2014 年初春江苏一次高架雷暴成因分析

曹舒娅，韦芬芬，孙 伟，沈 建

（苏州市气象局，江苏 苏州215000）

高架雷暴（elevated thunderstorm）是在大气边界层以上被触发的，发生高架雷暴时，地面附近通常为稳定的冷空气，有明显的逆温，来自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[1-3]。Moore（2003）等统计分析了美国暖季伴有强降水出现的高架雷暴天气过程的环境长特征，并初步归纳了相应的概念模型[4]。Ostby（1999）指出，由于边界层上方观测资料时空分辨率低，这种发生在边界层上方的雷暴预报是气象学者面临的重要难题[5-6]。Jankov 等（2002）发现数值预报模式很难模拟预报锋区北侧的高架雷暴个例[7-8]。

我国近几年也已经开始对高架雷暴有所研究，俞小鼎等介绍了我国高架雷暴活动情况以及伴随的天气[9]。吕晓娜等研究了2015 年河南首场区域暴雪伴高架雷暴过程，发现高架雷暴发生时，河南上空具有垂直风切变说明大气层结动力不稳定、对称不稳定[10]。许新田等对2010 年春季陕西中南部一次高架雷暴的触发条件及中尺度特征进行了分析，发现高架雷暴发生时伴随低空急流的建立和加强以及低空逆温层的存在[11]。

2014 年3 月18 日夜里—19 日中午前后，江苏沿江苏南自西向东出现了一次罕见的冷锋过境后大范围的雷暴天气，沿江一带还普降大雨，其中6 个加密站达到暴雨。从苏州市三维闪电定位仪监测到的数据可见，3 月18 日20：00—19 日20：00，江苏全省大部分地区都监测到了闪电，共发生了15 985 次闪电，其中正闪1725 次，负闪14 260 次，云闪4259次，云地闪11 726 次。江苏范围内以沿江苏南闪电密度最大，24 h 闪电密度均超过了1000 次（图1a）。从闪电总数的时间分布图可知，全省闪电总数高峰出现在19 日03：00—06：00，其中05：00—06：00 闪电总数近2000 次（图1b），这样高密度的闪电在初春季节是罕见的，虽然此次过程并没有造成严重的后果，但2014 年的第一场不同于往年的强对流天气，也很值得研究。本文利用探空资料、地面观测和自动站资料以及NCEP 每日4 次客观再分析FNL 资料（分辨率1°×1°，垂直方向为26 层）对此次高架雷暴天气的天气学成因和物理机制进行了详细的分析和探讨，希望能加深对高架雷暴的认识，并为此类异常天气过程预报、预警提供参考，提高预报准确率和公共气象服务能力。

图1 18 日20 时—19 日20 时江苏范围内闪电密度分布（a）和时间分布（b）

1 天气背景

从大的环流背景看，这是一次高空槽东移引导地面冷空气南下，低空有暖湿气流北抬，造成上下层不稳定，导致的中等强度雷阵雨天气过程。18 日20时，200 hPa 分流区位于江苏江淮之间，急流轴位于江苏淮北地区，江苏淮河以南大部分地区处在急流出口区的右侧，说明高层存在明显的辐散。500 hPa西风槽位于华北，携带干冷空气沿西北气流南下，江苏大部分地区处于槽前。850 hPa 切变线位于华中，925～1000 hPa 沿江苏南一带为东—东北风，有利于在地面附近形成冷垫， 此时东南部地区1000～925 hPa 存在5 ℃的逆温。19 日08 时，西风槽东移，北风压在江淮之间，850 hPa 暖湿切变线东伸北抬到江苏省沿江一带，为对流发展提供抬升条件，切变线南侧有急流配合，偏南气流明显加强使江苏处于低层水汽辐合区，850 hPa 苏南地区升温2～3 ℃，有较明显的暖平流，925～1000 hPa 维持东—东北风，西南部地区925～850 hPa 形成7 ℃的强逆温，西南暖湿气流沿着冷垫爬升。

