郑州地区一次冷锋后高架雷暴天气过程特征及成因分析

郑州地区一次冷锋后高架雷暴天气过程特征及成因分析
崔慧慧
【摘要】利用常规气象观测资料和美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)逐6 h再分析资料对2015年早春郑州地区一
次高架雷暴天气过程的特征进行分析,探讨此次雷暴天气过程的成因.结果表明:地面冷垫、850 hPa和700 hPa强盛的暖湿急流及500 hPa高空槽为此次郑州地区高架雷暴天气过程的产生提供了有利的动力、热力和水汽条件,850—700 hPa之间
的强垂直风切变和700—500 hPa之间较大的温差均表明逆温层以上对流不稳定
度增大,有利于高架雷暴天气的产生.低空强比湿平流和负水汽通量散度为高架雷暴天气提供了丰富的水汽条件.高架雷暴天气过程发生前,700 hPa与500 hPa的θse 差值Δθse大于0℃,表明700 hPa以上大气为对流不稳定,低层湿位涡的第一分量(MPV1)为负值又表明大气为湿对称不稳定,强雷暴落在对流不稳定区和MPV1负
值区,因而此次高架雷暴天气过程是由对流不稳定和湿对称不稳定共同作用产生的.地面冷垫以上的暖湿气团逐步加强,进一步加剧了逆温层以上大气的层结不稳定度.通过与历史个例对比分析可知,郑州地区两次高架雷暴天气过程共同之处为:500 hPa高空槽前辐散气流的抽吸作用、低空切变线和低空急流左侧的辐合上升运动、地面冷垫的抬升作用均为高架雷暴天气预报的着眼点.%Based on conventional meteorological observation and the NCEP ( National Centers for Environmental Prediction) 6 hourly 1° × 1° reana lysis data,the characteristics and causes of an elevated thunderstorm weather process happening in Zhengzhou area in early spring of 2015 were analyzed. The results showed that the ground cold pad,850 hPa and 700 hPa strong warm jet and trough at 500 hPa provide favorable dynamic, thermal and
moisture conditions for the occurrence of an elevated thunderstorm. A large vertical wind shear between 700 hPa and 850 hPa and the large temperature difference between 700 hPa and 500 hPa show that there is a strong convec-tive instability above the inversion layer,which is helpful for the occurrence of this elevated thunderstorm. A nega-tive moisture vapor flux divergence and strong humidity advection at the low level provide an abundant water va-por for the elevated thunderstorm. Before the occurrence of thunderstorm,Δθse between 700 hPa and 500 hPa is a-bove 0 ℃,and the atmosphere above 700 hPa is in a convective instability condition. The negative MPV1 ( Moist Potential Vorticity) at the low level indicates that there is a moist symmetric instability condition in this layer,and the strong thunderstorm falls just in the convective instability zone and the negative area of MPV1 . All these results indicate that this elevated thunderstorm is the result of joint interaction between convective instability and moist symmetrical instability. The warm air mass on the ground cold pad is gradually strengthened. It further exacerbates the atmospheric stratification stability above the inversion layer. By comparing with historical cases,it is found that the two elevated thunderstorm weather processes over Zhengzhou have some common features. The pumping action in front of 500 hPa troughs,low-level shear line,the convergence ascending motion at the left side of the low-level jet and the uplift of the ground cold pad should be the focus to forecast the elevated thunderstorms.
【期刊名称】《气象与环境学报》
【年(卷),期】2017(033)006
【总页数】8页(P34-41)
【关键词】高架雷暴;冷垫;低空急流;对流不稳定;湿对称不稳定
【作者】崔慧慧
【作者单位】郑州市气象台,河南郑州450005
【正文语种】中文
【中图分类】P446
雷暴泛指伴有雷击和闪电的深厚湿对流，通常伴有大风、短时强降水或冰雹天气，雷暴引发的强对流天气具有较强的突发性和破坏性，常给国民经济造成巨大的损失，甚至造成人员伤亡[1-2]。

深厚湿对流具有空间尺度小、生命史短、突发性强及形
成原因复杂的特点，因而其预报难度也较大[3]。

Doswell[4]研究表明深厚湿对流
的发生需要不稳定层结、水汽和抬升触发3个条件，夏半年对流性天气易于满足3个基本条件。

一般而言，雷暴天气是由于地面附近的暖湿空气受到边界层辐合抬升使不稳定能量释放形成的，但并非所有的雷暴天气均是由地面附近的上升气块触发的，还有一种雷暴天气是在大气边界层以上被触发的，称为高架雷暴，它与经典雷暴存在本质的不同。

