儲(chǔ)笑涵,徐潔玲
九江市氣象臺(tái),江西九江 332000
發(fā)生高架雷暴常伴隨著地面附近穩(wěn)定的冷空氣、明顯的逆溫,來自地面的氣塊受逆溫層影響很難上升,同時(shí)逆溫層上面的氣塊絕熱上升[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高架雷暴結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、形成機(jī)制及發(fā)展環(huán)境進(jìn)行了相對(duì)細(xì)致的分析,從不同角度闡述了雷暴下冰雹發(fā)生的條件和原因。利用氣象觀測(cè)、雷達(dá)資料和自動(dòng)站等資料,對(duì)江西省2021年3月30—31日春季一次高架雷暴降雹過程的環(huán)流形勢(shì)、對(duì)流潛勢(shì)和雷達(dá)回波特征等進(jìn)行分析,探討江西省2021年3月30—31日高架雷暴過程產(chǎn)生大直徑冰雹與雷暴大風(fēng)可能的原因,以期為此類天氣預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。
2021年3月30日20:00—31日08:00(北京時(shí),下同),江西中北部地區(qū)發(fā)生高架雷暴降雹天氣,這是一次大范圍的自西向東出現(xiàn)不同強(qiáng)度的冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等對(duì)流性天氣。江西中北部普降中到大雨,30日夜間至31日凌晨,宜春、九江南部、南昌、上饒西部等地先后出現(xiàn)了冰雹,直徑普遍大于2 cm,其中南昌本站觀測(cè)到冰雹最大直徑6 cm,市區(qū)觀測(cè)冰雹最大直徑達(dá)8 cm。9級(jí)大風(fēng)9站次、8級(jí)大風(fēng)20站次、7級(jí)大風(fēng)73站次。宜春宜豐同安站最大達(dá)23.8 m/s。但此次強(qiáng)對(duì)流過程降水量不大,出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的站次也偏少。
2021年3月30日20:00(圖1),500 hPa中高位地區(qū)呈“兩槽一脊”型,急流位于云南至江西南部一帶,西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)30 m/s;700 hPa上,江西中北部處于干舌區(qū),切變線位于長江以北;850 hPa上,華東地區(qū)處濕區(qū)中(T-Td<5℃),切變線已南壓至江西中北部,急流位于廣東—湖南一帶,西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)14 m/s,鋒區(qū)位于湖南、江西北部,與切變線位置接近;925 hPa上切變線已南壓至江西南部。此時(shí),冷空氣前沿已至江西贛州和廣東交界一帶,形成冷墊。此次過程中,受低層切變線和低空急流共同影響,暖空氣沿“冷墊”爬升,與850 hPa的切變線共同觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流。江西中北部處于高空急流出口區(qū)左側(cè),低空急流出口區(qū)右側(cè),有利于氣流輻合上升和對(duì)流發(fā)生的維持。此外,700 hPa以上處干舌中,有明顯干冷空氣侵入,850 hPa及以下高溫高濕,同樣是對(duì)流發(fā)生的有利條件。
圖1 3月30日20:00 環(huán)流形勢(shì)分析
此次高架雷暴天氣與常見雷暴天氣相比,探空的各項(xiàng)參數(shù)都有顯著差異,選取南昌探空站2021年3月30日08:00與20:00 T-logP圖進(jìn)行比較。
