2012年2月23日冰雹过程的中尺度特征分析

2012-05-17黄元森丁光义陈小梅

海峡科学 2012年8期

黄元森丁光义陈小梅

黄元森丁光义陈小梅

福建省南平市气象局

该文利用常规和非常规资料对2012年2月23日发生在闽北的一次冰雹过程进行中尺度特征分析，结果表明：这次冰雹过程由高架雷暴引起；南支槽、高低空急流、低层切变线和地面静止锋是这次强对流天气过程的主要影响系统；强垂直风切变、高低空急流引发强的辐合上升运动，有利于强对流天气的发生；中低层的干冷空气入侵触发了不稳定能量的释放。

冰雹高架雷暴高低空急流垂直风切变

0 引言

受西南暖湿气流和冷空气的共同影响，2012年2月23日8日早晨，在福建省北部（简称闽北）出现了一次因高架雷暴引起的冰雹、雷暴大风、短时强降水等强对流天气过程。这次强对流天气主要发生在武夷山脉东北侧的武夷山和浦城境内，其中在23日8时16分起浦城测站出现5分钟左右的降雹（冰雹直径达5mm）、18m/s的偏西大风、8时10～20分降了22mm的短时强降水（日雨量58mm）。这次强对流天气因发生在冬末初春时节，冰雹尺度较小、降雹时间较短，没有造成较大的灾害。

强对流天气的发生要有不稳定层结、水汽条件、强的抬升机制，此外，降雹天气还要在-10～-30℃之间有大的对流有效位能（Cape）、深层垂直风切变和较低的0℃高度[1]。目前虽然研究冰雹过程的论文很多[2～6]，对冰雹过程都进行了很好总结，得出很多好的结论，但因冰雹的发生、发展过程仍极其复杂，每一个过程都有其异同点，往往很难用统一的指标进行评估和预报，且目前对高架雷暴引发的冰雹过程研究较少，常出现空漏报的情况，因此有必要对高架雷暴引发的冰雹过程进行研究。本文利用常规和非常规气象资料，对这次冰雹过程进行中尺度特征分析，寻找这次降雹过程的成因，为今后出现同类型的冰雹天气预报提供参考。

1 环流形势及影响系统

图1为 2012年2月22日20时高空图及23日05时地面图中尺度分析（北京时，下同）。从图1可见，22日20时200hPa在我国华东地区有东北-西南向的高空槽，槽前为西南偏西气流，另外在30°N附近有一支非常强的高空急流（≥64m/s），并且这支高空急流在长江以南出现分流，在分流区出现高层辐散，而闽北上空刚好处于分流区中间，这样的环流形势有利于在闽北上空出现垂直上空运动。从500hPa高度场上看：在我国长江以北的中高纬地区存在阶梯槽，其中有一阶梯浅槽位于长江口，槽后为西北气流控制，有冷空气影响长江以南地区，另外在我国西南地区有呈东北-西南向的南支槽,南支槽前有一支≥32m/s的西南风急流，急流轴穿过福建省中北部。从700hPa高度场上看，切变线位于汉口以北，在华南有一支≥18m/s的低空急流，闽北位于急流轴左前方。从850hPa高度场看，在我国贵州有一个低于144十位势米的西南低涡，低涡切变线位于南昌、长沙以西，切变后部有干线存在，切变线前部为西南暖湿气流控制，在广东到武夷山脉一带有一支大于12m/s西南风低空急流，急流轴附近还存在湿轴。从925hPa高度场看，在武夷山以西有呈东北-西南方向的切变线，切变线已过杭州-南昌-长沙一线，切变线后部为西北气流控制，有强的干冷平流；切变线右侧为西南暖湿气流控制，湿轴伸到闽北上空并有辐合。

图1 2012年2月22日20时高空图及23日05时地面图中尺度分析

另外从23日05时地面图上看，在武夷山脉附近存在静止锋，静止锋东段位于浙江南部、西段位于武夷山脉以西，锋后有冷空气南下，闽北刚好位于两段静止锋交汇区的南侧，虽然地面气温只有17℃，较低层气温低，存在逆温，为冷垫，但闽北仍位于地面温度脊和湿轴的前端，比周围气温高，处于弱西南暖湿气流和干冷气流的交汇区，有利于造成闽北上空强的辐合上升运动。

2 物理量分析

2.1 T-logP图分析

图2为2012年2月22日20时邵武探空站T-LogP图，从图中可见，600hPa以下邵武上空露点曲线与层结曲线平行且相差很小，大气基本上处于饱和状态，从露点曲线看，最大露点温度出现在925hPa附近，低层露点温度达到15℃、比湿达12g/kg，中低层充足的水汽条件有利于强对流天气的发生；600hPa以上露点曲线与层结曲线呈喇叭状，为上干下湿状态。从中低层的层结曲线与干绝热曲线的夹角看，二者之间的夹角较小，强对流天气发生时造成的下沉气流易出现大风天气。同时，邵武K指数达到36.1℃，Si也低至-1.6，说明当时闽北上空有层结不稳定。从温度分布看，0℃、-20℃分别在3.6km和6.7km处，0℃层和-20℃层较低，有利于冰雹的形成和降雹的发生。虽然从抬升凝结高度（LCL）和自由对流高度（CCL）看，这些高度都很低，有利于对流云的生成和发展，但是图中对流有效位能（Cape）值为0，显然这与实际情况不符，因此要对抬升凝结高度（LCL）进行适当订正，经过订正后Cape值为300J/kg，有利于对流的发展。

