一次雷暴天气潜势预报与中尺度分析

马远卫 雷崇典 杜浩 田杨媚

摘要 利用常规气象觀测资料、T639数值预报产品FY-2E卫星云图及相关定量产品，分析了2014年7月29日陕北出现的一次局地雷暴天气过程，基于雷暴发生的三要素讨论了中尺度不稳定与雷暴发生之间的关系、抬升与触发的异同以及天气系统与雷暴抬升机制之间的关系，并对产生雷暴机制的物理量和有利于雷暴发生的中尺度环境进行分析。结果表明，雷暴是在条件不稳定层结下产生的，位势不稳定的建立有利于雷暴机制的形成与发展；雷暴发生区形成较强的湿度梯度，有利于雷暴发生区产生垂直环流。上升区在湿空气区，下沉区在干区，这个垂直环流圈的进一步发展反过来又维持了湿舌，是强对流的一种触发机制。有利的中尺度环境场和边界层辐合线的形成是雷暴的触发机制。高层的辐散场与短波槽的配置，有助于低层850 hPa和地面辐合线触发雷暴。

关键词 雷暴；潜势预报；中尺度；物理量

中图分类号 S16；P458 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）29-0180-04

Potential Prediction and Mesoscale Analysis of a Thunderstorm Weather

MA Yuanwei，LEI Chongdian，DU Hao et al

（Yanan City Meteorological Bureau， Yanan，Shaanxi 716000）

Abstract Using the conventional meteorological observation data， T639 numerical prediction product FY2E satellite cloud image and related quantitative products， the process of local thunderstorms in northern Shaanxi on July 29， 2014 was analyzed，based on the three elements of thunderstorm， the relationship between mesoscale instability and thunderstorms， the similarities and differences between lifting and triggering， and the relationship between weather system and thunderstorm mechanism were discussed，and analyzed the physical quantity of the thunderstorm mechanism and the mesoscale environment which was favorable to the occurrence of the thunderstorm.The results showed that the thunderstorm was generated under the condition of unstable stratification， and the establishment of instability was conducive to the formation and development of thunderstorm mechanism.The thunderstorm area had a strong gradient of humidity， which was favorable for the vertical circulation of the thunderstorm.Rising support in the wet air area， sinking area in the dry area， the further development of the vertical circulation circle in turn maintained the wet tongue， which was a strong convection trigger mechanism.Favorable mesoscale environmental field and boundary layer formation were thunderstorm triggering mechanisms.The highlevel diffuse field and shortprofile configuration helped the lower 850 hPa and ground convergence lines to trigger thunderstorms.

Key words Thunderstorm；Potential prediction；Mesoscale；Physical quantity

作者簡介 马远卫（1973—），男，陕西咸阳人，助理工程师，从事强对流天气研究。

收稿日期 2017-07-26

雷暴泛指深厚湿对流，常伴有雷雨、大风、冰雹等，可以不伴有雷电活动。雷暴（深厚湿对流）生成三要素是指静力不稳定、水汽和抬升条件[1]。随着我国短临预报的开展，雷暴生成三要素已被广泛接受，以“配料法”[2]为思路的雷暴产生环境条件的研究逐渐增多；在业务预报中，虽然“配料法”能够化繁为简，使预报思路的物理概念清晰，但又面临一些具体问题，特别是条件不稳定与位势不稳定的异同与判据。基于“配料法”的中尺度天气分析业务技术实际上常常仅诊断大气热力结构，即层结与水汽条件，难以诊断抬升条件，因此对区域性雷暴天气空报率较高。另一方面，边界辐合线、地形抬升、干线等中尺度系统能迅速显著地改变局地环境，受资料分辨率及数值预报能力限制，这种快速变化的局地环境无法诊断，一些局地强风暴易漏报。笔者利用常规气象观测资料、T639数值预报产品FY-2E卫星云图及相关定量产品，分析了2014年7月29日陕北出现的一次局地雷暴天气过程，基于雷暴发生的三要素讨论了中尺度不稳定与雷暴发生之间的关系、抬升与触发的异同以及天气系统与雷暴抬升机制之间的关系，并对产生雷暴机制物理量和中尺度环境进行分析[3-4]，试图找出雷暴天气发生的有利机制，对雷暴天气预报提供帮助。

1 大气环流背景與雷暴天气过程

2014年7月29日08 ∶00 500 hPa高空图上，欧亚中高纬为两槽一脊型，欧亚大槽位于河套东部区域，槽后为一致性的西北气流，冷空气偏北且位于河套顶部区域，陕北上风区无明显冷平流存在；对流层以下各层河套西侧有中尺度切变存在，陕北南部区域有偏南风气流发展；对流层中上层河套区为一致性西北气流。在400 hPa高空圖上可以分析出一条由蒙古西侧至陕北南部高风速带并有明显的干冷空气配合。在08 ∶00地面图上，从南疆至青藏高原中部是大范围的低压控制区，河套区处于该低压前部，无明显的冷空气活动。

