秦巴山區(qū)一次罕見雷暴大風(fēng)天氣成因分析

李靜睿，劉佩佩，陳小婷，梁 雪

(1.安康市氣象局，陜西安康 725000；2.陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

雷暴大風(fēng)天氣因其尺度小，局地性強(qiáng)，生命期短，預(yù)報(bào)難度較大,故對(duì)這類天氣的分析與總結(jié)顯得尤為重要。針對(duì)雷暴大風(fēng)國(guó)內(nèi)學(xué)者從形成、觸發(fā)機(jī)制、雷達(dá)特征等方面都進(jìn)行了大量的研究[1-9]，程月星等[4]關(guān)于2016年北京地區(qū)一次雷暴大風(fēng)的研究表明，在新生單體與風(fēng)暴主體合并下山的過程中，對(duì)流強(qiáng)度與冷池強(qiáng)度均迅速增強(qiáng)。趙杰等[7]研究表明，大風(fēng)雷達(dá)回波生成于較高層，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)。孟妙志等[9]對(duì)關(guān)中秋季颮線天氣成因和中尺度特征分析的研究表明，由中高層干冷平流引起對(duì)流不穩(wěn)定發(fā)展，高層強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)激發(fā)低層擾動(dòng)，地面干線是強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制。研究表明，風(fēng)暴強(qiáng)下沉氣流輻散、強(qiáng)冷池密度流和層狀云部分降水粒子蒸發(fā)對(duì)弓形回波階段地面災(zāi)害性大風(fēng)的增幅作用幾乎相當(dāng)，冷池合并是極端雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的重要原因和觸發(fā)機(jī)制[10-18]。安康地處秦巴山區(qū)，受地形影響10 m風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速常年平均在3級(jí)以下，強(qiáng)對(duì)流和寒潮大風(fēng)發(fā)生時(shí)也很少出現(xiàn)大范圍的大風(fēng)(6級(jí)以上)天氣。而在2019年初夏，安康地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的雷暴大風(fēng)天氣，為歷史之罕見，因此對(duì)這次天氣過程的成因從多角度進(jìn)行分析總結(jié)，有利于提高安康地區(qū)雷暴大風(fēng)天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 資料來源及天氣實(shí)況

資料采用地面自動(dòng)觀測(cè)站實(shí)況資料，NCEP1°×1°逐6 h再分析數(shù)據(jù)資料，安康雷達(dá)站資料。雷達(dá)資料包括組合反射率、徑向速度、基本反射率等。

2019年6月2日19—23時(shí)，安康市大部分縣區(qū)發(fā)生了一次雷暴大風(fēng)天氣過程。安康市地面觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料顯示，石泉縣、漢陰縣、漢濱區(qū)出現(xiàn)了七級(jí)以上大風(fēng)，石泉觀測(cè)站出現(xiàn)了22.3 m/s的極大風(fēng)速，創(chuàng)建站以來歷史記錄；漢陰縣極大風(fēng)速為23.2 m/s，為2010年以來最大風(fēng)速；漢濱區(qū)極大風(fēng)速為17.8 m/s，為1987年以來最大風(fēng)速。同時(shí)石泉縣、鎮(zhèn)坪縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了小冰雹，并伴有短時(shí)降水，1 h最大降水量出現(xiàn)在鎮(zhèn)坪縣牛頭店為22.7 mm(21—22時(shí))。安康市地處秦巴山區(qū),由于山脈的屏障作用，通常風(fēng)速較小，而像6月2日出現(xiàn)這么大面積的雷暴大風(fēng)天氣實(shí)為罕見。風(fēng)暴所經(jīng)之地，氣溫驟降，氣壓驟升，風(fēng)速突增，風(fēng)向突變。以石泉站(圖1)為例，2日19—23時(shí)陣風(fēng)風(fēng)速極大值達(dá)22.3 m/s，1 h氣溫下降幅度最大為11.3 ℃，3 h氣壓上升6.9 hPa，露點(diǎn)溫度上升 3.4 ℃，風(fēng)向由西北風(fēng)突變?yōu)槲髂巷L(fēng)，氣象要素變化劇烈程度為安康有氣象記錄以來之少見。

圖1 2019-06-02安康石泉站極大風(fēng)速和風(fēng)向(a)及3 h變壓、溫度、露點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化(b)

