一次伴隨冰雹大風的強降水天氣特征分析

蒙 軍，徐良軍，葉 幫

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.貴州省紫云縣氣象局，貴州 紫云 550800；3.貴州省鎮寧縣氣象局,貴州 鎮寧 561200)

一次伴隨冰雹大風的強降水天氣特征分析

蒙 軍1，徐良軍2，葉 幫3

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.貴州省紫云縣氣象局，貴州 紫云 550800；3.貴州省鎮寧縣氣象局,貴州 鎮寧 561200)

2015年5月19日貴州省鎮寧縣出現了強風雹暴雨天氣，該文利用常規觀測資料、貴陽和興義多普勒雷達資料、FNL再分析資料等，詳細分析了本次過程的環流形勢、環境條件、雷達回波特征等；結果表明：本次過程發生在南支槽穩定維持、中低層西南急流持續影響、高原低渦不斷發展的天氣背景下；適宜的0 ℃、-20 ℃層高度，上干下濕的水汽分布，較大的(T850-T500)差等導致了本次天氣過程中冰雹和大風的發生；中低層持續的冷平流輸送以及較高的垂直螺旋度使得對流單體發展和維持；強對流單體生消快，移動迅速，持續時間短造成了此次天氣的局地性強。

反射率因子；回波；垂直螺旋度；大風

1 引言

貴州省地處中國西南部地區，為典型的喀斯特地形，每年春夏季為強對流天氣的高發期，冰雹、雷電、短時強降水等災害性天氣時有發生，由于特殊的地形地貌導致強對流天氣突發性強，持續時間短，造成的災害嚴重，預報預警難度大。近年來，隨著多普勒雷達的推廣應用，國內外專家學者對強對流天氣進行了大量的研究，俞小鼎等[1]提出：雷暴大風主要由強對流風暴(超級單體或多單體風暴) ，或與颮線、強鋒面有關的帶狀強對流中處于成熟階段單體中的下沉氣流，在近地面處向水平方向擴散，形成的輻散性陣風而產生；吳芳芳等[2]研究指出，雷暴大風有很多類型，弱垂直風切變下脈沖單體產生的下擊暴流導致的雷暴大風極少與中氣旋相聯系，與中氣旋相關的雷暴大風通常出現在超級單體鉤狀回波附近以及弓形回波頂部(凸起) 附近；刁秀廣、伍志方等[3-5]對超級單體結構及其產生的環境條件進行了分析研究；陳秋萍等[6]對福建強降雹超級單體進行分析指出垂直風切變、中氣旋的維持對強對流天氣的產生有不同的影響；李路長等[7]等對貴州鎮遠大風冰雹天氣分析指出風災發生前垂直累積液態水含量VIL值具有明顯的跳躍式增減變化。螺旋度可以描述環境風場氣流沿運動方向的旋轉程度，可以描述運動的強弱，能夠反映大氣的運動特征[11]，尤紅[12]等在對2005年6月廣東特大暴雨垂直螺旋度的分析中就得出關東特大暴雨的范圍、強度和出現降雨的地區上空中低層正，高層負垂直螺旋度中心迅速增大、減小密切相關；沈茜[13]等在對云南昭通2016年7月5日副高外圍極端強降水中尺度分析中得出強降雨發生的區域和700 hPa垂直螺旋度或垂直螺旋度梯度迅速增大，且500 hPa垂直螺旋度為較小的負值或較大的正值區相吻合。目前對于暴雨天氣過程中的螺旋度分析相關研究較多，而對于大風、冰雹等強對流天氣的螺旋度分析研究較少。

