苏南一次深秋局地强对流的多源资料分析

孙　伟，曹舒娅，解小寒，郭　倩，杨福兴

（1苏州市气象局，江苏 苏州 215131；2南京大气科学联合研究中心，江苏 南京 210009）

苏南是江苏省南部地区，包括南京、苏州、无锡、常州和镇江5个市，地处中国东南沿海长江三角洲中心，东靠上海，西连安徽，南接浙江，北依长江。江苏苏南地处东亚季风区，是春夏强对流天气高发地之一。通常情况，强对流天气是在大的环流形势下，由中低空的中小尺度天气系统所造成的。局地性强、时间短，但危害极大，常与雷雨大风、冰雹等灾害性天气相伴出现[1，2]。然而在深秋季节，也偶有强对流天气发生，往往预报员会疏忽。近几年来随着天气雷达、闪电定位的布网和多元资料融合的业务化使用，结合国内外短时临近预报技术的发展，不少气象工作者从诸多方面进行了研究，并取得大量有意义的成果[3-14]。周虎[3]等通过大量个例对宁夏冰雹天气进行了统计与分析，并得出了宁夏冰雹天气发生的预报模型，为预报员提供初步的判别依据。赵瑜[4]等对2016年7月28日出现在山西中部的一次强对流天气进行综合分析，认为回波顶高（ET）和垂直累积液态水含量（VIL）的跃增表明出现大冰雹的可能，VIL的快速降低也意味着出现雷暴大风的潜势较大。王莉萍[5]等对2008年5月3日河北省衡水市一次后倾槽型局地冰雹天气进行了诊断分析。认为这次强对流天气是由完整而深厚的“后倾”槽和低层切变线共同影响造成的；冰雹入侵路径是罕见的偏南路径；降雹前雹区为上干冷、下暖湿的对流不稳定层结，垂直累积液态水含量变化及其大值维持时间与冰雹直径和持续时间有很好的对应关系。马素艳等[6]利用探空和NCEP等资料分析西折型冷涡影响下的强对流天气过程，发现冷涡路径西折是造成2012年6月8—18日内蒙古东部强对流天气长时间持续的主要原因。李峰等[7]根据一次暴雨过程的雷达产品特征，揭示了该暴雨系统的多个对流单体结构和更替变化，其剖面刻画了局地对流降雨系统的典型回波特征，伴随强降雨出现了明显的后向干冷空气侵入弱回波区、前向回波悬垂和穹窿，以及倾斜式的低层辐合、高层辐散结构特征。周晓丽[8]等利用FY-2D气象卫星资料，通过红外通道与水汽通道提供的强对流云光谱信息，对强对流云团识别，并且设定阈值来制作强对流频次图。雨滴谱是云降水物理学中的重要参数，通过它可计算雨滴数浓度、雨强、液态水含量、雷达反射率因子和雨滴对微波的衰减等。研究雨滴谱分布，对了解降水的发生发展过程有重要意义。陈万奎[9]等通过飞机观测空中雨滴谱的水平分布，发现在水平距离上雨滴谱及其特征值分布不均匀，并计算了雨滴谱参数之间的关系。此外，胡子浩[10]、刘红艳[11]、Chen[12]等分析了不同天气系统、降水类型和不同云状降水的雨滴谱特征。陈宝君[11]、宫福久[14]、Zhang[15]等对雨滴谱分布进行拟合，结果表明Gamma分布具有普适性。

目前国内大部分研究者对于汛期的强对流发生发展潜势及物理量变化研究比较多，而往往忽略非汛期对流的发生与发展。本文基于常规观测资料及非常规观测资料，从影响系统、不稳定条件、多普勒雷达资料、闪电定位资料、风廓线和雨滴谱仪等非常规资料方面，对2014年11月24日苏南局地强对流天气进行分析，充分认识强对流天发生、发展的条件及在雷达、雨滴谱仪等非常规观测资料的演变，对流发生的物理量阈值随季节的变化需要关注，从而可以提高预报员短时临近的预报能力。

1　天气实况、环流背景和强对流潜势

2014年11月24日凌晨2：00—8：00，苏南地区自西南部的南京高淳、常州溧阳到无锡、苏州常熟部分地区出现雷电、短时强降水、雷雨大风、局地冰雹等强对流天气。其中，南京高淳和常州溧阳地区24 h的降水量达暴雨量级。小时降水量最大达26.7 mm/h，出现在常州溧阳地区；非本站小时最大降水量为33 mm/h，出现在无锡官林。无锡太湖山水自动站的风力达20.9 m/s（9级），出现雷雨大风并伴随最大直径约2 cm的冰雹。强对流天气造成部分城市道路积水，部分农田受损。其中受灾最严重的是无锡地区，当地多处行道树木倾倒，道路护栏被掀翻，一些车辆受损。

