2014-07-14豫北局地冰雹機制分析

杜麗婭,許慶娥

(濮陽市氣象臺,河南濮陽 457000)

2014-07-14豫北局地冰雹機制分析

杜麗婭,許慶娥

(濮陽市氣象臺,河南濮陽 457000)

利用常規(guī)氣象資料、NCEP再分析資料、多普勒雷達(dá)資料、FY-2E靜止衛(wèi)星和區(qū)域自動站觀測資料,對2014年7月14日豫北地區(qū)新鄉(xiāng)和濮陽兩地相繼發(fā)生的局地冰雹天氣過程進行分析,結(jié)果表明:兩地的局地強對流天氣過程發(fā)生在高空急流軸的右側(cè)、西風(fēng)槽的槽前和850 hPa西南顯著流線的左前側(cè),且中低層沒有明顯的冷暖平流;新鄉(xiāng)的大風(fēng)、冰雹天氣是在積云合并加強并形成中-β尺度的強對流云團的過程中形成的,在雷達(dá)回波上表現(xiàn)為明顯的回波合并過程,合并后的回波特征呈現(xiàn)出傾斜上升的強回波中心及其下方的弱回波區(qū),在雷達(dá)徑向速度圖上表現(xiàn)為較強的斜升氣流和中氣旋;濮陽的大風(fēng)、冰雹是由脈沖風(fēng)暴導(dǎo)致的,該風(fēng)暴所在的多單體風(fēng)暴具有穩(wěn)定的移動和傳播路徑,對脈沖風(fēng)暴發(fā)生、發(fā)展落區(qū)有很好的指示意義。

局地冰雹;積云合并;斜升氣流;脈沖風(fēng)暴;觸發(fā)機制

近年來隨著高分辨率觀測網(wǎng)的建設(shè),中國強對流天氣研究水平和預(yù)報預(yù)警能力明顯提高。但是,支配強對流天氣啟動和發(fā)展方式的物理機制復(fù)雜多樣,即使在相似的天氣背景條件下,誘發(fā)強對流天氣的中尺度影響系統(tǒng)形式也會各異[1-10]。正是這種復(fù)雜多樣性使強對流天氣預(yù)報預(yù)警難度增大,其中局地強對流天氣又因其具有突發(fā)性、災(zāi)害大和難以防范而成為眾多學(xué)者關(guān)注和研究的重點[11-21]。孫繼松等[22]基于產(chǎn)生強對流天氣潛勢條件的相對重要性,把中國強對流天氣的形勢背景分成五類:高空冷平流強迫、低層暖平流強迫、斜壓鋒生類、準(zhǔn)正壓類和高架雷暴類。許愛華等[23]指出盛夏季節(jié)的強對流往往表現(xiàn)出準(zhǔn)正壓特征,即冷暖平流皆不明顯,流場上的動力強迫和地面局地受熱不均起主要作用。華北地區(qū)的強對流多以高空冷平流強迫、低空暖平流強迫和強烈的斜壓鋒生強迫為主導(dǎo),很少出現(xiàn)準(zhǔn)正壓類的強對流配置結(jié)構(gòu),因此,深入研究此類強對流天氣的形成機制和預(yù)報預(yù)警信息,對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

2014年7月14日15—18時,豫北局地出現(xiàn)了強對流天氣,其中新鄉(xiāng)有14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)極大風(fēng)速超過了17 m/S,11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了20 mm/h的短時強降水;15—16時,新鄉(xiāng)縣、原陽縣和延津縣的局部地區(qū)出現(xiàn)了冰雹,冰雹最大直徑為20 mm左右;17時55分左右,濮陽的清水河、王集一帶出現(xiàn)了2 mm左右的冰雹和18.4 m/S的大風(fēng)。此次過程具有局地性、突發(fā)性的特點,有一定的預(yù)報預(yù)警難度。本文利用常規(guī)氣象資料、NCEP再分析資料、多普勒雷達(dá)資料、FY-2E靜止衛(wèi)星和區(qū)域自動站觀測資料對此次過程進行研究,對新鄉(xiāng)和濮陽局地雹暴的中尺度特征進行對比分析,揭示引發(fā)大風(fēng)、冰雹天氣的成因,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 天氣形勢

