2016年一次南支槽引起的中-α尺度颮線天氣過程分析

龔 婉，閆信會，楊素雨

(1.云南省德宏州氣象局，云南 芒市 678400；2.云南省氣象臺，云南 昆明 650034)

1 引言

颮線(squall line)是由多個活躍雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對流系統(tǒng)(MCS)，其發(fā)生時常伴有雷暴大風(fēng)、冰雹災(zāi)害性天氣，因此對颮線的研究一直受到普遍關(guān)注[1]。隨著多普勒雷達(dá)網(wǎng)的建成和風(fēng)廓線儀等新型觀測手段的應(yīng)用，一批弓形回波雷暴大風(fēng)的觀測研究涌現(xiàn)，從強對流短時臨近預(yù)報的角度分析了弓形回波發(fā)生的天氣尺度環(huán)流背景和雷達(dá)回波特征[2]，但是，對南支槽天氣背景下產(chǎn)生颮線探討較少。因此，本文利用包括云南多普勒雷達(dá)站(CINRAD/CC,體掃模式VCP11)等資料，分析2016年4月19日發(fā)生在云南中-α尺度颮線的發(fā)展、維持及致災(zāi)原因和地面風(fēng)害成因，為云南短時臨近預(yù)報提供依據(jù)。

2 雷暴大風(fēng)概況

2016年4月19日14—23時，在云南境內(nèi)自德宏州北部向東至滇中以南的11個地州出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)天氣過程，全省有57個大監(jiān)站出現(xiàn)85個站次小時極大風(fēng)速達(dá)17 m·s-1及以上，7～8級大風(fēng)占大風(fēng)站次的46%，9～10級占大風(fēng)站次的54%，其中姚安、澄江、華寧、峨山、建水極大風(fēng)速在30 m·s-1以上，過程極大值為建水站39.4 m·s-1。過程初期風(fēng)向以SW-WSW為主，颮線移至滇中時逐漸轉(zhuǎn)為W-NW。該過程以雷暴大風(fēng)為主并伴隨局地冰雹和短時強降水。這次過程與一般對流性天氣時間短，局地性強的特點不同，從下午13—23時在云南持續(xù)了近10 h，大風(fēng)造成全省11個州市24個縣113個鄉(xiāng)鎮(zhèn)12.64萬人受災(zāi)，6人死亡(其中楚雄、曲靖、玉溪、保山各1人，臨滄2人)、26人受傷、354人緊急轉(zhuǎn)移安置，農(nóng)作物和經(jīng)濟作物不同程度受災(zāi)，房屋不同程度受損。直接經(jīng)濟損失0.92億元。這樣大范圍、長時間的颮線天氣，在云南較罕見。

3 資料和方法

本文采用常規(guī)地面觀測資料，高空資料根據(jù)國家氣象中心《中尺度天氣圖分析技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行中尺度環(huán)境場分析。利用紅外、可見光、水汽、TBB等衛(wèi)星資料對MCS的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行分析。利用云南6個多普勒雷達(dá)站資料(全部雷達(dá)型號均為CINRAD-CC,體掃模式VCP11)從臨近預(yù)報角度對雷暴大風(fēng)進(jìn)行分析。雷達(dá)站各參數(shù)見表1。

表1 云南5部雷達(dá)參數(shù)Tab.1 5 radar parameters in Yunnan

4 對流潛勢條件分析

4.1 中尺度分析

對2016年4月19日08時云南中尺度環(huán)境場特征進(jìn)行分析(圖1)。云南在700 hPa上處于T-Td≤5 ℃的濕區(qū)，相對濕度在70%以上，滇西有明顯濕度大值中心，相對濕度在85%以上，滿足強對流天氣所需的水汽條件。垂直溫度梯度上在云南整個中部以南的大部分地區(qū)T700-T500在16 ℃以上，云南南部普洱和紅河兩個站的T850-T500分別為25 ℃和24 ℃，至20時增大至34 ℃和29 ℃，維持較好的不穩(wěn)定條件并且有所加強。

