沿江蘇南一次伴隨“高架雷暴”的暴雪天氣成因分析

陳瀟瀟，錢昊鐘，周彬，王璐璐，沈雨辰

(無錫市氣象臺，江蘇無錫214101)

0 引言

江蘇是雷暴多發地區，強對流天氣一般開始于3月底，結束于10月，主要集中時段在夏季6、7月，在冬季初春，氣溫較低的條件下也會出現強對流天氣。但同時出現“雷暴”與“降雪”并存，俗稱“雷打雪”的天氣現象還是極為少見。自20世紀90年代起，數位國內外學者注意到冷季內出現雷暴的現象，并對其成因和機制進行了分析研究。Coloman(1990a，1990b)最早提出“高架雷暴”概念，定義“高架雷暴”是指雷暴云底在邊界層以上的雷暴，Grant(1995)進一步指出這些雷暴的云底在明顯的鋒面逆溫層以上，Moore et al．(1998)分析了冷季與暖季內“高架雷暴”的不同發生機制。但由于模式的對流參數化方案主要偏重于近地面的初始發展，對這些鋒區北側高架雷暴的預測仍然存在難點(Anderson et al．，2002;Jankov and Gallus，2002)。國內方面，多名學者也關注到了這個現象，并進行了一系列的分析研究(姜俊玲等，2010;周雪松等，2013)。注意到多例“雷打雪”北天氣發生在華中、華北地區，研究結果總結了“雷打雪”往往發生在有利的天氣尺度背景下，中低層爆發性的增濕導致了潛在不穩定層結的出現，而回流的干冷空氣侵入低層，形成冷墊，迫使暖濕空氣抬升，觸發不穩定能量釋放，是導致強對流天氣發生的原因。對于長江以南的“雷打雪”個例，吳乃庚等(2013)分析了2012年初春華南的一次“高架雷暴”天氣過程，指出對流層低層的逆溫層結是對流的前提，并進一步發現對流發生抬升從850 hPa附近開始。由于南方冷季發生雷暴的次數很少，目前江蘇對這種特殊的冷區雷暴的成因機制分析仍較少，對雷暴與暴雪同存的天氣過程分析更不多見。

2013年2月18—19日，伴隨著冷暖空氣的交匯鋒生，沿江蘇南地區出現了一次大范圍的強降雪，并在19日凌晨出現了罕見的冷鋒后高架雷暴天氣，數值預報對暴雪的預測較準確，但對于強降雪時伴有的雷暴則未能提前反應。本文基于江蘇省內地面觀測和區域自動站資料、華東地區逐日2次常規探空站監測資料以及NCEP/NCAR逐日4次客觀分析資料(分辨率為1°×1°，垂直方向為26層)，通過天氣學分析及物理量診斷方法，試圖分析探討本次暴雪的發生發展的維持機制，同時特別關注本次冷區罕見高架雷暴的環境條件及觸發機制，以期今后為同類天氣事件的分析和預報提供科學依據。

1 天氣過程概況

2013年2月中旬旬末，受中等強度冷空氣與南支波動的共同影響，西北地區東部、江淮、江漢、江南北部都出現了明顯的雨雪天氣過程，安徽、江蘇兩省淮河以南地區及湖北等省局部地區出現大到暴雪。18—19日江蘇省在此次強雨雪天氣過程中，主要的降雪區位于沿江蘇南地區，降雪量普遍在10 mm以上，積雪深度超過10 cm，多站達到大到暴雪量級(表1)。19日凌晨，江蘇、安徽、湖北等地部分地區還出現了雷暴天氣，即俗稱的“雷打雪”現象，觀測記錄顯示，江蘇省內于19日08時過去天氣現象中記錄雷暴的站點共20個，集中出現在沿江蘇南(圖1)，從時間記錄上看到，雷暴出現時間有東傳的特征(表1)。19日08時以后，隨著暖濕氣流的顯著減弱，降雪快速停止。

