一次低層冷空氣觸發下的局地強對流過程分析*

陳艷真 何宇暉 任賽賽 黃美金

（1.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；2.福建省莆田市荔城區氣象局，福建 莆田 351100；3.福建省氣象臺，福建 福州 350001）

1 概述

強對流天氣是福建的主要災害性天氣之一。福建省地處我國東南沿海，境內地形地貌多樣、特殊，以丘陵地形為主，下墊面非均勻分布特征明顯，造成冷熱源水平分布存在差異，以致雷暴、冰雹等強對流天氣時有發生，常給當地生產、生活造成重大影響。福建強對流天氣一年四季均可發生，以3～4月最多，多伴有冰雹出現[1]。因而，做好強對流天氣預報預警是福建省3～4月同期預報的首要工作。

由于強對流天氣具有尺度小、發展快等特點，常常孤立出現在一個縣或一個鄉村，局地性很強；同時，強對流天氣發生時間一般在十幾分鐘到半小時左右，非體上離散性較強，其預報難度很大。在短臨預報時效內，俞小鼎[2]探討了不同類型強對流天氣的多普勒雷達識別和預警技術，并結合不同類型強對流發生發展的環境場條件，實現了提前幾十分鐘到幾小時對不同類型強對流天氣的預警。分析衛星云圖、雷達資料[3-8]是強對流天氣短時臨近預報的有效預報方法，由于強對流天氣突發性強，臨近預報對防御災害部署預留時間短，因此強對流天氣潛勢預報是目前做好強對流天氣預報服務的有效手段。

2019年4月10日(本文所提時間均為北京時間)，福州出現局地強對流天氣過程，本文通過分析常規觀測資料、自動站資料和福州站CINRAD/CB多普勒天氣雷達觀測資料、NCEP1°×1°逐6h再分析資料，應用天氣學和物理量診斷分析方法，對這次過程的環流背景、物理量場和雷達產品特征進行分析，探討此次強對流的發生機制，以期加深對福建省局地強對流天氣的認識。

2 強對流天氣概況

2019年4月10日午后至傍晚，福州市西部出現冰雹、雷雨大風、短時強降水等強對流天氣，其中閩清縣三溪鄉、閩侯縣竹岐鄉和市區的倉山馬尾一帶出現冰雹；閩清三溪鄉冰雹開始于14：00左右，冰雹約黃豆大小，閩侯竹岐鄉冰雹開始于14：10左右，大概持續3分鐘，冰雹約拇指大小，倉山一帶冰雹開始于15：10左右。永泰、閩侯、閩清出現6～8級雷雨大風，永泰局地出現大于 30mm·h-1的短時強降水。從強對流天氣的實況落區分布來看，福州市的中部出現雷暴，冰雹、短時強降水和雷雨大風比較集中，8級以上雷雨大風出現3站次，以閩侯白沙鎮的18.8m·s-1（8級）為最大，出現在13：15，短時強降水共計4個站次，最大42.1mm/h，出現在16～17時，表明這次強對流具有強局地性。

圖1 2019年4月10日冰雹及大風監測實況

3 環流背景及影響系統分析

3.1 中低層影響系統配置

4月10日08時500hPa(圖2a)福建省處在副熱帶高壓的西北側和高空槽前西南氣流控制下，最大風速達28m/s的西南急流從廣西百色指向長江口，有利于暖濕氣流向福建省輸送及不穩定能量的積聚；500hPa中緯度高高空槽東移，槽底達江蘇中部，引導冷空氣補充到入海的江淮氣旋中，導致低層有海上冷空氣回流；08時850hPa切變線位于日本南部至閩中，閩中北部沿海處在入海后的江淮氣旋切變線底部，隨著江淮氣旋的東移，切變線北段東移入海，但由于西南風的北推，切變南段仍維持在閩中北沿海，因此14時閩中北沿海仍在850hPa切變線附近；08時925hPa福州和廈門站均為西北風，切變線已東移至臺灣海峽，隨著西南氣流的北推、新一股冷空氣和海上冷空氣回流形成西南風、西北風和東北風的三股氣流在福建中部沿海匯合的形勢，強對流發生在三股氣流交接的區域。08時700hPa位于江西西部的溫度槽在 14時東移到福建省中北部(08時圖略，14時見圖2b)；08時850hPa在福州市南部及以南地區為 24小時正變溫，福州市中北部及其以西以北有 24小時負變溫(圖 2c)，隨著冷空氣從海上滲透南下，14時850hPa的24小時負變溫區域南壓至廈門(圖略)；08時925hPa的24小時0℃的變溫線位于福建西部和浙江南部(圖略)，隨著低層冷空氣的南壓，在中午925hPa 24小時0℃的變溫南壓至閩中地區，14時925hPa莆田市及其以南地區為24小時有正變溫，莆田市以西以北有24小時負變溫(圖 2d)，說明冷暖空氣的交匯觸發了此次強對流過程。

