曹舒婭，韋芬芬，孫 偉，沈 建

（蘇州市氣象局，江蘇 蘇州215000）

高架雷暴（elevated thunderstorm）是在大氣邊界層以上被觸發(fā)的，發(fā)生高架雷暴時，地面附近通常為穩(wěn)定的冷空氣，有明顯的逆溫，來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致雷暴[1-3]。Moore（2003）等統(tǒng)計分析了美國暖季伴有強降水出現(xiàn)的高架雷暴天氣過程的環(huán)境長特征，并初步歸納了相應的概念模型[4]。Ostby（1999）指出，由于邊界層上方觀測資料時空分辨率低，這種發(fā)生在邊界層上方的雷暴預報是氣象學者面臨的重要難題[5-6]。Jankov 等（2002）發(fā)現(xiàn)數(shù)值預報模式很難模擬預報鋒區(qū)北側的高架雷暴個例[7-8]。

我國近幾年也已經(jīng)開始對高架雷暴有所研究，俞小鼎等介紹了我國高架雷暴活動情況以及伴隨的天氣[9]。呂曉娜等研究了2015 年河南首場區(qū)域暴雪伴高架雷暴過程，發(fā)現(xiàn)高架雷暴發(fā)生時，河南上空具有垂直風切變說明大氣層結動力不穩(wěn)定、對稱不穩(wěn)定[10]。許新田等對2010 年春季陜西中南部一次高架雷暴的觸發(fā)條件及中尺度特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)高架雷暴發(fā)生時伴隨低空急流的建立和加強以及低空逆溫層的存在[11]。

2014 年3 月18 日夜里—19 日中午前后，江蘇沿江蘇南自西向東出現(xiàn)了一次罕見的冷鋒過境后大范圍的雷暴天氣，沿江一帶還普降大雨，其中6 個加密站達到暴雨。從蘇州市三維閃電定位儀監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可見，3 月18 日20：00—19 日20：00，江蘇全省大部分地區(qū)都監(jiān)測到了閃電，共發(fā)生了15 985 次閃電，其中正閃1725 次，負閃14 260 次，云閃4259次，云地閃11 726 次。江蘇范圍內(nèi)以沿江蘇南閃電密度最大，24 h 閃電密度均超過了1000 次（圖1a）。從閃電總數(shù)的時間分布圖可知，全省閃電總數(shù)高峰出現(xiàn)在19 日03：00—06：00，其中05：00—06：00 閃電總數(shù)近2000 次（圖1b），這樣高密度的閃電在初春季節(jié)是罕見的，雖然此次過程并沒有造成嚴重的后果，但2014 年的第一場不同于往年的強對流天氣，也很值得研究。本文利用探空資料、地面觀測和自動站資料以及NCEP 每日4 次客觀再分析FNL 資料（分辨率1°×1°，垂直方向為26 層）對此次高架雷暴天氣的天氣學成因和物理機制進行了詳細的分析和探討，希望能加深對高架雷暴的認識，并為此類異常天氣過程預報、預警提供參考，提高預報準確率和公共氣象服務能力。

圖1 18 日20 時—19 日20 時江蘇范圍內(nèi)閃電密度分布（a）和時間分布（b）

1 天氣背景

從大的環(huán)流背景看，這是一次高空槽東移引導地面冷空氣南下，低空有暖濕氣流北抬，造成上下層不穩(wěn)定，導致的中等強度雷陣雨天氣過程。18 日20時，200 hPa 分流區(qū)位于江蘇江淮之間，急流軸位于江蘇淮北地區(qū)，江蘇淮河以南大部分地區(qū)處在急流出口區(qū)的右側，說明高層存在明顯的輻散。500 hPa西風槽位于華北，攜帶干冷空氣沿西北氣流南下，江蘇大部分地區(qū)處于槽前。850 hPa 切變線位于華中，925～1000 hPa 沿江蘇南一帶為東—東北風，有利于在地面附近形成冷墊， 此時東南部地區(qū)1000～925 hPa 存在5 ℃的逆溫。19 日08 時，西風槽東移，北風壓在江淮之間，850 hPa 暖濕切變線東伸北抬到江蘇省沿江一帶，為對流發(fā)展提供抬升條件，切變線南側有急流配合，偏南氣流明顯加強使江蘇處于低層水汽輻合區(qū)，850 hPa 蘇南地區(qū)升溫2～3 ℃，有較明顯的暖平流，925～1000 hPa 維持東—東北風，西南部地區(qū)925～850 hPa 形成7 ℃的強逆溫，西南暖濕氣流沿著冷墊爬升。

