一次颮線大風(fēng)天氣過程成因分析

陳偉斌，陳見，趙金彪，翟麗萍

（廣西氣象臺(tái)，廣西南寧530022）

0 前言

強(qiáng)對(duì)流天氣是春季廣西發(fā)生頻率高的災(zāi)害性天氣。強(qiáng)對(duì)流天氣包括短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷雨大風(fēng)等，其中地面大風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，其是指大氣對(duì)流活動(dòng)所導(dǎo)致的地面及近地面的強(qiáng)風(fēng)事件。雷暴大風(fēng)來勢(shì)突然，造成的災(zāi)害重，因此引起氣象工作者的極大關(guān)注，很早即對(duì)其進(jìn)行研究，取得有很多有意義的進(jìn)展。Fujita［1］最早根據(jù)大風(fēng)的水平尺度分為4km以下的微下?lián)舯┝骱?km以上的宏下?lián)舯┝鳎M(jìn)一步根據(jù)地面降水量和回波強(qiáng)度，分為干下?lián)舯┝骱蜐裣聯(lián)舯┝?。后來一些研究?-3］將水平尺度10km以下的強(qiáng)風(fēng)稱為下?lián)舯┝鳎瑢⒋蠓秶牡孛鎻?qiáng)風(fēng)事件稱為線狀風(fēng)暴，其是由快速移動(dòng)的強(qiáng)颮線或弓形回波所造成的大范圍長時(shí)間維持的地面強(qiáng)風(fēng)事件。我國氣象工作者較早的對(duì)造成雷暴大風(fēng)的颮線的環(huán)流背景場進(jìn)行了分析，如丁一匯等［4］在1982年對(duì)我國颮線的發(fā)生條件進(jìn)行了研究，將颮線發(fā)生的天氣背景分為4個(gè)類型，并對(duì)不同天氣背景下颮線的物理?xiàng)l件進(jìn)行了對(duì)比分析。隨后更多的研究關(guān)注了颮線的結(jié)構(gòu)特征、發(fā)生發(fā)展機(jī)理［5-9］。

針對(duì)廣西雷暴大風(fēng)的研究也取得了一些有意義的進(jìn)展［10-13］，然而基于強(qiáng)對(duì)流天氣影響系統(tǒng)尺度小，預(yù)報(bào)難度大，因此仍然十分必要對(duì)其進(jìn)行研究，2014年3月31日廣西北部、東部由具有強(qiáng)組織性的颮線（弓形回波）造成了一次大范圍大風(fēng)天氣過程，本文擬對(duì)其成因進(jìn)行分析，試圖揭示其形成原因，以期為今后此類天氣過程的預(yù)報(bào)提供參考。

1 天氣概況

本次過程主要發(fā)生于3月30日22時(shí)-31日08時(shí)，由一條強(qiáng)颮線（弓形回波）自西北向東南掃過廣西北部、東部造成，具有強(qiáng)的系統(tǒng)性，大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)間有序，大風(fēng)方向以偏北方向?yàn)橹鳎瑸榈孛嬷本€型大風(fēng)［3］，過程累計(jì)66站次出現(xiàn)陣風(fēng)大于17.2m.s-1的大風(fēng)，最早于30日22時(shí)在河池環(huán)江出現(xiàn)，隨著颮線移動(dòng)，大風(fēng)相繼產(chǎn)生，最晚于31日08時(shí)在梧州出現(xiàn)，之后颮線移出廣西，廣西大風(fēng)天氣結(jié)束，期間最大陣風(fēng)出現(xiàn)在31日04時(shí)14分，為賀州昭平的32.6m.s-1。過程期間伴隨出現(xiàn)了14個(gè)站雷暴以及強(qiáng)降水，其中大于100mm的有1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，50-100mm的有115個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25-50mm的有448個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，最大累計(jì)雨量為柳州鹿寨中渡鄉(xiāng)100.9mm，最大小時(shí)雨量為30日22時(shí)環(huán)江86.5mm。

2 大尺度背景場分析

中尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展是在一定的有利大尺度環(huán)流背景下產(chǎn)生并受其制約的［14］，以下分析該次過程的大尺度環(huán)流形勢(shì)特征。

