李 超,彭小燕,林 應(yīng),束艾青,顧沛澍,梅一清,岳夢琦
(1.南通市氣象局,江蘇 南通 226018;2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;3.寧海縣氣象局,浙江 寧波 315600)
冰雹是江蘇南通地區(qū)重要災(zāi)害性天氣之一,具有發(fā)展迅猛、破壞力強等特點,給本地農(nóng)業(yè)以及人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。近年來,俞小鼎等[1-6]利用強冰雹過程資料,圍繞有利于冰雹形成的環(huán)境場條件、多普勒天氣雷達產(chǎn)品特征及預(yù)報預(yù)警技術(shù)等開展了深入細致的研究,得到適合的0℃層高度、強風(fēng)垂直切變等背景條件有利于冰雹的出現(xiàn),回波懸垂、三體散射、中氣旋等是出現(xiàn)大冰雹過程的雷達回波特征,并使得利用上述背景條件、雷達回波特征對冰雹天氣進行預(yù)報預(yù)警成為有效途徑。張桂蓮等[7-17]對一次強冰雹過程進行深入研究,總結(jié)出強冰雹發(fā)生的環(huán)境背景特征及相關(guān)預(yù)報指標,并進一步分析雹暴超級單體內(nèi)部結(jié)構(gòu),構(gòu)建出超級單體模型,歸納出預(yù)報思路。鄭育琳等[18-22]通過對比分析兩次冰雹過程,得出兩次降雹的多要素不同特征,總結(jié)降雹原因,加深了對成雹機理的認識。還有學(xué)者利用WRF模式對冰雹過程進行數(shù)值模擬,以期對降雹過程有更深入的認識。李根等[23-27]在對降雹過程的背景環(huán)境和多普勒雷達產(chǎn)品細致分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)用WRF模式對降雹過程進行數(shù)值模擬,得出地形升高、強烈上升運動等條件對冰雹的出現(xiàn)更有利,并篩選出降雹的特征物理量,有利于判斷冰雹的有無及降雹的強度。
在全球氣候變暖的背景下,冰雹天氣過程不斷增多,對農(nóng)業(yè)的危害也越發(fā)嚴重。雖然預(yù)報員在強對流天氣潛勢、類型識別等方面的預(yù)報預(yù)警技術(shù)有了很大進步,但在背景環(huán)境場存在不利條件的情況下,提前對強對流天氣進行甄別、預(yù)報依然是技術(shù)難點。有必要對不利環(huán)境場下發(fā)生的強冰雹天氣過程仔細分析,并利用模式進行模擬實驗,搞清冰雹成因及典型物理量特征。本文利用多種氣象資料,以高0℃層背景下的2018年5月16日南通北部冰雹天氣過程為例,分析該冰雹天氣過程的形成機制,總結(jié)氣象要素、多普勒雷達產(chǎn)品等特征;并應(yīng)用中尺度非靜力WRF模式,對過程進行模擬診斷,分析冰雹的形成及維持機制,以期提高對此類冰雹過程預(yù)報預(yù)警的準確率和及時性。
2018年5月16日白天南通全市升溫明顯,各站均出現(xiàn)高溫。17—20時,南通北部西起如皋市、東至如東縣沿海多地遭受冰雹襲擊,降雹持續(xù)近1 h,最大冰雹出現(xiàn)在如東河口鎮(zhèn),直徑達30 mm;降雹點自西南向東北方向呈帶狀分布。受冰雹影響,如皋市、如東縣多地老式房屋屋頂損壞或倒塌,蔬菜大棚受損,小麥、玉米等農(nóng)作物大面積倒伏,經(jīng)濟損失嚴重。
