一次典型的極端強(qiáng)對(duì)流天氣的診斷分析

柴曉玲　王一文　張碩　翟麗　李艷　徐爽

摘要：利用LD-2型閃電定位系統(tǒng)提供的云地閃資料、FY-2E靜止氣象衛(wèi)星云圖資料、加密自動(dòng)站和Micaps常規(guī)觀測(cè)資料，應(yīng)用天氣動(dòng)力學(xué)和物理診斷分析方法，針對(duì)2013年8月4～5日遼寧地區(qū)一次典型的極端性冰雹暴雨天氣的形成機(jī)制和特征進(jìn)行了一次較為全面的分析，結(jié)果表明：此次遼寧地區(qū)的冰雹暴雨過程是由于副熱帶高壓帶來的西南向的暖濕氣流和高空槽后，從貝加爾湖過來的偏北向的干冷空氣共同作用帶來的強(qiáng)對(duì)流天氣。（1）降雹前遼寧地區(qū)低層存在很強(qiáng)的暖平流，高低空溫差大，T850-T500>30℃，有很好的熱力不穩(wěn)定條件；（2）200 hPa的“V”型高空急流和500 hPa的西北中空急流帶來干冷空氣，與地面的輻合線相互耦合，形成有利的高低空動(dòng)力不穩(wěn)定配置條件；（3）降雹前CAPE值明顯增大，增幅達(dá)到2000 J/kg以上，CIN減小使對(duì)流更易觸發(fā)，位勢(shì)不穩(wěn)定能量加大，提供了能長(zhǎng)時(shí)間支撐雹塊的上升氣流，為過冷水滴的碰撞增長(zhǎng)提供有利條件，有助于大雹塊的生成；（4）0℃層和-20℃層分別在600 hPa和400 hPa之間，保證了在云中存在較厚的過冷卻水滴區(qū)，有利于雹塊撞凍增長(zhǎng)；（5）云中冷區(qū)超過暖區(qū)的兩倍，保證了所形成的雹塊在下降過程中不被融化；（6）通過中尺度分析，850 hPa切變前部，500 hPa中空急流和850 hPa低空急流相重疊的位置的后部，為此次冰雹落區(qū)，而高低空急流相重疊前部為強(qiáng)降水落區(qū)；（7）高空槽前產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)，西部山區(qū)地形的熱力環(huán)流和動(dòng)力強(qiáng)迫局地觸發(fā)形成降雹的初始回波，迎風(fēng)坡的抬升作用使局地強(qiáng)對(duì)流發(fā)生，入境積云的發(fā)展更強(qiáng)烈，有利于發(fā)生冰雹天氣，而強(qiáng)降水天氣多發(fā)生在中部平原地區(qū)；（8）暴雨中心在雹災(zāi)中心的位置更偏東偏北的地區(qū)；（9）降雹過程中正閃峰值在冰雹開始之前近半個(gè)小時(shí)左右，所以正閃比例的大幅提高對(duì)冰雹的產(chǎn)生有一定指示意義，而當(dāng)負(fù)閃比例很高時(shí)易產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。

關(guān)鍵詞：冷暖平流；0℃層；急流；地形；正負(fù)閃

中圖分類號(hào)： P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.20.056

冰雹俗稱雹子，有的地區(qū)叫冷子，夏季或春夏之交最為常見。它是一些小如綠豆、黃豆，大似栗子、雞蛋的冰粒。冰雹災(zāi)害是由強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)引起的一種劇烈的氣象災(zāi)害。它出現(xiàn)的范圍雖然較小，時(shí)間也比較短促，但來勢(shì)猛和強(qiáng)度大，并常常伴隨著狂風(fēng)、強(qiáng)降水、急劇降溫等陣發(fā)性災(zāi)害性天氣過程。中國(guó)是冰雹災(zāi)害頻繁發(fā)生的國(guó)家，冰雹每年都給農(nóng)業(yè)、建筑、通訊、電力、交通以及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因冰雹所造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾億元甚至幾十億元。因此，很有必要了解冰雹災(zāi)害時(shí)空動(dòng)蕩格局以及對(duì)冰雹的及時(shí)有效的預(yù)報(bào)預(yù)警，從而更好地防治冰雹災(zāi)害，減少生命財(cái)產(chǎn)損失。

