黃土高原一次連續(xù)性強(qiáng)對流天氣分析

姚靜，井宇，趙強(qiáng)，李萍云

（陜西省氣象臺，陜西西安 710014）

黃土高原一次連續(xù)性強(qiáng)對流天氣分析

姚靜，井宇，趙強(qiáng)，李萍云

（陜西省氣象臺，陜西西安 710014）

利用常規(guī)觀測資料、自動站資料、榆林市CINRAD/CB多普勒天氣雷達(dá)觀測資料和NCEP1°×1°逐6 h再分析資料，對2014年6月29日、30傍晚發(fā)生在陜西榆林市黃土高原地帶的一次強(qiáng)對流天氣進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明：甘肅東部到陜西的低槽是此次強(qiáng)對流天氣直接影響系統(tǒng)，地面干線和輻合線觸發(fā)此次對流天氣；降雹區(qū)上空的垂直運(yùn)動較強(qiáng)，對流有效位能較大，低層充沛的水汽通量輸送明顯，水汽通量散度匯合在陜西北部、適宜的0℃、-20℃層高度，為強(qiáng)對流天氣的出現(xiàn)提供有利條件。三體散射長釘、超過8 km的50 dBz強(qiáng)回波區(qū)、中等強(qiáng)度渦旋、逆風(fēng)區(qū)都對冰雹天氣預(yù)警有較好的指示意義。

冰雹；診斷分析；雷達(dá)回波；三體散射

陜西北部為黃土高原，一般海拔在800～1300 m，占全省面積的45%，由于植被稀少，黃土層裸露，夏半年地面受較強(qiáng)的太陽輻射產(chǎn)生不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，與適宜的高空天氣系統(tǒng)上下結(jié)合，容易產(chǎn)生局地強(qiáng)對流天氣，冰雹天氣常常伴有雷雨、大風(fēng)，破壞力極大，經(jīng)常拔樹、倒屋、損害農(nóng)作物，破壞電力和交通，給當(dāng)?shù)厝嗣駧韲?yán)重的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。由于強(qiáng)對流天氣突發(fā)性強(qiáng)，空間尺度小，災(zāi)害性嚴(yán)重，在日常中短期業(yè)務(wù)預(yù)報中難以對其作出相對準(zhǔn)確的預(yù)報，因此強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測和臨近預(yù)報、預(yù)警成為氣象業(yè)務(wù)部門最為關(guān)心的關(guān)鍵問題。國內(nèi)外氣象工作者在這方面做了許多有益的工作。許新田等[1-9]對陜西、福建、內(nèi)蒙、新疆地區(qū)的強(qiáng)對流天氣的天氣形勢、環(huán)境場等進(jìn)行了分析，并提出一些預(yù)報預(yù)警的有益依據(jù)。周志敏等[10-14]對冰雹等強(qiáng)對流天氣的多普勒雷達(dá)產(chǎn)品特征進(jìn)行了細(xì)致的分析，指出高懸的強(qiáng)回波，有界弱回波區(qū)（BWER），高VIL值，超級單體等是發(fā)布冰雹預(yù)警的有利條件。趙俊榮等[15-22]研究指出，中尺度系統(tǒng)、地面輻合線等可以觸發(fā)對流天氣，干侵入、較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變、低層的輻合系統(tǒng)、較強(qiáng)的水汽輸送、不穩(wěn)定層結(jié)是強(qiáng)對流天氣發(fā)生的有利條件。這些研究揭示了強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展的機(jī)理，為預(yù)報預(yù)警提供了有效的依據(jù)。2014年6月29—30日在陜西北部發(fā)生連續(xù)2 d的強(qiáng)對流天氣，這次強(qiáng)對流天氣的特點(diǎn)如下，（1）大風(fēng)站次多、風(fēng)力大：全省共8個縣出現(xiàn)短時大風(fēng)，最大風(fēng)速府谷28 m/s。（2）冰雹直徑大，29日晚橫山縣高鎮(zhèn)冰雹達(dá)到了10 cm，橫山魏家樓鎮(zhèn)冰雹最大直徑達(dá)到8 cm，這在魏家樓鎮(zhèn)屬于歷史罕見的災(zāi)害天氣。（3）災(zāi)害嚴(yán)重，據(jù)陜西省民政廳報告，此次過程延安、榆林2市7個縣（區(qū)）7.3萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積1.08×105hm2，其中絕收3.9×103hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失1.3億元。本文將從天氣環(huán)流形勢、地面中尺度分析、物理量場、雷達(dá)回波特征等幾方面對本次強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行分析，以期對今后此類強(qiáng)對流天氣的預(yù)報服務(wù)工作有所助益。

