陜西一次重致災(zāi)強(qiáng)對流天氣機(jī)理研究

姚靜 高慶九 俞小鼎 李萍云

摘要 利用常規(guī)資料、地面自動站資料、FY2E衛(wèi)星TBB 資料（ 0.1°×0.1°）、西安多普勒天氣雷達(dá)資料，采用天氣動力學(xué)診斷方法和強(qiáng)天氣分析技術(shù)對2015年5月7日的陜西省商洛地區(qū)強(qiáng)對流天氣過程的大尺度環(huán)流背景、物理量場、中小尺度天氣系統(tǒng)演變特征及規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明，強(qiáng)對流主要位于暖濕空氣與干冷空氣的交界處，地面溫度、露點(diǎn)溫度、海平面氣壓、風(fēng)場分析清晰地反映出地面冷鋒和低壓倒槽的交匯區(qū)域，冷暖空氣的過渡區(qū)對于強(qiáng)對流天氣的落區(qū)判斷有指示作用。中尺度天氣系統(tǒng)發(fā)展的強(qiáng)盛程度通過TBB的時間演變圖可以清楚地進(jìn)行判斷。強(qiáng)對流大多發(fā)生在TBB梯度大值區(qū)，冰雹云團(tuán)大多產(chǎn)生在云團(tuán)成熟期之前。多普勒天氣雷達(dá)上的強(qiáng)回波結(jié)構(gòu)對于預(yù)警有提前預(yù)判的提示作用。在此次致災(zāi)天氣過程中，明顯低層弱回波區(qū)和中高層的懸垂回波結(jié)構(gòu)，中層強(qiáng)回波中心與低層位移達(dá)1.5 km左右，預(yù)示了降冰雹的潛勢。45 dBz強(qiáng)度的回波延伸至9 km以上，這些指標(biāo)對準(zhǔn)確做出強(qiáng)對流天氣預(yù)警有較好的指示意義。

關(guān)鍵詞 強(qiáng)對流；TBB；雷達(dá)；地面能量比

中圖分類號 S165+.2；P458.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）09-221-06

Abstract Based on conventional data， ground automatic station data， FY2E satellite TBB data（ 0.1°×0.1°）， Xi'an Doppler weather radar data， the large scale circulation background， physical quantity field， evolution features and law of small scale weather system were analyzed by using the weather dynamic diagnosis method and strong weather analysis technology in Shangluo of Shaanxi Province on May 7， 2015. The results showed that strong convection was mainly at the junction of warm air and cold air， ground temperature， dew point temperature， sea level pressure， wind field analysis， can clearly see the confluence area of surface cold front position and low pressure inverted trough. The development of mesoscale weather system can be clearly judged by the time evolution of TBB. Strong convection occurs mostly in the high value region of the TBB gradient， hail clouds are born before the maturity of cloud. String echo structure on Doppler weather radar plays an important role in early warning. The hail weather was formed in the lower layer and weak echo region in the middle high overhang echo structure， strong echo center and low layer displacement of about 1.5 km， indicating the potential drop of hail. The echo of 45dBz intensity was extended to above 9 km， and these indexes have good instruction significance for making strong convective weather warning.

