2017.6.21致災(zāi)雷暴大風(fēng)特征分析

馬鴻青，郭志強(qiáng)，李 彥，徐義國(guó)，董疆南

（保定市氣象局，河北保定071000）

0 引言

雷暴大風(fēng)是伴隨雷暴出現(xiàn)的瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)17 m/s以上的災(zāi)害性陣風(fēng)。因突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短、破壞性強(qiáng)且預(yù)報(bào)難度大等特征，雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)境條件、物理機(jī)制及臨近預(yù)報(bào)預(yù)警一直是國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者研究的重點(diǎn)之一。Fujita[1]認(rèn)為，雷暴大風(fēng)是由于上升氣流凝結(jié)的冰晶、水滴在下落過程中產(chǎn)生拖曳作用和融化、蒸發(fā)吸收釋放的潛熱使大氣冷卻所引起；秦麗等[2]通過統(tǒng)計(jì)研究北京地區(qū)的雷暴大風(fēng)氣候特征，指出北京地區(qū)的雷暴大風(fēng)具有地理分布不均、日變化和季節(jié)變化明顯等特點(diǎn)，對(duì)流層中層的干冷空氣在雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生過程中非常重要；楊曉霞等[3]以天氣模型對(duì)1971—2008年山東雷暴大風(fēng)進(jìn)行分類研究，給出了不同季節(jié)雷暴大風(fēng)發(fā)生的天氣尺度模型；黃榮等[4]分析了北京地區(qū)雷暴新生和增強(qiáng)機(jī)制，指出地形強(qiáng)迫、垂直風(fēng)切變、地面輻合中心、邊界層熱力和動(dòng)力不穩(wěn)定的共同作用是局地雷暴新生的主要物理機(jī)制；丁青蘭等[5]分析發(fā)現(xiàn)，北京西北部和東北部山區(qū)夏季雷暴大風(fēng)偏多；劉香娥等[6]通過研究認(rèn)為，降水粒子的蒸發(fā)和融化冷卻能夠有效降低地面溫度，產(chǎn)生地面大風(fēng)；廖曉農(nóng)等[7]利用多元回歸分析技術(shù)對(duì)北京地區(qū)雷暴大風(fēng)進(jìn)行了分析和潛勢(shì)預(yù)報(bào)，為雷暴大風(fēng)預(yù)報(bào)提供了借鑒。

近幾年許多氣象同行[8-14]利用多普勒雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)風(fēng)雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)做了大量分析與研究。保定是農(nóng)業(yè)大市，地形特征又比較復(fù)雜，對(duì)于不同地形的雷暴大風(fēng)，其發(fā)生發(fā)展的機(jī)理并不完全一樣，對(duì)該地區(qū)雷暴大風(fēng)發(fā)生的環(huán)境條件、動(dòng)力熱力特征及預(yù)報(bào)技術(shù)的研究還有待拓展。因此，本研究著重從觀測(cè)事實(shí)和物理機(jī)制兩方面對(duì)2017 年6 月21 日雷暴大風(fēng)天氣過程進(jìn)行剖析，以期為今后日常的預(yù)報(bào)提供幫助，從而更好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做好專業(yè)氣象服務(wù)。

1 天氣實(shí)況

2017 年6 月21 日（見圖 1）（以下簡(jiǎn)稱“6.21”）午后到傍晚（18:00—20:00）保定及雄安新區(qū)突發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣，強(qiáng)對(duì)流發(fā)展迅速，來勢(shì)兇猛，雷雨同時(shí)伴有大范圍的雷暴大風(fēng)。本次過程雷暴大風(fēng)站次達(dá)到39個(gè)，主要集中在保定東部和雄安新區(qū)，20 m/s 及以上雷暴大風(fēng)有16 站次（見表1），最大風(fēng)速出現(xiàn)在高碑店梁家營(yíng)30.7 m/s。雷暴大風(fēng)使轄區(qū)內(nèi)玉米、土豆、蔬菜等農(nóng)作物受災(zāi)嚴(yán)重。

圖1 雷暴大風(fēng)空間分布（風(fēng)速：m/s）

表1 20 m/s及以上雷暴大風(fēng)實(shí)況

2 環(huán)流背景

2.1 大尺度環(huán)流形勢(shì)

