三門峽一次致災(zāi)冰雹過(guò)程的中尺度分析

郭 蘭

(三門峽市氣象局，河南三門峽 472000)

三門峽市地處豫西山區(qū)，每年都會(huì)出現(xiàn)不同程度的冰雹天氣，而且主要集中在夏季，此時(shí)正值蘋果、煙葉等經(jīng)濟(jì)作物的生長(zhǎng)期，冰雹往往會(huì)造成農(nóng)作物大面積的減產(chǎn)甚至絕收，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p失，對(duì)冰雹天氣的研究一直是預(yù)報(bào)預(yù)警工作的重中之重，如何提高局地性強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率一直是各個(gè)專家學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容。彭治班等[1]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)冰雹是在大尺度的環(huán)流背景下，由中尺度對(duì)流活動(dòng)發(fā)展的結(jié)果，熱力不穩(wěn)定決定了對(duì)流發(fā)展的強(qiáng)度。張小玲等[2]認(rèn)為，中β尺度深對(duì)流系統(tǒng)所需的上升運(yùn)動(dòng)是由局地對(duì)流有效位能CAPE 釋放的浮力抬升引起的。本文通過(guò)對(duì)三門峽市的一次強(qiáng)冰雹天氣過(guò)程的中尺度分析研究，揭示此次天氣過(guò)程的發(fā)生發(fā)展機(jī)理，為三門峽市的預(yù)報(bào)預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)工作提供支撐。

1 天氣實(shí)況

2017年7月10日17：30—20：00，三門峽市陜州區(qū)、澠池縣、盧氏縣、靈寶市先后出現(xiàn)強(qiáng)冰雹天氣，并伴有大風(fēng)和局地強(qiáng)降水，冰雹最大直徑在3 cm，極大風(fēng)速達(dá)26.5 m/s。此次天氣過(guò)程主要以冰雹和大風(fēng)為主，最強(qiáng)降雹出現(xiàn)在陜州區(qū)，出現(xiàn)時(shí)間主要集中在17：30—19：00，受強(qiáng)天氣影響當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)了氣溫驟降和風(fēng)力猛增的現(xiàn)象，氣溫降幅達(dá)11.3 ℃/h，風(fēng)速小時(shí)增幅為15.3 m/s。此次冰雹過(guò)程強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，影響范圍廣，各地受災(zāi)嚴(yán)重。

2 天氣系統(tǒng)配置

10日08時(shí)500 hPa和700 hPa天氣圖(圖略)上，三門峽市處于高空槽后的西北氣流中，西北風(fēng)風(fēng)速達(dá)到10～12 m/s。500 hPa溫度槽明顯落后于高度槽，等溫線與等高線交角近90°，槽后有強(qiáng)冷平流輸送。700 hPa有一個(gè)暖中心位于陜西與甘肅交界，且在三門峽上空有暖平流輸送，形成了上冷下暖的層結(jié)結(jié)構(gòu)，t850-500≥30 ℃，有很強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定存在。850 hPa上，陜西到甘肅一線有一切變線。10日20時(shí)500 hPa和700 hPa上三門峽市仍受西北氣流控制，850 hPa上切變線東移，恰好處于三門峽市上空，為輻合上升運(yùn)動(dòng)提供了有利的動(dòng)力條件。

地面圖上，從7日開(kāi)始三門峽市一直處于低壓帶中，連續(xù)出現(xiàn)35 ℃以上的高溫天氣，前期地面已經(jīng)積聚了大量熱能。10日11時(shí)在山西南部到陜西一帶已有地面輻合線產(chǎn)生，13時(shí)已經(jīng)有明顯對(duì)流云團(tuán)出現(xiàn)，且與地面輻合線位置基本一致。隨后在高空西北氣流的引導(dǎo)下，對(duì)流云團(tuán)向東南方向移動(dòng)。18時(shí)對(duì)流發(fā)展較為旺盛(圖1)，從圖1可明顯看到對(duì)流云團(tuán)在地面輻合線兩側(cè)發(fā)展。

