兩次斜壓鋒生類強對流過程對比分析

盛志軍 周雨 張國平

(1 江西省氣象臺，南昌 330096； 2 江西省氣象服務(wù)中心，南昌 330096； 3 中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081)

引言

強對流天氣通常是指由深厚濕對流(DMC)產(chǎn)生的冰雹、雷雨大風(fēng)等各種災(zāi)害性天氣，因其突發(fā)性強、生命期短、局地性強、造成的天氣劇烈等特點，一直備受關(guān)注[1-3]。隨著我國氣象現(xiàn)代化的發(fā)展，各類專項研究也紛紛展開[4-17]，極大推進了我國強對流天氣預(yù)報水平。強對流天氣的發(fā)生發(fā)展需要以下基本環(huán)境條件：不穩(wěn)定層結(jié)、垂直風(fēng)切變、觸發(fā)機制和水汽條件。然而強對流發(fā)生前的環(huán)境大氣特征并不存在非常明確的物理界限，即使是在天氣系統(tǒng)配置相似的情況下，對應(yīng)的強對流天氣類型或強度也不盡相同。如何準(zhǔn)確的做出雷暴大風(fēng)、冰雹或短時強降水等強對流分類預(yù)報仍然是目前天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中的難點[18-21]。由于影響強對流的天氣尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及局地中尺度環(huán)流特征差異，同一種類型的強對流強度也會有所不同。強對流天氣的上述復(fù)雜性決定了一些細微的差別就可能導(dǎo)致強對流天氣類別或強度差異。因此需要加強對一些相似類型強對流個例的細致分析研究，通過環(huán)境場條件差別研判分析強對流天氣不同類型或強度潛勢。

2019年春季江西北部發(fā)生了兩次類似區(qū)域性強對流過程，一次出現(xiàn)在3月20日20:00至21日18:00(簡稱“3·21”過程)，44個氣象站出現(xiàn)10級以上大風(fēng)(圖1a);19個氣象站出現(xiàn)冰雹，最大直徑約30 mm(宜春市)；69個氣象站小時雨量超過30 mm(圖2a)，最大小時雨量達62.1 mm(湖口縣文橋鄉(xiāng));強對流天氣導(dǎo)致死亡5人，直接經(jīng)濟損失7.4億元。另一次過程出現(xiàn)在4月9日13:00—20:00(簡稱“4·9”過程)，5個氣象站出現(xiàn)10級以上大風(fēng)(圖1b)，最大風(fēng)速達30.8 m·s-1(廣豐縣大石鄉(xiāng))，4個氣象站小時雨量超過30 mm(圖2b)，最大小時雨量46.8 mm(九江永修縣柘林鎮(zhèn))。兩次過程發(fā)生時間前后間隔不到20 d，環(huán)流背景相似，但強天氣的強度、范圍及造成的災(zāi)情損失差別較大，其成因?qū)妼α魈鞖忸A(yù)報預(yù)警服務(wù)有重要意義。本文從天氣形勢、水汽條件、觸發(fā)機制和回波特征等方面探討兩次過程強天氣成因的異同。

圖1 2019年3月20—21日(a)和4月9日(b)江西出現(xiàn)8級以上極大風(fēng)速(實心圓圈)、 冰雹(黑色實心三角形)及雷電(+)實況分布

圖2 2019年3月20—21日(a)和4月9日(b)江西最大小時雨量達20 mm以上的分布

1 天氣形勢及冷空氣對比分析

1.1 天氣形勢對比

強對流天氣的發(fā)生發(fā)展與其所在的大尺度環(huán)境條件密切相關(guān)。2019年3月20日20：00山東半島到長江中下游500 hPa有階梯式短波槽(圖3a)，引導(dǎo)冷空氣沿偏東路徑南下。700 hPa到925 hPa切變線位于長江流域，切變南側(cè)江西到華南有寬廣的西南急流，呈風(fēng)速輻合。地面冷高壓主體位于西北地區(qū)東部，中心氣壓1035 hPa，前緣冷鋒位于山東西部至陜南，江西北部處于低壓倒槽中。21日08：00隨著高空槽東南移，低層切變南壓，動力輻合明顯加強，鋒區(qū)兩側(cè)溫差達到每100 km 5～7 ℃。4月9日08：00(圖3b)，500 hPa江西受槽前暖脊控制；700 hPa至925 hPa切變線位于黃淮到江淮之間，850 hPa長沙、南昌到安慶風(fēng)速達20～26 m·s-1，江西處地面低壓倒槽中，9日下午開始氣旋后部冷鋒快速南下影響江西，鋒區(qū)兩側(cè)溫差達每100 km 4～10 ℃。

