云南德宏 “2016—03—29”冰雹天氣過程初步分析

楊錦超, 李慧芹

(1.云南省德宏州天氣雷達(dá)站，云南 德宏 678400;2.云南省德宏州氣象臺，云南 德宏 678400)

1 引言

冰雹天氣是大氣中強(qiáng)烈對流運(yùn)動發(fā)展的結(jié)果，范圍小、時(shí)間短、強(qiáng)度大、突發(fā)性強(qiáng)、危害程度很大，常造成局地農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收，是天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

冰雹天氣是由大尺度環(huán)流背景下的中小尺度天氣系統(tǒng)造成的，范圍較大降雹過程常與南支槽、冷鋒、低渦切變、急流等天氣系統(tǒng)聯(lián)系[1]。強(qiáng)風(fēng)暴的發(fā)生需要三個(gè)條件，即對流層明顯的位勢不穩(wěn)定、上干下濕的水汽垂直空間分布和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變[2],以及降雹天氣需要在-10～-30 ℃之間有大的對流有效位能、深層垂直風(fēng)切變和較低的0 ℃高度[3]。曹芳等[4]研究表明，影響冰雹天氣的發(fā)生最重要的是中層干空氣和強(qiáng)垂直風(fēng)切變；江玉華等[5]指出高層侵入低層的干冷空氣有利于大氣不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的維持，是對流發(fā)展的重要條件；夏立花等[6]在研究一次強(qiáng)對流天氣時(shí)發(fā)現(xiàn)高低空急流的配置形成的次級環(huán)流，為強(qiáng)對流的發(fā)生提供了有利的動力抬升條件。段鶴等[7-10]利用雷達(dá)資料對云南冰雹天氣的雷達(dá)回波特征進(jìn)行了個(gè)例研究，加深了對云南冰雹天氣的雷達(dá)回波強(qiáng)度、速度場和等中小尺度特征的認(rèn)識。

德宏州位于我國西南邊陲、云南省西部，地處橫斷山脈南部，地形地貌復(fù)雜，觀測站網(wǎng)稀疏，加之冰雹等強(qiáng)對流天氣的中小尺度特征尤為復(fù)雜，用常規(guī)觀測網(wǎng)很難捕捉到，給德宏冰雹天氣的分析和預(yù)報(bào)帶來了很大困難。近幾年對于強(qiáng)天氣的分析和預(yù)報(bào)，多基于對雷達(dá)資料的分析，或應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法。本文綜合利用ECMWF全球再分析資料、常規(guī)氣象觀測資料及多普勒雷達(dá)資料對2013年3月29日的一次冰雹天氣的成因進(jìn)行綜合分析，深入認(rèn)識德宏冰雹天氣過程的特征，對德宏冰雹天氣的臨近預(yù)報(bào)和實(shí)際人工消雹作業(yè)具有重要指示意義。

2 資料來源與分析

本文采用1日4次、0.75°×0.75°的ECMWF全球客觀分析資料；常規(guī)氣象觀測資料；德宏多普勒天氣雷達(dá)資料(型號：CINRAD/CC，體掃模式：VCP11，位置：98.344°E,24.489°N,海拔高度：2 073 m)。由于冰雹沒有降落在大監(jiān)站，缺少降雹的具體開始和結(jié)束時(shí)間以及冰雹的大小，對后續(xù)利用雷達(dá)資料分析冰雹存在一定的困難。

3 天氣實(shí)況與形勢分析

受南支槽前西南暖濕氣流影響，2016年3月29日01—13時(shí)，德宏州出現(xiàn)小雨局部中雨天氣，17—23時(shí)出現(xiàn)了一次強(qiáng)對流天氣過程，最強(qiáng)時(shí)段出現(xiàn)在17—21時(shí)，過程以冰雹天氣為主，影響范圍較廣，維持時(shí)間較長，局部地區(qū)還伴有短時(shí)強(qiáng)降水和大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。此次冰雹天氣過程導(dǎo)致全州3個(gè)縣市9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的烤煙和農(nóng)作物嚴(yán)重受災(zāi)，造成經(jīng)濟(jì)損失共計(jì)1 328.94萬元。