从图2的垂直风向看，近地层为偏东风，850hPa以上为西南风，有暖平流。从风速大小看，925hPa为4m/s，850hPa为12m/s，500hPa达为32m/s，200hPa达到为64m/s，说明当日邵武站上空垂直风切变大，特别是0～6km垂直风切变达到6×10-3s-1，这种强的垂直风切变有利于强对流天气的发生和维持。到23日08时，925hPa的风向转为东南风，存在“对头风”，垂直风切变更大，更有利于强对流天气的发生。

图2 2012年2月22日20时邵武探空站T-LogP图

2.2 垂直速度分析

图3为2012年2月23日08时沿东北-西南方向过浦城和邵武附近的P坐标垂直速度剖面图，闽北的降雹区位于图中的正方形区域，从图中可见，在闽北上空的整层大气都为负值区，可见当时闽北上空环境场中的垂直上升运动达到对流层顶；同时负值中心位于400～500hPa附近，说明环境场最大上升速度位于400hPa层附近，达-2.6×10-2mb/s，最大速度区位于-10～-30℃层之间，有利于冰雹的形成和发展。另外从图中可见在正方形区域右侧，700hPa以下为正值区，有下沉运动。闽北处于正负垂直速度的交汇处，存在垂直速度锋区，这种形势有利于迫使西南暖湿气流到达闽北上空时，发生辐合抬升运动，有利于强对流的发生。

图3 2012年2月23日08时东北-西南向垂直速度剖面图

2.3 假相当位温分析

图4为2012年2月23日08时沿西北-东南方向过闽北的垂直假相当位温剖面图，可见，在闽北低层左侧即西北方假相当位温线密集，密集带向西北方向倾斜，且假相当位温越靠近地面值越小，为冷区，已受冷空气控制，在闽北低层右侧即闽北东南方（850hPa附近）存在大于65℃的高值区，为暖区，并在低层存在逆温区。在闽北上空300～850Hpa之间有小于50℃的假相当位温区，说明闽北上空存在对流不稳定，低值中心位于700hPa附近，假相当位温的这种配置有利于垂直上升运动。

图4 2012年2月23日08时西北-东南向假相当位温剖面图（正方形为降雹区附近）

3 非常规观测资料分析

3.1 卫星云图分析

从2012年2月22日夜里到23日早晨的逐时红外云图上看（图略），江西境内有一块对流云团从西南向东北方向移动，到23日5时对流云团东南侧靠近武夷山脉，对流云团外流的下沉干冷气流使得闽北上空的扰动作用加强，加上地面锋后近地层的干冷空气共同入侵触发闽北上空不稳定能量的释放，使得闽北境内有对流云团产生，随着对流云团的移动和发展，到08时该对流云团的范围和强度达到β-中尺度对流系统（MβCS）尺度，并引发这次降雹天气。

3.2 雷达回波分析

强对流天气都是发生在中小尺度天气系统中，目前对强对流天气最有效的监测预报工具是多普勒天气雷达。分析这次天气过程的建阳多普勒天气雷达组合反射率因子随时间变化图（图略）可见，从23日05时在闽北境内有多个对流单体生成，随着时间的推移这些对流单体发展、加强并有合并趋势；6:55多个对流单体风暴开始发展为线状多单体风暴，其中个别对流单体风暴的中心强度达到55dbz以上，风暴总体向东北移动并略有所南压；7:38在线性多单体风暴中间有一个从武夷山移到浦城西南面的单体风暴中心，强度达到60dbz以上。图5为8:04分建阳雷达站基本径向速度V27(左上，仰角3.4度)、组合反射率因子R37（右上图）、风暴相对平均径向速度Rsm56(左下，仰角3.4度)及西北-东南向剖面50（右下图），可见在闽北有呈带状分布的线性多单体风暴，其中在浦城西南部有一个对流单体风暴，此风暴的最大反射率因子达到65dbz（右上图），在风暴中层有气旋性切变（左下图）。对这个单体风暴进行西北-东南方向的剖面（右下图），可见，在强回波的右下方为弱回波区，为入流缺口；在垂直方面强回波主体呈东北向西南方倾斜，强回波中心高度较上个时次有所降低，只有5km高，说明强对流天气即将发生。8:16强回波中心强度虽然仍达65dbz（图略），但所处的高度已降至2km左右，50dbz的回波已触地，造成降雹等强对流天气的发生，其中因降雹和降水作用产生的拖曳和由中高层干冷空气进入对流风暴单体后部下沉蒸发冷却共同作用引发偏西的雷暴大风。到8:35影响浦城的对流单体风暴已减弱消失，但整个线性多单体风暴继续东移并有所南压，到11时线性多单体风暴减弱消失，整个强对流天气过程结束。