黔东南一次大范围弱冰雹天气过程分析
2017-11-14贺德军李小兰
滕 林，贺德军，陈 军，李小兰，文 成
(1.贵州省剑河县气象局，贵州 剑河 556400；2.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300；3.贵州省玉屏县气象局，贵州 玉屏 554000；4.贵州省雷山县气象局，贵州 雷山 557100)
黔东南一次大范围弱冰雹天气过程分析
滕 林1，贺德军1，陈 军2，李小兰3，文 成4
(1.贵州省剑河县气象局，贵州 剑河 556400；2.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300；3.贵州省玉屏县气象局，贵州 玉屏 554000；4.贵州省雷山县气象局，贵州 雷山 557100)
利用黔东南州气象资料、三穗C波段多普勒天气雷达资料及FNL再分析资料对2016年4月3日发生在贵州省黔东南州的一次大范围弱冰雹天气过程进行诊断分析。结果表明：此次冰雹过程环流形势是典型的“前倾槽”结构，辐合线和冷锋共同触发了不稳定能量的释放，降雹前地面气温较高，冰雹在下降过程中融化较快，使黔东南州大范围性降弱雹；对流发生前垂直风切变较大，SI、K指数满足强雷暴条件，0 ℃层和-20 ℃层高度适宜，但CAPE值能量有限，不利于大冰雹的形成；对流发生时低空维持高湿状态，切变线两侧风速风向的辐合为对流的发生提供了充足的动力条件；雷达资料显示冰雹发生时，在0 ℃等温线高度上有50 dBz以上的反射率因子结构，低层辐合、高层辐散，风随高度的变化是中低层顺转，高层逆转，这种上冷下暖的结构有助于空气层结的不稳定，利于对流的发生。
前倾槽；高湿状态；高度适宜；垂直风切变；上冷下暖
1 引言
冰雹一直是贵州省黔东南州春季常发生的灾害性天气之一，由于这类灾害性天气具有突发性和剧烈性，往往会给黔东南的农业生产及人民生命财产等造成损失。分析黔东南冰雹的特征，有助于做好它的临近预报，提前发布冰雹预警，及时开展防雹人影作业，通知相关人员提前防范，能使经济损失降到最低。近年来，已有气象工作者从雷达的回波特征、形成机制、环境条件对冰雹进行了研究。比如[1-2]分析表明三体散射现象是大冰雹预警的一个指标。唐明晖等[3]、陈军等[4]分析指出冰雹发生前，在雷达回波速度图上，有低层辐合，风暴顶的辐散。赵俊荣等[5]分析指出，强冰雹有有界弱回波区、垂直累积液态水含量大值区等特征。强冰雹发生前，对流层存在暖干盖[6]。郑艳等[7]分析指出，发生对流的有利条件为中层干冷气流叠加在低层暖湿气流上。也有学者[8-12]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。虽然对冰雹天气的研究已有很多，但对黔东南州冰雹的研究却很少，目前只有[13-15]等对黔东南典型的大冰雹过程进行研究，冰雹特征明显易判定，但对一些弱冰雹天气过程，雷达回波特征不明显，往往在发布预警信号时漏发，因此找出弱冰雹过程一些独有特征及预警指标很有必要。本文将利用2016年4月2日08时—4日08时常规观测资料、地面加密自动站降水资料、FNL再分析资料(1°×1°)以及黔东南三穗C波段多普勒天气雷达资料，对2016年4月3日发生在黔东南州一次大范围弱冰雹天气过程进行分析，期待为黔东南每隔3 h的短临预报提供一种思路，对以后工作中遇到类似弱冰雹过程要不要提前发布冰雹预警信号提供参考。
2 天气实况及环流分析
2.1 天气实况
2016年4月2日20时—3日20时黔东南州出现雷电、冰雹和暴雨天气过程，雷电影响范围涉及全州16县市，其中降雨及冰雹主要集中在3日14时—19时发生，剑河、黄平、施秉、三穗、丹寨、锦屏、雷山、岑巩、天柱共9县15个乡镇出现了冰雹天气，冰雹最大地区为施秉城区(直径为15 mm)，出现时间为14时20分—14时27分；天柱注溪在14—15时出现75.3 mm的短时强降水，累计降雨量为196.4 mm(大暴雨)；11站暴雨(剑河久仰86 mm、加禾68.6 mm、久丢52.6 mm、久顺50.7 mm、敏洞53 mm，岑巩安山村89.4 mm、客楼88.2 mm、水尾69.4 mm，黄平苗陇58.6 mm、谷陇52.7 mm，三穗滚马52.3 mm)，43乡镇68站大雨，暴雨出现在天柱、剑河、岑巩、黄平、三穗5县境内(图1)。此次过程降雨较弱，但局部短时强降雨强，雷电、弱冰雹范围大，凯里市炉山镇紫荆村在4月3日下午15时33分遭遇雷击，出现人员伤亡事故，天柱县注溪乡在4月3日下午14—17时的大暴雨造成乡内40余处不同程度塌方，紧急转移40人，受灾300人，供电中断。
图1 2016年4月2日20时—3日20时贵州省黔东南州降水(实线，单位：mm)分布与冰雹落区(▲为冰雹落区)Fig.1 Spatial distribution of precipitation(Solid line,Unit:mm) and hail on 3 April 2016 in Tongren of Guizhou(▲ for hail area)
2.2 环流形势分析
