陜西一次重致災強對流天氣機理研究

姚靜 高慶九 俞小鼎 李萍云

摘要 利用常規資料、地面自動站資料、FY2E衛星TBB 資料（ 0.1°×0.1°）、西安多普勒天氣雷達資料，采用天氣動力學診斷方法和強天氣分析技術對2015年5月7日的陜西省商洛地區強對流天氣過程的大尺度環流背景、物理量場、中小尺度天氣系統演變特征及規律進行分析。結果表明，強對流主要位于暖濕空氣與干冷空氣的交界處，地面溫度、露點溫度、海平面氣壓、風場分析清晰地反映出地面冷鋒和低壓倒槽的交匯區域，冷暖空氣的過渡區對于強對流天氣的落區判斷有指示作用。中尺度天氣系統發展的強盛程度通過TBB的時間演變圖可以清楚地進行判斷。強對流大多發生在TBB梯度大值區，冰雹云團大多產生在云團成熟期之前。多普勒天氣雷達上的強回波結構對于預警有提前預判的提示作用。在此次致災天氣過程中，明顯低層弱回波區和中高層的懸垂回波結構，中層強回波中心與低層位移達1.5 km左右，預示了降冰雹的潛勢。45 dBz強度的回波延伸至9 km以上，這些指標對準確做出強對流天氣預警有較好的指示意義。

關鍵詞 強對流；TBB；雷達；地面能量比

中圖分類號 S165+.2；P458.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）09-221-06

Abstract Based on conventional data， ground automatic station data， FY2E satellite TBB data（ 0.1°×0.1°）， Xi'an Doppler weather radar data， the large scale circulation background， physical quantity field， evolution features and law of small scale weather system were analyzed by using the weather dynamic diagnosis method and strong weather analysis technology in Shangluo of Shaanxi Province on May 7， 2015. The results showed that strong convection was mainly at the junction of warm air and cold air， ground temperature， dew point temperature， sea level pressure， wind field analysis， can clearly see the confluence area of surface cold front position and low pressure inverted trough. The development of mesoscale weather system can be clearly judged by the time evolution of TBB. Strong convection occurs mostly in the high value region of the TBB gradient， hail clouds are born before the maturity of cloud. String echo structure on Doppler weather radar plays an important role in early warning. The hail weather was formed in the lower layer and weak echo region in the middle high overhang echo structure， strong echo center and low layer displacement of about 1.5 km， indicating the potential drop of hail. The echo of 45dBz intensity was extended to above 9 km， and these indexes have good instruction significance for making strong convective weather warning.

Key words Strong convection； TBB； Radar； Ground energy ratio

強對流天氣具有影響范圍小、發展速度快、持續時間短的特點，它的發生伴有雷暴、短時暴雨、冰雹、大風等災害性天氣。強對流天氣突發性、局地性很強，經常會造成非常嚴重的自然災害。20世紀60～70年代，美國、日本在與大冰雹相關的超級單體風暴方面進行了深入的研究[1-5]，國內學者也針對風雹天氣的特征和成因進行了大量分析，并得出了一些研究成果[6-8]。這些研究對于強對流天氣的發展規律和預報著眼點比較有利，但在非常規資料的應用方面以及中尺度系統的發展變化方面探討的還不夠深入。陜西省商洛市位于陜西的東南部、秦巴山區，近些年來對流天氣比較頻繁，給當地工農業和人民生活帶來了巨大的影響。筆者利用常規資料、地面自動站資料、FY2E衛星TBB資料（0.1°×0.1°）、西安多普勒天氣雷達資料，采用天氣動力學診斷方法和強天氣分析技術，對2015年5月7日的強對流天氣過程的大尺度環流背景、物理量場、中尺度天氣系統演變規律進行了研究，以期為這類強對流天氣的預報提供客觀依據。

1 強對流天氣概況

5月7日18：00～8日08：00，陜西南部商洛大部分縣（區）雷電交加，大雨傾盆；商州、丹鳳瞬間極大風速分別達23、32 m/s，雷雨交雜著冰雹傾瀉而下。該時段內各自動站降雨量為11.9～51.7 mm，鄉鎮站雨量超過50 mm的有37站，主要集中商州、山陽、商南和丹鳳，最大為丹鳳縣土門104.5 mm。據商洛市民政局初步統計，此次災害造成65 825人受災，因災死亡1人，倒塌民房9戶29間，農作物受災面積2 811 hm2，絕收面積74 hm2，因災直接經濟損失1 867萬元。

