温州“4·24”一次冰雹天气特征分析

窦慧敏 曹 楚 潘雯菁

(1.温州市气象局,浙江 温州325000;2.温州市台风监测预报技术重点实验室，浙江 温州 325000;3.温州市气象台院士工作站，浙江 温州 325000;4.瑞安市气象局,浙江 瑞安325200)

0 引 言

强对流天气是指伴随雷暴现象的对流性大风、冰雹、短时强降水等灾害性天气,发生于中小尺度天气系统中,空间尺度小,生命史短并且有很强的突发性,破坏性强。冰雹天气就是其中之一,常见于春季或春夏之交时,虽然影响范围小,时间短,但来势迅猛,常伴随雷暴大风和短时强降水等灾害性天气,具有强大的破坏力。强冰雹会打毁庄稼、损坏房屋、砸伤行人,造成巨大的经济损失。其局地性、突发性、强烈性等特征,给预警和短时临近预报造成了很大的困难。学者们针对冰雹的识别、时空分布、天气分析、对比分析、数值模拟等进行了大量的研究[1-7],取得了很多研究成果。随着地面气象观测网的加密建设,新一代高分辨率天气雷达资料的应用,尤其是双偏振雷达的兴起[8-11],大大增强了对此类强烈天气的预警能力,杨吉等[10]指出了江淮地区一次冰雹过程的双偏振雷达特征,冯晋勤等[11]详细分析了双偏振雷达产品在强对流天气过程中的应用,极大地丰富了对冰雹天气的预报指标。

温州位于浙江省南部,3面环山,一面临海,境内地形复杂多样,夏季强对流天气频发。2019年4月23日、24日下午,温州地区出现了一次强雷暴天气过程，多个县(市、区)出现了短时强降水、雷雨大风天气过程,局部地区还出现了冰雹。虽然此次过程预警及时,未造成人员伤亡,但在预报准确性以及预警提前量方面还有待进一步改进,有必要对此次过程做进一步的分析探讨,为今后强对流天气过程预报提供一定的参考,提高对强对流天气的监测预报水平,有效规避此类气象灾害风险。

本文采用NCEP(美国国家环境预报中心)分析资料(1°×1°)、常规观测资料、温州双偏振雷达资料等，对此次冰雹过程进行了环流背景、动力特征、水汽特征和双偏振雷达产品特征分析,找出了冰雹天气发生的有利条件,探讨了温州地区冰雹发生的天气成因和预报着眼点。

1 冰雹天气实况

2019年4月23日12时—24日20时,温州地区午后出现了雷阵雨,并伴有短时暴雨、雷雨大风、冰雹等强对流天气。23日影响主要发生在各县(市、区),全区有9个站出现了8～9级雷雨大风(龟湖28.3 m/s),瓯海、瑞安、文成和平阳等地出现了1～4 cm的冰雹,60多个站出现了短时强降水,最大雨强为出现在大荆的51.4 mm/h。24日对流影响市区,15—18时温州市共有88个站次出现8级以上大风,主要分布在永嘉、温州市区、洞头、文成等,最大为洞头岙外出现的11级雷雨大风,其中温州市区15—17时共有5个站出现了8级以上大风,南白象街道出现了10级大风;温州市区(瓯海、龙湾)、洞头、平阳、永嘉等出现了1～2cm的冰雹,60多个站出现了短时强降水,最大雨强为沙头古庙的44.6 mm/h。剧烈的强对流天气导致温州市中北地区大部以及南部局地出现了短时暴雨。后续的分析主要针对24日温州市区冰雹的成因展开。

