一次中尺度溫度和濕度鋒區對冰雹回波系統的影響

肖 云，馬中元，袁 春，李歡歡，李栩婕

（1.新余市氣象局，江西 新余 338025；2.江西省氣象科學研究所，江西 南昌 330046）

2021 年5 月10 日，江西出現大范圍冰雹、雷暴大風天氣過程，多處出現大冰雹（雹徑≥5 cm）和小冰雹（雹徑≤2 cm）。冰雹天氣給人們生活和社會活動帶來不利影響。

國內外專家學者對冰雹等強天氣進行了大量研究與分析。1963 年，Browning 等[1-2]首先提出了超級單體雷達回波概念；1970 年，Donaldson[3]對超級單體風暴結構作出一些補充和完善；1978 年，Browning[4]重新定義超級單體具有深厚持久的中氣旋結構；1979 年，Lemon 等[5]提出超級單體概念模型；1981年，Fujita[6]給出伴有龍卷渦旋狀回波實例；1987 年，Klemp[7]利用數值模式解釋超級單體的動力機制；1994 年，Moller 等[8]描述的超級單體風暴特征應用至今；超級單體分為經典超級單體和弱超級單體、強單體等多種形式[9]。在單部雷達回波上，超級單體低層反射率因子呈現明顯“V”型缺口，垂直剖面呈現典型的有界弱回波區，回波懸垂和回波墻，中高層徑向速度呈現出一個中氣旋結構；垂直累積液態含水量（VIL）在降雹前出現了躍增，對冰雹短時預報具有一定指示意義[10-11]。超級單體0～6 km 垂直風切變可達到22～26 m·s-1，有利于水平渦度發展和維持；回波伸展高度越高、低層入流越顯著、垂直風切變越強的對流系統易產生大雹[12-14]。中尺度地面輻合線對超級單體風暴起到了觸發和維持、加強的作用；弓狀回波具有持續產生冰雹和雷暴大風等災害性天氣的能力[15-18]。典型超級單體造成的冰雹可以分裂成左移和右移風暴[19-21]。大冰雹臨近預警指標均最大反射率因子達到60 dBZ 以上，中氣旋，VIL 達到60 kg·m-2，50 dBZ 以上強回波區伸展到-30 ℃層高度以上[22-26]。白天地面太陽輻射加熱迅速增大CAPE 值，為超級單體風暴的生成提供了有利的環境條件；干冷空氣侵入與暖濕上升氣流造成斜壓渦度，使輻合產生旋轉，在強輻合作用下雷暴強烈發展，旋轉增強[27-28]?；夭ㄏ到y在移動前方不斷觸發產生新的對流單體，通過合并形成向前“傳播”的發展趨勢；回波的傳播方式一方面加快了回波移動速度，另一方面改變了回波移動方向[29-31]。江西副熱帶高壓邊緣回波特征有：南北向短帶回波，有時會發展為弓狀回波；強回波單體，超級單體和復合單體回波；回波帶某段向前突出形成的“弓狀”回波帶結構是江西颮線回波帶強盛階段的經典形態[32-35]。雷達拼圖組合反射率產品上疊加多部雷達風暴跟蹤信息（STI），對雷暴大風、冰雹等強天氣的移動有所幫助；颮線云圖上特征有：中尺度對流云團、狹窄積云線和冷出流邊界所致的對流云帶[36-40]。上述研究成果為本文研究提供了理論依據，但討論溫度和濕度鋒區對冰雹回波天氣的影響的研究文獻較少。

本文使用常規天氣圖、自動站數據、雷達回波等資料，對2021 年5 月10 日江西冰雹、雷暴大風過程進行分析，探討溫度和濕度鋒區對冰雹天氣的形成機制，為開展冰雹、雷暴大風災害性天氣的監測預警和預報服務提供分析依據。

1 冰雹天氣實況和天氣形勢圖

天氣資料、探空數據來源于MICAPS 拼圖，地面要素資料來源于江西省自動氣象站網絡平臺，雷達拼圖資料來源于江西WebGIS 雷達拼圖平臺。

1.1 冰雹天氣實況

2021 年5 月10 日，江西發生一次強雷暴回波群天氣過程，樟樹市中洲鄉、黃土崗鎮出現直徑≥5 cm大冰雹，豐城市白土鎮、袁渡鎮、臨川等地出現直徑≤2 cm 小冰雹，其他一些市縣不同程度出現冰雹、雷暴大風和強雷電等強天氣。

江西雷暴大風最強出現在5 月10 日16—17時，是在樟樹發生大冰雹區域，伴隨超級單體產生的雷暴大風天氣，最大風速達28 m/s（圖1a）。樟樹超級單體未出現短時強降水，14—17 時3 h 降水＜10 mm（圖1b）。超級單體是產生冰雹和雷暴大風的主要回波類型，強回波質心過高反而不適合產生短時強降水。

