一次雷暴大風(fēng)天氣的觸發(fā)機制及物理量診斷分析

周航 唐舟 徐恩 邵禹晨 程昕 王錦杰 龐礴 張瑩

摘要 利用FNL0.25°×0.25°再分析資料，分析2017年7月15日發(fā)生在宿遷地區(qū)雷暴大風(fēng)過程的天氣形勢、環(huán)境條件、觸發(fā)機制和物理量特征。發(fā)現(xiàn)：（1）此次雷暴大風(fēng)天氣的主要影響系統(tǒng)是高空冷渦，低空切變線、西南急流和地面冷鋒;700 hPa和850 hPa干線、中尺度切變線和地面輻合線是其觸發(fā)機制。（2）此次強對流過程的水汽通道主要是副高西北側(cè)南到西南風(fēng)急流的水汽輸送，水汽來源于南海和印度洋，且水汽強輻合中心位于宿遷西部上空;假相當(dāng)位溫高值區(qū)由西南向東北延伸至宿遷南部地區(qū)，宿遷位于能量梯度鋒區(qū)內(nèi);雷暴發(fā)生時，對流層低層有強輻散，中層為強輻合區(qū)，對應(yīng)中低層為強下沉氣流，是導(dǎo)致下?lián)舯┝骱偷孛鎻婈囷L(fēng)的主要因素之一;雷暴發(fā)生前，宿遷地區(qū)0～6 km和0～3 km垂直風(fēng)切變出現(xiàn)一致增大，中層增幅較低層明顯，表明此次雷暴大風(fēng)發(fā)生在較強的垂直風(fēng)切變環(huán)境下。

關(guān)鍵詞 雷暴大風(fēng);觸發(fā)機制;物理量特征

中圖分類號：P4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）01–0015–05

0 引言

強對流天氣是影響我國最嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣之一，也是宿遷較常見的災(zāi)害性天氣之一。由于其生命史短、空間尺度小、突發(fā)性強、危害性大，是天氣預(yù)報工作的難點，伴隨強對流天氣出現(xiàn)的雷雨大風(fēng)，常給農(nóng)林業(yè)和人民生產(chǎn)生活等帶來嚴(yán)重的災(zāi)害。雷雨大風(fēng)由于常伴隨短時強降水、冰雹等災(zāi)害性天氣，易形成內(nèi)澇，其大風(fēng)易造成農(nóng)作物倒伏和果樹落果，輸電、高空設(shè)施受損，房屋毀壞，影響人類正常工作生活和健康，甚至威脅人類的生命。

在出現(xiàn)雷雨天氣時，凡測站出現(xiàn)≥17.2 m/s或風(fēng)自記中出現(xiàn)≥17.2 m/s記錄的，即7級以上的大風(fēng)，可確定為對流性強風(fēng)。為了與系統(tǒng)性大風(fēng)區(qū)別，這類大風(fēng)常被稱作“雷暴大風(fēng)”或“雷雨大風(fēng)”。關(guān)于雷雨大風(fēng)，氣象學(xué)者已做過很多研究：梁愛民等[1]對北京、天津地區(qū)雷雨大風(fēng)做了深入研究;漆梁波[2]對上海局地強對流做了分析;朱君鑒等[3]分別對弓狀回波、陣風(fēng)鋒回波、颮線回波進(jìn)行了相關(guān)研究;張少波[4]對超級單體的低層風(fēng)場進(jìn)行了反演;吳古會等[5]對2011年4月15日發(fā)生在貴州西南部的強對流天氣過程進(jìn)行了診斷分析;李路長等[6]對2013年4月17日發(fā)生在鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城有氣象記錄以來的大風(fēng)天氣過程進(jìn)行總結(jié)分析，得到大風(fēng)、冰雹天氣的預(yù)報指標(biāo);伍靜等[7]對2011年4月30日—5月2日發(fā)生在桂北白色、河池、桂林、賀州四市的冰雹等災(zāi)害性天氣過程進(jìn)行綜合分析，得到災(zāi)害性天氣的大尺度環(huán)流、熱力動力形成機制及中小尺度云團及雷達(dá)回波的多種特征指標(biāo)，為強對流天氣的預(yù)報預(yù)警提供依據(jù);劉平等[8]分析了2007年7月27—30日濮陽全市出現(xiàn)的雷雨大風(fēng)天氣;張濤等[9]分析了2011年4月17日廣東強對流天氣表明，地面鋒面抬升是強對流主要觸發(fā)機制，平坦地形、中層干急流及較大的垂直風(fēng)切變可能是強風(fēng)暴發(fā)展和維持的主要因素;陶嵐等[10]分析華東一次高空槽前短時強降水和雷雨大風(fēng)天氣表明，濕度較大環(huán)境下中高層干暖氣流卷入是產(chǎn)生長距離直線大風(fēng)的關(guān)鍵環(huán)境;陳濤等[11]分析華北一次持續(xù)時間較長的強颮線天氣表明，強對流組織化過程與地面風(fēng)場輻合線以及鋒面緊密相關(guān)，氣旋后部中高層強下沉氣流造成垂直方向干濕對比明顯，有利于對流觸發(fā)及地面大風(fēng)形成。這些研究對我們認(rèn)知雷雨大風(fēng)、了解雷雨大風(fēng)形成機制、改善雷雨大風(fēng)的預(yù)報預(yù)警有積極作用。

