2015年8月30日河南省中部地區(qū)一次颮線過程分析

周丹丹， 魏 鳴

(1.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇南京 210044;2.河南省許昌市氣象局，河南許昌 461000)

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2015年8月30日河南省中部地區(qū)一次颮線過程分析

周丹丹1，2， 魏 鳴1

(1.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇南京 210044;2.河南省許昌市氣象局，河南許昌 461000)

摘要選取2015年8月30日在東北冷渦影響下發(fā)生在河南省中部地區(qū)的一次颮線天氣過程，運用風矢-位溫圖、新一代高分辨率天氣雷達資料及衛(wèi)星云圖資料，分析此次過程產(chǎn)生的環(huán)流背景、大氣結(jié)構(gòu)特點，尋找颮線的預報及預警切入點。結(jié)果表明，此次天氣過程是東北冷渦后部橫槽影響下產(chǎn)生；風矢-位溫圖上強颮線出現(xiàn)前提前12 h以上出現(xiàn)超低溫、順滾流、高層強勁西風、“蜂腰”狀結(jié)構(gòu)分布；根據(jù)衛(wèi)星云圖演變特征可提前1 h左右對強對流天氣做出預警；根據(jù)雷達云圖演變可提前30 min以上對各類強天氣做出預警。

關鍵詞颮線；東北冷渦；衛(wèi)星云圖；大氣能量結(jié)構(gòu)V-3θ；多普勒天氣雷達

災害性天氣影響著人們的生產(chǎn)和生活，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，強災害性天氣造成的損失越來越大，人們對天氣預報也越來越重視。強對流天氣由范圍小、時間短、發(fā)展快以及對流運動激烈的中、小尺度天氣系統(tǒng)引起[1]。由于強對流天氣突發(fā)性強、局地性強、尺度小等特點[1]，在預報實踐中很多突發(fā)性天氣的預測能力仍較低，如何提高預報預警水平是當前的一個難點。近年來，我國利用多普勒雷達資料和中尺度模式資料對強對流天氣的研究日益增多[2-5]，如夏家虎等[3]對強對流云圖特征進行了總結(jié)歸納，姜俊玲等[5]研究特大暴雨的V-3θ特征。筆者選取2015年8月30日在東北冷渦影響下發(fā)生在河南省中部地區(qū)的一次颮線天氣過程，運用風矢-位溫圖、新一代高分辨率天氣雷達資料及衛(wèi)星云圖資料，分析此次過程產(chǎn)生的環(huán)流背景、大氣結(jié)構(gòu)特點，尋找颮線的預報及預警切入點，以期為這類天氣的預報預警工作提供指導。

1實況分析

2015年8月30日下午河南省中部地區(qū)自北向南出現(xiàn)颮線天氣過程，17：00～18：00開封出現(xiàn)冰雹、短時大風和短時強降水，雨強57.2 mm/h，17:55鞏義出現(xiàn)冰雹天氣，伴有短時大風、短時強降水，鄉(xiāng)鎮(zhèn)小時降水量28.7 mm。17:00～18:00滎陽的廣武鎮(zhèn)和高村鎮(zhèn)出現(xiàn)了雞蛋大小的大冰雹，且降雹時間長達近1 h。此次典型的颮線在自北向南移動過程中造成河南省中部地區(qū)多地出現(xiàn)冰雹、雷暴大風和短時強降水天氣(圖1)。

圖1　2015年8月30日20：00地面天氣現(xiàn)象Fig.1　Ground weather phenomena on 20:00 of August 30th,2015

2天氣形勢

圖2　2015年8月30日08：00 500 hPa高空觀測場(a)和14：00地面形勢(b)Fig.2　High-altitude observation field on 08:00 (a) and surface weather situation on 14:00 (b) of August 30th,2015

8月30日08:00 500 hPa(圖2a)，東北冷渦維持，隨著低渦向南發(fā)展，后部橫槽南下，河南省處于橫槽底部，槽后冷空氣強度增強至-14 ℃;925 hPa河南省中部地區(qū)為暖區(qū)，鄭州站溫度21 ℃；850 hPa鄭州、南陽、阜陽站露點溫度增加，分別為14、11、11 ℃，與29日08：00相比3站濕度均增加。30日14：00河南省處于低壓頂部，鄭州、南陽、阜陽站露點溫度分別為22、20、21 ℃，與29日14：00相比3站濕度均略微增加；東南風和東北風匯合明顯(圖2b)，14：00地面溫度高于30 ℃，高層更加干冷，低層暖濕增強，地面輻合加強，更易于午后至傍晚發(fā)生強對流天氣。

