合肥“4·30”冰雹天氣的多源資料分析

范裕祥,魏春璇,陳 健,劉漢武,李 欣,翟振芳

(合肥市氣象局,安徽合肥 230031)

0 引言

冰雹是致災性極強的中小尺度天氣,具有局地性強、時間短、破壞力大等特點,做好冰雹預報和預警是防雹減災的前提條件,也是預報的難點之一。很多氣象學者研究了產生冰雹的環流背景和對流環境條件,形成了冰雹天氣概念模型,對冰雹的潛勢預報有明顯改善[1-3]。俞小鼎等[4-5]對強冰雹產生的環境背景和雷達特征進行總結,冰雹的發生需要大氣層結不穩定、水汽、抬升機制、較大的垂直風切變和適宜的零度層高度。指出45 dBZ或50 dBZ的回波擴展到-20 ℃等溫線高度之上,有界弱回波區與回波懸垂,垂直累積液態水(VIL),三體散射和強烈風暴頂輻散是預警強冰雹的主要指標。利用新一代天氣雷達觀測資料及其產品對冰雹監測、預警和分析已經取得較多成果。黃曉龍等[6]對冰雹天氣發生的中尺度天氣系統進行了分析。江玉華等[7]對伴隨冰雹的超級單體風暴的流場、結構和雷達回波特征進行了分析。謝啟玉等[8]研究了西寧地區冰雹VIL 變化特征。近年來,風廓線雷達開始應用到強對流天氣的監測和分析研究中,風廓線雷達可以24 h不間斷獲得測站上空每幾分鐘、幾十米層距的大氣風場、垂直氣流隨高度分布和隨時間的變化[9-11],能揭示天氣尺度系統的存在及影響過程[12]。黃志勇等[13]利用風廓線雷達分析了湖北咸寧一次冰雹天氣,發現在降雹前約0.5 h,0～4 km垂直速度大小隨高度的波動明顯增大,不同高度垂直速度的最大差值可達11 m·s-1,在對流風暴中大氣的不同層次之間熱力或動力差異較大。周志敏等[14]利用風廓線雷達資料對一次冰雹過程進行了分析。李聰等[15]利用風廓線雷達、雨滴譜儀和微波輻射計等觀測資料,對發生在南京的一次冰雹天氣進行了分析,探討新型探測儀器在冰雹監測預警中的應用。

2021年4月30日夜間,合肥市區及所轄的巢湖市、肥西縣和肥東縣出現冰雹天氣,冰雹最大直徑約3 cm。2021年中國氣象災害風險普查結果表明,合肥市有氣象記錄以來,春季、夏季出現冰雹占全年總數分別為40%、58%,可見合肥市冰雹天氣主要出現在夏季。合肥市大范圍出現大冰雹天氣也多在夏季,如1987年8月10日合肥市區、肥東縣、肥西縣和廬江縣出現冰雹,其中合肥市區、肥西縣和廬江縣冰雹最大直徑4 cm。合肥市2021年春季出現如此大范圍且最大直徑達3 cm的冰雹天氣,較為罕見。因此有必要研究此次冰雹天氣的環流背景、環境條件和中尺度系統特征。

所用資料為探空、自動氣象站、氣象衛星、多普勒天氣雷達、風廓線雷達等監測數據和ERA5 再分析資料。其中探空數據的時間分辨率為12 h,自動氣象站數據為1 h;氣象衛星數據采用葵花8 衛星TBB 資料,時間分辨率為10 min,空間分辨率為2 km;合肥多普勒天氣雷達(31.85 °N,117.23 °E)時間分辨率為6 min,反射率因子空間分辨率為1 km,徑向速度分辨率為0.25 km,距離肥西不足50 km,在有效探測范圍內;巢湖風廓線雷達(31.58 °N,117.83 °E)是WP6000-LT邊界層風廓線雷達,時間分辨率為6 min,垂直分辨率60 m(1200 m以上為120 m),距離合肥多普勒雷達約60 km;ERA5 再分析資料的時間分辨率為1 h,空間分辨率為0.25°×0.25°。

