懷化兩次颮線過程對比分析

張 昆，王起喚，彭艷青，王 強

(懷化市氣象局，湖南懷化 418000)

颮線又稱為不穩(wěn)定線或氣壓涌升線，是氣壓和風(fēng)的不連續(xù)線，由多個雷暴單體或雷暴群所組成的狹窄的強對流天氣帶[1]。颮線過程常伴有強降水、雷暴大風(fēng)和冰雹等強對流天氣，對人民群眾生命財產(chǎn)安全造成危害，是預(yù)報工作的重點。因其發(fā)展迅速，生命史短，局地性、突發(fā)性強，又是預(yù)報工作的難點。因此，颮線至今仍是災(zāi)害性天氣的重點研究課題。多年來，國內(nèi)外氣象工作者針對颮線的成因和結(jié)構(gòu)等做了較多研究。丁一匯等[2]在1980年代將我國形成颮線的天氣背景分四種類型：槽后型、槽前型、高后型、臺風(fēng)倒槽或東風(fēng)波型；武麥鳳等[3]和牛樂田等[4]對影響陜西的颮線個例進行了詳細分析，高空冷渦是產(chǎn)生颮線的主要影響系統(tǒng)；潘玉潔[5]、公衍鐸[6]和孟妙志[7]等通過對風(fēng)、氣壓等氣象要素以及雷達回波等資料的分析，揭示了颮線系統(tǒng)的中尺度特征；也有不少湖南氣象研究者對本省的一些颮線過程進行了對比分析[8-10]。但針對影響懷化的颮線過程的天氣背景、環(huán)境條件特征的研究不多。本文利用地面、高空常規(guī)觀測資料、懷化CB雷達數(shù)據(jù)以及NCEP 1°×1°再分析數(shù)據(jù)，采用天氣學(xué)分析方法，對2016年4月2日和15日影響懷化的兩次颮線過程進行分析，以期提高對影響懷化的颮線過程的認識，為今后做好颮線天氣預(yù)報預(yù)警工作提供參考依據(jù)。

1 過程實況

2016年4月2日20時至3日08時(北京時，下同)，懷化北部和中部受颮線影響，出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、冰雹和短時強降水等強對流天氣(以下簡稱“4·2”過程)。其中2日22時至3日01時懷化北部受貴州中部生成的強回波東移影響，雷達回波表現(xiàn)出一定的弓形回波特征，造成麻陽和辰溪先后出現(xiàn)冰雹和雷暴大風(fēng)天氣。麻陽本站觀測到的最大冰雹直徑約為20 mm(23:05—23:15)，境內(nèi)黃土溪最大風(fēng)速達22.6 m/s。與此同時，3日00時貴州中東部又有一條弓型回波生成東移，并在懷化中部發(fā)展成熟形成颮線，在向東北方向移動過程中造成懷化中部和北部出現(xiàn)雷暴大風(fēng)和短時強降水，洪江市最大風(fēng)速達22.1 m/s，洪江區(qū)洪高村最大雨強達41.3 mm/h。3日05時之后颮線減弱消失，北部有孤立的新生單體影響。過程造成5站次8級以上雷暴大風(fēng)、2縣冰雹和14站次短時強降水。

2016年4月15日20時至16日08時颮線自北向南影響懷化，過程中懷化出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、冰雹和短時強降水等強對流天氣(以下簡稱“4·15”過程)。15日21時左右，重慶東南部和貴州東北部有回波單體生成，并向東南方向移動。23時回波發(fā)展旺盛并開始影響懷化北部，相繼出現(xiàn)冰雹、雷暴大風(fēng)和短時強降水等強對流天氣。同時貴州東北部又有一條帶狀回波形成，并不斷發(fā)展成熟形成颮線，自北向南影響懷化。06時回波減弱消失，過程結(jié)束。整個過程出現(xiàn)11站次8級以上雷暴大風(fēng)、3縣冰雹和51站次短時強降水。其中麻陽黃土溪最大風(fēng)速達24.3 m/s，溆浦最大冰雹直徑約7 mm，沅陵陳家溪最大雨強達50.7 mm/h。

對比兩次颮線過程(表1)發(fā)現(xiàn)，兩次颮線均生成于貴州，而后在懷化境內(nèi)發(fā)展成颮線，影響懷化時間較長，約7～8 h，均出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時強降水以及冰雹等強對流天氣。不同的是，“4·2”過程颮線主要由西南向東北影響懷化中部和北部，冰雹較強；“4·15”過程颮線由西北向東南影響懷化全市，雷暴大風(fēng)和短時強降水均較“4·2”過程強。

