陸飛,阮蔚琳,鄧雯
(1.江蘇省江陰市氣象局,江陰 214432;2.中國氣象局武漢暴雨研究所,武漢 430205)
冰雹是重要的災(zāi)害性天氣之一,雖然發(fā)生時(shí)間短、范圍小,但強(qiáng)度大、來勢猛,并常伴有狂風(fēng)和暴雨,易給局部地區(qū)造成重大損失。俞小鼎等(2006)指出通常將落到地面直徑超過2 cm的冰雹稱為強(qiáng)冰雹。包云軒等(2012)研究表明盛夏江蘇省受龐大的副熱帶高壓系統(tǒng)影響,下墊面受太陽輻射加熱劇烈,迅速增溫后,若低層大氣很不穩(wěn)定,易產(chǎn)生局地?zé)釋?duì)流,對(duì)流發(fā)展到一定強(qiáng)度后會(huì)觸發(fā)冰雹的產(chǎn)生。趙文慧等(2019)分析表明,降雹總的空間分布特征為高原和山地多,平原和盆地少,平均單次降雹持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢。蘇永玲等(2018)指出副高背景下的冰雹以熱力強(qiáng)迫為主。國內(nèi)學(xué)者分析了不同地區(qū)冰雹天氣的特征,對(duì)其形成機(jī)制有了更深的認(rèn)識(shí),表明0℃層高度一般在600 hBa上下,約4 km高,有利于冰雹的產(chǎn)生(金米娜等,2013;張琳娜等,2013;吳迎旭等,2016;尉英華等,2018;張桂蓮等,2019;李曉霞等,2020)。張小娟等(2019)分析了雹云初生、合并加強(qiáng)、發(fā)展旺盛等階段,指出了冰雹天氣過程的云系發(fā)展演變及云物理特征。一些學(xué)者對(duì)冰雹天氣的大氣環(huán)境和探空資料進(jìn)行了分析,研究了探空資料對(duì)短時(shí)臨近潛勢預(yù)報(bào)的作用(廖曉農(nóng)等,2007;劉曉璐等,2014;鄭永光等,2017)。也有人通過多普勒雷達(dá)資料總結(jié)出典型的懸垂結(jié)構(gòu)、高回波反射率和三體散射等冰雹天氣特征(楊淑華等,2014;胡勝等,2015;魯?shù)陆鸬龋?015;王麗榮等,2019;葉東,2020)。李聰?shù)?2017)指出較大的對(duì)流不穩(wěn)定能量和相對(duì)強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變構(gòu)成了強(qiáng)冰雹產(chǎn)生的有利環(huán)境條件。2021年7月15日江蘇省多地出現(xiàn)強(qiáng)冰雹天氣,由于蘇南一帶出現(xiàn)強(qiáng)冰雹的次數(shù)少,相關(guān)研究也較少。為研究蘇南強(qiáng)冰雹發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件,做好冰雹災(zāi)害性天氣的精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù),本文應(yīng)用常規(guī)觀測資料、地面加密資料、衛(wèi)星云圖、微波輻射計(jì)及雷達(dá)探測資料等分析了該次強(qiáng)冰雹天氣的特征和預(yù)報(bào)指標(biāo)。
2021年7月15日12—18時(shí)(北京時(shí),下同),江蘇省淮河以南出現(xiàn)局地強(qiáng)對(duì)流天氣(圖1),江陰西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)16時(shí)前后出現(xiàn)冰雹,中部沿江城區(qū)16時(shí)30分到43分出現(xiàn)冰雹,最大冰雹直徑3 cm,最大冰雹重量達(dá)4 g,東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)17時(shí)前后出現(xiàn)冰雹。該次冰雹過程除江陰外,南京仙林、六合、高淳,揚(yáng)州,常州,靖江,海安等地均有冰雹出現(xiàn)。鹽城、揚(yáng)州、南京、無錫4市的8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)雨量達(dá)到50 mm以上,有66個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng),其中7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)10級(jí)以上,常州春江街道風(fēng)速最大,達(dá)12級(jí)(34.6 m·s-1)。
圖1 2021年7月15日12—18時(shí)江蘇省暴雨、冰雹發(fā)生地和6級(jí)以上大風(fēng)區(qū)域Fig.1 Places where rainstorm and hail occurred and areas with strong winds above level 6 in Jiangsu Province from 12 to 18 BT on 15 July 2021.
