福建2019年春季兩次不同類型強(qiáng)對流過程對比分析*

程 思 韓 賡

(福建省泉州市氣象局，福建 泉州 362000)

強(qiáng)對流天氣是指伴隨雷暴現(xiàn)象的對流性大風(fēng)(≥17.2m/s)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水，這種天氣破壞力很強(qiáng)，是氣象災(zāi)害中歷時(shí)短、天氣劇烈、破壞性強(qiáng)的災(zāi)害性天氣。3～6月是福建省強(qiáng)對流天氣的高發(fā)期，強(qiáng)對流天氣發(fā)生時(shí)，往往幾種災(zāi)害同時(shí)出現(xiàn)，對人民生命財(cái)產(chǎn)安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通造成巨大影響。因其具有局地性、突發(fā)性、高強(qiáng)性等特點(diǎn)，預(yù)報(bào)預(yù)測工作尤為困難。俞小鼎等[1]、鄭永光等[2-3]對強(qiáng)對流臨近預(yù)報(bào)、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了匯總，綜述了各類預(yù)報(bào)技術(shù)，并討論了各類氣象資料在強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。鄭媛媛等[4]研究表明，強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展與一定的大尺度環(huán)流背景場有關(guān)，但不同的條件也將產(chǎn)生不同的強(qiáng)對流天氣類型。吳蓁等[5]采用基于構(gòu)成要素的預(yù)報(bào)方法——配料法對一次強(qiáng)對流天氣進(jìn)行分析，結(jié)果表明此次過程處于較強(qiáng)的條件不穩(wěn)定、強(qiáng)烈的深層垂直風(fēng)切變和明顯的高空干平流的環(huán)境中，而地面冷鋒、輻合線和高空次大氣尺度渦旋導(dǎo)致雷暴猛烈發(fā)展。雷蕾等[6]利用探空資料計(jì)算出18種物理參量及其時(shí)間變量，詳細(xì)分析不同類型強(qiáng)對流天氣過程下物理量的差異，結(jié)果表明合理利用探空資料甄別夏季強(qiáng)對流天氣的類別是可能的。王詠薇[7]研究發(fā)現(xiàn)，CAPE等環(huán)境風(fēng)暴參數(shù)產(chǎn)品對中尺度強(qiáng)對流風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展有一定的指示作用。張小雯等[8]通過計(jì)算極端天氣指數(shù)并應(yīng)用于強(qiáng)對流天氣中，研究發(fā)現(xiàn)極端天氣指數(shù)與強(qiáng)對流天氣有密切的關(guān)系，且不同類型的強(qiáng)對流天氣極端指數(shù)的分布和閾值具有各自的特點(diǎn)。李向紅[9]、韓文宇[10]、潘留杰[11]等通過對雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析研究，找出了短時(shí)暴洪、冰雹、龍卷風(fēng)、下?lián)舯┝鞯炔煌瑥?qiáng)對流天氣類型的差異。黃美金[12]、高曉梅[13]、許新田[14]、張濤[15]等則分別對福建、山東、陜西、廣東等不同地區(qū)的強(qiáng)對流個(gè)例進(jìn)行分析，為強(qiáng)對流主觀預(yù)報(bào)思路總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，并提出需要進(jìn)一步探討的問題。

1 實(shí)況

2019年3月29日午后11時(shí)至20時(shí)，福建中南部地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的混合型對流過程(以下簡稱0329)。此次過程雷電范圍廣且強(qiáng)，全省共238個(gè)區(qū)域自動(dòng)站出現(xiàn)6級以上大風(fēng)，其中28個(gè)站達(dá)8級及以上雷暴大風(fēng)，以龍巖武平象洞鎮(zhèn)光彩村(11級,31.8m/s)為最大；35個(gè)站出現(xiàn)30mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水，以莆田仙游鐘山鎮(zhèn)(53.0mm/h)為最強(qiáng)(圖1a、b)。同年4月10日午后12時(shí)至22時(shí)，福建中北部出現(xiàn)一次強(qiáng)對流過程(以下簡稱0410)。此次過程對流分散，局地性強(qiáng)；僅有3個(gè)站出現(xiàn)8級雷暴大風(fēng)，以寧德古田水口鎮(zhèn)(8級，19.5m/s)為最大；4個(gè)站出現(xiàn)30mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水，均位于福州永泰，以永泰嵩口鎮(zhèn)42.1mm/h為最強(qiáng)(圖1c、d)；14∶00、14∶10、15∶10前后分別在福州閩清三溪鄉(xiāng)、閩侯竹歧鄉(xiāng)和倉山區(qū)出現(xiàn)小冰雹。兩次過程發(fā)生的時(shí)間段、大氣環(huán)流背景相似，但是天氣現(xiàn)象、強(qiáng)度和范圍卻大不相同，本文對兩次過程進(jìn)行對比分析，旨在尋求不同類型強(qiáng)對流天氣的雷達(dá)回波特征及其臨近預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