冰雹等強對流天氣是中小尺度迅猛發(fā)展引起的,但它們的發(fā)生發(fā)展又與大尺度環(huán)流背景有著密切的聯(lián)系[9]。5月16日08時,500 hPa亞洲中高緯為兩槽一脊型,南通市處于河套東部冷低壓南伸槽的槽前西南急流中,西南急流軸自西南向東北伸至沿淮地區(qū)。此時700 hPa西風(fēng)槽槽線與850 hPa切變線重疊于魯、冀、豫三省交界處,南通市處于700 hPa西風(fēng)槽槽前、850 hPa切變線南側(cè);同時中低層均存在中心最大風(fēng)速>20 m/s的西南急流,南通市北部地區(qū)處于西南急流出口區(qū)左側(cè)。溫度場上,500 hPa南通市處于低溫帶中,冷中心為-8℃,而中低層處于溫度脊中,形成上冷下暖的溫度層結(jié),南通市上空850與500 hPa溫差>28℃。850 hPa露點場上,自鹽城經(jīng)泰州到鎮(zhèn)江一線等露點線分布密集,存在露點鋒(圖1)。南通市處于自四川省到黑龍江省的西南到東北向的低壓帶中;17時,自揚州南部、經(jīng)泰州中部、到鹽城南部有地面切變線生成;此后,該切變線隨時間逐漸南壓,其東段在如皋市、如東縣境內(nèi)長時間維持,且切變線上有氣旋性渦旋生成并東移。
圖1 5月16日08時綜合形勢
總體來看,高空500 hPa有弱冷空氣滲透,疊加在中低層暖空氣上,近地層白天劇烈增溫,垂直方向上溫度直減率增加,上冷下暖的層結(jié)配置造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定;同時配合高低空急流、中低層切變線、露點鋒及地面切變線,高低空形勢配置為此次強對流的發(fā)生提供了有利的動力抬升條件,同時地面切變線的出現(xiàn)和長時間維持觸發(fā)了本次冰雹過程。
此次冰雹天氣過程,雹暴單體在如皋市西部生成,向東北方向移動發(fā)展,主要影響如皋市、如東縣的北部地區(qū)。因此,本文使用寶山、射陽探空站數(shù)據(jù)來分析雹暴環(huán)境條件。5月16日08時兩站近地面均存在淺薄的逆溫層,有利于聚積不穩(wěn)定能量;中高層存在明顯的干層,溫濕層結(jié)曲線表現(xiàn)為向上開口的“喇叭口”形狀[8];整層水汽含量Pw、K指數(shù)和CAPE值均明顯高于南通冰雹天氣氣候統(tǒng)計值(表1),對冰雹的產(chǎn)生較為有利,但兩站的0℃層和-20℃層高度較氣候統(tǒng)計值明顯偏高。冰雹天氣的產(chǎn)生要求有適當(dāng)?shù)?℃層高度,0℃層高度太高時,對流作用在0℃層以上經(jīng)過的路程短,甚至達不到0℃層,冰雹不能完成自身凍結(jié)過程,不能形成降雹[3]。然而,為什么在高0℃層的背景下依然出現(xiàn)了直徑達30 mm的大冰雹?本文將從穩(wěn)定度、水汽、能量參數(shù)以及雷達產(chǎn)品特征等方面對冰雹的成因、特征進行深入分析。
表1 5月16日08時寶山和射陽探空站熱力對流參數(shù)
由于強對流天氣發(fā)生于傍晚前后,為了解強對流發(fā)生前最近時刻的環(huán)境條件,利用14時寶山、射陽2個探空站的地面溫度和露點溫度對08時探空圖進行訂正。結(jié)果顯示,寶山站和射陽站的CAPE值分別為3 588和3 428 J/kg,較08時明顯增大,午后隨著地面溫度升高,熱力不穩(wěn)定明顯加強,有利于強對流風(fēng)暴的形成。
除熱力不穩(wěn)定外,動力不穩(wěn)定對強對流的發(fā)展同樣重要。垂直風(fēng)切變作為判斷環(huán)境場動力不穩(wěn)定的因子之一,對維持風(fēng)暴強度、對流風(fēng)暴有組織發(fā)展和傳播等均有重要作用[8]。5月16日08時寶山和射陽上空,對流層中低層垂直風(fēng)切變強,風(fēng)速隨高度明顯加大,同時自低層到高層風(fēng)向由南轉(zhuǎn)為西南,風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn),存在暖平流,有利于上升運動維持和發(fā)展。08時,0~6 km垂直風(fēng)切變寶山站為11.13 m/s,射陽站為19.76 m/s,可見,0~6 km垂直風(fēng)切變自南向北增大,南通市處于中等到強垂直風(fēng)切變環(huán)境中,為對流風(fēng)暴發(fā)展成超級單體風(fēng)暴提供了有利條件。
