黄土高原一次连续性强对流天气分析

姚静，井宇，赵强，李萍云

（陕西省气象台，陕西西安 710014）

黄土高原一次连续性强对流天气分析

姚静，井宇，赵强，李萍云

（陕西省气象台，陕西西安 710014）

利用常规观测资料、自动站资料、榆林市CINRAD/CB多普勒天气雷达观测资料和NCEP1°×1°逐6 h再分析资料，对2014年6月29日、30傍晚发生在陕西榆林市黄土高原地带的一次强对流天气进行了综合分析。结果表明：甘肃东部到陕西的低槽是此次强对流天气直接影响系统，地面干线和辐合线触发此次对流天气；降雹区上空的垂直运动较强，对流有效位能较大，低层充沛的水汽通量输送明显，水汽通量散度汇合在陕西北部、适宜的0℃、-20℃层高度，为强对流天气的出现提供有利条件。三体散射长钉、超过8 km的50 dBz强回波区、中等强度涡旋、逆风区都对冰雹天气预警有较好的指示意义。

冰雹；诊断分析；雷达回波；三体散射

陕西北部为黄土高原，一般海拔在800～1300 m，占全省面积的45%，由于植被稀少，黄土层裸露，夏半年地面受较强的太阳辐射产生不稳定的大气层结，与适宜的高空天气系统上下结合，容易产生局地强对流天气，冰雹天气常常伴有雷雨、大风，破坏力极大，经常拔树、倒屋、损害农作物，破坏电力和交通，给当地人民带来严重的经济财产损失。由于强对流天气突发性强，空间尺度小，灾害性严重，在日常中短期业务预报中难以对其作出相对准确的预报，因此强对流天气的监测和临近预报、预警成为气象业务部门最为关心的关键问题。国内外气象工作者在这方面做了许多有益的工作。许新田等[1-9]对陕西、福建、内蒙、新疆地区的强对流天气的天气形势、环境场等进行了分析，并提出一些预报预警的有益依据。周志敏等[10-14]对冰雹等强对流天气的多普勒雷达产品特征进行了细致的分析，指出高悬的强回波，有界弱回波区（BWER），高VIL值，超级单体等是发布冰雹预警的有利条件。赵俊荣等[15-22]研究指出，中尺度系统、地面辐合线等可以触发对流天气，干侵入、较强的垂直风切变、低层的辐合系统、较强的水汽输送、不稳定层结是强对流天气发生的有利条件。这些研究揭示了强对流天气发生发展的机理，为预报预警提供了有效的依据。2014年6月29—30日在陕西北部发生连续2 d的强对流天气，这次强对流天气的特点如下，（1）大风站次多、风力大：全省共8个县出现短时大风，最大风速府谷28 m/s。（2）冰雹直径大，29日晚横山县高镇冰雹达到了10 cm，横山魏家楼镇冰雹最大直径达到8 cm，这在魏家楼镇属于历史罕见的灾害天气。（3）灾害严重，据陕西省民政厅报告，此次过程延安、榆林2市7个县（区）7.3万人受灾，农作物受灾面积1.08×105hm2，其中绝收3.9×103hm2，直接经济损失1.3亿元。本文将从天气环流形势、地面中尺度分析、物理量场、雷达回波特征等几方面对本次强对流天气过程进行分析，以期对今后此类强对流天气的预报服务工作有所助益。

1 资料和方法

本文通过分析常规观测资料、自动站资料和榆林市CINRAD/CB多普勒天气雷达观测资料、NCEP1°×1°逐6 h再分析资料，应用天气学和物理量诊断分析方法，对2014年6月29—30日发生的强对流天气，从动力、热力等方面进行诊断分析，从而揭示引起这次强对流天气的成因；同时通过对雷达资料和产品的分析，揭示了陕北黄土高原地带强对流天气的雷达回波特征；为今后陕北黄土高原的冰雹天气预警提供有利的参考依据。

2 天气实况及特点

2014年6月29日15 ：00—23：00（本文均为北京时间）陕西榆林靖边县、榆阳区、横山县出现冰雹、强降水。其中横山高镇出现直径10 cm的特大冰雹，魏家楼出现直径8 cm的冰雹。导致玉米、葵花、蔬菜、瓜果等作物受灾，基础设施遭受损毁。6月30日14：00—20：00陕西榆林、延安先后出现了冰雹、大风、短时强降水袭击（图1）。其中宜川、子长、延川出现冰雹。米脂、清涧、安塞、延安、延长、富县、洛川、府谷出现了短时大风，最大风速府谷28 m/s。清涧、子长、子洲、延安、富县、延川、宜川境内出现1 h内大于20 mm的强降水。