2014年11月23日20：00，200 hPa在苏皖交接地区有大风速区，苏南地区上空存在急流分流区，说明高空有明显的风速辐散区，这样有利于底层辐合上升。500 hPa北槽位于渤海湾附近，引导高层冷空气南下，苏南地区主要受南支槽前西南气流影响，到24日8：00，随着南支系统进一步东移并加深。700 hPa上，北槽的位置和500 hPa基本重叠，高原东部有切变线存在；到24日8：00，切变线和北槽在苏南北部地区合并加深，在苏皖南部有急流存在；说明苏南地区有明显的暖湿气流输送；23日20：00苏南地区有暖式切变存在，到24日8：00随着冷空气侵入转为冷式切变，并且冷平流在苏南上空较强，说明已经受到冷空气前锋影响；23日20：00，地面处于倒槽中，冷锋位置在山东中南部地区，24日8：00，冷锋已经压至沿江-苏南一线。苏南地区处于冷锋前部的低压区中。在冷锋前部的底层辐合区中，有利于辐合上升运动发生，从而触发强对流天气。通过Micaps中尺度分析图分析发现（图1），虽然是深秋，南京站T850-T500的上下层温差仍可达26℃，非常有利于强对流的发生（红色方框内为苏南地区）。整个湿轴从长江中游地区一直延续到下游，说明不断的有水汽输送，比湿最大值为10 g/kg。

图1　2014年11月23日20时Micaps中尺度分析

2　物理量场分析

将苏南及周边的南京、上海和杭州三站探空图（表1）对比发现：23日20：00—24日8：00，上海站的k指数由25℃上升到34℃，Si指数由2.29℃降至-0.05℃，说明苏南地区自西向东有明显的不稳定能量存在。CAPE在苏南地区都比较低，在100 J以下。

对比24日8：00三站的0℃层、-10℃层和-20℃层高度发现，南京地区为1500 m左右，而上海和杭州为3500 m左右，由于冷空气前锋已经开始影响南京地区，冷空气的入侵导致0℃层高度有明显的下降，对于局地冰雹的出现也是非常有利。

统计历史6—8月份苏南地区附近的三个探空站（南京、上海和杭州）的0℃层、-10℃层和-20℃层3站平均高度图（图2）显示：从初夏到盛夏，各层的高度是明显上升的，特别是0℃层高度，6月的平均高度为4500 m，8月为7000 m左右。

表1　三站探空图对比分析

然而春末和夏季的强对流潜势比较强。比如：2015年4月28日午后，江苏省自西南向东北出现大范围的2～5 cm的冰雹天气，并伴有8～9级、水面10～11级的雷雨大风、强雷电和短时强降雨等强对流天气。对比这次强对流天气的各物理量场发现：k指数为40℃、Si指数-3.22 ℃、CAPE值为1 047.8 J、T850-T500的温差已达31℃、0℃层高度为3510 m、-10℃层和-20℃层高度分别为6900 m和8480 m。

图2　6—8月南京、上海和杭州3站探空0℃层、-10℃层和-20℃层平均高度变化

通过此次深秋与春末夏初的对流对比能发现，随着季节的变化，春末夏初的对流潜势比深秋强，从而预报员对于强对流阈值的考虑也应转换。

2.1　动力、水汽条件分析

通过NCEP资料对11月24日2：00的南京站涡度与速度剖面分析（图3），在图3红框中南京区域为118～120°E，从底层到500 hPa为深厚的正的水平涡度平流，最大值为0.14×10-3s-1，位置大约在600 hPa；深厚的中低层正涡度区，说明苏南地区处于槽前，非常有利于上升运动，同时在垂直速度上可以发现，从底层到300 hPa存在的都是负速度，最大值达-2.1 cm·s-1；有利于对流云团的辐合上升运动，而且正涡度平流与速度有很好的重叠。

图3　南京涡度与垂直速度剖面

从24日2：00的700 hPa的水汽通量图中表明（图4a），在从长江中游到下游的苏皖交界地区图4a和图4b红框中，存在水汽通量的大值区，最大值12 g·cm-1·hPa-1·s-1出现在苏皖南部交界处；850 hPa的水汽通量散度（图4b）与700 hPa的水汽通量有着很好的对应，存在着大片的负的水汽通量散度，说明底层有强迫区，上游地区还有充足的西南暖湿气流输送，也是导致苏南地区的局地暴雨和短时强降水发生的重要原因。

