2014年盛夏川東北一次強對流天氣成因分析

王茂書， 陳永仁

(1.巴中市氣象局，四川巴中　636001; 2.四川省氣象臺，四川成都　610072)

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2014年盛夏川東北一次強對流天氣成因分析

王茂書1， 陳永仁2

(1.巴中市氣象局，四川巴中636001; 2.四川省氣象臺，四川成都610072)

摘要：利用常規(guī)地面和高空實況、雷達、衛(wèi)星資料，對2014年6月2日川東北出現(xiàn)的短時強降水和大風天氣進行了分析，結果表明：1)該次強對流天氣發(fā)生在高能高濕大氣環(huán)境中，500 hPa冷槽、850 hPa切變及偏東氣流、地面中尺度輻合流場共同影響是該次強對流天氣發(fā)生的主要原因。2)該次強對流天氣是發(fā)生在由低層偏南風和高層西北風形成的垂直風切變逐漸演變成為由低層偏南風和高層西風形成的垂直風切變，垂直風切變逐漸加強(始終為弱的垂直風切變)的過程中。3)對于初始對流和后續(xù)激發(fā)對流，地面輻合線的走向與強對流天氣的落區(qū)、移動基本吻合。4)衛(wèi)星和雷達在臨近預報方面有很好的參考，例如強對流天氣發(fā)生前，MCS對流云團為線狀，雷達回波強度大，反射率因子核隨高度迅速下降，0.5°和1.5°仰角徑向速度圖都出現(xiàn)了速度輻合。

關鍵詞：天氣學； 短時強降水； 大風； 中尺度分析； 冷平流； 盛夏； 川東北

短時強降水和對流大風災害天氣一直是我國乃至全世界預報的難點，其造成的氣象災害十分嚴重。為此，氣象學者也做了相關研究，其中，中尺度分析是十分有效的方法[1-5]。對流暴雨屬于強對流天氣之一，也稱為短時暴雨或短時強降水，由超級單體、颮線、中尺度對流系統(tǒng)等對流風暴造成的[6]。陳永仁[7]做相關研究認為，短時強降水通常由MCS中的深對流特征造成，水平尺度多為中尺度或更小的中尺度系統(tǒng)，具有云頂亮溫低、雷達反射率因子大和垂直累積液態(tài)水含量高等特點；鐘利華等[8]研究發(fā)現(xiàn)雷暴大風產生前，大氣層結均有不穩(wěn)定能量聚集，低層有強的水汽輻合，相對濕度大；出現(xiàn)雷暴大風的區(qū)域大氣層結不穩(wěn)定性更顯著，低層水汽輻合和中低層氣旋性輻合也偏強；王嘯華等[9]通過分析個例得出，低空急流、低空切變線是短時暴雨天氣過程的重要影響系統(tǒng);陳炯等[10]研究發(fā)現(xiàn)，短時強降水發(fā)生頻率最高的區(qū)域為華南，其次為云南南部、四川盆地等地，可見四川盆地也是短時強降水頻發(fā)地區(qū)。然而在四川，對短時強降水的研究還不夠深入，對同時出現(xiàn)短時強降水和雷暴大風的個例分析就更少，該類強對流天氣突發(fā)性強，預報難度大，造成災害十分嚴重。考慮平時工作的實用性和可操作性，本研究利用常規(guī)地面和高空實況、雷達、衛(wèi)星資料分析研究該次強對流天氣的成因和特點，為以后預報短時強降水和對流大風提供參考。

1強對流天氣實況

2014年6月2日08：00—3日08：00(北京時，下同)，川東北出現(xiàn)了一次明顯的強對流天氣過程，部分地方出現(xiàn)了暴雨，局部大暴雨，暴雨區(qū)呈現(xiàn)東北-西南向。14：00—18：00雨帶自西南向東北方向移動，19：00以后雨帶自東向西移動，2日22：00強降水基本結束。有170個站大于50 mm，26站大于100 mm，強降水落區(qū)主要位于南充、達州、巴中一帶。24 h最大雨量出現(xiàn)在達州市渠縣巖峰為180.8 mm，1 h最大雨量出現(xiàn)在渠縣卷硐為79.8 mm。川東北局部地方出現(xiàn)了10級左右陣性大風，巴州城區(qū)15：57極大風速達到了24.5 m/s。該次短時強降水具有時間短、強度大、范圍廣的特點(圖1)。

