沿江苏南一次伴随“高架雷暴”的暴雪天气成因分析

陈潇潇，钱昊钟，周彬，王璐璐，沈雨辰

(无锡市气象台，江苏无锡214101)

0 引言

江苏是雷暴多发地区，强对流天气一般开始于3月底，结束于10月，主要集中时段在夏季6、7月，在冬季初春，气温较低的条件下也会出现强对流天气。但同时出现“雷暴”与“降雪”并存，俗称“雷打雪”的天气现象还是极为少见。自20世纪90年代起，数位国内外学者注意到冷季内出现雷暴的现象，并对其成因和机制进行了分析研究。Coloman(1990a，1990b)最早提出“高架雷暴”概念，定义“高架雷暴”是指雷暴云底在边界层以上的雷暴，Grant(1995)进一步指出这些雷暴的云底在明显的锋面逆温层以上，Moore et al．(1998)分析了冷季与暖季内“高架雷暴”的不同发生机制。但由于模式的对流参数化方案主要偏重于近地面的初始发展，对这些锋区北侧高架雷暴的预测仍然存在难点(Anderson et al．，2002;Jankov and Gallus，2002)。国内方面，多名学者也关注到了这个现象，并进行了一系列的分析研究(姜俊玲等，2010;周雪松等，2013)。注意到多例“雷打雪”北天气发生在华中、华北地区，研究结果总结了“雷打雪”往往发生在有利的天气尺度背景下，中低层爆发性的增湿导致了潜在不稳定层结的出现，而回流的干冷空气侵入低层，形成冷垫，迫使暖湿空气抬升，触发不稳定能量释放，是导致强对流天气发生的原因。对于长江以南的“雷打雪”个例，吴乃庚等(2013)分析了2012年初春华南的一次“高架雷暴”天气过程，指出对流层低层的逆温层结是对流的前提，并进一步发现对流发生抬升从850 hPa附近开始。由于南方冷季发生雷暴的次数很少，目前江苏对这种特殊的冷区雷暴的成因机制分析仍较少，对雷暴与暴雪同存的天气过程分析更不多见。

2013年2月18—19日，伴随着冷暖空气的交汇锋生，沿江苏南地区出现了一次大范围的强降雪，并在19日凌晨出现了罕见的冷锋后高架雷暴天气，数值预报对暴雪的预测较准确，但对于强降雪时伴有的雷暴则未能提前反应。本文基于江苏省内地面观测和区域自动站资料、华东地区逐日2次常规探空站监测资料以及NCEP/NCAR逐日4次客观分析资料(分辨率为1°×1°，垂直方向为26层)，通过天气学分析及物理量诊断方法，试图分析探讨本次暴雪的发生发展的维持机制，同时特别关注本次冷区罕见高架雷暴的环境条件及触发机制，以期今后为同类天气事件的分析和预报提供科学依据。

1 天气过程概况

2013年2月中旬旬末，受中等强度冷空气与南支波动的共同影响，西北地区东部、江淮、江汉、江南北部都出现了明显的雨雪天气过程，安徽、江苏两省淮河以南地区及湖北等省局部地区出现大到暴雪。18—19日江苏省在此次强雨雪天气过程中，主要的降雪区位于沿江苏南地区，降雪量普遍在10 mm以上，积雪深度超过10 cm，多站达到大到暴雪量级(表1)。19日凌晨，江苏、安徽、湖北等地部分地区还出现了雷暴天气，即俗称的“雷打雪”现象，观测记录显示，江苏省内于19日08时过去天气现象中记录雷暴的站点共20个，集中出现在沿江苏南(图1)，从时间记录上看到，雷暴出现时间有东传的特征(表1)。19日08时以后，随着暖湿气流的显著减弱，降雪快速停止。

2 环流背景分析

表1 沿江苏南代表站降雪量与雷暴实况Table 1 Cumulative snowfall and thunderstorm occurrence time of representative stations in southern Jiangsu province

