川藏高原一次混合型強對流天氣的觀測特征

王 黌 李 英 文永仁

1)(中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081) 2)(浙江省寧波市氣象局，寧波 351000) 3)(中國氣象科學研究院，北京 100081)

引 言

雷暴大風是廣泛影響我國的災害性天氣，常造成巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡[1]。2017年4月14—17日持續(xù)性風雹天氣襲擊湖南大部分地區(qū)，損毀房屋4700余間，農(nóng)作物受災面積達4.55×104hm2，直接經(jīng)濟損失高達6.9億元[2]。2016年4月13日強颮線自西北向東南方向橫掃珠江三角洲，引起局地大風導致東莞東江口一臺起重機傾覆，造成18人死亡，33人受傷。雷暴大風局地性和突發(fā)性強，準確預報難度較大，開展其形成機制研究對準確預報預警和防災減災具有重要意義。

大量研究表明：地面雷暴大風的形成主要與風暴內(nèi)γ中尺度的下沉氣流有關[3-4]，其下落到近地面附近可產(chǎn)生輻散強風[5]。中尺度對流系統(tǒng)(MCS)或其中成熟單體可在地面形成β中尺度冷池，在冷池出流推進方向前沿可產(chǎn)生較大氣壓梯度，引起短時大風[6-7]。雷達、衛(wèi)星等觀測研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生雷暴大風的對流系統(tǒng)有多種組織類型，它們的結(jié)構影響地面大風的時長、落區(qū)和強度[8-9]。許多學者關注線狀MCS，如颮線能產(chǎn)生大范圍直線型或弧狀型災害性大風[10]，下?lián)舯┝鞫喟l(fā)生在颮線弓形回波的頂端[11-12]。雖然超級單體通常沒有颮線等MCS影響范圍廣，但其前側(cè)和后側(cè)下沉氣流容易產(chǎn)生局地極端強風[13]。事實上，對流系統(tǒng)發(fā)展過程中的形態(tài)結(jié)構可能發(fā)生顯著變化，進而影響地面風場分布。如離散的多單體可組織成颮線再發(fā)展成弓形回波，之后又迅速分裂為多個強單體[14]，MCS內(nèi)的部分單體可演變成超級單體[15]，颮線的一部分也可以和孤立的超級單體合并形成弓形回波[16]等。Schmidt等[17]利用外場試驗資料分析一次高原對流大風，發(fā)現(xiàn)颮線可以通過與另一MCS的β中尺度冷池出流耦合進一步發(fā)展，加強和維持地面大風。另一方面，環(huán)境的熱力場和動力場對風暴的組織形態(tài)有重要影響[18-19]。研究發(fā)現(xiàn)，一般單體或者脈沖風暴等組織性較差的對流通常在較干的環(huán)境下產(chǎn)生[20]，濕度更大的環(huán)境和較強的中低層垂直風切變有利于颮線的形成[21]，當對流層中低層的垂直風切變更大時，超級單體更易出現(xiàn)[22]。因此，雷暴大風的產(chǎn)生涉及對流系統(tǒng)之間、對流系統(tǒng)和環(huán)境之間的相互作用以及復雜的結(jié)構演變，也是對雷暴大風準確預報的挑戰(zhàn)。

我國川藏高原地區(qū)是雷暴大風頻發(fā)地[23]。觀測研究發(fā)現(xiàn)，高原地區(qū)絕大部分對流為午后熱雷暴，強度弱、生命史短，持續(xù)時間大于2 h的強雷暴云所占比例低于10%[24]。但2016年9月8日午后至夜間，在西藏東部昌都和四川西部甘孜高原地區(qū)發(fā)生雷暴大風，對流系統(tǒng)發(fā)展旺盛、組織化程度高、生命史較長，且伴有冰雹、短時強降水等多種災害性天氣，是一次混合型高原強對流過程。朱平等[25]利用衛(wèi)星、雷達、地面自動氣象站等觀測資料，分析2016年8月17日青藏高原東北部一次強對流過程指出，低層暖平流和長時間維持的弱冷鋒影響對流觸發(fā)位置，河谷地形對對流系統(tǒng)的移動和傳播有重要影響。然而由于川藏高原地區(qū)的氣象觀測站點稀疏且地形復雜等原因，目前針對該區(qū)域強對流天氣的研究不足。本文對2016年9月8日混合型強對流過程的環(huán)境場、對流單體發(fā)展演變過程、超級單體產(chǎn)生雷暴大風的特征等進行分析，以加強對高原強對流天氣發(fā)生機理的認識。

