豫北一次颮線天氣過(guò)程診斷分析

張啟紹

摘要 利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、FNL1°×1°數(shù)據(jù)、區(qū)域站資料和雷達(dá)回波等資料對(duì)2016年6月13日夜間到次日凌晨發(fā)生在河南北部的一次颮線天氣過(guò)程進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果表明：此次過(guò)程是發(fā)生在中高層槽后西北氣流控制、低層前傾槽過(guò)境的環(huán)境背景下的；此次過(guò)程發(fā)生前，河南北部存在較大的大氣不穩(wěn)定能量，但是濕層淺薄，是這次過(guò)程出現(xiàn)雷暴大風(fēng)而未出現(xiàn)較強(qiáng)降水的主要原因；颮線的移向與地面中尺度輻合線移向基本一致，且地面中尺度輻合線出現(xiàn)比颮線提前1 h左右。移動(dòng)速度快、出流邊界和后側(cè)入流槽口和近距離低仰角存在較大的徑向速度是該次過(guò)程的主要雷達(dá)回波特征。

關(guān)鍵詞 颮線；前傾槽；中尺度輻合線；出流邊界

中圖分類號(hào)：P458.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）05-048-05

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.05.018

強(qiáng)對(duì)流天氣往往具有局地性較強(qiáng)，氣象要素變化劇烈，空間范圍較小，持續(xù)時(shí)間或者生命期比較短等特點(diǎn)。常見(jiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣有雷雨大風(fēng)、冰雹、颮線、龍卷、短時(shí)強(qiáng)降水等，由于強(qiáng)對(duì)流天氣易造成災(zāi)害，破壞性強(qiáng)，社會(huì)影響大，且預(yù)警預(yù)報(bào)存在一定難度，故長(zhǎng)期受到氣象工作者的高度關(guān)注，是天氣預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)研究的重要課題，并取得了相當(dāng)多的研究成果[1-6]。近年來(lái)侯淑梅[7]等對(duì)2016年9月11日山東省初秋一次大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)在對(duì)流抑制比較小的情況下，抬升強(qiáng)迫不太強(qiáng)也可以觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣，不同區(qū)域雷暴的抬升機(jī)制不同，此次過(guò)程地面輻合線、海風(fēng)鋒與冷鋒共同作用、雷暴出流邊界（陣風(fēng)鋒）等均觸發(fā)了產(chǎn)生了強(qiáng)雷暴。高夢(mèng)竹等[8]在研究2014年7月27日浙江一次颮線形成機(jī)理時(shí)，發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度的深層垂直風(fēng)切變是此次颮線過(guò)程形成的有利環(huán)境條件，杭州灣上更好的水汽和更強(qiáng)不穩(wěn)定能量條件是導(dǎo)致颮線得到進(jìn)一步加強(qiáng)的直接原因。馬月枝等[9]對(duì)2014年7月14日新鄉(xiāng)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析，發(fā)現(xiàn)地形在此次過(guò)程發(fā)揮的重要作用，太行山脈東側(cè)的雷暴外流邊界受地形抬升作用，觸發(fā)大范圍分散的對(duì)流單體，導(dǎo)致了局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣。梁鈺等[10]對(duì)2004年6月鄭州地區(qū)3次強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)水汽因子的差異決定了雷雨能否發(fā)生。上下層均為干冷空氣時(shí)一般僅伴有大風(fēng)天氣；低層暖濕、中高層干冷時(shí)能增加大氣的對(duì)流性不穩(wěn)定，有利于強(qiáng)降水和局地冰雹的產(chǎn)生。盧秋芳等[11]對(duì)2013年3月19—20日上饒出現(xiàn)的一次颮線天氣過(guò)程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)颮線回波在發(fā)展演變中沒(méi)有形成典型的“弓”狀回波， 颮線回波的走向和移動(dòng)與其東部的中低層急流一致。文中利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、多普勒雷達(dá)資料、區(qū)域站資料和FNL再分析資料等對(duì)2016年6月13日夜里到14日凌晨河南北部發(fā)生的一次颮線天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析。以期為今后該類局地災(zāi)害性天氣過(guò)程的預(yù)警預(yù)報(bào)提供有益的參考和值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

