于雷，連志鸞，熊秋芬，丁和悅

(1.保定市氣象局，保定 071000；2.河北省氣象臺，石家莊 050021；3.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；4.河北省氣象局強對流創(chuàng)新團隊，石家莊 050021)

引言

我國內(nèi)陸一些突破歷史觀測記錄的極端大風(fēng)天氣，往往是由下?lián)舯┝髟斐傻?翟麗萍等，2019)。而關(guān)于下?lián)舯┝鞲拍?，早?0世紀80年代，F(xiàn)ujita(1981，1985)將其定義為地面上水平風(fēng)速超過17.9 m·s-1、中空氣流向下、地面氣流呈輻散型的，直線型或曲線型風(fēng)害。俞小鼎等(2005)在進行對流風(fēng)暴分類時也指出，下?lián)舯┝魇悄茉诘孛嫔袭a(chǎn)生18 m·s-1以上輻散風(fēng)的一股集中下沉氣流。目前多將快速下降的反射率因子核、強而深厚的中層徑向輻合等特征作為下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)的預(yù)兆(俞小鼎等，2006；吳芳芳等，2009)。而在下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生、發(fā)展機理方面，張怡等(2012)指出高空動量下傳是造成低空及地面風(fēng)速迅速增大的一個重要因素。張弛等(2019)發(fā)現(xiàn)動量下傳和蒸發(fā)作用共同引發(fā)了下沉氣流；王秀明等(2013)認為，地面強風(fēng)由對流單體下沉輻散氣流疊加在冷池密度流上造成。周后福等(2017)對天氣個例分析后指出，水成物與環(huán)境大氣之間的負浮力增加是下?lián)舯┝鞯闹匾梢?。崔強?2017)的研究結(jié)果顯示地面風(fēng)速與雨水蒸發(fā)呈正相關(guān)，增大雨水蒸發(fā)率能引起地面風(fēng)速的增加。周后福等(2018)進一步指出地面大風(fēng)是由下沉運動配合降水物的重力拖曳、雷暴高壓局地輻散以及大氣次級環(huán)流圈等因素共同造成的。為明確比較水的相變冷卻和凝結(jié)物重量在下沉氣流的形成和維持方面所做的貢獻，Hjelmfelt(1989)提出將各水成物的比含水量換算為等效冷卻溫度來表征負浮力的大小。劉香娥等(2012)的研究結(jié)果表明降水粒子的融化、蒸發(fā)過程能顯著影響雷暴冷池的強度，進而造成地面大風(fēng)的出現(xiàn)或加強，其中雨水蒸發(fā)是關(guān)鍵因素；孫凌峰等(2003)的個例分析則發(fā)現(xiàn)冰雹重力拖曳作用是直接原因，其次是冰雹融化和雨水蒸發(fā)。

2017年7月9日傍晚至夜間河北中部發(fā)生了一次由下?lián)舯┝饕l(fā)的地面大風(fēng)天氣過程，雷雨大風(fēng)伴隨的次生和衍生災(zāi)害較為嚴重，部分學(xué)者(馬鴻青等，2019；楊曉亮等，2020)對過程發(fā)生的環(huán)境條件和對流風(fēng)暴演變特征等進行了分析，為進一步探討這次大風(fēng)過程中水成物的微物理特征及其對大風(fēng)風(fēng)速的影響，本文利用常規(guī)觀測、自動站加密觀測和雷達資料等先給出了下?lián)舯┝饕l(fā)的大風(fēng)的時空分布特征、雷達回波反射率因子演變等；再基于華北區(qū)域中尺度模式(RMAPS)的模擬結(jié)果對下?lián)舯┝鬟^程中的風(fēng)場及微物理過程等進行了模擬和分析，以期提高預(yù)報員對此類致災(zāi)性強天氣的認識，并為RMAPS產(chǎn)品在短臨預(yù)報預(yù)警工作中的應(yīng)用提供參考。

