一次中尺度温度和湿度锋区对冰雹回波系统的影响

肖 云，马中元，袁 春，李欢欢，李栩婕

（1.新余市气象局，江西 新余 338025；2.江西省气象科学研究所，江西 南昌 330046）

2021 年5 月10 日，江西出现大范围冰雹、雷暴大风天气过程，多处出现大冰雹（雹径≥5 cm）和小冰雹（雹径≤2 cm）。冰雹天气给人们生活和社会活动带来不利影响。

国内外专家学者对冰雹等强天气进行了大量研究与分析。1963 年，Browning 等[1-2]首先提出了超级单体雷达回波概念；1970 年，Donaldson[3]对超级单体风暴结构作出一些补充和完善；1978 年，Browning[4]重新定义超级单体具有深厚持久的中气旋结构；1979 年，Lemon 等[5]提出超级单体概念模型；1981年，Fujita[6]给出伴有龙卷涡旋状回波实例；1987 年，Klemp[7]利用数值模式解释超级单体的动力机制；1994 年，Moller 等[8]描述的超级单体风暴特征应用至今；超级单体分为经典超级单体和弱超级单体、强单体等多种形式[9]。在单部雷达回波上，超级单体低层反射率因子呈现明显“V”型缺口，垂直剖面呈现典型的有界弱回波区，回波悬垂和回波墙，中高层径向速度呈现出一个中气旋结构；垂直累积液态含水量（VIL）在降雹前出现了跃增，对冰雹短时预报具有一定指示意义[10-11]。超级单体0～6 km 垂直风切变可达到22～26 m·s-1，有利于水平涡度发展和维持；回波伸展高度越高、低层入流越显著、垂直风切变越强的对流系统易产生大雹[12-14]。中尺度地面辐合线对超级单体风暴起到了触发和维持、加强的作用；弓状回波具有持续产生冰雹和雷暴大风等灾害性天气的能力[15-18]。典型超级单体造成的冰雹可以分裂成左移和右移风暴[19-21]。大冰雹临近预警指标均最大反射率因子达到60 dBZ 以上，中气旋，VIL 达到60 kg·m-2，50 dBZ 以上强回波区伸展到-30 ℃层高度以上[22-26]。白天地面太阳辐射加热迅速增大CAPE 值，为超级单体风暴的生成提供了有利的环境条件；干冷空气侵入与暖湿上升气流造成斜压涡度，使辐合产生旋转，在强辐合作用下雷暴强烈发展，旋转增强[27-28]。回波系统在移动前方不断触发产生新的对流单体，通过合并形成向前“传播”的发展趋势；回波的传播方式一方面加快了回波移动速度，另一方面改变了回波移动方向[29-31]。江西副热带高压边缘回波特征有：南北向短带回波，有时会发展为弓状回波；强回波单体，超级单体和复合单体回波；回波带某段向前突出形成的“弓状”回波带结构是江西飑线回波带强盛阶段的经典形态[32-35]。雷达拼图组合反射率产品上叠加多部雷达风暴跟踪信息（STI），对雷暴大风、冰雹等强天气的移动有所帮助；飑线云图上特征有：中尺度对流云团、狭窄积云线和冷出流边界所致的对流云带[36-40]。上述研究成果为本文研究提供了理论依据，但讨论温度和湿度锋区对冰雹回波天气的影响的研究文献较少。

本文使用常规天气图、自动站数据、雷达回波等资料，对2021 年5 月10 日江西冰雹、雷暴大风过程进行分析，探讨温度和湿度锋区对冰雹天气的形成机制，为开展冰雹、雷暴大风灾害性天气的监测预警和预报服务提供分析依据。

1 冰雹天气实况和天气形势图

天气资料、探空数据来源于MICAPS 拼图，地面要素资料来源于江西省自动气象站网络平台，雷达拼图资料来源于江西WebGIS 雷达拼图平台。

1.1 冰雹天气实况

2021 年5 月10 日，江西发生一次强雷暴回波群天气过程，樟树市中洲乡、黄土岗镇出现直径≥5 cm大冰雹，丰城市白土镇、袁渡镇、临川等地出现直径≤2 cm 小冰雹，其他一些市县不同程度出现冰雹、雷暴大风和强雷电等强天气。

江西雷暴大风最强出现在5 月10 日16—17时，是在樟树发生大冰雹区域，伴随超级单体产生的雷暴大风天气，最大风速达28 m/s（图1a）。樟树超级单体未出现短时强降水，14—17 时3 h 降水＜10 mm（图1b）。超级单体是产生冰雹和雷暴大风的主要回波类型，强回波质心过高反而不适合产生短时强降水。

