2012年2月23日冰雹過(guò)程的中尺度特征分析

黃元森 丁光義 陳小梅

?

2012年2月23日冰雹過(guò)程的中尺度特征分析

黃元森 丁光義 陳小梅

福建省南平市氣象局

該文利用常規(guī)和非常規(guī)資料對(duì)2012年2月23日發(fā)生在閩北的一次冰雹過(guò)程進(jìn)行中尺度特征分析，結(jié)果表明：這次冰雹過(guò)程由高架雷暴引起；南支槽、高低空急流、低層切變線和地面靜止鋒是這次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的主要影響系統(tǒng)；強(qiáng)垂直風(fēng)切變、高低空急流引發(fā)強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生；中低層的干冷空氣入侵觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放。

冰雹 高架雷暴 高低空急流 垂直風(fēng)切變

0 引言

受西南暖濕氣流和冷空氣的共同影響，2012年2月23日8日早晨，在福建省北部（簡(jiǎn)稱閩北）出現(xiàn)了一次因高架雷暴引起的冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。這次強(qiáng)對(duì)流天氣主要發(fā)生在武夷山脈東北側(cè)的武夷山和浦城境內(nèi)，其中在23日8時(shí)16分起浦城測(cè)站出現(xiàn)5分鐘左右的降雹（冰雹直徑達(dá)5mm）、18m/s的偏西大風(fēng)、8時(shí)10～20分降了22mm的短時(shí)強(qiáng)降水（日雨量58mm）。這次強(qiáng)對(duì)流天氣因發(fā)生在冬末初春時(shí)節(jié)，冰雹尺度較小、降雹時(shí)間較短，沒(méi)有造成較大的災(zāi)害。

強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生要有不穩(wěn)定層結(jié)、水汽條件、強(qiáng)的抬升機(jī)制，此外，降雹天氣還要在-10～-30℃之間有大的對(duì)流有效位能（Cape）、深層垂直風(fēng)切變和較低的0℃高度[1]。目前雖然研究冰雹過(guò)程的論文很多[2～6]，對(duì)冰雹過(guò)程都進(jìn)行了很好總結(jié)，得出很多好的結(jié)論，但因冰雹的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程仍極其復(fù)雜，每一個(gè)過(guò)程都有其異同點(diǎn)，往往很難用統(tǒng)一的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)報(bào)，且目前對(duì)高架雷暴引發(fā)的冰雹過(guò)程研究較少，常出現(xiàn)空漏報(bào)的情況，因此有必要對(duì)高架雷暴引發(fā)的冰雹過(guò)程進(jìn)行研究。本文利用常規(guī)和非常規(guī)氣象資料，對(duì)這次冰雹過(guò)程進(jìn)行中尺度特征分析，尋找這次降雹過(guò)程的成因，為今后出現(xiàn)同類型的冰雹天氣預(yù)報(bào)提供參考。

1 環(huán)流形勢(shì)及影響系統(tǒng)

圖1為 2012年2月22日20時(shí)高空?qǐng)D及23日05時(shí)地面圖中尺度分析（北京時(shí)，下同）。從圖1可見(jiàn)，22日20時(shí)200hPa在我國(guó)華東地區(qū)有東北-西南向的高空槽，槽前為西南偏西氣流，另外在30°N附近有一支非常強(qiáng)的高空急流（≥64m/s），并且這支高空急流在長(zhǎng)江以南出現(xiàn)分流，在分流區(qū)出現(xiàn)高層輻散，而閩北上空剛好處于分流區(qū)中間，這樣的環(huán)流形勢(shì)有利于在閩北上空出現(xiàn)垂直上空運(yùn)動(dòng)。從500hPa高度場(chǎng)上看：在我國(guó)長(zhǎng)江以北的中高緯地區(qū)存在階梯槽，其中有一階梯淺槽位于長(zhǎng)江口，槽后為西北氣流控制，有冷空氣影響長(zhǎng)江以南地區(qū)，另外在我國(guó)西南地區(qū)有呈東北-西南向的南支槽,南支槽前有一支≥32m/s的西南風(fēng)急流，急流軸穿過(guò)福建省中北部。從700hPa高度場(chǎng)上看，切變線位于漢口以北，在華南有一支≥18m/s的低空急流，閩北位于急流軸左前方。從850hPa高度場(chǎng)看，在我國(guó)貴州有一個(gè)低于144十位勢(shì)米的西南低渦，低渦切變線位于南昌、長(zhǎng)沙以西，切變后部有干線存在，切變線前部為西南暖濕氣流控制，在廣東到武夷山脈一帶有一支大于12m/s西南風(fēng)低空急流，急流軸附近還存在濕軸。從925hPa高度場(chǎng)看，在武夷山以西有呈東北-西南方向的切變線，切變線已過(guò)杭州-南昌-長(zhǎng)沙一線，切變線后部為西北氣流控制，有強(qiáng)的干冷平流；切變線右側(cè)為西南暖濕氣流控制，濕軸伸到閩北上空并有輻合。