18 日08 时，高空槽引导地面冷空气南下，第一股冷空气在18 日08 时其冷锋已经到达江苏，这股东路冷空气从18 日白天开始自北向南影响江苏，20时锋面过境后冷锋后部不断有冷空气补充南下，气温较前期明显偏低。18 日20 时，第二股冷空气进入河套地区，这股中西路冷空气在19 日后期开始影响江苏省。18 日20 时，全省气温多在9～12 ℃，对比17日20 时的地面温度，24 h 降温幅度达到了8～10 ℃。江苏处于冷中心，同样表明此次江苏高架雷暴发生时地面为冷垫。19 日，冷锋过境后不断有冷空气补充南下，冷垫继续维持，此次高架雷暴过程一直持续到19 日中午前后。而850 hPa 在18—19 日正好处于两股冷空气之间，温度较高，江苏处于暖中心，随着西南急流加强并东伸北抬，逐渐在逆温层之上形成暖盖（图2a、2b）。

图2 18 日20 时（a）和19 日08 时（b）中尺度分析

2 大气垂直结构特征

2.1 垂直风场

由风场的时间—高度剖面（图3）可以看出，受第一股冷空气的影响，18 日20 时江苏上空600 hPa以下为一致的偏北气流。18 日20 时开始，随着高空槽东移，中低层槽前西南风明显加大。19 日20 时随着高空槽过境，第二股冷空气影响结束，江苏上空转为一致的偏北气流，此次过程结束。

图3 风场时间—高度剖面（118°～120°E，30°～34°N 平均，实线为等风速线，单位：m·s-1）

2.2 探空资料分析

从18 日20 时南京站的温度—对数压力图上可以看出，925～950 hPa 之间存在浅薄逆温层，850～950 hPa 温度垂直递减率小，表明大气层结较为稳定。逆温层顶至700 hPa 大气温度和露点非常接近，接近饱和，表明此层为暖湿层，700 hPa 以上为干冷空气，这种上干下湿的垂直层结分布，特别有利于强对流天气的发生发展。700 hPa 以下风随高度顺转，表明低层存在明显的暖平流，有利于不稳定层结的形成，加大对流潜势，而300～200 hPa 风向逆转，显示有明显的冷平流，弱冷空气的侵入进一步加剧了大气层结的不稳定性，从而触发不稳定能量的释放（图4a）。到了19 日08 时，逆温层显著增强，超过了8 ℃，逆温层顶也从925 hPa 抬到了850 hPa；同时湿层明显增厚，550 hPa 以下均为暖湿气层，随着850 hPa 急流的东伸北抬，925 hPa 以上风速明显加大，0～3 km 和0～6 km 无论风速和风向都存在强烈的垂直风切变，中低层维持较强的暖平流，此时CAPE 值仍然为0。为了消除逆温层的影响，对探空曲线进行订正，将抬升高度选至逆温层顶，这时CAPE 值明显上升，数值达到280 J·kg-1（图4b）。俞小鼎等[9]指出，理想状态下导致雷暴的最大上升气流速度为Wmax=（2CAPE）0.5=24 m·s-1，这一数值远远超过了稳定层结下层状云降水中0.1 m·s-1的上升气流速度。

图4c 显示了江苏省气象局统计的江苏春季发生短时强降水的部分指标以及此次过程的指标对比，3 月19 日高架雷暴过程0 ℃层高度、-20 ℃层高度以及大气可降水量都远低于江苏春季发生短时强降水时的最低指标，这也是此次过程仅产生中等强度降水，并没有发生大范围短时强降水的主要原因。

图4 18 日20 时（a）和19 日08 时（b）南京站探空图及江苏春季发生短时强降水时的0 ℃层高度、-20 ℃层高度以及可降水量最低指标与0319 高架雷暴过程对比（c）

3 高架雷暴的物理量诊断分析

3.1 热力不稳定——假相当位温

假相当位温反映了大气的温湿状况，为了进一步了解此次高架雷暴过程的不稳定层结，计算出雷暴发生前的假相当位温场（图5a、5b），18 日20 时，江苏沿江苏南上空700 hPa 附近存在θse大值中心，1000~700 hPa θse随高度增加逐渐加大， 也就是Δθse>0，表明此时700 hPa 以下大气是层结稳定的，而在700～500 hPa 之间则存在的浅薄对流不稳定层，19 日02 时随着850 hPa 西南暖湿急流的加强，暖湿空气源源不断输送至沿江苏南上空，暖湿气流沿锋面做斜升运动，斜压性增加，有利于不稳定能量的产生。从图4b 可以看到，沿江苏南上空θse大值中心加强，高度略有降低，位于850 hPa 附近的对流不稳定层结较20 时显著增强。