0℃層和-20℃層高度分別是云中冷暖云分界線高度和大水滴的自然冰化區(qū)下界[8]。一般0℃層高度在600 hPa左右,-20℃層高度在400 hPa左右有利于冰雹的生成。5月16日08時,400和600hPa高度寶山站分別為7 570和4 500 m,射陽站分別為7 520和4 450 m。對照表1中上述兩站08時的0℃層和-20℃層高度,均略高于兩站上空600和400 hPa高度。分析400~600 hPa溫度平流場可知,16日08—20時華東沿海地區(qū)600 hPa以上高度受冷平流影響,越向高層,冷平流越強;14時400 hPa泰州南部存在冷平流中心,中心強度達-15×10-4℃/s,寶山站和射陽站上空冷平流強度為-9×10-4~-12×10-4℃/s。16日白天寶山站和射陽站上空600 hPa以上高度存在明顯冷平流,促使0℃層和-20℃層高度下降,接近于600和400 hPa高度,形成適宜冰雹生成的條件。
強對流天氣的發(fā)生需要熱力和動力不穩(wěn)定條件及水汽條件。由圖2a可知,850 hPa西南急流建立了南起孟加拉灣、北到東北地區(qū)的水汽通道,16日08時南通市處于水汽通量大值區(qū)中,并且北部水汽輸送強于南部;同時,在杭州灣存在水汽通量的輻合中心,南通市處于水汽通量輻合區(qū)中,輻合強度達10 g·cm-2·hPa-1·s-1。在冰雹發(fā)生前,中低層強盛的西南急流已向南通市輸送大量水汽,并且其北部水汽條件優(yōu)于南部,這是南通北部發(fā)生冰雹天氣的原因之一。由圖2b可知,北方滲透南下的弱冷空氣與強盛的西南暖濕氣流相遇,江淮之間等溫線、等露點線密集,存在較大的溫度和濕度梯度,濕斜壓強迫作用加強,對對流的觸發(fā)和維持有重要貢獻;南通市北部處于溫度、濕度梯度大值區(qū)中。低層較強的水汽輸送是強對流天氣發(fā)生發(fā)展的重要條件之一,溫濕梯度大值區(qū)與冰雹落區(qū)有較好的對應(yīng)。
圖2 5月16日08時850 hPa水汽通量場(a,色斑,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)疊加水汽通量散度場
θse能同時表征大氣的能量和潛在不穩(wěn)定,是用能量學(xué)方法研究強對流天氣的有效參數(shù)[9]。圖3a為16日14時850、1 000 hPa的假相當(dāng)位溫場。冰雹發(fā)生前,850 hPaθse高能舌由安徽省東部向西北方向伸展,覆蓋江蘇省江淮之間地區(qū);1 000 hPa安徽省東部θse高能舌向西北方向伸展,江蘇省東部沿海地區(qū)處于θse鋒區(qū)中。850 hPaθse高能舌說明該區(qū)域高溫高濕,積聚大量不穩(wěn)定能量;1 000 hPaθse鋒區(qū)更有利于聚積中低層不穩(wěn)定能量,同時觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。南通市北部處于850 hPaθse高能舌與1 000 hPaθse鋒區(qū)重疊區(qū)。圖3b為16日14時θse沿32°N的垂直變化情況,黑色虛線框包含降雹地區(qū),近地面到500 hPaθse隨高度升高明顯減小,對流性不穩(wěn)定很強,有利于強對流的發(fā)生。同時,本次過程在低層θse暖濕中心之上,中層迭加一個330 K的θse干冷中心,中低層形成明顯的θse梯度區(qū),促進對流性不穩(wěn)定強烈發(fā)展。16日南通市北部地區(qū)上空高溫高濕,條件不穩(wěn)定很強,有利于冰雹的出現(xiàn);850 hPaθse高能舌和1 000 hPa鋒區(qū)的重疊區(qū)與降雹區(qū)對應(yīng)較好。
