合肥“4·30”冰雹天气的多源资料分析

范裕祥,魏春璇,陈 健,刘汉武,李 欣,翟振芳

(合肥市气象局,安徽合肥 230031)

0 引言

冰雹是致灾性极强的中小尺度天气,具有局地性强、时间短、破坏力大等特点,做好冰雹预报和预警是防雹减灾的前提条件,也是预报的难点之一。很多气象学者研究了产生冰雹的环流背景和对流环境条件,形成了冰雹天气概念模型,对冰雹的潜势预报有明显改善[1-3]。俞小鼎等[4-5]对强冰雹产生的环境背景和雷达特征进行总结,冰雹的发生需要大气层结不稳定、水汽、抬升机制、较大的垂直风切变和适宜的零度层高度。指出45 dBZ或50 dBZ的回波扩展到-20 ℃等温线高度之上,有界弱回波区与回波悬垂,垂直累积液态水(VIL),三体散射和强烈风暴顶辐散是预警强冰雹的主要指标。利用新一代天气雷达观测资料及其产品对冰雹监测、预警和分析已经取得较多成果。黄晓龙等[6]对冰雹天气发生的中尺度天气系统进行了分析。江玉华等[7]对伴随冰雹的超级单体风暴的流场、结构和雷达回波特征进行了分析。谢启玉等[8]研究了西宁地区冰雹VIL 变化特征。近年来,风廓线雷达开始应用到强对流天气的监测和分析研究中,风廓线雷达可以24 h不间断获得测站上空每几分钟、几十米层距的大气风场、垂直气流随高度分布和随时间的变化[9-11],能揭示天气尺度系统的存在及影响过程[12]。黄志勇等[13]利用风廓线雷达分析了湖北咸宁一次冰雹天气,发现在降雹前约0.5 h,0～4 km垂直速度大小随高度的波动明显增大,不同高度垂直速度的最大差值可达11 m·s-1,在对流风暴中大气的不同层次之间热力或动力差异较大。周志敏等[14]利用风廓线雷达资料对一次冰雹过程进行了分析。李聪等[15]利用风廓线雷达、雨滴谱仪和微波辐射计等观测资料,对发生在南京的一次冰雹天气进行了分析,探讨新型探测仪器在冰雹监测预警中的应用。

2021年4月30日夜间,合肥市区及所辖的巢湖市、肥西县和肥东县出现冰雹天气,冰雹最大直径约3 cm。2021年中国气象灾害风险普查结果表明,合肥市有气象记录以来,春季、夏季出现冰雹占全年总数分别为40%、58%,可见合肥市冰雹天气主要出现在夏季。合肥市大范围出现大冰雹天气也多在夏季,如1987年8月10日合肥市区、肥东县、肥西县和庐江县出现冰雹,其中合肥市区、肥西县和庐江县冰雹最大直径4 cm。合肥市2021年春季出现如此大范围且最大直径达3 cm的冰雹天气,较为罕见。因此有必要研究此次冰雹天气的环流背景、环境条件和中尺度系统特征。

所用资料为探空、自动气象站、气象卫星、多普勒天气雷达、风廓线雷达等监测数据和ERA5 再分析资料。其中探空数据的时间分辨率为12 h,自动气象站数据为1 h;气象卫星数据采用葵花8 卫星TBB 资料,时间分辨率为10 min,空间分辨率为2 km;合肥多普勒天气雷达(31.85 °N,117.23 °E)时间分辨率为6 min,反射率因子空间分辨率为1 km,径向速度分辨率为0.25 km,距离肥西不足50 km,在有效探测范围内;巢湖风廓线雷达(31.58 °N,117.83 °E)是WP6000-LT边界层风廓线雷达,时间分辨率为6 min,垂直分辨率60 m(1200 m以上为120 m),距离合肥多普勒雷达约60 km;ERA5 再分析资料的时间分辨率为1 h,空间分辨率为0.25°×0.25°。

1 天气实况和环流背景

1.1 天气实况

2021年4月30日20-24 时(北京时),合肥市、马鞍山市和宣城市等自西北向东南先后出现强对流天气(图1),合肥市区20:50 出现直径6 mm冰雹,20:56 肥西境内出现最大直径约3 cm的冰雹,其后合肥市所辖肥东、巢湖先后出现直径不足1 cm的冰雹。21-24 时芜湖、宣城先后出现雷雨大风,宣城市广德县独山最大风速达11 级(28.6 m·s-1)。过程累计降水量普遍小于10 mm。本文重点分析合肥市冰雹天气的成因和中尺度特征。

图1 2021年4月30日冰雹和雷雨大风实况(图中黑色圆圈为合肥多普勒雷达位置,黑色方框为巢湖风廓线雷达位置)

