2019年2月黔东北锋后冷区两次高架雷暴过程的对比分析

胡 萍，刘玉林，杨 群，聂 云，张李娟，冉仙果

（1.铜仁气象局，贵州 铜仁 554300；2.池州市气象局，安徽 池州 247000；3.沿河县气象局，贵州 沿河 565300）

雷暴是一种伴有雷击和闪电的深厚湿对流天气，常伴有大风、冰雹、短时强降水等其他强对流天气，由于其较强的突发性和破坏性的特点，经常会引起严重的气象灾害和次生灾害，造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡[1-3]。研究表明大气边界层条件对雷暴触发有着非常重要的作用，还有一种是在大气边界层以上被触发的雷暴天气，称为高架雷暴，它与传统雷暴天气有本质的区别，其暖层位于850 hPa以上而非近地面[4-6]。中国的高架雷暴天气多发于早春和深秋，低空存在较强的逆温层，雷暴出现在冷锋后部，灾害性天气以冰雹为主，有时也可能只伴有短时降水或大风[7]。近年来有学者开始关注高架雷暴的预报着眼点、天气学背景及多尺度特征[8-17]。盛杰等[8]对中国春季冷锋后的高架雷暴天气特征进行了深入分析，总结了高架雷暴天气发生的条件及预报着眼点；张一平等[9]研究发现出现在冷锋后部的高架雷暴与传统雷暴的触发机制不同，这是因为地面低温不易于触发雷暴，而实际上是在大气边界层以上触发的；陈军等[10]也指出高架雷暴是在锋后冷垫上形成的；传统雷暴天气的发生需要水汽、层结不稳定及抬升触发条件，这对于夏季对流性天气来说较容易满足[11]，而冬季地面温度较低，冷空气活跃，雷暴天气的预报难度更大。2019年2月17日傍晚到夜间和20日夜间贵州铜仁连续出现了两次高架雷暴天气。这两次过程均有高空槽、中低层切变和低空急流的配置，伴随着冷空气的不断南下补充，铜仁均出现了强闪电和小雨天气，但17日夜间铜仁南部出现雨夹雪、北部出现冰粒或霰，地势高处有小雪。在冬末长时间低温凝冻天气背景下铜仁出现这种复杂多样的天气较为少见，因此本文基于天气学分析和物理量方法，通过对雷暴天气发生前后的高空环流形势、水汽条件、不稳定层结和动力抬升条件进行初步分析和诊断，以期总结贵州铜仁冬季高架雷暴天气过程的成因，为此类特殊强对流天气的预报预警提供参考。

1 天气实况与环流背景

1.1 天气实况

2019年2月17日17时铜仁自西向东开始出现雷暴天气（图1a），闪电主要集中在铜仁西部、北部，并在沿河县、松桃县和印江县出现冰粒或霰，19∶45雷电开始减弱，21时仅在玉屏、万山县出现少量对流闪电，铜仁南部则出现雨夹雪，且在地势高处出现小雪，伴有道路结冰和电线积冰，东南部区县气温＜0℃。

2019年2月20日21时出现雷暴天气（图1b），以强闪电为主，范围较大，全市均有闪电，逐渐增强，23时达最强，强闪电主要集中在思南、德江、石阡、江口及松桃，21日00时闪电位置东移至江口县、松桃县及碧江区，范围减小；01时逐渐减弱消散。夜间铜仁中部部分乡镇出现中雨，范围较“02·17”过程小，各区县城区为小雨，除万山镇外，其他区县气温均＞1℃。

图1 两次高架雷暴天气过程天气实况

对比两次过程实况特征可知，两次过程均出现强雷暴并伴有降水发生，但“02·17”过程在铜仁西部和北部午后到傍晚时段出现冰粒或霰，南部夜间出现雨夹雪、地势高处有小雪，局部有冻雨；“02·20”过程在夜间出现了强雷暴，但降水相态以降雨为主，没有出现冰粒或霰。

