竇慧敏 曹 楚 潘雯菁

(1.溫州市氣象局,浙江 溫州325000;2.溫州市臺風監(jiān)測預報技術重點實驗室，浙江 溫州 325000;3.溫州市氣象臺院士工作站，浙江 溫州 325000;4.瑞安市氣象局,浙江 瑞安325200)

0 引 言

強對流天氣是指伴隨雷暴現(xiàn)象的對流性大風、冰雹、短時強降水等災害性天氣,發(fā)生于中小尺度天氣系統(tǒng)中,空間尺度小,生命史短并且有很強的突發(fā)性,破壞性強。冰雹天氣就是其中之一,常見于春季或春夏之交時,雖然影響范圍小,時間短,但來勢迅猛,常伴隨雷暴大風和短時強降水等災害性天氣,具有強大的破壞力。強冰雹會打毀莊稼、損壞房屋、砸傷行人,造成巨大的經(jīng)濟損失。其局地性、突發(fā)性、強烈性等特征,給預警和短時臨近預報造成了很大的困難。學者們針對冰雹的識別、時空分布、天氣分析、對比分析、數(shù)值模擬等進行了大量的研究[1-7],取得了很多研究成果。隨著地面氣象觀測網(wǎng)的加密建設,新一代高分辨率天氣雷達資料的應用,尤其是雙偏振雷達的興起[8-11],大大增強了對此類強烈天氣的預警能力,楊吉等[10]指出了江淮地區(qū)一次冰雹過程的雙偏振雷達特征,馮晉勤等[11]詳細分析了雙偏振雷達產(chǎn)品在強對流天氣過程中的應用,極大地豐富了對冰雹天氣的預報指標。

溫州位于浙江省南部,3面環(huán)山,一面臨海,境內(nèi)地形復雜多樣,夏季強對流天氣頻發(fā)。2019年4月23日、24日下午,溫州地區(qū)出現(xiàn)了一次強雷暴天氣過程，多個縣(市、區(qū))出現(xiàn)了短時強降水、雷雨大風天氣過程,局部地區(qū)還出現(xiàn)了冰雹。雖然此次過程預警及時,未造成人員傷亡,但在預報準確性以及預警提前量方面還有待進一步改進,有必要對此次過程做進一步的分析探討,為今后強對流天氣過程預報提供一定的參考,提高對強對流天氣的監(jiān)測預報水平,有效規(guī)避此類氣象災害風險。

本文采用NCEP(美國國家環(huán)境預報中心)分析資料(1°×1°)、常規(guī)觀測資料、溫州雙偏振雷達資料等，對此次冰雹過程進行了環(huán)流背景、動力特征、水汽特征和雙偏振雷達產(chǎn)品特征分析,找出了冰雹天氣發(fā)生的有利條件,探討了溫州地區(qū)冰雹發(fā)生的天氣成因和預報著眼點。

1 冰雹天氣實況

2019年4月23日12時—24日20時,溫州地區(qū)午后出現(xiàn)了雷陣雨,并伴有短時暴雨、雷雨大風、冰雹等強對流天氣。23日影響主要發(fā)生在各縣(市、區(qū)),全區(qū)有9個站出現(xiàn)了8～9級雷雨大風(龜湖28.3 m/s),甌海、瑞安、文成和平陽等地出現(xiàn)了1～4 cm的冰雹,60多個站出現(xiàn)了短時強降水,最大雨強為出現(xiàn)在大荊的51.4 mm/h。24日對流影響市區(qū),15—18時溫州市共有88個站次出現(xiàn)8級以上大風,主要分布在永嘉、溫州市區(qū)、洞頭、文成等,最大為洞頭岙外出現(xiàn)的11級雷雨大風,其中溫州市區(qū)15—17時共有5個站出現(xiàn)了8級以上大風,南白象街道出現(xiàn)了10級大風;溫州市區(qū)(甌海、龍灣)、洞頭、平陽、永嘉等出現(xiàn)了1～2cm的冰雹,60多個站出現(xiàn)了短時強降水,最大雨強為沙頭古廟的44.6 mm/h。劇烈的強對流天氣導致溫州市中北地區(qū)大部以及南部局地出現(xiàn)了短時暴雨。后續(xù)的分析主要針對24日溫州市區(qū)冰雹的成因展開。