紅線為地面輻合線圖1 2017-07-10T18地面風(fēng)場(chǎng)和紅外衛(wèi)星云圖

3 對(duì)流條件分析

3.1 強(qiáng)垂直風(fēng)切變

較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變是維持對(duì)流云團(tuán)內(nèi)強(qiáng)上升氣流的因素之一[3-5]，分析鄭州站探空曲線發(fā)現(xiàn)，10日08時(shí)，850～700 hPa風(fēng)向自下而上由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，低層的垂直風(fēng)切變很強(qiáng)，并且有暖平流存在。20時(shí)(圖2)，925～850 hPa風(fēng)向由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)，且暖平流范圍發(fā)展至850 hPa以下。此次過(guò)程中強(qiáng)垂直風(fēng)切變的長(zhǎng)時(shí)間維持是導(dǎo)致對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展旺盛并且持續(xù)的一個(gè)重要原因。

3.2 層結(jié)不穩(wěn)定度

假相當(dāng)位溫的分布能反應(yīng)大氣的溫濕能量分布，θse的高值區(qū)為高溫高濕區(qū)[4]。通過(guò)分析此次過(guò)程850 hPa的θse分布可以發(fā)現(xiàn)，10日08時(shí)有一346 K的能量中心位于四川東北部一帶，此時(shí)三門峽處于能量舌邊緣，θse值為338 K，不穩(wěn)定能量較弱；14時(shí)(圖3)能量中心增強(qiáng)至350 K，此時(shí)三門峽處于344 K的高能量舌中；20時(shí)三門峽市的θse一直維持在344 K。850 hPa和500 hPa的假相當(dāng)位溫差值可以表征兩個(gè)高度之間的層結(jié)穩(wěn)定度，θse(850-500)值越大，表明層結(jié)越不穩(wěn)定，從沿三門峽站(111.2°E,34.8°N)上空的假相當(dāng)位溫垂直剖面圖上可以看到(圖4)，10日14時(shí)的θse(850-500)達(dá)8 ℃，存在強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定，在500 hPa處有一個(gè)低值中心存在，直觀反映了中層冷空氣的入侵情況，非常有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生。

圖2 2017-07-10T20鄭州站上空T-lnp圖

圖3 2017-07-10T14假相當(dāng)位溫(單位為K，五角星為三門峽)

3.3 動(dòng)力抬升條件

大雹塊增長(zhǎng)的一個(gè)必要條件是要有可長(zhǎng)時(shí)間支撐雹塊的強(qiáng)上升氣流，描述熱浮力的物理量是對(duì)流有效位能CAPE[4]，因此對(duì)流有效位能越大，產(chǎn)生的上升氣流越強(qiáng)，所以在進(jìn)行冰雹診斷時(shí)，CAPE值是最有代表性的物理量。10日08時(shí)鄭州站探空測(cè)得的CAPE值為1 187.8 J/kg，此時(shí)CAPE值雖然對(duì)對(duì)流潛勢(shì)有一定的指示，但強(qiáng)度并不算很大，而14時(shí)的CAPE值迅速增大到了3 625 J/kg，產(chǎn)生冰雹的動(dòng)力抬升條件明顯增強(qiáng)。

圖4 2017-07-09T08—11T02三門峽站的假相當(dāng)位溫垂直剖面(單位為K，橫坐標(biāo)為世界時(shí))

3.4 水汽條件

水汽條件是產(chǎn)生對(duì)流天氣的必要條件。分析溫度露點(diǎn)差發(fā)現(xiàn)，在此次過(guò)程中，850～500 hPa三門峽及周邊地區(qū)大氣均處于干區(qū)中，而1 000～925 hPa三門峽市處于t-td≤4 ℃的高濕區(qū)內(nèi)，只有近地層水汽條件較好，這種近地層較濕，低層較干，中高層更干的水汽條件配置對(duì)冰雹的形成十分有利。由于濕層較為淺薄，所以此次對(duì)流天氣主要以冰雹和大風(fēng)為主。需要注意的是，此次過(guò)程中在河南省東部地區(qū)也存在不穩(wěn)定能量的發(fā)展，并且地面有較為明顯的輻合線，但是由于東部一帶925～700 hPa的大氣均處于干區(qū)中，沒(méi)有合適的水汽條件，所以并未出現(xiàn)明顯對(duì)流天氣。由此可見(jiàn)，在干對(duì)流環(huán)境中，同樣的不穩(wěn)定能量條件下，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生在邊界層的大濕區(qū)內(nèi)。