2 環流形勢分析

2.1 高空環流形勢

5月7日08：00 200 hPa（圖1a），副熱帶西風急流位于25°～40° N，陜西位于急流入口區、急流軸左側；500 hPa（圖1b），貝加爾湖西部有低渦活動，巴爾喀什湖為一高脊，西風槽位于甘肅中部至四川北部一帶，冷槽范圍較大，跨越南北10個緯度以上；700 hPa（圖1c），在甘肅東南部到陜南西部有一條東西向的切變線，切變線南側重慶南部—四川東北部—陜西南部一帶是強盛的西南急流，急流上有明顯的風速輻合；850 hPa（圖1d），陜西基本位于均壓場內，關鍵區（110° E、34° N附近）陜南東部—湖北西北部有切變線發展。

2.2 地面形勢

2.2.1

溫度場、露點場。5月7日08：00（圖2a），陜西及周邊溫度總體呈現北冷南暖的形勢，這種分布形勢一方面反映了溫度隨緯度的分布，另一方面主要反映了冷鋒南壓時溫度場特征；冷高壓中心位于貝加爾湖西側，中心氣壓為1 022.5 hPa；但在34° N受地形明顯影響，有一個東西溫度低值帶；陜西境內在34° N和36° N附近各有一個露點大值區，36° N的濕區中心位于關鍵區附近，等露點梯度分布密集；高溫高濕中心基本重合。這種分布結構有利于對流發生。17：00（圖2b）陜西及東部鄰省的溫度基本是南高北低、東高西低的走勢，南北趨勢反映了溫度場隨緯度變化的特征。在109°～111° E有2條明顯的溫度脊，走向分別為南北向、東西向。南北向的脊可能是該地區的偏南暖平流輸送引起，橫向的脊可能是由于地面倒槽前的偏東暖平流輸送所致，暖平流的輸送將會引起地面氣層的不穩定。110.5° E附近，這2個溫度脊之間夾持一個明顯的溫度槽，形成一個倒“Ω”形，這一區域形成溫度梯度大值區。溫度槽可能是地面冷鋒的東移南壓引起。溫度場的分布特征與地面氣壓場相互對應。冷暖空氣的過渡區有利于發生強對流天氣，且多在暖區發生。露點溫度與溫度場分布呈現北干南濕、干冷暖濕中心基本重合的特點。冷暖空氣的過渡區可導致強烈的對流風暴。

2.2.2

海平面氣壓、風場。5月7日08：00（圖3a），氣壓場是典型的冷鋒南壓形勢，陜西位于冷鋒前，關鍵區北側存在一個風場輻合帶，形成輻合帶的原因一方面是受地形影響，另一方面是冷鋒前沿南壓，同時四川到陜南西部的低壓倒槽對峙造成的。輻合區域有利于對流天氣發生。

17：00（圖3b），典型的冷鋒南壓與河套倒槽相遇，在33°～35° N氣壓梯度密集，形成明顯的鋒區。倒槽東側的西南暖濕氣流不斷向關鍵區輸送水汽，同時河套北部冷鋒繼續南下，其前沿到達關鍵區北側，冷暖空氣在關中南部相遇，在33°～35° N風場上出現偏北風與西南風的強輻合區，有利于對流天氣發生。

3 物理量場診斷分析

3.1 動力場

沿110° E 的垂直速度剖面（圖4）表明，7日08：00 在34° N附近地區對流層各層均為下沉運動，抬升條件較差；20：00，關鍵區附近整層為上升運動，最大上升速度接近400 hPa，其值>-2.5×10-3 hPa/s，抬升條件非常有利于對流天氣的發生。在20：00前后，由于四川北部—陜西北部—山西中部200 hPa 出現了西南—東北向的高空急流，風速達40 m/s以上，低層700 hPa在湖北西南—河南西部有西南急流發展，關鍵區位于200 hPa高空急流入口區右側、700 hPa低空急流出口區左側，高空輻散、低空輻合，抽氣作用明顯[9]，上升運動得到強烈發展，為短時強降水的產生提供了有利的條件。