2017年7月15日12：30～14：30，宿遷中北部地區(qū)出現(xiàn)強雷電、短時強降水、雷雨大風(fēng)和冰雹等強對流天氣，南蔡鎮(zhèn)、埠子鎮(zhèn)和南劉集鄉(xiāng)最大風(fēng)力達(dá)8級，仰化鎮(zhèn)和陸集鎮(zhèn)最大風(fēng)力達(dá)10級，其中仰化鎮(zhèn)瞬時最大風(fēng)速達(dá)27.3 m/s。埠子鎮(zhèn)、仰化鎮(zhèn)、陸集鎮(zhèn)、南劉集鄉(xiāng)等部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹。此次強對流天氣造成2 230人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積743 hm2，

成災(zāi)面積333 hm2，絕收面積44 hm2;嚴(yán)重?fù)p壞房屋3戶6間，一般損壞房屋166戶323間。本文利用Micaps常規(guī)觀測資料和FNL0.25°×0.25°再分析資料，對此次過程天氣形勢、環(huán)境條件、觸發(fā)機制和物理量特征進(jìn)行分析，從而提高此類災(zāi)害性天氣的短臨預(yù)報水平。

1 天氣形勢與環(huán)境條件

1.1 天氣形勢

此次強對流天氣過程的主要影響系統(tǒng)是高空冷渦，低空切變線和地面輻合線。15日08：00 500 hPa高空圖（圖1a）上，副熱帶高壓發(fā)展強盛，脊線位于22°N附近，588 dapgm線位于長江中下游地區(qū)，東北地區(qū)有高空槽向西南延伸，攜帶冷空氣南下，并在河套地區(qū)堆積形成冷渦，但是沒有形成閉合的低壓中心。15日20：00（圖1b），副熱帶高壓西伸北抬，脊線北抬到26°N 附近，588 dapgm線北抬至淮河流域，河套東部冷渦與北部槽斷裂并發(fā)展維持，副高與大陸高壓之間形成閉合的氣旋性環(huán)流，中心位于河北、河南和山東三省交界處。冷渦后部不斷有冷空氣南下，為宿遷地區(qū)強對流的產(chǎn)生提供了動力條件。

15日08：00 700 hPa（圖2a）湖北至山東西南地區(qū)一帶有東北西南向切變線，切變線南側(cè)有西南風(fēng)急流，中心最大風(fēng)速為18 m/s，切變線穩(wěn)定少動。15日20：00 700 hPa（圖2b）切變線發(fā)展為氣旋性環(huán)流，中心位于河南與山東交界，同時急流增強，中心最大風(fēng)速達(dá)22 m/s，宿遷地區(qū)位于切變線南部、低渦前部以及急流軸頂部。15日08：00 850 hPa（圖2c）切變線位于山東至湖北北部地區(qū)，西南急流位于湖南至淮北地區(qū)，最大風(fēng)速為18 m/s，并且穩(wěn)定維持。15日20：00（圖2d）切變線和急流略有減弱，最大風(fēng)速為14 m/s。地面上12：00～14：00淮北地區(qū)存在明顯的東西向輻合線，有利于觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放。低層西南急流的維持為宿遷地區(qū)降水帶來充沛的水汽條件和熱力條件。高層冷空氣與副高北側(cè)西南暖濕空氣匯合，在宿遷地區(qū)造成雷雨大風(fēng)、冰雹等強對流天氣。地面圖上可以看出河套南部至淮河以北地區(qū)有冷鋒逐漸南壓，雷暴發(fā)生前，宿遷位于冷鋒前，增溫作用明顯。

