冀中南地區(qū)一次冰雹天氣的中小尺度特征

張　南，曹曉沖，閆雪瑾，張利學(xué)，裴宇杰

(1.河北省氣象臺，河北　石家莊　050021；2.河北省沙河市氣象局，河北　邢臺　054100)

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冀中南地區(qū)一次冰雹天氣的中小尺度特征

張南1，曹曉沖1，閆雪瑾1，張利學(xué)2，裴宇杰1

(1.河北省氣象臺，河北石家莊050021；2.河北省沙河市氣象局，河北邢臺054100)

利用2014年6月22日08:00及14:00常規(guī)探空觀測資料，08:00—20:00自動站逐時風(fēng)場資料、閃電資料、FY-2E可見光云圖及石家莊站多普勒雷達逐6 min資料，對發(fā)生在河北石家莊的一次冰雹天氣的中尺度系統(tǒng)特征及環(huán)流背景進行分析，探尋此類災(zāi)害性天氣精細化預(yù)警著眼點。結(jié)果表明：高空冷渦東南象限中“上干冷下暖濕”的不穩(wěn)定區(qū)域是強對流出現(xiàn)的潛勢區(qū)，干冷空氣入侵和邊界層輻合線是河北中南部地區(qū)對流的觸發(fā)條件；分散的對流云團在冷渦附近形成，外圍的弧狀云線逐步發(fā)展加強，弧狀云線和上沖云頂?shù)淖R別和分析有利于判斷對流云團的發(fā)展變化趨勢，其演變對短臨預(yù)警有較大的參考意義。對流發(fā)生前中等偏強的垂直風(fēng)切變有利于超級單體的發(fā)展；包含超級單體的多單體風(fēng)暴是本次過程的直接影響系統(tǒng)，并伴有旁瓣回波、三體散射等典型雹暴回波特征；風(fēng)暴向引導(dǎo)氣流偏右側(cè)方向移動，移速與平均環(huán)境風(fēng)相當(dāng)，為精細化落區(qū)預(yù)警提供參考；冰雹出現(xiàn)時正閃比例增加，其空間分布與雷達回波和冰雹路徑對應(yīng)，對冰雹短臨精細化預(yù)警具有較好的指示意義，可作為雷達分類預(yù)警的有益補充。

冰雹；超級單體；可見光云圖；閃電；精細化預(yù)警

引　言

冰雹是河北省春末夏初一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣，具有持續(xù)時間短、局地性強、破壞力大的特點，給當(dāng)?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重損失，因此做好冰雹天氣預(yù)報預(yù)警服務(wù)，是積極采取防范措施的基礎(chǔ)，對防災(zāi)減災(zāi)具有重要現(xiàn)實意義。多年來，許多氣象工作者和科研人員對冰雹天氣的氣候特征、環(huán)流背景和對流環(huán)境條件進行研究，形成了天氣氣候概念模型，對冰雹的潛勢預(yù)報具有明顯改善[1-6]。近年來，隨著新型高時空分辨率觀測系統(tǒng)的建立，雷達、衛(wèi)星及閃電資料在冰雹臨近監(jiān)測和預(yù)報中越來越受到重視，相關(guān)研究也取得了一些成果。王華等[7]對比分析了2005年北京城區(qū)的2次冰雹天氣，提出今后需充分應(yīng)用高時空分辨率的探測資料做好此類突發(fā)性天氣的監(jiān)測和臨近預(yù)報；張萍萍等[8]應(yīng)用雷達和閃電資料分析一次鄂北的冰雹天氣過程，指出2種資料對降雹預(yù)報有較好的指示意義；易笑園等[9]認為，雷達、閃電、微波輻射計和加密自動站等觀測資料，為深入了解中小尺度對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及合并等細致過程，掌握降雹、閃電等災(zāi)害天氣及雷暴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變的復(fù)雜關(guān)系提供了事實依據(jù)。研究表明，造成冰雹天氣的中尺度系統(tǒng)形式多樣[10-12]，盡管基于雷達圖像識別和短臨預(yù)報系統(tǒng)外推算法有很大業(yè)務(wù)應(yīng)用價值[13-14]，但冰雹天氣的精細化預(yù)報、預(yù)警仍是現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)的難點。