6月21日08時(shí)對(duì)流層中層500 hPa（見圖2a）貝加爾湖到河套之間維持1個(gè)橫槽，由于冷空氣的滲透，橫槽南部形成1條弱的河套短波槽，溫度槽與之相配合，此槽位置略偏西，河北大部分地區(qū)受對(duì)流層低層700 hPa及以下的反氣旋性環(huán)流控制。21日08—20時(shí)（見圖2b）河套地區(qū)的高空槽有所東移，同時(shí)，西太平洋副熱帶高壓緩慢北抬，受其影響，江淮切變線也隨之北抬，江淮切變線北部的偏南氣流明顯增強(qiáng)，河北低層由偏北氣流轉(zhuǎn)為偏南氣流。地面對(duì)應(yīng)的是自西向東伸展的低壓帶（圖略）。結(jié)果，在河套高空短波槽前的低空偏南氣流里突發(fā)雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。

從地面3 h 變壓和紅外云圖的疊置可以看出，21日午后，山西到河北西部有1個(gè)-2.5 hPa的變壓中心形成（見圖2d），地面輻合增強(qiáng)，與此同時(shí)，負(fù)變壓中心周圍對(duì)流云團(tuán)開始發(fā)展。14—17時(shí)，隨著山西境內(nèi)大片雷暴的出現(xiàn)，氣壓迅速升高，山西境內(nèi)形成1.5 hPa 的正變壓中心（見圖2e），負(fù)變壓區(qū)東移。此時(shí)，正變壓區(qū)內(nèi)的云團(tuán)逐漸減弱，正負(fù)變壓過渡帶的對(duì)流云團(tuán)強(qiáng)烈發(fā)展，保定正好處在正負(fù)變壓梯度密集區(qū)，18:30 左右（見圖2f），保定東部對(duì)流云團(tuán)的云頂高度快速上升，云頂亮溫(Tbb)降到-55℃以下，之后，云團(tuán)移動(dòng)前方Tbb梯度大值區(qū)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。

根據(jù)21日08時(shí)北京探空數(shù)據(jù)計(jì)算得出：沙氏指數(shù)SI為-5.55℃，K指數(shù)為 35℃，600～925 hPa 大氣呈上干下濕的“喇叭狀”分布（見圖2c），對(duì)流層中上層的干空氣更加明顯，說明大氣層結(jié)還是非常不穩(wěn)定的。另外值得關(guān)注的是，本次探空存在上下2個(gè)自由對(duì)流高度LFC（見圖2c），一個(gè)位于1000 hPa，另一個(gè)位于630 hPa附近，氣團(tuán)具備潛在的不穩(wěn)定性，對(duì)流云團(tuán)有可能發(fā)展。

2.2 中尺度背景特征分析

21日14時(shí)左右，位于保定與雄安新區(qū)之間的地面中尺度輻合線開始出現(xiàn)（見圖3a），17—18時(shí)西部山前由于地形抬升生成的對(duì)流云團(tuán)東移到地面中尺度輻合線附近，對(duì)流云團(tuán)快速發(fā)展加強(qiáng)（見圖2e～f）。上游雷暴的發(fā)生使氣壓場(chǎng)和溫度場(chǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)，保定中部形成1 個(gè)直徑不到100 km 的明顯的冷池，最大負(fù)變溫中心（見圖3b）為-9.4℃，同時(shí)，與冷池相匹配的是1 個(gè)較大正變壓區(qū)，最大正變壓（見圖3c）為4.2 hPa，保定東部到雄安新區(qū)的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)與地面小時(shí)強(qiáng)變溫和小時(shí)強(qiáng)變壓前側(cè)鋒區(qū)相吻合?？梢?，地面中尺度輻合線和冷池共同加劇了雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流的爆發(fā)。