圖1 2012年2月22日20時(shí)高空?qǐng)D及23日05時(shí)地面圖中尺度分析

另外從23日05時(shí)地面圖上看，在武夷山脈附近存在靜止鋒，靜止鋒東段位于浙江南部、西段位于武夷山脈以西，鋒后有冷空氣南下，閩北剛好位于兩段靜止鋒交匯區(qū)的南側(cè)，雖然地面氣溫只有17℃，較低層氣溫低，存在逆溫，為冷墊，但閩北仍位于地面溫度脊和濕軸的前端，比周圍氣溫高，處于弱西南暖濕氣流和干冷氣流的交匯區(qū)，有利于造成閩北上空強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)。

2 物理量分析

2.1 T-logP圖分析

圖2為2012年2月22日20時(shí)邵武探空站T-LogP圖，從圖中可見(jiàn)，600hPa以下邵武上空露點(diǎn)曲線與層結(jié)曲線平行且相差很小，大氣基本上處于飽和狀態(tài)，從露點(diǎn)曲線看，最大露點(diǎn)溫度出現(xiàn)在925hPa附近，低層露點(diǎn)溫度達(dá)到15℃、比濕達(dá)12g/kg，中低層充足的水汽條件有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生；600hPa以上露點(diǎn)曲線與層結(jié)曲線呈喇叭狀，為上干下濕狀態(tài)。從中低層的層結(jié)曲線與干絕熱曲線的夾角看，二者之間的夾角較小，強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)造成的下沉氣流易出現(xiàn)大風(fēng)天氣。同時(shí)，邵武K指數(shù)達(dá)到36.1℃，Si也低至-1.6，說(shuō)明當(dāng)時(shí)閩北上空有層結(jié)不穩(wěn)定。從溫度分布看，0℃、-20℃分別在3.6km和6.7km處，0℃層和-20℃層較低，有利于冰雹的形成和降雹的發(fā)生。雖然從抬升凝結(jié)高度（LCL）和自由對(duì)流高度（CCL）看，這些高度都很低，有利于對(duì)流云的生成和發(fā)展，但是圖中對(duì)流有效位能（Cape）值為0，顯然這與實(shí)際情況不符，因此要對(duì)抬升凝結(jié)高度（LCL）進(jìn)行適當(dāng)訂正，經(jīng)過(guò)訂正后Cape值為300J/kg，有利于對(duì)流的發(fā)展。

從圖2的垂直風(fēng)向看，近地層為偏東風(fēng)，850hPa以上為西南風(fēng)，有暖平流。從風(fēng)速大小看，925hPa為4m/s，850hPa為12m/s，500hPa達(dá)為32m/s，200hPa達(dá)到為64m/s，說(shuō)明當(dāng)日邵武站上空垂直風(fēng)切變大，特別是0～6km垂直風(fēng)切變達(dá)到6×10-3s-1，這種強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生和維持。到23日08時(shí)，925hPa的風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，存在“對(duì)頭風(fēng)”，垂直風(fēng)切變更大，更有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。

