2014-07-14豫北局地冰雹机制分析

杜丽娅,许庆娥

(濮阳市气象台,河南濮阳 457000)

2014-07-14豫北局地冰雹机制分析

杜丽娅,许庆娥

(濮阳市气象台,河南濮阳 457000)

利用常规气象资料、NCEP再分析资料、多普勒雷达资料、FY-2E静止卫星和区域自动站观测资料,对2014年7月14日豫北地区新乡和濮阳两地相继发生的局地冰雹天气过程进行分析,结果表明:两地的局地强对流天气过程发生在高空急流轴的右侧、西风槽的槽前和850 hPa西南显著流线的左前侧,且中低层没有明显的冷暖平流;新乡的大风、冰雹天气是在积云合并加强并形成中-β尺度的强对流云团的过程中形成的,在雷达回波上表现为明显的回波合并过程,合并后的回波特征呈现出倾斜上升的强回波中心及其下方的弱回波区,在雷达径向速度图上表现为较强的斜升气流和中气旋;濮阳的大风、冰雹是由脉冲风暴导致的,该风暴所在的多单体风暴具有稳定的移动和传播路径,对脉冲风暴发生、发展落区有很好的指示意义。

局地冰雹;积云合并;斜升气流;脉冲风暴;触发机制

近年来随着高分辨率观测网的建设,中国强对流天气研究水平和预报预警能力明显提高。但是,支配强对流天气启动和发展方式的物理机制复杂多样,即使在相似的天气背景条件下,诱发强对流天气的中尺度影响系统形式也会各异[1-10]。正是这种复杂多样性使强对流天气预报预警难度增大,其中局地强对流天气又因其具有突发性、灾害大和难以防范而成为众多学者关注和研究的重点[11-21]。孙继松等[22]基于产生强对流天气潜势条件的相对重要性,把中国强对流天气的形势背景分成五类:高空冷平流强迫、低层暖平流强迫、斜压锋生类、准正压类和高架雷暴类。许爱华等[23]指出盛夏季节的强对流往往表现出准正压特征,即冷暖平流皆不明显,流场上的动力强迫和地面局地受热不均起主要作用。华北地区的强对流多以高空冷平流强迫、低空暖平流强迫和强烈的斜压锋生强迫为主导,很少出现准正压类的强对流配置结构,因此,深入研究此类强对流天气的形成机制和预报预警信息,对于防灾减灾具有重要意义。

2014年7月14日15—18时,豫北局地出现了强对流天气,其中新乡有14个乡镇极大风速超过了17 m/S,11个乡镇出现了20 mm/h的短时强降水;15—16时,新乡县、原阳县和延津县的局部地区出现了冰雹,冰雹最大直径为20 mm左右;17时55分左右,濮阳的清水河、王集一带出现了2 mm左右的冰雹和18.4 m/S的大风。此次过程具有局地性、突发性的特点,有一定的预报预警难度。本文利用常规气象资料、NCEP再分析资料、多普勒雷达资料、FY-2E静止卫星和区域自动站观测资料对此次过程进行研究,对新乡和濮阳局地雹暴的中尺度特征进行对比分析,揭示引发大风、冰雹天气的成因,为今后中小尺度灾害性天气的预报预警提供参考。

1 天气形势

2014年7月14日08时200 hPa西风急流轴经过华北南部,急流下方锋区明显;250 hPa的24 h负变温达到-6℃,有利于0℃层和-20℃高度的降低,有利于冰雹天气的发生;500 hPa欧亚中高纬度为两槽一脊型,河套西风槽受高空锋区阻挡移动缓慢;850 hPa华北南部受暖区控制,同时有一支西南风显著气流伸向华北南部,将低层暖湿气流向豫北输送。综合来看, 500 h Pa西风槽与200 hPa高空急流轴在华北南部交叉汇合,中低层没有明显的冷暖平流,冰雹天气发生在高空急流轴的右侧、西风槽的槽前和850 h Pa西南显著流线的左前侧。20时,西风槽缓慢东移,交叉汇合区与前期相比略有东移,局地强对流天气发生在汇合区东移过程中。

地面图上,11—13日华北平原均受低压带控制,豫北地区连续3天出现高温天气,13日最高温度高达35℃,地面有较高的能量积累。由于高空锋区的阻挡作用,500 h Pa西风槽移动缓慢,14日14时西风槽移至山西河北交界处(图略),槽前正涡度平流促使地面气旋发展,地面气压场上,在河北南部存在一强度为1 001.5 hPa的中尺度气旋式环流闭合中心,前期的中低压加强为中气旋。同时槽后负涡度平流促使地面反气旋发展。14时在山西—陕西有中高压发展,且有弱冷空气从中高压扩散到中气旋底部,并有地面辐合线在中气旋底部生成。随着晴空地面非绝热加热作用的逐渐加强,豫北地区14时温度大多超过了35℃,非常有利于热雷暴的发展。

此次强对流天气过程在豫北地区的新乡和濮阳先后出现了局地冰雹,新乡冰雹发生在地面中低压的底部,而濮阳的冰雹过程发生在中低压内的偏南气流里。两地所处天气系统位置不同导致两次冰雹的强度、发生范围和机制有很多不同之处,下面将做出详细分析。