08時高原南側(cè)有一前傾結(jié)構(gòu)的南支槽已東移至95°E附近，在500 hPa和850 hPa上此南支槽的溫度槽明顯落后于高度槽，表明該槽將要發(fā)展加強，槽前有強烈的上升運動。500 hPa溫度槽從高原南側(cè)東伸至云南西部，冷空氣在滇西邊緣聚集形成冷中心，冷中心垂直對應(yīng)850 hPa上的暖脊，在高層冷平流南侵與邊界層暖平流形成差動溫度平流，使得大氣層結(jié)不穩(wěn)定。700 hPa和500 hPa急流穿過整個云南，急流核的輻合區(qū)位于滇西地區(qū)；850 hPa上低空急流的出口區(qū)也位于滇西，急流核達(dá)到12 m·s-1，在850 hPa低空急流核輻合區(qū)的前側(cè)有強的對流云系發(fā)展，該云系是短時時段內(nèi)影響云南產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的云系。急流的存在還造成中低層大的垂直風(fēng)切變：700 hPa急流軸附近及以南的地區(qū)0～3 km的垂直風(fēng)切變達(dá)到20～24 m·s-1，0～6 km垂直風(fēng)切變在滇中以西的地區(qū)達(dá)到20～26 m·s-1，到20時強垂直風(fēng)切變強中心東移至滇南地區(qū)，并維持20～26 m·s-1。通過與實況對比，大風(fēng)天氣的落區(qū)與08時0～3 km垂直風(fēng)切變在大于22 m·s-1的區(qū)域較吻合，可作為雷暴大風(fēng)預(yù)報的依據(jù)之一。滇西、滇南地區(qū)不僅有風(fēng)速的垂直風(fēng)切變，近地面層還存在偏南氣流與強的偏西氣流的風(fēng)向切變。蒙自、昆明、普洱、騰沖的T-lnp圖上顯示，大氣垂直方向上也顯示出上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層(圖略)。4個站的假相當(dāng)位溫θse均隨高度減小，其中昆明、騰沖站在500 hPa高度附近有直線性突降，說明大氣中層已被冷空氣占據(jù)。

08時的高空中尺度分析云南中部以南的大部分地區(qū)已具備不穩(wěn)定層結(jié)、強的垂直風(fēng)切變、水汽條件這3個強對流發(fā)生的必須條件。

在颮線經(jīng)過時，地面的中尺度特征為颮線后部有-12～-5 ℃/h的強烈降溫，溫度低至12～17 ℃為颮線后部冷池。在幾乎與冷池相同的區(qū)域有1 010 hPa以上的雷暴高壓，小時正變壓2 hPa/h以上。颮線南段東南側(cè)地面干熱，有30 ℃以上的暖中心，與颮線后側(cè)冷濕的中尺度特征形成明顯的不連續(xù)，使得雷暴大風(fēng)下沉氣流底部冷空氣和周圍暖空氣形成較大的溫差，溫差越大，下沉氣流流出的強度越大，所造成的雷暴大風(fēng)越強。這種強的溫度和濕度梯度特征使得颮線向南延展和加強，增加大了颮線的影響范圍。另外，午后500 hPa、700 hPa風(fēng)速加強，颮線滇東地區(qū)熱低壓發(fā)展，動力和熱力的層結(jié)不穩(wěn)定使動量下傳的作用增強，對颮線有明顯的增強作用，使颮線長時間的維持。

4.2 有利于大風(fēng)產(chǎn)生的對流參數(shù)

4月19日08時，滇西滇南邊緣局部地區(qū)CAPE值僅為200 J/kg，至14時，其范圍迅速擴大到滇中及以南地區(qū)，滇西、南滇、滇東迅速增至1 000 J/kg以上，滇南邊緣增幅最大，達(dá)1 500 J/kg。當(dāng)CAPE呈現(xiàn)上升趨勢并且CAPE>1 000 J/kg時出現(xiàn)雷雨大風(fēng)的概率高達(dá)77%[4]。

4月19日08時，DCAPE的大值區(qū)在青藏高原南側(cè)至云南西南緬甸、老撾、越南一側(cè)，云南西部德宏邊緣至普洱、版納及文山邊緣有600～800 J/kg的DCAPE值。14時DCAPE的范圍明顯向北擴大至滇中及滇東北，強度加強至600～1 200 J/kg，20時DCAPE的范圍相對南縮，但云南南部依然維持800～1 200 J/kg的DCAPE值。負(fù)浮力做功引起的下沉氣流速度為：

(1)

