福建省一次典型的冰雹大風強對流過程分析

陳偉明 張司琪

(1.延平區氣象局，福建 南平 353000；2.南平市氣象局，福建 南平 353000)

1 概述

受高空槽東移和低層切變線東移南壓影響，2016年4月26日(08時～08時)，南平、三明、龍巖三市先后出現大范圍的雷雨大風、短時強降水和冰雹等強對流天氣，并伴有強雷電。福建西部普遍出現8級以上大風(圖1b)，其中浦城水北鎮(14∶00～14∶05)最大風速達16級，這也是福建陸上大風的最高記錄。同時內陸多地出現冰雹，其中，浦城水北街鎮、松溪渭田、花橋、祖墩、舊縣、泰寧大田鄉在14∶00～14∶30出現最大直徑達3cm的冰雹，建寧、將樂、連城、長汀等地也出現冰雹天氣。龍巖、三明東南部和泉州西部地區出現暴雨、局地大暴雨并伴有短時強降水(圖1a)，最大日降水量(連城莒溪鄉)達146.8mm，最大小時降雨量達55.2mm(漳平基泰村)。強對流天氣給福建內陸地區造成較為嚴重的風雹災情。

本文利用常規加密氣象觀測資料、新一代天氣雷達資料、NCEP再分析資料，對2016年4月26日福建省內陸出現雷雨大風和冰雹等強對流天氣過程的物理機制、中尺度特征、雷達回波特征進行分析，總結此類具備經典的斜壓大氣結構下的強對流天氣特征指標。

2 天氣系統和物理量條件分析

受高空槽東移、低層切變線東移南壓影響，福建省內陸產生了大范圍的颮線大風和冰雹等強對流天氣。4月26日08時(圖2a)，500hPa和700hPa槽東移，引導冷空氣滲透南下，同時高空槽前的正渦度平流進一步加大低層的上升運動，850hPa切變位于江西西部，在切變南側存在西南風急流，最大風速達16m/s的急流軸位于江西中南部到福建西部一線附近；同時在福建省內陸有風速輻合，低層急流軸東傳過程中在其左前側有強的上升運動；925hPa切變線較850hPa切變位置偏南，在江西中部到福建北部之間；位于福建西北部的200hPa輻散區由北向南發展；福建西部、北部低層輻合和高層輻散明顯。500hPa干舌和850hPa濕舌都位于江西東部到福建西部，下濕、上干結構明顯；邵武08時探空K指數達37℃，0℃層高度在4.6km附近，-20℃層高度為7.8km，龍巖探空K指數達41℃，0℃層高度4.3km；26日08時850hPa暖平流加強發展，福建省處于冷鋒前地面倒槽暖區內，倒槽內有熱低壓生成，在熱力抬升作用下，在中尺度輻合線及負24小時變壓中心附近觸發產生了強對流天氣。較強的不穩定能量、下濕上干的垂直結構、合適的0℃和-20℃層高度有利于對流發展和冰雹產生。

4月26日14時，850hPa切變東伸到江西東部，低層西南風急流進一步東移進入我省且風速逐漸加強，最大風速中心達22m/s，福建內陸維持下濕上干和低層輻合高層輻散結構，中低層冷暖空氣強烈交匯，地面有明顯的溫度鋒區呈東北西南走向，溫度梯度達8～9度，颮線在溫度鋒區附近產生，在粵贛閩交界處出現暖低壓，動力和熱力條件進一步加強，有利于對流發展，在颮線前距離約80km處的熱低壓輻合區內激發出超級單體，產生了冰雹天氣。

4月26日20時(圖2b)，低層切變線南壓到福建西部和廣東北部，西南風急流隨之東移南壓到福建南部，強度略有所減弱，但最大風速仍維持在12m/s左右；500hPa有短波槽東移到廣東中北部，與850hPa切變線在垂直高度上形成前傾結構，200hPa輻散區繼續南壓到福建中南部；地面鋒區隨之東移，贛粵閩交界處暖低壓仍維持，龍巖探空K指數達38℃；福建下濕、上干結構逐漸消失，轉為整層都很濕，動力和熱力條件有利于我省南部持續性強降水的產生，但由于濕層高度擴展得不夠深厚,所以對形成大范圍的短時強降水不太有利。

3 雷達資料分析

2016年4月26日發生的強對流天氣過程可分為兩個階段，第一階段為午后對流回波合并增強越過武夷山脈后，迅速組織化加強為颮線并快速東移,觸發產生雷雨大風、冰雹等強對流天氣階段；第二階段為夜晚絮狀對流回波持續維持在福建南部，產生強降水天氣階段。

