一次由脈沖風暴引起的局地冰雹過程分析

劉九玲

摘要 利用常規天氣資料、多普勒天氣雷達產品和自動氣象站資料，對2014年7月14日造成臺前縣清水河與王集大風冰雹的一次局地強對流天氣過程進行了分析。結果表明：較淺的低壓槽、較高的對流不穩定能量和較弱的垂直風切變條件下，地面冷鋒、中尺度露點鋒和雷暴冷出流等的相互作用，導致魯豫交界出現了多個強局地脈沖雷暴。臺前縣致災脈沖風暴發生在前期雷暴的冷出流中，較強的不穩定能量、充足的水汽和露點鋒導致該風暴強烈發展，造成了臺前縣部分鄉鎮出現了邊際尺度的冰雹和短時大風。

關鍵詞 露點鋒；脈沖風暴；局地；冰雹；過程分析

中圖分類號 P458.1+21.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）17-0281-04

脈沖風暴是發展迅速的強對流風暴，它產生于弱的垂直風切變環境中，同時環境具有較厚的低層濕層和高度的垂直不穩定性。我國氣象工作者對邊界層輻合線對對流風暴的觸發開展了一系列的研究[1-7]。2014年7月14日17：55左右，一個脈沖風暴在臺前縣清水河、王集一帶造成了2～4 cm的冰雹和18.4 m/s的大風。本文利用常規天氣資料、新一代多普勒天氣雷達產品和自動氣象站等資料，對此次雷暴的冷出流和地面風場輻合共同作用下的脈沖風暴過程進行了詳細的分析，以發現該風暴的形成和加強機制，以及造成地面冰雹和大風天氣的原因，提出針對該類局地強風暴的臨近預報思路。

1 天氣形勢背景

2014年7月14日8：00 200 hPa高空圖上，在北緯35°左右有一條東西向的高空急流。500 hPa 高空圖上，中高緯度為兩槽一脊的環流形勢，在咸海和貝加爾湖以東有2個低渦，在貝加爾湖以西有一個高空脊。在高空脊前的河套東部有一個低槽存在。588線在北緯27°以南。850 hPa上，河套地區和華北地區有明顯的斜壓性。由綜合圖（圖1a）可以看出，高空急流軸與低槽相交，根據天氣學原理[8]，急流軸的右側槽前具有強烈的偏差風輻散，槽后的急流軸左側輻合也特別強，當高空槽移到斜壓性比較強的河套和華北地區后，迅速引起地面氣旋和反氣旋的發生發展（圖1b）。14日17：00地面弱冷鋒位于山西與河北豫北交界處，冷鋒與在山東德州到河南平頂山一線一直存在露點鋒相互作用，觸發了此次強對流天氣。

2 強對流發生發展的條件分析

2.1 不穩定能量特征

7月14日8：00章丘和鄭州的探空圖上，兩地的K指數均超過了29 ℃，章丘更是達到了31 ℃，表明章丘和鄭州一帶都處在高能區中，當天發生強對流天氣的可能性較大。8：00章丘探空的CAPE值為900 J/kg左右，14：00經地面溫度訂正過的探空CAPE值已達到2 500 J/kg左右（圖2a），表明章丘周圍地區有非常高的對流潛在能量，已具備有利的對流發展條件。

2.2 水汽條件

7月14日8：00 700 hPa晉冀魯豫地區的比濕都很大，都在4～5 g/kg之間，850 hPa在章丘和鄭州以南地區的比濕較大，大都在7 g/kg以上，地面上濮陽鶴壁鄭州以南地區的露點值比較大，濮陽站的露點更是達到了24 ℃。這種較厚的低層濕層一旦受到觸發，對流就很容易形成。