1 天氣實(shí)況

2016年6月13日22：00至14日02：00有以大風(fēng)為主要特征的強(qiáng)對(duì)流性中尺度系統(tǒng)自西向東影響河南北部大部分地區(qū)，過(guò)程雨量較小且分布不均（圖1），雷雨時(shí)伴有11級(jí)左右的大風(fēng)天氣（圖2）。風(fēng)速較大的有林州馬安腦35.1 m/s（12級(jí)，22：50）、內(nèi)黃繁陽(yáng)32.3 m/s（11級(jí)，23：45）、安陽(yáng)縣瓦店31.9 m/s（11級(jí)，23：22）、安陽(yáng)縣寶蓮寺30.4 m/s（11級(jí)，23：14）和濮陽(yáng)梁村32.3 m/s（11級(jí)，23：50）。國(guó)家級(jí)自動(dòng)雨量站顯示該過(guò)程各雨量站雨量均在10 mm以下。綜合分析認(rèn)為該次強(qiáng)對(duì)流（颮線）過(guò)程的天氣特點(diǎn)是系統(tǒng)移動(dòng)速度快，風(fēng)速特別大，但是雨量較小。

2 資料與方法

采用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、FNL1°×1°資料、區(qū)域站資料和雷達(dá)資料等，對(duì)2016年6月13日夜里到14日凌晨發(fā)生在河南北部的颮線天氣過(guò)程的成因進(jìn)行分析。一般認(rèn)為大氣層結(jié)不穩(wěn)定、水汽條件、抬升觸發(fā)機(jī)制是強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展的充分必要條件，水汽條件和不穩(wěn)定層結(jié)條件是發(fā)生對(duì)流天氣的內(nèi)因，而抬升條件則是外因，故文中將針對(duì)這3個(gè)條件從影響系統(tǒng)、探空資料分析、動(dòng)力抬升條件、水汽條件、熱力不穩(wěn)定等方面分析導(dǎo)致該次過(guò)程形成的各個(gè)影響因素。

3 強(qiáng)對(duì)流天氣成因分析

3.1 環(huán)流背景分析

2016年6月13日20：00高空形勢(shì)分析表明（圖3），200 hPa上自北京、渤海灣至朝鮮半島有超過(guò)40 m/s的高空急流核，華北南部和河南北部在其急流入口右側(cè)，有利于對(duì)流天氣的出現(xiàn)。500 hPa上歐亞中高緯環(huán)流大致呈兩槽一脊的形勢(shì)，東北地區(qū)存在一低渦（東北低渦），河南北部受500 hPa低槽后部的西北氣流控制，低渦后部不時(shí)有冷空氣擴(kuò)散南下，700 hPa上低槽位于內(nèi)蒙古蘇尼特右旗到陜西南部，850 hPa上低槽位于烏拉特前旗到九寨溝一帶，中低層的低槽配置來(lái)看呈現(xiàn)出明顯的前傾結(jié)構(gòu)，其影響區(qū)域是出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的有利位置，925 hPa上河南北部處于明顯的風(fēng)向輻合區(qū)域內(nèi)，低層氣流輻合條件較好。在溫度場(chǎng)配置上850 hPa從甘肅經(jīng)山西到河南一帶為一明顯的溫度脊，500 hPa河套地區(qū)存在一明顯的冷溫度槽，高空冷平流與低層暖脊疊加，從850 hPa與500 hPa兩層的溫差來(lái)看，山西、河南北部、河北中南部T850-500在30℃左右，部分地區(qū)在34℃以上， 山西、河南、河北地區(qū)明顯處于位勢(shì)不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，層結(jié)不穩(wěn)定。

地面形勢(shì)方面（圖4），陜西、山西和河南北部由于高空受500 hPa槽后西北氣流控制，地面又處于低壓帶內(nèi)，使得河南北中部處于30℃以上的高溫控制區(qū)。河南北部山西、河南和河北三省交界處有一條地面輻合線，輻合線走向呈東北西南向，其西南端位于長(zhǎng)治，東北端位于山東清河，長(zhǎng)度超過(guò)400 km。河南北部處于地面氣流匯合區(qū)，地面的氣流在此交匯，輻合上升運(yùn)動(dòng)明顯，為對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件，也是對(duì)流天氣的觸發(fā)者之一。