采用歐洲中期天氣預報中心ERA-Interim水平分辨率為0.5°×0.5°逐6 h再分析資料，分析對流系統(tǒng)發(fā)展的高低空環(huán)流背景；采用中國氣象局重要天氣報，位于西藏東部和四川西部的國家和區(qū)域自動氣象站逐小時觀測、逐5 min要素觀測以及自動雨量站分鐘降水量資料，分析這次雷暴大風強對流過程的天氣實況、對流系統(tǒng)發(fā)展前后地面氣溫、氣壓、濕度及風場等氣象要素演變特征；采用巴塘站和甘孜站00:00和12:00(世界時，下同)的探空資料，分析強對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的大氣溫度、濕度、風場等熱力和動力結(jié)構及對流潛勢；利用甘孜雷達站多普勒天氣雷達6 min 1次的基數(shù)據(jù)，研究對流系統(tǒng)的移動和結(jié)構演變特征。

1 強對流天氣實況

這次過程發(fā)生在2016年9月8日四川西部的甘孜州，05:00開始，09:00結(jié)束，持續(xù)時間約為4 h。圖1a為強對流天氣實況。由圖1a可見，05:00對流在甘孜和昌都交界處生成，分為南側(cè)和北側(cè)兩個系統(tǒng)，二者均以約70 km·h-1的平均速度向東南移動，北側(cè)對流在甘孜州西北部生成后，向東南移動過程中逐漸發(fā)展成線狀MCS，并在路徑周圍引起雷暴大風；南側(cè)初始對流在昌都和甘孜州交界的昌都一側(cè)生成，東移過程中逐漸增強，并與北側(cè)南下的線狀對流趨于合并。07:12南側(cè)對流單體最強反射率因子達到60 dBZ，07:30在甘孜州中部迅速發(fā)展成超級單體。08:00雅江站觀測到8級大風和最大直經(jīng)為18 mm的冰雹，08:30后對流單體明顯減弱，結(jié)構不再清晰。從天氣實況看，兩條強對流中心路徑周圍多個自動氣象站觀測到大于17 m·s-1的極大瞬時風速和大于5 mm·h-1的雨強，其中有3個站的雨強大于10 mm·h-1，相當于大雨量級。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，川西高原地區(qū)小時降水量達到5 mm，10 mm和20 mm 閾值的樣本發(fā)生概率僅為3%，0.6%和0.2%[26-27]。因此，在干燥的高原地區(qū)小時雨強超過5 mm·h-1屬于小概率事件。此外08:00雅江站觀測到最大直徑為18 mm的冰雹。根據(jù)中國氣象局觀測業(yè)務規(guī)定，選取2010—2017年重要天氣報中冰雹直徑為2 mm及以上的臺站記錄數(shù)據(jù)為樣本，統(tǒng)計青藏高原地區(qū)(海拔高度不小于2.5 km的站點)冰雹直徑的概率分布如圖1b所示。由圖1b可以看到，青藏高原地區(qū)出現(xiàn)冰雹的概率隨其直徑增大而迅速減小，約90%的樣本直徑集中在2～8 mm，直徑為18 mm 以上冰雹出現(xiàn)的概率為2%。圖1b的概率分布特征與Li等[28]采用1980—2015年資料得到的統(tǒng)計結(jié)果類似。由此可見，本次過程的小時降水量之強和冰雹直徑之大在青藏高原地區(qū)較為罕見。

圖1 2016年9月8日05:00—09:00南側(cè)和北側(cè)強對流中心移動路徑(時間間隔為30 min，黑色和紅色線段分別為雷達最大組合反射率因子在35～60 dBZ和不小于60 dBZ)(a)及2010—2017年青藏高原地區(qū)冰雹直徑的概率分布(b)Fig.1 Moving paths of strong convection centers(the time interval is 30 min,the black and red lines denote the reflectivity factor ranging from 35-60 dBZ and more than 60 dBZ)from 0500 UTC to 0900 UTC on 8 Sep 2016(a)and probability distribution of hail diameter in the Qinghai-Tibet Region during 2010-2017(b)