該次過程發(fā)生在副熱帶高壓(以下簡稱副高)西側(cè)西南暖濕不穩(wěn)定氣流當(dāng)中,由地面輻合線觸發(fā)。7月10日晚上20時(shí),500 hBa上588 dagpm線北跳,副熱帶高壓增強(qiáng)并控制了江蘇省淮河以南地區(qū)(圖略),影響淮河以南地區(qū)的梅雨天氣結(jié)束,隨后出現(xiàn)了持續(xù)晴熱高溫的天氣,潮濕的下墊面受太陽輻射加熱劇烈,積聚了強(qiáng)大的不穩(wěn)定能量。15日08時(shí),江蘇省淮河以南500 hBa高空依舊為副熱帶高壓控制,上游山東、河南和安徽交界一帶有短波槽活動(dòng)(圖2a)。700 hBa和850 hBa江蘇地區(qū)為西南氣流,上游從山東半島到河南有明顯的風(fēng)切變存在(圖2b、c)。江蘇地區(qū)環(huán)境溫度直減率850 hBa和500 hBa溫差達(dá)到24℃以上,蘇南地區(qū)比濕場呈現(xiàn)上干下濕的水汽配置。
圖2 2021年7月15日08時(shí)500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)大氣環(huán)流形勢(藍(lán)色實(shí)線為等高線,單位:dagpm;紅色等值線為等溫線,單位:℃,其中零攝氏度以下以虛線顯示;棕色線段為槽線或切變線;綠色線條為等比濕線,單位:g·kg-1;紫色填充區(qū)為風(fēng)速達(dá)12 m·s-1的急流區(qū))Fig.2 Upper air chart of(a)500 hPa,(b)700 hPa,(c)850 hPa at 08∶00 BT on 15 July 2021.Blue line represents contour line,unit:dagpm.Red line represents isotherm,unit:℃,in which the dotted line is displayed below 0℃.Brown line represents trough line or shear line.Green line represents iso-specific humidity line,unit:g·kg-1.Purple filled area is the jet area with wind speed of 12 m·s-1.
2.2.1 不穩(wěn)定層結(jié)
從上游200 km范圍內(nèi)南京探空站的環(huán)境參數(shù)來看,15日08時(shí)SI指數(shù)為-2.9℃,大氣層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)顯著超過江蘇省冰雹天氣熱動(dòng)力條件參量SI平均統(tǒng)計(jì)值-0.96℃(徐芬等,2016)。抬升指數(shù)LI達(dá)到了-7.9℃,也明顯超過了蘇浙滬地區(qū)冰雹平均抬升指數(shù)-5.6℃(仇娟娟等,2013)。對(duì)流有效位能CAPE值高達(dá)2 677.9 J·kg-1,積聚了較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量。而抑制對(duì)流有效位能CIN僅為110.6 J·kg-1,只需較弱的抬升強(qiáng)迫就能產(chǎn)生熱對(duì)流。用江陰站14時(shí)溫度和露點(diǎn)訂正后可以發(fā)現(xiàn),午后江陰地區(qū)SI指數(shù)為-2.91℃,LI指數(shù)為-8℃,CAPE值達(dá)3 924 J·kg-1,CIN值為0 J·kg-1,已經(jīng)不需要抬升力即可發(fā)生自由對(duì)流。
2.2.2 關(guān)鍵層和水汽條件