圖2 4月10日08時500 hPa流場和588dagpm線(陰影為風力大于26m/s) (a);10日14時700hPa 溫度場 (b); 10日08時850hPa 環流形勢和24小時變溫(陰影為小于0℃)(c);10日14時925hPa 環流形勢和24小時變溫(陰影為小于0℃)(d)

3.2 地面分析

10日11時地面圖上，在華南到福建中部地區存在暖脊，暖中心達到 30℃，閩中沿海等壓線、等溫線和等露點溫度線密集，同時地面倒槽發展，低值中心與暖中心對應，鋒區位于閩西和閩中附近（圖3a），11時地面三小時變壓圖（圖 3c）可以看到，在 08時至 11時，在浙江沿海存在一個+2.1hPa的正變壓中心，表明江淮氣旋入海后，冷空氣自浙江沿海向西南擴散，遇到戴云山脈后，在閩東堆積。從圖3e可以看出，14時，福建省大部處在暖區控制下，暖中心達 34℃，隨著冷空氣從沿海和西北面兩路擴散南下，地面靜止鋒東段有所南壓西移，西段南壓東移，且東段鋒面由福州市區移至閩清附近，福州市開始降溫，但是福州市區以南以西、三明市以南以東氣溫仍較高，冷暖空氣在閩清尤溪一帶交匯，有利于強對流天氣的發生，同時受戴云山脈的影響，對流先在尤溪縣發展(圖3d)，隨著500hPa偏西氣流的引導向東移，14時左右在地面靜止鋒作用下在閩清附近加強(圖3e、3f)。地面靜止鋒與地面熱低壓相結合觸發強對流發展，給福州市帶來了雷雨大風、冰雹等強對流天氣。

圖3 10日11時地面分析圖(a); 14時地面分析圖(b);08-11時地面3小時變壓(c);12:36雷達拼圖; 13:1雷達拼圖(e);13:48雷達拼圖(f)

4 物理量診斷分析

4.1 穩定度分析

按潰變理論所設計的V-3θ圖主要是以結構方式揭示非規則信息的結構特征及其作用[9-10]，對天氣演化轉折性過程中的災害天氣預測設計的。V-3θ是用單站探空資料計算和繪制出的垂直方向上的兩維圖，V表示探空資料中風向、風速；3θ即θ、θsed、飽和θsed，其中θ是位溫，θsed是以露點溫度計算的假相當位溫，飽和θsed是假定飽和狀態下的位溫。當出現超低溫、結構不均勻性及順滾流三個特征時可以判斷有強對流天氣的潛勢。超低溫即3條θ曲線在400～150hPa之間出現陡然左傾或者與T軸呈鈍角時；結構不均勻即3條θ線隨著氣壓的增大向左傾呈線性遞減，或隨著增大不變或少變，可以理解為該層大氣的垂直結構極度不均勻，而且積聚了不穩定能量有待釋放；順滾流即高層與低層的風場矢量差為偏西風、偏北風。具備以上三個特征則可預報冰雹大風等強對流天氣。

從08時福州站V-3θ圖上可以看出(圖4a、b)，θse線、飽和θse線在1000～500hPa之間出現了左傾或多折拐的非均勻結構，表示該層大氣的垂直結構極度不均勻，而且積聚了不穩定能量有待釋放；θse線與飽和θse線300hPa以下距離都較大，但是中層（600～500hPa）的水汽小于 10K比上下層都略好，說明了水汽分布不均勻，存在著潛在不穩定性；從垂直風場上看，在底層（1000～925hPa）隨高度的變化風場存在順滾流，即底層以上升氣流為主，但是925 hPa以上為逆滾流，福建省預報員手冊[14]指出3θ結構為非均勻，但流場是逆滾流，則逆滾流將在12～24小時之內轉為順滾流，從20時福州V-3θ圖可以看出925hPa以上轉成順滾流。從圖4(c)可見，0～6km垂直風切變達26m/s，有利于大風形成；按福州站當天最高溫度訂正后cape有600J以上，只能說該日具備有一定的不穩定能量條件，但離出現冰雹的條件還相去甚遠，其原因在下文進一步分析。