4 雷達(dá)資料分析

雷達(dá)資料可以清楚顯示中小尺度系統(tǒng)的演變情況。通過(guò)分析三門峽站的多普勒雷達(dá)資料發(fā)現(xiàn)，此次降雹過(guò)程主要是超級(jí)單體分裂以及重組加強(qiáng)產(chǎn)生的降雹，多個(gè)單體不斷的相互作用導(dǎo)致強(qiáng)回波持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

4.1 雷達(dá)回波參數(shù)特征

4.1.1 組合反射率因子演變 超級(jí)單體的初始回波產(chǎn)生于17：18。17：42回波中心強(qiáng)度以10 dBz/6 min的速度增至60 dBz(圖5a)，此時(shí)回波頂高達(dá)到了16 km，垂直累積液態(tài)含水量(VIL)達(dá)到了68 kg/m2。結(jié)合實(shí)況，此時(shí)該回波已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)冰雹。17：48回波增至最強(qiáng)，達(dá)到65 dBz。17：54在基本速度圖上出現(xiàn)了中氣旋(圖5b)，標(biāo)志著該風(fēng)暴單體發(fā)展至旺盛時(shí)期，隨后回波中心強(qiáng)度一直維持在65 dBz，并逐漸向南移動(dòng)。在該超級(jí)單體發(fā)展的過(guò)程中，在其西南側(cè)同時(shí)有局地回波生成并迅速加強(qiáng)，強(qiáng)中心發(fā)展至55 dBz。18：24該超級(jí)單體與其西南部的回波構(gòu)成了線狀多單體風(fēng)暴，線狀回波南端前側(cè)的回波單體呈環(huán)狀分布(圖5c)。隨后環(huán)狀回波在西北氣流的引導(dǎo)作用下向東南方向移動(dòng)并減弱，線狀回波單體發(fā)生了重組合并，在回波整體向東南方向移動(dòng)的過(guò)程中，上述超級(jí)單體發(fā)生減弱和增強(qiáng)交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，但強(qiáng)度遠(yuǎn)小于前期發(fā)展階段，20：30隨著系統(tǒng)能量的釋放，回波迅速減弱，此次過(guò)程強(qiáng)回波在三門峽境內(nèi)維持了近3 h。

4.1.2 中氣旋移動(dòng)特征 通過(guò)雷達(dá)基本徑向速度圖可以判斷氣流的輻合、輻散以及旋轉(zhuǎn)特征[6-7]。在此次過(guò)程中，從0.5°仰角的速度圖上可以看到，17：54開(kāi)始在三門峽境內(nèi)出現(xiàn)中氣旋(圖6a)，此時(shí)中氣旋強(qiáng)度相對(duì)較弱，在中氣旋的南部有一速度輻合(圖6a 中C1)存在，隨后中氣旋向著C1的方向移動(dòng)，18：18中氣旋與輻合C1合并且增強(qiáng)，18：24中氣旋(圖6b)的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到25.5 m/s，屬于強(qiáng)中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)在中氣旋西南側(cè)有一新的速度輻合(圖6b 中C2)形成，18：30 速度輻合C2增強(qiáng)，中氣旋向西南方向移動(dòng)，中氣旋的速度輻合區(qū)與C2基本連為一體(圖6c)，中氣旋速度達(dá)到27 m/s，在此次過(guò)程中，中氣旋的移動(dòng)方向基本沿著超級(jí)單體入流方向前部輻合區(qū)的位置移動(dòng)。

4.2 超級(jí)單體結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)特征

只有在合適的0 ℃層和-20 ℃層高度條件下才有利于冰雹的產(chǎn)生[7-8]。圖7為18：12風(fēng)暴核心的反射率因子垂直剖面，由圖可以看到，大于50 dBz的回波從近地層伸展至14 km處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)-20 ℃層高度(7.4 km)，大大增加了降大冰雹的概率。由于強(qiáng)烈的入流上升氣流，中高層回波呈現(xiàn)懸垂?fàn)顟B(tài)，并且有有界弱回波區(qū)BWER形成，回波頂位于反射率因子大梯度區(qū)之上。65 dBz強(qiáng)回波中心位于3 km以下，冰雹此時(shí)正在下降的過(guò)程中。

