2012年2月23日冰雹過程的中尺度特征分析

黃元森 丁光義 陳小梅

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2012年2月23日冰雹過程的中尺度特征分析

黃元森 丁光義 陳小梅

福建省南平市氣象局

該文利用常規和非常規資料對2012年2月23日發生在閩北的一次冰雹過程進行中尺度特征分析，結果表明：這次冰雹過程由高架雷暴引起；南支槽、高低空急流、低層切變線和地面靜止鋒是這次強對流天氣過程的主要影響系統；強垂直風切變、高低空急流引發強的輻合上升運動，有利于強對流天氣的發生；中低層的干冷空氣入侵觸發了不穩定能量的釋放。

冰雹 高架雷暴 高低空急流 垂直風切變

0 引言

受西南暖濕氣流和冷空氣的共同影響，2012年2月23日8日早晨，在福建省北部（簡稱閩北）出現了一次因高架雷暴引起的冰雹、雷暴大風、短時強降水等強對流天氣過程。這次強對流天氣主要發生在武夷山脈東北側的武夷山和浦城境內，其中在23日8時16分起浦城測站出現5分鐘左右的降雹（冰雹直徑達5mm）、18m/s的偏西大風、8時10～20分降了22mm的短時強降水（日雨量58mm）。這次強對流天氣因發生在冬末初春時節，冰雹尺度較小、降雹時間較短，沒有造成較大的災害。

強對流天氣的發生要有不穩定層結、水汽條件、強的抬升機制，此外，降雹天氣還要在-10～-30℃之間有大的對流有效位能（Cape）、深層垂直風切變和較低的0℃高度[1]。目前雖然研究冰雹過程的論文很多[2～6]，對冰雹過程都進行了很好總結，得出很多好的結論，但因冰雹的發生、發展過程仍極其復雜，每一個過程都有其異同點，往往很難用統一的指標進行評估和預報，且目前對高架雷暴引發的冰雹過程研究較少，常出現空漏報的情況，因此有必要對高架雷暴引發的冰雹過程進行研究。本文利用常規和非常規氣象資料，對這次冰雹過程進行中尺度特征分析，尋找這次降雹過程的成因，為今后出現同類型的冰雹天氣預報提供參考。

1 環流形勢及影響系統

圖1為 2012年2月22日20時高空圖及23日05時地面圖中尺度分析（北京時，下同）。從圖1可見，22日20時200hPa在我國華東地區有東北-西南向的高空槽，槽前為西南偏西氣流，另外在30°N附近有一支非常強的高空急流（≥64m/s），并且這支高空急流在長江以南出現分流，在分流區出現高層輻散，而閩北上空剛好處于分流區中間，這樣的環流形勢有利于在閩北上空出現垂直上空運動。從500hPa高度場上看：在我國長江以北的中高緯地區存在階梯槽，其中有一階梯淺槽位于長江口，槽后為西北氣流控制，有冷空氣影響長江以南地區，另外在我國西南地區有呈東北-西南向的南支槽,南支槽前有一支≥32m/s的西南風急流，急流軸穿過福建省中北部。從700hPa高度場上看，切變線位于漢口以北，在華南有一支≥18m/s的低空急流，閩北位于急流軸左前方。從850hPa高度場看，在我國貴州有一個低于144十位勢米的西南低渦，低渦切變線位于南昌、長沙以西，切變后部有干線存在，切變線前部為西南暖濕氣流控制，在廣東到武夷山脈一帶有一支大于12m/s西南風低空急流，急流軸附近還存在濕軸。從925hPa高度場看，在武夷山以西有呈東北-西南方向的切變線，切變線已過杭州-南昌-長沙一線，切變線后部為西北氣流控制，有強的干冷平流；切變線右側為西南暖濕氣流控制，濕軸伸到閩北上空并有輻合。

圖1 2012年2月22日20時高空圖及23日05時地面圖中尺度分析

另外從23日05時地面圖上看，在武夷山脈附近存在靜止鋒，靜止鋒東段位于浙江南部、西段位于武夷山脈以西，鋒后有冷空氣南下，閩北剛好位于兩段靜止鋒交匯區的南側，雖然地面氣溫只有17℃，較低層氣溫低，存在逆溫，為冷墊，但閩北仍位于地面溫度脊和濕軸的前端，比周圍氣溫高，處于弱西南暖濕氣流和干冷氣流的交匯區，有利于造成閩北上空強的輻合上升運動。