2 天氣環(huán)流形勢和環(huán)境條件

從環(huán)流形勢看，2016年9月8日00:00的500 hPa上(圖2a)，西藏北部有一短波槽向東移，有弱冷平流向?qū)α靼l(fā)生區(qū)(紅色方框)輸送，西北太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)脊已西伸至云貴高原中部，川藏地區(qū)受其外圍偏西氣流控制，在副高西北側(cè)西南風弱暖平流影響下形成四川西南部的暖中心。600 hPa(圖2b)上，川西北、雷暴大風區(qū)域北側(cè)存在東西向的切變線，藏東和川西高原為大范圍濕區(qū)，相對濕度為90%以上，之后該切變線呈南北向并逐漸南壓。200 hPa(圖2c)上，對流發(fā)生區(qū)位于南亞高壓北側(cè)邊緣，雖與其北側(cè)位于35°～40°N的高空急流相距較遠，但仍具有較弱西南—東北向的帶狀輻散場，這有利于對低層大氣的抽吸作用和對流的發(fā)展。從地面(圖2d)看，川北冷高壓與藏東低壓之間的川西高原地區(qū)形成南北向鋒區(qū)，此時已有弱冷空氣經(jīng)川西高原南下滲透至云南北部，甘孜州大多站點的地面溫度低于10 ℃，云南西部仍受北伸的暖舌控制，冷暖氣流在對流發(fā)生區(qū)活動。

圖2 2016年9月8日00:00高度場(等值線，單位：dagpm)和風場(紅色方框為發(fā)生對流區(qū)域)(a)500 hPa(填色為溫度，棕色實線為槽線)，(b)600 hPa(填色為相對濕度，棕色實線為切變線，灰色為地形)，(c)200 hPa(風羽指示大于等于30 m·s-1高空急流區(qū)，填色為散度)，(d)地面(藍色等值線為海平面氣壓，單位：hPa;填色為溫度)Fig.2 Geopotential height(the contour,unit:dagpm)and wind at 0000 UTC on 8 Sep 2016(the red rectangle denotes convection area)(a)500 hPa(the shaded denotes temperature,the brown curve denotes trough),(b)600 hPa(the shaded denotes relative humidity,the brown curve denotes shear line,the grey denotes terrain),(c)200 hPa(the barb denotes upper level jet stream with wind velocity no less than 30 m·s-1,the shaded denotes divergence),(d)surface(the contour denotes sea-level pressure,unit:hPa;the shaded denotes temperature)

