貴州三都“7.22”大風(fēng)天氣分析

趙 杰，潘啟學(xué)，黃桂東

(貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

0 引言

雷暴大風(fēng)是我國(guó)主要的災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣之一，由于它們一般空間尺度小，生命史短、突發(fā)性強(qiáng)及發(fā)展演變迅速，仍然是日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的難點(diǎn)[1]。近年來(lái)不少學(xué)者對(duì)雷暴大風(fēng)進(jìn)行了研究，俞小鼎等[2]提出: 雷暴大風(fēng)主要由成熟階段雷暴中的下沉氣流，在近地面處水平輻散性而產(chǎn)生; 祝學(xué)范[3]、謝祖鎮(zhèn)[4]分析了大風(fēng)與地形的關(guān)系，指出狹管效應(yīng)對(duì)風(fēng)速有明顯的加速作用；李國(guó)翠等[5]確定了雷暴大風(fēng)的6個(gè)雷達(dá)識(shí)別指標(biāo)：風(fēng)暴最大反射率因子、風(fēng)暴最大垂直積分液態(tài)水含量、垂直積分液態(tài)水含量隨時(shí)間的變率、風(fēng)暴體移動(dòng)速度、回波頂高和垂直積分液態(tài)水含量密度；吳古會(huì)[1]、李路長(zhǎng)[6]、蒙軍[7]、張超[8]、羅曉松[9]等分別研究了貴州不同地區(qū)的雷暴大風(fēng)，但是黔南地區(qū)研究相對(duì)較少。

2018年7月22日16時(shí)20分左右三都縣城出現(xiàn)大風(fēng)天氣，此次大風(fēng)導(dǎo)致三都縣城同心橋上木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑物中間部分垮塌，造成人員傷亡。此次大風(fēng)局地性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短，此類(lèi)大風(fēng)的預(yù)報(bào)有一定的難度，本文對(duì)此次天氣過(guò)程的環(huán)境場(chǎng)、前期氣象要素、雷達(dá)產(chǎn)品、地形等進(jìn)行分析，為將來(lái)預(yù)報(bào)三都大風(fēng)積累一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)況

2018年7月22日16時(shí)20分左右，三都出現(xiàn)短時(shí)大風(fēng)天氣，最大風(fēng)力達(dá)21.5 m/s，風(fēng)向東北轉(zhuǎn)西北，具體風(fēng)向與風(fēng)力大小見(jiàn)表1。此次過(guò)程伴有降雨無(wú)冰雹，降雨時(shí)間持續(xù)11 min，累計(jì)降雨量6.5 mm；氣溫驟降，7 min內(nèi)下降10 ℃。同時(shí)段縣城周邊各站點(diǎn)最大風(fēng)速情況見(jiàn)表2。上述氣象監(jiān)測(cè)表明，三都縣城風(fēng)速遠(yuǎn)大于周邊站點(diǎn)風(fēng)速，此次三都縣城大風(fēng)具有局地性、短時(shí)性。

表1 16時(shí)11分至20分三都縣城風(fēng)向(單位：°)、風(fēng)力(單位：m/s)變化Tab.1 16∶11 to 16∶20 Sandu County wind direction (unit: °), wind (unit: m / s) changes

表2 16—17時(shí)三都周邊站最大風(fēng)速(單位：m/s)Tab.2 Maximum wind speed around Sandu at 16∶00—17∶00 (unit: m/s)

2 環(huán)流背景

圖1為7月22日14時(shí)環(huán)流配置情況，500 hPa上副高位于黃淮流域到湖北陜西一帶，北部灣為熱帶低值系統(tǒng)影響，貴州主要受偏東氣流影響，氣壓梯度較小，700 hPa和850 hPa來(lái)看，貴州主要受熱帶低值系統(tǒng)北側(cè)的偏東氣流影響，風(fēng)速較小，從海平面氣壓來(lái)看，貴州區(qū)域基本處于均壓場(chǎng)中，等壓線(xiàn)稀疏。我國(guó)常見(jiàn)大風(fēng)為冷鋒后部偏北大風(fēng)，高壓后部偏南大風(fēng)，低壓大風(fēng)，以及臺(tái)風(fēng)大風(fēng)和雷雨冰雹大風(fēng)[10]，從大的環(huán)流背景來(lái)看，貴州主要受偏東氣流控制，地面氣壓梯度小，不具備形成前4種大風(fēng)的環(huán)流背景條件，此次大風(fēng)為雷雨大風(fēng)。

