新鄉(xiāng)地區(qū)一次華北低渦下的強對流天氣過程分析

陳靜雯

摘 要：本文利用MICAPS數(shù)據(jù)資料、NCEP 1°×1°再分析資料、常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和多普勒雷達(dá)資料等，從大尺度環(huán)流形勢演變、影響系統(tǒng)、探空資料、水汽條件及能量分析等方面對這次華北低渦影響下的一次暴雨伴冰雹天氣過程進行了分析。結(jié)果表明：充足的水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)（低層暖空氣高層冷平流）、外部抬升力和觸發(fā)條件等條件同時滿足，易導(dǎo)致強對流性天氣的產(chǎn)生；適宜的0℃層和-20℃層高度有利于雹粒的增長，易發(fā)生冰雹天氣。通過對本次過程的雷達(dá)反射率圖和剖面圖的分析可知，強回波（65dBZ以上）與0℃和-20℃溫度層的高度、三體散射和有界弱回波區(qū)的出現(xiàn)是判斷冰雹發(fā)生的明顯依據(jù)，為以后在預(yù)報這類天氣時提供重要參考。

關(guān)鍵詞：華北低渦；暴雨；冰雹；雷達(dá)回波

中圖分類號：P458.121.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-0155-06

Analysis of a Strong Convective Weather Process Caused by North

China Low Vortex in Xinxiang

CHEN Jingwen

（Fengqiu Meteorological Administration，F(xiàn)engqiu Hennan 453300）

Abstract： Based on Micaps data， NCEP 1°×1°reanalysis data， the conventional observed meteorological data and Doppler Radar data， the severe convection weather and hailing caused by north China low vortex in Xinxiang was analyzed by synoptic analysis method ，energy analysis method， physical quantity analysis method and radar data analysis method. The results showed that the severe convection weather occurs easily when the sufficient water vapor and instability （the warm and moisture air at low layer and the cold advection in upper air） and the outer rising force and trigger condition are all suitable. An appropriate height about 0 ℃ layer and -20 ℃ layer will be advantageous to the hail augmentation and hail. We analyzed radar reflectivity images and radar echo reflectivity cross section about this severe convection weather. As for hail， the typical echo characters include strong echo（over 65，dBZ）and an appropriate height about 0 ℃ layer and -20 ℃ layer， WER （Weak Echo Region） or BWER （Boundary WER）， TBSS （Three-Body Scatter Spider）. Thus， it provided us some important clues， aids in forecasting this kind of weather before long.

Keywords： North China low vortex；torrential rain；hail；radar echo

1 研究背景

強對流天氣是夏季經(jīng)常出現(xiàn)的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，具有過程強度大、天氣現(xiàn)象劇烈的特點，發(fā)生時常伴有短時強降水、大風(fēng)、冰雹和龍卷風(fēng)等激烈的天氣現(xiàn)象，且往往會引發(fā)山洪、泥石流等嚴(yán)重的自然災(zāi)害和城市積水、內(nèi)澇等災(zāi)害，給人民生產(chǎn)、生活造成極大的危害和經(jīng)濟損失。近年來，國內(nèi)很多學(xué)者都對強對流天氣進行了多方面研究。毛冬艷[1]總結(jié)了近幾年我國強對流天氣主要業(yè)務(wù)進展，提出強對流業(yè)務(wù)未來發(fā)展的方向和主要任務(wù)。朱乾根等[2]等總結(jié)了發(fā)生在我國的強對流天氣所需的基本條件。張一平[3-6]等則對河南地區(qū)的伴有冰雹過程的強對流天氣進行了中尺度天氣背景、各個物理量和雷達(dá)回波特征的詳細(xì)分析和研究。馬月枝、葉東[7-9]等人則對新鄉(xiāng)地區(qū)的強對流天氣進行了詳細(xì)研究，地理位置與本文相同，參考意義更加明顯。楊敏[10]等則統(tǒng)計分析了40年不同天氣形勢下河南地區(qū)冰雹的時空分布特征，總結(jié)出冰雹發(fā)生時的大致天氣形勢及特征。而鐘興華[9]等則具體總結(jié)了新鄉(xiāng)地區(qū)的降雹特征。牛淑貞[12]等利用新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品，結(jié)合衛(wèi)星、探空、天氣圖、地面雨量等資料對發(fā)生在河南省北部、西部和中部的強對流風(fēng)暴過程進行分析。路志英[13-14]等則對冰雹的雷達(dá)圖像特征進行了更加詳細(xì)的分析研究。2016年6月4日，新鄉(xiāng)市區(qū)、獲嘉、輝縣和衛(wèi)輝出現(xiàn)了局地冰雹、短時強降水、雷暴和大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。探討強對流天氣的發(fā)生發(fā)展，對提高預(yù)報準(zhǔn)確率和預(yù)報提前量具有重要的現(xiàn)實意義。本文利用常規(guī)資料、加密觀測資料和多普勒雷達(dá)等資料，加強對此類天氣的認(rèn)識和診斷分析，以期在今后的工作中對此類災(zāi)害性天氣提前發(fā)出預(yù)報預(yù)警，為提高預(yù)報準(zhǔn)確率提供參考。