1.2 环流背景分析

“02·17”过程，铜仁17日08时处于500 hPa南支槽前、700和850 hPa切变线之间。200 hPa上我国东部地区中低纬度有北支和南支两支高空急流，风速分别达32～48 m/s和48～56 m/s，两者在长江中下游地区汇成一支。700 hPa西南急流位于滇中—黔中—长江中下游一带，怀化站风速达24 m/s，0℃线进入铜仁北部，重庆中部短波槽后强西北气流引导冷空气从850 hPa及以下侵入铜仁，并有一支东北气流位于南海—桂北偏南急流顶部，风速达12 m/s，0℃线进入贵州中部，铜仁中南部上空有逆温层；铜仁位于地面贵州西南部边缘冷锋后部，气温不断下降，在低层有冷空气垫形成，呈现出“上下冷、中间暖”的不稳定层结，有利于强对流天气的发生发展。17日20时（图2a）500 hPa蒙古冷涡东移加强，北支槽和南支槽东移加深，槽前西南急流建立，与700 hPa西南急流位置相当，怀化风速增至38 m/s；700 hPa切变维持在四川中东部，急流东移南压至桂北—黔东南—长江中下游一带，怀化偏南风矢量增大，南海水汽输送增强，0℃线略北抬至铜仁北部边缘；850 hPa低涡切变分段，分别位于华南中部、长江中下游，西南急流顶部风速增至18 m/s，怀化仍维持偏东风，而贵阳由东北风转东南风，0℃线维持，逆温层增厚；500 hPa上-12℃线进入贵州南部边缘，铜仁处于-12～-16℃温度层，地面冷锋维持，4℃线位于贵州省中南部，铜仁温度在1℃左右，铜仁中南部有弱的大气层结不稳定且具有较深厚的逆温层配置，有利于弱雷电、雨夹雪天气的发生，地势高处在0℃以下，因此产生了冻雨。

“02·20”过程，20日08时500 hPa上里海长波槽加深东移，高原波动槽移至贵州西部，位于槽前的怀化站风速达34 m/s；700 hPa四川东北部有低涡生成发展，西南急流位于滇南—黔中—长江中下游一带，怀化站风速达24 m/s；850 hPa低涡切变南压至铜仁中部，低涡南侧南海—桂北—湘中的偏南急流顶部风速达14 m/s；冷锋位于贵州中西部，铜仁处于锋后均压场中，大气层结处于稳定状态。20日20时（图2b），500 hPa上贝加尔湖长波脊稳定维持，波动槽维持在贵州中西部，怀化风速减至22 m/s，500 hPa上-12℃线位于贵州南部，铜仁亦位于-12～-16℃温度层；700 hPa低涡切变维持，急流南压至桂北，怀化站风速为22 m/s，0℃线维持在铜仁北部，水汽处于未饱和状态；850 hPa低涡切变东移南压移出贵州，怀化由西南风转为偏北风，东北气流增强，0℃线维持在重庆中部，水汽饱和；铜仁上空中低层为“上干冷、下暖湿”的不稳定层结配置，有利于对流天气的发生。地面上随着冷空气补充南下，冷锋移至贵州西南部，铜仁出现强雷暴伴有降水，而此时铜仁地面温度在4℃左右，中低层0℃线未进入铜仁，不利于雨夹雪及冻雨的形成。

图2 两次高架雷暴天气过程环流系统配置

高空低槽、中低层切变、低空西南急流及地面冷空气补充加强是这两次高架雷暴天气的主要影响系统。“02·17”过程南支槽、中低层存在逆温层、较深厚的湿层、云顶温度低造成了雨夹雪及冻雨天气；而“02·20”过程浅槽、湿层浅薄、云顶温度高、上干下湿的不稳定层结产生了强雷暴并伴有液态降水。

2 结果与分析

传统雷暴产生的三要素为水汽、不稳定能量及抬升触发条件。冬末发生在铜仁的两次雷暴天气过程均出现在冷锋过境、地面气温持续偏低的背景下，不具备较高的不稳定能量，是一种在逆温层以上被触发的雷暴，因此它的产生机制与传统雷暴存在差异。