2.1 環(huán)流形勢(shì)分析

2014年3月30日20時(shí)，500hPa河套地區(qū)有一個(gè)低壓槽正在東移，引導(dǎo)地面冷空氣南下（圖1）。低緯在云南東部又有一個(gè)中尺度淺槽正在東移，且有溫度槽配合，槽區(qū)有大片的負(fù)變溫區(qū)，隨著槽東移，負(fù)變溫區(qū)移進(jìn)廣西，至31日08時(shí)廣西大部出現(xiàn)負(fù)變溫，最大24h負(fù)變溫達(dá)-2℃。槽前有一支急流穿過廣西，最大風(fēng)速達(dá)30m.s-1，使中低層垂直風(fēng)切變顯著加大；850hPa隨著低壓中心東移南壓，在滇黔桂交界出現(xiàn)一個(gè)閉合低壓中心，中心氣壓為廣西西部的百色站的142gpm，風(fēng)場上表現(xiàn)為從低壓中心向東伸出一條切變線，切變線南側(cè)為西南急流，最大風(fēng)速達(dá)18m.s-1，其將孟灣的水汽源源不斷向廣西輸送，并強(qiáng)烈輻合上升，溫度露點(diǎn)差顯示，廣西北部、東部為1℃，水汽非常充沛，水汽通量散度場顯示廣西全區(qū)為水汽通量輻合區(qū)，溫度平流場顯示暖平流進(jìn)一步加強(qiáng)，其中心值達(dá)到2.2×10-4K·s-1，廣西受強(qiáng)暖平流影響。溫度場顯示隨著冷空氣南下，在四川南部到廣西東部有一條西北東南向的等溫線密集帶即鋒區(qū)，鋒區(qū)強(qiáng)的斜壓性有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展；邊界層925hPa西南急流強(qiáng)度維持，西南風(fēng)與東南風(fēng)的暖式切變線南壓到桂中；地面西南暖低壓進(jìn)一步發(fā)展控制廣西西部地區(qū)，其外圍等壓線向東北方向伸展形成一個(gè)倒槽，倒槽內(nèi)的廣西北部形成一條靜止鋒，隨著冷空氣的南推，靜止鋒變成冷鋒南壓，在風(fēng)場上表現(xiàn)為輻合線南壓；高層200hPa廣西上空高空急流強(qiáng)度加大，風(fēng)速核達(dá)38m.s-1且其上有槽配合，此種形勢(shì)高空抽取作用更為明顯，更為有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展［14］。

圖1 2014年3月30日20時(shí)環(huán)境背景場綜合分析

2.2 垂直不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

位勢(shì)和層結(jié)不穩(wěn)定是強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)最重要的基本條件［15］，θse垂直分布顯示本次過程層結(jié)維持著“上干冷，下濕暖”的強(qiáng)不穩(wěn)定狀態(tài)，非常有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。從沿廣西東部（110°E）假相當(dāng)位溫及風(fēng)場的經(jīng)向剖面圖可以看出（圖2），本次過程廣西東部自低層有高溫、高濕區(qū)向上伸展至800hPa附近，θse大值中心高達(dá)356K，大氣表現(xiàn)為高溫、高濕特性，風(fēng)場上表現(xiàn)為強(qiáng)勁的偏南風(fēng)，表明暖濕平流強(qiáng)盛且深厚；同時(shí)高層有明顯的干冷空氣侵入，低值中心位于700-600hPa之間，θse低值中心低達(dá)322K，且低值區(qū)向低層延伸至800hPa附近，同時(shí)600hPa以上為顯著西北風(fēng)，表明中高層干冷平流顯著，說明此次過程是在低層暖濕平流及中高層干冷平流同時(shí)加強(qiáng)的共同作用下，層結(jié)表現(xiàn)為極不穩(wěn)定。