2014年7月14日08時200 hPa西風(fēng)急流軸經(jīng)過華北南部,急流下方鋒區(qū)明顯;250 hPa的24 h負(fù)變溫達(dá)到-6℃,有利于0℃層和-20℃高度的降低,有利于冰雹天氣的發(fā)生;500 hPa歐亞中高緯度為兩槽一脊型,河套西風(fēng)槽受高空鋒區(qū)阻擋移動緩慢;850 hPa華北南部受暖區(qū)控制,同時有一支西南風(fēng)顯著氣流伸向華北南部,將低層暖濕氣流向豫北輸送。綜合來看, 500 h Pa西風(fēng)槽與200 hPa高空急流軸在華北南部交叉匯合,中低層沒有明顯的冷暖平流,冰雹天氣發(fā)生在高空急流軸的右側(cè)、西風(fēng)槽的槽前和850 h Pa西南顯著流線的左前側(cè)。20時,西風(fēng)槽緩慢東移,交叉匯合區(qū)與前期相比略有東移,局地強對流天氣發(fā)生在匯合區(qū)東移過程中。

地面圖上,11—13日華北平原均受低壓帶控制,豫北地區(qū)連續(xù)3天出現(xiàn)高溫天氣,13日最高溫度高達(dá)35℃,地面有較高的能量積累。由于高空鋒區(qū)的阻擋作用,500 h Pa西風(fēng)槽移動緩慢,14日14時西風(fēng)槽移至山西河北交界處(圖略),槽前正渦度平流促使地面氣旋發(fā)展,地面氣壓場上,在河北南部存在一強度為1 001.5 hPa的中尺度氣旋式環(huán)流閉合中心,前期的中低壓加強為中氣旋。同時槽后負(fù)渦度平流促使地面反氣旋發(fā)展。14時在山西—陜西有中高壓發(fā)展,且有弱冷空氣從中高壓擴散到中氣旋底部,并有地面輻合線在中氣旋底部生成。隨著晴空地面非絕熱加熱作用的逐漸加強,豫北地區(qū)14時溫度大多超過了35℃,非常有利于熱雷暴的發(fā)展。

此次強對流天氣過程在豫北地區(qū)的新鄉(xiāng)和濮陽先后出現(xiàn)了局地冰雹,新鄉(xiāng)冰雹發(fā)生在地面中低壓的底部,而濮陽的冰雹過程發(fā)生在中低壓內(nèi)的偏南氣流里。兩地所處天氣系統(tǒng)位置不同導(dǎo)致兩次冰雹的強度、發(fā)生范圍和機制有很多不同之處,下面將做出詳細(xì)分析。

2 環(huán)境特征

使用上海探空訂正軟件,用新鄉(xiāng)和濮陽14時的氣溫和露點溫度,分別訂正2014年7月14日08時鄭州和章丘站的探空圖,得到新鄉(xiāng)和濮陽14時的探空訂正資料(圖1)。對比發(fā)現(xiàn)有以下幾個共同特點:(1)從近地面到500 hPa都有明顯的條件不穩(wěn)定特征;(2)整層的相對濕度都比較小,對流層高層到700 hPa附近有相對更干的干空氣卷入,溫濕層結(jié)曲線呈向上開口的喇叭形狀,“上干冷、下暖濕”特征明顯;(3)新鄉(xiāng)的0℃層和-20℃高度為4.3 km和7.3 km,濮陽為4.1 km和7.0 km,均相對于河南區(qū)域冰雹的0℃層和-20℃高度偏低[13]。不同點在于:(1)狀態(tài)曲線和層結(jié)曲線之間的區(qū)域面積不同,即對流有效位能不同,新鄉(xiāng)探空站的對流有效位能CAPE=3 419 J/kg、對流凝結(jié)高度CCL =813 h Pa、對流溫度tc=35.6℃,濮陽探空站的CAPE=4 324 J/kg、CCL=850 hPa、tc= 34.5℃。隨著地面溫度的不斷升高,濮陽更容易達(dá)到對流溫度及對流凝結(jié)高度,產(chǎn)生熱對流,而且因為濮陽的CAPE值更大,濮陽發(fā)生對流的熱力不穩(wěn)定條件比新鄉(xiāng)好。(2)新鄉(xiāng)探空圖上,從近地面到300 h Pa的風(fēng)速隨高度升高增加明顯,具有明顯的垂直風(fēng)切變。

