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4 月 27 日下午到晚上,廣西、廣東多地遭遇暴雨、雷雨大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)襲擊,有廠房屋頂被掀翻。
據(jù)廣州市氣象部門介紹,初步研判,此次廣州白云區(qū)出現(xiàn)的龍卷風(fēng)強(qiáng)度為強(qiáng)龍卷等級(jí)(相當(dāng)于風(fēng)力 15~17 級(jí),即風(fēng)度高達(dá)每秒 56.1~61.2 米,是極其強(qiáng)烈的風(fēng)暴)。
此外,廣西、南寧一些地方下起冰雹,有的冰雹直徑大于 5 cm,比雞蛋還大,出現(xiàn)了多個(gè)車輛玻璃、簡易房屋頂?shù)缺辉覊牡默F(xiàn)象。
圖源:央視新聞
為什么會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)龍卷和“大如拳頭”的冰雹?近期還會(huì)有類似的災(zāi)害天氣嗎?我們邀請(qǐng)了中國氣象局高級(jí)工程師信欣來解答一下。
為什么會(huì)出現(xiàn)如此大的冰雹?
一句話總結(jié):水汽充足,上升氣流足夠強(qiáng),能托住冰雹不停地長,長到足夠大。
從云圖和雷達(dá)看,本次廣西、廣東出現(xiàn)了多個(gè)“超級(jí)單體風(fēng)暴”。
4 月 27 日云圖上(上圖)看到的明顯凸起,如開水冒泡般的大個(gè)頭的積雨云,雷達(dá)圖上(下圖)可見近似橢圓形的紅紫色回波,就是超級(jí)單體風(fēng)暴,圖源:作者提供
所謂“超級(jí)單體風(fēng)暴”,本質(zhì)上是一種強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)上升氣流,通常伴有強(qiáng)風(fēng)、局地暴雨、冰雹,甚至龍卷風(fēng)等等,具有非常大的破壞力,是世界上最危險(xiǎn)的天氣現(xiàn)象。
如果把普通的積雨云比作一個(gè)小孩,這個(gè)超級(jí)單體風(fēng)暴,就像是 “綠巨人”。“超級(jí)單體風(fēng)暴”相比普通的雷暴單體,內(nèi)部有著更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),上升速度在 10 米/秒甚至 15 米/秒以上,這樣的上升氣流,可以托舉住 15~20 毫米的冰雹胚胎。
而且如果超級(jí)單體中,低空有較大的垂直風(fēng)切變和螺旋度,還可能引發(fā)龍卷——低空風(fēng)向不一致,搓出一個(gè)水平方向上的渦管,渦管在超級(jí)單體的上升和下沉氣流影響下,從水平到傾斜,豎起來再接地,就是龍卷。
我們知道冰雹是水滴在積雨云中形成的。積雨云中的上升氣流將云層下部的水滴帶到云的中上層。隨著高度的增加,溫度逐漸降低,當(dāng)溫度低到一定程度時(shí),水滴就會(huì)開始凍結(jié),變成小冰晶。這些小冰晶就是冰雹的胚胎。
隨著氣流進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng),冰雹胚胎會(huì)不斷地遇到過冷水滴,并凍結(jié)在冰雹胚胎外面,使得冰雹的尺寸不斷地增大。
形成大冰雹的過程,其實(shí)類似于“滾元宵”。把元宵餡料蘸上水,在糯米粉中不斷翻滾。對(duì)應(yīng)冰雹,就是冰雹的胚胎(小冰晶)在積雨云中不斷上下來回,與云中的過冷水滴不斷碰撞,進(jìn)而變大。
當(dāng)積雨云中,上升氣流越強(qiáng),可以托舉的冰雹個(gè)頭就越大,使得冰雹可以增長得越大。直到冰雹足夠大,上升氣流托不住,就會(huì)落到地面。
而下落過程中,在大于 0℃ 的空中,冰雹表面有些融化,低空往往因?yàn)橛衼y流,又會(huì)導(dǎo)致冰雹間可能產(chǎn)生粘連合并,進(jìn)而形成個(gè)頭如雞蛋大小的冰雹。
圖超級(jí)單體冰雹云的剖面結(jié)構(gòu)圖,圖源:《天氣學(xué)原理和方法》,第四版
有些大冰雹細(xì)看,甚至就像是冠狀病毒,外邊的凸起其實(shí)是一個(gè)個(gè)較小冰雹合并時(shí),沒有完全融合、部分保留下來的初始形狀。
