溫州“4·24”一次冰雹天氣特征分析

竇慧敏 曹 楚 潘雯菁

(1.溫州市氣象局,浙江 溫州325000;2.溫州市臺風監測預報技術重點實驗室，浙江 溫州 325000;3.溫州市氣象臺院士工作站，浙江 溫州 325000;4.瑞安市氣象局,浙江 瑞安325200)

0 引 言

強對流天氣是指伴隨雷暴現象的對流性大風、冰雹、短時強降水等災害性天氣,發生于中小尺度天氣系統中,空間尺度小,生命史短并且有很強的突發性,破壞性強。冰雹天氣就是其中之一,常見于春季或春夏之交時,雖然影響范圍小,時間短,但來勢迅猛,常伴隨雷暴大風和短時強降水等災害性天氣,具有強大的破壞力。強冰雹會打毀莊稼、損壞房屋、砸傷行人,造成巨大的經濟損失。其局地性、突發性、強烈性等特征,給預警和短時臨近預報造成了很大的困難。學者們針對冰雹的識別、時空分布、天氣分析、對比分析、數值模擬等進行了大量的研究[1-7],取得了很多研究成果。隨著地面氣象觀測網的加密建設,新一代高分辨率天氣雷達資料的應用,尤其是雙偏振雷達的興起[8-11],大大增強了對此類強烈天氣的預警能力,楊吉等[10]指出了江淮地區一次冰雹過程的雙偏振雷達特征,馮晉勤等[11]詳細分析了雙偏振雷達產品在強對流天氣過程中的應用,極大地豐富了對冰雹天氣的預報指標。

溫州位于浙江省南部,3面環山,一面臨海,境內地形復雜多樣,夏季強對流天氣頻發。2019年4月23日、24日下午,溫州地區出現了一次強雷暴天氣過程，多個縣(市、區)出現了短時強降水、雷雨大風天氣過程,局部地區還出現了冰雹。雖然此次過程預警及時,未造成人員傷亡,但在預報準確性以及預警提前量方面還有待進一步改進,有必要對此次過程做進一步的分析探討,為今后強對流天氣過程預報提供一定的參考,提高對強對流天氣的監測預報水平,有效規避此類氣象災害風險。

本文采用NCEP(美國國家環境預報中心)分析資料(1°×1°)、常規觀測資料、溫州雙偏振雷達資料等，對此次冰雹過程進行了環流背景、動力特征、水汽特征和雙偏振雷達產品特征分析,找出了冰雹天氣發生的有利條件,探討了溫州地區冰雹發生的天氣成因和預報著眼點。

1 冰雹天氣實況

2019年4月23日12時—24日20時,溫州地區午后出現了雷陣雨,并伴有短時暴雨、雷雨大風、冰雹等強對流天氣。23日影響主要發生在各縣(市、區),全區有9個站出現了8～9級雷雨大風(龜湖28.3 m/s),甌海、瑞安、文成和平陽等地出現了1～4 cm的冰雹,60多個站出現了短時強降水,最大雨強為出現在大荊的51.4 mm/h。24日對流影響市區,15—18時溫州市共有88個站次出現8級以上大風,主要分布在永嘉、溫州市區、洞頭、文成等,最大為洞頭岙外出現的11級雷雨大風,其中溫州市區15—17時共有5個站出現了8級以上大風,南白象街道出現了10級大風;溫州市區(甌海、龍灣)、洞頭、平陽、永嘉等出現了1～2cm的冰雹,60多個站出現了短時強降水,最大雨強為沙頭古廟的44.6 mm/h。劇烈的強對流天氣導致溫州市中北地區大部以及南部局地出現了短時暴雨。后續的分析主要針對24日溫州市區冰雹的成因展開。