2 天氣概況

受華北冷渦的影響，2016年6月4日傍晚到夜里，河南省北部和東部出現(xiàn)了一次大范圍的伴有雷電大風(fēng)、冰雹、短時強降水等強對流天氣過程。圖1為2016年6月4日08：00至5日08：00河南省降水量分布圖。從圖1可以看出，本次降水過程雨量分布不均勻，獲嘉、許昌、扶溝和修武四地出現(xiàn)暴雨。新鄉(xiāng)地區(qū)出現(xiàn)這次強對流天氣過程的特點是強度大、歷時短、局地性強、降水時段集中且伴有冰雹。從實況記錄（見圖2）來看，新鄉(xiāng)地區(qū)以大到暴雨天氣為主，最大降水量出現(xiàn)在獲嘉縣，為91mm，主要降水時段集中在20：00—23：00，最大小時雨強達(dá)到50mm。隨著該天氣過程的移動，自西北向東南先后出現(xiàn)了18m/s以上的大風(fēng)天氣，其中最大風(fēng)速出現(xiàn)在原陽師寨，為25.0m/s，出現(xiàn)時間為22：07。在該天氣過程時段內(nèi)，新鄉(xiāng)市的郊區(qū)、輝縣和衛(wèi)輝等地區(qū)還出現(xiàn)了冰雹天氣。輝縣的降雹過程強度較強，平均直徑為30mm，持續(xù)時間達(dá)30min，導(dǎo)致30 000人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積2 233hm?，直接經(jīng)濟損失達(dá)8 191萬元。

此次強對流天氣過程是2016年新鄉(xiāng)市入夏以來的第一次強對流天氣伴有降雹過程，由于預(yù)報員的主要精力主要集中在對強降水、雷電大風(fēng)和局地冰雹等的預(yù)警，對于突發(fā)性降雹過程始料未及。此次冰雹天氣受災(zāi)嚴(yán)重，值得我們深入思考和研究。為了提高對局地強對流天氣的認(rèn)識，為今后災(zāi)害性天氣精細(xì)化預(yù)報和預(yù)警提供參考，本文對該次天氣過程進行了詳細(xì)研究。

3 天氣背景

3.1 資料與方法

利用MICAPS數(shù)據(jù)資料、常規(guī)觀測資料、NCEP 1°×1°再分析資料和多普勒雷達(dá)資料等，從大尺度環(huán)流形勢演變、影響系統(tǒng)、探空資料、水汽條件和能量分析等方面對這次天氣過程進行了綜合分析。

3.2 天氣背景

從圖3可以看出，2016年6月4日08：00 200hPa上，自河套地區(qū)經(jīng)河南到黃河入海口有一52m/s的高空急流。500hPa，河北北部與內(nèi)蒙東部處有一568dagpm的低值中心，青海、甘肅經(jīng)內(nèi)蒙古西部到貝加爾湖為一強盛的高壓脊，華北到黃淮處于低渦后部、高壓脊前部一致的西北急流里，平均風(fēng)速為18m/s。從溫壓配置來看，在西北氣流的作用下，高空冷空氣不斷向河南地區(qū)輸送，有明顯的冷平流。700hPa，華北冷渦和貝加爾湖高壓脊仍然存在，河南處于高壓脊前強西北氣流里。850hPa，榆林、朔州到北京一帶有一東北西南向的切變線，河南處于切變線的南側(cè)，存在暖平流，河套地區(qū)到河南850hPa和500hPa溫度差達(dá)26℃。925hPa，河南西部到太原南部有一20℃的暖中心。

