2017年早春濮陽市一次冰雹過程診斷分析

王春玲，崔 力，杜麗婭，劉 偉，王 聰

(濮陽市氣象局，河南濮陽 457000)

冰雹是一種嚴重的災害性天氣，常和雷暴大風、短時強降水等相伴出現，因發生迅速、強度大、致災性強、預報預警難度大，備受氣象工作者的重視。許多氣象科研工作者[1-5]對冰雹產生的機理進行了研究，但地域、發生季節不同，形成機理也有差異。濮陽地區4月出現的冰雹個例很少，也沒有更多針對4月冰雹的預報指標，因此有必要加強分析與積累此類個例。利用常規高空、地面氣象資料，鄭州站探空訂正資料，濮陽氣象站實況資料，濮陽和鄭州新一代多普勒雷達資料等，對2017年4月13日下午發生在濮陽市的一次雷暴大風、冰雹等強對流天氣過程進行綜合分析，尋找其產生的機制，得到一些經驗指標，為今后此類天氣的預報提供參考依據。

1 過程概況

2017年4月13日近17時，濮陽市自西向東先后出現了瞬時風速達8～9級的雷暴大風、局地冰雹天氣。過程降水量不足20 mm，冰雹主要出現在濮陽市區和濮陽縣境內，直徑達2～3 cm，早春時節出現如此強烈的強對流天氣，實屬罕見。濮陽市所轄管的5縣測站降水、大風實況見表1。

表1 2017-04-13濮陽市各縣降水、大風實況

2 大尺度環流背景與影響系統

2.1 大尺度環流背景

13日08時500 hPa等壓面(圖略)上，歐亞地區中高緯度為一槽一脊，環流經向度較大，低槽位于140 °E附近，高壓脊位于烏拉爾山到我國新疆地區，脊前多下滑槽東移南下影響我國大部地區。

2.2 影響系統

13日08時高空和14時地面綜合分析圖(圖1，圖見第33頁)上，中低層在河套西北部有下滑槽，槽后有冷平流，有利于低槽發展。河套以東到山西東部也有一低槽，槽線相距較近，說明系統深厚。850 hPa等壓面上，山西東部為低槽，槽前有一支8～10 m/s的西南風顯著風速帶，低層有暖濕氣流向華北輸送，華北地區為暖脊，濮陽處于山西槽前顯著風速帶上，受12 ℃暖中心控制。陜西、山西為t-td≤5 ℃的濕區，河北和河南大部為t-td≥15 ℃的干區，山西東南部有露點鋒存在。700 hPa等壓面上，山西、河北中南部、河南北部為t-td≤6 ℃的濕區，陜西中部為t-td>14 ℃的干區，與850 hPa的干濕區錯位疊加，在山西中南部有露點鋒存在，說明低層在水平和垂直方向上干濕分布極不均勻，大氣極不穩定，易引發對流。500 hPa等壓面上，華北地區為-23 ℃的冷中心，疊加在850 hPa 12 ℃暖中心之上。高層冷平流、低層暖平流導致溫度垂直遞減率很大，850 hPa與500 hPa的溫度差在33 ℃以上，其中邢臺站高達35 ℃，濮陽處在極不穩定區，易出現成片雷暴[6]。甘肅到河南西部有20 m/s以上的西北風中空急流，甘肅省內有24 m/s以上的西北風中空急流軸，有利于雷暴大風天氣的發生發展[7]。200 hPa等壓面上，陜西南部、河南南部到安徽西部有風速達80 m/s的偏西風急流核。該急流核與500 hPa 24 m/s的西北風急流交叉匯合于河南西部，濮陽處于急流匯合點的東北方約3個緯度處，同時位于200 hPa高空急流核出口區左側的輻散區。高空輻散、中低層輻合的有利形勢，引起強烈的上升運動[1]，有利于上升氣流和對流云的維持和加強[7]。

地面圖上，蒙古低壓南伸至我國湖北一帶。在低壓控制區中，中蒙邊境到河套西北部和河北東部到山西南部分別有一條地面輻合線。隨著低壓的發展，輻合線加強并東移南壓，南壓過程中所形成的強烈輻合抬升是強風暴發生的動力觸發機制[2]。

綜上分析，在高空系統東移南壓過程中，河套西北部的下滑槽與河套以東的低槽合并加強東移，槽前暖平流產生的輻合上升運動增加了大氣的不穩定性，增強了輻合上升運動。地面蒙古低壓南下過程中低壓槽發展，地面輻合線加強，增強了動力抬升作用，觸發了13日下午的強對流天氣。

