泉州罕見大范圍冰雹天氣過程分析*

周建丁 林子倫 裴昌春 魏狄梵 陰蜀城

(1.泉州市氣象局，福建 泉州 362000；2.惠安縣氣象局，福建 泉州 362100；3.福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350000)

1 概述

2020年5月6日下午至傍晚，泉州市出現罕見的強對流天氣，全市6個縣市、25個鄉鎮出現明顯冰雹天氣，局地出現短時強降水，安溪、南安、德化出現暴雨。統計5月6日08時至5月7日08時累積降水量(如圖1所示)，全市共24個站點雨量超過50mm，其中有1個站雨量超過100mm，為德化水口鎮祥光村107.3mm。最大小時雨強為南安翔云十三中63.1mm/h。統計5月6日08時至7日08時極大風速，全市共有62個站點出現6級以上陣風，其中3個站出現8級及以上陣風，1個站出現9級大風，為德化赤水鎮23.1m/s。強對流過程使德化、安溪等地出現房屋損壞、供電設備故障，建筑物及樹木損壞，煙葉、煙棚受損。

本次冰雹過程具有范圍廣、持續時間長、強度大、歷史罕見的特點，內陸地區(德化、永春、安溪、南安中北部)主要以1～2cm直徑的冰雹為主，沿海地區(晉江、石獅、南安南部)以2～3cm直徑為主，最大冰雹直徑達到4cm(晉江)左右，沿海地區(晉江、石獅)的降雹非常罕見、極端(圖1)。整個降雹持續近3個小時，即6日15時～18時。據防汛辦統計，本次過程德化直接經濟損失200萬元，安溪直接經濟損失20萬元。

(a) (b)圖1 2020年5月6日實況降水量(a)和冰雹分布(b)

本文利用常規氣象觀測資料、NCEP再分析資料、探空資料等，對2020年5月6日發生的強冰雹過程的基本形勢配置、物理量、動熱力條件等情況進行分析，總結此類天氣發生的典型特征，為今后的冰雹預報提供一定的參考。

2 天氣形勢分析

6日08時500hPa中高緯歐亞為2槽1脊型(圖2)，東北有高空冷渦，其中東槽(東亞大槽)槽底位于18°N以南，經度約130°E，低緯多短波槽活動，華南南支波動頻繁。巴爾喀什湖以東和鄂霍次克海一帶為低壓槽區，槽后聚集大量冷空氣，冷中心最低溫度達-29℃。我國東部地區為一大脊，溫度場明顯落后于高度場，有利于脊的發展加強，我國東部沿海地區位于脊前西北氣流之下。副熱帶高壓呈帶狀分布，脊線位于18°N附近，維持在福建省南部、穩定少動，福建省為弱脊前部，西北氣流控制，500hPa冷舌從華中地區伸入福建省中北部地區，高空有冷空氣影響。結合廈門站08時探空，500hPa氣層偏干。干冷空氣入侵一方面能降低0°層高度，一方面能加強和維持不穩定層結。20時在福建省中北部地區形成-6℃的閉合冷中心，而冷舌的位置已經延伸至菲律賓北部地區。500hPa08時華南上空存在西風急流，與低層構成強的垂直風切變，有利于對流的發生發展。急流軸最大風速28m/s，福建省位于急流出口區的左側位置，有利于動力抬升[1]。

(a)6日08時500hPa形勢場 (b)6日20時500hPa形勢場

6日08時850hPa華南地區為西南氣流控制，暖式切變線位于湖南北部到江西北部一帶(圖3)。粵東閩南地區為暖脊影響，存在一暖中心，中心最高氣溫達到23℃，08時泉州市上空為西北風控制。但是到了14時，西南氣流已經明顯往東發展加強，福建省的西南部均有08時的偏西氣流轉為西南氣流控制，暖式切變線也有所東移。泉州市上空自12時起轉為西南氣流控制，在泉州市至閩東北地區一帶，有一條西南風和東南風造成的南北向中尺度輻合線，長度約為4個緯距，橫跨整個福建省，提供動力抬升條件和水汽、熱力條件。同時，在泉州市沿海地區至臺灣海峽區域存在一暖式切變線，中尺度輻合線和暖式切變線均長時間維持，至20時左右才趨于減弱消失，二者為泉州市午后冰雹的發生發展提供強烈的動力強迫抬升。而西南急流的東移影響使得福建省西南部的暖中心溫度進一步升高，與閩東北地區形成顯著的溫度梯度，有利于不穩定能量的聚集。從14時至17時，位于福建省中部的輻合線的位置往西移動了約1個緯距，使得對流條件從沿海地區向內陸地區發展延伸。