續(xù)圖2

圖3是對流有效位能和500～700 hPa垂直風切變。9月8日00:00，即對流風暴發(fā)生前5 h，甘孜州北部地區(qū)有一定能量積累，中心最大強度超過700 J·kg-1，環(huán)境垂直風切變達8 m·s-1。9月8日06:00，即甘孜州西部的初始對流發(fā)生約1 h，受偏南暖濕氣流影響，對流下游環(huán)境的對流有效位能和垂直風切變進一步增大，最大強度分別達到900 J·kg-1和12 m·s-1。隨著藏北短波槽東移南壓(圖略)，對流有效位能大值中心南落至甘孜州中部，環(huán)境垂直風切變大值區(qū)西伸，甘孜州中部的垂直風切增大1～2 m·s-1。此時南側(cè)和北側(cè)的兩個對流系統(tǒng)(圖1)已移動至該區(qū)域(紅色方框)，并得到進一步發(fā)展。巴塘探空資料顯示(圖略)，環(huán)境中0～6 km 高度垂直風切變是中等強度，約為16 m·s-1，有利于對流的組織化發(fā)展。9月8日00:00積累的不穩(wěn)定能量為270 J·kg-1，大氣中低層溫度露點差較小，相對濕度大于80%的層結(jié)從近地面一直延伸到6 km高度，濕層十分深厚。根據(jù)王黌等[29]環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果，川藏高原雷暴大風發(fā)生環(huán)境的大氣可降水量平均值為19 mm，本次過程在00:00 就已達到28 mm，接近第90百分位，說明對流發(fā)展的環(huán)境異常偏濕。此外巴塘站高層有一定強度的干層，溫度露點差達到7～12℃，整層大氣呈上干下濕的垂直結(jié)構，為對流系統(tǒng)的發(fā)展提供良好條件[30]。本過程中低層大氣接近飽和，濕球溫度0℃層(融化層)高度與干球溫度0℃層幾乎一致。0℃和-20℃層高度分別位于550 hPa和330 hPa附近，由于發(fā)生在海拔高度約為2.5 km的高原，二者距離地面分別約為2.5 km和6.5 km高度。研究表明，我國平原地區(qū)有利于冰雹發(fā)生的0℃和-20℃ 層高度范圍大致在3～4.5 km和5～7.5 km高度。本文個例的0℃層高度低于平原地區(qū)，-20℃層高度接近平原地區(qū)均值。較低的融化層、凍結(jié)層高度和厚的冷云層使風暴上升氣流中的水汽容易發(fā)生凝結(jié)、碰撞、凍結(jié)等過程，有利于雹胚的形成。但是過多的雹胚將大量消耗冷云中的過冷水，抑制單個雹胚直徑的增長。相較于平原地區(qū)，暖季高原大氣的濕球溫度0℃和-20℃層高度通常較低，地表熱力強迫較強，但環(huán)境水汽和能量條件不足，對流上升氣流對水凝物的托舉作用較弱，總體不利于雹胚直徑的增長。這可能是我國青藏高原地區(qū)冰雹頻率發(fā)生高，但直徑一般較小的原因之一。本文個例的環(huán)境水汽更豐富，能量和深層垂直風切變條件中等，對流發(fā)展和組織化程度更強，因此地面出現(xiàn)直徑較大的冰雹。

圖3 2016年9月8日環(huán)境對流有效位能(填色)和500～700 hPa垂直風切變(藍色等值線，單位：m·s-1)(紅色方框為超級單體成熟的區(qū)域)Fig.3 Environmental convective available potential energy(the shaded)and 500-700 hPa vertical wind shear(the blue contour,unit:m·s-1)on 8 Sep 2016(the red rectangle indicates mature supercell area)

3 對流系統(tǒng)的觸發(fā)和發(fā)展演變

3.1 初始對流的觸發(fā)

前人研究[31]通常將35 dBZ或40 dBZ作為區(qū)別對流和層狀云的雷達組合反射率因子閾值。2016年9月8日05:00甘孜雷達組合反射率因子顯示，對應對流有效位能大值區(qū)域，昌都和甘孜州交界處已有對流生成。北側(cè)對流發(fā)展較早，大片層狀云內(nèi)出現(xiàn)45 dBZ以上強度的γ中尺度單體，南側(cè)僅有微弱零散對流單體生成，其雷達反射率因子僅為35 dBZ，為超級單體的初始對流。

對流觸發(fā)區(qū)域位于地形較高地區(qū)，海拔高度約為3～4 km。05:00地面溫度較低，為10～18℃。此時在中層弱冷平流影響下，昌都西部有較弱冷空氣南下盛行偏北風，而對流觸發(fā)地大部分站點為偏南風，最大風速可達8～9 m·s-1。故在昌都與甘孜州交界處形成一條明顯的南北向地面輻合線(棕色線)，南、北兩側(cè)的初始對流均在此輻合線附近生成。

3.2 對流系統(tǒng)前期發(fā)展結(jié)構演變

圖4中9月8日06:04，北側(cè)對流呈現(xiàn)組織化發(fā)展趨勢，其層狀云中鑲嵌多個西南—東北向的γ中尺度單體，單體最大回波強度超過55 dBZ。南側(cè)對流系統(tǒng)層狀云范圍擴大，發(fā)展比北側(cè)緩慢，最大回波強度為35～40 dBZ。06:00地面輻合線東移，對流區(qū)出現(xiàn)降溫的站點較少，說明風暴冷池很弱且未擴大。對流東南方向的地面溫度相比05:00有所升高，多個站點溫度已高于20℃。隨著對流系統(tǒng)向東南移動接近環(huán)境對流有效位能和垂直風切變大值中心(圖3b)，07:45北側(cè)對流已發(fā)展成西南—東北向的線狀β中尺度對流系統(tǒng)，最大反射率因子超過60 dBZ。云系與南側(cè)對流云系趨于合并，同時南側(cè)對流迅速發(fā)展成超級單體，最大反射率因子超過70 dBZ。08:00地面觀測顯示，對流系統(tǒng)經(jīng)過的區(qū)域溫度大多降至12℃以下，輻合線已明顯南壓，說明風暴產(chǎn)生的地面冷池已增強且范圍進一步擴大。