1 天氣實況和環流背景

1.1 天氣實況

2021年4月30日20-24 時(北京時),合肥市、馬鞍山市和宣城市等自西北向東南先后出現強對流天氣(圖1),合肥市區20:50 出現直徑6 mm冰雹,20:56 肥西境內出現最大直徑約3 cm的冰雹,其后合肥市所轄肥東、巢湖先后出現直徑不足1 cm的冰雹。21-24 時蕪湖、宣城先后出現雷雨大風,宣城市廣德縣獨山最大風速達11 級(28.6 m·s-1)。過程累計降水量普遍小于10 mm。本文重點分析合肥市冰雹天氣的成因和中尺度特征。

圖1 2021年4月30日冰雹和雷雨大風實況(圖中黑色圓圈為合肥多普勒雷達位置,黑色方框為巢湖風廓線雷達位置)

1.2 環流背景和觸發機制

2021年4月29-30日貝加爾湖以東到中國東北地區有一深厚的東北冷渦,該低渦氣旋性環流自925 hPa延伸至100 hPa。500 hPa上,30日08 時(圖2a)冷渦中心盤踞在內蒙古科爾山附近,20 時(圖2b)冷渦中心略有南落。東北冷渦使安徽出現冰雹典型環流形勢,冷渦后部偏北風攜帶中層冷空氣南下,這次過程中冷渦后部西北風較大,黃淮至江淮地區建立一支急流核風速超過40 m·s-1偏北急流,有利于中低層垂直風切變的加強,形成強對流天氣發生的有利環境。850 hPa上,08 時(圖2c)湖北有一超過22 ℃的暖中心,湖北至安徽以偏西氣流為主,合肥存在明顯的暖平流,20 時(圖2d)合肥處于西北風與西南風的輻合線上,輻合線南北兩側的風力較08:00 明顯增強,強烈的輻合有利于上升運動的發展。合肥持續數天晴好天氣,地面增溫明顯,最高氣溫接近34 ℃,地面為熱低壓(圖略)。

圖2 2021年4月30日系統配置500 hPa 位勢高度、風場和850 hPa 溫度場、風場(黑色實心圓圈為合肥所在位置)

30日17-20 時地面一直存在一條近東西向中尺度輻合線(圖3),輻合線北側為偏北風,南側為西南風,位置少動。20 時925 hPa也有一條近東西向中尺度輻合線(圖略),該輻合線北側為東北風,南側為西南風形成氣旋性旋轉輻合,而且925 hPa輻合線與地面輻合線位置基本重疊,邊界層形成強烈的輻合。強對流天氣最初出現在輻合線北側附近。

圖3 地面中尺度輻合線

可見這次合肥大冰雹出現在安徽冰雹典型的環流背景下,低層和地面的輻合為大冰雹天氣提供了觸發條件。地面午后增溫,中層東北冷渦攜帶冷空氣南下,溫度直減率加大,中低層垂直風切變加大,均為強對流天氣的發生提供了有利的熱力和動力條件。

2 物理量分析

2.1 不穩定潛勢分析

通過分析中低層溫度直減率,可以判斷大氣層結的熱力不穩定。選擇與合肥接近的安慶和南京的探空資料(表1)發現,2021年4月30日08:00-20:00,安慶和南京上空對流層中低層t850-500均大于30 ℃,尤其20:00 安慶t850-500接近35 ℃,遠遠超過熱力不穩定的閾值。08:00 對流有效位能(CAPE)安慶和南京均為零,20:00 都超過了1500 J/kg,為中等對流不穩定,表明夜間適合對流發展。20:00 強天氣威脅指數(SWEAT)超過400,最大抬升指數(BLI)低于-7℃,TT都超過50 ℃,表明適合強雷暴發展。以上指數表征合肥地區有較好的對流潛勢。0～6 km垂直風切變均大于26 m/s,屬于深厚的強垂直風切變,而且0℃濕球溫度高度位于3100 m左右,-20 ℃濕球溫度高度位于6300 m左右。由上可知,合肥存在有利于發生冰雹的環境條件[16]。