圖3 5月16日14時850 hPa(綠線)、1 000 hPa(黑線)假相當(dāng)位溫θse場(a)沿32°N假相當(dāng)位溫θse緯向剖面(b,單位:K)
為觀測降雹超級單體的垂直結(jié)構(gòu),對18:43的1.5°雷達回波沿圖4a中紅線做垂直剖面,該剖線穿過鉤狀回波區(qū)域及最強回波區(qū)。由圖4b可見,該超級單體回波頂垂直伸展至16 km,7.5 km(-20℃層高度,圖4b中藍線)高度以上最大反射率因子強度>65 dBZ,且65 dBZ大值區(qū)最高達9 km。垂直剖面前側(cè)3 km以下為寬廣的入流弱回波區(qū)域,其上空對應(yīng)強回波,形成明顯的懸垂結(jié)構(gòu),表明超級單體中的強斜升氣流循環(huán)托舉雹胚,使雹胚表面不斷凝結(jié)過冷水珠形成大冰雹。
圖4 5月16日18:43(a)1.5°PPI(b)垂直剖面反射率
三體散射現(xiàn)象的出現(xiàn)是存在強冰雹的充分非必要條件[11]。18:09低仰角未觀測到三體散射長釘特征,直至抬高仰角至4.3°,三體散射長釘特征逐漸明顯,6.0°仰角觀測到了明顯的三體散射現(xiàn)象(圖5中白色箭頭所指)。長釘長度約10 km,產(chǎn)生長釘?shù)淖畲蠓瓷渎室蜃訌姸仍?5 dBZ以上。同時,還觀測到旁瓣回波(圖5中黃色箭頭所指)。上述兩種虛假回波的出現(xiàn),從側(cè)面說明該雹暴單體內(nèi)含有20 mm以上的強冰雹。
圖5 5月16日18:09 6.0°PPI三體散射現(xiàn)象探測
統(tǒng)計自降雹對流單體生成直至其主體移出南通市期間,對流單體的最大垂直積分液態(tài)含水量VIL值的變化情況。17:47前VIL值變化不定,由17:30的30 kg/m2經(jīng)5 min后躍升至55 kg/m2,之后又降至45kg/m2,直至17:47再次上升至60 kg/m2。17:47后VIL值維持在60 kg/m2以上,與如皋市降雹的時間對應(yīng)較好。18:09對流單體的最大VIL值首次>70 kg/m2,此后2個體掃,其VIL值又降至70 kg/m2以下;直至18:26對流單體最大VIL值維持在70 kg/m2以上達3個體掃,18:43 VIL值再次降至70 kg/m2以下。18:26—18:38,VIL穩(wěn)定維持70 kg/m2以上的高值,與如東袁莊鎮(zhèn)、河口鎮(zhèn)等地出現(xiàn)直徑達30 mm的冰雹時間段基本重合。降雹前約15 min,VIL值存在躍升情況;VIL值達到或超過60 kg/m2所出現(xiàn)的時間與降雹開始時間對應(yīng)較好;VIL穩(wěn)定維持70 kg/m2以上高值的時段與降大冰雹的時段基本重合。
為對此次冰雹過程進行精細化分析,本文利用常規(guī)觀測資料和歐洲中心水平分辨率為0.25°×0.25°、時間分辨率為1 h的ERA5再分析資料,采用中尺度非靜力WRF模式,模式背景場采用NCEP的FNL水平分辨率為0.25°×0.25°、時間分辨率為6 h再分析資料。WRF模式采用蘭伯特投影,中心位置為(34°N,120°E),水平分辨率為1 km×1 km,經(jīng)向和緯向均設(shè)置2 007個格點,垂直方向設(shè)置41層,氣壓層頂為10 hPa。由于網(wǎng)格已精細化到云尺度,故沒有采用積云對流參數(shù)化方案,其他的主要微物理參數(shù)化方案采用New Tiedtke、長波輻射方案采用RRTM、短波輻射方案采用Dudhia及邊界層采用YSU方案。模擬時間為5月16日08—20時,為獲得精細化分析資料,逐小時輸出一次模擬結(jié)果。
