一次雷暴天氣潛勢(shì)預(yù)報(bào)與中尺度分析

馬遠(yuǎn)衛(wèi) 雷崇典 杜浩 田楊媚

摘要 利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、T639數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品FY-2E衛(wèi)星云圖及相關(guān)定量產(chǎn)品，分析了2014年7月29日陜北出現(xiàn)的一次局地雷暴天氣過(guò)程，基于雷暴發(fā)生的三要素討論了中尺度不穩(wěn)定與雷暴發(fā)生之間的關(guān)系、抬升與觸發(fā)的異同以及天氣系統(tǒng)與雷暴抬升機(jī)制之間的關(guān)系，并對(duì)產(chǎn)生雷暴機(jī)制的物理量和有利于雷暴發(fā)生的中尺度環(huán)境進(jìn)行分析。結(jié)果表明，雷暴是在條件不穩(wěn)定層結(jié)下產(chǎn)生的，位勢(shì)不穩(wěn)定的建立有利于雷暴機(jī)制的形成與發(fā)展；雷暴發(fā)生區(qū)形成較強(qiáng)的濕度梯度，有利于雷暴發(fā)生區(qū)產(chǎn)生垂直環(huán)流。上升區(qū)在濕空氣區(qū)，下沉區(qū)在干區(qū)，這個(gè)垂直環(huán)流圈的進(jìn)一步發(fā)展反過(guò)來(lái)又維持了濕舌，是強(qiáng)對(duì)流的一種觸發(fā)機(jī)制。有利的中尺度環(huán)境場(chǎng)和邊界層輻合線的形成是雷暴的觸發(fā)機(jī)制。高層的輻散場(chǎng)與短波槽的配置，有助于低層850 hPa和地面輻合線觸發(fā)雷暴。

關(guān)鍵詞 雷暴；潛勢(shì)預(yù)報(bào)；中尺度；物理量

中圖分類號(hào) S16；P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）29-0180-04

Potential Prediction and Mesoscale Analysis of a Thunderstorm Weather

MA Yuanwei，LEI Chongdian，DU Hao et al

（Yanan City Meteorological Bureau， Yanan，Shaanxi 716000）

Abstract Using the conventional meteorological observation data， T639 numerical prediction product FY2E satellite cloud image and related quantitative products， the process of local thunderstorms in northern Shaanxi on July 29， 2014 was analyzed，based on the three elements of thunderstorm， the relationship between mesoscale instability and thunderstorms， the similarities and differences between lifting and triggering， and the relationship between weather system and thunderstorm mechanism were discussed，and analyzed the physical quantity of the thunderstorm mechanism and the mesoscale environment which was favorable to the occurrence of the thunderstorm.The results showed that the thunderstorm was generated under the condition of unstable stratification， and the establishment of instability was conducive to the formation and development of thunderstorm mechanism.The thunderstorm area had a strong gradient of humidity， which was favorable for the vertical circulation of the thunderstorm.Rising support in the wet air area， sinking area in the dry area， the further development of the vertical circulation circle in turn maintained the wet tongue， which was a strong convection trigger mechanism.Favorable mesoscale environmental field and boundary layer formation were thunderstorm triggering mechanisms.The highlevel diffuse field and shortprofile configuration helped the lower 850 hPa and ground convergence lines to trigger thunderstorms.