2016年4月3日08时，500 hPa图上(图2a)，中高纬地区为“两槽一脊”型，巴湖以北及东北至华北北部为低槽区，东北至华北北部的大槽未来往东南移动，引导地面冷空气南下。由08时中尺度环境场可知(图2b)，500 hPa青藏高原的短波槽已东移至贵州西部，温度槽超前于高度槽，700 hPa川渝有一低涡，低涡切变的南段已影响贵州西北部，急流位于广西至湖南中部，黔东南处于西南急流的左侧，T-Td>4 ℃，为显著的干区；850 hPa，急流轴位于广西北部—黔东南的东南部—湖南中部，急流轴上最大风速为26 m·s-1，江淮切变线的西段已移至贵州中部以北，黔东南地区T-Td≤2 ℃为明显的饱合区，黔东南为暖脊区，有暖平流，分析(图2b)可知，700～500 hPa为典型的“前倾槽”，850～700 hPa 之间为“上干下湿”的层结状态，500 hPa冷槽(冷舍)叠加于低层暖脊(暖舌)上，有利于大气的对流不稳定，这种环流形势有利于产生比较强的对流性天气[16]。通过以上分析可知，此次过程700～500 hPa属于典型的“前倾槽”结构，大气层结为强烈的不稳定。
图2 2016年4月3日08时500 hPa形势场(a)、中尺度环境场(b)(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)、 meso-scale environmental field analysis (b) at 08∶00 BST on 3 April 2016(The blue solid line for height field,Unit: dagpm,the red dotted line for temperature field,Unit:℃,the wind arrow for wind field,Unit: m·s-1)
2.3 地面场分析
1日23时—3日05时地面(图略)，贵州主要受热低压控制。在3日08时(图3a)，地面冷锋越过长江，已位于浙江北部—江西北部—湖南北部，热低压在贵州中部。11时(图3b)热低压在冷锋推动下减弱填塞向西南方向收缩，地面辐合线在贵州省中部。到14时(图3c)地面冷锋西段已南移至湘西中部—湖南中部，黔东南在热低压控制下，大部分县(市)最高气温已升至24～28 ℃(其中天柱28 ℃，剑河26.8 ℃，黄平24.7 ℃，台江28.9 ℃，施秉26 ℃，锦屏27.6 ℃，雷山26.6 ℃，岑巩27.8 ℃)，为对流积累了较大的不稳定能量，地面辐合线在黔东南中部以北，14—16时北方冷空气渗透并与地面辐合线共同作用而锋生，使锋生加强，边界层弱冷空气触发对流不稳定能量释放[17]，使黔东南降雹主要集中在州北部。在17时(图3d)热低压已经完全填塞，冷锋西段已移至黔东南北部，17—18时，冷锋进一步南压，黔东南州中部县市由于锋面抬升而降雹，根据[18]对冰雹的划分，此时的降雹主要为冷锋锋前降雹。通过以上分析可知，此次过程是辐合线和冷锋共同触发了不稳定能量的释放，但由于降雹前期，地面在热低压控制下气温较高，冰雹在下降过程中融化较快，使黔东南州大范围性降弱雹。
3 影响对流风暴结构和类型的环境因子分析
3.1 热力不稳定和动力不稳定条件
俞小鼎等[19]指出影响对流风暴结构及类型主要取决于环境的热力不稳定、风的垂直切变和水汽的垂直分布，2.2的分析已表明大气层结为强烈的不稳定。刘健文[20]等研究指出SI指数能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 ℃
图3 2016年4月3日08时(a)、11时(b)、14时(c)、17时(d)地面实况图Fig.3 April 3,2016 at 08(a)、11(b)、14(c),、17(d) when the ground truth map
时间SI/℃CAPE/J·kg-1K/℃0℃层高度/m﹣20℃层高度/m08时-42871837427257480020时-4086363374203573164
3.2 垂直风切变
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[8-12]。俞小鼎等[22]划分了垂直风切变的强度，指出在暖季0～6 km高度之间的风矢量差的绝对值，若≥15m/s且<20m/s则属于中等以上强度的垂直风切变。寿绍文等[23]也指出强雷暴0～6 Km一般都有较强的风速垂直切变环境，其值通常为2.5×10-3～4.6×10-3s-1。当垂直风切变环境值达到3.3×10-3s-1以上时，发生强对流天气的可能性更大[24]。通过对黔东南州上空垂直风切变环境(图4)进行分析，可知黔东南州发生冰雹前，垂直风切变环境值较大，黔东南中部以北垂直风切变环境值为2.5×10-3～3.3×10-3s-1，为中等强度的垂直风切变。另外从垂直风切变环境图上可知黔东南中部以南垂直风切变环境大于北部，这样有助于在黔东南中部以北产生气旋性的旋转。综上，中等强度的垂直风切变极易发生强雷暴天气，大气在降雹前极不稳定，但由于切变环境不是很强，不易形成大冰雹。
图4 NCEP fnl 2016年4月3日14时0～6 Km垂直风切变环境分布(单位：10-3 s-1)Fig.4 The NCEP fnl distribution of vertical wind shear (Unit: 10-3 s-1) at 14∶00 BST on 3 April 2016
4 水汽条件
