2005年4月20日蘇北地區強對流天氣過程診斷分析

鄒建新

摘要 利用地面常規觀測資料、多普勒雷達探測資料、NCEP/NCAR（1°×1°）再分析資料，應用客觀診斷分析方法對2005年4月20日發生在江蘇中北部大范圍的強對流天氣過程進行分析。結果表明：這次強對流天氣發生在東北冷渦影響的背景下，東北冷渦東移南下，冷渦后部強勁西北風急流與地面冷鋒前西南風氣流帶來的高溫高濕空氣形成上層干冷、下層暖濕的不穩定層結，為強對流發生提供了有利的背景條件；高低空急流的耦合是這次強對流天氣爆發的觸發機制；強對流天氣發生在能量鋒區前沿的不穩定區內；多普勒雷達分析表明，線風暴上的多單體風暴和超級單體風暴造成了江蘇中部雷暴大風、冰雹、龍卷等強天氣，通過雷達徑向速度識別中氣旋或逆風區對雷暴大風的監測和預報有很好的指示意義，多普勒天氣雷達垂直積分液體含水量可作為冰雹預警預報的一個重要參考指標。

關鍵詞 強對流；診斷分析；雷達回波特征；蘇北地區；2005年4月20日

中圖分類號 P458.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）24-0199-06

Diagnostic Analysis of Severe Convective Weather Process in Northern Jiangsu Area on April 20，2005

ZOU Jian-xin

（Yangzhou Meteorological Bureau in Jiangsu Province，Yangzhou Jiangsu 225009）

Abstract Using the ground routine observations，Doppler radar data and NCEP/NCAR reanalysis data（1°×1°），the severe convective weather process occurred in the middle and north part of Jiangsu Province on April 20，2005 was analyzed by diagnostic analysis method. The results showed that the strong convective weather process occurred in the background of the northeast cold vortex. The formation of the unstable stratification was caused by the superposition of high-level dry and cold air from the northeast cold vortex behind and low-level warm and humid air from low-level southwest jet streams，which provided favorable conditions for the occurrence of strong convective weather. The coupling of high and low jets was the triggering mechanism of the strong convective weather. The strong convective weather occurred in the unstable region of the front of the energy front. Doppler radar data analysis showed that the strong weather such as thunderstorms gale，hail and tornadoes in central Jiangsu Province were caused by multi-cell storms and super cell storms on the linear storms. The identification of mesoscale cyclones or adverse wind area by Doppler radar radial velocity was very useful for the monitoring and forecasting of thunderstorm gale. Doppler radar forecasting product of the Vert Integrated Liquid could be used as an important reference index for hail early warning and forecasting.

Key words severe convection；diagnostic analysis；radar echo characteristics；northern Jiangsu area；April 20，2005

強對流天氣主要由雷暴、雷雨大風、冰雹、龍卷、颮線等組成，具有空間尺度小、生命期短的特點[1]。一個中尺度雷暴單體的水平尺度10 km以上，多個雷暴單體組成的雷暴群的水平尺度可達數百千米，垂直尺度大概10 km左右，每個雷暴單體的生命史一般在幾小時到幾十小時[2]。由于強對流天氣具有突發性強、來勢猛、強度大的特點，所到之處往往給工農業及人民生命財產造成較大的損失。近年來，國內外學者對強對流天氣進行了深入研究，取得很多研究成果[3-6]。多普勒天氣雷達的應用，為強對流天氣的監測預報和分析研究提供了有力的工具[7]。例如，吳芳芳等[8]分析了7月蘇北一次強對流天氣過程的雷達回波特征，對陣風鋒和下擊暴流的雷達特征進行了研究。陳鮑發等[9]對江西2次強對流天氣過程的多普勒雷達特征進行了分析，認為逆風區雷達強度特征與暴雨、雷暴大風等強天氣相對應。王 俊等[10]利用雙多普勒雷達反演風場信息，得到了強雹暴的三維結構特征。2005年4月20日15：00—20：00受強對流天氣影響，江蘇中北部出現了7～10級大風。建湖、盱眙出現龍卷風，其中盱眙觀測站瞬時最大風速達25.2 m/s，創有歷史記錄以來的最大值。泰州、寶應、盱眙等地出現直徑約1 cm的冰雹。另據江蘇省氣象災情統計，這次強對流天氣共造成全省7人死亡，133人受傷，房屋、樹木、農作物、水產養殖等受損嚴重，災害造成直接經濟損失約7 000萬元。本文通過對這次強對流天氣的環流背景、觸發機制和雷達回波特征等進行深入分析，為今后類似強對流天氣過程預報積累經驗。

