胡 萍，劉玉林，楊 群，聶 云，張李娟，冉仙果

（1.銅仁氣象局，貴州 銅仁 554300；2.池州市氣象局，安徽 池州 247000；3.沿河縣氣象局，貴州 沿河 565300）

雷暴是一種伴有雷擊和閃電的深厚濕對流天氣，常伴有大風(fēng)、冰雹、短時強降水等其他強對流天氣，由于其較強的突發(fā)性和破壞性的特點，經(jīng)常會引起嚴重的氣象災(zāi)害和次生災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡[1-3]。研究表明大氣邊界層條件對雷暴觸發(fā)有著非常重要的作用，還有一種是在大氣邊界層以上被觸發(fā)的雷暴天氣，稱為高架雷暴，它與傳統(tǒng)雷暴天氣有本質(zhì)的區(qū)別，其暖層位于850 hPa以上而非近地面[4-6]。中國的高架雷暴天氣多發(fā)于早春和深秋，低空存在較強的逆溫層，雷暴出現(xiàn)在冷鋒后部，災(zāi)害性天氣以冰雹為主，有時也可能只伴有短時降水或大風(fēng)[7]。近年來有學(xué)者開始關(guān)注高架雷暴的預(yù)報著眼點、天氣學(xué)背景及多尺度特征[8-17]。盛杰等[8]對中國春季冷鋒后的高架雷暴天氣特征進行了深入分析，總結(jié)了高架雷暴天氣發(fā)生的條件及預(yù)報著眼點；張一平等[9]研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在冷鋒后部的高架雷暴與傳統(tǒng)雷暴的觸發(fā)機制不同，這是因為地面低溫不易于觸發(fā)雷暴，而實際上是在大氣邊界層以上觸發(fā)的；陳軍等[10]也指出高架雷暴是在鋒后冷墊上形成的；傳統(tǒng)雷暴天氣的發(fā)生需要水汽、層結(jié)不穩(wěn)定及抬升觸發(fā)條件，這對于夏季對流性天氣來說較容易滿足[11]，而冬季地面溫度較低，冷空氣活躍，雷暴天氣的預(yù)報難度更大。2019年2月17日傍晚到夜間和20日夜間貴州銅仁連續(xù)出現(xiàn)了兩次高架雷暴天氣。這兩次過程均有高空槽、中低層切變和低空急流的配置，伴隨著冷空氣的不斷南下補充，銅仁均出現(xiàn)了強閃電和小雨天氣，但17日夜間銅仁南部出現(xiàn)雨夾雪、北部出現(xiàn)冰粒或霰，地勢高處有小雪。在冬末長時間低溫凝凍天氣背景下銅仁出現(xiàn)這種復(fù)雜多樣的天氣較為少見，因此本文基于天氣學(xué)分析和物理量方法，通過對雷暴天氣發(fā)生前后的高空環(huán)流形勢、水汽條件、不穩(wěn)定層結(jié)和動力抬升條件進行初步分析和診斷，以期總結(jié)貴州銅仁冬季高架雷暴天氣過程的成因，為此類特殊強對流天氣的預(yù)報預(yù)警提供參考。

1 天氣實況與環(huán)流背景

1.1 天氣實況

2019年2月17日17時銅仁自西向東開始出現(xiàn)雷暴天氣（圖1a），閃電主要集中在銅仁西部、北部，并在沿河縣、松桃縣和印江縣出現(xiàn)冰?；蝣?，19∶45雷電開始減弱，21時僅在玉屏、萬山縣出現(xiàn)少量對流閃電，銅仁南部則出現(xiàn)雨夾雪，且在地勢高處出現(xiàn)小雪，伴有道路結(jié)冰和電線積冰，東南部區(qū)縣氣溫＜0℃。

2019年2月20日21時出現(xiàn)雷暴天氣（圖1b），以強閃電為主，范圍較大，全市均有閃電，逐漸增強，23時達最強，強閃電主要集中在思南、德江、石阡、江口及松桃，21日00時閃電位置東移至江口縣、松桃縣及碧江區(qū)，范圍減??；01時逐漸減弱消散。夜間銅仁中部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)中雨，范圍較“02·17”過程小，各區(qū)縣城區(qū)為小雨，除萬山鎮(zhèn)外，其他區(qū)縣氣溫均＞1℃。