3日08时，850 hPa环流场显示南海—广西—贵州东南部一带存在一支较大的水汽输送通道(图5a)，水汽通量中心值达50 g·hPa-1·cm-1·s-1，黔东南的黎平、从江、榕江县为西南急流核位置，急流核的最大风速为18 m/s，黔东南位于水汽通道上，水汽辐合不明显，但水汽通量大，切变线主要存在铜仁—遵义。3日14时(图5b)切变线南压至黔东南东北部天柱县—贵阳，水汽输送减弱，但是水汽在黔东南北部辐合，从而产生上升运动；地面比湿场上，黔东南北部比湿达13～14 g·kg-1。由此可见，黔东南在发生强对流之前，低空维持高湿状态，在发生对流性天气时，切变线两侧风速风向的辐合为对流提供了充足的动力条件。
图5 2016年4月3日08时(a)、14时(b)850 hPa水汽通量(实线，单位：g·hPa-1·cm-1·s-1)叠加地面比湿(虚线，单位：g·kg-1)Fig.5 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 at 08∶00 BST(a)and at 14∶00 BST(b)on 3 April 2016
5 雷达回波特征
5.1 反射率回波分析
分析4月3日组合反射率因子图(CR38)可知13时59分(图略)，黔东南中部及以北已有回波生成，且回波向东南方向移动至施秉城关镇与黄平新州的交界处，最强回波组合反射率因子≥50 dBz。14时15分(图略)，回波东移到施秉城关镇的西部，最大组合反射率因子≥55 dBz。到14时21分(图6a)回波已东移至施秉城区，在施秉与黄平的交界处有3个较强的回波，最大组合反射率因子所在位置为施秉城区，达到60 dBz。14时26分(图6b)回波继续往东移动并发展，最强回波组合反射率因子在施秉城区达到了62 dBz，14时31分(图略)最强回波已减弱至55 dBz。据观测，施秉城关镇在14时20分—14时27分之间降冰雹，冰雹最大直径为15mm。通过对施秉城区及黄平所在位置进行“横”剖，发现14时21分(图6c)施秉城区回波超过50 dBz的反射率因子伸展高度约为5 km，对14时26分施秉城区沿雷达径向进行剖面分析(图6d)，发现回波超过50 dBz的反射率因子伸展高度约为6 km。俞小鼎[25]指出当0℃等温线高度上如果有超过50 dBz的反射率因子结构才有机会可能降雹。表2已从探空资料分析了4月3日08时、20时贵阳，0 ℃等温线高度在4.2 km左右，-20℃的等温线高度7.3 km左右，从组合反射率因子垂直剖面(图6c、图6d)显示，14时21分—14时26分在5 km高度以上有超过50 dBz的反射率因子结构，因此可以判断该单体风暴有可能降雹，但由于回波发展不是很强，回波伸展的高度没有超过-20 ℃等温线高度，不易形成大冰雹。另外从组合反射率因子垂直剖面还知道施秉城区雷达回波低层存在有界弱回波区和中高层的悬垂回波特征。通过以上分析知，黔东南弱冰雹过程低层存在有界弱回波区和中高层的悬垂回波特征，反射率因子最强回波≥55 dBz，且在0 ℃等温线高度上有超过50 dBz的反射率因子结构。
5.2 低层辐合高层辐散
图7给出4月3日14时26分黔东南发生强对流天气时的不同仰角的径向速度，可以看出2.4°仰角上施秉城关区(图7a)低层有较大的正负速度对，风向对“吹”，有中小尺度系统的辐合。在9.8°仰角上(图7b)，在施秉城区的西边径向风速约为8 m·s-1，东边径向风速约为-8 m·s-1，表明高层风向为辐散。综上，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，从而使施秉城区降了15 mm的冰雹。
图6 2016年4月3日黔东南多普勒雷达14时21分(a)、14时26分(b)组合反射率及14时21分(c)、14时26分(d)反射率剖面(组合反射率与反射率单位：dBz)Fig.6 April 3,2016 Qiandongnan 14∶21(a)、14∶26(b)Doppler radar reflectivity、14∶21(c)、14∶26 (d) reflectance profile reflectance profile,(composite reflectivity and reflectivity units: dBz,radial velocity unit: m·s-1)
图7 2016年4月3日14时26分黔东南多普勒雷达2.4°(a)、9.8°(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 2.4° (a) and 9.8°(b) elevation of Doppler radar in Qiandongnan station of Guizhou(Unit: m·s-1)(The ellipse area for convergence and divergence area)
5.3 风廓线资料分析
文献[19]规定了风随高度的变化为顺时针旋转时，为暖平流，反之为冷平流。分廓线(VWP48)可以反映雷达一定距离内范围的风场垂直分布情况。黔东南雷达位于三穗县，距离地面774.4 m，4月3日14—15时主要为对流性天气发生时段。从14—15时风廓线(图8)可知，其中“ND”为该时刻缺测，无相应的风速风向资料，在14时10分—14时37分风在4.6 km以下风随高度顺时针旋转为暖平流，在4.6 km之上风基本是随高度逆时针旋转，为冷平流，这种上冷下暖的结构有助于空气层的不稳定，有利于对流的发生。从分廓线图上还可以看出0.9～10.7 km风速随高度的变化，在14时存在中等强度的垂直风切变。
