王君軍，王 彪，周博揚(yáng)

(1.貴州省貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001；2.貴州省氣象局，貴州 貴陽 550002)

1 引言

颮線是多個(gè)活躍的雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對流系統(tǒng)，發(fā)生時(shí)常伴有冰雹、大風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣[1]。隨著探測手段的發(fā)展，雷達(dá)、閃電定位等先進(jìn)儀器的應(yīng)用使人們對強(qiáng)對流天氣臨近時(shí)表現(xiàn)出來的征兆、特征等認(rèn)識(shí)不斷深入。Fujita[2]根據(jù)地面氣壓場和降水情況，提出颮線的生命史特征，分為產(chǎn)生、發(fā)展、成熟、消散、殘余五個(gè)階段。張怡[3]在對2006年6月3日商丘一次強(qiáng)颮線過程分析中指出，地面輻合線是颮線的主要觸發(fā)機(jī)制，雷達(dá)回波呈“廣”字形，具有徑向輻合等特征。陳榮等[4]通過對2007年4月24日影響廣東大部分地區(qū)的一次強(qiáng)颮線的分析，發(fā)現(xiàn)颮線的后面存在入流是地面大風(fēng)的來源。貴州地處青藏高原東側(cè)，緯度較低，春季回溫較快，加之省內(nèi)丘陵縱橫，地勢起伏，因此春季是貴州強(qiáng)對流天氣的多發(fā)時(shí)段，極易出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、冰雹等劇烈的災(zāi)害性天氣[5]。多年來貴州的氣象工作者對強(qiáng)對流天氣的環(huán)流背景、影響系統(tǒng)及其成因等方面做了許多的研究工作[6-8]。本文利用常規(guī)天氣資料，地面加密資料和雷達(dá)等資料，對2017年4月5日貴陽地區(qū)一次颮線天氣過程進(jìn)行特征分析，以期增進(jìn)對這類強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而為做好強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)、預(yù)警業(yè)務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)提供參考依據(jù)。

2 天氣實(shí)況及環(huán)流形勢分析

2.1 天氣實(shí)況

每年的3—5月是貴陽強(qiáng)對流天氣的高發(fā)期。2017年4月5日17—22時(shí)，貴陽遭受一次冰雹、大風(fēng)、強(qiáng)降水天氣過程，最大冰雹直徑達(dá)20 mm；清鎮(zhèn)市區(qū)在5日20時(shí)31分—20時(shí)47分出現(xiàn)大風(fēng)，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)26.6 m·s-1(出現(xiàn)時(shí)間20時(shí)38分)；最大雨強(qiáng)為58.9 mm·h-1(清鎮(zhèn)農(nóng)牧場22—23時(shí))。此次強(qiáng)對流天氣過程特點(diǎn)是強(qiáng)度大、影響范圍廣、密度大，為多年來罕見，給當(dāng)?shù)卦斐梢欢ń?jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

風(fēng)向突變、風(fēng)速、氣壓、相對濕度涌升、氣溫驟降是颮線大風(fēng)過境的主要特點(diǎn)[9]。颮線過境前和颮線過境中(清鎮(zhèn)站)地面各要素呈現(xiàn)出明顯突變特征：20—21時(shí)清鎮(zhèn)觀測站風(fēng)向突變，由東南轉(zhuǎn)為西北風(fēng)。從圖1可見：極大風(fēng)速由10.3 m·s-1增至26.6 m·s-1；氣壓涌升，20—22時(shí)變壓為3.5 hPa，具有颮線過境“氣壓鼻”特征；20—21時(shí)，小時(shí)降溫7.3 ℃。當(dāng)颮線發(fā)展到成熟階段時(shí)，颮線前部的溫度梯度明顯增加，清鎮(zhèn)觀測點(diǎn)出現(xiàn)大風(fēng)位于溫度梯度最大區(qū)域靠暖區(qū)一側(cè)。

圖1 2017年4月5日14時(shí)—6日06時(shí)清鎮(zhèn)站極大風(fēng)速(單位：m·s-1)、氣壓(單位：hPa)和氣溫(單位：℃)變化曲線Fig.1 Qingzhen station maximum wind speed 14∶00,April 5th-06∶00,April 6th,2017 (unit:m·s-1),Pressure (unit:hPa) and temperature (unit:centigrade) curve