兩次過程都由冷空氣進入倒槽觸發(fā)，有明顯的冷暖平流，屬斜壓鋒生類強對流過程[12]。“3·21”過程500 hPa溫度槽超前于高度槽，有利于槽前建立不穩(wěn)定；“4·9”過程高空槽前是更強的暖平流，導(dǎo)致地面氣旋發(fā)展?！?·21”過程江西北部低層及鋒面南側(cè)風(fēng)向風(fēng)速場均呈現(xiàn)輻合特征，為鋒前中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展提供了有利的動力條件；“4·9”過程江西北部呈風(fēng)速輻散特征。

1.2 冷空氣對比

分析兩次過程天氣系統(tǒng)配置，鋒前及鋒面附近出現(xiàn)了中尺度對流系統(tǒng)?！?·21”過程先有地面靜止鋒進入倒槽引起暖區(qū)分散性對流(圖3a)，而后冷空氣移入靜止鋒，鋒前干冷空氣與暖濕空氣的輻合增強引起鋒生，上升運動加強，風(fēng)暴頂輻散在鋒前形成垂直環(huán)流，降水作用在鋒面附近形成冷池，使得溫度梯度進一步加大，地面輻合加強，冷池出流與暖濕空氣輻合，鋒生作用觸發(fā)江西北部對流新生發(fā)展，鋒面移速緩慢，導(dǎo)致中尺度對流系統(tǒng)持續(xù)時間較長。“4·9”過程地面冷空氣勢力較強移動快，暖濕氣流偏弱，降水條件偏弱導(dǎo)致冷池作用不及前次過程明顯，鋒前垂直環(huán)流維持時間短，以干對流為主。

圖3 2019年3月20日20:00(a)、4月9日08:00(b)天氣形勢綜合配置

2 環(huán)境條件對比分析

2.1 不穩(wěn)定特征

強對流發(fā)生前，低層一般都存在潛在不穩(wěn)定能量積聚過程，在外部動力條件具備的情況下，大氣潛在不穩(wěn)定能量釋放從而觸發(fā)強對流天氣。T-lnp圖能夠反映探空站及其附近氣象要素的垂直分布，可有效判斷強對流潛勢。選取南昌站進行探空分析(圖4)，兩次過程層結(jié)曲線都呈典型“上干下濕”分布；3月20日20:00，850 hPa以下風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，700 hPa至400 hPa風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)，呈“上冷下暖”溫度垂直分布特征；0 ℃和-20 ℃層高度分別為4.0 km和7.2 km，顯著不穩(wěn)定層結(jié)和適宜的中間層高度有利冰雹增長。

對比常用對流參數(shù)(表1)，3月20日20：00對流有效位能達1090 J·kg-1，850 hPa與500 hPa溫差達28 ℃，氣溫垂直遞減率增大，表明對流發(fā)生前已積累較高不穩(wěn)定能量，分析4月9日08：00探空圖(圖4b)，使用14:00地面溫度和露點溫度訂正后對流有效位能達1533 J·kg-1，兩次過程的對流有效位能在江西3—4月是明顯偏高的。分析表明，兩次過程在對流發(fā)生前均具有較明顯的熱力和動力不穩(wěn)定特征，對流層中層存在明顯干冷層結(jié)；而“3·21”過程不穩(wěn)定能量積累更強，中層干冷條件更好，濕層相對更深厚，對流潛勢環(huán)境條件利于產(chǎn)生更劇烈的強對流天氣。