2 环境特征

使用上海探空订正软件,用新乡和濮阳14时的气温和露点温度,分别订正2014年7月14日08时郑州和章丘站的探空图,得到新乡和濮阳14时的探空订正资料(图1)。对比发现有以下几个共同特点:(1)从近地面到500 hPa都有明显的条件不稳定特征;(2)整层的相对湿度都比较小,对流层高层到700 hPa附近有相对更干的干空气卷入,温湿层结曲线呈向上开口的喇叭形状,“上干冷、下暖湿”特征明显;(3)新乡的0℃层和-20℃高度为4.3 km和7.3 km,濮阳为4.1 km和7.0 km,均相对于河南区域冰雹的0℃层和-20℃高度偏低[13]。不同点在于:(1)状态曲线和层结曲线之间的区域面积不同,即对流有效位能不同,新乡探空站的对流有效位能CAPE=3 419 J/kg、对流凝结高度CCL =813 h Pa、对流温度tc=35.6℃,濮阳探空站的CAPE=4 324 J/kg、CCL=850 hPa、tc= 34.5℃。随着地面温度的不断升高,濮阳更容易达到对流温度及对流凝结高度,产生热对流,而且因为濮阳的CAPE值更大,濮阳发生对流的热力不稳定条件比新乡好。(2)新乡探空图上,从近地面到300 h Pa的风速随高度升高增加明显,具有明显的垂直风切变。

从以上的分析可以明显看出,新乡和濮阳整层相对湿度较小、中高层存在相对更干空气的卷入,且0℃层和-20℃层高度较低对冰雹出现是比较有利的。但濮阳具有更强的热力不稳定能量和弱垂直风切变,因而非常有利于脉冲风暴的发展,而新乡具有较强的热力不稳定能量和中高层较明显的垂直风切变,非常有利于强对流风暴的组织。

3 对流云团特征

FY-2E静止卫星红外云图上,7月14日上午,陕西北部和山西为低云覆盖,低云中有块状对流云团,豫南和豫西南为暖性低云覆盖区,豫北和豫西处于两个云系之间的晴空少云区内。12:00后,高空有干冷气流经陕西南部入侵豫西地区,在豫西形成线状对流云团并向东北方向移动,同时随着地面辐射加热的增强,山西境内不断有块状对流云团生成并东移。15:15,豫西对流云团在向东北移动经过黄河时,云团北部突然加强形成γ中尺度对流云团;同时山西对流云团移至豫北形成γ中尺度对流云团 (见第25页图2)。15:30,两个γ中尺度对流云团合并加强为β中尺度对流云团,云顶亮温达到-54℃,并出现两个云顶亮温低值中心 (见第25页图2)。15:45,云团缓慢东北移,受其影响,新乡多个县 (区)出现了强大风、冰雹天气。随后,云团减弱向东北移动,此时,豫北的濮阳地区有热对流泡生成。17:30,云团触发热对流,生成块状强对流云团,随后,该强对流云团东移至台前一带,造成局地大风、冰雹天气。

4 多普勒雷达产品特征

4.1 雷达回波演变

在郑州多普勒雷达组合反射率图 (见第25页图3)上,14:57郑州雷达站正北方向的弓形强回波向东北方向移动,同时在豫北地区的卫辉、新乡和获嘉一带有三个东北—西南向排列成线状的回波单体向东南方向移动。15:21弓形回波与线状回波单体合并成东北—西南向的强回波带,并在其南端局部增强形成两个最大回波强度为65 d Bz的指状回波。沿15:21雷达组合反射率因子的雷达径向作通过最强反射率因子核心的垂直剖面,可以看到,强回波中心向一侧倾斜,其下方出现“弱回波区(WER)”特征,且超过50 dBz的强回波已经延伸至9 km,远在-20℃层等温线高度以上,出现强降雹的可能性非常大。这种“弱回波区(WER)”特征表明有比较强的斜升气流存在 (将在下一节详细分析)。同时在4.3°仰角基本反射率图上发现了 “三体散射”现象。15:27,两个指状回波合并成一个人字形强回波,最大强度为65 dBz。指状回波和人字形回波都是冰雹云的典型特征,在指状回波和人字形回波的中心处,即新乡、原阳和延津产生了局地冰雹天气,随后该回波带减弱并加速向东北方向移去。

在濮阳多普勒雷达图上可以看到,16:44该回波带移至濮阳地区,其前侧出流边界触发局地生成的对流单体,使之加强形成风暴A。17:14在风暴A的右侧有对流单体B从中空开始发展,17:26(见第25页图4a)单体风暴A外围呈现出较为清晰的出流边界,回波强度在5～10 d Bz,结合地面自动站的观测记录(图略)以及反射率因子的垂直剖面图 (见第25页图4b)来看,风暴A有冷出流及地,沿该出流的边界产生的垂直运动使风暴B最大回波强度由55 dBz迅速增强至60 d Bz,且强回波中心迅速向上向下同时增长,超过55 dBz的强回波高度为5～9 km,已经扩展到-20℃等温线以上高度,同时结合风暴趋势产品显示,回波顶高也迅速增大,而且随着上升气流的加强和风暴的快速发展,垂直累积液态水含量(VIL)由上一时刻的18 kg·m-3迅速增至34 kg·m-3。综合上述要素可以判定风暴B是一个在风暴A的冷出流边界的触发作用下发展和加强的脉冲风暴[21]。该风暴随后立即向北东北方向移动,在移动的过程中不断加强,17:55左右强回波中心迅速下降,造成了濮阳局地的大风冰雹天气。