2 環流背景分析

表1 沿江蘇南代表站降雪量與雷暴實況Table 1 Cumulative snowfall and thunderstorm occurrence time of representative stations in southern Jiangsu province

2013年2月中旬，歐亞中高緯為兩槽一脊形式，旬中位于烏拉爾山附近的高壓脊減弱，而位于東亞的低渦加強，分裂出深厚的低槽。冷空氣在西西伯利亞平原積聚，在旬末自西向東影響我國，造成一次中等強度的冷空氣過程。17—19日這股中等強度冷空氣南下過程中與南支波動相結合，給南方大范圍地區帶來強降雪天氣(安林昌和張芳華，2013)。17日20時的500 hPa環流形勢場上可以看出，亞洲大陸為一龐大的低渦控制，其南部低槽引導冷空氣南下至江淮流域;同時，85°E附近的南支槽前部有短波東移，槽前西南暖濕氣流發展旺盛，為暴雪的出現提供了有利的水汽條件和能量條件(圖略)。700 hPa急流軸上有超過20 m·s－1的急流中心，由于地面冷鋒還位于京冀豫一線，整個長江中下游流域地面氣溫在8℃左右，降水性質為雨(圖2a)。18日08時700 hPa西南急流持續穩定，地面冷鋒進一步南壓到達淮北地區，850 hPa上0℃等溫線南壓到沿江地區，－4℃等溫線緊隨其后，沿江及蘇南地面氣溫有所下降，但仍在5℃以上，沿江蘇南地區仍以雨為主，雨量有所增大，而江蘇北部降水性質已經逐步轉換，出現了雨夾雪或雪的天氣。18日20時前后，冷鋒南壓至長江以南，南支波動前的西南暖濕氣流進一步增強，700 hPa急流強度達到30 m·s－1，850 hPa上沿江蘇南地區的溫度已降至－4℃，較700 hPa低4～6℃，地面上降水性質在傍晚前后轉換，降雪的主要時段開始，注意到低層925 hPa偏東急流增強顯著，這支偏東急流為強降雪提供了重要的冷墊條件，700 hPa暖濕氣流在此冷墊上沿鋒面爬升，有利于降雪的進一步加強，并且推測這也是19日凌晨雷暴的觸發原因(圖2b)。下面就暴雪形成及增強原因及觸發冷區雷暴的成因機制分別進行分析。

圖1 沿江蘇南2013年2月18日08時—19日08時累計降水量實況(等值線;單位:mm)及雪伴雷天氣現象站點分布Fig．1 Observed cumulative precipitation(contours;units:mm)in southern Jiangsu province from 08:00 BST 18 to 08:00 BST 19 February 2013 and distribution of thunder-snow stations

圖2 2013年2月17日20時(a)和18日20時(b)的大氣環流形勢(陰影區表示700 hPa上風速大于等于12 m/s的西南急流;等值線為850 hPa上0℃和－4℃的等溫線;風標為925 hPa上風速，單位:m·s－1)Fig．2 700 hPa southwest jet(Shaded areas denote the wind speed greater than or equal to 12 m·s－1)，850 hPa temperature(contours are 0℃ and －4℃ isotherms)and 925 hPa wind field(wind barbs;units:m·s－1)at(a)20:00 BST 17 and(b)20:00 BST 18 February 2013

