2019年5月影響三亞的一次雷雨大風(fēng)過(guò)程分析

劉瑾 許向春

（1 海南省三亞市氣象局，三亞 572000；2 海南省氣象局，?？?570203；3 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570203）

0 引言

近幾年，隨著我國(guó)新一代雷達(dá)觀測(cè)站的建設(shè)和業(yè)務(wù)化運(yùn)行，預(yù)報(bào)員通過(guò)運(yùn)用雷達(dá)，跟蹤強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展，極大地提高了強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)臨近預(yù)警能力。觸發(fā)機(jī)制是研究強(qiáng)對(duì)流天氣的關(guān)鍵問(wèn)題，在天氣尺度影響系統(tǒng)具備的條件下，地面中尺度輻合線的產(chǎn)生、發(fā)展以及強(qiáng)度對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生時(shí)段、落區(qū)有很好的指示性。沈杭鋒等對(duì)一次颮線過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出雷暴出流與局地輻合線相遇，加劇了對(duì)流的爆發(fā)。海陸風(fēng)環(huán)流是沿海城市最突出的中尺度特征之一。何群英等對(duì)一次局地暴雨過(guò)程進(jìn)行分析，指出天氣尺度的積云對(duì)流與海風(fēng)鋒的碰撞觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，是引發(fā)前期強(qiáng)降水的關(guān)鍵。

春季（3—5月）是冷季向暖季過(guò)渡的季節(jié)，冷空氣勢(shì)力有所減弱，冷空氣與南海逐漸增強(qiáng)的暖濕氣流，導(dǎo)致常交綏在海南島上空，頻繁造成強(qiáng)對(duì)流天氣，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重的威脅，成為天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文選取2019年5月9日發(fā)生在三亞的一次雷雨大風(fēng)天氣過(guò)程，利用多種資料進(jìn)行天氣學(xué)分析，以期尋找出這類強(qiáng)對(duì)流天氣成因，強(qiáng)化預(yù)報(bào)員對(duì)這類天氣的認(rèn)識(shí)，提高強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 天氣實(shí)況與所用資料

1.1 資料

本文所用的資料包括NCEP 1°×1°再分析數(shù)據(jù)、GFS模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，常規(guī)高空地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，以及海南島自動(dòng)站觀測(cè)資料。

1.2 天氣實(shí)況

2019年5月9日，受強(qiáng)對(duì)流天氣影響，三亞市由南部近海到內(nèi)陸、由西部到東部先后出現(xiàn)雷雨大風(fēng)天氣，影響時(shí)段大致為11—14時(shí)。11：30前后，三亞市西部崖州區(qū)出現(xiàn)6級(jí)大風(fēng)，之后西部南濱實(shí)驗(yàn)站站點(diǎn)風(fēng)力在11：54增大到7級(jí)，整個(gè)過(guò)程自西向東有4個(gè)站點(diǎn)極大風(fēng)速達(dá)到7級(jí)（圖1a），其中吉陽(yáng)東站高速站點(diǎn)極大風(fēng)最大，達(dá)16.6 m/s，出現(xiàn)時(shí)間為12：50。各單站出現(xiàn)7級(jí)大風(fēng)的具體情況見(jiàn)表1。

表1 三亞市極大風(fēng)速達(dá)到7級(jí)的站點(diǎn)及出現(xiàn)時(shí)間Table 1 Sites and occurrence time of maximum wind speed exceeding grade 7 in Sanya

這次過(guò)程還在三亞北部山區(qū)和東北部陸地出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水。08—17時(shí)，三亞市中部和東北地區(qū)出現(xiàn)中到大雨，有一個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)暴雨（圖1b），其中小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到20 mm/h的站點(diǎn)有8個(gè)。

圖1 2019年5月9日08—17時(shí)三亞市極大風(fēng)（a，單位：m/s）和累計(jì)降水（b，單位：mm）（①—④為出現(xiàn)7級(jí)大風(fēng)的次序）Fig.1 Extreme gale (a,unit:m/s) and precipitation (b,unit:mm) in Sanya from 08:00 BT to 17:00 BT on 9 May 2019(①-④ means the sequence of strong wind with level 7)

