一次伴随冰雹大风的强降水天气特征分析

蒙 军，徐良军，叶 帮

(1.贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000；2.贵州省紫云县气象局，贵州 紫云 550800；3.贵州省镇宁县气象局,贵州 镇宁 561200)

一次伴随冰雹大风的强降水天气特征分析

蒙 军1，徐良军2，叶 帮3

(1.贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000；2.贵州省紫云县气象局，贵州 紫云 550800；3.贵州省镇宁县气象局,贵州 镇宁 561200)

2015年5月19日贵州省镇宁县出现了强风雹暴雨天气，该文利用常规观测资料、贵阳和兴义多普勒雷达资料、FNL再分析资料等，详细分析了本次过程的环流形势、环境条件、雷达回波特征等；结果表明：本次过程发生在南支槽稳定维持、中低层西南急流持续影响、高原低涡不断发展的天气背景下；适宜的0 ℃、-20 ℃层高度，上干下湿的水汽分布，较大的(T850-T500)差等导致了本次天气过程中冰雹和大风的发生；中低层持续的冷平流输送以及较高的垂直螺旋度使得对流单体发展和维持；强对流单体生消快，移动迅速，持续时间短造成了此次天气的局地性强。

反射率因子；回波；垂直螺旋度；大风

1 引言

贵州省地处中国西南部地区，为典型的喀斯特地形，每年春夏季为强对流天气的高发期，冰雹、雷电、短时强降水等灾害性天气时有发生，由于特殊的地形地貌导致强对流天气突发性强，持续时间短，造成的灾害严重，预报预警难度大。近年来，随着多普勒雷达的推广应用，国内外专家学者对强对流天气进行了大量的研究，俞小鼎等[1]提出：雷暴大风主要由强对流风暴(超级单体或多单体风暴) ，或与飑线、强锋面有关的带状强对流中处于成熟阶段单体中的下沉气流，在近地面处向水平方向扩散，形成的辐散性阵风而产生；吴芳芳等[2]研究指出，雷暴大风有很多类型，弱垂直风切变下脉冲单体产生的下击暴流导致的雷暴大风极少与中气旋相联系，与中气旋相关的雷暴大风通常出现在超级单体钩状回波附近以及弓形回波顶部(凸起) 附近；刁秀广、伍志方等[3-5]对超级单体结构及其产生的环境条件进行了分析研究；陈秋萍等[6]对福建强降雹超级单体进行分析指出垂直风切变、中气旋的维持对强对流天气的产生有不同的影响；李路长等[7]等对贵州镇远大风冰雹天气分析指出风灾发生前垂直累积液态水含量VIL值具有明显的跳跃式增减变化。螺旋度可以描述环境风场气流沿运动方向的旋转程度，可以描述运动的强弱，能够反映大气的运动特征[11]，尤红[12]等在对2005年6月广东特大暴雨垂直螺旋度的分析中就得出关东特大暴雨的范围、强度和出现降雨的地区上空中低层正，高层负垂直螺旋度中心迅速增大、减小密切相关；沈茜[13]等在对云南昭通2016年7月5日副高外围极端强降水中尺度分析中得出强降雨发生的区域和700 hPa垂直螺旋度或垂直螺旋度梯度迅速增大，且500 hPa垂直螺旋度为较小的负值或较大的正值区相吻合。目前对于暴雨天气过程中的螺旋度分析相关研究较多，而对于大风、冰雹等强对流天气的螺旋度分析研究较少。

