一次典型的极端强对流天气的诊断分析

柴晓玲　王一文　张硕　翟丽　李艳　徐爽

摘要：利用LD-2型闪电定位系统提供的云地闪资料、FY-2E静止气象卫星云图资料、加密自动站和Micaps常规观测资料，应用天气动力学和物理诊断分析方法，针对2013年8月4～5日辽宁地区一次典型的极端性冰雹暴雨天气的形成机制和特征进行了一次较为全面的分析，结果表明：此次辽宁地区的冰雹暴雨过程是由于副热带高压带来的西南向的暖湿气流和高空槽后，从贝加尔湖过来的偏北向的干冷空气共同作用带来的强对流天气。（1）降雹前辽宁地区低层存在很强的暖平流，高低空温差大，T850-T500>30℃，有很好的热力不稳定条件；（2）200 hPa的“V”型高空急流和500 hPa的西北中空急流带来干冷空气，与地面的辐合线相互耦合，形成有利的高低空动力不稳定配置条件；（3）降雹前CAPE值明显增大，增幅达到2000 J/kg以上，CIN减小使对流更易触发，位势不稳定能量加大，提供了能长时间支撑雹块的上升气流，为过冷水滴的碰撞增长提供有利条件，有助于大雹块的生成；（4）0℃层和-20℃层分别在600 hPa和400 hPa之间，保证了在云中存在较厚的过冷却水滴区，有利于雹块撞冻增长；（5）云中冷区超过暖区的两倍，保证了所形成的雹块在下降过程中不被融化；（6）通过中尺度分析，850 hPa切变前部，500 hPa中空急流和850 hPa低空急流相重叠的位置的后部，为此次冰雹落区，而高低空急流相重叠前部为强降水落区；（7）高空槽前产生强对流天气时，西部山区地形的热力环流和动力强迫局地触发形成降雹的初始回波，迎风坡的抬升作用使局地强对流发生，入境积云的发展更强烈，有利于发生冰雹天气，而强降水天气多发生在中部平原地区；（8）暴雨中心在雹灾中心的位置更偏东偏北的地区；（9）降雹过程中正闪峰值在冰雹开始之前近半个小时左右，所以正闪比例的大幅提高对冰雹的产生有一定指示意义，而当负闪比例很高时易产生强降水天气。

关键词：冷暖平流；0℃层；急流；地形；正负闪

中图分类号： P458 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.20.056

冰雹俗称雹子，有的地区叫冷子，夏季或春夏之交最为常见。它是一些小如绿豆、黄豆，大似栗子、鸡蛋的冰粒。冰雹灾害是由强对流天气系统引起的一种剧烈的气象灾害。它出现的范围虽然较小，时间也比较短促，但来势猛和强度大，并常常伴随着狂风、强降水、急剧降温等阵发性灾害性天气过程。中国是冰雹灾害频繁发生的国家，冰雹每年都给农业、建筑、通讯、电力、交通以及人民生命财产带来巨大损失。据有关资料统计，我国每年因冰雹所造成的经济损失达几亿元甚至几十亿元。因此，很有必要了解冰雹灾害时空动荡格局以及对冰雹的及时有效的预报预警，从而更好地防治冰雹灾害，减少生命财产损失。

冰雹来自对流特别旺盛的对流云（积雨云）中，云中的上升气流要比一般雷雨云强，小冰雹是在对流云内由雹胚上下数次和过冷水滴碰并而增长起来的，当云中的上升气流支托不住时就下降到地面，大冰雹是在具有一支很强的斜升气流、液态水的含量很充沛的雷暴云中产生的。每次降雹的范围都很小，一般宽度为几米到几千米，长度为20～30千米，所以民间有“雹打一条线”的说法。辽宁省冰雹分布趋势是山区多于平原，内陆多于沿海。

