浙北地區(qū)一次強冷空氣南下引起的雷雨大風(fēng)分析

曹俊元 杜惠良

(1.杭州市氣象臺，浙江杭州310051;2.浙江省氣象臺，浙江 杭州310017)

0 引言

2012年4月2日19:00前后，受低槽東移影響，在安徽中南部和江蘇南部，新生一條東北西南向颮線回波，而后向東南方向移動，先后影響浙江北部地區(qū)，于3日2:00左右強對流回波移到浙江沿海地區(qū)后減弱消亡，強對流過程結(jié)束。強雷暴所經(jīng)之地，氣壓升高，Δp3最大數(shù)值達(+10.3 hPa);氣溫劇烈下降，大部分地區(qū)降溫在8～10℃之間，局地降溫10～12℃。浙北地區(qū)出現(xiàn)了8～9級，其中湖州、嘉興、杭州、紹興和寧波共有16個測站出現(xiàn)9級大風(fēng)。4月2日21:50，湖州市長興縣和平鎮(zhèn)興磧村私人茶場山頂采茶工臨時住宿房因受雷雨天氣和大風(fēng)影響發(fā)生倒塌，致使多人被埋壓，造成20多人受傷，7人死亡。

1 大尺度環(huán)流形勢

1.1 高空形勢特點

在這次強空氣南下之前，歐亞上空為一槽一脊形勢，4月1日08:00 500 hPa圖上，在貝加爾湖至烏魯木齊烏一線有下滑槽，溫度槽落后于氣壓槽，槽前呈輻散狀，在烏拉爾山附近及東部是暖高脊，由于暖脊、冷槽與高度脊、槽相對應(yīng)，脊、槽都將發(fā)展加強。

4月2日08:00 500 hPa圖上(圖1)，低槽東移到了呼和浩特、榆林和蘭州一線，槽后的高壓脊在暖平流的作用下迅速發(fā)展，槽后偏北氣流增大，槽后的西北風(fēng)≥20 m/s以上。另外在青島、南京、衡陽有一低槽，槽前有強西南氣流向北輸送水汽，槽后長江以北地區(qū)上空又有較強的冷平流，槽前有強西南氣流，其下方的前部地面倒槽發(fā)展，地面倒槽北部伸展到遼東半島。同時，700 hPa高空圖上，槽線位于濟南、鄭州至安康一線，850 hPa高空圖上，槽線位于天津、鄭州和宜昌。由于850 hPa槽線與地面冷鋒相重疊，700，500 hPa低槽位于850 hPa和地面冷鋒槽前 4～5個緯距，即為前傾結(jié)構(gòu)。而500，700，850 hPa槽前均為暖平流，副熱帶高壓脊線在20°N以南地區(qū)，呈東北東－西南西走向，高空3層均有西南急流，急流軸線在南昌至上海一線，急流軸線上的最大風(fēng)速分別為28，24和20 m/s。

2日20:00 500 hPa的低槽下滑生成一個移動性的低槽，此槽明顯得到發(fā)展，且槽后上空又有深厚的干、冷西風(fēng)槽配合，500，700 hPa的槽線相重疊，槽線位于蚌埠至長沙一線，850 hPa的槽線位于南京、安慶和長沙一線，而槽線與地面冷鋒又相重疊。500 hPa槽后西北氣流和冷平流都較大，500 hPa槽后蚌埠和安慶最大西北風(fēng)達41 m/s;而850 hPa槽后蚌埠和漢口最大西北風(fēng)也達20 m/s，槽前黃山西南西風(fēng)只有6 m/s，此時槽前強對流出現(xiàn)的區(qū)域輻合明顯增強。高空槽后有干冷平流和強勁的西北風(fēng)動量下傳，槽線與地面冷鋒很近，冷鋒鋒面坡度很大，此時，500，700 hPa的槽線重疊，850 hPa槽線與地面冷鋒相重疊。由此可見，北方冷槽深而陡，鋒區(qū)狹窄、能量集中、上升運動十分強烈，一旦遇到合格條件，極易產(chǎn)生強對流天氣。