(a) (b) (c) (d)圖1 3月29日11～20時(shí)(a)極大風(fēng)速(8級以上)(b)1小時(shí)降水極值，4月10日12～22時(shí)(c)極大風(fēng)速(8級以上)(d)1小時(shí)降水極值

2 動(dòng)力條件

2.1 高空環(huán)流

從環(huán)流背景場的演變來看，3月29日08時(shí)至20時(shí)，如圖2(a)，500hPa中高緯為兩槽一脊型，其中東部的大槽從貝加爾湖以東一直向南伸展至長江中上游地區(qū)，槽后西北氣流引導(dǎo)冷空氣從中偏東路南下。福建地區(qū)處于500hPa高空槽前的西南氣流之下，同時(shí)位于200hPa高空急流入口區(qū)的右側(cè)的輻散場中。高空輻散有助于加強(qiáng)抽吸運(yùn)動(dòng)，從而為強(qiáng)對流天氣提供垂直運(yùn)動(dòng)條件。隨著500hPa南支槽東移，其前側(cè)的西南急流強(qiáng)度有所增加，850hPa切變從福建中部東移南壓至海上，20時(shí)對流過程趨于結(jié)束。4月10日的大氣背景及影響系統(tǒng)與前一次過程類似，但中高空影響系統(tǒng)更為偏北，且850hPa的西南渦及低渦切變位置偏西且少動(dòng)，主要位于兩廣地區(qū)北部至閩西北，閩西北地區(qū)位于切變東側(cè)，見圖2(b)。

(a) (b)圖2 3月29日(a)、4月10日(b)08～20時(shí)環(huán)流形勢演變

兩次過程低層影響系統(tǒng)位置的不同，是造成兩次對流發(fā)生范圍、地點(diǎn)不同的主要原因。29日低層切變的南壓致使福建中南部發(fā)生了強(qiáng)對流天氣，10日切變的穩(wěn)定少動(dòng)導(dǎo)致當(dāng)天對流僅出現(xiàn)在福建中北部且局地性強(qiáng)。

2.2 地面分析

從地面資料分析來看，3月29日08時(shí)(圖3a)在廣東北部至龍巖南部以及三明、福州交界處分別有一中尺度輻合線存在，而當(dāng)天午后對流正是沿著兩條地面輻合線發(fā)生發(fā)展的，雷暴大風(fēng)及短時(shí)強(qiáng)降水的位置幾乎與之重合。08時(shí)冷鋒位于閩西北與江西、浙江的交界處，14時(shí)(圖3b)鋒面位置幾乎未移動(dòng)，福建仍處在大片的低壓帶中，直至20時(shí)，冷高壓攜冷空氣南下，福建地區(qū)轉(zhuǎn)為高壓控制，鋒面移至海峽，強(qiáng)對流過程趨于結(jié)束。4月10日08時(shí)(圖3c),鋒面已經(jīng)位于福建境內(nèi)，但還未影響到福州地區(qū)；11時(shí)(圖3d)，福建中南部仍在暖低壓的控制之下；10～11時(shí)，福州地區(qū)附近最高氣溫上升至28～32℃；11時(shí)，位于三明東部福州西部的暖中心和低壓中心幾近重合；12時(shí)，閩北沿海轉(zhuǎn)北風(fēng)，冷空氣從沿海侵入，福州氣溫逐步下降，與陸地上的暖濕氣流相遇，觸發(fā)了對流天氣。

(a) (b)

可以看出，兩次過程地面雖然均有熱低壓的出現(xiàn)，但觸發(fā)機(jī)制完全不同。0329處于鋒前地面倒槽暖區(qū)內(nèi)的中尺度輻合線發(fā)展，觸發(fā)了此次對流。0410低壓倒槽發(fā)展，暖濕氣流也隨之向北發(fā)展，上午升溫明顯，與沿海冷空氣交綏在福州地區(qū)導(dǎo)致局地強(qiáng)對流天氣。

