強對流風暴

強對流風暴主要產生雷雨大風、冰雹和短時強降水等強對流天氣，是主要災害性天氣之一，其來勢猛、強度強、生命史短、危害大，每年發生頻繁，給人民民眾和工農業生產帶來很大危害。

基本介紹

• 中文名：強對流風暴
• 外文名：Severe storm
• 描述：雷雨大風、冰雹等強對流天氣
• 套用：天氣預報
• 學科：氣象學

概念

強對流風暴常常表現出中尺度天氣的特徵，常見的有颮線，它是由多單體風暴組成以及由超級單體風暴形成的龍捲和冰雹等。

強對流風暴新一代雷達產品特徵分析

雷雨大風伴隨著短時強降水和局地冰雹等強對流天氣曾給人民民眾的生命和財產造成很大損失，在全國造成很大影響；2004年6月22日晚8時的雷雨大風強對流天氣造成黃河小浪底庫區特大翻船事件，造成43人死亡。新一代天氣雷達的投入業務套用，為做好強對流天氣監測和預警服務提供可靠的現代化探測工具。依靠新一代天氣雷達等現代化探測手段，可以準確監測和預警強對流風暴，及時為公眾服務，減少損失。

新一代天氣雷達不但可以提供降水粒子對電磁波的基本反射率場，都卜勒速度和譜寬場，而且它還具有豐富的產品，如基本反射率、組合反射率、回波定高度、垂直液態積分含水量、中氣旋等。不同性質強對流天氣，對應不同的雷達產品特徵，它們在強對流天氣監測預警中起到了很好的指示作用。隨著全國新一代天氣雷達網的建設，新一代天氣雷達在災害性天氣監測和預警方面發揮了重要的作用，國內在新一代天氣雷達產品分析套用方面做了很多的探討和分析，張沛源對新一代天氣雷達在臨近預報和災害性天氣警報中的套用作了詳細的總結和論述，對2004年7月12日上海颮線天氣過程分析發現，處在上乾冷、下暖濕的不穩定大氣層結中，對流層上層乾冷空氣的侵入和邊界層暖濕氣流強烈輻合是颮線天氣的觸發機制。颮線以斷續線型與後續線型相結合的回波型式形成，在對流單體的右側不斷新生單體，最終連線成弓狀回波帶，產生雷雨大風等強對流天氣；利用新一代天氣雷達產品建立了河北省冰雹、大風、強降水識別指標；對2005年北京兩次城區強冰雹天氣進行雷達回波分析發現，兩次冰雹過程分別是有中-γ和中-β對流系統引起。對弱冰雹雲結構特徵進行分析明表明，雖然弱冰雹雲回波強度弱無典型雹雲特徵，但速度特徵明顯，具有明顯的中尺度輻合輻散特徵等等。這些總結和研究為雷達產品在強對流風暴監測和預警服務中的套用提供了寶貴的經驗。但對每個省的強對流風暴，因其氣候特徵、地形特徵不同，所以表現特徵也有一定差異，所以作好本地新一代天氣雷達產品的分析套用很重要也很必要。

颮線是一條活躍的雷暴線或窄帶，是線狀的中尺度對流系統，其水平尺度在150～300km，時間尺度在4～18小時，是一種破壞性最強和最大的中尺度天氣系統，沿著颮線可以出現雷暴、大風、冰雹和龍捲等劇烈天氣現象。河南省2006年6月25日發生在河南北部、西部和中部的以雷雨大風為主，局部伴隨短時強降水冰雹的強對流風暴過程很具代表性，北部的強對流風暴和西部中部的強對流風暴發生在兩對流雲團內，受中尺度對流回波帶颮線影響。為了了解河南省強對流風暴與強對流天氣之間的關係，利用濮陽和三門峽新一代雷達產品，結合衛星、探空、天氣等資料對其進行分析，意在總結強對流風暴在新一代雷達產品上的監測預警特徵，為充分發揮新一代天氣雷達監測預警中小尺度強對流天氣的優越性和監測預警河南強對流風暴提供依據。