3.2 水汽條件

5月7日08：00，關鍵區附近對流層中低層的水汽通量是1.0～1.5 g/（hPa·cm·s），水汽通量散度場垂直剖面依次是弱輻合-弱輻散-弱輻合場（圖5a），水汽條件較差。7日20：00，500 hPa以下，關鍵區的水汽通量增大為3.0～5.0 g/（hPa·cm·s），水汽通量散度驟增（圖5b）；關鍵區附近，400 hPa以下均為深厚的水汽輻合區，700 hPa以下水汽通量散度極值為-0.8×10-8 g/（cm2·hPa·s），正好位于關鍵區上空，是一個較強的輻合中心，強的水汽輻合有利于對流的生成和發展。7日19：00～21：00商洛大部分縣（區）雷電交加，大雨傾盆，該時段內超過20 mm的有30站，主要集中商州、山陽、商南和丹鳳，最大為丹鳳縣土門104.5 mm；部分群眾房屋進水、倒塌，供電中斷，給群眾生產生活帶來嚴重影響。

3.3 單站要素

安康探空站位于關鍵區西部，分析安康探空站可以更好地了解關鍵區附近強對流發展前后大氣的狀況。安康5月7日08：00 K指數為40 ℃，表現為不穩定層結特征；600 hPa以下相對濕度接近飽和；925～500 hPa垂直風切變非常大，約為18 m/s，700 hPa西南風速達10 m/s，水汽輸送較強，有利于強對流天氣發展。20：00安康站對流有效位能CAPE為1 392.4 J/kg，不穩定能量非常強；700 hPa西南風速達12 m/s，結合700 hPa天氣圖分析，此時關鍵區附近形成低空急流，925～500 hPa垂直風切變約為16 m/s。7日20：00～22：00關鍵區附近形成了劇烈的強對流天氣。

分析安康站20：00探空資料發現，0 ℃層維持在4 185 m上下，也就是600 hPa附近，-20 ℃層高度在7 192 m左右，即400 hPa附近，有利于生成冰雹[10]。

從5月7日商州站地面氣象自動站各要素隨時間的變化曲線（圖6）可看出，16：00～17：00商州溫度迅速降低，達8.5 ℃左右，氣壓升高達5.5 hPa；地面風向在18：00～19：00由東南風逆轉為西北風，08：00～19：00風速由0.4 m/s增至6.8 m/s，此后在20：00迅速減小為2.3 m/s，地面冷鋒過境。08：00～18：00商州站東南風速增大，同時氣壓急劇減少，容易形成強的輻合中心，也為強對流的生成和發展創造了有利條件。

3.4 能量條件

3.4.1 地面能量比。

7日08：00（圖7a），關鍵區位于河套冷鋒前，能量比分布呈現北低南高的形勢，能量比為65 ℃/hPa；11：00（圖7b），關鍵區南部的低壓倒槽向北推進，四川到陜西南部的水汽通道迅速建立，能量迅速積聚，能量比為90 ℃/hPa，是對流生成和發展的觸發機制之一。14：00（圖7c），河套冷鋒繼續南下，四川東部低壓倒槽北進，在關鍵區附近的能量比梯度迅速加大，發展成一個明顯的高能比軸，且形成倒“Ω”系統，空間尺度在200～300 km，此時能量比增加至95 ℃/hPa。17：00，在地面圖上冷鋒和倒槽位于33°～34° N，關鍵區附近為露點溫度的梯度密集區，高溫高濕的環境有利于能量的堆積，關鍵區的能量比繼續增大至100 ℃/hPa（圖7d），強降水、冰雹、大風即將開始。20：00，能量比迅速降至70 ℃/hPa以下，降水逐漸減弱。可見，地面能量比可以提前揭示強對流天氣的發生和結束[11]。

3.4.2 不穩定能量。

7日08：00和20：00關鍵區T850-500≥27 ℃（圖8），相當于溫度直減率≥6.75 ℃/km，這個溫度直減率大于對流層內平均氣溫直減率（6.00 ℃/km），如此強的垂直溫度梯度與地面的倒槽、切變線輻合系統相互配合，是強對流天氣的有利條件[12]。