圖2 2014年3月30日20時(shí)θse（單位：K）和風(fēng)場（單位：m.s-1）經(jīng)向垂直剖面

2.3 垂直風(fēng)切變

風(fēng)暴的強(qiáng)弱還與環(huán)境水平風(fēng)場的垂直切變大小密切相關(guān)，在給定的濕度、不穩(wěn)定性及抬升的深厚對(duì)流中，垂直風(fēng)切變對(duì)對(duì)流風(fēng)暴組織和特征的影響最大［16］。從0-6KM垂直風(fēng)切變分析，本次過程前（圖3），500hPa急流強(qiáng)盛，最強(qiáng)達(dá)到30m.s-1，且急流核位于廣西上空，導(dǎo)致廣西東部垂直風(fēng)切變明顯加大，大部處于4×10-3s-1高值區(qū)內(nèi)，其中廣西東南部處于5×10-3s-1高值區(qū)。0-3km垂直風(fēng)切變也表現(xiàn)出類似特征，過程期間急流穩(wěn)定維持且風(fēng)速核也位于廣西上空，廣西東部垂直風(fēng)切變?yōu)?×10-3s-1，其中東南部為5×10-3s-1。

以上分析表明本次過程強(qiáng)對(duì)流天氣區(qū)位于中、低層均為垂直風(fēng)切變大值區(qū)與急流核疊置區(qū)域；可見強(qiáng)垂直風(fēng)切變與急流核疊置區(qū)域，特別是高、低層均為強(qiáng)垂直風(fēng)切變與急流核疊置非常有利于有組織強(qiáng)風(fēng)暴的形成和維持，這與姚晨等［7］的研究結(jié)論一致。

圖3 2014年3月30日20時(shí)0-6km垂直風(fēng)切變（填色，單位：10-3 s-1）與500hPa風(fēng)場（風(fēng)羽，單位：m.s-1）疊加

3 局地層結(jié)特征分析

3.1 溫、濕廓線特征

不同強(qiáng)對(duì)流天氣有其特色的層結(jié)結(jié)構(gòu)［18］，從過程發(fā)生之前，作為對(duì)流風(fēng)暴加強(qiáng)源地的廣西北部的河池站探空廓線形態(tài)可以看出，本次過程溫濕結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為低層濕層明顯，濕層之上比濕小，干層清晰的特征。30日20時(shí)（圖4），比濕超過12g/kg的高度伸展至800hPa，由于干冷空氣的侵入，800hPa-600hPa為比濕在3-6g/kg之間、溫度露點(diǎn)差大于8℃的干層，中層600hPa-550hPa為溫度露點(diǎn)差小于4℃的淺云層，其上為顯著干層，表現(xiàn)為典型的濕下?lián)舯┝魈卣鳌?/p>

