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(shí)，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(dǎo)致雷暴[1-3]。Moore（2003）等統(tǒng)計(jì)分析了美國(guó)暖季伴有強(qiáng)降水出現(xiàn)的高架雷暴天氣過程的環(huán)境長(zhǎng)特征，并初步歸納了相應(yīng)的概念模型[4]。Ostby（1999）指出，由于邊界層上方觀測(cè)資料時(shí)空分辨率低，這種發(fā)生在邊界層上方的雷暴預(yù)報(bào)是氣象學(xué)者面臨的重要難題[5-6]。Jankov 等（2002）發(fā)現(xiàn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式很難模擬預(yù)報(bào)鋒區(qū)北側(cè)的高架雷暴個(gè)例[7-8]。

我國(guó)近幾年也已經(jīng)開始對(duì)高架雷暴有所研究，俞小鼎等介紹了我國(guó)高架雷暴活動(dòng)情況以及伴隨的天氣[9]。呂曉娜等研究了2015 年河南首場(chǎng)區(qū)域暴雪伴高架雷暴過程，發(fā)現(xiàn)高架雷暴發(fā)生時(shí)，河南上空具有垂直風(fēng)切變說明大氣層結(jié)動(dòng)力不穩(wěn)定、對(duì)稱不穩(wěn)定[10]。許新田等對(duì)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(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)高架雷暴發(fā)生時(shí)伴隨低空急流的建立和加強(qiáng)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(gè)加密站達(dá)到暴雨。從蘇州市三維閃電定位儀監(jiān)測(cè)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(cè)到了閃電，共發(fā)生了15 985 次閃電，其中正閃1725 次，負(fù)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(shí)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(yán)重的后果，但2014 年的第一場(chǎng)不同于往年的強(qiáng)對(duì)流天氣，也很值得研究。本文利用探空資料、地面觀測(cè)和自動(dòng)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?yàn)?6 層）對(duì)此次高架雷暴天氣的天氣學(xué)成因和物理機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討，希望能加深對(duì)高架雷暴的認(rèn)識(shí)，并為此類異常天氣過程預(yù)報(bào)、預(yù)警提供參考，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和公共氣象服務(wù)能力。

圖1 18 日20 時(shí)—19 日20 時(shí)江蘇范圍內(nèi)閃電密度分布（a）和時(shí)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(dǎo)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(dǎo)致的中等強(qiáng)度雷陣雨天氣過程。18 日20時(shí)，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(cè)，說明高層存在明顯的輻散。500 hPa西風(fēng)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(fēng)，有利于在地面附近形成冷墊， 此時(shí)東南部地區(qū)1000～925 hPa 存在5 ℃的逆溫。19 日08 時(shí)，西風(fēng)槽東移，北風(fēng)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(duì)流發(fā)展提供抬升條件，切變線南側(cè)有急流配合，偏南氣流明顯加強(qiáng)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(fēng)，西南部地區(qū)925～850 hPa 形成7 ℃的強(qiáng)逆溫，西南暖濕氣流沿著冷墊爬升。

18 日08 時(shí)，高空槽引導(dǎo)地面冷空氣南下，第一股冷空氣在18 日08 時(shí)其冷鋒已經(jīng)到達(dá)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(shí)鋒面過境后冷鋒后部不斷有冷空氣補(bǔ)充南下，氣溫較前期明顯偏低。18 日20 時(shí)，第二股冷空氣進(jìn)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(shí)，全省氣溫多在9～12 ℃，對(duì)比17日20 時(shí)的地面溫度，24 h 降溫幅度達(dá)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(shí)地面為冷墊。19 日，冷鋒過境后不斷有冷空氣補(bǔ)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(qiáng)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(shí)（a）和19 日08 時(shí)（b）中尺度分析

2 大氣垂直結(jié)構(gòu)特征

2.1 垂直風(fēng)場(chǎng)

由風(fēng)場(chǎng)的時(shí)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(shí)江蘇上空600 hPa以下為一致的偏北氣流。18 日20 時(shí)開始，隨著高空槽東移，中低層槽前西南風(fēng)明顯加大。19 日20 時(shí)隨著高空槽過境，第二股冷空氣影響結(jié)束，江蘇上空轉(zhuǎn)為一致的偏北氣流，此次過程結(jié)束。

