一次致災強降雹過程的形成機制分析

效文娟

摘 要：本文對發(fā)生在2015年7月18日的一次致災強降雹過程進行分析，在分析環(huán)流背景、熱力、動力、穩(wěn)定度條件的基礎上，結合新一代多普勒天氣雷達資料，探討此次致災強降雹的成因及發(fā)展。通過分析可知：500hPa處在低槽中，槽后有冷平流的輸送，地面冷空氣移動促使前方暖濕空氣抬升，可造成冰雹天氣；地面中尺度低壓內的輻合上升運動為此次降雹提供了很好的動力輻合抬升條件，并呈現(xiàn)明顯的“人”字形特征；上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結、合適的-20℃和0℃層高度、大的不穩(wěn)定能量均為此次過程提供了有利的成雹和降雹條件；小尺度對流單體的迅速生消、合并增長，發(fā)展成弓形回波，最終導致此次強降雹；強的回波中心、回波懸垂結構、徑向速度的中尺度輻合流場、垂直累積液態(tài)水含量和回波頂高均有利于產(chǎn)生冰雹。

關鍵詞：低槽型；中低壓；輻合線；-20℃和0℃層高度；不穩(wěn)定條件；雷達產(chǎn)品特征

中圖分類號：P458.121.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）22-0156-05

Formation Mechanism Analysis of a Disaster Induced Hail Process

XIAO Wenjuan

（Sanmenxia Meteorological Bureau，Sanmenxia Henan 472000）

Abstract： Based on the analysis of the circulation background， thermal， dynamic and stability conditions， and combined with the new generation Doppler weather radar data， this paper discussed the cause and development of a disastrous hailstorm on July 18， 2015. The analysis showed that 500hPa was in a low trough， cold advection was conveyed behind the trough， and the movement of cold air on the ground caused warm and humid air to rise in front of the trough， which could cause hail weather. The unstable stratification of upper dry-cold and lower warm-wet， the suitable height of - 20℃ and 0℃ layers， and the large unstable energy all provided favorable conditions for hail formation and hail fall； the rapid growth and disappearance of small-scale convective monomers， merging and growth， developed into bow echoes， eventually led to the strong hail fall； the strong echo center， echo suspension the vertical structure， the mesoscale convergent flow field of radial velocity， the vertical cumulative liquid water content and the echo top height were all favorable for hail formation.

Keywords： low trough；the mesoscale low pressure；convergence line；-20℃ and 0℃ layer height；stability condition；doppler radar product features

三門峽市位于河南省西部（簡稱豫西），大部分地區(qū)海拔高度為300～1 100m，氣候溫和，光照充足，年均降水650mm左右，是全國優(yōu)質烤煙最適宜種植區(qū)之一，也是全國無公害優(yōu)質蘋果生產(chǎn)基地。據(jù)統(tǒng)計，6—8月是三門峽市冰雹天氣的集中期，而6—8月剛好處于煙葉的旺長期，也是其他經(jīng)濟作物和農(nóng)作物的旺長期。此時，若發(fā)生雹災，將會造成慘重損失。近年來，眾多氣象學專家和基層工作者針對豫西地區(qū)的強對流天氣進行了諸多分析，展開了深入研究。陳紅霞[1]對2006年8月2日豫西地區(qū)一次冰雹天氣過程的多普勒雷達資料進行了分析，得出一些結論和經(jīng)驗指標。呂作俊[2]則利用三門峽市新一代多普勒天氣雷達資料，對2009年深秋發(fā)生在河南澠池縣的一次產(chǎn)生冰雹的超級單體風暴的回波結構及演變特征進行分析。呂作俊[3]利用2006—2009年冰雹的雷達產(chǎn)品資料分析了豫西丘陵地形對冰雹災害時空分布特征與落區(qū)的影響。本文對發(fā)生在2015年7月18日三門峽靈寶市朱陽鎮(zhèn)南部的一次致災強降雹過程進行分析，在分析環(huán)流背景、熱力、動力、穩(wěn)定度條件的基礎上，結合三門峽市CINRAD/SB多普勒天氣雷達資料，分析此次致災強降雹的成因。