圖1 2021 年5 月10 日江西雷暴大風、3 h 累積雨量分布

1.2 MICAPS 天氣形勢圖

2021 年5 月10 日08 時，100 hPa 有明顯的出流區（圖2a），高空西北大風區增強了高空輻散；500、850 和925 hPa 都處在槽前一致的西南急流中（圖2b～2c），850 和925 hPa 低渦、切變線位于江西北部，低層強烈輻合與高層輻散相結合，有利于產生強對流天氣。

圖2 2021 年5 月10 日08 時MICAPS 天氣形勢

由此可見，大冰雹區域伴隨超級單體產生的雷暴大風天氣，最大風速達28 m/s，沒有出現短時強降水；100 hPa 有明顯的出流區，500、850 和925 hPa都處在槽前一致的西南急流中，850 和925 hPa 低渦、切變線位于江西北部，有利于產生強對流天氣；樟樹、豐城的對流云系發展成為中尺度對流系統（MCS）。

2 中尺度溫度和濕度鋒區的形成

2.1 中尺度溫度和濕度鋒區的特征

2021 年5 月10 日14：00（圖3a），受到暖濕西南氣流和午后地面增溫影響，江西省相對濕度在50%～60%，樟樹為54%、豐城為59%。15：00（圖3b），樟樹、豐城以東受到中尺度對流回波系統影響，地面降水冷卻，回波覆蓋地方相對濕度快速上升到80%以上，濕度中心在樟樹、豐城之間形成濕度鋒區。

圖3 2021 年5 月10 日溫度和濕度鋒區形成特征

2021 年5 月10 日14：00（圖3c），受到暖濕西南氣流和午后地面增溫影響，江蘇省空氣溫度為32～34 ℃，樟樹為33.1 ℃、豐城為33.2 ℃。15：00（圖3d），樟樹、豐城以東受到中尺度對流回波系統影響，地面降水冷卻，回波覆蓋地方空氣溫度快速下降到24.9 ℃（進賢）、26.5 ℃（撫州）、27.0 ℃（崇仁），15：00溫度中心與樟樹（33.7 ℃）、豐城（34.3 ℃）、新干（34.0 ℃）之間形成溫度鋒區。

把樟樹、豐城站的濕度和溫度與本次降水落區里2 個自動氣象站（相差不足100 km）的最高濕度和最低溫度進行平均，求出溫度和濕度鋒區平均差值（表1），濕度鋒區為43%/100 km，溫度鋒區為10.2 ℃/100 km，這個鋒區差值可以作為判斷鋒區是否成立的參考依據。

表1 樟樹和豐城與溫度和濕度鋒區平均差值

在溫度場和濕度場上形成的較大梯度區被稱為鋒區。江西中尺度鋒區形成機制有兩種：一是由中尺度回波系統產生降水，地面降水冷卻后，降水區的溫度要低于無降水區，降水區的濕度要高于無降水區，這樣就形成了溫度和濕度鋒區；二是在西南氣流和午后太陽輻射增溫的影響下，江西北部有小股冷空氣南下或江西北部有較大范圍降水區時，江西南部和北部會形成溫度和濕度鋒區。2021 年5 月10日產生的鋒區，屬于第一種形成機制，由于中尺度鋒區尺度小，局地性明顯，被稱為局地鋒區。Sun[41-43]和Ogura[44]認為，颮線也可通過邊界層與天氣尺度氣流相互作用產生的溫度梯度差異而激發，類似海陸風的生成，在邊界層模擬對流演變和重力波積分方案中，溫度梯度差異形成的溫度鋒區，足以產生對流運動。

鋒區的出現，一方面，當濕度和溫度鋒區達到≥40%/100 km 和≥10 ℃/100 km 時，就能夠觸發產生對流運動而形成對流回波；另一個方面，當對流回波移到鋒區附近時，會進一步發展加強。類似個例在江西比較多，例如：2012 年4 月10 日、2014 年3月28 日、2017 年5 月11 日、2018 年3 月4 日、2019年3 月21 日、2020 年3 月21 日、2021 年5 月10 日等強颮線過程，基本上在每次強對流天氣過程中，江西境內都會出現溫度和濕度鋒區現象，尤其是發生在強颮線過程中。

2.2 溫度和濕度鋒區的形成過程

局地溫度和濕度鋒區是有明顯差距的溫度和濕度的梯度區域，形成局地鋒區只需要1～2 h。2021 年5 月10 日12：00，雷達拼圖上豐城附近沒有回波，江西省除廣豐有對流發展，基本無回波系統活動。13：00（圖4a），豐城附近還是沒有回波，江西北部武寧、瑞昌有對流發展。14：00（圖4b），在午后增溫和西南氣流的影響下，江西局地熱雷雨開始活躍，豐城東部出現對流回波。15：00（圖4c）。豐城對流回波發展旺盛，形成中尺度對流回波群，地面開始出現降水；江西其他地區對流也十分活躍。就是因為豐城東側的中尺度對流回波系統造成的降水，使得地面溫度快速下降，濕度快速上升，從而在豐城、樟樹與降水區中心之間形成了溫度和濕度鋒區（圖5）。14：50雷達拼圖（圖5a）江西有若干個回波系統發展，15：00 濕度鋒區（圖5b）和溫度鋒區（圖5c）由于回波系統的降水冷卻，形成局地鋒區，可以看出回波、濕度鋒區和溫度鋒區之關系。

