4 月 27 日下午到晚上,广西、广东多地遭遇暴雨、雷雨大风、冰雹、龙卷风袭击,有厂房屋顶被掀翻。

据广州市气象部门介绍,初步研判,此次广州白云区出现的龙卷风强度为强龙卷等级(相当于风力 15~17 级,即风度高达每秒 56.1~61.2 米,是极其强烈的风暴)。

此外,广西、南宁一些地方下起冰雹,有的冰雹直径大于 5 cm,比鸡蛋还大,出现了多个车辆玻璃、简易房屋顶等被砸坏的现象。

图源:央视新闻

为什么会出现强龙卷和“大如拳头”的冰雹?近期还会有类似的灾害天气吗?我们邀请了中国气象局高级工程师信欣来解答一下。

为什么会出现如此大的冰雹?

一句话总结:水汽充足,上升气流足够强,能托住冰雹不停地长,长到足够大。

从云图和雷达看,本次广西、广东出现了多个“超级单体风暴”。

4 月 27 日云图上(上图)看到的明显凸起,如开水冒泡般的大个头的积雨云,雷达图上(下图)可见近似椭圆形的红紫色回波,就是超级单体风暴,图源:作者提供

所谓“超级单体风暴”,本质上是一种强烈的旋转上升气流,通常伴有强风、局地暴雨、冰雹,甚至龙卷风等等,具有非常大的破坏力,是世界上最危险的天气现象。

如果把普通的积雨云比作一个小孩,这个超级单体风暴,就像是 “绿巨人”。“超级单体风暴”相比普通的雷暴单体,内部有着更强的上升运动,上升速度在 10 米/秒甚至 15 米/秒以上,这样的上升气流,可以托举住 15~20 毫米的冰雹胚胎。

而且如果超级单体中,低空有较大的垂直风切变和螺旋度,还可能引发龙卷——低空风向不一致,搓出一个水平方向上的涡管,涡管在超级单体的上升和下沉气流影响下,从水平到倾斜,竖起来再接地,就是龙卷。

我们知道冰雹是水滴在积雨云中形成的。积雨云中的上升气流将云层下部的水滴带到云的中上层。随着高度的增加,温度逐渐降低,当温度低到一定程度时,水滴就会开始冻结,变成小冰晶。这些小冰晶就是冰雹的胚胎。

随着气流进行升降运动,冰雹胚胎会不断地遇到过冷水滴,并冻结在冰雹胚胎外面,使得冰雹的尺寸不断地增大。

形成大冰雹的过程,其实类似于“滚元宵”。把元宵馅料蘸上水,在糯米粉中不断翻滚。对应冰雹,就是冰雹的胚胎(小冰晶)在积雨云中不断上下来回,与云中的过冷水滴不断碰撞,进而变大。

当积雨云中,上升气流越强,可以托举的冰雹个头就越大,使得冰雹可以增长得越大。直到冰雹足够大,上升气流托不住,就会落到地面。

而下落过程中,在大于 0℃ 的空中,冰雹表面有些融化,低空往往因为有乱流,又会导致冰雹间可能产生粘连合并,进而形成个头如鸡蛋大小的冰雹。

图超级单体冰雹云的剖面结构图,图源:《天气学原理和方法》,第四版

有些大冰雹细看,甚至就像是冠状病毒,外边的凸起其实是一个个较小冰雹合并时,没有完全融合、部分保留下来的初始形状。

最后,当冰雹增长到一定的尺寸,它的重量会超过上升气流的支撑力,这时冰雹就会从云层中落下,形成我们所说的冰雹天气。

冰雹是一层一层的结构,图源:wikipedia

因此,这次的冰雹个头之所以“比鸡蛋还大”,主要是满足了这几个条件:

第一,“超级单体风暴”让上升气流的托举能力变得特别强。美国海洋和大气管理局(NOAA)有数据显示,时速 103 千米的上升气流就能产生高尔夫球大小的冰雹,如果气流速度达到 130 千米的时速,就会产生棒球大小的冰雹。

第二,中低空水汽比较丰沛,以及冰雹粒子在积雨云中多次起落碰并粘连,使得冰雹个头进一步变大。

4 月27日下午,广州的大气条件,0℃ 层高度刚好在 4000 米左右(600 百帕),在 0℃ 层附近和上方有强烈的上升运动,配合较好的水汽条件,利于形成冰雹。注:红色粗线为 0℃ 层,纵坐标为气压高度,横坐标为时间,虚线为上升运动。绿色为相对湿度较高,图源:欧洲数值模拟的广州综合廓线图

未来一段时间,

还会出现暴风、冰雹等灾害天气吗?

今年春季我国强对流天气极其活跃,强度也非同凡响。

一方面是暖湿气流异常偏强,对应副热带高压偏北偏强,北侧的偏南风强于常年,使得低空大气的湿热程度,堪比 5~6 月夏季风爆发后的水平,南方低空大气的水汽和能量都非常充足。

另一方面,3 月下旬以来,高空槽也非常活跃,多个高空槽从青藏高原东移,使得对流中层大气干冷。多次形成了,下暖湿、上干冷的垂直结构,这是强对流的典型结构。

高空槽,是指高空存在的低压区,通常也采用高度场的低值区来表示。在500 百帕等高线图上,一般呈现向下弯曲的,就是高空槽。高空槽带来的干冷空气,是加剧对流的关键因素。

当低空暖湿空气在上升过程中,气温下降,水汽达到饱和点时,就会凝结。水的凝结过程会释放热量,使得自身变得更暖更轻,继续上升。如果此时有干冷空气卷入,冷暖对比反差加大,会使得上升速度进一步加大,形成强烈上升,直冲万米高空,达到对流层顶。

4 月 27 日 14 时,500 百帕高度场叠加 850 百帕风场,图源:作者提供

达到对流层顶后,气流转为下降,此时云中的降水粒子在下落过程中,如果又有干空气卷入,会导蒸发或升华,进而强烈吸热降温,就会变得更冷更沉,继续加速下降。

气流落地四散就会形成雷雨大风(特别强的就是下击暴流)。因此今年 3 月底到 4 月,我国南方的强对流,频繁看到 11~12 级破纪录的雷雨大风,这种级别的大风本来在陆上很少见,今年变成了经常见。

目前形势预报看,4 月 28 日夜间到 29 日,四川东部、重庆、贵州、湖南一带,还有高空槽 + 低空暖湿气流的配置,要警惕可能出现 8~10 级甚至 11 级风的雷雨大风,以及短时 30~50 毫米的强降雨。

展望五一期间,5 月 3~5 日南方还有明显的对流降雨,具体情况请关注气象部门临近的预警预报。

作者丨信欣 中国气象局高级工程师

审核丨周兵 中国气象局气候服务首席

来源: 科普中国新媒体

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