2017年早春濮陽市一次冰雹過程診斷分析

王春玲，崔 力，杜麗婭，劉 偉，王 聰

(濮陽市氣象局，河南濮陽 457000)

冰雹是一種嚴重的災(zāi)害性天氣，常和雷暴大風(fēng)、短時強降水等相伴出現(xiàn)，因發(fā)生迅速、強度大、致災(zāi)性強、預(yù)報預(yù)警難度大，備受氣象工作者的重視。許多氣象科研工作者[1-5]對冰雹產(chǎn)生的機理進行了研究，但地域、發(fā)生季節(jié)不同，形成機理也有差異。濮陽地區(qū)4月出現(xiàn)的冰雹個例很少，也沒有更多針對4月冰雹的預(yù)報指標，因此有必要加強分析與積累此類個例。利用常規(guī)高空、地面氣象資料，鄭州站探空訂正資料，濮陽氣象站實況資料，濮陽和鄭州新一代多普勒雷達資料等，對2017年4月13日下午發(fā)生在濮陽市的一次雷暴大風(fēng)、冰雹等強對流天氣過程進行綜合分析，尋找其產(chǎn)生的機制，得到一些經(jīng)驗指標，為今后此類天氣的預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 過程概況

2017年4月13日近17時，濮陽市自西向東先后出現(xiàn)了瞬時風(fēng)速達8～9級的雷暴大風(fēng)、局地冰雹天氣。過程降水量不足20 mm，冰雹主要出現(xiàn)在濮陽市區(qū)和濮陽縣境內(nèi)，直徑達2～3 cm，早春時節(jié)出現(xiàn)如此強烈的強對流天氣，實屬罕見。濮陽市所轄管的5縣測站降水、大風(fēng)實況見表1。

表1 2017-04-13濮陽市各縣降水、大風(fēng)實況

2 大尺度環(huán)流背景與影響系統(tǒng)

2.1 大尺度環(huán)流背景

13日08時500 hPa等壓面(圖略)上，歐亞地區(qū)中高緯度為一槽一脊，環(huán)流經(jīng)向度較大，低槽位于140 °E附近，高壓脊位于烏拉爾山到我國新疆地區(qū)，脊前多下滑槽東移南下影響我國大部地區(qū)。

2.2 影響系統(tǒng)

13日08時高空和14時地面綜合分析圖(圖1，圖見第33頁)上，中低層在河套西北部有下滑槽，槽后有冷平流，有利于低槽發(fā)展。河套以東到山西東部也有一低槽，槽線相距較近，說明系統(tǒng)深厚。850 hPa等壓面上，山西東部為低槽，槽前有一支8～10 m/s的西南風(fēng)顯著風(fēng)速帶，低層有暖濕氣流向華北輸送，華北地區(qū)為暖脊，濮陽處于山西槽前顯著風(fēng)速帶上，受12 ℃暖中心控制。陜西、山西為t-td≤5 ℃的濕區(qū)，河北和河南大部為t-td≥15 ℃的干區(qū)，山西東南部有露點鋒存在。700 hPa等壓面上，山西、河北中南部、河南北部為t-td≤6 ℃的濕區(qū)，陜西中部為t-td>14 ℃的干區(qū)，與850 hPa的干濕區(qū)錯位疊加，在山西中南部有露點鋒存在，說明低層在水平和垂直方向上干濕分布極不均勻，大氣極不穩(wěn)定，易引發(fā)對流。500 hPa等壓面上，華北地區(qū)為-23 ℃的冷中心，疊加在850 hPa 12 ℃暖中心之上。高層冷平流、低層暖平流導(dǎo)致溫度垂直遞減率很大，850 hPa與500 hPa的溫度差在33 ℃以上，其中邢臺站高達35 ℃，濮陽處在極不穩(wěn)定區(qū)，易出現(xiàn)成片雷暴[6]。甘肅到河南西部有20 m/s以上的西北風(fēng)中空急流，甘肅省內(nèi)有24 m/s以上的西北風(fēng)中空急流軸，有利于雷暴大風(fēng)天氣的發(fā)生發(fā)展[7]。200 hPa等壓面上，陜西南部、河南南部到安徽西部有風(fēng)速達80 m/s的偏西風(fēng)急流核。該急流核與500 hPa 24 m/s的西北風(fēng)急流交叉匯合于河南西部，濮陽處于急流匯合點的東北方約3個緯度處，同時位于200 hPa高空急流核出口區(qū)左側(cè)的輻散區(qū)。高空輻散、中低層輻合的有利形勢，引起強烈的上升運動[1]，有利于上升氣流和對流云的維持和加強[7]。