2.1 探空资料及不稳定条件分析

2.1.1 探空资料分析

分析2019年2月17日08时距铜仁最近的湖南怀化站探空资料（图3a）发现，低层840 hPa以下为冷垫，地面气温在2℃左右，840～800 hPa为锋面逆温，逆温层强度达11℃。冷垫以上风随高度顺转，为暖平流，表明冷垫以上有暖湿气流爬升，进而在合适的条件下触发雷暴。逆温层顶～650 hPa大气是暖湿的、650 hPa以上是干冷的，形成逆温层以上“上干冷、下暖湿”的不稳定层结，有利于对流性天气的发生。此外，由于逆温层的存在，降水粒子在下降过程中产生融冻机制，由于此次过程湿层高度较高，降水粒子以固态形式存在，同时逆温层底温度较低，因此更有利于产生冰粒或霰。17日20时，暖湿气流爬升至600 hPa处，怀化站探空逆温层以上仍存在“上干下湿”的不稳定层结，有利于产生强对流天气，而从铜仁上游的贵阳站探空图（图3b）可知，由于不稳定能量的释放，贵阳站探空曲线中的不稳定层结基本消失，但湿层高度进一步爬升至400 hPa，有利于产生雨夹雪或雪。同时由于逆温层的存在和地面气温的下降，在铜仁南部高海拔地区出现冻雨。

20日08时（图3c），880 hPa以下为冷垫，厚度为1 km，地面气温在2℃左右，880～800 hPa为逆温层，其厚度较“02·17”过程浅薄，但逆温强度达13℃，逆温层顶～750 hPa湿度条件较好，750 hPa以上有干冷空气的堆积。20日20时（图3d），锋面逆温强度减弱至12℃，暖湿气团爬升至710 hPa，高层干冷空气持续下沉，形成“上下冷、中间暖”的不稳定层结，有利于强雷暴天气的发生。从风廓线图也可以看出，冷垫以上风随高度强烈顺转，表明有暖平流且有很强的垂直风切变，由于强的垂直风切变和中高层干空气侵入可以加强风暴中的下沉气流和低层冷空气外流，并通过强迫抬升流入的暖湿空气使上升运动更加强烈，从而导致铜仁出现大面积雷暴天气。由于此次过程湿层厚度薄、逆温层底气温较高，因此降水相态以降雨为主。

图3 两次高架雷暴天气过程T-ln P

两次高架雷暴天气过程都有强逆温层存在，表明冷垫以上有暖湿空气爬升，探空曲线都呈现“上下冷、中间暖”的不稳定层结，因此均有利于高架雷暴天气发生。两次过程的降水粒子在下降过程中均存在融冻机制，但“02·17”过程的湿层厚度较“02·20”过程深厚，降水粒子一开始就以固态形式存在，同时由于逆温层底气温更低，因此更有利于产生冰粒或霰。夜间时段由于不稳定能量的释放及湿层厚度加大，铜仁南部产生了雨夹雪或小雪，同时由于逆温层的持续存在以及地面气温的进一步下降，在地势高处产生了冻雨。“02·20”过程锋面逆温强度、干层厚度都较大，受冷空气扰动的强度较大，但逆温层底气温较“02·17”过程高，湿层浅薄，降水相态以降雨为主。

2.1.2 热力不稳定条件

表1给为2019年2月17日08、20时和20日08、20时怀化站、贵阳站的对流参数。两次过程的K指数、SI指数、CAPE均不利于传统雷暴天气的发生发展，这说明高架雷暴和传统雷暴天气发生时的情况明显不同，但对流层中低层之间的强垂直风切变、700～500 hPa较大的温度直减率对这两次高架雷暴天气的发生发展具有很好的指示意义。

