陳偉明 張司琪

(1.延平區(qū)氣象局，福建 南平 353000；2.南平市氣象局，福建 南平 353000)

1 概述

受高空槽東移和低層切變線東移南壓影響，2016年4月26日(08時～08時)，南平、三明、龍巖三市先后出現(xiàn)大范圍的雷雨大風(fēng)、短時強(qiáng)降水和冰雹等強(qiáng)對流天氣，并伴有強(qiáng)雷電。福建西部普遍出現(xiàn)8級以上大風(fēng)(圖1b)，其中浦城水北鎮(zhèn)(14∶00～14∶05)最大風(fēng)速達(dá)16級，這也是福建陸上大風(fēng)的最高記錄。同時內(nèi)陸多地出現(xiàn)冰雹，其中，浦城水北街鎮(zhèn)、松溪渭田、花橋、祖墩、舊縣、泰寧大田鄉(xiāng)在14∶00～14∶30出現(xiàn)最大直徑達(dá)3cm的冰雹，建寧、將樂、連城、長汀等地也出現(xiàn)冰雹天氣。龍巖、三明東南部和泉州西部地區(qū)出現(xiàn)暴雨、局地大暴雨并伴有短時強(qiáng)降水(圖1a)，最大日降水量(連城莒溪鄉(xiāng))達(dá)146.8mm，最大小時降雨量達(dá)55.2mm(漳平基泰村)。強(qiáng)對流天氣給福建內(nèi)陸地區(qū)造成較為嚴(yán)重的風(fēng)雹災(zāi)情。

本文利用常規(guī)加密氣象觀測資料、新一代天氣雷達(dá)資料、NCEP再分析資料，對2016年4月26日福建省內(nèi)陸出現(xiàn)雷雨大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對流天氣過程的物理機(jī)制、中尺度特征、雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析，總結(jié)此類具備經(jīng)典的斜壓大氣結(jié)構(gòu)下的強(qiáng)對流天氣特征指標(biāo)。

2 天氣系統(tǒng)和物理量條件分析

受高空槽東移、低層切變線東移南壓影響，福建省內(nèi)陸產(chǎn)生了大范圍的颮線大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對流天氣。4月26日08時(圖2a)，500hPa和700hPa槽東移，引導(dǎo)冷空氣滲透南下，同時高空槽前的正渦度平流進(jìn)一步加大低層的上升運(yùn)動，850hPa切變位于江西西部，在切變南側(cè)存在西南風(fēng)急流，最大風(fēng)速達(dá)16m/s的急流軸位于江西中南部到福建西部一線附近；同時在福建省內(nèi)陸有風(fēng)速輻合，低層急流軸東傳過程中在其左前側(cè)有強(qiáng)的上升運(yùn)動；925hPa切變線較850hPa切變位置偏南，在江西中部到福建北部之間；位于福建西北部的200hPa輻散區(qū)由北向南發(fā)展；福建西部、北部低層輻合和高層輻散明顯。500hPa干舌和850hPa濕舌都位于江西東部到福建西部，下濕、上干結(jié)構(gòu)明顯；邵武08時探空K指數(shù)達(dá)37℃，0℃層高度在4.6km附近，-20℃層高度為7.8km，龍巖探空K指數(shù)達(dá)41℃，0℃層高度4.3km；26日08時850hPa暖平流加強(qiáng)發(fā)展，福建省處于冷鋒前地面倒槽暖區(qū)內(nèi)，倒槽內(nèi)有熱低壓生成，在熱力抬升作用下，在中尺度輻合線及負(fù)24小時變壓中心附近觸發(fā)產(chǎn)生了強(qiáng)對流天氣。較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量、下濕上干的垂直結(jié)構(gòu)、合適的0℃和-20℃層高度有利于對流發(fā)展和冰雹產(chǎn)生。

4月26日14時，850hPa切變東伸到江西東部，低層西南風(fēng)急流進(jìn)一步東移進(jìn)入我省且風(fēng)速逐漸加強(qiáng)，最大風(fēng)速中心達(dá)22m/s，福建內(nèi)陸維持下濕上干和低層輻合高層輻散結(jié)構(gòu)，中低層冷暖空氣強(qiáng)烈交匯，地面有明顯的溫度鋒區(qū)呈東北西南走向，溫度梯度達(dá)8～9度，颮線在溫度鋒區(qū)附近產(chǎn)生，在粵贛閩交界處出現(xiàn)暖低壓，動力和熱力條件進(jìn)一步加強(qiáng)，有利于對流發(fā)展，在颮線前距離約80km處的熱低壓輻合區(qū)內(nèi)激發(fā)出超級單體，產(chǎn)生了冰雹天氣。