3 層結分析

用濮陽站13日14時氣溫和露點溫度訂正鄭州13日08時探空圖(圖2，圖見第33頁)。從圖2可以看出，露點曲線與層結曲線呈現“上干冷、下暖濕”的不穩定特征。濕對流有效位能CAPE值由08時的61.6 J/kg增大到453 J/kg，而對流抑制有效位能CIN卻由08時的481.6 J/kg減小到102 J/kg，發生強對流天氣的潛勢增大。θse(850-500)為 0.4 ℃，說明存在濕對流不穩定，對流抬升指數LI為-2.4 ℃，有利于對流抬升。0～2 km的垂直風切變為6 m/s，0～6 km的垂直風切變為17.31 m/s，屬于中等以上強度，有利于強對流風暴的組織發展[3]。抬升凝結高度在929 hPa，有利于對流產生。0 ℃層高度為2.864 km，-20 ℃層高度為5.534 km，高度偏低，這可能是因為4月氣溫低的緣故。850～500 hPa的溫度垂直遞減率為-0.84×10-2℃/m，大于正常大氣的溫度垂直遞減率，存在發生強對流天氣的潛勢。

本次過程各項物理量顯示，最有利于冰雹發生的條件是0～2 km和0～6 km較大的垂直風切變和850 ～500 hPa較大的溫度垂直遞減率。

4 雷達回波特征

4.1 組合反射率因子和徑向速度

分析4月13日濮陽雷達組合反射率因子變化特征發現，在雷達探測范圍內，12時之前濮陽上游無雷達回波；12時之后，由于氣溫升高，對流加強，加上太行山地形的抬升作用，在山西省南部(長治附近)到河南省西北部(林縣、安陽縣西部、鶴壁等地)不斷有回波生成，回波在東移的過程中，面積增大、強度增強，迅速發展為對流單體。

由于500、700 hPa低槽靠近河南北部，槽前暖濕氣流輻合上升，與地面輻合線的抬升作用相配合，在濮陽本地不斷有新回波生成。16:59(圖3，圖見第34頁)上游回波東移與內黃、濮陽市西部生成的回波合并，形成塊狀多單體回波，回波強度最大值為63 dBz，分別位于內黃南部和?？h東部。相應時刻組合反射率因子剖面圖上，濮陽雷達測站西南方20 km(內黃南部)附近回波頂高為11 km，≥50 dBz的強回波伸展到8.5 km，≥60 dBz的強回波質心距離地面0.5～2 km，強回波區隨高度向右傾斜，下方有弱回波區；在測站北方47 km的南樂附近≥60 dBz的強回波距離地面0.5～1.0 km，強回波質心接近地面。同時次0.5°仰角速度圖上，濮陽地區有超低空急流，-24 m/s的入流中心經過濮陽測站，此時位于濮陽市西部的濮陽縣、南樂、清豐、濮陽市區已經出現8級以上的瞬時雷暴大風。

位于浚縣東部的回波在向東北方向移動的過程中加強。17:17(圖略)反射率因子最大中心強度增大到65 dBz，且強度63 dBz以上的強回波維持了5個體掃，此階段應是雷暴云發展成熟時段，濮陽市區已經出現冰雹；對應剖面圖上，因為冰雹已經落地，≥50 dBz的強回波伸展高度降到7 km以下，≥60 dBz的回波質心已經觸及地面；同時次速度圖上，隨著回波向東南方向移動，在測站東南方向出現27 m/s的出流中心，它是由對流風暴中的下沉氣流到達地面時產生的強烈輻散[4]，此時濮陽大部風力已達9級。

之后，回波向東南移動過程中得到發展。17:59(圖4，圖見第34頁)濮陽縣境內的對流單體中心強度加強為63 dBz并維持了5個體掃；同時次剖面圖上，對流單體頂部又伸展到11 km，≥50 dBz的強回波伸展高度再次達到8 km以上，≥55 dBz的強回波中心高度在1～6 km；在0.5°、1.5°、2.4°仰角的速度圖上，17:23—18:36在濮陽市區、清豐縣、濮陽縣、范縣、臺前2 km以下多地出現速度徑向輻合、低空急流及27 m/s的大風區。其中，18:06—18:12在2.4°仰角速度圖顯示，濮陽縣慶祖鎮附近有-17 m/s和17 m/s的速度對，入流和出流中心相距不足10 km，維持了2個體掃，表現為弱中氣旋。速度圖上，在濮陽縣南部雷達自動識別有中氣旋，說明對流單體已經發展成為超級單體。此對流單體于18:49移出濮陽。