Key words Thunderstorm；Potential prediction；Mesoscale；Physical quantity

作者簡(jiǎn)介 馬遠(yuǎn)衛(wèi)（1973—），男，陜西咸陽(yáng)人，助理工程師，從事強(qiáng)對(duì)流天氣研究。

收稿日期 2017-07-26

雷暴泛指深厚濕對(duì)流，常伴有雷雨、大風(fēng)、冰雹等，可以不伴有雷電活動(dòng)。雷暴（深厚濕對(duì)流）生成三要素是指靜力不穩(wěn)定、水汽和抬升條件[1]。隨著我國(guó)短臨預(yù)報(bào)的開展，雷暴生成三要素已被廣泛接受，以“配料法”[2]為思路的雷暴產(chǎn)生環(huán)境條件的研究逐漸增多；在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，雖然“配料法”能夠化繁為簡(jiǎn)，使預(yù)報(bào)思路的物理概念清晰，但又面臨一些具體問(wèn)題，特別是條件不穩(wěn)定與位勢(shì)不穩(wěn)定的異同與判據(jù)?；凇芭淞戏ā钡闹谐叨忍鞖夥治鰳I(yè)務(wù)技術(shù)實(shí)際上常常僅診斷大氣熱力結(jié)構(gòu)，即層結(jié)與水汽條件，難以診斷抬升條件，因此對(duì)區(qū)域性雷暴天氣空?qǐng)?bào)率較高。另一方面，邊界輻合線、地形抬升、干線等中尺度系統(tǒng)能迅速顯著地改變局地環(huán)境，受資料分辨率及數(shù)值預(yù)報(bào)能力限制，這種快速變化的局地環(huán)境無(wú)法診斷，一些局地強(qiáng)風(fēng)暴易漏報(bào)。筆者利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、T639數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品FY-2E衛(wèi)星云圖及相關(guān)定量產(chǎn)品，分析了2014年7月29日陜北出現(xiàn)的一次局地雷暴天氣過(guò)程，基于雷暴發(fā)生的三要素討論了中尺度不穩(wěn)定與雷暴發(fā)生之間的關(guān)系、抬升與觸發(fā)的異同以及天氣系統(tǒng)與雷暴抬升機(jī)制之間的關(guān)系，并對(duì)產(chǎn)生雷暴機(jī)制物理量和中尺度環(huán)境進(jìn)行分析[3-4]，試圖找出雷暴天氣發(fā)生的有利機(jī)制，對(duì)雷暴天氣預(yù)報(bào)提供幫助。

1 大氣環(huán)流背景與雷暴天氣過(guò)程

2014年7月29日08 ∶00 500 hPa高空?qǐng)D上，歐亞中高緯為兩槽一脊型，歐亞大槽位于河套東部區(qū)域，槽后為一致性的西北氣流，冷空氣偏北且位于河套頂部區(qū)域，陜北上風(fēng)區(qū)無(wú)明顯冷平流存在；對(duì)流層以下各層河套西側(cè)有中尺度切變存在，陜北南部區(qū)域有偏南風(fēng)氣流發(fā)展；對(duì)流層中上層河套區(qū)為一致性西北氣流。在400 hPa高空?qǐng)D上可以分析出一條由蒙古西側(cè)至陜北南部高風(fēng)速帶并有明顯的干冷空氣配合。在08 ∶00地面圖上，從南疆至青藏高原中部是大范圍的低壓控制區(qū)，河套區(qū)處于該低壓前部，無(wú)明顯的冷空氣活動(dòng)。

7月29日陜北地區(qū)出現(xiàn)一次局地雷暴天氣過(guò)程，靖邊、吳起出現(xiàn)強(qiáng)雷暴，雷暴發(fā)生范圍在 107.8°～109.1° E、36.8°～37.7° N，15 ∶48吳起測(cè)站首次出現(xiàn)雷電現(xiàn)象，17 ∶20—19 ∶00吳起鐵邊城鎮(zhèn)廟溝鄉(xiāng)出現(xiàn)降雹，最大直徑20 mm左右。 17 ∶11靖邊測(cè)站第一次出現(xiàn)雷電，17 ∶51出現(xiàn)降雹，17 ∶55開始出現(xiàn)雷雨，18 ∶26降雹結(jié)束，降雹最大直徑為25 mm，19 ∶08降水結(jié)束，累計(jì)降水量達(dá)34.8 mm，最大降水時(shí)段為18 ∶00—18 ∶30。靖邊縣鎮(zhèn)寶鄉(xiāng)自動(dòng)站降水量達(dá)59.7 mm。