3 物理機(jī)制分析

3.1 能量與不穩(wěn)定機(jī)制

21日午后，隨著太陽輻射加強(qiáng)，地面氣溫上升，21日 14 時(shí)（見圖 4a）500 hPa 與 850 hPa 的溫差達(dá)到-33～-34℃，層結(jié)不穩(wěn)定條件具備；21日08—14時(shí)（見圖4b），隨著對(duì)流層低層偏南氣流的加強(qiáng)，邊界層暖平流有所加強(qiáng)，低層能量增加，21 日14 時(shí)800 hPa 到地面出現(xiàn)“Ω”型能量鋒區(qū)，邊界層與500 hPaθse的差值大于16 K，對(duì)流性不穩(wěn)定形成，16 時(shí)左右邊界層冷空氣開始入侵，之后，對(duì)流云團(tuán)發(fā)展加強(qiáng)，強(qiáng)對(duì)流加劇，18—19 時(shí)保定中東部和雄安新區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性雷暴大風(fēng)。20 時(shí)隨著雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流的出現(xiàn)，邊界層被冷空氣堆占據(jù)，同時(shí)高層出現(xiàn)弱的暖平流，對(duì)流不穩(wěn)定條件減弱，強(qiáng)對(duì)流趨于結(jié)束。Cape指氣塊在自由對(duì)流高度和平衡高度之間受環(huán)境正浮力所做的功，它是一種潛在的不穩(wěn)定能量，因此，Cape可以作為判斷雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流是否發(fā)生的環(huán)境參數(shù)之一。21日08—14時(shí)（見圖4d）保定中東部Cape值直線上升，能量處在積累階段，中午前后Cape值達(dá)到2300～2400 J/kg，隨后上升運(yùn)動(dòng)快速發(fā)展（見圖5b），說明此能量值轉(zhuǎn)化為上升運(yùn)動(dòng)所需的動(dòng)能，最終導(dǎo)致雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的爆發(fā)。21 日20 時(shí)—22 日02 時(shí)，隨著雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的結(jié)束，能量得到釋放，Cape值快速降至200 J/kg 以下。地面能量與雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展緊密相關(guān)，6月21日08時(shí)（圖略），39—40°N，114—116°E區(qū)域內(nèi)有1 個(gè)近似東西向的地面能量鋒區(qū)，其北部為低能區(qū)，南部為1個(gè)相對(duì)的高能舌區(qū)，這與地面常規(guī)天氣圖上的北高南低形勢(shì)吻合。21日14時(shí)（見圖4c），60℃的高能舌繼續(xù)北頂西伸，在保定東部與雄安新區(qū)形成1個(gè)閉合高能舌中心，39°N附近濕靜力溫度等值線密度加大，說明能量鋒區(qū)加強(qiáng)，18—19 時(shí)最強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)在保定東部與雄安新區(qū)上空發(fā)展壯大，雷暴大風(fēng)出現(xiàn)，6月22 日02 時(shí)（圖略），60℃的高能舌南撤，能量鋒區(qū)減弱。由此可得，地面濕靜力溫度代表的能量變化至少可以比強(qiáng)對(duì)流的爆發(fā)提前2～3 h。

圖2 環(huán)流背景場(chǎng)與云團(tuán)演變

圖3 地面中尺度系統(tǒng)（變溫：℃，變壓：hPa）

3.2 動(dòng)力機(jī)制

21 日14 時(shí)（見圖5a）保定邊界層到地面逐漸由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，對(duì)流層中層為偏南風(fēng)，保定區(qū)域出現(xiàn)0～3 km垂直風(fēng)切變大值區(qū)，其中心值大于2.1 m/(s·km)，同時(shí)風(fēng)隨高度發(fā)生近90°的順轉(zhuǎn)。21 日08 時(shí)開始，對(duì)流層低層的輻合（見圖5b）逐漸增強(qiáng)，14—20時(shí)對(duì)流層上升運(yùn)動(dòng)（見圖5b）快速發(fā)展，18—20時(shí)，低層(900 hPa)最大上升運(yùn)動(dòng)中心-0.6 Pa/s，最大上升速度位于400 hPa，其值為-0.9 Pa/s，此時(shí)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展達(dá)到最強(qiáng)，中東部的雷暴大風(fēng)就出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)段。根據(jù)文獻(xiàn)中[15]中定義：MPV2＜0，且MPV2 的絕對(duì)值越大，說明水平風(fēng)的垂直切變和相當(dāng)位溫的水平梯度越大，大氣的濕斜壓度越強(qiáng)，有利于氣旋性渦度的發(fā)展。20 日夜間，邊界層800 hPa 以下濕位渦斜壓項(xiàng)MPV2 的負(fù)值區(qū)域明顯增強(qiáng)（見圖5c），21 日14—20 時(shí)，隨著高空影響系統(tǒng)的東移，MPV2 的負(fù)值區(qū)向高層伸展，750 hPa 附近出現(xiàn)-1.6 PVU 的中心，其與0～3 km 水平風(fēng)的垂直切變加強(qiáng)時(shí)間一致，間接說明低空風(fēng)場(chǎng)的變化；與此同時(shí)，高空450 hPa 和 300 hPa 也分 別 形成 -2.0 PVU 的 MPV2 中心，說明對(duì)流層整層的氣旋性渦度快速發(fā)展，大氣的斜壓性增大，輻合上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流就出現(xiàn)在濕位渦絕對(duì)值得到增大的時(shí)段和區(qū)域，濕位渦的斜壓項(xiàng)與雷暴大風(fēng)的發(fā)生時(shí)間和落區(qū)相吻合。當(dāng)大氣具有潛勢(shì)不穩(wěn)定能量時(shí)，垂直螺旋度能反映對(duì)流天氣的垂直螺旋上升運(yùn)動(dòng)特征，其越來越多的被應(yīng)用于對(duì)流天氣的診斷預(yù)報(bào)中[16-21]。21 日14—20 時(shí)，隨著影響系統(tǒng)的臨近和低層上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，對(duì)流層低層的正垂直螺旋度（見圖5d）逐漸增大，18—20時(shí)，位于700 hPa的垂直螺旋度最大值達(dá)到5×10-5hPa/s2，說明低層輻合加強(qiáng)，同時(shí)對(duì)流層高層有1 個(gè)代表高空強(qiáng)輻散的閉合負(fù)螺旋度中心與之相配合，這種低層正、高層負(fù)的配置，非常有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的爆發(fā)。