2 环流背景

2.1 环流形势分析

2019年4月24日08时,200 hPa江南一带有急流带,500 hPa北方有稳定维持的东北冷涡，并伴有-32℃的冷中心,冷涡南部有多个短波槽东移,有利于弱冷空气南下。温州地区处于湖北西部至四川一线低纬度南支槽前西南气流之中。700 hPa湖南湖北地区存在弱切变,切变北侧有明显的冷槽,表明有冷平流输送。850 hPa切变线位于贵州一带,切变线南侧有明显的低空急流,浙南地区位于急流末端的风速辐合区,有利于水汽的辐合和降水的产生。500 hPa和850 hPa属于冷槽暖脊的配置,上干下湿层结明显,浙中南地区850 hPa和500 hPa温差大于26℃,风雹条件较好。4月24日14时,高空急流有所增强,温州地区出现高空辐散中心,700 hPa有冷槽维持,850 hPa切变南压,浙中南地区850 hPa和500 hPa温差依旧大于26℃,大气不稳定。15时左右,温州市区、永嘉和文成出现了冰雹。综上分析可知,在高空槽东移过程中,弱冷空气影响配合低层切变线和低空急流，造成了此次强对流天气的发生。

2.2 热力条件分析

24日午后各地高温普遍在29 ℃以上,泰顺、文成、平阳、温州市区、永嘉出现了31 ℃以上的高温,低层暖湿气流强烈。温州地区0～6 km风切变从6 h前的19 m/s增强到27 m/s以上,午后对流条件良好。

在4月24日14时850 hPa的假相当位温场上(图1),有向东北方向凸起的暖舌。在江西—浙江以及福建—浙江有假相当位温密集带,即此处有锋区存在,与最大回波反射率因子的移动对比可知,对流沿着江西—浙江一带锋区北侧发展移动。

图1 4月24日14时850 hPa假相当位温(实线,单位:K)、假相当位温平流(阴影,单位10-5K/s)

图2是4月24日08时和14时沿120.5°E假相当位温经向剖面图。从图2a可知,08时温州地区28°N左右对流层中低层(500 hPa以下)θse随高度增加而明显减小,为不稳定层结,500 hPa温州地区北侧有干冷空气团,600～700 hPa存在θse密集带(锋区),随高度向南倾斜。14时500 hPa以下继续维持不稳定层结(图2b),800 hPa以下为高温高湿,中层依旧为干冷空气,垂直速度明显增大,有利于午后强对流天气发生。

图2 4月24日沿120.5°E假相当位温(实线,单位:K)和垂直速度(阴影，单位：Pa/s)经向剖面(a.08时、b.14时)

在冰雹发生前,低层有高能舌伸向温州地区,中层有北方干冷空气南下,二者叠加造成强烈的不稳定层结,产生强对流天气。

从4月24日温州温度平流的变化可知,08时高空到地面温度平流为暖—冷—暖—冷的配置(图3a),14时演变为冷—暖—冷的配置(图3b),高层变为冷平流,250～600 hPa为强烈的暖平流中心,降雹区正处于中高两层温度平流中心和低层弱冷平流相重叠的区域。

图3 4月24日温州温度平流[a.08时、b.14时(单位:10-5℃/s)]

2.3 动力条件分析

冰雹发生前后动力条件演变迅速,高低空配置对冰雹的产生较为有利。从图4可知,24日00时(世界时),低层为辐散,600～800 hPa为弱的辐合区,400～600 hPa基本为弱的辐散下沉气流，维持晴好天气,不稳定能量迅速增加;06时(世界时),高层250 hPa出现强的辐散中心,中心辐散值达到4×10-5s-1,低层辐合高层辐散的配置,对应非常好的上升运动,250 hPa和700 hPa都有较大的垂直速度,为冰雹的产生提供了良好的动力条件;12时中层变为辐合,低层为辐散,不利于上升运动的产生,对流减弱。从锋生函数可知,06时温州地区600 hPa均有锋生。