18 日08 時，高空槽引導地面冷空氣南下，第一股冷空氣在18 日08 時其冷鋒已經(jīng)到達江蘇，這股東路冷空氣從18 日白天開始自北向南影響江蘇，20時鋒面過境后冷鋒后部不斷有冷空氣補充南下，氣溫較前期明顯偏低。18 日20 時，第二股冷空氣進入河套地區(qū)，這股中西路冷空氣在19 日后期開始影響江蘇省。18 日20 時，全省氣溫多在9～12 ℃，對比17日20 時的地面溫度，24 h 降溫幅度達到了8～10 ℃。江蘇處于冷中心，同樣表明此次江蘇高架雷暴發(fā)生時地面為冷墊。19 日，冷鋒過境后不斷有冷空氣補充南下，冷墊繼續(xù)維持，此次高架雷暴過程一直持續(xù)到19 日中午前后。而850 hPa 在18—19 日正好處于兩股冷空氣之間，溫度較高，江蘇處于暖中心，隨著西南急流加強并東伸北抬，逐漸在逆溫層之上形成暖蓋（圖2a、2b）。

圖2 18 日20 時（a）和19 日08 時（b）中尺度分析

2 大氣垂直結構特征

2.1 垂直風場

由風場的時間—高度剖面（圖3）可以看出，受第一股冷空氣的影響，18 日20 時江蘇上空600 hPa以下為一致的偏北氣流。18 日20 時開始，隨著高空槽東移，中低層槽前西南風明顯加大。19 日20 時隨著高空槽過境，第二股冷空氣影響結束，江蘇上空轉(zhuǎn)為一致的偏北氣流，此次過程結束。

圖3 風場時間—高度剖面（118°～120°E，30°～34°N 平均，實線為等風速線，單位：m·s-1）

2.2 探空資料分析

從18 日20 時南京站的溫度—對數(shù)壓力圖上可以看出，925～950 hPa 之間存在淺薄逆溫層，850～950 hPa 溫度垂直遞減率小，表明大氣層結較為穩(wěn)定。逆溫層頂至700 hPa 大氣溫度和露點非常接近，接近飽和，表明此層為暖濕層，700 hPa 以上為干冷空氣，這種上干下濕的垂直層結分布，特別有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。700 hPa 以下風隨高度順轉(zhuǎn)，表明低層存在明顯的暖平流，有利于不穩(wěn)定層結的形成，加大對流潛勢，而300～200 hPa 風向逆轉(zhuǎn)，顯示有明顯的冷平流，弱冷空氣的侵入進一步加劇了大氣層結的不穩(wěn)定性，從而觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放（圖4a）。到了19 日08 時，逆溫層顯著增強，超過了8 ℃，逆溫層頂也從925 hPa 抬到了850 hPa；同時濕層明顯增厚，550 hPa 以下均為暖濕氣層，隨著850 hPa 急流的東伸北抬，925 hPa 以上風速明顯加大，0～3 km 和0～6 km 無論風速和風向都存在強烈的垂直風切變，中低層維持較強的暖平流，此時CAPE 值仍然為0。為了消除逆溫層的影響，對探空曲線進行訂正，將抬升高度選至逆溫層頂，這時CAPE 值明顯上升，數(shù)值達到280 J·kg-1（圖4b）。俞小鼎等[9]指出，理想狀態(tài)下導致雷暴的最大上升氣流速度為Wmax=（2CAPE）0.5=24 m·s-1，這一數(shù)值遠遠超過了穩(wěn)定層結下層狀云降水中0.1 m·s-1的上升氣流速度。