2 雷暴發(fā)生條件分析

2.1 大氣不穩(wěn)定分析與對(duì)流

雷暴發(fā)生區(qū)在東勝站與延安站之間，分析29日08 ∶00兩測(cè)站的探空資料（表1）發(fā)現(xiàn)，兩測(cè)站的對(duì)流抑制有效位能（CIN）、自由對(duì)流高度（LFC）、0 ℃層位勢(shì)高度（ZH）偏大[5]，分析兩測(cè)站的T-logP圖（圖1）發(fā)現(xiàn)，延安測(cè)站濕對(duì)流有效位能CAPE值為03 J/kg，東勝測(cè)站CAPE值為252.8 J/kg，可以斷定雷暴區(qū)上空對(duì)流層550 ～320 hPa高度上氣層可能處于絕對(duì)不穩(wěn)定；LFC在568.9 ～399.1 hPa，位置明顯偏高。延安測(cè)站CIN值為500.1 J/kg，東勝測(cè)站CIN值為4565 J/kg，600 hPa以下大氣層處于CIN氣層區(qū)，大氣屬于絕對(duì)穩(wěn)定層結(jié)。

從圖2可以看出，飽和假相當(dāng)位溫隨高度減小，處于條件不穩(wěn)定氣層。

800～570 hPa大氣層結(jié)θ*se/Z<0 且θse/Z<0，屬于條件不穩(wěn)定范疇或?qū)α鞑环€(wěn)定，此氣層是位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)。由于CIN的存在，對(duì)應(yīng)的條件不穩(wěn)定氣層屬于“潛在不穩(wěn)定”區(qū)[6]。這種“潛在不穩(wěn)定”區(qū)氣層可以通過(guò)低層增濕使氣層達(dá)到飽和或低層輻合抬升使得氣塊達(dá)到LFC，實(shí)現(xiàn)條件不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)化為真實(shí)的不穩(wěn)定層結(jié)。這種明顯的位勢(shì)不穩(wěn)定有利于產(chǎn)生雷暴或強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)，低層較厚的條件不穩(wěn)定與上層較高的絕對(duì)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有利于對(duì)流發(fā)生后產(chǎn)生的強(qiáng)浮力，雷暴的垂直發(fā)展旺盛，也越容易出現(xiàn)降雹。

邊界層存在一定厚度的逆溫層，其氣層內(nèi)相對(duì)濕度大于80%。通過(guò)邊界層平流作用和地面輻射加熱使得雷暴發(fā)生區(qū)上空變得更暖更濕，有利于建立更強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定。條件不穩(wěn)定氣層較厚，通過(guò)增溫增濕使得條件不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)不穩(wěn)定。

2.2 中尺度環(huán)境場(chǎng)與觸發(fā)機(jī)制

2.2.1 邊界層與地面輻合線。

從7月29日08 ∶00地面圖（圖3）可以看出，陜西省處于地面冷高壓的前部；850 hPa，雷暴發(fā)生區(qū)上空有一條中尺度的輻合線，表明在邊界層內(nèi)有弱的冷空氣南下，產(chǎn)生局地中小尺度斜壓不穩(wěn)定。11 ∶00地面場(chǎng)上，在雷暴區(qū)對(duì)應(yīng)850 hPa產(chǎn)生一條中尺度的輻合線，這種對(duì)中尺度的擾動(dòng)有利于低層不穩(wěn)定能量隨垂直運(yùn)動(dòng)上傳，有利于觸發(fā)對(duì)流的發(fā)生。

2.2.2 濕舌。

7月29日08 ∶00 850 hPa高空?qǐng)D上延安北部上空風(fēng)場(chǎng)有一條東西向輻合線，與陜西兩側(cè)南北向型的切變線相交匯，交匯處與雷暴發(fā)生區(qū)相配合（圖3）。其雷暴發(fā)生區(qū)的南北兩側(cè)維持偏南風(fēng)水汽輸送帶，并在交匯處匯合。整個(gè)陜北地區(qū)溫度露點(diǎn)差在6 ℃以下，其中延安站為2 ℃，接近飽和。 從08 ∶00 850 hPa水汽通量場(chǎng)可以看出，在南北向的濕舌頂部輻合線略偏東