图4 4月23日18时—25日00时(世界时)散度(实线,单位：10-5 s-1)和垂直速度(阴影,单位:Pa/s)时间演变

由14时地面风场可知,温州地区有偏北风和偏南风之间的地面辐合线稳定维持,而冰雹集中出现在15—16时,显然,地面辐合线的产生先于冰雹,是此次强对流的触发机制。

3 降雹的物理量分析

从24日08—14时温州站探空图可知,自08时起不稳定能量逐渐累积,到了14时(图5),各项指数均达到最大,并超过了临界值,K指数达到37 ℃，说明低层水汽条件比较好,这是发生短时强降水的原因之一。SI指数为-6 ℃,CAPE(对流有效位能)值为1992 J/kg,到了夜间对流有所减弱,能量释放,探空的各项指数均有所下降。

图5 4月24日14时温州站探空

3.1 0 ℃层高度和-20 ℃层高度

0 ℃等温线至-20 ℃等温线之间的区域是冰雹生成的源区。一般认为0 ℃层高度在600 hPa,既能使云的发展高度更高，有利于冰雹生成,也不至于使冰雹在降落过程中由于暖层过厚而融化,-20 ℃层在400 hPa附近,当-20～0 ℃层厚度较小、且该高度上CAPE值较大时,冰雹容易产生[7]。由14时的探空图(图5)可知,0 ℃层在600 hPa附近,-20 ℃层位于400 hPa以上,这样的高度差正适合冰雹产生。

3.2 稳定度指标

对流有效位能是指气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生能量的垂直积分,其被广泛应用于强对流天气分析中。24日14时,对流有效位能明显增强。由分布可知,08时,江西与福建交界处及浙南地区有CAPE的大值中心,14时汇合成一条穿过江西东部、福建西北部和浙江南部的密集CAPE大值带,中心值在1 700 J/kg以上,20时减小至1 000 J/kg以下。K指数是考虑了中低层水汽条件的一个热力不稳定指数,用于分析强对流、短时暴雨。从23日起,低层水汽条件较好,K指数维持在30 ℃以上,24日14时增加至37 ℃,水汽条件明显好于23日,24日短时强降水较为突出。表1为温州2019年4月24日不同时次有利于冰雹发展的对流指数。

表1 温州2019年4月24日不同时次有利于冰雹发展的对流指数

4 TBB分析

云顶亮温(TBB)可以反映对流发展的旺盛程度,推断云团发展的强度及所处的生命史阶段。本文使用每小时一次的FY-2GTBB资料分析此次引起强对流天气的对流单体的发展变化。

23日开始,江西地区有对流云团产生,东移影响温州,产生强对流天气。24日10时,江西东北部新发展的对流单体开始移入浙江。进入浙江的对流单体TBB低于-32 ℃,呈西南—东北向带状分布,内部西南方向嵌有TBB为-52 ℃的对流核,向东南方向移动发展,云团面积急剧增大,冷中心TBB下降迅速,西南一侧梯度明显增大。12时TBB为-52 ℃的面积为3 617 km2,移速略有减慢。13时TBB为-52 ℃的云团发展为带状对流系统。14时TBB为-52 ℃的云团发展为中β尺度的强对流单体。15时强对流单体开始影响温州中北部,温州市区、永嘉、文成出现了强雷暴天气过程,温州市区15—17时5个站出现了8级以上大风,温州市区(瓯海、龙湾)、洞头、平阳、永嘉等地出现了1～2 cm的冰雹，且单体内部形成-60 ℃的对流核,冷中心位于整个云团的西南侧梯度最大的地方,主要影响永嘉,永嘉南城街道乌岩山极大风速为25.4 m/s(10级)，沙头古庙村小时最大雨量为44.6mm,15时25分大若岩镇小若口村附近出现冰雹。16时对流单体东移,瑞安、平阳地区出现冰雹。17时TBB为-52 ℃的强对流单体面积达到最大。18时强对流单体面积开始减小,内部的对流核减弱消失。