2.2 環(huán)境條件

T-lnP圖是環(huán)境熱力和動力垂直變化分析的主要手段，圖4分別為14日20：00徐州站和15日08：00射陽站探空分析。分析14日20：00徐州站探空曲線，狀態(tài)曲線和露點線對應(yīng)的溫濕層結(jié)曲線呈“X”型，整個對流層隨高度為“干—濕—干”分布，650～400 hPa出現(xiàn)T-Td<2℃、厚度約4 km的顯著濕層，而400 hPa以上和600 hPa以下為干層。700 hPa以下風(fēng)向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，低層有暖濕平流輸送，700～400 hPa風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，中層有冷平流輸送，整層大氣有利于對流不穩(wěn)定發(fā)展。分析15日08：00射陽站探空曲線，500 hPa附近和近地面層均存在顯著濕層，厚度約1 km，925～500 hPa為干層，干層的存在是由于降水負(fù)載引發(fā)的下沉氣流因雷暴周邊干空氣的夾卷進(jìn)入，造成雨滴迅速蒸發(fā)降溫，下沉氣流溫度明顯低于環(huán)境溫度而產(chǎn)生的負(fù)浮力導(dǎo)致下沉運動加速[12]。700 hPa以下風(fēng)向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，有暖濕平流，中高層有冷平流，利于對流不穩(wěn)定發(fā)展。

分析對流有效位能、下沉對流有效位能、SI指數(shù)、K指數(shù)等強對流參數(shù)表明：14日20：00，徐州站CAPE值為3 035.2 J/kg，

SI指數(shù)為-2.13℃，K指數(shù)為39℃，T850-500為27℃;15日08：00，射陽站CAPE值為3 437.8 J/kg，DCAPE為776.4 J/kg，SI指數(shù)為-0.49℃，K指數(shù)為36℃，T850-500為27℃;20：00DCAPE增至1 387.9 J/kg。分別對比7月14日20：00、15日08：00和20：00

徐州和射陽兩個站點對應(yīng)的各參數(shù)來看，單一參數(shù)值變化和雷暴大風(fēng)的發(fā)生無明顯相關(guān)關(guān)系，但CAPE>3 000 J/kg、DCAPE>1 000 J/kg、K指數(shù)>35℃、SI指數(shù)<0是綜合判斷宿遷地區(qū)雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生的綜合指標(biāo)。

2.3 中分析

圖5是7月15日08：00強對流過程天氣系統(tǒng)配置分析。淮北地區(qū)受700 hPa和850 hPa切變線影響，宿遷處于切變線東南側(cè)16～18 m·s-1西南急流中;同時，河南與安徽地區(qū)溫度露點差為9℃～10℃，淮北地區(qū)僅1℃～2℃，因此淮北西部存在較明顯的干濕對比。地面上，河南中部到江蘇東部沿海一帶存在東西向的輻合線，華北地區(qū)存在明顯的正變壓區(qū)，江蘇南部為負(fù)變壓區(qū)。另外，7月12—15日宿遷地區(qū)出現(xiàn)最高氣溫為35℃的連續(xù)高溫天氣，有利于不穩(wěn)定能量積聚。

分析露點變化可以看出，15日08：00淮北西部12h內(nèi)露點下降至1℃，淮北地區(qū)出現(xiàn)每經(jīng)度9℃的露點梯度大值區(qū)，700 hPa和850 hPa上山東至安徽北部一帶存在大范圍顯著濕區(qū)，河南和安徽交界處出現(xiàn)明顯的干線，低層有中尺度切變線，且地面有輻合線活動。15日20：00淮北西部露點回升至6℃，干線明顯減弱。分析比濕可以得到，7月15日08：00～14：00，850 hPa上，淮北地區(qū)比濕由13 g·kg-1增至15 g·kg-1，為強對流天氣的發(fā)展提供了有利的水汽條件。

綜上所述，干線、中尺度切變線和地面輻合線是此次強對流過程的觸發(fā)機制，地面持續(xù)高溫天氣積聚了不穩(wěn)定能量，850 hPa淮北地區(qū)比濕增加，為強對流天氣的發(fā)展提供了有利的水汽條件。

3 物理量診斷分析

3.1 水汽條件

分析7月15日宿遷地區(qū)比濕垂直—時間剖面（圖6）可以看出，02：00～11：00邊界層比濕為16 g/kg，700～600 hPa比濕為8 g/kg;11：00～20：00邊界層比濕達(dá)18 g/kg以上，850 hPa附近比濕為14 g/kg，比濕大值區(qū)向上延伸至700 hPa