從高空分析圖可以看出，河南北部位于高空急流軸左側(cè)的輻散區(qū)內(nèi)，對應(yīng)較強的上升運動，為強對流天氣的發(fā)生提供了動力不穩(wěn)定條件。高空冷平流低層暖中心，較大的垂直溫度遞減率為暴雨、冰雹等天氣的出現(xiàn)提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件，低層切變線為強對流天氣提供了動力觸發(fā)條件。到14：00，地面上，安陽至輝縣有一東北西南向的輻合線存在，溫度場上，新鄉(xiāng)地區(qū)均為30℃以上，且附近有明顯的氣旋性輻合。太行山東側(cè)至沿黃一帶有一16～18℃的露點溫度高值帶，而太行山西北側(cè)的有一平均露點溫度為12℃的相對干區(qū)，存在明顯的干線。到17：00，新鄉(xiāng)西部ΔP3為-1.7hPa，說明太行山西北側(cè)的相對干區(qū)向東南方移動，氣團越過太行山，受地形作用的影響使其到達(dá)新鄉(xiāng)西部時，氣團進一步變干，由于干空氣升溫快，使得新鄉(xiāng)西部的地表溫度更容易達(dá)到對流溫度。2016年6月4日19：00地面綜合分析圖見圖4。從上述分析可以得出，新鄉(xiāng)西部的高溫、高濕中心為局地暴雨、冰雹的產(chǎn)生提供了較好的局地?zé)崃l件，氣團內(nèi)部的熱力渦度、地面氣旋性輻合和干線對局地暴雨伴冰雹天氣起到了觸發(fā)作用。

4 局地暴雨伴冰雹天氣分析

4.1 探空資料分析

從4日08：00鄭州探空資料（見圖5）計算的層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)來看，對流有效位能CAPE值為2.1J/kg，大氣層結(jié)相對穩(wěn)定。用14：00新鄉(xiāng)地區(qū)的溫度和露點訂正后的探空圖中（見圖6），CAPE值達(dá)1 447J/kg，K指數(shù)為26.6℃，與08：00相比，CAPE值有明顯漲幅，表明氣團內(nèi)部具備較強的熱力不穩(wěn)定條件，大氣層結(jié)的不穩(wěn)定性得到較大發(fā)展。另外，ΔT850-500達(dá)26℃，0～6km的垂直風(fēng)切變?yōu)?4.49m/s，大氣可降水量較大，達(dá)30.9mm。對流溫度為31.5℃，14：00新鄉(xiāng)地區(qū)地面平均溫度為30℃，白天太陽輻射加熱邊界層使得14：00新鄉(xiāng)地區(qū)地面溫度基本達(dá)到對流溫度，也即沒有其他動力抬升作用下，暖濕氣團也可以從地面自由抬升。從探空資料還可看出，0℃層高度為4.1km，較強的對流不穩(wěn)定和適宜的0℃和-20℃層高度的位置為降雹提供了有利的環(huán)境條件。從14：00訂正探空圖還可以看出，露點較大的濕層從地面擴展到850hPa，較好的水汽條件和大的對流有效位能意味著在降冰雹的同時，出現(xiàn)短時強降水的可能性也較大。到20：00，CAPE值、K指數(shù)、0℃層高度數(shù)值均未發(fā)生較大變化，說明午后至傍晚強對流潛勢呈穩(wěn)定維持的狀態(tài)，強天氣威脅指數(shù)SWEAT為238.2，這些指數(shù)的加強為強對流天氣的出現(xiàn)提供了有利條件。對比《河南省天氣預(yù)報技術(shù)手冊》[15]中華北低渦型物理量指標(biāo)，本次過程中的一些物理量并未達(dá)到閾值，這可能是造成此次強對流過程并未發(fā)展成大范圍強降水伴冰雹天氣，而是局地降雹的原因之一。

4.2 動力條件

垂直運動的分析判斷在天氣分析預(yù)報中有著特殊的作用。大尺度垂直運動的分布決定了大范圍天氣現(xiàn)象的分布，大氣中發(fā)生的熱量和動量的垂直輸送及位能與動能之間的相互轉(zhuǎn)換等，都與垂直運動有密切關(guān)系。因此，加強對相關(guān)天氣過程中垂直速度的分析，可以了解大氣中熱量與動量的垂直輸送情況。