經(jīng)計算，下沉氣流的速度在-34～-49 m·s-1。對于正在做下沉運動的氣塊來說，DCAPE越大，則它到達(dá)中性浮力層或地面時的速度越大，越有利于地面強陣風(fēng)的出現(xiàn)[5]有非常利于地面強風(fēng)的出現(xiàn)。

由于DCAPE假設(shè)下沉氣流飽和，而且對起始下沉高度干燥度很敏感，那么基于垂直運動方程中下沉運動的強迫機制而引入的大風(fēng)指數(shù)則充分考慮了強下沉氣流常不飽和的特點，能彌補DCAPE的不足[1]。為了進(jìn)一步分析這次大風(fēng)過程的成因，引入McCann為預(yù)報下?lián)舯┝魈岢龅囊粋€大風(fēng)指數(shù)—WINDEX ，該經(jīng)驗性指數(shù)反映了中低層溫、濕特性對地面大風(fēng)可能產(chǎn)生的共同作用，其表達(dá)式為：

WINDEX=5[HMRQ(I2-30+QL-2Qm)]0.5

(2)

WINDEX的單位為knot(mi/h)，乘以0.514 7就可以轉(zhuǎn)化為m·s-1[6]。

利用4月19日08時探空資料,計算出云南區(qū)域的風(fēng)速在18.84～25 m·s-1之間。已經(jīng)達(dá)到大風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)，與絕大多數(shù)站點出現(xiàn)的極大風(fēng)速相吻合，對這次大范圍的雷暴大風(fēng)過程的預(yù)報有較高的指示意義。

5 衛(wèi)星云圖特征

5.1 颮線云系特征

2016年4月19日08時在紅外云圖中，青藏高原南側(cè)同緯度上有兩個發(fā)展旺盛的中—β尺度的對流云團并排向東移動，兩個對流云團的強度逐漸減弱，尺度減小。10時兩個減弱的對流云團在90°E附近合并，形成一個較弱的對流單體，11時在可見光云圖上看到發(fā)展的對流云團四周出現(xiàn)了明顯的長卷云砧。12時30分的可見光圖像中(圖略)東側(cè)卷云砧演變成較光滑清晰的邊界，向西南方向延長，出現(xiàn)颮線云團的特征。13時，颮線云團的東側(cè)光滑的邊界處出現(xiàn)出現(xiàn)了3條相連的弧狀云線，判定為該對流云團的出流邊界，14時，弧狀云線逐漸發(fā)展起來形成逗點狀云系的尾部。15時發(fā)展的對流云系移至云南西部開始影響云南，德宏盈江西北部山區(qū)開始出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣。此時，逗點云系尾部移至不穩(wěn)定的大氣環(huán)境中，觸發(fā)對流單體的發(fā)展形成有組織的弧線狀的積云帶。伴隨著弧狀云帶的東移，引發(fā)新的深層對流，擴大了雷暴大風(fēng)的范圍，這時颮鋒定在逗點云團的前界到弧狀對流云線上，大風(fēng)的風(fēng)向和強度不僅出現(xiàn)在逗點云前界，還出現(xiàn)在弧狀對流云線上(圖略)。16—17時可見光云圖上云團色調(diào)明亮，范圍增大，東南邊界向前凸起，出現(xiàn)上沖云頂區(qū)(風(fēng)暴核)，南端的弧狀對流云帶在對流單體不斷發(fā)展的條件下在滇南普洱地區(qū)得到加強逐漸彌合成為范圍更大的對流云團。當(dāng)云團降水加強時，在降水粒子的拖曳作用下風(fēng)速加強。

在此次雷暴大風(fēng)過程中，對流單體12—17時的云頂亮溫最低在214 K左右(-59 ℃)，-42 ℃冷云蓋的面積變化不大。18—19時云頂亮溫驟降至204 K(-69 ℃)，-42 ℃冷云蓋面積迅速擴大。對流云團的東側(cè)和東南側(cè)TBB維持較大的梯度，即颮鋒的位置。強對流天氣發(fā)生在TBB梯度大值區(qū)和云頂亮溫的低值區(qū)。20時后，對流的主體部分成熟衰減，弧狀云線激發(fā)的對流發(fā)展為強的對流單體影響云南南部。