2 環流背景

2.1 環流形勢分析

2019年4月24日08時,200 hPa江南一帶有急流帶,500 hPa北方有穩定維持的東北冷渦，并伴有-32℃的冷中心,冷渦南部有多個短波槽東移,有利于弱冷空氣南下。溫州地區處于湖北西部至四川一線低緯度南支槽前西南氣流之中。700 hPa湖南湖北地區存在弱切變,切變北側有明顯的冷槽,表明有冷平流輸送。850 hPa切變線位于貴州一帶,切變線南側有明顯的低空急流,浙南地區位于急流末端的風速輻合區,有利于水汽的輻合和降水的產生。500 hPa和850 hPa屬于冷槽暖脊的配置,上干下濕層結明顯,浙中南地區850 hPa和500 hPa溫差大于26℃,風雹條件較好。4月24日14時,高空急流有所增強,溫州地區出現高空輻散中心,700 hPa有冷槽維持,850 hPa切變南壓,浙中南地區850 hPa和500 hPa溫差依舊大于26℃,大氣不穩定。15時左右,溫州市區、永嘉和文成出現了冰雹。綜上分析可知,在高空槽東移過程中,弱冷空氣影響配合低層切變線和低空急流，造成了此次強對流天氣的發生。

2.2 熱力條件分析

24日午后各地高溫普遍在29 ℃以上,泰順、文成、平陽、溫州市區、永嘉出現了31 ℃以上的高溫,低層暖濕氣流強烈。溫州地區0～6 km風切變從6 h前的19 m/s增強到27 m/s以上,午后對流條件良好。

在4月24日14時850 hPa的假相當位溫場上(圖1),有向東北方向凸起的暖舌。在江西—浙江以及福建—浙江有假相當位溫密集帶,即此處有鋒區存在,與最大回波反射率因子的移動對比可知,對流沿著江西—浙江一帶鋒區北側發展移動。

圖1 4月24日14時850 hPa假相當位溫(實線,單位:K)、假相當位溫平流(陰影,單位10-5K/s)

圖2是4月24日08時和14時沿120.5°E假相當位溫經向剖面圖。從圖2a可知,08時溫州地區28°N左右對流層中低層(500 hPa以下)θse隨高度增加而明顯減小,為不穩定層結,500 hPa溫州地區北側有干冷空氣團,600～700 hPa存在θse密集帶(鋒區),隨高度向南傾斜。14時500 hPa以下繼續維持不穩定層結(圖2b),800 hPa以下為高溫高濕,中層依舊為干冷空氣,垂直速度明顯增大,有利于午后強對流天氣發生。

圖2 4月24日沿120.5°E假相當位溫(實線,單位:K)和垂直速度(陰影，單位：Pa/s)經向剖面(a.08時、b.14時)

在冰雹發生前,低層有高能舌伸向溫州地區,中層有北方干冷空氣南下,二者疊加造成強烈的不穩定層結,產生強對流天氣。

從4月24日溫州溫度平流的變化可知,08時高空到地面溫度平流為暖—冷—暖—冷的配置(圖3a),14時演變為冷—暖—冷的配置(圖3b),高層變為冷平流,250～600 hPa為強烈的暖平流中心,降雹區正處于中高兩層溫度平流中心和低層弱冷平流相重疊的區域。

圖3 4月24日溫州溫度平流[a.08時、b.14時(單位:10-5℃/s)]

2.3 動力條件分析

冰雹發生前后動力條件演變迅速,高低空配置對冰雹的產生較為有利。從圖4可知,24日00時(世界時),低層為輻散,600～800 hPa為弱的輻合區,400～600 hPa基本為弱的輻散下沉氣流，維持晴好天氣,不穩定能量迅速增加;06時(世界時),高層250 hPa出現強的輻散中心,中心輻散值達到4×10-5s-1,低層輻合高層輻散的配置,對應非常好的上升運動,250 hPa和700 hPa都有較大的垂直速度,為冰雹的產生提供了良好的動力條件;12時中層變為輻合,低層為輻散,不利于上升運動的產生,對流減弱。從鋒生函數可知,06時溫州地區600 hPa均有鋒生。

