一次由脈沖風(fēng)暴引起的局地冰雹過(guò)程分析

劉九玲

摘要 利用常規(guī)天氣資料、多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品和自動(dòng)氣象站資料，對(duì)2014年7月14日造成臺(tái)前縣清水河與王集大風(fēng)冰雹的一次局地強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：較淺的低壓槽、較高的對(duì)流不穩(wěn)定能量和較弱的垂直風(fēng)切變條件下，地面冷鋒、中尺度露點(diǎn)鋒和雷暴冷出流等的相互作用，導(dǎo)致魯豫交界出現(xiàn)了多個(gè)強(qiáng)局地脈沖雷暴。臺(tái)前縣致災(zāi)脈沖風(fēng)暴發(fā)生在前期雷暴的冷出流中，較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量、充足的水汽和露點(diǎn)鋒導(dǎo)致該風(fēng)暴強(qiáng)烈發(fā)展，造成了臺(tái)前縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了邊際尺度的冰雹和短時(shí)大風(fēng)。

關(guān)鍵詞 露點(diǎn)鋒；脈沖風(fēng)暴；局地；冰雹；過(guò)程分析

中圖分類號(hào) P458.1+21.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）17-0281-04

脈沖風(fēng)暴是發(fā)展迅速的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴，它產(chǎn)生于弱的垂直風(fēng)切變環(huán)境中，同時(shí)環(huán)境具有較厚的低層濕層和高度的垂直不穩(wěn)定性。我國(guó)氣象工作者對(duì)邊界層輻合線對(duì)對(duì)流風(fēng)暴的觸發(fā)開(kāi)展了一系列的研究[1-7]。2014年7月14日17：55左右，一個(gè)脈沖風(fēng)暴在臺(tái)前縣清水河、王集一帶造成了2～4 cm的冰雹和18.4 m/s的大風(fēng)。本文利用常規(guī)天氣資料、新一代多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品和自動(dòng)氣象站等資料，對(duì)此次雷暴的冷出流和地面風(fēng)場(chǎng)輻合共同作用下的脈沖風(fēng)暴過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以發(fā)現(xiàn)該風(fēng)暴的形成和加強(qiáng)機(jī)制，以及造成地面冰雹和大風(fēng)天氣的原因，提出針對(duì)該類局地強(qiáng)風(fēng)暴的臨近預(yù)報(bào)思路。

1 天氣形勢(shì)背景

2014年7月14日8：00 200 hPa高空?qǐng)D上，在北緯35°左右有一條東西向的高空急流。500 hPa 高空?qǐng)D上，中高緯度為兩槽一脊的環(huán)流形勢(shì)，在咸海和貝加爾湖以東有2個(gè)低渦，在貝加爾湖以西有一個(gè)高空脊。在高空脊前的河套東部有一個(gè)低槽存在。588線在北緯27°以南。850 hPa上，河套地區(qū)和華北地區(qū)有明顯的斜壓性。由綜合圖（圖1a）可以看出，高空急流軸與低槽相交，根據(jù)天氣學(xué)原理[8]，急流軸的右側(cè)槽前具有強(qiáng)烈的偏差風(fēng)輻散，槽后的急流軸左側(cè)輻合也特別強(qiáng)，當(dāng)高空槽移到斜壓性比較強(qiáng)的河套和華北地區(qū)后，迅速引起地面氣旋和反氣旋的發(fā)生發(fā)展（圖1b）。14日17：00地面弱冷鋒位于山西與河北豫北交界處，冷鋒與在山東德州到河南平頂山一線一直存在露點(diǎn)鋒相互作用，觸發(fā)了此次強(qiáng)對(duì)流天氣。

2 強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展的條件分析

2.1 不穩(wěn)定能量特征

7月14日8：00章丘和鄭州的探空?qǐng)D上，兩地的K指數(shù)均超過(guò)了29 ℃，章丘更是達(dá)到了31 ℃，表明章丘和鄭州一帶都處在高能區(qū)中，當(dāng)天發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性較大。8：00章丘探空的CAPE值為900 J/kg左右，14：00經(jīng)地面溫度訂正過(guò)的探空CAPE值已達(dá)到2 500 J/kg左右（圖2a），表明章丘周圍地區(qū)有非常高的對(duì)流潛在能量，已具備有利的對(duì)流發(fā)展條件。

