2014年3月18～19日一次高架雷暴天氣過程分析

劉季秋 （中國民航華東地區(qū)空中交通管理局氣象中心，上海 200335）

區(qū)別于一般雷暴過程是從地面抬升觸發(fā)，高架雷暴是指在大氣邊界層以上被觸發(fā)的雷暴過程。發(fā)生高架雷暴時，近地面附近通常為穩(wěn)定的冷空氣，有明顯的逆溫，來自于地面的氣塊很難穿過逆溫層而獲得浮力，而逆溫層之上的氣塊絕熱上升獲得浮力導(dǎo)致雷暴。

國外對于高架雷暴的研究開始較早，早在1950年，Means就發(fā)現(xiàn)有一類雷暴區(qū)別于經(jīng)典雷暴天氣形勢，暖濕抬升層并非在近地面，而是在850 hPa以上［1］。但直到20世紀(jì)90年代，Colman等才開始明確提出高架雷暴的概念，高架雷暴可以造成冰雹、雷雨大風(fēng)、短時強(qiáng)降水甚至是龍卷，4和9月是美國高架雷暴的高發(fā)期［2］。之后Moore等給出了高架雷暴中短時強(qiáng)降水的發(fā)生特征，即有緩慢移動的地面鋒面、上游低層濕度大、低層相當(dāng)位溫平流顯著、具備BCAPE、低層有濕度輻合區(qū)、高層有輻散等［3］。國內(nèi)學(xué)者對高架雷暴的研究也逐步開展，張吉等對上海一次高架雷暴過程分析得出強(qiáng)盛的低空西南急流輸送了大量的暖濕空氣和不穩(wěn)定能量到達(dá)長江三角洲地區(qū)，近地面的冷空氣滲透一方面迫使暖濕空氣沿鋒面抬升，加劇了低層逆溫層的厚度和強(qiáng)度，另一方面加劇了逆溫層上部高低空的熱力不穩(wěn)定性和斜壓不穩(wěn)定性，從而觸發(fā)了逆溫層上部的對流性天氣的出現(xiàn)［4］;盛杰等對2010～2012年春季我國冷鋒后部高架雷暴天氣特征進(jìn)行了分析和總結(jié)，指出高架雷暴主要發(fā)生在我國南方地區(qū)，具有一定的日變化，常伴有冰雹和短時強(qiáng)降水天氣，且此類高架雷暴的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)為850和700 hPa相對濕度為70%以上，700與500 hPa的溫差達(dá)16℃以上，有一定的熱力不穩(wěn)定，在700 hPa需要建立一支低空西南急流，配合500 hPa的西風(fēng)槽以及700、850 hPa的切變線，為雷暴的形成和發(fā)展提供動力觸發(fā)條件［5］。筆者從天氣學(xué)角度出發(fā)對2014年3月一次高架雷暴進(jìn)行分析，探討在實(shí)際預(yù)報(bào)中對此類天氣應(yīng)當(dāng)關(guān)注的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)，提高對此類天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

1 天氣實(shí)況和環(huán)流背景分析

2014年3月18日夜里至19日白天，江蘇省出現(xiàn)陣雨或雷雨天氣，雨量小到中等，中部地區(qū)雨量較大（圖1a）。從全省閃電定位顯示系統(tǒng)（圖1b）可見，淮河以南18日21:00～19日12:00發(fā)生雷電，這也是2014年的初雷，同時江蘇省南部地區(qū)最大風(fēng)力為5～7級。

大范圍的環(huán)流形勢對于天氣系統(tǒng)的演變以及天氣過程的發(fā)生發(fā)展具有很好的指示意義。18日20:00歐亞形勢圖上（圖2），500 hPa存在西北急流和西南急流的匯合，700 hPa為西南急流，一直延伸至江蘇省東部沿海，850hPa有切變線活動，切變線從湖北西部經(jīng)安徽北部延伸至江蘇省中部，江蘇省上游地區(qū)伴有大濕區(qū)的配合。地面西南部為低壓倒槽，而東部沿海為高壓前部，高壓前部不斷有冷空氣南下擴(kuò)散滲透，逐步在近地面形成冷墊。