表1 2016月4月2—3日和15—16日兩次影響懷化的颮線過程對比

2 中尺度特征分析

2.1 颮中系統(tǒng)

分析兩次颮線過程地面10 m風(fēng)場和海平面氣壓場，兩次颮線過程均表現(xiàn)出較典型的颮中系統(tǒng)特征?！?·2”過程(圖略)，3日03時颮線前沿線位于辰溪東南部—中方東部—洪江中東部—會同西北部一線，呈弓形彎曲，颮線的長度達150 km以上，颮線的寬度約為 20 km，長寬比大于 5:1，颮線后部為寬廣的層狀云降水回波。海平面氣壓場上，颮線后方是一東北—西南向狹長的中高壓區(qū)(雷暴高壓)，高壓中心強度約為1 010.6 hPa；颮線前方是一個低壓區(qū)(颮前低壓)，低壓值約為1 007.9 hPa；雷暴高壓的后部為1 007.4 hPa(新晃站)中低壓(尾流低壓)，尾流低壓是颮線發(fā)展成熟的一個標志[11]。尾流低壓與雷暴高壓形成一對氣壓偶，與颮前低壓對稱。雷暴高壓前部和后部均為偏北氣流，但前部風(fēng)速大于后部。雷暴高壓內(nèi)部有一定的氣流輻散，颮線前后有風(fēng)速輻合。颮線位于雷暴高壓前沿等壓線較密集區(qū)以及風(fēng)速、風(fēng)向輻合區(qū)，實為颮鋒；尾流低壓要略強于颮前低壓?！?·15”過程也有類似特征，但颮線長度明顯較“4·2”過程長，達300 km以上。

2.2 颮線系統(tǒng)過境時氣象要素的劇烈變化

颮線過境時往往表現(xiàn)出氣溫驟降、氣壓涌升、相對濕度和風(fēng)速增大等經(jīng)典颮線的典型特征，并且多數(shù)伴隨有短時強降水、雷暴和短時大風(fēng)(7級以上的陣風(fēng))[6]?！?·2”過程中，3日02:15左右，颮線過境前后洪江站溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素呈顯著變化特征(02:00—04:00，圖1a、1b)：溫度由24.4 ℃(02:16)降到18.4 ℃(02:45)；本站氣壓由979.9 hPa(02:07)升至982.0 hPa(02:57)后又下降；風(fēng)場由南風(fēng)(3.1 m/s，02:09)迅速轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)(16.3 m/s，02:24)；相對濕度明顯增大。另外，颮線過境前(00：00—02:00)本站氣壓出現(xiàn)下降，氣溫上升了約 0.7 ℃。由此可見，颮線過境前大體上存在降壓升溫的趨勢，有利颮前低壓的形成。颮線過境時(02:15前后)，氣壓迅速上升(形成雷暴高壓)，過境之后氣壓下降(形成尾流低壓)?！?·15”過程也具有類似變化特征。

圖1 2016年4月3—4日洪江站氣壓和風(fēng)矢(a)、氣溫和相對濕度(b)逐分鐘變化

以上分析可見，兩次颮線過程均具有颮中系統(tǒng)的典型特征：都出現(xiàn)雷暴高壓、尾流低壓、颮線前低壓和颮鋒等中系統(tǒng)；颮線空間尺度150～300 km以上，時間尺度約5～6 h左右(典型的中β尺度特征)；颮線過境時氣溫驟降、氣壓涌升、相對濕度和風(fēng)速增大，伴有雷暴大風(fēng)和短時強降雨等強對流天氣。

3 影響系統(tǒng)和環(huán)境條件分析

3.1 主要影響系統(tǒng)

對比兩次颮線過程影響系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，“4·2”過程(圖2a)主要影響系統(tǒng)為高空槽、切變線、低空急流和地面輻合線，屬于低層暖平流強迫類配置形勢[12](暖區(qū)颮線)；“4·15”過程(圖2b)主要影響系統(tǒng)為高空槽、切變線、低空急流和地面冷鋒，屬于斜壓鋒生類配置形勢(冷鋒型颮線)。按照丁一匯等[2]對颮線的分類，兩次颮線過程均屬于槽前型。“4·2”過程主要在地面輻合線附近觸發(fā)，颮線的產(chǎn)生與急流有很大關(guān)系，在700 hPa低空急流軸上，特別是急流軸風(fēng)速輻合區(qū)產(chǎn)生颮線?！?·15”過程颮線發(fā)生發(fā)展以及移動主要和850 hPa切變線關(guān)系密切，颮線位于地面冷鋒之后。

圖2 2016年4月2日20時(a)和15日20時(b)主要影響系統(tǒng)