3大氣能量結(jié)構(gòu)分析

T-logP圖顯示，30日08：00鄭州站K指數(shù)為35 ℃、SI指數(shù)為-4.14 ℃、CAPE值為1 663.5 J/kg，與29日08：00相比，能量沒有29日08：00高，呈現(xiàn)上干下濕喇叭口狀，表明30日對流旺盛，有雷暴活動，不能預報強颮線、冰雹過程。

注：a1、b1為29日20：00；a2、b2為30日08：00；a3、b3為30日20：00。θ為位溫(位勢溫度)；θsed是以露點溫度計算的假相當位置；θ*是假定為當時氣溫的純飽和位溫。Note: a1 and b1 were 20:00 of August 29; a2 and b2 were 08:00 of August 30; a3 and b3 were 20:00 of August 30.θ was potential temperature; θsed was potential pseudo-equivalent temperature calculated by dew point temperature; θ* was saturated potential temperature assumed as the current temperature.圖3　2015年8月29～30日鄭州(a)和南陽(b)的V-3θ圖Fig.3　The V-3θ of Zhengzhou (a) and Nanyang (b) from August 28th to 30th,2015

由鄭州和南陽的V-3θ圖(圖3)可見，29日20：00鄭州和南陽大氣不穩(wěn)定，對流層頂超低溫繼續(xù)存在，南陽上空比鄭州上空更強，說明超低溫移至鄭州以南；鄭州站200hPa西北風達20 m/s，南陽200 hPa西北風達24 m/s，兩站對流層500 hPa以下假相當位溫及飽和位溫左傾>135 ℃，表明熱力條件極不穩(wěn)定，加上水汽充沛，風的垂直分布呈順滾流結(jié)構(gòu)，這些特征均預示著大氣能量結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，有利于未來產(chǎn)生強對流降水。30日08：00鄭州和南陽對流層上層超低溫維持，鄭州的超低溫更深厚，對流層中層多層彎折，水汽“蜂腰”狀，風的垂直分布呈順滾流結(jié)構(gòu)，特別是鄭州在700～600 hPa的冷層云結(jié)構(gòu)，這些均預示著午后將出現(xiàn)強對流降水。17:00～18:00 鄭州以南出現(xiàn)冰雹和雷雨大風之后，不穩(wěn)定能量有一定緩解，但仍然較強。20：00鄭州和南陽對流層頂仍有超低溫；鄭州站不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)特征更明顯，此時仍處于強天氣過程中，400 hPa有兩層冷層云，600 hPa有暖層云，冷層云在暖層云之上，順滾流結(jié)構(gòu)，表明當時有雷暴，還有不穩(wěn)定能量正在釋放。

4衛(wèi)星云圖分析

注：a.16:30紅外云圖;b.16:30可見光云圖;c.17:30可見光云圖。Note:a was infrared cloud image on 16:30; b was visible cloud image on 16:30; and c was visible cloud image on 17:30.圖4　2015年8月30日衛(wèi)星云圖Fig.4　Satellite cloud image of August 30th ,2015

從衛(wèi)星云圖上看，30日下午中尺度對流云團MCC(圖4a中圓圈)從北向南發(fā)展移動，移動前側(cè)溫度低(216 K)，溫度梯度大，易產(chǎn)生對流。從可見光云圖上看(圖4b)，該云團前側(cè)有白亮的泡狀結(jié)構(gòu)，滎陽上空最大反照率59%(圖4b中長箭頭)，開封上空45%(圖4b中短箭頭)，運動方向前側(cè)邊界光滑，后側(cè)羽狀云砧。這些云圖特征表明云頂溫度高、云內(nèi)對流旺盛，預示著將有雷雨冰雹、大風、短時強降水等強對流天氣。17:00～17:30鞏義地區(qū)云團迅速發(fā)展，可見光云圖上(圖4c紅色箭頭處)對流云頂突出，后部有暗影，反照率達45%。實況證明對流泡前側(cè)滎陽產(chǎn)生大冰雹，開封、鞏義產(chǎn)生小冰雹，新密、開封產(chǎn)生短時強降水，鄭州、開封轄區(qū)站點基本均發(fā)生雷暴大風，最大為26.9 m/s。