0℃層和-20℃層高度是判斷是否有利于冰雹形成的重要參數(shù)。0℃層到-20℃層負(fù)溫區(qū)是供雹胚運(yùn)動(dòng)增長的重要區(qū)域,適宜的高度差使得雹胚在過冷水含量豐富的環(huán)境中相互碰撞的機(jī)會(huì)較多,雹粒增長快,有利于形成大冰雹。俞小鼎(2014)指出濕球溫度0℃層的高度(Wet Blub Zero,WBZ)作為冰雹融化層近似高度更為合理。15日08時(shí)南京探空站0℃層和-20℃層高度分別為5 151.9 m和8 555.5 m,濕球0℃層高度為4 192.1 m,處于夏季形成冰雹的較理想高度。較為有利的凍結(jié)層高度、大水滴自然成冰高度和冰雹融化層高度,在盛夏較大的不穩(wěn)定能量和抬升作用下,造成了江蘇淮河以南多地出現(xiàn)冰雹天氣。
7月15日臨近江陰強(qiáng)冰雹發(fā)生地常州站的微波輻射計(jì)垂直廓線圖上(圖3),08時(shí)中高空干冷和低層暖濕的環(huán)境配置與南京探空站特征基本一致,0℃層高度在5 km左右,-20℃層高度在8.5 km左右。劉晶等(2018)研究發(fā)現(xiàn),冰雹云內(nèi)上升氣流異常強(qiáng)盛,其溫度和水汽密度廓線陡升較短時(shí)降水期間更加劇烈。16時(shí)前后江陰西部出現(xiàn)冰雹,該冰雹云團(tuán)在16時(shí)05分常州站微波輻射計(jì)的溫度和水汽密度廓線表明,鄰近的常州地區(qū)雷暴發(fā)生后蒸發(fā)冷卻,形成的冷池使溫度下降,并在近地層出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象(圖3a箭頭處),0℃層和-20℃層分別抬高至5.5 km和9 km,近地面水汽密度增大到20 g·m3以上,2—3 km高度10 g·m3的水汽密度接近垂直(圖3b紫色線),呈現(xiàn)了典型的冰雹云溫度和水汽密度結(jié)構(gòu)分布特征。
圖3 江蘇省常州站微波輻射計(jì)溫度廓線(a)、水汽密度廓線(b)(08時(shí)棕色線、藍(lán)色線,16時(shí)05分紅色線、紫色線)Fig.3(a)Temperature profile and(b)water vapor density profile from microwave radiometer at Changzhou station,Jiangsu Province(brown line,blue line at 08∶00 BT,red line and purple line at 16∶05 BT).
2.2.3 垂直風(fēng)切變
從15日08時(shí)南京探空站T-log P圖可以發(fā)現(xiàn)(圖4),15日強(qiáng)冰雹過程主要表現(xiàn)為底層850 hBa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn),有暖平流,850—600 hBa風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn),有冷平流。表明了對(duì)流層底層為暖濕空氣,中層有干冷空氣入侵。850—200 hBa垂直風(fēng)切變達(dá)到28 m·s-1,0—3 km垂直風(fēng)切變?yōu)?1.3 m·s-1,0—6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?1.9 m·s-1,達(dá)到嚴(yán)紅梅等(2019)分析表明的中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變,有利于較高組織化的風(fēng)暴產(chǎn)生。
圖4 2021年7月15日08時(shí)江蘇省南京探空站T-log P圖Fig.4 T-log P diagram at Nanjing radiosonde station in Jiangsu Province at 08∶00 BT on 15 July 2021.