2015年5月19日到20日貴州中南部出現大范圍強降雨天氣(圖1)，根據區域自動站資料統計,19日20時—20日20時貴州省共出現1個鄉鎮特大暴雨(黔西南州挽瀾250.9 mm)，43鄉鎮大暴雨，414鄉鎮暴雨，其中鎮寧縣、黔西縣、修文縣降雨過程中伴隨大風天氣，鎮寧縣極大風速達到36.3 m/s，超過有歷史記錄以來最大值，鎮寧縣降雨過程中還夾降有小冰雹(最大冰雹直徑3 mm)；鎮寧縣、黔西縣、修文縣都出現了短時暴雨，鎮寧縣在19日20—21時降雨量達到了52.4 mm，黔西縣在19日18—19時降雨量達到了53.9 mm，修文縣在19日19—20時降雨量達到了52.4 mm(圖略)。此次天氣過程共造成鎮寧縣9個鄉鎮25個村受災，受災人口32 660人，本文利用貴陽、興義2部多普勒雷達氣象觀測資料，區域自動站資料，FNL(1°×1°)再分析資料，常規觀測資料等對本次天氣過程的影響系統、環境條件、雷達回波特征、垂直螺旋度等進行了詳細分析，總結出貴州地區強風雹天氣短時臨近預報的思路。

圖1 19日風場(風向標，單位：m/s)；(a)19日14時700 hPa，(b)19日20時700 hPa；(c)19日14日850 hPa，(d)19日20時850 hPaFig.1 Wind field at 19 May 2015(Vane, unit:m/s);(a) 700 hPa at 14∶00 BT 19 May，(b)700 hPa at 20∶00 BT 19 May；(c)850 hpa at 14∶00 BT 19 May，(d)850 hpa at 20∶00 BT 19 May

2 影響系統分析

此次強對流天氣過程，烏拉爾山附近高壓脊穩定并不斷加強，引導冷空氣不斷南下，孟加拉灣附近的南支槽不斷加深，南支槽前的強西南氣流維持，北脊南槽之間多短波槽活動，冷暖空氣在貴州中南部交匯。19日08時(圖略)貴陽有12 m/s的西南風，850 hPa切變位于貴州東南部到湖南中部，貴州中部及以北受2～8 m/s的偏北氣流影響，廣西到江西有12～16 m/s的西南急流，這種高低空配置是強對流天氣產生的有利環流形勢。14時500 hPa(圖略)南支槽加深，貴州西部位于短波槽東側，700 hPa(圖1a)重慶南部到湖南北部開始出現切變，貴州維持較強的西南氣流影響，850 hPa(圖1c)貴州中部偏北出現弱低渦，切變北抬到了貴州中部一線到湖南南部，說明強對流天氣系統已經開始建立；20時500 hPa(圖略)南支槽已到達貴州西部，貴陽站出現18 m/s的高空風，700 hPa(圖1b)高原低渦加強，川南切變與高原低渦切變合并加強并移至貴州西部，江淮切變西段南移到貴州北部，貴陽風速減小到6 m/s，廣西到福建西南急流有所減弱，850 hPa(圖1d)貴州中部及以北地區轉為偏東氣流，廣西到江西的西南急流減弱消失，廣西到貴州南部開始出現6～10 m/s的偏南氣流，貴州東南部到湖南中部的切變維持并加強，四川東部轉為4 m/s的偏北氣流,冷暖空氣已經在貴州中部偏南一線交匯，低渦及切變線附近強對流天氣被觸發。

3 環境條件分析

3.1 不穩定條件

19日08—14時(圖2a、2b)貴州區域內的CAPE值顯著增加，在14時貴州大部的CAPE值均增漲為1 000 J/kg以上，南部地區超過了2 000 J/kg，14—20時由于部分能量得到釋放，CAPE 值降低至400 J/kg左右；850 hPa與500 hPa(圖2d、2e、2f)的溫差在08—20時都在20 ℃以上，并且由于午后的地面增溫顯著，20時溫差達到了30 ℃左右，貴州西南部區域大氣具有較高的不穩定度。

圖2 19日CAPE (單位：J/kg)、(T850 hPa-T500 hPa)(單位：℃)；(a)19日08時CAPE，(b)19日14時CAPE，(c)19日20時CAPE；(d)19日08時T850 hPa-T500 hPa，(e)19日14時T850 hPa-T500 hPa ，(f)19日20時T850 hPa-T500 hPa；Fig.2 CAPE at 19 May 2015(unit: J/kg),(T850 hPa-T500 hPa) at 19 May 2015(unit: ℃);(a)CAPE at 08∶00 BT 19 May，(b)CAPE at 14∶00 BT 19 May,(c)CAPE at 20∶00 BT 19 May;(d)T850 hPa-T500 hPaat 08∶00 BT 19 May，(e)T850 hPa-T500 hPaat 14∶00 BT 19 May,(f)T850 hPa-T500 hPaat 20∶00 BT 19 May