表1 2019年3月20日20:00和4月9日08：00南昌站常用對流指數(shù)物理量對比

圖4 2019年3月20日20：00(a)和4月9日08：00(b)南昌探空站T-lnp圖

2.2 動力抬升條件

在具有強的不穩(wěn)定層結(jié)條件下，強對流天氣是否能夠發(fā)展，另一關(guān)鍵條件是動力抬升條件和觸發(fā)機制。以下從散度和垂直速度具體分析兩次過程的動力抬升條件。

分析圖5發(fā)現(xiàn)，3月20日02：00至21日14：00江西北部200 hPa為輻散區(qū)，700 hPa以下為輻合區(qū)，輻合中心為-1.0×10-6s-1，出現(xiàn)在850 hPa(圖5a、b、c)，低層輻合高層輻散的抽吸效應(yīng)使得鋒面前沿深厚的垂直上升區(qū)建立，為強天氣的觸發(fā)提供了有利的動力抬升條件；20日02：00開始江西北部對流單體風(fēng)暴有組織化發(fā)展，南昌、鷹潭、上饒東部等地區(qū)先后出現(xiàn)8～10級雷暴大風(fēng)和短時強降水?！?·9”過程500 hPa以上無明顯的輻散特征，輻合出現(xiàn)在925 hPa和850 hPa。9日08：00—20:00，925 hPa和850 hPa輻合中心為-1.0×10-6s-1、-0.4×10-6s-1(圖5d、e、f)，較前次過程輻合層淺薄、范圍小。

圖5 2019年3月21日02：00(a)、21日08：00(b)、21日14：00(c)、4月9日08：00(d)、9日14：00(e)、 9日20：00(f)925 hPa風(fēng)場、925 hPa輻合區(qū)(填色)、850 hPa輻合區(qū)(等值線，單位：10-6s-1)分布

2.3 垂直風(fēng)切變

對流風(fēng)暴的組織程度和強度與環(huán)境風(fēng)垂直切變有密切關(guān)系[17]，分析兩次過程風(fēng)場及渦度的高度-經(jīng)度剖面，3月20日20：00至21日08:00(圖6a、b)隨著冷空氣侵入，116°E附近1000～700 hPa、1000～500 hPa垂直風(fēng)矢量差最大分別為12 m·s-1、24 m·s-1，切變最大分別為2.0×10-3s-1、3.2×10-3s-1。高低層垂直風(fēng)矢量差及風(fēng)向差異的增大，使得高低空垂直風(fēng)切變增強，為強對流發(fā)生發(fā)展提供了不穩(wěn)定層結(jié)條件。4月9日08:00—14：00(圖6c、d)，116°E附近1000～700 hPa、1000～500 hPa垂直風(fēng)矢量差最大分別為8 m·s-1、14 m·s-1，切變最大分別1.6×10-3s-1、2×10-3s-1。對比發(fā)現(xiàn)，“3·21”過程垂直風(fēng)切變更強，有利于水平正渦度的激發(fā)和中層干冷空氣的吸入，導(dǎo)致冰雹增長，觸發(fā)強下沉氣流。對比圖6b、d發(fā)現(xiàn)，強垂直切變區(qū)存在較大水平正渦度，渦管扭曲產(chǎn)生垂直渦度，上升運動加強，利于產(chǎn)生冰雹。

圖6 2019年3月20日20:00(a)、21日08:00(b)、4月9日08:00(c)、 9日14:00(d)沿29°N風(fēng)場及渦度(等值線，單位:10-5s-1)的垂直剖面

2.4 水汽條件

強對流發(fā)生需要一定的水汽條件，王秀明等[21]通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，大氣低層濕度對風(fēng)暴的組織結(jié)構(gòu)有較大影響，中-高濕度環(huán)境更有利于形成高度組織化的颮線。分析兩次過程水汽通量和通量散度分布(圖略)發(fā)現(xiàn)： ①兩次過程低層均有較好的水汽輸送，但 “3·21”過程水汽輸送偏南，“4·9”過程水汽輸送偏東偏北。兩次過程最大水汽通量分別為20～30 g·cm-1·hPa-1·s-1、20～27 g·cm-1·hPa-1·s-1。②兩次過程強對流發(fā)生區(qū)域均有較強的水汽輻合，“3·21”過程贛北水汽通量散度中心達-14×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，高于“4·9”過程。

