一次強風雹天氣的干侵入作用及雷達回波特征分析

葉 東

（新鄉市氣象局，河南 新鄉453003）

風雹天氣是春末夏初影響我國北方地區的災害性天氣之一，主要由中小尺度天氣系統發展而成，在風雹發生前后還常常伴有雷電、短時強降水等強對流天氣。風雹天氣一般持續時間較短，影響范圍小，但天氣過程劇烈，突發性強，很難準確預測，常造成嚴重的氣象災害。由于風雹天氣尺度小、變化快，常規觀測資料的時空分辨率較低，而衛星和氣象雷達對強對流天氣類型分辨的準確率有待進一步提高，因此開展風雹天氣的研究特別是中小尺度系統特征的研究十分重要。多年來國內許多學者對風雹天氣的環流背景和環境條件進行了研究，對風雹天氣的環流特征進行了概念模型分類，得出了一些預報預警指標[1-5]。

近些年來，隨著氣象現代化的發展和觀測手段的進步，衛星、雷達等高時空分辨率的觀測資料在強對流天氣分析中的作用越來越大。俞小鼎等[6]在研究多普勒雷達原理時指出雷達回波中出現三體散射長釘、勾狀回波、有界弱回波區、高回波懸垂是冰雹發生的顯著特征。陳秋萍等[7]在分析兩個強降雹超級單體回波特征時指出，在垂直空間上較高的懸垂回波和有界弱回波區是冰雹發生的顯著特征，且成熟階段的超級單體均較高空風偏右發展。對于風雹天氣的觸發機制許多學者也有研究，蘇愛芳等[8]通過對河南北部一次冰雹強對流天氣分析后指出，地面輻合線具有觸發和組織對流的作用。

東北低渦影響下的風雹天氣在中尺度物理量場上的分布特征，有許多氣象工作者進行了研究。馬素艷等[9]對冷渦背景下呼和浩特市的冰雹特征進行了分析總結，表明在冷渦后部，高層冷平流和低層暖平流有利于對流不穩定度加大。楊曉霞等[10]對一次連續冰雹天氣的物理量場特征進行分析，指出冰雹產生在中低層對流不穩定區、高能舌和低層輻合、高層輻散的上升運動區。對流有效位能和高層正渦度平流對冰雹的產生起主要作用。張一平等[11]對河南一次槽后型暴雨伴隨冰雹天氣過程的形成機理進行了分析，指出西北氣流下對流有效位能午后一般會顯著增大，為降水和冰雹提供不穩定能量。劉一瑋等[12]對一次熱力不均勻場產生的冰雹天氣進行分析，指出熱力不均勻分布造成的次級環流和上升運動使水汽凝結并釋放潛熱，觸發了冰雹的發生。還有許多學者利用多種觀測資料對當地雹暴的演變特征和物理量變化規律進行了分析和總結[13-18]。

黃淮區域出現冰雹的環境特征一般是高層干冷、中低層濕熱或有明顯的濕區存在，而對整層水汽都較差的情況下發生的冰雹天氣研究還比較少，相關的物理量指標也不明確，特別是對于平原地區冰雹的回波特征還需要進一步研究，而這種整層干燥的強對流天氣極易出現漏報，因此在河南北部地區開展此類冰雹天氣的中尺度研究十分必要。本文對河南北部地區一次風雹天氣中干冷空氣的侵入作用和雷達回波特征進行分析，以期為進一步完善在相似條件下冰雹的預報預警方法提供參考。

1 天氣概況與環流背景

1.1 天氣概況

2018年6月13 日14—16時，受高空東北冷渦后部橫槽轉豎的影響，河南北部出現了大范圍的大風和冰雹，并伴有雷電和短時強降水等強對流天氣。這次大風冰雹天氣主要出現在新鄉、鶴壁和安陽一帶，災害落區呈塊狀分布，自動站顯示最大風速出現在鶴壁市浚縣的小橋鎮，瞬時風速達34.5 m·s-1，新鄉市區和原陽部分鄉鎮也出現了10級左右的瞬時大風。鶴壁、新鄉、獲嘉、輝縣、原陽均監測到有冰雹，冰雹最大直徑為20 mm，冰雹持續時間約10 min（圖1a）。圖1b為這次過程新鄉王村站逐10 min雨量變化，降水過程持續時間較短，只有1 h左右，但雨強大，10 min最大降水量達到10.9 mm。這次大風冰雹天氣正值麥收期間，造成大量小麥倒伏、農田積水，還造成了市區部分路段嚴重積水，直接經濟損失達1000多萬元。

