2015年8月30日河南省中部地区一次飑线过程分析

周丹丹， 魏 鸣

(1.南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京 210044;2.河南省许昌市气象局，河南许昌 461000)



2015年8月30日河南省中部地区一次飑线过程分析

周丹丹1，2， 魏 鸣1

(1.南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京 210044;2.河南省许昌市气象局，河南许昌 461000)

摘要选取2015年8月30日在东北冷涡影响下发生在河南省中部地区的一次飑线天气过程，运用风矢-位温图、新一代高分辨率天气雷达资料及卫星云图资料，分析此次过程产生的环流背景、大气结构特点，寻找飑线的预报及预警切入点。结果表明，此次天气过程是东北冷涡后部横槽影响下产生；风矢-位温图上强飑线出现前提前12 h以上出现超低温、顺滚流、高层强劲西风、“蜂腰”状结构分布；根据卫星云图演变特征可提前1 h左右对强对流天气做出预警；根据雷达云图演变可提前30 min以上对各类强天气做出预警。

关键词飑线；东北冷涡；卫星云图；大气能量结构V-3θ；多普勒天气雷达

灾害性天气影响着人们的生产和生活，随着国民经济的发展，强灾害性天气造成的损失越来越大，人们对天气预报也越来越重视。强对流天气由范围小、时间短、发展快以及对流运动激烈的中、小尺度天气系统引起[1]。由于强对流天气突发性强、局地性强、尺度小等特点[1]，在预报实践中很多突发性天气的预测能力仍较低，如何提高预报预警水平是当前的一个难点。近年来，我国利用多普勒雷达资料和中尺度模式资料对强对流天气的研究日益增多[2-5]，如夏家虎等[3]对强对流云图特征进行了总结归纳，姜俊玲等[5]研究特大暴雨的V-3θ特征。笔者选取2015年8月30日在东北冷涡影响下发生在河南省中部地区的一次飑线天气过程，运用风矢-位温图、新一代高分辨率天气雷达资料及卫星云图资料，分析此次过程产生的环流背景、大气结构特点，寻找飑线的预报及预警切入点，以期为这类天气的预报预警工作提供指导。

1实况分析

2015年8月30日下午河南省中部地区自北向南出现飑线天气过程，17：00～18：00开封出现冰雹、短时大风和短时强降水，雨强57.2 mm/h，17:55巩义出现冰雹天气，伴有短时大风、短时强降水，乡镇小时降水量28.7 mm。17:00～18:00荥阳的广武镇和高村镇出现了鸡蛋大小的大冰雹，且降雹时间长达近1 h。此次典型的飑线在自北向南移动过程中造成河南省中部地区多地出现冰雹、雷暴大风和短时强降水天气(图1)。

图1　2015年8月30日20：00地面天气现象Fig.1　Ground weather phenomena on 20:00 of August 30th,2015

2天气形势

图2　2015年8月30日08：00 500 hPa高空观测场(a)和14：00地面形势(b)Fig.2　High-altitude observation field on 08:00 (a) and surface weather situation on 14:00 (b) of August 30th,2015

8月30日08:00 500 hPa(图2a)，东北冷涡维持，随着低涡向南发展，后部横槽南下，河南省处于横槽底部，槽后冷空气强度增强至-14 ℃;925 hPa河南省中部地区为暖区，郑州站温度21 ℃；850 hPa郑州、南阳、阜阳站露点温度增加，分别为14、11、11 ℃，与29日08：00相比3站湿度均增加。30日14：00河南省处于低压顶部，郑州、南阳、阜阳站露点温度分别为22、20、21 ℃，与29日14：00相比3站湿度均略微增加；东南风和东北风汇合明显(图2b)，14：00地面温度高于30 ℃，高层更加干冷，低层暖湿增强，地面辐合加强，更易于午后至傍晚发生强对流天气。

3大气能量结构分析

T-logP图显示，30日08：00郑州站K指数为35 ℃、SI指数为-4.14 ℃、CAPE值为1 663.5 J/kg，与29日08：00相比，能量没有29日08：00高，呈现上干下湿喇叭口状，表明30日对流旺盛，有雷暴活动，不能预报强飑线、冰雹过程。

注：a1、b1为29日20：00；a2、b2为30日08：00；a3、b3为30日20：00。θ为位温(位势温度)；θsed是以露点温度计算的假相当位置；θ*是假定为当时气温的纯饱和位温。Note: a1 and b1 were 20:00 of August 29; a2 and b2 were 08:00 of August 30; a3 and b3 were 20:00 of August 30.θ was potential temperature; θsed was potential pseudo-equivalent temperature calculated by dew point temperature; θ* was saturated potential temperature assumed as the current temperature.图3　2015年8月29～30日郑州(a)和南阳(b)的V-3θ图Fig.3　The V-3θ of Zhengzhou (a) and Nanyang (b) from August 28th to 30th,2015