干侵入是指來自平流層下層和對流層中上層的低相對濕度和高位渦表征的干燥下沉氣流，與低層暖空氣相互作用，對暴雨的增幅、天氣系統(tǒng)位勢不穩(wěn)定的發(fā)展以及中氣旋發(fā)展生成起著重要的促進作用。分析兩次過程主強對流發(fā)生區(qū)域(115°～117°E，28°～31°N)每6 h 1次的位渦和相對濕度時間剖面發(fā)現(xiàn)，3月19日08：00至20日23:00對流層高層高值位渦庫自上而下呈漏斗狀延伸至400 hPa，表明有干空氣向下侵入對流層中層(圖7a)。之后，干區(qū)逐漸減弱，濕度高值區(qū)開始增加，21日08：00，925～300 hPa為顯著的濕區(qū)，這樣深厚的濕層和高位渦庫的存在，為短時強降水、冰雹等強對流天氣的發(fā)生提供了水汽和不穩(wěn)定條件。“4·9”過程也存在對流層高層位渦庫高值向下延伸和濕層增厚(圖7b)，但位渦高值區(qū)和高濕區(qū)維持時間較“3·21”過程偏短。

圖7 2019年3月19日08:00至22日02：00(a)和4月8日08：00至10日02:00(b)強對流區(qū) (113°～118°E，28°～32°N)平均相對濕度(陰影，實線,單位：%)和平均位渦(虛線,單位：PVU,1 PVU=106 m2·s-1·K·kg-1)

3 多普勒天氣雷達回波特征對比分析

3.1 回波演變特征對比

兩次過程大尺度天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置有相似性，雷暴大風(fēng)、冰雹等強天氣主要是由颮線等中小尺度系統(tǒng)導(dǎo)致，以下主要討論其回波演變特征。

“3·21”過程回波演變(圖8a)可分為準(zhǔn)靜止鋒影響下的多單體風(fēng)暴(20日20：00至21日04：00)、冷暖空氣共同觸發(fā)的強颮線(21日04:00—09:00)及湖南短颮線移入(21日10:00—14:00)等3個階段。20日20:00開始，贛北北部對流單體逐漸新生發(fā)展。21：00出現(xiàn)超級單體風(fēng)暴，浮梁、婺源、都昌等縣受影響出現(xiàn)雷暴大風(fēng)和冰雹。21日04：00(圖8a)颮線A回波移入贛西北，45 dBz以上強回波呈南北向分布，與移動方向幾乎垂直，平均移速75 km·h-1，07：00颮線經(jīng)過南昌市時出現(xiàn)弓形特征，造成進賢縣瞬時大風(fēng)達28.4 m·s-1(10級)；颮線北側(cè)和西側(cè)層積混合回波水平尺度超過200 km，回波列車效應(yīng)導(dǎo)致進賢縣三陽集08：00小時降水量達61 mm。此后強颮線加速東移并脫離后側(cè)層積混合回波，降水強度減弱，08：00—09：00強颮線快速東移影響鷹潭、撫州、上饒等市，造成大范圍9～11級雷暴大風(fēng)，09：00以后逐漸移出江西。10：00颮線B從湖南瀏陽移入萍鄉(xiāng)市，45 dBz以上強回波呈南北向線狀，東移平均移速60 km·h-1，11：00—14:00相繼影響新余、吉安等市，造成7～8級雷暴大風(fēng)，冰雹和短時強降水分布較分散，14：00颮線B進入撫州后減弱，2組颮線回波影響時長達10 h。

“4·9”過程有2組(C、D)颮線自西北向東南先后影響江西北部(圖8b)。9日13：00多個雷暴單體在九江市組織化發(fā)展并呈線狀排列，C颮線形成，反射率因子最大達60 dBz，平均移速達80 km·h-1，15:00颮線C東南方向移動影響景德鎮(zhèn)、上饒、南昌等市出現(xiàn)8級左右雷暴大風(fēng)。颮線前沿有陣風(fēng)鋒回波，前側(cè)雷暴出流遭遇強西南氣流，在颮線南部觸發(fā)新的對流單體生成，17：00逐漸消亡。颮線D 16：00在南昌市南部發(fā)展東移，此后其東段發(fā)展東移，西段逐漸減弱，18：00影響鷹潭、上饒等市，颮線D水平尺度100 km左右，平均移速65 km·h-1。2組颮線影響時長超過5 h。