Key words Strong convection； TBB； Radar； Ground energy ratio

強(qiáng)對流天氣具有影響范圍小、發(fā)展速度快、持續(xù)時間短的特點(diǎn)，它的發(fā)生伴有雷暴、短時暴雨、冰雹、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。強(qiáng)對流天氣突發(fā)性、局地性很強(qiáng)，經(jīng)常會造成非常嚴(yán)重的自然災(zāi)害。20世紀(jì)60～70年代，美國、日本在與大冰雹相關(guān)的超級單體風(fēng)暴方面進(jìn)行了深入的研究[1-5]，國內(nèi)學(xué)者也針對風(fēng)雹天氣的特征和成因進(jìn)行了大量分析，并得出了一些研究成果[6-8]。這些研究對于強(qiáng)對流天氣的發(fā)展規(guī)律和預(yù)報著眼點(diǎn)比較有利，但在非常規(guī)資料的應(yīng)用方面以及中尺度系統(tǒng)的發(fā)展變化方面探討的還不夠深入。陜西省商洛市位于陜西的東南部、秦巴山區(qū)，近些年來對流天氣比較頻繁，給當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)和人民生活帶來了巨大的影響。筆者利用常規(guī)資料、地面自動站資料、FY2E衛(wèi)星TBB資料（0.1°×0.1°）、西安多普勒天氣雷達(dá)資料，采用天氣動力學(xué)診斷方法和強(qiáng)天氣分析技術(shù)，對2015年5月7日的強(qiáng)對流天氣過程的大尺度環(huán)流背景、物理量場、中尺度天氣系統(tǒng)演變規(guī)律進(jìn)行了研究，以期為這類強(qiáng)對流天氣的預(yù)報提供客觀依據(jù)。

1 強(qiáng)對流天氣概況

5月7日18：00～8日08：00，陜西南部商洛大部分縣（區(qū)）雷電交加，大雨傾盆；商州、丹鳳瞬間極大風(fēng)速分別達(dá)23、32 m/s，雷雨交雜著冰雹傾瀉而下。該時段內(nèi)各自動站降雨量為11.9～51.7 mm，鄉(xiāng)鎮(zhèn)站雨量超過50 mm的有37站，主要集中商州、山陽、商南和丹鳳，最大為丹鳳縣土門104.5 mm。據(jù)商洛市民政局初步統(tǒng)計，此次災(zāi)害造成65 825人受災(zāi)，因災(zāi)死亡1人，倒塌民房9戶29間，農(nóng)作物受災(zāi)面積2 811 hm2，絕收面積74 hm2，因災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失1 867萬元。

2 環(huán)流形勢分析

2.1 高空環(huán)流形勢

5月7日08：00 200 hPa（圖1a），副熱帶西風(fēng)急流位于25°～40° N，陜西位于急流入口區(qū)、急流軸左側(cè)；500 hPa（圖1b），貝加爾湖西部有低渦活動，巴爾喀什湖為一高脊，西風(fēng)槽位于甘肅中部至四川北部一帶，冷槽范圍較大，跨越南北10個緯度以上；700 hPa（圖1c），在甘肅東南部到陜南西部有一條東西向的切變線，切變線南側(cè)重慶南部—四川東北部—陜西南部一帶是強(qiáng)盛的西南急流，急流上有明顯的風(fēng)速輻合；850 hPa（圖1d），陜西基本位于均壓場內(nèi)，關(guān)鍵區(qū)（110° E、34° N附近）陜南東部—湖北西北部有切變線發(fā)展。

2.2 地面形勢

2.2.1

溫度場、露點(diǎn)場。5月7日08：00（圖2a），陜西及周邊溫度總體呈現(xiàn)北冷南暖的形勢，這種分布形勢一方面反映了溫度隨緯度的分布，另一方面主要反映了冷鋒南壓時溫度場特征；冷高壓中心位于貝加爾湖西側(cè)，中心氣壓為1 022.5 hPa；但在34° N受地形明顯影響，有一個東西溫度低值帶；陜西境內(nèi)在34° N和36° N附近各有一個露點(diǎn)大值區(qū)，36° N的濕區(qū)中心位于關(guān)鍵區(qū)附近，等露點(diǎn)梯度分布密集；高溫高濕中心基本重合。這種分布結(jié)構(gòu)有利于對流發(fā)生。17：00（圖2b）陜西及東部鄰省的溫度基本是南高北低、東高西低的走勢，南北趨勢反映了溫度場隨緯度變化的特征。在109°～111° E有2條明顯的溫度脊，走向分別為南北向、東西向。南北向的脊可能是該地區(qū)的偏南暖平流輸送引起，橫向的脊可能是由于地面倒槽前的偏東暖平流輸送所致，暖平流的輸送將會引起地面氣層的不穩(wěn)定。110.5° E附近，這2個溫度脊之間夾持一個明顯的溫度槽，形成一個倒“Ω”形，這一區(qū)域形成溫度梯度大值區(qū)。溫度槽可能是地面冷鋒的東移南壓引起。溫度場的分布特征與地面氣壓場相互對應(yīng)。冷暖空氣的過渡區(qū)有利于發(fā)生強(qiáng)對流天氣，且多在暖區(qū)發(fā)生。露點(diǎn)溫度與溫度場分布呈現(xiàn)北干南濕、干冷暖濕中心基本重合的特點(diǎn)。冷暖空氣的過渡區(qū)可導(dǎo)致強(qiáng)烈的對流風(fēng)暴。