1.2 环流背景和触发机制

2021年4月29-30日贝加尔湖以东到中国东北地区有一深厚的东北冷涡,该低涡气旋性环流自925 hPa延伸至100 hPa。500 hPa上,30日08 时(图2a)冷涡中心盘踞在内蒙古科尔山附近,20 时(图2b)冷涡中心略有南落。东北冷涡使安徽出现冰雹典型环流形势,冷涡后部偏北风携带中层冷空气南下,这次过程中冷涡后部西北风较大,黄淮至江淮地区建立一支急流核风速超过40 m·s-1偏北急流,有利于中低层垂直风切变的加强,形成强对流天气发生的有利环境。850 hPa上,08 时(图2c)湖北有一超过22 ℃的暖中心,湖北至安徽以偏西气流为主,合肥存在明显的暖平流,20 时(图2d)合肥处于西北风与西南风的辐合线上,辐合线南北两侧的风力较08:00 明显增强,强烈的辐合有利于上升运动的发展。合肥持续数天晴好天气,地面增温明显,最高气温接近34 ℃,地面为热低压(图略)。

图2 2021年4月30日系统配置500 hPa 位势高度、风场和850 hPa 温度场、风场(黑色实心圆圈为合肥所在位置)

30日17-20 时地面一直存在一条近东西向中尺度辐合线(图3),辐合线北侧为偏北风,南侧为西南风,位置少动。20 时925 hPa也有一条近东西向中尺度辐合线(图略),该辐合线北侧为东北风,南侧为西南风形成气旋性旋转辐合,而且925 hPa辐合线与地面辐合线位置基本重叠,边界层形成强烈的辐合。强对流天气最初出现在辐合线北侧附近。

图3 地面中尺度辐合线

可见这次合肥大冰雹出现在安徽冰雹典型的环流背景下,低层和地面的辐合为大冰雹天气提供了触发条件。地面午后增温,中层东北冷涡携带冷空气南下,温度直减率加大,中低层垂直风切变加大,均为强对流天气的发生提供了有利的热力和动力条件。

2 物理量分析

2.1 不稳定潜势分析

通过分析中低层温度直减率,可以判断大气层结的热力不稳定。选择与合肥接近的安庆和南京的探空资料(表1)发现,2021年4月30日08:00-20:00,安庆和南京上空对流层中低层t850-500均大于30 ℃,尤其20:00 安庆t850-500接近35 ℃,远远超过热力不稳定的阈值。08:00 对流有效位能(CAPE)安庆和南京均为零,20:00 都超过了1500 J/kg,为中等对流不稳定,表明夜间适合对流发展。20:00 强天气威胁指数(SWEAT)超过400,最大抬升指数(BLI)低于-7℃,TT都超过50 ℃,表明适合强雷暴发展。以上指数表征合肥地区有较好的对流潜势。0～6 km垂直风切变均大于26 m/s,属于深厚的强垂直风切变,而且0℃湿球温度高度位于3100 m左右,-20 ℃湿球温度高度位于6300 m左右。由上可知,合肥存在有利于发生冰雹的环境条件[16]。

表1 2021年4月30日安庆和南京探空站物理量资料

2.2 涡度和散度

30日08:00 冰雹发生地(31 °N～32 °N)低层有向南倾斜的950 hPa附近出现21×10-5s-1的正涡度中心(以下简称南方正涡度中心)并伴随着-0.5 Pa·s-1上升气流(图4a),33 °N～33.5 °N 850 hPa附近有一中心为9×10-5s-1的垂直的正涡度柱(简称北方正涡度柱)。08:00 后南方正涡度中心强度逐渐减弱,北方正涡度柱则呈范围增大、强度增强并且向对流层高层延伸态势。16:00 北方正涡度柱(图4b)南北范围增大为33 °N～35 °N,高度达200 hPa,垂直方向有多个正涡度中心,强烈的上升气流两侧为下沉气流,正涡度柱开始向南移动。此时,南方正涡度中心仅为12×10-5s-1。18:00(图4c)北方正涡度柱南移至32.5 °N～34 °N附近,强度略减,南北两个正涡度中心水平距离越来越近,二者在31.5 °N～32 °N对流层低层负涡度开始加强。20:00(图4d)南方正涡度中心强烈发展,顶部上升到200 hPa,形成正涡度柱(简称南方正涡度柱),南北正涡度柱之间负涡度从低层延伸到200 hPa,300 hPa附近负涡度中心低于-18×10-5s-1。负涡度对应反气旋旋转,有利低空辐散,与31.5 °N～32 °N地面至800 hPa散度为正(图4f)相对应,因此有最大达1.4 Pa·s-1的强烈下沉气流,该下沉气流在低层产生强烈辐散,对南北两个正涡度柱有正反馈作用,有利于对流的发展维持和传播移动。21:00(图4e)北方正涡度柱中心达27×10-5s-1,并伴随强烈的上升气流(最大-2.2 Pa·s-1)。合肥位于边界层正负涡度相邻梯度大值区,此时合肥市区出现冰雹天气。

