2014年3月18～19日一次高架雷暴天气过程分析

刘季秋

摘要利用天气学原理分析和物理量诊断方法，选取常规天气图资料、自动观测站和探空资料、NCEP再分析资料以及卫星云图和雷达资料对2014年3月18～19日发生的一次高架雷暴天气过程进行了分析。结果表明，此次高架雷暴为高低空急流、850 hPa切变、地面倒槽和冷空气渗透共同影响所致；近地层和高层较为干冷，而中低层暖湿，为“夹心”层结，对流始终发生在逆温层以上；有较强的暖湿输送和持续的垂直上升运动；西风槽东移过境和强的垂直风切变触发了此次雷暴天气发生。

关键词高架雷暴；逆温层；环流背景；物理量；卫星云图

中图分类号S429文献标识码A文章编号0517-6611（2015）16-208-05

区别于一般雷暴过程是从地面抬升触发，高架雷暴是指在大气边界层以上被触发的雷暴过程。发生高架雷暴时，近地面附近通常为稳定的冷空气，有明显的逆温，来自于地面的气块很难穿过逆温层而获得浮力，而逆温层之上的气块绝热上升获得浮力导致雷暴。

国外对于高架雷暴的研究开始较早，早在1950年，Means就发现有一类雷暴区别于经典雷暴天气形势，暖湿抬升层并非在近地面，而是在850 hPa以上[1]。但直到20世纪90年代，Colman等才开始明确提出高架雷暴的概念，高架雷暴可以造成冰雹、雷雨大风、短时强降水甚至是龙卷，4和9月是美国高架雷暴的高发期[2]。之后Moore等给出了高架雷暴中短时强降水的发生特征，即有缓慢移动的地面锋面、上游低层湿度大、低层相当位温平流显著、具备BCAPE、低层有湿度辐合区、高层有辐散等[3]。国内学者对高架雷暴的研究也逐步开展，张吉等对上海一次高架雷暴过程分析得出强盛的低空西南急流输送了大量的暖湿空气和不稳定能量到达长江三角洲地区，近地面的冷空气渗透一方面迫使暖湿空气沿锋面抬升，加剧了低层逆温层的厚度和强度，另一方面加剧了逆温层上部高低空的热力不稳定性和斜压不稳定性，

从而触发了逆温层上部的对流性天气的出现[4]；盛杰等对

2010～2012年春季我国冷锋后部高架雷暴天气特征进行了分析和总结，

指出高架雷暴主要发生在我国南方地区，具有一定的日变化，常伴有冰雹和短时强降水天气，且此类高架雷暴的预报着眼点为850和700 hPa相对湿度为70%以上，700与500 hPa的温差达16 ℃以上，有一定的热力不稳定，在700 hPa需要建立一支低空西南急流，配合500 hPa的西风槽以及700、850 hPa的切变线，为雷暴的形成和发展提供动力触发条件[5]。笔者从天气学角度出发对2014年3月一次高架雷暴进行分析，探讨在实际预报中对此类天气应当关注的预报着眼点，提高对此类天气的预报准确率。

1天气实况和环流背景分析

2014年3月18日夜里至19日白天，江苏省出现阵雨或雷雨天气，雨量小到中等，中部地区雨量较大（图1a）。从全省闪电定位显示系统（图1b）可见，淮河以南18日21：00～19日12：00发生雷电，这也是2014年的初雷，同时江苏省南部地区最大风力为5～7级。

大范围的环流形势对于天气系统的演变以及天气过程的发生发展具有很好的指示意义。18日20：00欧亚形势图上（图2），500 hPa存在西北急流和西南急流的汇合，700 hPa

为西南急流，一直延伸至江苏省东部沿海，850 hPa有切变线

图12014年3月18日20：00～19日20：00江苏省降水分布（a）和华东24 h闪电分布（b）

活动，切变线从湖北西部经安徽北部延伸至江苏省中部，江苏省上游地区伴有大湿区的配合。地面西南部为低压倒槽，而东部沿海为高压前部，高压前部不断有冷空气南下扩散渗透，逐步在近地面形成冷垫。

