多源探測資料在一次冰雹天氣分析中的綜合應用

任賽賽 梁寶元 陳艷真

(1.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；2.福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350001)

1 概述

冰雹是莆田市春季重要災害性天氣之一，由于強對流天氣具有局地性強、生命史短、天氣變化劇烈等特點，預報難度較大。常規觀測站點分布稀疏、時間間隔長，用于分析強對流天氣的時空分辨率不足[1]。近年來，福建省進行了區域自動站、風廓線及多普勒天氣雷達工程建設。目前這些系統已經可以提供不同種類的較高時空分辨率的實時觀測資料，為監測和研究強對流天氣提供了較好基礎。曾瑾瑜等研究發現，風廓線雷達對天氣發展趨勢提供可靠的指示作用[2]。黃治勇等探討了風廓線雷達和地基微波輻射計在冰雹天氣監測中的應用[3]。徐亞欽等對強對流個例分析后發現，輻合線區域的輻合效果可以很大程度上反映出回波的發展趨勢[4]。

2019年4月25日午后到傍晚，福建省莆田市部分鄉鎮出現一次強對流天氣，以冰雹和雷暴天氣為主。16∶30左右,秀嶼區埭頭鎮、南日鎮出現冰雹，最大像湯圓一般。秀嶼埭頭鎮瞬時極大風速27m/s(10級，出現時間16～17時)。此次強對流過程降水量不大，全市僅5個區域自動站出現短時強降水，占統計總數的4%。本文利用Ncep1°×1°再分析資料和探空資料對這次冰雹過程進行大尺度環流背景、環境熱動力、水汽條件診斷分析，利用風廓線雷達、地面加密自動站資料和多普勒雷達對這次過程的中尺度特征、觸發機制進行了分析，為多源探測資料在冰雹天氣分析中的應用積累經驗，提高此類天氣過程的預報準確率。

2 環流背景和主要影響系統

由中尺度分析圖1a可以看出，此次冰雹過程4月25日08時,200hpa福建省位于高空急流入口區的右側輻散區內，輻散抽吸作用有助于上升運動的發展維持。500hPa處槽前西南氣流中，700hPa、850hPa和925hPa三層均有切變線位于閩贛地區。低層切變線位置接近斜壓性強，加劇了抬升運動。700hPa和500hPa大于16m/s和20m/s的西南急流穿過福建，急流軸緊靠。低槽切變東移南壓過程中非常有利于強對流天氣發生發展[5]。中北部地區T850-500>25℃，中層干冷，低層暖濕的層結配置易造成大氣層結不穩定。午后，850hPa、925hPa切變線東移至福建中部，福州多個縣區出現對流天氣。從14時地面圖1b可見，地面冷空氣受福建山脈影響，分為東西兩路南下，西路從內陸南下，東路從浙江沿海擴散，閩中南處于中尺度熱低壓中，地面升溫明顯，出現氣溫32°C的暖中心。在福建中北部形成溫度鋒區，有利于不穩定天氣產生。同時中北部有地面輻合線生成(詳見本文4.2節)，在其觸發下出現了冰雹等強對流天氣。

綜合分析，這次冰雹天氣發生在500hPa低槽快速東移和地面弱冷空氣南下影響的過程中。中低層切變線、高低空急流及地面輻合線提供了動力抬升條件，中層干冷、低層暖濕的層結配置易造成大氣層結不穩定，有利于冰雹發生。

(a)2019年4月25日08時綜合分析圖 (圖中黑色實線為地面氣壓，紅色虛線為氣溫)(b)2019年4月25日14時地面氣壓、氣溫圖

3 冰雹過程的成因分析

3.1 0℃層和-20℃層高度分析

一般來說,0℃等溫線和-20℃等溫線之間的區域主要是由過冷水滴、雪花及冰晶組成，這個區域是冰雹生成的“雹源區”[6]。若0℃、-20℃等特性層高度太高，雹胚不易形成或生長。25日08時福州的0℃層高度為4608.5m，-20℃層高度為7530m，符合福建省單站降雹指標(0℃高度在580～620hPa，-20℃高度在380～420hPa)，適宜的0℃層和-20℃層高度是此次冰雹生長的重要環境條件[6]。