3.2 探空分析

由于兩次颮線均生成于貴州東部，離懷化探空站最近，因此分別選取兩次過程發(fā)生前懷化站探空資料進行分析。“4·2”過程(圖3a)發(fā)生前懷化站850～804 hPa之間為淺薄濕層，804～567 hPa之間為相對濕度在60%以下的干層，具有“上干下濕”特征，表明懷化上空有明顯的對流不穩(wěn)定層結(jié)，這是產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的典型層結(jié)。對流有效位能(CAPE)所代表的紅色區(qū)域面積較大，為1 382.5 J/kg，有較強的對流有效位能存在。SI指數(shù)為-4.55 ℃(表2)，有利于強對流天氣的發(fā)生?！?·15”過程(圖3b)，中低層大氣“上干冷、 下暖濕”的特征非常明顯， 下沉對流有效位能(DCAPE)也達到998.2 J/kg，有利于雷暴大風(fēng)產(chǎn)生。對流有效位能(CAPE)的計算值對抬升起始高度以及抬升起始高度處的溫度、濕度均很敏感。此次過程地面有弱冷空氣擴散南下，低層有淺薄的逆溫層，訂正前探空圖上計算的CAPE值為0 J/kg，對流層結(jié)也呈現(xiàn)出虛假的穩(wěn)定層結(jié)。經(jīng)過將起始高度訂正到逆溫層以上后，懷化上空有明顯的對流不穩(wěn)定層結(jié)，CAPE為954.9 J/Kg，說明有較強的對流有效位能存在。一些常用的熱力不穩(wěn)定參數(shù)(表2)中，K指數(shù)達38 ℃，SI指數(shù)為-4.31 ℃，有利于強對流天氣的發(fā)生。強對流發(fā)生后，對流有效位能得到釋放，16日08時懷化站CAPE值為0 J/Kg。

圖3 2016年4月2日20時(a)和15日20時(b)懷化站探空圖

表2 2016年4月2日20時和15日20時兩次颮線過程發(fā)展前懷化探空站對流參數(shù)

兩次過程均具有上干下濕的特征，有利于雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生，其中“4·15”過程DCAPE較大，產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的站次多，強度強；“4·15”過程K指數(shù)大于32 ℃,整層比濕積分較“4·2”過程大，短時強降雨更明顯。而“4·2”過程CAPE超過1 000 J/kg，融化層高度較“4·15”過程低，更有利于大冰雹出現(xiàn)。

4 垂直風(fēng)切變分析

垂直風(fēng)切變與強對流天氣類型及回波組織形態(tài)有密切關(guān)系[13]。業(yè)務(wù)上常用地面到500 hPa(0～6 km)風(fēng)矢量的矢量差的絕對值來表示垂直風(fēng)切變[14],再分析資料分析時常用1 000 hPa代替地面。分析兩次過程1 000～500 hPa垂直風(fēng)切變(圖4)發(fā)現(xiàn)，颮線過程開始前期，“4·2”過程(圖4a)和“4·15” 過程(圖4d)懷化上空垂直風(fēng)切變較大，均大于22 m/s，屬于強垂直風(fēng)切變，“4·2”過程前期和“4·15”過程出現(xiàn)較明顯冰雹天氣。颮線成熟階段，“4·15”過程(圖4e)維持強垂直風(fēng)切變30 m/s，而“4·2”過程(圖4b)垂直風(fēng)切變減弱到16～18 m/s。因此，“4·2”過程颮線組織結(jié)構(gòu)為拖尾型(TS型)，即颮線后部有明顯寬廣的尾隨層狀云區(qū)；而“4·15”過程為“平行型”(PS型)，颮線后部無明顯尾隨層狀云[15]。

圖4 2016年4月2—3日和15—16日1 000～500 hPa垂直風(fēng)切變(單位為m/s； a 2日20時，b 3日02時，c 3日08時，d 15日20時，e 16日02時，f 16日08時)

5 雷達特征分析

5.1 大風(fēng)回波特征

“4·2”過程，01:24(圖5a)新晃境內(nèi)回波表現(xiàn)弓形回波特征，而低仰角速度圖(圖5b)上有速度大值區(qū)，即0.5°速度圖上新晃境內(nèi)有超過27 m/s的速度大值區(qū)(1.5 km附近)，表明有中層后側(cè)強入流，這有利于地面大風(fēng)的形成，新晃境內(nèi)也確實出現(xiàn)了12 m/s左右的極大風(fēng)速。隨著回波東移發(fā)展，03:19表現(xiàn)出典型的颮線結(jié)構(gòu)(圖5c)，即雷達東南向有帶狀強回波分布，且具有明顯的反射率因子梯度；速度圖(圖5d)上具有明顯的后側(cè)強入流、低仰角速度大值區(qū)、中層徑向速度輻合等特征，表明有較強的下沉氣流。颮線影響期間洪江市最大風(fēng)速達22.1 m/s(洪江站3日02:00—03:00)。同時，后側(cè)強入流以及中層徑向輻合導(dǎo)致的強下沉輻散氣流是形成颮線的主要原因。