1952年Means[5]研究发现高架雷暴天气与经典雷暴天气不同，高架雷暴天气的暖层位于850 hPa以上而非近地面。

Wilson和Roberts[6]
研究指出高架雷暴天气多由900—600 hPa之间的中尺度切变线或辐合线触发。

20世纪90年代，Colman[7-8]明确提出了高架雷暴的概念，表明高架雷暴天气
可以造成冰雹、雷暴大风、短时强降水甚至龙卷等强对流天气。

Grant[9]通过对
11个高架雷暴天气个例进行统计研究指出，逆温层以上的对流不稳定是造成高架
雷暴天气的成因。

近年来国内关于高架雷暴天气的研究较多，俞小鼎等[10]研究指出中国的高架雷暴天气多发于早春和深秋，低空存在较强的逆温层，雷暴出现在冷锋后部，灾害性天气以冰雹为主，有时也可能只伴有短时降水或大风；盛杰等[11]对中国春季冷锋后的高架雷暴天气特征进行了深入分析，总结了高架雷暴天气发生的条件及预报着眼点。

张一平等[12]对2012年早春河南地区一次高架雷暴天气过程进行了分析，指出高架雷暴出现在冷锋后，地面为冷高压，根据传统雷暴的触发机制，低温不利于雷暴天气出现，而实际在边界层以上触发了雷暴。

高架雷暴天气是中国春季最常见、影响最大的一种雷暴，常发生在冷锋过后，地面温度较低，其预报难度比地面雷暴大，因此，近年来越来越多的学者开始关注高架雷暴的天气学背景、多尺度特征及预报着眼点等。

2015年4月1日夜间郑州地区出现了一次雷暴天气过程，4月1日郑州地区处于强冷锋后的高压带中，地面最高气温仅为7.0 ℃，较前一日最高气温下降了
14.0 ℃，而高架雷暴天气出现在这种不利于不稳定能量积蓄的天气形势下，此类
雷暴天气的预报和预警难度较大，因此对郑州地区高架雷暴天气特征和成因进行深入研究十分必要。

2015年4月1日傍晚至夜间郑州地区出现一次大范围暴雨及强雷暴天气过程，过程伴有持续性7—8级偏北大风。

4月1日以前，郑州日最高气温连续5 d超过20.0 ℃(最高值为26.6 ℃)；3月31日傍晚前后受华北强冷空气扩散南下的影响，郑州地区出现了剧烈降温及大风天气。

结合郑州市圃田气象站逐小时降水的变化趋势(图1)及冷锋的移动路径(图2a)可知，冷锋在3月31日傍晚前后由郑州地区过境，在此之前，锋前暖区中已有降水产生。

冷锋过境后，降水强度增大且降水持续，最强的降水集中出现在4月1日16—23时，最大小时雨强达14.2 mm·h-1。

强
降水集中时段伴随电闪雷鸣，闪电定位仪监测数据显示，4月1日19—21时郑州地区地闪总数达21 887次，其中负闪为21 835次，正闪为52次。

由此次雷暴
天气过程郑州地区的总降水量可知(图2b)：降水量呈东部地区多、西部地区少的
空间分布特征，东部部分地区降水量达到暴雨、大暴雨量级，而西部地区降水量普遍为小到中雨量级。

Moore等[13]系统总结了美国高架雷暴天气的环流背景，指出低空急流出口区附
近的锋生作用和高低空急流的耦合作用对高架雷暴天气的触发及维持具有重要的作用；许爱华等[14]分析了早春一次冷锋后连续降雹的雷暴天气环境场特征及其成因，指出地面冷锋后、500 hPa低槽、低空切变线和低空急流相互配合的地区易发生
高架雷暴及冰雹天气。

由郑州地区此次高架雷暴天气过程的影响系统可知，2015年4月1日08时郑州
地区处于500 hPa高空槽前、700 hPa和850 hPa切变线之间(图3a)，700 hPa 和850 hPa低空急流最大风速分别超过20.0 m·s-1、12.0 m·s-1，地面冷锋已抵
达长江以南地区，郑州地区处于冷锋后部的高压带中。