冰雹來自對(duì)流特別旺盛的對(duì)流云（積雨云）中，云中的上升氣流要比一般雷雨云強(qiáng)，小冰雹是在對(duì)流云內(nèi)由雹胚上下數(shù)次和過冷水滴碰并而增長(zhǎng)起來的，當(dāng)云中的上升氣流支托不住時(shí)就下降到地面，大冰雹是在具有一支很強(qiáng)的斜升氣流、液態(tài)水的含量很充沛的雷暴云中產(chǎn)生的。每次降雹的范圍都很小，一般寬度為幾米到幾千米，長(zhǎng)度為20～30千米，所以民間有“雹打一條線”的說法。遼寧省冰雹分布趨勢(shì)是山區(qū)多于平原，內(nèi)陸多于沿海。

劉佳等對(duì)福建一次強(qiáng)冰雹天氣進(jìn)行分析后指出，假相當(dāng)位溫θse可以同時(shí)反映溫度和濕度的情況，高層和中低層θse的差值越大，層結(jié)就越不穩(wěn)定，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的可能性就越大；上干冷、下暖濕的大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)符合降雹的條件，并且上層大氣輻散，下層大氣輻合是判斷冰雹發(fā)生的重要特征。在分析了山東省一次冰雹過程后，王月蘭等指出，較強(qiáng)上升氣流是冰雹發(fā)展的重要條件，適宜的0℃層和-20℃層高度也是影響冰雹生長(zhǎng)的重要因子；上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展，不穩(wěn)定指數(shù)和不穩(wěn)定能量對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的指示意義都很大；冰雹出現(xiàn)前降雹區(qū)高空有明顯的冷平流和輻散場(chǎng)，低層有明顯的暖平流和輻合區(qū)。

1 資料選取

應(yīng)用2013年8月4～5日遼寧省閃電定位系統(tǒng)提供的云地閃資料，該系統(tǒng)由12個(gè)LD-2型閃電定位儀和一個(gè)中心數(shù)據(jù)處理總站組成，閃電定位精度為300 m，探測(cè)效率為95%。其他資料還有2013年8月4～5日Micaps實(shí)況常規(guī)觀測(cè)資料、加密自動(dòng)站資料和FY-2C靜止氣象衛(wèi)星云圖資料。

2 雹暴災(zāi)情服務(wù)概述

受高空槽影響2013年8月4日午后到傍晚，朝陽(yáng)市的北票（站號(hào)：54323），錦州市的義縣（站號(hào)：54334），阜新市（站號(hào)：54237）的阜蒙縣（站號(hào)：54237），依次出現(xiàn)了冰雹天氣，最大冰雹直徑2～3cm，雞蛋黃大小。阜蒙縣的化石戈、東梁、七家子、王府、佛寺、大板等地區(qū)受災(zāi)對(duì)象主要有玉米、雜糧、烤煙、蔬菜、樹木等。玉米、谷子、尖椒等作物被冰雹打成桿狀，20～30 cm樹木折斷200棵。受災(zāi)面積3832公頃，成災(zāi)面積2021公頃，絕收1187公頃。

強(qiáng)降水天氣過程開始時(shí)間為8月4日19 時(shí)前后，遼寧省61個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站中57個(gè)站有降雨，全省平均降雨量14 mm，最大降雨量出現(xiàn)在丹東市區(qū)為103 mm。撫順、鐵嶺降暴雨，降雨量為57～63 mm；沈陽(yáng)南部及莊河、桓仁、東港、開原降大雨，降雨量為27～45 mm；朝陽(yáng)西北部無(wú)降雨；其他地區(qū)降小雨到中雨。全省1576個(gè)省級(jí)自動(dòng)站中，有41個(gè)站大于50 mm，最大降雨量出現(xiàn)在東港的山城村為123 mm。暴雨中心在雹災(zāi)中心的位置更偏東偏北的地區(qū)（見圖1）。此次強(qiáng)降水過程，共發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號(hào)5次，暴雨橙色預(yù)警信號(hào)22次，暴雨黃色預(yù)警信號(hào)14次，遼寧省國(guó)土資源廳和遼寧省氣象局聯(lián)合發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警32次。