2 環(huán)流背景

2.1 環(huán)流形勢分析

2019年4月24日08時,200 hPa江南一帶有急流帶,500 hPa北方有穩(wěn)定維持的東北冷渦，并伴有-32℃的冷中心,冷渦南部有多個短波槽東移,有利于弱冷空氣南下。溫州地區(qū)處于湖北西部至四川一線低緯度南支槽前西南氣流之中。700 hPa湖南湖北地區(qū)存在弱切變,切變北側(cè)有明顯的冷槽,表明有冷平流輸送。850 hPa切變線位于貴州一帶,切變線南側(cè)有明顯的低空急流,浙南地區(qū)位于急流末端的風速輻合區(qū),有利于水汽的輻合和降水的產(chǎn)生。500 hPa和850 hPa屬于冷槽暖脊的配置,上干下濕層結(jié)明顯,浙中南地區(qū)850 hPa和500 hPa溫差大于26℃,風雹條件較好。4月24日14時,高空急流有所增強,溫州地區(qū)出現(xiàn)高空輻散中心,700 hPa有冷槽維持,850 hPa切變南壓,浙中南地區(qū)850 hPa和500 hPa溫差依舊大于26℃,大氣不穩(wěn)定。15時左右,溫州市區(qū)、永嘉和文成出現(xiàn)了冰雹。綜上分析可知,在高空槽東移過程中,弱冷空氣影響配合低層切變線和低空急流，造成了此次強對流天氣的發(fā)生。

2.2 熱力條件分析

24日午后各地高溫普遍在29 ℃以上,泰順、文成、平陽、溫州市區(qū)、永嘉出現(xiàn)了31 ℃以上的高溫,低層暖濕氣流強烈。溫州地區(qū)0～6 km風切變從6 h前的19 m/s增強到27 m/s以上,午后對流條件良好。

在4月24日14時850 hPa的假相當位溫場上(圖1),有向東北方向凸起的暖舌。在江西—浙江以及福建—浙江有假相當位溫密集帶,即此處有鋒區(qū)存在,與最大回波反射率因子的移動對比可知,對流沿著江西—浙江一帶鋒區(qū)北側(cè)發(fā)展移動。

圖1 4月24日14時850 hPa假相當位溫(實線,單位:K)、假相當位溫平流(陰影,單位10-5K/s)

圖2是4月24日08時和14時沿120.5°E假相當位溫經(jīng)向剖面圖。從圖2a可知,08時溫州地區(qū)28°N左右對流層中低層(500 hPa以下)θse隨高度增加而明顯減小,為不穩(wěn)定層結(jié),500 hPa溫州地區(qū)北側(cè)有干冷空氣團,600～700 hPa存在θse密集帶(鋒區(qū)),隨高度向南傾斜。14時500 hPa以下繼續(xù)維持不穩(wěn)定層結(jié)(圖2b),800 hPa以下為高溫高濕,中層依舊為干冷空氣,垂直速度明顯增大,有利于午后強對流天氣發(fā)生。

圖2 4月24日沿120.5°E假相當位溫(實線,單位:K)和垂直速度(陰影，單位：Pa/s)經(jīng)向剖面(a.08時、b.14時)

在冰雹發(fā)生前,低層有高能舌伸向溫州地區(qū),中層有北方干冷空氣南下,二者疊加造成強烈的不穩(wěn)定層結(jié),產(chǎn)生強對流天氣。

從4月24日溫州溫度平流的變化可知,08時高空到地面溫度平流為暖—冷—暖—冷的配置(圖3a),14時演變?yōu)槔洹涞呐渲?圖3b),高層變?yōu)槔淦搅?250～600 hPa為強烈的暖平流中心,降雹區(qū)正處于中高兩層溫度平流中心和低層弱冷平流相重疊的區(qū)域。

圖3 4月24日溫州溫度平流[a.08時、b.14時(單位:10-5℃/s)]

2.3 動力條件分析

冰雹發(fā)生前后動力條件演變迅速,高低空配置對冰雹的產(chǎn)生較為有利。從圖4可知,24日00時(世界時),低層為輻散,600～800 hPa為弱的輻合區(qū),400～600 hPa基本為弱的輻散下沉氣流，維持晴好天氣,不穩(wěn)定能量迅速增加;06時(世界時),高層250 hPa出現(xiàn)強的輻散中心,中心輻散值達到4×10-5s-1,低層輻合高層輻散的配置,對應非常好的上升運動,250 hPa和700 hPa都有較大的垂直速度,為冰雹的產(chǎn)生提供了良好的動力條件;12時中層變?yōu)檩椇?低層為輻散,不利于上升運動的產(chǎn)生,對流減弱。從鋒生函數(shù)可知,06時溫州地區(qū)600 hPa均有鋒生。