1日20时500 hPa高空槽和700 hPa低涡切变线东移(图3b)，850 hPa低涡位置变化较小，低空形成了前倾的形势，加大了低空的对流不稳定度；700 hPa和850 hPa低空急流最大风速
分别超过20.0 m·s-1、16.0 m·s-1，较08时明显加强；受地形影响，地面冷锋在12 h内移动不明显。

随着高空槽、低涡切变线及低空急流的东移，郑州地区的动
力条件、暖湿条件及不稳定条件转好，有利于强降水及雷暴天气的产生。

值得注意的是，雷暴天气发生时低层切变线距郑州地区较远，主要的影响系统为500 hPa
高空槽、低空急流及锋后冷高压。

传统雷暴产生的3个要素为水汽、不稳定能量及抬升触发条件。

而此次郑州地区
雷暴天气出现在冷锋过后、地面气温低且持续性东北大风的背景下，不具备较高的不稳定能量，是一种在逆温层以上被触发的雷暴，因而它的产生机制与传统雷暴存
在差异。

2.1.1 T-lnP图及对流参数
图4和表1为此次郑州地区高架雷暴天气过程发生前和发生时郑州站的探空资料
及对流参数，由图可知，2015年4月1日08时低层925 hPa以下为冷垫(冷垫
厚度约为0.8 km)，925—830 hPa之间为锋面逆温，逆温强度达10.0 ℃，表明925—830 hPa之间有暖气团在地面冷垫以上；925 hPa以上风随高度顺转，有
暖平流，也说明在地面冷垫以上有暖气团；地面冷垫使暖湿气流沿其爬升，进而在合适的条件下触发雷暴；另外，逆温层以上830—550 hPa之间大气为暖湿的，
而550 hPa以上大气为干冷的，构成了“上干冷，下暖湿”的不稳定层结配置，
有利于雷暴天气的产生。

1日20时，925—830 hPa之间的锋面逆温仍维持且逆
温强度增大至13.0 ℃，主要是由于近地面大气非绝热冷却降温而850 hPa以上的偏南暖湿气流加强共同导致的。

由2015年4月1日08和20时郑州站的K指数(K Index)、沙氏指数(Showalter Index，SI)及对流有效位能(Convective Available Potential Energy，CAPE)可知，此时的热力和能量条件不易产生雷暴，而在此种天气背景下，郑州地区出现了大范围的强雷暴天气，因而需要分析对此次高架雷暴天气具有指示意义的对流参数。

4月1日08—20时，由于700 hPa西南暖湿气流逐渐加强，850—700 hPa之
间的垂直风切变由20.2 m·s-1增至21.8 m·s-1，而较强的垂直风切变有利于雷暴的组织和维持；4月1日08时和20时700 hPa与500 hPa之间的温差分别为16.0 ℃、13.0 ℃，表明700 hPa与500 hPa之间的大气层结为不稳定的；因此，逆温层以上850—700 hPa之间的强垂直风切变、700 hPa与500 hPa之间较大的温度直减率是有利于此次高架雷暴天气产生的对流参数。

综上所述，高架雷暴与传统雷暴的产生机制不同：高架雷暴是由低空暖湿气流被地面冷垫强烈抬升所致，而传统雷暴是在地面被触发，两种雷暴天气指示预报的对流参数也不同。

2.1.2 水汽条件及动力抬升机制
图5为2015年4月1日20时低空风场和比湿场的分布，由图可知，雷暴天气发生时郑州地区850 hPa为东南风，比湿为7 g·kg-1左右且有风速风向的辐合，东南风将南方的暖湿空气输送至郑州地区并汇聚；700 hPa低空急流强盛，西南急流最大风速达24.0 m·s-1，郑州地区的比湿大于8 g·kg-1且存在正的比湿平流，强盛的低空急流一方面为高架雷暴天气的产生提供了丰富的水汽，另一方面有利于地面冷垫以上对流不稳定的增长。

由水汽通量散度(图6a)和相对湿度(图6b)的分布可见，雷暴天气发生时郑州地区850 hPa与700 hPa的相对湿度为98%以上且有水汽的辐合中心。

图6c为郑州站相对湿度和垂直速度的时空演变，由图可见，4月1日08—20时郑州地区强上升运动出现在逆温层以上，逆温层以下为下沉运动或弱上升运动，表明暖湿空气是在逆温层以上被强烈抬升的，符合暖气团被迫抬升、冷气团主动下沉的大气动力学原理。