图22014年3月18日欧亚形势分析

2物理量场诊断分析

2.1水汽条件分析

大雨的形成与丰富的水汽含量和源源不断的水汽输送关系密切。以南通地区的降水为例分析，南通站在19日凌晨开始降水，降水集中时段为19日05：00～09：00，最大1 h降水量为12.8 mm，过程雨量为43.6 mm（图3）。从图4可见，降水开始前夕中低层西南急流把孟加拉湾和南海的水汽输送到南通上空。18日20：00，850 hPa有一条西南—东北向的水汽通量大值带，将来自南海的暖湿水汽向

长江中下游输送，且水汽在江苏省上空开始辐合汇聚，但此

时大湿区偏南，江苏省的相对湿度均小于70%；19日08：00，

850 hPa水汽在江苏省强烈辐合汇聚，水汽通量散度中心位于江苏省东部沿海地区，此时，江苏省淮河以南地区相对湿度均达80%以上，沿江苏南部接近饱和；从这2个时刻水汽图的演变可以看出，18日夜里至19日早晨这段时间，水汽由源地向江苏省输送，并在江苏省上空辐合汇聚。

从南通上空水汽通量散度的时间-高度剖面图上也可以看出，18日夜里到19日早晨南通上空有水汽辐合大值区，这段时间也是南通降水集中的时段。整个过程比湿极值约为8 g/kg（图5），绝对水汽含量不足以产生大暴雨、短时强降水等极端降水过程。

图32014年3月19日南通逐小时降水实况

注：a1、b1为18日20：00；a2、b2为19日08：00。阴影为850 hPa相对湿度。

图42014年3月18～19日850 hPa水汽通量（a）和水汽通量散度（b）

图52014年3月17日08：00～19日20：00南通（32 °N、120° E）上空比湿时间-高度剖面

2.2不稳定层结分析

从南京站的探空图（图6）来看，18日08：00由于晴空辐射，近地面存在逆温层，气温为12 ℃左右，1 000 hPa以上温度露点差较大，空气较为干燥；18日20：00，由于地面冷空气扩散渗透，925 hPa以下變得干冷；近地面冷空气渗透使得暖湿空气被迫抬升，再加上低层水汽的输送和辐合作用，800～700 hPa相对湿度增大，近乎饱和。与前一时次相比，800～700 hPa的露点温度明显增大，表明空气中绝对水汽增多，该时刻处于降水发生的酝酿阶段，抬升凝结高度为850 hPa。19日08：00对流已发生，从地面至对流层中层为深厚的湿层。 由于地面冷空气不断渗透扩散，暖湿层在干冷空气上滑行且抬升，因此整个过程逆温层一直存在，且高度不断抬升。

18日20：00溫度平流沿32°N纬向垂直剖面图（图7）显示，受低层冷空气扩散影响，925 hPa以下为冷平流，而850～700 hPa有西南—东北向的显著暖平流，暖空气在低层冷垫上滑升，形成逆温；850 hPa以下层结稳定，为高架雷暴发生

图62014年3月18日08：00（a）、18日20：00（b）和19日08：00（c）南京站探空曲线图

图72014年3月18日20：00沿32°N温度平流纬向垂直剖面

创造条件。

2.3不稳定能量条件分析

对于地面雷暴来说，由地面抬升计算的CAPE可以很好地表征能量条件，但这不适用于高架雷暴，高架雷暴是需要计算BCAPE（从地面到300 hPa的厚度里找最大相当位温层抬升计算的对流有效位能）来表征其能量。

此次过程中，高架雷暴发生之前和发生之时的CAPE值均为0 J/kg（图8a），而在18日20：00的BCAPE在江苏省西南角为大于0 J/kg（图8b1），在19日08：00 BCAPE值进一步增大，江苏省沿苏南地区均为正，苏南最大值可达300 J/kg（图8b2）。

