內(nèi)蒙古中部2次高架雷暴的特征分析

孔祥宇

內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣氣象局，內(nèi)蒙古興和 013650

高架雷暴定義為在大氣邊界層以上被觸發(fā)的雷暴。高架雷暴發(fā)生前，地面周圍通常存在穩(wěn)定的冷空氣，逆溫層明顯，來(lái)自地面的氣塊很難穿過逆溫層而獲得浮力，而逆溫層之上的氣塊絕熱上升獲得浮力導(dǎo)致雷暴[1]。我國(guó)南方地區(qū)高架雷暴多發(fā)，常伴有冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，具有一定日變化；高空急流、低空急流、低空切變線及500 hPa高空槽是高架雷暴的主要天氣系統(tǒng)[2]?！袄状蜓爆F(xiàn)象在我國(guó)北方冬季時(shí)有發(fā)生，2021年11月6日凌晨和2022年3月12日凌晨?jī)?nèi)蒙古中部地區(qū)出現(xiàn)了罕見的較大范圍“雷打雪”和雷陣雨天氣過程。從這2次過程時(shí)空演變出發(fā)，分析產(chǎn)生熱力不穩(wěn)定的原因和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

1 過程概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，京津地區(qū)近20年來(lái)末雷出現(xiàn)在11月和初雷出現(xiàn)在3月中旬的分別僅有1次，為2009年11月9日和2013年3月12日 凌 晨。2021年11月5日和2022年3月11日半夜至次日凌晨，內(nèi)蒙古中部地區(qū)出現(xiàn)較大范圍的“雷打雪”和雷陣雨天氣，一個(gè)年度末雷和初雷間隔僅有4個(gè)月，而內(nèi)蒙古中部比京津地區(qū)緯度更高，一年內(nèi)破初雷和末雷記錄，這種現(xiàn)象罕見。

2 天氣形勢(shì)

2.1 2021年11月5日天氣形勢(shì)

2021年11月5日20:00地面圖上，地面冷鋒在呼和浩特—東勝一線，呼和浩特站地面風(fēng)向?yàn)?20°，風(fēng)速為4 m/s，說(shuō)明地面冷鋒已過呼和浩特站，冷鋒后氣壓梯度較大，最大3 h變壓在8 hPa以上，冷鋒前處于倒槽中，降雪區(qū)在冷鋒后部700 hPa槽附近（圖1）。5日20:00高空850 hPa上，槽線已移到河套地區(qū)，呼和浩特站風(fēng)向?yàn)?90°，風(fēng)速為2 m/s，表明槽線已過呼和浩特站；溫度槽落后于高度槽，高空槽前后冷暖平流均強(qiáng)盛，呼和浩特站溫度達(dá)到10.6℃，露點(diǎn)溫度4.1℃。5日20:00高空700 hPa上，北支槽線在蒙古國(guó)與內(nèi)蒙古交界處，明顯落后于850 hPa高空槽，槽線附近等溫線密集，槽前西南暖濕氣流加強(qiáng)，呼和浩特站西南風(fēng)速為8 m/s，08:00~20:00，雖然溫度從-3℃上升至-2.5℃，僅有0.5℃升溫，但露點(diǎn)溫度卻從-14℃上升至-3℃，溫度露點(diǎn)差僅為0.5℃，近乎飽和。5日20:00 500 hPa橫槽在滿洲里西北部至新疆哈密一線，高低空槽線嚴(yán)重后傾，為典型的橫槽轉(zhuǎn)豎型寒潮天氣過程。

圖1 2021年11月5日20:00地面、850 hPa、700 hPa、500 hPa形勢(shì)圖

2.2 2022年3月11日天氣形勢(shì)

2022年3月11日20:00地面圖上，冷鋒位于河套地區(qū)中部，河套地區(qū)位于兩高之間倒槽中，冷鋒后氣壓梯度明顯小于“11·5”過程，呼和浩特站和東勝站地面溫度分別為14℃、17℃，而冷鋒后3 h正變壓也不大，降溫幅度較小，出現(xiàn)雷陣雨而非降雪，這與2022年的3月氣候異常有關(guān)（圖2）。850 hPa高空，蒙古冷渦后部冷平流較強(qiáng)但偏北，高空槽（河套以南為切變線）位于河套中部呈南北向，槽線附近河套地區(qū)處于明顯暖舌中，呼和浩特站的溫度和露點(diǎn)分別為14.4℃、-2.4℃；槽后為西北氣流，槽前為大范圍東南氣流，輻合線附近有較強(qiáng)輻合。700 hPa高空，高空槽也位于河套地區(qū)，與850 hPa槽接近，但冷暖平流較弱；西南急流從華南一直輸送至華北，呼和浩特站西南風(fēng)速達(dá)15 m/s，溫度、露點(diǎn)分別為2.9℃、-2.5℃，溫度露點(diǎn)差為5.4℃。500 hPa高空槽在河套后部，為南北向淺槽。