圖1 兩次高架雷暴天氣過程天氣實況

對比兩次過程實況特征可知，兩次過程均出現(xiàn)強雷暴并伴有降水發(fā)生，但“02·17”過程在銅仁西部和北部午后到傍晚時段出現(xiàn)冰?；蝣?，南部夜間出現(xiàn)雨夾雪、地勢高處有小雪，局部有凍雨；“02·20”過程在夜間出現(xiàn)了強雷暴，但降水相態(tài)以降雨為主，沒有出現(xiàn)冰粒或霰。

1.2 環(huán)流背景分析

“02·17”過程，銅仁17日08時處于500 hPa南支槽前、700和850 hPa切變線之間。200 hPa上我國東部地區(qū)中低緯度有北支和南支兩支高空急流，風(fēng)速分別達32～48 m/s和48～56 m/s，兩者在長江中下游地區(qū)匯成一支。700 hPa西南急流位于滇中—黔中—長江中下游一帶，懷化站風(fēng)速達24 m/s，0℃線進入銅仁北部，重慶中部短波槽后強西北氣流引導(dǎo)冷空氣從850 hPa及以下侵入銅仁，并有一支東北氣流位于南?！鸨逼霞绷黜敳浚L(fēng)速達12 m/s，0℃線進入貴州中部，銅仁中南部上空有逆溫層；銅仁位于地面貴州西南部邊緣冷鋒后部，氣溫不斷下降，在低層有冷空氣墊形成，呈現(xiàn)出“上下冷、中間暖”的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。17日20時（圖2a）500 hPa蒙古冷渦東移加強，北支槽和南支槽東移加深，槽前西南急流建立，與700 hPa西南急流位置相當，懷化風(fēng)速增至38 m/s；700 hPa切變維持在四川中東部，急流東移南壓至桂北—黔東南—長江中下游一帶，懷化偏南風(fēng)矢量增大，南海水汽輸送增強，0℃線略北抬至銅仁北部邊緣；850 hPa低渦切變分段，分別位于華南中部、長江中下游，西南急流頂部風(fēng)速增至18 m/s，懷化仍維持偏東風(fēng)，而貴陽由東北風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)，0℃線維持，逆溫層增厚；500 hPa上-12℃線進入貴州南部邊緣，銅仁處于-12～-16℃溫度層，地面冷鋒維持，4℃線位于貴州省中南部，銅仁溫度在1℃左右，銅仁中南部有弱的大氣層結(jié)不穩(wěn)定且具有較深厚的逆溫層配置，有利于弱雷電、雨夾雪天氣的發(fā)生，地勢高處在0℃以下，因此產(chǎn)生了凍雨。

“02·20”過程，20日08時500 hPa上里海長波槽加深東移，高原波動槽移至貴州西部，位于槽前的懷化站風(fēng)速達34 m/s；700 hPa四川東北部有低渦生成發(fā)展，西南急流位于滇南—黔中—長江中下游一帶，懷化站風(fēng)速達24 m/s；850 hPa低渦切變南壓至銅仁中部，低渦南側(cè)南海—桂北—湘中的偏南急流頂部風(fēng)速達14 m/s；冷鋒位于貴州中西部，銅仁處于鋒后均壓場中，大氣層結(jié)處于穩(wěn)定狀態(tài)。20日20時（圖2b），500 hPa上貝加爾湖長波脊穩(wěn)定維持，波動槽維持在貴州中西部，懷化風(fēng)速減至22 m/s，500 hPa上-12℃線位于貴州南部，銅仁亦位于-12～-16℃溫度層；700 hPa低渦切變維持，急流南壓至桂北，懷化站風(fēng)速為22 m/s，0℃線維持在銅仁北部，水汽處于未飽和狀態(tài)；850 hPa低渦切變東移南壓移出貴州，懷化由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，東北氣流增強，0℃線維持在重慶中部，水汽飽和；銅仁上空中低層為“上干冷、下暖濕”的不穩(wěn)定層結(jié)配置，有利于對流天氣的發(fā)生。地面上隨著冷空氣補充南下，冷鋒移至貴州西南部，銅仁出現(xiàn)強雷暴伴有降水，而此時銅仁地面溫度在4℃左右，中低層0℃線未進入銅仁，不利于雨夾雪及凍雨的形成。