相对湿度的时空演变表明，雷暴天气发生前低层的相对湿度逐渐转好，而600 hPa以上的湿度条件较差，上层的干冷空气和中低层的暖湿气团构成了“上干冷、下暖湿”的温湿层结配置，与前面的分析结论一致。

总体而言，低空急流为雷暴天气提供了水汽、动力及不稳定条件，近地面的冷垫对暖湿气流具有抬升作用。

2.1.3 不稳定条件
此次高架雷暴天气发生在低层冷平流和中高层暖平流的层结环境中，因此其不稳定能量来源于逆温层以上，以下从对流不稳定和湿对称不稳定两个方面讨论不稳定条
件。

2.1.
3.1 对流不稳定
由2015年4月1日08—20时700 hPa与500 hPa假相当位温θse的差值
Δθse分布可知(图7)，08时郑州地区Δθse大于6.0 ℃，700 hPa与500 hPa之间存在对流不稳定；高架雷暴天气发生前，14时Δθs e为2.0 ℃左右，对流不稳定有所减弱；20时郑州西部地区Δθse转为负值，为对流稳定，东部地区Δθse 为正值，为弱对流不稳定，表明对流不稳定能量随着雷暴天气的产生自西向东逐渐释放。

20时郑州西部地区有Δθse锋区(即Δθse密集带)，由实况可知，最强的雷暴及降水发生在Δθse锋区东南部的弱对流不稳定区域内。

2.1.
3.2 湿对称不稳定
对称不稳定是指在垂直方向上为对流稳定和在水平方向上为惯性稳定的环境中，空气斜升运动时出现的一种不稳定。

对称不稳定又可以分为干对称不稳定、条件性对称不稳定和位势对称不稳定，其中条件性对称不稳定和位势对称不稳定统称为湿对称不稳定，此次郑州地区高架雷暴天气发生的时空尺度和环境场特征符合湿对称不稳定的天气学条件。

P坐标系中湿位涡的表达式为：
MPV=-g(ζh+f)+g( - )
式(1)中，MPV为湿位涡；g为重力加速度；ζh为P坐标系下的相对涡度；f为地转涡度；θe为位温;u、v分别为x、y方向的水平风分量；x、y为水平面上的x轴和y轴；P为气压。

式(1)中MPV又可以分为两项：
MPV1=-g(ζh+f)
MPV2=g( - )
式(2)—式(3)中，MPV1为湿位涡的第一分量，即垂直分量，其大小取决于空气块绝对涡度的垂直分量与相当位温垂直梯度的乘积；MPV2为湿位涡的第二分量，
为等压面上的水平分量，其大小由风的垂直切变与相当位温的水平梯度决定。

一般MPV2小于MPV1，因此MPV主要取决于MPV1，MPV>0时，大气为对称稳定，反之，大气为对称不稳定。

大气处于近似饱和状态时，对称不稳定的存在条件为湿位涡<0。

此次高架雷暴天气中，925 hPa郑州地区MPV为正值(图略)，即925 hPa高度的大气为对称稳定；500 hPa的MPV数值较小且偏向正值，趋向为弱对称稳定；低层850 hPa和700 hPa郑州地区为弱对称不稳定(图8)：2015年4月1日08时850 hPa郑州西部地区MPV1为负值，中心值为-0.6 PVU(1 PVU=10-6 m2·s-1·K·kg-1,下同)，20时MPV1中心值减小至-0.8 PVU，表明雷暴天气发生前郑州西北部地区湿对称不稳定已建立并逐步增强；700 hPa的MPV1负值中心
也位于郑州西北部地区，MPV1中心值由08时的-0.2 PVU减小至20时的-0.6 PVU，湿对称不稳定也加强。