1.2 地面形勢

4月2日08:00地面圖上強冷空氣的前鋒已到達秦皇島、濮陽和漢中一線(圖1)，鋒后等壓線很密集，冷中心為1040 hPa，最大Δp3分別在天水和寶雞(+8.6和 +8.4 hPa)。2日20:00冷鋒位于南京至長沙一線，鋒后湖北、安徽和江蘇中北地區(qū)有大范圍的3 h正變量中心，Δp3最大中心在安徽肥東附近(+9.7 hPa)，23:00冷鋒后部的3 h正變量中心移到安徽南陵和涇縣附近，Δp3最大數(shù)值達(+10.4 hPa)，這些都是表明強冷空氣即將迅速向南爆發(fā);鋒面所經(jīng)之處都是出現(xiàn)了雷雨并伴有偏北大風(fēng)。

圖1 2012年4月2日高空與地面圖的綜合圖

2 雷雨大風(fēng)的形成條件分析

雷雨大風(fēng)是積雨云強烈發(fā)展成熟后，從積雨云中下降的冷空氣到達地面時所引起的大風(fēng)［1］。雷雨大風(fēng)出現(xiàn)時，往往地面風(fēng)向突變，風(fēng)速劇增，并帶有明顯的陣性。它的形成與天氣形勢有密切關(guān)系，它常出現(xiàn)在冷鋒前，春、夏季節(jié)的積雨云里最易發(fā)生。強冷空氣入侵時，地面冷鋒前部的暖氣團中，或低壓槽附近，大氣存在不穩(wěn)定層結(jié)，此時最易形成強對流天氣。

2.1 水汽條件分析

2.1.1 水汽的水平輸送

4月1日08:00地面圖上，西南倒槽強烈發(fā)展，其北部一直伸展到華北地區(qū)，長江中下地區(qū)均處在冷空氣前部的暖區(qū)，由于鋒前暖濕氣流輻合增強，地面露點增大，形成一個東北東至西南西走向的露點高值區(qū)，其中心在南昌附近。2日08:00在杭州灣至寧波附近有氣旋性彎曲，由于長江下游吹一致的西南風(fēng)，南昌附近的高露點值向長江下游移動。2日17:00地面冷鋒已到達盱眙至漢口一線時，同時安慶、杭州有輻合線，太湖附近有低壓環(huán)流形成，安徽南部到蘇南的露點溫度明顯增大，14:00在安徽中南部露點溫度只有12～13℃，到17:00露點溫度已升到14～15℃，20:00在安徽南部到太湖附近的露點溫度迅速增大，最大值在江蘇溧陽露點溫度為16℃。隨后強冷空氣的入侵，強雷暴天氣的爆發(fā)，氣溫和露點快速下降。19:00安徽中南部氣溫25～26℃，20:00后出現(xiàn)雷雨等強對流天氣，地面氣溫和露點迅速下降，到21:00地面氣溫只有14～16℃，普遍下降到10～11℃之間。

這次強對流天氣發(fā)生前的流場分析來看，地面處在強冷空氣的前部，由于鋒前有氣流的輻合，水汽大量聚積在輻合線附近，同時850，700 hPa上均有低空西南急流，急流軸在南昌至衢州一線。由于低空一致吹西南氣流，大量水汽源源不斷地輸送到長江中下游地區(qū)，加上地形的作用，浙江中北部地區(qū)的水汽不斷增多。由2日08:00 850 hPa比濕圖上(圖略)可知，最大的比濕中心在湖南衡陽和江西吉安，分別達8.6和8.9 g/kg，濕舌伸展浙江北部到上海一帶。在強西南氣流的作用下，長江下游地區(qū)的比濕迅速增大，到20:00(圖2a)衢州、杭州比濕增加了2.1 和1.4 g/kg，分別為8.8 和8.6 g/kg。由同一時間的850 hPa水汽通量散度場來看(圖2b)，在低空急流軸上水汽通量散度較大，中心在湖南中部，中心數(shù)值達16.0 g/cm·hPa·s，水汽通量軸呈東北東向分布(圖2c)，濕舌伸展到安徽南部至浙江北部地區(qū)，水汽通量軸與低空急流軸線基本重疊，在低空西南急流的作用下，20:00其中心已經(jīng)到達安徽南部至浙江北部地區(qū)。在850，700 hPa槽線附近又是水汽的輻合中心，且有大量的水汽凝結(jié)，產(chǎn)生一定凝結(jié)潛熱來維持強對流天氣的發(fā)展。

