2005年4月20日苏北地区强对流天气过程诊断分析

邹建新

摘要 利用地面常规观测资料、多普勒雷达探测资料、NCEP/NCAR（1°×1°）再分析资料，应用客观诊断分析方法对2005年4月20日发生在江苏中北部大范围的强对流天气过程进行分析。结果表明：这次强对流天气发生在東北冷涡影响的背景下，东北冷涡东移南下，冷涡后部强劲西北风急流与地面冷锋前西南风气流带来的高温高湿空气形成上层干冷、下层暖湿的不稳定层结，为强对流发生提供了有利的背景条件；高低空急流的耦合是这次强对流天气爆发的触发机制；强对流天气发生在能量锋区前沿的不稳定区内；多普勒雷达分析表明，线风暴上的多单体风暴和超级单体风暴造成了江苏中部雷暴大风、冰雹、龙卷等强天气，通过雷达径向速度识别中气旋或逆风区对雷暴大风的监测和预报有很好的指示意义，多普勒天气雷达垂直积分液体含水量可作为冰雹预警预报的一个重要参考指标。

关键词 强对流；诊断分析；雷达回波特征；苏北地区；2005年4月20日

中图分类号 P458.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）24-0199-06

Diagnostic Analysis of Severe Convective Weather Process in Northern Jiangsu Area on April 20，2005

ZOU Jian-xin

（Yangzhou Meteorological Bureau in Jiangsu Province，Yangzhou Jiangsu 225009）

Abstract Using the ground routine observations，Doppler radar data and NCEP/NCAR reanalysis data（1°×1°），the severe convective weather process occurred in the middle and north part of Jiangsu Province on April 20，2005 was analyzed by diagnostic analysis method. The results showed that the strong convective weather process occurred in the background of the northeast cold vortex. The formation of the unstable stratification was caused by the superposition of high-level dry and cold air from the northeast cold vortex behind and low-level warm and humid air from low-level southwest jet streams，which provided favorable conditions for the occurrence of strong convective weather. The coupling of high and low jets was the triggering mechanism of the strong convective weather. The strong convective weather occurred in the unstable region of the front of the energy front. Doppler radar data analysis showed that the strong weather such as thunderstorms gale，hail and tornadoes in central Jiangsu Province were caused by multi-cell storms and super cell storms on the linear storms. The identification of mesoscale cyclones or adverse wind area by Doppler radar radial velocity was very useful for the monitoring and forecasting of thunderstorm gale. Doppler radar forecasting product of the Vert Integrated Liquid could be used as an important reference index for hail early warning and forecasting.

Key words severe convection；diagnostic analysis；radar echo characteristics；northern Jiangsu area；April 20，2005

强对流天气主要由雷暴、雷雨大风、冰雹、龙卷、飑线等组成，具有空间尺度小、生命期短的特点[1]。一个中尺度雷暴单体的水平尺度10 km以上，多个雷暴单体组成的雷暴群的水平尺度可达数百千米，垂直尺度大概10 km左右，每个雷暴单体的生命史一般在几小时到几十小时[2]。由于强对流天气具有突发性强、来势猛、强度大的特点，所到之处往往给工农业及人民生命财产造成较大的损失。近年来，国内外学者对强对流天气进行了深入研究，取得很多研究成果[3-6]。多普勒天气雷达的应用，为强对流天气的监测预报和分析研究提供了有力的工具[7]。例如，吴芳芳等[8]分析了7月苏北一次强对流天气过程的雷达回波特征，对阵风锋和下击暴流的雷达特征进行了研究。陈鲍发等[9]对江西2次强对流天气过程的多普勒雷达特征进行了分析，认为逆风区雷达强度特征与暴雨、雷暴大风等强天气相对应。王 俊等[10]利用双多普勒雷达反演风场信息，得到了强雹暴的三维结构特征。2005年4月20日15：00—20：00受强对流天气影响，江苏中北部出现了7～10级大风。建湖、盱眙出现龙卷风，其中盱眙观测站瞬时最大风速达25.2 m/s，创有历史记录以来的最大值。泰州、宝应、盱眙等地出现直径约1 cm的冰雹。另据江苏省气象灾情统计，这次强对流天气共造成全省7人死亡，133人受伤，房屋、树木、农作物、水产养殖等受损严重，灾害造成直接经济损失约7 000万元。本文通过对这次强对流天气的环流背景、触发机制和雷达回波特征等进行深入分析，为今后类似强对流天气过程预报积累经验。