圖4 4月10日福州站V-3θ(（a）08時；（b）20時);訂正后的福州站tlogp圖(c)

Δθse（500-850）是表示穩定度的物理量，《福建省預報員手冊》[11]指出，不穩定區北側均存在著一條東西向強Δθse（500-850）鋒區，南北5個緯度Δθse差值達 15K以上，Δθse（500-850）的分布與冰雹落區有較好的對應關系。從08時Δθse（500-850）分布來看（圖5），從廣西到福建都存在一條東北—西南向的不穩定區，不穩定中心在廣西，達-20K，福建大部Δθse（500-850）在-10～-14K，不穩定區北側均存在著一條東西向強Δθse（500-850）鋒區，南北5個緯度Δθse（500-850）差值達40K，鋒區在浙江南部至福建北部地區，福州處在強不穩定區，強對流發生在Δθse(500-850)負值中心的附近。

圖5 10日08時Δθse（500-850）場 (單位： K)

4.2 水汽條件

分析該次強對流過程700hPa和850hPa的比濕分布，10日08時700hPa在福建中部有10g/kg的比濕，08時850hPa的比濕在福州有12g/kg。強對流發生前（08時）低層福州處在上干下濕和高溫高濕的環境中（見圖4c），為冰雹發生提供一定的水汽和不穩定條件。

4.3 動力條件

從低層渦度場(圖6a、c)分析可以明顯看出，在08時1000hPa和850hPa有正的渦度中心在福州市附近，中心值為4×10-5S-1，且1000hPa福建沿海整片處在正渦度中心，同時在浙江省有負的渦度中心，在閩浙交界處存在渦度密集帶，南北3個緯度渦度差值達6×10-5S-1；從14時1000hPa的渦度場可以看出（圖6b），負渦度從浙江南部沿海向南推進，到達閩中沿海，渦度鋒區也南壓至閩中沿海，說明冷空氣進一步南壓，此次過程冷空氣起了觸發抬升作用；從14時強回波帶上[(25.8°N；117.6°E)～(26.4°N；120°E)]的散度垂直剖面分析(圖略)，可知在強對流區附近的底層850hPa以下為輻合，500～300hPa為輻散，所以上升運動基本在500hPa以下。

10日08時強回波帶上[(25.8°N；117.6°E)～(26.4°N；120°E)]的垂直速度剖面(圖略)可分析出在閩清、閩侯附近700 hPa以下垂直上升速度為正值，存在抑制對流發生的暖蓋(08時福州站tlop圖上925 hPa以下存在逆溫)，由于冷空氣從沿海滲透南下，從沿海至內陸700 hPa以下轉為上升運動，臨近冰雹發生時強上升中心在 925～850hPa，中心強度為-0.45Pa·s-1(圖 6d)，強的上升運動在700 hPa以下，上升層比較淺薄，這些條件僅夠出現一般的對流性天氣，至于為什么出現冰雹，原因在下文分析。

圖6 4月10日08時1000hPa渦度(a)、14時1000hPa渦度(b)、08時850hPa渦度(c)(單位: 10-5S-1)4 月 10 日 14 時 [(25.8°N；117.6°E)～(26.4°N；120°E)]的垂直速度剖面圖(d)(單位:Pa/s)(紅色三角形位置為閩清、閩侯附近位置)