從以上的分析可以明顯看出,新鄉(xiāng)和濮陽整層相對濕度較小、中高層存在相對更干空氣的卷入,且0℃層和-20℃層高度較低對冰雹出現(xiàn)是比較有利的。但濮陽具有更強的熱力不穩(wěn)定能量和弱垂直風(fēng)切變,因而非常有利于脈沖風(fēng)暴的發(fā)展,而新鄉(xiāng)具有較強的熱力不穩(wěn)定能量和中高層較明顯的垂直風(fēng)切變,非常有利于強對流風(fēng)暴的組織。

3 對流云團特征

FY-2E靜止衛(wèi)星紅外云圖上,7月14日上午,陜西北部和山西為低云覆蓋,低云中有塊狀對流云團,豫南和豫西南為暖性低云覆蓋區(qū),豫北和豫西處于兩個云系之間的晴空少云區(qū)內(nèi)。12:00后,高空有干冷氣流經(jīng)陜西南部入侵豫西地區(qū),在豫西形成線狀對流云團并向東北方向移動,同時隨著地面輻射加熱的增強,山西境內(nèi)不斷有塊狀對流云團生成并東移。15:15,豫西對流云團在向東北移動經(jīng)過黃河時,云團北部突然加強形成γ中尺度對流云團;同時山西對流云團移至豫北形成γ中尺度對流云團 (見第25頁圖2)。15:30,兩個γ中尺度對流云團合并加強為β中尺度對流云團,云頂亮溫達(dá)到-54℃,并出現(xiàn)兩個云頂亮溫低值中心 (見第25頁圖2)。15:45,云團緩慢東北移,受其影響,新鄉(xiāng)多個縣 (區(qū))出現(xiàn)了強大風(fēng)、冰雹天氣。隨后,云團減弱向東北移動,此時,豫北的濮陽地區(qū)有熱對流泡生成。17:30,云團觸發(fā)熱對流,生成塊狀強對流云團,隨后,該強對流云團東移至臺前一帶,造成局地大風(fēng)、冰雹天氣。

4 多普勒雷達(dá)產(chǎn)品特征

4.1 雷達(dá)回波演變

在鄭州多普勒雷達(dá)組合反射率圖 (見第25頁圖3)上,14:57鄭州雷達(dá)站正北方向的弓形強回波向東北方向移動,同時在豫北地區(qū)的衛(wèi)輝、新鄉(xiāng)和獲嘉一帶有三個東北—西南向排列成線狀的回波單體向東南方向移動。15:21弓形回波與線狀回波單體合并成東北—西南向的強回波帶,并在其南端局部增強形成兩個最大回波強度為65 d Bz的指狀回波。沿15:21雷達(dá)組合反射率因子的雷達(dá)徑向作通過最強反射率因子核心的垂直剖面,可以看到,強回波中心向一側(cè)傾斜,其下方出現(xiàn)“弱回波區(qū)(WER)”特征,且超過50 dBz的強回波已經(jīng)延伸至9 km,遠(yuǎn)在-20℃層等溫線高度以上,出現(xiàn)強降雹的可能性非常大。這種“弱回波區(qū)(WER)”特征表明有比較強的斜升氣流存在 (將在下一節(jié)詳細(xì)分析)。同時在4.3°仰角基本反射率圖上發(fā)現(xiàn)了 “三體散射”現(xiàn)象。15:27,兩個指狀回波合并成一個人字形強回波,最大強度為65 dBz。指狀回波和人字形回波都是冰雹云的典型特征,在指狀回波和人字形回波的中心處,即新鄉(xiāng)、原陽和延津產(chǎn)生了局地冰雹天氣,隨后該回波帶減弱并加速向東北方向移去。