2.3 觸發機制

7月14日5：00—14：00，在地面填圖上在山東德州到河南平頂山一線一直有1個露點鋒存在（圖2b）。14：00以后河套冷高壓前沿弱冷鋒東移擴散冷空氣南下，跟露點鋒相互作用，一起觸發了此次強對流天氣。因此，在當天有利的大尺度天氣背景條件下，存在高的對流潛在能量和豐富的低層水汽條件，在輻合抬升條件較好的地區容易出現對流。由于較弱的環境風垂直切變（地面到6 km的垂直風切變為8 m/s），使得當天的對流風暴以脈沖風暴為主。但在一些系統性較強的中小尺度切變或輻合線維持的區域，沿切變或輻合線形成的對流風暴也呈現出有組織化的特征。

3 雷達回波分析

3.1 多單體雷暴的雷達回波特征

7月14日15：55，雷達反射率因子圖上顯示在山東菏澤北部有對流單體A首先從中空開始發展，隨后便沿著地面切變線向東北偏北方向移動，并在移送過程中不斷增強，到16：50移至范縣邊界時，中心強度達到50 dBZ。到17：14，在單體A的右側有對流單體B從中空開始發展。17：26 0.5°仰角（圖3a）單體風暴A外圍呈現出較為清晰的弧狀弱窄帶回波，回波強度在5～10 dBZ左右，對其作垂直剖面分析，發現A的強反射率因子核心已到達地面，且對應地面有邊界層輻合線并伴有風速的明顯增大和溫度的降低和短時降水（其中范縣陸集的1 h雨量達到了26.3 mm），表明風暴A中有冷性下沉氣流在低層擴散。風暴A的冷出流鋒區和邊界層輻合線使得單體B迅速發展，中心強度達到50 dBZ。正是該單體造成了臺前的清水河、王集一帶2～3 cm的冰雹和18.4 m/s的大風。

17：50時單體A趨于消散，單體B達到強盛期并且反射率因子核心開始下降，在單體B的右側有一個新的對流單體C開始發展。到18：20，隨著單體B的減弱，單體C發展起來，隨后便與南北的對流單體連成一線，基本呈南北向排列，向山東半島移去，給魯西造成了一次中到大雨、局部暴雨的降水過程（圖3b）。弱的垂直風切變通常表示弱的環境氣流，并且常常引起風暴移動緩慢。此次災害性天氣過程中，由于低層有較厚的濕層和高度的垂直不穩定性，并且在風暴的右側不斷有新生單體的生成，是這次多單體風暴持續時間將近2 h的原因。從對流單體A、B、C的風暴追蹤路徑圖（圖4）上可以看出，每個風暴單體都是朝東北偏北方向移動的，新單體都是在老單體的右側產生的，也就是說傳播方向是向東的，由于風暴運動是由平流和傳播合成的，所以多單體風暴的移動方向為東北方向，也造成了范縣和臺前沿線的短時強降水天氣。

3.2 產生冰雹大風的脈沖風暴endprint

3.2.1 雷暴冷出流觸發脈沖風暴。7月14日17：26，根據CINRAD-SB多普勒天氣雷達風暴追蹤算法（STI）的風暴屬性表，單體A的最強反射率因子核心的高度（DBZM-HT）由上一時刻的3.4 km下降到此時刻的1.5 km，配合地面自動站的觀測記錄以及反射率因子的垂直剖面圖（圖5）來看，風暴A有冷出流及地，沿該出流的邊界產生的垂直運動使得單體B迅速發展成強脈沖風暴，其超過55 dBZ的強中心迅速向上向下同時增長；同時，隨著上升氣流的加強和單體的快速發展，垂直累積液態水含量（VIL）由上一時刻的18 kg/m3迅速增至34 kg/m3。綜合上述要素可以判定，單體風暴B是一個由單體風暴A的冷出流邊界的觸發作用下發展和加強的脈沖風暴。