1 天氣過程概況

如圖1所示，2017年7月9日下午至夜間，冀中南77個縣(市/區(qū))出現(xiàn)雷雨天氣，64個國家站的極大風(fēng)風(fēng)速達8級，16個國家站風(fēng)速達10級，位于保定市順平縣高于鋪的4要素自動站監(jiān)測到43.1 m·s-1的極端大風(fēng)，為當(dāng)?shù)?973年有氣象記錄以來的歷史極值。同時本次過程中5個國家站出現(xiàn)冰雹，最大冰雹直徑1 cm。

圖1 2017年7月9日14:00—20:00(北京時，下同)地面極大風(fēng)(風(fēng)矢，單位:m·s-1)分布(黑色代表風(fēng)力8級，藍色9級；綠色10級；橙色11級；紅色12級)Fig.1 The distribution of extreme surface wind speed(barb,unit:m·s-1)from 14:00 to 20:00 BT on 9 July 2017(The black blue,green,orange,and red wind barbs are the scale of wind-force of 8,9,10,11 and 12,respectively).

2 下?lián)舯┝鞯睦走_和自動站觀測特征

本文關(guān)注的高于鋪極端大風(fēng)由中尺度颮線過境時伴隨的下?lián)舯┝饕l(fā)。下?lián)舯┝靼l(fā)生時，可以從石家莊雷達回波中觀察到順平站(圖2a中△標記處)附近上空有反射率因子核的多次下降，圖2給出了9日19∶00石家莊雷達1.5°仰角的反射率因子及沿線段AB的剖面產(chǎn)品，可以看出在18：54(圖2b)，≥55 dBz的反射率因子質(zhì)心1已經(jīng)降至距地面2—4 km高度處，此時質(zhì)心2位于6 km高度。至19∶00(圖2c)，質(zhì)心1已經(jīng)完全降至地面并在反射率因子圖中消失，質(zhì)心2降至2 km；19∶06(圖2d)質(zhì)心2也完全降落。

圖2 2017年7月9日19:00石家莊雷達1.5°仰角反射率因子(a)及18∶54(b)、19∶00(c)、19∶06(d)沿線段AB的剖面(dBz)，△為順平站Fig.2 The reflectivity factor(unit:dBz)from Shijiazhuang Doppler radar(a)with 1.5°elevation angle at 19:00 BT and the cross sections of radial velocities along the blue line AB at(b)18:54,(c)19:00 and(d)19:06 BT on 9 July 2017(△is the location of Shunping station).

下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)后，地面風(fēng)場呈輻散狀，高于鋪位于該輻散中心的東南側(cè)(圖4a)，結(jié)合其四要素自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖略)可知，高于鋪在下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)前(18∶55)有弱偏東風(fēng)(＜2 m·s-1)；19∶00風(fēng)向突變?yōu)槲鞅憋L(fēng)且風(fēng)速陡增至18.8 m·s-1，隨后風(fēng)向緩慢逆轉(zhuǎn)、風(fēng)速持續(xù)增加；19∶09出現(xiàn)了西北偏北風(fēng)，風(fēng)速43.1 m·s-1；之后風(fēng)速緩慢減弱、風(fēng)向變動不大；19∶25轉(zhuǎn)為2.1 m·s-1的偏西風(fēng)。18∶57地面開始有降水出現(xiàn)，19∶00、19∶05、19∶10的5分鐘雨量分別為1.3 mm、5.9 mm和9.6 mm。19∶00—19∶10氣溫驟降10.6℃。

自動站觀測圖(圖3)可清楚的觀察到地面冷池，由于地形海拔高度的影響，19：00冷中心與地面輻散中心相距約0.5個經(jīng)距(圖3a)，而1 h變溫場(圖3b)中可以看到風(fēng)場輻散中心大致位于負變溫中心附近略偏北的位置，這種溫度場的配置有利于冷池密度流的出現(xiàn)，尤其是地面輻散中心的東南側(cè)。最大風(fēng)速站點高于鋪就位于在地面輻散中心東南側(cè)的變溫梯度最大處。

圖3 2017年7月9日19∶00氣溫(a，等值線，單位:℃)、18∶00—19∶00變溫(b，等值線，單位:℃)與地形高度(陰影，單位:m，下同)的空間分布(b，○為地面風(fēng)場輻散中心，△為順平站，□為高于鋪)Fig.3(a)Temperature(solid line,unit:℃),(b)hourly temperature variation(solid line,unit:℃)at 19:00 BT on 9 July 2017 and terrain height(shadow,unit:m,○is the center of divergence of surface wind field,△is the location of Shunping station,□is the location of Gaoyupu station).