對(duì)應(yīng)有10.6 kg/（hPa ·cm·s）水汽輻合中心。在850 hPa水汽通量散度場(chǎng)上有-20 kg/（hPa ·cm2·s） 中心相對(duì)應(yīng)。且在700 hPa有一自南向北的假相當(dāng)位溫的高能舌（70 ℃）伸展到暴雨區(qū)上空。合，濕層厚度不斷增加也有利于更高層次上形成濕舌。850 hPa以下逆溫層內(nèi)的增溫增濕有利于雷暴發(fā)生區(qū)風(fēng)暴發(fā)展所需的高靜力能量的積累。

2.2.3 干線。

在圖3中，700 hPa高能舌（濕舌）的兩側(cè)是一條偏南北走向的干線（或干鋒），濕舌的頂端是850 hPa西南—東北走向的干線，在雷暴發(fā)生區(qū)形成較強(qiáng)的濕度梯度，有利于雷暴發(fā)生區(qū)產(chǎn)生垂直環(huán)流。上升區(qū)在濕空氣區(qū)，下沉區(qū)在干區(qū)，這個(gè)垂直環(huán)流圈的進(jìn)一步發(fā)展反過(guò)來(lái)又維持了濕舌，是強(qiáng)對(duì)流的一種觸發(fā)機(jī)制。

2.2.4 垂直風(fēng)切變。

從29日08 ∶00高空風(fēng)場(chǎng)可以看出，在對(duì)流層上部延安站上空400與300 hPa高度上維持較強(qiáng)的風(fēng)切變；在對(duì)流層下部700～500 hPa有一個(gè)西南風(fēng)轉(zhuǎn)西北的風(fēng)向切變。

3 理量場(chǎng)與增強(qiáng)條件分析

3.1 散度場(chǎng)

從7月29日08 ∶00雷暴發(fā)生區(qū)上空散度剖面（圖4）可以看出，雷暴區(qū)偏東南側(cè)600 hPa到邊界層有一個(gè)負(fù)散度中心，對(duì)應(yīng)在700 hPa高度上有-5.0×10-5s-1的散度中心，其500 hPa以上對(duì)應(yīng)是正散度區(qū)，強(qiáng)中心值在雷暴區(qū)偏東北方向。這種高低空配置說(shuō)明500 hPa以上具有較強(qiáng)的輻散場(chǎng)相配合，有利于強(qiáng)風(fēng)暴的強(qiáng)烈發(fā)展或增強(qiáng)。

3.2 比濕場(chǎng)

從29日08 ∶00雷暴中心沿 109.3° E比濕剖面圖（圖5a）可以看出，雷暴區(qū)上空500 hPa對(duì)流層以下水汽是一個(gè)增加的過(guò)程，而在500～400 hPa雷暴區(qū)上有一條西南—東北走向的濕舌，說(shuō)明對(duì)流層下部水汽的輻合堆積后開始向上輸送。

3.3 風(fēng)速場(chǎng)

在29日08 ∶00對(duì)流層中上層（400 hPa）河套北側(cè)有一條西北—東南走向的高風(fēng)速帶，在暴雨區(qū)上空有較強(qiáng)的冷平流，在西北方向有干冷空氣向低層侵入。700 hPa切變線與400 hPa高風(fēng)速帶的產(chǎn)生使得雷暴區(qū)上空出現(xiàn)擾動(dòng)，有利于在深厚層次內(nèi)建立很強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定。

3.4 水汽通量散度場(chǎng)

