一次下?lián)舯┝黠L(fēng)暴的成因和結(jié)構(gòu)特征分析*

竹 利,康 嵐,王碧波

(1.四川省南充市氣象局，四川 南充 637000；2.四川省氣象臺，四川 成都 610072)

1 引言

Fujita等(1978)把下?lián)舯┝鞫x為地面上水平風(fēng)速大于17.9 m/s、中空氣流向下、地面氣流為輻散或直線型的災(zāi)害性風(fēng)，并根據(jù)外流的災(zāi)害性范圍大小，又把下?lián)舯┝鞣譃楹晗聯(lián)舯┝?尺度>4 km，持續(xù)時間>10 min)和微下?lián)舯┝?尺度<4 km，持續(xù)時間<10 min)。下?lián)舯┝饕蚓哂袕姷南鲁翚饬骱蛷姷牡涂诊L(fēng)切變，往往造成大樹連根拔起、房屋倒塌、飛機墜毀等惡性事故，造成巨大的生命與財產(chǎn)損失。國內(nèi)外氣象學(xué)者對下?lián)舯┝髡归_了一系列的研究。Atkins等(1991)統(tǒng)計研究了美國南部的濕下?lián)舯┝靼l(fā)生的環(huán)境條件，結(jié)果表明，地面到對流層中層的假相當(dāng)位溫差>20 ℃時非常利于濕下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生，而假相當(dāng)位溫差<13 ℃時沒有濕下?lián)舯┝靼l(fā)生。強的反射率因子核快速下降、雷暴云中徑向輻合以及旋轉(zhuǎn)可以預(yù)報下?lián)舯┝鱗4，8，13]。Zhe feng等[6]研究指出相交的冷池較單個冷池多觸發(fā)73%的對流，這是由于交叉冷池的強外流輻合，提高上升氣流的速度高達45%。胡文東等[7]對一次陣風(fēng)鋒觸發(fā)的強對流過程進行分析表明，在環(huán)境背景條件分析基礎(chǔ)上,結(jié)合雷達資料的陣風(fēng)鋒初生、發(fā)展、運動情況,可望提前1 h左右發(fā)現(xiàn)觸發(fā)新生對流征兆。刁秀廣等[9]利用多普勒天氣雷達資料，對發(fā)生在山東境內(nèi)的3次下?lián)舯┝鬟M行了分析，研究表明三次風(fēng)暴中層為明顯的氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流結(jié)構(gòu)，利于風(fēng)暴發(fā)展和維持，近地層速度圖上表現(xiàn)為輻散結(jié)構(gòu)。張家國等[10]對鄂東一次下?lián)舯┝鞣治霰砻?，地形輻合線對中尺度對流系統(tǒng)(MCS)觸發(fā)和加強起到重要作用。盡管上述研究對一些下?lián)舯┝黠L(fēng)暴個例的觸發(fā)機制和雷達回波特征都有了較好的認識，但下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)天氣仍然是預(yù)報的難點，需要對更多的此類天氣的個例進行分析研究。為了進一步加深對下?lián)舯┝黠L(fēng)暴觸發(fā)機制和結(jié)構(gòu)特征的認識，本文將利用地面自動站、雷達、衛(wèi)星等觀測資料以及FNL數(shù)據(jù)、視頻資料，對四川盆地一次下?lián)舯┝黠L(fēng)暴的成因和結(jié)構(gòu)特征予以詳細分析，以期對四川盆地下?lián)舯┝鞯谋O(jiān)測、預(yù)報預(yù)警提供依據(jù)和參考。

2 天氣過程簡介

2017年7月28日17時35分—18時(北京時間，下同)，四川省南充市的高坪區(qū)和順慶區(qū)先后遭受大風(fēng)、冰雹和短時強降水襲擊，瞬時風(fēng)力達10級以上，其中國家氣象觀測站高坪站(距離下?lián)舯┝髦行募s2 km)監(jiān)測到極大風(fēng)速為26.1 m/s，極大風(fēng)速出現(xiàn)時間為17時49分,瞬時風(fēng)速最大值出現(xiàn)時間為17時40分，達到19.6 m/s，造成兩人不幸被大風(fēng)吹倒的大樹砸中而身亡。根據(jù)現(xiàn)場災(zāi)情調(diào)查，受災(zāi)區(qū)域里折斷或倒伏的樹木都是倒向同一方向，表明影響區(qū)域的大風(fēng)具有明顯的直線型大風(fēng)特征。此次災(zāi)害性大風(fēng)天氣過程由兩個相繼發(fā)展的對流單體分別產(chǎn)生的2次下?lián)舯┝髟斐?，其中影響高坪城區(qū)的下?lián)舯┝靼l(fā)生過程被完整地拍攝記錄下來。由于第二個下?lián)舯┝黠L(fēng)暴距離雷達站很近，無法對其雷達回波特征進行詳盡的分析，本文主要對第一個下?lián)舯┝骼走_回波特征進行分析。