從6日08時的925hPa溫度場和風場(圖4)可以看到，在福建省北部沿海地區有冷空氣擴散，華南則為一致的偏南風影響，受到太陽短波輻射共同作用，存在明顯的增暖增濕，此時的溫度梯度尚不明顯，到了11時左右，閩南地區最高溫度已經達到28℃，至午后14時達到30℃以上，而閩東北地區溫度僅為18℃，在福建省中部沿海地區形成明顯的溫度梯度密集帶，開始逐漸往內陸地區推進。925hPa風場輻合線于09時形成并逐漸加強，位置與鋒面位置相對應，配合沿海地區的暖式切變線，在閩中地區和泉州市上空存在明顯的風向的輻合，冷暖空氣也在此交匯。14時閩南地區西南氣流的加強和維持，使低層增暖增濕，中層的干冷空氣入侵，構建不穩定區，有利于對流的發生發展。切變線和輻合線的位置均長時間維持至20時以后且逐步向內陸地區推進。

圖3 6日850hPa溫度場和風場

圖4 6日925hPa溫度場和風場

1000hPa沿海地區冷空氣在6日10時從福建省東北部沿海地區擴散到泉州市沿海地區(圖5)，冷暖空氣呈明顯對峙的形勢，在福建省中部沿海地區存在一條南北向的鋒面，鋒面長時間維持并向內陸地區推進，利于西邊的暖濕空氣沿著鋒面抬升，鋒面附近存在的次級環流可以使高層西風和低層東風得到增強，有利于西風引導氣流和低層東風入流增強，有利于增大垂直風切變。在臺灣海峽泉州市沿海地區，東北風和西南風長時間交匯，兩者勢力均衡，從而造成泉州市晉江、南安等地15時的對流，受此輻合線的影響，動力抬升作用強烈，利于從內陸地區發展東移的回波在沿海地區再次加強，使對流得到進一步發展，南北風的對峙一直維持到20時之后。在17時，1000hPa鋒面位置已經向西推進到閩西南地區，而在閩東北地區仍存在明顯溫度梯度，形成副冷鋒并逐漸西移影響，為夜里對流的發展提供良好的條件。

圖5 6日1000hPa溫度場和風場

6日08時地面圖上(圖6)存在一低壓中心位于云南昆明附近，冷高位于渤海一帶，冷高底部冷空氣和低壓前側暖空氣在閩南地區構成地面倒槽，泉州市位于地面倒槽附近，冷空氣南下對于強對流有重要的觸發作用。14時低壓東移，低壓中心增暖明顯，熱低壓加強，地面倒槽附近存在明顯輻合，維持在贛南到閩南一帶，存在強烈的動力抬升，輻合線附近不斷新生對流單體。從14時至20時，熱低壓東移，地面倒槽位置逐漸北抬，并往內陸地區移動，其移動與降雹時次具有良好的一致性，泉州市的降雹時間，先為沿海地區晉江、南安等地，其次是安溪、永春等地，接著到德化。可見地面倒槽對本次降雹有較好的指示性意義。

圖6 6日地面圖分析

3 探空分析

6日08時廈門站的探空實況(圖7)可以看到整層大氣雖然沒有明顯的濕層，但較為接近飽和，水汽條件適中。自由對流高度極低，約為1000hPa，意味著氣塊只要自由抬升，便可以使Cape能量釋放轉換為上升運動。但低層有明顯的逆溫層，有利于能量的聚集，必須先突破逆溫層才能使得對流發展起來，由逆溫層計算得到的對流溫度Tg為37.9℃，即熱對流溫度，超過這個溫度便能使熱對流發展起來。早晨08時Cape值達到1870.2J/kg，以廈門站午后地面最高氣溫訂正后的Cape值達到3500J/kg，能量條件好。同時Cape值主要集中于0℃～-30℃的高度內，是利于強冰雹生成的關鍵因子。K指數達到34℃，沙氏指數為-3.6℃，利于強雷暴的發生,表明大氣層結非常不穩定，均有利于對流的發展。T85(850hPa和500hPa的溫差)達25℃，0～6km的垂直風切變達20m/s，垂直風切變條件較好。0℃層高度在4980m，-20℃層高度在7921m，高度合適，較有利于冰雹在單體中的生成、維持和增長。0℃和-20℃層之間遞減率較大，中層非常不穩定。融化層近似高度—濕球溫度0℃層在700hPa(3km)附近，有利于冰雹下落時固體相態的維持。

受降水影響，廈門站20時探空曲線濕層增加明顯，中低層均為濕層，垂直風切變達到24m/s，K指數依然達到42℃，沙氏指數為-3.71℃，對流條件仍較好，但Cape值僅為434J/kg，能量條件明顯減弱，自由對流高度也升高到2km左右。