4.4 能量條件

假相當位溫θse是同時表征溫度和濕度的參數，因而在中尺度天氣圖上可以繪制等θse線，分析確定高低θse值區(或濕靜力能量高低能區)和能量鋒區的位置[12]。從θse場分布看，強對流出現前10日08時粵西-閩東一帶低層有一個高濕高能軸。從圖7a可以看到，10日08時在1000hPa上有一條高能舌從廣東伸至福建東部，高能舌中心強度在352K以上，由此說明，強對流發生前在閩東底層已經有大量濕熱能量集中，浙江南部存在等θse密集區，形成能量鋒。14時隨著冷空氣的南壓，1000hPa能量鋒亦南壓至福州南部沿海，能量鋒位置與地面靜止鋒位置較一致，高能舌從粵東沿著閩中山脈伸至閩中北(圖7b)。10日08時850hPa上有一條高能舌從廣東西部沿海伸至浙江南部沿海，高能舌中心強度在344K以上，隨著海上冷空氣的滲透，北段能量鋒南壓至閩中沿海（圖 7c），海上南下冷空氣起到觸發強對流發生的作用；能量鋒隨著高度向北傾斜，從圖7d可以看出，700hPa的能量鋒位置偏北，在浙江北部，說明底層冷空氣先滲透南下，且鋒面坡度較小，抬升高度較低，此次過程主要在能量鋒的觸發下產生強對流天氣。

圖7 10日08時1000hPa假相當位溫(a)、14時1000hPa假相當位溫(b)、14時850hPa假相當位溫(c)和14時700hPa假相當位溫(d)

5 雷達產品特征分析

此次強對流過程回波于12：30在尤溪發展起來，逐漸東移，對流單體在閩清附近加強，福州雷達13：57在4.3°仰角上可以看到三體散射長釘，14：03在 6.0°仰角上也出現了三體散射長釘，在回波最強盛的時段，在福州雷達的基本反射率 0.5o～6.0°仰角上均可以看到明顯三體散射長釘（圖8），三體散射持續出現6個掃的時間，且每個仰角強回波中心并不重合，隨高度增加強回波略向偏南方向傾斜，坡度不大，沒有出現明顯鉤狀回波?；夭ㄔ谝苿舆^程中在 15：10左右再次加強，15：12在2.4°仰角出現了長釘回波和旁瓣回波（圖略）。

圖8 福州雷達14:09基本反射率因子

在14：09福州雷達的基本反射率剖面上（圖9），回波頂高9km以上，60dBz 以上強回波高度達8km，大于50dBz的強回波柱從底層一直伸展到9km以上，從探空上看10日08時的-20℃層高度為7978km，50dBz強回波高度超過-20℃層高度，同時強回波柱出現明顯的前傾，并有明顯懸垂。在懸垂下方低層有弱回波區，典型的冰雹 RHI特征，由于 08時的 0℃層高度為4831km，對于福建春季來說有些偏高，所以此次強對流的冰雹不大，局地性強。

圖9 福州雷達14:09沿白色直線作反射率因子剖面

垂直液態含水量（VIL）[13]是指降水云體中，某一確定的底面積的垂直柱體內的非含水量，它對強對流尤其是冰雹特別敏感，原因是冰雹云體固態水成分多，導致 VIL量值很大。因此，垂直液態含水量可以作為判斷暴雨、冰雹等強對流天氣的重要指標之一。從福州雷達分析這個風暴開始加強的風暴趨勢演變（圖 10）。自 13：50分出現大于 60dBz 以上的強回波之后，回波繼續加強，14：14最大反射率增加到70dBz，回波頂高度從6.1km 升高到10km，最大反射率因子所在高度從2.5km升高到6km，13：50之后VIL值從30kg/m2躍增到55kg/m2，VIL值的這次躍增，反映了云體內冰雹粒子在生長并迅速碰撞并長大，且在14：00至14：20強冰雹指數達到100%。強回波在維持了4個體掃之后，在14：20雖然反射率維持在 60dBz以上，VIL值達到45kg/m2，但最大反射率所在高度由6km下降到3.5km，回波中心正在閩清和閩侯交界處上方，此刻發生冰雹降落至地面，并伴有雷雨大風。之后回波開始減弱，14：38最大反射率所在高度進一步下降到 1.0km的云底高度上，回波質心高度也下降，VIL降至30kg/m2左右。