3 天氣背景條件

3.1 天氣形勢

7月28日08時(圖1a)500 hPa河套以西—甘肅蘭州為高空槽，副熱帶高壓控制著華東、華中以及四川盆地，高壓脊線位于32°N附近，呈東西向分布；925 hPa甘肅隴南—河南鄭州為能量鋒區(qū)(假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū))，盆地西部偏北風(fēng)引導(dǎo)干冷空氣從廣元進入盆地，與盆地東部的偏東風(fēng)在盆地中部形成輻合，同時湖北十堰地區(qū)也存在著明顯的干冷平流。14時(圖1b)，500 hPa高空槽東移，副高西伸增強，盆地完全受副高脊線控制，中高層風(fēng)場呈反氣旋性流場(圖略)，因此，此次強對流天氣過程預(yù)報難度較大；925 hPa湖北西北部的強干冷平流東移南壓至湖北中部，同時湖北經(jīng)重慶中部至四川受弱偏東氣流影響，存在弱的干冷平流。20時(圖1c)，副高脊線仍控制著盆地；925 hPa湖北中部至盆地中部為明顯的冷舌，并伴有干冷平流，低層偏東風(fēng)引導(dǎo)的干冷空氣，有利于觸發(fā)此次強對流天氣的產(chǎn)生。14時地面圖(圖1d)陜西、寧夏一帶為高壓影響，盆地中部為低壓中心，有弱輻合存在。

3.2 大氣層結(jié)條件

從重慶沙坪壩站(距離下?lián)舯┝靼l(fā)生地偏南約130 km)的28日08時探空資料分析，K指數(shù)為44 ℃，SI指數(shù)為-2.1 ℃，CAPE值為995.6 J/kg，表明環(huán)境場能量較高，層結(jié)不穩(wěn)定。CIN為287.6 J/kg,表明近地層有一定的對流抑制能量存在，有利于能量的累積。垂直風(fēng)切變較弱，不利于大尺度對流系統(tǒng)組織發(fā)展。溫度和露點曲線呈細長的上下喇叭口狀，有利于大風(fēng)類型的強對流產(chǎn)生和發(fā)展。統(tǒng)計重慶沙坪壩探空站過去30 a的探空歷史資料發(fā)現(xiàn)，27日08時該站850 hPa溫度以及850 hPa與500 hPa溫度差均是歷年7月份的最大值，分別為27 ℃和30 ℃。同時高坪國家觀測站在27日和28日白天地面2 m溫度達到40 ℃，突破該站有氣象記錄以來極值。從廣元劍閣站(距離下?lián)舯┝靼l(fā)生地偏北約150 km)28日14時探空資料分析(圖略)，K指數(shù)為46 ℃，SI指數(shù)為-3.3 ℃，CAPE值為3 049 J/kg，表明環(huán)境場能量較高，層結(jié)極不穩(wěn)定。DCAPE為201.6 J/kg,有利于對流系統(tǒng)內(nèi)強下沉氣流的產(chǎn)生，從而形成地面大風(fēng)。

圖1 2017年7月28日08時(a)、14時(b)、20時(c)500 hPa高度場(粗實線)和925 hPa風(fēng)場、假相當(dāng)位溫(細實線，單位：℃)、散度場(虛線，10-5s-1)以及14時地面海平面氣壓場(細實線，單位：hPa)、風(fēng)場(d)Fig.1 500 hPa geopotential height field (thick solid line) and 925 hPa wind field, pseudoequivalent potential temperature(thin solid line), divergence field (dotted line)at 08∶00(a), 14∶00(b), 20∶00(c) and sea surface pressure field (thin solid line), wind field at 14∶00(d) on July 28, 2017