圖4c 顯示了江蘇省氣象局統(tǒng)計的江蘇春季發(fā)生短時強降水的部分指標以及此次過程的指標對比，3 月19 日高架雷暴過程0 ℃層高度、-20 ℃層高度以及大氣可降水量都遠低于江蘇春季發(fā)生短時強降水時的最低指標，這也是此次過程僅產(chǎn)生中等強度降水，并沒有發(fā)生大范圍短時強降水的主要原因。

圖4 18 日20 時（a）和19 日08 時（b）南京站探空圖及江蘇春季發(fā)生短時強降水時的0 ℃層高度、-20 ℃層高度以及可降水量最低指標與0319 高架雷暴過程對比（c）

3 高架雷暴的物理量診斷分析

3.1 熱力不穩(wěn)定——假相當位溫

假相當位溫反映了大氣的溫濕狀況，為了進一步了解此次高架雷暴過程的不穩(wěn)定層結，計算出雷暴發(fā)生前的假相當位溫場（圖5a、5b），18 日20 時，江蘇沿江蘇南上空700 hPa 附近存在θse大值中心，1000~700 hPa θse隨高度增加逐漸加大， 也就是Δθse>0，表明此時700 hPa 以下大氣是層結穩(wěn)定的，而在700～500 hPa 之間則存在的淺薄對流不穩(wěn)定層，19 日02 時隨著850 hPa 西南暖濕急流的加強，暖濕空氣源源不斷輸送至沿江蘇南上空，暖濕氣流沿鋒面做斜升運動，斜壓性增加，有利于不穩(wěn)定能量的產(chǎn)生。從圖4b 可以看到，沿江蘇南上空θse大值中心加強，高度略有降低，位于850 hPa 附近的對流不穩(wěn)定層結較20 時顯著增強。

圖5c、5d 是18 日20 時和19 日02 時沿118°～120°E 平均的垂直速度場。雷暴發(fā)生前，31°～34°N 邊界層以下為一致的下沉氣流控制，而在700 hPa 以上為上升氣流（圖5c）；19 日02 時雷暴開始以后，在32°N 附近存在一個上升速度大值區(qū)，其中心位于850～800 hPa，中心數(shù)值達4 Pa·s-1，表明江蘇上空存在明顯的上升運動，而700～500 hPa 為下沉運動，不利于對流的發(fā)展。

表1 對比了江蘇發(fā)生高架雷暴伴冰雹的3 次過程和此次過程的垂直速度，江蘇發(fā)生的3 次高架冰雹過程，上升運動中心值均超過了10 Pa·s-1，其中2010 年2 月10 日過程的最大上升速度超過了25 Pa·s-1。從上升運動伸展高度看，產(chǎn)生冰雹的3 次過程上升運動均超過了300 hPa，有兩次一直伸展到200 hPa，而此次過程僅伸展到700 hPa，這也是此次高架雷暴沒有產(chǎn)生冰雹等更強對流性天氣的主要原因。

3.2 動力不穩(wěn)定——垂直風切變

圖5 沿120°E 假相當位溫緯度—高度剖面（a、b）（單位：K）和垂直速度緯度—高度剖面（c、d）（118°～120°E 平均，單位：m·s-1）

表1 發(fā)生在江蘇的3 次高架雷暴伴冰雹過程和3 月19 日過程垂直速度對比

圖6 18 日20 時（a）、19 日02 時（b）、19 日08 時（c）1000～850 hPa 垂直風切變分布及18 日20 時（d）、19 日02 時（e）、19 日08 時（f）1000～500 hPa 垂直風切變分布（單位：m·s-1）