5雷達回波分析

從鄭州雷達組合反射率圖上看出，此次過程是一次典型的颮線弓形回波，自北向南移動，由多個雷暴單體組成，且在南移過程中不斷有新的雷暴單體產(chǎn)生，單體最大反射率達65 dBZ，預示著將產(chǎn)生強對流天氣。在弓形回波的移動過程中有明顯出流邊界，且移動迅速(圖5紅色線條)，證明有地面大風災害天氣產(chǎn)生。30日開封、滎陽和鞏義對流單體中均顯示最大回波(65 dBZ)頂高達15 km；垂直累積液態(tài)含水量持續(xù)偏高，開封、滎陽和鞏義對流單體中達70 kg/m2。這些回波產(chǎn)品表明存在著強風暴并將伴有冰雹，在弓形回波南移過程中伴有短時強降水產(chǎn)生。

圖5　2015年8月30日17:07(a)和18:59(b)0.5°雷達基本反射率Fig.5　The 0.5° radar base reflectivity on 17:07 (a) and 18:59 (b) of August 30th,2015

圖6　2015年8月30日17:25雷達組合反射率中疊加中氣旋(a)和Q3風暴趨勢(b)Fig.6　Superimposed mesocyclone (a) and Q3 storm trend (b) in composite radar reflectivity on 17:25 of August 30th,2015

30日17:25 開封、鞏義、滎陽上空均有中層風速輻合存在，滎陽、開封和鞏義有中氣旋(圖6a)，證明為超級單體風暴，將伴有冰雹、雷暴、大風和短時強降水等天氣發(fā)生。滎陽上空風暴Q3的VIL值在16:55達60 kg/m2(圖6b)，回波頂高在16:55達12 km以上，大冰雹概率在17:01達100%。從滎陽上空回波反射率剖面(圖7)可以看出，30日16:50開始可以觀測到冰雹特征，穹窿結(jié)構(gòu)明顯，16:56最大反射率65 dBZ回波懸垂于低層弱回波之上，高度達9～10 km，擴展至-20 ℃之上(-20 ℃高度7.32 km)，17:02懸垂回波發(fā)展，17:25強回波接地，17:48后逐漸減弱。從徑向速度剖面可以看出，從17:13開始中層存在徑向輻合，風暴頂出現(xiàn)強輻散，中層的輻合持續(xù)約1 h。從開封16:50反射率剖面(圖8b)可以看出，出現(xiàn)高層懸垂回波，低層弱回波區(qū)，穹窿結(jié)構(gòu)，回波頂達12 km以上，且反射率因子大值在55 dBZ以上的區(qū)域在4～10 km，證明將有冰雹出現(xiàn)，40 dBZ以上強回波出現(xiàn)在0 ℃層以下，將有短時強降水。30日開封速度剖面顯示，風暴頂強輻散，中層有徑向輻合。17:48鞏義上空的回波剖面(圖9b)顯示，出現(xiàn)強懸垂回波，回波頂達12 km以上，強回波中心(65 dBZ)達-20 ℃層。速度剖面顯示，中層有徑向輻合，40 dBZ以上強回波出現(xiàn)在0 ℃以下且回波接地，說明伴有短時強降水，移動較快，故小時降水量28.7 mm，沒有開封大。

注：a為17:25組合反射率；b為16:50反射率剖面；c為16:56反射率剖面；d為17:02反射率剖面；e為17:07反射率剖面。Note: a was composite reflectivity on 17:25; b was reflectivity section on 16:50; c was reflectivity section on 16:56; d was reflectivity section on 17:02; and e was reflectivity section on 17:07.圖7　2015年8月30日滎陽回波雷達產(chǎn)品Fig.7 Echo radar products in Xingyang County on August 30th,2015

注：a為17:07組合反射率；b為16:50反射率剖面；c為16:56反射率剖面。Note:a was composite reflectivity on 17:07; b was reflectivity section on 16:50; c was reflectivity section on 16:56.圖8　2015年8月30日開封回波雷達產(chǎn)品Fig.8　Echo radar products in Kaifeng County on August 30th,2015

圖9　2015年8月30日鞏義17:31組合反射率(a)和17:48反射率剖面(b)Fig.9　composite reflectivity on 17:31 (a) and reflectivity section on 17:48 (b) in Gongyi City on August 30th,2015

6小結(jié)