表1 两次高架雷暴过程怀化站、贵阳站的对流参数

17日08时怀化、贵阳对流层低层850～700 hPa的垂直风切变分别为28.2、27.8 m/s，20时的垂直风切变略减小，而700～500 hPa的垂直风切变增大，这是因为“02·17”过程的强雷暴主要发生在17—18时，20时后逐渐减弱消失，说明雷暴发生后释放了部分不稳定能量，导致对流层低层的垂直风切变减小，但由于高空槽前正涡度平流输送，上升运动增强，高空风加强，所以导致对流层中层的垂直风切变增强。20日08时怀化850～700 hPa的垂直风切变逐渐增大，20时增至25.3 m/s，怀化、贵阳700～500 hPa的垂直风切变显著增强，这说明有不稳定能量的积聚，22时后发生雷暴天气，23时范围增大，强度增强。从700～500 hPa的温度差来看，17日08、20时怀化站分别为30、18℃，贵阳站为14、17℃，而20日20时怀化站为16℃，贵阳站为17℃。陈军等[10]对贵州地区的高架雷暴研究发现，当700～500 hPa的温差≥16℃时，有利于高架雷暴天气发生，说明这两次高架雷暴天气过程700～500 hPa大气层结不稳定，而17日的不稳定层结更强，因此产生了更复杂的对流性天气。

2.1.3 对流不稳定条件

冬末两次高架雷暴天气均发生在低层冷平流和中高层暖平流的不稳定层结环境中，因此其不稳定能量来源于逆温层以上。

利用NCEP再分析资料绘制2019年2月17—20日700与500 hPa假相当位温θse的差值Δθse分布图（图4）可以看出，17日14时（图4a）铜仁假相当位温差值在2～4℃，为正值，说明700～500 hPa存在对流不稳定。高架雷暴发生后，18日02时（图4b）铜仁差值减小到2℃左右，对流不稳定开始减弱。18日08时（图4c）铜仁假相当位温差转为负值，为对流稳定。20日14时（图4d）铜仁为弱对流不稳定，21日02时（图4e）对流不稳定增强，21日08时（图4f）铜仁假相当位温差值转为负值，为对流稳定，表明对流不稳定能量释放完毕。

图4 两次高架雷暴过程700与500 hPa的假相当位温差值Δθse的分布（单位：℃）

两次高架雷暴天气的强雷暴区均落在假相当位温差值锋区东南部的对流不稳定区域内，两者对流不稳定能量相差不大。

为了进一步说明铜仁两次高架雷暴天气的大气垂直结构和动力特征，利用NCEP再分析资料沿109°E做假相当位温、温度和风场垂直剖面（图5）。为了处理方便，将锋面的下界面约定为294 K，上界面约定为318 K[18]。由图5可知，θse锋区特征线下界下方为来自中高纬度地区的冷气团，锋区特征线上界上方为来自热带洋面的暖气团，两特征线上下界之间为冷暖气团的过渡带，即锋区，锋区向北倾斜。17日14时，锋区下方有弱冷空气渗透至铜仁近地层，冷区θse＜291 K，受东北气流影响，锋区上方西南暖湿气流沿锋区上界面爬伸至铜仁上空750 hPa附近，θse＞321 K，高空急流显著增强，中低层偏南风分量增强，铜仁中南部上空750～550 hPaθse随高度增加而减小，说明750～550 hPa为对流不稳定层，而在逆温层以上700 hPa西南急流风速脉动过程中产生强风速辐合，触发强对流天气。雷暴过程发生后的20时（图5a），750～600 hPa存在弱的不稳定能量，在铜仁上空850～700 hPa存在逆温层，使得冰晶下降过程中经过融化层转化成雨或雨夹雪降落，同时锋区下方冷空气团增强，-4℃线已经伸至近地面，地势较高处温度在0℃以下，形成冻雨天气。20日14时，锋区下方弱冷气团中心位于铜仁近地面，锋区上方暖舌伸至铜仁南部上空750 hPa附近，高空急流维持，铜仁上空800～600 hPaθse随高度减小，为对流不稳定大气层，900 hPa以下为东北气流，风速为4 m/s。20时（图5b），锋区下方冷气团继续南移，铜仁上空850 hPa以下转为东北气流，风速增至6～8 m/s，700 hPa西南急流略微减弱，但偏南风矢量增加，锋区上方的暖气团随着锋区的抬升向北倾斜，斜压性增强，逆温层以上700 hPa西南急流减弱，由于急流强度的脉动过程中产生了风速辐合，并在辐合区附近触发强对流天气，释放不稳定能量，另外，逆温层强度较强加之700 hPa以下几乎为暖层，故以小雨为主，02时随着冷空气不断地补充加强，近地层均为冷空气团控制，雷暴天气结束。

