陜西北部一次局地雷暴天氣中尺度分析

鄭小陽，雷崇典，都全勝，徐艷梅

(陜西省延安市氣象局，陜西延安 716000)

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陜西北部一次局地雷暴天氣中尺度分析

鄭小陽，雷崇典，都全勝，徐艷梅

(陜西省延安市氣象局，陜西延安 716000)

利用常規(guī)氣象觀測資料、多普勒雷達、FY-2D衛(wèi)星云圖，分析了2015年4月20日延安富縣出現(xiàn)的一次局地冰雹天氣過程。結(jié)果表明，綜合高空850、700和500 hPa的主要特征，850 hPa自南向北侵入河套的濕舌，配合西側(cè)風(fēng)切變對應(yīng)500 hPa干冷空氣，這種配合有利于河套上空不穩(wěn)定層結(jié)的建立。而700 hPa西北側(cè)與東側(cè)方向冷空氣的不斷侵入，有利于河套地區(qū)低層暖濕空氣的抬升。陜北地區(qū)低層的濕區(qū)和大氣不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)的維持，地面低壓發(fā)展以及輻合線的存在有利于低層暖濕空氣的抬升。邊界層輻合線、干線等中尺度抬升系統(tǒng)提供了對流風(fēng)暴發(fā)生所需的能量和觸發(fā)機制，為對流發(fā)生的中尺度環(huán)境分析提供依據(jù)。

富縣；冰雹；不穩(wěn)定；濕舌；風(fēng)暴

深厚濕對流需要水汽、條件不穩(wěn)定層結(jié)和抬升力3個要素，缺少任何一個，對流就不會發(fā)生[1]。雷暴泛指深厚濕對流，常伴有雷雨、大風(fēng)、冰雹等，可以不伴有雷電活動，屬強天氣范疇。有關(guān)強天氣的分析方法和預(yù)報思路，許多學(xué)者從不同角度進行了有益的探索[2-4]。以“配料法”[5]為思路的雷暴產(chǎn)生環(huán)境條件的分析逐漸增多；在業(yè)務(wù)預(yù)報中，雖然“配料法”能夠化繁為簡，使預(yù)報思路的物理概念清晰，但也面臨一些具體問題，特別是條件不穩(wěn)定與位勢不穩(wěn)定的異同與判據(jù)。另外，邊界輻合線、地形抬升、干線等中尺度系統(tǒng)能迅速顯著地改變局地環(huán)境，受資料分辨率及數(shù)值預(yù)報能力限制，這種快速變化的局地環(huán)境無法診斷，一些局地強風(fēng)暴易漏報。強天氣預(yù)報的好壞取決于在這種預(yù)報中的分析水平，正確而細致的中尺度分析是至關(guān)重要的。筆者基于MICAPS 3.1平臺，分析了2015年4月20日陜北地區(qū)一次局地雷暴天氣過程，探討有利的各種天氣系統(tǒng)的空間配置關(guān)系、要素和參數(shù)的中尺度分析技術(shù)，找出雷暴發(fā)生的天氣系統(tǒng)、參數(shù)和要素未來的可能變化趨勢，為強天氣預(yù)報提供思路和指導(dǎo)。

1　冰雹天氣過程

4月20日13：45～14：24富縣北道德鄉(xiāng)遭受冰雹襲擊，冰雹由北向南蔓延，局地持續(xù)超過40 min，冰雹直徑達0.8～1.0 cm，北道德鄉(xiāng)受災(zāi)1 092.6 hm2。受災(zāi)最重的雷豐、岳村、紀路、湫塬、高池村受災(zāi)面積606.7 hm2，冰雹厚度超過5 cm，現(xiàn)場查看蘋果花芽、樹葉已基本打落，受損情況較為嚴重。另外，富城鎮(zhèn)侯村、南道德鄉(xiāng)南道德村(14：47左右)亦有零星降雹，綠豆大小，持續(xù)1～2 min。

2　大氣環(huán)流背景分析

進入4月中旬，副高逐漸建立，并加強西伸，西脊點到達94°E以西，北界到達20°N，副高阻擋江南、華南的水汽輸送，導(dǎo)致長江以北地區(qū)的水汽條件較差。南支槽東移與北支槽基本同位相疊加，對應(yīng)較強的冷空氣過程。前期，阻塞高壓逐漸消失，中高緯西北氣流徑向分量減弱，東西大槽強度有所減弱，受其影響，冷空氣活動較少。此外，受副高外圍暖濕氣流與北方干冷空氣交匯影響，19～20日造成西北地區(qū)東部多風(fēng)暴天氣生成。