圖4 2014年3月30日20時(shí)河池站實(shí)況溫度對(duì)數(shù)壓力圖

3.2 物理參數(shù)特征

大氣物理量可以定量描述大氣中某些特征［17］，因此對(duì)其分析可以對(duì)大氣特性有更為清晰的認(rèn)識(shí)。選取河池站，分別從動(dòng)力（0-6km垂直風(fēng)切變）、熱力（CAPE、CIN）、穩(wěn)定度（K指數(shù)、SI指數(shù)、T850-T500）、動(dòng)力與熱力綜合類（強(qiáng)天氣威脅指數(shù)SWEAT、瑞士第一雷暴指數(shù)）等不同物理參數(shù)分析大氣層結(jié)特征及雷暴發(fā)生可能性（表1）。對(duì)流有效位能（CAPE）是表征風(fēng)暴潛在強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，其值越大，能量釋放后形成上升氣流強(qiáng)度就越強(qiáng)［19］，從表1可以看出，CAPE值為843J·Kg-1，具備對(duì)流發(fā)展條件。對(duì)流抑制有效位能（CIN）體現(xiàn)了阻止對(duì)流發(fā)生的能量的大小，其為109.7J·Kg-1，表明風(fēng)暴受到一定的負(fù)浮力，從過程的回波頂高也可以看出，整個(gè)過程期產(chǎn)回波頂高較低，這可能是本次過程發(fā)生雷暴站點(diǎn)數(shù)較少的原因。穩(wěn)定度條件上，k指數(shù)37℃，850hPa與500hPa的溫度差為28℃，Si指數(shù)很小，分別為-6.31，表明中尺度環(huán)境場處于強(qiáng)的不穩(wěn)定狀態(tài)［20，21］，具有對(duì)流發(fā)展的良好潛勢(shì)。風(fēng)暴的發(fā)展強(qiáng)弱還與垂直風(fēng)切變有密切關(guān)系，一般而言，在一定的熱力不穩(wěn)定條件下，垂直風(fēng)切變的增強(qiáng)將導(dǎo)致風(fēng)暴進(jìn)一步加強(qiáng)和發(fā)展［16］，30日20時(shí)中低層（1000hPa-500hPa）的垂直風(fēng)切變均為17m.s-1，屬于中等到強(qiáng)的量級(jí)，有利于相對(duì)風(fēng)暴氣流的發(fā)展，氣場將攜帶著降水遠(yuǎn)離風(fēng)暴的入流區(qū)或上升區(qū)，有利于風(fēng)暴的持續(xù)發(fā)展［16］，從風(fēng)向垂直分布上看其有一個(gè)明顯的隨高度順轉(zhuǎn)的特征，順轉(zhuǎn)角度均超過90°，有利于強(qiáng)風(fēng)暴的產(chǎn)生［22］。強(qiáng)天氣威脅指數(shù)（SWEAT）是20世紀(jì)70年代從美國引進(jìn)綜合考慮動(dòng)力和熱力條件的一個(gè)指標(biāo)，它反映了不穩(wěn)定能量與風(fēng)速垂直切變及風(fēng)向垂直切變對(duì)風(fēng)暴強(qiáng)度的綜合作用，其值越高，發(fā)生強(qiáng)雷暴的可能性越大，研究表明其與強(qiáng)天氣有良好對(duì)應(yīng)，其發(fā)生強(qiáng)風(fēng)暴天氣的臨界值為300［16］。從河池站來看，30日20時(shí)SWEAT均超出臨界值達(dá)到了394，接近了美國發(fā)生龍卷的400臨界值［16］，表明具有很強(qiáng)的強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生潛勢(shì)。瑞士風(fēng)暴指數(shù)（SWISS00）也是一個(gè)反映風(fēng)暴發(fā)生可能性的指標(biāo)，其成功的將動(dòng)力和對(duì)流能量參數(shù)結(jié)合起來［22］，龐古乾等［23］統(tǒng)計(jì)分析珠三角地區(qū)多個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣過程表明，SWISS00指數(shù)＜2時(shí)較容易出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流，30日20時(shí)SWISS00指數(shù)非常小，為-4，指示強(qiáng)對(duì)流發(fā)生可能性非常大。