1 資料和方法

本文通過分析常規(guī)觀測資料、自動站資料和榆林市CINRAD/CB多普勒天氣雷達(dá)觀測資料、NCEP1°×1°逐6 h再分析資料，應(yīng)用天氣學(xué)和物理量診斷分析方法，對2014年6月29—30日發(fā)生的強(qiáng)對流天氣，從動力、熱力等方面進(jìn)行診斷分析，從而揭示引起這次強(qiáng)對流天氣的成因；同時通過對雷達(dá)資料和產(chǎn)品的分析，揭示了陜北黃土高原地帶強(qiáng)對流天氣的雷達(dá)回波特征；為今后陜北黃土高原的冰雹天氣預(yù)警提供有利的參考依據(jù)。

2 天氣實(shí)況及特點(diǎn)

2014年6月29日15 ：00—23：00（本文均為北京時間）陜西榆林靖邊縣、榆陽區(qū)、橫山縣出現(xiàn)冰雹、強(qiáng)降水。其中橫山高鎮(zhèn)出現(xiàn)直徑10 cm的特大冰雹，魏家樓出現(xiàn)直徑8 cm的冰雹。導(dǎo)致玉米、葵花、蔬菜、瓜果等作物受災(zāi)，基礎(chǔ)設(shè)施遭受損毀。6月30日14：00—20：00陜西榆林、延安先后出現(xiàn)了冰雹、大風(fēng)、短時強(qiáng)降水襲擊（圖1）。其中宜川、子長、延川出現(xiàn)冰雹。米脂、清澗、安塞、延安、延長、富縣、洛川、府谷出現(xiàn)了短時大風(fēng)，最大風(fēng)速府谷28 m/s。清澗、子長、子洲、延安、富縣、延川、宜川境內(nèi)出現(xiàn)1 h內(nèi)大于20 mm的強(qiáng)降水。

3 天氣背景

500hPa天氣圖上（圖2a），甘肅—陜西—河北為深厚的冷槽，新疆東部伴有-12℃冷中心，冷空氣隨著脊前西北氣流不斷東移南下，影響河套地區(qū)。陜西上空2014年6月29—30日有深厚的冷槽過境，29日延安站溫度露點(diǎn)差達(dá)22℃，干冷空氣較強(qiáng)，冷槽是此次強(qiáng)對流天氣過程的高空主要影響系統(tǒng)。700 hPa天氣圖上（圖2b），29日08時、30日08時河套西部依然受偏西北氣流影響，但甘肅、寧夏溫度較高，使得陜西表現(xiàn)為暖平流影響，同時山東—山西—陜西有東南風(fēng)影響陜西，在陜西北部形成切變線。850 hPa天氣圖上，青藏高原上空為暖區(qū)，暖中心大于32℃，陜西中北表現(xiàn)為暖平流影響，延安站29日20時850 hPa與500 hPa溫差為29℃，連續(xù)2 d陜北均有切變線發(fā)展維持，且溫度露點(diǎn)差在3℃以下，濕度條件較好。

綜合以上分析，500 hPa高空槽前正渦度平流的動力強(qiáng)迫作用，對流層中層干冷空氣和低層較強(qiáng)的暖平流形成的上冷下暖不穩(wěn)定層結(jié)，地面上存在輻合線等觸發(fā)機(jī)制，最終導(dǎo)致了此次強(qiáng)對流天氣。

