一次雷暴天氣潛勢預報與中尺度分析

馬遠衛 雷崇典 杜浩 田楊媚

摘要 利用常規氣象觀測資料、T639數值預報產品FY-2E衛星云圖及相關定量產品，分析了2014年7月29日陜北出現的一次局地雷暴天氣過程，基于雷暴發生的三要素討論了中尺度不穩定與雷暴發生之間的關系、抬升與觸發的異同以及天氣系統與雷暴抬升機制之間的關系，并對產生雷暴機制的物理量和有利于雷暴發生的中尺度環境進行分析。結果表明，雷暴是在條件不穩定層結下產生的，位勢不穩定的建立有利于雷暴機制的形成與發展；雷暴發生區形成較強的濕度梯度，有利于雷暴發生區產生垂直環流。上升區在濕空氣區，下沉區在干區，這個垂直環流圈的進一步發展反過來又維持了濕舌，是強對流的一種觸發機制。有利的中尺度環境場和邊界層輻合線的形成是雷暴的觸發機制。高層的輻散場與短波槽的配置，有助于低層850 hPa和地面輻合線觸發雷暴。

關鍵詞 雷暴；潛勢預報；中尺度；物理量

中圖分類號 S16；P458 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）29-0180-04

Potential Prediction and Mesoscale Analysis of a Thunderstorm Weather

MA Yuanwei，LEI Chongdian，DU Hao et al

（Yanan City Meteorological Bureau， Yanan，Shaanxi 716000）

Abstract Using the conventional meteorological observation data， T639 numerical prediction product FY2E satellite cloud image and related quantitative products， the process of local thunderstorms in northern Shaanxi on July 29， 2014 was analyzed，based on the three elements of thunderstorm， the relationship between mesoscale instability and thunderstorms， the similarities and differences between lifting and triggering， and the relationship between weather system and thunderstorm mechanism were discussed，and analyzed the physical quantity of the thunderstorm mechanism and the mesoscale environment which was favorable to the occurrence of the thunderstorm.The results showed that the thunderstorm was generated under the condition of unstable stratification， and the establishment of instability was conducive to the formation and development of thunderstorm mechanism.The thunderstorm area had a strong gradient of humidity， which was favorable for the vertical circulation of the thunderstorm.Rising support in the wet air area， sinking area in the dry area， the further development of the vertical circulation circle in turn maintained the wet tongue， which was a strong convection trigger mechanism.Favorable mesoscale environmental field and boundary layer formation were thunderstorm triggering mechanisms.The highlevel diffuse field and shortprofile configuration helped the lower 850 hPa and ground convergence lines to trigger thunderstorms.

Key words Thunderstorm；Potential prediction；Mesoscale；Physical quantity

作者簡介 馬遠衛（1973—），男，陜西咸陽人，助理工程師，從事強對流天氣研究。

收稿日期 2017-07-26

雷暴泛指深厚濕對流，常伴有雷雨、大風、冰雹等，可以不伴有雷電活動。雷暴（深厚濕對流）生成三要素是指靜力不穩定、水汽和抬升條件[1]。隨著我國短臨預報的開展，雷暴生成三要素已被廣泛接受，以“配料法”[2]為思路的雷暴產生環境條件的研究逐漸增多；在業務預報中，雖然“配料法”能夠化繁為簡，使預報思路的物理概念清晰，但又面臨一些具體問題，特別是條件不穩定與位勢不穩定的異同與判據?；凇芭淞戏ā钡闹谐叨忍鞖夥治鰳I務技術實際上常常僅診斷大氣熱力結構，即層結與水汽條件，難以診斷抬升條件，因此對區域性雷暴天氣空報率較高。另一方面，邊界輻合線、地形抬升、干線等中尺度系統能迅速顯著地改變局地環境，受資料分辨率及數值預報能力限制，這種快速變化的局地環境無法診斷，一些局地強風暴易漏報。筆者利用常規氣象觀測資料、T639數值預報產品FY-2E衛星云圖及相關定量產品，分析了2014年7月29日陜北出現的一次局地雷暴天氣過程，基于雷暴發生的三要素討論了中尺度不穩定與雷暴發生之間的關系、抬升與觸發的異同以及天氣系統與雷暴抬升機制之間的關系，并對產生雷暴機制物理量和中尺度環境進行分析[3-4]，試圖找出雷暴天氣發生的有利機制，對雷暴天氣預報提供幫助。

1 大氣環流背景與雷暴天氣過程

2014年7月29日08 ∶00 500 hPa高空圖上，歐亞中高緯為兩槽一脊型，歐亞大槽位于河套東部區域，槽后為一致性的西北氣流，冷空氣偏北且位于河套頂部區域，陜北上風區無明顯冷平流存在；對流層以下各層河套西側有中尺度切變存在，陜北南部區域有偏南風氣流發展；對流層中上層河套區為一致性西北氣流。在400 hPa高空圖上可以分析出一條由蒙古西側至陜北南部高風速帶并有明顯的干冷空氣配合。在08 ∶00地面圖上，從南疆至青藏高原中部是大范圍的低壓控制區，河套區處于該低壓前部，無明顯的冷空氣活動。

