氣的中尺度特征，為強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供了重要依據(jù)。4.3.2衛(wèi)星云圖分析利用風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星云圖資料，對(duì)2024年7月11-13日強(qiáng)對(duì)流天氣過程中云系的形態(tài)、分布和演變進(jìn)行分析，輔助理解強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展過程。7月11日12時(shí)（圖16a），在衛(wèi)星云圖上，山西東部地區(qū)出現(xiàn)了一些零散的對(duì)流云團(tuán)，云頂亮度較亮，表明云頂高度較高，對(duì)流活動(dòng)較為旺盛。這些對(duì)流云團(tuán)呈孤立狀分布，面積較小，直徑在10-20km左右。隨著時(shí)間的推移，到了14時(shí)（圖16b），對(duì)流云團(tuán)逐漸發(fā)展合并，云團(tuán)的面積增大，直徑達(dá)到20-30km左右，且云頂亮度進(jìn)一步增強(qiáng)。16時(shí)（圖16c），對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展，形成了一條東北-西南走向的帶狀云系，云系的長(zhǎng)度在100-150km左右，寬度在30-50km左右，云頂亮度非常亮，表明云頂高度進(jìn)一步升高，對(duì)流活動(dòng)更加劇烈。7月12日08時(shí)（圖17a），衛(wèi)星云圖上的帶狀云系進(jìn)一步東移發(fā)展，云系的范圍擴(kuò)大，長(zhǎng)度達(dá)到200-250km左右，寬度在50-80km左右。云系的北部和南部出現(xiàn)了一些新的對(duì)流云團(tuán)合并加入，使得云系的強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。12時(shí)（圖17b），帶狀云系發(fā)展成熟，云頂亮度達(dá)到最亮，云系的范圍覆蓋了京津冀大部分地區(qū)，云系中存在多個(gè)強(qiáng)對(duì)流中心，這些強(qiáng)對(duì)流中心對(duì)應(yīng)著地面的短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣。16時(shí)（圖17c），帶狀云系開始逐漸減弱，云頂亮度有所降低，云系的范圍也開始縮小。7月13日08時(shí)（圖18a），衛(wèi)星云圖上的云系明顯減弱，云頂亮度變暗，云系的范圍縮小到京津冀東部和山東中西部地區(qū)，長(zhǎng)度在100-150km左右，寬度在30-50km左右。云系中的對(duì)流活動(dòng)逐漸減弱，強(qiáng)對(duì)流天氣也隨之減弱。12時(shí)（圖18b），云系繼續(xù)減弱，云頂亮度進(jìn)一步降低，云系的范圍繼續(xù)縮小，強(qiáng)對(duì)流天氣逐漸移出華北地區(qū)。通過對(duì)衛(wèi)星云圖的分析可知，在此次強(qiáng)對(duì)流天氣過程中，云系的形態(tài)、分布和演變與強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展合并、帶狀云系的形成和演變，以及云頂亮度的變化，都反映了強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展過程。衛(wèi)星云圖能夠從宏觀角度展示強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變，為強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和分析提供了重要的輔助信息。五、數(shù)值模擬研究5.1數(shù)值模式簡(jiǎn)介本研究選用WeatherResearchandForecasting（WRF）模式對(duì)2024年7月11-13日的華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬。WRF模式是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式，自1998年首次發(fā)布以來，經(jīng)過不斷的改進(jìn)和完善，已成為全球氣象領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)值模式之一。WRF模式基于非靜力學(xué)的可壓縮歐拉方程組，采用地形追隨坐標(biāo)系統(tǒng)，能夠更準(zhǔn)確地處理地形對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的影響。在數(shù)值計(jì)算方面，WRF模式運(yùn)用了先進(jìn)的時(shí)間積分方案和空間離散方法。它采用了三階Runge-Kutta時(shí)間積分方案，這種方案在保證計(jì)算精度的同時(shí)，有效地提高了計(jì)算效率，能夠較好地模擬大氣運(yùn)動(dòng)的時(shí)間演變過程。在空間離散上，采用了二階或更高階的中心差分格式，對(duì)水平和垂直方向的變量進(jìn)行離散化處理，使得模式在處理復(fù)雜地形和氣象要素的空間分布時(shí)具有較高的精度。WRF模式的一大顯著特點(diǎn)是具有多重嵌套網(wǎng)格技術(shù)，這使得它能夠在不同的空間尺度上對(duì)天氣系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化模擬。通過設(shè)置不同分辨率的嵌套網(wǎng)格，可以在粗網(wǎng)格上模擬大尺度的天氣背景，而在細(xì)網(wǎng)格上對(duì)感興趣的區(qū)域，如本次研究中的華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生區(qū)域，進(jìn)行高分辨率的模擬，從而捕捉到強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和演變特征。在本次研究中，設(shè)置了三層嵌套網(wǎng)格，最外層粗網(wǎng)格分辨率為27km，用于模擬大尺度環(huán)流背景；中間層網(wǎng)格分辨率為9km，進(jìn)一步細(xì)化對(duì)華北地區(qū)周邊的模擬；最內(nèi)層細(xì)網(wǎng)格分辨率為3km，能夠準(zhǔn)確地模擬華北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展過程。WRF模式還擁有豐富且靈活的物理過程參數(shù)化方案，涵蓋了輻射傳輸、微物理過程、積云對(duì)流、邊界層過程等多個(gè)關(guān)鍵物理過程。在輻射傳輸方面，提供了多種參數(shù)化方案，如RRTMG（RapidRadiativeTransferModelforGCMs）方案，該方案能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算太陽輻射和長(zhǎng)波輻射在大氣中的傳輸和吸收，考慮了云、氣溶膠等因素對(duì)輻射的影響，對(duì)于模擬大氣的能量平衡和溫度分布具有重要作用。