一次低层冷空气触发下的局地强对流过程分析*

陈艳真 何宇晖 任赛赛 黄美金

（1.福建省莆田市气象局，福建 莆田 351100；2.福建省莆田市荔城区气象局，福建 莆田 351100；3.福建省气象台，福建 福州 350001）

1 概述

强对流天气是福建的主要灾害性天气之一。福建省地处我国东南沿海，境内地形地貌多样、特殊，以丘陵地形为主，下垫面非均匀分布特征明显，造成冷热源水平分布存在差异，以致雷暴、冰雹等强对流天气时有发生，常给当地生产、生活造成重大影响。福建强对流天气一年四季均可发生，以3～4月最多，多伴有冰雹出现[1]。因而，做好强对流天气预报预警是福建省3～4月同期预报的首要工作。

由于强对流天气具有尺度小、发展快等特点，常常孤立出现在一个县或一个乡村，局地性很强；同时，强对流天气发生时间一般在十几分钟到半小时左右，非体上离散性较强，其预报难度很大。在短临预报时效内，俞小鼎[2]探讨了不同类型强对流天气的多普勒雷达识别和预警技术，并结合不同类型强对流发生发展的环境场条件，实现了提前几十分钟到几小时对不同类型强对流天气的预警。分析卫星云图、雷达资料[3-8]是强对流天气短时临近预报的有效预报方法，由于强对流天气突发性强，临近预报对防御灾害部署预留时间短，因此强对流天气潜势预报是目前做好强对流天气预报服务的有效手段。

2019年4月10日(本文所提时间均为北京时间)，福州出现局地强对流天气过程，本文通过分析常规观测资料、自动站资料和福州站CINRAD/CB多普勒天气雷达观测资料、NCEP1°×1°逐6h再分析资料，应用天气学和物理量诊断分析方法，对这次过程的环流背景、物理量场和雷达产品特征进行分析，探讨此次强对流的发生机制，以期加深对福建省局地强对流天气的认识。

2 强对流天气概况

2019年4月10日午后至傍晚，福州市西部出现冰雹、雷雨大风、短时强降水等强对流天气，其中闽清县三溪乡、闽侯县竹岐乡和市区的仓山马尾一带出现冰雹；闽清三溪乡冰雹开始于14：00左右，冰雹约黄豆大小，闽侯竹岐乡冰雹开始于14：10左右，大概持续3分钟，冰雹约拇指大小，仓山一带冰雹开始于15：10左右。永泰、闽侯、闽清出现6～8级雷雨大风，永泰局地出现大于 30mm·h-1的短时强降水。从强对流天气的实况落区分布来看，福州市的中部出现雷暴，冰雹、短时强降水和雷雨大风比较集中，8级以上雷雨大风出现3站次，以闽侯白沙镇的18.8m·s-1（8级）为最大，出现在13：15，短时强降水共计4个站次，最大42.1mm/h，出现在16～17时，表明这次强对流具有强局地性。

图1 2019年4月10日冰雹及大风监测实况

3 环流背景及影响系统分析

3.1 中低层影响系统配置

4月10日08时500hPa(图2a)福建省处在副热带高压的西北侧和高空槽前西南气流控制下，最大风速达28m/s的西南急流从广西百色指向长江口，有利于暖湿气流向福建省输送及不稳定能量的积聚；500hPa中纬度高高空槽东移，槽底达江苏中部，引导冷空气补充到入海的江淮气旋中，导致低层有海上冷空气回流；08时850hPa切变线位于日本南部至闽中，闽中北部沿海处在入海后的江淮气旋切变线底部，随着江淮气旋的东移，切变线北段东移入海，但由于西南风的北推，切变南段仍维持在闽中北沿海，因此14时闽中北沿海仍在850hPa切变线附近；08时925hPa福州和厦门站均为西北风，切变线已东移至台湾海峡，随着西南气流的北推、新一股冷空气和海上冷空气回流形成西南风、西北风和东北风的三股气流在福建中部沿海汇合的形势，强对流发生在三股气流交接的区域。08时700hPa位于江西西部的温度槽在 14时东移到福建省中北部(08时图略，14时见图2b)；08时850hPa在福州市南部及以南地区为 24小时正变温，福州市中北部及其以西以北有 24小时负变温(图 2c)，随着冷空气从海上渗透南下，14时850hPa的24小时负变温区域南压至厦门(图略)；08时925hPa的24小时0℃的变温线位于福建西部和浙江南部(图略)，随着低层冷空气的南压，在中午925hPa 24小时0℃的变温南压至闽中地区，14时925hPa莆田市及其以南地区为24小时有正变温，莆田市以西以北有24小时负变温(图 2d)，说明冷暖空气的交汇触发了此次强对流过程。