1 致災強降雹的過程概述

2015年7月18日15：11—15：29，三門峽靈寶市朱陽鎮(zhèn)南部出現(xiàn)了大范圍冰雹天氣（見圖1），冰雹直徑約3cm，致使石坡灣村等七個行政村的玉米和煙田嚴重受災。據(jù)統(tǒng)計，受災面積約210hm2，受災人口約1 500人，經(jīng)濟損失達300萬元。

此次冰雹過程還伴隨在其相鄰的盧氏縣文峪鄉(xiāng)、湯河鄉(xiāng)出現(xiàn)短時強降水（1h降水量≥20mm）（見圖1）。強降水主要集中在16：00—18：00。過程降水量分別為68.7mm和18.8mm。

2 環(huán)流形勢分析

2.1 高空形勢演變分析

7月18日08：00 500hPa高空圖上，西風槽位于110°E附近，三門峽處于寬廣的低槽中，溫度槽落后于高度槽，槽后有冷平流。其后部有一個24h負變溫中心。未來此槽加深，有利于此次對流天氣動力條件的加強。700hPa圖上，三門峽市處在北支槽底部，未來24h內此槽穩(wěn)定少動。850hPa圖上，在18日08：00，三門峽處在反氣旋環(huán)流控制之下，低層仍為下沉運動，天空狀況有利于地面升溫。

實況表明，在14：00之前，三門峽市以多云天氣為主。從距離降雹區(qū)最近的靈寶觀測站逐3h氣溫演變（如圖2中的1線所示）來看，08：00—14：00，溫度呈上升態(tài)勢，在14：00最高氣溫為29.4℃，對大氣不穩(wěn)定能量的積累有一定的作用。低層增溫明顯，高層有冷平流入侵，有利于形成上冷下暖的對流不穩(wěn)定層結。

2.2 地面形勢演變分析

從靈寶觀測站逐3h氣壓演變來看（如圖2所示的2線），08：00—14：00氣壓下降，14：00之后氣壓明顯上升，預示著14：00—17：00，有冷空氣從華北西南下開始影響三門峽市。從單站風場變化（圖略）也可以看出，在13：00前后，靈寶站由西南風轉為東北風，預示著將受冷空氣影響。冷空氣對此次對流天氣的觸發(fā)有重要作用，冷空氣移動促使前方暖濕空氣抬升，為降雹等強天氣的發(fā)生發(fā)展提供了較好的熱力和動力條件[4]。

2.3 地面中尺度系統(tǒng)分析

從上述分析可以看出，在降雹區(qū)，上午氣溫為上升趨勢。從18日08：00—11：00的地面圖上（見圖3）可以看出，水平尺度不到100km的中尺度低壓系統(tǒng)，同時伴隨有兩條中尺度輻合線。在14：00前后，隨著冷空氣的入侵，在南北向輻合線附近，首先有對流單體的生成，并在中低壓處加強形成多單體風暴，出現(xiàn)冰雹。此后，南北向輻合線逐漸減弱消失，東西向輻合線在南移過程中有所加強，在盧氏縣出現(xiàn)了小范圍的短時強降水。地面中低壓內的輻合上升運動為此次降雹提供了良好的動力輻合抬升條件。

3 物理量分析

3.1 不穩(wěn)定條件

假相當位溫[θse]是反映溫度、氣壓和濕度的一個綜合物理量，可以利用其來分析大氣的熱力性質，表征大氣不穩(wěn)定條件。沿34.1°N繪制18日08：00[θse]的剖面（見4），發(fā)現(xiàn)在降雹區(qū)（110.7°E）附近，從700hPa開始，[θse]向上和向下都呈增加態(tài)勢，在500hPa和925hPa上有2個中心，中心值分別為53℃和68℃。說明在08：00，700hPa上已經(jīng)有冷空氣的入侵，有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)釋放。