3 天气背景

500hPa天气图上（图2a），甘肃—陕西—河北为深厚的冷槽，新疆东部伴有-12℃冷中心，冷空气随着脊前西北气流不断东移南下，影响河套地区。陕西上空2014年6月29—30日有深厚的冷槽过境，29日延安站温度露点差达22℃，干冷空气较强，冷槽是此次强对流天气过程的高空主要影响系统。700 hPa天气图上（图2b），29日08时、30日08时河套西部依然受偏西北气流影响，但甘肃、宁夏温度较高，使得陕西表现为暖平流影响，同时山东—山西—陕西有东南风影响陕西，在陕西北部形成切变线。850 hPa天气图上，青藏高原上空为暖区，暖中心大于32℃，陕西中北表现为暖平流影响，延安站29日20时850 hPa与500 hPa温差为29℃，连续2 d陕北均有切变线发展维持，且温度露点差在3℃以下，湿度条件较好。

综合以上分析，500 hPa高空槽前正涡度平流的动力强迫作用，对流层中层干冷空气和低层较强的暖平流形成的上冷下暖不稳定层结，地面上存在辐合线等触发机制，最终导致了此次强对流天气。

4 中尺度分析

4.1 地面干线与辐合线

当地面具有一定的抬升条件时，有利于形成对流天气。触发此次对流的地面中尺度系统主要是地面干线和辐合线。6月29日地面气压场没有明显的变化，基本维持在1005～1 007.5 hPa之间。但是地面露点与风场却有显著的变化。

分析地面自动站逐小时的露点和流场资料，6月29日14时内蒙古西部到宁夏地面有辐合线存在，呈东北—西南走向，卫星云图上，在地面辐合线附近不断有对流单体产生并东移南下，进入河套地区。14：00之后，蒙古低槽逐渐南压，宁夏位于低槽前，继续生成新的辐合线，卫星云图上宁夏对流发展旺盛，逐渐形成中α尺度的对流云团，随着对流云团的东移，陕西北部17：00也形成了准南北向辐合线，该辐合线南北跨越5个纬距左右（图3a）。此后，蒙古低槽继续东移，进入陕北，20：00宁夏陕西交界处地面干线继续加强（图3b），一直维持到22：00前后，卫星云图上在宁陕交界处有中β尺度云团形成（图4a～4c），影响陕北地区。另外，在29日20时地面流场上在陕西北部延安地区有强烈的辐合中心（图3e），该辐合中心逐渐北抬，到了23：00陕西北部榆林-延安中部形成了准南北向的辐合线（图3f），几乎为“人”字型，卫星云图20：00—22：00在辐合线所在区域的北端有β中尺度雹暴云团形成，22：00发展到最强（图4a～4c），此后逐渐减弱东移。22：00—23：00，在辐合线区域北端、中β尺度雹暴云团所经之处，在榆林横山县境内形成特大冰雹，冰雹直径10 cm。

2014年6月30日08时蒙古境内有暖低压存在，暖中心温度30℃以上，低压中心1000 hPa，此后暖低压向南移动，稳定在蒙古到陕西北部地区。随着蒙古低压的南移，陕西北部榆林地区14：00形成了密集的地面干线（图3c），对应卫星云图上，有中β尺度雹暴云团从蒙古进入陕北北部，此后云团不断发展，15：00—17：00发展到最强（图4d～4f），自北向南影响陕西北部，地面干线也随之迅速发展并南移，面积增大（图3d），就在这一时段陕北8站出现短时大风，3站出现冰雹。

图2 2014年6月29日500 hPa（a）、700 hPa（b）形势场和地面图（c)）

5 热力动力条件诊断分析

利用NCEP再分析资料、地面区域站实况，实况观测资料对连续两天的强对流天气进行垂直运动、水汽、不稳定等热力动力条件进行诊断分析。

5.1 垂直运动

图5a给出了6月29日08：00—30日14：00横山、子长、子洲上空（37°～38°N，109°～110°E）的垂直速度随时间演变情况。从天气实况得知横山、子洲、子长在6月29日20：00—23：30出现了冰雹和短时强降水天气。从图5a可以发现，29日20：00—30日 02：00该区域上空从900 hPa到300 hPa伴有深厚的上升运动，存在三个叠加的上升运动中心，22：00—23：00最强中心位于850 hPa，垂直速度达到-10×10-3hPa/s，此时正对应横山周边强对流天气发生时段。30日02：00之后700 hPa到200 hPa以上迅速转为下沉运动，风停雨止。图5b给出6月30日榆林、延安对流发生区域（36°～39°N，109°～111°E）的垂直速度随时间演变情况。发现30日08：00—20：00强对流发生区域上空900 hPa～300 hPa垂直运动非常强，在14：00前后800～700 hPa之间高达-30×10-3hPa/s，而这一区域的强对流正是发生在14：00—17：00前后，20：00整层基本转为下沉运动。强对流趋于结束，由于30日垂直运动更强，因此影响范围更大。

