多源探測資料在一次冰雹天氣分析中的綜合應(yīng)用

任賽賽 梁寶元 陳艷真

(1.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；2.福建省災(zāi)害天氣重點實驗室，福建 福州 350001)

1 概述

冰雹是莆田市春季重要災(zāi)害性天氣之一，由于強對流天氣具有局地性強、生命史短、天氣變化劇烈等特點，預(yù)報難度較大。常規(guī)觀測站點分布稀疏、時間間隔長，用于分析強對流天氣的時空分辨率不足[1]。近年來，福建省進行了區(qū)域自動站、風(fēng)廓線及多普勒天氣雷達工程建設(shè)。目前這些系統(tǒng)已經(jīng)可以提供不同種類的較高時空分辨率的實時觀測資料，為監(jiān)測和研究強對流天氣提供了較好基礎(chǔ)。曾瑾瑜等研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)廓線雷達對天氣發(fā)展趨勢提供可靠的指示作用[2]。黃治勇等探討了風(fēng)廓線雷達和地基微波輻射計在冰雹天氣監(jiān)測中的應(yīng)用[3]。徐亞欽等對強對流個例分析后發(fā)現(xiàn)，輻合線區(qū)域的輻合效果可以很大程度上反映出回波的發(fā)展趨勢[4]。

2019年4月25日午后到傍晚，福建省莆田市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)一次強對流天氣，以冰雹和雷暴天氣為主。16∶30左右,秀嶼區(qū)埭頭鎮(zhèn)、南日鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，最大像湯圓一般。秀嶼埭頭鎮(zhèn)瞬時極大風(fēng)速27m/s(10級，出現(xiàn)時間16～17時)。此次強對流過程降水量不大，全市僅5個區(qū)域自動站出現(xiàn)短時強降水，占統(tǒng)計總數(shù)的4%。本文利用Ncep1°×1°再分析資料和探空資料對這次冰雹過程進行大尺度環(huán)流背景、環(huán)境熱動力、水汽條件診斷分析，利用風(fēng)廓線雷達、地面加密自動站資料和多普勒雷達對這次過程的中尺度特征、觸發(fā)機制進行了分析，為多源探測資料在冰雹天氣分析中的應(yīng)用積累經(jīng)驗，提高此類天氣過程的預(yù)報準確率。

2 環(huán)流背景和主要影響系統(tǒng)

由中尺度分析圖1a可以看出，此次冰雹過程4月25日08時,200hpa福建省位于高空急流入口區(qū)的右側(cè)輻散區(qū)內(nèi)，輻散抽吸作用有助于上升運動的發(fā)展維持。500hPa處槽前西南氣流中，700hPa、850hPa和925hPa三層均有切變線位于閩贛地區(qū)。低層切變線位置接近斜壓性強，加劇了抬升運動。700hPa和500hPa大于16m/s和20m/s的西南急流穿過福建，急流軸緊靠。低槽切變東移南壓過程中非常有利于強對流天氣發(fā)生發(fā)展[5]。中北部地區(qū)T850-500>25℃，中層干冷，低層暖濕的層結(jié)配置易造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定。午后，850hPa、925hPa切變線東移至福建中部，福州多個縣區(qū)出現(xiàn)對流天氣。從14時地面圖1b可見，地面冷空氣受福建山脈影響，分為東西兩路南下，西路從內(nèi)陸南下，東路從浙江沿海擴散，閩中南處于中尺度熱低壓中，地面升溫明顯，出現(xiàn)氣溫32°C的暖中心。在福建中北部形成溫度鋒區(qū)，有利于不穩(wěn)定天氣產(chǎn)生。同時中北部有地面輻合線生成(詳見本文4.2節(jié))，在其觸發(fā)下出現(xiàn)了冰雹等強對流天氣。

綜合分析，這次冰雹天氣發(fā)生在500hPa低槽快速東移和地面弱冷空氣南下影響的過程中。中低層切變線、高低空急流及地面輻合線提供了動力抬升條件，中層干冷、低層暖濕的層結(jié)配置易造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定，有利于冰雹發(fā)生。

