2014年3月18～19日一次高架雷暴天氣過程分析

劉季秋

摘要利用天氣學原理分析和物理量診斷方法，選取常規(guī)天氣圖資料、自動觀測站和探空資料、NCEP再分析資料以及衛(wèi)星云圖和雷達資料對2014年3月18～19日發(fā)生的一次高架雷暴天氣過程進行了分析。結果表明，此次高架雷暴為高低空急流、850 hPa切變、地面倒槽和冷空氣滲透共同影響所致；近地層和高層較為干冷，而中低層暖濕，為“夾心”層結，對流始終發(fā)生在逆溫層以上；有較強的暖濕輸送和持續(xù)的垂直上升運動；西風槽東移過境和強的垂直風切變觸發(fā)了此次雷暴天氣發(fā)生。

關鍵詞高架雷暴；逆溫層；環(huán)流背景；物理量；衛(wèi)星云圖

中圖分類號S429文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）16-208-05

區(qū)別于一般雷暴過程是從地面抬升觸發(fā)，高架雷暴是指在大氣邊界層以上被觸發(fā)的雷暴過程。發(fā)生高架雷暴時，近地面附近通常為穩(wěn)定的冷空氣，有明顯的逆溫，來自于地面的氣塊很難穿過逆溫層而獲得浮力，而逆溫層之上的氣塊絕熱上升獲得浮力導致雷暴。

國外對于高架雷暴的研究開始較早，早在1950年，Means就發(fā)現有一類雷暴區(qū)別于經典雷暴天氣形勢，暖濕抬升層并非在近地面，而是在850 hPa以上[1]。但直到20世紀90年代，Colman等才開始明確提出高架雷暴的概念，高架雷暴可以造成冰雹、雷雨大風、短時強降水甚至是龍卷，4和9月是美國高架雷暴的高發(fā)期[2]。之后Moore等給出了高架雷暴中短時強降水的發(fā)生特征，即有緩慢移動的地面鋒面、上游低層濕度大、低層相當位溫平流顯著、具備BCAPE、低層有濕度輻合區(qū)、高層有輻散等[3]。國內學者對高架雷暴的研究也逐步開展，張吉等對上海一次高架雷暴過程分析得出強盛的低空西南急流輸送了大量的暖濕空氣和不穩(wěn)定能量到達長江三角洲地區(qū)，近地面的冷空氣滲透一方面迫使暖濕空氣沿鋒面抬升，加劇了低層逆溫層的厚度和強度，另一方面加劇了逆溫層上部高低空的熱力不穩(wěn)定性和斜壓不穩(wěn)定性，

從而觸發(fā)了逆溫層上部的對流性天氣的出現[4]；盛杰等對

2010～2012年春季我國冷鋒后部高架雷暴天氣特征進行了分析和總結，

指出高架雷暴主要發(fā)生在我國南方地區(qū)，具有一定的日變化，常伴有冰雹和短時強降水天氣，且此類高架雷暴的預報著眼點為850和700 hPa相對濕度為70%以上，700與500 hPa的溫差達16 ℃以上，有一定的熱力不穩(wěn)定，在700 hPa需要建立一支低空西南急流，配合500 hPa的西風槽以及700、850 hPa的切變線，為雷暴的形成和發(fā)展提供動力觸發(fā)條件[5]。筆者從天氣學角度出發(fā)對2014年3月一次高架雷暴進行分析，探討在實際預報中對此類天氣應當關注的預報著眼點，提高對此類天氣的預報準確率。

1天氣實況和環(huán)流背景分析

2014年3月18日夜里至19日白天，江蘇省出現陣雨或雷雨天氣，雨量小到中等，中部地區(qū)雨量較大（圖1a）。從全省閃電定位顯示系統（圖1b）可見，淮河以南18日21：00～19日12：00發(fā)生雷電，這也是2014年的初雷，同時江蘇省南部地區(qū)最大風力為5～7級。

大范圍的環(huán)流形勢對于天氣系統的演變以及天氣過程的發(fā)生發(fā)展具有很好的指示意義。18日20：00歐亞形勢圖上（圖2），500 hPa存在西北急流和西南急流的匯合，700 hPa

為西南急流，一直延伸至江蘇省東部沿海，850 hPa有切變線

圖12014年3月18日20：00～19日20：00江蘇省降水分布（a）和華東24 h閃電分布（b）

活動，切變線從湖北西部經安徽北部延伸至江蘇省中部，江蘇省上游地區(qū)伴有大濕區(qū)的配合。地面西南部為低壓倒槽，而東部沿海為高壓前部，高壓前部不斷有冷空氣南下擴散滲透，逐步在近地面形成冷墊。