7月15日午后,江蘇淮河以南地區(qū)已具備明顯的不穩(wěn)定層結(jié)和充足的能量條件,只需某一觸發(fā)因子就能產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。受上游短波槽活動(dòng)和切變形成的副熱帶高壓邊緣云系影響,江蘇中部地面輻合線09時(shí)形成于鹽城、揚(yáng)州北、南京一線,輻合線兩側(cè)溫度差≥3℃(圖略),此時(shí)輻合線附近尚無明顯的對(duì)流云團(tuán)出現(xiàn)。中午12時(shí)地面輻合線位于鹽城南、揚(yáng)州南、南京一線(圖5),輻合線附近開始出現(xiàn)對(duì)流云團(tuán)。該輻合線隨副高西側(cè)西南氣流的波動(dòng)在鹽城、揚(yáng)州、南京一帶略有南北擺動(dòng),至16時(shí)仍可見在鹽城北、揚(yáng)州、南京北一線有明顯的地面風(fēng)向輻合(圖略)。在地面輻合線觸發(fā)作用下,釋放出了淮河以南地區(qū)中低空西南氣流水汽輸送帶持續(xù)提供的不穩(wěn)定能量。隨著午后地面氣溫升高,空氣塊容易出現(xiàn)超絕熱而發(fā)生自由對(duì)流,使輻合線附近不斷觸發(fā)的對(duì)流云團(tuán)向有利于自由對(duì)流的江蘇中南部暖區(qū)發(fā)展,產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng),暖區(qū)的不穩(wěn)定能量在副高西側(cè)西南暖濕氣流的維持下,讓對(duì)流云團(tuán)可以維持較長時(shí)間發(fā)展增強(qiáng),在有利的垂直風(fēng)切變、凍結(jié)層高度、大水滴自然成冰高度和冰雹融化層高度條件下,導(dǎo)致了此次大范圍、長時(shí)間的冰雹過程發(fā)生。
圖5 2021年7月15日12時(shí)江蘇省地面10 m風(fēng)場、1.5 m百葉箱氣溫和地面輻合線Fig.5 Ground 10m wind field,1.5m louver temperature and ground convergence line in Jiangsu Province at 12∶00 BT on 15 July 2021.
受副高西側(cè)西南暖濕氣流影響,15日中午12時(shí)江蘇中部地面輻合線附近開始出現(xiàn)局地對(duì)流云帶,其中揚(yáng)州一帶輻合線觸發(fā)的對(duì)流云團(tuán)A(圖6a、b)逐漸增強(qiáng)并向東南方向暖區(qū)移動(dòng)。15時(shí)30分,對(duì)流云帶中云團(tuán)A已向南部暖區(qū)發(fā)展移動(dòng)至常州一帶,云頂溫度最低達(dá)-70℃,同時(shí),揚(yáng)州、鹽城南部輻合線附近觸發(fā)的對(duì)流云團(tuán)B、C向暖區(qū)移動(dòng)快速發(fā)展,直徑已超50 km(圖6c)。16時(shí)30分,上述冰雹云團(tuán)繼續(xù)向有利于自由對(duì)流的暖區(qū)移動(dòng)發(fā)展,云團(tuán)A覆蓋地處江尾海頭的江陰(圖6d),雹云區(qū)云頂溫度最低接近-80℃,江陰城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)冰雹。云團(tuán)B向南偏西暖區(qū)發(fā)展,直徑已超100 km,云團(tuán)C向南偏東暖區(qū)發(fā)展,此時(shí),南京地區(qū)輻合線附近觸發(fā)的云團(tuán)D開始發(fā)展,副高邊緣鹽城北側(cè)輻合線附近對(duì)流云團(tuán)也開始發(fā)展并向東南暖區(qū)移動(dòng)增強(qiáng)。17—18時(shí),A、B、C、D冰雹云團(tuán)達(dá)到發(fā)展旺盛階段(圖6e、f)。江蘇省江陰西部璜土鎮(zhèn)、江陰中部城區(qū)、江陰東部周莊鎮(zhèn)、常州東海社區(qū)、南京仙林湖、高淳古柏街道、六合城區(qū)、靖江新橋鎮(zhèn)、揚(yáng)州沙頭鎮(zhèn)、海安大公鎮(zhèn)等地陸續(xù)在16—18時(shí)出現(xiàn)冰雹。從該次冰雹過程出現(xiàn)的地點(diǎn)來看,主要分布在地面輻合線南邊暖區(qū)一側(cè),其中最早由輻合線觸發(fā)的冰雹云團(tuán)A到達(dá)的位置最靠南,向南側(cè)暖區(qū)發(fā)展獲取的不穩(wěn)定能量最多,維持時(shí)間最長,生成的冰雹持續(xù)時(shí)間最長,直徑最大,覆蓋范圍最廣,對(duì)江陰沿江一帶多地有不同程度的影響。下文重點(diǎn)討論強(qiáng)冰雹云團(tuán)A的情況。
圖6 2021年7月15日葵花8號(hào)衛(wèi)星紅外云圖:13時(shí)30分(a)、14時(shí)30分(b)、15時(shí)30分(c)、16時(shí)30分(d)、17時(shí)30分(e)、18時(shí)(f)Fig.6 Himawari-8 satellite image at(a)13∶30 BT,(b)14∶30 BT,(c)15∶30 BT,(d)16∶30 BT,(e)17∶30 BT,and(f)18∶00 BT on 15 July 2021.