圖2 兩次高架雷暴天氣過程環(huán)流系統(tǒng)配置

高空低槽、中低層切變、低空西南急流及地面冷空氣補充加強是這兩次高架雷暴天氣的主要影響系統(tǒng)?！?2·17”過程南支槽、中低層存在逆溫層、較深厚的濕層、云頂溫度低造成了雨夾雪及凍雨天氣；而“02·20”過程淺槽、濕層淺薄、云頂溫度高、上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)產(chǎn)生了強雷暴并伴有液態(tài)降水。

2 結(jié)果與分析

傳統(tǒng)雷暴產(chǎn)生的三要素為水汽、不穩(wěn)定能量及抬升觸發(fā)條件。冬末發(fā)生在銅仁的兩次雷暴天氣過程均出現(xiàn)在冷鋒過境、地面氣溫持續(xù)偏低的背景下，不具備較高的不穩(wěn)定能量，是一種在逆溫層以上被觸發(fā)的雷暴，因此它的產(chǎn)生機制與傳統(tǒng)雷暴存在差異。

2.1 探空資料及不穩(wěn)定條件分析

2.1.1 探空資料分析

分析2019年2月17日08時距銅仁最近的湖南懷化站探空資料（圖3a）發(fā)現(xiàn)，低層840 hPa以下為冷墊，地面氣溫在2℃左右，840～800 hPa為鋒面逆溫，逆溫層強度達11℃。冷墊以上風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，為暖平流，表明冷墊以上有暖濕氣流爬升，進而在合適的條件下觸發(fā)雷暴。逆溫層頂～650 hPa大氣是暖濕的、650 hPa以上是干冷的，形成逆溫層以上“上干冷、下暖濕”的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于對流性天氣的發(fā)生。此外，由于逆溫層的存在，降水粒子在下降過程中產(chǎn)生融凍機制，由于此次過程濕層高度較高，降水粒子以固態(tài)形式存在，同時逆溫層底溫度較低，因此更有利于產(chǎn)生冰粒或霰。17日20時，暖濕氣流爬升至600 hPa處，懷化站探空逆溫層以上仍存在“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于產(chǎn)生強對流天氣，而從銅仁上游的貴陽站探空圖（圖3b）可知，由于不穩(wěn)定能量的釋放，貴陽站探空曲線中的不穩(wěn)定層結(jié)基本消失，但濕層高度進一步爬升至400 hPa，有利于產(chǎn)生雨夾雪或雪。同時由于逆溫層的存在和地面氣溫的下降，在銅仁南部高海拔地區(qū)出現(xiàn)凍雨。

20日08時（圖3c），880 hPa以下為冷墊，厚度為1 km，地面氣溫在2℃左右，880～800 hPa為逆溫層，其厚度較“02·17”過程淺薄，但逆溫強度達13℃，逆溫層頂～750 hPa濕度條件較好，750 hPa以上有干冷空氣的堆積。20日20時（圖3d），鋒面逆溫強度減弱至12℃，暖濕氣團爬升至710 hPa，高層干冷空氣持續(xù)下沉，形成“上下冷、中間暖”的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于強雷暴天氣的發(fā)生。從風(fēng)廓線圖也可以看出，冷墊以上風(fēng)隨高度強烈順轉(zhuǎn)，表明有暖平流且有很強的垂直風(fēng)切變，由于強的垂直風(fēng)切變和中高層干空氣侵入可以加強風(fēng)暴中的下沉氣流和低層冷空氣外流，并通過強迫抬升流入的暖濕空氣使上升運動更加強烈，從而導(dǎo)致銅仁出現(xiàn)大面積雷暴天氣。由于此次過程濕層厚度薄、逆溫層底氣溫較高，因此降水相態(tài)以降雨為主。