圖1 22日14時(shí)環(huán)流配置(a:500 hPa高度場(chǎng)；b∶700 hPa高度場(chǎng)+風(fēng)場(chǎng)；c：850 hPa高度場(chǎng)+風(fēng)場(chǎng)；d：海平面氣壓場(chǎng))Fig.1 At 14 o'clock on the 22nd, the circulation configuration(a: 500 hPa height; b: 700 hPa height+wind; c: 850 hPa height+wind; d: sea level pressure)

3 不穩(wěn)定能量條件及觸發(fā)條件

從對(duì)流有效位能分布來(lái)看(圖2a、2b)，08時(shí)黔南境內(nèi)對(duì)流有效位能為900～1 500 J/kg，到14時(shí)全州對(duì)流有效位能為1 400～1 800 J/kg，黔南境內(nèi)對(duì)流有效位能呈現(xiàn)出明顯升高的趨勢(shì)。從對(duì)流抑制(CIN)來(lái)看(圖2d、2e)，08時(shí)全州為20～50 J/kg，到14時(shí)變?yōu)?～1 J/kg，基本沒(méi)有對(duì)流抑制的存在。從對(duì)流有效位能和對(duì)流抑制的變化來(lái)看，對(duì)流有效位能升高，對(duì)流抑制減小，有利于黔南境內(nèi)午后出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。

從16時(shí)區(qū)域站10 min平均風(fēng)速(圖2c)可以看出，在三都縣北部地區(qū)都勻南部地區(qū)存在地面輻合線(xiàn)，地面輻合線(xiàn)的存在提供抬升觸發(fā)條件，有利于能量的釋放。從08時(shí)探空?qǐng)D(圖2f)看出貴陽(yáng)上空中高層特別干，低層較濕，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的維持，中層干冷空氣有利于加強(qiáng)雷暴中的下沉氣流，有利于地面大風(fēng)形成，同時(shí)對(duì)流溫度為25.9 ℃。08時(shí)位于三都南側(cè)的河池探空(略)也呈現(xiàn)出低層濕度大，中高層濕度低的特征，對(duì)流溫度為31.4 ℃，當(dāng)天三都最高氣溫達(dá)36.0 ℃，有利于午后熱對(duì)流的出現(xiàn)。

綜合來(lái)看，在大風(fēng)發(fā)生前，三都地區(qū)有著較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量條件，地面輻合線(xiàn)的觸發(fā)與熱力抬升作用使得能量釋放，有利于雷暴大風(fēng)的形成。

圖2 08時(shí)與14時(shí)CAPE、CIN分布、16時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)以及08時(shí)貴陽(yáng)探空?qǐng)D(a：08時(shí)CAPE分布；b：14時(shí)CAPE分布；c：16時(shí)區(qū)域自動(dòng)站10 min平均風(fēng)速；d：08時(shí)CIN分布；e：14時(shí)CIN分布；f：08時(shí)貴陽(yáng)探空?qǐng)D)Fig.2 The distribution of CAPE and CIN at 08∶00 and 14∶00, the ground wind at 16∶00, and the sounding map of Guiyang at 08∶00(a: CAPE distribution at 08∶00; b: CAPE distribution at 14∶00; c: 10 minutes average wind at regional automatic station;d:CIN distribution at 08∶00; e:CIN distribution at 14∶00; f: sounding map of Guiyang at 08∶00)