图1 2021 年5 月10 日江西雷暴大风、3 h 累积雨量分布

1.2 MICAPS 天气形势图

2021 年5 月10 日08 时，100 hPa 有明显的出流区（图2a），高空西北大风区增强了高空辐散；500、850 和925 hPa 都处在槽前一致的西南急流中（图2b～2c），850 和925 hPa 低涡、切变线位于江西北部，低层强烈辐合与高层辐散相结合，有利于产生强对流天气。

图2 2021 年5 月10 日08 时MICAPS 天气形势

由此可见，大冰雹区域伴随超级单体产生的雷暴大风天气，最大风速达28 m/s，没有出现短时强降水；100 hPa 有明显的出流区，500、850 和925 hPa都处在槽前一致的西南急流中，850 和925 hPa 低涡、切变线位于江西北部，有利于产生强对流天气；樟树、丰城的对流云系发展成为中尺度对流系统（MCS）。

2 中尺度温度和湿度锋区的形成

2.1 中尺度温度和湿度锋区的特征

2021 年5 月10 日14：00（图3a），受到暖湿西南气流和午后地面增温影响，江西省相对湿度在50%～60%，樟树为54%、丰城为59%。15：00（图3b），樟树、丰城以东受到中尺度对流回波系统影响，地面降水冷却，回波覆盖地方相对湿度快速上升到80%以上，湿度中心在樟树、丰城之间形成湿度锋区。

图3 2021 年5 月10 日温度和湿度锋区形成特征

2021 年5 月10 日14：00（图3c），受到暖湿西南气流和午后地面增温影响，江苏省空气温度为32～34 ℃，樟树为33.1 ℃、丰城为33.2 ℃。15：00（图3d），樟树、丰城以东受到中尺度对流回波系统影响，地面降水冷却，回波覆盖地方空气温度快速下降到24.9 ℃（进贤）、26.5 ℃（抚州）、27.0 ℃（崇仁），15：00温度中心与樟树（33.7 ℃）、丰城（34.3 ℃）、新干（34.0 ℃）之间形成温度锋区。

把樟树、丰城站的湿度和温度与本次降水落区里2 个自动气象站（相差不足100 km）的最高湿度和最低温度进行平均，求出温度和湿度锋区平均差值（表1），湿度锋区为43%/100 km，温度锋区为10.2 ℃/100 km，这个锋区差值可以作为判断锋区是否成立的参考依据。

表1 樟树和丰城与温度和湿度锋区平均差值

在温度场和湿度场上形成的较大梯度区被称为锋区。江西中尺度锋区形成机制有两种：一是由中尺度回波系统产生降水，地面降水冷却后，降水区的温度要低于无降水区，降水区的湿度要高于无降水区，这样就形成了温度和湿度锋区；二是在西南气流和午后太阳辐射增温的影响下，江西北部有小股冷空气南下或江西北部有较大范围降水区时，江西南部和北部会形成温度和湿度锋区。2021 年5 月10日产生的锋区，属于第一种形成机制，由于中尺度锋区尺度小，局地性明显，被称为局地锋区。Sun[41-43]和Ogura[44]认为，飑线也可通过边界层与天气尺度气流相互作用产生的温度梯度差异而激发，类似海陆风的生成，在边界层模拟对流演变和重力波积分方案中，温度梯度差异形成的温度锋区，足以产生对流运动。

锋区的出现，一方面，当湿度和温度锋区达到≥40%/100 km 和≥10 ℃/100 km 时，就能够触发产生对流运动而形成对流回波；另一个方面，当对流回波移到锋区附近时，会进一步发展加强。类似个例在江西比较多，例如：2012 年4 月10 日、2014 年3月28 日、2017 年5 月11 日、2018 年3 月4 日、2019年3 月21 日、2020 年3 月21 日、2021 年5 月10 日等强飑线过程，基本上在每次强对流天气过程中，江西境内都会出现温度和湿度锋区现象，尤其是发生在强飑线过程中。

2.2 温度和湿度锋区的形成过程

局地温度和湿度锋区是有明显差距的温度和湿度的梯度区域，形成局地锋区只需要1～2 h。2021 年5 月10 日12：00，雷达拼图上丰城附近没有回波，江西省除广丰有对流发展，基本无回波系统活动。13：00（图4a），丰城附近还是没有回波，江西北部武宁、瑞昌有对流发展。14：00（图4b），在午后增温和西南气流的影响下，江西局地热雷雨开始活跃，丰城东部出现对流回波。15：00（图4c）。丰城对流回波发展旺盛，形成中尺度对流回波群，地面开始出现降水；江西其他地区对流也十分活跃。就是因为丰城东侧的中尺度对流回波系统造成的降水，使得地面温度快速下降，湿度快速上升，从而在丰城、樟树与降水区中心之间形成了温度和湿度锋区（图5）。14：50雷达拼图（图5a）江西有若干个回波系统发展，15：00 湿度锋区（图5b）和温度锋区（图5c）由于回波系统的降水冷却，形成局地锋区，可以看出回波、湿度锋区和温度锋区之关系。