表1 2021年4月30日安慶和南京探空站物理量資料

2.2 渦度和散度

30日08:00 冰雹發生地(31 °N～32 °N)低層有向南傾斜的950 hPa附近出現21×10-5s-1的正渦度中心(以下簡稱南方正渦度中心)并伴隨著-0.5 Pa·s-1上升氣流(圖4a),33 °N～33.5 °N 850 hPa附近有一中心為9×10-5s-1的垂直的正渦度柱(簡稱北方正渦度柱)。08:00 后南方正渦度中心強度逐漸減弱,北方正渦度柱則呈范圍增大、強度增強并且向對流層高層延伸態勢。16:00 北方正渦度柱(圖4b)南北范圍增大為33 °N～35 °N,高度達200 hPa,垂直方向有多個正渦度中心,強烈的上升氣流兩側為下沉氣流,正渦度柱開始向南移動。此時,南方正渦度中心僅為12×10-5s-1。18:00(圖4c)北方正渦度柱南移至32.5 °N～34 °N附近,強度略減,南北兩個正渦度中心水平距離越來越近,二者在31.5 °N～32 °N對流層低層負渦度開始加強。20:00(圖4d)南方正渦度中心強烈發展,頂部上升到200 hPa,形成正渦度柱(簡稱南方正渦度柱),南北正渦度柱之間負渦度從低層延伸到200 hPa,300 hPa附近負渦度中心低于-18×10-5s-1。負渦度對應反氣旋旋轉,有利低空輻散,與31.5 °N～32 °N地面至800 hPa散度為正(圖4f)相對應,因此有最大達1.4 Pa·s-1的強烈下沉氣流,該下沉氣流在低層產生強烈輻散,對南北兩個正渦度柱有正反饋作用,有利于對流的發展維持和傳播移動。21:00(圖4e)北方正渦度柱中心達27×10-5s-1,并伴隨強烈的上升氣流(最大-2.2 Pa·s-1)。合肥位于邊界層正負渦度相鄰梯度大值區,此時合肥市區出現冰雹天氣。

圖4 2021年4月30日渦度和垂直速度沿117.2°E 垂直剖面(a)08:00、(b)16:00、(c)18:00、(d)20:00、(e)21:00(等值線為渦度、色斑為垂直速度);(f)20:00 散度和垂直速度沿117.2°E 垂直剖面(等值線為散度、色斑為垂直速度)

3 中尺度特征分析

3.1 TBB 分析

葵花8 號衛星資料具有較高的時空分辨率,在監測對流云團活動方面具有一定的優勢[17]。本文采用葵花8 號衛星的TBB 圖像分析中尺度對流系統的演變[18]。圖5 給出對流云團自西北向東南移動過程中每10 min 的TBB 分布。30日20:00,安徽無對流云發展(圖略),20:10,合肥西北側有數個呈東西向排列的γ 中尺度對流云(γ_MCS)新生發展,20:20 這些γ_MCS 開始合并,20:30 γ_MCS 完全合并形成東西向β中尺度對流系統(β_MCS),尺度增大,中心鑲嵌低于-52 ℃的強對流核,上沖云頂的出現,表明對流云團發展到旺盛狀態。20:40,β_MCS 進一步發展呈“啞鈴狀”并開始影響合肥市區,部分地區出現了雷電和陣性降水。21:00 對流云團發展成為α 中尺度對流系統(α_MCS),合肥市區處于系統中心,四周均是低于-52 ℃的強對流核,合肥多地出現雷陣雨和冰雹天氣。21:30 對流云團進一步發展呈橢圓形,22:00 該MCS繼續向東南方向移動,對合肥地區的影響結束。

圖5 2021年4月30日20:10-22:00 葵花8 衛星云頂黑體亮溫(實心圓圈為合肥所在位置,空心圓圈為巢湖所在位置)