上下，700～600 hPa比濕為6 g/kg，表明對流發(fā)展時段，對流層中層有干空氣侵入并向下延伸，邊界層濕度顯著增大，“上干下濕”的垂直結(jié)構(gòu)逐步建立，更有利于不穩(wěn)定能量以雷暴大風(fēng)的對流形式釋放。

水汽通量是反映水汽輸送量的基本參數(shù)之一，本文計算了7月15日02：00～20：00逐3 h700～925 hPa上的水汽通量（圖7）發(fā)現(xiàn)：此次強對流過程的水汽通道主要是副高西北側(cè)南到西南急流的水汽輸送。從02：00～20：00，水汽通量的最大值區(qū)域，自西南向東北緩慢移動，且在11：00水汽通量達(dá)到最強，隨后逐漸減弱。分析15日11：00 700～925 hPa上的水汽通量和流場可得，700 hPa上的水汽通量最大值為22 g×cm-1×

hPa-1×s-1，大值中心位于宿遷的西北部地區(qū)，850 hPa上水汽輸送達(dá)到最強，最大值在22 g×cm-1×hPa-1×s-1以上，且區(qū)域較大，925 hPa上水汽通量最大值>22 g×

cm-1×hPa-1×s-1，但區(qū)域較850 hPa小得多，同時在東南方向還有一條水汽通道，最大值在14 g×cm-1×hPa-1×s-1以上，自西南向東北方向輸送水汽，兩條水汽通道在宿遷西部地區(qū)匯合。水汽輸送隨高度加強，在850 hPa高度上達(dá)到最強，然后向上逐漸減小。上述分析說明，此次強對流過程的水汽源主要來自南海和印度洋。

水汽通量散度表示水汽在一個地區(qū)的集中程度，分析7月15日14：00 925 hPa水汽通量散度（圖8）可以看出，強輻合中心位于宿遷西部上空。

3.2 熱力條件

分析15日14：00假相當(dāng)位溫分布和垂直-時間剖面圖（圖9）可得，假相當(dāng)位溫高值區(qū)由西南向東北延伸至宿遷南部地區(qū)，宿遷位于能量梯度鋒區(qū)內(nèi)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。11：00～17：00，對流層低層假相當(dāng)位溫不斷增大，且向上延伸至900 hPa附近，說明近地面積聚了很高的能量。11：00～14：00 600～700 hPa有假相當(dāng)位溫低值中心，說明垂直方向為上干下濕的層結(jié)狀態(tài)，存在對流不穩(wěn)定，一旦有觸發(fā)機制，即可產(chǎn)生強對流天氣。隨著對流的發(fā)生，對流層中層假相當(dāng)位溫逐漸增大，上干下濕結(jié)構(gòu)被破壞，對流也逐漸減弱。

3.3 動力條件

從散度垂直-時間剖面（圖10a）可見，對流層中低層為強輻合區(qū)，最大輻合高度位于500～450 hPa，輻合中心散度≤-6?10-5s-1，高層為強輻散區(qū)，最大輻散高度位于300～200 hPa，輻散中心散度≥6?10-5s-1。10：00～13：00，近地面層有強輻散，最大輻散中心散度為5?10-5s-1，低層輻散，中層輻合，高層輻散，說明中低層有下沉運動，中高層有上升運動。從垂直速度垂直—時間剖面（圖10b）可見，08：00～14：00，對流層高層為強上升氣流，最強上升運動位于400～300 hPa，中心垂直速度為-0.5pa·s-1，中低層為強下沉氣流，最強下沉運動位于700～600 hPa，中心垂直速度為0.4 pa·s-1。下沉氣流是強風(fēng)暴氣流場的一個重要特征，是導(dǎo)致下?lián)舯┝骱偷孛鎻婈囷L(fēng)的主要因素之一。

垂直風(fēng)切變是風(fēng)暴環(huán)境條件和組織性強弱的重要參量，層結(jié)不穩(wěn)定條件下，較強的垂直風(fēng)切變常常有利于強對流天氣發(fā)展、加強。圖11為7月15日08：00、14：00 0～6 km和0～3 km垂直風(fēng)切變。分析可得，08：00宿遷地區(qū)0～6 km和0～3 km垂直風(fēng)切變分別為12m·s-1和18 m·s-1;14：00，垂直風(fēng)切變矢量差大值區(qū)東移至淮北，并且強度明顯增強，中心最大值超過24 m·s-1，宿遷地區(qū)上空0～6 km和0～3 km垂直風(fēng)切變分別為24 m·s-1和22 m·s-1。雷暴大風(fēng)發(fā)生前，宿遷地區(qū)0～6 km和0～3 km垂直風(fēng)切變出現(xiàn)一致增大，增幅分別為12 m·s-1和

