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贵州铜仁地区一次罕见大范围冰雹过程分析

2016-02-15李小兰喻义军

干旱气象 2016年6期
关键词:低层铜仁市铜仁

陈 军,李小兰,喻义军,滕 林,方 标,杨 群

(1.贵州省铜仁市气象局,贵州 铜仁 554300;2.贵州省玉屏县气象局,贵州 玉屏 554000;3.贵州省印江县气象局,贵州 印江 555200;4.贵州省剑河县气象局,贵州 剑河 556400)

贵州铜仁地区一次罕见大范围冰雹过程分析

陈 军1,李小兰2,喻义军3,滕 林4,方 标1,杨 群1

(1.贵州省铜仁市气象局,贵州 铜仁 554300;2.贵州省玉屏县气象局,贵州 玉屏 554000;3.贵州省印江县气象局,贵州 印江 555200;4.贵州省剑河县气象局,贵州 剑河 556400)

利用常规观测、地面加密自动站降水、雷达观测及NCEP/NCAR再分析资料,对2016年4月2日发生在贵州省铜仁市多个县(区)的一次大范围冰雹天气过程进行分析。结果表明:(1)此次大范围冰雹过程发生在中高层低涡槽后西北冷空气与低层西南暖湿气流叠加的不稳定层结中;强垂直风切变及低层辐合高层辐散有利于对流风暴的发展和维持;(2)中高层干冷空气和边界层弱冷空气入侵是激发强对流产生的有利条件;(3)当铜仁地区地面至400 hPa垂直风切变超过8×10-3s-1时,有利于大范围冰雹系统发展;(4)多个对流单体有组织地形成弓形回波,且强回波伸展至-20℃层高度之上;有界弱回波区、悬垂回波、三体散射现象表征了冰雹产生的典型特征;降雹点50 dBZ以上的强回波顶高在8.1~9.8 km之间,VIL在38.4~66.8 kg·m-2之间,这些可作为铜仁地区产生冰雹的重要指标。

冰雹;干侵入;弓形回波;垂直风切变

引 言

冰雹天气是贵州省铜仁市春季主要灾害性天气之一。由于其突发性和剧烈性,给农业生产、人民生命财产等造成了严重经济损失。冰雹是在有利大尺度环境场下的中小尺度系统所产生,做好冰雹等强对流天气的短期、临近预报及监测预警,及时开展防雹人影作业,减少冰雹等强对流天气造成的经济损失仍是当下气象工作者面临的一大难题。

近年来,气象工作者从垂直风切变、层结稳定度、干侵入及预警阈值等方面对冰雹强对流天气过程做了很多研究[1-15],取得了一定的成果。郑艳等[1]分析表明,中层干冷气流叠加在低层暖湿气流上形成对流不稳定层结以及低层逆温为不稳定能量积聚提供了有利条件;黄艳[3]、黄元森[4]、陈关清[7]等研究表明,强垂直风切变有利于强对流有组织的发展和维持,对冰雹的产生起到至关重要的作用;邝美清等[8]分析表明,冰雹的发生需要较强的垂直温度梯度,t850—500≥25℃,上干下湿;袁红松等[10]研究表明,925—500 hPa之间强烈的温差是冰雹发生的一个重要特征,强对流天气发生在对流不稳定区的北侧梯度较大地区,冰雹出现在强对流云团移动方向的正前方;王晓玲等[11]分析指出,当高层有干冷空气,低层暖湿气流发展,垂直温度递减率明显增大,配合对流层低层垂直切变带来的动力抬升作用,易形成降雹;方标等[15]对贵州铜仁市春季冰雹天气特征进行分析,得出了防雹预警阀值。由于冰雹天气产生具有局地性和地域性差异,特别是西南山区冰雹天气,对其研究仍有必要。本文利用2016年4 月2日08:00—3日08:00常规观测资料、地面加密自动站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料(1°× 1°)以及铜仁新一代多普勒天气雷达资料,对2016 年4月2日发生在贵州省铜仁市一次冰雹的大尺度环境背景及中小尺度天气演变特征进行分析,探寻铜仁市强对流天气与各物理参数的关系,为今后铜仁市冰雹天气的监测预报预警提供一定参考。