1.2 環流背景

6月13日08 時風雹天氣發生前，中高緯地區高層為兩槽一脊的環流形勢（圖2a），200 hPa在中緯度地區有一條風速達56 m·s-1的東西向急流軸，河南北部處于急流軸左側。500 hPa副熱帶高壓脊線位于20°N附近，低槽位于濟南、徐州到阜陽一線。河北北部與內蒙交界一帶有一冷渦，冷渦中心溫度為-16℃，冷渦后部赤峰、張家口到東勝有一橫槽，河南北部由低槽后部的西北氣流控制。700 hPa低槽位于河北中部到河南東部一帶，橫槽位于山西北部，且河南中西部存在溫度露點差＞27℃的干區。850 hPa在北京、邢臺到盧氏有一個東北—西南向的輻合線，且在鄭州附近存在22℃的暖中心，河南北部地區相對濕度＜50%。925 hPa相對濕度在50%以下，溫度露點差為16℃，但河南中部存在比濕＞8 g·kg-1的相對濕區。850 hPa與500 hPa的溫度差達到33℃，上下層溫差較大，大氣層結處于不穩定狀態，且925 hPa比濕較大，仍有出現強對流的潛勢條件。

圖1 2018年6月13日風雹天氣實況分布（a，黑色三角為冰雹落區）和新鄉市王村鎮逐10 min雨量（b，單位：mm）

14時地面綜合分析圖上（圖2b），新鄉西部和鶴壁都有一個994 hPa的低壓中心，河南北部地區的3 h變壓為-2～-3 hPa，有利于變壓風的加強。河南地區為一致的偏南風，山西、河北南部則為偏北風，南北氣流在河南北部地區匯合，形成一條東北—西南向的輻合線，安陽、濮陽一帶有弱冷鋒存在。河南北部地區地面比濕達12 g·kg-1，14時河南北部地區2 m溫度在36℃以上，高溫高濕的環境條件有利于不穩定能量的累積。地面輻合線和弱冷鋒有利于輻合上升運動的發展，也是不穩定能量觸發的動力條件，同時也有利于近地面水汽的垂直輸送。

圖2 6月13日08時高空（a）和14時地面（b）綜合分析

圖3 6月 13日 08時（a）、14時（b）、20時（c）冰雹發生區域（114°E，35.5°N）格點探空

1.3 探空分析

6月13日08 、14、20時冰雹發生區域的格點探空（圖3）顯示，這次風雹天氣過程中低層一直處于較干的環境。08時大氣整層都比較干燥，不穩定能量也較小，對流有效位能（CAPE）僅為 237 J·kg-1，850～700 hPa有明顯的干區，同時在900 hPa以下有淺薄的逆溫層存在，中低層較干，有利于大氣輻射增溫，逆溫層則有利于不穩定能量的儲存和累積。14時隨著溫度升高，不穩定能量迅速增大，CAPE增加到852 J·kg-1，500 hPa以上中高層干區的溫度露點差突然增大，形成明顯的喇叭口形狀，500 hPa與850 hPa的溫度差較08時也有所增大，說明高層有干冷空氣入侵，在600～500 hPa有淺薄的濕層存在，同時500 hPa以下風向隨高度有明顯順轉，說明中低層有暖平流，上干冷下暖濕的層結有利于對流天氣的產生。14時0～6 km垂直風切變從08時的10 m·s-1增至21 m·s-1，垂直風切變增大有利于上下層能量交換。此次冰雹過程0℃層高度在4.4 km，-20℃層高度在7.2 km，符合河南省冰雹產生的環境條件[19]，且濕層正好位于0℃層和-20℃層之間，有利于冰粒增長。20時冰雹天氣結束后，不穩定能量迅速釋放，CAPE減至51 J·kg-1，700 hPa以上干區范圍增大，相對濕度減小，中層由于降雹過程中水汽凝結釋放大量潛熱，溫度上升，近地面由于強對流天氣溫度大幅下降，上干冷下暖濕的不穩定層結被破壞，對流天氣結束。