图2 4月10日08时500 hPa流场和588dagpm线(阴影为风力大于26m/s) (a);10日14时700hPa 温度场 (b); 10日08时850hPa 环流形势和24小时变温(阴影为小于0℃)(c);10日14时925hPa 环流形势和24小时变温(阴影为小于0℃)(d)

3.2 地面分析

10日11时地面图上，在华南到福建中部地区存在暖脊，暖中心达到 30℃，闽中沿海等压线、等温线和等露点温度线密集，同时地面倒槽发展，低值中心与暖中心对应，锋区位于闽西和闽中附近（图3a），11时地面三小时变压图（图 3c）可以看到，在 08时至 11时，在浙江沿海存在一个+2.1hPa的正变压中心，表明江淮气旋入海后，冷空气自浙江沿海向西南扩散，遇到戴云山脉后，在闽东堆积。从图3e可以看出，14时，福建省大部处在暖区控制下，暖中心达 34℃，随着冷空气从沿海和西北面两路扩散南下，地面静止锋东段有所南压西移，西段南压东移，且东段锋面由福州市区移至闽清附近，福州市开始降温，但是福州市区以南以西、三明市以南以东气温仍较高，冷暖空气在闽清尤溪一带交汇，有利于强对流天气的发生，同时受戴云山脉的影响，对流先在尤溪县发展(图3d)，随着500hPa偏西气流的引导向东移，14时左右在地面静止锋作用下在闽清附近加强(图3e、3f)。地面静止锋与地面热低压相结合触发强对流发展，给福州市带来了雷雨大风、冰雹等强对流天气。

图3 10日11时地面分析图(a); 14时地面分析图(b);08-11时地面3小时变压(c);12:36雷达拼图; 13:1雷达拼图(e);13:48雷达拼图(f)

4 物理量诊断分析

4.1 稳定度分析

按溃变理论所设计的V-3θ图主要是以结构方式揭示非规则信息的结构特征及其作用[9-10]，对天气演化转折性过程中的灾害天气预测设计的。V-3θ是用单站探空资料计算和绘制出的垂直方向上的两维图，V表示探空资料中风向、风速；3θ即θ、θsed、饱和θsed，其中θ是位温，θsed是以露点温度计算的假相当位温，饱和θsed是假定饱和状态下的位温。当出现超低温、结构不均匀性及顺滚流三个特征时可以判断有强对流天气的潜势。超低温即3条θ曲线在400～150hPa之间出现陡然左倾或者与T轴呈钝角时；结构不均匀即3条θ线随着气压的增大向左倾呈线性递减，或随着增大不变或少变，可以理解为该层大气的垂直结构极度不均匀，而且积聚了不稳定能量有待释放；顺滚流即高层与低层的风场矢量差为偏西风、偏北风。具备以上三个特征则可预报冰雹大风等强对流天气。

从08时福州站V-3θ图上可以看出(图4a、b)，θse线、饱和θse线在1000～500hPa之间出现了左倾或多折拐的非均匀结构，表示该层大气的垂直结构极度不均匀，而且积聚了不稳定能量有待释放；θse线与饱和θse线300hPa以下距离都较大，但是中层（600～500hPa）的水汽小于 10K比上下层都略好，说明了水汽分布不均匀，存在着潜在不稳定性；从垂直风场上看，在底层（1000～925hPa）随高度的变化风场存在顺滚流，即底层以上升气流为主，但是925 hPa以上为逆滚流，福建省预报员手册[14]指出3θ结构为非均匀，但流场是逆滚流，则逆滚流将在12～24小时之内转为顺滚流，从20时福州V-3θ图可以看出925hPa以上转成顺滚流。从图4(c)可见，0～6km垂直风切变达26m/s，有利于大风形成；按福州站当天最高温度订正后cape有600J以上，只能说该日具备有一定的不稳定能量条件，但离出现冰雹的条件还相去甚远，其原因在下文进一步分析。