3 模式簡介

北京城市氣象研究院開發(fā)的華北區(qū)域中尺度數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)RMAPS(Rapid-refresh Mulit-scale Analysis and Prediction System)是基于WRFDA資料同化系統(tǒng)和WRF模式的新一代高分辨率數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，目前被廣泛應(yīng)用于華北地區(qū)各氣象臺站的預(yù)報業(yè)務(wù)及天氣分析中(郭良辰等，2019；陶局等，2019；楊璐等，2019)。

本文基于RMAPS系統(tǒng)平臺建立兩重嵌套網(wǎng)格，采用σ-z地形追隨坐標，以NCEP-GFS 0.5°×0.5°資料為背景場，并同化了京津冀本地實況觀測和雷達資料等，對本次下?lián)舯┝鬟^程進行模擬，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 RMAPS-ST系統(tǒng)及相關(guān)參數(shù)設(shè)定Table1 The version and related parameters setting of RMAPS-ST.

圖4b給出了模擬的9日19∶00地面風(fēng)的空間分布，可知下?lián)舯┝鞯乃匠叨嚷源笥?.2個緯距(約20～30 km)，其中心位于114.92°E，38.89°N，與實況(圖4a)對比，模擬的地面輻散中心較實況約偏西、偏南各0.1個緯距，但最大風(fēng)速出現(xiàn)在輻散中心的東南側(cè)，輻散中心西北側(cè)的風(fēng)速較小，以及輻散風(fēng)場的水平尺度等特征與觀測基本一致。表2為模擬的典型要素或物理量與實際觀測值的對比，同樣可以看到模擬下?lián)舯┝鞯睦走_回波、地面風(fēng)速(其中實況數(shù)據(jù)為區(qū)域站5 min最大風(fēng))、降水及變溫情況基本與實況觀測相符，因此模擬結(jié)果較為理想，其資料可用于本次過程的診斷分析。

圖4 2017年7月9日19∶00地面自動站瞬時風(fēng)場(風(fēng)矢，單位:m·s-1；圖中陰影為地形高度，單位：m)與(b)RMAPS模擬風(fēng)場(b，風(fēng)矢，單位:m·s-1)(○、△、□含義同圖3)Fig.4(a)The surface instantaneous wind(barb,unit:m·s-1)of automatic station and(b)RMAPS surface wind(barb,unit:m·s-1)at 19:00 BT on 9 July 2017(Shaded terrain height and○,△,□same as Fig.3).

表2 2017年7月9日19∶00模擬結(jié)果與觀測實況比較Table2 Comparison of simulated meteorological parameters with surface observations at 19：00 BT on 9 July 2017.

4 下?lián)舯┝餍纬蓹C制分析

4.1 動量下傳影響

基于RMAPS模擬結(jié)果，對下?lián)舯┝靼l(fā)生前后地面風(fēng)輻散中心(114.92°E，38.89°N)上空水平風(fēng)場與反射率因子進行時間剖面分析，如圖5所示，17∶00—18∶00垂直方向上的大風(fēng)速核心分別位于500 hPa和600 hPa，19∶00伴隨著降水回波的出現(xiàn)，650 hPa以上風(fēng)速減弱，而地面至700 hPa風(fēng)速加強，且地面至900 hPa的風(fēng)向也轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，表明下?lián)舯┝靼l(fā)生時，出現(xiàn)了動量下傳。

圖5 RMAPS模擬的地面風(fēng)場輻散中心上空2017年7月9日16∶00—21∶00水平風(fēng)（風(fēng)矢，單位:m·s-1）與雷達反射率因子(彩色，單位:dBz)的時空剖面圖，紫色箭頭為大風(fēng)核下沉示意圖Fig.5 The spatio-temporal profile of wind(barb,unit:m·s-1)and reflectivity factor(shaded,unit:dBz)over the divergence center simulated by RMAPS from 16:00 to 21:00 BT on 9 July 2017(Purple arrow is the denotes schematic diagram of gale nuclear subsidence).