由上分析可見,此次影響合肥的降雹天氣與中尺度對流系統關系密切,是由數個分散的東西向對流云合并,合并后尺度增大、TBB 強度增強,冰雹發生于TBB 低于-52℃強對流核附近。

3.2 雷達回波分析

3.2.1 對流風暴觸發階段

圖6 是合肥多普勒天氣雷達20:11-21:59 組合反射率因子演變特征圖。30日20:11(圖6a),在地面中尺度輻合線和925 hPa輻合線的北側有分散、孤立的對流單體生成。

圖6 2021年4月30日合肥多普勒天氣雷達組合反射率因子和地面風場疊加(a)20:11 雷達回波和20:00 地面風場,(b)20:22(c)20:45,(d)21:13 雷達回波和21:00 地面風場,(e)21:36 ,(f)21:59(圖中隱去35dBZ 以下的回波)

3.2.2 對流風暴發展成熟階段

20:22(圖6b)對流單體逐漸彌合,反射率因子增強至48 dBZ,回波頂高抬升至11 km,并形成一條東西向的對流回波帶,在高空西北引導氣流下向東南方向移動。20:39 對流單體進一步合并,其中風暴A 在2.4°～6.0°仰角出現三體散射長釘,由圖7(a)、(c)可見20:45,6°、2.4°仰角反射率因子三體散射長釘。20:45(圖6c)回波帶中對流單體基本合并,風暴A 最大反射率因子達到65 dBZ,沿P1(116.48 °E,31.94 °N)和P2(116.7 °E,31.79 °N)兩點(圖6c)作反射率因子垂直剖面(圖7d),可見,強回波呈前傾懸垂結構,強回波右下側有弱回波區,表明存在強垂直風切變,斜上升氣流強烈,因而風暴A 得以持續發展,這點在前面物理量分析中得到印證。回波頂高基本伸至10～12 km,最高達15 km,強回波已及地,表明風暴A 已達成熟階段。6.0°仰角徑向速度圖(圖7b)上,風暴A 人工去速度模糊后轉動速度為23.8 m·s-1,且維持3 個體掃,距離合肥69 km,屬于強中氣旋,因此風暴A 為超級單體風暴。20:56 肥西縣境內出現3 cm大冰雹,三體散射回波出現時間早于地面降雹17 min。探空顯示,濕球零度層高度3100 m左右,-20 ℃濕球溫度高度位于6300 m左右,60 dBZ強回波伸展至9 km以上,遠超-20度層高度,因此易產生冰雹天氣。

圖7 2021年4月30日20:45 合肥多普勒天氣雷達

21:13(圖6d)對流回波移出合肥市區,回波帶中對流單體開始分散,但對流單體核心強度仍可達65 dBZ。21:36(圖6e)回波帶西半段對流單體呈減弱消散趨勢,東半段對流單體尺度呈增大趨勢并在巢湖市形成雨夾冰雹天氣。21:59(圖6f)對流回波移出合肥,至此,合肥境內本輪強對流天氣結束。

對流風暴A 在發展過程中,VIL 出現連續躍增現象。30日20:11-20:22 風暴處于初生階段,VIL 維持在1～10 kg·m-2。20:28-20:45,VIL 連續躍增(圖8),VIL 由20:22 的10 kg·m-2增加到20:28 的30 kg·m-2,20:33 躍增到60 kg·m-2,維持2 個體掃后,20:45 躍增至70 kg·m-2,此時VIL 最大,反射率因子最強(65 dBZ)。20:51 降為65 kg·m-2,其后快速下降。可見,20:28 VIL開始躍增,合肥市降雹時間為20:50,VIL 躍增時間較地面降雹時間提前了22 min。VIL 躍增時間對應著冰雹云發展的躍增階段,此時冰雹云內的冰雹粒子在生長區迅速碰并長大[19],VIL 躍增能作為預警冰雹的一個重要依據。從圖8 還可以看到,隨著VIL 的增大,反射率因子隨之增強,但隨著風暴減弱,VIL 減小,但反射率因子最大值仍保持55 dBZ或以上的高值,這與羅菊英等[20]的分析結果較為一致。

