高空冷渦強(qiáng)迫下連續(xù)降雹的環(huán)境場特征及成因診斷分析

趙岳冀

呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000

冰雹等強(qiáng)對流天氣是在一定的大尺度環(huán)流背景中，由各種物理?xiàng)l件相互作用形成的中尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果[1]。孫繼松等[2]分析了華東地區(qū)冷渦槽后類冰雹成因，指出強(qiáng)垂直風(fēng)切變、中低層強(qiáng)的溫度直減率、低層切變線、干線和地面輻合線是這類冰雹發(fā)生的有力的熱力和動力條件，給出了概念模型和相關(guān)的物理量閾值。但是對這種連續(xù)降雹天氣成因認(rèn)識不足，會造成對冰雹的漏報(bào)。因此，分析了2017年7月22—26日連續(xù)降雹天氣過程的特點(diǎn)、環(huán)流形勢及要素場特征及形成機(jī)理，提高對此類冰雹天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率提供有價(jià)值的參考。

1 天氣實(shí)況

2017年7月22—26日呼倫貝爾市大部出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣，造成大風(fēng)冰雹災(zāi)害。22—23日莫旗6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹天氣，并伴有短時(shí)雷暴大風(fēng)，其中尼爾基極大風(fēng)速達(dá)31.3 m/s，降水量15.8 mm，冰雹直徑在5～13 mm；鄂倫春旗4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹災(zāi)害，冰雹最大直徑60 mm，最長持續(xù)時(shí)間為30 min；23日阿榮旗部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)相繼遭受冰雹襲擊，并伴有雷暴大風(fēng)，降雹持續(xù)約15 min，降雹厚度約5 mm，最大冰雹直徑約15 mm；26日新左旗出現(xiàn)冰雹天氣，降雹持續(xù)20 min，伴有短時(shí)強(qiáng)降水，小時(shí)降水量24.5 mm，冰雹最大直徑達(dá)45 mm(人工觀測)，平均重量22 g，創(chuàng)歷史極值。

對冰雹發(fā)生區(qū)域逐3 h的閃電定位數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，冰雹發(fā)生區(qū)域閃電活動頻繁。其中，直徑達(dá)45 mm的冰雹落區(qū)中，負(fù)的閃頻數(shù)出現(xiàn)在降雹前20 min，正的閃頻數(shù)滯后于降雹發(fā)生時(shí)間，且相對集中。

2 天氣系統(tǒng)配置

分析2017年7月21—27日500 hPa歐亞平均高度場，歐亞中高緯上空為兩槽一脊的經(jīng)向環(huán)流，東亞大槽位于135°E附近。貝加爾湖東北部的冷渦的維持和發(fā)展是造成7月23、26日冰雹大風(fēng)天氣的主要天氣尺度系統(tǒng)，地面輻合線為中尺度天氣系統(tǒng)觸發(fā)條件[3]。22日形成于貝加爾湖東北部的冷渦，在渦后脊與補(bǔ)充南下的冷空氣推動下，低渦東移南壓，渦底伴隨有短波擾動。從溫度場的演變分析，22日08:00，500 hPa的-20.0 ℃閉合冷中心位于貝加爾湖的東北側(cè)，與冷渦相配合，23日08:00，從冷渦底部分裂出低槽，冷中心逐漸向西南擴(kuò)展，表明中高層有冷空氣向東北地區(qū)侵入，且有一支風(fēng)速為20.0 m/s的強(qiáng)西北風(fēng)急流，這支急流引導(dǎo)中層干冷空氣從中高緯度南下，為大氣對流不穩(wěn)定的產(chǎn)生提供了不穩(wěn)定條件。從圖1可以看到，26日08:00，700 hPa上呼倫貝爾市西部存在明顯的切變線，切變線南側(cè)對應(yīng)一支偏南風(fēng)急流，急流中心最大風(fēng)速為18.0 m/s。這支急流不僅提供了充足的水汽來源，還與高層南下的冷空氣相互作用，促進(jìn)了呼倫貝爾市西部大氣層結(jié)不穩(wěn)定的發(fā)展。同時(shí)，可以看到850 hPa降雹區(qū)始終被暖脊控制。在地面圖上，強(qiáng)對流天氣區(qū)處于熱低壓倒槽，倒槽從河套向呼倫貝爾市西部延伸，同時(shí)配合有地面輻合線，地面輻合線是此次降雹天氣的觸發(fā)機(jī)制。且500 hPa上較強(qiáng)的西北氣流與地面較弱的東南氣流之間形成了較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，加之地面輻合線的抬升作用，釋放不穩(wěn)定能量。