在此次过程中,中β尺度的强对流单体长轴走向为西南—东北向,移速较快,从生成—成熟—衰减，移动距离达到700 km,而且云团面积迅速增大,冷中心明显位于云团西南部TBB梯度最大处。TBB小于-52 ℃的区域在从带状转为圆状的过程中,内部出现了-60 ℃的对流核,影响地区出现了短时强降水、雷雨大风、局地冰雹等强对流天气。

5 双偏振雷达产品分析

2019年4月24日15时—16时30分，温州市区、乐清、洞头、永嘉、瑞安、平阳、文成等地出现了以冰雹或短时强降水为主的强对流天气。通过分析温州双偏振雷达的回波强度、垂直累积液态水含量、差分反射率、相关系数和差分传播相移率等，判断降水粒子的形状、相态分布等信息,识别强对流天气中的冰雹和短时强降水雷达回波特征,并为获取冰雹预报阈值提供判断依据。

5.1 对流演变过程分析

温州双偏振雷达组合反射率显示,24日10时左右，在浙江西部与赣皖交界一带有对流回波发展并向东偏南方向移动,回波在东移过程中发展迅速,不断增强,形成飑线,在前方不断激发出新的对流单体。13时47分在温州文成中部激发出的对流单体(以下称单体A)迅速增强，并向东北方向移动,先后影响文成、瑞安西北部和温州市区东部,14时38分单体A回波强度超过65 dBZ,并持续了11个体扫时次,15时前后受后方的对流系统影响转向东偏南方向移动,15时30分前后移入洞头。单体A移动过程中分裂出的对流单体(以下称单体B)向北偏东方向移动，扫过永嘉中南部和乐清中北部,与后方的对流系统结合,系统向东偏南方向移动,16时前后移入并扫过洞头。15时11分飑线系统后部的对流单体(以下称单体C)，由丽水景宁向东偏南方向移入文成,先后影响了文成、瑞安中南部和平阳东部。

5.2 冰雹雷达回波特征分析

选取4.3°仰角的基本反射率(Z)、差分反射率(ZDR)、相关系数(CC)、2.4°仰角的差分相移率(KDP)及垂直累积液态水含量(VIL)，分析此次强对流过程的冰雹回波特征。从垂直累积液态水含量变化图(图6)可知,14时32分—14时38分(图6a)、15时11分—15时17分(图6b)、15时23分—15时28分(图6c)、15时28分—15时34分(图6d)、15时45分—15时51分(图6e)、16时08分—16时14分(图6f)相邻体扫时次内,对应的温州市区南部、永嘉中部、文成、洞头、瑞安与平阳交界处的VIL值分别有明显的跃增现象,对应地面实际降雹时间的前0～4个体扫时次。

图6 2019年4月24日14时32分—16时14分时段内多个连续体扫时次垂直累积液态水含量VIL变化图[a.14时32分—14时38分、b.15时11分—15时17分、c.15时23分—15时28分、d.15时28分—15时34分、e.15时45分—15时51分、f.16时08分—16时14分(单位:kg/m3)]

选取14时43分和15时34分两个时次的反射率垂直剖面图(图7)进行分析可知,14时43分中高层强回波悬垂在有界弱回波之上,强中心达65 dBZ以上,>60 dBZ的强回波区扩展到7 km高度,超过0 ℃层高度层并接近-20 ℃高度层(图7a),由于雷达附近高空存在锥形探测盲区,从回波垂直分布情况判断,>55 dBZ的强回波区超过-20 ℃高度层,提示将发生降雹。15时34分在洞头上空强中心达65 dBZ以上,>60 dBZ的强回波区扩展到10 km高度,超过-20 ℃高度层,大于60 dBZ的强回波已接地,说明正在发生降雹(图7b)。

图7 2019年4月24日反射率垂直剖面图[a.14时43分、b.15时34分(单位:dBZ)]

