劉九玲

摘要 利用常規(guī)天氣資料、多普勒天氣雷達產(chǎn)品和自動氣象站資料，對2014年7月14日造成臺前縣清水河與王集大風(fēng)冰雹的一次局地強對流天氣過程進行了分析。結(jié)果表明：較淺的低壓槽、較高的對流不穩(wěn)定能量和較弱的垂直風(fēng)切變條件下，地面冷鋒、中尺度露點鋒和雷暴冷出流等的相互作用，導(dǎo)致魯豫交界出現(xiàn)了多個強局地脈沖雷暴。臺前縣致災(zāi)脈沖風(fēng)暴發(fā)生在前期雷暴的冷出流中，較強的不穩(wěn)定能量、充足的水汽和露點鋒導(dǎo)致該風(fēng)暴強烈發(fā)展，造成了臺前縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了邊際尺度的冰雹和短時大風(fēng)。

關(guān)鍵詞 露點鋒；脈沖風(fēng)暴；局地；冰雹；過程分析

中圖分類號 P458.1+21.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）17-0281-04

脈沖風(fēng)暴是發(fā)展迅速的強對流風(fēng)暴，它產(chǎn)生于弱的垂直風(fēng)切變環(huán)境中，同時環(huán)境具有較厚的低層濕層和高度的垂直不穩(wěn)定性。我國氣象工作者對邊界層輻合線對對流風(fēng)暴的觸發(fā)開展了一系列的研究[1-7]。2014年7月14日17：55左右，一個脈沖風(fēng)暴在臺前縣清水河、王集一帶造成了2～4 cm的冰雹和18.4 m/s的大風(fēng)。本文利用常規(guī)天氣資料、新一代多普勒天氣雷達產(chǎn)品和自動氣象站等資料，對此次雷暴的冷出流和地面風(fēng)場輻合共同作用下的脈沖風(fēng)暴過程進行了詳細的分析，以發(fā)現(xiàn)該風(fēng)暴的形成和加強機制，以及造成地面冰雹和大風(fēng)天氣的原因，提出針對該類局地強風(fēng)暴的臨近預(yù)報思路。

1 天氣形勢背景

2014年7月14日8：00 200 hPa高空圖上，在北緯35°左右有一條東西向的高空急流。500 hPa 高空圖上，中高緯度為兩槽一脊的環(huán)流形勢，在咸海和貝加爾湖以東有2個低渦，在貝加爾湖以西有一個高空脊。在高空脊前的河套東部有一個低槽存在。588線在北緯27°以南。850 hPa上，河套地區(qū)和華北地區(qū)有明顯的斜壓性。由綜合圖（圖1a）可以看出，高空急流軸與低槽相交，根據(jù)天氣學(xué)原理[8]，急流軸的右側(cè)槽前具有強烈的偏差風(fēng)輻散，槽后的急流軸左側(cè)輻合也特別強，當高空槽移到斜壓性比較強的河套和華北地區(qū)后，迅速引起地面氣旋和反氣旋的發(fā)生發(fā)展（圖1b）。14日17：00地面弱冷鋒位于山西與河北豫北交界處，冷鋒與在山東德州到河南平頂山一線一直存在露點鋒相互作用，觸發(fā)了此次強對流天氣。

2 強對流發(fā)生發(fā)展的條件分析

2.1 不穩(wěn)定能量特征

7月14日8：00章丘和鄭州的探空圖上，兩地的K指數(shù)均超過了29 ℃，章丘更是達到了31 ℃，表明章丘和鄭州一帶都處在高能區(qū)中，當天發(fā)生強對流天氣的可能性較大。8：00章丘探空的CAPE值為900 J/kg左右，14：00經(jīng)地面溫度訂正過的探空CAPE值已達到2 500 J/kg左右（圖2a），表明章丘周圍地區(qū)有非常高的對流潛在能量，已具備有利的對流發(fā)展條件。

2.2 水汽條件

7月14日8：00 700 hPa晉冀魯豫地區(qū)的比濕都很大，都在4～5 g/kg之間，850 hPa在章丘和鄭州以南地區(qū)的比濕較大，大都在7 g/kg以上，地面上濮陽鶴壁鄭州以南地區(qū)的露點值比較大，濮陽站的露點更是達到了24 ℃。這種較厚的低層濕層一旦受到觸發(fā)，對流就很容易形成。

2.3 觸發(fā)機制

7月14日5：00—14：00，在地面填圖上在山東德州到河南平頂山一線一直有1個露點鋒存在（圖2b）。14：00以后河套冷高壓前沿弱冷鋒東移擴散冷空氣南下，跟露點鋒相互作用，一起觸發(fā)了此次強對流天氣。因此，在當天有利的大尺度天氣背景條件下，存在高的對流潛在能量和豐富的低層水汽條件，在輻合抬升條件較好的地區(qū)容易出現(xiàn)對流。由于較弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變（地面到6 km的垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s），使得當天的對流風(fēng)暴以脈沖風(fēng)暴為主。但在一些系統(tǒng)性較強的中小尺度切變或輻合線維持的區(qū)域，沿切變或輻合線形成的對流風(fēng)暴也呈現(xiàn)出有組織化的特征。