5.2.1 環(huán)流場分析
圖6為WRF模式模擬的5月16日14時200、500和850 hPa環(huán)流場。由圖6a可知,南通市處于200 hPa西南大風(fēng)速區(qū)出口的右側(cè),風(fēng)速上具有反氣旋性切變,高空存在輻散;中低層處于低壓槽前部,存在輻合,上下層配置有利于維持和加強垂直運動。500 hPa(圖6b)流場上,低渦主體東移至山東中部,其攜帶的弱冷空氣南壓至江蘇省淮河以北地區(qū);而850 hPa(圖6c)流場上,低渦移至魯冀豫三省交匯處,較500 hPa低渦移速慢,中低層呈現(xiàn)前傾形勢,環(huán)境場條件有利于強對流的發(fā)生。
圖6 5月16日14時200 hPa(a)、500 hPa(b)、850 hPa(c)模擬環(huán)流場
5.2.2 地面風(fēng)場分析
圖7為16日17時地面實況風(fēng)場和模擬風(fēng)場。17時,鹽城南部至揚州南部有一條東北—西南走向的切變線存在,南通市處于其南側(cè),全市以西南風(fēng)為主(圖7a)。此時對流單體尚未出現(xiàn),隨著切變線南壓,對流發(fā)生發(fā)展,可見此切變線是本次強對流過程的觸發(fā)系統(tǒng)。由WRF模擬地面風(fēng)場(圖7b)可見,17時海安站風(fēng)向已轉(zhuǎn)為西北風(fēng),地面切變線位于南通市如皋—如東北部地區(qū),與強對流發(fā)生地點對應(yīng)較好;切變線兩側(cè)風(fēng)向近乎180°轉(zhuǎn)變,輻合較實況更強烈,更有利于強對流的觸發(fā)和維持。
圖7 5月16日17時地面實況(a)和模擬風(fēng)場(b)
5.2.3 探空曲線分析
由于探空資料的限制,根據(jù)WRF模式模擬的輸出場,繪制了南通地區(qū)14和17時探空曲線圖(圖8)。14時(圖8a),南通地區(qū)對流有效位能為2 200 J/kg,濕度層結(jié)呈上干下濕的特征;垂直方向上自低層至高層風(fēng)速增大,存在較強的垂直風(fēng)切變,同時風(fēng)隨高度略有順轉(zhuǎn),即存在弱暖平流,為降雹的發(fā)生提供了層結(jié)和斜壓不穩(wěn)定條件。此時,-20℃層高度為7.6 km,0℃層高度為4.5 km,適合冰雹初期的增長。17時(圖8b),南通地區(qū)對流有效位能減小為38 J/kg,表明17時前對流有效位能已經(jīng)釋放,南通地區(qū)已有強對流天氣出現(xiàn);垂直方向上,低層至高層風(fēng)向順轉(zhuǎn)近90°,暖平流較14時明顯加強;中高層濕度較14時進一步減小,表明有干入侵。對流有效位能的釋放、風(fēng)垂直切變的加強及明顯干入侵對強對流的發(fā)生、發(fā)展有較好的指示意義。
圖8 5月16日14時(a)和17時(b)南通模擬探空曲線
5.2.4 雷達回波模擬分析
圖9為5月16日17—19時逐小時雷達實況回波圖和相應(yīng)時段WRF模擬的雷達回波圖。17時,鹽城南部有較強回波東移發(fā)展,南通北部未有回波生成(圖9a);而模擬雷達圖顯示(圖9b),如皋、海安上空已有零星的對流單體(簡稱a)生成,強度>45 dBZ;同時鹽城南部有颮線正東移南壓。18時,如皋、如東境內(nèi)有強塊狀回波向東北方向移動,最大回波強度達60 dBZ(圖9c);而模擬雷達圖中(圖9d),對流單體a快速向東北方向移動,與鹽城南部的颮線相結(jié)合,強度有所加強,達55 dBZ以上;同時如皋境內(nèi)有2個對流單體生成,強度>50 dBZ,向東北方向移動。