從圖3a中可以看到，鎮寧縣在19日08—20時0 ℃維持在550 hPa附近，-20 ℃維持在350 hPa附近，0 ℃線與-20 ℃線之間僅相差200 hPa，這樣的配置有利于冰雹、大風等強對流天氣的產生；鎮寧縣上空800～700 hPa附近08—20時維持有明顯的風向逆時針旋轉，說明在這段時間鎮寧縣中低層有冷平流不斷侵入，并且冷平流不斷加強；圖3b上，鎮寧縣的CAPE 值從08時的0 J/kg左右增長到了14時的1 400 J/kg左右，并在20時下降至400 J/kg左右，說明在強對流天氣發生前的08—14時鎮寧附近的不穩定能量不斷積累，大氣的不穩定條件不斷加強，20時左右強對流天氣發生，不穩定能量得以釋放。

圖3 鎮寧站溫度、CAPE值隨時間的變化;圖a：實線，單位：℃；風向標，單位：m/s；圖b：實線，單位：J/kgFig.3 Change of temperature and CAPE with time in Zhenning;Fig.a: solid line, unit: ℃; vane, unit: m/s; fig b: solid line, unit: J/kg

3.2 水汽條件

19日08時貴州中低層開始受到濕舌控制，700 hPa貴陽比濕為10 g/kg,威寧比濕為11 g/kg，四川、重慶、貴州3省交界處有較強的水汽輻合中心，中心值為-3×10-5g·hPa-1·m-2·s-1，850 hPa貴陽的比濕為14 g/kg，云南東北部有-4.5×10-5g·hPa-1·m-2·s-1的水汽輻合中心，貴州大部為水汽輻散；14時700 hPa重慶西部到貴州東北部出現輻合中心，大值中心位于貴州東北部，貴州西部也出現較弱的輻合中心，850 hPa輻合區明顯擴大，中心強度也減小到-5.5×10-5g·hPa-1·m-2·s-1以下；20時控制貴州的濕舌加強，700 hPa威寧比濕維持11 g/kg，貴陽比濕增加至11 g/kg，(圖4a)貴州境內的兩塊水汽輻合區域合并，貴州東北到西南大部為水汽輻合，貴州西南和東北分別有-3×10-5g·hPa-1·m-2·s-1的水汽輻合中心，850 hPa貴陽比濕增大為16 g/kg，(圖4b)貴州區域內的兩塊輻合區已合并，強中心位于貴州西北，且中心值繼續減小至-7.5×10-5g·hPa-1·m-2·s-1。鎮寧站上空(圖5)，19日08—20時期間400 hPa以下相對濕度均在80%以上，并且高空的干性層結逐漸從200 hPa向400 hPa擴展，相對濕度也從50%左右降至30%左右；這種中低層充沛的水汽條件以及上干下濕的水汽垂直分布對大風、冰雹、雷暴、短時強降雨等強對流天氣非常有利。

圖4 5月19日20時水汽通量散度(單位：10-5g·hPa-1·m-2·s-1)；(a):700 hPa,(b):850 hPaFig.4 Moisture flux divergence at 20∶00 BT 19 May(unit: 10-5g·hPa-1·m-2·s-1)(a):700 hPa,(b):850 hPa

圖5 鎮寧站相對濕度隨時間演變(單位：%,黑直線為鎮寧縣海拔高度)Fig.5 Relative humidity changes with time(unit: %，Straight line ：Altitude about Zhenning)