刘佳等对福建一次强冰雹天气进行分析后指出，假相当位温θse可以同时反映温度和湿度的情况，高层和中低层θse的差值越大，层结就越不稳定，强对流发生的可能性就越大；上干冷、下暖湿的大气层结结构符合降雹的条件，并且上层大气辐散，下层大气辐合是判断冰雹发生的重要特征。在分析了山东省一次冰雹过程后，王月兰等指出，较强上升气流是冰雹发展的重要条件，适宜的0℃层和-20℃层高度也是影响冰雹生长的重要因子；上干下湿的不稳定层结有利于强对流天气的发生发展，不稳定指数和不稳定能量对强对流天气的指示意义都很大；冰雹出现前降雹区高空有明显的冷平流和辐散场，低层有明显的暖平流和辐合区。

1 资料选取

应用2013年8月4～5日辽宁省闪电定位系统提供的云地闪资料，该系统由12个LD-2型闪电定位仪和一个中心数据处理总站组成，闪电定位精度为300 m，探测效率为95%。其他资料还有2013年8月4～5日Micaps实况常规观测资料、加密自动站资料和FY-2C静止气象卫星云图资料。

2 雹暴灾情服务概述

受高空槽影响2013年8月4日午后到傍晚，朝阳市的北票（站号：54323），锦州市的义县（站号：54334），阜新市（站号：54237）的阜蒙县（站号：54237），依次出现了冰雹天气，最大冰雹直径2～3cm，鸡蛋黄大小。阜蒙县的化石戈、东梁、七家子、王府、佛寺、大板等地区受灾对象主要有玉米、杂粮、烤烟、蔬菜、树木等。玉米、谷子、尖椒等作物被冰雹打成杆状，20～30 cm树木折断200棵。受灾面积3832公顷，成灾面积2021公顷，绝收1187公顷。

强降水天气过程开始时间为8月4日19 时前后，辽宁省61个国家气象观测站中57个站有降雨，全省平均降雨量14 mm，最大降雨量出现在丹东市区为103 mm。抚顺、铁岭降暴雨，降雨量为57～63 mm；沈阳南部及庄河、桓仁、东港、开原降大雨，降雨量为27～45 mm；朝阳西北部无降雨；其他地区降小雨到中雨。全省1576个省级自动站中，有41个站大于50 mm，最大降雨量出现在东港的山城村为123 mm。暴雨中心在雹灾中心的位置更偏东偏北的地区（见图1）。此次强降水过程，共发布暴雨红色预警信号5次，暴雨橙色預警信号22次，暴雨黄色预警信号14次，辽宁省国土资源厅和辽宁省气象局联合发布地质灾害预警32次。

3 大尺度环流形势特征

冷涡天气系统可造成两类灾害性天气：一类是强降水，另一类是冰雹、龙卷等强对流天气，受地形约束，常相伴发生。此次过程虽然在700 hPa和850 hPa形成了闭合性气旋，但是500 hPa没有形成，所以此次过程主要是在高空槽向东南发展的背景下产生的。endprint

2013年8月4日午后到傍晚，在涡度平流的垂直时间剖面图上（见图2）可以看出200 hPa存在负涡度平流急速增大的现象，说明此时高空槽急速发生发展造成强对流天气的产生。

8月4日08 时～20时在500 hPa的环流形势场上（图略），40°N以南太平洋副热带高压略微西伸南压；贝加尔湖东侧大兴安岭西侧为一较为稳定的北支槽，辽宁省西侧至太行山脉有一南支槽，槽后存在一冷中心，强度为-12℃，槽前在朝鲜半岛存在一暖中心，中心强度为4℃，冷平流很明显；等温线和等高线的交角变大，斜压性增强；西北急流建立；北支槽东移发展与南支槽合并，进入辽宁地区。5日08 时高空槽压到辽宁省中部地区，5日20时移出辽宁省地区。综上此次辽宁地区的冰雹暴雨过程是由于副热带高压带来的西南向的暖湿气流和高空槽后从贝加尔湖过来的偏北向的干冷空气共同作用带来的强对流天气。

