宿遷地區(qū)2021年4月30日風雹天氣的特征分析

唐 舟，邵禹晨，周 航，丁曉敏，顏雅瓊

宿遷市氣象局，江蘇宿遷 223800

強對流天氣是我國重要的災害性天氣之一，通常伴隨著短時強降水、雷暴、大風、冰雹以及強雷電等現(xiàn)象。由于其具有突發(fā)性強、持續(xù)時間短、局地性強、強度大等特點，強對流天氣的預報具有很高的難度，且往往破壞力極大，對人們的生活生產(chǎn)安全具有極強的威脅性。

近年來，隨著氣象探測技術(shù)的發(fā)展，專家從不同方面對強對流天氣展開了研究，并取得了很多成果。有些專家重點研究強對流天氣發(fā)生發(fā)展的潛勢預報。許愛華等[1]通過分析2000年以來的近100次強對流天氣過程，總結(jié)出我國中東部地區(qū)強對流天氣形勢的5類配置：高空冷平流強迫、低層暖平流強迫、斜壓鋒生類、準正壓類以及高架對流。楊露華等[2]針對上海地區(qū)1994—2001年的10年強天氣個例，總結(jié)出6類天氣形勢。伍志方等[3]通過將廣州地區(qū)的強對流天氣分成2大類和4小類，建立了不同天氣的流型。孫燕等[4]提煉出江淮地區(qū)的5種強對流環(huán)流特征，并分析了多類強天氣的發(fā)生概率。也有大量的個例針對強對流過程的環(huán)境背景進行研究。農(nóng)孟松等[5]發(fā)現(xiàn)連續(xù)2 d出現(xiàn)在相同地區(qū)的2次雷暴、大風過程的環(huán)境條件，分別屬于低層暖平流強迫和高空冷平流強迫。王偉健等[6]發(fā)現(xiàn)影響蘇北地區(qū)2次過程的起因分別是暖濕氣流的和中高層的干冷氣流。許麗麗等[7]指出洞庭湖2次致災大風環(huán)流背景相似，但是回波觸發(fā)條件不同。周航等[8]發(fā)現(xiàn)主要是高空冷渦、低空切變線以及地面輻合線的共同作用造成了宿遷地區(qū)一次風雹過程的發(fā)生。

有些專家在潛勢預報的基礎上，分析中尺度特征，重點開展臨近預報。俞小鼎等[9]匯總和整理了強對流的研究進展，總結(jié)了不同強對流天氣的回波特征。吳彩霞等[10]發(fā)現(xiàn)VIL最大值出現(xiàn)驟減對雷暴大風預警具有指示意義。王青霞等[11]認為在2018年湖南首場風雹的短臨預警方面，需重點關(guān)注風暴移動速度的快慢、低層的速度大值區(qū)以及多時次出現(xiàn)的中氣旋。

以往的研究證實，從每年3月底開始，江蘇地區(qū)活躍的暖濕空氣與南下的冷空氣交匯，各種強對流天氣發(fā)生的頻率增加。2021年4月30日下午至夜間，江蘇省自北向南出現(xiàn)了大范圍的強對流天氣。省內(nèi)153個站點的極大風達到10級以上，其中南通通州灣的日極大風達到了15級（47.9 m/s）。9個市的23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）出現(xiàn)冰雹，其中宿遷泗陽的穿城鎮(zhèn)一帶冰雹直徑達到3 cm。此次過程具有很強的極端性，雷暴大風強度大、影響區(qū)域大以及持續(xù)的時間長，給人們的生活生產(chǎn)帶來了極大的損失。預報員在過程回顧時發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模式漏報了此輪過程中宿遷地區(qū)局地生成的回波，且此次過程對流回波的移動路徑和強度與預期相差很大。

利用MICAPS常規(guī)氣象觀測資料、宿遷地區(qū)逐6 min的雷達數(shù)據(jù)以及FNL 0.25°×0.25°再分析數(shù)據(jù)，分析此次風雹過程的特征，以期為日后風雹過程的預報提供參考，降低風雹過程帶來的損失。

1 天氣形勢與環(huán)境條件

1.1 天氣形勢

分析高低層環(huán)流形勢可知，在強對流天氣發(fā)生前，30日08:00 500 hPa在我國東北地區(qū)上空存在一個發(fā)展旺盛的冷渦。冷渦中心氣壓為532 hPa，冷中心氣溫達到了-34℃。副熱帶高壓位置偏南，120°E脊線位于20°N以南，整個華北平原處于冷渦底部的前傾槽影響。槽后的西北急流發(fā)展強盛，徐州上空風速可達28 m/s。這支強盛的西北氣流源源不斷地攜帶冷空氣南下，易導致中低層的垂直風切變的加大、加強對流層中層的氣流輻合，為強對流的發(fā)生發(fā)展提供動力條件。根據(jù)以往的研究，高空的強冷平流會導致0℃和-20℃層偏低，易出現(xiàn)冰雹天氣。