4月26日20時(圖2b)，低層切變線南壓到福建西部和廣東北部，西南風(fēng)急流隨之東移南壓到福建南部，強(qiáng)度略有所減弱，但最大風(fēng)速仍維持在12m/s左右；500hPa有短波槽東移到廣東中北部，與850hPa切變線在垂直高度上形成前傾結(jié)構(gòu)，200hPa輻散區(qū)繼續(xù)南壓到福建中南部；地面鋒區(qū)隨之東移，贛粵閩交界處暖低壓仍維持，龍巖探空K指數(shù)達(dá)38℃；福建下濕、上干結(jié)構(gòu)逐漸消失，轉(zhuǎn)為整層都很濕，動力和熱力條件有利于我省南部持續(xù)性強(qiáng)降水的產(chǎn)生，但由于濕層高度擴(kuò)展得不夠深厚,所以對形成大范圍的短時強(qiáng)降水不太有利。

3 雷達(dá)資料分析

2016年4月26日發(fā)生的強(qiáng)對流天氣過程可分為兩個階段，第一階段為午后對流回波合并增強(qiáng)越過武夷山脈后，迅速組織化加強(qiáng)為颮線并快速東移,觸發(fā)產(chǎn)生雷雨大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣階段；第二階段為夜晚絮狀對流回波持續(xù)維持在福建南部，產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣階段。

3.1 午后中尺度系統(tǒng)快速東移，觸發(fā)雷雨大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流階段

3.1.1 颮線回波影響分析

在中低層三層西南風(fēng)急流作用下，從過程環(huán)境風(fēng)垂直切變發(fā)展來看，地面到500hPa風(fēng)矢量差由中等強(qiáng)度發(fā)展到大于20m/s的強(qiáng)垂直風(fēng)切變，強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于風(fēng)暴持續(xù)發(fā)展或維持，有利于增強(qiáng)中高層干空氣的吸入，加強(qiáng)風(fēng)暴中的下沉氣流和低層冷空氣的外流[1]。此次過程中,不僅地面溫度密集區(qū)對颮線系統(tǒng)的觸發(fā)和維持有重要作用，中尺度輻合線對颮線系統(tǒng)的觸發(fā)和維持也同樣起到關(guān)鍵作用，在颮線經(jīng)過的地方產(chǎn)生大范圍雷雨大風(fēng)天氣，南平地區(qū)此次出現(xiàn)的雷雨大風(fēng)風(fēng)速極值打破了福建陸上大風(fēng)風(fēng)速的最大記錄。中尺度系統(tǒng)快速東移觸發(fā)線狀對流系統(tǒng)在東移過程中產(chǎn)生雷雨大風(fēng)，其前方激發(fā)的超級單體風(fēng)暴導(dǎo)致冰雹天氣。

福建省南平市建甌風(fēng)廓線雷達(dá)顯示(圖3)，從低層到高層西南風(fēng)急流強(qiáng)，強(qiáng)對流發(fā)生前5～6km高度西南風(fēng)增大，最大達(dá)32m/s；20m/s以上的西南風(fēng)高度最低達(dá)2km，12m/s高度低于1.5km，表明中低層垂直風(fēng)切變大。14∶00后，離地1km附近西南風(fēng)氣流明顯增強(qiáng)，隨著颮線移近測站上空，西南風(fēng)風(fēng)速大風(fēng)核隨高度逐漸降低且風(fēng)速明顯加強(qiáng)，14∶55離地面0.2km處觀測到風(fēng)力達(dá)17m/s，低層發(fā)生風(fēng)向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，說明此時有地面氣旋正在影響測站。15∶00颮線過境后，1.2km以下風(fēng)力迅速減小并逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，但1.2km以上仍為西南風(fēng)。從建陽雷達(dá)14∶03組合反射率圖(圖4a)上可以觀測到有一個明顯的高度組織化的線狀回波，呈接近南北向的弓狀，該颮線前方攜帶有較大面積的層狀云回波；沿著颮線的長軸方向作剖面，可以看到有多個對流單體且質(zhì)心較高，回波頂高維持在14km以上。從建陽雷達(dá)徑向速度圖上可以發(fā)現(xiàn)，颮線上有明顯的后側(cè)入流、低層徑向速度大值區(qū)和中層徑向輻合特征(圖略)。這次颮線帶來的強(qiáng)對流天氣主要以雷雨大風(fēng)、冰雹為主，伴隨短時強(qiáng)降水。而后由于較大范圍的層狀云回波在颮線前方產(chǎn)生降水不斷消耗著能量，又由于颮線移速比較快,且遠(yuǎn)離主系統(tǒng)環(huán)境場，缺乏水汽的持續(xù)供應(yīng)，16∶30后回波迅速減弱。