3 雷達回波分析

3.1 多單體雷暴的雷達回波特征

7月14日15：55，雷達反射率因子圖上顯示在山東菏澤北部有對流單體A首先從中空開始發(fā)展，隨后便沿著地面切變線向東北偏北方向移動，并在移送過程中不斷增強，到16：50移至范縣邊界時，中心強度達到50 dBZ。到17：14，在單體A的右側(cè)有對流單體B從中空開始發(fā)展。17：26 0.5°仰角（圖3a）單體風(fēng)暴A外圍呈現(xiàn)出較為清晰的弧狀弱窄帶回波，回波強度在5～10 dBZ左右，對其作垂直剖面分析，發(fā)現(xiàn)A的強反射率因子核心已到達地面，且對應(yīng)地面有邊界層輻合線并伴有風(fēng)速的明顯增大和溫度的降低和短時降水（其中范縣陸集的1 h雨量達到了26.3 mm），表明風(fēng)暴A中有冷性下沉氣流在低層擴散。風(fēng)暴A的冷出流鋒區(qū)和邊界層輻合線使得單體B迅速發(fā)展，中心強度達到50 dBZ。正是該單體造成了臺前的清水河、王集一帶2～3 cm的冰雹和18.4 m/s的大風(fēng)。

17：50時單體A趨于消散，單體B達到強盛期并且反射率因子核心開始下降，在單體B的右側(cè)有一個新的對流單體C開始發(fā)展。到18：20，隨著單體B的減弱，單體C發(fā)展起來，隨后便與南北的對流單體連成一線，基本呈南北向排列，向山東半島移去，給魯西造成了一次中到大雨、局部暴雨的降水過程（圖3b）。弱的垂直風(fēng)切變通常表示弱的環(huán)境氣流，并且常常引起風(fēng)暴移動緩慢。此次災(zāi)害性天氣過程中，由于低層有較厚的濕層和高度的垂直不穩(wěn)定性，并且在風(fēng)暴的右側(cè)不斷有新生單體的生成，是這次多單體風(fēng)暴持續(xù)時間將近2 h的原因。從對流單體A、B、C的風(fēng)暴追蹤路徑圖（圖4）上可以看出，每個風(fēng)暴單體都是朝東北偏北方向移動的，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，由于風(fēng)暴運動是由平流和傳播合成的，所以多單體風(fēng)暴的移動方向為東北方向，也造成了范縣和臺前沿線的短時強降水天氣。

3.2 產(chǎn)生冰雹大風(fēng)的脈沖風(fēng)暴endprint

3.2.1 雷暴冷出流觸發(fā)脈沖風(fēng)暴。7月14日17：26，根據(jù)CINRAD-SB多普勒天氣雷達風(fēng)暴追蹤算法（STI）的風(fēng)暴屬性表，單體A的最強反射率因子核心的高度（DBZM-HT）由上一時刻的3.4 km下降到此時刻的1.5 km，配合地面自動站的觀測記錄以及反射率因子的垂直剖面圖（圖5）來看，風(fēng)暴A有冷出流及地，沿該出流的邊界產(chǎn)生的垂直運動使得單體B迅速發(fā)展成強脈沖風(fēng)暴，其超過55 dBZ的強中心迅速向上向下同時增長；同時，隨著上升氣流的加強和單體的快速發(fā)展，垂直累積液態(tài)水含量（VIL）由上一時刻的18 kg/m3迅速增至34 kg/m3。綜合上述要素可以判定，單體風(fēng)暴B是一個由單體風(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。

3.2.2 脈沖風(fēng)暴的發(fā)展和暴發(fā)導(dǎo)致冰雹災(zāi)情的出現(xiàn)。表1為脈沖風(fēng)暴B的風(fēng)暴追蹤信息，因為風(fēng)暴B和風(fēng)暴A離得太近，風(fēng)暴單體的識別和風(fēng)暴屬性的計算可能有較大誤差，需要結(jié)合反射率因子剖面圖給予適當訂正，同時，又因為風(fēng)暴單體距離雷達站太近（僅78 km），由于靜錐區(qū)的影響，風(fēng)暴單體回波頂高的變化趨勢使用鄭州雷達2.4°仰角的回波強度及高度變化來表示。由表1可以看出，17：26風(fēng)暴單體B受到冷出流邊界觸發(fā)，不僅最大回波強度（DBZMZ）由55 dBZ迅速增強至60 dBZ，而且強回波中心迅速向上向下同時增長，結(jié)合反射率因子剖面圖（圖5）可以看到，超過60 dBZ的強回波高度在5～9 km之間，已經(jīng)擴展到-20 ℃等溫線以上高度，同時13 km處的回波也由上一體掃的45 dBZ增至53 dBZ，表明回波頂高也迅速增大。17：44—17：56單體風(fēng)暴B出現(xiàn)了最大回波強度的高度顯著下降和14 km處回波強度的迅速降低，這2個特征的出現(xiàn)表明雷暴即將崩潰進入減弱消亡階段。結(jié)合17：50和17：56的回波剖面圖，可以看出強回波中心迅速下降并在這2個時刻之間及地并暴發(fā)，于17：55在臺前的清水河、王集一帶造成了2～4 cm的冰雹和18.4 m/s的大風(fēng)。