700 hPa上東北冷渦穩(wěn)定少動，江蘇仍位于西到西北急流的控制區(qū)。在我國西南地區(qū)存在暖脊發(fā)展，呈東北西南向。850 hPa上，在東北和朝鮮半島附近存在低壓槽。蘇北地區(qū)以西到西南氣流為主，徐州上空風速大致為10 m/s。偏西氣流為強對流的發(fā)生發(fā)展提供了水汽條件，但是水汽條件不會特別充沛，不利于強降雨的形成。在湖北、陜西以及湖南南部存在閉合的暖中心，江蘇的西部大致位于暖脊上。從3層的上下配置來看，江蘇地區(qū)500 hPa上西北氣流帶來的冷空氣堆積與低層暖脊的配置，上冷下暖，有利于大氣層結(jié)不穩(wěn)定的進一步加深。且從08:00實況來看，江蘇地區(qū)850 hPa與500 hPa的溫差超過了30℃，極有利于江蘇地區(qū)強對流的發(fā)生發(fā)展。這次強對流發(fā)生發(fā)展的環(huán)流形勢屬于比較典型的高空冷平流強迫類過程。

地面圖上，14:00安徽江蘇和山東三省交界處存在明顯的低壓系統(tǒng)，蘇北地區(qū)位于低壓中心東南部。且隨著時間的演變，低壓東移南下，有利于強回波向南傳播，這與實況對流東移南下對應。從風場來看，此時宿遷北部存在明顯的輻合線，氣流輻合，促進上升運動，有利于對流的觸發(fā)。實況表明，在16:00左右，宿遷北部切變線仍然維持，且在輻合附近觸發(fā)新生的對流回波，后續(xù)此回波與魯南回波合并東移南壓。從地面的14:00溫度來看，強對流發(fā)生前地面溫度偏高，宿遷北部地區(qū)溫度大于25℃，而臨近的安徽地區(qū)溫度已達30℃。地面高溫有利于不穩(wěn)定能量的積聚，促進強對流的形成和發(fā)展。根據(jù)實況回波的演變也可以發(fā)現(xiàn)，強對流系統(tǒng)的移動發(fā)展始終位于地面偏冷的一側(cè)，且與低壓系統(tǒng)東移南下的路徑大致保持一致，因此地面低壓系統(tǒng)東移南下在強對流回波移動過程中起著重要的作用。

圖1 4月30日08:00 500 hPa(a)、700 hPa (b)、850 hPa (c)形勢場和14:00地面圖(d)

1.2 環(huán)境條件

利用位于宿遷西北部的徐州的30日08:00單站探空廓線（圖2），分析此次強對流發(fā)生前的對流潛勢，可以發(fā)現(xiàn)幾個特點：

圖2 4月30日08:00徐州探空廓線

一是水汽條件差，整層大氣偏干，濕層淺薄。相對濕度大于80%的層結(jié)僅出現(xiàn)在600 hPa附近，等露點廓線和溫度廓線僅在600 hPa附近比較接近，整體形成了一個“X”形，這就說明整層水汽條件差。從具體的各層結(jié)上的物理量來看，700 hPa、850 hPa和925 hPa上，溫度露點差分別為10℃、21.8℃和21.1℃。三層的比濕均小于3 g/kg，相對濕度分別為44%、20%和22%。由此可見，大氣整層環(huán)境偏干，這預示了對流以干對流為主。

二是層結(jié)不穩(wěn)定條件好。由于低層存在逆溫層，利用14:00徐州的溫度、露點溫度以及氣壓訂正抬升點，可以發(fā)現(xiàn)層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線之間閉合區(qū)域面積很大，訂正后的CAPE值高達3 080 J/kg。此外，850 hPa和500 hPa的溫差高達33℃。這2個數(shù)值表明層結(jié)是不穩(wěn)定的且能量充足，有利于對流天氣的產(chǎn)生和發(fā)展。在特殊層高度上，0℃與-20℃的高度都不高，分別是3.2 km和5.9 km，非常有利于雹云的形成和大冰雹的形成發(fā)展。