垂直風切變?yōu)閺妼α魈鞖獾陌l(fā)生、發(fā)展和維持提供動力不穩(wěn)定條件，在強對流的發(fā)生、發(fā)展過程中，垂直風切變對于維持風暴的強度[13]、風暴的有組織發(fā)展和傳播[14-16]等方面都具有至關重要的作用。高架雷暴往往發(fā)生在弱的熱力不穩(wěn)定條件下，那么就需要較強的動力不穩(wěn)定來維持強對流天氣的發(fā)生。從圖6 中可以看出，18 日20 時和19 日08 時南京上空925~700 hPa 垂直風切變很強，不僅風速隨高度升高增加明顯，風向隨高度的增加也有明顯的順轉(zhuǎn)。圖6a、6b、6c 給出了雷暴發(fā)生時850~1000 hPa的垂直風切變分布，可以看出18 日20 時雷暴尚未開始時，沿江和蘇南的西部已經(jīng)出現(xiàn)顯著的垂直風切變，19 日02 時隨著850 hPa 急流東伸，垂直風切變進一步加大，此時在沿江一帶雷暴過程自西向東開始，19 日08 時，切變繼續(xù)加大，沿江西部風速切變中心已經(jīng)超過18 m·s-1，而500~1000 hPa 的垂直風切變從18 日20 時開始一直到19 日08 時都超過了24 m·s-1（圖6d、6e、6f）。俞小鼎[17]提出，如果500 hPa 到地面的垂直風切變超過20 m·s-1，就可以說存在較強的垂直風切變。因此，較強的垂直風切變?yōu)榇舜胃呒芾妆┻^程提供了動力不穩(wěn)定條件。

3.3 鋒生

有研究指出，高架雷暴往往持續(xù)時間較長，是否由于有更大尺度的外源強迫產(chǎn)生鋒生，使得雷暴得以維持呢？大尺度環(huán)境條件表明，高架雷暴發(fā)生期間，北方的冷空氣入侵江蘇，同時，700 hPa 西南急流將大量的暖濕氣流也向江蘇輸送，上下層的溫濕差異較大，即等θse線較密，形成顯著濕度對比的濕斜壓鋒區(qū)。

為了具體研究高架雷暴發(fā)生時的鋒生作用，根據(jù)鋒生函數(shù)公式計算各層的鋒生：

此處只計算前兩項。

由圖7a 可見，18 日20 時850 hPa 鋒生主要出現(xiàn)在等θse線密集區(qū)附近，鋒生大值中心位于江蘇沿江蘇南一帶，與雷暴落區(qū)對應較好。鋒生函數(shù)梯度垂直剖面合成圖（圖7b）可見，高架雷暴發(fā)生時，南京上空（32°N 附近）超過20×10-12km-2·s-1的鋒生函數(shù)梯度大值中心位于850 hPa 附近，梯度值零線位于沿江蘇南一帶雷暴落區(qū)上空。函數(shù)梯度大值軸隨高度明顯向北傾斜，表明了斜壓鋒區(qū)存在強烈的鋒生。

3.4 水汽條件

強對流天氣發(fā)生的另一必備條件為水汽條件，此次過程850 hPa 的水汽輸送明顯，水汽輸送的主要來源是孟加拉灣，從孟加拉灣一直到江蘇沿江蘇南一帶建立了一條水汽通道。水汽通量的輻合區(qū)主要在江蘇沿江附近，中心值達到40×10-5kg·hPa-1·m-2·s-1（圖8a、8b），表明此處有明顯的水汽聚集，為高架雷暴的發(fā)生提供水汽條件。

4 雷達資料分析

此次強對流過程，雨帶主要分2 個階段影響江蘇西南部地區(qū)，第一階段為23：30 左右，從安徽馬鞍山到蕪湖一線有多個對流單體嵌在層狀云中的絮狀回波沿引導氣流自西南向東北方向影響江蘇南京、鎮(zhèn)江等地?；夭◤姸?5 dBZ，移速50 km/h。第二階段為4：00 左右，回波從安徽滁州、來安到全椒一線，自西北向偏東方向，發(fā)展為一條線狀對流影響江蘇蘇南西南部地區(qū)，回波強度最大達55 dBZ，移速達75 km/h。線狀對流自西向東移動，使得沿江一帶自西向東產(chǎn)生雷暴，其后回波逐漸消散（圖9a～9d）。