4 衛星云圖分析

分析每小時一次的FY2E TBB資料可見，5月7日10：00開始有孤立的對流單體發展，TBB約為-20 ℃，在甘肅到陜北為東西向大尺度的冷鋒云系，隨著冷鋒云系的南壓，12：00前后，陜西中部上空的對流單體與北部的冷鋒云系合成一體，冷云面積增大，冷中心TBB最小為-40 ℃，但此時還沒有出現較強降水。此后，冷云繼續東移南壓，19：00發展到最強盛（圖9a），陜西中南部出現2個中β尺度的云團。β云團正好為關鍵區上空，云團結構緊密，冷中心TBB約為-60 ℃，云團東南側TBB梯度明顯加大，在梯度大值區附近出現50.6 mm/h的強降水，且出現冰雹和20.2 m/s的短時大風。20：00（圖9b），2個中β尺度云團合并成一個較大的橢圓狀的對流云團，長軸增長為600 km左右，中心維持在-60 ℃，關鍵區附近出現90.5 mm/h的降水，此后云團東移，關鍵區TBB增大，對流逐漸減弱。

5 多普勒雷達回波分析

從圖10可以看出，此次過程是一個多單體強風暴過程，在這些多單體中有2個伸展高度較高的中β尺度的對流單體，中心回波>60 dBz，其低層入流來自東南方向。1.5°反射率因子（圖10b）顯示，以“+”標注為參考，風暴的高反射率因子區從低到高向入流一側傾斜，反映出低層弱回波區和中高層的懸垂回波結構，且風暴頂位于低層反射率因子高梯度區之上。相應的反射率因子垂直剖面（圖10e）也再次證明了風暴低層的弱回波區和中高層的懸垂回波結構；商州站45 dBz強度的回波延伸至9 km以上高度；商州站中層強回波中心與低層位移達1.5 km左右，預示了降冰雹的潛勢[13]。

分析VIL發現，商州站VIL達50 kg/m2。低層0.5°徑向速度圖上（圖10f），關鍵區附近的大風超過14 m/s。在強回波區出現氣旋式輻合區，這也很可能是關鍵區附近形成短時大風的原因之一。

6 結論與討論

（1）這次冰雹天氣在大尺度和中尺度系統的共同作用下產生，此次強對流天氣過程是在冷鋒向河套地區東移過程中發生的，200、700 hPa高低空急流共同作用，500 hPa中高緯度冷槽強盛，地面冷鋒從河套西北方向南下攜帶大范圍冷空氣進入陜西省，引發了此次致災對流過程。

（2）地面綜合分析發現，典型的冷鋒南壓與河套倒槽相遇，形成明顯的鋒區。冷暖空氣在關中南部相遇，在33°～35° N風場上出現偏北風與西南風的強輻合區。露點溫度與溫度場分布呈現北干南濕、干冷暖濕中心基本重合的特點。冷暖空氣的過渡區可導致強烈的對流風暴。

（3）動力場分析可見，對流出現前后，關鍵區位于200 hPa高空急流入口區右側、700 hPa低空急流出口區左側，高空輻散、低空輻合，抽氣作用明顯，上升運動得到強烈發展，為短時強降水的產生提供了有利的條件。

（4）通過每小時一次的FY2E TBB資料分析，可以清晰地反映出中尺度系統的發生和發展過程。強對流天氣落區多發生在云團TBB迅速加強、梯度密集的區域，這對于強對流天氣有較好的指示作用。

（5）此次冰雹天氣發展過程中形成了明顯低層弱回波區和中高層的懸垂回波結構，中層強回波中心與低層位移達1.5 km左右，預示了降冰雹的潛勢。45 dBz強度的回波延伸至9 km以上，這些指標對準確做出強對流天氣預警有較好的指示意義。

（6）地面能量比是對流生成和發展的觸發機制之一，7日17：00在地面圖上冷鋒和倒槽位于33°～34°N，關鍵區附近為露點溫度的梯度密集區，高溫高濕的環境有利于能量的堆積，關鍵區的能量比繼續增大至100 ℃/hPa，強降水、冰雹、大風即將開始；20：00能量比迅速降至70 ℃/hPa以下，降水逐漸減弱。可見，地面能量比可以提前揭示強對流天氣的發生和結束，常規天氣圖不易分析出來，該方法是一個有效的分析工具。

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