(a)2019年4月25日08時綜合分析圖 (圖中黑色實線為地面氣壓，紅色虛線為氣溫)(b)2019年4月25日14時地面氣壓、氣溫圖

3 冰雹過程的成因分析

3.1 0℃層和-20℃層高度分析

一般來說,0℃等溫線和-20℃等溫線之間的區(qū)域主要是由過冷水滴、雪花及冰晶組成，這個區(qū)域是冰雹生成的“雹源區(qū)”[6]。若0℃、-20℃等特性層高度太高，雹胚不易形成或生長。25日08時福州的0℃層高度為4608.5m，-20℃層高度為7530m，符合福建省單站降雹指標(0℃高度在580～620hPa，-20℃高度在380～420hPa)，適宜的0℃層和-20℃層高度是此次冰雹生長的重要環(huán)境條件[6]。

3.2 物理量診斷分析

3.2.1 熱力不穩(wěn)定條件

用來衡量熱力不穩(wěn)定大小的最佳參量是對流有效位能(CAPE)。對流有效位能(CAPE)是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時的正浮力所產(chǎn)生的能量的垂直積分，是風(fēng)暴潛在強度的一個重要指標。最有利抬升指數(shù)(BLI)用來指示大氣層結(jié)穩(wěn)定度，BLI<0時，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，且負值越大，不穩(wěn)定程度越大。25日08時顯示，閩粵贛地區(qū)的BLI為負值(圖2)，表明氣層是不穩(wěn)定的。其中福建中北部沿海為最有利抬升指數(shù)的大值區(qū)，最小值低于-7℃，位于福州中部，氣層非常不穩(wěn)定。同時該地區(qū)也是CAPE值的高值區(qū)，福州中部的對流有效位能超過2000J/kg。實況25日中午前后，福州閩侯、永泰、晉安區(qū)部分鎮(zhèn)(街)出現(xiàn)冰雹天氣。午后輻射升溫明顯，CAPE值積累加大，高值區(qū)達2400J/kg以上。14時，伴隨低層切變線南移，CAPE值和BLI極值區(qū)東移南壓到福州到莆田中北部沿海，14∶57,福清出現(xiàn)冰雹。16∶30,冰雹發(fā)生在莆田埭頭鎮(zhèn)、南日鎮(zhèn)。冰雹發(fā)生在CAPE值和BLI極值區(qū)。20時冰雹發(fā)生后，最有利抬升指數(shù)增加到-3，說明大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定。CAPE值減小到1000以下。冰雹落區(qū)最有利抬升指數(shù)先減小再增加，CAPE值先增加再減小。

通過上述對熱力條件分析可知，冰雹落區(qū)和BLI及CAPE值大值區(qū)對應(yīng)較好。冰雹發(fā)生前期有強的不穩(wěn)定層結(jié)，過程結(jié)束后層結(jié)趨于穩(wěn)定。CAPE值表現(xiàn)出明顯的積累和釋放，預(yù)示冰雹天氣的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束。

(a)2019年4月25日08時CAPE與BLI指數(shù) (b)2019年4月25日14時CAPE與BLI指數(shù)

3.2.2 對流性不穩(wěn)定

假相當(dāng)位溫反映了大氣的溫濕狀況，其水平分布和垂直分布可以分析大氣中的能量分布、垂直穩(wěn)定度狀況和大氣斜壓性。當(dāng)它在大氣中的垂直分布是隨高度向上減少時，大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)[7]。