2 物理量場診斷分析

2．1 水汽條件分析 大雨的形成與豐富的水汽含量和源源不斷的水汽輸送關(guān)系密切。以南通地區(qū)的降水為例分析，南通站在19日凌晨開始降水，降水集中時段為19日05:00～09:00，最大1 h 降水量為12．8 mm，過程雨量為 43．6 mm（圖3）。從圖4可見，降水開始前夕中低層西南急流把孟加拉灣和南海的水汽輸送到南通上空。18日20:00，850 hPa有一條西南—東北向的水汽通量大值帶，將來自南海的暖濕水汽向長江中下游輸送，且水汽在江蘇省上空開始輻合匯聚，但此時大濕區(qū)偏南，江蘇省的相對濕度均小于70%;19日08:00，850 hPa水汽在江蘇省強(qiáng)烈輻合匯聚，水汽通量散度中心位于江蘇省東部沿海地區(qū)，此時，江蘇省淮河以南地區(qū)相對濕度均達(dá)80%以上，沿江蘇南部接近飽和;從這2個時刻水汽圖的演變可以看出，18日夜里至19日早晨這段時間，水汽由源地向江蘇省輸送，并在江蘇省上空輻合匯聚。從南通上空水汽通量散度的時間－高度剖面圖上也可以看出，18日夜里到19日早晨南通上空有水汽輻合大值區(qū)，這段時間也是南通降水集中的時段。整個過程比濕極值約為8 g/kg（圖5），絕對水汽含量不足以產(chǎn)生大暴雨、短時強(qiáng)降水等極端降水過程。

2．2 不穩(wěn)定層結(jié)分析 從南京站的探空圖（圖6）來看，18日08:00由于晴空輻射，近地面存在逆溫層，氣溫為12℃左右，1 000 hPa以上溫度露點(diǎn)差較大，空氣較為干燥;18日20:00，由于地面冷空氣擴(kuò)散滲透，925 hPa以下變得干冷;近地面冷空氣滲透使得暖濕空氣被迫抬升，再加上低層水汽的輸送和輻合作用，800～700 hPa相對濕度增大，近乎飽和。與前一時次相比，800～700 hPa的露點(diǎn)溫度明顯增大，表明空氣中絕對水汽增多，該時刻處于降水發(fā)生的醞釀階段，抬升凝結(jié)高度為850 hPa。19日08:00對流已發(fā)生，從地面至對流層中層為深厚的濕層。由于地面冷空氣不斷滲透擴(kuò)散，暖濕層在干冷空氣上滑行且抬升，因此整個過程逆溫層一直存在，且高度不斷抬升。

18日20:00溫度平流沿32°N緯向垂直剖面圖（圖7）顯示，受低層冷空氣擴(kuò)散影響，925 hPa以下為冷平流，而850～700 hPa有西南—東北向的顯著暖平流，暖空氣在低層冷墊上滑升，形成逆溫;850 hPa以下層結(jié)穩(wěn)定，為高架雷暴發(fā)生創(chuàng)造條件。

2．3 不穩(wěn)定能量條件分析 對于地面雷暴來說，由地面抬升計(jì)算的CAPE可以很好地表征能量條件，但這不適用于高架雷暴，高架雷暴是需要計(jì)算BCAPE（從地面到300 hPa的厚度里找最大相當(dāng)位溫層抬升計(jì)算的對流有效位能）來表征其能量。此次過程中，高架雷暴發(fā)生之前和發(fā)生之時的CAPE值均為0 J/kg（圖8a），而在18日20:00的BCAPE在江蘇省西南角為大于0 J/kg（圖8b1），在19日08:00BCAPE值進(jìn)一步增大，江蘇省沿蘇南地區(qū)均為正，蘇南最大值可達(dá)300 J/kg（圖8b2）。

700 hPa具備有高溫高濕的大氣環(huán)境，才能在垂直大氣層上構(gòu)成對流不穩(wěn)定，是高架雷暴對流發(fā)展的能量和水汽源泉。在高架雷暴中逆溫層頂往往可達(dá)700 hPa，最不穩(wěn)定的大氣是存在于700 hPa中的，而850 hPa則位于逆溫層上部，是冷鋒到暖濕氣層的過渡帶。在常規(guī)業(yè)務(wù)中，常用850和500 hPa的溫差表征不穩(wěn)定，而在高架雷暴中則不適用，而是用700和500 hPa的溫差代替它，盛杰等發(fā)現(xiàn)1/4分位點(diǎn)基本在16℃以上，具備較強(qiáng)的不穩(wěn)定，可以作為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中高架雷暴不穩(wěn)定條件的指標(biāo)［5］。在此次高架雷暴過程中，19日02:00江蘇省沿蘇南地區(qū)700 hPa與500 hPa溫差達(dá)17～19℃（圖9），符合不穩(wěn)定條件的指標(biāo)。