圖4 2016年9月8日甘孜站雷達觀測和地面觀測(圓點為氣溫，數(shù)字為相對濕度(單位:%)，棕色實線為地面輻合線，紅色橢圓分別指示南、北側(cè)對流位置)Fig.4 Radar and surface observations at Ganzi on 8 Sep 2016(the dot denotes surface temperature,the number denotes relative humidity(unit:%),the brown curve denotes surface convergence lines,the red ellipse denotes convection positions)

續(xù)圖4

3.3 超級單體成熟結(jié)構

9月8日07:15南側(cè)對流單體迅速增強，12 min內(nèi)最大回波強度從50 dBZ增加到65 dBZ，07:30左右演變成超級單體。07:30—07:56超級單體的結(jié)構最清晰，選取07:45時刻研究其結(jié)構特征(圖5)。07:45甘孜雷達0.5°仰角反射率因子(圖5a)顯示，超級單體的水平尺度約為20～30 km，最強反射率因子達到73 dBZ。單體低層結(jié)構表現(xiàn)為一勾狀回波，在其移動方向的右前側(cè)具有清晰的入流缺口，強回波區(qū)域呈現(xiàn)“蕓豆狀”并且緊沿入流缺口分布，與國外學者[32]提出的強降水超級單體概念模型十分吻合。有的研究[33]將超級單體大致分為弱降水型、經(jīng)典型和強降水型3種類型，并認為高層相對風暴風速影響不同類型超級單體的形成。07:45雷達4.4° 和6.0°仰角相對風暴徑向速度(圖略)顯示，超級單體高層9～12 km高度的相對風暴風速為10～12 m·s-1，平均為11 m·s-1，明顯小于18 m·s-1的弱高層相對風暴風速閾值[34]。這使風暴中大量高層水凝物傾向于在其上升氣流附近下落，反射率因子圖上則表現(xiàn)為強回波區(qū)包裹有界弱回波區(qū)周圍，因此更容易形成強降水超級單體，與已有研究一致。圖5b為沿圖5a中AB線的垂直剖面，可見強回波區(qū)隨高度增加而向東(B側(cè))傾斜，高層有顯著的上沖云頂突起，回波頂高接近15 km；中層回波懸垂，下方為有界弱回波區(qū)，說明風暴前沿有較強的傾斜上升氣流。0.5°(圖5c)等多個低仰角徑向速度場存在中氣旋特征，最大徑向速度達到20 m·s-1，表明上升氣流較深厚。由徑向速度垂直剖面(圖5d)可以看到，距地面9～15 km存在正負速度區(qū)，速度差值可達到20 m·s-1，即風暴高層存在較明顯輻散出流。上述雷達特征均表明超級單體已經(jīng)成熟。

以上分析表明：對流系統(tǒng)發(fā)展環(huán)境的中低層較濕，較高層有一定強度的干層(圖3)。徑向速度垂直剖面(圖5d)顯示，中低層右后側(cè)(A側(cè))入流，可將弱干冷空氣卷入超級單體，有利于風暴中的雨滴、雹霰等水凝物相變(蒸發(fā)、融化或升華)吸熱，加強下沉氣流。由圖5b還可以看到，50 dBZ的反射率因子最大高度為10 km，超過-20℃的溫度層高度為9 km。部分大于70 dBZ的反射率因子核心已下降至3 km高度以下，部分65～70 dBZ的反射率因子核心已降至2 km高度以下。雖然此時地面沒有對應的站點，但根據(jù)雷達回波特征可推斷地面大概率出現(xiàn)大冰雹。07:45徑向速度垂直剖面(圖5d)還顯示，約4～9 km高度出現(xiàn)中層徑向輻合，最大徑向速度差值大于23 m·s-1，表明中層干空氣的夾卷過程增強[35]，超級單體移動方向(B側(cè))的前側(cè)入流和后側(cè)入流交界處存在較強的下沉氣流潛勢，這是地面雷暴大風發(fā)生的前兆信號。