沿25.5°N做假相當(dāng)位溫的剖面，從其演變圖可以看出(圖3黑色線)，25日08時，θse高值區(qū)位于800hPa以下，119～121°E之間。高中心兩側(cè)為兩個相對低值區(qū)，西低值區(qū)位于800～400hPa，對應(yīng)中層槽，低值中心達到332K，前沿擴展到118°E上空。東低值區(qū)對應(yīng)東路冷空氣，中心達到328K，從700hPa向下向西影響到122°E 。說明中層和近地層有干冷空氣擴散，08時尚未影響到118.5～120°E(冰雹落區(qū))。14時中層槽東移，西部θse低值中心332K等值線向東伸展到121°E(福建東部沿海)，說明中層有干冷空氣向雹區(qū)上空擴散。在119～122°E ，從地面到700hPa 有自東向西傾斜上升的鋒區(qū)(θse密集區(qū))，θse高值區(qū)上疊加低值區(qū)，冰雹落區(qū)θse隨高度升高迅速降低，導(dǎo)致大氣對流性不穩(wěn)定增強，儲存大量不穩(wěn)定能量。隨著東路冷空氣南下，東部θse低值中心向下伸展到近地面121°E附近，促使不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生冰雹天氣。

3.2.3 動力和水汽條件

強烈的上升運動是強對流、暴雨產(chǎn)生的必要動力條件。對垂直速度沿25.5°N做緯向剖面，從其演變圖可以看出(圖3紅色線)，4月25日08時垂直速度強中心位于116°E，對應(yīng)此時三明南平的強對流天氣。伴隨高空槽和低層切變東移，14時上升運動區(qū)東移到118°～121°E，中心位于119～120°E(雹區(qū)上空)。上升運動一直延伸到150hPa附近，有兩個上升運動中心，一個在119°E處850hPa，其值為-0.9Pa/s；另一個在120°E處700hPa，值為-0.9Pa/s。實況13～17時福州、莆田部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹天氣。冰雹結(jié)束后25日20時，福建地區(qū)500hPa以下轉(zhuǎn)為弱下沉運動。雖然天氣尺度的垂直速度不能反映中尺度對流系統(tǒng)中的垂直速度，但可以體現(xiàn)系統(tǒng)垂直速度的變化趨勢[8]。冰雹發(fā)生在上升運動區(qū)內(nèi)，垂直速度中心值的出現(xiàn)對冰雹的出現(xiàn)有指示作用。過程結(jié)束后中低層出現(xiàn)下沉氣流。

低層有適當(dāng)?shù)乃?yīng)是降雹的重要條件之一[3]。相對濕度的分布可以表示空氣的飽和程度，這個量在各種數(shù)值預(yù)報中都能很直觀的看到，應(yīng)用起來簡捷方便，對預(yù)報有很好的指示作用(圖3填色部分)。4月25日08時119～120°E僅850 hPa以下相對濕度超過80%，700～400hPa相對濕度<70%。低層濕中層干的配置易出現(xiàn)強對流性天氣。午后低層增溫增濕，14時地面至700hPa有濕舌從122°E 斜伸到119°E，和08時對比，低層濕層厚度加大。形成地面～700hPa濕，中層干的結(jié)構(gòu)。中層較干也是這次冰雹天氣未伴隨明顯短時強降水的原因之一。冰雹發(fā)生前相對濕度的垂直分布對產(chǎn)生冰雹有指示意義。

(a)08時 (b)14時圖3 2019年4月25日08時、14時沿25.5°N假相當(dāng)位溫、相對濕度及垂直速度的垂直剖面

4 中尺度系統(tǒng)分析

對環(huán)流形勢、高低空系統(tǒng)配置和物理量變化的分析可知，冰雹發(fā)生前具備了有利強對流發(fā)生的天氣形勢背景。由于常規(guī)資料時空分辨率較低，不能對雹暴系統(tǒng)進行準確分析。下面運用多種非常規(guī)探測資料對其進行中尺度分析。