此次影響江陰的強(qiáng)冰雹云團(tuán)A于14時(shí)24分在江陰西部與常州交界處開始活躍,15時(shí)12分該塊回波組合反射率強(qiáng)度達(dá)到60 dBz以上,15時(shí)24分出現(xiàn)回波頂高超過17 km(圖略),并在原地維持到15時(shí)41分,南通多普勒雷達(dá)上出現(xiàn)了明顯的長釘回波(圖7a),回波頂高維持在17 km以上(圖7b)。到16時(shí)前后與常州交界處的江陰璜土鎮(zhèn)石莊村出現(xiàn)冰雹,60 dBz強(qiáng)度組合反射率維持了近50 min,17 km以上回波頂高維持了近30 min,距探測到明顯長釘效應(yīng)約20 min。16時(shí)28分,組合反射率強(qiáng)度超60 dBz且頂高17 km以上的強(qiáng)回波已影響江陰沿江中部一帶(圖7c、d),江陰站于16時(shí)30分開始陸續(xù)下了13 min冰雹。17時(shí)03分回波頂高仍達(dá)17 km,組合反射率強(qiáng)度60 dBz以上(圖略),回波主體已移至江陰東部周莊鎮(zhèn)附近,隨后該鎮(zhèn)東林村氣象信息員視頻報(bào)告出現(xiàn)冰雹天氣。冰雹云團(tuán)B、C、D在雷達(dá)上同樣具有組合反射率60 dBz以上且回波頂高超過17 km區(qū)域與冰雹發(fā)生地較吻合的特征(圖略),區(qū)別是維持回波頂高超17 km的時(shí)間較短,下文主要分析強(qiáng)冰雹云團(tuán)A的垂直結(jié)構(gòu)特征。
圖7 江蘇省南通多普勒雷達(dá)站組合反射率15時(shí)41分(a)、16時(shí)28分(c)和回波頂高15時(shí)41分(b)、16時(shí)28分(d)Fig.7 Combined reflectivity at(a)15∶41 BT,(c)16∶28 BT and echo top height at(b)15∶41 BT,(d)16∶28 BT at Nantong Doppler radar station in Jiangsu Province.
圖8給出了2021年7月15日江陰中部沿江一帶強(qiáng)冰雹云團(tuán)A的常州雷達(dá)4分屏顯示。分別為15日16時(shí)12分0.5°、2.4°、6.0°仰角的反射率因子圖(圖8a、c、d)和1.5°仰角的徑向速度圖(圖8b)。圖中箭頭前方為江陰中部沿江一帶。結(jié)合0.5°仰角(圖8a)和1.5°仰角(圖8b),箭頭前方風(fēng)暴存在低層入流缺口和低層弱回波區(qū),而在2.4°、6.0°仰角(圖8c、d),該低層的弱回波區(qū)隨著仰角抬高,反射率因子顯著增強(qiáng),也就是說在低層與入流缺口對(duì)應(yīng)的弱回波區(qū)之上,有一個(gè)強(qiáng)回波懸垂結(jié)構(gòu)。
圖8 常州多普勒雷達(dá)站7月15日16時(shí)12分0.5°(a)、2.4°(c)、6.0°(d)仰角的反射率因子圖和1.5°仰角的徑向速度圖(b)(紅色箭頭指向江陰中部)Fig.8 Reflectivity factor diagram at(a)0.5°,(c)2.4°,(d)6.0°elevation and radial velocity diagramat(b)1.5°elevation at Changzhou Doppler radar station at 16∶12 BT on 15 July.The red arrow points to the middle of Jiangyin.