圖2 2012年2月22日20時(shí)邵武探空站T-LogP圖

2.2 垂直速度分析

圖3為2012年2月23日08時(shí)沿東北-西南方向過(guò)浦城和邵武附近的P坐標(biāo)垂直速度剖面圖，閩北的降雹區(qū)位于圖中的正方形區(qū)域，從圖中可見(jiàn)，在閩北上空的整層大氣都為負(fù)值區(qū)，可見(jiàn)當(dāng)時(shí)閩北上空環(huán)境場(chǎng)中的垂直上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到對(duì)流層頂；同時(shí)負(fù)值中心位于400～500hPa附近，說(shuō)明環(huán)境場(chǎng)最大上升速度位于400hPa層附近，達(dá)-2.6×10-2mb/s，最大速度區(qū)位于-10～-30℃層之間，有利于冰雹的形成和發(fā)展。另外從圖中可見(jiàn)在正方形區(qū)域右側(cè)，700hPa以下為正值區(qū)，有下沉運(yùn)動(dòng)。閩北處于正負(fù)垂直速度的交匯處，存在垂直速度鋒區(qū)，這種形勢(shì)有利于迫使西南暖濕氣流到達(dá)閩北上空時(shí)，發(fā)生輻合抬升運(yùn)動(dòng)，有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。

圖3 2012年2月23日08時(shí)東北-西南向垂直速度剖面圖

2.3 假相當(dāng)位溫分析

圖4為2012年2月23日08時(shí)沿西北-東南方向過(guò)閩北的垂直假相當(dāng)位溫剖面圖，可見(jiàn)，在閩北低層左側(cè)即西北方假相當(dāng)位溫線密集，密集帶向西北方向傾斜，且假相當(dāng)位溫越靠近地面值越小，為冷區(qū)，已受冷空氣控制，在閩北低層右側(cè)即閩北東南方（850hPa附近）存在大于65℃的高值區(qū)，為暖區(qū)，并在低層存在逆溫區(qū)。在閩北上空300～850Hpa之間有小于50℃的假相當(dāng)位溫區(qū)，說(shuō)明閩北上空存在對(duì)流不穩(wěn)定，低值中心位于700hPa附近，假相當(dāng)位溫的這種配置有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)。

圖4 2012年2月23日08時(shí)西北-東南向假相當(dāng)位溫剖面圖（正方形為降雹區(qū)附近）

3 非常規(guī)觀測(cè)資料分析

3.1 衛(wèi)星云圖分析

從2012年2月22日夜里到23日早晨的逐時(shí)紅外云圖上看（圖略），江西境內(nèi)有一塊對(duì)流云團(tuán)從西南向東北方向移動(dòng)，到23日5時(shí)對(duì)流云團(tuán)東南側(cè)靠近武夷山脈，對(duì)流云團(tuán)外流的下沉干冷氣流使得閩北上空的擾動(dòng)作用加強(qiáng)，加上地面鋒后近地層的干冷空氣共同入侵觸發(fā)閩北上空不穩(wěn)定能量的釋放，使得閩北境內(nèi)有對(duì)流云團(tuán)產(chǎn)生，隨著對(duì)流云團(tuán)的移動(dòng)和發(fā)展，到08時(shí)該對(duì)流云團(tuán)的范圍和強(qiáng)度達(dá)到β-中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MβCS）尺度，并引發(fā)這次降雹天氣。