4.1 風(fēng)廓線雷達資料分析

4.1.1 水平風(fēng)資料分析

分析925hPa風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)資料(圖4)可見，4月25日11∶48，羅源由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的偏西到西北風(fēng)，其南部的福清為偏南風(fēng)(4m/s)，兩支氣流交匯在福州中部，形成強烈的氣流輻合區(qū)。連江站13時10分出現(xiàn)直徑4cm的冰雹。14∶30，福清轉(zhuǎn)偏北風(fēng)，平潭此時為西南風(fēng)，偏北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合南壓到福州南部。福清14∶57出現(xiàn)小冰雹。16∶12，平潭轉(zhuǎn)西北風(fēng)(8m/s)，16∶18，秀嶼東嶠轉(zhuǎn)偏東風(fēng)，輻合線位于莆田沿海；16∶30，莆田埭頭鎮(zhèn)、南日鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹。850hPa風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)資料也有類似的特征，表明低層有輻合上升運動，為冰雹發(fā)生提供了有利的動力條件。17∶06，低層切變線東移入海，強對流天氣結(jié)束。

風(fēng)廓線雷達具有很高的時空分辨率，能夠連續(xù)探測頻率每6分鐘高空風(fēng)向風(fēng)速的變化，可以判斷切變線或輻合線的移動、強度和過境時間，對預(yù)報冰雹過程有一定提前量。

從圖5可以看出，14∶00～15∶12，400～3000m高度出現(xiàn)較強西南低空急流，急流中心速度維持在16～20m/s。15∶18,200m高度出現(xiàn)12m/s 的超低空急流，西南急流已經(jīng)擴展到近地面。急流一方面提供了低層水汽和能量輸送，一方面加大了低層輻合和垂直風(fēng)切變，有利于對流的發(fā)展。15∶48開始，3200m高度上出現(xiàn)西北風(fēng)，風(fēng)速達到18m/s，說明中層存在冷空氣侵入，隨后冷空氣向低層擴散，16∶12擴散到1500m高度。同時低層為西南暖濕氣流控制，冷平流入侵促使對流不穩(wěn)定度加大，16∶30，莆田沿海產(chǎn)生冰雹。

(a)11時48分 (b)14時30分

(c)16時18分 (d)17時6分圖4 風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)

圖5 2019年4月25日14～17時莆田秀嶼站風(fēng)廓線雷達風(fēng)羽圖

4.1.2 垂直風(fēng)切變

龍卷、冰雹、雷暴大風(fēng)一般在低空強烈的垂直切變環(huán)境中產(chǎn)生，中低層垂直風(fēng)切變已經(jīng)作為判斷有利于冰雹天氣發(fā)生的關(guān)鍵因子之一。本文基于秀嶼風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)計算冰雹過程前后0～3km和0～6km垂直風(fēng)切變，公式如下[9]：

式中，V1為下層風(fēng)速，V2為上層風(fēng)速，D為上下層的風(fēng)向差。

冰雹發(fā)生前14∶30～14∶54,0～3km和0～6km的垂直風(fēng)切變變化不大，維持在13.5、24m/s左右,為強切變。15時，|ΔV|開始增加，在15∶30(冰雹發(fā)生前1小時)左右達到極值。0～3km|ΔV|增至17.9 m/s，增加32.6%；0～6km|ΔV|增至28.1 m/s，增加17.1%。|ΔV|增大主要是由高低層風(fēng)速差增大所致。16∶00～16∶48數(shù)據(jù)缺失，可能是有中小尺度系統(tǒng)過境。17∶00冰雹結(jié)束后，上下層轉(zhuǎn)為北風(fēng)，|ΔV|降低。由此可見，冰雹發(fā)生前環(huán)境場垂直風(fēng)切變增強，有利于對流風(fēng)暴的加強和維持。中低層增強的垂直風(fēng)切變在臨近時刻對冰雹的觸發(fā)有重要作用[10]。此次過程低空垂直風(fēng)切變(0～3km)變化更明顯，更具有指示意義。