圖6給出了19∶00水平風(fēng)場與反射率因子的空間分布，此時緯向垂直剖面(圖6a)與經(jīng)向垂直剖面(圖6b)中，≥20 m·s-1的大風(fēng)核均位于柱狀回波內(nèi)并與下沉速度中心相對應(yīng)，中心值分處在114.96°E、800 hPa(圖6a)和38.92°N、800 hPa(圖6b)處，由于降水影響，兩平面內(nèi)中低層大氣出現(xiàn)正擾動氣壓，擾動氣壓0線分別伸展至600 hPa和500 hPa。結(jié)合圖5的分析可知中低層環(huán)境大氣內(nèi)較強的西北氣流在云中和云底下方受降水影響出現(xiàn)動量下傳。

圖6 RMAPS模擬的2017年7月9日19:00沿輻散中心反射率因子(彩色，單位:dBz)、水平風(fēng)場（風(fēng)矢，單位:m·s-1）、垂直速度(綠色等值線，單位:m·s-1)和擾動氣壓(藍色實線，hPa)沿38.89°N(a)和114.92°E(b)垂直剖面(橫坐標黑色圓點處為地面輻散中心，下同)Fig.6 The reflectivity factor(shaded，unit:dBz),wind(barb,unit:m·s-1),vertical velocity(green contours,unit:m·s-1)and perturbation pressure(blue contours,unit:hPa)along(a)38.89°N and(b)114.92°E simulated by RMAPS at 19:00 BT on 9 July 2017(The black point is the center of surface divergence).

下沉氣流在近地層引起的輻散風(fēng)場具有“非對稱”的特征，以輻散中心為坐標原點，地面最大風(fēng)速出現(xiàn)在第二象限(圖7)。這種非對稱風(fēng)場的分布，除了與圖3中分析的密度流有關(guān)以外，下沉氣流的不均勻分布也有重要貢獻，如圖7所示，950 hPa中≤1.5 m·s-1的下沉運動區(qū)，基本與10 m風(fēng)場中≥18 m·s-1的大風(fēng)區(qū)域相對應(yīng)，二者均呈“東北-西南”走向，但大風(fēng)中心略偏向于下沉運動中心的下游。

由圖7還可分析出，950 hPa垂直速度場中有下沉和上升運動區(qū)，配合近地層輻散風(fēng)場，表明有次級環(huán)流存在。

圖7 RMAPS模擬的2017年7月9日19:00 950 hPa垂直速度(彩色線，單位:m·s-1)和地面水平風(fēng)速(黑色實線，單位:m·s-1)的空間分布(黑色圓點表示模擬的地面輻散中心)Fig.7 Vertical velocity(color line,unit:m·s-1)and surface wind speed(black line,unit:m·s-1)of 950 hPa simulated by RMAPS at 19:00 BT on 9 July 2017(The black point is the center of surface divergence).

4.2 微物理過程影響

根據(jù)相態(tài)、形狀和形成的物理過程不同，云中水成物可分為云水、雨水、云冰、雪、霰和雹(劉曉莉等，2018)，比含水量表征了單位質(zhì)量濕空氣中各水成物的質(zhì)量，常用g·kg-1為單位來表示。研究表明，水成物的比含水量與垂直運動密切相關(guān)(李夢婕等，2013)。

圖8為RMAPS模擬的沿38.89°N處19∶00云內(nèi)不同粒子比含水量的空間分布，可知雨水比含水量(圖8a)主要集中于550 hPa以下，中心值6.1 g·kg-1位于0℃層下方的114.99°E、650 hPa處，霰/冰雹比含水量(圖8b)的中心值6.2 g·kg-1位于0℃層上方的114.99°E、500 hPa處，雨水基本位于冰雹的下方且二者的中心值近乎垂直，這表明部分雨水粒子是由霰/冰雹融化而來。