圖1為3月29日08時(shí)的中尺度分析綜合圖，由圖可見，500 hPa上南支槽為南北兩支，呈階梯槽形式，云南處于階梯槽前，700 hPa高空槽落后于500 hPa高空槽，此階梯槽為前傾槽，有較強(qiáng)的斜壓性，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生，槽后的干冷空氣疊置于槽前的暖濕氣流上，增加了大氣層結(jié)不穩(wěn)定度。北支槽前傾的程度大于南支，且移速大于南支，至20時(shí)北支位置已超越南支。500 hPa和700 hPa上云南為一致的槽前西南急流控制，水汽條件十分有利，200 hPa上高空急流位于滇西北一帶，衛(wèi)星云圖上可以看到明顯的槽前云系，高低空急流的存在，提供了很好的動力條件。700 hPa上滇西及其以西大部地區(qū)溫度露點(diǎn)差在5 ℃以下，水汽條件很好，隨著南支槽東移過境產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，德宏產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣的條件充分。

圖1 2016年3月29日08時(shí)中尺度分析綜合圖Fig. 1 March 29, 2016 08∶00 mesoscale analysis of the comprehensive map

4 成因分析

4.1 合適的0 ℃和-20 ℃高度

0 ℃層到-20 ℃層是冰雹形成的主要區(qū)域，因此，0 ℃層高度和-20 ℃層高度是判斷環(huán)境大氣是否有利于形成冰雹的重要參數(shù)。統(tǒng)計(jì)29 a騰沖探空站出現(xiàn)冰雹天氣的0 ℃層和-20 ℃層高度，0 ℃層高度在3.0～5.6 km之間，平均為3.9 km，-20 ℃層高度在5.8～8.3 km之間，平均為6.8 km[1]。分析騰沖探空站的溫度時(shí)間剖面圖(圖2)，0 ℃線和-20 ℃線所在高度在29日20時(shí)有明顯的下降，且0 ℃線在650 hPa以下，-20 ℃線在400 hPa以下，符合出現(xiàn)冰雹的特殊層高度指標(biāo)。

圖2 2016年3月28日20時(shí)—30日20時(shí)騰沖探空溫度垂直分布Fig.2 The vertical distribution of radiosonde temperature in Tengchong from 20∶00 28 to 20∶00 30 March 2016

4.2 干冷空氣入侵

沿98.5°E作θse的垂直剖面，29日08時(shí)(圖略)，23～25°N及28～29°N整個(gè)地面層基本為高能舌占據(jù)，且高能舌從地面延伸到600 hPa為對流不穩(wěn)定區(qū)，包括德宏范圍(23.8～25.6°N)；中層有θse低值區(qū)域,低值中心主要位于27～28°N，高度在650 hPa附近。14時(shí)(圖3a)，該θse低值中心南移到了26～27°N,且中心高度下降到600 hPa,且從騰沖站20時(shí)探空資料相對濕度分析圖上看到400～500 hPa之間存在很明顯的干空氣侵入(圖4a)。20時(shí)500 hPa高空等溫線圖上德宏位于冷槽區(qū)域內(nèi)(圖4b)，說明該θse低值區(qū)是中高層槽后干冷空氣在向南入侵，且冷空氣由高層向低層傳播，干冷空氣的侵入加劇了大氣層結(jié)不穩(wěn)定。到了20時(shí)，θse低值中心已經(jīng)向南壓到25°N以南(圖3b)，且高度下降到700 hPa附近，德宏中北部上空中高層θse低值中心正好位于低層θse高值中心之上，高層干冷低層暖濕的配置很明顯，為對流的發(fā)展積累了大量的不穩(wěn)定能量。對應(yīng)實(shí)況上德宏中北部出現(xiàn)了強(qiáng)烈的對流性天氣。

圖3 θse沿98°E的垂直剖面圖Fig.3 Vertical section of θse along the latitude 98°E

圖4 29日20時(shí)(a)騰沖站相對濕度探空分布圖；(b)500 hPa等溫線分布圖Fig.4 (a) The vertical distribution of relative humidity in Tengchong and (b) The distribution of isotherm at 500 hPa at 20∶00 on 29 March 2016(unit:I)

