秦巴山區(qū)一次致災(zāi)冰雹過程分析

孟明霞 瑚娟 程運(yùn)旺

摘要 利用常規(guī)資料、多普勒雷達(dá)及自動站等資料，對秦巴山區(qū)一次致災(zāi)冰雹過程綜合分析。結(jié)果表明，此次強(qiáng)對流天氣是在高空前傾槽東移過程中產(chǎn)生的，中低層切變線為對流的發(fā)生提供了動力條件，地面輻合線是此次強(qiáng)冰雹天氣的觸發(fā)機(jī)制;適宜的0℃和-20℃層高度、地面暖低壓和特殊的“喇叭口”地形等有利于強(qiáng)冰雹天氣的發(fā)生;冰雹發(fā)生在低空急流左前方、高空急流出口區(qū)的左側(cè)和地面輻合線附近。較強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)和垂直風(fēng)切變是導(dǎo)致對流快速發(fā)展并維持的原因之一;多普勒雷達(dá)反射率因子圖上對流單體中心強(qiáng)度大于68 dBZ且維持5個體掃，有超級單體生成;反射率因子剖面圖上有有界弱回波、回波懸垂等出現(xiàn);速度圖上具有低層輻合和中氣旋等特征;在反射率因子和速度圖上均可看到三體散射;VIL躍增和驟降的時間與冰雹發(fā)生的時間相對應(yīng)。

關(guān)鍵詞 超級單體;地面輻合線;三體散射;中氣旋

商洛地處秦巴山區(qū)，地形錯綜復(fù)雜，冰雹天氣頻繁出現(xiàn)，對當(dāng)?shù)氐目緹?、設(shè)施農(nóng)業(yè)等經(jīng)濟(jì)作物影響極大，雹災(zāi)造成的損失也很慘重。近年來，新一代天氣雷達(dá)成為研究強(qiáng)冰雹天氣的主要工具之一，彌補(bǔ)了常規(guī)氣象觀測資料的一些局限性[1]。由于直接造成強(qiáng)對流天氣的中小尺度系統(tǒng)發(fā)生突然、發(fā)展迅速，致使強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警難度較大。因此，結(jié)合新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品的應(yīng)用，加強(qiáng)對強(qiáng)對流天氣中小尺度的分析，可為今后中小尺度災(zāi)害性天氣的預(yù)報、預(yù)警提供參考。

1天氣實況和災(zāi)情

2018年5月15日13：00—18：00，地處秦巴山區(qū)的商洛市商州區(qū)、丹鳳、商南等縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)先后出現(xiàn)了冰雹、雷雨大風(fēng)和強(qiáng)降水天氣，商南縣試馬鎮(zhèn)14：15出現(xiàn)冰雹、短時強(qiáng)降水，最大冰雹直徑15 mm;商南縣城關(guān)鎮(zhèn)14：42出現(xiàn)了持續(xù)十多分鐘的冰雹，最大直徑55 mm。5月出現(xiàn)如此強(qiáng)烈的冰雹天氣實屬罕見。此次冰雹過程強(qiáng)度大，持續(xù)時間長，影響范圍廣，受雹云反復(fù)發(fā)展、空域限制及防御盲區(qū)等因素影響，受災(zāi)最嚴(yán)重的商南縣因災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到960萬元。

2環(huán)境條件分析

5月15日08：00高空綜合分析圖（圖1）上，200 hPa施恩到南陽有一風(fēng)速≥42 m/s的西南風(fēng)急流，商洛位于高空急流出口區(qū)的左側(cè);700 hPa達(dá)縣到安康為≥12 m/s西南風(fēng)，商洛位于低空急流的左前方，高空輻散、低層輻合的有利形勢，有利于上升氣流和對流云的維持和加強(qiáng)。850、700 hPa的槽線落后于500 hPa，表明此槽線為前傾槽，有利于激發(fā)強(qiáng)對流天氣;500 hPa陜西中部有一冷渦，中心強(qiáng)度達(dá)-9℃，陜西中南部24 h降溫超過3℃，冷平流明顯。850 hPa河套受暖脊控制，溫度可達(dá)20℃以上。700和850 hPaT-Td≤5℃為濕區(qū)，500 hPa T-Td≥15℃為干區(qū)，且T850-500≥27℃，有強(qiáng)的位勢不穩(wěn)定。綜上所述，在商洛上空形成了上干冷下暖濕的強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)結(jié)構(gòu)，為此次過程提供了對流不穩(wěn)定條件。500、700和850 hPa 3層低渦切變線位置錯位疊加，為此次強(qiáng)天氣提供了強(qiáng)烈的動力抬升條件和維持作用。

