冀中南地区一次冰雹天气的中小尺度特征

张　南，曹晓冲，闫雪瑾，张利学，裴宇杰

(1.河北省气象台，河北　石家庄　050021；2.河北省沙河市气象局，河北　邢台　054100)



冀中南地区一次冰雹天气的中小尺度特征

张南1，曹晓冲1，闫雪瑾1，张利学2，裴宇杰1

(1.河北省气象台，河北石家庄050021；2.河北省沙河市气象局，河北邢台054100)

利用2014年6月22日08:00及14:00常规探空观测资料，08:00—20:00自动站逐时风场资料、闪电资料、FY-2E可见光云图及石家庄站多普勒雷达逐6 min资料，对发生在河北石家庄的一次冰雹天气的中尺度系统特征及环流背景进行分析，探寻此类灾害性天气精细化预警着眼点。结果表明：高空冷涡东南象限中“上干冷下暖湿”的不稳定区域是强对流出现的潜势区，干冷空气入侵和边界层辐合线是河北中南部地区对流的触发条件；分散的对流云团在冷涡附近形成，外围的弧状云线逐步发展加强，弧状云线和上冲云顶的识别和分析有利于判断对流云团的发展变化趋势，其演变对短临预警有较大的参考意义。对流发生前中等偏强的垂直风切变有利于超级单体的发展；包含超级单体的多单体风暴是本次过程的直接影响系统，并伴有旁瓣回波、三体散射等典型雹暴回波特征；风暴向引导气流偏右侧方向移动，移速与平均环境风相当，为精细化落区预警提供参考；冰雹出现时正闪比例增加，其空间分布与雷达回波和冰雹路径对应，对冰雹短临精细化预警具有较好的指示意义，可作为雷达分类预警的有益补充。

冰雹；超级单体；可见光云图；闪电；精细化预警

引　言

冰雹是河北省春末夏初一种严重的灾害性天气，具有持续时间短、局地性强、破坏力大的特点，给当地人民生命财产特别是农业生产带来严重损失，因此做好冰雹天气预报预警服务，是积极采取防范措施的基础，对防灾减灾具有重要现实意义。多年来，许多气象工作者和科研人员对冰雹天气的气候特征、环流背景和对流环境条件进行研究，形成了天气气候概念模型，对冰雹的潜势预报具有明显改善[1-6]。近年来，随着新型高时空分辨率观测系统的建立，雷达、卫星及闪电资料在冰雹临近监测和预报中越来越受到重视，相关研究也取得了一些成果。王华等[7]对比分析了2005年北京城区的2次冰雹天气，提出今后需充分应用高时空分辨率的探测资料做好此类突发性天气的监测和临近预报；张萍萍等[8]应用雷达和闪电资料分析一次鄂北的冰雹天气过程，指出2种资料对降雹预报有较好的指示意义；易笑园等[9]认为，雷达、闪电、微波辐射计和加密自动站等观测资料，为深入了解中小尺度对流系统的结构及合并等细致过程，掌握降雹、闪电等灾害天气及雷暴系统结构演变的复杂关系提供了事实依据。研究表明，造成冰雹天气的中尺度系统形式多样[10-12]，尽管基于雷达图像识别和短临预报系统外推算法有很大业务应用价值[13-14]，但冰雹天气的精细化预报、预警仍是现代气象业务的难点。

2014年6月22日受冷涡后部扩散的冷空气影响，河北省出现了全省范围的雷雨天气，雷雨过程中11个县市降雹、8个县市出现大风，部分地区出现短时强降水(图略)。降雹时段主要集中在15:30—18:00(北京时，下同)，影响范围为河北中南部的石家庄及其北部和东部周边地区(图1)，其中，4个观测站出现冰雹，藁城站最大，直径为10 mm。实地灾情考察发现，降雹范围广，受灾区域呈东南—西北向带状分布，且降雹密度大，在某些地面造成堆积，部分地区出现大雹。据不完全统计，受灾地区涉及石家庄及周边地区共4市12个县，尤以石家庄受灾最重。据石家庄各县(市)农业部门初步统计，石家庄地区农作物受灾总面积达38 500 hm2，重灾面积7 000 hm2，设施农业毁坏严重，瓜果蔬菜大面积绝收。本文利用2014年6月22日08:00和14:00的常规探空资料、08:00—20:00 FY-2E卫星可见光云图逐时资料(1.25 km分辨率)、地面区域自动站风场和闪电资料以及石家庄站逐6 min多普勒雷达资料，结合实地调研，对此次过程进行研究，着重分析中尺度系统的演变特征，为今后灾害性天气的精细化预警提供科学依据。

图1　2014年6月22日冀中南地区冰雹落区(为测站观测；▲为实地调研)

