内蒙古中部2次高架雷暴的特征分析

时间：2024-05-25

孔祥宇

内蒙古自治区兴和县气象局，内蒙古兴和 013650

高架雷暴定义为在大气边界层以上被触发的雷暴。高架雷暴发生前，地面周围通常存在稳定的冷空气，逆温层明显，来自地面的气块很难穿过逆温层而获得浮力，而逆温层之上的气块绝热上升获得浮力导致雷暴[1]。我国南方地区高架雷暴多发，常伴有冰雹和短时强降水等强对流天气，具有一定日变化；高空急流、低空急流、低空切变线及500 hPa高空槽是高架雷暴的主要天气系统[2]。“雷打雪”现象在我国北方冬季时有发生，2021年11月6日凌晨和2022年3月12日凌晨内蒙古中部地区出现了罕见的较大范围“雷打雪”和雷阵雨天气过程。从这2次过程时空演变出发，分析产生热力不稳定的原因和预报着眼点。

1 过程概述

据统计，京津地区近20年来末雷出现在11月和初雷出现在3月中旬的分别仅有1次，为2009年11月9日和2013年3月12日凌晨。2021年11月5日和2022年3月11日半夜至次日凌晨，内蒙古中部地区出现较大范围的“雷打雪”和雷阵雨天气，一个年度末雷和初雷间隔仅有4个月，而内蒙古中部比京津地区纬度更高，一年内破初雷和末雷记录，这种现象罕见。

2 天气形势

2.1 2021年11月5日天气形势

2021年11月5日20:00地面图上，地面冷锋在呼和浩特—东胜一线，呼和浩特站地面风向为320°，风速为4 m/s，说明地面冷锋已过呼和浩特站，冷锋后气压梯度较大，最大3 h变压在8 hPa以上，冷锋前处于倒槽中，降雪区在冷锋后部700 hPa槽附近（图1）。5日20:00高空850 hPa上，槽线已移到河套地区，呼和浩特站风向为290°，风速为2 m/s，表明槽线已过呼和浩特站；温度槽落后于高度槽，高空槽前后冷暖平流均强盛，呼和浩特站温度达到10.6℃，露点温度4.1℃。5日20:00高空700 hPa上，北支槽线在蒙古国与内蒙古交界处，明显落后于850 hPa高空槽，槽线附近等温线密集，槽前西南暖湿气流加强，呼和浩特站西南风速为8 m/s，08:00~20:00，虽然温度从-3℃上升至-2.5℃，仅有0.5℃升温，但露点温度却从-14℃上升至-3℃，温度露点差仅为0.5℃，近乎饱和。5日20:00 500 hPa横槽在满洲里西北部至新疆哈密一线，高低空槽线严重后倾，为典型的横槽转竖型寒潮天气过程。

图1 2021年11月5日20:00地面、850 hPa、700 hPa、500 hPa形势图

2.2 2022年3月11日天气形势

2022年3月11日20:00地面图上，冷锋位于河套地区中部，河套地区位于两高之间倒槽中，冷锋后气压梯度明显小于“11·5”过程，呼和浩特站和东胜站地面温度分别为14℃、17℃，而冷锋后3 h正变压也不大，降温幅度较小，出现雷阵雨而非降雪，这与2022年的3月气候异常有关（图2）。850 hPa高空，蒙古冷涡后部冷平流较强但偏北，高空槽（河套以南为切变线）位于河套中部呈南北向，槽线附近河套地区处于明显暖舌中，呼和浩特站的温度和露点分别为14.4℃、-2.4℃；槽后为西北气流，槽前为大范围东南气流，辐合线附近有较强辐合。700 hPa高空，高空槽也位于河套地区，与850 hPa槽接近，但冷暖平流较弱；西南急流从华南一直输送至华北，呼和浩特站西南风速达15 m/s，温度、露点分别为2.9℃、-2.5℃，温度露点差为5.4℃。500 hPa高空槽在河套后部，为南北向浅槽。

图2 2022年3月11日20:00地面、850 hPa、700 hPa、500 hPa形势图

2次天气过程相同点：2次过程高架雷暴均出现在夜里；700 hPa高度层附近西南暖湿气流强盛（不一定达到急流强度），增温、增湿（尤其是增湿）明显，使得在此高度附近假相当位温明显增大，从而产生高架雷暴天气。

3 对流不稳定能量分析

3.1 2021年11月5日20:00不稳定能量分析

图3分别为呼和浩特站（53463）、东胜站（53543）5日20:00 T-lnP和v-3θ图，从图3可知，呼和浩特站08:00 CAPE=0（弊端：CAPE都是气块以地面为起始抬升高度），我国北方地区冷季没有冷空气入侵情况下，08:00和20:00高空观测时，近地面一般都有明显逆温层，来自地面的气块很难穿越逆温层而获得浮力，而逆温层之上的气块绝热上升获得浮力导致雷暴产生[3]。假相当位温最大处不一定是逆温层顶。而图更直观地判断出最大的条件性不稳定能量即CAPE值在图中红色区域面积，最大的对流性不稳定能量是红色区域与粉色区域面积。