綜上分析可知，2016年6月13日夜里到14日凌晨的颮線天氣過(guò)程是發(fā)生在中高層槽后西北氣流、低層前傾槽過(guò)境的環(huán)流形勢(shì)下的，過(guò)程發(fā)生前河南北部處于層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)，低層存在明顯的輻合抬升條件，在系統(tǒng)移入后產(chǎn)生了強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，形成了該次颮線天氣過(guò)程。

3.2 探空資料分析

由于豫北當(dāng)?shù)貨](méi)有探空資料，離豫北較近的2個(gè)探空站有鄭州站和邢臺(tái)站，由于邢臺(tái)在20：00已經(jīng)出現(xiàn)了持續(xù)性的降水，故筆者主要參考了和豫北一樣未出現(xiàn)持續(xù)性降水的鄭州站的探空資料（局地出現(xiàn)了陣性降水）。

2016年6月13日20：00鄭州的探空曲線表明（圖5），鄭州上空整層都比較干（T-Td>9℃），但是從低層到高層垂直溫度遞減率很大，T850-500≥29℃。從常用的物理量指數(shù)來(lái)看，SI=-2.55℃，K=23℃，但是CAPE值較大，達(dá)到了2 621.2 J/kg。從風(fēng)場(chǎng)上來(lái)看鄭州從低層到高層水平風(fēng)呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，意味著有明顯的暖平流，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的出現(xiàn)，可以為強(qiáng)對(duì)流天氣提供不穩(wěn)定能量。從0～6 km的水平風(fēng)分布來(lái)看，中低層存在較大的垂直風(fēng)切變，較強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)的垂直切變對(duì)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的作用體現(xiàn)在4個(gè)方面：①在切變環(huán)境中使上升氣流傾斜，從而使上升氣流中形成的降水質(zhì)點(diǎn)能夠脫離出上升氣流，而不致因拖曳作業(yè)減弱上升氣流，相反，降落到下沉氣流中的降水質(zhì)點(diǎn)，因蒸發(fā)冷卻和下沉拖帶作用，會(huì)增強(qiáng)下沉冷空氣出流，從而維持和激發(fā)上升氣流增強(qiáng)；②可以增強(qiáng)中層干冷空氣的吸入，加強(qiáng)風(fēng)暴中的下沉氣流和低層冷空氣外流，而后通過(guò)強(qiáng)迫抬升，使流入的暖濕空氣更強(qiáng)烈的上升，導(dǎo)致對(duì)流加強(qiáng)；③造成一定的散度分布，有利于在風(fēng)暴在順切變一方不斷再生，使風(fēng)暴向前傳播；④能產(chǎn)生流體動(dòng)力學(xué)壓強(qiáng)，有利于在風(fēng)暴左側(cè)新的對(duì)流單體增長(zhǎng)。

由此可見(jiàn)，鄭州上空存在較大不穩(wěn)定能量，但是低層濕度較小，出現(xiàn)強(qiáng)降水的可能性不大，但是雷雨時(shí)伴隨大風(fēng)的可能性比較大。

3.3 物理量診斷分析

為了更深入了解該次颮線天氣過(guò)程中豫北主要出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)，而少有站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的原因，文中將從水汽條件、動(dòng)力條件、不穩(wěn)定能量（不穩(wěn)定層結(jié)）等條件展開(kāi)進(jìn)一步的診斷和分析，主要使用的資料為FNL1°×1°資料（使用該資料時(shí)圖片上的時(shí)間為世界時(shí)）。

3.3.1 動(dòng)力條件分析 要產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，必須要分析動(dòng)力條件。散度是衡量速度場(chǎng)輻散、輻合強(qiáng)度的物理量，單位為1/s，輻散時(shí)為正輻合時(shí)為負(fù)，水平散度計(jì)算公式如下：