3.2 雷達(dá)回波分析

強(qiáng)對(duì)流天氣都是發(fā)生在中小尺度天氣系統(tǒng)中，目前對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣最有效的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工具是多普勒天氣雷達(dá)。分析這次天氣過(guò)程的建陽(yáng)多普勒天氣雷達(dá)組合反射率因子隨時(shí)間變化圖（圖略）可見(jiàn)，從23日05時(shí)在閩北境內(nèi)有多個(gè)對(duì)流單體生成，隨著時(shí)間的推移這些對(duì)流單體發(fā)展、加強(qiáng)并有合并趨勢(shì)；6:55多個(gè)對(duì)流單體風(fēng)暴開始發(fā)展為線狀多單體風(fēng)暴，其中個(gè)別對(duì)流單體風(fēng)暴的中心強(qiáng)度達(dá)到55dbz以上，風(fēng)暴總體向東北移動(dòng)并略有所南壓；7:38在線性多單體風(fēng)暴中間有一個(gè)從武夷山移到浦城西南面的單體風(fēng)暴中心，強(qiáng)度達(dá)到60dbz以上。圖5為8:04分建陽(yáng)雷達(dá)站基本徑向速度V27(左上，仰角3.4度)、組合反射率因子R37（右上圖）、風(fēng)暴相對(duì)平均徑向速度Rsm56(左下，仰角3.4度)及西北-東南向剖面50（右下圖），可見(jiàn)在閩北有呈帶狀分布的線性多單體風(fēng)暴，其中在浦城西南部有一個(gè)對(duì)流單體風(fēng)暴，此風(fēng)暴的最大反射率因子達(dá)到65dbz（右上圖），在風(fēng)暴中層有氣旋性切變（左下圖）。對(duì)這個(gè)單體風(fēng)暴進(jìn)行西北-東南方向的剖面（右下圖），可見(jiàn)，在強(qiáng)回波的右下方為弱回波區(qū)，為入流缺口；在垂直方面強(qiáng)回波主體呈東北向西南方傾斜，強(qiáng)回波中心高度較上個(gè)時(shí)次有所降低，只有5km高，說(shuō)明強(qiáng)對(duì)流天氣即將發(fā)生。8:16強(qiáng)回波中心強(qiáng)度雖然仍達(dá)65dbz（圖略），但所處的高度已降至2km左右，50dbz的回波已觸地，造成降雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生，其中因降雹和降水作用產(chǎn)生的拖曳和由中高層干冷空氣進(jìn)入對(duì)流風(fēng)暴單體后部下沉蒸發(fā)冷卻共同作用引發(fā)偏西的雷暴大風(fēng)。到8:35影響浦城的對(duì)流單體風(fēng)暴已減弱消失，但整個(gè)線性多單體風(fēng)暴繼續(xù)東移并有所南壓，到11時(shí)線性多單體風(fēng)暴減弱消失，整個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程結(jié)束。

圖5

4 結(jié)論

這次冰雹過(guò)程是由高架雷暴引起的；南支槽、高低空急流、低層切變線和地面靜止鋒是影響這次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的主要影響系統(tǒng)。高層輻散、低層輻合引發(fā)強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。中低層的干冷空氣入侵觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，是造成這次強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的觸發(fā)機(jī)制。

通過(guò)對(duì)物理量產(chǎn)品的分析，能判斷大氣的不穩(wěn)定層結(jié)、水汽條件、對(duì)流有效位能、垂直風(fēng)切變、和0℃層高度等，有助于判斷強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生。衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波資料對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的種類、落區(qū)和強(qiáng)度具有較好的參考作用。

[1] 俞小鼎．強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)．全國(guó)氣象部門預(yù)報(bào)員輪訓(xùn)講義，2011．

[2] 閔晶晶, 劉還珠, 曹曉鐘, 等. 天津“6.25”大冰雹過(guò)程的中尺度特征及成因[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào) , 2011(5):525-536.

[3] 王叢梅, 景華, 王福俠, 等. 一次強(qiáng)烈雹暴的多普勒天氣雷達(dá)資料分析[J]. 氣象科學(xué) , 2011(5): 659-665.

[4] 丁小劍, 唐明暉, 陳德橋. 兩次冰雹過(guò)程多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品的對(duì)比分析[J]. 氣象與環(huán)境科學(xué), 2010(2): 42-47.

[5] 廖玉芳, 俞小鼎, 郭慶. 一次強(qiáng)對(duì)流系列風(fēng)暴個(gè)例的多普勒天氣雷達(dá)資料分析[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào) , 2003(6): 656-662.

[6] 朱敏華, 俞小鼎, 夏峰, 等. 強(qiáng)烈雹暴三體散射的多普勒天氣雷達(dá)分析[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào) , 2006,17(2): 215-223.