07:45雷達資料表明超級單體已經(jīng)成熟，雷達回波出現(xiàn)下?lián)舯┝?、大冰雹等指示特征，因地面無站點所以無觀測記錄。隨后10 min超級單體繼續(xù)向東偏南移動，且結(jié)構和強度仍維持，并在雅江站產(chǎn)生雷暴大風、大冰雹等強對流天氣，下面分析該站發(fā)生地面大風前的臨近特征。圖6為07:56和08:01甘孜雷達0.5°仰角反射率因子和徑向速度，該時段為地面雷暴大風發(fā)生前3～8 min。07:56超級單體東側(cè)的層狀云已經(jīng)過雅江站，該站進入超級單體的強回波梯度區(qū)，受大于45 dBZ對流云影響，降水量逐漸增大。同時超級單體低層出現(xiàn)65～70 dBZ的強回波，其東南側(cè)的入流缺口特征仍顯著，說明較強的上升氣流仍然存在，有利于風暴結(jié)構和強度的維持或發(fā)展。08:01超級單體內(nèi)部60 dBZ以上的最強回波區(qū)接近雅江站，受大于50 dBZ對流云影響，雅江站降水量迅速增大并可能伴有冰雹的出現(xiàn)。低層入流缺口特征已經(jīng)不如07:56的清晰，其強度可能開始減弱。從07:56的徑向速度場看，雅江站位于強回波區(qū)東側(cè)的正速度區(qū)，即超級單體東側(cè)的上升氣流區(qū)，具有西南—東北向且呈類似線狀的分布特征，這與概念模型[36]相似。08:01雅江站處于正負徑向速度轉(zhuǎn)換區(qū)，即超級單體的冷池出流附近，站點風速迅速增大。由07:56—08:01徑向速度場的變化可以看到，超級單體中氣旋對應的正速度區(qū)范圍縮小，最大正速度從10 m·s-1減弱至7 m·s-1，說明其南側(cè)的上升氣流減弱，風暴的強度也隨之減弱，這與入流缺口的變化特征對應。

圖5 2016年9月8日07:45甘孜雷達0.5°仰角觀測(a)反射率因子(白色圓指示勾狀回波，白色箭頭指示前側(cè)(B側(cè))入流缺口)，(b)沿圖5a中AB的垂直剖面(白色橢圓指示回波懸垂區(qū)域)，(c)徑向速度(白色橢圓指示中氣旋區(qū)域)，(d)沿圖5c中AB的垂直剖面(白色橢圓指示中層徑向輻合區(qū)域，白色箭頭指示風暴內(nèi)氣流的方向)Fig.5 Observation at 0.5°elevation angle by Ganzi radar on 8 Sep 2016(a)reflectivity factors(the white ellipse denotes hook echo,the white arrow indicates inflow gap),(b)vertical cross-section along line AB in Fig.5a(the white ellipse denotes echo overhang),(c)reflectivity factors(the white ellipse denotes mesocyclone),(d)vertical cross-section along line AB in Fig.5c(the white arrow denotes storm inflow direction)

圖7為9月8日07:56和08:01以甘孜雷達站為中心，沿圖6中AB線垂直剖面的反射率因子和徑向速度。由圖7反射率因子可知，07:56大于60 dBZ 的強回波分布在距地面約4～11 km的高空，部分60～65 dBZ強回波區(qū)已下落至約4 km高度，9～10 km 高層仍有大于65 dBZ的強反射率因子質(zhì)心。08:01反射率因子質(zhì)心已降落至4 km左右高度，距地面6 km高度以上的強回波區(qū)域明顯減小。此時超級單體仍產(chǎn)生大冰雹，觀測資料顯示08:00左右雅江站出現(xiàn)直徑為18 mm的冰雹。強反射率因子快速下降，說明風暴內(nèi)冰雹、大雨滴下落的拖曳作用明顯增強[37]，這有利于加強其內(nèi)部氣流的下沉運動。由徑向速度可知，07:56—08:01雅江站從正速度區(qū)轉(zhuǎn)移到負速度區(qū)，并且低層正速度區(qū)的高度已降低，說明超級單體前側(cè)的上升氣流有所減弱。由于上升氣流對雹霰、大雨滴等的抬升作用減弱，風暴中高層反射率因子質(zhì)心在自身重力作用下加速下降，此為下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的原因之一。