4 觸發(fā)機制

4.1 地面中尺度輻合線

17時，隨著河套附近的地面高壓東移南壓，四川盆地位于高壓西南側(cè)，近地層主要受偏東風(fēng)影響(圖略)。17時10分，近地層偏東風(fēng)在南充市偏南地區(qū)形成一條長約40 km的南北向地面中尺度輻合線(圖2b)，同時，在該輻合線附近也存在一南北向線狀云系(圖2a中圓圈處)。仔細分析10 min一次的葵花可見光云圖和5 min一次地面風(fēng)場圖(圖略)發(fā)現(xiàn)，該輻合線和線狀云系從16時50分出現(xiàn)并一直持續(xù)到17時20分，且位置維持不變，表明線狀云系是由這一地面中尺度輻合線影響而產(chǎn)生的。從圖3中的線狀云系的演變情況可以看出，17時50分(極大風(fēng)速出現(xiàn)時間為17時49分)對流云團發(fā)展最旺盛(圖2d)，產(chǎn)生此次下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)天氣的對流風(fēng)暴是由該線狀云系發(fā)展形成的。

4.2 陣風(fēng)鋒

28日17時17分南充站雷達的2.4°仰角反射率因子圖(圖3a)顯示，在雷達站西南向約30 km處有一強多單體風(fēng)暴A，對應(yīng)圖2a中的對流云系A(chǔ)，其東北側(cè)約10 km處有一東南西北向的弱回波帶(圖3a橙色圓圈處)，回波帶的反射率因子<15 dBz。弱回波帶的徑向速度為一致的入流負速度(圖3b)，最大入流速度達10 m/s，且弱回波帶前側(cè)(光標(biāo)處)有較明顯的風(fēng)速輻合，因此判斷該弱回波帶為風(fēng)暴A中的出流與近地層暖空氣輻合形成的陣風(fēng)鋒。到下個體掃(27分)時，該弱回波帶向東北方向(朝著雷達站方向)移至距離雷達約14 km處，回波強度維持不變(圖3c)，入流速度增大(圖3d)，由此可以計算該陣風(fēng)鋒的移動速度約為11 m/s，與其最大徑向入流速度相當(dāng)。沿著圖3d中橙色直線的徑向速度剖面圖(圖4a)顯示，陣風(fēng)鋒的底部為-10 m/s的入流，而頂部為5 m/s的出流，頂部高度約2 km,并且陣風(fēng)鋒的底部前沿存在輻合，輻合產(chǎn)生上升氣流。因此判斷陣風(fēng)鋒在近地層形成了由西北指向東南的水平渦管，渦管的旋轉(zhuǎn)強度(最大出流速度減去最大入流速度再除以渦管直徑)約7.5 s-3。

4.3 觸發(fā)機制

結(jié)合圖2分析，17時27分，陣風(fēng)鋒與圖2b中的地面中尺度輻合線相交，陣風(fēng)鋒后側(cè)的西南風(fēng)與輻合線右側(cè)的偏東風(fēng)將產(chǎn)生更強烈的輻合。同時，圖4a、4b中，陣風(fēng)鋒后側(cè)西南風(fēng)的高度約1 km，而圖1b中925 hPa(約1 km)盆地也為偏東風(fēng)，表明該輻合系統(tǒng)較深厚，有利于近地層的暖濕空氣被強迫抬升，形成更強的上升氣流，從而觸發(fā)此次強對流天氣的產(chǎn)生。

圖2 28日17時10分(a)、30分(c)、50分(d)的Himawari-8可見光衛(wèi)星云圖和17時10分地面自動站瞬時風(fēng)場圖(b)Fig.2 Himawari-8 visible satellite cloud map at 17∶10 (a), 17∶30(c), 17∶50(d) and ground instantaneous wind field(b) at 17∶10 on July 28, 2017

根據(jù)中尺度渦度方程(高守亭，2007)：

(1)

圖3 28日17時四川南充CINRAD-SC雷達2.4°仰角的反射率因子圖(17時17分(a)、17時27分(c)、17時37分(e)、17時42分(g))和徑向速度圖(17時17分(b)、17時27分(d)、17時37分(f)、17時42分(h))Fig.3 Reflectance factor map of the 2.4°of the CINRAD-SC radar of Nanchong at 17∶17(a), 17∶27(c), 17∶37(e), 17∶42(g) and Radial velocity maps at 17∶17(b), 17∶27(d), 17∶37(f), 17∶42(h)