因此可以從散度場(chǎng)的分布來(lái)判斷各層輻合輻散的情況。從圖6a可以看出，在豫北925 hPa以下有一負(fù)輻散大值中心，其值為-6×10-5/s，說(shuō)明低層存在強(qiáng)烈的輻合運(yùn)動(dòng)，該分析與環(huán)流背景分析中所述的底層存在明顯的輻合線相呼應(yīng)，也間接說(shuō)明了底層輻合線是該次豫北強(qiáng)天氣過(guò)程主要的抬升觸發(fā)機(jī)制。

垂直上升運(yùn)動(dòng)是輻合強(qiáng)度的直接表現(xiàn)，從圖6b可以看出，豫北上空存在一個(gè)垂直上升運(yùn)動(dòng)中心，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)一直延申到500 hPa以上，在925 hPa存在一個(gè)垂直上升運(yùn)動(dòng)中心，其值達(dá)2.5 pa/s。強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是該次颮線過(guò)程得以發(fā)生發(fā)展的重要原因之一。

該過(guò)程發(fā)生前，豫北地面上一直存在明顯的中尺度輻合線（圖7a，b），輻合線附近存在明顯的風(fēng)向風(fēng)速輻合，此中尺度輻合線不斷向東移動(dòng)，且中尺度輻合線與颮線走向基本一致，且早于颮線1 h左右，對(duì)短臨預(yù)報(bào)上預(yù)估颮線移動(dòng)方向有一定指示意義。

觸發(fā)對(duì)流的抬升條件大多由中尺度系統(tǒng)提供，特別是邊界層輻合系統(tǒng)，該次過(guò)程中925 hPa以下存在明顯的中尺度輻合線，是該次過(guò)程的主要觸發(fā)機(jī)制。

3.3.2 不穩(wěn)定能量條件分析 大氣穩(wěn)定度指整層空氣的穩(wěn)定程度，是大氣對(duì)在其中作垂直運(yùn)動(dòng)的氣團(tuán)加速、遏制還是不影響其運(yùn)動(dòng)的一種熱力學(xué)性質(zhì)。文中主要利用K指數(shù)和假相當(dāng)位溫來(lái)診斷大氣的穩(wěn)定度。

K=[T850-T500]+[Td]850-[T-Td]700，其中[T850-T500]為850 hPa與500 hPa的實(shí)際溫度差；[Td]850為850 hPa的露點(diǎn)；[T-Td]700為700 hPa的溫度露點(diǎn)差。K指數(shù)反映了大氣層結(jié)的穩(wěn)定情況，是判斷對(duì)流性天氣穩(wěn)定度的重要指標(biāo)，K值愈大，愈不穩(wěn)定。K指數(shù)雖然是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，但其他是一個(gè)能同時(shí)反映干空氣穩(wěn)定度、濕度狀況的綜合指標(biāo)，若與輻合區(qū)相配合將會(huì)增強(qiáng)雷雨天氣。經(jīng)驗(yàn)表明，K>30℃時(shí)，產(chǎn)生對(duì)流性天氣的可能性非常大。

從圖8可以看出，河南北部K指數(shù)均在36℃，局部地區(qū)達(dá)到了39℃，可知在850 hPa與500 hPa的實(shí)際溫度差較大的情況下，K指數(shù)雖然也較大，但是并未出現(xiàn)42℃以上的K值，這也間接說(shuō)明中低層水汽和濕度情況較差，表明該次過(guò)程出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣將是雷暴大風(fēng)，而短時(shí)強(qiáng)降水或者短時(shí)暴雨的可能性較小。這為以后的短臨預(yù)報(bào)工作提供了一些參考依據(jù)。

假相當(dāng)位溫（θse）是指氣壓經(jīng)濕絕熱過(guò)程，將所含水汽全部凝結(jié)放出后，在沿著干絕熱線過(guò)程達(dá)到1 000 hPa時(shí)的溫度，表達(dá)式為：