圖4 能量與不穩(wěn)定條件

4 結(jié)論與討論

（1）本次區(qū)域性雷暴大風(fēng)發(fā)生在高空槽前，地面中尺度輻合線和冷池是雷暴大風(fēng)天氣的直接觸發(fā)機(jī)制。探空曲線存在上下2 個(gè)自由對(duì)流高度LFC，說明氣團(tuán)具備潛在的不穩(wěn)定性，預(yù)示對(duì)流云團(tuán)有可能發(fā)展。大氣層結(jié)呈上干下濕“喇叭狀”，整層濕度較小，本次強(qiáng)對(duì)流以雷暴大風(fēng)為主。小時(shí)最強(qiáng)負(fù)變溫和最大正變壓與雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系和指示意義，最強(qiáng)負(fù)變溫和正變壓前側(cè)鋒區(qū)容易出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。依據(jù)此兩項(xiàng)指標(biāo)至少可以提前10～20 min發(fā)出預(yù)警信號(hào)。夏季午后隨著太陽輻射加強(qiáng)，“Ω”型能量鋒區(qū)快速發(fā)展，Cape達(dá)到2000 J/kg 以上，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)在濕靜力溫度密集區(qū)（能量鋒區(qū)）形成、發(fā)展，雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣位于高能舌附近的能量鋒區(qū)。中高層的冷平流越強(qiáng)，動(dòng)量下傳帶來的雷暴大風(fēng)越劇烈。邊界層弱冷平流有利于水平鋒區(qū)的形成與加強(qiáng)。2.1 m/(s·km)以上的0～3 km強(qiáng)垂直風(fēng)切變使對(duì)流的發(fā)生更加有組織性。MPV2 的負(fù)值區(qū)向高層伸展，致使對(duì)流層整層的氣旋性渦度快速發(fā)展，大氣的斜壓性增大，輻合上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流就出現(xiàn)在濕位渦絕對(duì)值得到增大的時(shí)段和區(qū)域。低層的垂直螺旋度最大正值達(dá)到5×10-5hPa/s2，高層的垂直螺旋度最大負(fù)值達(dá)到-3×10-5hPa/s2，高、低空螺旋度的耦合，構(gòu)成此次強(qiáng)對(duì)流天氣的典型模式。

圖5 動(dòng)力條件

（2）本研究發(fā)現(xiàn)，本次過程探空曲線存在上下2個(gè)自由對(duì)流高度LFC，這對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的潛勢(shì)預(yù)報(bào)意義重大；雷暴大風(fēng)出現(xiàn)在小時(shí)最強(qiáng)負(fù)變溫和最大正變壓前側(cè)鋒區(qū)，依據(jù)此，2 項(xiàng)指標(biāo)可以提前發(fā)出預(yù)警信號(hào)；邊界層弱冷平流與水平鋒區(qū)的形成和加強(qiáng)關(guān)系密切。

（3）1次個(gè)例不能足以證明上下2個(gè)自由對(duì)流高度LFC 對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的真正指示意義，需要從眾多類似天氣過程中去歸類、總結(jié)。

（4）因?yàn)橘Y料有限，本研究對(duì)雷暴大風(fēng)的形成機(jī)理研究的還不夠深入，之后有必要在新資料方面做更深入的分析。