图4 2021-05-10 雷达拼图组合反射率CR 回波系统演变

图5 2021-05-10 回波系统降水冷却作用形成温度和湿度锋区

2.3 温度和湿度锋区的作用

温度和湿度锋区的作用十分明显，主要表现在两个方面：一是当回波系统移近锋区时会快速发展；二是在锋区无回波的地方新生对流回波。以湿度锋区为例：2021 年5 月10 日16：00 湿度锋区形成（图6a），锋区中心湿度达99%，丰城湿度为60%，锋区强度达到39%。此时，丰城距离湿度中心不到50 km距离，锋区强度达到39%/50 km。16：40（图6b），丰城附近开始快速发展起对流回波，之后发展为强单体、超级单体，造成丰城白土镇冰雹天气；16：00 湿度锋区形成时，15：40—16：40 雷达拼图上，樟树超级单体回波强度为55～60 dBZ，移入锋区后，回波强度快速发展达到65～70 dBZ，造成樟树中洲乡、黄土岗镇出现大冰雹。

图6 丰城2021 年5 月10 日湿度锋区附近触发对流形成新生回波

由此可见，温度锋区≥10 ℃/100 km 和湿度锋区≥40%/100 km 时，能够触发对流运动而形成超级单体回波；当强回波移进锋区时，强回波会快速发展加强5～10 dBZ。温度和湿度锋区对雷达回波系统的影响十分明显。

3 冰雹回波风暴跟踪信息（STI）移动

3.1 樟树超级单体回波的移动

2021 年5 月10 日15：40（图7a），樟树西南方向的强单体回波朝东北方向移动，风暴跟踪信息（STI）指向[51]樟树一带，回波中心强度达到65 dBZ。16：00（图7b），强单体回波移近樟树西南部时快速发展壮大，成为超级单体回波，强度依然是65 dBZ，但60 dBZ 强回波面积快速扩大，形成超级单体回波结构。16：20（图7c），超级单体回波移进樟树（移入锋区）发展猛烈，60 dBZ 回波面积虽然没有扩大，但回波强度增大到70 dBZ，樟树西部中洲乡、黄土岗镇等地出现较大冰雹。16：40，超级单体继续影响樟树西部乡镇，强度有所下降，为65 dBZ，强回波面积也有所缩小，所降冰雹直径有所减小。由图5 可知，风暴跟踪信息能较好地指示超级单体的移动方向和速度，尤其是多条STI 指向一致时，可信度更高。

图7 2021 年5 月10 日樟树大冰雹超级单体组合反射率与风暴跟踪信息演变

3.2 丰城超级单体回波的移动

2021 年5 月10 日16：40（图8a），在温度和湿度锋区的影响下，丰城新生两块对流回波，回波CR在45～50 dBZ 以下，没有风暴跟踪信息指向。16：50（图8b），回波快速发展合并成为强单体回波，回波CR 达到60 dBZ，开始出现风暴跟踪信息指向。17：00（图8c），强单体回波进一步发展成为超级单体，回波达到65 dBZ，60 dBZ 回波面积迅速扩大，丰城白土镇出现冰雹。17：10，超级单体回波继续维持，回波达到65 dBZ，但强回波面积有所缩小，沿着风暴跟踪信息指向逐步移出丰城。

4 结论与讨论

利用江西雷达拼图、南昌雷达PUP 产品和地面气象等资料，对2021 年5 月10 日江西强冰雹天气过程中温度和湿度锋区的影响及典型时刻回波特征进行分析，得到以下结论：

（1）超级单体产生大冰雹并伴随雷暴大风天气，没有出现短时强降水；超级单体往往造成较大冰雹，强单体出现较小冰雹。樟树、丰城的对流云系发展成为中尺度对流系统。

（2）温度和湿度锋区能够触发产生对流活动而形成对流回波；当对流回波移到锋区附近时，也会快速发展加强。

（3）在温度和湿度锋区上，樟树超级单体移入，回波强度和强回波面积快速扩大，樟树西部中洲乡、黄土岗镇等地出现大冰雹；在锋区上丰城新生对流回波快速发展成超级单体，强回波面积迅速扩大，丰城白土镇出现冰雹。

（4）风暴跟踪信息能较好地指示超级单体回波的移动方向和移动速度，多条风暴跟踪信息指向一致时可信度更高。

这次冰雹天气过程是在江西午后西南急流中地面增温引起的全省性雷暴回波群影响下产生的。由于降水冷却形成的局地温度和湿度锋区，从而对回波系统造成触发新生回波和回波移进锋区猛烈发展产生影响。日常业务中，要密切注意这种局地锋区的存在，而锋区对强天气的影响还需要多个例子去探讨和深入研究。