1　环流背景与影响系统

此次强对流天气发生前，亚洲中高纬受贝加尔湖阻塞高压控制，在其南侧相伴有多个深厚的冷涡系统，其中位于河北西北部至内蒙古中部地区的高空冷涡是本次过程的主要影响系统。2014年6月22日08:00(图略)，200 hPa西风急流经过冀中南地区；500 hPa冷涡南部的西北气流形成疏散槽形势，并有冷温槽和干区配合，槽后有20 m·s-1的西北风大风速核指向冀中南地区；850 hPa冀中南地区受弱暖脊控制；925 hPa受东北风影响，河北东部和南部地区的水汽接近饱和(T-Td<5 ℃)；地面上，河北中南部地区存在地形辐合线。综上所述，此次强对流天气出现在高空急流和低层东北风交汇处，高、低空干冷和暖湿空气相互作用，构成不稳定层结，形成较明显的垂直风切变，干冷空气触发了对流天气。

从距离石家庄最近的邢台站探空图上看(图略)，22日08:00邢台上空的0 ℃层(4 km)和-20 ℃层(6.9 km)高度适于冰雹的增长；温度和露点垂直分布廓线呈“上干下湿”的喇叭口形状，这是强对流发生的典型探空形势，且对流有效位能>800 J·kg-1，不稳定能量可转换为气块做加速垂直运动的动能，促进对流系统发展。14:00，邢台探空表现出对流抑制能量减小，自由对流高度下降，说明不稳定能量极易触发；垂直风切变也随着高空干冷空气的东移加强，由08:00的中等风切变增强到强风切变，更有利于普通单体风暴发展成组织性较强的多单体风暴或超级单体。

综上所述，大尺度天气背景形成了上干冷下暖湿的不稳定状态，并具有强的垂直风切变，构成了冰雹形成和发展的有利环境条件，据此可以得出午后强对流天气的落区。另外，500 hPa的大风核、适宜的0 ℃层和-20 ℃层高度以及对流抑制的减弱等对午后强对流短临预报具有较明显的指示意义。

2　中尺度辐合线

触发对流的抬升条件大多由中尺度系统提供，边界层辐合线对强对流天气的作用越来越受到关注[12]。从22日08:00地面风场来看(图2a)，河北中南部存在东风与东北风、南风与北风形成的2条辐合线，且相交于石家庄东部地区，其辐合中心强度超过5×10-5s-1。另外，在辐合线附近有对流系统率先发展，所产生的出流边界与冷涡外围的对流系统相互作用使其快速发展。15:00石家庄地区强对流出现之前(图2b)，地面中尺度辐合线演变为东西走向，中心强度超过20×10-5s-1，辐合明显加强，使中尺度系统的组织化程度加强，有利于延长生命史，造成较大范围的灾害。

3　中尺度系统的云图演变特征

FY-2E可见光云图可以清楚地反映中尺度系统的发展变化。由图3可看出，22日09:00，冷涡云系C1位于河北西北部，冀中南平原地区存在云带C2，并与地面辐合线相对应(图2a)；11:00，冷涡云系南缘保定附近出现弧状云线C3，且C2上不断有对流单体新生；12:00，冷涡外围云系在保定地区发展成云团C4，C2上对流单体此消彼长出现多条出流边界C5；14:00，保定南部云团C4发展旺盛出现暗影，并与西移的C5相遇，促使云团迅速发展，形成一条东西向的云带C6，此时地面辐合线(图2b)位于云带南侧前沿；15:00，该云带向地面强辐合区发展移动，造成河北中南部地区强对流天气；16:00，出现了上冲云顶C7，表明系统发展旺盛，与500 hPa风向(WNW)对应，云带西边界光滑且对流羽向下游伸展。可见，通过分析可见光云图上冷涡云系和辐合线云带的演变及相互作用，能够判断系统未来的发展趋势及影响区域，有助于提前1～2 h发布强对流临近预报。

4　雷达预警特征

多普勒天气雷达是监测预警冰雹等强对流天气的有效工具，能够跟踪监测雹暴的发生和发展，判断冰雹落区[15-16]。本次过程在雷达图上为带状排列的多单体风暴(其中包含有多个超级单体)，这是此次风雹灾害的直接影响系统。这里主要分析阵风锋与系统的发展、超级单体及冰雹特征、风暴的移动速度和路径等雷达特征。

图2　2014年6月22日08:00(a)和15:00(b)地面风场(矢量)及散度场(色斑，单位：10-5 s-1)(黑色圆点为石家庄站；红色实线为辐合线)