2015年5月19日到20日贵州中南部出现大范围强降雨天气(图1)，根据区域自动站资料统计,19日20时—20日20时贵州省共出现1个乡镇特大暴雨(黔西南州挽澜250.9 mm)，43乡镇大暴雨，414乡镇暴雨，其中镇宁县、黔西县、修文县降雨过程中伴随大风天气，镇宁县极大风速达到36.3 m/s，超过有历史记录以来最大值，镇宁县降雨过程中还夹降有小冰雹(最大冰雹直径3 mm)；镇宁县、黔西县、修文县都出现了短时暴雨，镇宁县在19日20—21时降雨量达到了52.4 mm，黔西县在19日18—19时降雨量达到了53.9 mm，修文县在19日19—20时降雨量达到了52.4 mm(图略)。此次天气过程共造成镇宁县9个乡镇25个村受灾，受灾人口32 660人，本文利用贵阳、兴义2部多普勒雷达气象观测资料，区域自动站资料，FNL(1°×1°)再分析资料，常规观测资料等对本次天气过程的影响系统、环境条件、雷达回波特征、垂直螺旋度等进行了详细分析，总结出贵州地区强风雹天气短时临近预报的思路。

图1 19日风场(风向标，单位：m/s)；(a)19日14时700 hPa，(b)19日20时700 hPa；(c)19日14日850 hPa，(d)19日20时850 hPaFig.1 Wind field at 19 May 2015(Vane, unit:m/s);(a) 700 hPa at 14∶00 BT 19 May，(b)700 hPa at 20∶00 BT 19 May；(c)850 hpa at 14∶00 BT 19 May，(d)850 hpa at 20∶00 BT 19 May

2 影响系统分析

此次强对流天气过程，乌拉尔山附近高压脊稳定并不断加强，引导冷空气不断南下，孟加拉湾附近的南支槽不断加深，南支槽前的强西南气流维持，北脊南槽之间多短波槽活动，冷暖空气在贵州中南部交汇。19日08时(图略)贵阳有12 m/s的西南风，850 hPa切变位于贵州东南部到湖南中部，贵州中部及以北受2～8 m/s的偏北气流影响，广西到江西有12～16 m/s的西南急流，这种高低空配置是强对流天气产生的有利环流形势。14时500 hPa(图略)南支槽加深，贵州西部位于短波槽东侧，700 hPa(图1a)重庆南部到湖南北部开始出现切变，贵州维持较强的西南气流影响，850 hPa(图1c)贵州中部偏北出现弱低涡，切变北抬到了贵州中部一线到湖南南部，说明强对流天气系统已经开始建立；20时500 hPa(图略)南支槽已到达贵州西部，贵阳站出现18 m/s的高空风，700 hPa(图1b)高原低涡加强，川南切变与高原低涡切变合并加强并移至贵州西部，江淮切变西段南移到贵州北部，贵阳风速减小到6 m/s，广西到福建西南急流有所减弱，850 hPa(图1d)贵州中部及以北地区转为偏东气流，广西到江西的西南急流减弱消失，广西到贵州南部开始出现6～10 m/s的偏南气流，贵州东南部到湖南中部的切变维持并加强，四川东部转为4 m/s的偏北气流,冷暖空气已经在贵州中部偏南一线交汇，低涡及切变线附近强对流天气被触发。

3 环境条件分析

3.1 不稳定条件

19日08—14时(图2a、2b)贵州区域内的CAPE值显著增加，在14时贵州大部的CAPE值均增涨为1 000 J/kg以上，南部地区超过了2 000 J/kg，14—20时由于部分能量得到释放，CAPE 值降低至400 J/kg左右；850 hPa与500 hPa(图2d、2e、2f)的温差在08—20时都在20 ℃以上，并且由于午后的地面增温显著，20时温差达到了30 ℃左右，贵州西南部区域大气具有较高的不稳定度。

图2 19日CAPE (单位：J/kg)、(T850 hPa-T500 hPa)(单位：℃)；(a)19日08时CAPE，(b)19日14时CAPE，(c)19日20时CAPE；(d)19日08时T850 hPa-T500 hPa，(e)19日14时T850 hPa-T500 hPa ，(f)19日20时T850 hPa-T500 hPa；Fig.2 CAPE at 19 May 2015(unit: J/kg),(T850 hPa-T500 hPa) at 19 May 2015(unit: ℃);(a)CAPE at 08∶00 BT 19 May，(b)CAPE at 14∶00 BT 19 May,(c)CAPE at 20∶00 BT 19 May;(d)T850 hPa-T500 hPaat 08∶00 BT 19 May，(e)T850 hPa-T500 hPaat 14∶00 BT 19 May,(f)T850 hPa-T500 hPaat 20∶00 BT 19 May