圖1　6月2日08：00—3日08：00川東北雨量分布　　(單位：mm)

2環(huán)流形勢

2日08：00，500 hPa副高控制云南廣東廣西偏南一帶，副高主體位于南海(圖2a)，2日14：00副高北抬，2日20：00退回原來位置，該次強對流天氣就發(fā)生在副高南落期間，3日08：00副高繼續(xù)南落到南海。2日08：00 500 hPa亞歐地區(qū)為兩槽一脊形勢，青藏高原為低槽，內蒙古中部為高脊，華北地區(qū)為一冷渦，中高緯度為緯向環(huán)流，巴湖為深廣的低槽和溫度槽，槽后里海為冷中心，中心值為-52 ℃，巴湖溫度槽并不斷分裂弱溫度槽東移南壓(圖2)。華北冷渦是該次強對流天氣發(fā)生的重要因素，因此有必要分析華北冷渦垂直結構分布情況，從500 ～925 hPa華北冷渦中心逐漸向南傾斜，500～700 hPa為華北冷渦西側的西北氣流和偏北氣流，有利引導冷空氣南下，850～925 hPa華北冷渦西側河南、陜西、湖北一帶流場偏東分量明顯加大，轉為偏東或東北氣流，以回流方式引導冷空氣入侵四川盆地東北部。

圖2　6月2日08：00 500 hPa溫度場(虛線，單位：℃)及高度場(單位：dagpm)(a)；

3中尺度對流發(fā)生環(huán)境條件

3.1高空中尺度分析

2日08：00，盆地100 hPa上空為反氣旋流場，盆地東北部處于兩支氣流的分叉處，十分有利高空形成輻散。500 hPa寧夏到甘肅南部為溫度槽，說明高層有冷空氣活動，2日14：00該溫度槽東移南壓到了陜西一帶，同時達州探空站有24 h正變溫轉為24 h負變溫，說明2日14：00 500 hPa已經(jīng)有冷平流入侵川東北。2日08：00 500 hPa巴湖低槽東移攜帶青藏高原低槽東移，盆地大部到青藏高原為波動偏西氣流，盆地偏東地區(qū)略有偏北風量，導致2日14：00以前天氣晴好，地面氣溫較高，有利不穩(wěn)定能量積累(圖3)。

2日08：00 700 hPa川東北上空的比濕分別為12 g/kg，已經(jīng)達到了川東北暴雨的水汽條件。位于盆地中部的西南顯著氣流于14：00東移到了貴州重慶一帶，風速為6～10 m/s，14：00強對流天氣就發(fā)生在西南顯著氣流左側。08：00—14：00，500 hPa溫度槽東移南壓，冷空氣由高層入侵到低層，700 hPa達州探空站由24 h正變溫2 ℃轉為24 h負變溫-2 ℃。

圖3　2014年6月2日08：00中尺度環(huán)境場

2日08：00 850 hPa達州探空站上空的比濕分別為17 g/kg，廣西、貴州、重慶一帶為偏南氣流，2日20：00風速加強到12 m/s。華北地區(qū)為明顯的24 h負變溫區(qū)，川東北北部850 hPa上空為偏東氣流，有利于引導冷平流入侵盆地，分析2日08：00和14：00變溫場，達州探空站850 hPa上空為24 h正變溫明顯，分別為3和2 ℃，2日20：00為負變溫。分析2日08：00 925 hPa溫度場，陜西南部經(jīng)巴中到南充為溫度脊(14：00該溫度脊維持)，以達州探空站為代表分析，川東北上空925 hPa的24 h正變溫比較明顯，最大正變溫為7 ℃。

分析達州站2日14：00 T-lnp圖(圖4)顯示，在對流層中層干冷特征明顯，這與圖2中四川北面存在的溫度槽有關，850～600 hPa則為濕層，川東北上空上干下濕及能量積累比較明顯。另一個特征則是在850 hPa以下的邊界層和近地面，溫度廓線幾乎與干絕熱線平行，幾乎沒有對流抑制能量低層大氣處于非常不穩(wěn)定狀態(tài)。一旦在近地面或邊界層有弱的抬升條件出現(xiàn)，就可能觸發(fā)對流的發(fā)生發(fā)展。