圖4 4月23日18時—25日00時(世界時)散度(實線,單位：10-5 s-1)和垂直速度(陰影,單位:Pa/s)時間演變

由14時地面風場可知,溫州地區(qū)有偏北風和偏南風之間的地面輻合線穩(wěn)定維持,而冰雹集中出現(xiàn)在15—16時,顯然,地面輻合線的產(chǎn)生先于冰雹,是此次強對流的觸發(fā)機制。

3 降雹的物理量分析

從24日08—14時溫州站探空圖可知,自08時起不穩(wěn)定能量逐漸累積,到了14時(圖5),各項指數(shù)均達到最大,并超過了臨界值,K指數(shù)達到37 ℃，說明低層水汽條件比較好,這是發(fā)生短時強降水的原因之一。SI指數(shù)為-6 ℃,CAPE(對流有效位能)值為1992 J/kg,到了夜間對流有所減弱,能量釋放,探空的各項指數(shù)均有所下降。

圖5 4月24日14時溫州站探空

3.1 0 ℃層高度和-20 ℃層高度

0 ℃等溫線至-20 ℃等溫線之間的區(qū)域是冰雹生成的源區(qū)。一般認為0 ℃層高度在600 hPa,既能使云的發(fā)展高度更高，有利于冰雹生成,也不至于使冰雹在降落過程中由于暖層過厚而融化,-20 ℃層在400 hPa附近,當-20～0 ℃層厚度較小、且該高度上CAPE值較大時,冰雹容易產(chǎn)生[7]。由14時的探空圖(圖5)可知,0 ℃層在600 hPa附近,-20 ℃層位于400 hPa以上,這樣的高度差正適合冰雹產(chǎn)生。

3.2 穩(wěn)定度指標

對流有效位能是指氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時的正浮力所產(chǎn)生能量的垂直積分,其被廣泛應用于強對流天氣分析中。24日14時,對流有效位能明顯增強。由分布可知,08時,江西與福建交界處及浙南地區(qū)有CAPE的大值中心,14時匯合成一條穿過江西東部、福建西北部和浙江南部的密集CAPE大值帶,中心值在1 700 J/kg以上,20時減小至1 000 J/kg以下。K指數(shù)是考慮了中低層水汽條件的一個熱力不穩(wěn)定指數(shù),用于分析強對流、短時暴雨。從23日起,低層水汽條件較好,K指數(shù)維持在30 ℃以上,24日14時增加至37 ℃,水汽條件明顯好于23日,24日短時強降水較為突出。表1為溫州2019年4月24日不同時次有利于冰雹發(fā)展的對流指數(shù)。

表1 溫州2019年4月24日不同時次有利于冰雹發(fā)展的對流指數(shù)

4 TBB分析

云頂亮溫(TBB)可以反映對流發(fā)展的旺盛程度,推斷云團發(fā)展的強度及所處的生命史階段。本文使用每小時一次的FY-2GTBB資料分析此次引起強對流天氣的對流單體的發(fā)展變化。

23日開始,江西地區(qū)有對流云團產(chǎn)生,東移影響溫州,產(chǎn)生強對流天氣。24日10時,江西東北部新發(fā)展的對流單體開始移入浙江。進入浙江的對流單體TBB低于-32 ℃,呈西南—東北向帶狀分布,內(nèi)部西南方向嵌有TBB為-52 ℃的對流核,向東南方向移動發(fā)展,云團面積急劇增大,冷中心TBB下降迅速,西南一側(cè)梯度明顯增大。12時TBB為-52 ℃的面積為3 617 km2,移速略有減慢。13時TBB為-52 ℃的云團發(fā)展為帶狀對流系統(tǒng)。14時TBB為-52 ℃的云團發(fā)展為中β尺度的強對流單體。15時強對流單體開始影響溫州中北部,溫州市區(qū)、永嘉、文成出現(xiàn)了強雷暴天氣過程,溫州市區(qū)15—17時5個站出現(xiàn)了8級以上大風,溫州市區(qū)(甌海、龍灣)、洞頭、平陽、永嘉等地出現(xiàn)了1～2 cm的冰雹，且單體內(nèi)部形成-60 ℃的對流核,冷中心位于整個云團的西南側(cè)梯度最大的地方,主要影響永嘉,永嘉南城街道烏巖山極大風速為25.4 m/s(10級)，沙頭古廟村小時最大雨量為44.6mm,15時25分大若巖鎮(zhèn)小若口村附近出現(xiàn)冰雹。16時對流單體東移,瑞安、平陽地區(qū)出現(xiàn)冰雹。17時TBB為-52 ℃的強對流單體面積達到最大。18時強對流單體面積開始減小,內(nèi)部的對流核減弱消失。