2 成因分析

2.1 高空形勢(shì)分析

從2日20時(shí)500 hPa環(huán)流形勢(shì)圖(圖2a)上可以看出，陜西處在東北冷渦底后部，受內(nèi)蒙東部到華北西部下滑槽后西北氣流控制。下滑槽后風(fēng)場(chǎng)與等溫線有一定夾角，不斷有冷空氣東移南下，在陜西中南部形成-12 ℃的冷中心。同時(shí)從探空資料的溫度露點(diǎn)差來看(圖略)，其差值較大，有明顯的干冷平流影響安康。700 hPa和850 hPa天氣圖(圖略)上，我國(guó)西南地區(qū)到陜西北部有暖脊發(fā)展。高低層的冷暖配置，有利于大氣不穩(wěn)定層結(jié)的建立。由探空資料可以看出，安康站850 hPa和500 hPa的溫度差值為36 ℃，同時(shí)，08時(shí)西安站850 hPa和300 hPa的溫度差值已達(dá)66 ℃，表現(xiàn)出上下層強(qiáng)的不穩(wěn)定潛勢(shì)。陜西強(qiáng)對(duì)流經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)表明：當(dāng)08時(shí)850 hPa和300 hPa的溫度差值超過55 ℃時(shí)，發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的概率可達(dá)65%以上。陜西中南部地區(qū)，700 hPa溫度露點(diǎn)差為21 ℃；同時(shí)通過NCEP1°×1°再分析數(shù)據(jù)資料分析沿32.5°N相對(duì)濕度垂直分布(圖2b)來看，在105°E～109°E的中層(700～500 hPa)，自東向西存在明顯的干層，這種中空的干層加強(qiáng)了大氣的對(duì)流不穩(wěn)定度,有利于中層干空氣卷夾進(jìn)入風(fēng)暴，使得降水粒子經(jīng)過干空氣時(shí)劇烈蒸發(fā)，進(jìn)而使下沉氣流加強(qiáng)，從而形成雷暴大風(fēng)天氣。200 hPa上(圖略)，安康地區(qū)正好處在高空急流軸上，這加劇了高低層的垂直風(fēng)切變，有利于對(duì)流風(fēng)暴的組織發(fā)展和維持。

圖2 2019-06-02T20 500 hPa形勢(shì)場(chǎng)(a 實(shí)線為等高線、單位為dagpm；虛線為等溫線，單位為℃)、沿32.5°N相對(duì)濕度/%垂直剖面(b)

2.2 環(huán)境場(chǎng)條件

安康極端大風(fēng)發(fā)生在21:07，安康站20時(shí)的探空資料(圖3a)能代表雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生前的環(huán)境場(chǎng)特征。探空數(shù)據(jù)顯示，08時(shí)安康站對(duì)流有效位能為0 J/kg，20時(shí)上升到1 218.3 J/kg，說明大氣在經(jīng)過白天晴空輻射，能量累積后，不穩(wěn)定能量明顯增大，在受到一定觸發(fā)時(shí)，易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流。下沉有效位能由08時(shí)的0.5 J/kg上升至20時(shí)的108.3 J/kg，有利于雷暴大風(fēng)天氣的發(fā)生；SI指數(shù)由-2.37 ℃變?yōu)?2.58 ℃，發(fā)生對(duì)流的潛勢(shì)整體都增大。20時(shí)安康站的T-LnP圖上中低層較干，因此本次過程以干對(duì)流為主。700 hPa以下，大氣遞減率接近干絕熱遞減率，有利于云底降水的蒸發(fā)，從而產(chǎn)生負(fù)浮力并使得地面強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大。同時(shí)0 ℃層和-20 ℃層分別位于600 hPa和400 hPa上下，溫度層結(jié)高度有利于局地冰雹的發(fā)生。

由于實(shí)況探空分辨率較低，不能代表不同地理位置的大氣層結(jié)狀態(tài)，下面利用NCEP1°×1°逐6 h再分析數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析。2日20時(shí)沿32.5°N做假相當(dāng)位溫、散度、垂直速度剖面(圖3b)，可以看出假相當(dāng)位溫整體為上小下大垂直分布。32.5°N ，106.5°E是這個(gè)時(shí)次大風(fēng)發(fā)生的中心位置，其附近區(qū)域700 hPa以下均為假相當(dāng)位溫高值區(qū)，最大能量中心為336 K，500～600 hPa為低值區(qū)，中心值為324 K，且從地面到500 hPa，假相當(dāng)位溫隨高度而遞減，說明大氣處于對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)之中。從垂直速度與散度剖面來看，在106°E附近，低層850 hPa有(6～7)×10-5s-1的強(qiáng)輻散中心，在350 hPa配合有(5～6)×10-5s-1的輻合中心，與之相伴隨的垂直下沉速度在700～600 hPa達(dá)到了3～4 m/s左右，較天氣尺度垂直運(yùn)動(dòng)的量級(jí)明顯要大的多，這樣的上下層配置有利于雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生。