4 雷達(dá)回波特征分析

表1 2014年3月30日20時(shí)河池站不同物理量特征

從雷達(dá)回波特征上看，本次過程由高度組織的颮線發(fā)展成弓形回波造成的地面直線型大風(fēng)，其由從貴州南部發(fā)展起來的強(qiáng)單體從桂西北進(jìn)入廣西，逐漸發(fā)展成颮線，并進(jìn)一步加強(qiáng)為弓形回波，自西北-東南向掃過廣西東部，期間經(jīng)歷約6個(gè)小時(shí)。廣西柳州雷達(dá)清晰的監(jiān)測到了本次颮線生成發(fā)展的過程。30日23時(shí)左右在貴州南部開始有多個(gè)較強(qiáng)的回波單體生成，31日00時(shí)左右從河池進(jìn)入廣西，強(qiáng)度加強(qiáng)，最強(qiáng)中心超過55dbz，并分別合并形成東西兩條尺度較小的帶狀回波，同時(shí)向東偏南移動(dòng)，西段超前于東段，東段回波帶上的強(qiáng)回波單體迅速發(fā)展合并，大于55dbz回波區(qū)域擴(kuò)大，期間風(fēng)暴造成河池五圩鎮(zhèn)20.6m.s-1大風(fēng)；兩條回波帶持續(xù)東偏南移動(dòng)過程中，強(qiáng)度均有所加強(qiáng)，相較而言西段發(fā)展較快，長度變長，01：17以后發(fā)現(xiàn)其前方有明顯的出流邊界（即陣風(fēng)鋒），且持續(xù)保持與其回波主體的距離，至01：41兩條回波帶連接成一條組織性更好，尺度更大的線風(fēng)暴，即颮線，01：47颮線造成河池宜州兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過18m.s-1的大風(fēng)，其后颮線繼續(xù)向東偏南移動(dòng)，在其上識(shí)別出多個(gè)中氣旋（圖5a，見彩頁），表明由多個(gè)超級(jí)單體構(gòu)成，單體中心強(qiáng)度普遍超過50dbz，02時(shí)以后颮線進(jìn)入州市區(qū)，其中間向前凸出，兩端向后彎曲，弓形回波特征明顯（圖5b，見彩頁），從徑向速度圖可以看出其后側(cè)有大范圍的強(qiáng)入流（圖5d，見彩頁），速度超過20m.s-1，從徑向速度剖面圖可以看出，傾斜的上升和下沉氣流以及中層徑向輻合（MARC）（圖5e，見彩頁），從時(shí)間連續(xù)演變來看，同樣觀測到強(qiáng)反射率因子及風(fēng)速核心下降接地、液態(tài)水含量急劇下降的地面大風(fēng)典型特征［16］，反射率因子剖面圖顯示（圖5c，見彩頁），其大于50dbz回波最高只伸展至8km，此弓形回波在02-04時(shí)掃過柳州、桂林南部、來賓、貴港共造成17站次超過17m.s-1的大風(fēng)，其中于03：25造成金秀31.1m.s-1的大風(fēng)，仔細(xì)分析其出現(xiàn)時(shí)間及回波特征發(fā)現(xiàn)，大風(fēng)集中發(fā)生于弓形回波向前凸出區(qū)域，最強(qiáng)風(fēng)發(fā)生于弓形回波的斷裂處；04時(shí)以后弓形回波的東段逐漸減弱，其在明顯減弱之前有一個(gè)與之前在其前方局地生成且移動(dòng)緩慢的回波單體有一個(gè)合并加強(qiáng)的過程，這一過程造成04：14賀州昭平32.6m.s-1大風(fēng)，是本次過程錄得的最強(qiáng)大風(fēng)。此后弓形回波“弓”逐漸消失，變成線狀的颮線回波，強(qiáng)度有所減弱，進(jìn)入梧州時(shí)，此颮線回波強(qiáng)度又有所增強(qiáng)，中心強(qiáng)度超過60dbz，04：32-05：35期間此颮線造成梧州境內(nèi)共10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)超過17m.s-1的大風(fēng)，最強(qiáng)為23.4m.s-1，之后颮線移出廣西，對(duì)廣西影響結(jié)束。

5 地面中尺度風(fēng)場分析

Wilson等［24］指出，79%的風(fēng)暴（96%的強(qiáng)風(fēng)暴）發(fā)生在輻合線附近。Doswell［25］研究認(rèn)為天氣尺度的上升運(yùn)動(dòng)不足以觸發(fā)雷暴，雷暴一般由低層中天氣尺度系統(tǒng)觸發(fā)，如鋒面、干線、邊界層輻合線等。因此，在一定的大尺度環(huán)流背景下，分析近地面層流場有助于預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展。從逐小時(shí)自動(dòng)站觀測資料分析可以發(fā)現(xiàn)，本次過程前（30日20時(shí)，圖6），位于地面倒槽內(nèi)的貴州南部到廣西東北部有一條西北-東南向的靜止鋒，地面風(fēng)場上表現(xiàn)為一條地面輻合線，隨著冷空氣南下，靜止鋒面變?yōu)槔滗h開始移動(dòng)南下，對(duì)應(yīng)的地面輻合線開始移動(dòng)南下，但移動(dòng)速度非常緩慢，尤其是位于柳州附近的中段輻合線幾乎呈靜止?fàn)顟B(tài)，從30日20時(shí)-31日03時(shí)在柳州境內(nèi)維持，直到04時(shí)整條輻合線移到廣西南部。對(duì)流回波即在貴州南部生成之后沿著地面輻合線移動(dòng)，進(jìn)入廣西，強(qiáng)度加強(qiáng)，在河池附近組織形成颮線，在柳州一帶加強(qiáng)為弓形回波，之后東南移動(dòng)，“弓形”消失，演變?yōu)轱R線形式。