通過對雷達風廓線產(chǎn)品（VWP）分析，可以發(fā)現(xiàn)從凌晨開始2 km 以上為一致的西南氣流，在2 km高度存在最大值為14 m/s的低空急流。并可以看到風向從底層呈順時針旋轉(zhuǎn)，說明這次對流天氣有比較強的西南暖濕氣流（圖9f）。

由強對流單體的垂直剖面發(fā)現(xiàn)回波發(fā)展高度在10 km 左右，強回波質(zhì)心發(fā)展高度在4.5 km 左右，回波強度最大值達50 dBZ 且回波接地，0 ℃層的高度大約在3.5 km，-20 ℃的高度在7 km 左右，回波強度達35 dBZ，這是春季高架雷暴的典型特征。強回波發(fā)展高度主要在0 ℃層高度之下，-20 ℃層高度偏高，高于江蘇春季冰雹發(fā)生時的預報指標，這也是此次過程沒有產(chǎn)生冰雹的主要原因（圖9e）。

5 結論

圖7 18 日20 時850 hPa 鋒生函數(shù)分布（a）和鋒生函數(shù)梯度緯度—高度剖面（b）

圖8 19 日02 時850 hPa（a）和700 hPa（b）水汽通量和水汽通量散度

圖9 常州雷達19 日2.4°仰角基本反射率

本文分析了2014 年3 月19 日發(fā)生在江蘇沿江蘇南的一次高架雷暴天氣過程在環(huán)流形勢、地面冷墊、不穩(wěn)定層結、水汽條件、動力抬升條件和雷達等方面的特征，得出以下結論：

（1）此次雷暴是一次典型的“高架雷暴”天氣過程，江蘇沿江蘇南閃電密度最大，這樣強的雷暴在江蘇初春是罕見的。500 hPa 高空槽引導地面冷空氣南下，地面先后受2 股冷空氣影響，925 hPa 以下一致的東—東北風共同為此次高架雷暴提供冷墊作用，850 hPa 在2 股冷空氣之間，江蘇處于暖中心，地面附近存在較強逆溫，暖濕空氣在冷墊之上爬升。

（2）低空強烈的暖平流，高空冷平流明顯，江蘇上空垂直方向干冷空氣疊加在暖濕氣流之上，有一定的不穩(wěn)定層結，850 hPa 附近淺薄的對流不穩(wěn)定層和0～3 km 強烈的垂直風切變共同為此次過程提供弱熱力不穩(wěn)定和強動力不穩(wěn)定條件。

（3）850 hPa 附近存在強烈的鋒生，鋒區(qū)隨高度向北傾斜。850 hPa 的水汽輸送更明顯，水汽主要源自孟加拉灣，從孟加拉灣一直到江蘇形成了一條輸送通道，江蘇沿江蘇南一帶存在水汽的積聚。

（4）雨帶主要分2 個階段影響江蘇，第二階段回波強度最大達55 dBZ，移速達75 km/h，使得沿江一帶自西向東產(chǎn)生雷暴。此次對流天氣有較強的西南暖濕氣流。強回波質(zhì)心發(fā)展高度在4.5 km 左右，強回波發(fā)展高度主要在0 ℃層高度之下，-20 ℃層高度高于江蘇春季冰雹發(fā)生時的預報指標，以及垂直上升運動的強度不強和伸展高度不高是此次過程沒有產(chǎn)生冰雹的主要原因；0 ℃層高度、-20 ℃層高度以及大氣可降水量均低于江蘇春季發(fā)生短時強降水的最低指標，是此次過程沒有產(chǎn)生大范圍短時強降水的主要原因。