图3 2021年11月5日20:00呼和浩特站、东胜站T-lnP和v-3θ图

从呼和浩特站5日20:00 图看出，从地面-850 hPa 为西北气流，表明高空槽在850 hPa（含）以下已过呼和浩特站，在850~450 hPa为西南—偏西气流，风向随高度顺转，表明在此高度层有暖平流，450 hPa为西北气流；700 hPa风速为8 m/s，但没有达到低空急流的程度；从地面至887 hPa和从644至636.5 hPa有2个浅薄逆温层；低层θse最大值为42.7℃，在793.2 hPa高度处，此处的温度露点差为2.5℃；从793.2至650 hPa为明显湿层，温度露点差≤2.5℃ ；平衡高度达到250 hPa，平衡高度的温度达到-60℃；CAPEmax=563 J/kg，最大对流性不稳定能量约为800 J/kg（与CAPEmax所围面积对比，估算）。

从东胜站5日20:00 图看出，从地面到400 hPa为偏南—西南—偏西气流，风向随高度顺转，表明在此高度层有暖平流，400 hPa以上为西北气流；798 hPa风速为11 m/s，也未达到低空急流程度；近地面无逆温层，但从地面到898 hPa为逆湿层，从700至690 hPa有一浅薄逆温层；低层θse最大值为43℃，在818.7 hPa高度处，此处温度露点差为4.4℃；从771至700 hPa为明显湿层，温度露点差≤2.5℃；平衡高度达到260 hPa，平衡高度温度达到-66℃；值得注意的是在冷季东胜站的地面CAPE值达到175 J/kg，原因是近地面无逆温层，但有逆湿层，CAPEmax=410 J/kg，其最大对流性不稳定能量约为800 J/kg。

3.2 2022年3月11日20:00不稳定能量分析

从呼和浩特站11日20:00 图看出，从地面到783 hPa为东南气流，其上为西南—偏西气流，地面到500 hPa风向随高度顺转，中低层为暖平流（图4）。700 hPa风速达15 m/s，达到低空急流程度，说明暖湿气流强盛。近地层无逆温层，但有逆湿层，近地面水汽条件差。低层θse最大值达到46.4℃，在759 hPa高度处，此处温度露点差为9.8℃。从669至662 hPa为明显湿层，温度露点差≤3.5℃。平衡高度达到320 hPa，平衡高度温度达到-41℃。CAPEmax=88 J/kg，最大对流性不稳定能量约为500 J/kg。

图4 2022年3月11日 20:00呼和浩特站、东胜站T-lnP和v-3θ图

从东胜站11日20:00 图看出，地面为东南气流，其上为西南—偏西气流，地面到550 hPa风向随高度顺转，表明中低层为暖平流。700 hPa风速也到14 m/s，暖湿气流强盛。近地层无逆温层，但有逆湿的，近地面水汽条件差。低层θse最大值达到51℃，在700 hPa高度处，此处温度露点差为4.3℃。从700至648 hPa为明显湿层，温度露点差≤4℃。平衡高度达到219 hPa，平衡高度的温度达到-63.5℃。CAPEmax=757 J/kg，最大对流性不稳定能量约为1 000 J/kg。地面CAPE达到108 J/kg，地面温度为17.2℃，出现在11月中旬20:00，温度如此之高也是罕见。

4 冷季高架雷暴出现时段分析

春季雷暴有夜间易出现的特征，美国后半夜也有多发高架雷暴的特点。我国高架雷暴与地面雷暴午后高发有明显不同，高架雷暴高发时段在23:00至翌日11:00，下午和上半夜发生相对较少，这2次雷暴过程也都发生在后半夜至凌晨。这是因为夜间没有太阳辐射，地面放出长波辐射，水汽、水滴对长波辐射吸收最为显著，云底成为来自地面和低层大气向上辐射的吸收面，云顶又成为通过大气窗向空间辐射的面。由于云底高度大多在逆温层顶或逆湿层顶附近，云层底部水汽、水滴将地面长波辐射几乎全部吸收。随着时间推移吸收的地面辐射越来越多，到后半夜至凌晨云底水汽、水滴吸收的热量达到最大，使云底温度上升，同时，云顶水滴和冰晶也放出长波辐射，使云顶温度下降达到最大值。这就增大云底与云顶的温度差异，使温度垂直递减率增大，从而增大对流不稳定度。这就是冷季高架雷暴与夏季雷暴出现时间相反的主要原因。

5 高架雷暴可预报性

我国北方地区冷季出现对流性不稳定的条件很少见，一旦出现其范围较大；统计我国2010—2012年高价雷暴范围可看出：每次高价雷暴出现范围都在2个省以上，最大范围达13省；“11·5”和“3·11”这2次雷暴过程范围也较大[4]。可见在冷季图上，只要存在对流性不稳定能量，且平衡高度的温度在-20℃以下；出现高价雷暴的可能性极大。由于在冷季能量小，-20℃层高度低，雷达回波强度在30 dBz左右，回波高度在6 km左右就能产生雷暴。