陕西一次重致灾强对流天气机理研究

姚静 高庆九 俞小鼎 李萍云

摘要 利用常规资料、地面自动站资料、FY2E卫星TBB 资料（ 0.1°×0.1°）、西安多普勒天气雷达资料，采用天气动力学诊断方法和强天气分析技术对2015年5月7日的陕西省商洛地区强对流天气过程的大尺度环流背景、物理量场、中小尺度天气系统演变特征及规律进行分析。结果表明，强对流主要位于暖湿空气与干冷空气的交界处，地面温度、露点温度、海平面气压、风场分析清晰地反映出地面冷锋和低压倒槽的交汇区域，冷暖空气的过渡区对于强对流天气的落区判断有指示作用。中尺度天气系统发展的强盛程度通过TBB的时间演变图可以清楚地进行判断。强对流大多发生在TBB梯度大值区，冰雹云团大多产生在云团成熟期之前。多普勒天气雷达上的强回波结构对于预警有提前预判的提示作用。在此次致灾天气过程中，明显低层弱回波区和中高层的悬垂回波结构，中层强回波中心与低层位移达1.5 km左右，预示了降冰雹的潜势。45 dBz强度的回波延伸至9 km以上，这些指标对准确做出强对流天气预警有较好的指示意义。

关键词 强对流；TBB；雷达；地面能量比

中图分类号 S165+.2；P458.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）09-221-06

Abstract Based on conventional data， ground automatic station data， FY2E satellite TBB data（ 0.1°×0.1°）， Xi'an Doppler weather radar data， the large scale circulation background， physical quantity field， evolution features and law of small scale weather system were analyzed by using the weather dynamic diagnosis method and strong weather analysis technology in Shangluo of Shaanxi Province on May 7， 2015. The results showed that strong convection was mainly at the junction of warm air and cold air， ground temperature， dew point temperature， sea level pressure， wind field analysis， can clearly see the confluence area of surface cold front position and low pressure inverted trough. The development of mesoscale weather system can be clearly judged by the time evolution of TBB. Strong convection occurs mostly in the high value region of the TBB gradient， hail clouds are born before the maturity of cloud. String echo structure on Doppler weather radar plays an important role in early warning. The hail weather was formed in the lower layer and weak echo region in the middle high overhang echo structure， strong echo center and low layer displacement of about 1.5 km， indicating the potential drop of hail. The echo of 45dBz intensity was extended to above 9 km， and these indexes have good instruction significance for making strong convective weather warning.

Key words Strong convection； TBB； Radar； Ground energy ratio

強对流天气具有影响范围小、发展速度快、持续时间短的特点，它的发生伴有雷暴、短时暴雨、冰雹、大风等灾害性天气。强对流天气突发性、局地性很强，经常会造成非常严重的自然灾害。20世纪60～70年代，美国、日本在与大冰雹相关的超级单体风暴方面进行了深入的研究[1-5]，国内学者也针对风雹天气的特征和成因进行了大量分析，并得出了一些研究成果[6-8]。这些研究对于强对流天气的发展规律和预报着眼点比较有利，但在非常规资料的应用方面以及中尺度系统的发展变化方面探讨的还不够深入。陕西省商洛市位于陕西的东南部、秦巴山区，近些年来对流天气比较频繁，给当地工农业和人民生活带来了巨大的影响。笔者利用常规资料、地面自动站资料、FY2E卫星TBB资料（0.1°×0.1°）、西安多普勒天气雷达资料，采用天气动力学诊断方法和强天气分析技术，对2015年5月7日的强对流天气过程的大尺度环流背景、物理量场、中尺度天气系统演变规律进行了研究，以期为这类强对流天气的预报提供客观依据。

1 强对流天气概况

5月7日18：00～8日08：00，陕西南部商洛大部分县（区）雷电交加，大雨倾盆；商州、丹凤瞬间极大风速分别达23、32 m/s，雷雨交杂着冰雹倾泻而下。该时段内各自动站降雨量为11.9～51.7 mm，乡镇站雨量超过50 mm的有37站，主要集中商州、山阳、商南和丹凤，最大为丹凤县土门104.5 mm。据商洛市民政局初步统计，此次灾害造成65 825人受灾，因灾死亡1人，倒塌民房9户29间，农作物受灾面积2 811 hm2，绝收面积74 hm2，因灾直接经济损失1 867万元。