图3　2014年6月22日09:00—16:00 FY-2E可见光云图演变

4.1阵风锋与对流系统演变

22日上午，地面辐合线处有对流单体生成，从10:30开始雷达图上出现一个个孤立的块状回波(图略)。图4给出22日14:00—16:00石家庄及周边地区对流系统的雷达回波演变过程。可看出，14:00(图4a)，衡水附近有一小块回波A1，产生的阵风锋A2远离A1主体80 km左右，即将与回波A3相遇；保定西部的对流回波A4前缘有窄带回波A5，其附近不断有对流新生，当阵风锋与对流回波相遇时，对流加强。14:30(图4b)，保定一带回波A4连成带状，且范围与强度明显增大，回波A3也明显加强；之后，带状回波A4迅速发展，并分裂出若干单体，其中位于保定东部的回波B1始终与阵风锋A5相连(图4c)；到15:36，对流系统B1与东南方向的阵风锋A2相遇，回波中心强度跃增至65 dBZ以上(图4d)；16:00，多个对流单体呈东西向带状排列(图4e)，与阵风锋相连的B1单体最强，阵风锋A5有明显的风向辐合，且在阵风锋后侧的偏北风中出现速度模糊，最大速度超过27 m·s-1(图4f)。受其影响，石家庄北部最先开始出现风雹天气。由此可见，东部地区对流系统出流形成的阵风锋是多单体风暴形成和加强的直接原因之一。因此，分析阵风锋和回波移动的相对方向，判断二者能否相遇或相交是短临预报预警的重要着眼点。

图4　石家庄站2014年6月22日14:00(a)、14:30(b)0.5°仰角，15:18(c)、15:36(d)和16:00(e)1.5°仰角的多普勒雷达反射率因子(a～e，单位：dBZ)及16:00 1.5°仰角的径向速度(f，单位：m·s-1)

4.2超级单体结构与冰雹特征

对流系统B1在东移南下过程中不断加强，在16:06左右开始出现持久深厚的中气旋，其西侧的单体B2在16:24也出现了中气旋，这表明多单体风暴发展为多个超级单体。16:30，超级单体发展最为强盛，1.5°仰角的反射率中心值超过65 dBZ(图5a)；由于大冰雹对雷达波束的强散射作用，B1主体回波的左侧出现旁瓣回波，沿单体B2径向远离雷达的方向可识别三体长钉回波(TBSS)。对应反射率因子核心风暴相对径向速度在2.4°～6.0°仰角上均识别出速度对，其中4.3°仰角上(图5c)，B1对应的速度对高度约为4.8 km，旋转速度为15 m·s-1；而B2对应的速度对高度在3.2 km左右，旋转速度为20 m·s-1，且表现为辐合式旋转，说明风暴还在不断发展加强。2个相对独立的超级单体分别在辛集北部、藁城附近造成严重的风雹灾害。

图5　石家庄站2012年6月22日16:30 1.5°仰角多普勒雷达反射率因子(a)及其沿122°方位的垂直剖面(b)(单位：dBZ)和4.3°仰角风暴相对径向速度(c)及其沿122°方位的垂直剖面(d)(单位：m·s-1)

沿径向方向做B1的反射率因子垂直剖面(图5b)。可看出，55 dBZ的强回波伸展到9 km高度，远高于-20 ℃层高度，有利于大冰雹形成，且在强回波的下方存在由强上升气流产生的弱回波区。另外探空资料显示，当天0 ℃层高度仅为3.9 km，使得冰雹下降过程中受热融化距离较短，保证了大冰雹落地。相应的径向速度剖面(图5d)显示，9 km以下为深厚的径向速度辐合区，之上表现为风暴顶辐散，辐散的抽吸作用有利于上升气流加强，使得风暴进一步发展。同时，垂直累积液态水含量(VIL)一直维持高值(图略)，最大达65 kg·m-2，一方面表明大冰雹的存在，另一方面也说明系统发展的旺盛程度。

综上所述，造成本次强冰雹天气过程的直接影响系统是由多个超级单体构成的多单体风暴，高悬强回波、弱回波区、三体长钉回波、旁瓣回波、中气旋、深厚的中层径向辐合、风暴顶辐散以及大的VIL值都是大冰雹出现的典型回波特征，这有助于强对流天气的种类区分，做好冰雹天气的临近预警。

4.3风暴移动

追踪超级单体B1和B2的移动轨迹，并对比冰雹的落区(图1)发现，在石家庄及周围县市形成了NNW—SSE方向的2条直线型轨迹(图略)，表1给出2个超级单体的生命史。可知，B1生成于定州经深泽、辛集北部到达衡水的深州消亡，历时144 min，移动路程大致为90 km；B2生成于行唐经新乐、无极西部、藁城到宁晋减弱，历时108 min，路程超过110 km。B1单体的平均移动速度为10.4 m·s-1，较B2单体的移速17.3 m·s-1明显偏小，2个单体的平均移动速度大致为13.9 m·s-1，与当日500 hPa和700 hPa平均环境风速相当，为冰雹落区的精细化预警提供更多参考。