以上分析可見，地面輻合線對(duì)對(duì)流風(fēng)暴的觸發(fā)及組織性起重要作用，較大尺度地面輻合線長時(shí)間維持有利于風(fēng)暴強(qiáng)度和組織性的增強(qiáng)。

圖6 過程地面輻合線演變圖

6 結(jié)論與討論

本文從環(huán)境背景場、層結(jié)條件、物理量參數(shù)、雷達(dá)回波及地面風(fēng)場特征等方面分析了廣西2014年3月31日颮線大風(fēng)天氣過程，得到如下主要結(jié)論：

（1）本次過程為高空短波槽東移、低層冷式切變線及地面鋒面共同影響，期間850hPa低空西南急流和925超低空急流已經(jīng)建立有利于水汽及不穩(wěn)定能量源源不斷向廣西輸送是其顯著特征。過程期間500hPa高空急流穩(wěn)定維持，保證了環(huán)境風(fēng)垂直切變條件。200hPa急流有槽配合，高空“抽吸”作用極為顯著。此外，低層有顯著濕區(qū)，水汽充沛。

（2）垂直不穩(wěn)定層結(jié)是強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的必要條件，θse垂直分布顯示，本次過程發(fā)生于“上干冷，下暖濕”的強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)中；過程期間有高空冷空氣侵入作用，同時(shí)低層急流建立導(dǎo)致的暖濕平流進(jìn)一步加強(qiáng)，高層干冷平流加上低層暖濕平流加強(qiáng)的共同作用下使層結(jié)不穩(wěn)定性加強(qiáng)。

（3）環(huán)境風(fēng)垂直切變是影響對(duì)流組織性的重要因素，本次過程均發(fā)生在強(qiáng)的中、低層垂直風(fēng)切變環(huán)境下，進(jìn)一步分析表明強(qiáng)垂直風(fēng)切變與急流核疊置區(qū)域，特別是高、低層均為強(qiáng)垂直風(fēng)切變與急流核疊置非常有利于有組織性強(qiáng)風(fēng)暴的形成和維持。

（4）局地層結(jié)特征分析顯示，本次過程溫濕廓線均表現(xiàn)為低層濕層明顯，濕層之上干層清晰的“上干、下濕”特征，干空氣侵入到較低層次，有利于雷雨大風(fēng)的發(fā)生。物理量配置表明本次過程大氣處于強(qiáng)不穩(wěn)定狀態(tài)，0-6km為中等到強(qiáng)量級(jí)的垂直風(fēng)切變，具有強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生潛勢(shì)。有一定CAPE值和CIN值，較好的反映了本次過程對(duì)流發(fā)展厚度較低、雷暴站數(shù)較少的特征；SWEAT及SWISS00對(duì)本次過程發(fā)生的可能性有良好指示作用。

（5）風(fēng)暴雷達(dá)回波特征顯示，本次過程由組織性強(qiáng)的颮線（弓形回波）造成。期間極端地面強(qiáng)風(fēng)由風(fēng)暴合并造成?；夭ńY(jié)構(gòu)顯示過程期間有后側(cè)強(qiáng)入流、V型缺口、中層徑向輻合和反射率核心區(qū)、強(qiáng)風(fēng)速中心及液態(tài)水含量持續(xù)下降的大風(fēng)典型特征。

（6）地面風(fēng)場特征顯示，本次過程地面輻合線尺度較大，移動(dòng)緩慢，對(duì)流風(fēng)暴在地面輻合線附近生成并沿著輻合線移動(dòng)發(fā)展，分析表明尺度較大的輻合線長時(shí)間維持是風(fēng)暴強(qiáng)度和組織性增強(qiáng)的重要原因。

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