圖3 2019-06-02T20安康站T-LnP圖(a)和沿32.5°N假相當(dāng)位溫(粗黑色實(shí)線，單位為K)和經(jīng)向環(huán)流(箭頭，垂直風(fēng)速w×10，單位為m/s)、散度(填色區(qū)，單位為10-5s-1)的垂直剖面(b)

2.3 地面形勢(shì)和觸發(fā)機(jī)制

2日08時(shí)安康受熱低壓控制，以晴天為主，受太陽短波輻射影響增溫明顯，有利于能量累積和低層的熱力不穩(wěn)定度不斷加大。2日11時(shí)地面圖上(圖略)，新疆經(jīng)河西走廊有冷空氣擴(kuò)散南下，陜南仍受地面熱低壓控制，升溫較快。15時(shí)開始，受冷空氣影響，寶雞西部已經(jīng)出現(xiàn)雷陣雨天氣，而安康仍然處于晴空區(qū)。到了17時(shí)，安康地區(qū)大部分區(qū)縣地面溫度達(dá)到36 ℃左右，而漢中和寶雞西部，氣溫只有25 ℃左右。20時(shí)(圖略)，地面圖上青藏高原東側(cè)存在中心氣壓為1 012.5 hPa的冷空氣，經(jīng)西路影響關(guān)中和陜南西部地區(qū)。此時(shí)，關(guān)中中西部風(fēng)速明顯增大，風(fēng)向?yàn)橐恢碌奈魑鞅憋L(fēng)，平均風(fēng)速為10 m/s左右，漢中已轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，而安康大部仍然維持高溫狀態(tài)。地面上冷暖分布不均勻，陜南東部具有比關(guān)中和陜南西部更好的能量條件。在一定的觸發(fā)機(jī)制下，易在暖濕一側(cè)產(chǎn)生對(duì)流，下面具體分析一下本次雷暴大風(fēng)過程的觸發(fā)機(jī)制。

由前面分析可知，2日午后關(guān)中西部已受冷空氣影響，從云圖可知(圖略)在寶雞和咸陽西北部已出現(xiàn)了小范圍的對(duì)流，其中寶雞北部對(duì)流更強(qiáng)。16時(shí)，從國(guó)家區(qū)域站地面填圖上可以看出，寶雞中部已出現(xiàn)降水，地面氣溫較上一時(shí)次已下降了8 ℃左右，并出現(xiàn)16 m/s的偏西北風(fēng)；17時(shí)，漢中西部有對(duì)流云團(tuán)生成，關(guān)中西部有云團(tuán)發(fā)展東移南壓，二者逐漸合并，降水范圍擴(kuò)大。伴隨著降水發(fā)生，從地面變壓場(chǎng)和變溫場(chǎng)來看地面有冷池形成，寶雞中南部出現(xiàn)正變壓和負(fù)變溫中心，與之伴隨在冷池前沿，寶雞東部和咸陽南部、西安西部地面區(qū)域站風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)。冷池的出流與前方的暖氣流形成了地面輻合線，進(jìn)而激發(fā)新的對(duì)流發(fā)展。隨著對(duì)流發(fā)展并逐漸東移南壓，冷池也逐漸東移南壓且范圍逐漸增大，強(qiáng)度增強(qiáng)。18時(shí)關(guān)中西部已出現(xiàn)了2 hPa的正變壓中心和-3 ℃的負(fù)變溫中心。從圖4可以看出，19時(shí)(圖4a)，陜西中南部出現(xiàn)了3 hPa的正變壓和-5 ℃負(fù)變溫中心，同時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)上有明顯輻散，尤其在冷池移向的前側(cè)風(fēng)向較大，最大風(fēng)速達(dá)18 m/s。冷池內(nèi)部密度較大的冷空氣與其東南部的熱低壓形成了溫度和氣壓梯度帶，地面風(fēng)速進(jìn)一步增大，地面暖空氣遇到干冷的下沉氣流侵入，使得暖空氣抬升，促進(jìn)對(duì)流進(jìn)一步發(fā)展[18]。安康位于秦嶺南側(cè)，隨著關(guān)中地區(qū)冷池東移南壓，在冷池下山過程中，其內(nèi)部密度較大的冷空氣沿山脈而下[18]，抵達(dá)安康川道地區(qū)。到了20時(shí)(圖4b)冷池中心已移入漢中東部、安康西部，冷池中心已達(dá)5 hPa正變壓中心,冷池的強(qiáng)度有所增強(qiáng)，這與程月星等[4]得出的風(fēng)暴主體合并下山的過程中，冷池強(qiáng)度迅速增強(qiáng)的結(jié)論是一致的。由冷池前沿形成的偏西北風(fēng)與安康的偏南氣流形成輻合線，觸發(fā)了秦巴山區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣，進(jìn)而為安康地區(qū)帶來一次雷暴大風(fēng)天氣。