5.2 稳定度条件

CAPE用来衡量热力不稳定程度，可以表征气块上升过程中因温度差异形成的正浮力对气块所做的功[23]。分析6月29日，30日的CAPE值分布，可以看到CAPE在强对流发生前有一个不断增大的过程，到了对流发生时迅速增大，对流减弱时，CAPE也随之减小。反映了能量的积累和释放过程。29日08时，陕北的榆林西部出现了CAPE的高值中心，吴起、安塞、靖边地区CAPE值达到210 J/kg，到了14：00，陕北地区的CAPE显著增大，范围在250～ 450 J/kg，20时（图6a），陕北依然维持CAPE的高能中心，其值在300～450 J/kg。据图4a、4b、4c，雹暴云团此后开始进入横山县境内，30日02时，CAPE达到了最强盛的时期（图6b），榆林北部高能中心值为550 J/kg，中心值刚好位于横山县。根据陕西自动站，29日21：30—22：30，横山魏家楼出现了10 cm冰雹，高镇8 cm冰雹，榆阳区、横山、子洲20：00—23：00降水量33～46 mm。此后CAPE迅速减小，对流也随之减弱。6月30日14：00CAPE高值中心位于山西境内，陕北地区的CAPE值在50～150 J/kg（图6c），并不是很大，而到了20：00陕北CAPE跃增到300～350 J/kg以上（图6d），就在这一时段陕北榆林、延安出现8站7级以上短时大风，3站冰雹。随着不稳定能量的释放，对流迅速减弱。

图3 地面露点和地面流场

图4 6月29日—30日FY2C红外云图

图5 2014年6月29日08时—31日00时垂直速度演变

5.3 水汽条件

2014年6月29日20时—30日02时区域站的降水量实况显示榆林北部128站出现降水，其中有12站降水量在25 mm以上，最大子洲马叉站66.8 mm。29日20时榆林北部为水汽通量的大值中心，最大为6 g/（cm·hPa·s），水汽通量散度负值中心也集中在榆林北部，最大为-8×10-7g/（cm2·hPa·s）（图7a）。6月30日08时—14时区域站共出现18站较弱的降水，最大18.5 mm，对应30日08时700 hPa的水汽通量，可以看到陕西的榆林、延安地区在4～6 g/（cm·hPa·s），水汽通量散度负值区也比较小，最大仅为-1×10-7g/（cm2·hPa·s）（图7b）。局地的水汽辐合是本次短时强降水的水汽来源。

5.4 静态不稳定层结

根据观测分析最有利于降雹的0℃层高度约在700～600 hPa附近，-20℃层高度约在500～400 hPa附近[24]。在陕西榆林，根据预报经验，经常用东胜探空站来替代，利用东胜、延安两站的探空资料来分析6月29日、30日高空的探测资料，分析表1可以看到连续2 d东胜、延安上空的0℃层高度基本维持在600 hPa附近，即4350 m上下，这样就为对流云伸展到较高的高度提供了有利条件，使得低层水汽通过垂直运动可以达到这个高度，同时冰雹在下降的过程中，也不会因为暖层温度过高而消融。通过对比发现30日08：00东胜站的0℃层高度比29日的高出了371 m，说明了30日的暖层较29日厚一些，因此30日的冰雹直径小于29日。-20℃层高度基本维持在400 hPa左右，即就是7400 m上下，这也满足冰雹产生的有利条件。K指数是考虑气层水汽条件的不稳定指数，K指数越大，对流性越强[25]。表1可以看到29日20时K指数东胜、延安均为39，明显大于30日的K指数，说明了29日夜间的不稳定度大于30日白天，这也是29日的短时强降水量明显大于30日的一个原因。