對流穩(wěn)定性的另一個判據(jù)是假相當(dāng)位溫隨高度的變化，即假相當(dāng)位溫隨高度減小時，為對流不穩(wěn)定。從19日08:00沿32°N假相當(dāng)位溫經(jīng)度－高度剖面圖（圖10）來看，700～500 hPa 118°～122°E假相當(dāng)位溫隨高度減小，在中低層存在對流不穩(wěn)定層結(jié)。

2．4 垂直運(yùn)動條件 散度場上來看（圖11a），從18日夜里至19日白天南通上空維持著低層輻合、高層輻散，19日08:00南通低層輻合中心在850 hPa，高層輻散中心在250 hPa。從垂直速度時間－高度剖面圖（圖11b）可以看到，18日夜里至19日上午南通上空一直維持上升運(yùn)動，上升運(yùn)動中心位于400 hPa附近，在19日凌晨，850 hPa以下為下沉運(yùn)動，而850 hPa以上才為上升運(yùn)動，上升運(yùn)動在逆溫層以上維持，符合高架雷暴發(fā)生的特征。

2．5 觸發(fā)機(jī)制 從圖12可看出，19日04:00南通上空500 hPa由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西－西北風(fēng)，為一個短波槽快速過境，同時由高空風(fēng)速增大使得高低空風(fēng)垂直切變增大，850與500 hPa風(fēng)向順轉(zhuǎn)90°以上，西風(fēng)槽過境與高低空大的垂直風(fēng)切變觸發(fā)了不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生雷暴。

3 衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波分析

從3月18日夜里到19日白天的FY2紅外衛(wèi)星云圖（圖13）可以看出，18日22:00起，有對流云團(tuán)生成并開始影響江蘇省沿江西部，19日04:00對流云團(tuán)已經(jīng)發(fā)展影響到江蘇省長江以北大部分地區(qū)，19日08:00江蘇省西部又有一大塊對流云團(tuán)生成，08:00～14:00該對流云團(tuán)東移影響江蘇省江淮流域，14:00之后此次過程基本結(jié)束。

從雷達(dá)基本反射率圖（圖14a、b）來看，在19日凌晨南通上空開始出現(xiàn)強(qiáng)回波，到04:00左右，發(fā)展為2條帶狀強(qiáng)回波，回波中心最大值可達(dá)57 dBz;回波頂高可達(dá)14 km以上，最大累積液態(tài)水含量為23 kg/m2（圖14c）;在平均徑向速度圖上（圖14d），近地面最大風(fēng)速超過12 m/s，存在一條超低空東風(fēng)急流。

4 小結(jié)

（1）此次高架雷暴天氣為高低空急流、850 hPa切變、地面倒槽和冷空氣滲透共同影響所致。

（2）近地層為穩(wěn)定的逆溫層結(jié)、中低層暖濕、高層較為干冷，類似于一個“夾心”的層結(jié)。

（3）此次過程中CAPE值為0，而BCAPE值＞0，500與700 hPa溫差達(dá)17～19℃，500～700 hPa假相當(dāng)位溫隨高度減小，中低層存在對流不穩(wěn)定。

（4）有較強(qiáng)的暖濕輸送和持續(xù)的垂直上升運(yùn)動，垂直運(yùn)動發(fā)生在850 hPa之上。

（5）西風(fēng)槽過境和強(qiáng)垂直風(fēng)切變觸發(fā)了此次雷暴天氣發(fā)生。

［1］MEANS L L．On thunderstorm forecasting in the central United States［J］．Mon Wea Rev，1952，80:165 －180．

［2］CLOMAN B R．Thunderstorms above frontal surface in environments without positiveCAPE．Part I:A climatology［J］．Mon Wea Rev，1990，118:1103－1121．

［3］MOORE J T，GLASS F H，ROCHETTE S M，et al．The environment of warm－season elevated thunderstorms associated with heavy rainfall over the central united states［J］．Weather Forecasting，2003，18:861 －878．

［4］張吉，陶嵐，漆梁波．一次“高架”雷暴天氣過程分析［J］．大氣科學(xué)研究與應(yīng)用，2012（1）:19 －25．

［5］盛杰，毛冬艷，藍(lán)渝．2010－2012年春季我國冷鋒后部高架雷暴天氣特征［J］．天氣預(yù)報(bào)，2013，5（6）:64－70．