3.2 水汽條件分析

水汽是強對流天氣發(fā)生的基本因子。雹暴內部含有大量水分，要求低層有足夠水汽供應，雹暴常形成于低層有濕舌或強水汽輻合的地區(qū)[5]。從比濕的垂直方向（沿34.1°N繪制比濕的垂直剖面）上（見圖5）來看，發(fā)現(xiàn)在降雹區(qū)（110.7°E）附近，18日14：00，中低層濕度條件較好，從地面到700hPa，是明顯的濕層，比濕為12～14g/kg，800hPa向下，延伸出一個濕舌，降雹區(qū)就處在濕舌處。而700hPa以上比濕隨高度迅速減小，400hPa以上比濕幾乎為0，這種上干下濕的結構有利于風暴的產(chǎn)生。

在水汽及穩(wěn)定度條件滿足的情況下，有時只要有低層的輻合就能觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，造成對流天氣。而此次降雹過程中，地面中低壓內的輻合抬升起了至關重要的作用。

4 探空資料分析

三門峽市無探空站，選取冷空氣路徑上的鄭州站（57083）和地面圖上南北向輻合線附近的西安站（57131）、安康站（57245）7月18日08：00的T-LogP圖（見圖6）進行分析。

首先分析鄭州站的T-LogP圖。鄭州站探空資料顯示，0℃層高度約在600hPa處，而-20℃層高度在400hPa，為冰雹的形成建立了有利的環(huán)境條件。合適的0℃層和-20℃層高度既保證了云體可以發(fā)展較高，有利于冰雹的形成，同時當雹塊長大下落時也不至于因暖層較厚而被融化成雨滴。

鄭州站具有“喇叭狀”形狀的、明顯的上干、下濕的對流性不穩(wěn)定層結，700hPa以下為明顯的濕層；700hPa以上為干層。

從925～250hPa，CAPE值非常大，約為1 458.6J/kg，同時低層的對流抑制能量幾乎為零。抬升凝結高度與對流凝結高度基本重合，在950hPa附近，有利于不穩(wěn)定能量的累積發(fā)展，最終產(chǎn)生強對流天氣。

強對流天氣都發(fā)生在不穩(wěn)定的大氣層結中，對流有效位能CAPE、K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、兩等壓面[θse]的差值[Δθse850-500]、兩等壓面的溫度的差值[ΔT850-500]，兩個等溫面間的厚度（-20℃層高度和0℃層高度的差距）等都是表征大氣不穩(wěn)定層結的參數(shù)。從表1可以看出，在18日08：00，三門峽市周邊大氣的-20℃層高度和0℃層高度分別在4 500m和7 500m，具備了冰雹形成的適宜的環(huán)境。三站的[Δθse850-500]均大于零，其中安康站最大，為20.16℃，說明此處氣層最不穩(wěn)定。各站的[ΔT850-500]在24℃以上，尤其是安康和西安站，其都在26℃以上。而且隨著高空冷平流的進一步加強和低空升溫效應，[ΔT850-500]將會繼續(xù)增加，向有利于不穩(wěn)定度加大的趨勢發(fā)展。K指數(shù)在08：00已出現(xiàn)大范圍33℃以上的區(qū)域，這也是不穩(wěn)定能量集聚。另外，安康和西安站的沙氏指數(shù)（SI）為-6℃

適宜的冰雹形成環(huán)境、不穩(wěn)定層結的建立和不穩(wěn)定能量的累計均為此次降雹提供了有利條件。

5 多普勒雷達資料分析

5.1 雷達回波演變特征

18日13：21，首先在靈寶、潼關和洛南三市交界處有回波單體生成，此回波加強到55dBz之后減弱，并略有東移。此時，在陜西華陰、潼關和洛南交界處又有強回波迅速生成發(fā)展，并分裂。分裂的單體東移，與之前減弱的回波合并，之后迅速在靈寶和洛南交界處發(fā)展，在14：46，中心強度達到60dBz（圖7（a）），但此時，回波主體（A）一直在洛南境內。