7月29日陕北地区出现一次局地雷暴天气过程，靖边、吴起出现强雷暴，雷暴发生范围在 107.8°～109.1° E、36.8°～37.7° N，15 ∶48吴起测站首次出现雷电现象，17 ∶20—19 ∶00吴起铁边城镇庙沟乡出现降雹，最大直径20 mm左右。 17 ∶11靖边测站第一次出现雷电，17 ∶51出现降雹，17 ∶55开始出现雷雨，18 ∶26降雹结束，降雹最大直径为25 mm，19 ∶08降水结束，累计降水量达34.8 mm，最大降水时段为18 ∶00—18 ∶30。靖边县镇宝乡自动站降水量达59.7 mm。

2 雷暴发生条件分析

2.1 大气不稳定分析与对流

雷暴发生区在东胜站与延安站之间，分析29日08 ∶00两测站的探空资料（表1）发现，两测站的对流抑制有效位能（CIN）、自由对流高度（LFC）、0 ℃层位势高度（ZH）偏大[5]，分析两测站的T-logP图（图1）发现，延安测站湿对流有效位能CAPE值为03 J/kg，东胜测站CAPE值为252.8 J/kg，可以断定雷暴区上空对流层550 ～320 hPa高度上气层可能处于绝对不稳定；LFC在568.9 ～399.1 hPa，位置明显偏高。延安测站CIN值为500.1 J/kg，东胜测站CIN值为4565 J/kg，600 hPa以下大气层处于CIN气层区，大气属于绝对稳定层结。

从图2可以看出，饱和假相当位温随高度减小，处于条件不稳定气层。

800～570 hPa大气层结θ*se/Z<0 且θse/Z<0，属于条件不稳定范畴或对流不稳定，此气层是位势不稳定层结。由于CIN的存在，对应的条件不稳定气层属于“潜在不稳定”区[6]。这种“潜在不稳定”区气层可以通过低层增湿使气层达到饱和或低层辐合抬升使得气块达到LFC，实现条件不稳定层结转化为真实的不稳定层结。这种明显的位势不稳定有利于产生雷暴或强风暴系统，低层较厚的条件不稳定与上层较高的绝对不稳定结构有利于对流发生后产生的强浮力，雷暴的垂直发展旺盛，也越容易出现降雹。

边界层存在一定厚度的逆温层，其气层内相对湿度大于80%。通过边界层平流作用和地面辐射加热使得雷暴发生区上空变得更暖更湿，有利于建立更强的位势不稳定。条件不稳定气层较厚，通过增温增湿使得条件不稳定转化为现实不稳定。

2.2 中尺度环境场与触发机制

2.2.1 边界层与地面辐合线。

从7月29日08 ∶00地面图（图3）可以看出，陕西省处于地面冷高压的前部；850 hPa，雷暴发生区上空有一条中尺度的辐合线，表明在边界层内有弱的冷空气南下，产生局地中小尺度斜压不稳定。11 ∶00地面场上，在雷暴区对应850 hPa产生一条中尺度的辐合线，这种对中尺度的扰动有利于低层不稳定能量随垂直运动上传，有利于触发对流的发生。

2.2.2 湿舌。

7月29日08 ∶00 850 hPa高空图上延安北部上空风场有一条东西向辐合线，与陕西两侧南北向型的切变线相交汇，交汇处与雷暴发生区相配合（图3）。其雷暴发生区的南北两侧维持偏南风水汽输送带，并在交汇处汇合。整个陕北地区温度露点差在6 ℃以下，其中延安站为2 ℃，接近饱和。 从08 ∶00 850 hPa水汽通量场可以看出，在南北向的湿舌顶部辐合线略偏东

对应有10.6 kg/（hPa ·cm·s）水汽辐合中心。在850 hPa水汽通量散度场上有-20 kg/（hPa ·cm2·s） 中心相对应。且在700 hPa有一自南向北的假相当位温的高能舌（70 ℃）伸展到暴雨区上空。合，湿层厚度不断增加也有利于更高层次上形成湿舌。850 hPa以下逆温层内的增温增湿有利于雷暴发生区风暴发展所需的高静力能量的积累。

2.2.3 干线。

在图3中，700 hPa高能舌（湿舌）的两侧是一条偏南北走向的干线（或干锋），湿舌的顶端是850 hPa西南—东北走向的干线，在雷暴发生区形成较强的湿度梯度，有利于雷暴发生区产生垂直环流。上升区在湿空气区，下沉区在干区，这个垂直环流圈的进一步发展反过来又维持了湿舌，是强对流的一种触发机制。