云水(圖8c)大致與上升運動區(qū)對應(yīng)，兩個大值中心分別位于115.03°E、600 hPa和115°E、350 hPa處，數(shù)值分別為1.6 g·kg-1和1.5 g·kg-1，其中350 hPa處的云水中心對應(yīng)上升運動中心。圖8d表明，在上升運動的配合下，115°E、500—300 hPa的雪比含水量等值線向上凸起，數(shù)值隨高度增加，300 hPa處達到5 g·kg-1。以上分析表明，本次過程中，霰/冰雹的雹胚長所需的水汽主要由雪和云水提供。云冰比含水量(圖略)主要集中在0℃層之上，中心值僅為0.012 g·kg-1，可知其在本次過程中的貢獻相對較小。

圖8 RMAPS模擬的2017年7月9日19∶00沿38.89°N的雨水(a)、霰/冰雹(b)、云水(c)、雪(d)比含水量(黑色等值線，單位:g·kg-1)、及垂直速度(陰影，單位:m·s-1)的空間分布(紫色、藍色實線分別為0℃線和擾動氣壓0線,下同)Fig.8(a)Rain water mixing ratio,(b)graupel water mixing ratio,(c)cloud water mixing ratio and(d)snow water mixing ratio(black line,unit:g·kg-1)and vertical velocity(shaded,unit:m·s-1)simulated by RMAPS along 38.89°N at 19:00 BT on 9 July 2017(Purple line is 0℃,and blue line is 0 hPa of perturbation pressure)

上面的分析表明雨水和霰/冰雹的比含水量大，為了進一步分析過程中雨水、霰/冰雹等的相態(tài)變化對大風(fēng)形成的貢獻，參照Hjelmfelt等.(1989)、孫凌峰等(2003)、劉香娥等(2012)等的做法，引入式1～3，將雨水和霰/冰雹粒子的拖曳作用、雨水蒸發(fā)和冰雹融化等機制轉(zhuǎn)換成等效冷卻溫度。

其中Lf和Lv分別為冰融化和水蒸發(fā)對應(yīng)的潛熱，cp為定壓比熱，q為水凝物的混合比，qh、qr分別為霰混合比和雨水混合比，Θ為位溫，θ‘為擾動位溫，w為垂直運動。

如圖9所示，可知本次過程中霰/冰雹的拖曳作用(圖9a)和融化作用(圖9c)轉(zhuǎn)換得到的等效冷卻溫度中心值位于0℃層之上的550 hPa附近、拖曳略大于融化，其余各層二者的貢獻幾乎相當(dāng)。雨水拖曳作用轉(zhuǎn)化得到的等效冷卻溫度(圖9b)中心值位于650 hPa附近，為1.8℃，小于冰雹拖曳作用的中心值2.1℃，但在700 hPa及以下各層中雨水的拖曳作用逐漸大于冰雹拖曳和冰雹融化(圖9a,c)之和，越接近地面越明顯。雨水蒸發(fā)(圖9d)在本次過程中貢獻最大，其等效冷卻溫度的中心值達14℃，近地面115°E附近的等效溫度為6℃，地面風(fēng)場輻散中心附近為3～4℃。

圖9 RMAPS模擬的2017年7月9日19∶00沿38.89°N處的冰雹拖曳(a)、雨水拖曳(b)、冰雹融化(c)、雨水蒸發(fā)(d)等效冷卻溫度的垂直剖面(單位℃)Fig.9 The equivalent cooling temperature(unit:℃)of(a)dragging mechanism of hail,(b)dragging mechanism of rainfall,(c)melting mechanism of hail and(d)rainfall evaporation simulated by RMAPS model at 38.89°N at 19:00 BT on 9 July 2017.

另外，上述四種機制在近地面所造成的等效溫度最大值均位于風(fēng)場輻散中心的東側(cè)，這與圖7中下沉運動的空間分布較為一致，進一步證明了強下沉氣流的出現(xiàn)與水成物的拖曳、融化、蒸發(fā)等機制密切相關(guān)。