綜上所述，此次過程發(fā)生在大氣不穩(wěn)定背景下，地面圖上西路冷空氣形成初始擾動(dòng)，關(guān)中西部產(chǎn)生了弱降水。隨著降水的產(chǎn)生，降水粒子經(jīng)過中層干冷空氣時(shí)劇烈的蒸發(fā)冷卻形成強(qiáng)下沉氣流，進(jìn)而在地面形成冷池，冷池在翻山下坡時(shí)強(qiáng)度增強(qiáng)。隨著冷池發(fā)展東移，其前方的地面強(qiáng)輻散氣流與南部的偏南氣流形成輻合線，進(jìn)而觸發(fā)了秦巴山區(qū)的雷暴大風(fēng)天氣。

圖4 2019-06-02 陜西地區(qū)1 h變壓(實(shí)線，單位為hPa)、1 h變溫(虛線，單位為℃)及整點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)(a 19時(shí)，b 20時(shí))

2.4 衛(wèi)星云圖特征

可見光云圖(圖略)上，2日14時(shí)在隴南與陜西西部交界區(qū)有中-β尺度的對(duì)流云系發(fā)展，色調(diào)白亮，有明顯的上沖云頂和暗影；15時(shí)，在青海和甘肅南部有東東北—西西南走向的一鋒面云系影響關(guān)中和陜南西部地區(qū)，在鋒面云系前側(cè)有中-α尺度的對(duì)流云團(tuán)新生；16時(shí)，兩個(gè)對(duì)流云團(tuán)合并，形成中尺度對(duì)流系統(tǒng)，逐漸東移南壓，影響陜西中南部。17時(shí)，對(duì)流云系已影響寶雞和漢中中西部地區(qū)，而此時(shí)關(guān)中和陜南中東部仍為晴空區(qū)，大氣不穩(wěn)定度較西部大，對(duì)流云團(tuán)沿著熱力不穩(wěn)定度大的區(qū)域逐漸東移南壓。到了19時(shí)(圖5a)，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)前沿的層狀云已開始影響安康西北部地區(qū)；20時(shí)(圖5b)，云系迅速東移發(fā)展，其云頂亮溫明顯降低且小于-50 ℃的面積增大，說明垂直運(yùn)動(dòng)劇烈且發(fā)生對(duì)流天氣的范圍在逐漸增大；漢中東北部到安康西北部云頂亮溫低于-60 ℃，而此處強(qiáng)對(duì)流天氣也最為劇烈，這個(gè)位置與同時(shí)刻地面冷池前沿的輻合線的位置相一致。21時(shí)(圖5c)，MCS緩慢東移，影響安康大部，隨即安康中東部出現(xiàn)了大面積的雷暴大風(fēng)天氣，這個(gè)時(shí)刻云圖形態(tài)上總體上有“廠”字型的結(jié)構(gòu)特征，且在“廠”字型的頂部有明顯的反氣旋彎曲存在[19]，強(qiáng)對(duì)流發(fā)生在“廠”字型的空白區(qū)，這種鋒面云帶南側(cè)的新生對(duì)流云團(tuán)動(dòng)態(tài)，對(duì)短臨天氣預(yù)警來講是提早做好準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的關(guān)鍵點(diǎn)[19]。 22時(shí)(圖5d)，對(duì)流云團(tuán)明顯減弱，云頂亮溫較前兩個(gè)時(shí)次有所增加，結(jié)構(gòu)變得松散，相伴隨的天氣劇烈程度也較前兩個(gè)時(shí)次明顯減弱。

圖5 2019-06-02TBB逐時(shí)演變(單位為℃；a 19時(shí)；b 20時(shí)；c 21時(shí)；d 22時(shí))

2.5 多普勒雷達(dá)特征

從安康站的雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品可以看出(圖略)，19—21時(shí)有多個(gè)強(qiáng)回波中心逐漸東移影響安康地區(qū)，且回波強(qiáng)度在東移過程短時(shí)間內(nèi)減弱，從相應(yīng)時(shí)次各仰角反射率因子對(duì)比可以看出，伴隨著強(qiáng)回波質(zhì)心的下降，與之對(duì)應(yīng)地面出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)天氣。