過程概況和特點

受華北低渦擴散南下冷空氣和下滑槽的影響，2006年6月25日下午到晚上，河南省安陽、鶴壁、濮陽、新鄉、三門峽、洛陽、濟源、鄭州、許昌等地區出現了2006年首次全省大範圍的雷雨大風、局部伴冰雹和短時強降水等強對流天氣。本次強對流天氣過程發生在兩個時段和兩個區域：

(1)17—19時，河南北部安陽地區出現了20.0～28.1m·s^-1的大風，局部鄉鎮伴隨10～20mm短時強降水；鶴壁、新鄉、濮陽三地區出現14.4～18.6m·s^-1大風，局部鄉鎮伴隨30～60mm的短時強降水。

(2)19—23時，河南西部中部的三門峽、洛陽、焦作、鄭州、許昌等地，出現了17.1～32.9m·s^-1的大風，局部伴冰雹和10mm左右的短時強降水等強對流天氣。

此次強對流天氣過程很具特點，北部和西部、中部的強對流天氣出現時間、強天氣性質和強度都是有差異的，相同的都是以雷雨大風為主，發生在西北氣流中，不同的是各自伴隨的強天氣有所區別，西部強對流伴有冰雹，最大瞬時風速32.9m·s^-1，比北部最大瞬時風速28.1m·s-1大得多，但北部的局部最大1小時鄉鎮雨量(衛輝西部與新鄉北部交界的鄉鎮王墳18—19時1小時降水達69.3mm)卻比西部、中部大(1小時鄉鎮雨量在10～34mm，最大在20—21時焦作西部的一個鄉鎮1小時雨量34.6mm)。為此，利用高時空分布的新一代天氣雷達產品分析二者存在的共性與異性特徵，為今後做好短時強降水伴雷雨大風和雷雨大風伴局地冰雹的強對流天氣監測預警提供幫助。

大尺度環流背景

25日08時，500hPa在42～44°N有橫槽，此槽深厚，抬高到200hPa仍存在，山西到河南省黃河以北地區有明顯冷平流，河南省處於一致NW氣流里；700hPa上橫槽存在，河套底部陝西境內有下滑槽東南移；850hPa北部山西河北境內有NE風與SE風切變線，地面有冷鋒配合。地面流場上，中尺度輻合線明顯，溫度梯度密集帶隨中尺度輻合線南壓，20時位於河南省民權、許呂到盧氏一線。

分析25日08時24小時變溫知道：高層(500hPa)降溫明顯，一3℃中心在鄭州，低層(850hPa)增溫明顯，+6℃中心在南陽，說明大氣層結是上冷下暖的不穩定層結。

不穩定能量分析

分析鄭州25日08、20時探空可知：鄭州的K指數、SI、θ_{se(500一850)}分別由25日08時的19℃、-0.8℃、-9.0℃，到20時分別迅速增加到31℃、-8.5℃、-18.5℃。說明在25日08時大氣層結已處於對流不穩定狀態，20時比08時更加不穩定，隨著強對流天氣的爆發(鄭州地區21:30—23:00齣現了雷雨大風和短時強降水的對流天氣)，26日08時又分別下降到28℃、-0.5℃、-5.0℃，說明不穩定能量得到了釋放。

衛星雲圖分析

分析2006年6月25日15—23時衛星雲圖發現，15時在冷鋒雲帶尾部前的不穩定區內河北南部與河南北部有對流雲團A發展，三門峽西部的山西陝西交界有對流雲團B生成發展；16時A已逼近河南西北部，B在山西與陝西交界處發展；17時有一小對流雲團在A前側生成影響安陽地區，隨後向東南移與A合併影響河南北部地區，出現了雷雨大風、伴隨局地強降水的強對流天氣，19時移出河南到山東境內。西部對流雲團B在17—18時發展並緩慢東南壓，19時逼近河南西部濟源、三門峽、焦作等地區；20時影響三門峽、洛陽、濟源等地區，後繼續東移先後影響鄭州、開封、許昌等地區，出現雷雨大風局部伴冰雹和短時強降水等強對流天氣，23時減弱結束。由於對流雲團B明顯比A強，所以產生的對流天氣也比較強。可見，在實際業務值班中，要特別注意冷鋒雲帶尾部前側的對流雲團生成和發展，強的對流天氣常在此發生髮展。