從強對流區(qū)域上空垂直運動隨時間連續(xù)演變來看，上升氣流位置及強度的變化很好地對應(yīng)了強對流過程的發(fā)生與發(fā)展。從強對流中心（35°N，114°E）作垂直運動的緯向剖面圖（見圖7）可以看出，4日08：00至14：00，強對流中心東側(cè)上有一個較弱的上升運動區(qū)發(fā)展，期間新鄉(xiāng)地區(qū)無天氣過程發(fā)生。到20：00，新鄉(xiāng)西部地區(qū)上空上升運動得到快速發(fā)展，特別是低層垂直運動得到了明顯加強，存在一明顯的垂直上升運動大值區(qū)，最大值達(dá)-1.4Pa/s，與短時強降水、大風(fēng)及冰雹出現(xiàn)的時段有很好的對應(yīng)關(guān)系。

從圖8可以看出，散度的分布特征為：600hPa為無輻散層，600hPa之上為輻散，以下為輻合，散度的負(fù)值最小層（輻合最強層）是邊界層的925hPa層，最小值達(dá)到-4（×10-5s-1）。925～600hPa輻合漸弱，600～200hPa輻散漸強，即由低層到高層散度值是增大的。與垂直上升運動對應(yīng)，低層輻合高層輻散，有利于垂直上升運動的發(fā)展加強。

4.3 水汽條件

對流天氣的能量來源主要來自于不穩(wěn)定能量的釋放和水汽凝結(jié)后的潛熱釋放，因此，強對流的產(chǎn)生和維持需要充分的水汽供應(yīng)。夏季西北氣流形勢下，通常沒有水汽輸送，出現(xiàn)的強對流天氣多以短時強降水、局地伴有雷電大風(fēng)和冰雹等為主，雨量分布不均。從850hPa比濕時間序列圖（見圖9）可以看出，4日02：00到5日08：00之間，新鄉(xiāng)地區(qū)的比濕始終在10g/kg之上。暴雨期間，比濕為11.5g/kg，達(dá)到了河南出現(xiàn)暴雨的臨界指標(biāo)值。一般情況下，西北氣流形勢下無水汽輸送通道，水汽條件相對較差，不利于降水，而本次過程6月4日08：00，空氣中水汽條件較好，午后輻射增溫，地面暖濕空氣上升，使邊界層水汽含量進一步加大。由此可見，在夏季沒有水汽輸送的情況下，空氣中的水汽含量足夠大，甚至可能隨著地面輻射增溫使邊界層水汽進一步增加，從而變成有利的降水條件。綜上所述，6月4日08：00到14：00 CAPE值顯著增加，較高的水汽含量，為暴雨伴隨冰雹強對流過程提供了充分的不穩(wěn)定能量和水汽條件。

5 多普勒雷達(dá)觀測資料分析

5.1 對流風(fēng)暴的發(fā)展和演變

從濮陽新一代雷達(dá)回波看，2016年6月4日傍晚到夜里，新鄉(xiāng)地區(qū)的強對流天氣過程主要表現(xiàn)為三個階段。16：00山西長治南北側(cè)各有塊狀回波生成，向東南方移動，經(jīng)過短暫的合并后，由于受到地形作用的影響，再次分裂成兩塊回波，其中一塊繼續(xù)向東移動至鶴壁境內(nèi)后逐漸減弱消散，另一塊回波A，17：09移入新鄉(xiāng)市輝縣境內(nèi)，強度進一步加強，達(dá)55dBZ。其后側(cè)不斷有對流單體新生、發(fā)展、合并，在長治地區(qū)形成回波B。A回波繼續(xù)向東南方移動，經(jīng)輝縣北部、衛(wèi)輝等地區(qū)后快速減弱消散；在此過程中，B回波不斷向東南方移動并加強進入輝縣地區(qū)，同時C回波在高平北部生成。B回波移到輝縣中部時回波強度達(dá)到最強，為65dBZ，相應(yīng)的，該地區(qū)出現(xiàn)了雷電、冰雹等強對流天氣。C回波移動至新鄉(xiāng)地區(qū)的過程中，不斷有新的風(fēng)暴單體產(chǎn)生，并快速合并，由先前的塊狀回波發(fā)展成片狀回波，且范圍不斷擴大，20：48至23：00，獲嘉、新鄉(xiāng)和衛(wèi)輝地區(qū)受該回波的影響，出現(xiàn)了不同程度的短時強降水，C回波于6月5日02：00移出新鄉(xiāng)地區(qū)。這三個階段對應(yīng)的回波各有特點，A回波發(fā)展迅速，移動較快，過程中產(chǎn)生陣性降水；B回波在山西南部生成后，在向新鄉(xiāng)地區(qū)移動的過程中，強度不斷加強，形成較強的風(fēng)暴單體，雖然沒有新的單體與其合并，但一直維持著高強度，容易產(chǎn)生局地性的強對流天氣；C回波屬于典型的對流單體，在移動過程中，不斷激發(fā)出新的單體，經(jīng)過合并后形成有組織的片狀回波，在新鄉(xiāng)上空持續(xù)時間較長，帶來了短時強降水等強對流天氣。圖10至圖12展示了三個階段的演變過程。