3 大尺度環(huán)流形勢(shì)特征

冷渦天氣系統(tǒng)可造成兩類災(zāi)害性天氣：一類是強(qiáng)降水，另一類是冰雹、龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣，受地形約束，常相伴發(fā)生。此次過程雖然在700 hPa和850 hPa形成了閉合性氣旋，但是500 hPa沒有形成，所以此次過程主要是在高空槽向東南發(fā)展的背景下產(chǎn)生的。endprint

2013年8月4日午后到傍晚，在渦度平流的垂直時(shí)間剖面圖上（見圖2）可以看出200 hPa存在負(fù)渦度平流急速增大的現(xiàn)象，說明此時(shí)高空槽急速發(fā)生發(fā)展造成強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生。

8月4日08 時(shí)～20時(shí)在500 hPa的環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)上（圖略），40°N以南太平洋副熱帶高壓略微西伸南壓；貝加爾湖東側(cè)大興安嶺西側(cè)為一較為穩(wěn)定的北支槽，遼寧省西側(cè)至太行山脈有一南支槽，槽后存在一冷中心，強(qiáng)度為-12℃，槽前在朝鮮半島存在一暖中心，中心強(qiáng)度為4℃，冷平流很明顯；等溫線和等高線的交角變大，斜壓性增強(qiáng)；西北急流建立；北支槽東移發(fā)展與南支槽合并，進(jìn)入遼寧地區(qū)。5日08 時(shí)高空槽壓到遼寧省中部地區(qū)，5日20時(shí)移出遼寧省地區(qū)。綜上此次遼寧地區(qū)的冰雹暴雨過程是由于副熱帶高壓帶來的西南向的暖濕氣流和高空槽后從貝加爾湖過來的偏北向的干冷空氣共同作用帶來的強(qiáng)對(duì)流天氣。

在850 hPa的環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)（圖略）上，與500 hPa環(huán)流特征相比，4日08時(shí)位于遼寧省西北側(cè)的槽南北向的一段同位向疊加，東北—西南向的一段槽明顯前傾，形成了強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定能量，對(duì)強(qiáng)對(duì)流的形成和產(chǎn)生提供了有利的能量條件。除此之外，在850 hPa環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)上有一明顯的溫度脊伸向遼寧西北部。與500 hPa環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)形成了上冷下暖的不穩(wěn)定配置，提供了有力的動(dòng)力條件。

高低空急流從遼寧西南部指向黑龍江?。ㄒ妶D3），850 hPa低空急流入口和500 hPa急流出口相交。由此可得，850 hPa切變前部，500 hPa中空急流和850 hPa低空急流相重疊的位置的后部，為此次冰雹落區(qū)，而高低空急流相重疊前部為強(qiáng)降水落區(qū)。

4 有利于產(chǎn)生冰雹天氣的局地氣象條件特征

4.1 溫度平流

降雹前遼寧地區(qū)低層暖濕平流，高空存在很強(qiáng)的干冷平流高低空溫差大，T850-T500>30℃，有很好的熱力不穩(wěn)定條件（見圖4）。在700～1000 hPa之間比濕都比較大，比濕中心值達(dá)18 g/kg，存在厚的濕層，水汽條件很好，上干下濕分界線大概在700 hPa附近，有利于冰雹等強(qiáng)對(duì)流單體的生成。