以上雷達回波(第1時段回波)是由多個對流單體發展成的弓形回波，回波經過濮陽市之后，在不穩定的環境大氣中，加之河套北部的低槽下滑有新的冷空氣補充，觸發了新生雷暴或者加強了已有雷暴[5]。第1時段雷達回波還沒全部移出濮陽市，新的雷達回波(第2時段回波)在上游地區又開始發展。18:24，湯陰南部有對流云塊生成發展東移，18:43形成弓形回波，中心強度達到58 dBz，位于內黃南部，回波前沿開始影響濮陽市西部。19:19(圖略)回波中心強度增強到63 dBz，位于濮陽縣境內，維持了三個體掃；對應時次組合反射率因子剖面圖上，最大回波頂高達13 km以上，≥50 dBz的強回波伸展高度達到9 km，≥60 dBz的強回波質心高度分別在1～2 km 和6～8 km，出現回波懸垂和弱回波區；同時次 0.5°仰角速度圖上，在濮陽縣中南部慶祖有-24 m/s和24 m/s的速度對，表現為低層經向輻合，濮陽市區、范縣也有弱的低層經向輻合，濮陽市區、濮陽縣、范縣出現了8～9級雷暴大風、局地冰雹。

19:31(圖略)回波中心強度進一步增強到65 dBz，位于濮陽縣中南部八公橋附近；對應時次剖面圖上≥50 dBz的回波伸展高度為8.5 km，≥60 dBz的強回波質心高度降低到0～1.5 km，觸及地面；同時次速度圖上在濮陽縣中南部有低層經向輻合，此地出現9級大風和冰雹。之后此對流單體向東南方向移動并減弱，于20:08移出濮陽。

4月13日的強對流天氣歷經了4 h(16：00—20：00)，過程中有2個時段雷達回波影響，濮陽市大部分地區出現了平均風力6～7級、陣風8～9級的雷暴大風和雷陣雨天氣，濮陽縣和濮陽市區的部分地區出現了直徑2～3 cm的冰雹。

圖1 2017-04-13T08 高空和14時地面綜合分析(文見第31頁2.2)

圖2 2017-04-13T08鄭州探空圖(用濮陽站14時氣溫和露點訂正，文見第31頁3)

4.2 垂直積分液態含水量

利用鄭州雷達資料，分析垂直積分液態含水量VIL演變特征。第1時段雷達回波剛生成時，VIL值不到30 kg/m2,之后增大，17:02和17:08兩個體掃雷達回波最強，達到 63 kg/m2；之后逐漸減弱，17:54減弱為33 kg/m2，18:00—18:17又加強為48 kg/m2，18:22開始減弱，隨后移出濮陽。第2時段回波剛生成時，VIL值不足5 kg/m2,之后增大，19:31和19:37兩個體掃VIL為53 kg/m2；之后逐漸減弱，19:48 VIL減弱為38 kg/m2，隨后移出濮陽。降冰雹前后的VIL值在50 kg/m2以上，最大值為63 kg/m2。

5 結論

(1)本次強對流天氣是在中低層低槽東移，地面輻合線南壓等大尺度系統影響背景下產生的；冰雹發生在低空西南暖濕氣流大風速帶左側邊緣、高空80 m/s偏西風急流核出口區左側、地面輻合線附近。

圖3 2017-04-13T16:59濮陽測站組合反射率因子、組合反射率因子剖面、徑向速度(圖中圓圈內為強回波中心，文見第32頁4.1)

圖4 2017-04-13T17:59 濮陽測站組合反射率因子、組合反射率因子剖面、徑向速度(圖中圓圈內為強回波中心，文見第32頁4.1)

(2)強對流發生前，華北地區850 hPa為暖脊，500 hPa為冷槽，形成了有利于強對流天氣發生的不穩定層結；850、700 hPa干濕區錯位疊加及露點鋒的存在，說明低層在水平和垂直方向上干濕分布極不均勻。

(3)鄭州站訂正探空顯示，中等以上強度的垂直風切變，有利于強對流風暴的組織發展，深層的垂直風切變構成了冰雹產生的有利環境條件。

(4)多普勒雷達探測顯示，組合反射率因子圖上對流單體中心強度達65 dBz，有超級單體生成；剖面圖上有弱回波區、回波懸垂出現，最大回波頂高13 km以上；速度圖上有低空和超低空急流、27 m/s的風速大值區、及低層徑向輻合、弱中氣旋等；垂直積分液態含水量達63 kg/m2。