圖8 2019年3月21日04:00—14:00(a)和4月9日13:00—18:00(b)大于45 dBz雷達回波隨時間演變

分析可知，“3·21”過程颮線回波具有典型弓形特征，強回波范圍大，形狀與移向垂直，移速快；“4·9”過程颮線的線狀排列特征明顯，強回波面積小，前側(cè)有陣風(fēng)鋒回波。

3.2 風(fēng)廓線產(chǎn)品資料對比分析

風(fēng)廓線產(chǎn)品(VWP)反演的是雷達多個體掃時次的水平風(fēng)垂直廓線，一般認(rèn)為能較好代表距離雷達站60 km范圍內(nèi)的環(huán)境風(fēng)場[16]?！?·21”過程進賢、南昌縣和“4·9”過程靖安、永修縣出現(xiàn)了8級以上雷暴大風(fēng)(南昌雷達處有效范圍內(nèi))，選取南昌站VWP產(chǎn)品分析颮線過境前后垂直風(fēng)場演變。

分析3月21日06:14—07:13南昌VWP演變(圖9a)可知，06:38前受一支強西南氣流控制，5 km高度風(fēng)速最大達30 m·s-1，06:38開始3 km高度有明顯偏北風(fēng)冷空氣侵入(圖9a紅色方框)，冷空氣與偏南氣流交匯，產(chǎn)生明顯輻合，激發(fā)對流風(fēng)暴新生并強烈發(fā)展，南昌縣附近識別出明顯的中氣旋，06:43強偏北風(fēng)自上而下迅速擴展，動量快速下傳，1.8 km高度偏北風(fēng)最大達24 m·s-1，06:48南昌縣出現(xiàn)20 m·s-1大風(fēng)；07:13強偏北風(fēng)已向下擴展至0.3 km高度， 07:18進賢縣出現(xiàn)28 m·s-1(10級)大風(fēng)。07:36中層逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，邊界層風(fēng)速減小，颮線移出南昌。

圖9b給出了4月9日15:09—16:08南昌VWP演變，15:27前中低層為較強西南風(fēng)，最大風(fēng)速12 m·s-1，15:33冷空氣開始從0.9 km高度侵入(圖9b藍色方框)，最大風(fēng)速10 m·s-1，之后快速向地面擴展，15:39—16:00靖安、永修先后出現(xiàn)19 m·s-1(8級)雷暴大風(fēng)，此后邊界層維持偏北風(fēng)，最大風(fēng)速12 m·s-1，南昌地區(qū)出現(xiàn)了13～15 m·s-1(7級)大風(fēng)，與實況基本吻合。

圖9 2019年3月21日06:14—07:13(a)、4月9日15:09—16:08(b)南昌垂直風(fēng)廓線演變 (圖a、b中紅色、藍色方框表示有冷空氣侵入,橫坐標(biāo)為世界時)

由以上分析可知，“3·21”過程暖平流特征明顯(3 km以下西南風(fēng)速最大達22 m·s-1)，高空冷空氣侵入深厚(從3 km向下延伸)，偏北風(fēng)速大(最大達24 m·s-1)；“4·9”過程3 km高度以下西南風(fēng)相對偏弱(最大16 m·s-1)，侵入冷空氣淺薄(0.9 km高度以下)。

3.3 中氣旋對比分析

中氣旋是強風(fēng)暴雷達回波的重要特征，對冰雹、雷暴大風(fēng)等強對流天氣的短臨預(yù)報預(yù)警有重要指示作用。本文選取的中氣旋持續(xù)時間2個體掃以上，考慮到中氣旋在合適的距離才能被探測到，結(jié)合南昌、上饒、景德鎮(zhèn)等3部雷達對“3·21”和“4·9”過程中氣旋產(chǎn)品作對比，將明顯識別不合理的中氣旋剔除后發(fā)現(xiàn)，“3·21”過程出現(xiàn)了9個中氣旋，其中3月21日06:49南昌縣附近20 km范圍內(nèi)識別出3個中氣旋(圖10a黑色方框內(nèi))，中尺度對流發(fā)展非常劇烈?！?·9”過程永修附近出現(xiàn)了中氣旋(圖10b)，最長持續(xù)時間為3個體掃。