2 中尺度環境特征

2.1 干侵入特征分析

通過分析冰雹發生區域溫度露點差與溫度平流在對流前后的變化以及水汽通量散度的分布，可說明干侵入在對流過程中的作用。冰雹發生前整層溫度露點差都較大（圖4a），大氣層結較干，13日08時近地面存在24℃的干中心，相對干燥的環境有利于前期增溫。14時，300～600 hPa溫度露點差明顯增大，350 hPa和500 hPa分別有40℃和28℃的干中心，同時在500 hPa以上有明顯的冷平流，說明午后中高層有明顯的干冷空氣入侵，這與冰雹發生時間對應。中高層干冷空氣入侵增加了大氣不穩定程度，同時干冷空氣引發的下沉運動也有利于低層不穩定能量觸發。700 hPa附近有淺薄的暖平流，700～850 hPa存在溫度露點差小值區，中間層相對暖濕的層結有利于強對流天氣發生。14時近地面和850 hPa附近有弱的冷平流出現，冷平流出現的時間和位置與850 hPa輻合線以及地面弱冷鋒對應。

14時850 hPa河南北部地區處于水汽的輻合區， 水汽通量散度達到-6×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1（圖4b）。流場上黃河以南的偏南氣流與北方的偏北氣流在河南北部地區輻合，形成一條東北—西南向的輻合線，有利于上升運動發展。低層的水汽條件和動力條件有利于強對流的產生，近地面的弱冷平流則有利于不穩定能量的釋放。20時隨著冰雹和降水的結束，中低層的濕度增大，高層冷平流減弱，上干冷、下暖濕的不穩定層結被破壞。

2.2 干對流觸發機制

這次強對流天氣持續時間較短，影響河南北部地區的時間段主要在14：30—15：30。對風雹天氣14時850 hPa假相當位溫和垂直速度、散度剖面結合地面加密觀測資料進行分析，發現850 hPa河南西南部存在344 K的假相當位溫高值區（圖5a），且高值區向東北方向伸展，河南北部處于336 K的大值區內。河北南部存在328 K的假相當位溫低值區，在河南北部一帶有東西向能量鋒區形成，安陽到新鄉之間的假相當位溫差達8 K。另外在能量鋒區西段，假相當位溫線明顯向西南方向凸起，說明河南省西北部的溫濕條件首先發生變化，低層干冷空氣入侵是從河南西北部開始。流場上鋒區的北側是偏北氣流，南側是偏南氣流，新鄉與安陽之間形成一條東西向輻合線。參照地面加密觀測資料，13時河北南部到太行山東側有一條東西向的地面輻合線，隨著北部弱冷空氣南下，輻合線西段地面風向首先由南風轉為北風，形態呈東北—西南向。14時輻合線南壓至鶴壁到輝縣，850 hPa能量鋒區與地面弱冷鋒在14時也位于該區域內，隨著弱冷鋒和地面輻合線南下，河南北部上空的不穩定能量迅速釋放，14：30新鄉北部開始出現風雹天氣。20時河南北部地區中低層假相當位溫從336 K下降至328 K，對流有效位能（CAPE）從 550 J·kg-1下降到 100 J·kg-1以下，地面輻合線向東南移至河南中東部地區，輻合線近似南北走向，河南北部地面和850 hPa風場都轉為偏北風，地面弱冷鋒減弱消亡。850 hPa和地面風場輻合線以及地面弱冷鋒的移動變化與強對流天氣發展過程有密切關系。

圖4 6月13—14日溫度露點差（黑色實線，單位：℃）與溫度平流（陰影，單位：10-3K·s-1）沿冰雹發生區域（114°E，35.5°N）時間剖面（a）和13日14時850 hPa水汽通量散度（陰影，單位：10-6g·hPa-1·cm-2·s-1）與流場（箭頭，單位：m·s-1）分布（b）

圖5b是14時垂直速度和散度沿113.75°E的剖面圖，在35°N以南地區整層都處于下沉運動，沒有明顯的輻合，而在850 hPa切變線、能量鋒區和地面輻合線附近（黑色豎線）低層有一個散度達-24×10-4s-1的輻合中心，450 hPa附近有一個24×10-4s-1的輻散中心，800～500 hPa有明顯的上升運動中心，垂直速度達-3 m·s-1，高層輻散、低層輻合的配置有利于上升運動的進一步發展。因此850 hPa切變線、地面的弱冷鋒及輻合線的形成和移動促使了低層輻合加強，產生強烈的上升運動，使河南北部地區的不穩定能量得以釋放，是這次冰雹天氣的觸發機制。