5.2 局地冰雹回波結(jié)構(gòu)及其演變特征

現(xiàn)在單獨對在新鄉(xiāng)輝縣產(chǎn)生冰雹過程的B回波進行討論，對B回波進行剖面分析。從圖13可以看出，該風(fēng)暴16：39在山西南部生成，隨后隨著引導(dǎo)風(fēng)向西移動。18：53進入新鄉(xiāng)輝縣境內(nèi)時，已發(fā)展為超級單體，且強回波中心（>60dBZ）高度擴展至7.2km左右，與-20℃等溫線高度基本一致。至19：29，B回波在基本反射率上表現(xiàn)出三體散射特征，同時在剖面圖上具有弱的BWER特征。這些都表明該回波具有產(chǎn)生大冰雹的可能性，與降雹實況吻合。19：41移出輝縣地區(qū)繼續(xù)向西移動并逐漸減弱消散。

6 小結(jié)與討論

2016年6月4日新鄉(xiāng)地區(qū)的這次強對流天氣是一次華北冷渦作用下的強對流天氣過程。

①高空冷平流低層暖中心，形成上干冷下暖濕的大氣層結(jié)條件下，太行山的地形作用使得氣團過山之后進一步變干，對流作用加強，加劇了大氣層結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，氣團內(nèi)部的熱力渦度、地面氣旋性輻合和干線對局地暴雨伴冰雹天氣起到了觸發(fā)作用。

②從6月4日08：00的探空圖和14：00訂正后的探空圖可知，CAPE值有明顯漲幅，不穩(wěn)定能量增加，濕層從地面延伸至850hPa，濕層深厚，有良好的水汽條件，較好的水汽條件和對流有效位能是造成這次強對流天氣的主要條件；0℃和-20℃層分別在4km和7km左右，為降雹提供了良好的環(huán)境條件。

③強對流發(fā)生之前，垂直上升運動不斷發(fā)展并增強，在20：00，強對流發(fā)生時段達(dá)到最大值，過程結(jié)束后垂直上升運動減弱，與短時強降水，大風(fēng)及冰雹出現(xiàn)的時段有很好的對應(yīng)關(guān)系；散度變現(xiàn)為低層輻合、高層輻散，有利于上升運動發(fā)展。空氣中比濕一直維持在一個較高水平，總體在10g/kg以上，本次過程沒有水汽輸送，但在午后地面輻射作用下暖濕空氣上升，使邊界層水汽含量進一步增加，午后輻射增溫地面暖濕空氣上升使邊界層水汽含量進一步加大，提供了有利的降水水汽條件。

④通過雷達(dá)分析可知，B回波發(fā)展移動至輝縣地區(qū)時回波中心（>60dBZ）高度擴展至7.2km左右，與-20℃等溫線高度基本一致，在基本反射率上表現(xiàn)出三體散射特征，三體散射特征的出現(xiàn)對確定發(fā)生降雹天氣有指示意義。

⑤與河南省強對流發(fā)生指標(biāo)對比發(fā)現(xiàn)，本次過程中的一些物理量并未達(dá)到閾值，這可能是造成此次強對流過程是一個局地的降雹現(xiàn)象而非一個大范圍強降水伴隨冰雹天氣的原因之一。此外，不同地區(qū)之間各個指標(biāo)也稍有差別，大范圍的指標(biāo)具有一定的參考意義，但應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r總結(jié)出一套更精確和適用于當(dāng)?shù)氐闹笜?biāo)。

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