2.2.1 層結(jié)特征30日08:00,925~950 hPa之間存在淺薄逆溫層,850 hPa以下溫度垂直遞減率小,層結(jié)較為穩(wěn)定。850~640 hPa露點(diǎn)溫度與大氣溫度非常接近,接近飽和,暖濕層與640~500 hPa的干冷空氣形成垂直的“上干下濕”層結(jié)。該“上干下濕”的垂直層結(jié)利于激發(fā)較強(qiáng)的對(duì)流運(yùn)動(dòng),但此時(shí),500 hPa以上仍存在一個(gè)濕層,CAPE值是0 J/kg。以消除逆溫層影響,訂正探空曲線抬升層高度為850 hPa,CAPA值為557.6 J/kg,此時(shí)對(duì)流潛勢(shì)較弱。
分 析20:00的T-logP圖(圖 略)可知,中層出現(xiàn)明顯的干空氣,中低層大氣上部冷、下部暖濕,向上開口喇叭口結(jié)構(gòu)十分明顯。850 hPa與500 hPa垂直溫差增大至27.6℃,700 hPa與500 hPa溫差達(dá)19.9℃,與08:00相比,略有增長,說明中層環(huán)境溫度直減率增大,層結(jié)不穩(wěn)定性加強(qiáng)。此時(shí),CAPE值為52.5 J/kg,如上將探空曲線抬升高度訂正至850 hPa,得到的CAPE訂正值為1 053.1 J/kg。潛在能量略有增大,表示上升氣流強(qiáng)度增大,加大對(duì)流發(fā)展?jié)搫?shì)。
農(nóng)孟松等[3]分析了廣西高架雷暴降雹天氣,降雹前逆溫層達(dá)9℃;對(duì)于垂直溫度差,700~500 hPa為17℃~19℃,850~500 hPa為33℃~42℃;CAPE值 較小,而訂正后仍小。說明華南高架雷暴天氣和長江沿岸的高架雷暴天氣逆溫層強(qiáng)度、中層垂直溫度直減率等不一致。但相同的是,CAPE值對(duì)此類過程的指示意義不大。
2.2.2 垂直風(fēng)切變30日08:00與20:00,南昌站上空對(duì)流層中低層均存在明顯的垂直風(fēng)切變。其中,30日08:00,低層風(fēng)向由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng),且風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn),有暖平流;30日20:00,各層風(fēng)速明顯加大,0~3 km垂直風(fēng)切變由08:00的7.3 m/s增大至21.1 m/s,0~6 km垂直風(fēng)切為32 m/s,且隨著高度上升偏西風(fēng)風(fēng)速加大,鋒區(qū)上空有高空急流??梢姀?qiáng)的垂直風(fēng)切變和高空急流促使強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展并維持,構(gòu)成的多單體風(fēng)暴和超級(jí)單體風(fēng)暴組織完整[4]。
2.2.3 假相當(dāng)位溫假相當(dāng)位溫曲線在850~500 hPa之間多處明顯左傾,表明層結(jié)處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。假相當(dāng)位溫曲線與飽和假相當(dāng)位溫曲線在850 hPa和520 hPa左右,有濕度較大靠近處,而在2個(gè)高度之間距離較大,兩者圍成面積有明顯的“大肚子”特征。“上下濕、中間干”體現(xiàn)了其在水汽分布上的不均勻。因水汽條件差,強(qiáng)對(duì)流性天氣多發(fā)生冰雹大風(fēng)。近地面為偏東風(fēng),850 hPa以上均是偏西南風(fēng),高層風(fēng)速超過低層,導(dǎo)致順滾流,對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展有利。