在此次過程中,中β尺度的強對流單體長軸走向為西南—東北向,移速較快,從生成—成熟—衰減，移動距離達到700 km,而且云團面積迅速增大,冷中心明顯位于云團西南部TBB梯度最大處。TBB小于-52 ℃的區(qū)域在從帶狀轉(zhuǎn)為圓狀的過程中,內(nèi)部出現(xiàn)了-60 ℃的對流核,影響地區(qū)出現(xiàn)了短時強降水、雷雨大風、局地冰雹等強對流天氣。

5 雙偏振雷達產(chǎn)品分析

2019年4月24日15時—16時30分，溫州市區(qū)、樂清、洞頭、永嘉、瑞安、平陽、文成等地出現(xiàn)了以冰雹或短時強降水為主的強對流天氣。通過分析溫州雙偏振雷達的回波強度、垂直累積液態(tài)水含量、差分反射率、相關系數(shù)和差分傳播相移率等，判斷降水粒子的形狀、相態(tài)分布等信息,識別強對流天氣中的冰雹和短時強降水雷達回波特征,并為獲取冰雹預報閾值提供判斷依據(jù)。

5.1 對流演變過程分析

溫州雙偏振雷達組合反射率顯示,24日10時左右，在浙江西部與贛皖交界一帶有對流回波發(fā)展并向東偏南方向移動,回波在東移過程中發(fā)展迅速,不斷增強,形成颮線,在前方不斷激發(fā)出新的對流單體。13時47分在溫州文成中部激發(fā)出的對流單體(以下稱單體A)迅速增強，并向東北方向移動,先后影響文成、瑞安西北部和溫州市區(qū)東部,14時38分單體A回波強度超過65 dBZ,并持續(xù)了11個體掃時次,15時前后受后方的對流系統(tǒng)影響轉(zhuǎn)向東偏南方向移動,15時30分前后移入洞頭。單體A移動過程中分裂出的對流單體(以下稱單體B)向北偏東方向移動，掃過永嘉中南部和樂清中北部,與后方的對流系統(tǒng)結(jié)合,系統(tǒng)向東偏南方向移動,16時前后移入并掃過洞頭。15時11分颮線系統(tǒng)后部的對流單體(以下稱單體C)，由麗水景寧向東偏南方向移入文成,先后影響了文成、瑞安中南部和平陽東部。

5.2 冰雹雷達回波特征分析

選取4.3°仰角的基本反射率(Z)、差分反射率(ZDR)、相關系數(shù)(CC)、2.4°仰角的差分相移率(KDP)及垂直累積液態(tài)水含量(VIL)，分析此次強對流過程的冰雹回波特征。從垂直累積液態(tài)水含量變化圖(圖6)可知,14時32分—14時38分(圖6a)、15時11分—15時17分(圖6b)、15時23分—15時28分(圖6c)、15時28分—15時34分(圖6d)、15時45分—15時51分(圖6e)、16時08分—16時14分(圖6f)相鄰體掃時次內(nèi),對應的溫州市區(qū)南部、永嘉中部、文成、洞頭、瑞安與平陽交界處的VIL值分別有明顯的躍增現(xiàn)象,對應地面實際降雹時間的前0～4個體掃時次。

圖6 2019年4月24日14時32分—16時14分時段內(nèi)多個連續(xù)體掃時次垂直累積液態(tài)水含量VIL變化圖[a.14時32分—14時38分、b.15時11分—15時17分、c.15時23分—15時28分、d.15時28分—15時34分、e.15時45分—15時51分、f.16時08分—16時14分(單位:kg/m3)]

選取14時43分和15時34分兩個時次的反射率垂直剖面圖(圖7)進行分析可知,14時43分中高層強回波懸垂在有界弱回波之上,強中心達65 dBZ以上,>60 dBZ的強回波區(qū)擴展到7 km高度,超過0 ℃層高度層并接近-20 ℃高度層(圖7a),由于雷達附近高空存在錐形探測盲區(qū),從回波垂直分布情況判斷,>55 dBZ的強回波區(qū)超過-20 ℃高度層,提示將發(fā)生降雹。15時34分在洞頭上空強中心達65 dBZ以上,>60 dBZ的強回波區(qū)擴展到10 km高度,超過-20 ℃高度層,大于60 dBZ的強回波已接地,說明正在發(fā)生降雹(圖7b)。

圖7 2019年4月24日反射率垂直剖面圖[a.14時43分、b.15時34分(單位:dBZ)]