2.2 環(huán)流形勢分析

從環(huán)流形勢上看(圖略)，5日08時(shí)，200 hPa高空急流位于四川南部到浙江北部，在高空急流右側(cè)下方低空急流位于廣西北部至貴州東南部，這樣高空急流右側(cè)輻散，低空急流左側(cè)輻合分布產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)，為低層空氣塊提高了抬升機(jī)制，從而有利于觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放。500 hPa甘肅到四川南部有高空槽，且溫度槽落后于高度槽，槽將發(fā)展東移。700 hPa上有切變在四川中部維持。850 hPa重慶到貴州西北部有切變，對流層低層有暖舌，貴陽位于濕區(qū)內(nèi)。20時(shí)，500 hPa高空槽快速東移至湖北恩施到貴州北部一線，700 hPa低渦切變位于重慶到貴州北部邊沿，貴州西北部呈明顯前傾形勢，“上干冷，下暖濕”的不穩(wěn)定層結(jié)增長，有利于強(qiáng)對流天氣發(fā)生，且貴州西北部地面輻合線緩慢南壓為強(qiáng)對流提供觸發(fā)條件。

3 不穩(wěn)定物理量分析

強(qiáng)對流天氣的發(fā)生一般需要很大潛在不穩(wěn)定能量、充足的水汽和強(qiáng)的抬升條件，此外，還需要適宜的0 ℃層高度。5日08時(shí)，根據(jù)T-lnP分析(圖略)：貴陽上空濕層較薄，僅850 hPa接近飽和；3 km高度附近存在弱逆溫層，低層伴有暖平流，700 hPa附近以上對流層為明顯的干空氣，“上干、下濕”對流不穩(wěn)定特征明顯，并有一定的不穩(wěn)定能量積聚。從各項(xiàng)探空指數(shù)來看(表1)：08時(shí)，CAPE值較低，僅為10.9 J·kg-1，如果用早上探空判斷下午和傍晚的對流潛勢往往誤判的可能性很大，因此將溫度訂正到中午前后氣溫(25 ℃)后，CAPE值為1 100 J·kg-1左右，這對預(yù)報(bào)午后對流天氣有一定的指示意義。08時(shí)貴陽上空0 ℃層高度為4 495.8 m，-20 ℃層高度為7 891.2 m，符合貴州降雹標(biāo)準(zhǔn)[10]。

表1 4月5日08時(shí)和20時(shí)貴陽探空站各項(xiàng)指數(shù)Tab.1 Guiyang sounding station index of 08∶00 and 20∶00 on April 5th

此后大氣層結(jié)不穩(wěn)定進(jìn)一步發(fā)展，K指數(shù)由08時(shí)的18 ℃增加到20時(shí)的39 ℃。SI指數(shù)由08時(shí)的0.32 ℃降到20時(shí)的-1.61 ℃；中低層溫度直減率(T850-T500)08時(shí)的16 ℃增大到20時(shí)的28 ℃。強(qiáng)的溫度直減率起著維持負(fù)浮力的作用，有利大風(fēng)的出現(xiàn)[11]。

4 水汽條件分析

隨著西南急流建立，5日08時(shí)在850 hPa高度場上，從北部灣至貴州東南部存在一支較大的水汽輸送通道(圖略)，水汽通量中心值為14 g·hPa-1·cm-1·s-1。20時(shí)水汽輸送通道維持，貴陽處于低空急流左前側(cè)風(fēng)速輻合區(qū)內(nèi)水汽輻合區(qū)中，水汽通量輸送最大梯度帶處。比濕場上，貴陽處于濕舌的頂部，850 hPa比濕5日08—20時(shí)維持11 g·kg-1，700 hPa比濕從08時(shí)的3 g·kg-1增加到8 g·kg-1。強(qiáng)對流天氣發(fā)生前，貴陽位于地面濕舌頂部，地面溫度露點(diǎn)差出現(xiàn)驟降，貴陽20時(shí)—21時(shí)溫度露點(diǎn)差由5.0 ℃降至2.2 ℃，清鎮(zhèn)由5.0 ℃降至0.3 ℃，由干變濕。低層水汽躍增達(dá)到飽和，為強(qiáng)對流提供充足水汽。