圖3 兩次高架雷暴天氣過程T-ln P

兩次高架雷暴天氣過程都有強逆溫層存在，表明冷墊以上有暖濕空氣爬升，探空曲線都呈現(xiàn)“上下冷、中間暖”的不穩(wěn)定層結(jié)，因此均有利于高架雷暴天氣發(fā)生。兩次過程的降水粒子在下降過程中均存在融凍機制，但“02·17”過程的濕層厚度較“02·20”過程深厚，降水粒子一開始就以固態(tài)形式存在，同時由于逆溫層底氣溫更低，因此更有利于產(chǎn)生冰?；蝣薄Ｒ归g時段由于不穩(wěn)定能量的釋放及濕層厚度加大，銅仁南部產(chǎn)生了雨夾雪或小雪，同時由于逆溫層的持續(xù)存在以及地面氣溫的進一步下降，在地勢高處產(chǎn)生了凍雨。“02·20”過程鋒面逆溫強度、干層厚度都較大，受冷空氣擾動的強度較大，但逆溫層底氣溫較“02·17”過程高，濕層淺薄，降水相態(tài)以降雨為主。

2.1.2 熱力不穩(wěn)定條件

表1給為2019年2月17日08、20時和20日08、20時懷化站、貴陽站的對流參數(shù)。兩次過程的K指數(shù)、SI指數(shù)、CAPE均不利于傳統(tǒng)雷暴天氣的發(fā)生發(fā)展，這說明高架雷暴和傳統(tǒng)雷暴天氣發(fā)生時的情況明顯不同，但對流層中低層之間的強垂直風(fēng)切變、700～500 hPa較大的溫度直減率對這兩次高架雷暴天氣的發(fā)生發(fā)展具有很好的指示意義。

表1 兩次高架雷暴過程懷化站、貴陽站的對流參數(shù)

17日08時懷化、貴陽對流層低層850～700 hPa的垂直風(fēng)切變分別為28.2、27.8 m/s，20時的垂直風(fēng)切變略減小，而700～500 hPa的垂直風(fēng)切變增大，這是因為“02·17”過程的強雷暴主要發(fā)生在17—18時，20時后逐漸減弱消失，說明雷暴發(fā)生后釋放了部分不穩(wěn)定能量，導(dǎo)致對流層低層的垂直風(fēng)切變減小，但由于高空槽前正渦度平流輸送，上升運動增強，高空風(fēng)加強，所以導(dǎo)致對流層中層的垂直風(fēng)切變增強。20日08時懷化850～700 hPa的垂直風(fēng)切變逐漸增大，20時增至25.3 m/s，懷化、貴陽700～500 hPa的垂直風(fēng)切變顯著增強，這說明有不穩(wěn)定能量的積聚，22時后發(fā)生雷暴天氣，23時范圍增大，強度增強。從700～500 hPa的溫度差來看，17日08、20時懷化站分別為30、18℃，貴陽站為14、17℃，而20日20時懷化站為16℃，貴陽站為17℃。陳軍等[10]對貴州地區(qū)的高架雷暴研究發(fā)現(xiàn)，當700～500 hPa的溫差≥16℃時，有利于高架雷暴天氣發(fā)生，說明這兩次高架雷暴天氣過程700～500 hPa大氣層結(jié)不穩(wěn)定，而17日的不穩(wěn)定層結(jié)更強，因此產(chǎn)生了更復(fù)雜的對流性天氣。

2.1.3 對流不穩(wěn)定條件

冬末兩次高架雷暴天氣均發(fā)生在低層冷平流和中高層暖平流的不穩(wěn)定層結(jié)環(huán)境中，因此其不穩(wěn)定能量來源于逆溫層以上。

利用NCEP再分析資料繪制2019年2月17—20日700與500 hPa假相當位溫θse的差值Δθse分布圖（圖4）可以看出，17日14時（圖4a）銅仁假相當位溫差值在2～4℃，為正值，說明700～500 hPa存在對流不穩(wěn)定。高架雷暴發(fā)生后，18日02時（圖4b）銅仁差值減小到2℃左右，對流不穩(wěn)定開始減弱。18日08時（圖4c）銅仁假相當位溫差轉(zhuǎn)為負值，為對流穩(wěn)定。20日14時（圖4d）銅仁為弱對流不穩(wěn)定，21日02時（圖4e）對流不穩(wěn)定增強，21日08時（圖4f）銅仁假相當位溫差值轉(zhuǎn)為負值，為對流穩(wěn)定，表明對流不穩(wěn)定能量釋放完畢。