3.3 垂直螺旋度分析

Lilly[8-9]研究指出，強對流風暴具有高螺旋度特征，它的螺旋度從環境場中獲得并在浮力效應下增強，同時，高螺旋度阻礙了擾動能量耗散，對超級單體風暴的維持有重要作用，穩定的強對流風暴常發生在螺旋度值大的地方；陸慧娟等[10]研究表明，垂直螺旋度更傾向為能反映系統的維持狀況和系統發展、天氣現象的劇烈程度的一個參數。用FNL(1°×1°)資料計算出26.04oN從1 000～100 hPa的垂直螺旋度，19日08時—20日00時(圖6)的垂直螺旋度分布圖上可以看到，19日08時102°～105°上空最大垂直螺旋度位于800～700 hPa之間，最大值為20 m2/s，即鎮寧西部的垂直螺旋度值較大，14時該區域的垂直螺旋度值有所加強，大值區向高層600～700 hPa之間抬升，20時垂直螺旋度的大值區域擴大到900～500 hPa之間，大致中心在700 hPa附近為30 m2/s，20日00時105oE上空垂直螺旋度升高至50 m2/s，說明垂直螺旋度在此期間內維持并不斷增加，尤其在夜間明顯加強，這種類型的風暴單體能夠從環境中獲取更多的能量，更有利于強對流風暴的形成和維持。

圖6 5月19日08時到20日00時26.04oN垂直螺旋度(單位：m2/s，黑直線為鎮寧縣海拔高度)；(a):19日08時，(b):19日14時,(c):19日20時,(d):20日00時Fig.6 Vertical helicity 26.04oN during 08∶00 BT 19 May to 20∶00 BT 19 May 2015 (unit: m2/s2，Straight line ：Altitude about Zhenning)(a)08∶00 BT 19 May,(b)14∶00 BT 19 May,(c)20∶00 BT 19 May,(d)00∶00 BT 20May

4 雷達回波特征分析

4.1 對流單體演變

19日下午18時左右貴陽雷達2.4°仰角以及興義雷達2.4°仰角均探測到在六枝境內有對流單體發展，18時42分興義雷達上探測到六枝中部偏西有強度為35 dBz的對流單體，到18時53分的興義雷達和19時(圖7a)的貴陽雷達上都探測到上述對流單體略向東移，且回波強度加強為40 dBz，19時04分興義雷達探測到對流單體已經移到六枝中部，強度繼續加強為50 dBz，19時31分興義雷達和19時34分貴陽雷達(圖7b)都探測到對流單體移到了鎮寧、六枝、關嶺交界處，強度有所減弱變為40 dBz，19時48分興義雷達探測到對流單體繼續向東移動，強度再次增強為45 dBz，20時02分(圖7c)貴陽雷達探測到對流單體已經完全移入鎮寧境內，強度維持在40 dBz，20時10分興義雷達探測到對流單體移到了鎮寧縣站西北部，強度維持在40 dBz,20時15分對流單體移動緩慢且強度增強為45 dBz,20時25分(圖7d)貴陽雷達探測到對流單體在鎮寧站維持且影響范圍有所擴大；從對流單體的垂直液態水含量和回波頂高的演變上也可以看到(表1),19時42分—20時15分對流單體的垂直液態水含量值以及回波頂高值都在不斷增加，且都在20時15分達到最大值，說明強對流天氣發生前對流單體在迅速的發展，20時15分—20時26分對流單體的垂直液態水含量值和回波頂高值都有所減小，強對流天氣已經開始出現，對流單體開始減弱；根據實況資料，對流單體移過的六枝中南部在19—20時出現2鄉鎮的短時強降雨(1 h降雨量≥25 mm)，在20—21時移過的關嶺、鎮寧共出現了7鄉鎮的短時強降雨，4鄉鎮降雨中夾降有3～12 mm的小冰雹；其中鎮寧縣站降雨量達到了52.4 mm，降雨還中伴有小冰雹，同時鎮寧站在20時20分出現了36.3 m/s的瞬時大風(超過歷史極值)。根據貴陽雷達探測的雷達回波資料(圖略)20時53分對流單體維持55 dBz的強中心向鎮寧站西南移，此時該對流單體的垂直液態水含量仍有20～25 kg/m2，不過回波頂高已經下降至8～9 km左右，21時21分對流單體移入紫云西北部，中心值在45～50 dBz，垂直液態水含量下降到了5 kg/m2，22時01分—22時57分，對流單體維持中心值在40 dBz左右，中心區域逐漸縮小，垂直液態水含量在5 kg/m2左右，從紫云北部自西向東移除紫云，回波頂高維持在8 km左右，23時31分對流單體移入惠水西南部，回波已經沒有明顯的中心區，此時在對流單體經過的紫云、惠水等地并無強降水、冰雹、大風等天氣出現，表明對流單體已經開始減弱并逐步消散。