图4 2021年4月30日涡度和垂直速度沿117.2°E 垂直剖面(a)08:00、(b)16:00、(c)18:00、(d)20:00、(e)21:00(等值线为涡度、色斑为垂直速度);(f)20:00 散度和垂直速度沿117.2°E 垂直剖面(等值线为散度、色斑为垂直速度)

3 中尺度特征分析

3.1 TBB 分析

葵花8 号卫星资料具有较高的时空分辨率,在监测对流云团活动方面具有一定的优势[17]。本文采用葵花8 号卫星的TBB 图像分析中尺度对流系统的演变[18]。图5 给出对流云团自西北向东南移动过程中每10 min 的TBB 分布。30日20:00,安徽无对流云发展(图略),20:10,合肥西北侧有数个呈东西向排列的γ 中尺度对流云(γ_MCS)新生发展,20:20 这些γ_MCS 开始合并,20:30 γ_MCS 完全合并形成东西向β中尺度对流系统(β_MCS),尺度增大,中心镶嵌低于-52 ℃的强对流核,上冲云顶的出现,表明对流云团发展到旺盛状态。20:40,β_MCS 进一步发展呈“哑铃状”并开始影响合肥市区,部分地区出现了雷电和阵性降水。21:00 对流云团发展成为α 中尺度对流系统(α_MCS),合肥市区处于系统中心,四周均是低于-52 ℃的强对流核,合肥多地出现雷阵雨和冰雹天气。21:30 对流云团进一步发展呈椭圆形,22:00 该MCS继续向东南方向移动,对合肥地区的影响结束。

图5 2021年4月30日20:10-22:00 葵花8 卫星云顶黑体亮温(实心圆圈为合肥所在位置,空心圆圈为巢湖所在位置)

由上分析可见,此次影响合肥的降雹天气与中尺度对流系统关系密切,是由数个分散的东西向对流云合并,合并后尺度增大、TBB 强度增强,冰雹发生于TBB 低于-52℃强对流核附近。

3.2 雷达回波分析

3.2.1 对流风暴触发阶段

图6 是合肥多普勒天气雷达20:11-21:59 组合反射率因子演变特征图。30日20:11(图6a),在地面中尺度辐合线和925 hPa辐合线的北侧有分散、孤立的对流单体生成。

图6 2021年4月30日合肥多普勒天气雷达组合反射率因子和地面风场叠加(a)20:11 雷达回波和20:00 地面风场,(b)20:22(c)20:45,(d)21:13 雷达回波和21:00 地面风场,(e)21:36 ,(f)21:59(图中隐去35dBZ 以下的回波)

3.2.2 对流风暴发展成熟阶段

20:22(图6b)对流单体逐渐弥合,反射率因子增强至48 dBZ,回波顶高抬升至11 km,并形成一条东西向的对流回波带,在高空西北引导气流下向东南方向移动。20:39 对流单体进一步合并,其中风暴A 在2.4°～6.0°仰角出现三体散射长钉,由图7(a)、(c)可见20:45,6°、2.4°仰角反射率因子三体散射长钉。20:45(图6c)回波带中对流单体基本合并,风暴A 最大反射率因子达到65 dBZ,沿P1(116.48 °E,31.94 °N)和P2(116.7 °E,31.79 °N)两点(图6c)作反射率因子垂直剖面(图7d),可见,强回波呈前倾悬垂结构,强回波右下侧有弱回波区,表明存在强垂直风切变,斜上升气流强烈,因而风暴A 得以持续发展,这点在前面物理量分析中得到印证。回波顶高基本伸至10～12 km,最高达15 km,强回波已及地,表明风暴A 已达成熟阶段。6.0°仰角径向速度图(图7b)上,风暴A 人工去速度模糊后转动速度为23.8 m·s-1,且维持3 个体扫,距离合肥69 km,属于强中气旋,因此风暴A 为超级单体风暴。20:56 肥西县境内出现3 cm大冰雹,三体散射回波出现时间早于地面降雹17 min。探空显示,湿球零度层高度3100 m左右,-20 ℃湿球温度高度位于6300 m左右,60 dBZ强回波伸展至9 km以上,远超-20度层高度,因此易产生冰雹天气。

图7 2021年4月30日20:45 合肥多普勒天气雷达

21:13(图6d)对流回波移出合肥市区,回波带中对流单体开始分散,但对流单体核心强度仍可达65 dBZ。21:36(图6e)回波带西半段对流单体呈减弱消散趋势,东半段对流单体尺度呈增大趋势并在巢湖市形成雨夹冰雹天气。21:59(图6f)对流回波移出合肥,至此,合肥境内本轮强对流天气结束。