圖3 風(fēng)場(chǎng)時(shí)間—高度剖面（118°～120°E，30°～34°N 平均，實(shí)線為等風(fēng)速線，單位：m·s-1）

2.2 探空資料分析

從18 日20 時(shí)南京站的溫度—對(duì)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(jié)較為穩(wěn)定。逆溫層頂至700 hPa 大氣溫度和露點(diǎn)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(jié)分布，特別有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展。700 hPa 以下風(fēng)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(jié)的形成，加大對(duì)流潛勢(shì)，而300～200 hPa 風(fēng)向逆轉(zhuǎn)，顯示有明顯的冷平流，弱冷空氣的侵入進(jìn)一步加劇了大氣層結(jié)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(shí)，逆溫層顯著增強(qiáng)，超過了8 ℃，逆溫層頂也從925 hPa 抬到了850 hPa；同時(shí)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(fēng)速明顯加大，0～3 km 和0～6 km 無論風(fēng)速和風(fēng)向都存在強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變，中低層維持較強(qiáng)的暖平流，此時(shí)CAPE 值仍然為0。為了消除逆溫層的影響，對(duì)探空曲線進(jìn)行訂正，將抬升高度選至逆溫層頂，這時(shí)CAPE 值明顯上升，數(shù)值達(dá)到280 J·kg-1（圖4b）。俞小鼎等[9]指出，理想狀態(tài)下導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了穩(wěn)定層結(jié)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(jì)的江蘇春季發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的部分指標(biāo)以及此次過程的指標(biāo)對(duì)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(yuǎn)低于江蘇春季發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)的最低指標(biāo)，這也是此次過程僅產(chǎn)生中等強(qiáng)度降水，并沒有發(fā)生大范圍短時(shí)強(qiáng)降水的主要原因。

圖4 18 日20 時(shí)（a）和19 日08 時(shí)（b）南京站探空?qǐng)D及江蘇春季發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)的0 ℃層高度、-20 ℃層高度以及可降水量最低指標(biāo)與0319 高架雷暴過程對(duì)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(dāng)位溫

假相當(dāng)位溫反映了大氣的溫濕狀況，為了進(jìn)一步了解此次高架雷暴過程的不穩(wěn)定層結(jié)，計(jì)算出雷暴發(fā)生前的假相當(dāng)位溫場(chǎng)（圖5a、5b），18 日20 時(shí)，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(shí)700 hPa 以下大氣是層結(jié)穩(wěn)定的，而在700～500 hPa 之間則存在的淺薄對(duì)流不穩(wěn)定層，19 日02 時(shí)隨著850 hPa 西南暖濕急流的加強(qiáng)，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(yùn)動(dòng)，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(qiáng)，高度略有降低，位于850 hPa 附近的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)較20 時(shí)顯著增強(qiáng)。

圖5c、5d 是18 日20 時(shí)和19 日02 時(shí)沿118°～120°E 平均的垂直速度場(chǎng)。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(shí)雷暴開始以后，在32°N 附近存在一個(gè)上升速度大值區(qū)，其中心位于850～800 hPa，中心數(shù)值達(dá)4 Pa·s-1，表明江蘇上空存在明顯的上升運(yùn)動(dòng)，而700～500 hPa 為下沉運(yùn)動(dòng)，不利于對(duì)流的發(fā)展。

表1 對(duì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)伸展高度看，產(chǎn)生冰雹的3 次過程上升運(yùn)動(dòng)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(qiáng)對(duì)流性天氣的主要原因。