2.2　热力条件分析

此次强对流天气过程一周前，苏南地区气温不断回升，比如：11月23日苏州地区日平均气温最高达23.0℃。而苏州30 a历史统计资料显示同一时期内每日的平均最高气温为15℃左右。另外，南京及上游的安徽南部地区T850-T500上下层温差达26℃，其中850 hPa温度在23日达10℃，而历史上11月苏州地区850 hPa的平均气温值只有5.4℃；由地面到中低层有明显的回暖，为强对流的发生提供了热力条件；同时高层有冷空气入侵，导致温差上下层加大，与春夏强对流发生的不稳定条件相似。

3　多源资料分析

3.1　雷达分析

图4　长江中下游700 hPa水汽通量（a）和850 hPa水汽通量散度（b）

图5　常州和无锡地区雷达回波强度

2014年11月24日凌晨苏南地区的强对流过程是在大片层状云云团中嵌有孤立的超级单体造成的。凌晨1：30对流单体在安徽芜湖与南京高淳之间生成，并缓慢向东北方向移动；单体结构松散，回波强度最大值35 dBZ；2：57回波强度明显增强至55 dBZ；同时回波结构变紧密；造成高淳地区小时降水量达15 mm；在对流单体左后侧20 km处又有一个对流单体生成。之后两个对流单体保持20 km/h的速度不断向东北方向移动，且两个单体回波形态上发展为弓形回波，回波强度保持55 dBZ甚至有所加强。其中一个回波单体在5：28在无锡地区发展为超级单体回波，回波强度达60 dBZ（图5a）；对无锡地区的超级单体同时做RCS和RHI显示，其中都能观察到明显的三体散射长钉（图5c和图5d）；50 dBZ的强回波高度在6～7 km，65 dBZ的强回波中心核在3～4 km，同时也存在明显的弱回波区，这样的条件有利于冰雹的产生。

图6　5：28常州雷达1.5°仰角雷达径向速度（a）和无锡地区回波径向速度剖面（b）

结合5：28的雷达速度图（图6a）和雷达回波强度图，同时08时的地面天气形势图分析出沿江-苏南地区有明显的锋面过境，同时在其前端的无锡地区有明显的中小尺度辐合存在，1.5°仰角和2.4°仰角上也有明显的气旋式辐合存在。在垂直剖面上（图6b），也能发现和强度剖面一样的三体散射长钉。在中低层有明显的径向辐合存在；高层有辐散；同样非常有利于冰雹的产生。

通过回波强度和垂直累积液态水含量（VIL）随时间的变化图可以发现（图7）：2：33移入苏南地区的回波单体强度已经达55 dBZ，而VIL只有15 kg/m2。但5：00之后VIL迅速增强到了40 kg/m2，此时也是超级单体发展最旺盛的时候。随后VIL又有所下降，并出现波动，说明超级单体内部的对流十分旺盛，意味着可能降雹和引发破坏性大风。5：30以后超级单体进一步向东北方向移动并明显减弱，在雷达回波强度上虽然仍保持在50～55 dBZ，但是VIL已经明显的下降。

图7　移入苏南地区单体回波强度和垂直累积液态水含量随时间变化

公式（1）其中Z为雷达反射率因子，单位dBZ。VIL值是假定反射率因子完全由液态水反射的。一旦有冰雹的存在，粒子的散射将由瑞利散射变为米散射[17]。这就是VIL的最大值出现跃增的原因。VIL的这一变化为判断对流风暴中冰雹的生成提供了有效的信息。图8中VIL的变化对判断冰雹的生成比最大反射率因子的变化具有更明显的指示作用[18-20]。6—8月苏南地区出现冰雹时的VIL达60～70 kg/m2；而这次无锡地区VIL只有40 kg/m2就出现降雹，主要原因是VIL是整层液态水含量的积分值，而这次强对流过程回波顶高最大也就8～9 km高度，积分高度有限。季节的原因可能导致回波顶高偏低，今后还需多关注阈值随季节的变化[18]。

在6：00的散度与回波强度叠加的图上（图8），无锡地区有明显的负散度存在；最大达-10×10-3s-1，说明有强烈的上升运动存在。

6—8月苏南地区雷暴单体与非雷暴单体不同回波强度出现的概率图（图9）表明35 dBZ是区分雷暴单体与非雷暴单体的一个主要阈值，而在深秋季节该阈值有所下降。

图8　6：00江苏地区散度和回波叠加

图9　雷暴单体与非雷暴单体百分比

3.2　闪电资料分析

闪电定位仪可以用来监测对流风暴中的闪电活动，包括总闪、负闪和正闪。24日凌晨开始的强对流天气过程，总共监测到总闪521次，负闪485次，正闪36次。期间超级单体总闪电频数随时间的变化图（图10）表明，闪电频数从5：10的1次/min迅速增强到5：30的峰值8次/min。降雹前闪电频数达到最大值，降雹、地面出现大风后，闪电频数迅速下降。闪电频数的陡升表明超级单体上升气流迅速增强，与雷达产品VIL有很好的一致性（图10），这对强对流天气的预警有重要的指示意义。另外从闪电的时间和空间分布情况分析，在冰雹云增长的初期和消亡期基本上是以正闪为主，而冰雹云发展旺盛期基本是以负闪为主。