对流风暴A 在发展过程中,VIL 出现连续跃增现象。30日20:11-20:22 风暴处于初生阶段,VIL 维持在1～10 kg·m-2。20:28-20:45,VIL 连续跃增(图8),VIL 由20:22 的10 kg·m-2增加到20:28 的30 kg·m-2,20:33 跃增到60 kg·m-2,维持2 个体扫后,20:45 跃增至70 kg·m-2,此时VIL 最大,反射率因子最强(65 dBZ)。20:51 降为65 kg·m-2,其后快速下降。可见,20:28 VIL开始跃增,合肥市降雹时间为20:50,VIL 跃增时间较地面降雹时间提前了22 min。VIL 跃增时间对应着冰雹云发展的跃增阶段,此时冰雹云内的冰雹粒子在生长区迅速碰并长大[19],VIL 跃增能作为预警冰雹的一个重要依据。从图8 还可以看到,随着VIL 的增大,反射率因子随之增强,但随着风暴减弱,VIL 减小,但反射率因子最大值仍保持55 dBZ或以上的高值,这与罗菊英等[20]的分析结果较为一致。

图8 2021年4月30日20:22-21:36 风暴A 的VIL 和最强反射率因子随时间变化

综上所述,地面中尺度辐合线和925 hPa中尺度辐合线对此次对流风暴起触发作用,对流单体经过合并而加强,3 cm大冰雹发生在超级单体成熟阶段。三体散射回波出现时间早于地面降雹17 min,三体散射长钉可以作为强冰雹预警的一个重要辅助指标[21]。VIL跃增时间较地面降雹提前22 min,VIL 跃增能作为预警冰雹的一个重要依据。

3.3 风廓线雷达分析

大气边界层是指直接受地球表面的影响,并与地表进行热量、动量和水汽及其他物质成分的交换,其厚度一般是从地面至500 m到1.5 km,湍流运动是该层大气的最基本特征。在巢湖风廓线雷达垂直风切变的时间-高度剖面(图9a)上,17:00-19:00 垂直风切变大值区出现在1200～1300 m、500～700 m,极大值达到0.06 s-1。可见在强对流开始前的数小时,巢湖边界层有2 个垂直风切变强中心,低层垂直风切变增大,不仅加速高、低空冷暖气流混合,利于大气不稳定,而且加强了低层的气流辐合抬升,非常有利于对流的发展。Rasmussen 等[22]通过研究指出,当有强对流存在时0～4 km的平均垂直风切变会达到0.015 s-1左右,而本文中垂直风切变极值达到了0.06 s-1,表明冰雹发生前,局部垂直风切变会大得多。

图9 2021年4月30日巢湖风廓线雷达

利用4月30日巢湖风廓线雷达资料(图9b)对巢湖上空风场变化进行分析。20:34-21:35,1200 m高度以上为西风,其下风场明显转向,从20:34 的西南风到20:40 转为西北风,并且西北风高度逐渐向下延展,1200 m高度风向不连续一直持续到21:35,该不连续线印证了前文所提的925 hPa辐合线。1200 m以下西北气流为雷暴冷池出流和北方冷空气共同影响所致(图6d),冷空气在边界层向巢湖伸展形成冷垫,并与地面南风入流在雷暴东南侧产生强辐合,暖湿斜升气流沿冷垫爬升,潜在不稳定的气团迅速上升至自由对流高度(LFC)以上,不断触发新的对流单体,21:35 巢湖出现雨夹冰雹天气。

4 结论与讨论

(1)此次冰雹天气发生在深厚的东北冷涡背景下,500 hPa黄淮至江淮地区一支超过40 m·s-1偏北急流,急流携带冷空气南下进一步促进大气层结不稳定,增强中低层垂直风切变,构建了强对流天气发生的有利环流背景条件。

(2)冰雹发生在强的温度直减率、中等强度对流有效位能、深厚的强垂直风切变、较低的湿球零度层高度环境条件下。地面中尺度辐合线和925 hPa的辐合线共同触发了此次强对流天气。

(3)卫星云图显示,降雹云团由数个分散的东西向对流云合并,冰雹发生于TBB 低于-52 ℃强对流核附近。雷达回波表明VIL 跃增时间较地面降雹时间提前了22 min,三体散射回波出现时间早于肥西降大冰雹时间17 min。巢湖风廓线雷达显示强对流发生前边界层有两个垂直风切变强中心,1200 m高度的风向不连续线触发了巢湖新的对流单体。

此次冰雹过程分析使用的新型探测资料不多,今后将采用双极化雷达、相控阵雷达、云雷达、微波辐射计等新资料对冰雹过程进行研究,探索冰雹最新预警预报指标。应用高分辨率数值模式模拟冰雹单体,分析超级单体内部结构,研究降雹的具体位置和时间。