與此同時，在靈寶朱陽西南部也開始有回波單體成，并快速發(fā)展，到14：46，分中心達到55dBz（B）（圖7（a））。14：52，此強回波與位于洛南的回波有明顯合并的趨勢。到15：11（圖7（b）），發(fā)展成明顯的弓形回波，中心強度達到60dBz以上。預計此時出現(xiàn)冰雹，且出現(xiàn)在弓形回波的頂部和前部。中心強度為60dBz的回波約持續(xù)了18min。

從15：11的0.5°、1.5°和2.4°仰角基本反射率的垂直結構（見圖8）可以看出，在組合反射率圖上，回波強度最大的區(qū)域，低層回波弱，高層回波強，有明顯的回波懸垂特征。這也是冰雹出現(xiàn)的顯著特征。

在雷達回波演變過程中，還有一個重要特征：回波單體幾乎在圖3所示的地面中低壓附近的南北向輻合線兩側生成，在中低壓處加強，最終發(fā)展為弓形回波。隨著中低壓和兩條輻合線的生、消，雷達回波呈現(xiàn)出“人”字形的變化特征（圖略），而且冰雹出現(xiàn)在“人”字的頂端。同時，雷達圖上“人”字形回波的變化特征也反證了地面圖上中尺度低壓和輻合線的演變特征。

5.2 基本徑向速度產(chǎn)品特征

從15：11的0.5°、1.5°和2.4°仰角基本徑向速度產(chǎn)品上（見圖9）可以看出，在弓形回波的前部，速度場上為明顯的γ中尺度反氣旋式輻合流場。在弓形回波中部（即頂部）有明顯的速度輻合。反氣旋式輻合流場不利于風暴的長久維持，因此，中心強度為60dBz的回波約持續(xù)了三個體掃，即18min后就開始減弱。

5.3 垂直累積液態(tài)水含量和回波頂高

在系統(tǒng)移動加強過程中，回波強中心的垂直累積液態(tài)水含量（VIL）最大值達到53kg/m2；最強回波頂高（ET）達到12km以上。以上各項指標均有利于冰雹的產(chǎn)生。

6 結論

①此次冰雹發(fā)生在低槽中，是由冷空氣移動促使前方暖濕空氣抬升造成的。

②地面中尺度低壓內的輻合上升運動為此次降雹提供了很好的動力輻合抬升條件。

③上干下濕的不穩(wěn)定層結、合適的-20℃和0℃層高度、大的不穩(wěn)定能量均提供了有利的成雹和降雹條件。

④小尺度對流單體的迅速生消、合并增長，發(fā)展成弓形回波，最終導致強降雹。

⑤強的回波中心、回波懸垂結構、徑向速度的中尺度輻合流場、垂直累積液態(tài)水含量和回波頂高均有利于產(chǎn)生冰雹。

參考文獻：

[1]陳紅霞，呂作俊，姬鴻麗，等.豫西地區(qū)一次冰雹天氣多普勒雷達資料分析[J].氣象與環(huán)境科學，2007（3）：65-70.

[2]呂作俊，朱偉軍，牛淑貞，等.豫西深秋一次典型超級單體風暴的多普勒雷達分析[J].氣象與環(huán)境科學，2010（3）：33-40.

[3]呂作俊.豫西丘陵地形對冰雹災害落區(qū)的影響分析[J].河南科學，2013（12）：2232-2237.

[4]楊敏丁建芳.河南省冰雹時空分布及天氣形勢特征[J].氣象與環(huán)境科學，2015（1）：54-38.

[5]葉成志，唐明暉，陳紅專，等.2013年湖南首場致災性強對流天氣過程成因分析[J].暴雨災害，2013（1）：1-10.