圖4 4月23日18時—25日00時(世界時)散度(實線,單位：10-5 s-1)和垂直速度(陰影,單位:Pa/s)時間演變

由14時地面風場可知,溫州地區有偏北風和偏南風之間的地面輻合線穩定維持,而冰雹集中出現在15—16時,顯然,地面輻合線的產生先于冰雹,是此次強對流的觸發機制。

3 降雹的物理量分析

從24日08—14時溫州站探空圖可知,自08時起不穩定能量逐漸累積,到了14時(圖5),各項指數均達到最大,并超過了臨界值,K指數達到37 ℃，說明低層水汽條件比較好,這是發生短時強降水的原因之一。SI指數為-6 ℃,CAPE(對流有效位能)值為1992 J/kg,到了夜間對流有所減弱,能量釋放,探空的各項指數均有所下降。

圖5 4月24日14時溫州站探空

3.1 0 ℃層高度和-20 ℃層高度

0 ℃等溫線至-20 ℃等溫線之間的區域是冰雹生成的源區。一般認為0 ℃層高度在600 hPa,既能使云的發展高度更高，有利于冰雹生成,也不至于使冰雹在降落過程中由于暖層過厚而融化,-20 ℃層在400 hPa附近,當-20～0 ℃層厚度較小、且該高度上CAPE值較大時,冰雹容易產生[7]。由14時的探空圖(圖5)可知,0 ℃層在600 hPa附近,-20 ℃層位于400 hPa以上,這樣的高度差正適合冰雹產生。

3.2 穩定度指標

對流有效位能是指氣塊在給定環境中絕熱上升時的正浮力所產生能量的垂直積分,其被廣泛應用于強對流天氣分析中。24日14時,對流有效位能明顯增強。由分布可知,08時,江西與福建交界處及浙南地區有CAPE的大值中心,14時匯合成一條穿過江西東部、福建西北部和浙江南部的密集CAPE大值帶,中心值在1 700 J/kg以上,20時減小至1 000 J/kg以下。K指數是考慮了中低層水汽條件的一個熱力不穩定指數,用于分析強對流、短時暴雨。從23日起,低層水汽條件較好,K指數維持在30 ℃以上,24日14時增加至37 ℃,水汽條件明顯好于23日,24日短時強降水較為突出。表1為溫州2019年4月24日不同時次有利于冰雹發展的對流指數。

表1 溫州2019年4月24日不同時次有利于冰雹發展的對流指數

4 TBB分析

云頂亮溫(TBB)可以反映對流發展的旺盛程度,推斷云團發展的強度及所處的生命史階段。本文使用每小時一次的FY-2GTBB資料分析此次引起強對流天氣的對流單體的發展變化。

23日開始,江西地區有對流云團產生,東移影響溫州,產生強對流天氣。24日10時,江西東北部新發展的對流單體開始移入浙江。進入浙江的對流單體TBB低于-32 ℃,呈西南—東北向帶狀分布,內部西南方向嵌有TBB為-52 ℃的對流核,向東南方向移動發展,云團面積急劇增大,冷中心TBB下降迅速,西南一側梯度明顯增大。12時TBB為-52 ℃的面積為3 617 km2,移速略有減慢。13時TBB為-52 ℃的云團發展為帶狀對流系統。14時TBB為-52 ℃的云團發展為中β尺度的強對流單體。15時強對流單體開始影響溫州中北部,溫州市區、永嘉、文成出現了強雷暴天氣過程,溫州市區15—17時5個站出現了8級以上大風,溫州市區(甌海、龍灣)、洞頭、平陽、永嘉等地出現了1～2 cm的冰雹，且單體內部形成-60 ℃的對流核,冷中心位于整個云團的西南側梯度最大的地方,主要影響永嘉,永嘉南城街道烏巖山極大風速為25.4 m/s(10級)，沙頭古廟村小時最大雨量為44.6mm,15時25分大若巖鎮小若口村附近出現冰雹。16時對流單體東移,瑞安、平陽地區出現冰雹。17時TBB為-52 ℃的強對流單體面積達到最大。18時強對流單體面積開始減小,內部的對流核減弱消失。