圖1 2017年7月26日強(qiáng)對流天氣落區(qū)(陰影區(qū))天氣系統(tǒng)配置圖

總體而言，此次強(qiáng)對流天氣隨著深厚的冷渦東移南下，渦后偏北風(fēng)急流建立，對流層中高層有冷平流向南擴(kuò)散，對流層低層偏南風(fēng)氣流的發(fā)展，這種冷暖平流的垂直分布促進(jìn)了大氣層結(jié)不穩(wěn)定發(fā)展。同時(shí)，副熱帶高壓的西伸北抬和700 hPa低空急流的發(fā)展為此次強(qiáng)對流天氣的發(fā)生、發(fā)展提供了水汽條件。

3 成因分析

3.1 大氣溫濕條件

26日08:00，冰雹發(fā)生在500～850 hPa溫差為≥25.0 ℃區(qū)域中，溫度垂直遞減率較大，850 hPa低層有T-Td＜5.0 ℃的高濕區(qū)配合。濕度的垂直梯度較大，呈現(xiàn)出上干下濕的分布特征。從24 h變溫場來看，850 hPa呼倫貝爾市大部為大范圍的升溫區(qū)，最大升溫達(dá)8.0 ℃，500 hPa處于降溫區(qū)，最大降溫10.0 ℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定進(jìn)一步發(fā)展，為強(qiáng)冰雹的發(fā)生提供了有力的層結(jié)不穩(wěn)定條件。

選取發(fā)生冰雹區(qū)域的附近的海拉爾、嫩江探空站，從圖2a上升明顯加快可以看到此次對流過程的溫濕場和動力場特征，以冰雹、雷暴大風(fēng)為主。23日08:00，925～700 hPa溫度層結(jié)曲線接近平行于干絕熱線，對流層高層到500 hPa附近有干空氣層，中低層風(fēng)速隨高度增加明顯，風(fēng)向隨高度的上升有一定程度的逆轉(zhuǎn)，925～400 hPa風(fēng)垂直切變較強(qiáng)，達(dá)到20.0 m/s，600 hPa到地面的下沉對流有效位能較強(qiáng)；從嫩江站探空圖可以看到，近地面層至600 hPa，條件不穩(wěn)定特征顯著，濕層較薄，僅700 hPa附近接近飽和，對流層高層到500 hPa附近有干空氣層，中低層風(fēng)速隨高度上升明顯加快，風(fēng)向隨高度的上升有一定程度的逆轉(zhuǎn)，925～400 hPa風(fēng)垂直切變較強(qiáng)，達(dá)到20.0 m/s，500～600 hPa以及850～700 hPa溫度層結(jié)曲線接近平行于干絕熱線，600 hPa到地面的下沉對流有效位能較強(qiáng)。上述表明，中高層干空氣的卷入，促進(jìn)蒸發(fā)，有利于下沉氣流產(chǎn)生向下的加速度。同時(shí)，溫度層結(jié)曲線平行于干絕熱線又有利于下沉氣流在下降的過程中一直保持向下的加速度，有利于雷暴大風(fēng)的形成[4]。此外，0 ℃高度層在3.5 km左右，-20 ℃高度層為6.7 km左右，有利于產(chǎn)生冰雹。26日08:00海拉爾站的風(fēng)的垂直變化(圖2b)，中低層有較明顯的垂直風(fēng)切變，自地面向上至850 hPa，東風(fēng)順轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速變化不大，850～500 hPa，風(fēng)向順轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，風(fēng)速增大，500 hPa以上，風(fēng)向逆轉(zhuǎn)，風(fēng)速繼續(xù)增大。風(fēng)場的配置說明大氣在500 hPa以下有暖平流，在500 hPa至對流層頂有較強(qiáng)的冷平流，有利于對流的進(jìn)一步發(fā)展。925～700 hPa附近為不穩(wěn)定層。在給定濕度、不穩(wěn)定性的深厚對流中，垂直風(fēng)切變對對流性風(fēng)暴組織和特征影響最大，中等到強(qiáng)的垂直切變有利于風(fēng)暴氣流的發(fā)展，有利于組織完好的對流風(fēng)暴。此外，0℃高度層在3.2 km左右，-20 ℃高度層在6.7 km左右。因此，26日08:00海拉爾站的T-lnP圖所反映的強(qiáng)的垂直風(fēng)切變提供了動力不穩(wěn)定條件，0 ℃層和-20 ℃層的高度都較低，有利于出現(xiàn)冰雹。

