一次由脉冲风暴引起的局地冰雹过程分析

工作者对边界层辐合线对对流风暴的触发开展了一系列的研究[1-7]。2014年7月14日17：55左右，一个脉冲风暴在台前县清水河、王集一带造成了2～4 cm的冰雹和18.4 m/s的大风。本文利用常规天气资料、新一代多普勒天气雷达产品和自动气象站等资料，对此次雷暴的冷出流和地面风场辐合共同作用下的脉冲风暴过程进行了详细的分析，以发现该风暴的形成和加强机制，以及造成地面冰雹和大风天气的原因，提出针对该类局地强风暴的临近预报思路。

1 天气形势背景

2014年7月14日8：00 200 hPa高空图上，在北纬35°左右有一条东西向的高空急流。500 hPa 高空图上，中高纬度为两槽一脊的环流形势，在咸海和贝加尔湖以东有2个低涡，在贝加尔湖以西有一个高空脊。在高空脊前的河套东部有一个低槽存在。588线在北纬27°以南。850 hPa上，河套地区和华北地区有明显的斜压性。由综合图（图1a）可以看出，高空急流轴与低槽相交，根据天气学原理[8]，急流轴的右侧槽前具有强烈的偏差风辐散，槽后的急流轴左侧辐合也特别强，当高空槽移到斜压性比较强的河套和华北地区后，迅速引起地面气旋和反气旋的发生发展（图1b）。14日17：00地面弱冷锋位于山西与河北豫北交界处，冷锋与在山东德州到河南平顶山一线一直存在露点锋相互作用，触发了此次强对流天气。

2 强对流发生发展的条件分析

2.1 不稳定能量特征

7月14日8：00章丘和郑州的探空图上，两地的K指数均超过了29 ℃，章丘更是达到了31 ℃，表明章丘和郑州一带都处在高能区中，当天发生强对流天气的可能性较大。8：00章丘探空的CAPE值为900 J/kg左右，14：00经地面温度订正过的探空CAPE值已达到2 500 J/kg左右（图2a），表明章丘周围地区有非常高的对流潜在能量，已具备有利的对流发展条件。

2.2 水汽条件

7月14日8：00 700 hPa晋冀鲁豫地区的比湿都很大，都在4～5 g/kg之间，850 hPa在章丘和郑州以南地区的比湿较大，大都在7 g/kg以上，地面上濮阳鹤壁郑州以南地区的露点值比较大，濮阳站的露点更是达到了24 ℃。这种较厚的低层湿层一旦受到触发，对流就很容易形成。

2.3 触发机制

7月14日5：00—14：00，在地面填图上在山东德州到河南平顶山一线一直有1个露点锋存在（图2b）。14：00以后河套冷高压前沿弱冷锋东移扩散冷空气南下，跟露点锋相互作用，一起触发了此次强对流天气。因此，在当天有利的大尺度天气背景条件下，存在高的对流潜在能量和丰富的低层水汽条件，在辐合抬升条件较好的地区容易出现对流。由于较弱的环境风垂直切变（地面到6 km的垂直风切变为8 m/s），使得当天的对流风暴以脉冲风暴为主。但在一些系统性较强的中小尺度切变或辐合线维持的区域，沿切变或辐合线形成的对流风暴也呈现出有组织化的特征。

3 雷达回波分析

3.1 多单体雷暴的雷达回波特征

7月14日15：55，雷达反射率因子图上显示在山东菏泽北部有对流单体A首先从中空开始发展，随后便沿着地面切变线向东北偏北方向移动，并在移送过程中不断增强，到16：50移至范县边界时，中心强度达到50 dBZ。到17：14，在单体A的右侧有对流单体B从中空开始发展。17：26 0.5°仰角（图3a）单体风暴A外围呈现出较为清晰的弧状弱窄带回波，回波强度在5～10 dBZ左右，对其作垂直剖面分析，发现A的强反射率因子核心已到达地面，且对应地面有边界层辐合线并伴有风速的明显增大和温度的降低和短时降水（其中范县陆集的1 h雨量达到了26.3 mm），表明风暴A中有冷性下沉气流在低层扩散。风暴A的冷出流锋区和边界层辐合线使得单体B迅速发展，中心强度达到50 dBZ。正是该单体造成了台前的清水河、王集一带2～3 cm的冰雹和18.4 m/s的大风。

17：50时单体A趋于消散，单体B达到强盛期并且反射率因子核心开始下降，在单体B的右侧有一个新的对流单体C开始发展。到18：20，随着单体B的减弱，单体C发展起来，随后便与南北的对流单体连成一线，基本呈南北向排列，向山东半岛移去，给鲁西造成了一次中到大雨、局部暴雨的降水过程（图3b）。弱的垂直风切变通常表示弱的环境气流，并且常常引起风暴移动缓慢。此次灾害性天气过程中，由于低层有较厚的湿层和高度的垂直不稳定性，并且在风暴的右侧不断有新生单体的生成，是这次多单体风暴持续时间将近2 h的原因。从对流单体A、B、C的风暴追踪路径图（图4）上可以看出，每个风暴单体都是朝东北偏北方向移动的，新单体都是在老单体的右侧产生的，也就是说传播方向是向东的，由于风暴运动是由平流和传播合成的，所以多单体风暴的移动方向为东北方向，也造成了范县和台前沿线的短时强降水天气。