1 大尺度環流背景和影響天氣系統

1.1 高空天氣形勢

4月19日8：00 500 hPa高空圖上，東亞大陸呈兩脊一槽的經向型環流，巴爾客什湖以西和和我國東北為高壓脊，貝加爾湖東南側（113°E，52°N）有一冷渦，通過冷渦的高空槽經河套東伸至長江中游一帶，江蘇處于槽前西南氣流中，19日江蘇全省出現中等強度降水；19日8：00 500 hPa溫度場可以看出，冷中心位置在河套以北（110°E，44°N），中心值達-36 ℃，等溫線與等高線存在夾角，槽后冷平流強，19日20：00 500 hPa冷渦向東南方向移至東北北部，槽脊加深加強，江蘇處于高空鋒區前沿的暖區中；20日8：00 500 hPa冷渦東移到東北的南部，槽后高壓脊繼續東移向北發展，環流經向度不斷加大，槽后形成一支中心值>50 m/s的西北風急流，同時700 hPa槽后也有一支30 m/s的西北風急流。850 hPa圖上20日8：00>15 m/s西南風急流中心位于長江中游，14：00西南風急流加強到20 m/s，并東移到長江中下游地區，有利于暖濕空氣向江蘇輸送，使江蘇地區底層濕度增大。高空西北風急流攜帶強冷空氣南下與底層暖濕空氣在江蘇地區形成上干冷下暖濕的不穩定層結（圖1）。

1.2 地面影響系統

地面圖上，20日8：00東北有一大低壓，通過低壓經內蒙古東南—北京—山西中部為一冷鋒，11：00鋒面東移南壓到遼寧—河北南部—山西南部一線，14：00隨著東北大低壓東移，東段鋒面南壓緩慢，而西段已南壓到山東半島北部—河南北部一線，此時山東半島北部地區出現了局地的雷陣雨天氣。17：00鋒面迅速南壓到山東半島東南部至淮河地區，江蘇中東部地區出現一閉合低壓，鋒面附近出現了帶狀雷暴區，強對流天氣得到迅速發展。在鋒面南壓的過程中，江蘇處于鋒前暖區中，氣溫持續上升，其中揚州觀測站6：00氣溫為11.1 ℃，在強對流爆發前的17：00升到了26.0 ℃。地面局地增溫有利于低層不穩定能量的聚集和不穩定層結的發展。地面冷鋒過境時的近地層擾動，造成鋒面附近氣象要素場發生劇烈變化，從而使低層不穩定能量得到釋放。

2 物理量場診斷分析

強對流天氣的形成需要滿足3個基本的條件，即水汽、大氣不穩定能量和抬升力。通過這3個方面對強對流天氣的形成過程進行探討。

2.1 水汽條件

用NCEP再分析資料，對850、700 hPa逐6 h比濕場進行了分析，從850 hPa比濕場的演變（圖2）來看，4月20日8：00濕中心在長江中游地區，850 hPa江蘇為西西北氣流，處于干區中。由圖1（b）、（d）可知，20日14：00隨著850 hPa西西南低空急流加強，濕中心在西西南急流的引導下，向東北方向移動到湖北的西部，中心值增大到7 g/kg，在35°N以南形成一東北—西南向的濕舌，濕舌伸到了東部沿海，江蘇處于濕舌的控制中，其值在3～5 g/kg之間。20日8：00 700 hPa濕中心偏西，位置在114°E以西，中心值較小僅有3 g/kg，江蘇處于干區中。14：00濕中心東移到信陽—阜陽一帶，中心值增強到5 g/kg，江蘇處于濕舌中，其值在3～4 g/kg之間。低空急流將水汽輸送到江蘇上空，使低層濕度不斷增大，為強對流的發生創造了條件。由于濕中心偏西偏南，所以這次強對流天氣并沒有帶來強降水。另外，19日受高空低槽影響，江蘇全省出現了中等強度降水，20日雨過天晴，但近地層空氣濕度仍然較大，也為強對流的發生提供了一定的水汽條件。