图5c、5d 是18 日20 时和19 日02 时沿118°～120°E 平均的垂直速度场。雷暴发生前，31°～34°N 边界层以下为一致的下沉气流控制，而在700 hPa 以上为上升气流（图5c）；19 日02 时雷暴开始以后，在32°N 附近存在一个上升速度大值区，其中心位于850～800 hPa，中心数值达4 Pa·s-1，表明江苏上空存在明显的上升运动，而700～500 hPa 为下沉运动，不利于对流的发展。

表1 对比了江苏发生高架雷暴伴冰雹的3 次过程和此次过程的垂直速度，江苏发生的3 次高架冰雹过程，上升运动中心值均超过了10 Pa·s-1，其中2010 年2 月10 日过程的最大上升速度超过了25 Pa·s-1。从上升运动伸展高度看，产生冰雹的3 次过程上升运动均超过了300 hPa，有两次一直伸展到200 hPa，而此次过程仅伸展到700 hPa，这也是此次高架雷暴没有产生冰雹等更强对流性天气的主要原因。

3.2 动力不稳定——垂直风切变

图5 沿120°E 假相当位温纬度—高度剖面（a、b）（单位：K）和垂直速度纬度—高度剖面（c、d）（118°～120°E 平均，单位：m·s-1）

表1 发生在江苏的3 次高架雷暴伴冰雹过程和3 月19 日过程垂直速度对比

图6 18 日20 时（a）、19 日02 时（b）、19 日08 时（c）1000～850 hPa 垂直风切变分布及18 日20 时（d）、19 日02 时（e）、19 日08 时（f）1000～500 hPa 垂直风切变分布（单位：m·s-1）

垂直风切变为强对流天气的发生、发展和维持提供动力不稳定条件，在强对流的发生、发展过程中，垂直风切变对于维持风暴的强度[13]、风暴的有组织发展和传播[14-16]等方面都具有至关重要的作用。高架雷暴往往发生在弱的热力不稳定条件下，那么就需要较强的动力不稳定来维持强对流天气的发生。从图6 中可以看出，18 日20 时和19 日08 时南京上空925~700 hPa 垂直风切变很强，不仅风速随高度升高增加明显，风向随高度的增加也有明显的顺转。图6a、6b、6c 给出了雷暴发生时850~1000 hPa的垂直风切变分布，可以看出18 日20 时雷暴尚未开始时，沿江和苏南的西部已经出现显著的垂直风切变，19 日02 时随着850 hPa 急流东伸，垂直风切变进一步加大，此时在沿江一带雷暴过程自西向东开始，19 日08 时，切变继续加大，沿江西部风速切变中心已经超过18 m·s-1，而500~1000 hPa 的垂直风切变从18 日20 时开始一直到19 日08 时都超过了24 m·s-1（图6d、6e、6f）。俞小鼎[17]提出，如果500 hPa 到地面的垂直风切变超过20 m·s-1，就可以说存在较强的垂直风切变。因此，较强的垂直风切变为此次高架雷暴过程提供了动力不稳定条件。

3.3 锋生

有研究指出，高架雷暴往往持续时间较长，是否由于有更大尺度的外源强迫产生锋生，使得雷暴得以维持呢？大尺度环境条件表明，高架雷暴发生期间，北方的冷空气入侵江苏，同时，700 hPa 西南急流将大量的暖湿气流也向江苏输送，上下层的温湿差异较大，即等θse线较密，形成显著湿度对比的湿斜压锋区。

为了具体研究高架雷暴发生时的锋生作用，根据锋生函数公式计算各层的锋生：

此处只计算前两项。

由图7a 可见，18 日20 时850 hPa 锋生主要出现在等θse线密集区附近，锋生大值中心位于江苏沿江苏南一带，与雷暴落区对应较好。锋生函数梯度垂直剖面合成图（图7b）可见，高架雷暴发生时，南京上空（32°N 附近）超过20×10-12km-2·s-1的锋生函数梯度大值中心位于850 hPa 附近，梯度值零线位于沿江苏南一带雷暴落区上空。函数梯度大值轴随高度明显向北倾斜，表明了斜压锋区存在强烈的锋生。