圖2 2022年3月11日20:00地面、850 hPa、700 hPa、500 hPa形勢(shì)圖

2次天氣過程相同點(diǎn)：2次過程高架雷暴均出現(xiàn)在夜里；700 hPa高度層附近西南暖濕氣流強(qiáng)盛（不一定達(dá)到急流強(qiáng)度），增溫、增濕（尤其是增濕）明顯，使得在此高度附近假相當(dāng)位溫明顯增大，從而產(chǎn)生高架雷暴天氣。

3 對(duì)流不穩(wěn)定能量分析

3.1 2021年11月5日20:00不穩(wěn)定能量分析

圖3分別為呼和浩特站（53463）、東 勝 站（53543）5日20:00 T-lnP和v-3θ圖，從圖3可知，呼和浩特站08:00 CAPE=0（弊端：CAPE都是氣塊以地面為起始抬升高度），我國(guó)北方地區(qū)冷季沒有冷空氣入侵情況下，08:00和20:00高空觀測(cè)時(shí)，近地面一般都有明顯逆溫層，來(lái)自地面的氣塊很難穿越逆溫層而獲得浮力，而逆溫層之上的氣塊絕熱上升獲得浮力導(dǎo)致雷暴產(chǎn)生[3]。假相當(dāng)位溫最大處不一定是逆溫層頂。而圖更直觀地判斷出最大的條件性不穩(wěn)定能量即CAPE值在圖中紅色區(qū)域面積，最大的對(duì)流性不穩(wěn)定能量是紅色區(qū)域與粉色區(qū)域面積。

圖3 2021年11月5日20:00呼和浩特站、東勝站T-lnP和v-3θ圖

從呼和浩特站5日20:00 圖看出，從地面-850 hPa 為西北氣流，表明高空槽在850 hPa（含）以下已過呼和浩特站，在850~450 hPa為西南—偏西氣流，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，表明在此高度層有暖平流，450 hPa為西北氣流；700 hPa風(fēng)速為8 m/s，但沒有達(dá)到低空急流的程度；從地面至887 hPa和從644至636.5 hPa有2個(gè)淺薄逆溫層；低層θse最大值為42.7℃，在793.2 hPa高度處，此處的溫度露點(diǎn)差為2.5℃；從793.2至650 hPa為明顯濕層，溫度露點(diǎn)差≤2.5℃ ；平衡高度達(dá)到250 hPa，平衡高度的溫度達(dá)到-60℃；CAPEmax=563 J/kg，最大對(duì)流性不穩(wěn)定能量約為800 J/kg（與CAPEmax所圍面積對(duì)比，估算）。

從東勝站5日20:00 圖看出，從地面到400 hPa為偏南—西南—偏西氣流，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，表明在此高度層有暖平流，400 hPa以上為西北氣流；798 hPa風(fēng)速為11 m/s，也未達(dá)到低空急流程度；近地面無(wú)逆溫層，但從地面到898 hPa為逆濕層，從700至690 hPa有一淺薄逆溫層；低層θse最大值為43℃，在818.7 hPa高度處，此處溫度露點(diǎn)差為4.4℃；從771至700 hPa為明顯濕層，溫度露點(diǎn)差≤2.5℃；平衡高度達(dá)到260 hPa，平衡高度溫度達(dá)到-66℃；值得注意的是在冷季東勝站的地面CAPE值達(dá)到175 J/kg，原因是近地面無(wú)逆溫層，但有逆濕層，CAPEmax=410 J/kg，其最大對(duì)流性不穩(wěn)定能量約為800 J/kg。

3.2 2022年3月11日20:00不穩(wěn)定能量分析

從呼和浩特站11日20:00 圖看出，從地面到783 hPa為東南氣流，其上為西南—偏西氣流，地面到500 hPa風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，中低層為暖平流（圖4）。700 hPa風(fēng)速達(dá)15 m/s，達(dá)到低空急流程度，說(shuō)明暖濕氣流強(qiáng)盛。近地層無(wú)逆溫層，但有逆濕層，近地面水汽條件差。低層θse最大值達(dá)到46.4℃，在759 hPa高度處，此處溫度露點(diǎn)差為9.8℃。從669至662 hPa為明顯濕層，溫度露點(diǎn)差≤3.5℃。平衡高度達(dá)到320 hPa，平衡高度溫度達(dá)到-41℃。CAPEmax=88 J/kg，最大對(duì)流性不穩(wěn)定能量約為500 J/kg。