在濮陽多普勒雷達(dá)圖上可以看到,16:44該回波帶移至濮陽地區(qū),其前側(cè)出流邊界觸發(fā)局地生成的對流單體,使之加強形成風(fēng)暴A。17:14在風(fēng)暴A的右側(cè)有對流單體B從中空開始發(fā)展,17:26(見第25頁圖4a)單體風(fēng)暴A外圍呈現(xiàn)出較為清晰的出流邊界,回波強度在5～10 d Bz,結(jié)合地面自動站的觀測記錄(圖略)以及反射率因子的垂直剖面圖 (見第25頁圖4b)來看,風(fēng)暴A有冷出流及地,沿該出流的邊界產(chǎn)生的垂直運動使風(fēng)暴B最大回波強度由55 dBz迅速增強至60 d Bz,且強回波中心迅速向上向下同時增長,超過55 dBz的強回波高度為5～9 km,已經(jīng)擴展到-20℃等溫線以上高度,同時結(jié)合風(fēng)暴趨勢產(chǎn)品顯示,回波頂高也迅速增大,而且隨著上升氣流的加強和風(fēng)暴的快速發(fā)展,垂直累積液態(tài)水含量(VIL)由上一時刻的18 kg·m-3迅速增至34 kg·m-3。綜合上述要素可以判定風(fēng)暴B是一個在風(fēng)暴A的冷出流邊界的觸發(fā)作用下發(fā)展和加強的脈沖風(fēng)暴[21]。該風(fēng)暴隨后立即向北東北方向移動,在移動的過程中不斷加強,17:55左右強回波中心迅速下降,造成了濮陽局地的大風(fēng)冰雹天氣。

4.2 雷達(dá)徑向速度演變特征

鄭州雷達(dá)站0.5°仰角徑向速度圖上, 14:50,原陽西南0.5 km上空有中心風(fēng)速為15 m/S的邊界層西南急流生成。15:03,西南急流進一步加強,最大速度達(dá)27 m/S(見第26頁圖5a),同時在衛(wèi)輝—獲嘉一帶有一個明顯的入流區(qū)。西南急流和入流區(qū)與反射率因子圖上的弓形強回波和線狀強回波帶有很好的對應(yīng)關(guān)系。15:21,入流區(qū)對應(yīng)著相對干冷的偏北氣流(結(jié)合地面風(fēng)場可知),推動衛(wèi)輝—獲嘉一帶的線狀排列的強回波向東南方向移動,與被西南暖濕急流推動著的向東北方向移動的弓形強回波逐漸靠近。15:27,隨著入流區(qū)在西南急流之上的滑升,形成較強的斜升氣流,中層的徑向輻合也逐漸增強,回波也隨之合并增強,3.4°仰角的速度圖上出現(xiàn)轉(zhuǎn)動速度為12 m/S的中氣旋(見第26頁圖5b),并持續(xù)出現(xiàn)在下個體掃4.3°仰角徑向速度圖上 (圖略),中氣旋生成的地方正對應(yīng)著人字形回波的中心。在輻合加強的過程中,原陽、新鄉(xiāng)和延津出現(xiàn)了局地冰雹。在此過程中西南急流一直存在,不僅為強對流過程輸送了大量的水汽,還增強了對流層中低層的熱力和動力不穩(wěn)定,對預(yù)報預(yù)警具有重要的指示作用。

濮陽雷達(dá)站0.5°仰角徑向速度圖上 (見第26頁圖6),17:38,在范縣東側(cè)出現(xiàn)一個非常小的入流點,對應(yīng)2.4°仰角徑向速度圖上可以看到轉(zhuǎn)動速度達(dá)12 m/S的小的中尺度渦旋,且低層入流點位于中尺度渦旋輻合中心的正下方。結(jié)合反射率因子圖可以看到脈沖風(fēng)暴的反射率因子核心偏向入流區(qū)一側(cè),而濮陽的局地冰雹就發(fā)生在脈沖風(fēng)暴的下方。因此入流區(qū)對脈沖風(fēng)暴導(dǎo)致的災(zāi)害性天氣落區(qū)有較好的指示意義。