3.2 物理量診斷分析

3.2.1 熱力不穩定條件

用來衡量熱力不穩定大小的最佳參量是對流有效位能(CAPE)。對流有效位能(CAPE)是氣塊在給定環境中絕熱上升時的正浮力所產生的能量的垂直積分，是風暴潛在強度的一個重要指標。最有利抬升指數(BLI)用來指示大氣層結穩定度，BLI<0時，大氣層結不穩定，且負值越大，不穩定程度越大。25日08時顯示，閩粵贛地區的BLI為負值(圖2)，表明氣層是不穩定的。其中福建中北部沿海為最有利抬升指數的大值區，最小值低于-7℃，位于福州中部，氣層非常不穩定。同時該地區也是CAPE值的高值區，福州中部的對流有效位能超過2000J/kg。實況25日中午前后，福州閩侯、永泰、晉安區部分鎮(街)出現冰雹天氣。午后輻射升溫明顯，CAPE值積累加大，高值區達2400J/kg以上。14時，伴隨低層切變線南移，CAPE值和BLI極值區東移南壓到福州到莆田中北部沿海，14∶57,福清出現冰雹。16∶30,冰雹發生在莆田埭頭鎮、南日鎮。冰雹發生在CAPE值和BLI極值區。20時冰雹發生后，最有利抬升指數增加到-3，說明大氣層結趨于穩定。CAPE值減小到1000以下。冰雹落區最有利抬升指數先減小再增加，CAPE值先增加再減小。

通過上述對熱力條件分析可知，冰雹落區和BLI及CAPE值大值區對應較好。冰雹發生前期有強的不穩定層結，過程結束后層結趨于穩定。CAPE值表現出明顯的積累和釋放，預示冰雹天氣的發生、發展和結束。

(a)2019年4月25日08時CAPE與BLI指數 (b)2019年4月25日14時CAPE與BLI指數

3.2.2 對流性不穩定

假相當位溫反映了大氣的溫濕狀況，其水平分布和垂直分布可以分析大氣中的能量分布、垂直穩定度狀況和大氣斜壓性。當它在大氣中的垂直分布是隨高度向上減少時，大氣處于對流不穩定狀態[7]。

沿25.5°N做假相當位溫的剖面，從其演變圖可以看出(圖3黑色線)，25日08時，θse高值區位于800hPa以下，119～121°E之間。高中心兩側為兩個相對低值區，西低值區位于800～400hPa，對應中層槽，低值中心達到332K，前沿擴展到118°E上空。東低值區對應東路冷空氣，中心達到328K，從700hPa向下向西影響到122°E 。說明中層和近地層有干冷空氣擴散，08時尚未影響到118.5～120°E(冰雹落區)。14時中層槽東移，西部θse低值中心332K等值線向東伸展到121°E(福建東部沿海)，說明中層有干冷空氣向雹區上空擴散。在119～122°E ，從地面到700hPa 有自東向西傾斜上升的鋒區(θse密集區)，θse高值區上疊加低值區，冰雹落區θse隨高度升高迅速降低，導致大氣對流性不穩定增強，儲存大量不穩定能量。隨著東路冷空氣南下，東部θse低值中心向下伸展到近地面121°E附近，促使不穩定能量釋放，產生冰雹天氣。