三是垂直風切變明顯。以往的研究證實，風暴的組織和發(fā)展與垂直風切變有密切關(guān)系，一般而言，在一定的熱力不穩(wěn)定條件下，垂直風切變的增強將導致風暴進一步加強和發(fā)展。從探空來看，徐州的 0～3 km和0～6 km的垂直風切變分別為23.5 m/s 和33.2 m/s，非常有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。

四是低層存在明顯的逆溫層。從探空圖可以發(fā)現(xiàn)，低層925 hPa 附近存在明顯的逆溫層。逆溫層會使得弱的系統(tǒng)無法發(fā)生發(fā)展，然而也是低層不穩(wěn)定能量的積累機制。當受到外部冷空氣的侵入時，逆溫層遭到破壞，大量的不穩(wěn)定能量就會迅速釋放，有利于強天氣的觸發(fā)。

2 物理量診斷分析

天氣形勢僅僅提供了強對流天氣的環(huán)流背景，并不能具體判斷出強對流天氣發(fā)生的種類，因此需要從水汽、能量和動力等條件進一步分析各物理量的空間分布，具體研究局地風雹生成發(fā)展的環(huán)境條件。

2.1 水汽條件分析

已有的研究表明，水汽條件是強對流形成的必要條件，對水汽的需求量，雷暴大風的需求量最小，短時強降水最大，冰雹介于兩者之間。從30日14:00的水汽通量（圖3a）可以看出，整個江蘇地區(qū)處于水汽通量的大值區(qū)，大部分地區(qū)的水汽通量大于10 g·cm-1·hPa-1·s-1，大值中心位于南京附近，中心可達18 g·cm-1·hPa-1·s-1。由此可見，此次強對流發(fā)生發(fā)展有著必要的水汽，但是水汽條件一般。江蘇水汽的來源有兩處：一是低渦東移導致偏西北氣流帶來的水汽，二是來自洋面的水汽。兩條水汽輸送路徑在江蘇地區(qū)匯合，有著明顯的輻合帶。未來隨著低渦的東移南壓，水汽通量大值區(qū)相應的東移南落。水汽通量散度圖（圖3b）可以證實，宿遷北部地區(qū)有著較弱的水汽的輻合中心，輻合中心不低于-4×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽輻合有利于此處局地回波的觸發(fā)，這與實況16:00左右局地回波形成的位置有所對應。隨著回波的東移南壓，位于宿遷市東南部的泗陽穿城于17:00左右出現(xiàn)3 cm左右的冰雹。從水汽通量散度的演變可以發(fā)現(xiàn)，泗陽一帶在14:00～17:00一直處于水汽通量散度的負值區(qū)域，因此一直有水汽的輻合為未來冰雹的形成創(chuàng)造條件。

已有研究證實，局地水汽的垂直結(jié)構(gòu)特征對大氣穩(wěn)定度有著顯著的影響。圖3c給出了泗陽穿城附近比濕的垂直—時間剖面圖。從整體來看，此輪過程中穿城的水汽條件一般，近地層比濕最大不超過12 g/kg，850 hPa比濕在14:00～17:00達到最大，僅達到6 g/kg，因此不利于短時強降水的形成。在17:00冰雹形成之前，等比濕線逐漸向上凸起達到大值，濕層厚度逐漸增加，這說明500 hPa、700 hPa以及850 hPa穿城上空的比濕都逐漸增大，水汽條件轉(zhuǎn)好。這也反映水汽輸送帶的逐漸東移南壓影響泗陽。濕層的向上擴展，為冰雹的碰并增長創(chuàng)造了有利條件。隨著時間推移，上干下濕的垂直結(jié)構(gòu)特征越來越清晰，這種不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的建立有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。14:00～17:00水汽條件達到最好，各層比濕都有一個較明顯的峰值。17:00冰雹出現(xiàn)后，三層水汽逐漸減少，說明水汽輸送帶進一步南壓，對泗陽的影響減小。因此本輪過程以雷暴大風和冰雹過程為主，短時強降水出現(xiàn)的頻次很少。

圖3 4月30日14:00水汽通量場(a)、14:00水汽通量散度場(b)和泗陽穿城比濕垂直剖面(c)圖

2.2 動力條件

圖4是泗陽穿城上空的散度和垂直速度時間剖面演變圖。從散度場來看，穿城上空存在低層輻合，高層輻散的形勢。08:00～17:00，穿城上空850 hPa 及其以下的層次，散度始終維持著負值，代表了低層一直存在輻合。低層輻合在14:00～17:00逐漸增強，在17:00左右輻合達到最強。強輻合中心的散度達到了-10×10-5s-1。850～700 hPa在11:00～17:00始 終 維 持 正 值，代表著輻散一直存在，最強輻散中心在14:00～17:00始終存在，中心可達10×10-5s-1。300 hPa以上散度始終為負值，維持著輻散，起到了抽吸作用，有利于上升運動的維持，為強雷暴天氣的發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件。低層輻合，高層輻散的形勢，有利于強對流性天氣的觸發(fā)。17:00，輻合輻散場均達到了極值，相應的實況也就出現(xiàn)了冰雹天氣。

