宿迁地区2021年4月30日风雹天气的特征分析

2022-09-08邵禹晨丁晓敏颜雅琼

农业灾害研究 2022年7期

唐舟，邵禹晨，周航，丁晓敏，颜雅琼

宿迁市气象局，江苏宿迁 223800

强对流天气是我国重要的灾害性天气之一，通常伴随着短时强降水、雷暴、大风、冰雹以及强雷电等现象。由于其具有突发性强、持续时间短、局地性强、强度大等特点，强对流天气的预报具有很高的难度，且往往破坏力极大，对人们的生活生产安全具有极强的威胁性。

近年来，随着气象探测技术的发展，专家从不同方面对强对流天气展开了研究，并取得了很多成果。有些专家重点研究强对流天气发生发展的潜势预报。许爱华等[1]通过分析2000年以来的近100次强对流天气过程，总结出我国中东部地区强对流天气形势的5类配置：高空冷平流强迫、低层暖平流强迫、斜压锋生类、准正压类以及高架对流。杨露华等[2]针对上海地区1994—2001年的10年强天气个例，总结出6类天气形势。伍志方等[3]通过将广州地区的强对流天气分成2大类和4小类，建立了不同天气的流型。孙燕等[4]提炼出江淮地区的5种强对流环流特征，并分析了多类强天气的发生概率。也有大量的个例针对强对流过程的环境背景进行研究。农孟松等[5]发现连续2 d出现在相同地区的2次雷暴、大风过程的环境条件，分别属于低层暖平流强迫和高空冷平流强迫。王伟健等[6]发现影响苏北地区2次过程的起因分别是暖湿气流的和中高层的干冷气流。许丽丽等[7]指出洞庭湖2次致灾大风环流背景相似，但是回波触发条件不同。周航等[8]发现主要是高空冷涡、低空切变线以及地面辐合线的共同作用造成了宿迁地区一次风雹过程的发生。

有些专家在潜势预报的基础上，分析中尺度特征，重点开展临近预报。俞小鼎等[9]汇总和整理了强对流的研究进展，总结了不同强对流天气的回波特征。吴彩霞等[10]发现VIL最大值出现骤减对雷暴大风预警具有指示意义。王青霞等[11]认为在2018年湖南首场风雹的短临预警方面，需重点关注风暴移动速度的快慢、低层的速度大值区以及多时次出现的中气旋。

以往的研究证实，从每年3月底开始，江苏地区活跃的暖湿空气与南下的冷空气交汇，各种强对流天气发生的频率增加。2021年4月30日下午至夜间，江苏省自北向南出现了大范围的强对流天气。省内153个站点的极大风达到10级以上，其中南通通州湾的日极大风达到了15级（47.9 m/s）。9个市的23个乡镇（街道）出现冰雹，其中宿迁泗阳的穿城镇一带冰雹直径达到3 cm。此次过程具有很强的极端性，雷暴大风强度大、影响区域大以及持续的时间长，给人们的生活生产带来了极大的损失。预报员在过程回顾时发现，数值模式漏报了此轮过程中宿迁地区局地生成的回波，且此次过程对流回波的移动路径和强度与预期相差很大。

利用MICAPS常规气象观测资料、宿迁地区逐6 min的雷达数据以及FNL 0.25°×0.25°再分析数据，分析此次风雹过程的特征，以期为日后风雹过程的预报提供参考，降低风雹过程带来的损失。

1 天气形势与环境条件

1.1 天气形势

分析高低层环流形势可知，在强对流天气发生前，30日08:00 500 hPa在我国东北地区上空存在一个发展旺盛的冷涡。冷涡中心气压为532 hPa，冷中心气温达到了-34℃。副热带高压位置偏南，120°E脊线位于20°N以南，整个华北平原处于冷涡底部的前倾槽影响。槽后的西北急流发展强盛，徐州上空风速可达28 m/s。这支强盛的西北气流源源不断地携带冷空气南下，易导致中低层的垂直风切变的加大、加强对流层中层的气流辐合，为强对流的发生发展提供动力条件。根据以往的研究，高空的强冷平流会导致0℃和-20℃层偏低，易出现冰雹天气。