選取接近降雹時次的雷達產(chǎn)品進行分析可知,14時43分溫州市區(qū)南部與瑞安交界處的超級單體回波(圖8a)在4.3°仰角表現(xiàn)出明顯的三體散射特征,>60 dBZ的強回波區(qū)對應的CC值為0.85～0.9,較嘈雜,指示有較大的濕冰雹,對應的ZDR為負值區(qū),ZDR值為-2～-1 dB,對應的KDP產(chǎn)品出現(xiàn)“空洞”區(qū)(KDP對較大的冰雹無法進行判斷);15時17分永嘉中部(圖8b)>60 dBZ的強回波中心區(qū)對應明顯的ZDR負值區(qū),ZDR為-4～-3 dB,KDP為“空洞”區(qū),CC為0.85～0.9,較嘈雜,指示有較大的濕冰雹;15時17分文成西部(圖8c)>65 dBZ的強回波中心對應的CC、KDP均為小值區(qū),ZDR為明顯的負值區(qū),CC為0.9～0.92,KDP為-0.1～0.1°/km,ZDR為-2～-1 dB,指示有較小的干冰雹;15時34分洞頭(圖8d)>60 dBZ的強回波區(qū)對應明顯的CC小值區(qū)和ZDR負值區(qū)、KDP“空洞區(qū)”,CC為0.6～0.7且嘈雜,ZDR為-1～0 dB,指示有較大的冰雹;16時02分從文成移入瑞安、平陽的回波(圖8e)繼續(xù)增強,有明顯的三體散射特征,強回波區(qū)對應的CC為0.8～0.85,ZDR為-3～-2 dB,對應KDP“空洞區(qū)”,指示有較大的冰雹落區(qū)。

圖8 2019年4月24日冰雹特征雷達產(chǎn)品分析圖[a.14時43分、b.15時17分、c.15時17分、d.15時34分、e.16時02分(z,單位：dBZ;ZDR,單位：dB;KDP,單位：°/km)]

6 結(jié) 語

(1)在高空槽東移過程中,弱冷空氣影響配合低層切變線和低空急流，造成了4月24日溫州地區(qū)強對流天氣過程的發(fā)生。浙中南地區(qū)850 hPa和500 hPa溫差大于26 ℃,大氣不穩(wěn)定,風雹條件較好。

(2)午后高溫普遍在29 ℃以上,溫州地區(qū)0～6 km風切變從6 h前的19 m/s增強到27 m/s以上,午后對流條件良好。江西至浙江有假相當位溫密集帶,對流沿著江西至浙江一帶鋒區(qū)北側(cè)發(fā)展移動。冰雹發(fā)生前,低層有高能舌伸向溫州地區(qū),中層有北方干冷空氣南下,二者疊加造成強不穩(wěn)定層結(jié),產(chǎn)生強對流天氣。降雹區(qū)正處于中高兩層溫度平流中心和低層弱冷平流相重疊的區(qū)域。

(3)冰雹發(fā)生前6 h,溫州地區(qū)400～600 hPa基本為弱的輻散下沉氣流，維持晴好天氣,不穩(wěn)定能量迅速增加。6 h后,高層出現(xiàn)強的輻散中心,低層輻合、高層輻散,上升運動強烈,為冰雹的產(chǎn)生提供了良好的動力條件。偏北風和偏南風之間的地面輻合線在溫州地區(qū)穩(wěn)定維持,是此次強對流天氣的觸發(fā)條件之一。

(4)由14時的探空圖可知,0 ℃層在600 hPa附近,-20 ℃層位于400 hPa以上,合適的0 ℃層和-20 ℃層的高度有利于冰雹產(chǎn)生。

(5)中β尺度的強對流單體內(nèi)部形成-60 ℃對流核,冷中心位于整個云團的西南側(cè)TBB梯度最大的地方,而不是幾何中心,冷中心的位置和發(fā)生短時強降水、雷雨大風、局地冰雹等強對流天氣的地區(qū)對應較好。

(6)利用VIL、反射率垂直剖面、基本反射率Z、CC、ZDR及KDP的對應特征進行分析可知,判斷冰雹的回波特征為:①降雹前VIL值均有明顯的躍增現(xiàn)象;②回波中心強度達65 dBZ以上,>60 dBZ的強回波區(qū)擴展高度接近或超過-20 ℃高度層;③>60 dBZ的強回波對應明顯的CC小值區(qū)和ZDR負值區(qū),且CC較嘈雜,ZDR一般為-4～0 dB;④大冰雹回波表現(xiàn)出明顯的三體散射特征;⑤>60 dBZ的強回波對應CC<0.9和KDP“空洞區(qū)”,指示有較大的濕冰雹;⑥>60 dBZ的強回波對應的CC為0.9～0.92,KDP為-0.1～0.1°/km,指示有較小的干冰雹。