3.1 午后中尺度系統快速東移，觸發雷雨大風、冰雹等強對流階段

3.1.1 颮線回波影響分析

在中低層三層西南風急流作用下，從過程環境風垂直切變發展來看，地面到500hPa風矢量差由中等強度發展到大于20m/s的強垂直風切變，強的垂直風切變有利于風暴持續發展或維持，有利于增強中高層干空氣的吸入，加強風暴中的下沉氣流和低層冷空氣的外流[1]。此次過程中,不僅地面溫度密集區對颮線系統的觸發和維持有重要作用，中尺度輻合線對颮線系統的觸發和維持也同樣起到關鍵作用，在颮線經過的地方產生大范圍雷雨大風天氣，南平地區此次出現的雷雨大風風速極值打破了福建陸上大風風速的最大記錄。中尺度系統快速東移觸發線狀對流系統在東移過程中產生雷雨大風，其前方激發的超級單體風暴導致冰雹天氣。

福建省南平市建甌風廓線雷達顯示(圖3)，從低層到高層西南風急流強，強對流發生前5～6km高度西南風增大，最大達32m/s；20m/s以上的西南風高度最低達2km，12m/s高度低于1.5km，表明中低層垂直風切變大。14∶00后，離地1km附近西南風氣流明顯增強，隨著颮線移近測站上空，西南風風速大風核隨高度逐漸降低且風速明顯加強，14∶55離地面0.2km處觀測到風力達17m/s，低層發生風向旋轉的現象，說明此時有地面氣旋正在影響測站。15∶00颮線過境后，1.2km以下風力迅速減小并逐漸轉為西北風，但1.2km以上仍為西南風。從建陽雷達14∶03組合反射率圖(圖4a)上可以觀測到有一個明顯的高度組織化的線狀回波，呈接近南北向的弓狀，該颮線前方攜帶有較大面積的層狀云回波；沿著颮線的長軸方向作剖面，可以看到有多個對流單體且質心較高，回波頂高維持在14km以上。從建陽雷達徑向速度圖上可以發現，颮線上有明顯的后側入流、低層徑向速度大值區和中層徑向輻合特征(圖略)。這次颮線帶來的強對流天氣主要以雷雨大風、冰雹為主，伴隨短時強降水。而后由于較大范圍的層狀云回波在颮線前方產生降水不斷消耗著能量，又由于颮線移速比較快,且遠離主系統環境場，缺乏水汽的持續供應，16∶30后回波迅速減弱。

圖3 4月26日16∶06建甌風廓線雷達風場

3.1.2 颮線前超級單體降雹回波分析

隨著中高層冷空氣的滲透，冷暖空氣交匯加劇了層結不穩定，在颮線前部的南平地區(13∶27～14∶27)發展的孤立單體呈現出超級單體的回波特征。回波強度達65dBz以上且強區面積大，該單體回波的強度隨著仰角的抬高，反射率因子明顯增大，最強達71～76dBz，且單體強回波質心發展高度比較高，同時低層三個仰角上在單體的右側，反射率因子梯度較大，從建陽雷達14∶03的1.5°仰角基本反射率圖(圖5a)可以看到該單體呈明顯的鉤狀回波特征，說明低層入流氣流比較強。另外過程中旁瓣回波的出現及VIL值的躍增也是預示此次過程出現冰雹的雷達回波特征的有力佐證。對雹云發展成熟階段不同仰角的基本反射率因子(R19)產品(圖略)進行對比分析發現，從低仰角到高仰角，雷達反射率因子高值區逐漸向入流一側(即回波的東側)傾斜，13∶51沿著入流方向對其作剖面可以看到清晰的有界弱回波區(WER)和中高層的懸垂結構特征(圖4b)，離地10km高度仍有60dBz的高反射率因子。雹云影響期間(13：27～14：27)共八個體掃出現“中氣旋”特征，對應徑向速度圖上1.5°仰角為純氣旋，6.0°仰角為輻散性氣旋(圖略)，從1.5°仰角雷達徑向速度圖(圖5b)可以看到，與強回波對應存在一個持續深厚的中氣旋，并且中氣旋的中心速度非常大，觀測到該中氣旋此時已經出現了徑向速度模糊，尤其在中氣旋的西南側，由于該處的西南風和環境場的西南風發生了疊加，風力最大達到49m/s。同一時刻垂直累積液態含水量大，最大值達65kg/m2。該超級單體在南平多地造成強冰雹天氣。

(a)基本反射率 (b)基本徑向速度

(a) (b)

(a) (b)

(a) (b)