地面圖上，蒙古低壓南伸至我國湖北一帶。在低壓控制區(qū)中，中蒙邊境到河套西北部和河北東部到山西南部分別有一條地面輻合線。隨著低壓的發(fā)展，輻合線加強并東移南壓，南壓過程中所形成的強烈輻合抬升是強風(fēng)暴發(fā)生的動力觸發(fā)機制[2]。

綜上分析，在高空系統(tǒng)東移南壓過程中，河套西北部的下滑槽與河套以東的低槽合并加強東移，槽前暖平流產(chǎn)生的輻合上升運動增加了大氣的不穩(wěn)定性，增強了輻合上升運動。地面蒙古低壓南下過程中低壓槽發(fā)展，地面輻合線加強，增強了動力抬升作用，觸發(fā)了13日下午的強對流天氣。

3 層結(jié)分析

用濮陽站13日14時氣溫和露點溫度訂正鄭州13日08時探空圖(圖2，圖見第33頁)。從圖2可以看出，露點曲線與層結(jié)曲線呈現(xiàn)“上干冷、下暖濕”的不穩(wěn)定特征。濕對流有效位能CAPE值由08時的61.6 J/kg增大到453 J/kg，而對流抑制有效位能CIN卻由08時的481.6 J/kg減小到102 J/kg，發(fā)生強對流天氣的潛勢增大。θse(850-500)為 0.4 ℃，說明存在濕對流不穩(wěn)定，對流抬升指數(shù)LI為-2.4 ℃，有利于對流抬升。0～2 km的垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s，0～6 km的垂直風(fēng)切變?yōu)?7.31 m/s，屬于中等以上強度，有利于強對流風(fēng)暴的組織發(fā)展[3]。抬升凝結(jié)高度在929 hPa，有利于對流產(chǎn)生。0 ℃層高度為2.864 km，-20 ℃層高度為5.534 km，高度偏低，這可能是因為4月氣溫低的緣故。850～500 hPa的溫度垂直遞減率為-0.84×10-2℃/m，大于正常大氣的溫度垂直遞減率，存在發(fā)生強對流天氣的潛勢。

本次過程各項物理量顯示，最有利于冰雹發(fā)生的條件是0～2 km和0～6 km較大的垂直風(fēng)切變和850 ～500 hPa較大的溫度垂直遞減率。

4 雷達回波特征

4.1 組合反射率因子和徑向速度

分析4月13日濮陽雷達組合反射率因子變化特征發(fā)現(xiàn)，在雷達探測范圍內(nèi)，12時之前濮陽上游無雷達回波；12時之后，由于氣溫升高，對流加強，加上太行山地形的抬升作用，在山西省南部(長治附近)到河南省西北部(林縣、安陽縣西部、鶴壁等地)不斷有回波生成，回波在東移的過程中，面積增大、強度增強，迅速發(fā)展為對流單體。