在此次過程中,中β尺度的強對流單體長軸走向為西南—東北向,移速較快,從生成—成熟—衰減，移動距離達到700 km,而且云團面積迅速增大,冷中心明顯位于云團西南部TBB梯度最大處。TBB小于-52 ℃的區域在從帶狀轉為圓狀的過程中,內部出現了-60 ℃的對流核,影響地區出現了短時強降水、雷雨大風、局地冰雹等強對流天氣。

5 雙偏振雷達產品分析

2019年4月24日15時—16時30分，溫州市區、樂清、洞頭、永嘉、瑞安、平陽、文成等地出現了以冰雹或短時強降水為主的強對流天氣。通過分析溫州雙偏振雷達的回波強度、垂直累積液態水含量、差分反射率、相關系數和差分傳播相移率等，判斷降水粒子的形狀、相態分布等信息,識別強對流天氣中的冰雹和短時強降水雷達回波特征,并為獲取冰雹預報閾值提供判斷依據。

5.1 對流演變過程分析

溫州雙偏振雷達組合反射率顯示,24日10時左右，在浙江西部與贛皖交界一帶有對流回波發展并向東偏南方向移動,回波在東移過程中發展迅速,不斷增強,形成颮線,在前方不斷激發出新的對流單體。13時47分在溫州文成中部激發出的對流單體(以下稱單體A)迅速增強，并向東北方向移動,先后影響文成、瑞安西北部和溫州市區東部,14時38分單體A回波強度超過65 dBZ,并持續了11個體掃時次,15時前后受后方的對流系統影響轉向東偏南方向移動,15時30分前后移入洞頭。單體A移動過程中分裂出的對流單體(以下稱單體B)向北偏東方向移動，掃過永嘉中南部和樂清中北部,與后方的對流系統結合,系統向東偏南方向移動,16時前后移入并掃過洞頭。15時11分颮線系統后部的對流單體(以下稱單體C)，由麗水景寧向東偏南方向移入文成,先后影響了文成、瑞安中南部和平陽東部。

5.2 冰雹雷達回波特征分析

選取4.3°仰角的基本反射率(Z)、差分反射率(ZDR)、相關系數(CC)、2.4°仰角的差分相移率(KDP)及垂直累積液態水含量(VIL)，分析此次強對流過程的冰雹回波特征。從垂直累積液態水含量變化圖(圖6)可知,14時32分—14時38分(圖6a)、15時11分—15時17分(圖6b)、15時23分—15時28分(圖6c)、15時28分—15時34分(圖6d)、15時45分—15時51分(圖6e)、16時08分—16時14分(圖6f)相鄰體掃時次內,對應的溫州市區南部、永嘉中部、文成、洞頭、瑞安與平陽交界處的VIL值分別有明顯的躍增現象,對應地面實際降雹時間的前0～4個體掃時次。

圖6 2019年4月24日14時32分—16時14分時段內多個連續體掃時次垂直累積液態水含量VIL變化圖[a.14時32分—14時38分、b.15時11分—15時17分、c.15時23分—15時28分、d.15時28分—15時34分、e.15時45分—15時51分、f.16時08分—16時14分(單位:kg/m3)]

選取14時43分和15時34分兩個時次的反射率垂直剖面圖(圖7)進行分析可知,14時43分中高層強回波懸垂在有界弱回波之上,強中心達65 dBZ以上,>60 dBZ的強回波區擴展到7 km高度,超過0 ℃層高度層并接近-20 ℃高度層(圖7a),由于雷達附近高空存在錐形探測盲區,從回波垂直分布情況判斷,>55 dBZ的強回波區超過-20 ℃高度層,提示將發生降雹。15時34分在洞頭上空強中心達65 dBZ以上,>60 dBZ的強回波區擴展到10 km高度,超過-20 ℃高度層,大于60 dBZ的強回波已接地,說明正在發生降雹(圖7b)。

圖7 2019年4月24日反射率垂直剖面圖[a.14時43分、b.15時34分(單位:dBZ)]