2.2.2

海平面氣壓、風(fēng)場。5月7日08：00（圖3a），氣壓場是典型的冷鋒南壓形勢，陜西位于冷鋒前，關(guān)鍵區(qū)北側(cè)存在一個風(fēng)場輻合帶，形成輻合帶的原因一方面是受地形影響，另一方面是冷鋒前沿南壓，同時四川到陜南西部的低壓倒槽對峙造成的。輻合區(qū)域有利于對流天氣發(fā)生。

17：00（圖3b），典型的冷鋒南壓與河套倒槽相遇，在33°～35° N氣壓梯度密集，形成明顯的鋒區(qū)。倒槽東側(cè)的西南暖濕氣流不斷向關(guān)鍵區(qū)輸送水汽，同時河套北部冷鋒繼續(xù)南下，其前沿到達(dá)關(guān)鍵區(qū)北側(cè)，冷暖空氣在關(guān)中南部相遇，在33°～35° N風(fēng)場上出現(xiàn)偏北風(fēng)與西南風(fēng)的強(qiáng)輻合區(qū)，有利于對流天氣發(fā)生。

3 物理量場診斷分析

3.1 動力場

沿110° E 的垂直速度剖面（圖4）表明，7日08：00 在34° N附近地區(qū)對流層各層均為下沉運(yùn)動，抬升條件較差；20：00，關(guān)鍵區(qū)附近整層為上升運(yùn)動，最大上升速度接近400 hPa，其值>-2.5×10-3 hPa/s，抬升條件非常有利于對流天氣的發(fā)生。在20：00前后，由于四川北部—陜西北部—山西中部200 hPa 出現(xiàn)了西南—東北向的高空急流，風(fēng)速達(dá)40 m/s以上，低層700 hPa在湖北西南—河南西部有西南急流發(fā)展，關(guān)鍵區(qū)位于200 hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)、700 hPa低空急流出口區(qū)左側(cè)，高空輻散、低空輻合，抽氣作用明顯[9]，上升運(yùn)動得到強(qiáng)烈發(fā)展，為短時強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的條件。

3.2 水汽條件

5月7日08：00，關(guān)鍵區(qū)附近對流層中低層的水汽通量是1.0～1.5 g/（hPa·cm·s），水汽通量散度場垂直剖面依次是弱輻合-弱輻散-弱輻合場（圖5a），水汽條件較差。7日20：00，500 hPa以下，關(guān)鍵區(qū)的水汽通量增大為3.0～5.0 g/（hPa·cm·s），水汽通量散度驟增（圖5b）；關(guān)鍵區(qū)附近，400 hPa以下均為深厚的水汽輻合區(qū)，700 hPa以下水汽通量散度極值為-0.8×10-8 g/（cm2·hPa·s），正好位于關(guān)鍵區(qū)上空，是一個較強(qiáng)的輻合中心，強(qiáng)的水汽輻合有利于對流的生成和發(fā)展。7日19：00～21：00商洛大部分縣（區(qū)）雷電交加，大雨傾盆，該時段內(nèi)超過20 mm的有30站，主要集中商州、山陽、商南和丹鳳，最大為丹鳳縣土門104.5 mm；部分群眾房屋進(jìn)水、倒塌，供電中斷，給群眾生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響。