圖6 莆田秀嶼風(fēng)廓線雷達不同高度垂直風(fēng)切變

4.2 地面中尺度輻合線演變特征

地面輻合線可能是天氣尺度或中尺度天氣系統(tǒng)在邊界層內(nèi)的一種體現(xiàn)，對強對流的發(fā)生過程中起到抬升觸發(fā)作用和對流系統(tǒng)組織作用[10]。福建省地面自動站具有覆蓋全省的觀測能力，為監(jiān)測中小尺度天氣系統(tǒng)演變提供了分鐘級的精細觀測資料。25日12∶35，泉州雷達組合反射率強回波位于福州中北部，通過對地面加密自動站2min風(fēng)場資料的分析發(fā)現(xiàn)，其前沿存在中尺度輻合線。此時輻合線位于地面溫度和濕度鋒區(qū)(圖7a、7b)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。其北側(cè)為偏北風(fēng)、南側(cè)為偏東風(fēng)和西南風(fēng)，兩種不同性質(zhì)氣流的匯合增強了地面的輻合抬升，同時使該區(qū)域變得不穩(wěn)定，有利于新的對流風(fēng)暴生成。30分鐘后，13∶05組合反射率圖上帶狀回波與12∶35地面輻合線位置一致(圖7a)，中心強度達50～60dBz，冰雹主要在強回波中心(福州連江、晉安區(qū)、閩侯和永泰)產(chǎn)生。隨著冷空氣南下，13∶55，地面輻合線南移到福州東南部，與60min后的帶狀回波位置較為對應(yīng)(圖7c)。福清在14∶57發(fā)生冰雹天氣。15∶50，輻合線主要位于莆田沿海(圖7d)，16∶00起，輻合線兩側(cè)站點西北風(fēng)、西南風(fēng)均有增強，輻合加強。16∶05(圖8)，北側(cè)站點(58958)西北風(fēng)風(fēng)速8.3m/s，南側(cè)站點(F4322)西南風(fēng)增強到9.1m/s，地面輻合線增強維持到16∶15，16∶30左右，莆田沿海出現(xiàn)湯圓大小冰雹。16∶20后，沿海風(fēng)向轉(zhuǎn)變，風(fēng)速減小，地面輻合線減弱消失，對應(yīng)冰雹過程較快結(jié)束。因此，地面中尺度輻合線是本次冰雹過程的直接觸發(fā)機制，對流在中尺度輻合線處發(fā)展加強，對未來回波的發(fā)生、發(fā)展和移動方向有重要的指示意義，強回波出現(xiàn)在輻合線形成后0.5～1h。

圖7 (a)、(c)、(d)加密自動站2分鐘風(fēng)場疊加雷達組合反射率產(chǎn)品(b)4月25日13時相對濕度和最高氣溫

圖8 加密自動站2分鐘風(fēng)向風(fēng)速時間序列圖(N為北側(cè)站點，S為南側(cè)站點)

4.3 雷達產(chǎn)品特征分析

這次冰雹期間，利用泉州雷達觀察到“旁瓣回波”現(xiàn)象(圖略)，16∶03在3.4°仰角觀測到旁瓣回波，16∶13在2.4°仰角觀測到旁瓣回波。由散射現(xiàn)象造成的虛假回波的出現(xiàn)，說明極有可能有大于2cm的冰雹出現(xiàn)[11]。

對16時40分莆田南日鎮(zhèn)基本反射率因子做垂直剖面(圖9)，50dBz以上回波向上擴展到7.5km以上，質(zhì)心高，超過-20℃層的高度。同時強回波柱出現(xiàn)明顯前傾，高層的強反射率因子還處于低層反射率因子的弱回波區(qū)上，說明此時風(fēng)暴單體內(nèi)的上升氣流強盛。雷達反射率因子垂直剖面圖產(chǎn)品展現(xiàn)了回波隨高度前傾、低層弱回波區(qū)等典型的冰雹結(jié)構(gòu)特征。