圖3 4月26日16∶06建甌風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場

3.1.2 颮線前超級單體降雹回波分析

隨著中高層冷空氣的滲透，冷暖空氣交匯加劇了層結(jié)不穩(wěn)定，在颮線前部的南平地區(qū)(13∶27～14∶27)發(fā)展的孤立單體呈現(xiàn)出超級單體的回波特征?；夭◤?qiáng)度達(dá)65dBz以上且強(qiáng)區(qū)面積大，該單體回波的強(qiáng)度隨著仰角的抬高，反射率因子明顯增大，最強(qiáng)達(dá)71～76dBz，且單體強(qiáng)回波質(zhì)心發(fā)展高度比較高，同時低層三個仰角上在單體的右側(cè)，反射率因子梯度較大，從建陽雷達(dá)14∶03的1.5°仰角基本反射率圖(圖5a)可以看到該單體呈明顯的鉤狀回波特征，說明低層入流氣流比較強(qiáng)。另外過程中旁瓣回波的出現(xiàn)及VIL值的躍增也是預(yù)示此次過程出現(xiàn)冰雹的雷達(dá)回波特征的有力佐證。對雹云發(fā)展成熟階段不同仰角的基本反射率因子(R19)產(chǎn)品(圖略)進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，從低仰角到高仰角，雷達(dá)反射率因子高值區(qū)逐漸向入流一側(cè)(即回波的東側(cè))傾斜，13∶51沿著入流方向?qū)ζ渥髌拭婵梢钥吹角逦挠薪缛趸夭▍^(qū)(WER)和中高層的懸垂結(jié)構(gòu)特征(圖4b)，離地10km高度仍有60dBz的高反射率因子。雹云影響期間(13：27～14：27)共八個體掃出現(xiàn)“中氣旋”特征，對應(yīng)徑向速度圖上1.5°仰角為純氣旋，6.0°仰角為輻散性氣旋(圖略)，從1.5°仰角雷達(dá)徑向速度圖(圖5b)可以看到，與強(qiáng)回波對應(yīng)存在一個持續(xù)深厚的中氣旋，并且中氣旋的中心速度非常大，觀測到該中氣旋此時已經(jīng)出現(xiàn)了徑向速度模糊，尤其在中氣旋的西南側(cè)，由于該處的西南風(fēng)和環(huán)境場的西南風(fēng)發(fā)生了疊加，風(fēng)力最大達(dá)到49m/s。同一時刻垂直累積液態(tài)含水量大，最大值達(dá)65kg/m2。該超級單體在南平多地造成強(qiáng)冰雹天氣。

(a)基本反射率 (b)基本徑向速度

(a) (b)

(a) (b)

(a) (b)

圖5 4月26日14∶03 建陽雷達(dá)1.5°仰角

3.2 夜間持續(xù)性強(qiáng)降水階段

福建南部地區(qū)夜間出現(xiàn)的強(qiáng)降水由低層切變南側(cè)的西南風(fēng)急流引起，地面鋒面和低層切變線的緩慢南壓、西南風(fēng)急流的穩(wěn)定維持、濕層深厚及地面暖中心的維持都有利于強(qiáng)降水的持續(xù)。此次過程中，龍巖、三明東南部和泉州西部地區(qū)出現(xiàn)了暴雨、局地大暴雨并伴有短時強(qiáng)降水。

從26日23∶55龍巖雷達(dá)組合反射率及剖面圖(圖略)可以看到，有多個低質(zhì)心的多單體回波結(jié)構(gòu)；基本徑向速度圖中零速度線呈“L”型，表明有鋒面過境，且鋒前低層西南風(fēng)急流穩(wěn)定維持。從泉州市德化風(fēng)廓線雷達(dá)資料(圖6)顯示，23∶30有切變線經(jīng)過該站上空，并且一直徘徊持續(xù)影響到27日0∶30切變線才移出?？梢姡嫌蔚貐^(qū)天氣系統(tǒng)的前傾形勢加強(qiáng)了動力抬升、低層西南風(fēng)急流的穩(wěn)定維持、500hPa西偏南引導(dǎo)氣流和緩慢移動的切變線徘徊在南部地區(qū)、雷達(dá)回波上形成的列車效應(yīng)都有助于福建南部地區(qū)強(qiáng)降水得以維持。