研究結論

（1）此次強對流風暴的影響系統是高空深厚的橫槽，地面是冷鋒和中尺度輻合線，大氣層結為上乾下暖的不穩定層結，強對流風暴發生在冷鋒雲帶尾部前側的不穩定區內，是受冷鋒尾部擴散下的冷空氣和河套底部下滑槽東移所致。

（2）不同性質的強對流天氣，新一代雷達產品表現出不同特徵，為監測預警強對流天氣預警提供了重要參考依據。

（3）颮線回波帶上，在單體發展旺盛時有雷暴出流邊界、前側人流槽口等典型特徵，對應的速度場上有中氣旋、弧線窄帶速度線、中尺度輻合線、輻合系統、逆風區等中尺度系統存在，雷暴出流邊界與速度圖上的弧線窄帶速度線對應，隨著雷暴出流邊界遠離強對流風暴主體，該弧線窄帶速度線也遠離大片的速度區，並逐漸消失。

（4）在強對流風暴發展旺盛時期，均有中氣旋對應，中氣旋在對流回波前側或前側人流槽口處，早於大風出現，大風在強回波的後側，這是一個比較有使用價值的監測預警指標。

（5）雷雨大風為主的強對流天氣，其回波頂高發展比以短時強降水為主的強對流天要高，前者在強天氣發生後迅速降低且有中氣旋對應，後者維持時間較長(與短時強降水發生時間比雷雨大風長有關)，且有逆風區對應，但兩者都可以對應輻合區或輻合線。

一次強對流風暴的新一代天氣雷達特徵分析

新一代天氣雷達是全國布網建設的天氣雷達，該雷達具有大發射功率、大動態範圍、高靈敏度、都卜勒測速功能和強地物對消能力，它不但提供準確可靠的數據產品，而且為預報人員提供豐富的具有明確預報意義的導出產品。隨著越來越多的地區裝備了新一代天氣雷達，全國在整體上對強對流天氣的監測和預警能力大大加強。雷達在強對流天氣探測和預警方面的套用愈來愈受到重視並取得了諸多研究成果。對發生在皖北地區的一次典型的超級單體風暴過程進行了詳細的分析，揭示了超級單體的有界弱回波區、“V”字型缺口等結構特徵；對發生在山東東阿附近一次冰雹風暴發生、發展各階段的反射率、平均徑向速度等產品的演變過程以及風暴的中氣旋特徵進行了分析；對在中國首次探測到了三體散射(TBSS)和龍捲式渦旋特徵(TVS)的雷達回波特徵進行了分析；詳細分析一次夏季颮線的環流背景、回波發展演變過程和都卜勒特徵。

2005年5月30日下午，一強對流風暴在甘肅張掖以東以南各地，其中甘南、慶陽、定西、武威、平涼、臨夏等市州的13個站出現了冰雹，這次冰雹天氣範圍之廣，強度之大實屬罕見。在13:30—18:30期間，定西市安定區所轄葛家岔、青嵐、魯家溝、石泉、李家堡、寧遠、石峽灣、白碌等9個鄉鎮先後遭受罕見的特大冰雹災害。這次冰雹天氣強度大，密度高，持續時間長，造成9個鄉鎮45個村197個村民小組部分民眾農作物及家庭財產損失嚴重。電力線路多處被打斷，1名民眾遭冰雹打斷的低壓電線觸電身亡，受災區80%的民眾房屋瓦片全被打破，屋面頂部全部被破壞。