圖6 2016年9月8日甘孜雷達0.5°仰角觀測(白色圓圈指示中氣旋位置，白色箭頭指示超級單體低層入流方向)Fig.6 Observation at 0.5°elevation angle by Ganzi radar on 8 Sep 2016(the white circle denotes mesocyclone,the white arrow denotes supercell inflow direction)

圖7 2016年9月8日甘孜雷達站沿圖6中AB的垂直剖面的反射率因子和徑向速度(紅點指示雅江站位置，白色箭頭指示低層氣流方向)Fig.7 Vertical cross-section along line AB in Fig.6 by Ganzi radar on 8 Sep 2016(the red dot denotes Yajiang Station,the white arrow denotes low-level air flow direction)

圖8是雅江站氣溫、氣壓、風和降水的演變情況，以及周圍自動氣象站部分要素對比。由圖8可見，9月8日08:00—08:10出現(xiàn)氣溫陡降、氣壓跳升、分鐘雨強突增和風向先逆時針后順時針旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。08:00氣壓顯著升高，至08:05猛增2 hPa；氣溫下降的峰值滯后氣壓上升的峰值約5 min，氣溫在08:00—08:10的10 min內(nèi)下降4.3℃。氣壓和分鐘降水強度的峰值一致，均在08:05達到極值，分別為737.3 hPa和2.3 mm·min-1。該站07:50是風速為4 m·s-1的西北風，07:55轉(zhuǎn)成風速為10 m·s-1的南風。由圖6中07:56低層徑向速度場可知，雅江站受到超級單體東側(cè)帶狀上升氣流區(qū)影響，出現(xiàn)較大短時偏南陣風。07:59快速轉(zhuǎn)為西風，此時超級單體產(chǎn)生的冷池出流影響雅江站，這與雷達觀測分析相一致。此后受超級單體50 dBZ及以上的強回波主體影響，分鐘降水強度迅速增大，從0.3 mm·min-1增至0.6 mm·min-1再猛增到1.6 mm·min-1以上。08:04該站記錄到風速17.6 m·s-1的8級瞬時大風，在08：00—09：00出現(xiàn)雨強為14.7 mm·h-1的短時降水。地面大風與分鐘雨強峰值、大冰雹出現(xiàn)的時間地點基本一致，可以推斷雅江站的大風由超級單體內(nèi)濕下?lián)舯┝饕?，冰雹、大雨滴的拖曳對下?lián)舯┝鞯男纬善鹬匾饔谩０l(fā)生濕下?lián)舯┝鲿r，雅江站位于超級單體中氣旋北側(cè)的強回波區(qū)，即超級單體前側(cè)下沉氣流區(qū)(圖6)。Markowski等[38]認為降水相變冷卻產(chǎn)生的負浮力促進其發(fā)展，本文分析也表明環(huán)境中層存在弱的干空氣以及夾卷蒸發(fā)過程。超級單體的上升氣流區(qū)和前側(cè)下沉氣流區(qū)先后影響雅江站，并帶來顯著大風、短時強降水天氣，影響時段為07:55—08:10僅15 min，濕下?lián)舯┝鬟^程結(jié)束后風速、雨量均迅速減小。

圖8 2016年9月8日07:45—08:25地面氣象站要素時間演變(a)雅江站分鐘降水量(柱狀)和逐5 min氣溫(曲線)，(b)雅江站逐5 min氣壓(曲線)和風(風羽)，(c)838181自動氣象站分鐘降水量，(d)838181自動氣象站極大風矢量Fig.8 Surface meteorological elements evolution from 0745 UTC to 0825 UTC on 8 Sep 2016(a)precipitation(the column)and temperature(the curve)at Yajiang station,(b)pressure(the curve)and wind(the barb)at Yajiang Station,(c)precipitation(the column)at auto weather station 838181,(d)hourly extreme wind(the barb)at auto weather station 838181