圖4 a和b分別為28日17時27分沿著圖3d和32分沿著圖2f中橙色直線的徑向速度剖面圖(圖中橙色圓圈處為陣風(fēng)鋒所在位置)；c和d分別為17時32分和37分9.8°仰角的徑向速度圖(圖中白色圓圈處為小尺度渦旋所在位置，高度約2.8 km)Fig.4 Figure a and b are radial velocity profiles along the orange line in figure 3f along the lines of figures 3d; figures c and d are radial speed diagrams at 17:32, 17:37 of 9.8° elevation

17時32—37分，上述陣風(fēng)鋒與圖3c中的多單體風(fēng)暴B減弱后產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒合并后強度增強(其最大入流速度達-15 m/s)，并快速移至距離雷達西南側(cè)約5 km處(圖3e和3f光標(biāo)處)。沿著圖3f中橙色直線作的17時32分徑向速度剖面圖(圖4b)顯示，陣風(fēng)鋒的底部為-15 m/s的入流，而頂部為10 m/s的出流，因此判斷此時陣風(fēng)鋒在近地層形成的由西北指向東南的水平渦管強度增強，渦管的旋轉(zhuǎn)強度約12.5 s-3。17時37分，由于地物回波的影響從反射率因子圖上不能判斷陣風(fēng)鋒的位置，但此時的陣風(fēng)鋒在徑向速度圖上表現(xiàn)較明顯，其最大入流速度增大至-20 m/s，與地面輻合線東側(cè)的偏東風(fēng)形成強度更強的輻合。旋轉(zhuǎn)更強烈的水平渦管在輻合上升氣流作用下傾斜形成的垂直渦度更大，產(chǎn)生更強烈的上升氣流，激發(fā)了線狀云系上的另一個對流單體(雷達站東側(cè)5 km處)迅速增強(圖3e)，最大反射率因子由27分的35 dBz迅速增大至55 dBz，該對流單體發(fā)展為第二個下?lián)舯┝黠L(fēng)暴。

從17時32分(圖4c)和37分(圖4d)9.8°仰角的徑向速度圖可以看出，在風(fēng)暴中心存在水平尺度約2 km的氣旋性渦旋，與陣風(fēng)鋒產(chǎn)生的水平渦管的直徑一致，這進一步佐證了水平渦管在輻合上升氣流作用下傾斜可能會形成垂直渦度。刁秀廣等[9]研究表明：三次下?lián)舯┝黠L(fēng)暴的中層為明顯的氣旋性旋轉(zhuǎn)上升氣流結(jié)構(gòu)，與此次過程的下?lián)舯┝黠L(fēng)暴中層的氣旋性渦旋結(jié)構(gòu)特征較一致。因此，對流風(fēng)暴中層的氣旋性渦旋結(jié)構(gòu)特征可作為下?lián)舯┝鞯念A(yù)警指標(biāo)之一。

5 下?lián)舯┝黠L(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征

28日17時27分，產(chǎn)生此次大風(fēng)天氣的第一個下?lián)舯┝鲗α鲉误w生成發(fā)展并向西北方向(朝著南充雷達站方向)移動，在其移動方向前側(cè)約10 km處，一位攝影師(李雍)拍攝記錄了該對流風(fēng)暴產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯恼麄€演變過程。據(jù)了解，這是國內(nèi)首例有完整視頻記錄的濕下?lián)舯┝?，圖5為該視頻的部分截圖。17時36分(圖5a)該對流風(fēng)暴發(fā)展成熟，風(fēng)暴南側(cè)(即圖片右側(cè))中低層有明顯亮區(qū)，表明低層的干暖氣流在風(fēng)暴南側(cè)輻合抬升形成強烈的上升氣流(圖中藍色箭頭線所示)。而風(fēng)暴北側(cè)高層為暗區(qū)并向觀測方向延伸，表明風(fēng)暴高層產(chǎn)生了懸垂的濕冷空氣團，38分(圖5b)濕冷氣團迅速下降，其底部干濕分界線呈向下凸起的弧狀(圓圈處)。39分(圖5c)濕冷氣團下降至近地面層，同時風(fēng)暴南側(cè)亮區(qū)消失，表明入流氣流減弱，40分(圖5d)濕冷氣團在近地面層輻散開，此時距離該對流風(fēng)暴約2 km處的高坪觀測站監(jiān)測到最大瞬時風(fēng)速為19.6 m/s。上述分析表明，產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯睦錃鈭F核從高空開始下降，然后落至近地面層，并在近地層輻散開形成地面大風(fēng)的整個過程僅需約4 min，而一個完整的雷達體掃時間為5 min，因此根據(jù)強反射率因子核迅速下降的回波特征不能對該下?lián)舯┝鬟M行及時的預(yù)警。