蘭州新一代天氣雷達架設在蘭州南面的皋蘭山頂(36°0’36”N，103°51’6”E)，雷達型號為CINRAD/CC，天線海拔高度2189.6m。該雷達觀測到了這次冰雹強對流天氣過程的發展演變過程及超級單體特徵。研究對觀測到的雷達產品進行詳細分析，試圖找出這些產品在冰雹預報中的套用規律以及黃土高原上冰雹風暴、超級單體的結構特徵。利用CINRAD/CC觀測到超級單體風暴也較少見。

環流形勢背景和不穩定條件分析

（1）環流形勢背景

5月30日08～11時地面圖上，甘肅河西走廊的民樂、山丹、民勤、永昌之間有一切變線，且沿東南方向移動；08時500hPa天氣圖上，蒙古中部為一低渦，甘肅蘭州以西處於蒙古低渦的底部、新疆脊前西北氣流中，定西至甘肅隴南有一條NE—SW向的切變線，青藏高原上有短波槽發展東移。這是一次較典型的不同平流型降雹形勢，這種形勢西北地區東部多強對流天氣，回波常呈帶狀(颮線)或中尺度對流雲團，多出現災害性大雹且中心雨量較大。

（2）衛星雲圖特徵分析

颮線是一種帶(線)狀的中尺度對流系統，是非鋒面的或狹窄的活躍雷暴帶。它是一種深厚的對流系統，其水平尺度通常為幾百km，典型生命期約6～12h，遠大於雷暴單體的生命期。它包括雷暴以及非對流(層狀)的降水區。鑲嵌在颮線中的強雷暴常常引起局地地面風向突變，風速驟增，氣壓躍升，溫度劇降，並伴有雷暴天氣，有時還出現冰雹、龍捲等災害天氣。

圖1 5月30日15～20時西北地區東部紅外雲圖演變圖

圖1是30日15時至22時的紅外雲圖，可以很清楚地看到引起這次強對流天氣的中尺度天氣系統是颮線，自蒙古中部經河套地區至甘肅中部，有數個雷暴單體側向排列成有組織的東北一西南走向的線狀回波帶，持續時間約9h，西北地區東部大範圍的強對流天氣是該颮線的一部分。

（3）不穩定條件分析

5月30日08時溫度平流場顯示，甘肅省河東地區低層(3km以下)為暖平流，增溫、增濕，高層(3～10km)為深厚的冷平流，降溫、降濕。說明08時層結已不穩定，為強雷暴的發生提供了有利條件。

圖2 榆中站、平涼站熱力穩定度分析

T—InP圖是一種預報強對流天氣的重要工具，雷達此次觀測到的區域在榆中、平涼、隴南3個探空站所圍的區域內。圖2為甘肅榆中和平涼2個探空站的層結曲線圖，給出了30日08時2個站的探空曲線和自地面絕熱上升的氣塊的狀態曲線。溫度層結曲線和狀態曲線在低層的交點處為自由對流高度，在高層的交點為平衡高度，位於自由對流高度和平衡高度之間的紅色區域面積大小代表對流有效位能CAPE的數值。2個站都有紅色區域面積，但面積較小；隴南站CAPE數值為零。08時單探空站的CAPE值難以判斷下午發生強對流天氣的強度，主要原因在於探空站的時空解析度太低，其空問間距約為200km，時問間隔為12h，而大氣對流穩定度的時空變化很大，尤其是對大氣對流穩定度有很大影響的水汽的時空變率也很大。在大氣邊界層內滾軸狀對流的上升和下沉區，雖然相隔只有20～30km，但由於其濕度相差較大，相應的CAPE值可以相差很遠。因此08時CAPE值判斷強對流天氣是不夠的。

分析圖2探空圖上風的垂直變化，榆中站自地面向上到700hPa，西風逆轉為西南風，風速變化不大。700hPa向上至400hPa，風向順轉為西北風，風速增大，400hPa以上風向逆轉為西風，風速繼續增溫度/℃(a)大。平涼站風速隨高度持續增長，自地面向上至400hPa，風向從東北風順轉為西北風，400hPa以上逆轉為西西南風。2個探空站風場的配置說明大氣在400hPa以下有暖平流，在400hPa至對流層有較強冷平流，有利於對流的進一步發展。統計分析表明，環境水平風向風速垂直切變的大小往往和形成風暴的強弱密切相關。在給定濕度、不穩定性及抬升的深厚對流中，垂直風切變對對流性風暴影響最大，中等到強的垂直切變有利於風暴氣流的發展，有利於形成強的對流風暴，如多單體風暴合併發展成超級單體風暴。