如圖6a所示，19:32在石泉中西部有中心強(qiáng)度為55 dBz的強(qiáng)回波，強(qiáng)回波由上游兩個(gè)對(duì)流單體逐漸合并形成。為了展示風(fēng)暴單體的空間垂直結(jié)構(gòu)，沿雷達(dá)徑向(圖6a直線方向)做反射率因子剖面。從圖6b、圖6c可看出，在距離雷達(dá)60 km左右，即圖6a強(qiáng)回波中心，從19:32到19：45，這種強(qiáng)回波中心的由8 km下降到4 km，對(duì)應(yīng)的地面相應(yīng)位置上，石泉的后柳區(qū)域站19:43觀測(cè)到12.8 m/s的地面大風(fēng)。從雷達(dá)平均速度剖面上看(圖略)，相應(yīng)位置3～5 km上，徑向速度差值達(dá)到19～22 m/s，具有中層徑向輻合特征，低層出現(xiàn)明顯的輻散。整體來說，從0.5°仰角平均徑向速度圖(圖7)上分析可得，本次雷暴大風(fēng)過程中，低仰角上出現(xiàn)了西北風(fēng)大風(fēng)速核，并逐漸東移南壓，隨著系統(tǒng)的移動(dòng)，自西北向東南影響安康地區(qū)。退速度模糊后，可知19:40大風(fēng)速核經(jīng)石泉，距離石泉地面高度約1.3 km的位置風(fēng)速為24 m/s，大風(fēng)速核逐漸東移經(jīng)過漢陰、安康，在20:57距離安康地面高度大約0.2 km的位置徑向風(fēng)速達(dá)到了20 m/s左右。與之對(duì)應(yīng)，石泉在19:52出現(xiàn)了22.3 m/s的極大風(fēng)速，漢陰在20:21出現(xiàn)了23.2 m/s的極大風(fēng)速，安康在21:07出現(xiàn)了17.8 m/s的極大風(fēng)速。這與崔講學(xué)等[1]的大風(fēng)災(zāi)害與宏、微尺度的大風(fēng)核有密切關(guān)系的研究結(jié)果相一致，這是低仰角、近距離的大風(fēng)速核引發(fā)地面雷暴大風(fēng)的直接反應(yīng)。

圖6 2019-06-02T19：32安康站雷達(dá)組合反射率(a，直線為b、c所做剖面方向)和基本反射率因子剖面(b 19：32；c 19:45 )

圖7 2019-06-02安康站0.5°仰角平均徑向速度(a 19:45；b 20:32；c 20:57)

總的來說，從雷達(dá)特征演變分析可得，本次雷暴大風(fēng)天氣，出現(xiàn)了強(qiáng)風(fēng)暴在移動(dòng)過程中強(qiáng)反射率因子核心下降，伴隨著中層徑向輻合和低層強(qiáng)烈的輻散，在近距離低仰角的平均徑向速度圖上出現(xiàn)大風(fēng)速核的多普勒雷達(dá)回波特征。俞小鼎等[2]指出反射率因子核心的逐漸降低并伴隨云底以上速度輻合的多普勒雷達(dá)回波特征，可以用來提前數(shù)分鐘預(yù)警下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生。

3 結(jié)論與思考

(1)本次雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生時(shí)，存在上冷下暖的大氣不穩(wěn)定層結(jié)，中層的干冷平流和白天輻射增溫使得大氣的對(duì)流不穩(wěn)定度進(jìn)一步增大，為對(duì)流的產(chǎn)生提供了有利的層結(jié)和能量條件。

(2)在地面西路冷空氣的初始擾動(dòng)下，產(chǎn)生了降水，降水粒子在經(jīng)過干冷空氣時(shí)強(qiáng)烈蒸發(fā)冷卻，形成地面冷池，隨著冷池發(fā)展南壓東移，與前方偏南氣流形成輻合線，進(jìn)而觸發(fā)了秦嶺南麓山區(qū)的強(qiáng)對(duì)流。

(3)云圖上有中尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展，隨著云頂亮溫的降低，強(qiáng)對(duì)流天氣范圍在逐漸增大；且最低亮溫的中心位置與同時(shí)刻地面冷池前沿的輻合線的位置基本一致。

(4)雷暴大風(fēng)發(fā)生前低層雷達(dá)速度圖上有顯著的大風(fēng)速核、明顯的中層徑向輻合和低層輻散及雷達(dá)強(qiáng)回波質(zhì)心的下降，這些都為雷暴大風(fēng)天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供了一定的指示。