圖7 6日08時(左)和20時(右)廈門站探空曲線

4 自動站

本次對流的發展在加密自動站前期就體現出一定的特征。從6日11時的全省自動站(圖8)可以發現，在福建省東北部沿海地區的溫度以21～25℃為主，而在閩南地區的溫度則攀升很明顯，以31～35℃為主，最高的可以達到36.9℃，表明此時南北之間已經形成非常大的溫度梯度，冷暖交匯是對流最基本的特征之一，而鋒區的位置正好位于泉州市，這對強對流的預警具有一定的意義[2]。

11時閩東北沿海地區自動站風場已經轉為東北風的影響，在13時莆田沿海地區的東北風明顯增大，并且往南推進到泉州東北部沿海地區，此時冷空氣開始滲透影響到泉州市，也意味著冷空氣即將到達泉州市，而冷空氣是觸發強對流的一個重要因子，泉州市內陸地區13時就開始有弱回波發展起來。而在14時，泉州市已出現明顯的風場輻合特征，沿海地區東北風和東南風均指向泉州市內陸地區，與內陸地區的西北風和西南風形成地面輻合中心，內陸地區對流快速強烈發展。

本次冰雹過程最先產生降雹的是由漳州南靖發展起來的單體，此單體為午后熱對流的產物，單體從12∶ 50左右開始發展。由圖8可見，該地在13時氣溫已經達到39.5℃，明顯高于其他地區，而廈門站探空得到的午后對流溫度為37.9℃，當午后地表增熱高于此對流溫度時，層結變得極不穩定，氣塊可以自由抬升，使逆溫層能量釋放，發生強雷暴。隨著氣溫升高，造成局地溫濕差異，產生熱力環流，風速也開始增大。單體生成后，迅速往下游移動，并沒有在當地造成降水和降雹天氣。

13時左右，泉州市安溪上空便有單體發展起來，13時在泉州市內陸地區已經形成地面風場的輻合特征，沿海地區東北風擴散下來，與內陸地區西北風及南面上來的東南風和西南風形成中尺度輻合中心，風場輻合配合鋒面(溫度場)以及冷空氣滲透導致對流完全發展起來。

圖8 地面自動站溫度和漳州南靖要素時序圖

5 過程的動力和熱力診斷分析

5.1 水汽條件

受850hPa西南氣流影響，泉州市比濕長時間維持在15g/kg以上，11—14時，由于西南氣流東移加強，使得福建省及江西南部局地的比濕增大到16g/kg，其中14～15時泉州市晉江比濕也達到16g/kg，水汽供應條件極好(圖9)。直到18時，比濕條件開始減弱，泉州市沿海地區比濕減弱至13g/kg，而內陸地區安溪和德化局地比濕仍有15g/kg，條件仍較好，對流發展的位置也從沿海地區轉移到內陸地區。

結合水汽通量散度的垂直積分(圖9)，11時泉州市上空還沒有明顯的水汽通量散度的輻合，12時開始逐步發展起來，在14時已形成明顯的水汽輻合強中心，位于泉州市沿海地區一帶，表明有大量的水汽聚集。并且在14～17時均維持非常強的輻合，輻合中心的強度達到0.0025kg/(m2·s)以上。到了17時，泉州市上空輻合中心的位置位于內陸地區，這與泉州市對流發展的位置保持一致。

5.2 不穩定條件

早晨08時K指數在泉州市僅為30～34℃，其中廈門的K值為34℃，與廈門站08時探空的K值對應(圖10)。K指數在13時左右開始顯著增大，14時在泉州市沿海地區已經增大到39℃以上，局地超40℃，而對流發生前的K指數指示意義極好，40℃也是非常極端的K值，表明了極其不穩定的層結。20時泉州市沿海地區K值已稍微減弱至37℃，而在泉州市德化仍然維持在39℃以上。

圖9 850hPa比濕及水汽通量散度垂直積分分布圖

圖10 K指數和Cape值分布圖

Cape值基本維持在1000～2000J/kg之間(圖10)，處于中等偏上水平，指示意義好，Cape帶來的熱力抬升作用比較有限，Cape越大，夾卷越大，對垂直速度增大的貢獻越不明顯。而中等偏強的Cape轉換效率高，再配合其他動力抬升，仍可使上升運動很強。

5.3 抬升力條件

從12時起，在福建省中部莆田地區就有強的動力抬升條件，垂直運動開始發展起來，莆田境內開始有回波出現。泉州市13時開始上升運動開始發展(與925hPa切變和鋒面的位置最為匹配)，15時發展到最強(圖11)，并且存在多個垂直速度的中心，泉州市南部位于強中心區，條件最好，在該時間段內，不斷有超級單體發展，也利于當時的強風暴單體往最不穩定的地方移動(右移)，造成了泉州市晉江、南安的強冰雹。強上升運動區逐漸往西移，18時在泉州市北部條件仍然非常好，造成泉州市西北部地區的降雹。18—20時，上升速度大值區逐漸西移至福建省西部與江西交界處，使該地夜里出現強颮線，造成短時強降水和雷雨大風天氣。