4.2 對(duì)流有效位能和對(duì)流抑制能量

4日08時(shí)的T-logp圖上與北票相近的錦州上空在550 hPa以下全為不穩(wěn)定區(qū)，并且在600 hPa以上全為過冷水滴，肖沃特指數(shù)SI=12℃，K指數(shù)17℃，對(duì)流有效位能Cape=1984 J/kg（見圖5），這些指標(biāo)都表明大氣層結(jié)很穩(wěn)定，蘊(yùn)有大量的位勢(shì)不穩(wěn)定能量，但濕區(qū)太薄了，沒有足夠的水汽（見圖3），整層都很干。到了20時(shí)，雖然水汽仍然不理想，但在0℃層和-20℃層的水汽還可以，零度線仍在600hPa以下，其以上全為冰相層，適宜雹云的發(fā)生發(fā)展。肖沃特指數(shù)SI=-2℃，有發(fā)生雷暴的可能性；K指數(shù)達(dá)到33℃，出現(xiàn)分散雷暴的可能性較大；Cape值增加為4050 J/kg，位勢(shì)不穩(wěn)定能量繼續(xù)加大，提供了充足的上升氣流，為過冷水滴的碰撞增長(zhǎng)提供有利條件，有助于大雹塊的生成。同時(shí)阜蒙地區(qū)的冰雹開始，遼寧省東南部的強(qiáng)降水過程也開始了。整個(gè)過程局地性強(qiáng)，為不穩(wěn)定性降水。

降雹前CAPE值明顯增大，增幅達(dá)到2000 J/kg以上，CIN減小使對(duì)流更易觸發(fā)，位勢(shì)不穩(wěn)定能量加大，提供了能長(zhǎng)時(shí)間支撐雹塊的上升氣流，為過冷水滴的碰撞增長(zhǎng)提供有利條件，有助于大雹塊的生成；

4.3 0℃層和-20℃層高度

0℃層和-20℃層分別是云中冷暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區(qū)下界，是表征降雹時(shí)雹云特征的重要參數(shù)。此次降雹過程0℃層和-20℃層分別在600 hPa和400 hPa之間，保證了在云中存在較厚的過冷卻水滴區(qū)，有利于雹塊撞凍增長(zhǎng)。若認(rèn)為在探空曲線上的抬升凝結(jié)高度LCL代表雹云的云底，平衡高度EL代表雹云的云頂，H0代表0℃高度，則取H+和H-代表暖云和冷云的云層厚度：H+= H0-LCL，H-= EL-H0，計(jì)算得出云中冷區(qū)超過暖區(qū)的兩倍，保證了所形成的雹塊在下降過程中不被融化。

4.4 強(qiáng)上升區(qū)

8月4日08時(shí)，遼寧西部地區(qū)處于700 hPa槽后大尺度下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，最大下沉中心在850～700hPa之間（見圖6），中心值達(dá)9m/s，這種大范圍的下沉氣流抑制了強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前不穩(wěn)定能量的過早釋放，為颮線天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利的能量?jī)?chǔ)備。

5 多地降雹的抬升觸發(fā)機(jī)制探討

遼寧省屬于東西部為山區(qū)，中部為平原的地形。西部山區(qū)很容易因?yàn)榈匦螐?qiáng)迫抬升成為雹暴發(fā)生的觸發(fā)機(jī)制。8月4日下午，全省地區(qū)晴空少云，通過分析加密自動(dòng)站的氣象要素發(fā)現(xiàn)，由于下墊面受熱不均勻，西部山區(qū)升溫較快，有利于形成局地環(huán)流，為冰雹云的發(fā)展提供了有利的熱力不穩(wěn)定條件。降雹的初始回波是在西部山區(qū)地形的熱力環(huán)流和動(dòng)力強(qiáng)迫下局地觸發(fā)的。朝陽(yáng)的北票地區(qū)于下午4日15時(shí)左右開始降雹，北票本站也達(dá)到了32℃，區(qū)域自動(dòng)站溫度更高，此時(shí)朝陽(yáng)地區(qū)剛發(fā)過高溫預(yù)警。午后地面溫度達(dá)到對(duì)流溫度臨界值使地面暖氣團(tuán)自由上升，從而產(chǎn)生初始對(duì)流回波。在達(dá)到熱力對(duì)流的條件下，地面中尺度輻合線和露點(diǎn)鋒對(duì)局地大暴雨伴多次冰雹天氣的發(fā)生有加強(qiáng)觸發(fā)作用。有利于雹暴單體新生、合并或從母體中分裂，構(gòu)成多單體組成的雹暴群（見圖8），給多地帶來冰雹天氣。在積云東移過程中受地形影響于遼寧中部平原地區(qū)產(chǎn)生大暴雨天氣。北票市是一個(gè)“七山一水二分田”的丘陵山區(qū)，境內(nèi)四周高，中間低，西北綿亙大青山脈，主要山峰平頂山，海拔1074m；南部為起伏的松嶺山脈；中部為海拔200m左右的低丘。在冰雹發(fā)生時(shí)，由加密自動(dòng)站的風(fēng)向風(fēng)速（見圖7）可以看出北票市的北邊為東北風(fēng)，南邊為西南風(fēng)，這樣的地理形勢(shì)造成了，從兩個(gè)方向來的氣流都有上下坡作用，西北部的氣流尤為明顯，使得迎風(fēng)坡的抬升作用對(duì)局地強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、入境積云的發(fā)展作用更強(qiáng)烈。