由郑州和南阳的V-3θ图(图3)可见，29日20：00郑州和南阳大气不稳定，对流层顶超低温继续存在，南阳上空比郑州上空更强，说明超低温移至郑州以南；郑州站200hPa西北风达20 m/s，南阳200 hPa西北风达24 m/s，两站对流层500 hPa以下假相当位温及饱和位温左倾>135 ℃，表明热力条件极不稳定，加上水汽充沛，风的垂直分布呈顺滚流结构，这些特征均预示着大气能量结构不稳定，有利于未来产生强对流降水。30日08：00郑州和南阳对流层上层超低温维持，郑州的超低温更深厚，对流层中层多层弯折，水汽“蜂腰”状，风的垂直分布呈顺滚流结构，特别是郑州在700～600 hPa的冷层云结构，这些均预示着午后将出现强对流降水。17:00～18:00 郑州以南出现冰雹和雷雨大风之后，不稳定能量有一定缓解，但仍然较强。20：00郑州和南阳对流层顶仍有超低温；郑州站不稳定结构特征更明显，此时仍处于强天气过程中，400 hPa有两层冷层云，600 hPa有暖层云，冷层云在暖层云之上，顺滚流结构，表明当时有雷暴，还有不稳定能量正在释放。

4卫星云图分析

注：a.16:30红外云图;b.16:30可见光云图;c.17:30可见光云图。Note:a was infrared cloud image on 16:30; b was visible cloud image on 16:30; and c was visible cloud image on 17:30.图4　2015年8月30日卫星云图Fig.4　Satellite cloud image of August 30th ,2015

从卫星云图上看，30日下午中尺度对流云团MCC(图4a中圆圈)从北向南发展移动，移动前侧温度低(216 K)，温度梯度大，易产生对流。从可见光云图上看(图4b)，该云团前侧有白亮的泡状结构，荥阳上空最大反照率59%(图4b中长箭头)，开封上空45%(图4b中短箭头)，运动方向前侧边界光滑，后侧羽状云砧。这些云图特征表明云顶温度高、云内对流旺盛，预示着将有雷雨冰雹、大风、短时强降水等强对流天气。17:00～17:30巩义地区云团迅速发展，可见光云图上(图4c红色箭头处)对流云顶突出，后部有暗影，反照率达45%。实况证明对流泡前侧荥阳产生大冰雹，开封、巩义产生小冰雹，新密、开封产生短时强降水，郑州、开封辖区站点基本均发生雷暴大风，最大为26.9 m/s。

5雷达回波分析

从郑州雷达组合反射率图上看出，此次过程是一次典型的飑线弓形回波，自北向南移动，由多个雷暴单体组成，且在南移过程中不断有新的雷暴单体产生，单体最大反射率达65 dBZ，预示着将产生强对流天气。在弓形回波的移动过程中有明显出流边界，且移动迅速(图5红色线条)，证明有地面大风灾害天气产生。30日开封、荥阳和巩义对流单体中均显示最大回波(65 dBZ)顶高达15 km；垂直累积液态含水量持续偏高，开封、荥阳和巩义对流单体中达70 kg/m2。这些回波产品表明存在着强风暴并将伴有冰雹，在弓形回波南移过程中伴有短时强降水产生。

图5　2015年8月30日17:07(a)和18:59(b)0.5°雷达基本反射率Fig.5　The 0.5° radar base reflectivity on 17:07 (a) and 18:59 (b) of August 30th,2015

图6　2015年8月30日17:25雷达组合反射率中叠加中气旋(a)和Q3风暴趋势(b)Fig.6　Superimposed mesocyclone (a) and Q3 storm trend (b) in composite radar reflectivity on 17:25 of August 30th,2015

30日17:25 开封、巩义、荥阳上空均有中层风速辐合存在，荥阳、开封和巩义有中气旋(图6a)，证明为超级单体风暴，将伴有冰雹、雷暴、大风和短时强降水等天气发生。荥阳上空风暴Q3的VIL值在16:55达60 kg/m2(图6b)，回波顶高在16:55达12 km以上，大冰雹概率在17:01达100%。从荥阳上空回波反射率剖面(图7)可以看出，30日16:50开始可以观测到冰雹特征，穹窿结构明显，16:56最大反射率65 dBZ回波悬垂于低层弱回波之上，高度达9～10 km，扩展至-20 ℃之上(-20 ℃高度7.32 km)，17:02悬垂回波发展，17:25强回波接地，17:48后逐渐减弱。从径向速度剖面可以看出，从17:13开始中层存在径向辐合，风暴顶出现强辐散，中层的辐合持续约1 h。从开封16:50反射率剖面(图8b)可以看出，出现高层悬垂回波，低层弱回波区，穹窿结构，回波顶达12 km以上，且反射率因子大值在55 dBZ以上的区域在4～10 km，证明将有冰雹出现，40 dBZ以上强回波出现在0 ℃层以下，将有短时强降水。30日开封速度剖面显示，风暴顶强辐散，中层有径向辐合。17:48巩义上空的回波剖面(图9b)显示，出现强悬垂回波，回波顶达12 km以上，强回波中心(65 dBZ)达-20 ℃层。速度剖面显示，中层有径向辐合，40 dBZ以上强回波出现在0 ℃以下且回波接地，说明伴有短时强降水，移动较快，故小时降水量28.7 mm，没有开封大。