圖4　6月2日14：00達州站探空圖

綜合以上分析，在強對流天氣發(fā)生前，川東北大氣層已經(jīng)具備發(fā)生強對流天氣中尺度環(huán)境背景和高能高濕條件。

3.2地面中尺度分析

林宗桂等[11]利用常規(guī)資料對2011年6月23日北京對流暴雨進行了分析并指出，中尺度負變壓區(qū)形成超前于對流天氣發(fā)生約3 h是強降雨過程的一個明顯特征。在該次強對流天氣過程中，也出現(xiàn)了類似的特征。分析2日08：00地面圖，川東北地區(qū)為熱低壓控制，14：00地面最高溫度較高。以巴中為例，2日14：00地面最高氣溫為32.8～34.6 ℃，較歷史同期平均最高溫度偏高4.7～6.4 ℃，說明當時的熱力條件和氣壓擾動是十分有利強對流天氣發(fā)生的(圖略)。

從2日14：00—15：00和19：00—20：00加密站風場(圖5)分析，14：00在南充東北部有明顯的中尺度輻合流場存在，而14：00川東北強的對流天氣先在南充發(fā)生，15：00該中尺度輻合流場向東北方向移動到巴州區(qū)。19：00在巴中達州一帶有地面輻合線生成，20：00該地面輻合線自西向東移動到南充一帶。結合自動站小時雨量和云圖分析，中尺度輻合流場、地面輻合線與強降水的落區(qū)和走向基本吻合。中尺度輻合流場和地面輻合線的存在，為該次強對流天氣提供了很好的動力和觸發(fā)條件。

圖5　6月2日國家加密站風場(單位：m/s)

3.3物理量及風垂直分析

分析達州站探空指數(shù)(表略)，可知，在該次強對流過程中，2日08：00 CAPE為96 J/kg，到了14：00猛增為1 984.5 J/kg；K指數(shù)也從38 升到42 ℃，CAPE和K指數(shù)增速很快。從自由對流高度變化中也發(fā)現(xiàn)，在強對流天氣發(fā)生前，自由對流高度明顯下降十分明顯，14：00較08：00下降高度為478.8 hPa，在以后工作中也可以作為預報強對流天氣很好的一個參考因素。從700 hPa溫度演變看，2日14：00的700 hPa溫度較08：00下降了-2 ℃。正常天氣，14：00的700 hPa溫度應該較08：00高，說明此時，中層有高層的冷平流入侵。中低層的溫度直減率也變化很大，08：00—20：00 850與500 hPa溫度差為25～26 ℃。廖曉農等[12]研究個例發(fā)現(xiàn)，當對流層中層有干冷空氣入侵，同時對流層中低層環(huán)境大氣的直減率較大時，十分有利雷暴大風的發(fā)生。

垂直風切變是強對流天氣的一個加強條件。08：00—14：00—20：00， 500 hPa由偏西北氣流逐漸轉為偏西氣流，850 hPa基本為偏南氣流，500和850 hPa風速逐漸加強，500和850 hPa之間的垂直風切變由0.03 m/s轉為0.05 m/s，最后變?yōu)?.09 m/s，也就是說，強對流天氣是發(fā)生在由低層偏南風和高層西北風形成的垂直風切變逐漸演變?yōu)橛傻蛯悠巷L和高層西風形成的垂直風切變，垂直風切變由小到大的過程，整個過程屬于弱的垂直風切變范圍。

4中尺度對流特征

該次強對流天氣中，衛(wèi)星和雷達資料對中尺度對流系統(tǒng)特征表現(xiàn)明顯。根據(jù)紅外云圖(圖略)可知，2日13：30，南充附近開始有對流云團MCS生成，14：30 兩個MCS在發(fā)展，MCS形狀為線狀，可以作為對流大風預報的參考。15：30 MCS合并，預示對流云團未來將發(fā)展，16：30 MCS繼續(xù)發(fā)展，并向東北移動，降水落區(qū)和對流云團走向一致。分析19：00—21：00云圖也發(fā)現(xiàn)存在這個特征，19：00在MCS后向東南部出現(xiàn)了后向傳播，在靠近達州和平昌的地方又激發(fā)了另一個MCS，然后迅速發(fā)展合并到了原來的MCS并自東向西移動，趨于減弱的MCS重新獲得發(fā)展導致了第2時間段的強降水發(fā)生(圖略)。