在850 hPa的环流形势场（图略）上，与500 hPa环流特征相比，4日08时位于辽宁省西北侧的槽南北向的一段同位向叠加，东北—西南向的一段槽明显前倾，形成了强的位势不稳定能量，对强对流的形成和产生提供了有利的能量条件。除此之外，在850 hPa环流形势场上有一明显的温度脊伸向辽宁西北部。与500 hPa环流形势场相对应形成了上冷下暖的不稳定配置，提供了有力的动力条件。

高低空急流从辽宁西南部指向黑龙江省（见图3），850 hPa低空急流入口和500 hPa急流出口相交。由此可得，850 hPa切变前部，500 hPa中空急流和850 hPa低空急流相重叠的位置的后部，为此次冰雹落区，而高低空急流相重叠前部为强降水落区。

4 有利于产生冰雹天气的局地气象条件特征

4.1 温度平流

降雹前辽宁地区低层暖湿平流，高空存在很强的干冷平流高低空温差大，T850-T500>30℃，有很好的热力不稳定条件（见图4）。在700～1000 hPa之间比湿都比较大，比湿中心值达18 g/kg，存在厚的湿层，水汽条件很好，上干下湿分界线大概在700 hPa附近，有利于冰雹等强对流单体的生成。

4.2 对流有效位能和对流抑制能量

4日08时的T-logp图上与北票相近的锦州上空在550 hPa以下全为不稳定区，并且在600 hPa以上全为过冷水滴，肖沃特指数SI=12℃，K指数17℃，对流有效位能Cape=1984 J/kg（见图5），这些指标都表明大气层结很稳定，蕴有大量的位势不稳定能量，但湿区太薄了，没有足够的水汽（见图3），整层都很干。到了20时，虽然水汽仍然不理想，但在0℃层和-20℃层的水汽还可以，零度线仍在600hPa以下，其以上全为冰相层，适宜雹云的发生发展。肖沃特指数SI=-2℃，有发生雷暴的可能性；K指数达到33℃，出现分散雷暴的可能性较大；Cape值增加为4050 J/kg，位势不稳定能量继续加大，提供了充足的上升气流，为过冷水滴的碰撞增长提供有利条件，有助于大雹块的生成。同时阜蒙地区的冰雹开始，辽宁省东南部的强降水过程也开始了。整个过程局地性强，为不稳定性降水。

降雹前CAPE值明显增大，增幅达到2000 J/kg以上，CIN减小使对流更易触发，位势不稳定能量加大，提供了能长时间支撑雹块的上升气流，为过冷水滴的碰撞增长提供有利条件，有助于大雹块的生成；

4.3 0℃层和-20℃层高度

0℃层和-20℃层分别是云中冷暖云分界线高度和大水滴的自然冰化区下界，是表征降雹时雹云特征的重要参数。此次降雹过程0℃层和-20℃层分别在600 hPa和400 hPa之间，保证了在云中存在较厚的过冷却水滴区，有利于雹块撞冻增长。若认为在探空曲线上的抬升凝结高度LCL代表雹云的云底，平衡高度EL代表雹云的云顶，H0代表0℃高度，则取H+和H-代表暖云和冷云的云层厚度：H+= H0-LCL，H-= EL-H0，计算得出云中冷区超过暖区的两倍，保证了所形成的雹块在下降过程中不被融化。

4.4 强上升区

8月4日08时，辽宁西部地区处于700 hPa槽后大尺度下沉运动区，最大下沉中心在850～700hPa之间（见图6），中心值达9m/s，这种大范围的下沉气流抑制了强对流天气发生前不稳定能量的过早释放，为飑线天气的发生发展提供了有利的能量储备。