4 中尺度分析

4.1 地面干線與輻合線

當(dāng)?shù)孛婢哂幸欢ǖ奶龡l件時，有利于形成對流天氣。觸發(fā)此次對流的地面中尺度系統(tǒng)主要是地面干線和輻合線。6月29日地面氣壓場沒有明顯的變化，基本維持在1005～1 007.5 hPa之間。但是地面露點(diǎn)與風(fēng)場卻有顯著的變化。

分析地面自動站逐小時的露點(diǎn)和流場資料，6月29日14時內(nèi)蒙古西部到寧夏地面有輻合線存在，呈東北—西南走向，衛(wèi)星云圖上，在地面輻合線附近不斷有對流單體產(chǎn)生并東移南下，進(jìn)入河套地區(qū)。14：00之后，蒙古低槽逐漸南壓，寧夏位于低槽前，繼續(xù)生成新的輻合線，衛(wèi)星云圖上寧夏對流發(fā)展旺盛，逐漸形成中α尺度的對流云團(tuán)，隨著對流云團(tuán)的東移，陜西北部17：00也形成了準(zhǔn)南北向輻合線，該輻合線南北跨越5個緯距左右（圖3a）。此后，蒙古低槽繼續(xù)東移，進(jìn)入陜北，20：00寧夏陜西交界處地面干線繼續(xù)加強(qiáng)（圖3b），一直維持到22：00前后，衛(wèi)星云圖上在寧陜交界處有中β尺度云團(tuán)形成（圖4a～4c），影響陜北地區(qū)。另外，在29日20時地面流場上在陜西北部延安地區(qū)有強(qiáng)烈的輻合中心（圖3e），該輻合中心逐漸北抬，到了23：00陜西北部榆林-延安中部形成了準(zhǔn)南北向的輻合線（圖3f），幾乎為“人”字型，衛(wèi)星云圖20：00—22：00在輻合線所在區(qū)域的北端有β中尺度雹暴云團(tuán)形成，22：00發(fā)展到最強(qiáng)（圖4a～4c），此后逐漸減弱東移。22：00—23：00，在輻合線區(qū)域北端、中β尺度雹暴云團(tuán)所經(jīng)之處，在榆林橫山縣境內(nèi)形成特大冰雹，冰雹直徑10 cm。

2014年6月30日08時蒙古境內(nèi)有暖低壓存在，暖中心溫度30℃以上，低壓中心1000 hPa，此后暖低壓向南移動，穩(wěn)定在蒙古到陜西北部地區(qū)。隨著蒙古低壓的南移，陜西北部榆林地區(qū)14：00形成了密集的地面干線（圖3c），對應(yīng)衛(wèi)星云圖上，有中β尺度雹暴云團(tuán)從蒙古進(jìn)入陜北北部，此后云團(tuán)不斷發(fā)展，15：00—17：00發(fā)展到最強(qiáng)（圖4d～4f），自北向南影響陜西北部，地面干線也隨之迅速發(fā)展并南移，面積增大（圖3d），就在這一時段陜北8站出現(xiàn)短時大風(fēng)，3站出現(xiàn)冰雹。

圖2 2014年6月29日500 hPa（a）、700 hPa（b）形勢場和地面圖（c)）

5 熱力動力條件診斷分析

利用NCEP再分析資料、地面區(qū)域站實(shí)況，實(shí)況觀測資料對連續(xù)兩天的強(qiáng)對流天氣進(jìn)行垂直運(yùn)動、水汽、不穩(wěn)定等熱力動力條件進(jìn)行診斷分析。