1 天气实况及环流背景

1.1 天气实况

2016年4月2日20:00—23:00(北京时,下同),贵州省铜仁市石阡县、思南县、江口县、碧江区(铜仁市城区)和玉屏县5个县(区)十几个乡(镇)不同程度地出现雷电、冰雹、雷暴大风、短时强降水等强对流天气(图1)。冰雹直径普遍5~15 mm,其中石固镇最大冰雹直径达40 mm,部分农作物受冰雹袭击,给农业生产造成严重危害;雷暴大风使得石阡县石固镇等地大树被拦腰截断,村民瓦屋部分瓦片被刮掉损坏;石阡县、江口县、碧江区先后在短短十几分钟内普降中到大雨,最大小时雨量达47 mm·h-1。

图1 2016年4月2日20:00—23:00贵州省铜仁市降水(实线,单位:mm)分布与冰雹落区(▲为冰雹区)Fig.1 Spatial distribution of precipitation(solid line,Unit:mm)and hail from 20:00 BST to 23:00 BST on 2 April 2016 in Tongren of Guizhou(▲for hail area)

1.2 环流形势

2016年4月2日20:00,500 hPa图上(图2a),中高纬地区为“2槽1脊”型,贝加尔湖东侧为东北冷涡,低涡槽后冷空气不断南下,低纬南支槽位于100°E左右,铜仁市处于南支槽前西南气流中;700 hPa图上(图略),急流位于贵州省中部略偏南区域,铜仁市处于西南急流西侧,西南急流风速14 m·s-1,切变线位于川—渝北部;850 hPa图上(图略),急流位于贵州省南部,铜仁市处于西南急流左前侧,风速12 m·s-1,切变线位于黔—湘北部;地面图上(图略),贵州省为热低压控制,热低压中心位于毕节市中部,中心值为1 005 hPa,地面中尺度辐合线位于安顺—贵阳—铜仁南部一带,地面冷锋位于河套南部至黄河下游一带,铜仁市受锋前地面东北方向弱冷空气影响。由中尺度环境场分析可知(图2b),南支槽、低层切变线、低空急流是导致此次强对流发生的主要影响系统。

图2 2016年4月2日20:00 500 hPa形势场(a)和中尺度环境场分析(b)(图a中蓝色实线为高度场,单位:dagpm;红色虚线为温度场,单位:℃;风矢为风场,单位:m·s-1)Fig.2 The circulation situation field on 500 hPa(a)and meso-scale environmental field analysis(b)at20:00 BST on 2 April2016 (In fig.a,the blue solid lines for height field,Unit:dagpm,the red dotted lines for temperature field,Unit:℃,the wind arrows for wind field,Unit:m·s-1)

2 冰雹发生环境场分析

2.1 边界层弱冷空气触发

中国水利:随着中国国际地位和影响的日益提升,水利也将面临新的挑战和机遇,请问2014年国际合作与科技的重点是什么?

4月2日强对流发生前,地面气压场上贵州受热低压控制,铜仁市位于热低压东北部,受偏南气流影响,贵州省中部一带存在一地面辐合线,铜仁市南部各区(县)白天最高气温在29℃以上,铜仁本站达30℃,为对流积累了较大的不稳定能量。2日18:00—23:00,位于河套南部的冷锋南压,贵州东北部由偏南气流逐渐转为东北气流,北方冷空气渗透并与地面辐合线共同作用而锋生,促使对流不稳定能量释放,产生强对流[16]。从表1可知,4月2日21:00后,江口、铜仁站气压跃增,气压最大小时升幅达3 hPa,同时气温也开始骤降。由于铜仁位于江口东侧、天气系统的下游,铜仁站温度骤降的时间比江口偏晚,2站最大小时降温幅度分别达4.5、5.5℃,降水开始时间分别在21:00、22:00以后,其中21:36左右江口县官和乡出现冰雹,22:40左右铜仁本站出现冰雹。随着地面弱冷空气的侵入,铜仁市石阡、思南、江口、碧江等区(县)部分乡镇先后出现了强雷电、冰雹、雷暴大风、短时强降水等强对流天气。由此可知,铜仁部分区(县)发生冰雹时,地面为热低压控制,白天气温较高,存储了大量不稳定能量。随着北方弱冷空气南下,热低压减弱略南压西退,冷空气与地面辐合线作用锋生,激发强对流天气发生。