5 觸發(fā)條件地面輻合線

在對流不穩(wěn)定條件下，需要觸發(fā)抬升條件對流才能發(fā)生，觸發(fā)對流的抬升條件大多由中尺度系統(tǒng)提供，如鋒面、干線、對流風(fēng)暴的外流邊界(陣風(fēng)鋒)和重力波等[12]。分析此次過程的自動(dòng)氣象站逐時(shí)風(fēng)場資料(圖2)：4月3日開始，貴州西部熱低壓發(fā)展并東擴(kuò)，貴陽南部至廣西北部午后維持6～12 m·s-1偏南風(fēng)，輻合線在畢節(jié)中部至貴陽的息烽、開陽一帶維持。5日17時(shí)左右開始，在畢節(jié)東部地面輻合線上有對流單體生成，并沿著輻合線緩慢東移。18—20時(shí)，清鎮(zhèn)附近有中尺度輻合中心，對流風(fēng)暴移至該地后，強(qiáng)度加強(qiáng)形成颮線。

圖2 2017年4月5日17時(shí)—22時(shí)地面風(fēng)場分布(單位：m·s-1)Fig.2 Ground wind field distribution on April 5th 17時(shí)—22時(shí) (unit:m˙S-1)

此次強(qiáng)天氣過程是地面輻合線觸發(fā)對流抬升形成的，對流風(fēng)暴的位置和走向與地面輻合線基本一致。中尺度輻合線的維持增強(qiáng)了近地面層的輻合抬升，有利于風(fēng)暴強(qiáng)度增強(qiáng)。

6 雷達(dá)回波特征分析

5日18時(shí)53分(圖略)，在畢節(jié)織金附近有風(fēng)暴單體發(fā)展并向東移動(dòng)，19時(shí)45分(圖3)距離雷達(dá)60 km左右，在清鎮(zhèn)西部邊緣發(fā)展成鉤狀回波，從低層向高層反射率因子向入流一側(cè)傾斜(右邊)，表明低層弱回波區(qū)和中高層回波懸垂結(jié)構(gòu)，在速度圖上存在中氣旋，對應(yīng)旋轉(zhuǎn)速度為24 m·s-1。19時(shí)56分(圖略)發(fā)展成颮線并繼續(xù)向東移動(dòng)，颮線上由多個(gè)強(qiáng)回波單體，最強(qiáng)中心超過65 dBz。

圖3 2017年4月5日19時(shí)45分貴陽雷達(dá)觀測資料(a)、(b)、(c)分別為1.5、2.4、6.0°仰角反射率因子圖(單位：dBz)，(d)為0.5°仰角基本速度圖(單位：m·s-1)Fig.3 Guiyang radar data (a), (b) and (c) are 1.5, 2.4 and 6 elevation reflectivity factor chart (unit:dBz),(d)0.5 degree elevation basic velocity chart (unit:m˙s-1), 19時(shí)45分April 5th,2017

20時(shí)27分(圖4)，颮線發(fā)展為成熟階段，寬約4 km，長約24 km，且呈南北兩個(gè)明顯弓狀，中心強(qiáng)度達(dá)65 dBz。北部弓狀回波位于清鎮(zhèn)百花湖西部，南部弓狀回波位于清鎮(zhèn)市西部約4 km處。南北兩個(gè)弓狀回波均造成地面大風(fēng)和冰雹天氣。20時(shí)32分(圖4)，在颮線東側(cè)反射率因子具有很大梯度，中心強(qiáng)度達(dá)69 dBz，低層具有弱回波區(qū)，中高層有回波懸垂，回波后側(cè)有弱回波通道，反射率因子大于50 dBz強(qiáng)度在8 km左右。從徑向速度圖上顯示，中層有輻合，在后側(cè)有入流急流，達(dá)20 m·s-1，垂直液態(tài)水含量(vil)為38 kg·m-2，顯示了明顯的強(qiáng)烈對流天氣結(jié)構(gòu)。21時(shí)30分左右颮線減弱(圖略)，整個(gè)颮線過程歷時(shí)約2.5 h。