圖4 2021-05-10 雷達拼圖組合反射率CR 回波系統演變

圖5 2021-05-10 回波系統降水冷卻作用形成溫度和濕度鋒區

2.3 溫度和濕度鋒區的作用

溫度和濕度鋒區的作用十分明顯，主要表現在兩個方面：一是當回波系統移近鋒區時會快速發展；二是在鋒區無回波的地方新生對流回波。以濕度鋒區為例：2021 年5 月10 日16：00 濕度鋒區形成（圖6a），鋒區中心濕度達99%，豐城濕度為60%，鋒區強度達到39%。此時，豐城距離濕度中心不到50 km距離，鋒區強度達到39%/50 km。16：40（圖6b），豐城附近開始快速發展起對流回波，之后發展為強單體、超級單體，造成豐城白土鎮冰雹天氣；16：00 濕度鋒區形成時，15：40—16：40 雷達拼圖上，樟樹超級單體回波強度為55～60 dBZ，移入鋒區后，回波強度快速發展達到65～70 dBZ，造成樟樹中洲鄉、黃土崗鎮出現大冰雹。

圖6 豐城2021 年5 月10 日濕度鋒區附近觸發對流形成新生回波

由此可見，溫度鋒區≥10 ℃/100 km 和濕度鋒區≥40%/100 km 時，能夠觸發對流運動而形成超級單體回波；當強回波移進鋒區時，強回波會快速發展加強5～10 dBZ。溫度和濕度鋒區對雷達回波系統的影響十分明顯。

3 冰雹回波風暴跟蹤信息（STI）移動

3.1 樟樹超級單體回波的移動

2021 年5 月10 日15：40（圖7a），樟樹西南方向的強單體回波朝東北方向移動，風暴跟蹤信息（STI）指向[51]樟樹一帶，回波中心強度達到65 dBZ。16：00（圖7b），強單體回波移近樟樹西南部時快速發展壯大，成為超級單體回波，強度依然是65 dBZ，但60 dBZ 強回波面積快速擴大，形成超級單體回波結構。16：20（圖7c），超級單體回波移進樟樹（移入鋒區）發展猛烈，60 dBZ 回波面積雖然沒有擴大，但回波強度增大到70 dBZ，樟樹西部中洲鄉、黃土崗鎮等地出現較大冰雹。16：40，超級單體繼續影響樟樹西部鄉鎮，強度有所下降，為65 dBZ，強回波面積也有所縮小，所降冰雹直徑有所減小。由圖5 可知，風暴跟蹤信息能較好地指示超級單體的移動方向和速度，尤其是多條STI 指向一致時，可信度更高。

圖7 2021 年5 月10 日樟樹大冰雹超級單體組合反射率與風暴跟蹤信息演變

3.2 豐城超級單體回波的移動

2021 年5 月10 日16：40（圖8a），在溫度和濕度鋒區的影響下，豐城新生兩塊對流回波，回波CR在45～50 dBZ 以下，沒有風暴跟蹤信息指向。16：50（圖8b），回波快速發展合并成為強單體回波，回波CR 達到60 dBZ，開始出現風暴跟蹤信息指向。17：00（圖8c），強單體回波進一步發展成為超級單體，回波達到65 dBZ，60 dBZ 回波面積迅速擴大，豐城白土鎮出現冰雹。17：10，超級單體回波繼續維持，回波達到65 dBZ，但強回波面積有所縮小，沿著風暴跟蹤信息指向逐步移出豐城。

4 結論與討論

利用江西雷達拼圖、南昌雷達PUP 產品和地面氣象等資料，對2021 年5 月10 日江西強冰雹天氣過程中溫度和濕度鋒區的影響及典型時刻回波特征進行分析，得到以下結論：

（1）超級單體產生大冰雹并伴隨雷暴大風天氣，沒有出現短時強降水；超級單體往往造成較大冰雹，強單體出現較小冰雹。樟樹、豐城的對流云系發展成為中尺度對流系統。

（2）溫度和濕度鋒區能夠觸發產生對流活動而形成對流回波；當對流回波移到鋒區附近時，也會快速發展加強。

（3）在溫度和濕度鋒區上，樟樹超級單體移入，回波強度和強回波面積快速擴大，樟樹西部中洲鄉、黃土崗鎮等地出現大冰雹；在鋒區上豐城新生對流回波快速發展成超級單體，強回波面積迅速擴大，豐城白土鎮出現冰雹。

（4）風暴跟蹤信息能較好地指示超級單體回波的移動方向和移動速度，多條風暴跟蹤信息指向一致時可信度更高。

這次冰雹天氣過程是在江西午后西南急流中地面增溫引起的全省性雷暴回波群影響下產生的。由于降水冷卻形成的局地溫度和濕度鋒區，從而對回波系統造成觸發新生回波和回波移進鋒區猛烈發展產生影響。日常業務中，要密切注意這種局地鋒區的存在，而鋒區對強天氣的影響還需要多個例子去探討和深入研究。