综合可见，低空的湿对称不稳定对此次雷暴天气过
程的触发具有一定作用。

为了进一步说明此次郑州地区高架雷暴天气的大气垂直结构和动力特征，图9为2015年4月1日08时至2日02时沿113.6°E假相当位温和经向风的垂直剖面。

定义锋面的下界为295 K，上界为310 K[15]。

由图9可知，θse锋区特征线下界以下为来自中高纬度地区的冷气团，特征线上界以上为来自热带洋面的暖气团，特征线上下界之间为锋区，锋区向北倾斜；郑州地区900 hPa以下受冷气团控制，
θse小于300 K，偏北气流较强，800 hPa以上θse超过335 K，表明近地面层
大气层结相对稳定；800—500 hPa之间θse随高度减小，说明800—500 hPa
大气为对流不稳定。

由经向风的垂直分布可知，雷暴天气发生前，地面冷垫以上偏南暖湿气流的范围、伸展高度和南风风速均逐渐加强。

4月1日20时前后，低空偏南急流达到最强，大范围雷暴天气形成；2日02时，低空暖湿气流明显减弱，
雷暴天气及降水结束。

综上所述，近地面较厚的冷垫使暖湿气流沿其爬升至较高的
高度，冷垫以上暖湿气流的发展加强，加剧了逆温层以上的对流不稳定，从而导致高架雷暴天气产生。

为了更深入地了解高架雷暴天气的成因及特征，选取2012年3月21日郑州地区一次高架雷暴天气个例与2015年早春高架雷暴天气进行对比。

实况表明，2012
年3月21日的高架雷暴天气伴随冰雹及短时强降水过程，2015年高架雷暴天气
仅伴随短时强降水过程。

表2为两次高架雷暴天气过程的影响系统及物理量指标，由表可见，两次雷暴天气过程的相似之处为：500 hPa均有高空槽过境，700 hPa 和850 hPa均有低空急流，郑州地区位于低空急流出口区左侧，具有较大的切变
涡度、曲率涡度和良好的暖湿条件。

不同之处为：2012年高架雷暴天气过程850—700 hPa之间的垂直风切变达25.1 m·s-1，700—500 hPa之间的温差达17.0 ℃，逆温层以上的对流不稳定度更大，加上0.0 ℃层和-20.0 ℃层的高度较低，降水粒子来不及融化便降至地面，从而形成冰雹。

2015年高架雷暴天气过程未伴随冰雹天气，一方面是由于低空切变线距郑州地区较远，天气尺度的辐合抬升作用较弱；另一方面，尽管850—700 hPa之间的垂直风切变较强，但700—500 hPa之间的温差较小，不稳定层结较弱；另外，0.0 ℃层和-20.0 ℃层的高度较高，不利于冰雹的形成。

由两次高架雷暴天气过程的对比可知，郑州地区高架雷暴天气易发生在冷季，地面为冷垫，低空强暖湿气团被冷垫强烈抬升，逆温层以上存在强垂直风切变和不稳定层结，500 hPa高空槽前辐散、低空切变线和低空急流左侧
的辐合上升运动为高架雷暴天气的产生提供了动力条件。

(1)500 hPa高空冷槽过境增强了大气的斜压性，850 hPa与700 hPa西南急流的建立和显著增强为高架雷暴天气提供了有利的环流背景和不稳定条件；高架雷暴天气发生时，近地面层为冷垫，大气层结稳定，在其上部强盛的暖湿气流中，700—
850 hPa之间垂直风切变和700—500 hPa之间温差均较大，对流不稳定度较强，有利于逆温层以上雷暴的触发，850 hPa与700 hPa的强比湿平流和负水汽通量
散度为高架雷暴天气提供了丰富的水汽条件。

(2)高架雷暴天气发生前，700 hPa与500 hPa的假相当位温θse差值Δθse大于0.0 ℃，表明中低空大气为对流不稳定，强雷暴落在Δθse锋区东南部的对流不稳定区域内；中低层湿位涡负值区的大气为湿对称不稳定，雷暴落区和MPV1负值
区对应，此次高架雷暴天气过程是由对流不稳定和湿对称不稳定共同作用产生的；由经向风和θse的垂直剖面可知，随着地面冷锋的逐渐南压，地面冷垫以上的暖
湿气团势力逐渐加强，进一步加剧了逆温层以上大气的层结不稳定。

(3)郑州地区两次高架雷暴天气过程对比表明，在气温回升快，而冷空气也十分活
跃的早春，一旦有冷锋南下，配合有利的高、低空天气形势(高空槽、低空急流等)，极易在地面冷垫以上触发高架雷暴，应特别注意此类天气的预报、预警。

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