3 暴雪發生發展的維持條件

3.1 水汽條件

強降雪的維持發生往往是多尺度天氣系統共同作用的結果，同時對水汽和動力條件都有特殊的要求(姜俊鈴等，2010;苗春生等，2010;王林等，2011)。首先分析本次暴雪產生的水汽條件，可以看到，早在17日夜間，700 hPa西南急流已經明顯增強，風速超過了20 m·s－1，本次暴雪的水汽主要是700 hPa西南急流自孟加拉灣的輸送，較強的水汽通量高值帶自西南往東北在沿長江一線延伸，18日午后起14 g/(cm·hPa·s)以上的水汽通量強中心橫跨川、湘贛、直到蘇皖沿江一線，主要的輻合區位于高水汽通量區的北緣，此時對應地面的主要雪區在沿淮地區，長江以北已經出現降雪(圖3a)，良好的水汽輸送條件持續維持到19日02時，且伴隨著20時輻合中心的南壓，沿江蘇南地區的降水性質發生轉變，19日02時強水汽通量中心范圍減小，但沿江蘇南地區上空的水汽輻合最為強盛，此時地面降雪區域也明顯擴大，降雪最為明顯也在本時段內(圖3c)。到了19日08時，強水汽通量中心東移入海，地面雪區也東移減少，沿江地區降雪強度已明顯減弱，中午前后很快停止。這種維持較久并且較強的水汽輸送及輻合作用，為本次暴雪的出現提供了非常有利的水汽條件。

3.2 暴雪動力維持機制

圖3 2013年2月18日14時(a)、20時(b)以及19日02時(c)、08時(d)700 hPa風場、水汽通量場和水汽通量散度場(箭矢表示風場，單位:m/s;等值線表示水汽通量，單位:g/(cm·hPa·s);陰影表示水汽通量散度，單位:10 －6g/(cm2·hPa·s)Fig．3 700 hPa horizontal wind field(arrows;unist:m · s－1)，water vapor flux field(contours;blue line denotes 14;units:g/(cm·hPa·s))and water vapor flux divergence field(shaded areas;units:10－6g/(cm2·hPa·s)at(a)14:00 BST 18，(b)20:00 BST 18，(c)02:00 BST 19，and(d)08:00 BST 19 February 2013

圖4為散度、渦度及垂直速度沿垂直冷鋒方向的的斜剖面，可以看到，沿江蘇南地區(經緯度范圍基本在30～32°E、118 ～122°N 內)上空有明顯的輻合上升運動區，輻合中心與垂直上升運動中心相配合，從近地面900 hPa斜升達到700 hPa以上，700 hPa以上則為輻散區，沿鋒區為一致的上升運動(圖4a—b)。同樣的，渦度與垂直速度也有相似的配置，沿江蘇南地區900～600 hPa正渦度區與上升運動區相配合(圖4c—d)，其上直到300 hPa則基本為負渦度區。這種下層輻合、上層輻散的抽吸配置是本次暴雪的動力抬升及維持機制。注意到物理量場均有隨著緯度向冷區傾斜的趨勢，這與冷空氣侵入有關，進一步分析700 hPa的假相當位溫θse及中低層風場隨時間的變化(圖5a)，與暴雪實況相對比看到，降雪落區與假相當位溫θse線密集帶有很好的對應關系。隨著時間推移南壓，700 hPa高溫高濕的不穩定能量與低層冷空氣交匯，在沿江形成能量鋒區，地面不斷有冷空氣補充，形成了“冷墊”與“暖蓋”穩定疊置并持續維持，為此次暴雪的發生發展提供了成熟的熱力條件。圖5b更直觀看出這種下冷上暖垂直結構特征，17日起低層相對濕度在加大到80%以上后，降水開始出現，飽和水汽區在本次降雪過程中始終維持，18日02—20時前900～700 hPa出現了高于0℃的融化層，其中在14 h以前，700 hPa以下溫度均在0℃以上，降水性質為雨，午后隨著冷空氣墊的進一步嵌入南壓，到18日20時前后，900 hPa至地面低于0℃的冷墊形成，沿江蘇南出現了雨雪共存的天氣，而隨著時間推移，19日凌晨時段，整層溫度降至0℃以下時，降水以純雪為主。當云中過冷卻水含量較大時，冰晶、雪晶的淞附增長在冷云降水中起著重要的作用，會造成較強的降雪(姚蓉等，2012)。