7月29日陜北地區出現一次局地雷暴天氣過程，靖邊、吳起出現強雷暴，雷暴發生范圍在 107.8°～109.1° E、36.8°～37.7° N，15 ∶48吳起測站首次出現雷電現象，17 ∶20—19 ∶00吳起鐵邊城鎮廟溝鄉出現降雹，最大直徑20 mm左右。 17 ∶11靖邊測站第一次出現雷電，17 ∶51出現降雹，17 ∶55開始出現雷雨，18 ∶26降雹結束，降雹最大直徑為25 mm，19 ∶08降水結束，累計降水量達34.8 mm，最大降水時段為18 ∶00—18 ∶30。靖邊縣鎮寶鄉自動站降水量達59.7 mm。

2 雷暴發生條件分析

2.1 大氣不穩定分析與對流

雷暴發生區在東勝站與延安站之間，分析29日08 ∶00兩測站的探空資料（表1）發現，兩測站的對流抑制有效位能（CIN）、自由對流高度（LFC）、0 ℃層位勢高度（ZH）偏大[5]，分析兩測站的T-logP圖（圖1）發現，延安測站濕對流有效位能CAPE值為03 J/kg，東勝測站CAPE值為252.8 J/kg，可以斷定雷暴區上空對流層550 ～320 hPa高度上氣層可能處于絕對不穩定；LFC在568.9 ～399.1 hPa，位置明顯偏高。延安測站CIN值為500.1 J/kg，東勝測站CIN值為4565 J/kg，600 hPa以下大氣層處于CIN氣層區，大氣屬于絕對穩定層結。

從圖2可以看出，飽和假相當位溫隨高度減小，處于條件不穩定氣層。

800～570 hPa大氣層結θ*se/Z<0 且θse/Z<0，屬于條件不穩定范疇或對流不穩定，此氣層是位勢不穩定層結。由于CIN的存在，對應的條件不穩定氣層屬于“潛在不穩定”區[6]。這種“潛在不穩定”區氣層可以通過低層增濕使氣層達到飽和或低層輻合抬升使得氣塊達到LFC，實現條件不穩定層結轉化為真實的不穩定層結。這種明顯的位勢不穩定有利于產生雷暴或強風暴系統，低層較厚的條件不穩定與上層較高的絕對不穩定結構有利于對流發生后產生的強浮力，雷暴的垂直發展旺盛，也越容易出現降雹。

邊界層存在一定厚度的逆溫層，其氣層內相對濕度大于80%。通過邊界層平流作用和地面輻射加熱使得雷暴發生區上空變得更暖更濕，有利于建立更強的位勢不穩定。條件不穩定氣層較厚，通過增溫增濕使得條件不穩定轉化為現實不穩定。

2.2 中尺度環境場與觸發機制

2.2.1 邊界層與地面輻合線。

從7月29日08 ∶00地面圖（圖3）可以看出，陜西省處于地面冷高壓的前部；850 hPa，雷暴發生區上空有一條中尺度的輻合線，表明在邊界層內有弱的冷空氣南下，產生局地中小尺度斜壓不穩定。11 ∶00地面場上，在雷暴區對應850 hPa產生一條中尺度的輻合線，這種對中尺度的擾動有利于低層不穩定能量隨垂直運動上傳，有利于觸發對流的發生。

2.2.2 濕舌。

7月29日08 ∶00 850 hPa高空圖上延安北部上空風場有一條東西向輻合線，與陜西兩側南北向型的切變線相交匯，交匯處與雷暴發生區相配合（圖3）。其雷暴發生區的南北兩側維持偏南風水汽輸送帶，并在交匯處匯合。整個陜北地區溫度露點差在6 ℃以下，其中延安站為2 ℃，接近飽和。 從08 ∶00 850 hPa水汽通量場可以看出，在南北向的濕舌頂部輻合線略偏東

對應有10.6 kg/（hPa ·cm·s）水汽輻合中心。在850 hPa水汽通量散度場上有-20 kg/（hPa ·cm2·s） 中心相對應。且在700 hPa有一自南向北的假相當位溫的高能舌（70 ℃）伸展到暴雨區上空。合，濕層厚度不斷增加也有利于更高層次上形成濕舌。850 hPa以下逆溫層內的增溫增濕有利于雷暴發生區風暴發展所需的高靜力能量的積累。

2.2.3 干線。

在圖3中，700 hPa高能舌（濕舌）的兩側是一條偏南北走向的干線（或干鋒），濕舌的頂端是850 hPa西南—東北走向的干線，在雷暴發生區形成較強的濕度梯度，有利于雷暴發生區產生垂直環流。上升區在濕空氣區，下沉區在干區，這個垂直環流圈的進一步發展反過來又維持了濕舌，是強對流的一種觸發機制。