5.2 颮線云團與其他云團的相互作用

在MCS發(fā)展過程中不斷有對流云合并的過程，每一次對流云的合并都加快了對流云的發(fā)展，加強對流云的持續(xù)時間。17時的紅外云圖中(圖2)A是對流單體的主體，B、C、D、E是弧狀云線上發(fā)展起來的小對流云單體，F(xiàn)是弧狀對流云系東側(cè)的對流單體。隨著云團的發(fā)展B逐漸合并到A中。18時A接著吞沒對流云帶前部的F與之合并。此時對流云團C獨自發(fā)展，D和E合并。19—20時，發(fā)展旺盛的C也合并到對流主體A中，形成中-a尺度的對流云團。D、E合并后的對流云團D、E在移至紅河南部時，有明顯的減弱，但在21—23時與在西雙版納東側(cè)新生的對流單體合并到增強，對流云團又重新發(fā)展起來影響紅河和文山地區(qū)。

圖2 2016年4月19日17—23時紅外云圖Fig.2 IR cloud image at 17∶00-23∶00 April 19, 2016

在MCS的發(fā)展和維持過程中，對流系統(tǒng)內(nèi)部的對流云團相互合并，使對流系統(tǒng)得以增強；在系統(tǒng)東移且即將消散的階段又與MCS以外的新生單體合并。合并過程不僅促成中尺度對流系統(tǒng)的生成，使得云體增強發(fā)展，而且為對流系統(tǒng)維持補充了能量，使系統(tǒng)生命史延長[7]。

6 颮線的雷達(dá)特征分析

利用云南5部雷達(dá)的資料和全省雷達(dá)拼圖資料進(jìn)行分析。4月19日14時德宏站雷達(dá)站西北部回波出現(xiàn)一條強度在45 dBz，長度在60 km左右的帶狀回波(中-β)，從德宏西北部移入云南，其后部的入流急流在雷達(dá)上出現(xiàn)了速度模糊的現(xiàn)象，通過退模糊計算，風(fēng)速達(dá)到32.3 m·s-1。在該颮線不斷東移的過程中，南端的弧狀對流云線觸發(fā)的對流單體不斷發(fā)展，至保山臨滄時形成一個200 km長的中-α尺度弧狀排列的雷暴群，該雷暴群在19時20分，發(fā)展到從昆明—玉溪—普洱一線約500 km長的弧狀對流云帶(圖略)，在弧狀對流延長的同時，颮線后部的入流急流范圍不斷增大，強度增強，當(dāng)颮線至昆明站時(圖3)颮線后部的徑向速度已達(dá)到34.9 m·s-1。此時，弧狀云帶北端的強度在45 dBz左右，南端對流云帶上的雷暴單體彌合程度并不高，但強度多在55 dBz以上，還處于發(fā)展階段。在弧狀云線逐漸向滇東移動時，云帶彌合程度越來越高，趨于成熟。颮線從中-β尺度增強為中-α后維持了近9 h。

圖5 2016年4月19日昆明雷達(dá)站18時52分0.5°仰角基本反射率和徑向速度Fig.5 Elevation on 0.5°base Reflectivity and Radial velocity at 18∶52 April 19, 2016 Kunming-radar station

根據(jù)統(tǒng)計，這次過程有56個站的大風(fēng)是產(chǎn)生在弓形回波上，有4個站次產(chǎn)生在弓形回波后側(cè)的入流急流中，并且有3/4站次的大風(fēng)出現(xiàn)在颮線的北段。在颮線移動的過程中產(chǎn)生大風(fēng)的同時部分地區(qū)伴隨有冰雹發(fā)生，在保山和紅河、玉溪地區(qū)有短時強降水的發(fā)生。

經(jīng)過對此次過程的研究，雷暴大風(fēng)集中發(fā)生在后部有較強入流急流的颮線凸部或颮線上發(fā)展旺盛的對流單體中。

值得注意的是，當(dāng)颮線移過德宏進(jìn)入保山時15時40分(颮線的起始階段)北段颮線已失去了帶狀雷暴的組織性，最大組合反射率逐漸減弱至40dBz左右，在徑向速度上其后部的入流急流范圍卻有所增大，急流在徑向速度上的結(jié)構(gòu)非常清晰，出現(xiàn)了速度模糊，造成保山騰沖等地的大風(fēng)天氣。此段颮線在移過保山后重新有組織的發(fā)展起來形成新的雷暴帶。