圖5 2月17—19日700 hPa假相當位溫(等值線;單位:K)與風場(陰影區表示950 hPa北風分量;箭矢表示700 hPa風場;單位:m·s－1)沿120°E的時間—緯度剖面(a)，以及降雪中心溫度(等值線;單位:℃)、相對濕度(陰影區;單位:%)與風場(單位:m·s－1)的時間—高度剖面(b)Fig．5 (a)Latitude-time cross section of 700 hPa pseudo-equivalent potential temperature(contours;units:K)，700 hPa wind field(arrows;units:m·s－1)and 950 hPa north wind component(shadings;units:m·s－1)along 120°E from 17 to 19 February，and(b)height-time cross section of temperature(contours;units:℃)，relative humidity(shadings;units:%)and wind field(units:m·s－1)at snowfall center

4 高架雷暴發生的環境條件及觸發機制

4.1 CSI對雷暴發生的環境作用

地面觀測實況顯示沿江蘇南在19日凌晨00—02時前后觀測到雷暴的發生，此時由于地面冷鋒已經南壓到浙江境內，沿江蘇南處于鋒后冷區中。18日20時南京單點探空圖上看到(圖略)，400 hPa以下均為高濕區(相對濕度＞80%)，且整層為冰相層(t＜0℃)，這也是降水性質為純雪的佐證。對流不穩定僅在近400 hPa有極淺薄的一層，地面抬升的CAPE值不超過4，這對于垂直對流發生的條件是不利的。因此需要進一步分析可能的不穩定機制。由于鋒面在沿江蘇南的穩定維持，大氣呈斜壓狀態，雖然在垂直方向上不能有上升氣流的強烈發展，但在一定條件下可以發展斜升氣流，這種機制稱為對稱不穩定(Conditional Symmetric Instability，CSI)。在濕大氣中，如大氣處于飽和狀態，稱之為條件性對稱不穩定。Hoskins(1982)等將條件性對稱不穩定與位渦緊密地聯系了起來，Schultz and Schumacher(1999)提出可通過飽和濕地轉位渦ξMPV＜0來判定，但需要一定的前提條件。即判斷大氣的CSI，需滿足以下條件:大氣的飽和濕地轉位渦ξMPV＜0，垂直對流穩定且大氣為慣性穩定(即絕對渦度ζa＞0)。目前已有眾多學者將CSI理論用于分析臺風、暴雨、暴雪、梅雨、沙塵等多種天氣，費建芳等(2009，2010)對此著有專門的研究進展綜述。CSI已作為分析和預報冬季強降水的一個有效方法，其中有學者指出，與濕對稱不穩定相關的冬季對流可能出現閃電(Holle and Watson，1996)。因此沿江蘇南地區上空在本次暴雪和雷暴過程中否存在對稱不穩定機制促使對流的發生正是下面將要分析的。

計算本次暴雪發生時段的假相當位溫及層結穩定度(圖6)，發現18日20時起沿江蘇南降雪區上空的大氣就為垂直對流穩定狀態，并且這種穩定狀態一直維持到19日午后降雪停止，因此在19日凌晨出現的雷暴并不是簡單的發生在對流不穩定環境中。從大氣垂直方向對流不穩定角度不足以解釋發生雷暴的成因。分別取沿江蘇南兩個代表站—南京、無錫，分析飽和濕地轉位渦ξMPV隨時間的演變(圖7)。可以看到，整個暴雪時段沿江蘇南地區上空始終滿足條件對稱不穩定和ζa＞0三者重合的區域)，同時段北部對稱不穩定區垂直范圍更深厚，南部則更集中在低層，推測與南壓鋒生區的楔形物質面有關。對稱不穩定區出現時段與強降雪時段有比較好的對應，并注意到ξMPV梯度大值區與為正的大值區及ζa為正的大值區重合時間基本上正對應當地雷暴發生時段。結合圖5b，雷暴發生階段有強烈的低空垂直風切變的存在，對傾斜對流的發生發展提供了非常有利的動力不穩定條件。，虛線;單位:K/hPa;陰影區表示沿31°N的經度—高度剖面