3.3　风廓线资料分析

图10　无锡地区降雹时闪电频数与雷达产品VIL对比

在此次强对流发生地中选择有代表性的南京高淳站风廓线资料（图11），高淳地区的强降水主要发生在3：00—5：00之间，风廓线资料显示1：00开始有所表现，1 km左右的风速突然增大至2 m/s，并随着时间的推移，风速大值区的高度在不断的攀升，最高处为2 km左右。前期一直西南风，底层偏北风力随高度而增大，是冷空气侵入所致，这样有利于强对流天气的发生。

图11　24日1：00—3：00高淳站风廓线

当近地层风速突然增大或风向突然转变时，降水开始增强，而近地层风向和风速发生变化的时刻往往比降水的开始时刻有所提前，这对于短时临近预警预报有着重要的指示作用。

3.4　雨滴谱分析

雨滴谱是云降水物理学中的重要参数，通过它可计算雨滴数浓度、雨强、液态水含量、雷达反射率因子和雨滴对微波的衰减等。研究雨滴谱分布，对了解降水的发生发展过程有重要意义。苏南的苏州地区已安装13部雨滴谱仪，形成了苏州地区雨滴谱仪监测网，短时间内可获取较多雨滴谱数据。

通过雷达回波演变分析，可以大致判断常熟地区24日6：00—7：00为对流云降水，其他时段为层状云降水。由于此次过程，常熟出现了强对流天气，所以选取常熟作为雨滴谱特征的研究点。整个降水过程中雨滴平均数浓度为1245.7 m-3，平均直径为0.635 6 mm，雨强为22.5 mm/h。图12b表示的是降水粒子的数密度和平均直径随时间的变化情况，其中每1小时做一次平均得到的折线图，可以看到在对流云时段6：00—7：00时，平均总数密度（>2500 m-3mm-1）或者平均直径（>0.5 mm）达到了很大的水平，甚至期间平均总数密度和平均直径还都达到了峰值。对应雷达回波最强的时候数浓度达到8000 m-3mm-1以上，直径达到0.9 mm左右。同时，如图12a所示，当D<0.45 mm时，层状云雨滴谱密度明显较大，而当0.45 mm

图12　2014年11月24日6：00—8：00常熟地区雨滴谱特征

4　结论

2014年11月24日，江苏苏南地区在前期回暖明显，西南气流强盛，同时有高空槽引导冷空气南下，冷空气的入侵导致局地强对流的发生。深秋强对流发生的各种对流潜势比汛期强对流发生的阈值明显不一样，不稳定能量早已没有春夏强，但动力条件触发低层冷空气强烈抬升暖湿空气，从而引起局地冰雹。

雷达产品和汛期强对流发生的各种指标表明：无锡冰雹的发生其回波结构与汛期相当，VIL只有40 kg/m2就出现降雹，主要原因是VIL是整层液态水含量的积分值，而这次强对流过程回波顶高最大也就8～9 km高度，积分高度有限。季节的原因可能导致回波顶高偏低，热力条件已经无春夏好。VIL值的变化为判断对流风暴中冰雹的生成提供了有效的信息。最大VIL值的变化对判断冰雹的生成比最大反射率因子的变化具有更明显的指示意义。季节的原因导致回波顶高偏低，今后还要多关注阈值随季节的变化。

闪电频数从5：10的1次/min迅速增强到5：30的峰值8次/min。降雹前闪电频数达到最大值，降雹、地面出现大风后，闪电频数迅速下降。对闪电的统计表明闪电频数的陡升表明超级单体上升气流迅速增强，这对强对流天气的预警有重要的指示意义。

强降水主要发生在3：00—5：00，风廓线资料显示1：00左右已经有体现。风廓线分析表明当近地层风速突然增大或风向突然转变时，降水开始增强，而近地层风向和风速发生变化的时刻往往比降水的开始时刻有所提前，这对于短时临近预警预报有着重要的指示作用。

通过雨滴谱数据的分析，整个降水过程中雨滴平均数浓度为1 245.7 m-3，平均直径为0.635 6 mm，雨强为22.5 mm/h。不同雨强下雨滴谱分布均呈单峰型，随着雨强增加，雨滴谱谱型在大粒子端逐渐上抬。对流云降水谱宽明显大于层状云降水。对流云降水阶段的平均直径明显大于层状云降水阶段。