3.2.3 動力和水汽條件

強烈的上升運動是強對流、暴雨產生的必要動力條件。對垂直速度沿25.5°N做緯向剖面，從其演變圖可以看出(圖3紅色線)，4月25日08時垂直速度強中心位于116°E，對應此時三明南平的強對流天氣。伴隨高空槽和低層切變東移，14時上升運動區東移到118°～121°E，中心位于119～120°E(雹區上空)。上升運動一直延伸到150hPa附近，有兩個上升運動中心，一個在119°E處850hPa，其值為-0.9Pa/s；另一個在120°E處700hPa，值為-0.9Pa/s。實況13～17時福州、莆田部分鄉鎮出現冰雹天氣。冰雹結束后25日20時，福建地區500hPa以下轉為弱下沉運動。雖然天氣尺度的垂直速度不能反映中尺度對流系統中的垂直速度，但可以體現系統垂直速度的變化趨勢[8]。冰雹發生在上升運動區內，垂直速度中心值的出現對冰雹的出現有指示作用。過程結束后中低層出現下沉氣流。

低層有適當的水汽供應是降雹的重要條件之一[3]。相對濕度的分布可以表示空氣的飽和程度，這個量在各種數值預報中都能很直觀的看到，應用起來簡捷方便，對預報有很好的指示作用(圖3填色部分)。4月25日08時119～120°E僅850 hPa以下相對濕度超過80%，700～400hPa相對濕度<70%。低層濕中層干的配置易出現強對流性天氣。午后低層增溫增濕，14時地面至700hPa有濕舌從122°E 斜伸到119°E，和08時對比，低層濕層厚度加大。形成地面～700hPa濕，中層干的結構。中層較干也是這次冰雹天氣未伴隨明顯短時強降水的原因之一。冰雹發生前相對濕度的垂直分布對產生冰雹有指示意義。

(a)08時 (b)14時圖3 2019年4月25日08時、14時沿25.5°N假相當位溫、相對濕度及垂直速度的垂直剖面

4 中尺度系統分析

對環流形勢、高低空系統配置和物理量變化的分析可知，冰雹發生前具備了有利強對流發生的天氣形勢背景。由于常規資料時空分辨率較低，不能對雹暴系統進行準確分析。下面運用多種非常規探測資料對其進行中尺度分析。

4.1 風廓線雷達資料分析

4.1.1 水平風資料分析

分析925hPa風廓線雷達水平風資料(圖4)可見，4月25日11∶48，羅源由西南風轉為穩定的偏西到西北風，其南部的福清為偏南風(4m/s)，兩支氣流交匯在福州中部，形成強烈的氣流輻合區。連江站13時10分出現直徑4cm的冰雹。14∶30，福清轉偏北風，平潭此時為西南風，偏北風和西南風的輻合南壓到福州南部。福清14∶57出現小冰雹。16∶12，平潭轉西北風(8m/s)，16∶18，秀嶼東嶠轉偏東風，輻合線位于莆田沿海；16∶30，莆田埭頭鎮、南日鎮出現冰雹。850hPa風廓線雷達水平風資料也有類似的特征，表明低層有輻合上升運動，為冰雹發生提供了有利的動力條件。17∶06，低層切變線東移入海，強對流天氣結束。

風廓線雷達具有很高的時空分辨率，能夠連續探測頻率每6分鐘高空風向風速的變化，可以判斷切變線或輻合線的移動、強度和過境時間，對預報冰雹過程有一定提前量。

從圖5可以看出，14∶00～15∶12，400～3000m高度出現較強西南低空急流，急流中心速度維持在16～20m/s。15∶18,200m高度出現12m/s 的超低空急流，西南急流已經擴展到近地面。急流一方面提供了低層水汽和能量輸送，一方面加大了低層輻合和垂直風切變，有利于對流的發展。15∶48開始，3200m高度上出現西北風，風速達到18m/s，說明中層存在冷空氣侵入，隨后冷空氣向低層擴散，16∶12擴散到1500m高度。同時低層為西南暖濕氣流控制，冷平流入侵促使對流不穩定度加大，16∶30，莆田沿海產生冰雹。