分析垂直速度的剖面圖（圖4b）可以發(fā)現(xiàn)，600 hPa及其以下在11:00～17:00始終維持負值，因此此輪過程上升運動時間持續(xù)長。最強上升運動出現(xiàn)在17:00，速度可達-0.8 Pa/s。從垂直速度的分布高度上來看，上升運動的伸展高度很高，延伸到500 hPa附近。由此可見，此次局地產(chǎn)生冰雹的一個重要原因是上升運動速度快、發(fā)展高度高。因此低層輻合，高層輻散的環(huán)境條件以及長時間的強上升運動是此次泗陽穿城冰雹形成的重要原因。

圖4 4月30日穿城(a)散度和(b)垂直速度的垂直剖面圖

2.3 熱力條件分析

強對流天氣往往出現(xiàn)在高溫高濕區(qū)域。假相當位溫是表征大氣熱力學的一個重要物理量，可以同時表征環(huán)境的濕度和溫度條件。它的垂直分布可以反映大氣層結(jié)的對流不穩(wěn)定狀況。圖5給出了穿城上空假相當位溫的垂直剖面圖。08:00，穿城上空低層850 hPa以下存在明顯的假相當位溫的低值中心，中心值小于302 K。700 hPa以上，隨著高度增加，假相當位溫逐漸增大。上暖下冷的層結(jié)配置，易于維持大氣穩(wěn)定。隨著時間的推移，低層的假相當位溫逐漸增大，且同時向上擴展，在14:00～17:00假相當位溫達到極大值，中心值大于332 K。這一時段，高低層的配置反轉(zhuǎn)，850 hPa以下的假相當位溫遠大于500 hPa和700 hPa的假相當位溫。這說明低層逐漸增溫增濕，使得不穩(wěn)定層結(jié)逐步建立。17:00以后，假相當位溫的低值中心消失，等值線近似于呈垂直的柱狀分布。根據(jù)濕位渦守恒，等假相當位溫線傾斜角度越大，則氣旋性渦度越大，有利于形成強烈上升運動。這說明17:00左右，泗陽站上空冰雹的形成，導致不穩(wěn)定能量得以釋放，不穩(wěn)定層結(jié)迅速遭到破壞。因此，低層的增溫增濕，為冰雹的形成發(fā)展提供了熱力條件。

圖5 4月30日穿城假相當位溫垂直剖面圖

2.4 風切變分析

強上升氣流的維持還與風切變密不可分。利用再分析資料的500 hPa和1 000 hPa的矢量差，以及700 hPa和1 000 hPa的矢量差分別代表0～6 km與0～3 km的垂直風切變。由圖6可知，30日14:00江蘇地區(qū)的0～3 km和0～6 km風切變都很大，分別大于16 m/s和22 m/s，屬于強垂直風切變。省內(nèi)風切變的水平分布都大致呈西低東高的分布和蘇南東南部存在大值區(qū)。沿海附近0～3 km和0～6 km的風切變分別大于26 m/s和32 m/s，泗陽地區(qū)此時0～3 km和0～6 km風切變分別達到了18 m/s和24 m/s。

圖6 4月30日14:00 0～6 km(a)、17:00 0～6 km(b) 、14:00 0～3 km(c)和17:00 0～3 km(d)風切變

17:00，風切變的大值區(qū)均略有西擴，江蘇東部的大部分地區(qū)0～3 km和0～6 km風切變分別大于18 m/s 和24 m/s。泗陽地區(qū)17:00的風切變相比14:00略有減小，分別為12 m/s和22 m/s。14:00～17:00，較強風切變一直存在，使得對流回波東移南下的強度得以維持。而17:00泗陽風切變有所減小，不利于強對流的維持，因此實況17:00以后泗陽地區(qū)的對流活動逐漸減弱。實況表明未來強回波東移南下，而相應的江蘇東部地區(qū)的風切變始終維持著強垂直風切變的等級，因此強垂直風切變的存在是強對流活動持續(xù)時間長，影響范圍廣的一個重要原因。