2.2 水汽條件

7月14日8：00 700 hPa晉冀魯豫地區(qū)的比濕都很大，都在4～5 g/kg之間，850 hPa在章丘和鄭州以南地區(qū)的比濕較大，大都在7 g/kg以上，地面上濮陽(yáng)鶴壁鄭州以南地區(qū)的露點(diǎn)值比較大，濮陽(yáng)站的露點(diǎn)更是達(dá)到了24 ℃。這種較厚的低層濕層一旦受到觸發(fā)，對(duì)流就很容易形成。

2.3 觸發(fā)機(jī)制

7月14日5：00—14：00，在地面填圖上在山東德州到河南平頂山一線一直有1個(gè)露點(diǎn)鋒存在（圖2b）。14：00以后河套冷高壓前沿弱冷鋒東移擴(kuò)散冷空氣南下，跟露點(diǎn)鋒相互作用，一起觸發(fā)了此次強(qiáng)對(duì)流天氣。因此，在當(dāng)天有利的大尺度天氣背景條件下，存在高的對(duì)流潛在能量和豐富的低層水汽條件，在輻合抬升條件較好的地區(qū)容易出現(xiàn)對(duì)流。由于較弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變（地面到6 km的垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s），使得當(dāng)天的對(duì)流風(fēng)暴以脈沖風(fēng)暴為主。但在一些系統(tǒng)性較強(qiáng)的中小尺度切變或輻合線維持的區(qū)域，沿切變或輻合線形成的對(duì)流風(fēng)暴也呈現(xiàn)出有組織化的特征。

3 雷達(dá)回波分析

3.1 多單體雷暴的雷達(dá)回波特征

7月14日15：55，雷達(dá)反射率因子圖上顯示在山東菏澤北部有對(duì)流單體A首先從中空開(kāi)始發(fā)展，隨后便沿著地面切變線向東北偏北方向移動(dòng)，并在移送過(guò)程中不斷增強(qiáng)，到16：50移至范縣邊界時(shí)，中心強(qiáng)度達(dá)到50 dBZ。到17：14，在單體A的右側(cè)有對(duì)流單體B從中空開(kāi)始發(fā)展。17：26 0.5°仰角（圖3a）單體風(fēng)暴A外圍呈現(xiàn)出較為清晰的弧狀弱窄帶回波，回波強(qiáng)度在5～10 dBZ左右，對(duì)其作垂直剖面分析，發(fā)現(xiàn)A的強(qiáng)反射率因子核心已到達(dá)地面，且對(duì)應(yīng)地面有邊界層輻合線并伴有風(fēng)速的明顯增大和溫度的降低和短時(shí)降水（其中范縣陸集的1 h雨量達(dá)到了26.3 mm），表明風(fēng)暴A中有冷性下沉氣流在低層擴(kuò)散。風(fēng)暴A的冷出流鋒區(qū)和邊界層輻合線使得單體B迅速發(fā)展，中心強(qiáng)度達(dá)到50 dBZ。正是該單體造成了臺(tái)前的清水河、王集一帶2～3 cm的冰雹和18.4 m/s的大風(fēng)。

17：50時(shí)單體A趨于消散，單體B達(dá)到強(qiáng)盛期并且反射率因子核心開(kāi)始下降，在單體B的右側(cè)有一個(gè)新的對(duì)流單體C開(kāi)始發(fā)展。到18：20，隨著單體B的減弱，單體C發(fā)展起來(lái)，隨后便與南北的對(duì)流單體連成一線，基本呈南北向排列，向山東半島移去，給魯西造成了一次中到大雨、局部暴雨的降水過(guò)程（圖3b）。弱的垂直風(fēng)切變通常表示弱的環(huán)境氣流，并且常常引起風(fēng)暴移動(dòng)緩慢。此次災(zāi)害性天氣過(guò)程中，由于低層有較厚的濕層和高度的垂直不穩(wěn)定性，并且在風(fēng)暴的右側(cè)不斷有新生單體的生成，是這次多單體風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間將近2 h的原因。從對(duì)流單體A、B、C的風(fēng)暴追蹤路徑圖（圖4）上可以看出，每個(gè)風(fēng)暴單體都是朝東北偏北方向移動(dòng)的，新單體都是在老單體的右側(cè)產(chǎn)生的，也就是說(shuō)傳播方向是向東的，由于風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)是由平流和傳播合成的，所以多單體風(fēng)暴的移動(dòng)方向?yàn)闁|北方向，也造成了范縣和臺(tái)前沿線的短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