图4 4月10日福州站V-3θ(（a）08时；（b）20时);订正后的福州站tlogp图(c)

Δθse（500-850）是表示稳定度的物理量，《福建省预报员手册》[11]指出，不稳定区北侧均存在着一条东西向强Δθse（500-850）锋区，南北5个纬度Δθse差值达 15K以上，Δθse（500-850）的分布与冰雹落区有较好的对应关系。从08时Δθse（500-850）分布来看（图5），从广西到福建都存在一条东北—西南向的不稳定区，不稳定中心在广西，达-20K，福建大部Δθse（500-850）在-10～-14K，不稳定区北侧均存在着一条东西向强Δθse（500-850）锋区，南北5个纬度Δθse（500-850）差值达40K，锋区在浙江南部至福建北部地区，福州处在强不稳定区，强对流发生在Δθse(500-850)负值中心的附近。

图5 10日08时Δθse（500-850）场 (单位： K)

4.2 水汽条件

分析该次强对流过程700hPa和850hPa的比湿分布，10日08时700hPa在福建中部有10g/kg的比湿，08时850hPa的比湿在福州有12g/kg。强对流发生前（08时）低层福州处在上干下湿和高温高湿的环境中（见图4c），为冰雹发生提供一定的水汽和不稳定条件。

4.3 动力条件

从低层涡度场(图6a、c)分析可以明显看出，在08时1000hPa和850hPa有正的涡度中心在福州市附近，中心值为4×10-5S-1，且1000hPa福建沿海整片处在正涡度中心，同时在浙江省有负的涡度中心，在闽浙交界处存在涡度密集带，南北3个纬度涡度差值达6×10-5S-1；从14时1000hPa的涡度场可以看出（图6b），负涡度从浙江南部沿海向南推进，到达闽中沿海，涡度锋区也南压至闽中沿海，说明冷空气进一步南压，此次过程冷空气起了触发抬升作用；从14时强回波带上[(25.8°N；117.6°E)～(26.4°N；120°E)]的散度垂直剖面分析(图略)，可知在强对流区附近的底层850hPa以下为辐合，500～300hPa为辐散，所以上升运动基本在500hPa以下。

10日08时强回波带上[(25.8°N；117.6°E)～(26.4°N；120°E)]的垂直速度剖面(图略)可分析出在闽清、闽侯附近700 hPa以下垂直上升速度为正值，存在抑制对流发生的暖盖(08时福州站tlop图上925 hPa以下存在逆温)，由于冷空气从沿海渗透南下，从沿海至内陆700 hPa以下转为上升运动，临近冰雹发生时强上升中心在 925～850hPa，中心强度为-0.45Pa·s-1(图 6d)，强的上升运动在700 hPa以下，上升层比较浅薄，这些条件仅够出现一般的对流性天气，至于为什么出现冰雹，原因在下文分析。

图6 4月10日08时1000hPa涡度(a)、14时1000hPa涡度(b)、08时850hPa涡度(c)(单位: 10-5S-1)4 月 10 日 14 时 [(25.8°N；117.6°E)～(26.4°N；120°E)]的垂直速度剖面图(d)(单位:Pa/s)(红色三角形位置为闽清、闽侯附近位置)