4 m·s-1，中層增幅較低層明顯。以上分析表明，此次雷暴大風(fēng)發(fā)生在較強垂直風(fēng)切變環(huán)境下。

4 結(jié)論

（1）2017年7月15日發(fā)生在宿遷地區(qū)雷暴大風(fēng)天氣過程的主要影響系統(tǒng)是高空冷渦和低空切變線，高空冷渦后部有冷空氣補充南下，為強對流天氣的產(chǎn)生提供了動力條件，同時，西南急流的維持為強降水帶來充沛的水汽條件和熱力條件。雷暴發(fā)生前，宿遷位于冷鋒前，增溫作用明顯。

（2）T-lnP圖上狀態(tài)曲線和露點線對應(yīng)的溫濕層結(jié)曲線呈“X”型，整個對流層隨高度為“干—濕—干”分布。

700 hPa以下風(fēng)向隨高度順時針旋轉(zhuǎn)，低層有暖濕平流輸送，700～400 hPa之間風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，中層有冷平流輸送，整層大氣有利于對流不穩(wěn)定發(fā)展。分析各對流指數(shù)表明，單一參數(shù)值變化和雷暴大風(fēng)的發(fā)生無明顯相關(guān)關(guān)系，但CAPE>3000 J/kg、DCAPE>1 000 J/kg、K指數(shù)>35℃、SI指數(shù)<0是綜合判斷宿遷地區(qū)雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生的綜合

指標(biāo)。

（3）700 hPa和850 hPa干線、中尺度切變線和地面輻合線是此次強對流過程的觸發(fā)機制，地面持續(xù)高溫天氣積聚了不穩(wěn)定能量，850 hPa淮北地區(qū)比濕增加，為強對流天氣的發(fā)展提供了有利的水汽條件。

（4）此次強對流過程的水汽通道主要是副高西北側(cè)南到西南風(fēng)急流的水汽輸送，水汽主要來源于南海和印度洋，且水汽強輻合中心位于宿遷西部上空。假相當(dāng)位溫高值區(qū)由西南向東北延伸至宿遷南部地區(qū)，宿遷位于能量梯度鋒區(qū)內(nèi)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。雷暴發(fā)生時，對流層低層有強輻散，中層為強輻合區(qū)，高層為強輻散區(qū)，對應(yīng)高層為強上升氣流，中低層為強下沉氣流，是導(dǎo)致下?lián)舯┝骱偷孛鎻婈囷L(fēng)的主要因素之一。雷暴發(fā)生前，宿遷地區(qū)0～6 km和0～3 km垂直風(fēng)切變出現(xiàn)一致增大，中層增幅較低層明顯，表明此次雷暴大風(fēng)發(fā)生在較強的垂直風(fēng)切變環(huán)境下。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

The Trigger Mechanism and Physical Diagnostic Analysis of a Thunderstorm Gale Weather

ZHOU Hang et al （Suqian Meteorological Bureau， Suqian， Jiangsu 223800）

Abstract Based on the reanalysis data of FNL， the synoptic situation， environmental conditions， trigger mechanism and physical characteristics of the thunderstorm process in Suqian area on 15 July 2017 are analyzed. The results show that the main Impact systems of the thunderstorm are high-altitude cold vortex， low-altitude shear line， southwest jet and surface cold front. The trigger mechanisms of the above thunderstorm include 700 hPa and 850 hPa drylines， the mesoscale shear line and the surface cold front. The water vapor channel of the above thunderstorm mainly is the water vapor transportation from south to southwest jet on northwest side of subtropical high， Besides， its water vapor comes from the South China Sea and the Indian Ocean， and the strong convergence center of water vapor is located over the western Suqian city. High pseudo-equivalent potential temperature range extends from southwest to northeast to southern Suqian， and Suqian is located in the energy gradient front area. When the thunderstorm occurs， there is a strong divergence center in the lower troposphere， while there is a strong convergence center in the middle troposphere， corresponding to a strong downdraft in the middle and lower layer， which is one of the main factors leading to downbursts and extreme wind on the ground， Before the thunderstorm occurs， the 0～3 km and 0～6 km wind vertical shear increase consistently in Suqian， and the increase amplitude in the middle layer is more significant than the lower layer. The conclusion indicates that the thunderstorm occurred in a strong vertical wind shear environment.

Key words Thunderstorm; The trigger mechanism; Physical characteristics