5.1 垂直運(yùn)動

圖5a給出了6月29日08：00—30日14：00橫山、子長、子洲上空（37°～38°N，109°～110°E）的垂直速度隨時間演變情況。從天氣實(shí)況得知橫山、子洲、子長在6月29日20：00—23：30出現(xiàn)了冰雹和短時強(qiáng)降水天氣。從圖5a可以發(fā)現(xiàn)，29日20：00—30日 02：00該區(qū)域上空從900 hPa到300 hPa伴有深厚的上升運(yùn)動，存在三個疊加的上升運(yùn)動中心，22：00—23：00最強(qiáng)中心位于850 hPa，垂直速度達(dá)到-10×10-3hPa/s，此時正對應(yīng)橫山周邊強(qiáng)對流天氣發(fā)生時段。30日02：00之后700 hPa到200 hPa以上迅速轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動，風(fēng)停雨止。圖5b給出6月30日榆林、延安對流發(fā)生區(qū)域（36°～39°N，109°～111°E）的垂直速度隨時間演變情況。發(fā)現(xiàn)30日08：00—20：00強(qiáng)對流發(fā)生區(qū)域上空900 hPa～300 hPa垂直運(yùn)動非常強(qiáng)，在14：00前后800～700 hPa之間高達(dá)-30×10-3hPa/s，而這一區(qū)域的強(qiáng)對流正是發(fā)生在14：00—17：00前后，20：00整層基本轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動。強(qiáng)對流趨于結(jié)束，由于30日垂直運(yùn)動更強(qiáng)，因此影響范圍更大。

5.2 穩(wěn)定度條件

CAPE用來衡量熱力不穩(wěn)定程度，可以表征氣塊上升過程中因溫度差異形成的正浮力對氣塊所做的功[23]。分析6月29日，30日的CAPE值分布，可以看到CAPE在強(qiáng)對流發(fā)生前有一個不斷增大的過程，到了對流發(fā)生時迅速增大，對流減弱時，CAPE也隨之減小。反映了能量的積累和釋放過程。29日08時，陜北的榆林西部出現(xiàn)了CAPE的高值中心，吳起、安塞、靖邊地區(qū)CAPE值達(dá)到210 J/kg，到了14：00，陜北地區(qū)的CAPE顯著增大，范圍在250～ 450 J/kg，20時（圖6a），陜北依然維持CAPE的高能中心，其值在300～450 J/kg。據(jù)圖4a、4b、4c，雹暴云團(tuán)此后開始進(jìn)入橫山縣境內(nèi)，30日02時，CAPE達(dá)到了最強(qiáng)盛的時期（圖6b），榆林北部高能中心值為550 J/kg，中心值剛好位于橫山縣。根據(jù)陜西自動站，29日21：30—22：30，橫山魏家樓出現(xiàn)了10 cm冰雹，高鎮(zhèn)8 cm冰雹，榆陽區(qū)、橫山、子洲20：00—23：00降水量33～46 mm。此后CAPE迅速減小，對流也隨之減弱。6月30日14：00CAPE高值中心位于山西境內(nèi)，陜北地區(qū)的CAPE值在50～150 J/kg（圖6c），并不是很大，而到了20：00陜北CAPE躍增到300～350 J/kg以上（圖6d），就在這一時段陜北榆林、延安出現(xiàn)8站7級以上短時大風(fēng)，3站冰雹。隨著不穩(wěn)定能量的釋放，對流迅速減弱。

圖3 地面露點(diǎn)和地面流場

圖4 6月29日—30日FY2C紅外云圖

圖5 2014年6月29日08時—31日00時垂直速度演變

5.3 水汽條件

2014年6月29日20時—30日02時區(qū)域站的降水量實(shí)況顯示榆林北部128站出現(xiàn)降水，其中有12站降水量在25 mm以上，最大子洲馬叉站66.8 mm。29日20時榆林北部為水汽通量的大值中心，最大為6 g/（cm·hPa·s），水汽通量散度負(fù)值中心也集中在榆林北部，最大為-8×10-7g/（cm2·hPa·s）（圖7a）。6月30日08時—14時區(qū)域站共出現(xiàn)18站較弱的降水，最大18.5 mm，對應(yīng)30日08時700 hPa的水汽通量，可以看到陜西的榆林、延安地區(qū)在4～6 g/（cm·hPa·s），水汽通量散度負(fù)值區(qū)也比較小，最大僅為-1×10-7g/（cm2·hPa·s）（圖7b）。局地的水汽輻合是本次短時強(qiáng)降水的水汽來源。

5.4 靜態(tài)不穩(wěn)定層結(jié)