4 要素分析

4.1 氣溫

圖3a為三都縣城7月的氣溫變化，可以看出三都縣城7月最高氣溫17日開(kāi)始超過(guò)35 ℃，直到22日最高氣溫基本維持在35 ℃以上，期間19日最高氣溫略低為34.7 ℃，此時(shí)段最高氣溫基本為7月最大區(qū)間。從平均氣溫來(lái)看，17日開(kāi)始平均氣溫明顯升高，在21日平均氣溫達(dá)到最大值29.1 ℃，雖然19日最高氣溫略有降低，但是平均氣溫相比前幾天有所升高。總的來(lái)看，在大風(fēng)發(fā)生前(22日前)三都縣城持續(xù)5 d以上的高溫天氣(最高氣溫超過(guò)35 ℃，平均氣溫超過(guò)27 ℃)。大風(fēng)發(fā)生當(dāng)天最高氣溫為近3 d的最大值，由于強(qiáng)對(duì)流天氣的影響，氣溫下降，平均氣溫在大風(fēng)發(fā)生前1 d達(dá)到最大值。

4.2 氣壓

圖3(b)為三都縣城7月10—30日海平面氣壓及與周?chē)军c(diǎn)海平面氣壓差的變化，從圖可以看出，從16日開(kāi)始三都縣城海平面氣壓呈降低的趨勢(shì)，在22日氣壓值降至最低值1 001.4 hPa，往后海平面氣壓值開(kāi)始升高。從三都與周?chē)军c(diǎn)的氣壓差可以看出，在21日三都與荔波、都勻的氣壓差之開(kāi)始增大，19日與平塘的氣壓差開(kāi)始增大，到22日三都與周?chē)军c(diǎn)氣壓差均為正值，23日后氣壓差值減小?？偟膩?lái)看，大風(fēng)發(fā)生前5 d三都?xì)鈮撼尸F(xiàn)降低的趨勢(shì)，大風(fēng)當(dāng)日氣壓值達(dá)到最低值，大風(fēng)發(fā)生前1 d三都與周?chē)军c(diǎn)氣壓差值開(kāi)始增加，大風(fēng)當(dāng)天三都縣城與周?chē)军c(diǎn)氣壓差均為正值。

圖3 三都縣城7月氣溫(a)、海平面氣壓以及與周?chē)军c(diǎn)海平面氣壓差(b)的變化Fig.3 Changes in temperature (a), sea level pressure and sea level pressure difference (b) from Sandu County in July

5 雷達(dá)回波分析

圖4為大風(fēng)發(fā)生前的雷達(dá)演變。在15時(shí)43分(圖4a)開(kāi)始有回波發(fā)展，到16時(shí)09分(圖4b)回波發(fā)展成熟，并影響三都地區(qū)，回波為孤立積云降水回波，周?chē)鸁o(wú)層狀云降水回波。初始回波發(fā)生于較高仰角(4.3°)，范圍較小，發(fā)展較快。從垂直剖面來(lái)看，反射率因子核心初始高度位于4.5～6 km高度(圖4c)，到16時(shí)09分(圖4d)回波強(qiáng)度加強(qiáng)，反射率因子核心高度位于3～6 km高度，回波頂高在9 km以上，到16時(shí)15分(圖4e)，反射率因子核心高度繼續(xù)下降至3 km以下，具有明顯的反射率因子核心下降的特征。從速度剖面來(lái)看(圖4f)，在16時(shí)09分回波發(fā)展成熟時(shí)，在3 km上下存在明顯的徑向輻合，為中層徑向輻合(MARC),有利于地面大風(fēng)的發(fā)生[2]?？偟膩?lái)看，反射率因子生成于較高的高度，大風(fēng)發(fā)生前有明顯的反射率因子核心下降與中層徑向輻合，有利于地面大風(fēng)的發(fā)生。