圖5 6月13日14時850 hPa假相當位溫（黑色實線，單位：K）、流場（箭頭，單位：m·s-1）分布（a）和垂直速度（陰影，單位：m·s-1）、散度（黑線，單位：10-4s-1）沿 113.75°E 垂直剖面（b，黑色豎線為風雹發生位置）

3 雷達回波特征

3.1 反射率因子演變分析

圖6是2018年6月13日強對流發生期間1.5°仰角雷達回波反射率因子演變。13日12：54，在濟源、陵川和安陽有3個較小的對流單體生成，是午后局地生成的熱對流單體，最大回波強度為55 dBZ。根據地面加密觀測風場資料，此時在河北南部到太行山東側地面附近存在一條東西向輻合線，對流單體此時位于地面輻合線的南側。13：24位于安陽的對流單體穩定少動，但反射率因子明顯增大，陵川的對流單體向東移至輝縣北部到鶴壁一帶，回波強度增加到60 dBZ，且在東移過程中生成新的對流單體，此時的地面輻合線已經南壓至安陽到陵川一線，呈東北—西南向，輻合線西段的回波單體發展速度更快，這與干冷空氣的侵入路徑對應。

隨著地面輻合線南壓，陵川的對流單體向東南移動，位于安陽的對流單體緩慢南壓，兩個對流單體逐漸合并。合并后的對流系統位于地面輻合線附近，對流系統的強度顯著增強，且在輻合線附近不斷有小單體生成，此時在輝縣、安陽等地出現雷暴大風天氣。14：42地面輻合線南移至新鄉、延津到濮陽一線，輻合線北側對流單體合并加強后形成了一條東北—西南向的回波帶，回波帶有弓形回波的特征，結合平均徑向速度產品在回波帶北側和西側分別有中氣旋生成并維持，此時在中氣旋左側開始出現冰雹。沿回波帶做剖面，可以看出在回波帶上有3個對流單體，且都有明顯的懸垂結構，其中對流單體“A”的回波頂高達到14 km，回波大值區在3 km左右，此時新鄉西部大召營出現23.9 m·s-1的大風和冰雹，衛輝和鶴壁南部也出現了瞬時大風和短時強降水天氣。15：12回波帶繼續向東南移動，地面輻合線沒有明顯移動，回波帶移動至輻合線附近時強度有所增強，而位于回波帶后側的對流單體“D”則向偏東方向移動加強，呈現出明顯的三體散射特征，三體散射長釘的長度在24 km左右，此處出現大冰雹的可能性極大，但由于觀測站點稀疏，觀測到的最大冰雹直徑只有20 mm。對對流單體“D”做剖面，可以看出該對流單體回波頂高＞15 km，最大基本反射率強度達到了68 dBZ，大值中心在3～5 km，有明顯的懸垂結構特征。對應探空分析，該對流單體回波強度的大值區在0～-20℃層，有利于大冰雹產生。

15：36回波帶移動至長垣、延津、原陽一帶，最大回波強度為67 dBZ，地面輻合線已經分裂為東西兩段，其后伴隨強雷暴單體，此時在原陽和長垣等地均出現了10級左右的大風，但沒有出現冰雹。16：42兩段地面輻合線分別向東西方向移動，回波帶跟隨輻合線的移動方向，強度逐漸減弱，回波帶斷裂成數個塊狀回波單體，河南北部的強對流天氣結束。

圖6 2018年6月13日鄭州站雷達1.5°仰角基本反射率

此次強對流過程中，結合地面加密資料，地面輻合線與地面的弱冷鋒相對應，在對流系統發展、成熟、消散過程中都有重要作用，對流系統在輻合線附近明顯加強，輻合線的移動速度快于對流系統的移動速度，地面輻合線對強對流天氣的預警可提前20 min左右。帶狀回波后側對流單體的三體散射特征和中氣旋早于地面冰雹出現，對風雹天氣有一定的預警指示意義。