圖4 2017年4月5日貴陽雷達(dá)觀測資料。(a)20時(shí)27分 1.5°仰角反射率因子圖(單位：dBz)，(b)、(c)分別為20時(shí)32分 270°雷達(dá)反射率因子(單位：dBz)、徑向速度剖面圖(單位：m/s),(d)為20時(shí)32分垂直液態(tài)水含量(單位：kg·m-2) Fig.4 Guiyang radar observations data , April 5th,2017. (a) Elevation reflectivity factor map of 1.5 degree on 20∶27(unit:dBz);(b) and (c),Radar reflectivity factor respectively of 270 degree on 20∶32 (unit:dBz)and radial velocity profile (unit:m/s);(d)The vertical vertical liquid water content (unit:kg˙M-2)

對流風(fēng)暴移動(dòng)方向的反射率因子垂直剖面圖上(圖5)：20時(shí)06分，強(qiáng)度大于50 dBz高度在5 km左右，反射率因子核位于3 km附近，反射率因子核強(qiáng)度為60 dBz，中低層存在懸垂結(jié)構(gòu)。20時(shí)16分，強(qiáng)度大于50 dBz回波擴(kuò)展到8 km附近，強(qiáng)度60 dBz反射率因子核向上擴(kuò)展到7 km附近，接近-20 ℃等溫線高度，懸垂結(jié)構(gòu)向上發(fā)展，低層出現(xiàn)明顯的反射率因子高梯度區(qū)(即回波墻)，且中層伴隨有界弱回波區(qū)，中高層出現(xiàn)懸掛回波。20時(shí)32分中高層懸掛回波反射率因子核強(qiáng)度增強(qiáng)，達(dá)65 dBz，雹肧快速發(fā)展，反射率因子核高度開始下降，核心位置位于4～5 km附近，中層有界弱回波區(qū)維持。20時(shí)37分，高懸回波繼續(xù)發(fā)展，反射率因子核下降到3 km左右，有界弱回波區(qū)維持。20時(shí)42分，回波懸垂依然存在，反射率因子核下部降到地面，強(qiáng)度在50～60 dBz左右，且地面出流邊界明顯，相對應(yīng)清鎮(zhèn)出現(xiàn)大風(fēng)冰雹天氣。

圖5 2017年4月5日反射率因子垂直剖面圖(單位：dBz)(a(20∶06)；b(20∶16)；c(20∶32)；d(20∶37)；e(20∶42))Fig.5 Vertical profile of the reflectivity factor on April 5th (unit:dBz) (a(20∶06)；b(20∶16)；c(20∶32)；d(20∶37)；e(20∶42))

7 結(jié)論

①本次強(qiáng)對流天氣過程是高空槽和低層切變的有利形式下產(chǎn)生的，高低急流較好配置有利于強(qiáng)對流天氣發(fā)展，“上干冷，下暖濕”的不穩(wěn)定層結(jié)條件下，地面輻合線觸發(fā)機(jī)制，導(dǎo)致不穩(wěn)定能量的釋放，對流發(fā)展強(qiáng)盛成為颮線。

②颮線是造成清鎮(zhèn)大風(fēng)及貴陽主城區(qū)冰雹的主要原因，地面大風(fēng)主要產(chǎn)生在溫度梯度最大區(qū)域靠暖區(qū)一側(cè)。

③地面輻合線觸發(fā)對流抬升，中尺度輻合中心有利于颮線生成和發(fā)展，造成此次強(qiáng)天氣過程的對流風(fēng)暴，其位置和走向與地面輻合基本一致。

④雷達(dá)回波分析此次颮線后側(cè)伴有入流急流。颮線回波特征中的高懸的強(qiáng)回波、有界弱回波區(qū)、回波懸垂、回波墻、颮線后側(cè)伴有入流急流特征對冰雹天氣有較好的指示意義。颮線回波前沿的反射率因子梯度大，強(qiáng)回波質(zhì)心高度下降、后側(cè)伴有入流急流、中層徑向輻合等特征對大風(fēng)預(yù)報(bào)具有一定的預(yù)示作用。

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