图5 两次高架雷暴过程假相当位温（实线，单位：K）、温度（填色，单位：℃）及风场（风向标，单位：m/s）沿109°E的垂直剖面

2.2 水汽条件

利用NCEP再分析资料绘制2019年2月17日20时和20日20时铜仁地区附近的风场和比湿场分布图（图6）可以看出，17日20时700 hPa有强盛的西南急流（图6a），最大风速达18 m/s，铜仁的比湿为5～6 g/kg，风速为16～18 m/s。20日20时700 hPa西南急流仍然维持（图6b），铜仁的比湿为5 g/kg，风速为12～16 m/s，比“02·17”过程的风速要小，但都存在正的比湿平流，强盛的700 hPa西南急流为高架雷暴天气的发生提供了丰富的水汽输送，有利于冷垫以上对流不稳定的增长。850 hPa上（图6c），17日20时铜仁为东南风且有风速风向的辐合，比湿为3～4 g/kg，西南急流源源不断地朝贵州中部以北输送水汽，在铜仁中部与偏东南气流汇合，北部有来自北方的东北冷空气回流。18日02时850 hPa西南急流增强，低涡切变在铜仁西部发展。20日20时850 hPa西南急流仍然存在（图6d），比湿为4～5 g/kg，暖切变位于贵州中南部，铜仁受东北气流影响，受风向的辐合影响更大一些。

图6 两次高架雷暴过程的风场（风向标，单位：m/s）和比湿场（虚线，单位：g/kg）分布

“02·17”过程铜仁700 hPa风速和比湿较“02·20”过程大，而850 hPa的风速辐合和比湿较“02·20”过程小，说明“02·17”过程水汽辐合高度较高，加之有不稳定能量的配合，所以产生了冰粒或霰等复杂天气，而“02·20”过程水汽辐合主要位于对流层低层850 hPa及以下。

3 结论

利用高空、地面气象观测资料及NCEP再分析资料，对贵州铜仁2019年2月两次冷锋后部的高架雷暴天气进行了对比分析，得出以下结论：

（1）冬末黔东北的两次高架雷暴天气的主要影响系统是高空槽、中低层切变及冷空气补充加强，并受700 hPa西南急流脉动产生的风速辐合触发不稳定能量的影响。逆温层以上“上干冷、下暖湿”的温湿层结、对流层中低层的强垂直风切变和强比湿平流及700～500 hPa的温度差达16℃以上，为两次高架雷暴过程提供了较好的水汽、动力、热力和不稳定条件。

（2）“02·17”过程高空具有较深的南支槽，西南急流较强，湿层伸展高度较高，但逆温层底气温较“02·20”过程低，所以在午后到傍晚时段出现了雷暴并伴有冰粒或霰的复杂天气，夜间时段由于湿层高度的进一步抬升及低层气温的下降而产生了雨夹雪或雪，地势高处产生了冻雨。“02·20”过程高空为浅波动槽，槽前辐合较弱，湿层浅薄，但干空气厚度大，受冷空气扰动强度大，逆温层强度较强，云顶温度高，形成较强的雷电并伴有降水。

（3）两次过程的强雷暴区均落在假相当位温差值锋区东南部的对流不稳定区域内，对流不稳定能量相差不大。“02·17”过程的热力不稳定条件较“02·20”过程好，同时由于“02·17”过程水汽辐合高度较“02·20”过程高，降水粒子下降过程中的融冻机制较“02·20”过程更复杂，所以产生了冰粒或霰、雨夹雪、冻雨等复杂天气。

（4）在气温振幅小、冷空气异常活跃的冬末，一旦冷锋南下至贵州西南部一带，在高空槽、中低层切变及低空急流配合的有利天气形势下，极易在铜仁触发高架雷暴。但由于分析个例较少，以后工作中还需要不断总结，提高此类天气的预报预警水平。