圖10 4月10日14:38福州雷達風暴追蹤產品

6 弱的不穩定層結條件和垂直運動條件下出現冰雹的原因分析

上文已經討論了本次過程福州站的探空條件和動力條件都一般，僅夠出現一般的對流性天氣，是什么原因出現“拇指”大的冰雹，下面從能量、動力和地形方面分別分析。

首先閩清站的對流不穩定能量與福州站存在一定的區別。從雷達組合反射率來看 40dBz回波的范圍為10～20km，屬于中-γ尺度，福州站距離閩清縣三溪鄉有近50km，距離閩侯縣竹岐鄉有20km，所以用福州站的探空來分析，捕捉不到中尺度系統。圖4c用福州站當日最高氣溫訂正后的對數壓力圖，前面已經分析了，該日有冷空氣從海上滲漏至福州市，靠近沿海的福州站與靠近中部山帶的閩清站之間存在明顯的溫度鋒區，從自動站上可以看出 10日13～14時，閩清三溪站附近氣溫達32℃，本站氣壓993hPa，訂正時，應該用修正抬升點，訂正后，cape值達到1700J(圖11a)，這一點在業務應用中應引起重視。

其次，動力條件存在差異，動力條件分析表明垂直上升運動的層次不高，只突破0℃層高(4831km)，僅此難以判斷會出現冰雹，但從雷達產品分析可知，13：50-14：38 回波達 6.0～10.0km，垂直運動還是非常強的，與圖6d的差別太大了，這是由于NCEP數據同化時，分辨率較低，不能反映出中尺度系統的上升運動情況。

第三是地形，三溪地處戴云山脈的北坡，梅溪流域的水流方向自南向北，從自動站數據可以看出（圖11b），13：00-14：00為東北風，空氣流動方向與水流方向呈對吹，水流對風向的摩擦加強了空氣輻合，提供了額非的垂直上升動力。

圖11 4月10日用閩清站氣象要素訂正的tlop圖(a);13:00-14:00福州地面風場(b)

7 結果與討論

利用福州新一代天氣雷達資料、NCEP/NCAR 1°×1°逐六小時的全球再分析資料及常規觀測資料，對2019年4月10日發生在福建福州地區的局地冰雹、雷雨大風等強對流天氣的環境條件、中尺度特征等方面進行了詳細的分析，得出以下結論：

（1）本次局地風雹過程，福建省處在副熱帶高壓的西北側和高空槽前西南氣流控制下，回波在鋒前暖區、閩中山脈附近發展，并在海上南下冷空氣與暖空氣的交匯及925hPa三支氣流的輻合作用下迅速加強，福州地區出現了冰雹、雷雨大風等強對流天氣。

（2）過程發生時地面高溫高能，在日常業務中不僅要分析大尺度影響系統，還要加強對地面溫壓濕等中小尺度系統的分析。

（3）V-3θ圖能看出濕度大小、濕層深厚、超低溫、順滾流、強不穩定非均勻結構等特征。通過這些特征結合其他物理量進行診斷分析，能更好地預報強對流過程。

（4）過程動力抬升在700hPa及以下，低層正渦度中心有利于底層的輻合上升，上升層突破0℃層高度，注意分析地形的額非抬升作用。θse850hPa達346K以上，表明有濕熱能量集中；渦度鋒區（1000hPa南北3個緯度渦度差值達6×10-5S-1）和θse的鋒區（850hPa南北3個緯度假相當位溫差值達22K）與冷空氣南下的位置對應，強對流發生在渦度鋒區和θse的鋒區前沿且在Δθse(500-850)負值中心的附近，其負值中心達-20K以上，能量鋒有利于激發釋放大量不穩定能量，易產生強對流天氣。

（5）在回波發展的成熟階段，雹暴最強回波達到70dBz以上，回波頂高ET在8～10km，VIL 最大值達55kg/m2。VIL在降雹前出現躍增，VIL值從 30kg/m2躍增到55kg/m2，-20℃層高度回波強度超過50dBz，單體結構出現明顯的前傾，并具有回波懸垂、有界弱回波區、三體散射長釘等回波特征，但0℃層高度對于福建春季來說有些偏高，所以此次強對流的冰雹不大，局地性強。

（6）在強對流監測預警中，關注雷達的風暴追蹤產品，其對冰雹的預報具有很好參考價值，提前量10min左右，其對下游地區的指導意義較大，下游地區可結合當地物理量配置和形勢，提高冰雹預報預警的提前量和準確率。

（7）分析中尺度系統時，當該系統距離最近的探空站超過20km，尤其是有鋒面存在時，對t-logp的訂正要用該區域本站的要素進行修正。