2 成因分析

2.1 環(huán)流背景和大氣層結(jié)

2019年5月9日08時(shí)，海南島位于200 hPa急流軸右后方，其西南部海面受高層輻散氣流控制（圖2a）；500 hPa西太平洋高壓較弱，由甘肅東部引導(dǎo)一槽，延伸至廣西—北部灣一帶，海南島北部受西北干冷空氣影響；850 hPa切變線位于廣東沿海地區(qū)，海南島位于切變線南部暖區(qū)；伴有水汽通量輔合；925 hPa切變線位于海南島西部海域至中部陸地一帶（圖2b），低層925 hPa強(qiáng)輻合位于海南島西南部，與高層200 hPa輻散區(qū)域位置對(duì)應(yīng)一致，有較好的動(dòng)力抬升條件，切變線附近溫度密集帶，西南暖濕氣流為本次過(guò)程提供充足的水汽和能量輸送，與高層干冷西北氣流配合使大氣處于條件不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 （a）2019年5月9日08時(shí)500 hPa高度場(chǎng)（黑色實(shí)線，單位：dagpm）、溫度場(chǎng)（紅色實(shí)線，單位：K）、850 hPa風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）和200 hPa散度場(chǎng)（陰影，單位：10-5s-1）（棕色實(shí)線表示850 hPa切變線，南海附圖為850 hPa水汽通量散度）（陰影，單位：-1＊10-5s-1）；（b）925 hPa高度場(chǎng)（黑色實(shí)線，單位：dagpm）、溫度場(chǎng)（紅色實(shí)線，單位：K）、風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）和散度場(chǎng)（陰影，單位：10-5s-1）（棕色實(shí)線分別表示925 hPa切變線）Fig.2 (a) 500 hPa height field (black solid lines,unit:dagpm),temperature field (red solid lines,unit:K),850 hPa wind field(unit:m/s) and 200 hPa divergence field (shadings,unit:10-5s-1) at 08:00 BT on 9 May 2019 (brown solid lines represent 850 hPa shear line),the figure of South China Sea shows the divergence of water vapor flux at 850 hPa (shadings,unit:-1×10-5s-1);(b) 925 hPa height field (black solid lines,unit:dagpm),temperature field (red solid lines,unit:K),wind field (unit:m/s)and divergence field (shadings,unit:10-5s-1) at 08:00 BT on 9 May 2019 (brown solid line represents 925 hPa shear line)

三亞站08時(shí)

T

-ln

p

圖（圖3）顯示，溫度和露點(diǎn)層結(jié)曲線呈上干下濕型，500 hPa以上存在干層，600 hPa以下大氣近乎飽和；SI指數(shù)為-2.65 ℃，K指數(shù)為42 ℃，CAPE值為1300 J/kg，抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度均為900 m左右，表明海南島南部地區(qū)大氣層結(jié)具有較強(qiáng)的條件不穩(wěn)定性，并容易觸發(fā)激生對(duì)流。

圖3 2019年5月9日08時(shí)三亞站T-lnpFig.3 T-lnp of Sanya Station at 08:00 BT on 9 May 2019

2.2 雷達(dá)回波特征分析

5月9日08時(shí)，在925 hPa切變線附近，海南島西南海域有對(duì)流云團(tuán)發(fā)展，并向東北方向移動(dòng)，11：45雷達(dá)回波外圍移至海南島三亞市西南沿岸一帶，雷達(dá)反射率最大達(dá)50 dBz，回波移動(dòng)方向的前沿的陸地有對(duì)流初生的零散弱回波，徑向速度圖上可見(jiàn)弱回波區(qū)的后側(cè)有大風(fēng)區(qū)（圖4a），風(fēng)速達(dá)23 m/s左右，三亞沿岸有較強(qiáng)的風(fēng)速輻合。12：07位于西南海域上的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)后側(cè)回波略有減弱，反射率因子達(dá)50 dBz的雷達(dá)數(shù)據(jù)集個(gè)數(shù)減少，大風(fēng)區(qū)強(qiáng)度維持，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)前側(cè)的對(duì)流小單體已發(fā)展為線狀對(duì)流，徑向速度圖上同時(shí)配合窄細(xì)速度輻合帶，同時(shí)海南島西南部陸地上對(duì)流回波強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，范圍加大；之后陸地上的線狀對(duì)流與西南海域?qū)α鲙Ш喜ⅲ?2：24起已合并成上百千米的帶狀對(duì)流，并向東北方向移動(dòng)，三亞市中東部地區(qū)風(fēng)速加大，并出現(xiàn)7級(jí)大風(fēng)天氣。