分析Δθse850-500的分布及演變(圖5)，29日08時(shí)大值區(qū)主要位于青藏高原東南角，德宏上空的值為8～12；14時(shí)大值區(qū)域向東南方向移動，德宏上空的值增大為10～14；20時(shí)大值區(qū)域移到德宏上空，為16～18，位勢不穩(wěn)定急劇增加，有利于強(qiáng)對流的發(fā)生；30日02時(shí)迅速減小至10～12，表明位勢不穩(wěn)定已經(jīng)減弱，強(qiáng)對流天氣過程結(jié)束。可見Δθse850-500大值區(qū)的走向與此次對流性天氣過程中中高層干冷空氣的走向一致，對強(qiáng)對流天氣的發(fā)生有很好的指示作用。

圖5 2016年3月29日08時(shí)—30日02時(shí)Δθse850-500分布圖Fig.5 The distribution ofΔθse850-500 (unit:) from 08∶00 29 to 02∶00 30 March 2016

4.3 高空急流

圖6為此次過程水平風(fēng)速和垂直風(fēng)速沿98°E的垂直剖面，29日 08時(shí)高空急流中心風(fēng)速大于75 m/s，急流中心位于26.5°～28°N，德宏高空最大風(fēng)速為50-60 m/s。上升運(yùn)動主要位于高空急流軸下方，最大上升速度達(dá)-1.2Pa/s以上，德宏上空主要為下沉氣流控制；14時(shí)高空急流南壓，急流中心風(fēng)速減弱為70m/s，德宏高空最大風(fēng)速在55～65 m/s之間，垂直速度最大值也減弱至-0.65Pa/s，最大值區(qū)位于德宏上空600 hPa附近，在0 ℃線之上，有利于冰雹的產(chǎn)生；20時(shí)急流中心南壓至德宏上空，但急流軸中心風(fēng)速下降至65m/s，德宏高空最大風(fēng)速降至50-65 m/s之間，上升運(yùn)動大值區(qū)也減弱并南壓23°N以南，德宏上空中高層出現(xiàn)下沉氣流，對流條件逐步減弱；30日02時(shí)，急流軸中心仍然位于上空，中心風(fēng)速繼續(xù)下降至60 m/s。實(shí)況上德宏于17時(shí)開始出現(xiàn)冰雹、雷暴、大風(fēng)、等強(qiáng)對流天氣，由于低層風(fēng)速變化不大，高空風(fēng)速的增大一方面意味著垂直風(fēng)切變的加強(qiáng)，高空的大風(fēng)將云體上方的暖濕空氣帶走，起到通風(fēng)作用，對流云的發(fā)展和維持十分有利；另一方面高空急流的出現(xiàn)導(dǎo)致了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展。

圖6 沿98°E的風(fēng)場和垂直速度剖面圖Fig.6 Vertical section of the wind(unit:m/s) and vertical velocity (unit:Pa) along98°E