2014年6月22日受冷渦后部擴散的冷空氣影響，河北省出現(xiàn)了全省范圍的雷雨天氣，雷雨過程中11個縣市降雹、8個縣市出現(xiàn)大風(fēng)，部分地區(qū)出現(xiàn)短時強降水(圖略)。降雹時段主要集中在15:30—18:00(北京時，下同)，影響范圍為河北中南部的石家莊及其北部和東部周邊地區(qū)(圖1)，其中，4個觀測站出現(xiàn)冰雹，藁城站最大，直徑為10 mm。實地災(zāi)情考察發(fā)現(xiàn)，降雹范圍廣，受災(zāi)區(qū)域呈東南—西北向帶狀分布，且降雹密度大，在某些地面造成堆積，部分地區(qū)出現(xiàn)大雹。據(jù)不完全統(tǒng)計，受災(zāi)地區(qū)涉及石家莊及周邊地區(qū)共4市12個縣，尤以石家莊受災(zāi)最重。據(jù)石家莊各縣(市)農(nóng)業(yè)部門初步統(tǒng)計，石家莊地區(qū)農(nóng)作物受災(zāi)總面積達38 500 hm2，重災(zāi)面積7 000 hm2，設(shè)施農(nóng)業(yè)毀壞嚴(yán)重，瓜果蔬菜大面積絕收。本文利用2014年6月22日08:00和14:00的常規(guī)探空資料、08:00—20:00 FY-2E衛(wèi)星可見光云圖逐時資料(1.25 km分辨率)、地面區(qū)域自動站風(fēng)場和閃電資料以及石家莊站逐6 min多普勒雷達資料，結(jié)合實地調(diào)研，對此次過程進行研究，著重分析中尺度系統(tǒng)的演變特征，為今后災(zāi)害性天氣的精細化預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

圖1　2014年6月22日冀中南地區(qū)冰雹落區(qū)(為測站觀測；▲為實地調(diào)研)

1　環(huán)流背景與影響系統(tǒng)

此次強對流天氣發(fā)生前，亞洲中高緯受貝加爾湖阻塞高壓控制，在其南側(cè)相伴有多個深厚的冷渦系統(tǒng)，其中位于河北西北部至內(nèi)蒙古中部地區(qū)的高空冷渦是本次過程的主要影響系統(tǒng)。2014年6月22日08:00(圖略)，200 hPa西風(fēng)急流經(jīng)過冀中南地區(qū)；500 hPa冷渦南部的西北氣流形成疏散槽形勢，并有冷溫槽和干區(qū)配合，槽后有20 m·s-1的西北風(fēng)大風(fēng)速核指向冀中南地區(qū)；850 hPa冀中南地區(qū)受弱暖脊控制；925 hPa受東北風(fēng)影響，河北東部和南部地區(qū)的水汽接近飽和(T-Td<5 ℃)；地面上，河北中南部地區(qū)存在地形輻合線。綜上所述，此次強對流天氣出現(xiàn)在高空急流和低層?xùn)|北風(fēng)交匯處，高、低空干冷和暖濕空氣相互作用，構(gòu)成不穩(wěn)定層結(jié)，形成較明顯的垂直風(fēng)切變，干冷空氣觸發(fā)了對流天氣。