2日14：30，在南充地區(qū)有多單體風暴存在，在單體風暴前沿，巴中境內激發(fā)了弱對流單體回波。14：54南充一帶多單體有所合并，巴中境內B處加強并呈現(xiàn)了弓形形狀，從A處到B處做剖面圖，50 dBz所在高度還是不算高，低層有回波達到了50 dBz左右，表明在出現(xiàn)對流大風前1 h，巴中境內出現(xiàn)了對流大風的回波特征。15：30，對流回波發(fā)展相當強，為55 dBz，從C到D做剖面圖看出，強回波(45～55 dBz)的高度在9 km左右，低層的回波明顯加強，面積加大，最大回波為55 dBz，從E處可以發(fā)現(xiàn)，該處的組合反射率因子梯度很大，結合小時降水量，此時的強降水區(qū)主要位于反射率因子梯度大的區(qū)域。在此次強對流天氣過程中，強回波基本還是向東北方向移動(圖略)。從C到D做剖面圖，與15：30相比較，15：48在巴中境內106.85°E、31.88°N處高反射率因子隨高度迅速下降，此時離對流大風出現(xiàn)時間只有10 min(圖6)。從15：29的速度圖看，在雷達的東北方向，

1.5°仰角速度圖和0.5°仰角速度圖都出現(xiàn)了中層輻合，0.5°仰角速度局部風速達到了29 m/s(圖略)，到了15：39風速達到了39 m/s，此時強對流天氣發(fā)生的特征更明顯。

圖6　雷達反射率因子(swan產品)(單位：dBz)

5結論

1)該次強對流天氣發(fā)生在高能高濕大氣環(huán)境中，500 hPa冷槽、850 hPa切變及偏東氣流、地面中尺度輻合流場共同影響是該次強對流天氣發(fā)生的主要原因。

2)該次強對流天氣是發(fā)生在由低層偏南風和高層西北風形成的垂直風切變逐漸演變成為由低層偏南風和高層西風形成的垂直風切變，垂直風切變逐漸加強(始終為弱的垂直風切變)的過程中。

3)衛(wèi)星和雷達在臨近預報方面有很好的參考，例如強對流天氣發(fā)生前，MCS對流云團為線狀，雷達回波強度大，反射率因子核隨高度迅速下降，0.5°和1.5°仰角徑向速度圖都出現(xiàn)了速度輻合。

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收稿日期：2014-11-10

基金項目：2015年中國氣象局預報員專項(CMAYBY2015-063)

作者簡介：王茂書(1984年生)，男，工程師，本科，主要從事短期天氣預報。E-mail：wangmaoshu2003@126.com。

中圖分類號：P44

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.009

Analysis of the Synoptic Causation of a Severe Convective Weather in Northeastern Sichuan Province in the Prime Summer of 2014

WANGMao-shu1,CHENYong-ren2

(1.Meteorological Bureau of Bashong City, Bazhong Sichuan 636001; 2.Sichuan Meteorological Observatory, Chengdu 610072)

Abstract：Using conventional surface and upper-level observations, radar and satellite data, we studied a short-range severe rain and strong wind that occurred in the northeastern part of Sichuan province 2 June 2014. The result is shown as follows. 1) Taking place in an atmospheric environment that was high in both energy and humidity, the weather was caused jointly by a 500-hPa cold trough, an 850-hPa shear, an easterly airflow and a mesoscale surface convergent flow field. 2) The weather happened as a mildly strengthening shear of vertical wind, formed by a low-level southerly and an upper-level northwesterly, was gradually transforming into one that consisted of a low-level southerly and an upper-level westerly. 3) For the initial convection and subsequently triggered convection, the alignment of a surface convergence line was basically in agreement with the location and movement of the weather. 4) The satellite and radar proved to be good guidance in nowcasting. For instance, prior to the weather, an MCS convective cluster was line-shaped with large radar echoes, rapidly falling reflectivity with height and converging radial velocity at the elevation angles of 0.5° and 1.5°.

Key words：synoptics; severe convection; mesoscale analysis; prime summer; northeastern Sichuan province

王茂書,陳永仁.2014年盛夏川東北一次強對流天氣成因分析[J].廣東氣象，2016,38(1)：36-39.