2.2 對流不穩定度

強對流天氣的發生發展是不穩定能量積聚和釋放的過程。通過對θse、Δθse500-850不同高度的變化特征等方面進行分析，以此來判斷大氣的層結穩定度。

2.2.1 θse隨高度的變化特征。通過對500～1 000 hPa各層逐6 h θse場進行分析發現，20日8：00高能中心位于漢水流域中上游一帶，淮河至沿江地區處于西北—東南向的低能舌中，大氣層結穩定。而14：00 700～1 000 hPa上35°N以南均為西南—東北向的高能舌，淮河至沿江地區處于高能舌中，34°～35°N為明顯的能量鋒區，淮河至沿江地區處于能量鋒區的前沿。同時在1 000 hPa上阜陽、滁縣附近存在2個θse>328K的高能中心。從8：00—14：00 θse場的變化來看，短短的6 h里，由于近地層太陽輻射增溫明顯，加上低空急流一定的水汽輸送，這種增溫增濕的效應使不穩定能量得到積聚，從而使大氣層結不穩定得到發展。20：00能量鋒區南壓到32°N以南，不穩定能量得到釋放，影響江淮地區的強對流天氣結束。

沿119°E θse徑向剖面圖（圖3）較好地反映出強對流發生前、發生時、發生后的θse變化特征。20日8：00 32°N以北大氣處于穩定層結中，20日14：00隨著冷空后部冷空氣南下，33°～38°N之間出現θse梯度加大，形成能量鋒區，淮河地區處于能量鋒區的前沿，31°～33°N江淮之間650 hPa以下出現不穩定層結，15：00左右強對流天氣暴發。20：00能量鋒區南壓到32°N附近，江淮地區不穩定能量得到釋放，大氣層結又趨于穩定。多普勒雷達回波圖顯示，雷達回波已南壓到32°N以南。

2.2.2 Δθse500-850場的變化特征。當Δθse500-850>0時表示大氣層結穩定，而當Δθse500-850<0時表示大氣層結不穩定，在Δθse500-850的負值中心處一般最容易產生雷暴、大風等強對流性天氣[11]。20日8：00江淮地區上空均受西北氣流控制，為下沉氣流，從圖4（a）中可以看到，Δθse500-850<0的區域在長江中上游一帶，整個江淮地區Δθse500-850>0大氣層結穩定。由圖4（b）可知，20日14：00 Δθse500-850負值區域經湖北—河南南部—安徽中部向江蘇西北部擴展，江淮地區處于負值區的邊緣，大氣層結趨于不穩定。隨著地面冷鋒的過境，強對流天氣一觸即發。從圖4（c）可以看出，20日20：00 Δθse500-850的負值區域伸到了東部海上，但已南壓到32°N以南，江淮地區對流不穩定度減小，大氣層結趨于穩定。

2.3 抬升力條件

2.3.1 風的垂直切變。從江蘇泗洪、盱眙、揚州3個觀測站20日8：00、14：00 v分量（南北風分量，v>0為南風）隨高度的分布圖（圖5）上可以看出，強對流發生前，低層垂直風向切變高度在不斷抬升，揚州由8：00的900 hPa抬升到14：00的750 hPa，盱眙則由900 hPa抬升到700 hPa，泗洪由840 hPa抬升到690 hPa，說明強對流發生前低層暖平流在不斷加強。同時還可以看出8：00在600 hPa附近和14：00 450 hPa風速隨高度也有明顯的切變。風向、風速的垂直切變能加強低層的擾動，促使對流發展和不定能量的釋放。有研究表明[10]，風向、風速的垂直切變同時對雷暴云的傳播方向也有很大影響，當風隨高度增大時，雷暴云前部低空產生輻合，高空產生輻散，于是就有利于云的前部上升運動發展，生成新的雷暴單體，而在其后部則相反，有利用下沉運動發展，使原來的雷暴單體消散，這樣以來雷暴云在不斷向前傳播。