圖22014年3月18日歐亞形勢分析

2物理量場診斷分析

2.1水汽條件分析

大雨的形成與豐富的水汽含量和源源不斷的水汽輸送關系密切。以南通地區(qū)的降水為例分析，南通站在19日凌晨開始降水，降水集中時段為19日05：00～09：00，最大1 h降水量為12.8 mm，過程雨量為43.6 mm（圖3）。從圖4可見，降水開始前夕中低層西南急流把孟加拉灣和南海的水汽輸送到南通上空。18日20：00，850 hPa有一條西南—東北向的水汽通量大值帶，將來自南海的暖濕水汽向

長江中下游輸送，且水汽在江蘇省上空開始輻合匯聚，但此

時大濕區(qū)偏南，江蘇省的相對濕度均小于70%；19日08：00，

850 hPa水汽在江蘇省強烈輻合匯聚，水汽通量散度中心位于江蘇省東部沿海地區(qū)，此時，江蘇省淮河以南地區(qū)相對濕度均達80%以上，沿江蘇南部接近飽和；從這2個時刻水汽圖的演變可以看出，18日夜里至19日早晨這段時間，水汽由源地向江蘇省輸送，并在江蘇省上空輻合匯聚。

從南通上空水汽通量散度的時間-高度剖面圖上也可以看出，18日夜里到19日早晨南通上空有水汽輻合大值區(qū)，這段時間也是南通降水集中的時段。整個過程比濕極值約為8 g/kg（圖5），絕對水汽含量不足以產生大暴雨、短時強降水等極端降水過程。

圖32014年3月19日南通逐小時降水實況

注：a1、b1為18日20：00；a2、b2為19日08：00。陰影為850 hPa相對濕度。

圖42014年3月18～19日850 hPa水汽通量（a）和水汽通量散度（b）

圖52014年3月17日08：00～19日20：00南通（32 °N、120° E）上空比濕時間-高度剖面

2.2不穩(wěn)定層結分析

從南京站的探空圖（圖6）來看，18日08：00由于晴空輻射，近地面存在逆溫層，氣溫為12 ℃左右，1 000 hPa以上溫度露點差較大，空氣較為干燥；18日20：00，由于地面冷空氣擴散滲透，925 hPa以下變得干冷；近地面冷空氣滲透使得暖濕空氣被迫抬升，再加上低層水汽的輸送和輻合作用，800～700 hPa相對濕度增大，近乎飽和。與前一時次相比，800～700 hPa的露點溫度明顯增大，表明空氣中絕對水汽增多，該時刻處于降水發(fā)生的醞釀階段，抬升凝結高度為850 hPa。19日08：00對流已發(fā)生，從地面至對流層中層為深厚的濕層。 由于地面冷空氣不斷滲透擴散，暖濕層在干冷空氣上滑行且抬升，因此整個過程逆溫層一直存在，且高度不斷抬升。

18日20：00溫度平流沿32°N緯向垂直剖面圖（圖7）顯示，受低層冷空氣擴散影響，925 hPa以下為冷平流，而850～700 hPa有西南—東北向的顯著暖平流，暖空氣在低層冷墊上滑升，形成逆溫；850 hPa以下層結穩(wěn)定，為高架雷暴發(fā)生

圖62014年3月18日08：00（a）、18日20：00（b）和19日08：00（c）南京站探空曲線圖

圖72014年3月18日20：00沿32°N溫度平流緯向垂直剖面

創(chuàng)造條件。

2.3不穩(wěn)定能量條件分析

對于地面雷暴來說，由地面抬升計算的CAPE可以很好地表征能量條件，但這不適用于高架雷暴，高架雷暴是需要計算BCAPE（從地面到300 hPa的厚度里找最大相當位溫層抬升計算的對流有效位能）來表征其能量。

此次過程中，高架雷暴發(fā)生之前和發(fā)生之時的CAPE值均為0 J/kg（圖8a），而在18日20：00的BCAPE在江蘇省西南角為大于0 J/kg（圖8b1），在19日08：00 BCAPE值進一步增大，江蘇省沿蘇南地區(qū)均為正，蘇南最大值可達300 J/kg（圖8b2）。