其中θd是位溫，Tk是抬升凝結(jié)高度上的溫度，L是凝結(jié)潛熱，q為比濕。

在假相當(dāng)位溫中，不僅考慮了氣壓對(duì)溫度的影響，也考慮了水汽的凝結(jié)和蒸發(fā)對(duì)溫度的影響。它實(shí)際上是把溫度、氣壓、濕度包括在一起的一個(gè)綜合物理量。在判斷大氣層結(jié)的對(duì)流性不穩(wěn)定上相當(dāng)有效。在對(duì)流層內(nèi)，穩(wěn)定大氣中假相當(dāng)位溫是隨高度逐漸增大的，當(dāng)大氣層結(jié)不穩(wěn)定時(shí)，假相當(dāng)位溫在某些層次有隨高度減小的現(xiàn)象。

從圖9可以看到河南北部上從低層到高層θse有先減小后增大的現(xiàn)象，且600 hPa以下θse的垂直遞減率比較大，在925 hPa左右存在明顯的θse大值中心，說(shuō)明河南北部上空層結(jié)是非常不穩(wěn)定的，有系統(tǒng)移入和恰當(dāng)?shù)挠|發(fā)條件下降產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。

3.3.3 水汽條件分析 水汽是強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生所需要的“燃料”，但是跟強(qiáng)降水相比較，大多其他類別的強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生并不需要深厚的濕層，往往在低層有一淺薄的濕度層的情況下就能產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流天氣。故文中將從水汽通量散度和比濕等對(duì)該次過(guò)程進(jìn)行水汽條件分析。

水汽通量散度是表示輸送來(lái)的水汽集中程度的物理量。2016年6月13日20：00負(fù)的水汽通量散度的大值區(qū)主要集中在925 hPa以下（圖10a，b），在900 hPa以下有一個(gè)-7×10-8 g/cm2·hPa·s的負(fù)值中心，說(shuō)明該次過(guò)程水汽的輻合只在近地層，而從比濕場(chǎng)的垂直分布來(lái)看，比濕大值區(qū)位于925 hPa以下，900 hPa以下有一個(gè)14 g/kg的大值中心。因此即使豫北地區(qū)處于水汽輻合的中心，能夠形成強(qiáng)對(duì)流天氣，水汽輻合只在近地層，濕層較為淺薄，所以很難形成大的降水。

4 雷達(dá)回波分析

從2016年6月13日濮陽(yáng)新一代天氣雷達(dá)可以看出（圖11a，b），颮線移動(dòng)速度非?？?，移速達(dá)到了80 km/h左右。

從2016年6月13日23：41分的濮陽(yáng)雷達(dá)組合反射率因子上（圖12a），可以看出該次颮線天氣過(guò)程雷達(dá)回波強(qiáng)度整體并不大，但存在明顯的出流邊界和后側(cè)入流槽口（圖中白色箭頭）。從23：53的1.5°仰角雷達(dá)徑向速度圖上可以看出（圖12b），近距離低仰角存在較大的徑向速度（25 m/s以上）。

移動(dòng)速度快、出流邊界，后側(cè)入流槽口和近距離低仰角存在較大的徑向速度是該次過(guò)程的主要雷達(dá)回波特征。

5 小結(jié)和討論

2016年6月13日夜里到14日凌晨，河南北部出現(xiàn)了一次颮線天氣過(guò)程，該次過(guò)程主要出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)天氣，未出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。該次過(guò)程發(fā)生在中高層槽后西北氣流控制、低層前傾槽過(guò)境的環(huán)流背景下，其對(duì)流性天氣過(guò)程特征可歸納出以下幾個(gè)重要特點(diǎn)：

（1）該次過(guò)程發(fā)生前，河南北部存在比較大的不穩(wěn)定能量，但是層濕層淺薄，是這次過(guò)程出現(xiàn)雷暴大風(fēng)而未出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的主要原因。

（2）颮線的移向與地面中尺度輻合線移向基本一致，地面中尺度輻合線出現(xiàn)的時(shí)間比颮線提前1 h左右。

（3）移動(dòng)速度快、出流邊界和后側(cè)入流槽口和近距離低仰角存在較大的徑向速度是此次過(guò)程的主要雷達(dá)回波特征。

（4）文中對(duì)該次颮線過(guò)程中河南北部出現(xiàn)11級(jí)以上的大風(fēng)的原因作了一些簡(jiǎn)單的分析，但地形作用對(duì)該次過(guò)程的影響尚有待進(jìn)一步深入研究。

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