2.2.4 垂直风切变。

从29日08 ∶00高空风场可以看出，在对流层上部延安站上空400与300 hPa高度上维持较强的风切变；在对流层下部700～500 hPa有一个西南风转西北的风向切变。

3 理量场与增强条件分析

3.1 散度场

从7月29日08 ∶00雷暴发生区上空散度剖面（图4）可以看出，雷暴区偏东南侧600 hPa到边界层有一个负散度中心，对应在700 hPa高度上有-5.0×10-5s-1的散度中心，其500 hPa以上对应是正散度区，强中心值在雷暴区偏东北方向。这种高低空配置说明500 hPa以上具有较强的辐散场相配合，有利于强风暴的强烈发展或增强。

3.2 比湿场

从29日08 ∶00雷暴中心沿 109.3° E比湿剖面图（图5a）可以看出，雷暴区上空500 hPa对流层以下水汽是一个增加的过程，而在500～400 hPa雷暴区上有一条西南—东北走向的湿舌，说明对流层下部水汽的辐合堆积后开始向上输送。

3.3 风速场

在29日08 ∶00对流层中上层（400 hPa）河套北侧有一条西北—东南走向的高风速带，在暴雨区上空有较强的冷平流，在西北方向有干冷空气向低层侵入。700 hPa切变线与400 hPa高風速带的产生使得雷暴区上空出现扰动，有利于在深厚层次内建立很强的位势不稳定。

3.4 水汽通量散度场

从29日08 ∶00沿 109.2° E水汽通量散度剖面（图5b）可以看出，雷暴区上空水平中尺度范围为水汽通量散度负值区，700 hPa高度上对应辐合中心[-44 kg/（hPa ·cm2 ·s）]，在700 hPa高空图上雷暴区西侧有一个切变线，东侧为偏南风气流，雷暴区上空为水汽辐合区域，与700 hPa高度上有-5.0×10-5s-1的散度中心相对应。

3.5 垂直速度场

分析29日08 ∶00垂直速度剖面图可以看出，雷暴区上空200～850 hPa是闭合的负值区，中心区（-65×10-3 hPa/s）位于480 hPa高度，并向东北倾斜，且东北方300～850 hPa是闭合的正值区，中心区（35×10-3hPa/s）位于109.2° E、41° N 520 hPa高度，有利于暴雨区上空中尺度的环流系统形成。

综合分析29日08 ∶00高空资料（图6）发现，在陕北上空300 hPa的辐散场、400 hPa的高风速带、河套西部的500 hPa风速切变与700 hPa的短波槽配置，使得雷暴区上空形成强烈的上升运动，也可以减小CIN，增加温度直减率，有助于低层850 hPa和地面辐合线触发雷暴。

4 结论

基于雷暴发生的三要素，分析了2014年7月29日陕北出现的一次局地雷暴天气过程，讨论了中尺度不稳定与雷暴发生之间的关系、抬升与触发的异同以及天气系统与雷暴抬升机制之间的关系，指出了边界层辐合线、干线等中尺度抬升系统提供雷暴发生发展所需的暖湿空气，并对产生雷暴的物理量和有利于雷暴发生的中尺度环境进行分析，得出了以下结论：

（1）雷暴是在条件不稳定层结下产生的，位势不稳定的建立有利于雷暴机制的形成与发展， 可以通过低层增湿使气层达到饱和或低层辐合抬升使得气块达到自由对流高度（LFC），实现条件不稳定层结转化为真实的不稳定层结。这种明显的位势不稳定有利于产生雷暴或强风暴系统，低层较厚的条件不稳定与上层较高的绝对不稳定结构有利于对流发生后产生的强浮力，雷暴的垂直发展旺盛，也越容易出现降雹。

（2）雷暴发生区形成较强的湿度梯度，有利于雷暴发生区产生垂直环流。上升区在湿空气区，下沉区在干区，这个垂直环流圈的进一步发展反过来又维持了湿舌，是强对流的一种触发机制。

（3）雷暴的发生常常是在水汽和不穩定条件已满足的条件下等待抬升强迫，因该条件通常是“扣动扳机”的触发条件，有利的中尺度环境场和边界层辐合线的形成雷暴的触发机制。

（4）高层的辐散场与短波槽的配置，使得雷暴区上空形成强烈的上升运动，也可以减小对流抑制有效位能（CIN），增加温度直减率，有助于低层850 hPa和地面辐合线触发雷暴。

参考文献

[1] 王秀明，俞小鼎，周小刚.雷暴潜势预报中几个基本问题的讨论[J].气象，2014，40（4）：389-399.

[2] 俞小鼎.基于构成要素的预报方法——配料法[J].气象，2011，37（8）：913-918.