4.4 能量条件

假相当位温θse是同时表征温度和湿度的参数，因而在中尺度天气图上可以绘制等θse线，分析确定高低θse值区(或湿静力能量高低能区)和能量锋区的位置[12]。从θse场分布看，强对流出现前10日08时粤西-闽东一带低层有一个高湿高能轴。从图7a可以看到，10日08时在1000hPa上有一条高能舌从广东伸至福建东部，高能舌中心强度在352K以上，由此说明，强对流发生前在闽东底层已经有大量湿热能量集中，浙江南部存在等θse密集区，形成能量锋。14时随着冷空气的南压，1000hPa能量锋亦南压至福州南部沿海，能量锋位置与地面静止锋位置较一致，高能舌从粤东沿着闽中山脉伸至闽中北(图7b)。10日08时850hPa上有一条高能舌从广东西部沿海伸至浙江南部沿海，高能舌中心强度在344K以上，随着海上冷空气的渗透，北段能量锋南压至闽中沿海（图 7c），海上南下冷空气起到触发强对流发生的作用；能量锋随着高度向北倾斜，从图7d可以看出，700hPa的能量锋位置偏北，在浙江北部，说明底层冷空气先渗透南下，且锋面坡度较小，抬升高度较低，此次过程主要在能量锋的触发下产生强对流天气。

图7 10日08时1000hPa假相当位温(a)、14时1000hPa假相当位温(b)、14时850hPa假相当位温(c)和14时700hPa假相当位温(d)

5 雷达产品特征分析

此次强对流过程回波于12：30在尤溪发展起来，逐渐东移，对流单体在闽清附近加强，福州雷达13：57在4.3°仰角上可以看到三体散射长钉，14：03在 6.0°仰角上也出现了三体散射长钉，在回波最强盛的时段，在福州雷达的基本反射率 0.5o～6.0°仰角上均可以看到明显三体散射长钉（图8），三体散射持续出现6个扫的时间，且每个仰角强回波中心并不重合，随高度增加强回波略向偏南方向倾斜，坡度不大，没有出现明显钩状回波。回波在移动过程中在 15：10左右再次加强，15：12在2.4°仰角出现了长钉回波和旁瓣回波（图略）。

图8 福州雷达14:09基本反射率因子

在14：09福州雷达的基本反射率剖面上（图9），回波顶高9km以上，60dBz 以上强回波高度达8km，大于50dBz的强回波柱从底层一直伸展到9km以上，从探空上看10日08时的-20℃层高度为7978km，50dBz强回波高度超过-20℃层高度，同时强回波柱出现明显的前倾，并有明显悬垂。在悬垂下方低层有弱回波区，典型的冰雹 RHI特征，由于 08时的 0℃层高度为4831km，对于福建春季来说有些偏高，所以此次强对流的冰雹不大，局地性强。

图9 福州雷达14:09沿白色直线作反射率因子剖面

垂直液态含水量（VIL）[13]是指降水云体中，某一确定的底面积的垂直柱体内的非含水量，它对强对流尤其是冰雹特别敏感，原因是冰雹云体固态水成分多，导致 VIL量值很大。因此，垂直液态含水量可以作为判断暴雨、冰雹等强对流天气的重要指标之一。从福州雷达分析这个风暴开始加强的风暴趋势演变（图 10）。自 13：50分出现大于 60dBz 以上的强回波之后，回波继续加强，14：14最大反射率增加到70dBz，回波顶高度从6.1km 升高到10km，最大反射率因子所在高度从2.5km升高到6km，13：50之后VIL值从30kg/m2跃增到55kg/m2，VIL值的这次跃增，反映了云体内冰雹粒子在生长并迅速碰撞并长大，且在14：00至14：20强冰雹指数达到100%。强回波在维持了4个体扫之后，在14：20虽然反射率维持在 60dBz以上，VIL值达到45kg/m2，但最大反射率所在高度由6km下降到3.5km，回波中心正在闽清和闽侯交界处上方，此刻发生冰雹降落至地面，并伴有雷雨大风。之后回波开始减弱，14：38最大反射率所在高度进一步下降到 1.0km的云底高度上，回波质心高度也下降，VIL降至30kg/m2左右。