1 大尺度环流背景和影响天气系统

1.1 高空天气形势

4月19日8：00 500 hPa高空图上，东亚大陆呈两脊一槽的经向型环流，巴尔客什湖以西和和我国东北為高压脊，贝加尔湖东南侧（113°E，52°N）有一冷涡，通过冷涡的高空槽经河套东伸至长江中游一带，江苏处于槽前西南气流中，19日江苏全省出现中等强度降水；19日8：00 500 hPa温度场可以看出，冷中心位置在河套以北（110°E，44°N），中心值达-36 ℃，等温线与等高线存在夹角，槽后冷平流强，19日20：00 500 hPa冷涡向东南方向移至东北北部，槽脊加深加强，江苏处于高空锋区前沿的暖区中；20日8：00 500 hPa冷涡东移到东北的南部，槽后高压脊继续东移向北发展，环流经向度不断加大，槽后形成一支中心值>50 m/s的西北风急流，同时700 hPa槽后也有一支30 m/s的西北风急流。850 hPa图上20日8：00>15 m/s西南风急流中心位于长江中游，14：00西南风急流加强到20 m/s，并东移到长江中下游地区，有利于暖湿空气向江苏输送，使江苏地区底层湿度增大。高空西北风急流携带强冷空气南下与底层暖湿空气在江苏地区形成上干冷下暖湿的不稳定层结（图1）。

1.2 地面影响系统

地面图上，20日8：00东北有一大低压，通过低压经内蒙古东南—北京—山西中部为一冷锋，11：00锋面东移南压到辽宁—河北南部—山西南部一线，14：00随着东北大低压东移，东段锋面南压缓慢，而西段已南压到山东半岛北部—河南北部一线，此时山东半岛北部地区出现了局地的雷阵雨天气。17：00锋面迅速南压到山东半岛东南部至淮河地区，江苏中东部地区出现一闭合低压，锋面附近出现了带状雷暴区，强对流天气得到迅速发展。在锋面南压的过程中，江苏处于锋前暖区中，气温持续上升，其中扬州观测站6：00气温为11.1 ℃，在强对流爆发前的17：00升到了26.0 ℃。地面局地增温有利于低层不稳定能量的聚集和不稳定层结的发展。地面冷锋过境时的近地层扰动，造成锋面附近气象要素场发生剧烈变化，从而使低层不稳定能量得到释放。

2 物理量场诊断分析

强对流天气的形成需要满足3个基本的条件，即水汽、大气不稳定能量和抬升力。通过这3个方面对强对流天气的形成过程进行探讨。

2.1 水汽条件

用NCEP再分析资料，对850、700 hPa逐6 h比湿场进行了分析，从850 hPa比湿场的演变（图2）来看，4月20日8：00湿中心在长江中游地区，850 hPa江苏为西西北气流，处于干区中。由图1（b）、（d）可知，20日14：00随着850 hPa西西南低空急流加强，湿中心在西西南急流的引导下，向东北方向移动到湖北的西部，中心值增大到7 g/kg，在35°N以南形成一东北—西南向的湿舌，湿舌伸到了东部沿海，江苏处于湿舌的控制中，其值在3～5 g/kg之间。20日8：00 700 hPa湿中心偏西，位置在114°E以西，中心值较小仅有3 g/kg，江苏处于干区中。14：00湿中心东移到信阳—阜阳一带，中心值增强到5 g/kg，江苏处于湿舌中，其值在3～4 g/kg之间。低空急流将水汽输送到江苏上空，使低层湿度不断增大，为强对流的发生创造了条件。由于湿中心偏西偏南，所以这次强对流天气并没有带来强降水。另外，19日受高空低槽影响，江苏全省出现了中等强度降水，20日雨过天晴，但近地层空气湿度仍然较大，也为强对流的发生提供了一定的水汽条件。