4月20日08：00 500 hPa，歐亞大陸大氣環(huán)流形勢為兩槽一脊型，青藏高原—巴爾喀什湖為一高脊，兩槽分別位于貝加爾湖西部和烏拉爾山西部，中國大陸呈西高東低型，延安上空為一致的西北風(fēng)。低層850 hPa延安受高脊控制，河套西北部有切變存在。地面圖上，20日08：00冷空氣主體位于蒙古西部，14：00空氣擴散南下，前部已進入河套西部，在延安西部地區(qū)有明顯切變輻合系統(tǒng)。

2.1高空形勢分析

2.1.1850 hPa。20日08：00，延安測站北側(cè)河套中部有一條東東北—西西南走向的切變線，濕舌(比濕≥10 g/kg)沿西南氣流伸展至河套區(qū)域，延安測站上空存在一個中尺度低的溫露差中心(T-Td≤1 ℃)。

2.1.2700 hPa。分析20日08：00風(fēng)、濕度、降溫場可看出，西北方向的急流指向河套，延安上空繼續(xù)保持中尺度的T-Td≤3 ℃的一個高濕區(qū)，河套中部到甘肅南部存在風(fēng)切變線，其位置較850 hPa切變線的位置在垂直方向上偏西；河套中部有12 h顯著的降溫中心，說明冷空氣已經(jīng)從西北方向進入河套，河套西側(cè)700 hPa切變線東移與850 hPa切變在垂直方向上重合，有利于上升運動的加強。

2.1.3500 hPa。20日08：00，河套區(qū)上空為一致性的偏西風(fēng)，冷溫度槽明顯落后與高空槽，河套上空存在較強冷平流，河套東側(cè)是T-Td≤-28 ℃的干區(qū)，與12 h最大變高中心為-5 dagpm 的區(qū)域相重合，河套西側(cè)是T-Td≤4 ℃的濕區(qū)，與24 h最大變溫中心-7 ℃的區(qū)域相重合，延安測站處于16 ℃

注：棕色雙線為850 hPa切變，單線為700 hPa切變。Note：Brown double line is 850 hPa shearing，single line is 700 hPa shearing.圖1　2015年4月20日08：00 500 hPa溫露差場Fig.1　500 hPa temperature difference field at 08：00 on Apr.20，2015

2.1.4高空綜合分析。綜合高空850、700和500 hPa的主要特征(圖1)，850 hPa自南向北侵入河套的濕舌，配合測站西側(cè)風(fēng)切變對應(yīng)500 hPa干冷空氣，這種配合有利于河套上空不穩(wěn)定層結(jié)的建立。而700 hPa西北方向冷空氣的不斷侵入，有利于河套地區(qū)低層暖濕空氣的抬升。850、700 hPa切變線提供了輻合抬升條件， 有利于對流天氣的產(chǎn)生和發(fā)展。2.2地面形勢分析20日08：00地面倒槽已伸入至河套區(qū)，延安測站處于地面高溫高濕的暖低壓倒槽中，氣壓值≤1 017 hPa；11：00低壓強度較08：00有所加強，降雹區(qū)域有風(fēng)向輻合存在，具有抬升條件，同時延安測站相對濕度>60%，且溫度脊位于濕度脊的西部，有利于強對流天氣的發(fā)生。

如果預(yù)報有強對流天氣發(fā)生的可能，必須密切注意地面要素的變化。如這次過程中，河套上游及偏北地區(qū)3 h變壓與正常的日變化不同，20日02：00開始出現(xiàn)負的3 h變壓，20日14:00負變壓加強，河套區(qū)南側(cè)有-2 hPa的3 h變壓，并持續(xù)到17:00。

3　物理量場分析

3.1不穩(wěn)定條件分析4月20日08：00延安站上空700、850與500 hPa大氣溫度差分別達17、25 ℃，其以北大部分地區(qū)溫度差分別大于18、28 ℃。850 hPa在河套上空有一個明顯的暖溫度脊形成，對應(yīng)500 hPa有明顯的低溫槽，中層顯著降溫。表明陜北地區(qū)上空層結(jié)有利于對流發(fā)生和發(fā)展。