2.3.2 高低空急流耦合作用。將高空300 hPa和低空850 hPa等風速線進行疊加，以此得到高低空急流的配置。從圖6（a）可以看出，20日8：00高空300 hPa上有2支急流軸，一支呈西北—東南向，位于內蒙古中部—河套北部—山東西部一線，急流中心風速大于65 m/s；另一支位于江蘇中部—東部海上，呈東北—西南向，其中心風速大于65 m/s。淮河至沿江地區處于西北—東南支的右前方，東北—西南支的左后方，即位于高空急流出口區的右側和入口區的左側的輻散區中，850 hPa上淮河至沿江地區處于偏西急流軸的出口區前方的能量匯集區中。14：00隨著高空急流中心的東移，其右側的輻散區使低空急流東移過程中得到加強（急流中心值由>15 m/s增強到>20 m/s），此時淮河以北處于高低空急流的耦合區中，高低空急流耦合產生的次級環流使垂直上升運動加速，不穩定能量被觸發，強對流暴發。

2.3.3 散度分析。從200～1 000 hPa各層的散度場分析來看，強對流發生區的散度場呈輻合輻散相間分布的特征。20日8：00 500 hPa以上均為輻合區，最強的輻合中心在400 hPa，其值為-4×10-5/s，600～700 hPa為弱的輻散區，850 hPa為弱的輻合區。由于對流層中上層為較強的輻合下沉氣流，低層上升運動受到抑制。14：00隨著高空急流中心東移，高低空急流在強對流爆發區的北部形成耦合，見圖6（b），促使對流層中下層500～700 hPa出現一致的輻散區，其中500 hPa在急流出口區的右側由原來的輻合區中心-3×10-5/s逆轉為7×10-5/s的輻散中心，600 hPa輻散區的值也得到加強。而在輻散中心的下方對應850 hPa上有一強的輻合中心-5×10-5/s，強輻散區的抽吸作用必然會引起低層的質量補償，從而形成強的上升運動，并將低層能量快速輸送到高層，大氣穩定層結遭到破壞，觸發了強對流爆發。

同時值得注意的是，20日14：00隨著850 hPa低空西西南急流加強東移，在渤海灣至山東半島形成一短波槽，結合14：00地面天氣圖上在山東半島北部—河南北部一線有一冷鋒，冷鋒的位置明顯落后于短波槽，該槽為前傾槽。前傾槽上風向有明顯的垂直切變，有利用高層干冷空氣平流和低層暖濕空氣平流，并且槽前有一明顯的輻合中心，有利用低層空氣的垂直上升運動，從而使不穩定層結得到發展。

3 多普勒雷達回波分析

利用南京多普勒雷達探測資料，分析了這次強對流天氣過程反射率因子和基本速度的演變特征及風暴空間結構，并結合地面災害性大風、冰雹等強天氣落區，檢驗了冰雹指數、中氣旋、垂直積分液態水含量等雷達產品在強對流天氣預警中的應用效果。

3.1 基本反射率的演變特征

從基本反射率因子圖（圖7）上可以看到，強對流回波以斷續線型和后續線型相結合的型式形成。在回波東移的過程中其后部不斷有新的雷暴單體生成，并逐漸彌合成帶狀回波。

3.1.1 初始階段。14：17回波從安徽宿州生成圖中A處，并迅速發展加強，在17：11，在其左右兩端形成5個小的雷暴單體（B、C、D、E、F），組成東北西南向的對流單體群，圖中A強度達60 dBZ以上，見圖7（a）、（b）。

3.1.2 發展階段。15：30 A單體風暴繼續發展加強，在其后部生成強度大于60 dBZ的對流單體。原對流單體E、F合并加強，其他單體也得到了發展，6個單體排列成線型分布，強中心在泗洪的東南側，最強中心值仍然維持在65 dBZ以上，見圖7（c）。

3.1.3 發展成熟階段。15：47 A、D單體風暴合并加強，形成一準東西向回波帶，在其后方出現新的對流單體，并呈線型分布，16：05 A、C、D單體合并，強度明顯增強，在母體的前沿有一大于65 dBZ的強中心，中心位于金湖與盱眙之間，16：43母體進一步向東南方向移到高郵附近，在其右后方形成2個次強度中心，一個位于盱眙東側，另一個位于安徽境內，其值達到60 dBZ，見圖7（d）、（e）。風暴經過的高郵一帶出現冰雹，盱眙出現龍卷（極大風速達25.2 m/s）和冰雹天氣。