都卜勒雷達產品分析

圖3是根據雷達的連續掃描資料點出的風暴的位置、生消和移動路徑。圖中圓點表示風暴中心回波最強的位置，相應標出了風暴發生的時間及16時15分、16時31分、16時57分3個時次0．50仰角的最大回波強度，圖中很清楚地反映出這次強對流風暴的移動、發生、消亡情況。引起這次強對流天氣的主要有2個風暴，其中又以風暴1發展最旺盛、持續時間最長，它是造成這次冰雹天氣的主要中尺度天氣系統。風暴2發生在風暴1發展最強盛的16時26分至17時08分，在風暴1移動方向的右前側，與風暴1相比無論是強度還是範圍都弱得多，最大回波強度在45—50dBZ之間，風暴1、2都是沿東南方向移動。

圖3 風暴移動路徑圖

對流風暴的超級單體特徵分析

雷達氣象學界將局地對流風暴劃分為普通單體風暴、多單體風暴、超級單體風暴和颮線。作為局地對流風暴發展的一種最猛烈的形式，超級單體風暴一直吸引著氣象學家的注意，大量觀測事實表明，超級單體風暴大多由多單體風暴發展而來，且只有極少數多單體風暴能發展成超級單體風暴。超級單體風暴作為一個強烈發展的對流單體特徵除了其穩定狀態外，一個重要的雷達回波特徵是存在一個弱回波區WER(WeakEchoRegion)或有界弱回波區(BoundedWeakEchoRegion)，弱回波區或有界弱回波區代表上升氣流區，由於上升氣流強烈以至大的降水粒子無法進入其中造成的；隨著20世紀70年代都卜勒天氣雷達在研究中的使用，超級單體風暴的旋轉性特徵被充分揭露出來。

研究結論

這是一次較典型的不同平流型降雹形勢，引起這次強對流風暴的中尺度天氣系統是颮線，颮線尾部的強風暴於15時左右生成，沿東南方向移動，風暴歷經單體風暴、多單體風暴等階段，並在16時15分至17時03分多單體風暴加強合併為超級單體風暴，並呈現出人字型回波、帶狀回波特徵。此次超級單體南邊出現2條明顯的出流邊界(陣風鋒)，一條位於鉤狀回波的西南，一條位於鉤狀回波的東南。超級單體左前方的低層反射率因子呈現明顯的倒“V”字型結構，最大的回波強度出現有界弱回波區之上，其值>70dBZ，相應徑向速度圖呈現出成熟的中氣旋特徵。

在整個風暴過程中，VIL有2次躍增高值區，第1次為2個對流單體合併加強成小型對流超級單體時，VIL值由39kg·m^-2以增大到63kg·m^-2；第2次發生在超級單體形成持續時，VIL值始終>63kg·m^-2，在16時15分增大到70.8kg·m^-2，持續高的VIL值對識別超級單體有重要的指示意義。

分析回波頂高ET與反射率因子關係發現，ET值>16km時，反射率因子值往往>60dBZ，在風暴的初生和發展階段(15時12分至16時57分)，ET值始終穩定在15km以上，最強在15時54分，ET值達到18km，對流十分強烈。需要指出的是，由於觀測站點稀疏，冰雹、大風等強對流天氣的強度、時空分布等實況觀測資料難以滿足分析要求，許多強對流天氣的雷達特徵缺乏有效的實況資料支持。另外可能由於C波段雷達觀測能力欠缺，在對中氣旋的觀測上不盡如意，使得本次分析仍存在一些不足，需在以後的工作中加強，進一步研究探討。