2.1.2 水汽的垂直分布

強對流天氣是比濕垂直遞減率較大的區(qū)域，呈現(xiàn)上干下濕分布(圖2d)，2日08:00，長江流域最大 Δq850－700值在長沙附近，值為5.8 g/kg，在西南風(fēng)急流的作用下，Δq最大值向長江下游擴展，2日20:00南昌至衢州，杭州達 5.3 g/kg。

上述分析表明，從地面水汽的變化，850 hPa水平比濕分布及垂直變化，低層水汽增大，這為強對流天氣出現(xiàn)提供了水汽和潛熱;強對流區(qū)域上空上干下濕垂直分布，使氣層成為對流性不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 2012年4月2日水汽水平分布及垂直分布情況

2.2 不穩(wěn)定度分析

2日08:00長江下游地區(qū)700 hPa以下吹一致的西南風(fēng)，增溫明顯，而500 hPa以上處在西風(fēng)槽前冷平流降溫區(qū)，故層結(jié)是不穩(wěn)定。從Δt850－500可知(表 1)，2 日 08:00 各站的24 h Δt850－500變化值均大于1日08:00的24 h變化值，2日20:00各站上空的氣層均比1日趨于不穩(wěn)定。強對流出現(xiàn)的區(qū)域內(nèi)2日08:00和2日20:00Δt850－500的變化值為正值，上空的氣層不穩(wěn)度趨于增大。進一步分析發(fā)現(xiàn)，位于強雷暴區(qū)域內(nèi)的安慶2日20:00Δt850－500的變化的值最大的(7℃)，杭州2日20:00Δt850－500的變化的值為(3℃)。2日20:00Δt850－500達到27℃。高空500 hPa高空有很強的冷平流，長江下游地區(qū)2日20:00Δt24降溫2℃以上，寧波和南昌上空降溫幅度達3℃。在溫度露點差場上來看，長江中下游地區(qū)500 hPa上層干區(qū);而850 hPa低層有暖平流，長江下游增溫明顯，最大值出現(xiàn)在東南沿海，大陳島2日20:00Δt24增溫達8℃，而850 hPa又有低空急流和濕舌配合，此處氣層極不穩(wěn)定。

表1 Δt850－500氣溫變化情況 ℃

2日08:00長江下游地區(qū)從低層到200 hPa高度均處在槽前，而強對流又正處于強的輻合上升氣流里，分析4月2日08:00武都到上海的空間垂直剖面圖(圖3)可以看出。2日08:00從低層到高空有二條槽線，在蚌埠至安慶的3～5 km上空的低槽，由于厚度不大，很快東移到海上，槽后給長江中下游地區(qū)高空降溫降濕;另一條在蚌埠到漢口5～9 km上空的低槽，由于槽前干冷平流的下沉作用，到2日20:00 500 hPa的低槽下滑生成一個移動性的低槽，此槽明顯得到發(fā)展，且槽后上空又有深厚的西風(fēng)槽配合，500 hPa槽后西北氣流和冷平流都較大，而500，700和850 hPa的槽線相重疊，槽線位于南京和長沙，500 hPa槽后蚌埠和安慶最大西北風(fēng)達41 m/s，而850 hPa槽后蚌埠和漢口最大西北風(fēng)達20 m/s，槽前安慶西南風(fēng)6 m/s。因此，垂直剖面圖上的兩個低槽就是低層到高層的不穩(wěn)定能量釋放的觸發(fā)機制。

圖3 2012年4月2日08:00垂直剖面圖

在Δθse(500－850)分布圖上，長江中下游地區(qū)為位勢不穩(wěn)定區(qū)，長沙—南昌為負中心，強對流區(qū)域明顯的位勢不穩(wěn)定區(qū)中，其中雷暴區(qū)與強不穩(wěn)定軸線配合較好。位勢不穩(wěn)定環(huán)境也為對流性強降水提供了有利條件)(圖4)。而850，700 hPaθse場上，θse強梯度區(qū)(圖略)與強對流天氣走向基本吻合，而θse軸與低空急流軸方向一致，強對流天氣在低空急流軸與850 hPa的高能軸線附近和能量鋒區(qū)上生成、發(fā)展，并向大值中心附近及其下風(fēng)方向移動。