圖5 2017年7月28日17時36時45分(a)、38時35分(b)、39時40分(c)、40時30分(d)第一個下?lián)舯┝饕曨l截圖(拍攝高度距離地面約120 m，拍攝點位于下?lián)舯┝魑鞅毕蚣s10 km處)Fig.5 The first downburst torrent video screenshot at 17∶36∶45(a), 38∶35(b), 39∶40(c), 40∶30(d) on July 28, 2017

17時32分,第一次下?lián)舯┝鞯膶α黠L(fēng)暴在南充雷達站的東南側(cè)約14 km處強烈發(fā)展，由該風(fēng)暴中低層反射率因子圖(略)可知，此時風(fēng)暴的中高層南側(cè)有明顯的V型入流槽口，風(fēng)暴南側(cè)有強上述氣流，同時風(fēng)暴強反射率因子核隨高度向西北向(即對流層中層引導(dǎo)氣流方向，為東南風(fēng))傾斜。該風(fēng)暴雷達回波結(jié)構(gòu)特征與視頻截圖5a的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)較一致，即入流氣流位于風(fēng)暴南端，懸垂回波隨高度向風(fēng)暴移動方向傾斜。

從17時42分0.5°仰角徑向速度圖(圖3h)可以看出，在第一次下?lián)舯┝鲗α黠L(fēng)暴處有強烈的輻散風(fēng)場特征,最大徑向入流速度為20 m/s，最大出流徑向速度為10 m/s，最大速度中心之間距離為4 km，因此該下?lián)舯┝鲬?yīng)為微下?lián)舯┝?。?7時52分2.4°仰角徑向速度圖(圖6b)可以看出，產(chǎn)生第二次下?lián)舯┝鞯膶α黠L(fēng)暴剛好位于雷達站上空，徑向速度上在雷達站周圍為一致的出流速度。

6 結(jié)論

本文利用高時空分辨率的葵花8氣象衛(wèi)星云圖、地面自動站觀測資料以及新一代多普勒雷達資料，并結(jié)合國內(nèi)首個下?lián)舯┝饕曨l資料對四川盆地一次濕下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)天氣過程進行了詳細分析。得到如下結(jié)論：

①此次災(zāi)害性大風(fēng)天氣過程由兩個相繼發(fā)展的對流風(fēng)暴分別產(chǎn)生的兩次下?lián)舯┝髟斐?，?個下?lián)舯┝黠L(fēng)暴為微下?lián)舯┝?，?個下?lián)舯┝黠L(fēng)暴為宏下?lián)舯┝鳌?/p>

②此次大風(fēng)天氣過程發(fā)生在副熱帶高壓脊附近，預(yù)報難度大。過程發(fā)生前，對流層中低層環(huán)境溫度及其直減率均達到同期歷史極端值，大氣層結(jié)為上干下濕，有利于雷暴大風(fēng)強對流天氣的產(chǎn)生。

圖6 2017年7月28日17時42分四川南充CINRAD-SC雷達0.5°(a)和52分2.4°(b)仰角徑向速度圖Fig.6 Radial velocity diagram of 0.5°(a) at 17∶42 and 2.4°(b) at 17∶52 for CINRAD-SC radar of Nanchong on July 28, 2017

③形成這次下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)天氣的對流風(fēng)暴，主要由陣風(fēng)鋒與地面中尺度輻合線相交后觸發(fā)，陣風(fēng)鋒水平渦度不斷輸入對流系統(tǒng)內(nèi)，產(chǎn)生正的相對風(fēng)暴螺旋度，利于對流風(fēng)暴持續(xù)發(fā)展到較高高度，為下?lián)舯┝鞯漠a(chǎn)生提供條件。

④下?lián)舯┝靼l(fā)生前的對流風(fēng)暴，在視頻截圖和反射率因子圖上都表現(xiàn)為懸垂傾斜結(jié)構(gòu)，傾斜方向與對流層中層平均風(fēng)向較一致。對流風(fēng)暴中層的氣旋性渦旋結(jié)構(gòu)特征可作為下?lián)舯┝鞯念A(yù)警指標(biāo)之一。