从图3a中可以看到，镇宁县在19日08—20时0 ℃维持在550 hPa附近，-20 ℃维持在350 hPa附近，0 ℃线与-20 ℃线之间仅相差200 hPa，这样的配置有利于冰雹、大风等强对流天气的产生；镇宁县上空800～700 hPa附近08—20时维持有明显的风向逆时针旋转，说明在这段时间镇宁县中低层有冷平流不断侵入，并且冷平流不断加强；图3b上，镇宁县的CAPE 值从08时的0 J/kg左右增长到了14时的1 400 J/kg左右，并在20时下降至400 J/kg左右，说明在强对流天气发生前的08—14时镇宁附近的不稳定能量不断积累，大气的不稳定条件不断加强，20时左右强对流天气发生，不稳定能量得以释放。

图3 镇宁站温度、CAPE值随时间的变化;图a：实线，单位：℃；风向标，单位：m/s；图b：实线，单位：J/kgFig.3 Change of temperature and CAPE with time in Zhenning;Fig.a: solid line, unit: ℃; vane, unit: m/s; fig b: solid line, unit: J/kg

3.2 水汽条件

19日08时贵州中低层开始受到湿舌控制，700 hPa贵阳比湿为10 g/kg,威宁比湿为11 g/kg，四川、重庆、贵州3省交界处有较强的水汽辐合中心，中心值为-3×10-5g·hPa-1·m-2·s-1，850 hPa贵阳的比湿为14 g/kg，云南东北部有-4.5×10-5g·hPa-1·m-2·s-1的水汽辐合中心，贵州大部为水汽辐散；14时700 hPa重庆西部到贵州东北部出现辐合中心，大值中心位于贵州东北部，贵州西部也出现较弱的辐合中心，850 hPa辐合区明显扩大，中心强度也减小到-5.5×10-5g·hPa-1·m-2·s-1以下；20时控制贵州的湿舌加强，700 hPa威宁比湿维持11 g/kg，贵阳比湿增加至11 g/kg，(图4a)贵州境内的两块水汽辐合区域合并，贵州东北到西南大部为水汽辐合，贵州西南和东北分别有-3×10-5g·hPa-1·m-2·s-1的水汽辐合中心，850 hPa贵阳比湿增大为16 g/kg，(图4b)贵州区域内的两块辐合区已合并，强中心位于贵州西北，且中心值继续减小至-7.5×10-5g·hPa-1·m-2·s-1。镇宁站上空(图5)，19日08—20时期间400 hPa以下相对湿度均在80%以上，并且高空的干性层结逐渐从200 hPa向400 hPa扩展，相对湿度也从50%左右降至30%左右；这种中低层充沛的水汽条件以及上干下湿的水汽垂直分布对大风、冰雹、雷暴、短时强降雨等强对流天气非常有利。

图4 5月19日20时水汽通量散度(单位：10-5g·hPa-1·m-2·s-1)；(a):700 hPa,(b):850 hPaFig.4 Moisture flux divergence at 20∶00 BT 19 May(unit: 10-5g·hPa-1·m-2·s-1)(a):700 hPa,(b):850 hPa

图5 镇宁站相对湿度随时间演变(单位：%,黑直线为镇宁县海拔高度)Fig.5 Relative humidity changes with time(unit: %，Straight line ：Altitude about Zhenning)