圖9 4月25日16時40分泉州雷達反射率因子垂直剖面

用泉州雷達分析莆田埭頭鎮(zhèn)冰雹的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)趨勢演變(圖10)。降雹前出現(xiàn)VIL“躍增”現(xiàn)象，由15∶47的28kg· m-2增到15∶57的58kg· m-2，即10分鐘躍增30kg· m-2；16∶08，VIL達到最大(63kg· m-2)；降雹過程結(jié)束后，VIL迅速減小到5kg· m-2。VIL值的躍增，可以反映冰雹粒子在生長區(qū)碰撞并長大的事實，反映了雹云已處醞釀之中。因此，VIL值的變化可以很好地預(yù)測降雹的可能性。POSH(強冰雹概率)和POH(任意冰雹概率)在15∶37首次出現(xiàn)100%的概率，維持到16∶24。最大反射率因子所在高度在從15∶47的3km升到16∶08的6.1km，此后下降到16∶19的不足3km。16∶08～16∶19，VIL、最大反射率因子和質(zhì)心高度也有緩慢下降，此時冰雹開始下落。

圖10 風(fēng)暴結(jié)構(gòu)趨勢時間演變

5 結(jié)論

本文利用常規(guī)觀測資料、NCEP再分析資料和多種加密觀測資料(區(qū)域自動站、雷達觀測、風(fēng)廓線等)分析2019年4月25日發(fā)生在福建中部沿海的冰雹天氣過程的發(fā)生機制，得到以下結(jié)論。

①常規(guī)觀測資料分析表明，500hPa低槽、低層切變線和地面冷空氣是冰雹發(fā)生的主要影響系統(tǒng)，大氣低層暖濕、中高層干冷的對流不穩(wěn)定層結(jié)是冰雹發(fā)生的環(huán)境條件，地面冷空氣和輻合線是冰雹的觸發(fā)條件。

②用NCEP再分析資料可以得到與冰雹發(fā)生區(qū)域?qū)?yīng)較好的對流不穩(wěn)定條件和熱動力條件及其演變特征。對流不穩(wěn)定特征包括最有利抬升指數(shù)BLI負值區(qū)、CAPE大值區(qū)、θse鋒區(qū)和θse下低上高等，冰雹發(fā)生前期以上不穩(wěn)定層結(jié)條件加劇，過程結(jié)束后層結(jié)條件減弱。CAPE值表現(xiàn)出明顯的積累和釋放。冰雹發(fā)生前大氣有高的對流性不穩(wěn)定，地面到700hPa 有斜升的鋒區(qū)(θse密集區(qū))，θse高值區(qū)上疊加中層低值區(qū)，導(dǎo)致大氣對流性不穩(wěn)定增強，儲存大量不穩(wěn)定能量。

③風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)資料可以很好反映有利冰雹發(fā)生的低空急流、中高層冷平流和強的垂直風(fēng)切等風(fēng)場特征。降雹前1小時出現(xiàn)超低空西南風(fēng)急流，提供低層水汽和能量，加大低層輻合和垂直風(fēng)切；降雹發(fā)生前中層出現(xiàn)西北風(fēng)并開始向低層擴散到1500m高度，表明冷平流入侵及對流不穩(wěn)定度加大；秀嶼風(fēng)廓線雷達反演的垂直風(fēng)切變說明，降雹前0～3km和0～6km均維持強切變，其中，中低空垂直風(fēng)切變(0～3km)變化更明顯，更具有指示意義。垂直風(fēng)切值在冰雹發(fā)生前1h左右達到極值，冰雹結(jié)束后風(fēng)切變值降低，且上下均為西北風(fēng)。

④雷達反射率因子和區(qū)域自動站資料分析表明，輻合線對未來對流的發(fā)生、發(fā)展和移動方向有重要的指示意義，強回波出現(xiàn)在地面中尺度輻合線形成后0.5～1h。

⑤雷達回波具有回波隨高度前傾、低層弱回波區(qū)等典型的冰雹結(jié)構(gòu)特征。風(fēng)暴結(jié)構(gòu)趨勢產(chǎn)品有較好的參考價值。

⑥形勢場結(jié)合物理量場預(yù)示有出現(xiàn)冰雹天氣的可能性，對雷達資料和上游天氣實況的跟蹤分析非常重要，以便及時發(fā)現(xiàn)天氣變化，做好臨近預(yù)報和預(yù)警服務(wù)工作。