表1 2016年4月2日18:00—24:00铜仁和江口降水、温度及气压逐时变化Tab.1 The hourly evolution of precipitation,temperature and barometric pressure from 18:00 BST to 24:00 BST on 2 April2016 in Tongren and Jiangkou stations of Guizhou

2.2 中高层干侵入

干侵入被定义为来源于对流层顶附近的气流入侵到低层的现象[17]。不少学者从位涡、假相当位温、相对湿度等角度对干冷空气活动进行了研究[18-19]。本文主要结合相对湿度和温度的空间分布来分析干侵入的作用,姚秀萍等[20]在研究与梅雨锋上低涡降水相伴的干侵入时定义了相对湿度<60%为干区。鉴于此,从这次过程铜仁地区(108°E,27°N)各层平均相对湿度来看(图3),4月2日19:00—20:00强对流发生前铜仁上空的干空气存在于300—700 hPa之间,而800 hPa因低空急流维持而存在湿区;20:00对流发生后700 hPa附近仍然存在相对湿度<50%的干区,20:00左右从低层开始湿度逐渐增大,此时铜仁石阡最早开始出现短时强降水,30 min雨强达42 mm。整个过程铜仁上空持续呈现明显“上干下湿”的不稳定层结。气温场上,干区温度较低,干冷空气侵入明显,有利于强对流产生。

图3 2016年4月2日08:00—3日08:00铜仁地区(108°E,27°N)平均相对湿度(实线,单位:%)及温度(虚线,单位:℃)时间—高度剖面Fig.3 The time-height profiles of average relative humidity(the solid lines,Unit:%)and temperature (the dotted lines,Unit:℃)from 08:00 BST on 2 April to 08:00 BST on 3 April2016 over site (108°E,27°N)in Tongren of Guizhou

3 冰雹物理条件分析

3.1 水汽条件

由图4可知,铜仁地区发生冰雹等强对流前,850 hPa高度场上南海—广西—贵州东南部一带存在一支较大的水汽输送通道(图4),水汽通量中心值达50 g·hPa-1·cm-1·s-1。≥12 m·s-1的西南风与偏东风在铜仁市南部辐合,铜仁市南部处于西南急流左前侧风速辐合区、水汽输送最大梯度带处,水汽充沛;地面比湿场上,铜仁市南部处于湿舌顶端,比湿达13 g·kg-1。从表 2可以看出,石阡、江口、铜仁站地面温度露点差在强对流刚发生时出现骤降,石阡20:00—21:00温度露点差由8.1℃降至2.8℃,由干变为湿,江口21:00—22:00温度露点差由4.9℃降至1.3℃,铜仁22:00—23:00温度露点差由4.9℃降至0.8℃。由此可见,强对流发生前,低层水汽跃增达到饱和,为强对流提供了充足水汽,强对流发生在地面湿舌顶端、850 hPa水汽通量最大梯度区。

图4 2016年4月2日20:00 850 hPa水汽通量(实线,单位:g·hPa-1·cm-1·s-1)和比湿(虚线,单位:g·kg-1)分布Fig.4 Distribution of water vapor flux(the solid lines,Unit:g·hPa-1·cm-1·s-1)and specific humidity(the dotted lines,Unit:g·kg-1)on 850 hPa at20:00 BST on 2 April 2016