2013年2月中旬，欧亚中高纬为两槽一脊形式，旬中位于乌拉尔山附近的高压脊减弱，而位于东亚的低涡加强，分裂出深厚的低槽。冷空气在西西伯利亚平原积聚，在旬末自西向东影响我国，造成一次中等强度的冷空气过程。17—19日这股中等强度冷空气南下过程中与南支波动相结合，给南方大范围地区带来强降雪天气(安林昌和张芳华，2013)。17日20时的500 hPa环流形势场上可以看出，亚洲大陆为一庞大的低涡控制，其南部低槽引导冷空气南下至江淮流域;同时，85°E附近的南支槽前部有短波东移，槽前西南暖湿气流发展旺盛，为暴雪的出现提供了有利的水汽条件和能量条件(图略)。700 hPa急流轴上有超过20 m·s－1的急流中心，由于地面冷锋还位于京冀豫一线，整个长江中下游流域地面气温在8℃左右，降水性质为雨(图2a)。18日08时700 hPa西南急流持续稳定，地面冷锋进一步南压到达淮北地区，850 hPa上0℃等温线南压到沿江地区，－4℃等温线紧随其后，沿江及苏南地面气温有所下降，但仍在5℃以上，沿江苏南地区仍以雨为主，雨量有所增大，而江苏北部降水性质已经逐步转换，出现了雨夹雪或雪的天气。18日20时前后，冷锋南压至长江以南，南支波动前的西南暖湿气流进一步增强，700 hPa急流强度达到30 m·s－1，850 hPa上沿江苏南地区的温度已降至－4℃，较700 hPa低4～6℃，地面上降水性质在傍晚前后转换，降雪的主要时段开始，注意到低层925 hPa偏东急流增强显著，这支偏东急流为强降雪提供了重要的冷垫条件，700 hPa暖湿气流在此冷垫上沿锋面爬升，有利于降雪的进一步加强，并且推测这也是19日凌晨雷暴的触发原因(图2b)。下面就暴雪形成及增强原因及触发冷区雷暴的成因机制分别进行分析。

图1 沿江苏南2013年2月18日08时—19日08时累计降水量实况(等值线;单位:mm)及雪伴雷天气现象站点分布Fig．1 Observed cumulative precipitation(contours;units:mm)in southern Jiangsu province from 08:00 BST 18 to 08:00 BST 19 February 2013 and distribution of thunder-snow stations

图2 2013年2月17日20时(a)和18日20时(b)的大气环流形势(阴影区表示700 hPa上风速大于等于12 m/s的西南急流;等值线为850 hPa上0℃和－4℃的等温线;风标为925 hPa上风速，单位:m·s－1)Fig．2 700 hPa southwest jet(Shaded areas denote the wind speed greater than or equal to 12 m·s－1)，850 hPa temperature(contours are 0℃ and －4℃ isotherms)and 925 hPa wind field(wind barbs;units:m·s－1)at(a)20:00 BST 17 and(b)20:00 BST 18 February 2013

3 暴雪发生发展的维持条件

3.1 水汽条件

强降雪的维持发生往往是多尺度天气系统共同作用的结果，同时对水汽和动力条件都有特殊的要求(姜俊铃等，2010;苗春生等，2010;王林等，2011)。首先分析本次暴雪产生的水汽条件，可以看到，早在17日夜间，700 hPa西南急流已经明显增强，风速超过了20 m·s－1，本次暴雪的水汽主要是700 hPa西南急流自孟加拉湾的输送，较强的水汽通量高值带自西南往东北在沿长江一线延伸，18日午后起14 g/(cm·hPa·s)以上的水汽通量强中心横跨川、湘赣、直到苏皖沿江一线，主要的辐合区位于高水汽通量区的北缘，此时对应地面的主要雪区在沿淮地区，长江以北已经出现降雪(图3a)，良好的水汽输送条件持续维持到19日02时，且伴随着20时辐合中心的南压，沿江苏南地区的降水性质发生转变，19日02时强水汽通量中心范围减小，但沿江苏南地区上空的水汽辐合最为强盛，此时地面降雪区域也明显扩大，降雪最为明显也在本时段内(图3c)。到了19日08时，强水汽通量中心东移入海，地面雪区也东移减少，沿江地区降雪强度已明显减弱，中午前后很快停止。这种维持较久并且较强的水汽输送及辐合作用，为本次暴雪的出现提供了非常有利的水汽条件。

3.2 暴雪动力维持机制

图3 2013年2月18日14时(a)、20时(b)以及19日02时(c)、08时(d)700 hPa风场、水汽通量场和水汽通量散度场(箭矢表示风场，单位:m/s;等值线表示水汽通量，单位:g/(cm·hPa·s);阴影表示水汽通量散度，单位:10 －6g/(cm2·hPa·s)Fig．3 700 hPa horizontal wind field(arrows;unist:m · s－1)，water vapor flux field(contours;blue line denotes 14;units:g/(cm·hPa·s))and water vapor flux divergence field(shaded areas;units:10－6g/(cm2·hPa·s)at(a)14:00 BST 18，(b)20:00 BST 18，(c)02:00 BST 19，and(d)08:00 BST 19 February 2013