圖6 18日20時(a)和19日02時(b)假相當位溫(θse;實線，單位:K)與對流層結穩定度Fig．6 Longitude-height cross sections of pseudo-equivalent potential temperature(θse;solid lines，units:K)and convective stratification stability，dashed lines;units:K·hPa－1，shaded areas show)along 31°N at(a)20:00 BST 18 and(b)02:00 BST 19

4.2 雷暴觸發機制探討

由于條件性對稱不穩定是大氣的一種不穩定現象，必須要有觸發機制使得不穩定能量得到釋放，從而引起強對流的發生。從雷暴中心的垂直速度時間剖面情況來看，雷暴發生的02時前后，鋒區上出現了很強的上升運動，上升運動中心區在650～750 hPa，在等溫線密集帶以上，也即鋒面以上。參考楊貴名等(2009)對鋒區上下界的定義，將鋒區下界約為295 K，上界定為310 K，繪制鋒區上界310 K等熵面上的風場(圖8b)，更直觀地反應了在不穩定條件下，暖濕氣流沿著鋒面從低層爬升到600～650 hPa左右，與冷空氣相遇，觸發了雷暴。

5 結論

1)本次強降雪是在有利的天氣形勢下產生的，南支槽前強盛的暖濕氣流提供了有利的水汽和能量條件，主要的水汽來源于700 hPa自孟加拉灣的水汽輸送，而低層925 hPa顯著的偏東急流為強降雪提供了冷墊條件。實況監測顯示雷暴發生在冷區中，是一次較典型的“高架雷暴”天氣。

2)暴雪時段，水汽通量輻合大值區對應了強降雪區，而大氣的垂直結構特征顯示，暴雪區上空為有利的輻合上升抽吸配置，降雪落區與假相當位溫密集帶有很好的對應關系。熱力方面，能量鋒區在沿江生成后，穩定維持，地面不斷有冷空氣補充，形成了“冷墊”與“暖蓋”穩定疊置并持續維持，19日凌晨時段，整層均為冰相層，在淞附增長作用下，形成較強降雪。

3)由于垂直方向大氣層結穩定，雷暴并不簡單的發生于在對流不穩定環境中，通過對飽和濕位渦ξMPV的診斷分析，結果表明本次雷暴出現在條件性對稱不穩定環境中。ξMPV梯度大值區與為正的大值區及ζa為正的大值區重合時間基本上正對應當地雷暴發生時段。同時雷暴發生階段有強烈的低空垂直風切變的存在，對傾斜對流的發生發展提供了非常有利的動力不穩定條件。垂直速度場顯示，雷暴發生前后，鋒區上有很強的上升運動，進一步通過等熵分析，暖濕氣流沿著鋒面從低層爬升到600～650 hPa左右，與冷空氣相遇，觸發了雷暴。

需要指出的是，由于受資料時空限制，本文的診斷分析未能進一步深入，對本次“高架雷暴”的云圖、多普雷雷達探測特征都沒有涉及，是否存在中小尺度的觸發機制還有待探討，有關江蘇冷區“高架雷暴”的成因機制及預報預警技術還有待更多的個例分析總結。實線;單位:K·hPa－1)的時

圖7 南京站(a)、無錫站(b)上空濕位渦ξMPV(陰影區;單位:PVU)和對流層結穩定度

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圖8 雷暴中心(120°E，31°N)的垂直速度(陰影區表示ω＜0;單位:Pa·s－1)和假相當位溫(實線;單位:K)的時間—高度剖面(a)，以及2013年2月19日02時310 K等熵面上氣壓場(實線;單位:hPa)與風場(單位:m·s－1)(b)Fig．8 (a)Height-time cross section of vertical velocity(shaded areas for ω ＜0;units:Pa·s－1)and pseudo-equivalent potential temperature(solid lines;units:K)at the center(31°N，120°E)of thunderstorm，and(b)air pressure field(solid lines;units:hPa)and wind field(units:m·s－1)on 310 K isentropic surface at 02:00 BST 19 February 2013

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