根據(jù)觀測分析最有利于降雹的0℃層高度約在700～600 hPa附近，-20℃層高度約在500～400 hPa附近[24]。在陜西榆林，根據(jù)預(yù)報經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)常用東勝探空站來替代，利用東勝、延安兩站的探空資料來分析6月29日、30日高空的探測資料，分析表1可以看到連續(xù)2 d東勝、延安上空的0℃層高度基本維持在600 hPa附近，即4350 m上下，這樣就為對流云伸展到較高的高度提供了有利條件，使得低層水汽通過垂直運(yùn)動可以達(dá)到這個高度，同時冰雹在下降的過程中，也不會因?yàn)榕瘜訙囟冗^高而消融。通過對比發(fā)現(xiàn)30日08：00東勝站的0℃層高度比29日的高出了371 m，說明了30日的暖層較29日厚一些，因此30日的冰雹直徑小于29日。-20℃層高度基本維持在400 hPa左右，即就是7400 m上下，這也滿足冰雹產(chǎn)生的有利條件。K指數(shù)是考慮氣層水汽條件的不穩(wěn)定指數(shù)，K指數(shù)越大，對流性越強(qiáng)[25]。表1可以看到29日20時K指數(shù)東勝、延安均為39，明顯大于30日的K指數(shù)，說明了29日夜間的不穩(wěn)定度大于30日白天，這也是29日的短時強(qiáng)降水量明顯大于30日的一個原因。

圖6 2014年6月29—30日CAPE分布（單位：J/kg）

圖7 水汽通量（實(shí)線），水汽通量散度（虛線），區(qū)域站降水量（陰影）分布

表1 東勝、延安探空站參數(shù)

圖8 2014年6月29日榆林雷達(dá)3.4°仰角反射率因子/dBz

6 特大冰雹雷達(dá)回波特征分析

從6月29日21：09榆林雷達(dá)仰角3.4°反射率因子圖上，可以看到穿越榆林雷達(dá)站的東北—西南方向，生成一環(huán)狀云帶A，尺度在120 km，寬10 km左右，同時在A的東南方向（相對于榆林雷達(dá)站的位置為210°，60 km）生成尺度在40 km左右的云團(tuán)B，兩個云系強(qiáng)度達(dá)到60 dBz（圖8a），從3.4°仰角速度圖上看到20：50—21：09兩個云區(qū)的南端出現(xiàn)小范圍的“逆風(fēng)區(qū)”，（圖9a）此后，云帶A繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，21：34，云帶A南端生成一尺度小于20 km的對流單體，強(qiáng)度大于65 dBz，有伴隨冰雹的“三體散射”回波特征（圖8b），橫山縣西北部降雹開始，從3.4°仰角速度圖上（圖9b），云帶A南端5 km主要為西南風(fēng)，退模糊后風(fēng)速達(dá)到-23 m/s，3 km以下有逆風(fēng)區(qū)發(fā)展，云團(tuán)B強(qiáng)回波處氣旋性輻合開始發(fā)展，剖面圖上60 dBz以上強(qiáng)回波高度為3 km左右。21：52云團(tuán)B南側(cè)1.5°以上仰角均出現(xiàn)“三體散射”長釘，22：10云團(tuán)B發(fā)展到最為強(qiáng)盛（圖8d），55 dBz以上的雹暴云團(tuán)面積加大，強(qiáng)回波中心向東南側(cè)傾斜，“三體散射”長釘繼續(xù)維持，并且長釘?shù)拈L度和寬度比前一時段加大，從反射率因子剖面圖上（圖10 a）看到60 dBz以上的強(qiáng)回波發(fā)展到8 km以上，超過了當(dāng)天的-20℃層高度，且0℃層高度適宜。同時在徑向速度剖面圖上可以看到，強(qiáng)回波處輻合強(qiáng)烈（圖10b），從3.4°仰角速度圖上看到（圖9d），云團(tuán)B南端有正負(fù)速度對存在，出現(xiàn)了中等強(qiáng)度渦旋。退模糊后，該地速度為18 m/s左右的旋轉(zhuǎn)速度，此時引發(fā)高鎮(zhèn)特大冰雹，直徑達(dá)10 cm，魏家樓冰雹8 cm，伴隨7級以上短時大風(fēng)和強(qiáng)降水天氣。22：29云團(tuán)B已經(jīng)移出橫山縣界，云團(tuán)A逐漸與云團(tuán)B南端相接，云團(tuán)A南端強(qiáng)回波迅速減弱，面積減小，3.4°仰角速度圖上A云團(tuán)南部開始出現(xiàn)輻散，低仰角也未出現(xiàn)輻合，橫山縣的強(qiáng)對流天氣趨于結(jié)束。