表2 2016年4月2日18:00—24:00石阡、江口和铜仁站地面温度露点差(单位:℃)Tab.2 The temperature dew-point deficit from 18:00 BST to 24:00 BST on 2 April 2016 in Shiqian,Jiangkou and Tongren stations(Unit:℃)

3.2 热力不稳定和动力不稳定条件

雷暴形成的3要素分别是水汽、抬升条件和不稳定层结,不稳定层结是强对流天气发生的必要条件。朱乾根等[21]研究指出,K指数、SI指数、对流有效位能(CAPE)等能够反映测站上空的不稳定层结状况。K指数越大,层结越不稳定,当K指数>35℃时会出现成片的雷暴[22]。然而,在K指数指示的不稳定区域里,常受气流辐合辐散的影响,K指数不能明显表示出整个大气的层结不稳定程度,使用K指数时应理解其物理意义,而不是单纯的关注数值的大小。SI指数反映了大气的不稳定性,其值越小越有利于雷暴的发生,当-6℃<SI<-3℃时,有可能发生强雷暴[22]。对流温度(Tc)对局地对流云的预报有一定指示意义[23-24]。CAPE指示了大气潜在的不稳定能量,其值越大大气越不稳定,当有触发条件时,其能量才会释放出来。强天气威胁指数(SWEAT)综合反映了不稳定能量与风速垂直切变及方向垂直切变对风暴强度的影响,当发生强雷暴时其临界值为300[22]。0℃层和-20℃层高度是业务工作中识别冰雹云特征的主要参数[25],其中0℃层高度越高,则雹块下落时经过的暖层越厚,易融化成雨滴,不利于出现大冰雹,一般0℃层高度在600 hPa上下;-20℃层高度表示中高层冷空气入侵,高度一般在400 hPa左右时有利于冰雹生成。廖晓农等[26]分析指出,当0℃层与-20℃层之间的厚度较小时,说明中层不稳定,更利于冰雹形成。

湖南怀化探空站临近铜仁,其探空资料对铜仁强对流的发生有很好的指示意义。表3是2016年4 月2日08:00和20:00怀化探空站几种不稳定参量值。可知,强对流发生前怀化探空站的SI指数明显减小,由08:00的-0.09℃减至20:00的-4.55℃;CAPE、SWEAT指数明显增加,CAPE由 08:00的0 J·kg-1剧增至20:00的1 382.5 J·kg-1,SWEAT指数由08:00的352.7增至20:00的431.1(超出临界值300),预示着铜仁有发生强雷暴的可能。08:00,Tc为27.2℃,而白天最高气温为30℃,比Tc高出2.8℃,对午后对流云的生成有一定的指示作用。从怀化探空站热力参数资料(图略)可知,20:00怀化K指数为25℃,较35℃小得多。其原因可能是此次强对流天气发生前,干层较厚,从高层一直延伸至750 hPa附近,而湿层相对较浅,因此K指数较小。此外,铜仁南部强对流发生前,怀化站0℃层高度明显升高,由08:00的4 252.9 m升至20:00的4 523.8 m,而-20℃层高度变化不大,由08:00的7 350.0 m降至 20:00的 7 336.4 m。可见,20:00的0℃层与-20℃层之间的厚度较08:00明显减少,中层不稳定增强,有利于冰雹产生。

表3 2016年4月2日08:00和20:00怀化探空站各项热力不稳定参量值Tab.3 The value of thermal unsteady indexes at Huaihua radiosonde station of Hu'nan at08:00 BST and 20:00 BST on 2 April2016

陈关清等[27]分析得出,铜仁地区冰雹发生时垂直风切变在4×10-3s-1以上。图5显示,冰雹发生前垂直风切变较大,铜仁地区垂直风切变>8×10-3s-1,最大达8.5×10-3s-1,这表明降雹前动力不稳定性增强。