2.2.4 垂直風切變。

從29日08 ∶00高空風場可以看出，在對流層上部延安站上空400與300 hPa高度上維持較強的風切變；在對流層下部700～500 hPa有一個西南風轉西北的風向切變。

3 理量場與增強條件分析

3.1 散度場

從7月29日08 ∶00雷暴發生區上空散度剖面（圖4）可以看出，雷暴區偏東南側600 hPa到邊界層有一個負散度中心，對應在700 hPa高度上有-5.0×10-5s-1的散度中心，其500 hPa以上對應是正散度區，強中心值在雷暴區偏東北方向。這種高低空配置說明500 hPa以上具有較強的輻散場相配合，有利于強風暴的強烈發展或增強。

3.2 比濕場

從29日08 ∶00雷暴中心沿 109.3° E比濕剖面圖（圖5a）可以看出，雷暴區上空500 hPa對流層以下水汽是一個增加的過程，而在500～400 hPa雷暴區上有一條西南—東北走向的濕舌，說明對流層下部水汽的輻合堆積后開始向上輸送。

3.3 風速場

在29日08 ∶00對流層中上層（400 hPa）河套北側有一條西北—東南走向的高風速帶，在暴雨區上空有較強的冷平流，在西北方向有干冷空氣向低層侵入。700 hPa切變線與400 hPa高風速帶的產生使得雷暴區上空出現擾動，有利于在深厚層次內建立很強的位勢不穩定。

3.4 水汽通量散度場

從29日08 ∶00沿 109.2° E水汽通量散度剖面（圖5b）可以看出，雷暴區上空水平中尺度范圍為水汽通量散度負值區，700 hPa高度上對應輻合中心[-44 kg/（hPa ·cm2 ·s）]，在700 hPa高空圖上雷暴區西側有一個切變線，東側為偏南風氣流，雷暴區上空為水汽輻合區域，與700 hPa高度上有-5.0×10-5s-1的散度中心相對應。

3.5 垂直速度場

分析29日08 ∶00垂直速度剖面圖可以看出，雷暴區上空200～850 hPa是閉合的負值區，中心區（-65×10-3 hPa/s）位于480 hPa高度，并向東北傾斜，且東北方300～850 hPa是閉合的正值區，中心區（35×10-3hPa/s）位于109.2° E、41° N 520 hPa高度，有利于暴雨區上空中尺度的環流系統形成。

綜合分析29日08 ∶00高空資料（圖6）發現，在陜北上空300 hPa的輻散場、400 hPa的高風速帶、河套西部的500 hPa風速切變與700 hPa的短波槽配置，使得雷暴區上空形成強烈的上升運動，也可以減小CIN，增加溫度直減率，有助于低層850 hPa和地面輻合線觸發雷暴。

4 結論

基于雷暴發生的三要素，分析了2014年7月29日陜北出現的一次局地雷暴天氣過程，討論了中尺度不穩定與雷暴發生之間的關系、抬升與觸發的異同以及天氣系統與雷暴抬升機制之間的關系，指出了邊界層輻合線、干線等中尺度抬升系統提供雷暴發生發展所需的暖濕空氣，并對產生雷暴的物理量和有利于雷暴發生的中尺度環境進行分析，得出了以下結論：

（1）雷暴是在條件不穩定層結下產生的，位勢不穩定的建立有利于雷暴機制的形成與發展， 可以通過低層增濕使氣層達到飽和或低層輻合抬升使得氣塊達到自由對流高度（LFC），實現條件不穩定層結轉化為真實的不穩定層結。這種明顯的位勢不穩定有利于產生雷暴或強風暴系統，低層較厚的條件不穩定與上層較高的絕對不穩定結構有利于對流發生后產生的強浮力，雷暴的垂直發展旺盛，也越容易出現降雹。

（2）雷暴發生區形成較強的濕度梯度，有利于雷暴發生區產生垂直環流。上升區在濕空氣區，下沉區在干區，這個垂直環流圈的進一步發展反過來又維持了濕舌，是強對流的一種觸發機制。

（3）雷暴的發生常常是在水汽和不穩定條件已滿足的條件下等待抬升強迫，因該條件通常是“扣動扳機”的觸發條件，有利的中尺度環境場和邊界層輻合線的形成雷暴的觸發機制。

（4）高層的輻散場與短波槽的配置，使得雷暴區上空形成強烈的上升運動，也可以減小對流抑制有效位能（CIN），增加溫度直減率，有助于低層850 hPa和地面輻合線觸發雷暴。

參考文獻

[1] 王秀明，俞小鼎，周小剛.雷暴潛勢預報中幾個基本問題的討論[J].氣象，2014，40（4）：389-399.

[2] 俞小鼎.基于構成要素的預報方法——配料法[J].氣象，2011，37（8）：913-918.