該強風(fēng)暴天氣系統(tǒng)的中尺度環(huán)流還有一個明顯的特征，即中層徑向輻合(Mid-altitude Radial Convergence Charateristics，MARC)，Przybylinski 等對中層徑向輻合特征(MARC)與地面大風(fēng)的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的研究，將MARC定義為沿雷達(dá)徑向6 km的范圍內(nèi)最大入流和出流速度的差值，而且他們的研究表明在3～7 km的范圍內(nèi)，如果MARC值能夠達(dá)到25 m/s以上，就可以提前30～3 5min預(yù)測地面大風(fēng)，而最大MRAC特征值先于大風(fēng)10～20 min出現(xiàn)[9]。從普洱站18時10分的基本反射率來看，南段的颮線最大反射率因子強度達(dá)到55 dBz，颮線開始逐漸的彌合起來，并出現(xiàn)中氣旋，表明颮線還在不斷的發(fā)展過程中。18時21分1.5°仰角的多普勒雷達(dá)徑向速度圖的特征來看，出現(xiàn)的正負(fù)速度輻合線，最大輻合達(dá)25.1 m/s，為較強的MRAC特征。表示此時對流單體內(nèi)部強上升氣流與后側(cè)急流之間的過渡區(qū)域，這一區(qū)域與近地面強的外流氣流密切相關(guān)，并且近地面的強外流氣流位置位于最強中層輻合中心的下方。從垂直剖面上看在中尺度環(huán)流的垂直剖面上有一支從邊界層開始傾斜上升到對流層頂?shù)呐瘽駳饬骱鸵恢е锌崭衫淇諝獾南鲁翚饬?圖4)。在該過程中強陣風(fēng)發(fā)生的測站附近有冰雹災(zāi)情的發(fā)生而且雷達(dá)觀測也表明產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯膯误w具有雹云特征，由此可推測，該過程中冰雹和降水的拖曳和融化對地面強陣風(fēng)的產(chǎn)生有一定貢獻(xiàn)。該過程中颮線的南段在18時10分出現(xiàn)MRAC的特征后分別在19時03分瀾滄站，19時05分鎮(zhèn)沅站和19時50分寧洱站出現(xiàn)了大風(fēng)天氣。也就是說用MRAC特征預(yù)報這3個測站的大風(fēng)天氣能夠提前40 min以上。

圖4 2016年4月19日普洱雷達(dá)站18時21分0.5°仰角徑向速度和徑向剖面Fig.4 Elevation on 0.5°Radial velocity and vertical plane at 18∶21 April 19, 2016 Puer-radar station

7 結(jié)論

這次過程是在滿足了不穩(wěn)定層結(jié)、水汽、抬升觸發(fā)三個條件和強的垂直風(fēng)切變的條件下造成的。通過中尺度分析結(jié)合大風(fēng)指數(shù)等參數(shù)的分析能夠預(yù)報短時時段內(nèi)大風(fēng)出現(xiàn)的可能性，強對流天氣的落區(qū)主要在T700-T500≥16 ℃(或T850-T500≥20 ℃)的地區(qū)，出現(xiàn)大風(fēng)的區(qū)域與08時0～3 km垂直風(fēng)切變≥20 m·s-1的區(qū)域極其吻合。強的垂直風(fēng)切變的維持、中低層急流的加強、動量下傳作用增大以及對流云團的合并是颮線維持較長時間的主要原因。

弧狀云線是這次大范圍雷暴大風(fēng)天氣的另一觸發(fā)條件，強對流發(fā)生在紅外亮溫不斷下降和冷云蓋面積增大的時段中，大風(fēng)主要出現(xiàn)在TBB梯度大的對流云團前側(cè)。對流云團的合并起到增強對流的作用，延長MCS生命史。

弧狀回波(颮線)是這次大風(fēng)過程的雷達(dá)特征，是造成這次雷暴大風(fēng)災(zāi)害性過程的主要原因，大風(fēng)出現(xiàn)在后側(cè)有明顯的入流急流的前側(cè)弓形回波上，少數(shù)站點的大風(fēng)是出現(xiàn)在后側(cè)的入流急流中。弓形回波和中層徑向輻合可以作為大風(fēng)預(yù)報的依據(jù)。

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