3.3 單站要素

安康探空站位于關(guān)鍵區(qū)西部，分析安康探空站可以更好地了解關(guān)鍵區(qū)附近強(qiáng)對流發(fā)展前后大氣的狀況。安康5月7日08：00 K指數(shù)為40 ℃，表現(xiàn)為不穩(wěn)定層結(jié)特征；600 hPa以下相對濕度接近飽和；925～500 hPa垂直風(fēng)切變非常大，約為18 m/s，700 hPa西南風(fēng)速達(dá)10 m/s，水汽輸送較強(qiáng)，有利于強(qiáng)對流天氣發(fā)展。20：00安康站對流有效位能CAPE為1 392.4 J/kg，不穩(wěn)定能量非常強(qiáng)；700 hPa西南風(fēng)速達(dá)12 m/s，結(jié)合700 hPa天氣圖分析，此時關(guān)鍵區(qū)附近形成低空急流，925～500 hPa垂直風(fēng)切變約為16 m/s。7日20：00～22：00關(guān)鍵區(qū)附近形成了劇烈的強(qiáng)對流天氣。

分析安康站20：00探空資料發(fā)現(xiàn)，0 ℃層維持在4 185 m上下，也就是600 hPa附近，-20 ℃層高度在7 192 m左右，即400 hPa附近，有利于生成冰雹[10]。

從5月7日商州站地面氣象自動站各要素隨時間的變化曲線（圖6）可看出，16：00～17：00商州溫度迅速降低，達(dá)8.5 ℃左右，氣壓升高達(dá)5.5 hPa；地面風(fēng)向在18：00～19：00由東南風(fēng)逆轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，08：00～19：00風(fēng)速由0.4 m/s增至6.8 m/s，此后在20：00迅速減小為2.3 m/s，地面冷鋒過境。08：00～18：00商州站東南風(fēng)速增大，同時氣壓急劇減少，容易形成強(qiáng)的輻合中心，也為強(qiáng)對流的生成和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

3.4 能量條件

3.4.1 地面能量比。

7日08：00（圖7a），關(guān)鍵區(qū)位于河套冷鋒前，能量比分布呈現(xiàn)北低南高的形勢，能量比為65 ℃/hPa；11：00（圖7b），關(guān)鍵區(qū)南部的低壓倒槽向北推進(jìn)，四川到陜西南部的水汽通道迅速建立，能量迅速積聚，能量比為90 ℃/hPa，是對流生成和發(fā)展的觸發(fā)機(jī)制之一。14：00（圖7c），河套冷鋒繼續(xù)南下，四川東部低壓倒槽北進(jìn)，在關(guān)鍵區(qū)附近的能量比梯度迅速加大，發(fā)展成一個明顯的高能比軸，且形成倒“Ω”系統(tǒng)，空間尺度在200～300 km，此時能量比增加至95 ℃/hPa。17：00，在地面圖上冷鋒和倒槽位于33°～34° N，關(guān)鍵區(qū)附近為露點(diǎn)溫度的梯度密集區(qū)，高溫高濕的環(huán)境有利于能量的堆積，關(guān)鍵區(qū)的能量比繼續(xù)增大至100 ℃/hPa（圖7d），強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)即將開始。20：00，能量比迅速降至70 ℃/hPa以下，降水逐漸減弱?？梢?，地面能量比可以提前揭示強(qiáng)對流天氣的發(fā)生和結(jié)束[11]。

3.4.2 不穩(wěn)定能量。

7日08：00和20：00關(guān)鍵區(qū)T850-500≥27 ℃（圖8），相當(dāng)于溫度直減率≥6.75 ℃/km，這個溫度直減率大于對流層內(nèi)平均氣溫直減率（6.00 ℃/km），如此強(qiáng)的垂直溫度梯度與地面的倒槽、切變線輻合系統(tǒng)相互配合，是強(qiáng)對流天氣的有利條件[12]。