從29日08 ∶00沿 109.2° E水汽通量散度剖面（圖5b）可以看出，雷暴區(qū)上空水平中尺度范圍為水汽通量散度負(fù)值區(qū)，700 hPa高度上對(duì)應(yīng)輻合中心[-44 kg/（hPa ·cm2 ·s）]，在700 hPa高空?qǐng)D上雷暴區(qū)西側(cè)有一個(gè)切變線，東側(cè)為偏南風(fēng)氣流，雷暴區(qū)上空為水汽輻合區(qū)域，與700 hPa高度上有-5.0×10-5s-1的散度中心相對(duì)應(yīng)。

3.5 垂直速度場(chǎng)

分析29日08 ∶00垂直速度剖面圖可以看出，雷暴區(qū)上空200～850 hPa是閉合的負(fù)值區(qū)，中心區(qū)（-65×10-3 hPa/s）位于480 hPa高度，并向東北傾斜，且東北方300～850 hPa是閉合的正值區(qū)，中心區(qū)（35×10-3hPa/s）位于109.2° E、41° N 520 hPa高度，有利于暴雨區(qū)上空中尺度的環(huán)流系統(tǒng)形成。

綜合分析29日08 ∶00高空資料（圖6）發(fā)現(xiàn)，在陜北上空300 hPa的輻散場(chǎng)、400 hPa的高風(fēng)速帶、河套西部的500 hPa風(fēng)速切變與700 hPa的短波槽配置，使得雷暴區(qū)上空形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，也可以減小CIN，增加溫度直減率，有助于低層850 hPa和地面輻合線觸發(fā)雷暴。

4 結(jié)論

基于雷暴發(fā)生的三要素，分析了2014年7月29日陜北出現(xiàn)的一次局地雷暴天氣過(guò)程，討論了中尺度不穩(wěn)定與雷暴發(fā)生之間的關(guān)系、抬升與觸發(fā)的異同以及天氣系統(tǒng)與雷暴抬升機(jī)制之間的關(guān)系，指出了邊界層輻合線、干線等中尺度抬升系統(tǒng)提供雷暴發(fā)生發(fā)展所需的暖濕空氣，并對(duì)產(chǎn)生雷暴的物理量和有利于雷暴發(fā)生的中尺度環(huán)境進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

（1）雷暴是在條件不穩(wěn)定層結(jié)下產(chǎn)生的，位勢(shì)不穩(wěn)定的建立有利于雷暴機(jī)制的形成與發(fā)展， 可以通過(guò)低層增濕使氣層達(dá)到飽和或低層輻合抬升使得氣塊達(dá)到自由對(duì)流高度（LFC），實(shí)現(xiàn)條件不穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)化為真實(shí)的不穩(wěn)定層結(jié)。這種明顯的位勢(shì)不穩(wěn)定有利于產(chǎn)生雷暴或強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)，低層較厚的條件不穩(wěn)定與上層較高的絕對(duì)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有利于對(duì)流發(fā)生后產(chǎn)生的強(qiáng)浮力，雷暴的垂直發(fā)展旺盛，也越容易出現(xiàn)降雹。

（2）雷暴發(fā)生區(qū)形成較強(qiáng)的濕度梯度，有利于雷暴發(fā)生區(qū)產(chǎn)生垂直環(huán)流。上升區(qū)在濕空氣區(qū)，下沉區(qū)在干區(qū)，這個(gè)垂直環(huán)流圈的進(jìn)一步發(fā)展反過(guò)來(lái)又維持了濕舌，是強(qiáng)對(duì)流的一種觸發(fā)機(jī)制。

（3）雷暴的發(fā)生常常是在水汽和不穩(wěn)定條件已滿足的條件下等待抬升強(qiáng)迫，因該條件通常是“扣動(dòng)扳機(jī)”的觸發(fā)條件，有利的中尺度環(huán)境場(chǎng)和邊界層輻合線的形成雷暴的觸發(fā)機(jī)制。

（4）高層的輻散場(chǎng)與短波槽的配置，使得雷暴區(qū)上空形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，也可以減小對(duì)流抑制有效位能（CIN），增加溫度直減率，有助于低層850 hPa和地面輻合線觸發(fā)雷暴。

參考文獻(xiàn)

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