4.2 雷达径向速度演变特征

郑州雷达站0.5°仰角径向速度图上, 14:50,原阳西南0.5 km上空有中心风速为15 m/S的边界层西南急流生成。15:03,西南急流进一步加强,最大速度达27 m/S(见第26页图5a),同时在卫辉—获嘉一带有一个明显的入流区。西南急流和入流区与反射率因子图上的弓形强回波和线状强回波带有很好的对应关系。15:21,入流区对应着相对干冷的偏北气流(结合地面风场可知),推动卫辉—获嘉一带的线状排列的强回波向东南方向移动,与被西南暖湿急流推动着的向东北方向移动的弓形强回波逐渐靠近。15:27,随着入流区在西南急流之上的滑升,形成较强的斜升气流,中层的径向辐合也逐渐增强,回波也随之合并增强,3.4°仰角的速度图上出现转动速度为12 m/S的中气旋(见第26页图5b),并持续出现在下个体扫4.3°仰角径向速度图上 (图略),中气旋生成的地方正对应着人字形回波的中心。在辐合加强的过程中,原阳、新乡和延津出现了局地冰雹。在此过程中西南急流一直存在,不仅为强对流过程输送了大量的水汽,还增强了对流层中低层的热力和动力不稳定,对预报预警具有重要的指示作用。

濮阳雷达站0.5°仰角径向速度图上 (见第26页图6),17:38,在范县东侧出现一个非常小的入流点,对应2.4°仰角径向速度图上可以看到转动速度达12 m/S的小的中尺度涡旋,且低层入流点位于中尺度涡旋辐合中心的正下方。结合反射率因子图可以看到脉冲风暴的反射率因子核心偏向入流区一侧,而濮阳的局地冰雹就发生在脉冲风暴的下方。因此入流区对脉冲风暴导致的灾害性天气落区有较好的指示意义。

4.3 局地强风雹预警

根据以上分析,午后山西一带出现细胞状对流性回波区时,应加强对豫北地区的强对流天气监测,可发布雷暴临近预报或预警;同时要注意雷暴大风、冰雹和短时强降水等强对流天气临近预报和预警信号的发布。出现强对流单体时,要密切关注是否出现回波合并、弱回波区(WER)、中气旋和低层急流的发展。如果有回波合并的趋势,同时在低仰角观测到有弱回波区和低空急流发展时,应及时发布大风冰雹预警,如果监测到超过50 dBz的强回波已经延伸至-20℃层等温线高度以上时应及时发布冰雹预警信号。

脉冲风暴的发展加强非常快,而且生命史很短,因此对脉冲风暴的预警非常困难。此次脉冲风暴可以看作是多单体风暴中的一个,从多单体风暴的风暴追踪路径图 (图略)上可以看出,每个风暴单体都是向北东北方向移动,新单体都是在老单体的右侧产生的,也就是说传播方向是向东的,从而对脉冲风暴发生、发展落区有很好的指示意义。

5 结论

(1)豫北地区相继发生的两次大风冰雹过程发生在高空急流轴的右侧、西风槽槽前。高空扩散的弱冷空气和热雷暴触发了这次强对流天气。

(2)探空资料表明,中高层干空气的卷入、浅薄的湿层和较低的0℃层和-20℃高度有利于风雹天气的发生。大的CAPE值提供了热力不稳定能量。新乡具有较强的热力不稳定能量和中高层较明显的垂直风切变,非常有利于有组织的强对流风暴的产生;濮阳具有更强的热力不稳定能量和弱垂直风切变,非常有利于脉冲风暴的发展。

(3)新乡的大风冰雹是由积云合并加强形成的中β尺度强对流云团造成的,在雷达回波上表现为明显的回波合并过程。合并后的强回波呈现出倾斜上升的强回波中心及其下方的弱回波区等回波特征。在雷达径向速度图上表现为较强的斜升气流和中气旋;边界层急流提供了水汽和动力热力不稳定能量,并对预报预警具有重要的指示作用。濮阳的大风冰雹是由脉冲风暴导致的。该脉冲风暴所在的多单体风暴具有稳定的移动和传播路径,对脉冲风暴发生、发展落区有很好的指示意义。

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P458

:A

杜丽娅,许庆娥.2014-07-14豫北局地冰雹机制分析[J].陕西气象,2015(5):21-27.

1006-4354(2015)05-0021-07

2015-04-22

杜丽娅(1983—),女,汉族,河南濮阳人,学士,助工,主要从事天气预报工作。

国家自然科学基金项目(41375038)