5 多普勒雷達(dá)回波特征

運(yùn)用德宏多普勒天氣雷達(dá)資料對此次冰雹天氣過程進(jìn)行分析。

2016年3月29日17時(shí)17分左右在盈江西北部有很強(qiáng)的對流風(fēng)暴開始進(jìn)入德宏(圖7)，回波強(qiáng)度60 dBz,回波頂高達(dá)14 km(剖面圖上顯示的高度沒有算上雷達(dá)的海拔高度，偏低2 km)，且出現(xiàn)了很明顯的虛假旁瓣回波(圖8),其產(chǎn)生與粒子的強(qiáng)散射能力密切相關(guān)，反映了云體內(nèi)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，一般只能在雹云回波中探測到。隨后對流云團(tuán)不斷發(fā)展并向東南方向移動，17時(shí)34分風(fēng)暴呈現(xiàn)出典型的超級單體鉤狀回波結(jié)構(gòu)和弱回波區(qū)特征，剖面圖上可以看到有穹窿和回波懸垂結(jié)構(gòu)，說明存在很強(qiáng)的上升氣流。18時(shí)20分出現(xiàn)“人”字形回波,對應(yīng)速度圖上從低層氣旋性輻合逐漸轉(zhuǎn)為高層輻散(圖略)，風(fēng)暴頂輻散的存在，使得強(qiáng)上升氣流得以維持和云中的凝結(jié)潛熱及時(shí)擴(kuò)散，有利于冰雹的增長和大冰雹的形成，它的存在是冰雹云發(fā)展的一個(gè)重要條件。19時(shí)10分在1.5°仰角的反射率因子圖上探測到V型缺口，且觀察到比較明顯的三體散射長釘，TBSS是探測大冰雹的指示性指標(biāo)，它在探測降雹的指示性作用上已得到廣泛應(yīng)用，三體散射出現(xiàn)10～30 min后往往會產(chǎn)生地面降雹和大風(fēng)[4]。19時(shí)50分在盈江的西南部探測到一典型超級單體鉤狀回波，19時(shí)56分結(jié)構(gòu)更加清楚，0.5°仰角的反射率因子圖上有明顯的有界弱回波區(qū)，剖面圖上云體傾斜，且有明顯的回波懸垂、回波墻、旁瓣回波以及大片的云砧，超級單體發(fā)展十分旺盛，大于50 dBz的強(qiáng)回波區(qū)高達(dá)8 km,遠(yuǎn)在-20 ℃線以上，高空風(fēng)速逐漸增大，出現(xiàn)速度模糊，這與探空圖上高空急流相對應(yīng)。超級單體的鉤狀結(jié)構(gòu)維持3個(gè)體掃后消失，20時(shí)13分反射率因子圖上有界弱回波區(qū)消失，剖面圖上回波頂高度下降，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散,邊緣發(fā)毛，超級單體進(jìn)入消亡階段，過程逐漸減弱結(jié)束。

綜上分析，可見此次冰雹天氣過程強(qiáng)回波高度很高，均在7 km以上，且探測到旁瓣回波、TBSS、鉤狀回波、“V”形缺口、有界弱回波區(qū)、弱回波區(qū)、回波懸垂、風(fēng)暴頂輻散等特征。這些回波特征對冰雹、雷暴、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣有很好的指示作用[11]。

6 結(jié)語

①此次過程有利的環(huán)流形勢是：階梯槽形勢和前傾槽結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的斜壓性，增加了大氣層結(jié)不穩(wěn)定度，槽前西南氣流帶來了充足的水汽，高低空急流的存在提供了強(qiáng)的動力條件。

②騰沖探空站0 ℃線和-20 ℃線高度在冰雹發(fā)生時(shí)有明顯的下降，且0 ℃線在650 hPa以下，-20 ℃線在400 hPa以下，對降雹十分有利。

③中層存在干冷空氣侵入，高層θse低值中心正好位于低層θse高值中心之上，高層干冷和低層暖濕的配置很明顯，為對流的發(fā)展積累了大量的不穩(wěn)定能量。Δθse850-500大值區(qū)的走向與此次對流性天氣過程中高層干冷空氣的走向一致，對干冷空氣的活動區(qū)域有指示作用。

④高空急流在減弱南移影響德宏時(shí)，德宏上空高空風(fēng)速的增加，加劇了垂直風(fēng)切變，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，有利于對流云的發(fā)展和維持。

⑤此次對流冰雹天氣主要是由超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生的，在反射率因子圖上探測到典型的TBSS、鉤狀回波、“V”形缺口、人字形回波、有界弱回波區(qū)、弱回波區(qū)等特征；在RHI圖上表現(xiàn)出更加典型的冰雹天氣特征，出現(xiàn)了虛假旁瓣回波、穹隆、回波懸垂等特征，強(qiáng)回波高度(>50 dBz)均在7 km以上，在-20 ℃層以上；徑向速度圖上從低層氣旋性輻合逐漸轉(zhuǎn)為高層輻散，使得強(qiáng)上升氣流得以維持和云中的凝結(jié)潛熱及時(shí)擴(kuò)散，有利于冰雹的增長和大冰雹的形成。

圖7 0.5°仰角反射率因子演變圖Fig.7 The evolution of reflectivity on 0.5°elevation

圖8 VCS垂直剖面圖特征Fig.8 VCS vertical profile characteristic

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