4 衛(wèi)星云圖分析

分析每小時一次的FY2E TBB資料可見，5月7日10：00開始有孤立的對流單體發(fā)展，TBB約為-20 ℃，在甘肅到陜北為東西向大尺度的冷鋒云系，隨著冷鋒云系的南壓，12：00前后，陜西中部上空的對流單體與北部的冷鋒云系合成一體，冷云面積增大，冷中心TBB最小為-40 ℃，但此時還沒有出現(xiàn)較強(qiáng)降水。此后，冷云繼續(xù)東移南壓，19：00發(fā)展到最強(qiáng)盛（圖9a），陜西中南部出現(xiàn)2個中β尺度的云團(tuán)。β云團(tuán)正好為關(guān)鍵區(qū)上空，云團(tuán)結(jié)構(gòu)緊密，冷中心TBB約為-60 ℃，云團(tuán)東南側(cè)TBB梯度明顯加大，在梯度大值區(qū)附近出現(xiàn)50.6 mm/h的強(qiáng)降水，且出現(xiàn)冰雹和20.2 m/s的短時大風(fēng)。20：00（圖9b），2個中β尺度云團(tuán)合并成一個較大的橢圓狀的對流云團(tuán)，長軸增長為600 km左右，中心維持在-60 ℃，關(guān)鍵區(qū)附近出現(xiàn)90.5 mm/h的降水，此后云團(tuán)東移，關(guān)鍵區(qū)TBB增大，對流逐漸減弱。

5 多普勒雷達(dá)回波分析

從圖10可以看出，此次過程是一個多單體強(qiáng)風(fēng)暴過程，在這些多單體中有2個伸展高度較高的中β尺度的對流單體，中心回波>60 dBz，其低層入流來自東南方向。1.5°反射率因子（圖10b）顯示，以“+”標(biāo)注為參考，風(fēng)暴的高反射率因子區(qū)從低到高向入流一側(cè)傾斜，反映出低層弱回波區(qū)和中高層的懸垂回波結(jié)構(gòu)，且風(fēng)暴頂位于低層反射率因子高梯度區(qū)之上。相應(yīng)的反射率因子垂直剖面（圖10e）也再次證明了風(fēng)暴低層的弱回波區(qū)和中高層的懸垂回波結(jié)構(gòu)；商州站45 dBz強(qiáng)度的回波延伸至9 km以上高度；商州站中層強(qiáng)回波中心與低層位移達(dá)1.5 km左右，預(yù)示了降冰雹的潛勢[13]。

分析VIL發(fā)現(xiàn)，商州站VIL達(dá)50 kg/m2。低層0.5°徑向速度圖上（圖10f），關(guān)鍵區(qū)附近的大風(fēng)超過14 m/s。在強(qiáng)回波區(qū)出現(xiàn)氣旋式輻合區(qū)，這也很可能是關(guān)鍵區(qū)附近形成短時大風(fēng)的原因之一。

6 結(jié)論與討論

（1）這次冰雹天氣在大尺度和中尺度系統(tǒng)的共同作用下產(chǎn)生，此次強(qiáng)對流天氣過程是在冷鋒向河套地區(qū)東移過程中發(fā)生的，200、700 hPa高低空急流共同作用，500 hPa中高緯度冷槽強(qiáng)盛，地面冷鋒從河套西北方向南下攜帶大范圍冷空氣進(jìn)入陜西省，引發(fā)了此次致災(zāi)對流過程。

（2）地面綜合分析發(fā)現(xiàn)，典型的冷鋒南壓與河套倒槽相遇，形成明顯的鋒區(qū)。冷暖空氣在關(guān)中南部相遇，在33°～35° N風(fēng)場上出現(xiàn)偏北風(fēng)與西南風(fēng)的強(qiáng)輻合區(qū)。露點(diǎn)溫度與溫度場分布呈現(xiàn)北干南濕、干冷暖濕中心基本重合的特點(diǎn)。冷暖空氣的過渡區(qū)可導(dǎo)致強(qiáng)烈的對流風(fēng)暴。