700 hPa上东北冷涡稳定少动，江苏仍位于西到西北急流的控制区。在我国西南地区存在暖脊发展，呈东北西南向。850 hPa上，在东北和朝鲜半岛附近存在低压槽。苏北地区以西到西南气流为主，徐州上空风速大致为10 m/s。偏西气流为强对流的发生发展提供了水汽条件，但是水汽条件不会特别充沛，不利于强降雨的形成。在湖北、陕西以及湖南南部存在闭合的暖中心，江苏的西部大致位于暖脊上。从3层的上下配置来看，江苏地区500 hPa上西北气流带来的冷空气堆积与低层暖脊的配置，上冷下暖，有利于大气层结不稳定的进一步加深。且从08:00实况来看，江苏地区850 hPa与500 hPa的温差超过了30℃，极有利于江苏地区强对流的发生发展。这次强对流发生发展的环流形势属于比较典型的高空冷平流强迫类过程。

地面图上，14:00安徽江苏和山东三省交界处存在明显的低压系统，苏北地区位于低压中心东南部。且随着时间的演变，低压东移南下，有利于强回波向南传播，这与实况对流东移南下对应。从风场来看，此时宿迁北部存在明显的辐合线，气流辐合，促进上升运动，有利于对流的触发。实况表明，在16:00左右，宿迁北部切变线仍然维持，且在辐合附近触发新生的对流回波，后续此回波与鲁南回波合并东移南压。从地面的14:00温度来看，强对流发生前地面温度偏高，宿迁北部地区温度大于25℃，而临近的安徽地区温度已达30℃。地面高温有利于不稳定能量的积聚，促进强对流的形成和发展。根据实况回波的演变也可以发现，强对流系统的移动发展始终位于地面偏冷的一侧，且与低压系统东移南下的路径大致保持一致，因此地面低压系统东移南下在强对流回波移动过程中起着重要的作用。

图1 4月30日08:00 500 hPa(a)、700 hPa (b)、850 hPa (c)形势场和14:00地面图(d)

1.2 环境条件

利用位于宿迁西北部的徐州的30日08:00单站探空廓线（图2），分析此次强对流发生前的对流潜势，可以发现几个特点：

图2 4月30日08:00徐州探空廓线

一是水汽条件差，整层大气偏干，湿层浅薄。相对湿度大于80%的层结仅出现在600 hPa附近，等露点廓线和温度廓线仅在600 hPa附近比较接近，整体形成了一个“X”形，这就说明整层水汽条件差。从具体的各层结上的物理量来看，700 hPa、850 hPa和925 hPa上，温度露点差分别为10℃、21.8℃和21.1℃。三层的比湿均小于3 g/kg，相对湿度分别为44%、20%和22%。由此可见，大气整层环境偏干，这预示了对流以干对流为主。

二是层结不稳定条件好。由于低层存在逆温层，利用14:00徐州的温度、露点温度以及气压订正抬升点，可以发现层结曲线和状态曲线之间闭合区域面积很大，订正后的CAPE值高达3 080 J/kg。此外，850 hPa和500 hPa的温差高达33℃。这2个数值表明层结是不稳定的且能量充足，有利于对流天气的产生和发展。在特殊层高度上，0℃与-20℃的高度都不高，分别是3.2 km和5.9 km，非常有利于雹云的形成和大冰雹的形成发展。

三是垂直风切变明显。以往的研究证实，风暴的组织和发展与垂直风切变有密切关系，一般而言，在一定的热力不稳定条件下，垂直风切变的增强将导致风暴进一步加强和发展。从探空来看，徐州的 0～3 km和0～6 km的垂直风切变分别为23.5 m/s 和33.2 m/s，非常有利于强对流天气的发生发展。

四是低层存在明显的逆温层。从探空图可以发现，低层925 hPa 附近存在明显的逆温层。逆温层会使得弱的系统无法发生发展，然而也是低层不稳定能量的积累机制。当受到外部冷空气的侵入时，逆温层遭到破坏，大量的不稳定能量就会迅速释放，有利于强天气的触发。

2 物理量诊断分析

天气形势仅仅提供了强对流天气的环流背景，并不能具体判断出强对流天气发生的种类，因此需要从水汽、能量和动力等条件进一步分析各物理量的空间分布，具体研究局地风雹生成发展的环境条件。

2.1 水汽条件分析

已有的研究表明，水汽条件是强对流形成的必要条件，对水汽的需求量，雷暴大风的需求量最小，短时强降水最大，冰雹介于两者之间。从30日14:00的水汽通量（图3a）可以看出，整个江苏地区处于水汽通量的大值区，大部分地区的水汽通量大于10 g·cm-1·hPa-1·s-1，大值中心位于南京附近，中心可达18 g·cm-1·hPa-1·s-1。由此可见，此次强对流发生发展有着必要的水汽，但是水汽条件一般。江苏水汽的来源有两处：一是低涡东移导致偏西北气流带来的水汽，二是来自洋面的水汽。两条水汽输送路径在江苏地区汇合，有着明显的辐合带。未来随着低涡的东移南压，水汽通量大值区相应的东移南落。水汽通量散度图（图3b）可以证实，宿迁北部地区有着较弱的水汽的辐合中心，辐合中心不低于-4×10-7g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽辐合有利于此处局地回波的触发，这与实况16:00左右局地回波形成的位置有所对应。随着回波的东移南压，位于宿迁市东南部的泗阳穿城于17:00左右出现3 cm左右的冰雹。从水汽通量散度的演变可以发现，泗阳一带在14:00～17:00一直处于水汽通量散度的负值区域，因此一直有水汽的辐合为未来冰雹的形成创造条件。