2 物理量分析

2.1 T-logP圖分析

圖2為2012年2月22日20時邵武探空站T-LogP圖，從圖中可見，600hPa以下邵武上空露點曲線與層結曲線平行且相差很小，大氣基本上處于飽和狀態，從露點曲線看，最大露點溫度出現在925hPa附近，低層露點溫度達到15℃、比濕達12g/kg，中低層充足的水汽條件有利于強對流天氣的發生；600hPa以上露點曲線與層結曲線呈喇叭狀，為上干下濕狀態。從中低層的層結曲線與干絕熱曲線的夾角看，二者之間的夾角較小，強對流天氣發生時造成的下沉氣流易出現大風天氣。同時，邵武K指數達到36.1℃，Si也低至-1.6，說明當時閩北上空有層結不穩定。從溫度分布看，0℃、-20℃分別在3.6km和6.7km處，0℃層和-20℃層較低，有利于冰雹的形成和降雹的發生。雖然從抬升凝結高度（LCL）和自由對流高度（CCL）看，這些高度都很低，有利于對流云的生成和發展，但是圖中對流有效位能（Cape）值為0，顯然這與實際情況不符，因此要對抬升凝結高度（LCL）進行適當訂正，經過訂正后Cape值為300J/kg，有利于對流的發展。

從圖2的垂直風向看，近地層為偏東風，850hPa以上為西南風，有暖平流。從風速大小看，925hPa為4m/s，850hPa為12m/s，500hPa達為32m/s，200hPa達到為64m/s，說明當日邵武站上空垂直風切變大，特別是0～6km垂直風切變達到6×10-3s-1，這種強的垂直風切變有利于強對流天氣的發生和維持。到23日08時，925hPa的風向轉為東南風，存在“對頭風”，垂直風切變更大，更有利于強對流天氣的發生。

圖2 2012年2月22日20時邵武探空站T-LogP圖

2.2 垂直速度分析

圖3為2012年2月23日08時沿東北-西南方向過浦城和邵武附近的P坐標垂直速度剖面圖，閩北的降雹區位于圖中的正方形區域，從圖中可見，在閩北上空的整層大氣都為負值區，可見當時閩北上空環境場中的垂直上升運動達到對流層頂；同時負值中心位于400～500hPa附近，說明環境場最大上升速度位于400hPa層附近，達-2.6×10-2mb/s，最大速度區位于-10～-30℃層之間，有利于冰雹的形成和發展。另外從圖中可見在正方形區域右側，700hPa以下為正值區，有下沉運動。閩北處于正負垂直速度的交匯處，存在垂直速度鋒區，這種形勢有利于迫使西南暖濕氣流到達閩北上空時，發生輻合抬升運動，有利于強對流的發生。

圖3 2012年2月23日08時東北-西南向垂直速度剖面圖

2.3 假相當位溫分析

圖4為2012年2月23日08時沿西北-東南方向過閩北的垂直假相當位溫剖面圖，可見，在閩北低層左側即西北方假相當位溫線密集，密集帶向西北方向傾斜，且假相當位溫越靠近地面值越小，為冷區，已受冷空氣控制，在閩北低層右側即閩北東南方（850hPa附近）存在大于65℃的高值區，為暖區，并在低層存在逆溫區。在閩北上空300～850Hpa之間有小于50℃的假相當位溫區，說明閩北上空存在對流不穩定，低值中心位于700hPa附近，假相當位溫的這種配置有利于垂直上升運動。

圖4 2012年2月23日08時西北-東南向假相當位溫剖面圖（正方形為降雹區附近）

3 非常規觀測資料分析

3.1 衛星云圖分析

從2012年2月22日夜里到23日早晨的逐時紅外云圖上看（圖略），江西境內有一塊對流云團從西南向東北方向移動，到23日5時對流云團東南側靠近武夷山脈，對流云團外流的下沉干冷氣流使得閩北上空的擾動作用加強，加上地面鋒后近地層的干冷空氣共同入侵觸發閩北上空不穩定能量的釋放，使得閩北境內有對流云團產生，隨著對流云團的移動和發展，到08時該對流云團的范圍和強度達到β-中尺度對流系統（MβCS）尺度，并引發這次降雹天氣。