图6 2014年6月29—30日CAPE分布（单位：J/kg）

图7 水汽通量（实线），水汽通量散度（虚线），区域站降水量（阴影）分布

表1 东胜、延安探空站参数

图8 2014年6月29日榆林雷达3.4°仰角反射率因子/dBz

6 特大冰雹雷达回波特征分析

从6月29日21：09榆林雷达仰角3.4°反射率因子图上，可以看到穿越榆林雷达站的东北—西南方向，生成一环状云带A，尺度在120 km，宽10 km左右，同时在A的东南方向（相对于榆林雷达站的位置为210°，60 km）生成尺度在40 km左右的云团B，两个云系强度达到60 dBz（图8a），从3.4°仰角速度图上看到20：50—21：09两个云区的南端出现小范围的“逆风区”，（图9a）此后，云带A继续发展加强，21：34，云带A南端生成一尺度小于20 km的对流单体，强度大于65 dBz，有伴随冰雹的“三体散射”回波特征（图8b），横山县西北部降雹开始，从3.4°仰角速度图上（图9b），云带A南端5 km主要为西南风，退模糊后风速达到-23 m/s，3 km以下有逆风区发展，云团B强回波处气旋性辐合开始发展，剖面图上60 dBz以上强回波高度为3 km左右。21：52云团B南侧1.5°以上仰角均出现“三体散射”长钉，22：10云团B发展到最为强盛（图8d），55 dBz以上的雹暴云团面积加大，强回波中心向东南侧倾斜，“三体散射”长钉继续维持，并且长钉的长度和宽度比前一时段加大，从反射率因子剖面图上（图10 a）看到60 dBz以上的强回波发展到8 km以上，超过了当天的-20℃层高度，且0℃层高度适宜。同时在径向速度剖面图上可以看到，强回波处辐合强烈（图10b），从3.4°仰角速度图上看到（图9d），云团B南端有正负速度对存在，出现了中等强度涡旋。退模糊后，该地速度为18 m/s左右的旋转速度，此时引发高镇特大冰雹，直径达10 cm，魏家楼冰雹8 cm，伴随7级以上短时大风和强降水天气。22：29云团B已经移出横山县界，云团A逐渐与云团B南端相接，云团A南端强回波迅速减弱，面积减小，3.4°仰角速度图上A云团南部开始出现辐散，低仰角也未出现辐合，横山县的强对流天气趋于结束。

图9 2014年6月29日榆林雷达3.4°径向速度（m·s-1）

图10 2014年6月29日22：10图8d中直线处反射率因子剖面（a），径向速度剖面（b）

7 结论

（1）此次强对流天气过程影响系统为高空冷槽，对流层中低层伴有切变线，暖平流，在冷槽过境时加剧了不稳定条件，地面有干线、辐合线等，有利于对流天气的发展。

（2）地面中尺度特征分析发现，在地面辐合线附近不断有对流单体产生并东移南下，进入河套地区。蒙古低槽逐渐南压，槽前不断生成新的辐合线。同时地面干线随着蒙古低压南下，影响河套地区，在干线与辐合线附近发生了对流天气。

（3）通过诊断分析发现，对流区上空的垂直运动较强，并且有明显的不稳定能量堆积，水汽主要为局地水汽辐合静态不稳定层结分析发现，适宜的0℃层高度与-20℃层高度为冰雹的碰并增长与降落提供了较好的条件。

（4）雷达回波分析发现此次对流过程的逆风区有50 dBz以上的强回波中心，并且发展高度超过了-20℃层高度，在3.4°仰角看到中等强度的涡旋和速度对。冰雹过程伴随“三体散射”长钉，中等强度的涡旋和逆风区，这些都对强对流天气的预报预警有较好的警示作用。

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Analysis of a Continuous Severe Convective Weather in the Loess Plateau

YAO Jing，JING Yu，ZHAO Qiang，LI Pingyun
（Shaanxi Meteorological Observatory，Xi’an 710014，China）

A strong convective weather in the Loess Plateau area of Yulin city in Shaanxi was conducted a comprehensive analysis by using conventional observation data，automatic station data，Yulin CINRAD/CB Doppler radar data and NCEP 1°1°six-hour reanalysis data.The weather occurred in the late afternoon on June 29th and 30th，2014.The results show that the low trough in eastern Gansu to Shaanxi is the direct affect system of the strong convective weather.The process was triggered by the surface dew-point and convergence line.The strong vertical movement over the hailarea，highconvectiveavailablepotentialenergy，thelowerabundantvaporflux transportations，the convergence of moisture flux divergence in northern Shaanxi and the suitable 0℃，-20℃level height provide favorable conditions for the occurrence of strong convective weather.The three-body scatter spike echo，more than 8 km of the strong echo region of 50 dBz，medium-intensity vortex，the upwind zone all have indicative significance in hail weather warning.

hail;diagnostic analysis;radar echo;three-body scatter

P458.1

B

1002-0799（2017）03-0055-10

姚静，井宇，赵强，等.黄土高原一次连续性强对流天气分析[J].沙漠与绿洲气象，2017，11（3）：55-64.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.008

2016-12-14；

2017-03-13

陕西省气象局预报员专项（2014Y-1）。

姚静（1985-），女，工程师，主要从事短时预报研究。E-mail：271776884@qq.com