6 強(qiáng)雷電正負(fù)閃活動(dòng)特征endprint

在雷達(dá)拼圖上，當(dāng)產(chǎn)生冰雹的回波單體出現(xiàn)之前，正閃一般都會(huì)提前出現(xiàn)，這次降雹過程中正閃峰值在冰雹開始之前近半個(gè)小時(shí)左右，所以正閃比例的大幅提高對(duì)冰雹的產(chǎn)生有一定指示意義，在冰雹發(fā)生前負(fù)閃占總閃的比例從40%以下迅速提高到80%以上；而在夜間當(dāng)以強(qiáng)降水為主時(shí)，負(fù)閃所占的比例則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正閃（見圖9）。綜上可得：當(dāng)正閃比例很高時(shí)易產(chǎn)生冰雹天氣，當(dāng)負(fù)閃比例很高時(shí)易產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。

7 結(jié)論

綜上所述，此次遼寧地區(qū)的冰雹暴雨過程是由于副熱帶高壓帶來的西南向的暖濕氣流和高空槽后，從貝加爾湖過來的偏北向的干冷空氣共同作用帶來的強(qiáng)對(duì)流天氣。

降雹前遼寧地區(qū)低層存在很強(qiáng)的暖平流，高低空溫差大，T850-T500>30℃，有很好的熱力不穩(wěn)定條件；200 hPa的“V”型高空急流和500 hPa的西北中空急流帶來干冷空氣，與地面的輻合線相互耦合，形成有利的高低空動(dòng)力不穩(wěn)定配置條件； 降雹前CAPE值明顯增大，增幅達(dá)到2000 J/kg以上，CIN減小使對(duì)流更易觸發(fā)，位勢(shì)不穩(wěn)定能量加大，提供了能長(zhǎng)時(shí)間支撐雹塊的上升氣流，為過冷水滴的碰撞增長(zhǎng)提供有利條件，有助于大雹塊的生成；0℃層和-20℃層分別在600hPa和400hPa之間，保證了在云中存在較厚的過冷卻水滴區(qū)，有利于雹塊撞凍增長(zhǎng)；云中冷區(qū)超過暖區(qū)的兩倍，保證了所形成的雹塊在下降過程中不被融化；通過中尺度分析，850hPa切變前部，500 hPa中空急流和850hPa低空急流相重疊的位置的后部，為此次冰雹落區(qū)，而高低空急流相重疊前部為強(qiáng)降水落區(qū)；高空槽前產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)，西部山區(qū)地形的熱力環(huán)流和動(dòng)力強(qiáng)迫局地觸發(fā)形成降雹的初始回波，迎風(fēng)坡的抬升作用使局地強(qiáng)對(duì)流發(fā)生，入境積云的發(fā)展更強(qiáng)烈，有利于發(fā)生冰雹天氣，而強(qiáng)降水天氣多發(fā)生在中部平原地區(qū)；暴雨中心在雹災(zāi)中心的位置更偏東偏北的地區(qū)；降雹過程中正閃峰值在冰雹開始之前近半個(gè)小時(shí)左右，所以正閃比例的大幅提高對(duì)冰雹的產(chǎn)生有一定指示意義，而當(dāng)負(fù)閃比例很高時(shí)易產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。

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作者簡(jiǎn)介：柴曉玲，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：短時(shí)天氣預(yù)報(bào)。

通訊作者：王一文，碩士，助理工程師，研究方向：短臨預(yù)報(bào)。endprint