图4为散度、涡度及垂直速度沿垂直冷锋方向的的斜剖面，可以看到，沿江苏南地区(经纬度范围基本在30～32°E、118 ～122°N 内)上空有明显的辐合上升运动区，辐合中心与垂直上升运动中心相配合，从近地面900 hPa斜升达到700 hPa以上，700 hPa以上则为辐散区，沿锋区为一致的上升运动(图4a—b)。同样的，涡度与垂直速度也有相似的配置，沿江苏南地区900～600 hPa正涡度区与上升运动区相配合(图4c—d)，其上直到300 hPa则基本为负涡度区。这种下层辐合、上层辐散的抽吸配置是本次暴雪的动力抬升及维持机制。注意到物理量场均有随着纬度向冷区倾斜的趋势，这与冷空气侵入有关，进一步分析700 hPa的假相当位温θse及中低层风场随时间的变化(图5a)，与暴雪实况相对比看到，降雪落区与假相当位温θse线密集带有很好的对应关系。随着时间推移南压，700 hPa高温高湿的不稳定能量与低层冷空气交汇，在沿江形成能量锋区，地面不断有冷空气补充，形成了“冷垫”与“暖盖”稳定叠置并持续维持，为此次暴雪的发生发展提供了成熟的热力条件。图5b更直观看出这种下冷上暖垂直结构特征，17日起低层相对湿度在加大到80%以上后，降水开始出现，饱和水汽区在本次降雪过程中始终维持，18日02—20时前900～700 hPa出现了高于0℃的融化层，其中在14 h以前，700 hPa以下温度均在0℃以上，降水性质为雨，午后随着冷空气垫的进一步嵌入南压，到18日20时前后，900 hPa至地面低于0℃的冷垫形成，沿江苏南出现了雨雪共存的天气，而随着时间推移，19日凌晨时段，整层温度降至0℃以下时，降水以纯雪为主。当云中过冷却水含量较大时，冰晶、雪晶的淞附增长在冷云降水中起着重要的作用，会造成较强的降雪(姚蓉等，2012)。

图5 2月17—19日700 hPa假相当位温(等值线;单位:K)与风场(阴影区表示950 hPa北风分量;箭矢表示700 hPa风场;单位:m·s－1)沿120°E的时间—纬度剖面(a)，以及降雪中心温度(等值线;单位:℃)、相对湿度(阴影区;单位:%)与风场(单位:m·s－1)的时间—高度剖面(b)Fig．5 (a)Latitude-time cross section of 700 hPa pseudo-equivalent potential temperature(contours;units:K)，700 hPa wind field(arrows;units:m·s－1)and 950 hPa north wind component(shadings;units:m·s－1)along 120°E from 17 to 19 February，and(b)height-time cross section of temperature(contours;units:℃)，relative humidity(shadings;units:%)and wind field(units:m·s－1)at snowfall center

4 高架雷暴发生的环境条件及触发机制

4.1 CSI对雷暴发生的环境作用

地面观测实况显示沿江苏南在19日凌晨00—02时前后观测到雷暴的发生，此时由于地面冷锋已经南压到浙江境内，沿江苏南处于锋后冷区中。18日20时南京单点探空图上看到(图略)，400 hPa以下均为高湿区(相对湿度＞80%)，且整层为冰相层(t＜0℃)，这也是降水性质为纯雪的佐证。对流不稳定仅在近400 hPa有极浅薄的一层，地面抬升的CAPE值不超过4，这对于垂直对流发生的条件是不利的。因此需要进一步分析可能的不稳定机制。由于锋面在沿江苏南的稳定维持，大气呈斜压状态，虽然在垂直方向上不能有上升气流的强烈发展，但在一定条件下可以发展斜升气流，这种机制称为对称不稳定(Conditional Symmetric Instability，CSI)。在湿大气中，如大气处于饱和状态，称之为条件性对称不稳定。Hoskins(1982)等将条件性对称不稳定与位涡紧密地联系了起来，Schultz and Schumacher(1999)提出可通过饱和湿地转位涡ξMPV＜0来判定，但需要一定的前提条件。即判断大气的CSI，需满足以下条件:大气的饱和湿地转位涡ξMPV＜0，垂直对流稳定且大气为惯性稳定(即绝对涡度ζa＞0)。目前已有众多学者将CSI理论用于分析台风、暴雨、暴雪、梅雨、沙尘等多种天气，费建芳等(2009，2010)对此著有专门的研究进展综述。CSI已作为分析和预报冬季强降水的一个有效方法，其中有学者指出，与湿对称不稳定相关的冬季对流可能出现闪电(Holle and Watson，1996)。因此沿江苏南地区上空在本次暴雪和雷暴过程中否存在对称不稳定机制促使对流的发生正是下面将要分析的。