3.3 垂直螺旋度分析

Lilly[8-9]研究指出，强对流风暴具有高螺旋度特征，它的螺旋度从环境场中获得并在浮力效应下增强，同时，高螺旋度阻碍了扰动能量耗散，对超级单体风暴的维持有重要作用，稳定的强对流风暴常发生在螺旋度值大的地方；陆慧娟等[10]研究表明，垂直螺旋度更倾向为能反映系统的维持状况和系统发展、天气现象的剧烈程度的一个参数。用FNL(1°×1°)资料计算出26.04oN从1 000～100 hPa的垂直螺旋度，19日08时—20日00时(图6)的垂直螺旋度分布图上可以看到，19日08时102°～105°上空最大垂直螺旋度位于800～700 hPa之间，最大值为20 m2/s，即镇宁西部的垂直螺旋度值较大，14时该区域的垂直螺旋度值有所加强，大值区向高层600～700 hPa之间抬升，20时垂直螺旋度的大值区域扩大到900～500 hPa之间，大致中心在700 hPa附近为30 m2/s，20日00时105oE上空垂直螺旋度升高至50 m2/s，说明垂直螺旋度在此期间内维持并不断增加，尤其在夜间明显加强，这种类型的风暴单体能够从环境中获取更多的能量，更有利于强对流风暴的形成和维持。

图6 5月19日08时到20日00时26.04oN垂直螺旋度(单位：m2/s，黑直线为镇宁县海拔高度)；(a):19日08时，(b):19日14时,(c):19日20时,(d):20日00时Fig.6 Vertical helicity 26.04oN during 08∶00 BT 19 May to 20∶00 BT 19 May 2015 (unit: m2/s2，Straight line ：Altitude about Zhenning)(a)08∶00 BT 19 May,(b)14∶00 BT 19 May,(c)20∶00 BT 19 May,(d)00∶00 BT 20May

4 雷达回波特征分析

4.1 对流单体演变

19日下午18时左右贵阳雷达2.4°仰角以及兴义雷达2.4°仰角均探测到在六枝境内有对流单体发展，18时42分兴义雷达上探测到六枝中部偏西有强度为35 dBz的对流单体，到18时53分的兴义雷达和19时(图7a)的贵阳雷达上都探测到上述对流单体略向东移，且回波强度加强为40 dBz，19时04分兴义雷达探测到对流单体已经移到六枝中部，强度继续加强为50 dBz，19时31分兴义雷达和19时34分贵阳雷达(图7b)都探测到对流单体移到了镇宁、六枝、关岭交界处，强度有所减弱变为40 dBz，19时48分兴义雷达探测到对流单体继续向东移动，强度再次增强为45 dBz，20时02分(图7c)贵阳雷达探测到对流单体已经完全移入镇宁境内，强度维持在40 dBz，20时10分兴义雷达探测到对流单体移到了镇宁县站西北部，强度维持在40 dBz,20时15分对流单体移动缓慢且强度增强为45 dBz,20时25分(图7d)贵阳雷达探测到对流单体在镇宁站维持且影响范围有所扩大；从对流单体的垂直液态水含量和回波顶高的演变上也可以看到(表1),19时42分—20时15分对流单体的垂直液态水含量值以及回波顶高值都在不断增加，且都在20时15分达到最大值，说明强对流天气发生前对流单体在迅速的发展，20时15分—20时26分对流单体的垂直液态水含量值和回波顶高值都有所减小，强对流天气已经开始出现，对流单体开始减弱；根据实况资料，对流单体移过的六枝中南部在19—20时出现2乡镇的短时强降雨(1 h降雨量≥25 mm)，在20—21时移过的关岭、镇宁共出现了7乡镇的短时强降雨，4乡镇降雨中夹降有3～12 mm的小冰雹；其中镇宁县站降雨量达到了52.4 mm，降雨还中伴有小冰雹，同时镇宁站在20时20分出现了36.3 m/s的瞬时大风(超过历史极值)。根据贵阳雷达探测的雷达回波资料(图略)20时53分对流单体维持55 dBz的强中心向镇宁站西南移，此时该对流单体的垂直液态水含量仍有20～25 kg/m2，不过回波顶高已经下降至8～9 km左右，21时21分对流单体移入紫云西北部，中心值在45～50 dBz，垂直液态水含量下降到了5 kg/m2，22时01分—22时57分，对流单体维持中心值在40 dBz左右，中心区域逐渐缩小，垂直液态水含量在5 kg/m2左右，从紫云北部自西向东移除紫云，回波顶高维持在8 km左右，23时31分对流单体移入惠水西南部，回波已经没有明显的中心区，此时在对流单体经过的紫云、惠水等地并无强降水、冰雹、大风等天气出现，表明对流单体已经开始减弱并逐步消散。