4 地形影響

圖9a為氣象站所處的峽谷地形示意圖。雅江站位于周圍海拔高度為3 km以上且呈南北走向的峽谷內(nèi)，海拔高度約為2600 m。與周圍自動氣象站相比，雅江站的最大瞬時風速明顯更大。2016年9月8日08:04雅江站和其南部的838181自動氣象站地面風場分別為偏西風和北風，方向均平行于峽谷走向且呈輻散狀，對流單體的下沉氣流下落到近地面，地形的狹管效應加大局地氣流速度。由3 h變壓(溫)場(圖9b)可知，發(fā)生雷暴大風的區(qū)域是增壓(降溫)中心，最大增壓(降溫)強度達到+3 hPa(-6℃)，并且向南北方向延伸，整體分布特征與南北峽谷走向較一致，因此風暴形成的冷池主要沿峽谷地形流動。

圖9 站點地形示意圖(a)及2016年9月8日09:00 3 h變壓場(藍色等值線，單位：hPa)和地面變溫場(填色)(b)Fig.9 Topographical sketch map around the stations(a)and 3 h pressure change(the blue contour,unit:hPa) and 24 h temperature change(the shaded)on surface at 0900 UTC 8 Sep 2016(b)

5 小 結(jié)

利用中國氣象局重要天氣報、地面自動氣象站逐小時和分鐘級加密觀測、探空、多普勒天氣雷達等多源觀測和歐洲中期天氣預報中心ERA-Interim再分析資料，對2016年9月8日川藏高原地區(qū)一次罕見的強對流天氣過程進行分析。結(jié)果表明：

1)川藏高原雷暴大風通常具有干性特征，但這次過程多個站點出現(xiàn)小時降水量超過10 mm的強降雨且伴隨最大直徑為18 mm的冰雹，是高原上較罕見的混合型強對流天氣過程。

2)對流系統(tǒng)發(fā)生在500 hPa弱冷平流和低層切變線影響下，環(huán)境的高對流有效位能和中等強度垂直風切變?yōu)槌墕误w的形成和維持提供有利條件。大氣中低層深厚的濕層是對流風暴內(nèi)濕下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的重要原因。

3)初始對流在地面輻合線上生成，其北側(cè)大片層狀云鑲嵌多個γ中尺度單體，南側(cè)僅有微弱的零星回波。在進入甘孜州中部的中等強度對流有效位能和垂直風切變的環(huán)境場過程中，北側(cè)對流系統(tǒng)逐漸發(fā)展成線狀MCS，并在雅江站附近與南側(cè)對流單體合并，南側(cè)對流單體迅速發(fā)展成超級單體。

4)超級單體發(fā)展成熟期，低層具有清晰的前側(cè)入流缺口、鉤狀回波和中氣旋特征。垂直剖面上強回波區(qū)隨高度前傾，高層呈顯著的上沖云頂突起，回波頂高接近15 km高度；中層存在明顯的回波懸垂，最強反射率因子達到73 dBZ，下方為有界弱回波區(qū)。隨后出現(xiàn)上升氣流減弱、反射率因子核心快速下降和中層徑向輻合等特征，預示風暴內(nèi)下?lián)舯┝鞯某霈F(xiàn)。

5)中層干空氣的夾卷過程增大超級單體內(nèi)水凝物的相變吸熱，有利于加強下沉氣流。同時大雨滴、冰雹快速下落引起的拖曳作用也有利于濕下?lián)舯┝鞯漠a(chǎn)生，結(jié)合峽谷地形的狹管效應，引起地面大風產(chǎn)生。

需要指出的是，川藏高原地區(qū)地面氣象觀測網(wǎng)絡的時空分辨率不足，如超級單體經(jīng)過的甘孜西南部地區(qū)缺少密集的自動氣象站，地面未能觀測到范圍更廣和強度更強的雷暴大風。同時地形復雜，山脈峽谷眾多，風暴冷池在此類下墊面的特征和變化需要進一步探討和分析。因此還有待利用更高分辨率的數(shù)值模式開展模擬研究。