2 环流形势分析

2.1 高空环流形势

5月7日08：00 200 hPa（图1a），副热带西风急流位于25°～40° N，陕西位于急流入口区、急流轴左侧；500 hPa（图1b），贝加尔湖西部有低涡活动，巴尔喀什湖为一高脊，西风槽位于甘肃中部至四川北部一带，冷槽范围较大，跨越南北10个纬度以上；700 hPa（图1c），在甘肃东南部到陕南西部有一条东西向的切变线，切变线南侧重庆南部—四川东北部—陕西南部一带是强盛的西南急流，急流上有明显的风速辐合；850 hPa（图1d），陕西基本位于均压场内，关键区（110° E、34° N附近）陕南东部—湖北西北部有切变线发展。

2.2 地面形势

2.2.1

温度场、露点场。5月7日08：00（图2a），陕西及周边温度总体呈现北冷南暖的形势，这种分布形势一方面反映了温度随纬度的分布，另一方面主要反映了冷锋南压时温度场特征；冷高压中心位于贝加尔湖西侧，中心气压为1 022.5 hPa；但在34° N受地形明显影响，有一个东西温度低值带；陕西境内在34° N和36° N附近各有一个露点大值区，36° N的湿区中心位于关键区附近，等露点梯度分布密集；高温高湿中心基本重合。这种分布结构有利于对流发生。17：00（图2b）陕西及东部邻省的温度基本是南高北低、东高西低的走势，南北趋势反映了温度场随纬度变化的特征。在109°～111° E有2条明显的温度脊，走向分别为南北向、东西向。南北向的脊可能是该地区的偏南暖平流输送引起，横向的脊可能是由于地面倒槽前的偏东暖平流输送所致，暖平流的输送将会引起地面气层的不稳定。110.5° E附近，这2个温度脊之间夹持一个明显的温度槽，形成一个倒“Ω”形，这一区域形成温度梯度大值区。温度槽可能是地面冷锋的东移南压引起。温度场的分布特征与地面气压场相互对应。冷暖空气的过渡区有利于发生强对流天气，且多在暖区发生。露点温度与温度场分布呈现北干南湿、干冷暖湿中心基本重合的特点。冷暖空气的过渡区可导致强烈的对流风暴。

2.2.2

海平面气压、风场。5月7日08：00（图3a），气压场是典型的冷锋南压形势，陕西位于冷锋前，关键区北侧存在一个风场辐合带，形成辐合带的原因一方面是受地形影响，另一方面是冷锋前沿南压，同时四川到陕南西部的低压倒槽对峙造成的。辐合区域有利于对流天气发生。

17：00（图3b），典型的冷锋南压与河套倒槽相遇，在33°～35° N气压梯度密集，形成明显的锋区。倒槽东侧的西南暖湿气流不断向关键区输送水汽，同时河套北部冷锋继续南下，其前沿到达关键区北侧，冷暖空气在关中南部相遇，在33°～35° N风场上出现偏北风与西南风的强辐合区，有利于对流天气发生。

3 物理量場诊断分析

3.1 动力场

沿110° E 的垂直速度剖面（图4）表明，7日08：00 在34° N附近地区对流层各层均为下沉运动，抬升条件较差；20：00，关键区附近整层为上升运动，最大上升速度接近400 hPa，其值>-2.5×10-3 hPa/s，抬升条件非常有利于对流天气的发生。在20：00前后，由于四川北部—陕西北部—山西中部200 hPa 出现了西南—东北向的高空急流，风速达40 m/s以上，低层700 hPa在湖北西南—河南西部有西南急流发展，关键区位于200 hPa高空急流入口区右侧、700 hPa低空急流出口区左侧，高空辐散、低空辐合，抽气作用明显[9]，上升运动得到强烈发展，为短时强降水的产生提供了有利的条件。