圖2　2015年4月20日08：00延安站T-logPFig.2　T-logP in Yanan at 08：00，Apr.20 2015

3.2水汽條件分析4月20日08：00，近地面層925 hPa河套區(qū)上空處于≥6 g/kg高比濕區(qū)域(圖3)；在水汽通量散度場上，850 hPa河套地區(qū)為正值區(qū)，水汽輻合不明顯，反映在V分量圖上對應(yīng)1～4 m/s的中心區(qū)域；在總溫度平流場上，對應(yīng)一個正溫度平流區(qū)，有利于后期測站上空增溫增濕，850 hPa濕區(qū)和濕度脊的上空存在干冷的溫度槽，大氣層結(jié)向有利于不穩(wěn)定的局勢發(fā)展。20日08：00假相當位溫場顯示，低層850 hPa以下暖濕區(qū)上空有明顯的高能舌侵入河套，延安測站上空850 hPa假相當位溫≥330 K，700 hPa西北側(cè)與東側(cè)有干冷空氣侵入，500 hPa以上為干冷區(qū)，500 hPa假相當位溫≤325 K，假相當位溫隨高度減小，為對流不穩(wěn)定層結(jié)的區(qū)域。由此可見，20日08：00陜北地區(qū)低層的濕區(qū)和大氣不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)維持，地面低壓發(fā)展以及輻合線的存在有利于低層暖濕空氣的抬升。

注：藍斷線為850 hPa假相當位溫；棕色斷線為700hPa假相當位溫；綠斷線為850 hPa水汽通量散度0線。Note：Blue break is 850 hPa equivalent potential temperature; brown break is 700 hPa equivalent potential temperature; green break is 850 hPa water vapor flux divergence 0 line.圖3　2015年4月20日08：00 925 hPa比濕場Fig.3　925 hPa specific humidity at 08：00 on Apr.20，2015

3.3穩(wěn)定度分析4月20日08：00延安市偏北地區(qū)是一個K指數(shù)≥24 ℃以上的中尺度中心區(qū)，延安單站K指數(shù)為26 ℃。河套西側(cè)緊鄰大面積CAPE≥0的正值區(qū)，其>90%的區(qū)域CAPE≥500 J/kg，南北走向的零值線西側(cè)CAPE值梯度非常大，東側(cè)沿零值線分布多個小尺度的負值區(qū)，延安測站處于CAPE零值線上。延安測站850～500和700～500 hPa的假相當位溫差值分別為-6、-2 ℃，處于直減率高值區(qū)。表明延安測站上空處于大氣條件不穩(wěn)定狀態(tài)。4中尺度環(huán)境場與觸發(fā)機制

從20日08：00地面圖上可以看出，河套地區(qū)處于地面冷高壓的前部，延安測站處在地面倒槽內(nèi)，14：00對應(yīng)降雹區(qū)風(fēng)向表現(xiàn)出中小尺度的輻合。20日08：00 850 hPa延安西北部上空風(fēng)場有一條南北向切變線(圖4)，對流發(fā)生區(qū)的南北兩側(cè)維持偏南風(fēng)水汽輸送帶，對應(yīng)有一溫度露點差<5 ℃南北向的濕舌，延安測站溫度露點差為1 ℃。850 hPa(濕舌)的西側(cè)是一條西南—東北走向的干線(或干鋒)，有利于雷暴發(fā)生區(qū)產(chǎn)生垂直環(huán)流。上升支在濕空氣區(qū)，下沉支在干區(qū)，這個垂直環(huán)流圈的進一步發(fā)展反過來又維持了濕舌，是強對流的一種觸發(fā)機制[6]。

圖4　2015年4月20日08：00中尺度分析Fig.4　Mesoscale analysis at 08：00，Apr.20 2015

5　衛(wèi)星云圖

從圖5可以看出，在20日12：30西部有云團發(fā)展，13：00東移進入富縣境內(nèi)，13：30得到了迅速發(fā)展，14：00發(fā)展到最強盛，14：30減弱向東移出富縣，在大氣不穩(wěn)定前提下，生成的對流單體在進入地面輻合線區(qū)域時得到迅速發(fā)展。

注：a.12：30; b.13：00; c.13：30; d.14：00。Note：a.12：30; b.13：00; c.13：30; d.14：00.圖5　2015年4月20日FY2D紅外云圖Fig.5　FY2D infrared cloud picture on Apr.20，2015