3 不穩(wěn)定層結(jié)條件

從0329和0410兩天08時(shí)福州站的探空曲線(圖4)及指數(shù)(表1)可以看出，從近地面至850hPa，風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，表明該層次有暖平流，再往上至700hPa，風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流；并且在700hPa附近溫度露點(diǎn)差較大，有明顯的干層，這種上冷下暖、上干下濕的層結(jié)為對流的形成提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。對比兩次過程，0329的濕層更為深厚，從925hPa一直擴(kuò)展至700hPa左右，為短時(shí)強(qiáng)降水提供了水汽條件；同時(shí)A指數(shù)也高達(dá)13，指示大氣不穩(wěn)定或?qū)α鲗又邢聦语柡统潭雀?，對降水非常有利。?410濕層淺薄，A指數(shù)為負(fù)，非常不利于短時(shí)強(qiáng)降水天氣的發(fā)生。0329中上層和近地面層較干，呈“喇叭口”形態(tài)，同時(shí)0～6km垂直風(fēng)切變達(dá)36m/s，大風(fēng)指數(shù)達(dá)26.1，這都是有利于產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的指標(biāo)。0410當(dāng)天0～6km垂直風(fēng)切變?yōu)?6m/s，有利于產(chǎn)生風(fēng)雹天氣，但跟前一次過程相比，則明顯不如之前產(chǎn)生大風(fēng)的條件有利。另外，可以注意到0410福州0℃層4.8km，-20℃層8km左右，對福建地區(qū)春季降雹條件而言略為偏高，冰雹在落地過程中經(jīng)過暖層時(shí)間長，易融化，這與我們僅觀測到小冰雹的實(shí)況也吻合。

(a) (b)圖4 3月29日08時(shí)(a)、4月10日08時(shí)(b)福州站訂正后探空

表1 08時(shí)福州站探空指數(shù)

4 雷達(dá)回波特征

從雷達(dá)組合反射率因子的整體演變來看，0329先是從廣東北部江西南部有一些小尺度的弓狀回波體東移進(jìn)入龍巖地區(qū)，爾后南壓，至戴云山脈附近在地形的輻合抬升作用下加強(qiáng)，并逐漸合并發(fā)展成颮線型或線性波形弓狀回波，給福建省中南部帶來了雷暴大風(fēng)天氣。0410則是由局地?zé)岬蛪河|發(fā)的在福州地區(qū)原地生成發(fā)展而成的超級單體帶來的冰雹天氣，因而具有局地性強(qiáng)、回波分散的特點(diǎn)。

4.1 0329大風(fēng)雷達(dá)回波特征

從龍巖單站0.5°仰角的基本速度圖可以看到，16∶40左右，武平東部出現(xiàn)速度模糊(圖5a)，由負(fù)的極大值跳躍至正的極大值；16∶51，速度模糊區(qū)進(jìn)入上杭境內(nèi)(圖5b)，直至6個(gè)體掃后減弱消失(圖5d)。經(jīng)速度退模糊計(jì)算，武平、上杭的近地面風(fēng)速可達(dá)27～34m/s，這與區(qū)域自動(dòng)站觀測得的極大風(fēng)速31.8m/s也是一致的。17∶24時(shí)，漳平南部靠近華安地區(qū)的低空已經(jīng)可見大風(fēng)核(圖5e)，之后的7個(gè)體掃愈加清晰，且核區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，直至18∶03達(dá)最強(qiáng)(圖5h)，其中心速度達(dá)27m/s以上。在該站1.5°仰角速度圖上(圖略)也顯示出類似的大風(fēng)核特征。

(a)16∶40 (b)16∶51 (c)17∶02 (d)17∶19

4.2 0410冰雹雷達(dá)回波特征

4月10日14時(shí)10分左右，閩侯竹歧鄉(xiāng)降雹持續(xù)3分鐘，觀測得冰雹直徑為拇指大小。13∶57，從福州雷達(dá)3.4°仰角的反射率因子產(chǎn)品便可觀測“三體散射”，此后陸續(xù)在其他五個(gè)仰角均能看到“三體散射”現(xiàn)象。從14∶09六個(gè)仰角的反射率因子產(chǎn)品(圖6)可以看出，風(fēng)暴的高反射率因子區(qū)從高層到低層向西傾斜，高層的強(qiáng)回波中心到低層對應(yīng)弱回波區(qū)。結(jié)合后文的垂直剖面圖(圖8)，反映出低層的弱回波區(qū)和中高層的懸垂回波結(jié)構(gòu)特征。這種“三體散射”和“回波垂懸”都是冰雹特有的雷達(dá)回波特征。此外，在3.4°～6.0°仰角還可見強(qiáng)回波區(qū)沿半徑向兩旁擴(kuò)展的“旁瓣回波”。