3.2 產(chǎn)生冰雹大風(fēng)的脈沖風(fēng)暴endprint

3.2.1 雷暴冷出流觸發(fā)脈沖風(fēng)暴。7月14日17：26，根據(jù)CINRAD-SB多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)暴追蹤算法（STI）的風(fēng)暴屬性表，單體A的最強(qiáng)反射率因子核心的高度（DBZM-HT）由上一時(shí)刻的3.4 km下降到此時(shí)刻的1.5 km，配合地面自動(dòng)站的觀測(cè)記錄以及反射率因子的垂直剖面圖（圖5）來(lái)看，風(fēng)暴A有冷出流及地，沿該出流的邊界產(chǎn)生的垂直運(yùn)動(dòng)使得單體B迅速發(fā)展成強(qiáng)脈沖風(fēng)暴，其超過(guò)55 dBZ的強(qiáng)中心迅速向上向下同時(shí)增長(zhǎng)；同時(shí)，隨著上升氣流的加強(qiáng)和單體的快速發(fā)展，垂直累積液態(tài)水含量（VIL）由上一時(shí)刻的18 kg/m3迅速增至34 kg/m3。綜合上述要素可以判定，單體風(fēng)暴B是一個(gè)由單體風(fēng)暴A的冷出流邊界的觸發(fā)作用下發(fā)展和加強(qiáng)的脈沖風(fēng)暴。

3.2.2 脈沖風(fēng)暴的發(fā)展和暴發(fā)導(dǎo)致冰雹災(zāi)情的出現(xiàn)。表1為脈沖風(fēng)暴B的風(fēng)暴追蹤信息，因?yàn)轱L(fēng)暴B和風(fēng)暴A離得太近，風(fēng)暴單體的識(shí)別和風(fēng)暴屬性的計(jì)算可能有較大誤差，需要結(jié)合反射率因子剖面圖給予適當(dāng)訂正，同時(shí)，又因?yàn)轱L(fēng)暴單體距離雷達(dá)站太近（僅78 km），由于靜錐區(qū)的影響，風(fēng)暴單體回波頂高的變化趨勢(shì)使用鄭州雷達(dá)2.4°仰角的回波強(qiáng)度及高度變化來(lái)表示。由表1可以看出，17：26風(fēng)暴單體B受到冷出流邊界觸發(fā)，不僅最大回波強(qiáng)度（DBZMZ）由55 dBZ迅速增強(qiáng)至60 dBZ，而且強(qiáng)回波中心迅速向上向下同時(shí)增長(zhǎng)，結(jié)合反射率因子剖面圖（圖5）可以看到，超過(guò)60 dBZ的強(qiáng)回波高度在5～9 km之間，已經(jīng)擴(kuò)展到-20 ℃等溫線以上高度，同時(shí)13 km處的回波也由上一體掃的45 dBZ增至53 dBZ，表明回波頂高也迅速增大。17：44—17：56單體風(fēng)暴B出現(xiàn)了最大回波強(qiáng)度的高度顯著下降和14 km處回波強(qiáng)度的迅速降低，這2個(gè)特征的出現(xiàn)表明雷暴即將崩潰進(jìn)入減弱消亡階段。結(jié)合17：50和17：56的回波剖面圖，可以看出強(qiáng)回波中心迅速下降并在這2個(gè)時(shí)刻之間及地并暴發(fā)，于17：55在臺(tái)前的清水河、王集一帶造成了2～4 cm的冰雹和18.4 m/s的大風(fēng)。