2.2 对流不稳定度

强对流天气的发生发展是不稳定能量积聚和释放的过程。通过对θse、Δθse500-850不同高度的变化特征等方面进行分析，以此来判断大气的层结稳定度。

2.2.1 θse随高度的变化特征。通过对500～1 000 hPa各层逐6 h θse场进行分析发现，20日8：00高能中心位于汉水流域中上游一带，淮河至沿江地区处于西北—东南向的低能舌中，大气层结稳定。而14：00 700～1 000 hPa上35°N以南均为西南—东北向的高能舌，淮河至沿江地区处于高能舌中，34°～35°N为明显的能量锋区，淮河至沿江地区处于能量锋区的前沿。同时在1 000 hPa上阜阳、滁县附近存在2个θse>328K的高能中心。从8：00—14：00 θse场的变化来看，短短的6 h里，由于近地层太阳辐射增温明显，加上低空急流一定的水汽输送，这种增温增湿的效应使不稳定能量得到积聚，从而使大气层结不稳定得到发展。20：00能量锋区南压到32°N以南，不稳定能量得到释放，影响江淮地区的强对流天气结束。

沿119°E θse径向剖面图（图3）较好地反映出强对流发生前、发生时、发生后的θse变化特征。20日8：00 32°N以北大气处于稳定层结中，20日14：00随着冷空后部冷空气南下，33°～38°N之间出现θse梯度加大，形成能量锋区，淮河地区处于能量锋区的前沿，31°～33°N江淮之间650 hPa以下出现不稳定层结，15：00左右强对流天气暴发。20：00能量锋区南压到32°N附近，江淮地区不稳定能量得到释放，大气层结又趋于稳定。多普勒雷达回波图显示，雷达回波已南压到32°N以南。

2.2.2 Δθse500-850场的变化特征。当Δθse500-850>0时表示大气层结稳定，而当Δθse500-850<0时表示大气层结不稳定，在Δθse500-850的负值中心处一般最容易产生雷暴、大风等强对流性天气[11]。20日8：00江淮地区上空均受西北气流控制，为下沉气流，从图4（a）中可以看到，Δθse500-850<0的区域在长江中上游一带，整个江淮地区Δθse500-850>0大气层结稳定。由图4（b）可知，20日14：00 Δθse500-850负值区域经湖北—河南南部—安徽中部向江苏西北部扩展，江淮地区处于负值区的边缘，大气层结趋于不稳定。随着地面冷锋的过境，强对流天气一触即发。从图4（c）可以看出，20日20：00 Δθse500-850的负值区域伸到了东部海上，但已南压到32°N以南，江淮地区对流不稳定度减小，大气层结趋于稳定。

2.3 抬升力条件

2.3.1 风的垂直切变。从江苏泗洪、盱眙、扬州3个观测站20日8：00、14：00 v分量（南北风分量，v>0为南风）随高度的分布图（图5）上可以看出，强对流发生前，低层垂直风向切变高度在不断抬升，扬州由8：00的900 hPa抬升到14：00的750 hPa，盱眙则由900 hPa抬升到700 hPa，泗洪由840 hPa抬升到690 hPa，说明强对流发生前低层暖平流在不断加强。同时还可以看出8：00在600 hPa附近和14：00 450 hPa风速随高度也有明显的切变。风向、风速的垂直切变能加强低层的扰动，促使对流发展和不定能量的释放。有研究表明[10]，风向、风速的垂直切变同时对雷暴云的传播方向也有很大影响，当风随高度增大时，雷暴云前部低空产生辐合，高空产生辐散，于是就有利于云的前部上升运动发展，生成新的雷暴单体，而在其后部则相反，有利用下沉运动发展，使原来的雷暴单体消散，这样以来雷暴云在不断向前传播。