综上所述,此次冰雹发生在干层厚、湿层浅的不稳定层结内,较强的垂直风切变有利于冰雹产生。

4 雷达回波特征

4.1 弓形回波及有界弱回波

图5 2016年4月2日20:00怀化探空站垂直风切变分布(单位:10-3s-1)Fig.5 The distribution of verticalwind shear(Unit:10-3s-1)at Huaihua station of Hu'nan at20:00 BST on 2 April2016

图6 2016年4月2日20:06铜仁站雷达组合反射率(a)、强回波中心剖面(b)及弓形回波不同高度的反射率因子(c)和移动方向(d)(单位:dBZ)Fig.6 The composite reflectivity(a),section of strong echo center(b)and the reflectivity factor at different heights(c)and moving direction(d)of bow echo in Tongren station at20:06 BST on 2 April2016(Unit:dBZ)

4月2日19:40(图略),遵义市余庆县境内的回波移入铜仁市西部石阡县境内,回波呈南北带状分布,且存在2个回波>50 dBZ的强中心,并发展东移;19:56(图略),2个强回波之间有1个新的对流单体生成并加强发展;20:06(图6a),3个对流单体风暴并列形成完整的弓形回波,弓形回波南端为一强中心,中心值>55 dBZ,其南侧有一明显的入流缺口,径向方向出现了弱的“三体散射长钉”特征。对这一强中心做剖面(图 6b)可知,>50 dBZ的强回波顶高度延伸至10 km左右,>60 dBZ的强回波质心在4 km左右,有利于冰雹的产生。另外,有界弱回波区和悬垂回波特征明显,表征了有冰雹产生。弓形回波发展东移,在东移过程中不断有新的对流单体生成、发展、消亡,形成有组织的多单体风暴。21:57,弓形回波移入碧江区境内,且弓形回波发展深厚,强中心从低层一直延伸至3.0 km高度以上(图6c)。总体来看,20:06—21:57,弓形回波从西部石阡县境内生成且发展东移,沿途经江口县和铜仁城区(图6d),维持时间较长,造成多个乡镇产生冰雹。

4.2 辐合与辐散

图7给出铜仁地区强对流发生时不同仰角的径向速度。可以看出,4月2日21:15,0.5°仰角上(图7a)低层有强烈的辐合特征,且出现了速度模糊(图中黑色圈内冷色调里围着一块暖色调区域),通过去除速度模糊后,其风速约为40 m·s-1,表明低层气流辐合强烈;在9.9°仰角上(图7b),出现了明显的气流辐散。这种低层辐合、高层辐散结构有利于对流风暴的发展和维持。

图7 2016年4月2日21:15铜仁站多普勒雷达0.5°(a)、9.9°(b)仰角径向速度图(单位:m·s-1)(椭圆区为辐合辐散区)Fig.7 The radial velocity on 0.5°(a)and 9.9°(b)elevation of Doppler radar in Tongren station of Guizhou at21:15 BST on 2 April 2016(Unit:m·s-1)(The ellipse area for convergence and divergence area)

4.3 降雹区VIL及强回波顶高

从表4各乡(镇)雹区的垂直累积液态含水量(VIL)和50 dBZ以上强回波顶的高度可见,降雹区的VIL值普遍超过38 kg·m-2,其中聚凤乡最大达66.8 kg·m-2;50 dBZ以上强回波顶的高度普遍>8 km,其中白沙乡最大达9.8 km。由此可知,铜仁市此次区域性降雹VIL在38 kg·m-2以上,50 dBZ以上的强回波顶高度达8 km以上,这对短临预报预警及人影防雹作业具有一定指导意义。

表4 2016年4月2日铜仁地区降雹点VIL及50 dBZ以上强回波顶高Tab.4 The VIL and height of strong echo top with more than 50 dBZ in hail points of Tongren on 2 April 2016