5 多地降雹的抬升触发机制探讨

辽宁省属于东西部为山区，中部为平原的地形。西部山区很容易因为地形强迫抬升成为雹暴发生的触发机制。8月4日下午，全省地区晴空少云，通过分析加密自动站的气象要素发现，由于下垫面受热不均匀，西部山区升温较快，有利于形成局地环流，为冰雹云的发展提供了有利的热力不稳定条件。降雹的初始回波是在西部山区地形的热力环流和动力强迫下局地触发的。朝阳的北票地区于下午4日15时左右开始降雹，北票本站也达到了32℃，区域自动站温度更高，此时朝阳地区刚发过高温预警。午后地面温度达到对流温度临界值使地面暖气团自由上升，从而产生初始对流回波。在达到热力对流的条件下，地面中尺度辐合线和露点锋对局地大暴雨伴多次冰雹天气的发生有加强触发作用。有利于雹暴单体新生、合并或从母体中分裂，构成多单体组成的雹暴群（见图8），给多地带来冰雹天气。在积云东移过程中受地形影响于辽宁中部平原地区产生大暴雨天气。北票市是一个“七山一水二分田”的丘陵山區，境内四周高，中间低，西北绵亘大青山脉，主要山峰平顶山，海拔1074m；南部为起伏的松岭山脉；中部为海拔200m左右的低丘。在冰雹发生时，由加密自动站的风向风速（见图7）可以看出北票市的北边为东北风，南边为西南风，这样的地理形势造成了，从两个方向来的气流都有上下坡作用，西北部的气流尤为明显，使得迎风坡的抬升作用对局地强对流的发生、入境积云的发展作用更强烈。

6 强雷电正负闪活动特征endprint

在雷达拼图上，当产生冰雹的回波单体出现之前，正闪一般都会提前出现，这次降雹过程中正闪峰值在冰雹开始之前近半个小时左右，所以正闪比例的大幅提高对冰雹的产生有一定指示意义，在冰雹发生前负闪占总闪的比例从40%以下迅速提高到80%以上；而在夜间当以强降水为主时，负闪所占的比例则远远大于正闪（见图9）。综上可得：当正闪比例很高时易产生冰雹天气，当负闪比例很高时易产生强降水天气。

7 结论

综上所述，此次辽宁地区的冰雹暴雨过程是由于副热带高压带来的西南向的暖湿气流和高空槽后，从贝加尔湖过来的偏北向的干冷空气共同作用带来的强对流天气。

降雹前辽宁地区低层存在很强的暖平流，高低空温差大，T850-T500>30℃，有很好的热力不稳定条件；200 hPa的“V”型高空急流和500 hPa的西北中空急流带来干冷空气，与地面的辐合线相互耦合，形成有利的高低空动力不稳定配置条件； 降雹前CAPE值明显增大，增幅达到2000 J/kg以上，CIN减小使对流更易触发，位势不稳定能量加大，提供了能长时间支撑雹块的上升气流，为过冷水滴的碰撞增长提供有利条件，有助于大雹块的生成；0℃层和-20℃层分别在600hPa和400hPa之间，保证了在云中存在较厚的过冷却水滴区，有利于雹块撞冻增长；云中冷区超过暖区的两倍，保证了所形成的雹块在下降过程中不被融化；通过中尺度分析，850hPa切变前部，500 hPa中空急流和850hPa低空急流相重叠的位置的后部，为此次冰雹落区，而高低空急流相重叠前部为强降水落区；高空槽前产生强对流天气时，西部山区地形的热力环流和动力强迫局地触发形成降雹的初始回波，迎风坡的抬升作用使局地强对流发生，入境积云的发展更强烈，有利于发生冰雹天气，而强降水天气多发生在中部平原地区；暴雨中心在雹灾中心的位置更偏东偏北的地区；降雹过程中正闪峰值在冰雹开始之前近半个小时左右，所以正闪比例的大幅提高对冰雹的产生有一定指示意义，而当负闪比例很高时易产生强降水天气。

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作者简介：柴晓玲，本科学历，助理工程师，研究方向：短时天气预报。

通讯作者：王一文，硕士，助理工程师，研究方向：短临预报。endprint