3.2 产生冰雹大风的脉冲风暴

3.2.1 雷暴冷出流触发脉冲风暴。7月14日17：26，根据CINRAD-SB多普勒天气雷达风暴追踪算法（STI）的风暴属性表，单体A的最强反射率因子核心的高度（DBZM-HT）由上一时刻的3.4 km下降到此时刻的1.5 km，配合地面自动站的观测记录以及反射率因子的垂直剖面图（图5）来看，风暴A有冷出流及地，沿该出流的边界产生的垂直运动使得单体B迅速发展成强脉冲风暴，其超过55 dBZ的强中心迅速向上向下同时增长；同时，随着上升气流的加强和单体的快速发展，垂直累积液态水含量（VIL）由上一时刻的18 kg/m3迅速增至34 kg/m3。综合上述要素可以判定，单体风暴B是一个由单体风暴A的冷出流边界的触发作用下发展和加强的脉冲风暴。

3.2.2 脉冲风暴的发展和暴发导致冰雹灾情的出现。表1为脉冲风暴B的风暴追踪信息，因为风暴B和风暴A离得太近，风暴单体的识别和风暴属性的计算可能有较大误差，需要结合反射率因子剖面图给予适当订正，同时，又因为风暴单体距离雷达站太近（仅78 km），由于静锥区的影响，风暴单体回波顶高的变化趋势使用郑州雷达2.4°仰角的回波强度及高度变化来表示。由表1可以看出，17：26风暴单体B受到冷出流边界触发，不仅最大回波强度（DBZMZ）由55 dBZ迅速增强至60 dBZ，而且强回波中心迅速向上向下同时增长，结合反射率因子剖面图（图5）可以看到，超过60 dBZ的强回波高度在5～9 km之间，已经扩展到-20 ℃等温线以上高度，同时13 km处的回波也由上一体扫的45 dBZ增至53 dBZ，表明回波顶高也迅速增大。17：44—17：56单体风暴B出现了最大回波强度的高度显著下降和14 km处回波强度的迅速降低，这2个特征的出现表明雷暴即将崩溃进入减弱消亡阶段。结合17：50和17：56的回波剖面图，可以看出强回波中心迅速下降并在这2个时刻之间及地并暴发，于17：55在台前的清水河、王集一带造成了2～4 cm的冰雹和18.4 m/s的大风。

产生冰雹的强对流风暴最显著的特征体现在如果-20 ℃等温线对应的高度之上有超过50 dBZ的反射率因子，则有可能产生大冰雹。据此，17：26超过55 dBZ的回波已经扩展到-20 ℃等温线以上高度，同时0 ℃层距地面的高度不超过5 km，此时就可以考虑发布强冰雹预警。但是这次由脉冲风暴B产生的冰雹是在风暴B进入减弱阶段并及地时才发生，而且发生的时间仅仅几分钟，因此很难对脉冲风暴发出有效警报。但是考虑到风暴单体A对风暴B的移动路径的指示作用和高悬的强回波这一雹暴基本特征已经提前30 min出现的情况，预报员还是有足够的时间发出警报的，这正是这次冰雹过程的最大经验。

3.2.3 下击暴流引起大风及预警。脉冲风暴经过台前县清水河与王集时，在短短几分钟内产生了18.4 m/s的瞬时大风，并伴有11.3 mm的强降水，因此这次大风是由湿微下击暴流引起的。湿微下击暴流常常与脉冲风暴相伴随。湿微下击暴流主要是受云内和云底下方的融化和蒸发冷却效应所驱动而产生的。由于湿微下击暴流与强降水相联系，水载物对下沉气流的激发和维持起重要作用。

下击暴流的预警是非常困难的。当雷达观测到地面附近的辐散时，几乎已经无法提前发出警报。而与下击暴流相伴随的空中气流的辐合可以使预报员提前几分钟发出预警，即雷达在探测到空中气流辐合的情况下发出下击暴流预警。如图6所示，当17：44从濮阳多普勒雷达上观测到径向速度垂直剖面上有明显的中层辐合，并且伴随着反射率因子核心的下降时，可以提前10 min发出下击暴流或者大风预警。

4 结语

此次局地强对流天气是以高空较浅的低压槽为背景，有较高的对流不稳定能量和充足的水汽，有利于对流风暴的发展；地面冷锋、中尺度露点锋及其与雷暴冷出流的碰撞是风暴不断新生的触发机制；弱垂直风切变的坏境下，使得过程中雷暴都具有脉冲风暴的特征。

在弱垂直风切变环境下，前期脉冲风暴的强冷出流导致台前西南强脉冲单体的发展和加强；强的不稳定条件和低层较厚的水汽使得该风暴强烈发展，其强反射率因子核心的快速下降和暴发产生了边际尺度的冰雹和大风。

通过对此次雷暴过程的分析，针对处于弱垂直风切变中的脉冲风暴，在关注大的天气形势、对流不稳定条件和水汽条件的同时，还应关注低层的边界线和露点锋，以及附近雷暴的冷出流边界，对雷暴发生、发展落区加强监测，提高临近预报预警的准确性和预报时效。

5 参考文献

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