(a)11時48分 (b)14時30分

(c)16時18分 (d)17時6分圖4 風廓線雷達水平風

圖5 2019年4月25日14～17時莆田秀嶼站風廓線雷達風羽圖

4.1.2 垂直風切變

龍卷、冰雹、雷暴大風一般在低空強烈的垂直切變環境中產生，中低層垂直風切變已經作為判斷有利于冰雹天氣發生的關鍵因子之一。本文基于秀嶼風廓線雷達數據計算冰雹過程前后0～3km和0～6km垂直風切變，公式如下[9]：

式中，V1為下層風速，V2為上層風速，D為上下層的風向差。

冰雹發生前14∶30～14∶54,0～3km和0～6km的垂直風切變變化不大，維持在13.5、24m/s左右,為強切變。15時，|ΔV|開始增加，在15∶30(冰雹發生前1小時)左右達到極值。0～3km|ΔV|增至17.9 m/s，增加32.6%；0～6km|ΔV|增至28.1 m/s，增加17.1%。|ΔV|增大主要是由高低層風速差增大所致。16∶00～16∶48數據缺失，可能是有中小尺度系統過境。17∶00冰雹結束后，上下層轉為北風，|ΔV|降低。由此可見，冰雹發生前環境場垂直風切變增強，有利于對流風暴的加強和維持。中低層增強的垂直風切變在臨近時刻對冰雹的觸發有重要作用[10]。此次過程低空垂直風切變(0～3km)變化更明顯，更具有指示意義。

圖6 莆田秀嶼風廓線雷達不同高度垂直風切變

4.2 地面中尺度輻合線演變特征

地面輻合線可能是天氣尺度或中尺度天氣系統在邊界層內的一種體現，對強對流的發生過程中起到抬升觸發作用和對流系統組織作用[10]。福建省地面自動站具有覆蓋全省的觀測能力，為監測中小尺度天氣系統演變提供了分鐘級的精細觀測資料。25日12∶35，泉州雷達組合反射率強回波位于福州中北部，通過對地面加密自動站2min風場資料的分析發現，其前沿存在中尺度輻合線。此時輻合線位于地面溫度和濕度鋒區(圖7a、7b)，觸發不穩定能量釋放。其北側為偏北風、南側為偏東風和西南風，兩種不同性質氣流的匯合增強了地面的輻合抬升，同時使該區域變得不穩定，有利于新的對流風暴生成。30分鐘后，13∶05組合反射率圖上帶狀回波與12∶35地面輻合線位置一致(圖7a)，中心強度達50～60dBz，冰雹主要在強回波中心(福州連江、晉安區、閩侯和永泰)產生。隨著冷空氣南下，13∶55，地面輻合線南移到福州東南部，與60min后的帶狀回波位置較為對應(圖7c)。福清在14∶57發生冰雹天氣。15∶50，輻合線主要位于莆田沿海(圖7d)，16∶00起，輻合線兩側站點西北風、西南風均有增強，輻合加強。16∶05(圖8)，北側站點(58958)西北風風速8.3m/s，南側站點(F4322)西南風增強到9.1m/s，地面輻合線增強維持到16∶15，16∶30左右，莆田沿海出現湯圓大小冰雹。16∶20后，沿海風向轉變，風速減小，地面輻合線減弱消失，對應冰雹過程較快結束。因此，地面中尺度輻合線是本次冰雹過程的直接觸發機制，對流在中尺度輻合線處發展加強，對未來回波的發生、發展和移動方向有重要的指示意義，強回波出現在輻合線形成后0.5～1h。

圖7 (a)、(c)、(d)加密自動站2分鐘風場疊加雷達組合反射率產品(b)4月25日13時相對濕度和最高氣溫

圖8 加密自動站2分鐘風向風速時間序列圖(N為北側站點，S為南側站點)

4.3 雷達產品特征分析

這次冰雹期間，利用泉州雷達觀察到“旁瓣回波”現象(圖略)，16∶03在3.4°仰角觀測到旁瓣回波，16∶13在2.4°仰角觀測到旁瓣回波。由散射現象造成的虛假回波的出現，說明極有可能有大于2cm的冰雹出現[11]。