黑色圓圈區(qū)內(nèi)為中氣旋；C1、C2為速度輻合區(qū)圖6 2017-07-10三門峽多普勒雷達(dá)0.5°仰角徑向速度圖上的中氣旋移動(dòng)路徑(單位為m/s)

圖7 2017-07-10T18：12三門峽多普勒雷達(dá)風(fēng)暴核心的反射率因子(單位為dBz)垂直剖面

18：30為中氣旋發(fā)展最強(qiáng)的時(shí)刻，從基本徑向速度垂直剖面圖(圖8)可以看到，在3～12 km處存在一個(gè)中層徑向輻合區(qū)[9]，而且可以明顯看到兩個(gè)正負(fù)速度中心對(duì)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)速度最大，達(dá)到27 m/s，近地面的負(fù)速度達(dá)到15 m/s，結(jié)合實(shí)況，此時(shí)地面出現(xiàn)了大風(fēng)天氣。

黑色圓圈中為中層徑向輻合區(qū)圖8 2017-07-10T18：30三門峽多普勒雷達(dá)風(fēng)暴核心基本徑向速度(單位為m/s)垂直剖面

4.3 垂直累積液態(tài)含水量特征

在此次過(guò)程中垂直累積液態(tài)含水量VIL很好的指示了冰雹和大風(fēng)天氣的發(fā)生過(guò)程，從圖9可看到，17：36—17：42 VIL由28 kg/m2突然躍增到68 kg/m2，一個(gè)體掃的躍增量達(dá)40 kg/m2，此時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)冰雹天氣，此后強(qiáng)中心一直維持在60～70 kg/m2的高值范圍。18：30—18：36 VIL由68 kg/m2降至55 kg/m2，結(jié)合實(shí)況此時(shí)地面出現(xiàn)了極大風(fēng)速為15.9 m/s的大風(fēng)天氣。18：48 VIL再次躍增到68 kg/m2，18：48—19：06 VIL再次出現(xiàn)較為明顯的下降，實(shí)況為地面上18：52出現(xiàn)了極大風(fēng)速為18.5 m/s的大風(fēng)天氣。18：54后VIL迅速下降，降雹也隨之結(jié)束。由此可見(jiàn)，VIL的突然躍增意味著強(qiáng)冰雹天氣將要發(fā)生，強(qiáng)VIL的維持時(shí)間與冰雹的發(fā)生時(shí)間一致[9-10]，VIL的快速減小標(biāo)志著地面大風(fēng)天氣的開(kāi)始[11]，指示大風(fēng)天氣的VIL變化值遠(yuǎn)小于指示冰雹天氣的VIL變化值。

圖9 2017-07-10T17：30—T19：12三門峽雷達(dá)站垂直累積液態(tài)含水量(VIL)變化特征

5 小結(jié)

(1)此次冰雹過(guò)程是在高空強(qiáng)盛西北氣流背景下產(chǎn)生的，低層切變線為對(duì)流的發(fā)生提供了動(dòng)力條件，對(duì)流云團(tuán)均沿著地面輻合線發(fā)展。強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)和強(qiáng)垂直風(fēng)切變的長(zhǎng)時(shí)間維持是導(dǎo)致對(duì)流快速發(fā)展并且持續(xù)的重要原因之一。

(2)在干對(duì)流環(huán)境的不穩(wěn)定能量條件下，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生在邊界層高濕區(qū)內(nèi)。

(3)此次強(qiáng)冰雹過(guò)程主要由超級(jí)單體造成，從中氣旋的移動(dòng)路徑上來(lái)看，中氣旋的移動(dòng)方向基本沿著超級(jí)單體入流方向前部的輻合區(qū)移動(dòng)。

(4)VIL躍增和驟降的時(shí)間與冰雹和大風(fēng)發(fā)生的時(shí)間相對(duì)應(yīng)，指示大風(fēng)天氣的VIL變化值遠(yuǎn)小于指示冰雹天氣的VIL變化值。