江陰沿江一帶強(qiáng)冰雹云團(tuán)A的垂直剖面顯示,16時(shí)12分風(fēng)暴頂高伸展近18 km,風(fēng)暴內(nèi)部風(fēng)場中(圖9a),6 km以下氣流輻合,9 km以上氣流輻散,表明該風(fēng)暴中存在強(qiáng)烈的上升氣流,這種強(qiáng)烈的上升氣流非常有利于雹胚成長為強(qiáng)冰雹。上升氣流中高懸的60 dBz以上強(qiáng)回波中心(圖9b)尚未觸及地面,位于3—8 km之間。55 dBz以上回波擴(kuò)展到9 km,超過了-20℃等溫線的高度(約8.5 km),出現(xiàn)此垂直結(jié)構(gòu)特征的時(shí)間距江陰中部沿江城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)冰雹約15 min左右。隨著強(qiáng)回波到達(dá)地面,江陰中部沿江一帶韭菜港、澄江街道、白屈港、云亭街道、周莊鎮(zhèn)、城東街道分別在16時(shí)28分—17時(shí)25分出現(xiàn)了冰雹和8—9級(jí)雷暴大風(fēng)。
圖9 常州多普勒雷達(dá)站7月15日16時(shí)12分速度徑向垂直剖面(a,白色箭頭為氣流方向)、反射率因子垂直剖面(b)Fig.9(a)Velocity radial vertical profile,white arrow indicates the direction of air flow,and(b)reflectivity factor vertical profile at Changzhou Doppler radar station at 16∶12 BT on 15 July.
對(duì)2021年7月15日發(fā)生在江蘇省淮河以南地區(qū)的一次強(qiáng)冰雹過程進(jìn)行診斷分析,得出以下結(jié)論:
(1)本次江蘇大范圍冰雹天氣過程發(fā)生前為副高控制,副高西側(cè)西南暖濕不穩(wěn)定氣流與上游中高空的短波槽、切變活動(dòng)相結(jié)合,在地面輻合線觸發(fā)下,生成的對(duì)流活動(dòng)向有利于自由對(duì)流的南部暖區(qū)移動(dòng)發(fā)展,持續(xù)獲得暖區(qū)的不穩(wěn)定能量,使水汽凝結(jié)并釋放潛熱,導(dǎo)致了此次冰雹過程的發(fā)生。
(2)各項(xiàng)探空資料環(huán)境參數(shù)均預(yù)示了強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生,具有明顯特征的是該次盛夏強(qiáng)冰雹天氣過程具有較強(qiáng)的抬升指數(shù)LI、較大的對(duì)流有效位能CAPE和較小的抑制對(duì)流有效位能CIN以及較高的0℃層高度。
(3)對(duì)流云團(tuán)主要在地面輻合線上空附近生成,輻合線依次觸發(fā)的對(duì)流云團(tuán)向有利于自由對(duì)流的南部暖區(qū)發(fā)展,形成多個(gè)單體風(fēng)暴,在傍晚達(dá)到旺盛階段,使江蘇淮河以南多地陸續(xù)出現(xiàn)了冰雹現(xiàn)象。最早觸發(fā)的對(duì)流云團(tuán)到達(dá)的位置最靠南,在盛夏副高西側(cè)西南暖濕不穩(wěn)定氣流的維持下,獲取的不穩(wěn)定能量最多,生成的冰雹持續(xù)時(shí)間最長,直徑最大,覆蓋范圍最廣。
(4)多單體風(fēng)暴中組合反射率60 dBz以上且回波頂高超過17 km區(qū)域與冰雹發(fā)生地較吻合。三體散射現(xiàn)象長釘回波充分預(yù)示了強(qiáng)冰雹的出現(xiàn)。風(fēng)暴垂直結(jié)構(gòu)表明6 km以下輻合,9 km以上輻散的流場,形成垂直風(fēng)切大值區(qū)風(fēng)暴核中心強(qiáng)烈的上升氣流,位于適宜冰雹生長的0℃層和-20℃層之間。雹云存在低層入流缺口和低層弱回波區(qū),具有明顯的懸垂結(jié)構(gòu)。