图10 4月10日14:38福州雷达风暴追踪产品

6 弱的不稳定层结条件和垂直运动条件下出现冰雹的原因分析

上文已经讨论了本次过程福州站的探空条件和动力条件都一般，仅够出现一般的对流性天气，是什么原因出现“拇指”大的冰雹，下面从能量、动力和地形方面分别分析。

首先闽清站的对流不稳定能量与福州站存在一定的区别。从雷达组合反射率来看 40dBz回波的范围为10～20km，属于中-γ尺度，福州站距离闽清县三溪乡有近50km，距离闽侯县竹岐乡有20km，所以用福州站的探空来分析，捕捉不到中尺度系统。图4c用福州站当日最高气温订正后的对数压力图，前面已经分析了，该日有冷空气从海上渗漏至福州市，靠近沿海的福州站与靠近中部山带的闽清站之间存在明显的温度锋区，从自动站上可以看出 10日13～14时，闽清三溪站附近气温达32℃，本站气压993hPa，订正时，应该用修正抬升点，订正后，cape值达到1700J(图11a)，这一点在业务应用中应引起重视。

其次，动力条件存在差异，动力条件分析表明垂直上升运动的层次不高，只突破0℃层高(4831km)，仅此难以判断会出现冰雹，但从雷达产品分析可知，13：50-14：38 回波达 6.0～10.0km，垂直运动还是非常强的，与图6d的差别太大了，这是由于NCEP数据同化时，分辨率较低，不能反映出中尺度系统的上升运动情况。

第三是地形，三溪地处戴云山脉的北坡，梅溪流域的水流方向自南向北，从自动站数据可以看出（图11b），13：00-14：00为东北风，空气流动方向与水流方向呈对吹，水流对风向的摩擦加强了空气辐合，提供了额非的垂直上升动力。

图11 4月10日用闽清站气象要素订正的tlop图(a);13:00-14:00福州地面风场(b)

7 结果与讨论

利用福州新一代天气雷达资料、NCEP/NCAR 1°×1°逐六小时的全球再分析资料及常规观测资料，对2019年4月10日发生在福建福州地区的局地冰雹、雷雨大风等强对流天气的环境条件、中尺度特征等方面进行了详细的分析，得出以下结论：

（1）本次局地风雹过程，福建省处在副热带高压的西北侧和高空槽前西南气流控制下，回波在锋前暖区、闽中山脉附近发展，并在海上南下冷空气与暖空气的交汇及925hPa三支气流的辐合作用下迅速加强，福州地区出现了冰雹、雷雨大风等强对流天气。

（2）过程发生时地面高温高能，在日常业务中不仅要分析大尺度影响系统，还要加强对地面温压湿等中小尺度系统的分析。

（3）V-3θ图能看出湿度大小、湿层深厚、超低温、顺滚流、强不稳定非均匀结构等特征。通过这些特征结合其他物理量进行诊断分析，能更好地预报强对流过程。

（4）过程动力抬升在700hPa及以下，低层正涡度中心有利于底层的辐合上升，上升层突破0℃层高度，注意分析地形的额非抬升作用。θse850hPa达346K以上，表明有湿热能量集中；涡度锋区（1000hPa南北3个纬度涡度差值达6×10-5S-1）和θse的锋区（850hPa南北3个纬度假相当位温差值达22K）与冷空气南下的位置对应，强对流发生在涡度锋区和θse的锋区前沿且在Δθse(500-850)负值中心的附近，其负值中心达-20K以上，能量锋有利于激发释放大量不稳定能量，易产生强对流天气。

（5）在回波发展的成熟阶段，雹暴最强回波达到70dBz以上，回波顶高ET在8～10km，VIL 最大值达55kg/m2。VIL在降雹前出现跃增，VIL值从 30kg/m2跃增到55kg/m2，-20℃层高度回波强度超过50dBz，单体结构出现明显的前倾，并具有回波悬垂、有界弱回波区、三体散射长钉等回波特征，但0℃层高度对于福建春季来说有些偏高，所以此次强对流的冰雹不大，局地性强。

（6）在强对流监测预警中，关注雷达的风暴追踪产品，其对冰雹的预报具有很好参考价值，提前量10min左右，其对下游地区的指导意义较大，下游地区可结合当地物理量配置和形势，提高冰雹预报预警的提前量和准确率。

（7）分析中尺度系统时，当该系统距离最近的探空站超过20km，尤其是有锋面存在时，对t-logp的订正要用该区域本站的要素进行修正。