圖10給出了沿38.89°N剖面上述4種機制的總等效溫度，350 hPa以下各層的總等效溫度中心值近乎垂直于114.99°E，恰好此處為地面10 m風(fēng)速最大點(21 m·s-1)。地面風(fēng)場輻散中心處的10 m風(fēng)速最小，受下沉輻散氣流影響，其東、西兩側(cè)的風(fēng)速隨距離迅速增加，但東側(cè)增速的幅度比西側(cè)大，結(jié)合總等效溫度的分布，不難推斷，這是由于輻散中心的東側(cè)同時受到降水粒子的重力拖曳、蒸發(fā)、融化等機制的影響，這一點與前文的分析相一致。

降水粒子的上述分布特征及冷卻機制，導(dǎo)致了雷暴高壓的分布偏心于輻散中心東側(cè)(圖10)，在此區(qū)域，雷暴高壓的出流與風(fēng)場輻散氣流同向，從而進一步影響了地面10 m風(fēng)場的分布，這與自動站實況(圖3)中所分析的冷池密度流相一致。

由圖10還可知，在0℃層下方、正擾動氣壓的東側(cè)總等效冷卻溫度值較大但并未引起擾動氣壓的變化，結(jié)合圖8c可知，這是由于此處次級環(huán)流的上升支氣流及其內(nèi)部的云水凝結(jié)、雹胚生長等過程抵消了部分水成物的冷卻效應(yīng)所致。此外，由于水成物的冷卻效應(yīng)在115°E以東迅速減小，同時擾動氣壓梯度減小，地面風(fēng)速也有所減弱。

圖10 RMAPS模擬的38.89°N處2017年7月9日19∶00霰/冰雹拖曳、雨水拖曳及霰/冰雹融化和雨水蒸發(fā)的總等效冷卻溫度(紅色實線，單位:℃)、擾動氣壓(藍色實線，單位:hPa)、0℃等溫線(紫色實線)及地面風(fēng)速(黑色實線，右側(cè)副坐標，單位:m·s-1)空間分布Fig.10 The spatial distribution of RMAPS-simulated total equivalent cooling temperature for arroyo/hail drag,rain drag,arroyo/hail melt and rain evaporation(red solid line,unit:℃),disturbance pressure(bule solid line,unit:hPa)0℃isotherm(purple solid line)and surface wind speed(black solid line,,unit:m·s-1)along 38.89°N at 19:00 BT on 9 July 2017.

5 結(jié)論

本文基于多種觀測資料和RMAPS模擬結(jié)果，對2017年7月9日颮線過境河北保定順平時出現(xiàn)的下?lián)舯┝骷捌浒殡S的大風(fēng)過程進行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)對下?lián)舯┝靼l(fā)生前后的風(fēng)場和雷達反射率因子的模擬表明，中低層大氣中的西北氣流受降水的影響，出現(xiàn)動量下傳。下沉氣流伴有輻散狀強風(fēng)，近地層下沉中心大致位于地面最大風(fēng)速區(qū)的上空。

(2)云中水成物微物理特征模擬結(jié)果顯示雨水和霰/冰雹的比含水量大，霰/冰雹下落融化后使雨水粒子增加；在0℃層以上雹胚生長主要與雪和云水有關(guān)。

(3)比較不同水成物的等效冷卻溫度發(fā)現(xiàn)強下沉氣流的出現(xiàn)與水成物的拖曳、融化、蒸發(fā)等機制密切相關(guān)，其中雨水蒸發(fā)對大風(fēng)形成的貢獻最大；冰雹的拖曳作用與融化機制貢獻量相當(dāng)；在700 hPa以下，隨著高度降低，雨水拖曳的貢獻逐漸大于冰雹拖曳與冰雹融化貢獻之和。地面大風(fēng)區(qū)與總等效冷卻溫度中心對應(yīng)，而雷暴高壓位于地面輻散中心的東側(cè)，雷暴高壓的冷出流與地面風(fēng)向一致，使地面風(fēng)速加大。

(4)下沉氣流疊加在地面輻散氣流和冷池密度流上，導(dǎo)致地面輻散中心的東南側(cè)出現(xiàn)了43.1 m·s-1的極端強風(fēng)。極端強風(fēng)的下游，由于云水凝結(jié)、雹胚生長等凝結(jié)潛熱釋放過程抵消了部分水成物的冷卻效應(yīng)，以及冷出流減弱等因素，使得地面風(fēng)速有所減弱。