圖8 2021年4月30日20:22-21:36 風暴A 的VIL 和最強反射率因子隨時間變化

綜上所述,地面中尺度輻合線和925 hPa中尺度輻合線對此次對流風暴起觸發作用,對流單體經過合并而加強,3 cm大冰雹發生在超級單體成熟階段。三體散射回波出現時間早于地面降雹17 min,三體散射長釘可以作為強冰雹預警的一個重要輔助指標[21]。VIL躍增時間較地面降雹提前22 min,VIL 躍增能作為預警冰雹的一個重要依據。

3.3 風廓線雷達分析

大氣邊界層是指直接受地球表面的影響,并與地表進行熱量、動量和水汽及其他物質成分的交換,其厚度一般是從地面至500 m到1.5 km,湍流運動是該層大氣的最基本特征。在巢湖風廓線雷達垂直風切變的時間-高度剖面(圖9a)上,17:00-19:00 垂直風切變大值區出現在1200～1300 m、500～700 m,極大值達到0.06 s-1。可見在強對流開始前的數小時,巢湖邊界層有2 個垂直風切變強中心,低層垂直風切變增大,不僅加速高、低空冷暖氣流混合,利于大氣不穩定,而且加強了低層的氣流輻合抬升,非常有利于對流的發展。Rasmussen 等[22]通過研究指出,當有強對流存在時0～4 km的平均垂直風切變會達到0.015 s-1左右,而本文中垂直風切變極值達到了0.06 s-1,表明冰雹發生前,局部垂直風切變會大得多。

圖9 2021年4月30日巢湖風廓線雷達

利用4月30日巢湖風廓線雷達資料(圖9b)對巢湖上空風場變化進行分析。20:34-21:35,1200 m高度以上為西風,其下風場明顯轉向,從20:34 的西南風到20:40 轉為西北風,并且西北風高度逐漸向下延展,1200 m高度風向不連續一直持續到21:35,該不連續線印證了前文所提的925 hPa輻合線。1200 m以下西北氣流為雷暴冷池出流和北方冷空氣共同影響所致(圖6d),冷空氣在邊界層向巢湖伸展形成冷墊,并與地面南風入流在雷暴東南側產生強輻合,暖濕斜升氣流沿冷墊爬升,潛在不穩定的氣團迅速上升至自由對流高度(LFC)以上,不斷觸發新的對流單體,21:35 巢湖出現雨夾冰雹天氣。

4 結論與討論

(1)此次冰雹天氣發生在深厚的東北冷渦背景下,500 hPa黃淮至江淮地區一支超過40 m·s-1偏北急流,急流攜帶冷空氣南下進一步促進大氣層結不穩定,增強中低層垂直風切變,構建了強對流天氣發生的有利環流背景條件。

(2)冰雹發生在強的溫度直減率、中等強度對流有效位能、深厚的強垂直風切變、較低的濕球零度層高度環境條件下。地面中尺度輻合線和925 hPa的輻合線共同觸發了此次強對流天氣。

(3)衛星云圖顯示,降雹云團由數個分散的東西向對流云合并,冰雹發生于TBB 低于-52 ℃強對流核附近。雷達回波表明VIL 躍增時間較地面降雹時間提前了22 min,三體散射回波出現時間早于肥西降大冰雹時間17 min。巢湖風廓線雷達顯示強對流發生前邊界層有兩個垂直風切變強中心,1200 m高度的風向不連續線觸發了巢湖新的對流單體。

此次冰雹過程分析使用的新型探測資料不多,今后將采用雙極化雷達、相控陣雷達、云雷達、微波輻射計等新資料對冰雹過程進行研究,探索冰雹最新預警預報指標。應用高分辨率數值模式模擬冰雹單體,分析超級單體內部結構,研究降雹的具體位置和時間。