(1)東北冷渦后部橫槽加強南下位置靠近河南省，高空更加干冷、地面暖濕增加，地面匯合線更明顯，證明對流更旺盛。

(2)2015年30日08：00T-logP圖與29日相比沒有明顯增強，無法對大范圍更強對流做出預報。分析29日20：00～30日20：00的風矢-位溫(V-3θ)圖的大氣結(jié)構(gòu)演變可知，鄭州與南陽兩站存在超低溫，高層西風強、順滾流明顯，濕度趨飽和，有“蜂腰”狀結(jié)構(gòu)，這些特征均表明不穩(wěn)定能量的積累導致30日傍晚出現(xiàn)大范圍強對流天氣，冰雹伴有雷暴，降水范圍大。風矢-位溫圖提前12 h以上出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點可提前對強天氣做出預測。

(3)衛(wèi)星云圖上大范圍中尺度對流云團運動方向前側(cè)邊界光滑，溫度梯度大，可見光云圖上暗影紋理明顯、對流泡結(jié)構(gòu)突出、后部羽狀云砧結(jié)構(gòu)明顯均表明將有大范圍強對流天氣、颮線產(chǎn)生，伴有雷暴和短時強降水、冰雹。根據(jù)衛(wèi)星云圖上云團發(fā)生、發(fā)展的特點可提前1 h左右預報預警強對流天氣。

(4)颮線雷達回波弓形回波結(jié)構(gòu)特征明顯，中氣旋、中層徑向輻合、風暴頂強輻散，反射率回波65 dBZ，頂高12 km、VIL值70 kg/m2,以上為超級單體特征，將產(chǎn)生雷暴、冰雹、大風天氣。剖面圖上懸垂結(jié)構(gòu)明顯、風暴追蹤信息上大冰雹概率超過50%、強回波伸展至-20 ℃層以上、中氣旋均表明將有大冰雹可能性很高。反射率回波上出流邊界、剖面圖上低層強輻散證明有地面直線型災害大風，剖面圖上40 dBZ以上回波長時間接地、“列車效應”表明將出現(xiàn)強降水。根據(jù)雷達演變特點可提前30 min對強對流天氣做出預警服務。

參考文獻

[1] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文.天氣學原理和方法[M].北京:氣象出版社,1992.

[2] 杜秉玉，官莉，姚祖慶，等.上海地區(qū)強對流天氣短時預報系統(tǒng)[J]．南京氣象學院學報，2000,23(2)：242-250.

[3] 夏家虎，馬中元．積云線與強對流天氣[J]．江西氣象科技，1984，7(1)：8-10．

[4] 蘇愛芳，谷秀杰，吳蓁.河南省風雹類強對流天氣過程的云型及結(jié)構(gòu)特征[C]//S1災害天氣研究與預報.沈陽：中國氣象學會，2012.

[5] 姜俊玲，張雪冬，魏鳴，等.V-3θ圖在一次特大暴雨預報中的應用[J].氣象科技，2012，40(4)：647-650.

Analysis of a Squall Line Process in Central Henan Province in August 30,2015

ZHOU Dan-dan1,2,WEI Ming1

(1.School of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing,Jiangsu 210044; 2.Weather Bureau of Xuchang City,Xuchang,Henan 461000)

AbstractA squall line process in central Henan Province in August 30,2015 was selected,which was affected by the northeast cold vortex.Wind vector-potential temperature,a new generation of weather radar high resolution data and satellite cloud image data were used to analyze the background of atmospheric circulation and the characteristics of atmospheric structure,so as to find the forecast of squall line and to alert the entry point.Results showed that this whether process was produced under the influence of the northeast cold vortex.Ultra-low temperature at the top-troposphere,the clockwise tumble flow,a structure like "bee waist" of wind distribution and strong westerly wind could be observed more than 12 hours in atmospheric energy structure images before the squall line occurred.According to the characteristics of the development of the clouds on satellite images,forecasting and warning of severe convective weather could be made about 1 hour early.According to the evolution of radar images,warning of the strong weather could be made half an hour early.

Key wordsSquall line; Northeast cold vortex ; Satellite image; Atmospheric energy structure V-3θ; Doppler radar

基金項目許昌市科技發(fā)展計劃項目(140201022)；河南省科學技術(shù)廳課題(122102310583)；許昌市氣象局課題(XQ201206)。

作者簡介周丹丹(1985- )，女，河南偃師人，工程師，從事中短期天氣預報工作。*通訊作者，教授，博士，博士生導師，從事大氣遙感及災害性天氣預報研究。

收稿日期2016-03-15

中圖分類號S 165+.2;P 401

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-214-05