3 雷達觀測特征分析

從此次過程的雷達回波來看，影響江蘇的對流系統(tǒng)的發(fā)展大致可分為3個階段：山東境內(nèi)低壓附近線狀對流發(fā)展并東移南壓、線狀對流前部蘇北地區(qū)強對流發(fā)生發(fā)展以及2個回波合并出現(xiàn)陣風鋒的影響階段。宿遷地區(qū)冰雹的產(chǎn)生主要出現(xiàn)在第二階段。

分析第二階段的多普勒雷達圖可以發(fā)現(xiàn)，宿遷地區(qū)在15:00左右有對流初生。此時對流回波的影響范圍很小，回波大致呈塊狀分布。回波緩慢增強，在16:00左右，宿遷市區(qū)觀測站和周邊多個站點測得了6級陣風。隨后，回波進一步增強，并且回波的主體逐漸沿著東南方向移動，進一步擴大影響范圍。在東移南下的過程中，對流回波的組織性明顯得到了增強，回波整體呈線狀分布?；夭◣?，出現(xiàn)多個強回波單體。在回波東南向移動的過程中，多地的風力增大。觀測數(shù)據(jù)表明在17:00左右，市區(qū)的新莊鎮(zhèn)關(guān)廟鎮(zhèn)一直到位于泗陽西北部的穿城鎮(zhèn)一帶，多地極大風的風力等級達到了6～7級。

16:50～16:56，雷達圖上出現(xiàn)了比較明顯的冰雹特征（圖7）。從16:56宿遷雷達的1.5°仰角基本反射率來看，在市區(qū)、沭陽和泗陽3個縣市的交界處出現(xiàn)了大片紫色回波，回波呈現(xiàn)出較明顯的人字形回波。紫色回波的反射率因子都達到了60 dBz，中心值達到了65 dBz。產(chǎn)品疊加了冰雹的報警，實心大三角表明在強回波附近出現(xiàn)大冰雹的可能性很大。從2.4°和3.3°仰角的基本反射率圖來看，回波形態(tài)大致類似，都能發(fā)現(xiàn)大于60 dBz的紫色回波和人字形回波分布，這說明此時強回波的伸展高度很高，達到了-20℃等溫線以上。

圖7 4月30日16:56宿遷多普勒雷達圖

從16:50～16:56的回波頂高的演變可以發(fā)現(xiàn)，強回波的頂高由13 km增加到15 km，這也說明對流云發(fā)展旺盛，非常有利于冰雹的形成發(fā)展。從垂直積分液態(tài)水含量圖來看，強回波附近VIL大值出現(xiàn)明顯的異常大值，16:50的VIL為27.5 kg/m2，16:56增加到了47.5 kg/m2，說明此時強對流發(fā)展達到了最強的階段，這是冰雹出現(xiàn)的一個重要的特征。此外，通過不同仰角的反射率因子和鄰近幾個時次的徑向速度圖，可以發(fā)現(xiàn)明顯的中氣旋。以往的研究已證實，即使是達不到中氣旋標準的比較弱的渦旋，在回波高懸時，對冰雹也具有很好的指示意義。實況表明，強回波附近多地出現(xiàn)了冰雹，其中泗陽穿城鎮(zhèn)的冰雹最大直徑約為3 cm。隨著回波的東移南下，回波強度逐漸減弱，回波頂高逐漸下降，此回波后續(xù)在宿遷境內(nèi)影響減小。

4 結(jié)論

利用Micaps常規(guī)氣象觀測資料、雷達數(shù)據(jù)以及FNL再分析數(shù)據(jù)，綜合分析了2021年4月30日宿遷地區(qū)一次風雹過程的環(huán)流背景、物理量以及雷達特征，得出以下結(jié)論。

（1）此次強對流過程的主要環(huán)流背景是高層深厚的東北冷渦穩(wěn)定少動，冷渦底部的前傾槽帶來強盛的西北急流，低層有西到西南氣流輸送暖濕空氣。地面輻合線是對流過程中重要的觸發(fā)條件，地面氣旋的東移南下在強對流的移動過程中起到重要的作用。

（2）此次強對流過程宿遷地區(qū)水汽條件差，不穩(wěn)定層結(jié)特征明顯，垂直風切變條件好，低層輻合、高層輻散的環(huán)境條件和長時間的強上升運動，使得宿遷地區(qū)強對流活動是干對流，出現(xiàn)雷暴大風和大冰雹。

（3）在雷達圖上，高聳的強回波、反射率因子、VIL的大值及中尺度渦旋都是此次冰雹關(guān)鍵的預警特征。