3.1.4 減弱階段。20：08，雷達回波水平尺度減小到40 km左右，中心強度也減弱到40 dBZ左右，并從長江口移出，影響江蘇的強對流天氣結束，見圖7（f）。

通過分析多普勒雷達回波的演變特征可以看出，這次強對流天氣是由線風暴所造成。單體風暴逐漸發展為多單體風暴，并呈線型排列，風暴在發展過程中合并加強為強風暴。從雷達PPI上可以看到影響江蘇盱眙、金湖、高郵地區的強單體風暴中，不同仰角上反射率因子強度中心由低仰角到高仰角向東南傾斜，存在弱回波區，具有超級單體的特征。雷達回波帶的發展與850 hPa輻合線有較好的對應關系，由圖1（b）、（d），即850 hPa流場和等風速場可以看出，20日8：00 118°E以西，35°N附近存在一明顯的輻合線，20日14：00輻合線向東南方向移到32.5°～33.0°N附近，而強對流天氣正好激發于這個區域，并沿輻合線生長移動，低層輻合線上存在明顯的風速輻合，強迫底層高溫高濕空氣輻合抬升，將不穩定能量向高空輸送，有利于垂直上升運動發展，同時使大氣層結不穩定增長，為強對流天氣發生提供動力和熱力條件。

3.2 基本速度分析

強對流天氣發生時的多普勒雷達的基本速度圖與過程性降水天氣的基本速度圖有較明顯的差別，表現在0速度線較模糊。從圖8（a）基本速度的演變可以看到，在雷達回波強中心附近存在中氣旋結構A、C，以及逆風區B。A處是一典型的中氣旋結構，在與徑向平行的零速度線兩側存在一正負速度對，而C處存在速度模糊，沒有明顯正負速度對。對A單體做基本速度垂直剖面，從圖8（f）可以看出，在垂直方向上雷暴單體內部的氣流存在旋轉，這有利于風暴的維持，使回波得到明顯的加強，見圖8（b），在中氣旋和逆風區所在處的江蘇盱眙、高郵等地出現了冰雹、龍卷等強天氣。

3.3 雷達產品的應用分析

從這次強對流天氣雷達產品的應用分析來看，圖8（d）中中氣旋預報產品與圖8（a）A、C處基本速度所反應出的中氣旋位置基本一致；垂直液態積分含水含量大值中心與強回波中心有較好的對應關系，見圖8（b）、（c），在整個強對流發生過程中VIL值最大達65 kg/m2，出現冰雹時VIL值都在55 kg/m2以上，冰雹發生后VIL值又迅速減小；圖8（e）中冰雹指數產品基本反映出了冰雹的發生地，但空報的現象較多，通過對整個過程的預報檢驗，發現預報實心大三角時，出現冰雹的可能性較大，在今后的預報服務中可作為參考。

4 結論

（1）東北冷渦后部西北風急流攜帶強冷空氣與低層850 hPa西南低空急流的增溫增濕構成了強的位勢不穩定層結，為強對流天氣的發生提供了有利的環境條件。

（2）高低空急流的偶合是此次強對流爆發的觸發機制，高空急流軸南移與850 hPa低空急流重疊，使中高空輻散增強，在抽吸作用下，低層輻合加強，利于垂直上升運動，使低層大氣不穩定能量釋放。

（3）高空冷空氣平流與低空暖濕空氣平流使風的垂直切變增強，加強了對流不穩定層結，垂直方向上θse梯度增大，強對流發生在θse能量鋒區的前沿的不穩定區內。

（4）基本反射率圖上反映出一近東西向的回波帶，其生成、發展和移動與低層850 hPa輻合線有較好的對應關系。

（5）雷達回波分析表明，單體風暴在發展過程中合并加強為超級單體風暴，所具有的強中氣旋結構，對應地面強天氣區；多普勒天氣雷達輸出的中氣旋產品與實際觀測到的中氣旋位置較吻合，對預報災害性大風有很好的指示意義，垂直積分液態水含量中心值超過55 kg/m2時出現冰雹的概率較大。

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