圖4 2022年3月11日 20:00呼和浩特站、東勝站T-lnP和v-3θ圖

從東勝站11日20:00 圖看出，地面為東南氣流，其上為西南—偏西氣流，地面到550 hPa風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，表明中低層為暖平流。700 hPa風(fēng)速也到14 m/s，暖濕氣流強(qiáng)盛。近地層無(wú)逆溫層，但有逆濕的，近地面水汽條件差。低層θse最大值達(dá)到51℃，在700 hPa高度處，此處溫度露點(diǎn)差為4.3℃。從700至648 hPa為明顯濕層，溫度露點(diǎn)差≤4℃。平衡高度達(dá)到219 hPa，平衡高度的溫度達(dá)到-63.5℃。CAPEmax=757 J/kg，最大對(duì)流性不穩(wěn)定能量約為1 000 J/kg。地面CAPE達(dá)到108 J/kg，地面溫度為17.2℃，出現(xiàn)在11月中旬20:00，溫度如此之高也是罕見。

4 冷季高架雷暴出現(xiàn)時(shí)段分析

春季雷暴有夜間易出現(xiàn)的特征，美國(guó)后半夜也有多發(fā)高架雷暴的特點(diǎn)。我國(guó)高架雷暴與地面雷暴午后高發(fā)有明顯不同，高架雷暴高發(fā)時(shí)段在23:00至翌日11:00，下午和上半夜發(fā)生相對(duì)較少，這2次雷暴過程也都發(fā)生在后半夜至凌晨。這是因?yàn)橐归g沒有太陽(yáng)輻射，地面放出長(zhǎng)波輻射，水汽、水滴對(duì)長(zhǎng)波輻射吸收最為顯著，云底成為來(lái)自地面和低層大氣向上輻射的吸收面，云頂又成為通過大氣窗向空間輻射的面。由于云底高度大多在逆溫層頂或逆濕層頂附近，云層底部水汽、水滴將地面長(zhǎng)波輻射幾乎全部吸收。隨著時(shí)間推移吸收的地面輻射越來(lái)越多，到后半夜至凌晨云底水汽、水滴吸收的熱量達(dá)到最大，使云底溫度上升，同時(shí)，云頂水滴和冰晶也放出長(zhǎng)波輻射，使云頂溫度下降達(dá)到最大值。這就增大云底與云頂?shù)臏囟炔町?，使溫度垂直遞減率增大，從而增大對(duì)流不穩(wěn)定度。這就是冷季高架雷暴與夏季雷暴出現(xiàn)時(shí)間相反的主要原因。

5 高架雷暴可預(yù)報(bào)性

我國(guó)北方地區(qū)冷季出現(xiàn)對(duì)流性不穩(wěn)定的條件很少見，一旦出現(xiàn)其范圍較大；統(tǒng)計(jì)我國(guó)2010—2012年高價(jià)雷暴范圍可看出：每次高價(jià)雷暴出現(xiàn)范圍都在2個(gè)省以上，最大范圍達(dá)13??；“11·5”和“3·11”這2次雷暴過程范圍也較大[4]?？梢娫诶浼緢D上，只要存在對(duì)流性不穩(wěn)定能量，且平衡高度的溫度在-20℃以下；出現(xiàn)高價(jià)雷暴的可能性極大。由于在冷季能量小，-20℃層高度低，雷達(dá)回波強(qiáng)度在30 dBz左右，回波高度在6 km左右就能產(chǎn)生雷暴。

6 結(jié)論

對(duì)比分析內(nèi)蒙古中部地區(qū)冷季2次高架雷暴時(shí)空分布特征和對(duì)流不穩(wěn)定特征得出：

（1）高架雷暴在半夜至早晨發(fā)生概率較大。

（2）高架雷暴是在對(duì)流性不穩(wěn)定條件下產(chǎn)生的，平衡高度的溫度在-20℃以下；700 hPa附近西南暖濕氣流較大；700 hPa附近水汽充沛。

（3）高架雷暴不一定要有冷下墊面，濕度小的下墊面也可能產(chǎn)生高架雷暴，觸發(fā)機(jī)制是對(duì)流性不穩(wěn)定層中的高空槽。

（4）利用圖預(yù)報(bào)冷季高架雷暴比較容易，具備對(duì)流性不穩(wěn)定條件，平衡高度的溫度在-20℃以下，就能產(chǎn)生雷暴天氣。由于在冷季不穩(wěn)定能量小，-20℃層高度低，當(dāng)雷達(dá)回波強(qiáng)度在30 dBz左右，對(duì)流云頂高度在6 km左右，就能產(chǎn)生高架雷暴。