圖4 2012年4月2日20:00 Δθse(500－850)分布圖(單位:℃)

另外，高空急流對強對流天氣也有重大作用，由于400～150 hPa北京、蚌埠、漢口一線有低槽，低槽后部有大范圍的冷平流降溫(Δt24為－1～－3℃)，使高空急流南壓加強，長江中下游地區(qū)正好位于高空急流的下方。由于2日08:00 500，700，850 hPa高空3 層均有高、低空急流，急流軸線在南昌至上海一線，而強雷暴區(qū)域又恰好在高空急流帶附近垂直風(fēng)切變大值區(qū)的前方，v300/v850表示垂直風(fēng)切變(圖5)，高空大的風(fēng)速垂直切變的動力擾動作用是觸發(fā)造成強雷暴天氣及大風(fēng)的重要條件。

2.3 渦度、散度、垂直速度分析

從分析表明，高空槽后冷平流，槽前暖平流。高空槽前有高空急流，在對流中層有強風(fēng)速區(qū)。槽前有明顯的正渦度平流(圖略)，造成的高空輻散能觸發(fā)強對流天氣發(fā)生。在850，925 hPa低層有發(fā)展的低渦或低渦切變線。低渦系統(tǒng)東南有低空急流存在，伴隨其發(fā)展，有暖脊或暖平流和濕舌向北伸展。強雷暴天氣出現(xiàn)在低空急流發(fā)展最盛的時候，暖濕舌的西側(cè)。

圖5 2012年4月2日08:00 v300/v850垂直風(fēng)切變圖(單位:m/s)

低層散度場來看，強對流出現(xiàn)在強輻合區(qū)中，2日20:00 850 hPa負輻散中心在南京附近(圖略)，最大值達到 －8 ×10－5/s。同時，在長江下游地區(qū)有一上升運動區(qū)(圖略)，中心在靠近850，700 hPa低空急流左側(cè)的蕪湖到南京之間，中心值為 －17.4×10－5hPa/s。另外，2日08:00急流軸上的風(fēng)向切變在衢州至杭州之間，加上高空500 hPa的有明顯的低槽下滑及快速東移、到2日20:00高空500，700和850 hPa的槽線相重疊，高空低槽稍落后于地面鋒線，地面鋒前暖空氣活躍，當受到槽后有干冷平流和強勁的西北風(fēng)動量下傳影響時(圖略)，促使氣層對流發(fā)展，高空低槽下滑及快速東移是維持大范圍輻合上升運動的重要機制，也是造成這次大范圍雷暴大風(fēng)的必要條件。

2.4 中小尺度系統(tǒng)對雷雨大風(fēng)的作用

大尺度天氣系統(tǒng)為雷雨大風(fēng)提供了必要的條件，而中小尺度系統(tǒng)颮線的發(fā)展及移動，它與雷雨大風(fēng)有直接的關(guān)系。通常，雷雨大風(fēng)出現(xiàn)在強雷暴云發(fā)展的強盛時期［2］。

2日14時地面圖上，在安徽霍山附近有一個中尺度低壓(圖略)，另外在太湖西部3省交匯處有輻合線形成，由于氣流輻合，此處的氣溫、露點溫度明顯增高，17:00中尺度低壓已到達溧陽附近的輻合區(qū)域內(nèi)，18:00—19:00中尺度低壓在太湖附近得到發(fā)展加強，在中尺度低壓的北部安徽績溪、宣城及江蘇南部等地均出現(xiàn)雷陣雨及大風(fēng)天氣，20:00后中尺度低壓向東緩慢移動，強雷暴天氣在中尺度低壓附近出現(xiàn)，21:30到達南通后中尺度低壓入海，低壓在海上強烈的發(fā)展，引導(dǎo)北方強冷空氣快速南下，強對流天氣強烈發(fā)展。

從雷達回波動態(tài)圖上可以看到(圖6)，其變化同中尺度低壓，雷暴的強弱變化也基本是一致的。19:58杭州雷達探測，安徽績溪、溧陽、南通一帶呈帶狀分布，20:57雷達回波向東南移動，并分裂出2個強回波中心，一個在安徽績溪和宣城一帶，另一個長興附近，回波進入長興后迅速發(fā)展，到21:50長興、湖州等地出現(xiàn)雷陣雨，并伴有9級以上的偏北大風(fēng)。3日02:00后回波到達沿海一帶，并逐漸分裂、減弱，趨于消失。