對16時40分莆田南日鎮基本反射率因子做垂直剖面(圖9)，50dBz以上回波向上擴展到7.5km以上，質心高，超過-20℃層的高度。同時強回波柱出現明顯前傾，高層的強反射率因子還處于低層反射率因子的弱回波區上，說明此時風暴單體內的上升氣流強盛。雷達反射率因子垂直剖面圖產品展現了回波隨高度前傾、低層弱回波區等典型的冰雹結構特征。

圖9 4月25日16時40分泉州雷達反射率因子垂直剖面

用泉州雷達分析莆田埭頭鎮冰雹的風暴結構趨勢演變(圖10)。降雹前出現VIL“躍增”現象，由15∶47的28kg· m-2增到15∶57的58kg· m-2，即10分鐘躍增30kg· m-2；16∶08，VIL達到最大(63kg· m-2)；降雹過程結束后，VIL迅速減小到5kg· m-2。VIL值的躍增，可以反映冰雹粒子在生長區碰撞并長大的事實，反映了雹云已處醞釀之中。因此，VIL值的變化可以很好地預測降雹的可能性。POSH(強冰雹概率)和POH(任意冰雹概率)在15∶37首次出現100%的概率，維持到16∶24。最大反射率因子所在高度在從15∶47的3km升到16∶08的6.1km，此后下降到16∶19的不足3km。16∶08～16∶19，VIL、最大反射率因子和質心高度也有緩慢下降，此時冰雹開始下落。

圖10 風暴結構趨勢時間演變

5 結論

本文利用常規觀測資料、NCEP再分析資料和多種加密觀測資料(區域自動站、雷達觀測、風廓線等)分析2019年4月25日發生在福建中部沿海的冰雹天氣過程的發生機制，得到以下結論。

①常規觀測資料分析表明，500hPa低槽、低層切變線和地面冷空氣是冰雹發生的主要影響系統，大氣低層暖濕、中高層干冷的對流不穩定層結是冰雹發生的環境條件，地面冷空氣和輻合線是冰雹的觸發條件。

②用NCEP再分析資料可以得到與冰雹發生區域對應較好的對流不穩定條件和熱動力條件及其演變特征。對流不穩定特征包括最有利抬升指數BLI負值區、CAPE大值區、θse鋒區和θse下低上高等，冰雹發生前期以上不穩定層結條件加劇，過程結束后層結條件減弱。CAPE值表現出明顯的積累和釋放。冰雹發生前大氣有高的對流性不穩定，地面到700hPa 有斜升的鋒區(θse密集區)，θse高值區上疊加中層低值區，導致大氣對流性不穩定增強，儲存大量不穩定能量。

③風廓線雷達水平風資料可以很好反映有利冰雹發生的低空急流、中高層冷平流和強的垂直風切等風場特征。降雹前1小時出現超低空西南風急流，提供低層水汽和能量，加大低層輻合和垂直風切；降雹發生前中層出現西北風并開始向低層擴散到1500m高度，表明冷平流入侵及對流不穩定度加大；秀嶼風廓線雷達反演的垂直風切變說明，降雹前0～3km和0～6km均維持強切變，其中，中低空垂直風切變(0～3km)變化更明顯，更具有指示意義。垂直風切值在冰雹發生前1h左右達到極值，冰雹結束后風切變值降低，且上下均為西北風。

④雷達反射率因子和區域自動站資料分析表明，輻合線對未來對流的發生、發展和移動方向有重要的指示意義，強回波出現在地面中尺度輻合線形成后0.5～1h。

⑤雷達回波具有回波隨高度前傾、低層弱回波區等典型的冰雹結構特征。風暴結構趨勢產品有較好的參考價值。

⑥形勢場結合物理量場預示有出現冰雹天氣的可能性，對雷達資料和上游天氣實況的跟蹤分析非常重要，以便及時發現天氣變化，做好臨近預報和預警服務工作。