表1　2014年6月22日冀中南地区主要风暴单体生消特征

5　闪电特征

中尺度天气系统中地闪放电能够指示对流活动的存在、发生和发展[17]，闪电频次变化和正闪分布对降雹具有较好的指示作用[18]，可以弥补雷达探测受距离影响的不足。6月22日冀中南地区强降雹出现之前(图略)，闪电总数和正闪数均出现跃增，对流系统发展加强，且正闪与强回波位置对应，有利于辨识雹暴系统的发展。15:00—16:00(图6)，正闪数量多于负闪，且呈现多条带状分布，与雷达风暴追踪路径和实地灾情路径基本吻合，对短临预警具有较好的指示作用。

图6　2012年6月22日15:00—16:00冀中南地区闪电空间分布

6　结　论

(1)高空冷涡底部西北气流形成的疏散槽形势，构成上干冷下暖湿的有利天气背景，干冷空气入侵和边界层辐合线提供了冀中南地区对流的触发机制，强垂直风切变是风暴进一步发展的增强条件，由此得到的强对流潜势区域可为短临预警提供参考。

(2)本次过程中，地面辐合线的存在和加强促进了对流系统的发生、发展，有助于判断灾害性天气的具体落区。

(3)高分辨率可见光云图可以宏观把握系统的演变，对流云团与弧状云线的相互作用以及上冲云顶的识别和分析，有利于尽早判断对流云团的发展变化趋势。

(4)多单体风暴(包含有超级单体)是本次强对流天气的直接影响系统，并呈现出旁瓣回波、三体散射、中气旋等典型雹暴特征，有助于做好强对流天气的分类预警。

(5)风暴的移动速度取决于环境风场平均风，有助于灾害性天气落区的精细化预警。

(6)正闪频次的增加和空间分布对辨别冰雹的出现和落区具有明显的指示意义。

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Meso-micro Scale Characteristics About a Hailstorm in Central and Southern Hebei Province

ZHANG Nan1, CAO Xiaochong1, YAN Xuejin1, ZHANG Lixue2, PEI Yujie1

(1.HebeiMeteorologicalObservatory,Shijiazhuang050021,China;2.ShaheMeteorologicalBureauofHebeiProvince,Xingtai054100,China)

Based on the conventional sounding data at 08:00 BST and 14:00 BST, hourly wind field from automatic weather station from 08:00 BST to 20:00 BST and visible cloud images from FY-2E satellite with 1.25 km resolution, lighting data and 6-minutely Doppler radar in Shijiazhuang on 22 June 2014, the circulation background and characteristics of meso-scale system about a hailstorm weather process occurring in Shijiazhuang area of Hebei Province were analyzed, and the key points in refined forecasting of hailstorm were found. The results showed that the unstable stratification with the dry and cold air at the upper level and wet and warm air at the low level occurring in the southeast of cold vortex in upper level, was benefit to the hailstorm. The intrusion of dry and cold air and convergence line over boundary triggered the severe hailstorm. The arcus line around the convective cloud cluster which formed near the cold vortex and up rushing cloud top on visible images was conductive to determine the evolution of convective cloud, which had some certain reference for short-term warning. The strong vertical wind shear before the severe convection weather was contributes to the development of multi-cell storm including the supercell storm, and the multi-cell storm with the typical hailstorm feature of side-lobe echo and three-body scattering was the direct influencing system of the hailstorm weather. The storm moved to the right side of the steering flow, and the velocity was approximately equal to the mean environmental wind, which provided reference for the refined warning of hail area. The number of positive lightning significantly increased when the hail occurred, and the spatial distribution of positive lightning was corresponding to the radar echo and hail path, which had better early warning indication and was useful complement for the radar classification warning.

hail; supercell; visible images; lightning; refined warning

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0693

2016-02-05；改回日期：2016-04-01

中国气象局预报员专项(CMAYBY2015-005)和河北省气象局强对流创新团队项目共同资助

张南(1980- )，女，河北丰南人，高级工程师，主要从事天气预报业务与相关科研工作. E-mail:zn2000_nan@aliyun.com

1006-7639(2016)-04-0693-07DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0693

P458.1+21.2

A

张南，曹晓冲，闫雪瑾，等.冀中南地区一次冰雹天气的中小尺度特征[J].干旱气象，2016，34(4)：693-699, [ZHANG Nan, CAO Xiaochong, YAN Xuejin, et al. Meso-micro Scale Characteristics About a Hailstorm in Central and Southern Hebei Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):693-699],