圖2 海拉爾站探空圖

3.2 不穩(wěn)定性分析

分析逐日850～500 hPa假相當(dāng)位溫之差，發(fā)現(xiàn)在降雹的過程中850～500 hPa強(qiáng)對流不穩(wěn)定。在冰雹發(fā)生前后，假相當(dāng)位溫差大多為4.0～6.0 ℃，并且有迅速躍增的特征，降雹發(fā)生時(shí)降雹區(qū)假相當(dāng)位溫差達(dá)到9.0～12.0 ℃，冰雹基本發(fā)生在鋒區(qū)南緣正值區(qū)內(nèi)的強(qiáng)對流不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。22日、23日鄂倫春旗、阿榮旗、莫旗的冰雹降落在“0 ℃”線的南側(cè)的正的弱對流不穩(wěn)定區(qū)(圖3)。其中，22日08:00～20:00，呼倫貝爾東南部大部850～500 hPa假相當(dāng)位溫差始終穩(wěn)定在10.0 ℃以上，最大差值為12.0 ℃，呈東北—西南走向；7月23日冰雹發(fā)生區(qū)域850～500 hPa假相當(dāng)位溫差由08:00的0 ℃迅速擴(kuò)展為8.0 ℃，且到20:00始終穩(wěn)定在6.0～8.0 ℃；26日新左旗阿木古阿郎鎮(zhèn)冰雹出現(xiàn)在正的弱對流不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，850～500 hPa假相當(dāng)位溫差穩(wěn)定在5.0 ℃。

圖3 850～500 hPa假相當(dāng)位溫(單位：℃)08:00、14:00、20:00分布圖

4 雷達(dá)特征分析

分析反射率的垂直剖面圖，可以明顯看到多單體風(fēng)暴發(fā)展的不同階段的回波特征。多單體風(fēng)暴有界弱回波區(qū)明顯，有回波懸垂結(jié)構(gòu)。14:07，反射率因子核心位于7 km的高空，強(qiáng)度超過60 dBz，隨后，反射率因子核心持續(xù)下降，14:22，高度在4 km左右，強(qiáng)度超過65 dBz。此時(shí)這個(gè)多單體風(fēng)暴產(chǎn)生了31.3 m/s的大風(fēng)和強(qiáng)冰雹。14:49，風(fēng)暴開始減弱，進(jìn)入消亡階段，其最大反射率因子仍維持較大的值，但整體的強(qiáng)度變?nèi)酢?/p>

通常降雹開始前VIL值迅速增長、在降雹開始后迅速減小，且冰雹發(fā)生在液態(tài)水含量分布的深厚大值區(qū)[5]。此次風(fēng)暴VIL的最大值隨時(shí)間的演變中可以看到，VIL的最大值變化趨勢與最大反射率因子的變化基本一致，但變化更為劇烈。VIL達(dá)到最高值后迅速下降，說明風(fēng)暴內(nèi)部的對流旺盛，期間伴有破壞性大風(fēng)的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

(1)2017年7月22—26日冰雹天氣發(fā)生在有力的環(huán)流形勢下，期間歐亞中高緯度為兩槽一脊、副熱帶高壓偏北偏西偏強(qiáng)。

(2)500 hPa上，冷渦的維持和發(fā)展南壓是此次強(qiáng)降雹天氣的主要影響系統(tǒng)。從500～850 hPa高度場和風(fēng)場上都有封閉的低渦。500 hPa冷槽疊加在850 hPa弱暖脊上，地面對應(yīng)有低壓倒槽，地面輻合線為中尺度天氣系統(tǒng)的觸發(fā)條件，是此次26日產(chǎn)生大冰雹的原因之一。

(3)此次連續(xù)降雹天氣屬于高空冷平流強(qiáng)迫類。冰雹發(fā)生期間，整個(gè)環(huán)境場上干下濕，低層700 hPa存在≥18.0 m/s的偏南風(fēng)急流，且中低層有很強(qiáng)的風(fēng)垂直切變，風(fēng)矢差達(dá)到20.0 m/s，850～500 hPa溫度差大，平均達(dá)到25.0 ℃以上，0 ℃層高度較低。

(4)這類冰雹形成的不穩(wěn)定條件可能形成于中層850～500 hPa強(qiáng)對流不穩(wěn)定。

(5)這類冰雹形成機(jī)理：中高層強(qiáng)烈干冷空氣疊加在低層相對暖(濕)氣流上，形成對流不穩(wěn)定，熱力結(jié)構(gòu)使得大氣溫度垂直遞減率很高，低層空氣負(fù)浮力增大，促進(jìn)了地面強(qiáng)對流天氣冰雹、雷暴大風(fēng)天氣的出現(xiàn)。

(6)冰雹落區(qū)的潛勢預(yù)報(bào)指標(biāo)：△θse850-500＞6.0 ℃、T850-500≥25.0 ℃、700 hPa 有風(fēng)速為18.0 m/s 的偏南風(fēng)大風(fēng)速軸，中低層有強(qiáng)的風(fēng)速垂直切變區(qū)。