4.3 局地強風(fēng)雹預(yù)警

根據(jù)以上分析,午后山西一帶出現(xiàn)細(xì)胞狀對流性回波區(qū)時,應(yīng)加強對豫北地區(qū)的強對流天氣監(jiān)測,可發(fā)布雷暴臨近預(yù)報或預(yù)警;同時要注意雷暴大風(fēng)、冰雹和短時強降水等強對流天氣臨近預(yù)報和預(yù)警信號的發(fā)布。出現(xiàn)強對流單體時,要密切關(guān)注是否出現(xiàn)回波合并、弱回波區(qū)(WER)、中氣旋和低層急流的發(fā)展。如果有回波合并的趨勢,同時在低仰角觀測到有弱回波區(qū)和低空急流發(fā)展時,應(yīng)及時發(fā)布大風(fēng)冰雹預(yù)警,如果監(jiān)測到超過50 dBz的強回波已經(jīng)延伸至-20℃層等溫線高度以上時應(yīng)及時發(fā)布冰雹預(yù)警信號。

脈沖風(fēng)暴的發(fā)展加強非?？?而且生命史很短,因此對脈沖風(fēng)暴的預(yù)警非常困難。此次脈沖風(fēng)暴可以看作是多單體風(fēng)暴中的一個,從多單體風(fēng)暴的風(fēng)暴追蹤路徑圖 (圖略)上可以看出,每個風(fēng)暴單體都是向北東北方向移動,新單體都是在老單體的右側(cè)產(chǎn)生的,也就是說傳播方向是向東的,從而對脈沖風(fēng)暴發(fā)生、發(fā)展落區(qū)有很好的指示意義。

5 結(jié)論

(1)豫北地區(qū)相繼發(fā)生的兩次大風(fēng)冰雹過程發(fā)生在高空急流軸的右側(cè)、西風(fēng)槽槽前。高空擴散的弱冷空氣和熱雷暴觸發(fā)了這次強對流天氣。

(2)探空資料表明,中高層干空氣的卷入、淺薄的濕層和較低的0℃層和-20℃高度有利于風(fēng)雹天氣的發(fā)生。大的CAPE值提供了熱力不穩(wěn)定能量。新鄉(xiāng)具有較強的熱力不穩(wěn)定能量和中高層較明顯的垂直風(fēng)切變,非常有利于有組織的強對流風(fēng)暴的產(chǎn)生;濮陽具有更強的熱力不穩(wěn)定能量和弱垂直風(fēng)切變,非常有利于脈沖風(fēng)暴的發(fā)展。

(3)新鄉(xiāng)的大風(fēng)冰雹是由積云合并加強形成的中β尺度強對流云團造成的,在雷達(dá)回波上表現(xiàn)為明顯的回波合并過程。合并后的強回波呈現(xiàn)出傾斜上升的強回波中心及其下方的弱回波區(qū)等回波特征。在雷達(dá)徑向速度圖上表現(xiàn)為較強的斜升氣流和中氣旋;邊界層急流提供了水汽和動力熱力不穩(wěn)定能量,并對預(yù)報預(yù)警具有重要的指示作用。濮陽的大風(fēng)冰雹是由脈沖風(fēng)暴導(dǎo)致的。該脈沖風(fēng)暴所在的多單體風(fēng)暴具有穩(wěn)定的移動和傳播路徑,對脈沖風(fēng)暴發(fā)生、發(fā)展落區(qū)有很好的指示意義。

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P458

:A

杜麗婭,許慶娥.2014-07-14豫北局地冰雹機制分析[J].陜西氣象,2015(5):21-27.

1006-4354(2015)05-0021-07

2015-04-22

杜麗婭(1983—),女,漢族,河南濮陽人,學(xué)士,助工,主要從事天氣預(yù)報工作。

國家自然科學(xué)基金項目(41375038)