已有研究证实，局地水汽的垂直结构特征对大气稳定度有着显著的影响。图3c给出了泗阳穿城附近比湿的垂直—时间剖面图。从整体来看，此轮过程中穿城的水汽条件一般，近地层比湿最大不超过12 g/kg，850 hPa比湿在14:00～17:00达到最大，仅达到6 g/kg，因此不利于短时强降水的形成。在17:00冰雹形成之前，等比湿线逐渐向上凸起达到大值，湿层厚度逐渐增加，这说明500 hPa、700 hPa以及850 hPa穿城上空的比湿都逐渐增大，水汽条件转好。这也反映水汽输送带的逐渐东移南压影响泗阳。湿层的向上扩展，为冰雹的碰并增长创造了有利条件。随着时间推移，上干下湿的垂直结构特征越来越清晰，这种不稳定结构的建立有利于强对流天气的发生发展。14:00～17:00水汽条件达到最好，各层比湿都有一个较明显的峰值。17:00冰雹出现后，三层水汽逐渐减少，说明水汽输送带进一步南压，对泗阳的影响减小。因此本轮过程以雷暴大风和冰雹过程为主，短时强降水出现的频次很少。

图3 4月30日14:00水汽通量场(a)、14:00水汽通量散度场(b)和泗阳穿城比湿垂直剖面(c)图

2.2 动力条件

图4是泗阳穿城上空的散度和垂直速度时间剖面演变图。从散度场来看，穿城上空存在低层辐合，高层辐散的形势。08:00～17:00，穿城上空850 hPa 及其以下的层次，散度始终维持着负值，代表了低层一直存在辐合。低层辐合在14:00～17:00逐渐增强，在17:00左右辐合达到最强。强辐合中心的散度达到了-10×10-5s-1。850～700 hPa在11:00～17:00始终维持正值，代表着辐散一直存在，最强辐散中心在14:00～17:00始终存在，中心可达10×10-5s-1。300 hPa以上散度始终为负值，维持着辐散，起到了抽吸作用，有利于上升运动的维持，为强雷暴天气的发展提供了有利的环境条件。低层辐合，高层辐散的形势，有利于强对流性天气的触发。17:00，辐合辐散场均达到了极值，相应的实况也就出现了冰雹天气。

分析垂直速度的剖面图（图4b）可以发现，600 hPa及其以下在11:00～17:00始终维持负值，因此此轮过程上升运动时间持续长。最强上升运动出现在17:00，速度可达-0.8 Pa/s。从垂直速度的分布高度上来看，上升运动的伸展高度很高，延伸到500 hPa附近。由此可见，此次局地产生冰雹的一个重要原因是上升运动速度快、发展高度高。因此低层辐合，高层辐散的环境条件以及长时间的强上升运动是此次泗阳穿城冰雹形成的重要原因。

图4 4月30日穿城(a)散度和(b)垂直速度的垂直剖面图

2.3 热力条件分析

强对流天气往往出现在高温高湿区域。假相当位温是表征大气热力学的一个重要物理量，可以同时表征环境的湿度和温度条件。它的垂直分布可以反映大气层结的对流不稳定状况。图5给出了穿城上空假相当位温的垂直剖面图。08:00，穿城上空低层850 hPa以下存在明显的假相当位温的低值中心，中心值小于302 K。700 hPa以上，随着高度增加，假相当位温逐渐增大。上暖下冷的层结配置，易于维持大气稳定。随着时间的推移，低层的假相当位温逐渐增大，且同时向上扩展，在14:00～17:00假相当位温达到极大值，中心值大于332 K。这一时段，高低层的配置反转，850 hPa以下的假相当位温远大于500 hPa和700 hPa的假相当位温。这说明低层逐渐增温增湿，使得不稳定层结逐步建立。17:00以后，假相当位温的低值中心消失，等值线近似于呈垂直的柱状分布。根据湿位涡守恒，等假相当位温线倾斜角度越大，则气旋性涡度越大，有利于形成强烈上升运动。这说明17:00左右，泗阳站上空冰雹的形成，导致不稳定能量得以释放，不稳定层结迅速遭到破坏。因此，低层的增温增湿，为冰雹的形成发展提供了热力条件。