產(chǎn)生冰雹的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴最顯著的特征體現(xiàn)在如果-20 ℃等溫線對(duì)應(yīng)的高度之上有超過(guò)50 dBZ的反射率因子，則有可能產(chǎn)生大冰雹。據(jù)此，17：26超過(guò)55 dBZ的回波已經(jīng)擴(kuò)展到-20 ℃等溫線以上高度，同時(shí)0 ℃層距地面的高度不超過(guò)5 km，此時(shí)就可以考慮發(fā)布強(qiáng)冰雹預(yù)警。但是這次由脈沖風(fēng)暴B產(chǎn)生的冰雹是在風(fēng)暴B進(jìn)入減弱階段并及地時(shí)才發(fā)生，而且發(fā)生的時(shí)間僅僅幾分鐘，因此很難對(duì)脈沖風(fēng)暴發(fā)出有效警報(bào)。但是考慮到風(fēng)暴單體A對(duì)風(fēng)暴B的移動(dòng)路徑的指示作用和高懸的強(qiáng)回波這一雹暴基本特征已經(jīng)提前30 min出現(xiàn)的情況，預(yù)報(bào)員還是有足夠的時(shí)間發(fā)出警報(bào)的，這正是這次冰雹過(guò)程的最大經(jīng)驗(yàn)。

3.2.3 下?lián)舯┝饕鸫箫L(fēng)及預(yù)警。脈沖風(fēng)暴經(jīng)過(guò)臺(tái)前縣清水河與王集時(shí)，在短短幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生了18.4 m/s的瞬時(shí)大風(fēng)，并伴有11.3 mm的強(qiáng)降水，因此這次大風(fēng)是由濕微下?lián)舯┝饕鸬?。濕微下?lián)舯┝鞒３Ｅc脈沖風(fēng)暴相伴隨。濕微下?lián)舯┝髦饕鞘茉苾?nèi)和云底下方的融化和蒸發(fā)冷卻效應(yīng)所驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的。由于濕微下?lián)舯┝髋c強(qiáng)降水相聯(lián)系，水載物對(duì)下沉氣流的激發(fā)和維持起重要作用。

下?lián)舯┝鞯念A(yù)警是非常困難的。當(dāng)雷達(dá)觀測(cè)到地面附近的輻散時(shí)，幾乎已經(jīng)無(wú)法提前發(fā)出警報(bào)。而與下?lián)舯┝飨喟殡S的空中氣流的輻合可以使預(yù)報(bào)員提前幾分鐘發(fā)出預(yù)警，即雷達(dá)在探測(cè)到空中氣流輻合的情況下發(fā)出下?lián)舯┝黝A(yù)警。如圖6所示，當(dāng)17：44從濮陽(yáng)多普勒雷達(dá)上觀測(cè)到徑向速度垂直剖面上有明顯的中層輻合，并且伴隨著反射率因子核心的下降時(shí)，可以提前10 min發(fā)出下?lián)舯┝骰蛘叽箫L(fēng)預(yù)警。

4 結(jié)語(yǔ)

此次局地強(qiáng)對(duì)流天氣是以高空較淺的低壓槽為背景，有較高的對(duì)流不穩(wěn)定能量和充足的水汽，有利于對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展；地面冷鋒、中尺度露點(diǎn)鋒及其與雷暴冷出流的碰撞是風(fēng)暴不斷新生的觸發(fā)機(jī)制；弱垂直風(fēng)切變的壞境下，使得過(guò)程中雷暴都具有脈沖風(fēng)暴的特征。

在弱垂直風(fēng)切變環(huán)境下，前期脈沖風(fēng)暴的強(qiáng)冷出流導(dǎo)致臺(tái)前西南強(qiáng)脈沖單體的發(fā)展和加強(qiáng)；強(qiáng)的不穩(wěn)定條件和低層較厚的水汽使得該風(fēng)暴強(qiáng)烈發(fā)展，其強(qiáng)反射率因子核心的快速下降和暴發(fā)產(chǎn)生了邊際尺度的冰雹和大風(fēng)。

通過(guò)對(duì)此次雷暴過(guò)程的分析，針對(duì)處于弱垂直風(fēng)切變中的脈沖風(fēng)暴，在關(guān)注大的天氣形勢(shì)、對(duì)流不穩(wěn)定條件和水汽條件的同時(shí)，還應(yīng)關(guān)注低層的邊界線和露點(diǎn)鋒，以及附近雷暴的冷出流邊界，對(duì)雷暴發(fā)生、發(fā)展落區(qū)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，提高臨近預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確性和預(yù)報(bào)時(shí)效。

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