3.2 動(dòng)力不穩(wěn)定——垂直風(fēng)切變

圖5 沿120°E 假相當(dāng)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(duì)比

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

垂直風(fēng)切變?yōu)閺?qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展和維持提供動(dòng)力不穩(wěn)定條件，在強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展過程中，垂直風(fēng)切變對(duì)于維持風(fēng)暴的強(qiáng)度[13]、風(fēng)暴的有組織發(fā)展和傳播[14-16]等方面都具有至關(guān)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(qiáng)的動(dòng)力不穩(wěn)定來維持強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。從圖6 中可以看出，18 日20 時(shí)和19 日08 時(shí)南京上空925~700 hPa 垂直風(fēng)切變很強(qiáng)，不僅風(fēng)速隨高度升高增加明顯，風(fēng)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(shí)850~1000 hPa的垂直風(fēng)切變分布，可以看出18 日20 時(shí)雷暴尚未開始時(shí)，沿江和蘇南的西部已經(jīng)出現(xiàn)顯著的垂直風(fēng)切變，19 日02 時(shí)隨著850 hPa 急流東伸，垂直風(fēng)切變進(jìn)一步加大，此時(shí)在沿江一帶雷暴過程自西向東開始，19 日08 時(shí)，切變繼續(xù)加大，沿江西部風(fēng)速切變中心已經(jīng)超過18 m·s-1，而500~1000 hPa 的垂直風(fēng)切變從18 日20 時(shí)開始一直到19 日08 時(shí)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(fēng)切變超過20 m·s-1，就可以說存在較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。因此，較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變?yōu)榇舜胃呒芾妆┻^程提供了動(dòng)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(shí)間較長(zhǎng)，是否由于有更大尺度的外源強(qiáng)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(shí)，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(duì)比的濕斜壓鋒區(qū)。

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

此處只計(jì)算前兩項(xiàng)。

由圖7a 可見，18 日20 時(shí)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(duì)應(yīng)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(shí)，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(qiáng)烈的鋒生。

3.4 水汽條件

強(qiáng)對(duì)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(dá)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(dá)資料分析

此次強(qiáng)對(duì)流過程，雨帶主要分2 個(gè)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(gè)對(duì)流單體嵌在層狀云中的絮狀回波沿引導(dǎo)氣流自西南向東北方向影響江蘇南京、鎮(zhèn)江等地?；夭◤?qiáng)度45 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(duì)流影響江蘇蘇南西南部地區(qū)，回波強(qiáng)度最大達(dá)55 dBZ，移速達(dá)75 km/h。線狀對(duì)流自西向東移動(dòng)，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(duì)雷達(dá)風(fēng)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(fēng)向從底層呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，說明這次對(duì)流天氣有比較強(qiáng)的西南暖濕氣流（圖9f）。

由強(qiáng)對(duì)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(qiáng)回波質(zhì)心發(fā)展高度在4.5 km 左右，回波強(qiáng)度最大值達(dá)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(qiáng)度達(dá)35 dBZ，這是春季高架雷暴的典型特征。強(qiáng)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(shí)的預(yù)報(bào)指標(biāo)，這也是此次過程沒有產(chǎn)生冰雹的主要原因（圖9e）。

5 結(jié)論

圖7 18 日20 時(shí)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(shí)850 hPa（a）和700 hPa（b）水汽通量和水汽通量散度

圖9 常州雷達(dá)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(shì)、地面冷墊、不穩(wěn)定層結(jié)、水汽條件、動(dòng)力抬升條件和雷達(dá)等方面的特征，得出以下結(jié)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(qiáng)的雷暴在江蘇初春是罕見的。500 hPa 高空槽引導(dǎo)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(fēng)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(qiáng)逆溫，暖濕空氣在冷墊之上爬升。

（2）低空強(qiáng)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(jié)，850 hPa 附近淺薄的對(duì)流不穩(wěn)定層和0～3 km 強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變共同為此次過程提供弱熱力不穩(wěn)定和強(qiáng)動(dòng)力不穩(wěn)定條件。

（3）850 hPa 附近存在強(qiáng)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(gè)階段影響江蘇，第二階段回波強(qiáng)度最大達(dá)55 dBZ，移速達(dá)75 km/h，使得沿江一帶自西向東產(chǎn)生雷暴。此次對(duì)流天氣有較強(qiáng)的西南暖濕氣流。強(qiáng)回波質(zhì)心發(fā)展高度在4.5 km 左右，強(qiáng)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(shí)的預(yù)報(bào)指標(biāo)，以及垂直上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度不強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水的最低指標(biāo)，是此次過程沒有產(chǎn)生大范圍短時(shí)強(qiáng)降水的主要原因。