從距離石家莊最近的邢臺站探空圖上看(圖略)，22日08:00邢臺上空的0 ℃層(4 km)和-20 ℃層(6.9 km)高度適于冰雹的增長；溫度和露點垂直分布廓線呈“上干下濕”的喇叭口形狀，這是強對流發(fā)生的典型探空形勢，且對流有效位能>800 J·kg-1，不穩(wěn)定能量可轉(zhuǎn)換為氣塊做加速垂直運動的動能，促進對流系統(tǒng)發(fā)展。14:00，邢臺探空表現(xiàn)出對流抑制能量減小，自由對流高度下降，說明不穩(wěn)定能量極易觸發(fā)；垂直風(fēng)切變也隨著高空干冷空氣的東移加強，由08:00的中等風(fēng)切變增強到強風(fēng)切變，更有利于普通單體風(fēng)暴發(fā)展成組織性較強的多單體風(fēng)暴或超級單體。

綜上所述，大尺度天氣背景形成了上干冷下暖濕的不穩(wěn)定狀態(tài)，并具有強的垂直風(fēng)切變，構(gòu)成了冰雹形成和發(fā)展的有利環(huán)境條件，據(jù)此可以得出午后強對流天氣的落區(qū)。另外，500 hPa的大風(fēng)核、適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度以及對流抑制的減弱等對午后強對流短臨預(yù)報具有較明顯的指示意義。

2　中尺度輻合線

觸發(fā)對流的抬升條件大多由中尺度系統(tǒng)提供，邊界層輻合線對強對流天氣的作用越來越受到關(guān)注[12]。從22日08:00地面風(fēng)場來看(圖2a)，河北中南部存在東風(fēng)與東北風(fēng)、南風(fēng)與北風(fēng)形成的2條輻合線，且相交于石家莊東部地區(qū)，其輻合中心強度超過5×10-5s-1。另外，在輻合線附近有對流系統(tǒng)率先發(fā)展，所產(chǎn)生的出流邊界與冷渦外圍的對流系統(tǒng)相互作用使其快速發(fā)展。15:00石家莊地區(qū)強對流出現(xiàn)之前(圖2b)，地面中尺度輻合線演變?yōu)闁|西走向，中心強度超過20×10-5s-1，輻合明顯加強，使中尺度系統(tǒng)的組織化程度加強，有利于延長生命史，造成較大范圍的災(zāi)害。

3　中尺度系統(tǒng)的云圖演變特征

FY-2E可見光云圖可以清楚地反映中尺度系統(tǒng)的發(fā)展變化。由圖3可看出，22日09:00，冷渦云系C1位于河北西北部，冀中南平原地區(qū)存在云帶C2，并與地面輻合線相對應(yīng)(圖2a)；11:00，冷渦云系南緣保定附近出現(xiàn)弧狀云線C3，且C2上不斷有對流單體新生；12:00，冷渦外圍云系在保定地區(qū)發(fā)展成云團C4，C2上對流單體此消彼長出現(xiàn)多條出流邊界C5；14:00，保定南部云團C4發(fā)展旺盛出現(xiàn)暗影，并與西移的C5相遇，促使云團迅速發(fā)展，形成一條東西向的云帶C6，此時地面輻合線(圖2b)位于云帶南側(cè)前沿；15:00，該云帶向地面強輻合區(qū)發(fā)展移動，造成河北中南部地區(qū)強對流天氣；16:00，出現(xiàn)了上沖云頂C7，表明系統(tǒng)發(fā)展旺盛，與500 hPa風(fēng)向(WNW)對應(yīng)，云帶西邊界光滑且對流羽向下游伸展。可見，通過分析可見光云圖上冷渦云系和輻合線云帶的演變及相互作用，能夠判斷系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢及影響區(qū)域，有助于提前1～2 h發(fā)布強對流臨近預(yù)報。

4　雷達預(yù)警特征

多普勒天氣雷達是監(jiān)測預(yù)警冰雹等強對流天氣的有效工具，能夠跟蹤監(jiān)測雹暴的發(fā)生和發(fā)展，判斷冰雹落區(qū)[15-16]。本次過程在雷達圖上為帶狀排列的多單體風(fēng)暴(其中包含有多個超級單體)，這是此次風(fēng)雹災(zāi)害的直接影響系統(tǒng)。這里主要分析陣風(fēng)鋒與系統(tǒng)的發(fā)展、超級單體及冰雹特征、風(fēng)暴的移動速度和路徑等雷達特征。