5 结 论

(1)贵州铜仁此次大范围冰雹过程是发生在中高层干冷空气与低层西南暖湿气流叠加形成的不稳定环境里,南支槽、低层切变线、低空急流和地面中尺度辐合线是导致强对流发生的主要影响系统。

(2)冰雹发生前地面为热低压控制,白天存储了大量不稳定能量,当冷空气与地面辐合线作用锋生,激发了强对流天气发生;中高层干侵入明显,形成“上干下湿”的不稳定层结,有利于强对流的产生。

(3)冰雹发生前各热力指数较高,CAPE值达1 400 J·kg-1,SI指数<-4℃,Tc较低,SWEAT指数达400以上,这些可作为冰雹发生的有利指标;0℃层和-20℃层分别在4.5 km和7.3 km左右,为冰雹提供了有利环境;整个冰雹过程铜仁地区垂直风切变较大,达8×10-3s-1以上。

(4)多个对流单体风暴并列形成弓形回波,强回波中心在-20℃层之上;有界弱回波区、悬垂回波及三体散射现象表征了冰雹发生的典型特征;降雹点50 dBZ以上的强回波顶高在8.1~9.8 km之间,VIL在38.4~66.8 kg·m-2之间,这些可作为铜仁地区冰雹发生的重要预报指标。

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Analysis on a Rare Large-range Hail Process on 2 April 2016 in Tongren of Guizhou Province

CHEN Jun1,LIXiaolan2,YU Yijun3,TENG Lin4,FANG Biao1,YANG Qun1

(1.Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province,Tongren 554300,China;2.Yuping Meteorological Station of Guizhou Province,Yuping 554000,China;3.Yinjiang Meteorological Station of Guizhou Province,Yinjiang 555200,China;4.Jianhe Meteorological Station of Guizhou Province,Jianhe 556400,China)

Based on the conventional observation data,precipitation data from automatic weather stations,the reflectivity and radial velocity of Doppler radar at Tongren station and NCEP reanalysis data with 1°×1°spatial resolution,a rare large area hail weather process occurred in Tongren of Guizhou Province on 2 April 2016 was diagnosed and analyzed.The results are as follows:(1)The large-range hailweather process occurred in the unstable stratification which the dry and cold northwestair behind the trough in upper and middle levels overlaid on the warm and moist southwest airflow in lower layer.The strong verticalwind shear and lower level convergence and upper level divergence were conducive to the development and maintenance of convective storms.(2)The intrusion of dry cold air in upper layer and weak cold air in boundary layerwere favorable to stimulate the strong convection.(3)It's conducive to the developmentof large-range hailstorm system when the verticalwind shear from ground to400 hPa over Tongren surpassed 8×10-3s-1.(4)Themultiple convective cells organically formed a bow echo,and the strong echowith the reflectivity over 50 dBZ stretched to the heightof-20℃layer above.The boundary weak echo region,echo overhang and three-body scattering phenomenon were typical characteristics of hail weather.The echo top height of strong echo with reflectivity over 50 dBZ in hail points was 8.1 km to 9.8 km,and the vertical integrated liquid(VIL)was 38.4 kg·m-2to 66.8 kg·m-2,which can be regarded as important prediction indicators of hail in Tongren region.

hail;dry intrusion;bow echo;vertical wind shear

1006-7639(2016)-06-1047-07

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-06-1047

P458.1+21.2

A

2016-05-11;改回日期:2016-06-12

“基于多普勒雷达速度产品的梵净山区域短时强降水预报预警技术研究(黔科合[2016]支撑2813)”、“基于‘五实'功能的市级农业气象服务平台建设(黔气科合ZD[2015]03号)”、“铜仁冷式和暖式切变型暴雨环流特征及落区分析(黔气科合QN[2016]09)”、“对流温度在铜仁夏季局地热对流降水预报中的应用(铜气科合[2016]07)”共同资助

陈军(1990-)男,助理工程师,本科,主要从事短期天气预报及雷达短临监测预警工作.E-mail:djcj123@163.com

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