圖4 兩次高架雷暴過程700與500 hPa的假相當位溫差值Δθse的分布（單位：℃）

兩次高架雷暴天氣的強雷暴區(qū)均落在假相當位溫差值鋒區(qū)東南部的對流不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，兩者對流不穩(wěn)定能量相差不大。

為了進一步說明銅仁兩次高架雷暴天氣的大氣垂直結(jié)構(gòu)和動力特征，利用NCEP再分析資料沿109°E做假相當位溫、溫度和風(fēng)場垂直剖面（圖5）。為了處理方便，將鋒面的下界面約定為294 K，上界面約定為318 K[18]。由圖5可知，θse鋒區(qū)特征線下界下方為來自中高緯度地區(qū)的冷氣團，鋒區(qū)特征線上界上方為來自熱帶洋面的暖氣團，兩特征線上下界之間為冷暖氣團的過渡帶，即鋒區(qū)，鋒區(qū)向北傾斜。17日14時，鋒區(qū)下方有弱冷空氣滲透至銅仁近地層，冷區(qū)θse＜291 K，受東北氣流影響，鋒區(qū)上方西南暖濕氣流沿鋒區(qū)上界面爬伸至銅仁上空750 hPa附近，θse＞321 K，高空急流顯著增強，中低層偏南風(fēng)分量增強，銅仁中南部上空750～550 hPaθse隨高度增加而減小，說明750～550 hPa為對流不穩(wěn)定層，而在逆溫層以上700 hPa西南急流風(fēng)速脈動過程中產(chǎn)生強風(fēng)速輻合，觸發(fā)強對流天氣。雷暴過程發(fā)生后的20時（圖5a），750～600 hPa存在弱的不穩(wěn)定能量，在銅仁上空850～700 hPa存在逆溫層，使得冰晶下降過程中經(jīng)過融化層轉(zhuǎn)化成雨或雨夾雪降落，同時鋒區(qū)下方冷空氣團增強，-4℃線已經(jīng)伸至近地面，地勢較高處溫度在0℃以下，形成凍雨天氣。20日14時，鋒區(qū)下方弱冷氣團中心位于銅仁近地面，鋒區(qū)上方暖舌伸至銅仁南部上空750 hPa附近，高空急流維持，銅仁上空800～600 hPaθse隨高度減小，為對流不穩(wěn)定大氣層，900 hPa以下為東北氣流，風(fēng)速為4 m/s。20時（圖5b），鋒區(qū)下方冷氣團繼續(xù)南移，銅仁上空850 hPa以下轉(zhuǎn)為東北氣流，風(fēng)速增至6～8 m/s，700 hPa西南急流略微減弱，但偏南風(fēng)矢量增加，鋒區(qū)上方的暖氣團隨著鋒區(qū)的抬升向北傾斜，斜壓性增強，逆溫層以上700 hPa西南急流減弱，由于急流強度的脈動過程中產(chǎn)生了風(fēng)速輻合，并在輻合區(qū)附近觸發(fā)強對流天氣，釋放不穩(wěn)定能量，另外，逆溫層強度較強加之700 hPa以下幾乎為暖層，故以小雨為主，02時隨著冷空氣不斷地補充加強，近地層均為冷空氣團控制，雷暴天氣結(jié)束。