圖2　2014年6月22日08:00(a)和15:00(b)地面風(fēng)場(矢量)及散度場(色斑，單位：10-5 s-1)(黑色圓點為石家莊站；紅色實線為輻合線)

圖3　2014年6月22日09:00—16:00 FY-2E可見光云圖演變

4.1陣風(fēng)鋒與對流系統(tǒng)演變

22日上午，地面輻合線處有對流單體生成，從10:30開始雷達圖上出現(xiàn)一個個孤立的塊狀回波(圖略)。圖4給出22日14:00—16:00石家莊及周邊地區(qū)對流系統(tǒng)的雷達回波演變過程?？煽闯?，14:00(圖4a)，衡水附近有一小塊回波A1，產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒A2遠離A1主體80 km左右，即將與回波A3相遇；保定西部的對流回波A4前緣有窄帶回波A5，其附近不斷有對流新生，當(dāng)陣風(fēng)鋒與對流回波相遇時，對流加強。14:30(圖4b)，保定一帶回波A4連成帶狀，且范圍與強度明顯增大，回波A3也明顯加強；之后，帶狀回波A4迅速發(fā)展，并分裂出若干單體，其中位于保定東部的回波B1始終與陣風(fēng)鋒A5相連(圖4c)；到15:36，對流系統(tǒng)B1與東南方向的陣風(fēng)鋒A2相遇，回波中心強度躍增至65 dBZ以上(圖4d)；16:00，多個對流單體呈東西向帶狀排列(圖4e)，與陣風(fēng)鋒相連的B1單體最強，陣風(fēng)鋒A5有明顯的風(fēng)向輻合，且在陣風(fēng)鋒后側(cè)的偏北風(fēng)中出現(xiàn)速度模糊，最大速度超過27 m·s-1(圖4f)。受其影響，石家莊北部最先開始出現(xiàn)風(fēng)雹天氣。由此可見，東部地區(qū)對流系統(tǒng)出流形成的陣風(fēng)鋒是多單體風(fēng)暴形成和加強的直接原因之一。因此，分析陣風(fēng)鋒和回波移動的相對方向，判斷二者能否相遇或相交是短臨預(yù)報預(yù)警的重要著眼點。

圖4　石家莊站2014年6月22日14:00(a)、14:30(b)0.5°仰角，15:18(c)、15:36(d)和16:00(e)1.5°仰角的多普勒雷達反射率因子(a～e，單位：dBZ)及16:00 1.5°仰角的徑向速度(f，單位：m·s-1)

4.2超級單體結(jié)構(gòu)與冰雹特征

對流系統(tǒng)B1在東移南下過程中不斷加強，在16:06左右開始出現(xiàn)持久深厚的中氣旋，其西側(cè)的單體B2在16:24也出現(xiàn)了中氣旋，這表明多單體風(fēng)暴發(fā)展為多個超級單體。16:30，超級單體發(fā)展最為強盛，1.5°仰角的反射率中心值超過65 dBZ(圖5a)；由于大冰雹對雷達波束的強散射作用，B1主體回波的左側(cè)出現(xiàn)旁瓣回波，沿單體B2徑向遠離雷達的方向可識別三體長釘回波(TBSS)。對應(yīng)反射率因子核心風(fēng)暴相對徑向速度在2.4°～6.0°仰角上均識別出速度對，其中4.3°仰角上(圖5c)，B1對應(yīng)的速度對高度約為4.8 km，旋轉(zhuǎn)速度為15 m·s-1；而B2對應(yīng)的速度對高度在3.2 km左右，旋轉(zhuǎn)速度為20 m·s-1，且表現(xiàn)為輻合式旋轉(zhuǎn)，說明風(fēng)暴還在不斷發(fā)展加強。2個相對獨立的超級單體分別在辛集北部、藁城附近造成嚴(yán)重的風(fēng)雹災(zāi)害。