圖9 2014年6月29日榆林雷達(dá)3.4°徑向速度（m·s-1）

圖10 2014年6月29日22：10圖8d中直線處反射率因子剖面（a），徑向速度剖面（b）

7 結(jié)論

（1）此次強(qiáng)對流天氣過程影響系統(tǒng)為高空冷槽，對流層中低層伴有切變線，暖平流，在冷槽過境時加劇了不穩(wěn)定條件，地面有干線、輻合線等，有利于對流天氣的發(fā)展。

（2）地面中尺度特征分析發(fā)現(xiàn)，在地面輻合線附近不斷有對流單體產(chǎn)生并東移南下，進(jìn)入河套地區(qū)。蒙古低槽逐漸南壓，槽前不斷生成新的輻合線。同時地面干線隨著蒙古低壓南下，影響河套地區(qū)，在干線與輻合線附近發(fā)生了對流天氣。

（3）通過診斷分析發(fā)現(xiàn)，對流區(qū)上空的垂直運(yùn)動較強(qiáng)，并且有明顯的不穩(wěn)定能量堆積，水汽主要為局地水汽輻合靜態(tài)不穩(wěn)定層結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，適宜的0℃層高度與-20℃層高度為冰雹的碰并增長與降落提供了較好的條件。

（4）雷達(dá)回波分析發(fā)現(xiàn)此次對流過程的逆風(fēng)區(qū)有50 dBz以上的強(qiáng)回波中心，并且發(fā)展高度超過了-20℃層高度，在3.4°仰角看到中等強(qiáng)度的渦旋和速度對。冰雹過程伴隨“三體散射”長釘，中等強(qiáng)度的渦旋和逆風(fēng)區(qū)，這些都對強(qiáng)對流天氣的預(yù)報預(yù)警有較好的警示作用。

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Analysis of a Continuous Severe Convective Weather in the Loess Plateau

YAO Jing，JING Yu，ZHAO Qiang，LI Pingyun
（Shaanxi Meteorological Observatory，Xi’an 710014，China）

A strong convective weather in the Loess Plateau area of Yulin city in Shaanxi was conducted a comprehensive analysis by using conventional observation data，automatic station data，Yulin CINRAD/CB Doppler radar data and NCEP 1°1°six-hour reanalysis data.The weather occurred in the late afternoon on June 29th and 30th，2014.The results show that the low trough in eastern Gansu to Shaanxi is the direct affect system of the strong convective weather.The process was triggered by the surface dew-point and convergence line.The strong vertical movement over the hailarea，highconvectiveavailablepotentialenergy，thelowerabundantvaporflux transportations，the convergence of moisture flux divergence in northern Shaanxi and the suitable 0℃，-20℃level height provide favorable conditions for the occurrence of strong convective weather.The three-body scatter spike echo，more than 8 km of the strong echo region of 50 dBz，medium-intensity vortex，the upwind zone all have indicative significance in hail weather warning.

hail;diagnostic analysis;radar echo;three-body scatter

P458.1

B

1002-0799（2017）03-0055-10

姚靜，井宇，趙強(qiáng)，等.黃土高原一次連續(xù)性強(qiáng)對流天氣分析[J].沙漠與綠洲氣象，2017，11（3）：55-64.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.008

2016-12-14；

2017-03-13

陜西省氣象局預(yù)報員專項(xiàng)（2014Y-1）。

姚靜（1985-），女，工程師，主要從事短時預(yù)報研究。E-mail：271776884@qq.com