圖5 4月26日14∶03 建陽雷達1.5°仰角

3.2 夜間持續性強降水階段

福建南部地區夜間出現的強降水由低層切變南側的西南風急流引起，地面鋒面和低層切變線的緩慢南壓、西南風急流的穩定維持、濕層深厚及地面暖中心的維持都有利于強降水的持續。此次過程中，龍巖、三明東南部和泉州西部地區出現了暴雨、局地大暴雨并伴有短時強降水。

從26日23∶55龍巖雷達組合反射率及剖面圖(圖略)可以看到，有多個低質心的多單體回波結構；基本徑向速度圖中零速度線呈“L”型，表明有鋒面過境，且鋒前低層西南風急流穩定維持。從泉州市德化風廓線雷達資料(圖6)顯示，23∶30有切變線經過該站上空，并且一直徘徊持續影響到27日0∶30切變線才移出。可見，上游地區天氣系統的前傾形勢加強了動力抬升、低層西南風急流的穩定維持、500hPa西偏南引導氣流和緩慢移動的切變線徘徊在南部地區、雷達回波上形成的列車效應都有助于福建南部地區強降水得以維持。

圖6 4月27日01∶56德化風廓線雷達風場顯示

4 模式檢驗和評估

EC_thin模式 25日20時起預報的26日(08時～08時)日累積降水量顯示在南平、三明西部和龍巖西部有大雨到暴雨， FJ-WRF和華東區域中尺度模式相同時刻起報的相同時間段累積降水量則預報在龍巖、三明南部有大雨到暴雨，局部大暴雨。從模式預報與實況檢驗對比來看,EC_thin全球大尺度模式預報的降水落區比實況明顯偏北,降水強度明顯偏弱；而中尺度模式預報降水落區與實況較為一致,但預報的降水強度明顯偏強。從當天14時地面實況圖分析(圖7)可以看出在贛東部有一條東北西南走向溫度梯度達8～9度的溫度密集鋒區和中尺度熱低壓發展，鋒區附近存在地面輻合線，經探空訂正后，邵武站的對流有效位能Cape值在1200 J/kg以上，同時上游地區的江西省已經出現10級雷雨大風，再考慮到當天的0°層高度，綜合判斷福建西部出現雷雨大風、冰雹等強對流天氣的可能性大；從14時風廓線雷達850hPa和925hPa風場實況(圖8a)和EC_thin模式 25日20時起報26日14時風場(圖8b)對比分析可見，850hPa實況西南風急流比模式預報風速更大，同時福建西部存在一條切變線，且位置比模式預報的更偏南一些；實況切變線位置和颮線基本重合,此時可以認為產生強對流天氣的主系統切變線仍然在江西中部和福建西部境內。夜間隨著切變系統的緩慢東移，福建北部對流能量基本釋放完畢，但南部對流能量仍然維持，降水在南部地區持續。

(a)08時 (b)14時 (c)20時

5 結論與討論

①此次過程中低層冷暖空氣發生強烈交匯，具備經典的斜壓大氣結構特征。低層高溫高濕，地面強的溫度鋒區、低層良好的水汽輸送、強的垂直風切變配合地面中尺度輻合線的觸發作用，為強對流天氣的形成提供了良好的環境場條件。

②中低層低槽、切變線東移，切變南側華南到福建西北部存在低空西南風急流，為強對流天氣的發生提供較好的動力抬升條件；配合低層暖脊、中層冷槽的熱力不穩定條件；26日白天下濕、上干的水汽垂直結構；在地面冷鋒東移南壓的觸發作用下，在850hPa切變線附近與低空西南風急流之間發生了強對流天氣。

③中尺度系統快速東移觸發線狀對流系統在東移過程中產生雷雨大風，其前方激發的超級單體風暴產生冰雹。此次颮線呈現明顯的弓狀回波特征，同時低層有明顯的后側入流；在中等到強的垂直風切變環境中，對流層中層有較強的干冷空氣卷入是產生雷雨大風的重要原因之一；合適的0℃和-20℃層高度利于冰雹(大冰雹)的產生。

④低層徑向速度大值區、中層徑向輻合是雷雨大風出現的雷達回波特征；高懸的強反射率因子核、寬廣的WER，旁瓣回波的出現及VIL值的躍增則是冰雹出現的雷達回波特征。雷達回波對此次強對流天氣，尤其對于冰雹(大冰雹)天氣有明顯的特征反映。

⑤對雷達回波和地面觀測資料等的跟蹤監測分析對于做好強對流天氣預報和服務有重大意義。短臨預報中，應及時針對天氣實況對數值預報模式進行實時滾動訂正，重點關注地面實況資料的加密分析和雷達回波演變的分析，并及時發布強對流預警信號。