5月15日14：00地面圖上，蒙古到河套為強(qiáng)大暖低壓，商洛處于暖低壓前部。分析商南地面三線圖發(fā)現(xiàn)，13、14、15日連續(xù)3 d最高氣溫都在30℃以上，地面增溫明顯，溫度露點差呈緩慢降低趨勢，高溫高濕的不穩(wěn)定能量不斷累積，有利于強(qiáng)對流天氣發(fā)生。14：00地面加密觀測圖（圖2a）上，在對流初生區(qū)有風(fēng)場的輻合線，強(qiáng)對流云團(tuán)的位置與地面輻合線位置基本一致。商南縣地勢西北高、東南低，呈掌狀扇形向東南方傾斜的“喇叭口”地形，也有利于對流強(qiáng)度的增加（圖2b）。

3探空分析

此次冰雹過程以商洛東南部商南縣最為嚴(yán)重，采用距商南60 km的盧氏站來預(yù)估大氣狀態(tài)。盧氏站（圖3）K=41，Si=-5.31，符合商洛強(qiáng)對流的指標(biāo)。CAPE=476.9 J/kg，CAPE形態(tài)呈瘦長型，屬典型區(qū)域性強(qiáng)對流天氣;0～6 km垂直風(fēng)切變18 m/s，屬中等偏強(qiáng)型;研究表明，最有利于降雹的0和-20℃層高度為3.0～4.5 km和5.0～9.0 km。盧氏站0和-20℃層高度分別為4.3～7.5 km。而且盧氏站08：00低層存在逆溫且濕度較大，有利于產(chǎn)生降雹。隨著地面太陽短波輻射增溫和暖低壓南壓，用14：00商南站的溫度和露點訂正后，CAPE值迅速增大到2 977 J/kg，產(chǎn)生冰雹的動力抬升條件明顯增強(qiáng)。對比涇河站探空，K=32，Si=-0.74，CAPE=64.5 J/kg，0～6 km垂直風(fēng)切變8 m/s，可見，東南部對流強(qiáng)度更大。進(jìn)一步對比兩站風(fēng)向，涇河站幾乎整層風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，為暖平流特征;盧氏站地面至500 hPa以下風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，存在暖平流，400～500 hPa風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，存在冷平流，形成“上冷下暖”的不穩(wěn)定層結(jié)結(jié)構(gòu)，有利于強(qiáng)冰雹出現(xiàn)在東南部。

4雷達(dá)資料特征

雷達(dá)資料可以清楚顯示中小尺度系統(tǒng)的演變情況。通過分析商洛多普勒雷達(dá)資料發(fā)現(xiàn)，此次降雹過程主要是超級單體分裂以及重組加強(qiáng)產(chǎn)生的降雹，多個單體不斷地相互作用導(dǎo)致強(qiáng)回波持續(xù)時間較長。該文僅針對產(chǎn)生大冰雹的對流風(fēng)暴進(jìn)行分析。

4.1反射率因子和徑向速度特征

對流風(fēng)暴14：30—15：15發(fā)展最為旺盛，從1.5°仰角的反射率因子圖（圖4）可以看出，14：29在試馬附近存在中心強(qiáng)度達(dá)68 dBZ的強(qiáng)回波，在強(qiáng)回波西南部有入流缺口，東北部有弱旁瓣回波，回波頂高達(dá)12.5 km;速度圖上可以看到明顯的速度輻合和旋轉(zhuǎn)特征;剖面圖上≥50 dBZ的強(qiáng)回波中心向上伸展到11 km以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過-20℃層高度（7.5 km），大大增加了降大冰雹的概率。在剖面圖上由于強(qiáng)烈的入流上升氣流，中高層呈現(xiàn)回波懸垂和旁瓣回波，并且有有界弱回波區(qū)形成，回波頂位于反射率因子大梯度區(qū)之上;強(qiáng)回波沿地面輻合線向東移動加強(qiáng)，14：35入流缺口變得清晰，呈現(xiàn)出鉤狀回波的形態(tài)，表明強(qiáng)的入流氣流進(jìn)入上升氣流;強(qiáng)回波鉤狀回波的存在表明可能有中氣旋發(fā)生;在速度圖上可以看到弱中氣旋和明顯的速度輻合。剖面圖上≥65 dBZ強(qiáng)回波范圍增大，中心下降到3 km以下，懸垂墻向前傾斜，此時冰雹正在下降的過程中;14：41強(qiáng)回波在東移過程中進(jìn)一步加強(qiáng)，反射率因子圖上入流缺口和鉤狀回波更加明顯;速度圖上中氣旋發(fā)展到最強(qiáng)時刻，中氣旋的出現(xiàn)表明該對流風(fēng)暴發(fā)展成一個較強(qiáng)超級單體強(qiáng)雹暴;從基本速度剖面圖（圖5）可以看到在0～3 km和3～12 km處均存在徑向輻合區(qū)，而且可以明顯看到2個正負(fù)速度中心對，此時旋轉(zhuǎn)速度最大;在10 km以上存在明顯的風(fēng)暴頂輻散，預(yù)示著風(fēng)暴發(fā)展;剖面圖上≥65 dBZ強(qiáng)回波中心繼續(xù)下降接近地面，在高懸的強(qiáng)回波條件下，中氣旋的出現(xiàn)增加了產(chǎn)生強(qiáng)冰雹的概率。14：42開始商南縣城出現(xiàn)直徑達(dá)55 mm的大冰雹。14：46鉤狀回波逐漸松散，剖面圖上≥65 dBZ強(qiáng)回波中心范圍明顯減弱，高度降低，這與地面已開始降雹實況相符。因商南縣距離雷達(dá)較遠(yuǎn)（94 km），且商南西高東低，受高山阻擋，所以剖面圖上看不到回波接地。