注：a为17:25组合反射率；b为16:50反射率剖面；c为16:56反射率剖面；d为17:02反射率剖面；e为17:07反射率剖面。Note: a was composite reflectivity on 17:25; b was reflectivity section on 16:50; c was reflectivity section on 16:56; d was reflectivity section on 17:02; and e was reflectivity section on 17:07.图7　2015年8月30日荥阳回波雷达产品Fig.7 Echo radar products in Xingyang County on August 30th,2015

注：a为17:07组合反射率；b为16:50反射率剖面；c为16:56反射率剖面。Note:a was composite reflectivity on 17:07; b was reflectivity section on 16:50; c was reflectivity section on 16:56.图8　2015年8月30日开封回波雷达产品Fig.8　Echo radar products in Kaifeng County on August 30th,2015

图9　2015年8月30日巩义17:31组合反射率(a)和17:48反射率剖面(b)Fig.9　composite reflectivity on 17:31 (a) and reflectivity section on 17:48 (b) in Gongyi City on August 30th,2015

6小结

(1)东北冷涡后部横槽加强南下位置靠近河南省，高空更加干冷、地面暖湿增加，地面汇合线更明显，证明对流更旺盛。

(2)2015年30日08：00T-logP图与29日相比没有明显增强，无法对大范围更强对流做出预报。分析29日20：00～30日20：00的风矢-位温(V-3θ)图的大气结构演变可知，郑州与南阳两站存在超低温，高层西风强、顺滚流明显，湿度趋饱和，有“蜂腰”状结构，这些特征均表明不稳定能量的积累导致30日傍晚出现大范围强对流天气，冰雹伴有雷暴，降水范围大。风矢-位温图提前12 h以上出现的结构特点可提前对强天气做出预测。

(3)卫星云图上大范围中尺度对流云团运动方向前侧边界光滑，温度梯度大，可见光云图上暗影纹理明显、对流泡结构突出、后部羽状云砧结构明显均表明将有大范围强对流天气、飑线产生，伴有雷暴和短时强降水、冰雹。根据卫星云图上云团发生、发展的特点可提前1 h左右预报预警强对流天气。

(4)飑线雷达回波弓形回波结构特征明显，中气旋、中层径向辐合、风暴顶强辐散，反射率回波65 dBZ，顶高12 km、VIL值70 kg/m2,以上为超级单体特征，将产生雷暴、冰雹、大风天气。剖面图上悬垂结构明显、风暴追踪信息上大冰雹概率超过50%、强回波伸展至-20 ℃层以上、中气旋均表明将有大冰雹可能性很高。反射率回波上出流边界、剖面图上低层强辐散证明有地面直线型灾害大风，剖面图上40 dBZ以上回波长时间接地、“列车效应”表明将出现强降水。根据雷达演变特点可提前30 min对强对流天气做出预警服务。

参考文献

[1] 朱乾根,林锦瑞,寿绍文.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社,1992.

[2] 杜秉玉，官莉，姚祖庆，等.上海地区强对流天气短时预报系统[J]．南京气象学院学报，2000,23(2)：242-250.

[3] 夏家虎，马中元．积云线与强对流天气[J]．江西气象科技，1984，7(1)：8-10．

[4] 苏爱芳，谷秀杰，吴蓁.河南省风雹类强对流天气过程的云型及结构特征[C]//S1灾害天气研究与预报.沈阳：中国气象学会，2012.

[5] 姜俊玲，张雪冬，魏鸣，等.V-3θ图在一次特大暴雨预报中的应用[J].气象科技，2012，40(4)：647-650.

Analysis of a Squall Line Process in Central Henan Province in August 30,2015

ZHOU Dan-dan1,2,WEI Ming1

(1.School of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing,Jiangsu 210044; 2.Weather Bureau of Xuchang City,Xuchang,Henan 461000)

AbstractA squall line process in central Henan Province in August 30,2015 was selected,which was affected by the northeast cold vortex.Wind vector-potential temperature,a new generation of weather radar high resolution data and satellite cloud image data were used to analyze the background of atmospheric circulation and the characteristics of atmospheric structure,so as to find the forecast of squall line and to alert the entry point.Results showed that this whether process was produced under the influence of the northeast cold vortex.Ultra-low temperature at the top-troposphere,the clockwise tumble flow,a structure like "bee waist" of wind distribution and strong westerly wind could be observed more than 12 hours in atmospheric energy structure images before the squall line occurred.According to the characteristics of the development of the clouds on satellite images,forecasting and warning of severe convective weather could be made about 1 hour early.According to the evolution of radar images,warning of the strong weather could be made half an hour early.

Key wordsSquall line; Northeast cold vortex ; Satellite image; Atmospheric energy structure V-3θ; Doppler radar

基金项目许昌市科技发展计划项目(140201022)；河南省科学技术厅课题(122102310583)；许昌市气象局课题(XQ201206)。

作者简介周丹丹(1985- )，女，河南偃师人，工程师，从事中短期天气预报工作。*通讯作者，教授，博士，博士生导师，从事大气遥感及灾害性天气预报研究。

收稿日期2016-03-15

中图分类号S 165+.2;P 401

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)10-214-05