由于500、700 hPa低槽靠近河南北部，槽前暖濕氣流輻合上升，與地面輻合線的抬升作用相配合，在濮陽本地不斷有新回波生成。16:59(圖3，圖見第34頁)上游回波東移與內(nèi)黃、濮陽市西部生成的回波合并，形成塊狀多單體回波，回波強度最大值為63 dBz，分別位于內(nèi)黃南部和浚縣東部。相應(yīng)時刻組合反射率因子剖面圖上，濮陽雷達測站西南方20 km(內(nèi)黃南部)附近回波頂高為11 km，≥50 dBz的強回波伸展到8.5 km，≥60 dBz的強回波質(zhì)心距離地面0.5～2 km，強回波區(qū)隨高度向右傾斜，下方有弱回波區(qū)；在測站北方47 km的南樂附近≥60 dBz的強回波距離地面0.5～1.0 km，強回波質(zhì)心接近地面。同時次0.5°仰角速度圖上，濮陽地區(qū)有超低空急流，-24 m/s的入流中心經(jīng)過濮陽測站，此時位于濮陽市西部的濮陽縣、南樂、清豐、濮陽市區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)8級以上的瞬時雷暴大風(fēng)。

位于浚縣東部的回波在向東北方向移動的過程中加強。17:17(圖略)反射率因子最大中心強度增大到65 dBz，且強度63 dBz以上的強回波維持了5個體掃，此階段應(yīng)是雷暴云發(fā)展成熟時段，濮陽市區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)冰雹；對應(yīng)剖面圖上，因為冰雹已經(jīng)落地，≥50 dBz的強回波伸展高度降到7 km以下，≥60 dBz的回波質(zhì)心已經(jīng)觸及地面；同時次速度圖上，隨著回波向東南方向移動，在測站東南方向出現(xiàn)27 m/s的出流中心，它是由對流風(fēng)暴中的下沉氣流到達地面時產(chǎn)生的強烈輻散[4]，此時濮陽大部風(fēng)力已達9級。

之后，回波向東南移動過程中得到發(fā)展。17:59(圖4，圖見第34頁)濮陽縣境內(nèi)的對流單體中心強度加強為63 dBz并維持了5個體掃；同時次剖面圖上，對流單體頂部又伸展到11 km，≥50 dBz的強回波伸展高度再次達到8 km以上，≥55 dBz的強回波中心高度在1～6 km；在0.5°、1.5°、2.4°仰角的速度圖上，17:23—18:36在濮陽市區(qū)、清豐縣、濮陽縣、范縣、臺前2 km以下多地出現(xiàn)速度徑向輻合、低空急流及27 m/s的大風(fēng)區(qū)。其中，18:06—18:12在2.4°仰角速度圖顯示，濮陽縣慶祖鎮(zhèn)附近有-17 m/s和17 m/s的速度對，入流和出流中心相距不足10 km，維持了2個體掃，表現(xiàn)為弱中氣旋。速度圖上，在濮陽縣南部雷達自動識別有中氣旋，說明對流單體已經(jīng)發(fā)展成為超級單體。此對流單體于18:49移出濮陽。

以上雷達回波(第1時段回波)是由多個對流單體發(fā)展成的弓形回波，回波經(jīng)過濮陽市之后，在不穩(wěn)定的環(huán)境大氣中，加之河套北部的低槽下滑有新的冷空氣補充，觸發(fā)了新生雷暴或者加強了已有雷暴[5]。第1時段雷達回波還沒全部移出濮陽市，新的雷達回波(第2時段回波)在上游地區(qū)又開始發(fā)展。18:24，湯陰南部有對流云塊生成發(fā)展東移，18:43形成弓形回波，中心強度達到58 dBz，位于內(nèi)黃南部，回波前沿開始影響濮陽市西部。19:19(圖略)回波中心強度增強到63 dBz，位于濮陽縣境內(nèi)，維持了三個體掃；對應(yīng)時次組合反射率因子剖面圖上，最大回波頂高達13 km以上，≥50 dBz的強回波伸展高度達到9 km，≥60 dBz的強回波質(zhì)心高度分別在1～2 km 和6～8 km，出現(xiàn)回波懸垂和弱回波區(qū)；同時次 0.5°仰角速度圖上，在濮陽縣中南部慶祖有-24 m/s和24 m/s的速度對，表現(xiàn)為低層經(jīng)向輻合，濮陽市區(qū)、范縣也有弱的低層經(jīng)向輻合，濮陽市區(qū)、濮陽縣、范縣出現(xiàn)了8～9級雷暴大風(fēng)、局地冰雹。