2.2.4 特殊溫度層0℃層、-20℃層高度的分析對(duì)研究冰雹形成過程極有意義。孫繼松等[5]認(rèn)為,有利于冰雹形成的0℃層高度為2.0~4.5 km,-20℃層高度在4.4~7.4 km時(shí)最佳。30日08:00 0℃層高度約3.86 km,-20℃層高度約7.66 km。至20:00,0℃層高度約4.3 km,-20℃層高度仍約7.6 km。0℃~-20℃層之間的云層厚度減弱,說明云層間的溫度直減率變大,層結(jié)的不穩(wěn)定性加大,利于生成冰雹。降雹后的31日08:00,2個(gè)特殊溫度層之間厚度增加,層結(jié)不穩(wěn)定減弱。
中低層垂直風(fēng)切變很強(qiáng),中層有明顯干空氣卷入,水汽條件差,氣團(tuán)蒸發(fā)作用加強(qiáng),影響了降水,但有利于地面大風(fēng)的產(chǎn)生。
此次從湖南境內(nèi)移入江西的多個(gè)對(duì)流單體嵌在層狀云中的回波自西南向東北沿引導(dǎo)氣流影響江西中北部。冰雹的產(chǎn)生主要分為2個(gè)過程。
30日22:20,銅鼓地區(qū)的對(duì)流單體呈現(xiàn)明顯的三體散射特征,此時(shí)各相關(guān)參數(shù)見表1,最強(qiáng)反射率因子達(dá)到71 dBz,徑向速度上也顯示出輻合特征,與對(duì)流單體加強(qiáng)發(fā)展相對(duì)應(yīng)。沿回波最強(qiáng)處做垂直剖面,垂直方向上回波發(fā)展高度高,強(qiáng)回波中心達(dá)7.2 km,回波底高度3.9 km,垂直液態(tài)水含量為64.5 kg/m2,且具有明顯的有界弱回波區(qū)和懸垂特征,形成發(fā)展旺盛的超級(jí)對(duì)流單體,對(duì)冰雹有非常強(qiáng)的指示意義,為預(yù)報(bào)預(yù)警提前10~15 min。
表1 雙偏振雷達(dá)參數(shù)
此后,回波沿引導(dǎo)氣流東移,三體散射特征消失,出現(xiàn)鉤狀回波,回波強(qiáng)度略有下降,垂直剖面圖上有界弱回波區(qū)較為明顯,強(qiáng)中心高度降低。對(duì)多單體風(fēng)暴的徑向速度圖進(jìn)行分析,可以看出線狀多單體結(jié)構(gòu)前沿對(duì)應(yīng)出流速度 最大值,此時(shí)地面產(chǎn)生雷暴大風(fēng)。
31日0:00~01:00,回波在南昌再次加強(qiáng)發(fā)展,出現(xiàn)明顯的三體散射結(jié)構(gòu),此時(shí)各相關(guān)參數(shù)見表1。最大反射率因子達(dá)到69.5 dBz,垂直液態(tài)水含量達(dá)到69 kg/m2,強(qiáng)回波中心伸展至7.6 km,回波底高度降至1.8 km,且為氣旋性輻合特征,有進(jìn)一步加強(qiáng)發(fā)展的可能性。垂直剖面上可明顯看到有界弱回波區(qū)和懸垂特征(圖2),由雙偏振雷達(dá)回波看,ZDR達(dá) 到1.25,CC僅0.89,KDP缺值,是一個(gè)比較典型的易產(chǎn)生大直徑冰雹的單體回波特征。
圖2 九江雷達(dá)3月31日00:48 1.5°仰角
(1)中高層侵入的干冷空氣與低層西南方向來的暖濕氣流交匯引起層結(jié)不穩(wěn)定,“上干下濕”的層結(jié)為冰雹產(chǎn)生的創(chuàng)造了有利環(huán)境。沿“冷墊”爬升的暖空氣與低空850 hPa切變線一起于邊界層頂觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流。適宜的0℃和-20℃層節(jié)高度又有利于冰雹的發(fā)生與增長。
(2)強(qiáng)回波質(zhì)心較高、密實(shí)且深厚,表現(xiàn)為高架雷暴的特征。鉤狀回波、三體散射、回波懸垂現(xiàn)象及有界弱回波區(qū)在一定程度上能夠表征為發(fā)生冰雹。降雹區(qū)VIL在50 kg/m2以上,強(qiáng)回波中心高低相差在3 km以下。多單體風(fēng)暴使得強(qiáng)對(duì)流維持時(shí)間較長。
(3)強(qiáng)垂直風(fēng)切變與中層干空氣輸送是造成冰雹天氣但未發(fā)生明顯強(qiáng)降水的主要原因。