3.2 雷達回波分析

強對流天氣都是發生在中小尺度天氣系統中，目前對強對流天氣最有效的監測預報工具是多普勒天氣雷達。分析這次天氣過程的建陽多普勒天氣雷達組合反射率因子隨時間變化圖（圖略）可見，從23日05時在閩北境內有多個對流單體生成，隨著時間的推移這些對流單體發展、加強并有合并趨勢；6:55多個對流單體風暴開始發展為線狀多單體風暴，其中個別對流單體風暴的中心強度達到55dbz以上，風暴總體向東北移動并略有所南壓；7:38在線性多單體風暴中間有一個從武夷山移到浦城西南面的單體風暴中心，強度達到60dbz以上。圖5為8:04分建陽雷達站基本徑向速度V27(左上，仰角3.4度)、組合反射率因子R37（右上圖）、風暴相對平均徑向速度Rsm56(左下，仰角3.4度)及西北-東南向剖面50（右下圖），可見在閩北有呈帶狀分布的線性多單體風暴，其中在浦城西南部有一個對流單體風暴，此風暴的最大反射率因子達到65dbz（右上圖），在風暴中層有氣旋性切變（左下圖）。對這個單體風暴進行西北-東南方向的剖面（右下圖），可見，在強回波的右下方為弱回波區，為入流缺口；在垂直方面強回波主體呈東北向西南方傾斜，強回波中心高度較上個時次有所降低，只有5km高，說明強對流天氣即將發生。8:16強回波中心強度雖然仍達65dbz（圖略），但所處的高度已降至2km左右，50dbz的回波已觸地，造成降雹等強對流天氣的發生，其中因降雹和降水作用產生的拖曳和由中高層干冷空氣進入對流風暴單體后部下沉蒸發冷卻共同作用引發偏西的雷暴大風。到8:35影響浦城的對流單體風暴已減弱消失，但整個線性多單體風暴繼續東移并有所南壓，到11時線性多單體風暴減弱消失，整個強對流天氣過程結束。

圖5

4 結論

這次冰雹過程是由高架雷暴引起的；南支槽、高低空急流、低層切變線和地面靜止鋒是影響這次強對流天氣過程的主要影響系統。高層輻散、低層輻合引發強的輻合上升運動，有利于強對流天氣的發生。中低層的干冷空氣入侵觸發了不穩定能量的釋放，是造成這次強對流天氣發生的觸發機制。

通過對物理量產品的分析，能判斷大氣的不穩定層結、水汽條件、對流有效位能、垂直風切變、和0℃層高度等，有助于判斷強對流天氣發生。衛星云圖和雷達回波資料對強對流天氣發生的種類、落區和強度具有較好的參考作用。

[1] 俞小鼎．強對流天氣臨近預報．全國氣象部門預報員輪訓講義，2011．

[2] 閔晶晶, 劉還珠, 曹曉鐘, 等. 天津“6.25”大冰雹過程的中尺度特征及成因[J]. 應用氣象學報 , 2011(5):525-536.

[3] 王叢梅, 景華, 王福俠, 等. 一次強烈雹暴的多普勒天氣雷達資料分析[J]. 氣象科學 , 2011(5): 659-665.

[4] 丁小劍, 唐明暉, 陳德橋. 兩次冰雹過程多普勒天氣雷達產品的對比分析[J]. 氣象與環境科學, 2010(2): 42-47.

[5] 廖玉芳, 俞小鼎, 郭慶. 一次強對流系列風暴個例的多普勒天氣雷達資料分析[J]. 應用氣象學報 , 2003(6): 656-662.

[6] 朱敏華, 俞小鼎, 夏峰, 等. 強烈雹暴三體散射的多普勒天氣雷達分析[J]. 應用氣象學報 , 2006,17(2): 215-223.