表1 对流单体雷达参数变化特征(兴义雷达)Tab.1 Variation characteristics of radar parameters about convective monomer(Xingyi radar)

图7 2015年5月19日19时—20时25分贵阳雷达2.4°仰角基本反射率因子(a):19时,(b):19时34分,(c):20时02分,(d):20时25分(红圈为对流单体位置)Fig.7 The elevation of 2.4°in Guiyang basic reflectivity factor during 19:00 BT 19 May to 20:25 BT 19 May 2015(a):19:00,(b):19:34,(c):20:02,(d):20:25(The red circle is the convective monomer position)

4.2 对流单体结构特征

熊伟等[14]利用雷达资料对贵州春季冰雹云识别做了相关的研究，指出贵州春季冰雹发生时雷达组合反射率因子在45 dBz以上，当超过45 dBz回波伸展到0 ℃层以上，则冰雹出现的可能，如果超过50 dBz回波伸展到0 ℃层以上，则出现冰雹的概率很大，如果其伸展到-20 ℃层以上，则出现大冰雹的可能性很大。19日59分兴义雷达探测的回波显示对流单体进入镇宁西北部，各个仰角上均出现了40 dBz以上的回波中心，其中1.5°仰角的最强中心值达到55 dBz，而强中心的垂直剖面图上，50 dBz的回波分布在4～8 km范围，6 km处有60 dBz的强回波，40 dBz的回波自地面向上伸展到16 km附近，此时对流单体的垂直液态水含量为25 kg/m2，说明强对流单体处于发展强盛阶段，此时镇宁西北部开始出现较弱降水和雷电天气；19日20时21分雷达探测的雷达回波(图8)可以看到对流单体已经到达镇宁县站，且对流单体在0.5°仰角下强中心值为45 dBz，回波形状类似钩状，在1.5°仰角下强中心值为50 dBz，强回波范围较大，在2.4°仰角下强中心值为55 dBz，在3.4°仰角下强中心值为45 dBz，在4.3°仰角下强中心值为40 dBz，说明对流单体中心强度很强，强中心区域宽广；从反射率因子垂直剖面图(图8c)上可以看到，最强回波反射率因子值达到了70 dBz，55 dBz以上的强回波伸展到了8 km以上，强回波区域在3～8 km左右，最强回波在4～6 km高度，60 dBz的回波接近地面，仍有40 dBz的回波伸展到了12 km以上，对应19日20时贵阳探空资料，当天的0 ℃层高度为5 240.7 m,-20 ℃层高度为8 886.9 m，说明强回波高度已经超过0 ℃层高度,并且接近-20 ℃层高度，对强对流天气的发生非常有利；从径向速度图(图8b)上看，镇宁附近存在旋转的正负速度对，径向速度的剖面图(图8d)上可以看到在8 km附近有速度的辐合，在4 km附近有速度的辐散，此时镇宁县站降雨量1 h达到了52.4 mm，并且出现了大风和小冰雹，对流单体发展到了最旺盛时期；20时59分，雷达回波显示对流单体已经移到镇宁和西秀区交界处，0.5°～2.4°仰角下仍有40 dBz以上强度的回波区，而在3.4°仰角最强回波为35 dBz，4.3°仰角最强回波仅为10 dBz，对流单体的垂直液态水含量也降至1.8k g/m2，径向速度图上在对流单体附近仍有范围较小的正负速度对存在，强中心的垂直剖面图上最强回波位于6 km为55 dBz，50 dBz的回波区域仍然在4～8 km左右，45 dBz的回波由地面伸展到12 km附近，说明此时对流单体已经开始减弱，对流单体移过的镇宁东北部到西秀区交界出现了短时强降雨。