3.2 水汽条件

5月7日08：00，关键区附近对流层中低层的水汽通量是1.0～1.5 g/（hPa·cm·s），水汽通量散度场垂直剖面依次是弱辐合-弱辐散-弱辐合场（图5a），水汽条件较差。7日20：00，500 hPa以下，关键区的水汽通量增大为3.0～5.0 g/（hPa·cm·s），水汽通量散度骤增（图5b）；关键区附近，400 hPa以下均为深厚的水汽辐合区，700 hPa以下水汽通量散度极值为-0.8×10-8 g/（cm2·hPa·s），正好位于关键区上空，是一个较强的辐合中心，强的水汽辐合有利于对流的生成和发展。7日19：00～21：00商洛大部分县（区）雷电交加，大雨倾盆，该时段内超过20 mm的有30站，主要集中商州、山阳、商南和丹凤，最大为丹凤县土门104.5 mm；部分群众房屋进水、倒塌，供电中断，给群众生产生活带来严重影响。

3.3 单站要素

安康探空站位于关键区西部，分析安康探空站可以更好地了解关键区附近强对流发展前后大气的状况。安康5月7日08：00 K指数为40 ℃，表现为不稳定层结特征；600 hPa以下相对湿度接近饱和；925～500 hPa垂直风切变非常大，约为18 m/s，700 hPa西南风速达10 m/s，水汽输送较强，有利于强对流天气发展。20：00安康站对流有效位能CAPE为1 392.4 J/kg，不稳定能量非常强；700 hPa西南风速达12 m/s，结合700 hPa天气图分析，此时关键区附近形成低空急流，925～500 hPa垂直风切变约为16 m/s。7日20：00～22：00关键区附近形成了剧烈的强对流天气。

分析安康站20：00探空资料发现，0 ℃层维持在4 185 m上下，也就是600 hPa附近，-20 ℃层高度在7 192 m左右，即400 hPa附近，有利于生成冰雹[10]。

从5月7日商州站地面气象自动站各要素随时间的变化曲线（图6）可看出，16：00～17：00商州温度迅速降低，达8.5 ℃左右，气压升高达5.5 hPa；地面风向在18：00～19：00由东南风逆转为西北风，08：00～19：00风速由0.4 m/s增至6.8 m/s，此后在20：00迅速减小为2.3 m/s，地面冷锋过境。08：00～18：00商州站东南风速增大，同时气压急剧减少，容易形成强的辐合中心，也为强对流的生成和发展创造了有利条件。

3.4 能量条件

3.4.1 地面能量比。

7日08：00（图7a），关键区位于河套冷锋前，能量比分布呈现北低南高的形势，能量比为65 ℃/hPa；11：00（图7b），关键区南部的低压倒槽向北推进，四川到陕西南部的水汽通道迅速建立，能量迅速积聚，能量比为90 ℃/hPa，是对流生成和发展的触发机制之一。14：00（图7c），河套冷锋继续南下，四川东部低压倒槽北进，在关键区附近的能量比梯度迅速加大，发展成一个明显的高能比轴，且形成倒“Ω”系统，空间尺度在200～300 km，此时能量比增加至95 ℃/hPa。17：00，在地面图上冷锋和倒槽位于33°～34° N，关键区附近为露点温度的梯度密集区，高温高湿的环境有利于能量的堆积，关键区的能量比继续增大至100 ℃/hPa（图7d），强降水、冰雹、大风即将开始。20：00，能量比迅速降至70 ℃/hPa以下，降水逐渐减弱。可见，地面能量比可以提前揭示强对流天气的发生和结束[11]。

3.4.2 不稳定能量。

7日08：00和20：00关键区T850-500≥27 ℃（图8），相当于温度直减率≥6.75 ℃/km，这个温度直减率大于对流层内平均气温直减率（6.00 ℃/km），如此强的垂直温度梯度与地面的倒槽、切变线辐合系统相互配合，是强对流天气的有利条件[12]。