圖5　石家莊站2012年6月22日16:30 1.5°仰角多普勒雷達反射率因子(a)及其沿122°方位的垂直剖面(b)(單位：dBZ)和4.3°仰角風(fēng)暴相對徑向速度(c)及其沿122°方位的垂直剖面(d)(單位：m·s-1)

沿徑向方向做B1的反射率因子垂直剖面(圖5b)?？煽闯?，55 dBZ的強回波伸展到9 km高度，遠高于-20 ℃層高度，有利于大冰雹形成，且在強回波的下方存在由強上升氣流產(chǎn)生的弱回波區(qū)。另外探空資料顯示，當(dāng)天0 ℃層高度僅為3.9 km，使得冰雹下降過程中受熱融化距離較短，保證了大冰雹落地。相應(yīng)的徑向速度剖面(圖5d)顯示，9 km以下為深厚的徑向速度輻合區(qū)，之上表現(xiàn)為風(fēng)暴頂輻散，輻散的抽吸作用有利于上升氣流加強，使得風(fēng)暴進一步發(fā)展。同時，垂直累積液態(tài)水含量(VIL)一直維持高值(圖略)，最大達65 kg·m-2，一方面表明大冰雹的存在，另一方面也說明系統(tǒng)發(fā)展的旺盛程度。

綜上所述，造成本次強冰雹天氣過程的直接影響系統(tǒng)是由多個超級單體構(gòu)成的多單體風(fēng)暴，高懸強回波、弱回波區(qū)、三體長釘回波、旁瓣回波、中氣旋、深厚的中層徑向輻合、風(fēng)暴頂輻散以及大的VIL值都是大冰雹出現(xiàn)的典型回波特征，這有助于強對流天氣的種類區(qū)分，做好冰雹天氣的臨近預(yù)警。

4.3風(fēng)暴移動

追蹤超級單體B1和B2的移動軌跡，并對比冰雹的落區(qū)(圖1)發(fā)現(xiàn)，在石家莊及周圍縣市形成了NNW—SSE方向的2條直線型軌跡(圖略)，表1給出2個超級單體的生命史。可知，B1生成于定州經(jīng)深澤、辛集北部到達衡水的深州消亡，歷時144 min，移動路程大致為90 km；B2生成于行唐經(jīng)新樂、無極西部、藁城到寧晉減弱，歷時108 min，路程超過110 km。B1單體的平均移動速度為10.4 m·s-1，較B2單體的移速17.3 m·s-1明顯偏小，2個單體的平均移動速度大致為13.9 m·s-1，與當(dāng)日500 hPa和700 hPa平均環(huán)境風(fēng)速相當(dāng)，為冰雹落區(qū)的精細化預(yù)警提供更多參考。

表1　2014年6月22日冀中南地區(qū)主要風(fēng)暴單體生消特征

5　閃電特征

中尺度天氣系統(tǒng)中地閃放電能夠指示對流活動的存在、發(fā)生和發(fā)展[17]，閃電頻次變化和正閃分布對降雹具有較好的指示作用[18]，可以彌補雷達探測受距離影響的不足。6月22日冀中南地區(qū)強降雹出現(xiàn)之前(圖略)，閃電總數(shù)和正閃數(shù)均出現(xiàn)躍增，對流系統(tǒng)發(fā)展加強，且正閃與強回波位置對應(yīng)，有利于辨識雹暴系統(tǒng)的發(fā)展。15:00—16:00(圖6)，正閃數(shù)量多于負閃，且呈現(xiàn)多條帶狀分布，與雷達風(fēng)暴追蹤路徑和實地災(zāi)情路徑基本吻合，對短臨預(yù)警具有較好的指示作用。

圖6　2012年6月22日15:00—16:00冀中南地區(qū)閃電空間分布

6　結(jié)　論

(1)高空冷渦底部西北氣流形成的疏散槽形勢，構(gòu)成上干冷下暖濕的有利天氣背景，干冷空氣入侵和邊界層輻合線提供了冀中南地區(qū)對流的觸發(fā)機制，強垂直風(fēng)切變是風(fēng)暴進一步發(fā)展的增強條件，由此得到的強對流潛勢區(qū)域可為短臨預(yù)警提供參考。