图8 2015年5月19日20时21分兴义雷达探测的对流单体雷达回波图(a)不同仰角反射率因子,(b):径向速度图,(c):沿a图白色线条垂直剖面图,(d):沿b图红圈直径垂直剖面图Fig.8 Radar echo of convective monomer by Xingyi radar at 20∶21 BT 19 May(a)Reflectivity of different elevation,(b)Radial velocities,(c)Reflectivity profile along the white line in fig a,(d)Radial velocities profile along red circle diameter in fig b

5 结论

本文利用FNL(1°×1°)再分析资料、贵阳、兴义多普勒雷达资料对2015年5月19日镇宁县出现的风雹暴雨天气进行详细分析，结果显示本次风雹暴雨过程在天气系统、环境条件、雷达回波方面呈现出以下特征：

①在南支槽稳定维持、中低层西南急流持续影响、高原低涡不断发展的天气背景下，北脊南槽的天气形势有利于冷空气南下，500 hPa不断加深的南支槽前700 hPa和850 hPa持续的强西南急流和西南低涡的不断加强，为强对流天气提供了很好的动力抬升条件，中低层切变线以及地面辐合线触发了此次强对流天气的产生。

②强对流天气发生前CAPE值从0 J/kg跃增到了1 400 J/kg，强对流天气发生区域400 hPa以下维持高湿状态，400 hPa以上干层逐渐加厚，-20 ℃层稳定在350 hPa左右，0 ℃稳定在550 hPa附近，两层之间相差200 hPa，850 hPa和500 hPa温度差不断加大，这种强对流天气发生前CAPE值急剧增加为强对流天气发生积蓄了很好的能量条件，中低层稳定的水汽输送和水汽辐合不断加强为产生暴雨冰雹提供了“原料”，适宜的0 ℃、-20 ℃层高度，上干下湿的水汽分布，较大的850 hPa和500 hPa温度差使得大气不稳定度加强，有利于冰雹、大风的产生。

③强对流天气发生区域垂直螺旋度不断增加，中低层持续的冷平流输送不断加强，使得对流单体发展和维持。

④强对流天气发生前对流单体自西向东移动且不断发展，强对流天气发生期间雷达回波出现了弱中气旋和钩状回波，回波强度达到了70 dBz,VIL最大值达到了50 kg/m2，回波顶高最大值达到了14 km，强对流天气发生后对流单体继续东移，但中心强度和VIL迅速减小，使得强对流单体移动快，发展快，持续时间短，消散快，造成了此次风雹天气局地性很强。

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AnalysisofaHeavyPrecipitationWeatherFeatureAccompaniedbyHailandGale

MENG Jun1, XU Liangjun2, YE Bang3

(1.Anshun Meteorological Office of Guizhou, Anshun 561000, China; 2. Ziyun Meteorological Office of Guizhou, Ziyun 550800, China; 3. Zhenning Meteorological Office of Guizhou,Zhenning 561200, China)

Zhenning County of Guizhou province appeared strong hail storm weather in May 19, 2015, By usingthe data of conventional observation,the data of Doppler radar from Guiyang and Xingyi and the data of FNL1*1 reanalysis , to detailed analysis of the circulation situation, environmental conditions and the characteristics of radar echo . The results showed that: In webtisr stable low level southwest jet to maintain,the continuing impact of the plateau vortex development under the background of the weather , the suitable height for 0 ℃ and -20 ℃ ,the appropriate wet on the distribution of water vapor, the temperature difference in 850hPa to 500hPa is more conducive to hail and strong winds;The main reason for convective development and maintenance is a continuous stream of cold advection transportation and the high vertical helicity; What mainly caused by these strong local weather are strong convective moving fast, rapid development, short duration, fast dissipation.

reflectivity factor; echo; vertical helix; strong wind

1003-6598(2017)05-0025-08

2016-11-08

蒙军(1988—)，女，助工，主要从事短期天气预测预报工作，E-mail:460248283@qq.com。

安顺市气象局气象科研项目(2015-07-05号)：基于区域自动站安顺短时景雨时空分布特征研究；黔气科合KF[2016]07号：中小尺度对流复合体和特殊地形对关岭暴雨的影响。

P458.1+21

B