2.3.2 高低空急流耦合作用。将高空300 hPa和低空850 hPa等风速线进行叠加，以此得到高低空急流的配置。从图6（a）可以看出，20日8：00高空300 hPa上有2支急流轴，一支呈西北—东南向，位于内蒙古中部—河套北部—山东西部一线，急流中心风速大于65 m/s；另一支位于江苏中部—东部海上，呈东北—西南向，其中心风速大于65 m/s。淮河至沿江地区处于西北—东南支的右前方，东北—西南支的左后方，即位于高空急流出口区的右侧和入口区的左侧的辐散区中，850 hPa上淮河至沿江地区处于偏西急流轴的出口区前方的能量汇集区中。14：00随着高空急流中心的东移，其右侧的辐散区使低空急流东移过程中得到加强（急流中心值由>15 m/s增强到>20 m/s），此时淮河以北处于高低空急流的耦合区中，高低空急流耦合产生的次级环流使垂直上升运动加速，不稳定能量被触发，强对流暴发。

2.3.3 散度分析。从200～1 000 hPa各层的散度场分析来看，强对流发生区的散度场呈辐合辐散相间分布的特征。20日8：00 500 hPa以上均为辐合区，最强的辐合中心在400 hPa，其值为-4×10-5/s，600～700 hPa为弱的辐散区，850 hPa为弱的辐合区。由于对流层中上层为较强的辐合下沉气流，低层上升运动受到抑制。14：00随着高空急流中心东移，高低空急流在强对流爆发区的北部形成耦合，见图6（b），促使对流层中下层500～700 hPa出現一致的辐散区，其中500 hPa在急流出口区的右侧由原来的辐合区中心-3×10-5/s逆转为7×10-5/s的辐散中心，600 hPa辐散区的值也得到加强。而在辐散中心的下方对应850 hPa上有一强的辐合中心-5×10-5/s，强辐散区的抽吸作用必然会引起低层的质量补偿，从而形成强的上升运动，并将低层能量快速输送到高层，大气稳定层结遭到破坏，触发了强对流爆发。

同时值得注意的是，20日14：00随着850 hPa低空西西南急流加强东移，在渤海湾至山东半岛形成一短波槽，结合14：00地面天气图上在山东半岛北部—河南北部一线有一冷锋，冷锋的位置明显落后于短波槽，该槽为前倾槽。前倾槽上风向有明显的垂直切变，有利用高层干冷空气平流和低层暖湿空气平流，并且槽前有一明显的辐合中心，有利用低层空气的垂直上升运动，从而使不稳定层结得到发展。

3 多普勒雷达回波分析

利用南京多普勒雷达探测资料，分析了这次强对流天气过程反射率因子和基本速度的演变特征及风暴空间结构，并结合地面灾害性大风、冰雹等强天气落区，检验了冰雹指数、中气旋、垂直积分液态水含量等雷达产品在强对流天气预警中的应用效果。

3.1 基本反射率的演变特征

从基本反射率因子图（图7）上可以看到，强对流回波以断续线型和后续线型相结合的型式形成。在回波东移的过程中其后部不断有新的雷暴单体生成，并逐渐弥合成带状回波。

3.1.1 初始阶段。14：17回波从安徽宿州生成图中A处，并迅速发展加强，在17：11，在其左右两端形成5个小的雷暴单体（B、C、D、E、F），组成东北西南向的对流单体群，图中A强度达60 dBZ以上，见图7（a）、（b）。

3.1.2 发展阶段。15：30 A单体风暴继续发展加强，在其后部生成强度大于60 dBZ的对流单体。原对流单体E、F合并加强，其他单体也得到了发展，6个单体排列成线型分布，强中心在泗洪的东南侧，最强中心值仍然维持在65 dBZ以上，见图7（c）。

3.1.3 发展成熟阶段。15：47 A、D单体风暴合并加强，形成一准东西向回波带，在其后方出现新的对流单体，并呈线型分布，16：05 A、C、D单体合并，强度明显增强，在母体的前沿有一大于65 dBZ的强中心，中心位于金湖与盱眙之间，16：43母体进一步向东南方向移到高邮附近，在其右后方形成2个次强度中心，一个位于盱眙东侧，另一个位于安徽境内，其值达到60 dBZ，见图7（d）、（e）。风暴经过的高邮一带出现冰雹，盱眙出现龙卷（极大风速达25.2 m/s）和冰雹天气。