6　多普勒雷達分析

從多普勒雷達基本反射率因子圖可以看出，20日13：25～13：40由普通單體風(fēng)暴迅速發(fā)展成非超級單體強風(fēng)暴，此時，低層反射率因子等值線在入流的一側(cè)出現(xiàn)很大的梯度，風(fēng)暴頂位于低層反射率因子在入流一側(cè)的強梯度區(qū)之上，中層強回波區(qū)下部在入流一側(cè)出現(xiàn)弱回波區(qū)。即回波自低往高向低層入流一側(cè)傾斜，呈現(xiàn)出弱回波區(qū)和弱回波區(qū)之上的回波懸垂結(jié)構(gòu)，造成富縣持續(xù)40 min的冰雹天氣。說明雷達回波的發(fā)展是沿著該輻合切變線進行的，無論回波帶的生成還是發(fā)展均與地形作用和地面風(fēng)場輻合作用的共同影響分不開[7]。

7　小結(jié)

(1)此次過程是在高空東北冷渦的背景下發(fā)生的，以冰雹和大風(fēng)天氣為主，過程降水的雨量強度和范圍均不大，呈現(xiàn)出干對流特征，這與邊界層濕度不大(比濕、露點均比較低)、濕層淺薄有關(guān)。大氣層結(jié)不穩(wěn)定的建立和維持以高低空溫度平流的差動為主，濕度平流的差動不顯著。

(2)850 hPa自南向北侵入河套的濕舌；配合測站西側(cè)風(fēng)切變對應(yīng)500 hPa干冷空氣，這種配合有利于河套上空不穩(wěn)定層結(jié)的建立，而700 hPa西北方向冷空氣的不斷侵入，有利于河套地區(qū)低層暖濕空氣的抬升，大氣層結(jié)將變得非常不穩(wěn)定，850、700 hPa切變線提供了輻合抬升條件，有利于對流天氣的產(chǎn)生和發(fā)展。

(3)雷暴的發(fā)生常是在水汽和不穩(wěn)定條件已滿足的條件下等待抬升強迫，此條件通常是“扣動扳機”的觸發(fā)條件，有利的中尺度環(huán)境場和邊界層輻合線的形成是雷暴產(chǎn)生的觸發(fā)機制。

[1] 熊秋芬，章麗娜，王秀明.強天氣預(yù)報員培訓(xùn)手冊[M].北京：中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，2012：1-3.

[2] 俞小鼎，周小剛，王秀明.雷暴與強對流臨近天氣預(yù)報技術(shù)進展[J].氣象學(xué)報，2012(3)：311-337.

[3] 鄭永光，張小玲，周慶亮，等.強對流天氣短時臨近預(yù)報業(yè)務(wù)技術(shù)進展與挑戰(zhàn)[J].氣象，2010(7)：33-42.

[4] 周后福，邱明燕，張愛民，等.基于穩(wěn)定度和能量指標作強對流天氣的短時預(yù)報指標分析[J].高原氣象，2006(4)：716-722.

[5] 俞小鼎.基于構(gòu)成要素預(yù)報的方法——配料法[J].氣象，2011，37(8)：913-918.

[6] SCHULTZ D M，SCHUMACHER P N，DOSWELL C A Ⅲ.The intricacies of instabilities[J].Mon Wea Rev，2000，128(12)：4143-4148.

[7] 雷崇典，萬星，劉俊強，等.延安市冰雹云初始回波識別[J].陜西氣象，2010(2)：13-17.

Mesoscale Analysis of a Storm Weather in Northern Shaanxi

ZHENG Xiao-yang, LEI Chong-dian, DU Quan-sheng et al

(Yanan Meteorological Bureau, Yanan, Shaanxi 716000)

Using conventional meteorological observation data, Doppler radar, FY-2D satellite cloud image, a storm weather process appeared in Fu County, Yanan City on Apr. 20, 2015 was analyzed. By considering main characteristics of upper air 850, 700, 500 hPa, 850 hPa cold air intrusion from south to north with west side wind shear and 500 hPa cold air are conducive to the establishment of Hetao instability stratification over the sky. Constant intrusion of cold air from 700 hPa northwest side and east side direction is conducive to the low layer of warm air rising in Hetao Area. Northern Shaanxi area low layer of wet zone and atmospheric instability stratification state maintenance and ground pressure development and convergence line is in favor of the uplift of the low layer warm and humid air. The boundary layer convergence line, trunk line provided the energy and trigger mechanism for the convective storm, also provided the basis for the analysis of mesoscale environment.

Fu County; Hail; Unstability; Wet tongue; Storm

鄭小陽(1969- )，男，陜西宜君人，工程師，從事強對流天氣研究。

2016-05-31

S 165

A

0517-6611(2016)21-172-03