4.2三體散射特征

三體散射是大冰雹存在的充分條件。報有大冰雹將降落到下游地區(qū)，提前量在20 min以上。對流風(fēng)暴14：18初次出現(xiàn)不明顯的三體散射現(xiàn)象，14：24—14：58，在反射率和速度圖（圖5）上都可見明顯三體散射回波，14：58后由于風(fēng)暴頂發(fā)展較高，云頂在對流層頂向下風(fēng)方向平鋪，回波面積變大，三體散射回波減弱。研究表明三體散射長釘越長，冰雹尺寸越大，降大雹可能性越大。此次大冰雹過程三體散射長釘超過20 km，最大冰雹直徑達(dá)55 mm。三體散射首次出現(xiàn)后24 min內(nèi)有大冰雹降落，表明S波段雷達(dá)三體散射的出現(xiàn)和長度可以作為大冰雹預(yù)報的依據(jù)。

4.3垂直累積液態(tài)含水量

研究表明，垂直累積液態(tài)含水量（VIL）在降雹前有明顯“躍增”，這種“躍增”促進(jìn)了冰雹的快速形成，配合地面出現(xiàn)降雹;突然增大的VIL值可能與冰雹有關(guān)。從垂直累積液態(tài)含水量分布圖（圖6）可見，出現(xiàn)冰雹前，VIL值有2次明顯的躍增。13：38風(fēng)暴發(fā)展初期VIL僅為2 kg/m2，此時風(fēng)暴高度不到3 km，經(jīng)過5個體掃VIL值迅速增至56 kg/m2，風(fēng)暴頂高度迅速向上伸展至9 km。經(jīng)過1個體掃VIL值又增至70 kg/m2，反映了云體內(nèi)冰雹粒子在生長區(qū)正迅速碰并長大。此后VIL值緩慢增長，維持在70～80 kg/m2，風(fēng)暴發(fā)展高度達(dá)到10～12 km，雹云發(fā)展非常旺盛，降雹前約15 min，商南地區(qū)VIL值1個體掃內(nèi)躍增量達(dá)20 kg/m2，這為冰雹的預(yù)警提供了有價值的信息。

5結(jié)論

（1）此次強(qiáng)對流天氣是在高空前傾槽東移過程中產(chǎn)生的，中低層切變線為對流的發(fā)生提供了動力條件，地面輻合線是此次強(qiáng)冰雹天氣的觸發(fā)機(jī)制;適宜的0℃和-20℃層高度、地面暖低壓和特殊的“喇叭口”地形等有利于強(qiáng)冰雹天氣的發(fā)生;冰雹發(fā)生在低空急流左前方、高空急流出口區(qū)的左側(cè)和地面輻合線附近。

（2）較強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)和垂直風(fēng)切變是導(dǎo)致對流快速發(fā)展并維持的原因之一。

（3）多普勒雷達(dá)反射率因子圖上對流單體中心強(qiáng)度大于68 dBZ且維持5個體掃，有超級單體生成;反射率因子剖面圖上有有界弱回波、回波懸垂等出現(xiàn);速度圖上具有低層輻合和中氣旋等特征;在反射率因子和速度圖上均可看到三體散射;VIL躍增和驟降的時間與冰雹發(fā)生的時間相對應(yīng)。

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責(zé)任編輯：鄭丹丹