3.4 水汽条件

强对流天气发生的另一必备条件为水汽条件，此次过程850 hPa 的水汽输送明显，水汽输送的主要来源是孟加拉湾，从孟加拉湾一直到江苏沿江苏南一带建立了一条水汽通道。水汽通量的辐合区主要在江苏沿江附近，中心值达到40×10-5kg·hPa-1·m-2·s-1（图8a、8b），表明此处有明显的水汽聚集，为高架雷暴的发生提供水汽条件。

4 雷达资料分析

此次强对流过程，雨带主要分2 个阶段影响江苏西南部地区，第一阶段为23：30 左右，从安徽马鞍山到芜湖一线有多个对流单体嵌在层状云中的絮状回波沿引导气流自西南向东北方向影响江苏南京、镇江等地。回波强度45 dBZ，移速50 km/h。第二阶段为4：00 左右，回波从安徽滁州、来安到全椒一线，自西北向偏东方向，发展为一条线状对流影响江苏苏南西南部地区，回波强度最大达55 dBZ，移速达75 km/h。线状对流自西向东移动，使得沿江一带自西向东产生雷暴，其后回波逐渐消散（图9a～9d）。

通过对雷达风廓线产品（VWP）分析，可以发现从凌晨开始2 km 以上为一致的西南气流，在2 km高度存在最大值为14 m/s的低空急流。并可以看到风向从底层呈顺时针旋转，说明这次对流天气有比较强的西南暖湿气流（图9f）。

由强对流单体的垂直剖面发现回波发展高度在10 km 左右，强回波质心发展高度在4.5 km 左右，回波强度最大值达50 dBZ 且回波接地，0 ℃层的高度大约在3.5 km，-20 ℃的高度在7 km 左右，回波强度达35 dBZ，这是春季高架雷暴的典型特征。强回波发展高度主要在0 ℃层高度之下，-20 ℃层高度偏高，高于江苏春季冰雹发生时的预报指标，这也是此次过程没有产生冰雹的主要原因（图9e）。

5 结论

图7 18 日20 时850 hPa 锋生函数分布（a）和锋生函数梯度纬度—高度剖面（b）

图8 19 日02 时850 hPa（a）和700 hPa（b）水汽通量和水汽通量散度

图9 常州雷达19 日2.4°仰角基本反射率

本文分析了2014 年3 月19 日发生在江苏沿江苏南的一次高架雷暴天气过程在环流形势、地面冷垫、不稳定层结、水汽条件、动力抬升条件和雷达等方面的特征，得出以下结论：

（1）此次雷暴是一次典型的“高架雷暴”天气过程，江苏沿江苏南闪电密度最大，这样强的雷暴在江苏初春是罕见的。500 hPa 高空槽引导地面冷空气南下，地面先后受2 股冷空气影响，925 hPa 以下一致的东—东北风共同为此次高架雷暴提供冷垫作用，850 hPa 在2 股冷空气之间，江苏处于暖中心，地面附近存在较强逆温，暖湿空气在冷垫之上爬升。

（2）低空强烈的暖平流，高空冷平流明显，江苏上空垂直方向干冷空气叠加在暖湿气流之上，有一定的不稳定层结，850 hPa 附近浅薄的对流不稳定层和0～3 km 强烈的垂直风切变共同为此次过程提供弱热力不稳定和强动力不稳定条件。

（3）850 hPa 附近存在强烈的锋生，锋区随高度向北倾斜。850 hPa 的水汽输送更明显，水汽主要源自孟加拉湾，从孟加拉湾一直到江苏形成了一条输送通道，江苏沿江苏南一带存在水汽的积聚。

（4）雨带主要分2 个阶段影响江苏，第二阶段回波强度最大达55 dBZ，移速达75 km/h，使得沿江一带自西向东产生雷暴。此次对流天气有较强的西南暖湿气流。强回波质心发展高度在4.5 km 左右，强回波发展高度主要在0 ℃层高度之下，-20 ℃层高度高于江苏春季冰雹发生时的预报指标，以及垂直上升运动的强度不强和伸展高度不高是此次过程没有产生冰雹的主要原因；0 ℃层高度、-20 ℃层高度以及大气可降水量均低于江苏春季发生短时强降水的最低指标，是此次过程没有产生大范围短时强降水的主要原因。