700 hPa具备有高温高湿的大气环境，才能在垂直大气层上构成对流不稳定，是高架雷暴对流发展的能量和水汽源

安徽农业科学2015年

注：a1、b1为18日20：00；a2、b2为19日08：00。

图82014年3月18～19日CAPE值（a）和BCAPE值（b）

泉。在高架雷暴中逆温层顶往往可达700 hPa，最不稳定的大气是存在于700 hPa中的，而850 hPa则位于逆温层上部，是冷锋到暖湿气层的过渡带。在常规业务中，常用850和500 hPa的温差表征不稳定，而在高架雷暴中则不适用，而是用700和500 hPa的温差代替它，盛杰等发现1/4分位点基本在16 ℃以上，具备较强的不稳定，可以作为业务预报中高架雷暴不稳定条件的指标[5]。在此次高架雷暴过程中，19日02：00江苏省沿苏南地区700 hPa与500 hPa温差达17～19 ℃（图9），符合不稳定条件的指标。

对流稳定性的另一个判据是假相当位温随高度的变化，即假相当位温随高度减小时，为对流不稳定。从19日08：00沿32°N假相当位温经度-高度剖面图（图10）来看，700～500 hPa 118°～122° E假相当位温随高度减小，在中低层存在对流不稳定层结。

图92014年3月19日02：00 700 hPa与500 hPa温度差

2.4垂直运动条件

散度场上来看（图11a），从18日夜里

至19日白天南通上空维持着低层辐合、高层辐散，19日

图102014年3月19日08：00假相当位温沿32°N 经度-高度剖面

08：00南通低层辐合中心在850 hPa，高层辐散中心在 250 hPa。从垂直速度时间-高度剖面图（图11b）可以看到，18日夜里至19日上午南通上空一直维持上升运动，上升运动中心位于400 hPa附近，在19日凌晨，850 hPa以下为下沉运动，而850 hPa以上才为上升运动，上升运动在逆温层以上维

图112014年3月17日08：00～19日20：00南通（32 °N、120° E ）上空散度（a）和垂直速度（b）时间-高度剖面

持，符合高架雷暴发生的特征。

2.5触发机制

从图12可看出，19日04：00南通上空500 hPa由西南风转为偏西-西北风，为一个短波槽快速过境，同时由高空风速增大使得高低空风垂直切变增大，850与500 hPa风向顺转90°以上，西风槽过境与高低空大的垂直风切变触发了不稳定能量释放，产生雷暴。

图122014年3月19日02：36～04：54南通6 min风廓线图

3卫星云图和雷达回波分析

从3月18日夜里到19日白天的FY2红外卫星云图（图13）可以看出，18日22：00起，有对流云团生成并开始影响江苏省沿江西部，19日04：00对流云团已经发展影响到江苏省长江以北大部分地区，19日08：00江苏省西部又有一大块对流云团生成，08：00～14：00该对流云团东移影响江苏省江淮流域，14：00之后此次过程基本结束。

从雷达基本反射率图（图14a、b）来看，在19日凌晨南通上空开始出现强回波，到04：00左右，发展为2条带状强回波，回波中心最大值可达57 dBz；回波顶高可达14 km以上，最大累积液态水含量为23 kg/m2（图14c）；在平均径向速度图上（图14d），近地面最大风速超过12 m/s，存在一条超低空东风急流。

4小结

（1）此次高架雷暴天气为高低空急流、850 hPa切变、地面倒槽和冷空气渗透共同影响所致。

注：a.18日22：00；b.19日04：00；c.19日08：00；d.19日14：00。

图132014年3月18～19日FY2红外卫星云图

注：a为基本反射率；b为基本反射率剖面；c为累积液态水含量；d为平均径向速度。

图142014年3月19日04：44南通多普勒雷达资料

（2）近地层为稳定的逆温层结、中低层暖湿、高层较为干冷，类似于一个“夹心”的层结。

（3）此次过程中CAPE值为0，而BCAPE值>0，500与700 hPa温差达17～19 ℃，500～700 hPa假相当位温随高度减小，中低层存在对流不稳定。

（4）有较强的暖湿输送和持续的垂直上升运动，垂直运动发生在850 hPa之上。

（5）西风槽过境和强垂直风切变触发了此次雷暴天气发生。

参考文献

[1] MEANS L L.On thunderstorm forecasting in the central United States[J].Mon Wea Rev，1952，80：165-180.

[2] CLOMAN B R.Thunderstorms above frontal surface in environments without positive CAPE.Part I：A climatology[J].Mon Wea Rev，1990，118：1103-1121.