(2)本次過程中，地面輻合線的存在和加強促進了對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展，有助于判斷災(zāi)害性天氣的具體落區(qū)。

(3)高分辨率可見光云圖可以宏觀把握系統(tǒng)的演變，對流云團與弧狀云線的相互作用以及上沖云頂?shù)淖R別和分析，有利于盡早判斷對流云團的發(fā)展變化趨勢。

(4)多單體風(fēng)暴(包含有超級單體)是本次強對流天氣的直接影響系統(tǒng)，并呈現(xiàn)出旁瓣回波、三體散射、中氣旋等典型雹暴特征，有助于做好強對流天氣的分類預(yù)警。

(5)風(fēng)暴的移動速度取決于環(huán)境風(fēng)場平均風(fēng)，有助于災(zāi)害性天氣落區(qū)的精細化預(yù)警。

(6)正閃頻次的增加和空間分布對辨別冰雹的出現(xiàn)和落區(qū)具有明顯的指示意義。

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Meso-micro Scale Characteristics About a Hailstorm in Central and Southern Hebei Province

ZHANG Nan1, CAO Xiaochong1, YAN Xuejin1, ZHANG Lixue2, PEI Yujie1

(1.HebeiMeteorologicalObservatory,Shijiazhuang050021,China;2.ShaheMeteorologicalBureauofHebeiProvince,Xingtai054100,China)

Based on the conventional sounding data at 08:00 BST and 14:00 BST, hourly wind field from automatic weather station from 08:00 BST to 20:00 BST and visible cloud images from FY-2E satellite with 1.25 km resolution, lighting data and 6-minutely Doppler radar in Shijiazhuang on 22 June 2014, the circulation background and characteristics of meso-scale system about a hailstorm weather process occurring in Shijiazhuang area of Hebei Province were analyzed, and the key points in refined forecasting of hailstorm were found. The results showed that the unstable stratification with the dry and cold air at the upper level and wet and warm air at the low level occurring in the southeast of cold vortex in upper level, was benefit to the hailstorm. The intrusion of dry and cold air and convergence line over boundary triggered the severe hailstorm. The arcus line around the convective cloud cluster which formed near the cold vortex and up rushing cloud top on visible images was conductive to determine the evolution of convective cloud, which had some certain reference for short-term warning. The strong vertical wind shear before the severe convection weather was contributes to the development of multi-cell storm including the supercell storm, and the multi-cell storm with the typical hailstorm feature of side-lobe echo and three-body scattering was the direct influencing system of the hailstorm weather. The storm moved to the right side of the steering flow, and the velocity was approximately equal to the mean environmental wind, which provided reference for the refined warning of hail area. The number of positive lightning significantly increased when the hail occurred, and the spatial distribution of positive lightning was corresponding to the radar echo and hail path, which had better early warning indication and was useful complement for the radar classification warning.

hail; supercell; visible images; lightning; refined warning

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0693

2016-02-05；改回日期：2016-04-01

中國氣象局預(yù)報員專項(CMAYBY2015-005)和河北省氣象局強對流創(chuàng)新團隊項目共同資助

張南(1980- )，女，河北豐南人，高級工程師，主要從事天氣預(yù)報業(yè)務(wù)與相關(guān)科研工作. E-mail:zn2000_nan@aliyun.com

1006-7639(2016)-04-0693-07DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0693

P458.1+21.2

A

張南，曹曉沖，閆雪瑾，等.冀中南地區(qū)一次冰雹天氣的中小尺度特征[J].干旱氣象，2016，34(4)：693-699, [ZHANG Nan, CAO Xiaochong, YAN Xuejin, et al. Meso-micro Scale Characteristics About a Hailstorm in Central and Southern Hebei Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):693-699],