3.1.4 减弱阶段。20：08，雷达回波水平尺度减小到40 km左右，中心强度也减弱到40 dBZ左右，并从长江口移出，影响江苏的强对流天气结束，见图7（f）。

通过分析多普勒雷达回波的演变特征可以看出，这次强对流天气是由线风暴所造成。单体风暴逐渐发展为多单体风暴，并呈线型排列，风暴在发展过程中合并加强为强风暴。从雷达PPI上可以看到影响江苏盱眙、金湖、高邮地区的强单体风暴中，不同仰角上反射率因子强度中心由低仰角到高仰角向东南倾斜，存在弱回波区，具有超级单体的特征。雷达回波带的发展与850 hPa辐合线有较好的对应关系，由图1（b）、（d），即850 hPa流场和等风速场可以看出，20日8：00 118°E以西，35°N附近存在一明显的辐合线，20日14：00辐合线向东南方向移到32.5°～33.0°N附近，而强对流天气正好激发于这个区域，并沿辐合线生长移动，低层辐合线上存在明显的风速辐合，强迫底层高温高湿空气辐合抬升，将不稳定能量向高空输送，有利于垂直上升运动发展，同时使大气层结不稳定增长，为强对流天气发生提供动力和热力条件。

3.2 基本速度分析

强对流天气发生时的多普勒雷达的基本速度图与过程性降水天气的基本速度图有较明显的差别，表现在0速度线较模糊。从图8（a）基本速度的演变可以看到，在雷达回波强中心附近存在中气旋结构A、C，以及逆风区B。A处是一典型的中气旋结构，在与径向平行的零速度线两侧存在一正负速度对，而C处存在速度模糊，没有明显正负速度对。对A单体做基本速度垂直剖面，从图8（f）可以看出，在垂直方向上雷暴单体内部的气流存在旋转，这有利于风暴的维持，使回波得到明显的加强，见图8（b），在中气旋和逆风区所在处的江苏盱眙、高邮等地出现了冰雹、龙卷等强天气。

3.3 雷达产品的应用分析

从这次强对流天气雷达产品的应用分析来看，图8（d）中中气旋预报产品与图8（a）A、C处基本速度所反应出的中气旋位置基本一致；垂直液态积分含水含量大值中心与强回波中心有较好的对应关系，见图8（b）、（c），在整个强对流发生过程中VIL值最大达65 kg/m2，出现冰雹时VIL值都在55 kg/m2以上，冰雹发生后VIL值又迅速减小；图8（e）中冰雹指数产品基本反映出了冰雹的发生地，但空报的现象较多，通过对整个过程的预报检验，发现预报实心大三角时，出现冰雹的可能性较大，在今后的预报服务中可作为参考。

4 结论

（1）东北冷涡后部西北风急流携带强冷空气与低层850 hPa西南低空急流的增温增湿构成了强的位势不稳定层结，为强对流天气的发生提供了有利的环境条件。

（2）高低空急流的偶合是此次强对流爆发的触发机制，高空急流轴南移与850 hPa低空急流重叠，使中高空辐散增强，在抽吸作用下，低层辐合加強，利于垂直上升运动，使低层大气不稳定能量释放。

（3）高空冷空气平流与低空暖湿空气平流使风的垂直切变增强，加强了对流不稳定层结，垂直方向上θse梯度增大，强对流发生在θse能量锋区的前沿的不稳定区内。

（4）基本反射率图上反映出一近东西向的回波带，其生成、发展和移动与低层850 hPa辐合线有较好的对应关系。

（5）雷达回波分析表明，单体风暴在发展过程中合并加强为超级单体风暴，所具有的强中气旋结构，对应地面强天气区；多普勒天气雷达输出的中气旋产品与实际观测到的中气旋位置较吻合，对预报灾害性大风有很好的指示意义，垂直积分液态水含量中心值超过55 kg/m2时出现冰雹的概率较大。

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