選取接近降雹時次的雷達產品進行分析可知,14時43分溫州市區南部與瑞安交界處的超級單體回波(圖8a)在4.3°仰角表現出明顯的三體散射特征,>60 dBZ的強回波區對應的CC值為0.85～0.9,較嘈雜,指示有較大的濕冰雹,對應的ZDR為負值區,ZDR值為-2～-1 dB,對應的KDP產品出現“空洞”區(KDP對較大的冰雹無法進行判斷);15時17分永嘉中部(圖8b)>60 dBZ的強回波中心區對應明顯的ZDR負值區,ZDR為-4～-3 dB,KDP為“空洞”區,CC為0.85～0.9,較嘈雜,指示有較大的濕冰雹;15時17分文成西部(圖8c)>65 dBZ的強回波中心對應的CC、KDP均為小值區,ZDR為明顯的負值區,CC為0.9～0.92,KDP為-0.1～0.1°/km,ZDR為-2～-1 dB,指示有較小的干冰雹;15時34分洞頭(圖8d)>60 dBZ的強回波區對應明顯的CC小值區和ZDR負值區、KDP“空洞區”,CC為0.6～0.7且嘈雜,ZDR為-1～0 dB,指示有較大的冰雹;16時02分從文成移入瑞安、平陽的回波(圖8e)繼續增強,有明顯的三體散射特征,強回波區對應的CC為0.8～0.85,ZDR為-3～-2 dB,對應KDP“空洞區”,指示有較大的冰雹落區。

圖8 2019年4月24日冰雹特征雷達產品分析圖[a.14時43分、b.15時17分、c.15時17分、d.15時34分、e.16時02分(z,單位：dBZ;ZDR,單位：dB;KDP,單位：°/km)]

6 結 語

(1)在高空槽東移過程中,弱冷空氣影響配合低層切變線和低空急流，造成了4月24日溫州地區強對流天氣過程的發生。浙中南地區850 hPa和500 hPa溫差大于26 ℃,大氣不穩定,風雹條件較好。

(2)午后高溫普遍在29 ℃以上,溫州地區0～6 km風切變從6 h前的19 m/s增強到27 m/s以上,午后對流條件良好。江西至浙江有假相當位溫密集帶,對流沿著江西至浙江一帶鋒區北側發展移動。冰雹發生前,低層有高能舌伸向溫州地區,中層有北方干冷空氣南下,二者疊加造成強不穩定層結,產生強對流天氣。降雹區正處于中高兩層溫度平流中心和低層弱冷平流相重疊的區域。

(3)冰雹發生前6 h,溫州地區400～600 hPa基本為弱的輻散下沉氣流，維持晴好天氣,不穩定能量迅速增加。6 h后,高層出現強的輻散中心,低層輻合、高層輻散,上升運動強烈,為冰雹的產生提供了良好的動力條件。偏北風和偏南風之間的地面輻合線在溫州地區穩定維持,是此次強對流天氣的觸發條件之一。

(4)由14時的探空圖可知,0 ℃層在600 hPa附近,-20 ℃層位于400 hPa以上,合適的0 ℃層和-20 ℃層的高度有利于冰雹產生。

(5)中β尺度的強對流單體內部形成-60 ℃對流核,冷中心位于整個云團的西南側TBB梯度最大的地方,而不是幾何中心,冷中心的位置和發生短時強降水、雷雨大風、局地冰雹等強對流天氣的地區對應較好。

(6)利用VIL、反射率垂直剖面、基本反射率Z、CC、ZDR及KDP的對應特征進行分析可知,判斷冰雹的回波特征為:①降雹前VIL值均有明顯的躍增現象;②回波中心強度達65 dBZ以上,>60 dBZ的強回波區擴展高度接近或超過-20 ℃高度層;③>60 dBZ的強回波對應明顯的CC小值區和ZDR負值區,且CC較嘈雜,ZDR一般為-4～0 dB;④大冰雹回波表現出明顯的三體散射特征;⑤>60 dBZ的強回波對應CC<0.9和KDP“空洞區”,指示有較大的濕冰雹;⑥>60 dBZ的強回波對應的CC為0.9～0.92,KDP為-0.1～0.1°/km,指示有較小的干冰雹。