700 hPa具備有高溫高濕的大氣環(huán)境，才能在垂直大氣層上構成對流不穩(wěn)定，是高架雷暴對流發(fā)展的能量和水汽源

安徽農業(yè)科學2015年

注：a1、b1為18日20：00；a2、b2為19日08：00。

圖82014年3月18～19日CAPE值（a）和BCAPE值（b）

泉。在高架雷暴中逆溫層頂往往可達700 hPa，最不穩(wěn)定的大氣是存在于700 hPa中的，而850 hPa則位于逆溫層上部，是冷鋒到暖濕氣層的過渡帶。在常規(guī)業(yè)務中，常用850和500 hPa的溫差表征不穩(wěn)定，而在高架雷暴中則不適用，而是用700和500 hPa的溫差代替它，盛杰等發(fā)現1/4分位點基本在16 ℃以上，具備較強的不穩(wěn)定，可以作為業(yè)務預報中高架雷暴不穩(wěn)定條件的指標[5]。在此次高架雷暴過程中，19日02：00江蘇省沿蘇南地區(qū)700 hPa與500 hPa溫差達17～19 ℃（圖9），符合不穩(wěn)定條件的指標。

對流穩(wěn)定性的另一個判據是假相當位溫隨高度的變化，即假相當位溫隨高度減小時，為對流不穩(wěn)定。從19日08：00沿32°N假相當位溫經度-高度剖面圖（圖10）來看，700～500 hPa 118°～122° E假相當位溫隨高度減小，在中低層存在對流不穩(wěn)定層結。

圖92014年3月19日02：00 700 hPa與500 hPa溫度差

2.4垂直運動條件

散度場上來看（圖11a），從18日夜里

至19日白天南通上空維持著低層輻合、高層輻散，19日

圖102014年3月19日08：00假相當位溫沿32°N 經度-高度剖面

08：00南通低層輻合中心在850 hPa，高層輻散中心在 250 hPa。從垂直速度時間-高度剖面圖（圖11b）可以看到，18日夜里至19日上午南通上空一直維持上升運動，上升運動中心位于400 hPa附近，在19日凌晨，850 hPa以下為下沉運動，而850 hPa以上才為上升運動，上升運動在逆溫層以上維

圖112014年3月17日08：00～19日20：00南通（32 °N、120° E ）上空散度（a）和垂直速度（b）時間-高度剖面

持，符合高架雷暴發(fā)生的特征。

2.5觸發(fā)機制

從圖12可看出，19日04：00南通上空500 hPa由西南風轉為偏西-西北風，為一個短波槽快速過境，同時由高空風速增大使得高低空風垂直切變增大，850與500 hPa風向順轉90°以上，西風槽過境與高低空大的垂直風切變觸發(fā)了不穩(wěn)定能量釋放，產生雷暴。

圖122014年3月19日02：36～04：54南通6 min風廓線圖

3衛(wèi)星云圖和雷達回波分析

從3月18日夜里到19日白天的FY2紅外衛(wèi)星云圖（圖13）可以看出，18日22：00起，有對流云團生成并開始影響江蘇省沿江西部，19日04：00對流云團已經發(fā)展影響到江蘇省長江以北大部分地區(qū)，19日08：00江蘇省西部又有一大塊對流云團生成，08：00～14：00該對流云團東移影響江蘇省江淮流域，14：00之后此次過程基本結束。

從雷達基本反射率圖（圖14a、b）來看，在19日凌晨南通上空開始出現強回波，到04：00左右，發(fā)展為2條帶狀強回波，回波中心最大值可達57 dBz；回波頂高可達14 km以上，最大累積液態(tài)水含量為23 kg/m2（圖14c）；在平均徑向速度圖上（圖14d），近地面最大風速超過12 m/s，存在一條超低空東風急流。

4小結

（1）此次高架雷暴天氣為高低空急流、850 hPa切變、地面倒槽和冷空氣滲透共同影響所致。

注：a.18日22：00；b.19日04：00；c.19日08：00；d.19日14：00。

圖132014年3月18～19日FY2紅外衛(wèi)星云圖

注：a為基本反射率；b為基本反射率剖面；c為累積液態(tài)水含量；d為平均徑向速度。

圖142014年3月19日04：44南通多普勒雷達資料

（2）近地層為穩(wěn)定的逆溫層結、中低層暖濕、高層較為干冷，類似于一個“夾心”的層結。

（3）此次過程中CAPE值為0，而BCAPE值>0，500與700 hPa溫差達17～19 ℃，500～700 hPa假相當位溫隨高度減小，中低層存在對流不穩(wěn)定。

（4）有較強的暖濕輸送和持續(xù)的垂直上升運動，垂直運動發(fā)生在850 hPa之上。

（5）西風槽過境和強垂直風切變觸發(fā)了此次雷暴天氣發(fā)生。

參考文獻

[1] MEANS L L.On thunderstorm forecasting in the central United States[J].Mon Wea Rev，1952，80：165-180.

[2] CLOMAN B R.Thunderstorms above frontal surface in environments without positive CAPE.Part I：A climatology[J].Mon Wea Rev，1990，118：1103-1121.