圖5 2016年4月3日01:24組合反射率因子(a) 、0.5°仰角徑向速度(b)，03:19組合反射率因子(c) 和 3.4°仰角徑向速度(d)

“4·15”過程，懷化中部區(qū)域出現(xiàn)大風(fēng)時段(16日01:00—02:00洪江區(qū)幸福路風(fēng)速達22 m/s)，組合反射率因子(圖6a，由于強降雨正好在懷化雷達站上空，天線罩對降雨回波產(chǎn)生衰減，因此回波強度比實際強度要弱很多)和2.4°仰角基本速度圖(圖6b)中，可以看到颮線后側(cè)0.8 km高度以上有20 m/s以上的后側(cè)強入流，在更低層0.5 km高度上有10 m/s以上的出流，說明存在傾斜的下沉氣流，也對應(yīng)了地面大風(fēng)區(qū)。同時還可以看到，低層為西北風(fēng)，低層冷空氣已經(jīng)經(jīng)過懷化本站。

圖6 2016年4月16日01:44組合反射率因子(a)和2.4°仰角徑向速度(b)

5.2 冰雹回波特征

對于C波段雷達，由于冰雹的強烈衰減作用，強冰雹回波有時候會出現(xiàn)一個頂點指向雷達的“V”形缺口。圖7a、7b中A、B區(qū)域指示的就是由于冰雹對雷達回波的衰減造成的“V”形缺口。表明兩次強對流天氣過程中，均出現(xiàn)了較強的冰雹，雷達電磁波無法穿透，導(dǎo)致其后部出現(xiàn)“V”形缺口。

A、B指示區(qū)域為V型缺口。圖7 2016年4月2日22:46(a)和15日23:49(b)組合反射率因子

分析兩次過程降雹時段反射率因子垂直剖面(圖8)發(fā)現(xiàn)，“4·2”過程麻陽降雹時，強回波呈豎直形態(tài)，50 dBz的回波伸展到11 km左右，超過-20 ℃層高度，60 dBz的回波也從2.5 km左右高度伸展到8 km以上，回波最強強度達65 dBz以上，同時低層表現(xiàn)出弱回波區(qū)特征，說明風(fēng)暴內(nèi)上升氣流較強，有利于大冰雹的形成和增長，冰雹直徑達20 mm?！?·15”過程溆浦降雹時，強回波呈豎直形態(tài)，但強回波伸展高度明顯較“4·2”過程低，50 dBz強回波高度未伸展至-20 ℃層高度以上，不利于冰雹的增長，因此溆浦只出現(xiàn)7 mm左右的小冰雹。

圖8 2016年4月2日22:46(a)和15日23:49(b)反射率因子垂直剖面

6 結(jié)論

(1)兩次颮線過程均具有颮中系統(tǒng)的典型特征：都出現(xiàn)雷暴高壓、尾流低壓、颮線前低壓和颮鋒等中系統(tǒng)；颮線空間尺度150～300 km以上，時間尺度約5～6 h左右(典型的中β尺度特征)；颮線過境時氣溫驟降、氣壓涌升、相對濕度和風(fēng)速增大。

(2)對比兩次颮線過程的影響系統(tǒng)和環(huán)境條件發(fā)現(xiàn)，“4·2”過程屬于低層暖平流強迫類配置形勢(暖區(qū)颮線)；“4·15”過程屬于斜壓鋒生類配置形勢(冷鋒型颮線)?！?·2”過程CAPE超過1 000 J/kg，融化層高度較“4·15”過程低，有利于大冰雹出現(xiàn)；“4·15”過程DCAPE較大，產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的站次多，強度強；K指數(shù)大于32 ℃，整層比濕積分較大，有利于短時強降水產(chǎn)生。

(3)垂直風(fēng)切變強弱與回波組織形態(tài)有密切關(guān)系?！?·2”過程颮線成熟階段為弱垂直風(fēng)切變，回波組織結(jié)構(gòu)為拖尾型(TS型)。而“4·15”過程在強垂直風(fēng)切變下，回波組織結(jié)構(gòu)屬于“平行型”(PS型)。弓形回波、成熟階段顯著的中層后側(cè)強入流、中層徑向速度輻合和低仰角速度大值區(qū)等特征是產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的典型雷達回波特征；“V”形缺口、弱回波區(qū)等是典型的雹暴特征。