选取接近降雹时次的雷达产品进行分析可知,14时43分温州市区南部与瑞安交界处的超级单体回波(图8a)在4.3°仰角表现出明显的三体散射特征,>60 dBZ的强回波区对应的CC值为0.85～0.9,较嘈杂,指示有较大的湿冰雹,对应的ZDR为负值区,ZDR值为-2～-1 dB,对应的KDP产品出现“空洞”区(KDP对较大的冰雹无法进行判断);15时17分永嘉中部(图8b)>60 dBZ的强回波中心区对应明显的ZDR负值区,ZDR为-4～-3 dB,KDP为“空洞”区,CC为0.85～0.9,较嘈杂,指示有较大的湿冰雹;15时17分文成西部(图8c)>65 dBZ的强回波中心对应的CC、KDP均为小值区,ZDR为明显的负值区,CC为0.9～0.92,KDP为-0.1～0.1°/km,ZDR为-2～-1 dB,指示有较小的干冰雹;15时34分洞头(图8d)>60 dBZ的强回波区对应明显的CC小值区和ZDR负值区、KDP“空洞区”,CC为0.6～0.7且嘈杂,ZDR为-1～0 dB,指示有较大的冰雹;16时02分从文成移入瑞安、平阳的回波(图8e)继续增强,有明显的三体散射特征,强回波区对应的CC为0.8～0.85,ZDR为-3～-2 dB,对应KDP“空洞区”,指示有较大的冰雹落区。

图8 2019年4月24日冰雹特征雷达产品分析图[a.14时43分、b.15时17分、c.15时17分、d.15时34分、e.16时02分(z,单位：dBZ;ZDR,单位：dB;KDP,单位：°/km)]

6 结 语

(1)在高空槽东移过程中,弱冷空气影响配合低层切变线和低空急流，造成了4月24日温州地区强对流天气过程的发生。浙中南地区850 hPa和500 hPa温差大于26 ℃,大气不稳定,风雹条件较好。

(2)午后高温普遍在29 ℃以上,温州地区0～6 km风切变从6 h前的19 m/s增强到27 m/s以上,午后对流条件良好。江西至浙江有假相当位温密集带,对流沿着江西至浙江一带锋区北侧发展移动。冰雹发生前,低层有高能舌伸向温州地区,中层有北方干冷空气南下,二者叠加造成强不稳定层结,产生强对流天气。降雹区正处于中高两层温度平流中心和低层弱冷平流相重叠的区域。

(3)冰雹发生前6 h,温州地区400～600 hPa基本为弱的辐散下沉气流，维持晴好天气,不稳定能量迅速增加。6 h后,高层出现强的辐散中心,低层辐合、高层辐散,上升运动强烈,为冰雹的产生提供了良好的动力条件。偏北风和偏南风之间的地面辐合线在温州地区稳定维持,是此次强对流天气的触发条件之一。

(4)由14时的探空图可知,0 ℃层在600 hPa附近,-20 ℃层位于400 hPa以上,合适的0 ℃层和-20 ℃层的高度有利于冰雹产生。

(5)中β尺度的强对流单体内部形成-60 ℃对流核,冷中心位于整个云团的西南侧TBB梯度最大的地方,而不是几何中心,冷中心的位置和发生短时强降水、雷雨大风、局地冰雹等强对流天气的地区对应较好。

(6)利用VIL、反射率垂直剖面、基本反射率Z、CC、ZDR及KDP的对应特征进行分析可知,判断冰雹的回波特征为:①降雹前VIL值均有明显的跃增现象;②回波中心强度达65 dBZ以上,>60 dBZ的强回波区扩展高度接近或超过-20 ℃高度层;③>60 dBZ的强回波对应明显的CC小值区和ZDR负值区,且CC较嘈杂,ZDR一般为-4～0 dB;④大冰雹回波表现出明显的三体散射特征;⑤>60 dBZ的强回波对应CC<0.9和KDP“空洞区”,指示有较大的湿冰雹;⑥>60 dBZ的强回波对应的CC为0.9～0.92,KDP为-0.1～0.1°/km,指示有较小的干冰雹。