圖10 2020年3月21日06:49(a)、15:21(b)南昌雷達組合反射率因子 (黃色圓圈表示中氣旋，黑色方框表示中氣旋發(fā)展區(qū)域)

3.4 單體風(fēng)暴參數(shù)對比分析

垂直積分液態(tài)水含量(VIL)、風(fēng)暴移動速度(MV)與雷暴大風(fēng)天氣的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，是江西雷達短臨監(jiān)測預(yù)警的重要產(chǎn)品指標(biāo)之一。兩次過程江西撫州東鄉(xiāng)區(qū)都出現(xiàn)9級雷暴大風(fēng)(3月21日07:37風(fēng)速24 m·s-1、4月9日16:02風(fēng)速22 m·s-1)，對東鄉(xiāng)站在風(fēng)暴過境前后VIL和MV進行分析。兩次過程東鄉(xiāng)雷暴大風(fēng)發(fā)生前VIL均出現(xiàn)下降(圖略)，“3·21”過程VIL由07:30的43 kg·m-2降至07:36的38 kg·m-2，VIL值符合江西本地雷暴大風(fēng)研究統(tǒng)計值，VIL值下降出現(xiàn)在大風(fēng)發(fā)生前。“4·9”過程VIL值由15:56的18 kg·m-2降至16:02的13 kg·m-2，與江西雷暴大風(fēng)VIL統(tǒng)計值相比明顯偏小，可能導(dǎo)致預(yù)報員低估雷暴大風(fēng)的強度，增大了短臨預(yù)警的難度。

兩次過程東鄉(xiāng)雷暴大風(fēng)發(fā)生前MV出現(xiàn)上升，“3·21”過程東鄉(xiāng)雷暴大風(fēng)發(fā)生前30 min(07:07)已達22 m·s-1(圖略)，07:18增大至27 m·s-1，之后維持27 m·s-1，東鄉(xiāng)及下游鷹潭等地區(qū)出現(xiàn)9～10級大風(fēng)?！?·9”過程大風(fēng)發(fā)生前MV由15:56的15 m·s-1增加至17 m·s-1，對流單體影響東鄉(xiāng)后增大到18 m·s-1繼續(xù)影響下游地區(qū)?？梢?，風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展移動趨勢對預(yù)報員短臨預(yù)警有重要參考作用。

4 結(jié)論

本文對2019年江西兩次斜壓鋒生類強對流天氣過程進行對比分析，主要結(jié)論如下：

(1)兩次過程都由冷空氣進入地面倒槽觸發(fā)，“3·21”過程溫度露點差近飽和狀態(tài)，冷暖空氣的輻合明顯；“4·9”過程鋒面兩側(cè)輻合較弱，冷鋒移動快。

(2)“3·21”過程對流發(fā)生時濕層更深厚，對流層高層高值位渦庫自上而下呈漏斗狀延伸至400 hPa，“干侵入”特征明顯；“4·9”過程中低層整體濕度條件較差，中高層有明顯干空氣卷入，冷卻蒸發(fā)作用導(dǎo)致的強下沉氣流引發(fā)地面大風(fēng)。

(3)“3·21”過程弓形回波特征明顯，中氣旋數(shù)量達9個；強冷空氣從3 km高度侵入并迅速下傳動量，單體風(fēng)暴VIL大、移速快，對大風(fēng)等強對流預(yù)警有指示意義；“4·9”過程颮線回波的中氣旋發(fā)展程度不如前次過程，侵入冷空氣淺薄，單體風(fēng)暴VIL小，短臨預(yù)警低估大風(fēng)可能性大。

本文從環(huán)境條件、觸發(fā)機制、回波特征等方面對兩次斜壓鋒生型強對流過程作對比分析，但對鋒面次級環(huán)流觸發(fā)作用分析還不夠深入，需要在今后的工作中加強從鋒面動力學(xué)特征方面，深入挖掘類似強對流天氣過程的成因與差異。