圖4 雷達(dá)回波演變(反射率因子仰角為4.3°)(a:15時(shí)43分反射率因子；b：16時(shí)09分反射率因子；c：15時(shí)43分反射率因子剖面；d：16時(shí)09分反射率因子剖面；e：16時(shí)15分反射率因子剖面；f:16時(shí)09分速度剖面)Fig.4 Radar evolution(Reflectivity factor Elevation angle is 4.3°)(a:Reflectivity factor at 15∶43；b:Reflectivity factor at 16∶09；c:Reflectivity factor profile at 15∶43；d:Reflectivity factor profile at 16∶09；e:Reflectivity factor profile at 16∶15；f:speed profile at 16∶09)

6 地形與下墊面分析

同心橋周?chē)匦稳鐖D5所示，可以發(fā)現(xiàn)同心橋西側(cè)為地勢(shì)開(kāi)闊的城區(qū)，東側(cè)為山地，整個(gè)地形呈現(xiàn)出明顯的“喇叭口”形狀，同心橋處于地形變窄位置。由表1，在大風(fēng)發(fā)生前風(fēng)向由東北轉(zhuǎn)向西北，結(jié)合地形可知，當(dāng)風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng)時(shí)，風(fēng)由地形狹窄的山區(qū)吹向?qū)掗煹某菂^(qū)，對(duì)風(fēng)速無(wú)明顯的影響，當(dāng)風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)時(shí)，風(fēng)由寬闊的城區(qū)吹向狹窄的山區(qū)，此時(shí)由于“狹管效應(yīng)”風(fēng)速明顯增大。同時(shí)由于下墊面的不同，城區(qū)氣溫較高，河面氣溫較低，這樣的氣溫分布將會(huì)在河面與城區(qū)之間生成局地的熱力對(duì)流，熱力對(duì)流在河面的下沉支將會(huì)使得風(fēng)速加大，并且河面摩擦力比城區(qū)小，因此下墊面的分布將會(huì)導(dǎo)致河面風(fēng)力大于觀測(cè)站點(diǎn)的風(fēng)力。綜合地形和下墊面因素可知，在雷暴大風(fēng)生成后，經(jīng)過(guò)地形的加速和下墊面的影響，使得在風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng)后形成大風(fēng)，并造成同心橋的垮塌。

圖5 三都縣同心橋周?chē)匦?箭頭所指為同心橋)Fig.5 Topography around the Tongxin Bridge in Sandu County (arrows refer to Tongxin bridges)

7 結(jié)論與討論

①此次過(guò)程大形勢(shì)不具備形成冷鋒后部偏北大風(fēng)，高壓后部偏南大風(fēng)，低壓大風(fēng)以及臺(tái)風(fēng)大風(fēng)的條件，大風(fēng)發(fā)生前黔南能量較高，地面輻合線(xiàn)位于三都北部地區(qū)，午后氣溫升高，熱對(duì)流的發(fā)展及地面輻合使得能量釋放，此次大風(fēng)是午后熱對(duì)流形成的雷暴大風(fēng)。

②此次大風(fēng)發(fā)生前三都縣城持續(xù)5 d以上的高溫天氣(最高氣溫超過(guò)35 ℃，平均氣溫超過(guò)27 ℃)，大風(fēng)發(fā)生當(dāng)天最高氣溫為近3 d的最大值，平均氣溫在大風(fēng)發(fā)生前1 d達(dá)到最大值。大風(fēng)發(fā)生前5 d三都?xì)鈮撼尸F(xiàn)降低的趨勢(shì)，大風(fēng)當(dāng)日氣壓值達(dá)到最低值，大風(fēng)發(fā)生前1 d三都與周?chē)军c(diǎn)氣壓差開(kāi)始增加，當(dāng)天氣壓差均為正值。但是當(dāng)氣溫與氣壓出現(xiàn)上述變化時(shí)，是否會(huì)出現(xiàn)大風(fēng)還有待進(jìn)一步的研究。

③此次大風(fēng)雷達(dá)回波生成于較高層次，在大風(fēng)發(fā)生前出現(xiàn)了較為明顯的反射率因子核心降低和中層徑向輻合，有利于地面大風(fēng)的出現(xiàn)，同時(shí)地形“狹管效應(yīng)”與下墊面的影響使得河面上風(fēng)力加大。