表1 對流單體雷達參數變化特征(興義雷達)Tab.1 Variation characteristics of radar parameters about convective monomer(Xingyi radar)

圖7 2015年5月19日19時—20時25分貴陽雷達2.4°仰角基本反射率因子(a):19時,(b):19時34分,(c):20時02分,(d):20時25分(紅圈為對流單體位置)Fig.7 The elevation of 2.4°in Guiyang basic reflectivity factor during 19:00 BT 19 May to 20:25 BT 19 May 2015(a):19:00,(b):19:34,(c):20:02,(d):20:25(The red circle is the convective monomer position)

4.2 對流單體結構特征

熊偉等[14]利用雷達資料對貴州春季冰雹云識別做了相關的研究，指出貴州春季冰雹發生時雷達組合反射率因子在45 dBz以上，當超過45 dBz回波伸展到0 ℃層以上，則冰雹出現的可能，如果超過50 dBz回波伸展到0 ℃層以上，則出現冰雹的概率很大，如果其伸展到-20 ℃層以上，則出現大冰雹的可能性很大。19日59分興義雷達探測的回波顯示對流單體進入鎮寧西北部，各個仰角上均出現了40 dBz以上的回波中心，其中1.5°仰角的最強中心值達到55 dBz，而強中心的垂直剖面圖上，50 dBz的回波分布在4～8 km范圍，6 km處有60 dBz的強回波，40 dBz的回波自地面向上伸展到16 km附近，此時對流單體的垂直液態水含量為25 kg/m2，說明強對流單體處于發展強盛階段，此時鎮寧西北部開始出現較弱降水和雷電天氣；19日20時21分雷達探測的雷達回波(圖8)可以看到對流單體已經到達鎮寧縣站，且對流單體在0.5°仰角下強中心值為45 dBz，回波形狀類似鉤狀，在1.5°仰角下強中心值為50 dBz，強回波范圍較大，在2.4°仰角下強中心值為55 dBz，在3.4°仰角下強中心值為45 dBz，在4.3°仰角下強中心值為40 dBz，說明對流單體中心強度很強，強中心區域寬廣；從反射率因子垂直剖面圖(圖8c)上可以看到，最強回波反射率因子值達到了70 dBz，55 dBz以上的強回波伸展到了8 km以上，強回波區域在3～8 km左右，最強回波在4～6 km高度，60 dBz的回波接近地面，仍有40 dBz的回波伸展到了12 km以上，對應19日20時貴陽探空資料，當天的0 ℃層高度為5 240.7 m,-20 ℃層高度為8 886.9 m，說明強回波高度已經超過0 ℃層高度,并且接近-20 ℃層高度，對強對流天氣的發生非常有利；從徑向速度圖(圖8b)上看，鎮寧附近存在旋轉的正負速度對，徑向速度的剖面圖(圖8d)上可以看到在8 km附近有速度的輻合，在4 km附近有速度的輻散，此時鎮寧縣站降雨量1 h達到了52.4 mm，并且出現了大風和小冰雹，對流單體發展到了最旺盛時期；20時59分，雷達回波顯示對流單體已經移到鎮寧和西秀區交界處，0.5°～2.4°仰角下仍有40 dBz以上強度的回波區，而在3.4°仰角最強回波為35 dBz，4.3°仰角最強回波僅為10 dBz，對流單體的垂直液態水含量也降至1.8k g/m2，徑向速度圖上在對流單體附近仍有范圍較小的正負速度對存在，強中心的垂直剖面圖上最強回波位于6 km為55 dBz，50 dBz的回波區域仍然在4～8 km左右，45 dBz的回波由地面伸展到12 km附近，說明此時對流單體已經開始減弱，對流單體移過的鎮寧東北部到西秀區交界出現了短時強降雨。