4 卫星云图分析

分析每小时一次的FY2E TBB资料可见，5月7日10：00开始有孤立的对流单体发展，TBB约为-20 ℃，在甘肃到陕北为东西向大尺度的冷锋云系，随着冷锋云系的南压，12：00前后，陕西中部上空的对流单体与北部的冷锋云系合成一体，冷云面积增大，冷中心TBB最小为-40 ℃，但此时还没有出现较强降水。此后，冷云继续东移南压，19：00发展到最强盛（图9a），陕西中南部出现2个中β尺度的云团。β云团正好为关键区上空，云团结构紧密，冷中心TBB约为-60 ℃，云团东南侧TBB梯度明显加大，在梯度大值区附近出现50.6 mm/h的强降水，且出现冰雹和20.2 m/s的短时大风。20：00（图9b），2个中β尺度云团合并成一个较大的椭圆状的对流云团，长轴增长为600 km左右，中心维持在-60 ℃，关键区附近出现90.5 mm/h的降水，此后云团东移，关键区TBB增大，对流逐渐减弱。

5 多普勒雷达回波分析

从图10可以看出，此次过程是一个多单体强风暴过程，在这些多单体中有2个伸展高度较高的中β尺度的对流单体，中心回波>60 dBz，其低层入流来自东南方向。1.5°反射率因子（图10b）显示，以“+”标注为参考，风暴的高反射率因子区从低到高向入流一侧倾斜，反映出低层弱回波区和中高层的悬垂回波结构，且风暴顶位于低层反射率因子高梯度区之上。相应的反射率因子垂直剖面（图10e）也再次证明了风暴低层的弱回波区和中高层的悬垂回波结构；商州站45 dBz强度的回波延伸至9 km以上高度；商州站中层强回波中心与低层位移达1.5 km左右，预示了降冰雹的潜势[13]。

分析VIL发现，商州站VIL达50 kg/m2。低层0.5°径向速度图上（图10f），关键区附近的大风超过14 m/s。在强回波区出现气旋式辐合区，这也很可能是关键区附近形成短时大风的原因之一。

6 结论与讨论

（1）这次冰雹天气在大尺度和中尺度系统的共同作用下产生，此次强对流天气过程是在冷锋向河套地区东移过程中发生的，200、700 hPa高低空急流共同作用，500 hPa中高纬度冷槽强盛，地面冷锋从河套西北方向南下携带大范围冷空气进入陕西省，引发了此次致灾对流过程。

（2）地面综合分析发现，典型的冷锋南压与河套倒槽相遇，形成明显的锋区。冷暖空气在关中南部相遇，在33°～35° N风场上出现偏北风与西南风的强辐合区。露点温度与温度场分布呈现北干南湿、干冷暖湿中心基本重合的特点。冷暖空气的过渡区可导致强烈的对流风暴。

（3）动力场分析可见，对流出现前后，关键区位于200 hPa高空急流入口区右侧、700 hPa低空急流出口区左侧，高空辐散、低空辐合，抽气作用明显，上升运动得到强烈发展，为短时强降水的产生提供了有利的条件。

（4）通过每小时一次的FY2E TBB资料分析，可以清晰地反映出中尺度系统的发生和发展过程。强对流天气落区多发生在云团TBB迅速加强、梯度密集的区域，这对于强对流天气有较好的指示作用。

（5）此次冰雹天气发展过程中形成了明显低层弱回波区和中高层的悬垂回波结构，中层强回波中心与低层位移达1.5 km左右，预示了降冰雹的潜势。45 dBz强度的回波延伸至9 km以上，这些指标对准确做出强对流天气预警有较好的指示意义。

（6）地面能量比是对流生成和发展的触发机制之一，7日17：00在地面图上冷锋和倒槽位于33°～34°N，关键区附近为露点温度的梯度密集区，高温高湿的环境有利于能量的堆积，关键区的能量比继续增大至100 ℃/hPa，强降水、冰雹、大风即将开始；20：00能量比迅速降至70 ℃/hPa以下，降水逐渐减弱。可见，地面能量比可以提前揭示强对流天气的发生和结束，常规天气图不易分析出来，该方法是一个有效的分析工具。

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