19時,超級單體主體移出如東,結(jié)束對南通市的影響(圖9e);而模擬雷達圖中(圖9f),原在如皋新生的2個對流單體東北向移動與東移南壓的颮線相疊加,使得颮線南部對流再次發(fā)展增強。由WRF模擬雷達回波圖可見,本次南通市北部的冰雹過程是局地不斷生成的對流單體與颮線相結(jié)合,促使颮線南段對流增強,颮線系統(tǒng)再次發(fā)展的過程。模擬的強回波影響位置與實況對應(yīng)較好,但強度偏弱,總體來看WRF模式較好地再現(xiàn)了本次冰雹影響過程。
圖9 5月16日17時(a、b)、18時(c、d)、19時(e、f)雷達實況(a、c、e)和模擬(b、d、f)回波(單位:dBZ)
利用多種氣象資料,對高0℃層背景下的2018年5月16日發(fā)生在南通市北部首次大冰雹天氣從環(huán)流背景、水汽、熱力、不穩(wěn)定度等方面進行了詳細分析;并結(jié)合中尺度非靜力WRF模式,對過程進行模擬診斷,初步分析了冰雹的形成機制,得到以下主要結(jié)論:
(1)高空有弱冷空氣滲透,疊加在中低層暖空氣上;近地層白天劇烈增溫,垂直方向上溫度直減率增加,上冷下暖的層結(jié)配置造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定。本次強對流的動力抬升條件是由高低空急流、中低層切變線、露點鋒及地面切變線等系統(tǒng)相配合提供的。地面切變線是本次冰雹過程的觸發(fā)系統(tǒng)。
(2)在高0℃層的背景下,高CAPE值、中低層較強的風(fēng)垂直切變、600 hPa以上高度存在明顯冷平流、低層較強的水汽輸送配合及邊界層θse隨高度明顯減小有利于冰雹天氣的出現(xiàn)。深層垂直風(fēng)切變、溫濕梯度大值區(qū)及邊界層θse鋒區(qū)與高能舌重疊區(qū)對降雹區(qū)具有更好的指示意義。
此次冰雹天氣過程,從雷達回波圖中觀測到典型的入流V型缺口、鉤狀回波等特征;從回波反射率垂直剖面圖中觀測到高聳的強回波懸垂,多仰角多次出現(xiàn)三體散射回波及旁瓣回波,對超級單體內(nèi)含有20 mm以上的強冰雹有指示意義。由VIL產(chǎn)品可見,降雹前15 min左右,VIL值存在躍升情況;VIL值達到或超過60 kg/m2所出現(xiàn)的時間與降雹開始時間對應(yīng)較好;VIL穩(wěn)定維持70 kg/m2以上高值的時段與降大冰雹的時段基本重合。
(3)WRF模式較好地再現(xiàn)了本次冰雹過程的天氣背景條件,高空輻散、低空輻合,中低空呈前傾形勢,有利于冰雹等強對流天氣的出現(xiàn)。地面風(fēng)場方面,位于南通市北部的地面切變線兩側(cè)風(fēng)向近乎180°轉(zhuǎn)變,輻合強烈,為強對流天氣的觸發(fā)和維持提供條件。探空曲線方面,對流有效位能的釋放、風(fēng)垂直切變的加強、暖平流的增強及明顯干入侵對強對流的發(fā)展增強有指示意義。雷達回波方面,本次南通市北部的冰雹過程是局地不斷生成的對流單體與颮線相結(jié)合,促使颮線南段對流增強,颮線系統(tǒng)再次發(fā)展的過程。模擬的強回波影響位置與實況對應(yīng)較好,但強度偏弱,總體來看WRF模式較為成功地再現(xiàn)了本次冰雹影響的全過程。
本次冰雹過程分析對新型探測資料使用較少,今后將采用雙偏振雷達、風(fēng)廓線雷達、衛(wèi)星等多源新資料對冰雹過程展開研究,探究冰雹最新預(yù)報指標;并利用WRF模式模擬冰雹單體,進一步明晰超級單體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及降雹的具體位置及時間。