產(chǎn)生冰雹的強對流風(fēng)暴最顯著的特征體現(xiàn)在如果-20 ℃等溫線對應(yīng)的高度之上有超過50 dBZ的反射率因子，則有可能產(chǎn)生大冰雹。據(jù)此，17：26超過55 dBZ的回波已經(jīng)擴展到-20 ℃等溫線以上高度，同時0 ℃層距地面的高度不超過5 km，此時就可以考慮發(fā)布強冰雹預(yù)警。但是這次由脈沖風(fēng)暴B產(chǎn)生的冰雹是在風(fēng)暴B進入減弱階段并及地時才發(fā)生，而且發(fā)生的時間僅僅幾分鐘，因此很難對脈沖風(fēng)暴發(fā)出有效警報。但是考慮到風(fēng)暴單體A對風(fēng)暴B的移動路徑的指示作用和高懸的強回波這一雹暴基本特征已經(jīng)提前30 min出現(xiàn)的情況，預(yù)報員還是有足夠的時間發(fā)出警報的，這正是這次冰雹過程的最大經(jīng)驗。

3.2.3 下?lián)舯┝饕鸫箫L(fēng)及預(yù)警。脈沖風(fēng)暴經(jīng)過臺前縣清水河與王集時，在短短幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生了18.4 m/s的瞬時大風(fēng)，并伴有11.3 mm的強降水，因此這次大風(fēng)是由濕微下?lián)舯┝饕鸬?。濕微下?lián)舯┝鞒３Ｅc脈沖風(fēng)暴相伴隨。濕微下?lián)舯┝髦饕鞘茉苾?nèi)和云底下方的融化和蒸發(fā)冷卻效應(yīng)所驅(qū)動而產(chǎn)生的。由于濕微下?lián)舯┝髋c強降水相聯(lián)系，水載物對下沉氣流的激發(fā)和維持起重要作用。

下?lián)舯┝鞯念A(yù)警是非常困難的。當雷達觀測到地面附近的輻散時，幾乎已經(jīng)無法提前發(fā)出警報。而與下?lián)舯┝飨喟殡S的空中氣流的輻合可以使預(yù)報員提前幾分鐘發(fā)出預(yù)警，即雷達在探測到空中氣流輻合的情況下發(fā)出下?lián)舯┝黝A(yù)警。如圖6所示，當17：44從濮陽多普勒雷達上觀測到徑向速度垂直剖面上有明顯的中層輻合，并且伴隨著反射率因子核心的下降時，可以提前10 min發(fā)出下?lián)舯┝骰蛘叽箫L(fēng)預(yù)警。

4 結(jié)語

此次局地強對流天氣是以高空較淺的低壓槽為背景，有較高的對流不穩(wěn)定能量和充足的水汽，有利于對流風(fēng)暴的發(fā)展；地面冷鋒、中尺度露點鋒及其與雷暴冷出流的碰撞是風(fēng)暴不斷新生的觸發(fā)機制；弱垂直風(fēng)切變的壞境下，使得過程中雷暴都具有脈沖風(fēng)暴的特征。

在弱垂直風(fēng)切變環(huán)境下，前期脈沖風(fēng)暴的強冷出流導(dǎo)致臺前西南強脈沖單體的發(fā)展和加強；強的不穩(wěn)定條件和低層較厚的水汽使得該風(fēng)暴強烈發(fā)展，其強反射率因子核心的快速下降和暴發(fā)產(chǎn)生了邊際尺度的冰雹和大風(fēng)。

通過對此次雷暴過程的分析，針對處于弱垂直風(fēng)切變中的脈沖風(fēng)暴，在關(guān)注大的天氣形勢、對流不穩(wěn)定條件和水汽條件的同時，還應(yīng)關(guān)注低層的邊界線和露點鋒，以及附近雷暴的冷出流邊界，對雷暴發(fā)生、發(fā)展落區(qū)加強監(jiān)測，提高臨近預(yù)報預(yù)警的準確性和預(yù)報時效。

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