配合低層925hPa的散度場(圖11)來看，12時在泉州市中西部地區就有強的輻合中心的存在，至下午15時，輻合強度大大增強，散度達到-2.5×10-4/s以上，強中心位置已經緩慢西移，并且在20時移至福建省的西部地區。925hPa的輻合，對于對流的發展極為重要。

圖11 垂直速度和925hPa散度分布圖

5.4 850hPa假相當位溫

假相當位溫是濕度、溫度和氣壓的函數，能夠反映大氣的斜壓不穩定能量。12時之前均呈現冷暖對峙的情況，閩南沿海地區增暖增濕，為高能地區；而閩東北地區冷空氣影響，為低能地區，此時梯度并不明顯(圖12)。13時開始，假相當位溫梯度顯著加大，能量鋒區形成，能量鋒的位置位于泉州市中部地區，15～16時發展到最強，是對應對流發展最強的時次，能量鋒位置逐漸西移。

圖12 假相當位溫分布圖

5.5 垂直速度剖面

將垂直速度沿泉州所在緯度做剖面(圖13)，可以看出從14時開始，泉州市所在經度為強上升運動中心，并且一直維持到17時左右，上升區所在位置逐漸西移，也是風暴后向傳播的原因，這與850/925切變線從沿海地區自東向西移動有關，也和能量鋒及地面鋒面位置逐漸西移有關。

圖13 沿泉州緯度垂直速度剖面

6 結論與討論

6.1 本次過程的典型特征

泉州市出現的本次冰雹是福建省較為罕見且典型的高空冷平流強迫形勢，這類天氣是造成長江以北地區(6～7月最多)冰雹的常見天氣形勢，而在福建出現這類天氣較少。

(1)此次強對流天氣是在高空弱脊前西北氣流控制下，東亞大槽的位置偏南偏強，500hPa存在急流、冷中心、冷舌，850hPa西南和東南氣流增暖增濕，850/925hPa切變線、地面低壓倒槽、地面輻合線為對流的發生提供了動力條件，地面存在鋒面、副冷鋒，影響系統均長時間維持，地面輻合線、地面鋒面和弱冷空氣是此次強冰雹天氣的觸發機制。適宜的0℃和-20℃層高度、逆溫層、大的Cape等有利于強冰雹天氣的發生，冰雹發生在地面輻合線附近。較強的不穩定層結和垂直風切變是導致對流快速發展并維持的原因之一。對流長時間維持與冷暖空氣在泉州市沿海地區及內陸地區長時間對峙有關。

(2)本次對流發展具有明顯的后向傳播特征，這與850/925hPa輻合線和鋒面從沿海地區自東向西移動有關。

(3)午后比濕穩定在15g/kg以上，水汽通量散度存在強輻合，K指數穩定在39℃以上，Cape中等偏強，強烈的低層輻合和垂直運動，能量鋒長時間維持，為本次強冰雹提供充足的動熱力條件，15～16時條件均達到最強盛。系統移動及相應的動熱力條件均為自東向西。

6.2 概念模型

孫繼松總結的高空冷平流強迫類的典型形勢為中高層強烈干冷空氣疊加在低層相對暖濕氣流上[3]。強對流發生前地面天氣晴好，邊界層有增溫增濕，中低層往往存在切變線和干線。強對流天氣處于熱低壓倒槽，對流發生前存在地面輻合線，冰雹天氣主要出現在午后至上半夜冷空氣經過熱低壓的東南象限。中高層有西風或西北風急流存在，垂直風切變大。

可見，本次冰雹過程的形勢與上述形勢相對應，但也有獨特的特征，如能量鋒、假相當位溫高能區的維持，福建地區典型的從沿海南下的冷空氣觸發對流并形成鋒面抬升暖濕氣流，中低層影響系統自東向西移動。基本模型如圖14所示。

圖14 概念模型

6.3 預報著眼點

日常做預報時應著眼的形勢或特征包括能量鋒的出現和位置、東亞大槽的槽底位置和500hPa冷舌、850hPa高能舌的位置、對流溫度Tg和午后增暖、冷空氣沿海地區南下的位置、沿海地區暖切的維持起到的作用、地面倒槽的影響、Cape值不一定要非常極端、加密自動站溫度(濕度)梯度的形成、風場的輻合特征、午后熱對流的發生(最高溫度)。