在微物理過程中，常用的Lin方案能夠詳細(xì)描述水汽、云水、雨水、冰晶、雪和霰等水物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化過程，為模擬降水的形成和發(fā)展提供了物理基礎(chǔ)。積云對(duì)流參數(shù)化方案，如Kain-Fritsch方案，能夠有效地模擬積云對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展和消散過程，考慮了對(duì)流云的垂直輸送、水汽凝結(jié)釋放潛熱等因素，對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣的模擬至關(guān)重要。邊界層參數(shù)化方案，如YonseiUniversity（YSU）方案，能夠較好地描述近地面邊界層內(nèi)的湍流交換、熱量和水汽輸送等過程，對(duì)于模擬邊界層氣象要素的變化和強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)機(jī)制具有重要意義。WRF模式的適用范圍廣泛，可應(yīng)用于短期天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、空氣質(zhì)量模擬、環(huán)境評(píng)估等多個(gè)領(lǐng)域。在短期天氣預(yù)報(bào)中，能夠?qū)χ行〕叨忍鞖庀到y(tǒng)，如強(qiáng)對(duì)流天氣、暴雨、臺(tái)風(fēng)等進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬和預(yù)報(bào)，為氣象部門提供重要的決策依據(jù)。在氣候研究方面，通過長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)值模擬，可以研究氣候變化的趨勢(shì)和影響，評(píng)估不同氣候情景下的氣象要素變化。在空氣質(zhì)量模擬中，WRF模式可以與空氣質(zhì)量模型耦合，模擬大氣污染物的傳輸和擴(kuò)散過程，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理提供科學(xué)支持。WRF模式以其先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)框架、多重嵌套網(wǎng)格技術(shù)、豐富的物理過程參數(shù)化方案和廣泛的適用范圍，成為研究強(qiáng)對(duì)流天氣等中小尺度天氣系統(tǒng)的有力工具。在本次華北強(qiáng)對(duì)流天氣的數(shù)值模擬研究中，WRF模式將發(fā)揮重要作用，通過合理設(shè)置參數(shù)和物理過程，有望準(zhǔn)確地再現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展過程，深入揭示其形成機(jī)制和演變規(guī)律。5.2模擬方案設(shè)計(jì)5.2.1模式參數(shù)設(shè)置在運(yùn)用WRF模式對(duì)2024年7月11-13日華北強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，對(duì)模式參數(shù)進(jìn)行了精心設(shè)置，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。水平分辨率方面，采用三重嵌套網(wǎng)格設(shè)置。最外層粗網(wǎng)格（D01）覆蓋范圍較廣，涵蓋了東亞地區(qū)，水平分辨率設(shè)置為27km，這一分辨率能夠較好地捕捉大尺度的天氣系統(tǒng)和環(huán)流背景信息，為內(nèi)部細(xì)網(wǎng)格的模擬提供穩(wěn)定的大尺度環(huán)境。中間層網(wǎng)格（D02）水平分辨率為9km，覆蓋范圍聚焦于華北地區(qū)及其周邊，進(jìn)一步細(xì)化了對(duì)該區(qū)域的模擬，能夠更準(zhǔn)確地描述區(qū)域內(nèi)的天氣系統(tǒng)變化。最內(nèi)層細(xì)網(wǎng)格（D03）水平分辨率高達(dá)3km，緊密圍繞強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的核心區(qū)域，能夠捕捉到強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和中小尺度特征，如強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、對(duì)流單體的發(fā)展演變等。通過這種多重嵌套網(wǎng)格的設(shè)置，既考慮了大尺度環(huán)流背景對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的影響，又能夠?qū)?qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生區(qū)域進(jìn)行高分辨率的精細(xì)化模擬。垂直方向上，模式設(shè)置了50個(gè)垂直層，從地面向上延伸至約50hPa高度。垂直層的分布并非均勻，在近地面層加密，以更好地模擬邊界層內(nèi)復(fù)雜的氣象過程，如熱量、水汽和動(dòng)量的垂直交換等。在邊界層內(nèi)，垂直層間距較小，能夠更準(zhǔn)確地捕捉邊界層內(nèi)氣象要素的垂直變化。隨著高度的增加，垂直層間距逐漸增大，以合理分配計(jì)算資源，同時(shí)保證對(duì)高層大氣的模擬精度。這種垂直分層設(shè)置能夠較為準(zhǔn)確地描述大氣的垂直結(jié)構(gòu)，為模擬強(qiáng)對(duì)流天氣過程中大氣的垂直運(yùn)動(dòng)和物理過程提供了良好的基礎(chǔ)。在微物理過程參數(shù)化方案方面，選用了WSM6方案。該方案是一種較為先進(jìn)的雙參數(shù)微物理方案，能夠詳細(xì)描述水汽、云水、雨水、冰晶、雪和霰等六種水物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化過程。它考慮了不同水物質(zhì)的微物理特性，如粒子的大小分布、相態(tài)變化、碰并增長(zhǎng)等，對(duì)于模擬強(qiáng)對(duì)流天氣中的降水過程具有較高的準(zhǔn)確性。在強(qiáng)對(duì)流天氣中，降水的形成和發(fā)展過程復(fù)雜，涉及多種水物質(zhì)的相互作用，WSM6方案能夠較好地模擬這些過程，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)降水的強(qiáng)度、分布和時(shí)間演變。積云對(duì)流參數(shù)化方案采用Kain-Fritsch方案。該方案基于質(zhì)量通量的概念，通過考慮對(duì)流云的垂直輸送、水汽凝結(jié)釋放潛熱等因素，來模擬積云對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展和消散過程。它能夠較好地處理對(duì)流云的啟動(dòng)、發(fā)展和