3.2.2 脈沖風暴的發展和暴發導致冰雹災情的出現。表1為脈沖風暴B的風暴追蹤信息，因為風暴B和風暴A離得太近，風暴單體的識別和風暴屬性的計算可能有較大誤差，需要結合反射率因子剖面圖給予適當訂正，同時，又因為風暴單體距離雷達站太近（僅78 km），由于靜錐區的影響，風暴單體回波頂高的變化趨勢使用鄭州雷達2.4°仰角的回波強度及高度變化來表示。由表1可以看出，17：26風暴單體B受到冷出流邊界觸發，不僅最大回波強度（DBZMZ）由55 dBZ迅速增強至60 dBZ，而且強回波中心迅速向上向下同時增長，結合反射率因子剖面圖（圖5）可以看到，超過60 dBZ的強回波高度在5～9 km之間，已經擴展到-20 ℃等溫線以上高度，同時13 km處的回波也由上一體掃的45 dBZ增至53 dBZ，表明回波頂高也迅速增大。17：44—17：56單體風暴B出現了最大回波強度的高度顯著下降和14 km處回波強度的迅速降低，這2個特征的出現表明雷暴即將崩潰進入減弱消亡階段。結合17：50和17：56的回波剖面圖，可以看出強回波中心迅速下降并在這2個時刻之間及地并暴發，于17：55在臺前的清水河、王集一帶造成了2～4 cm的冰雹和18.4 m/s的大風。

產生冰雹的強對流風暴最顯著的特征體現在如果-20 ℃等溫線對應的高度之上有超過50 dBZ的反射率因子，則有可能產生大冰雹。據此，17：26超過55 dBZ的回波已經擴展到-20 ℃等溫線以上高度，同時0 ℃層距地面的高度不超過5 km，此時就可以考慮發布強冰雹預警。但是這次由脈沖風暴B產生的冰雹是在風暴B進入減弱階段并及地時才發生，而且發生的時間僅僅幾分鐘，因此很難對脈沖風暴發出有效警報。但是考慮到風暴單體A對風暴B的移動路徑的指示作用和高懸的強回波這一雹暴基本特征已經提前30 min出現的情況，預報員還是有足夠的時間發出警報的，這正是這次冰雹過程的最大經驗。

3.2.3 下擊暴流引起大風及預警。脈沖風暴經過臺前縣清水河與王集時，在短短幾分鐘內產生了18.4 m/s的瞬時大風，并伴有11.3 mm的強降水，因此這次大風是由濕微下擊暴流引起的。濕微下擊暴流常常與脈沖風暴相伴隨。濕微下擊暴流主要是受云內和云底下方的融化和蒸發冷卻效應所驅動而產生的。由于濕微下擊暴流與強降水相聯系，水載物對下沉氣流的激發和維持起重要作用。

下擊暴流的預警是非常困難的。當雷達觀測到地面附近的輻散時，幾乎已經無法提前發出警報。而與下擊暴流相伴隨的空中氣流的輻合可以使預報員提前幾分鐘發出預警，即雷達在探測到空中氣流輻合的情況下發出下擊暴流預警。如圖6所示，當17：44從濮陽多普勒雷達上觀測到徑向速度垂直剖面上有明顯的中層輻合，并且伴隨著反射率因子核心的下降時，可以提前10 min發出下擊暴流或者大風預警。

4 結語

此次局地強對流天氣是以高空較淺的低壓槽為背景，有較高的對流不穩定能量和充足的水汽，有利于對流風暴的發展；地面冷鋒、中尺度露點鋒及其與雷暴冷出流的碰撞是風暴不斷新生的觸發機制；弱垂直風切變的壞境下，使得過程中雷暴都具有脈沖風暴的特征。

在弱垂直風切變環境下，前期脈沖風暴的強冷出流導致臺前西南強脈沖單體的發展和加強；強的不穩定條件和低層較厚的水汽使得該風暴強烈發展，其強反射率因子核心的快速下降和暴發產生了邊際尺度的冰雹和大風。

通過對此次雷暴過程的分析，針對處于弱垂直風切變中的脈沖風暴，在關注大的天氣形勢、對流不穩定條件和水汽條件的同時，還應關注低層的邊界線和露點鋒，以及附近雷暴的冷出流邊界，對雷暴發生、發展落區加強監測，提高臨近預報預警的準確性和預報時效。

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