(a)6°仰角反射率因子 (b)4.3°仰角反射率因子 (c)3.4°仰角反射率因子

從13∶44-14∶44風(fēng)暴追蹤產(chǎn)品(圖7)可以看到，13∶50最大反射率已達(dá)60dBz，此后繼續(xù)加強(qiáng)，至14∶14接近70dBz，回波頂高也從6km上升至10km以上，最強(qiáng)回波中心高度、質(zhì)心高度在14∶02均有劇增的現(xiàn)象，14∶08開始有明顯下降。同一時(shí)刻，垂直液態(tài)水含量VIL也躍增至最大值55kg/m2，之后驟減。相應(yīng)地，降雹概率此時(shí)也達(dá)到100%，并持續(xù)了4個(gè)體掃的時(shí)間?？梢钥闯觯?4∶08前后，回波頂高、最強(qiáng)回波中心高度、質(zhì)心高度、VIL有先躍增再減小的趨勢，表明冰雹此刻從空中落地，與實(shí)際觀測的降雹時(shí)間一致。

(a) (b) (c) (d)(a)黑線：回波頂高及底高；藍(lán)線：最大反射率因子所在高度；綠線：質(zhì)心高度(單位：km);(b)紅線：產(chǎn)生強(qiáng)冰雹概率；黑線：產(chǎn)生一般冰雹概率(%);(c)基于單體的垂直累積液態(tài)水含量(單位：kg/m2 ) ;(d)最大反射率因子(單位：dBz)(坐標(biāo)橫軸數(shù)字分別對應(yīng)北京時(shí)間13∶56、14∶08、14∶20、14∶32、14∶44)圖7 4 月 10 日13∶44-14∶44福州站雷達(dá)風(fēng)暴追蹤產(chǎn)品

從福州附近強(qiáng)回波的垂直剖面演變(圖8)來看，早在13∶28，回波中心強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，質(zhì)心逐漸抬升，此時(shí)強(qiáng)回波中心強(qiáng)度已達(dá)50dBz，高度達(dá)3km左右。13∶39，強(qiáng)回波中心升至4.5km，開始出現(xiàn)回波懸垂結(jié)構(gòu)，高層的強(qiáng)回波中心向地面有傾斜，對應(yīng)地面為弱回波區(qū)。13∶57，回波強(qiáng)度達(dá)60dBz，質(zhì)心高度抬升至6km以上，低層可見寬大的弱回波區(qū)WER。14∶09，回波頂高達(dá)9km以上，強(qiáng)回波60dBz升至8km左右，而當(dāng)天08時(shí)福州站-20℃層的高度為7.9km，這為形成冰雹提供了有利的條件。14∶15，出現(xiàn)BWER且入流缺口明顯。14∶32，質(zhì)心明顯下降，強(qiáng)回波范圍減小減弱。

(a)13∶28 (b)13∶39 (c)13∶57

5 結(jié)論

本文將福建2019年春季兩次不同類型強(qiáng)對流天氣進(jìn)行對比，從高空環(huán)流形勢、地面分析、探空曲線、雷達(dá)回波特征等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到以下結(jié)論：

(1)3月29日和4月10日兩次強(qiáng)對流過程均發(fā)生在高空槽前、對流層低層切變東移南壓的背景下，切變位置不同是兩次對流發(fā)生范圍和地點(diǎn)不同的主要原因。

(2)0329地面倒槽內(nèi)的中尺度輻合線發(fā)展觸發(fā)了雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水天氣；0410則是局地發(fā)展的熱低壓與沿海冷空氣交綏在福州地區(qū)導(dǎo)致冰雹天氣。

(3)上冷下暖、上干下濕的垂直結(jié)構(gòu)為兩次對流過程提供了有利的不穩(wěn)定層結(jié)條件。0329濕層深厚、A指數(shù)高、有“喇叭口”特征、垂直風(fēng)切變大，有利于短時(shí)強(qiáng)降水及雷雨大風(fēng)的發(fā)生。0410濕層淺薄、A指數(shù)為負(fù)、0℃層4.8km、-20℃層8km左右，更有利于冰雹的產(chǎn)生。

(4)0329大風(fēng)過程雷達(dá)上可見速度模糊、大風(fēng)核區(qū)，0410冰雹過程可見TBSS、旁瓣回波、WER、回波懸垂、入流缺口等特征，且降雹前后回波頂高、最強(qiáng)回波中心高度、質(zhì)心高度、VIL有先躍增再減小的趨勢。

(5)不同類型強(qiáng)對流的雷達(dá)回波特征區(qū)別明顯，但缺乏提前量，只能根據(jù)上游地區(qū)的信號結(jié)合當(dāng)?shù)匚锢砹康呐渲貌⑼ㄟ^短臨和預(yù)警信號作為短期預(yù)報(bào)和潛勢預(yù)報(bào)的補(bǔ)充。