3.2 平均徑向速度和垂直累積液態水含量分析

進一步對冰雹發生時0.5°仰角平均徑向速度進行分析，13時之前河南北部地區為一致的偏南氣流，沒有明顯的輻合輻散，此時河南北部與河北、山西交界一帶有一些局地對流產生。14時干冷空氣開始侵入河南的西北部地區，地面輻合線此時位于安陽與鶴壁之間。14：12的徑向速度圖上在淇縣和浚縣交界一帶有一個明顯的徑向輻合速度對，同時疊加有中氣旋生成，中氣旋位于地面輻合線附近，說明此處有氣旋性的輻合。在浚縣和淇縣北部存在逆風區，此時在中氣旋東側的鶴壁、浚縣出現了雷暴和34.5 m·s-1的瞬時大風。同一時刻的垂直累積液態水含量（VIL）圖（圖7）上，地面輻合線附近存在VIL的大值帶，中氣旋附近的VIL值達80 kg·m-2，中氣旋附近的輻合上升運動配合充足的水汽供應，有利于強對流天氣的發展，14：30浚縣北部出現了20 mm的大冰雹。14：42弓形回波帶的西南側偏北風風速突然加大，徑向速度中心最大值為35 m·s-1，在新鄉到獲嘉一帶形成一條明顯的帶狀輻合系統，同時有中氣旋在輻合帶附近生成，此時輻合帶附近的垂直上升運動十分強烈，垂直累積液態水含量在55～70 kg·m-2，動力條件和水汽條件都有利于對流天氣的發展。從鄭州站出發沿徑向穿過輻合系統做剖面，可以看出在輻合線附近低層徑向速度有明顯輻合，高層則有明顯的輻散，在中層存在徑向輻合區（MARC），在冰雹落區附近的高層朝向雷達的偏北風較前一時次顯著增大而低層偏南風也有所增大，高低層風切變增大有利于冰雹、大風的產生[17]。15時新鄉出現直徑10 mm的小冰雹和25.6 m·s-1的大風天氣。對冰雹發生區域其它時次的徑向速度剖面圖分析發現，中層徑向輻合特征最早在14：36開始出現，15：12特征消失，不同對流單體中層徑向輻合區的出現時間比對應地面大風、冰雹的出現時間提前了12～24 min，有很好的預警指示意義。

圖7 2018年6月13日鄭州站雷達0.5°仰角平均徑向速度（單位：m·s-1）和垂直累積液態水含量VIL分布（單位：kg·m-2）

4 結論

對2018年6月13日發生在河南省北部地區的一次風雹天氣過程進行診斷分析，得出如下結論：

（1）本次風雹天氣過程發生在東北冷渦底部的偏北氣流下，整層的水汽條件都偏干，屬于“干對流”。前期地面增溫、850 hPa與500 hPa較高的溫度差和低層925 hPa的相對濕區為強對流天氣的發生提供了潛勢條件。850 hPa的切變線和地面上的弱冷鋒為強對流天氣的發展提供了初始擾動。地面輻合線的移動發展觸發了中低層的不穩定能量釋放，是這次強對流過程的觸發機制。0℃層（4.4 km）和-20℃層（7.2 km）高度適宜河南地區冰雹天氣的產生。

（2）干冷空氣侵入首先出現在高層，強對流發生時冷平流強度達到最強，中層有暖平流，低層水汽通量在強對流發生的時段內有明顯輻合，高層的干冷侵入使得上干冷、下暖濕的不穩定層結加強。

（3）對流單體形成于午后的熱對流，隨著高層干侵入和地面輻合線的形成，對流單體在干侵入的一側首先發展加強，隨后在地面輻合線附近不斷產生小的對流單體，對流單體合并后進一步加強，逐漸形成弓形回波帶。

（4）對流單體的移動方向與地面輻合線一致，地面輻合線經過對流單體時對流單體的回波強度會顯著增強，地面輻合線穩定少動有利于輻合線后對流系統的增強，當地面輻合線斷裂后對流系統會減弱消亡。

（5）此次強對流過程中，雷達產品中氣旋的產生比對應地區大風冰雹產生提前30 min左右，對流單體三體散射特征和中層徑向輻合區（MARC）的出現時間比大風、冰雹的出現時間提前12 min，地面輻合線對強對流天氣的預警也可提前20 min左右，這些為風雹天氣的預警提供了參考依據。