图8 2016年4月3日14时10分—15时03分黔东南多普勒雷达风廓线Fig.8 14∶10—15∶03 on April 3,2016 Doppler radar wind profile in Qiandongnan
6 结论
①黔东南此次大范围冰雹过程环流形势是典型的“前倾槽”结构，大气层结为强烈的不稳定，辐合线和冷锋共同触发了不稳定能量的释放，但由于地面在热低压控制下，气温较高，冰雹在下降过程中融化较快，使黔东南州大范围性降弱雹。
②冰雹发生期间，SI指数<﹣4 ℃、K指数>35，各项热力指数较好，0 ℃层和﹣20 ℃层分别在4.2 km和7.3 km左右，高度适宜，为冰雹生长提供了有利的环境，但整个过程中CAPE值释放不是很大且CAPE值能量有限，再加上黔东南垂直风切变为中等强度，不易形成大冰雹。
③黔东南在发生强对流之前，低空维持高湿状态，在发生对流性天气时，切变线两侧风速风向的辐合为对流提供了充足的动力条件。
④雷达资料分析表明，低层存在有界弱回波区和中高层的悬垂回波特征，组合反射率因子最强回波≥55 dBz，且在0℃等温线高度上有超过50 dBz的反射率因子结构，高层辐散，低层辐合结构有利于对流风暴的发展和维持。风随高度的变化是中低层顺转，高层逆转，上冷下暖的结构有助于空气层的不稳定，利于对流的发生，这些可作为以后弱冰雹天气过程的雷达回波判据。
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AnalysisofaWideRangeofWeakHailWeatherProcessinQiandongnan
TENG Lin1,HE Dejun1,CHEN Jun2,LI Xiaolan3,WEN Cheng3
(1.Jianhe Meteorological Bureau of Guizhou Province,Jianhe 556400,China ; 2.Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province,Tongren 554300,China;3.Yuping Meteorological Bureau of Guizhou Province,Yuping 554000,China;4.Leishan Meteorological Station of Guizhou Province,Leishan 557100,China)
The reanalysis data in a wide range of Guizhou Prefecture of Qiandongnan Province,the Weak Hail Weather Process on April 3,2016 was analyzed using Qiandongnan meteorological data,Sansui C band Doppler weather radar data and FNL.The results show that the hail circulation process is a typical "forward" structure,strong stratification instability,convergence line and cold front to trigger the release of unstable energy; the occurrence of hail in Qiandongnan over the large vertical wind shear,low maintenance and high humidity; in the convection occurs,SI index,K index well,0 C C layer and -20 layer height is appropriate,convergence in the low-level shear line on both sides of the wind provides dynamic conditions sufficient for convection; the radar data showed the hail occurs at 0 C isotherm height above 50dBZ reflection factor structure,the radial velocity is low level convergence and upper level divergence,the wind change with height is lower clockwise,top reversal,the cold and warm air layer structure contributes to the instability in favor of convection.
forward trough; high humidity condition; high degree of suitability; vertical wind shear; upper and lower warm
1003-6598(2017)05-0039-07
2017-04-01
滕林(1990-)，男，助工，主要从事预报测报工作，Email：1016914016@qq.com。
P458.1+21.2
B