最后,當(dāng)冰雹增長到一定的尺寸,它的重量會(huì)超過上升氣流的支撐力,這時(shí)冰雹就會(huì)從云層中落下,形成我們所說的冰雹天氣。
冰雹是一層一層的結(jié)構(gòu),圖源:wikipedia
因此,這次的冰雹個(gè)頭之所以“比雞蛋還大”,主要是滿足了這幾個(gè)條件:
第一,“超級(jí)單體風(fēng)暴”讓上升氣流的托舉能力變得特別強(qiáng)。美國海洋和大氣管理局(NOAA)有數(shù)據(jù)顯示,時(shí)速 103 千米的上升氣流就能產(chǎn)生高爾夫球大小的冰雹,如果氣流速度達(dá)到 130 千米的時(shí)速,就會(huì)產(chǎn)生棒球大小的冰雹。
第二,中低空水汽比較豐沛,以及冰雹粒子在積雨云中多次起落碰并粘連,使得冰雹個(gè)頭進(jìn)一步變大。
4 月27日下午,廣州的大氣條件,0℃ 層高度剛好在 4000 米左右(600 百帕),在 0℃ 層附近和上方有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),配合較好的水汽條件,利于形成冰雹。注:紅色粗線為 0℃ 層,縱坐標(biāo)為氣壓高度,橫坐標(biāo)為時(shí)間,虛線為上升運(yùn)動(dòng)。綠色為相對(duì)濕度較高,圖源:歐洲數(shù)值模擬的廣州綜合廓線圖
未來一段時(shí)間,
還會(huì)出現(xiàn)暴風(fēng)、冰雹等災(zāi)害天氣嗎?
今年春季我國強(qiáng)對(duì)流天氣極其活躍,強(qiáng)度也非同凡響。
一方面是暖濕氣流異常偏強(qiáng),對(duì)應(yīng)副熱帶高壓偏北偏強(qiáng),北側(cè)的偏南風(fēng)強(qiáng)于常年,使得低空大氣的濕熱程度,堪比 5~6 月夏季風(fēng)爆發(fā)后的水平,南方低空大氣的水汽和能量都非常充足。
另一方面,3 月下旬以來,高空槽也非常活躍,多個(gè)高空槽從青藏高原東移,使得對(duì)流中層大氣干冷。多次形成了,下暖濕、上干冷的垂直結(jié)構(gòu),這是強(qiáng)對(duì)流的典型結(jié)構(gòu)。
高空槽,是指高空存在的低壓區(qū),通常也采用高度場(chǎng)的低值區(qū)來表示。在500 百帕等高線圖上,一般呈現(xiàn)向下彎曲的,就是高空槽。高空槽帶來的干冷空氣,是加劇對(duì)流的關(guān)鍵因素。
當(dāng)?shù)涂张瘽窨諝庠谏仙^程中,氣溫下降,水汽達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí),就會(huì)凝結(jié)。水的凝結(jié)過程會(huì)釋放熱量,使得自身變得更暖更輕,繼續(xù)上升。如果此時(shí)有干冷空氣卷入,冷暖對(duì)比反差加大,會(huì)使得上升速度進(jìn)一步加大,形成強(qiáng)烈上升,直沖萬米高空,達(dá)到對(duì)流層頂。
4 月 27 日 14 時(shí),500 百帕高度場(chǎng)疊加 850 百帕風(fēng)場(chǎng),圖源:作者提供
達(dá)到對(duì)流層頂后,氣流轉(zhuǎn)為下降,此時(shí)云中的降水粒子在下落過程中,如果又有干空氣卷入,會(huì)導(dǎo)蒸發(fā)或升華,進(jìn)而強(qiáng)烈吸熱降溫,就會(huì)變得更冷更沉,繼續(xù)加速下降。
氣流落地四散就會(huì)形成雷雨大風(fēng)(特別強(qiáng)的就是下?lián)舯┝鳎?。因此今?3 月底到 4 月,我國南方的強(qiáng)對(duì)流,頻繁看到 11~12 級(jí)破紀(jì)錄的雷雨大風(fēng),這種級(jí)別的大風(fēng)本來在陸上很少見,今年變成了經(jīng)常見。
目前形勢(shì)預(yù)報(bào)看,4 月 28 日夜間到 29 日,四川東部、重慶、貴州、湖南一帶,還有高空槽 + 低空暖濕氣流的配置,要警惕可能出現(xiàn) 8~10 級(jí)甚至 11 級(jí)風(fēng)的雷雨大風(fēng),以及短時(shí) 30~50 毫米的強(qiáng)降雨。
展望五一期間,5 月 3~5 日南方還有明顯的對(duì)流降雨,具體情況請(qǐng)關(guān)注氣象部門臨近的預(yù)警預(yù)報(bào)。
作者丨信欣 中國氣象局高級(jí)工程師
審核丨周兵 中國氣象局氣候服務(wù)首席