（3）動力場分析可見，對流出現(xiàn)前后，關(guān)鍵區(qū)位于200 hPa高空急流入口區(qū)右側(cè)、700 hPa低空急流出口區(qū)左側(cè)，高空輻散、低空輻合，抽氣作用明顯，上升運(yùn)動得到強(qiáng)烈發(fā)展，為短時強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的條件。

（4）通過每小時一次的FY2E TBB資料分析，可以清晰地反映出中尺度系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展過程。強(qiáng)對流天氣落區(qū)多發(fā)生在云團(tuán)TBB迅速加強(qiáng)、梯度密集的區(qū)域，這對于強(qiáng)對流天氣有較好的指示作用。

（5）此次冰雹天氣發(fā)展過程中形成了明顯低層弱回波區(qū)和中高層的懸垂回波結(jié)構(gòu)，中層強(qiáng)回波中心與低層位移達(dá)1.5 km左右，預(yù)示了降冰雹的潛勢。45 dBz強(qiáng)度的回波延伸至9 km以上，這些指標(biāo)對準(zhǔn)確做出強(qiáng)對流天氣預(yù)警有較好的指示意義。

（6）地面能量比是對流生成和發(fā)展的觸發(fā)機(jī)制之一，7日17：00在地面圖上冷鋒和倒槽位于33°～34°N，關(guān)鍵區(qū)附近為露點(diǎn)溫度的梯度密集區(qū)，高溫高濕的環(huán)境有利于能量的堆積，關(guān)鍵區(qū)的能量比繼續(xù)增大至100 ℃/hPa，強(qiáng)降水、冰雹、大風(fēng)即將開始；20：00能量比迅速降至70 ℃/hPa以下，降水逐漸減弱?？梢姡孛婺芰勘瓤梢蕴崆敖沂緩?qiáng)對流天氣的發(fā)生和結(jié)束，常規(guī)天氣圖不易分析出來，該方法是一個有效的分析工具。

參考文獻(xiàn)

[1]DONALDSON R J.Vortex signature recognition by a Doppler radar[J].Appl Meteorl，1970，9（4）：661-670.

[2]FUJITA T T.Analytical mesometeorology：A review[J].Meteor Monogr，1963，5（27）：77-125.

[3]KROPFLI R A，MILLER L J.Kinematic structure and flux quanti-ties in a convective storm from dual-Doppler radar obvservations[J].J Atmos Sci，1976，33（3）：520-529.

[4]LEMON R L，DOSWELL C A.Severe thunderstorm evolution and mesocyclone structure as related to torrnadogenesis[J].Monthly westher review，1979，107（9）：1184-1197.

[5]HOUZE R A，RUTLEDGE S A，BIGGERSTAFF M I，et al.Interpretation of Doppler weather radar display in midlatitude mesoscale convective system[J].Bull Amer Meteor Soc，1989，70（6）：608-619.

[6]井宇，陳闖，陳寧，等.陜北北部一次雹暴的特征及成因[J].陜西氣象，2013（4）：6-11.

[7]羅慧，劉勇，馮桂力，等.陜西中部一次超強(qiáng)雷暴天氣的中尺度特征及成因分析[J].高原氣象，2009，28（4）：816-826.

[8]許新田，劉瑞芳，郭大梅，等.陜西一次持續(xù)性強(qiáng)對流天氣過程的成因分析[J].高原氣象，2010，30（1）：226-234.

[9]朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法[M].北京：氣象出版社，2003：401-411.

[10]張霞，周建群，申永辰，等.一次強(qiáng)冰雹過程的物理機(jī)制分析[J].氣象，2006，31（4）：15-17.

[11]馬鶴年.次天氣尺度Ω系統(tǒng)和暴雨落區(qū)[C]//暴雨文集編委會.暴雨文集.長春：吉林人民出版社，1978：171-176.

[12]杜繼穩(wěn).陜西省短期天氣預(yù)報技術(shù)手冊[M].北京：氣象出版社，2007.

[13] LEMON L R.On the use of storm structure for hail identification[J].Amer Meteor Soc，1978，5：203-206.