19:31(圖略)回波中心強度進一步增強到65 dBz，位于濮陽縣中南部八公橋附近；對應(yīng)時次剖面圖上≥50 dBz的回波伸展高度為8.5 km，≥60 dBz的強回波質(zhì)心高度降低到0～1.5 km，觸及地面；同時次速度圖上在濮陽縣中南部有低層經(jīng)向輻合，此地出現(xiàn)9級大風(fēng)和冰雹。之后此對流單體向東南方向移動并減弱，于20:08移出濮陽。

4月13日的強對流天氣歷經(jīng)了4 h(16：00—20：00)，過程中有2個時段雷達回波影響，濮陽市大部分地區(qū)出現(xiàn)了平均風(fēng)力6～7級、陣風(fēng)8～9級的雷暴大風(fēng)和雷陣雨天氣，濮陽縣和濮陽市區(qū)的部分地區(qū)出現(xiàn)了直徑2～3 cm的冰雹。

圖1 2017-04-13T08 高空和14時地面綜合分析(文見第31頁2.2)

圖2 2017-04-13T08鄭州探空圖(用濮陽站14時氣溫和露點訂正，文見第31頁3)

4.2 垂直積分液態(tài)含水量

利用鄭州雷達資料，分析垂直積分液態(tài)含水量VIL演變特征。第1時段雷達回波剛生成時，VIL值不到30 kg/m2,之后增大，17:02和17:08兩個體掃雷達回波最強，達到 63 kg/m2；之后逐漸減弱，17:54減弱為33 kg/m2，18:00—18:17又加強為48 kg/m2，18:22開始減弱，隨后移出濮陽。第2時段回波剛生成時，VIL值不足5 kg/m2,之后增大，19:31和19:37兩個體掃VIL為53 kg/m2；之后逐漸減弱，19:48 VIL減弱為38 kg/m2，隨后移出濮陽。降冰雹前后的VIL值在50 kg/m2以上，最大值為63 kg/m2。

5 結(jié)論

(1)本次強對流天氣是在中低層低槽東移，地面輻合線南壓等大尺度系統(tǒng)影響背景下產(chǎn)生的；冰雹發(fā)生在低空西南暖濕氣流大風(fēng)速帶左側(cè)邊緣、高空80 m/s偏西風(fēng)急流核出口區(qū)左側(cè)、地面輻合線附近。

圖3 2017-04-13T16:59濮陽測站組合反射率因子、組合反射率因子剖面、徑向速度(圖中圓圈內(nèi)為強回波中心，文見第32頁4.1)

圖4 2017-04-13T17:59 濮陽測站組合反射率因子、組合反射率因子剖面、徑向速度(圖中圓圈內(nèi)為強回波中心，文見第32頁4.1)

(2)強對流發(fā)生前，華北地區(qū)850 hPa為暖脊，500 hPa為冷槽，形成了有利于強對流天氣發(fā)生的不穩(wěn)定層結(jié)；850、700 hPa干濕區(qū)錯位疊加及露點鋒的存在，說明低層在水平和垂直方向上干濕分布極不均勻。

(3)鄭州站訂正探空顯示，中等以上強度的垂直風(fēng)切變，有利于強對流風(fēng)暴的組織發(fā)展，深層的垂直風(fēng)切變構(gòu)成了冰雹產(chǎn)生的有利環(huán)境條件。

(4)多普勒雷達探測顯示，組合反射率因子圖上對流單體中心強度達65 dBz，有超級單體生成；剖面圖上有弱回波區(qū)、回波懸垂出現(xiàn)，最大回波頂高13 km以上；速度圖上有低空和超低空急流、27 m/s的風(fēng)速大值區(qū)、及低層徑向輻合、弱中氣旋等；垂直積分液態(tài)含水量達63 kg/m2。