圖8 2015年5月19日20時21分興義雷達探測的對流單體雷達回波圖(a)不同仰角反射率因子,(b):徑向速度圖,(c):沿a圖白色線條垂直剖面圖,(d):沿b圖紅圈直徑垂直剖面圖Fig.8 Radar echo of convective monomer by Xingyi radar at 20∶21 BT 19 May(a)Reflectivity of different elevation,(b)Radial velocities,(c)Reflectivity profile along the white line in fig a,(d)Radial velocities profile along red circle diameter in fig b

5 結論

本文利用FNL(1°×1°)再分析資料、貴陽、興義多普勒雷達資料對2015年5月19日鎮寧縣出現的風雹暴雨天氣進行詳細分析，結果顯示本次風雹暴雨過程在天氣系統、環境條件、雷達回波方面呈現出以下特征：

①在南支槽穩定維持、中低層西南急流持續影響、高原低渦不斷發展的天氣背景下，北脊南槽的天氣形勢有利于冷空氣南下，500 hPa不斷加深的南支槽前700 hPa和850 hPa持續的強西南急流和西南低渦的不斷加強，為強對流天氣提供了很好的動力抬升條件，中低層切變線以及地面輻合線觸發了此次強對流天氣的產生。

②強對流天氣發生前CAPE值從0 J/kg躍增到了1 400 J/kg，強對流天氣發生區域400 hPa以下維持高濕狀態，400 hPa以上干層逐漸加厚，-20 ℃層穩定在350 hPa左右，0 ℃穩定在550 hPa附近，兩層之間相差200 hPa，850 hPa和500 hPa溫度差不斷加大，這種強對流天氣發生前CAPE值急劇增加為強對流天氣發生積蓄了很好的能量條件，中低層穩定的水汽輸送和水汽輻合不斷加強為產生暴雨冰雹提供了“原料”，適宜的0 ℃、-20 ℃層高度，上干下濕的水汽分布，較大的850 hPa和500 hPa溫度差使得大氣不穩定度加強，有利于冰雹、大風的產生。

③強對流天氣發生區域垂直螺旋度不斷增加，中低層持續的冷平流輸送不斷加強，使得對流單體發展和維持。

④強對流天氣發生前對流單體自西向東移動且不斷發展，強對流天氣發生期間雷達回波出現了弱中氣旋和鉤狀回波，回波強度達到了70 dBz,VIL最大值達到了50 kg/m2，回波頂高最大值達到了14 km，強對流天氣發生后對流單體繼續東移，但中心強度和VIL迅速減小，使得強對流單體移動快，發展快，持續時間短，消散快，造成了此次風雹天氣局地性很強。

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AnalysisofaHeavyPrecipitationWeatherFeatureAccompaniedbyHailandGale

MENG Jun1, XU Liangjun2, YE Bang3

(1.Anshun Meteorological Office of Guizhou, Anshun 561000, China; 2. Ziyun Meteorological Office of Guizhou, Ziyun 550800, China; 3. Zhenning Meteorological Office of Guizhou,Zhenning 561200, China)

Zhenning County of Guizhou province appeared strong hail storm weather in May 19, 2015, By usingthe data of conventional observation,the data of Doppler radar from Guiyang and Xingyi and the data of FNL1*1 reanalysis , to detailed analysis of the circulation situation, environmental conditions and the characteristics of radar echo . The results showed that: In webtisr stable low level southwest jet to maintain,the continuing impact of the plateau vortex development under the background of the weather , the suitable height for 0 ℃ and -20 ℃ ,the appropriate wet on the distribution of water vapor, the temperature difference in 850hPa to 500hPa is more conducive to hail and strong winds;The main reason for convective development and maintenance is a continuous stream of cold advection transportation and the high vertical helicity; What mainly caused by these strong local weather are strong convective moving fast, rapid development, short duration, fast dissipation.

reflectivity factor; echo; vertical helix; strong wind

1003-6598(2017)05-0025-08

2016-11-08

蒙軍(1988—)，女，助工，主要從事短期天氣預測預報工作，E-mail:460248283@qq.com。

安順市氣象局氣象科研項目(2015-07-05號)：基于區域自動站安順短時景雨時空分布特征研究；黔氣科合KF[2016]07號：中小尺度對流復合體和特殊地形對關嶺暴雨的影響。

P458.1+21

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