计算本次暴雪发生时段的假相当位温及层结稳定度(图6)，发现18日20时起沿江苏南降雪区上空的大气就为垂直对流稳定状态，并且这种稳定状态一直维持到19日午后降雪停止，因此在19日凌晨出现的雷暴并不是简单的发生在对流不稳定环境中。从大气垂直方向对流不稳定角度不足以解释发生雷暴的成因。分别取沿江苏南两个代表站—南京、无锡，分析饱和湿地转位涡ξMPV随时间的演变(图7)。可以看到，整个暴雪时段沿江苏南地区上空始终满足条件对称不稳定和ζa＞0三者重合的区域)，同时段北部对称不稳定区垂直范围更深厚，南部则更集中在低层，推测与南压锋生区的楔形物质面有关。对称不稳定区出现时段与强降雪时段有比较好的对应，并注意到ξMPV梯度大值区与为正的大值区及ζa为正的大值区重合时间基本上正对应当地雷暴发生时段。结合图5b，雷暴发生阶段有强烈的低空垂直风切变的存在，对倾斜对流的发生发展提供了非常有利的动力不稳定条件。，虚线;单位:K/hPa;阴影区表示沿31°N的经度—高度剖面

图6 18日20时(a)和19日02时(b)假相当位温(θse;实线，单位:K)与对流层结稳定度Fig．6 Longitude-height cross sections of pseudo-equivalent potential temperature(θse;solid lines，units:K)and convective stratification stability，dashed lines;units:K·hPa－1，shaded areas show)along 31°N at(a)20:00 BST 18 and(b)02:00 BST 19

4.2 雷暴触发机制探讨

由于条件性对称不稳定是大气的一种不稳定现象，必须要有触发机制使得不稳定能量得到释放，从而引起强对流的发生。从雷暴中心的垂直速度时间剖面情况来看，雷暴发生的02时前后，锋区上出现了很强的上升运动，上升运动中心区在650～750 hPa，在等温线密集带以上，也即锋面以上。参考杨贵名等(2009)对锋区上下界的定义，将锋区下界约为295 K，上界定为310 K，绘制锋区上界310 K等熵面上的风场(图8b)，更直观地反应了在不稳定条件下，暖湿气流沿着锋面从低层爬升到600～650 hPa左右，与冷空气相遇，触发了雷暴。

5 结论

1)本次强降雪是在有利的天气形势下产生的，南支槽前强盛的暖湿气流提供了有利的水汽和能量条件，主要的水汽来源于700 hPa自孟加拉湾的水汽输送，而低层925 hPa显著的偏东急流为强降雪提供了冷垫条件。实况监测显示雷暴发生在冷区中，是一次较典型的“高架雷暴”天气。

2)暴雪时段，水汽通量辐合大值区对应了强降雪区，而大气的垂直结构特征显示，暴雪区上空为有利的辐合上升抽吸配置，降雪落区与假相当位温密集带有很好的对应关系。热力方面，能量锋区在沿江生成后，稳定维持，地面不断有冷空气补充，形成了“冷垫”与“暖盖”稳定叠置并持续维持，19日凌晨时段，整层均为冰相层，在淞附增长作用下，形成较强降雪。

3)由于垂直方向大气层结稳定，雷暴并不简单的发生于在对流不稳定环境中，通过对饱和湿位涡ξMPV的诊断分析，结果表明本次雷暴出现在条件性对称不稳定环境中。ξMPV梯度大值区与为正的大值区及ζa为正的大值区重合时间基本上正对应当地雷暴发生时段。同时雷暴发生阶段有强烈的低空垂直风切变的存在，对倾斜对流的发生发展提供了非常有利的动力不稳定条件。垂直速度场显示，雷暴发生前后，锋区上有很强的上升运动，进一步通过等熵分析，暖湿气流沿着锋面从低层爬升到600～650 hPa左右，与冷空气相遇，触发了雷暴。

需要指出的是，由于受资料时空限制，本文的诊断分析未能进一步深入，对本次“高架雷暴”的云图、多普雷雷达探测特征都没有涉及，是否存在中小尺度的触发机制还有待探讨，有关江苏冷区“高架雷暴”的成因机制及预报预警技术还有待更多的个例分析总结。实线;单位:K·hPa－1)的时

图7 南京站(a)、无锡站(b)上空湿位涡ξMPV(阴影区;单位:PVU)和对流层结稳定度

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图8 雷暴中心(120°E，31°N)的垂直速度(阴影区表示ω＜0;单位:Pa·s－1)和假相当位温(实线;单位:K)的时间—高度剖面(a)，以及2013年2月19日02时310 K等熵面上气压场(实线;单位:hPa)与风场(单位:m·s－1)(b)Fig．8 (a)Height-time cross section of vertical velocity(shaded areas for ω ＜0;units:Pa·s－1)and pseudo-equivalent potential temperature(solid lines;units:K)at the center(31°N，120°E)of thunderstorm，and(b)air pressure field(solid lines;units:hPa)and wind field(units:m·s－1)on 310 K isentropic surface at 02:00 BST 19 February 2013

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