图5 4月30日穿城假相当位温垂直剖面图

2.4 风切变分析

强上升气流的维持还与风切变密不可分。利用再分析资料的500 hPa和1 000 hPa的矢量差，以及700 hPa和1 000 hPa的矢量差分别代表0～6 km与0～3 km的垂直风切变。由图6可知，30日14:00江苏地区的0～3 km和0～6 km风切变都很大，分别大于16 m/s和22 m/s，属于强垂直风切变。省内风切变的水平分布都大致呈西低东高的分布和苏南东南部存在大值区。沿海附近0～3 km和0～6 km的风切变分别大于26 m/s和32 m/s，泗阳地区此时0～3 km和0～6 km风切变分别达到了18 m/s和24 m/s。

图6 4月30日14:00 0～6 km(a)、17:00 0～6 km(b) 、14:00 0～3 km(c)和17:00 0～3 km(d)风切变

17:00，风切变的大值区均略有西扩，江苏东部的大部分地区0～3 km和0～6 km风切变分别大于18 m/s 和24 m/s。泗阳地区17:00的风切变相比14:00略有减小，分别为12 m/s和22 m/s。14:00～17:00，较强风切变一直存在，使得对流回波东移南下的强度得以维持。而17:00泗阳风切变有所减小，不利于强对流的维持，因此实况17:00以后泗阳地区的对流活动逐渐减弱。实况表明未来强回波东移南下，而相应的江苏东部地区的风切变始终维持着强垂直风切变的等级，因此强垂直风切变的存在是强对流活动持续时间长，影响范围广的一个重要原因。

3 雷达观测特征分析

从此次过程的雷达回波来看，影响江苏的对流系统的发展大致可分为3个阶段：山东境内低压附近线状对流发展并东移南压、线状对流前部苏北地区强对流发生发展以及2个回波合并出现阵风锋的影响阶段。宿迁地区冰雹的产生主要出现在第二阶段。

分析第二阶段的多普勒雷达图可以发现，宿迁地区在15:00左右有对流初生。此时对流回波的影响范围很小，回波大致呈块状分布。回波缓慢增强，在16:00左右，宿迁市区观测站和周边多个站点测得了6级阵风。随后，回波进一步增强，并且回波的主体逐渐沿着东南方向移动，进一步扩大影响范围。在东移南下的过程中，对流回波的组织性明显得到了增强，回波整体呈线状分布。回波带上，出现多个强回波单体。在回波东南向移动的过程中，多地的风力增大。观测数据表明在17:00左右，市区的新庄镇关庙镇一直到位于泗阳西北部的穿城镇一带，多地极大风的风力等级达到了6～7级。

16:50～16:56，雷达图上出现了比较明显的冰雹特征（图7）。从16:56宿迁雷达的1.5°仰角基本反射率来看，在市区、沭阳和泗阳3个县市的交界处出现了大片紫色回波，回波呈现出较明显的人字形回波。紫色回波的反射率因子都达到了60 dBz，中心值达到了65 dBz。产品叠加了冰雹的报警，实心大三角表明在强回波附近出现大冰雹的可能性很大。从2.4°和3.3°仰角的基本反射率图来看，回波形态大致类似，都能发现大于60 dBz的紫色回波和人字形回波分布，这说明此时强回波的伸展高度很高，达到了-20℃等温线以上。

图7 4月30日16:56宿迁多普勒雷达图

从16:50～16:56的回波顶高的演变可以发现，强回波的顶高由13 km增加到15 km，这也说明对流云发展旺盛，非常有利于冰雹的形成发展。从垂直积分液态水含量图来看，强回波附近VIL大值出现明显的异常大值，16:50的VIL为27.5 kg/m2，16:56增加到了47.5 kg/m2，说明此时强对流发展达到了最强的阶段，这是冰雹出现的一个重要的特征。此外，通过不同仰角的反射率因子和邻近几个时次的径向速度图，可以发现明显的中气旋。以往的研究已证实，即使是达不到中气旋标准的比较弱的涡旋，在回波高悬时，对冰雹也具有很好的指示意义。实况表明，强回波附近多地出现了冰雹，其中泗阳穿城镇的冰雹最大直径约为3 cm。随着回波的东移南下，回波强度逐渐减弱，回波顶高逐渐下降，此回波后续在宿迁境内影响减小。