由上述分析看出，中尺度低壓出現(xiàn)后向東南移動，當移入地面的輻合區(qū)域時，中尺度低壓發(fā)展加深、移速緩慢，雷暴云團得到發(fā)展加強。

2.5 下降冷空氣的強度

氣團內(nèi)部的雷雨大風(fēng)與下降冷空氣的溫度有關(guān)［3］，而下降冷空氣的主要層次是0℃所在的高度，下降氣流是按濕絕熱直減率變化的。從出現(xiàn)雷雨大風(fēng)當天0℃層高度變化來看，2日08:00杭州0℃層高度基630 hPa附近，2日20:00 0℃層高度已上升到620 hPa附近，沿濕絕熱線下降到地面的溫度是18℃，當天地面最高氣溫是26.4 ℃，Δt=tg－tq=8.4 ℃，根據(jù)多年實際預(yù)報工作經(jīng)驗Δt≥8℃就會有雷雨大風(fēng)出現(xiàn)。

從分析2日20:00小區(qū)域天氣實況圖上可知(圖略)，溫度鋒和露點鋒明顯加強并有較大的交角，在這樣的區(qū)域容易發(fā)展強烈對流。當時溧陽與蕪湖露點差和溫度差分別為6℃/100 km和5℃/100 km，且露點鋒與溫度鋒在此地區(qū)的交角最大。當露點鋒與溫度鋒的交角移到長興到杭州時，出現(xiàn)了陣風(fēng)8～9級的偏北大風(fēng)，浙江北部沿海出現(xiàn)了10～11級的大風(fēng)。

圖6 2012年4月2日杭州雷達回波情況

3 強雷暴大風(fēng)方法應(yīng)用

強雷暴大風(fēng)出現(xiàn)時間可通過繪制強雷暴移動路徑圖預(yù)報，強雷暴大風(fēng)強度可用下式計算:

式中Vm為預(yù)報的最大風(fēng)速;to為預(yù)報強雷暴到達本站時的氣溫。若強雷暴上午過境，因地面往往有輻射逆溫，氣溫沒有代表性，這時可用本站或鄰近站的探空從近地面逆溫層頂沿干絕熱線下降到地面時的溫度。tc為強雷暴后部冷溫區(qū)中心值，如無冷溫中心，則取強雷暴后部冷區(qū)中相信200～300 km處的最低的溫度，由于正點氣溫不是最低的溫度，根據(jù)多年實際工作經(jīng)驗在最低的溫度上1℃作為tc值。用此式可在強雷暴到達本站前1～2 h報出強雷暴大風(fēng)強度。

本例試報結(jié)果見表2。

表2 強雷暴大風(fēng)強度試報結(jié)果 m/s

4 小結(jié)

4.1 這次雷雨大風(fēng)發(fā)生前表現(xiàn)為前傾槽，臨近影響時中低空槽線重疊，這種結(jié)構(gòu)，有利于對流不穩(wěn)定層結(jié)的建立，大氣環(huán)境抬升作用非常明顯，容易激發(fā)強對流。

4.2 這次雷雨大風(fēng)最明顯的特征是高空有很強的冷平流。高空溫壓場的配置，在初期溫度槽顯著地落后于氣壓槽，在西北氣流的上游是冷中心，西北氣流可造成強冷平流，當這種強冷平流疊置在低層暖平流或濕舌上空時，形成明顯的對流不穩(wěn)定層結(jié)。

4.3 在高空急流入口區(qū)的負渦度與低空西南急流的正渦度區(qū)相重疊的地方，當高、低急流上下耦合時，在該區(qū)內(nèi)極易產(chǎn)生強對流天氣。

4.4 雷暴區(qū)域又恰好在高空急流帶附近垂直風(fēng)切變大值區(qū)的前方，高空大的風(fēng)速垂直切變的動力擾動作用是觸發(fā)造成強雷暴天氣及大風(fēng)的重要條件。

［1］ 盧家麟，滕衛(wèi)平，李清泉，等.強對流天氣展望預(yù)報的一種綜合方案及其系統(tǒng)［J］.浙江氣象科技，1991，12(03):1－4.

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