圖6 4月27日01∶56德化風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場顯示

4 模式檢驗和評估

EC_thin模式 25日20時起預(yù)報的26日(08時～08時)日累積降水量顯示在南平、三明西部和龍巖西部有大雨到暴雨， FJ-WRF和華東區(qū)域中尺度模式相同時刻起報的相同時間段累積降水量則預(yù)報在龍巖、三明南部有大雨到暴雨，局部大暴雨。從模式預(yù)報與實況檢驗對比來看,EC_thin全球大尺度模式預(yù)報的降水落區(qū)比實況明顯偏北,降水強(qiáng)度明顯偏弱；而中尺度模式預(yù)報降水落區(qū)與實況較為一致,但預(yù)報的降水強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)。從當(dāng)天14時地面實況圖分析(圖7)可以看出在贛東部有一條東北西南走向溫度梯度達(dá)8～9度的溫度密集鋒區(qū)和中尺度熱低壓發(fā)展，鋒區(qū)附近存在地面輻合線，經(jīng)探空訂正后，邵武站的對流有效位能Cape值在1200 J/kg以上，同時上游地區(qū)的江西省已經(jīng)出現(xiàn)10級雷雨大風(fēng)，再考慮到當(dāng)天的0°層高度，綜合判斷福建西部出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣的可能性大；從14時風(fēng)廓線雷達(dá)850hPa和925hPa風(fēng)場實況(圖8a)和EC_thin模式 25日20時起報26日14時風(fēng)場(圖8b)對比分析可見，850hPa實況西南風(fēng)急流比模式預(yù)報風(fēng)速更大，同時福建西部存在一條切變線，且位置比模式預(yù)報的更偏南一些；實況切變線位置和颮線基本重合,此時可以認(rèn)為產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣的主系統(tǒng)切變線仍然在江西中部和福建西部境內(nèi)。夜間隨著切變系統(tǒng)的緩慢東移，福建北部對流能量基本釋放完畢，但南部對流能量仍然維持，降水在南部地區(qū)持續(xù)。

(a)08時 (b)14時 (c)20時

5 結(jié)論與討論

①此次過程中低層冷暖空氣發(fā)生強(qiáng)烈交匯，具備經(jīng)典的斜壓大氣結(jié)構(gòu)特征。低層高溫高濕，地面強(qiáng)的溫度鋒區(qū)、低層良好的水汽輸送、強(qiáng)的垂直風(fēng)切變配合地面中尺度輻合線的觸發(fā)作用，為強(qiáng)對流天氣的形成提供了良好的環(huán)境場條件。

②中低層低槽、切變線東移，切變南側(cè)華南到福建西北部存在低空西南風(fēng)急流，為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生提供較好的動力抬升條件；配合低層暖脊、中層冷槽的熱力不穩(wěn)定條件；26日白天下濕、上干的水汽垂直結(jié)構(gòu)；在地面冷鋒東移南壓的觸發(fā)作用下，在850hPa切變線附近與低空西南風(fēng)急流之間發(fā)生了強(qiáng)對流天氣。

③中尺度系統(tǒng)快速東移觸發(fā)線狀對流系統(tǒng)在東移過程中產(chǎn)生雷雨大風(fēng)，其前方激發(fā)的超級單體風(fēng)暴產(chǎn)生冰雹。此次颮線呈現(xiàn)明顯的弓狀回波特征，同時低層有明顯的后側(cè)入流；在中等到強(qiáng)的垂直風(fēng)切變環(huán)境中，對流層中層有較強(qiáng)的干冷空氣卷入是產(chǎn)生雷雨大風(fēng)的重要原因之一；合適的0℃和-20℃層高度利于冰雹(大冰雹)的產(chǎn)生。

④低層徑向速度大值區(qū)、中層徑向輻合是雷雨大風(fēng)出現(xiàn)的雷達(dá)回波特征；高懸的強(qiáng)反射率因子核、寬廣的WER，旁瓣回波的出現(xiàn)及VIL值的躍增則是冰雹出現(xiàn)的雷達(dá)回波特征。雷達(dá)回波對此次強(qiáng)對流天氣，尤其對于冰雹(大冰雹)天氣有明顯的特征反映。

⑤對雷達(dá)回波和地面觀測資料等的跟蹤監(jiān)測分析對于做好強(qiáng)對流天氣預(yù)報和服務(wù)有重大意義。短臨預(yù)報中，應(yīng)及時針對天氣實況對數(shù)值預(yù)報模式進(jìn)行實時滾動訂正，重點(diǎn)關(guān)注地面實況資料的加密分析和雷達(dá)回波演變的分析，并及時發(fā)布強(qiáng)對流預(yù)警信號。