圖5 兩次高架雷暴過程假相當位溫（實線，單位：K）、溫度（填色，單位：℃）及風(fēng)場（風(fēng)向標，單位：m/s）沿109°E的垂直剖面

2.2 水汽條件

利用NCEP再分析資料繪制2019年2月17日20時和20日20時銅仁地區(qū)附近的風(fēng)場和比濕場分布圖（圖6）可以看出，17日20時700 hPa有強盛的西南急流（圖6a），最大風(fēng)速達18 m/s，銅仁的比濕為5～6 g/kg，風(fēng)速為16～18 m/s。20日20時700 hPa西南急流仍然維持（圖6b），銅仁的比濕為5 g/kg，風(fēng)速為12～16 m/s，比“02·17”過程的風(fēng)速要小，但都存在正的比濕平流，強盛的700 hPa西南急流為高架雷暴天氣的發(fā)生提供了豐富的水汽輸送，有利于冷墊以上對流不穩(wěn)定的增長。850 hPa上（圖6c），17日20時銅仁為東南風(fēng)且有風(fēng)速風(fēng)向的輻合，比濕為3～4 g/kg，西南急流源源不斷地朝貴州中部以北輸送水汽，在銅仁中部與偏東南氣流匯合，北部有來自北方的東北冷空氣回流。18日02時850 hPa西南急流增強，低渦切變在銅仁西部發(fā)展。20日20時850 hPa西南急流仍然存在（圖6d），比濕為4～5 g/kg，暖切變位于貴州中南部，銅仁受東北氣流影響，受風(fēng)向的輻合影響更大一些。

圖6 兩次高架雷暴過程的風(fēng)場（風(fēng)向標，單位：m/s）和比濕場（虛線，單位：g/kg）分布

“02·17”過程銅仁700 hPa風(fēng)速和比濕較“02·20”過程大，而850 hPa的風(fēng)速輻合和比濕較“02·20”過程小，說明“02·17”過程水汽輻合高度較高，加之有不穩(wěn)定能量的配合，所以產(chǎn)生了冰?；蝣钡葟?fù)雜天氣，而“02·20”過程水汽輻合主要位于對流層低層850 hPa及以下。

3 結(jié)論

利用高空、地面氣象觀測資料及NCEP再分析資料，對貴州銅仁2019年2月兩次冷鋒后部的高架雷暴天氣進行了對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）冬末黔東北的兩次高架雷暴天氣的主要影響系統(tǒng)是高空槽、中低層切變及冷空氣補充加強，并受700 hPa西南急流脈動產(chǎn)生的風(fēng)速輻合觸發(fā)不穩(wěn)定能量的影響。逆溫層以上“上干冷、下暖濕”的溫濕層結(jié)、對流層中低層的強垂直風(fēng)切變和強比濕平流及700～500 hPa的溫度差達16℃以上，為兩次高架雷暴過程提供了較好的水汽、動力、熱力和不穩(wěn)定條件。

（2）“02·17”過程高空具有較深的南支槽，西南急流較強，濕層伸展高度較高，但逆溫層底氣溫較“02·20”過程低，所以在午后到傍晚時段出現(xiàn)了雷暴并伴有冰?；蝣钡膹?fù)雜天氣，夜間時段由于濕層高度的進一步抬升及低層氣溫的下降而產(chǎn)生了雨夾雪或雪，地勢高處產(chǎn)生了凍雨?！?2·20”過程高空為淺波動槽，槽前輻合較弱，濕層淺薄，但干空氣厚度大，受冷空氣擾動強度大，逆溫層強度較強，云頂溫度高，形成較強的雷電并伴有降水。

（3）兩次過程的強雷暴區(qū)均落在假相當位溫差值鋒區(qū)東南部的對流不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，對流不穩(wěn)定能量相差不大?！?2·17”過程的熱力不穩(wěn)定條件較“02·20”過程好，同時由于“02·17”過程水汽輻合高度較“02·20”過程高，降水粒子下降過程中的融凍機制較“02·20”過程更復(fù)雜，所以產(chǎn)生了冰粒或霰、雨夾雪、凍雨等復(fù)雜天氣。

（4）在氣溫振幅小、冷空氣異?；钴S的冬末，一旦冷鋒南下至貴州西南部一帶，在高空槽、中低層切變及低空急流配合的有利天氣形勢下，極易在銅仁觸發(fā)高架雷暴。但由于分析個例較少，以后工作中還需要不斷總結(jié)，提高此類天氣的預(yù)報預(yù)警水平。