圖4 2019年5月9日11:45（a,d）、12:07（b,e）和12:24（c,f）徑向速度和雷達(dá)反射率Fig.4 Radial velocity and radar reflectivity at 11:45 BT (a,d)、12:07 BT (b,e) and 12:24 (c,f) BT on May 92019

綜上分析可知，西南海域強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)發(fā)展并向東北移至陸地是導(dǎo)致三亞雷雨大風(fēng)的直接原因，強(qiáng)對(duì)流向東北移動(dòng)過(guò)程中，海岸地形促發(fā)線狀對(duì)流組織化發(fā)展，是強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生的關(guān)鍵，線狀對(duì)流如何發(fā)生發(fā)展是本文的研究重點(diǎn)。

2.3 自動(dòng)站數(shù)據(jù)分析

此次過(guò)程對(duì)流主體首先發(fā)生于西南部海域，由于海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，以下重點(diǎn)對(duì)對(duì)流系統(tǒng)移到海南島陸地后的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行分析。圖5a為三亞站點(diǎn)的三線圖：8日夜間為東北風(fēng)，9日09時(shí)起氣溫開(kāi)始上升，轉(zhuǎn)為東到東北風(fēng)，11時(shí)起氣溫達(dá)到最高，逐漸轉(zhuǎn)為南到東南風(fēng)，在此期間，海陸風(fēng)、露點(diǎn)和氣壓均呈常規(guī)日變化規(guī)律，表明此時(shí)未受到西南部海域?qū)α鞯挠绊憽?1時(shí)海南島溫度和自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)表明（圖5b），中部和北部陸地已受冷空氣擴(kuò)散影響，被東北風(fēng)控制，氣溫明顯偏低，西南部陸地氣溫高于其他區(qū)域，三亞西部沿岸海風(fēng)表明未受冷空氣影響，東部海風(fēng)較弱并與擴(kuò)散冷空氣輻合為對(duì)流線的發(fā)展提供較好的中尺度動(dòng)力條件。直至12：30，隨著對(duì)流帶過(guò)境，本市強(qiáng)風(fēng)雨天氣過(guò)程期間，氣溫、露點(diǎn)驟降，氣壓逐漸下降。

圖5 （a）2019年5月9日08—17時(shí)三亞站三線圖，黑色折線表示氣壓（單位：Pa），紅色折線表示溫度（單位：℃），藍(lán)色折線表示露點(diǎn)（單位：℃），綠色實(shí)線指示12:30；（b）2019年5月9日11時(shí)自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）和溫度（陰影，單位：℃），棕色實(shí)線為切變線Fig.5 (a) The three-line map of Sanya Station at 08-17 BT on 9 May 2019,the black line represents air pressure (unit:Pa),the red line represents temperature (unit:℃),the blue line represents dew point (unit:℃),and the green solid line indicated at 12:30;(b) the wind vector (unit:m/s) and temperature (shadings,unit:℃) of automatic station at 11:00 BT on 9 May 2019,brown solid line is shear line

2.4 海上對(duì)流形成機(jī)制分析

從以上雷達(dá)回波分析可知，強(qiáng)對(duì)流首先在海南島西南側(cè)海域生成，由于海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，在此借助GFS數(shù)值模式產(chǎn)品對(duì)海上對(duì)流形成機(jī)制進(jìn)行分析。圖6a～c為5月9日08、11、14時(shí)GFS模式925風(fēng)場(chǎng)和CAPE值分布圖，可看出08—14時(shí)海南島西部海域至中部陸地的切變線穩(wěn)定維持；西南部海域的切變線在08時(shí)氣旋性風(fēng)切明顯，11時(shí)氣旋性減弱，風(fēng)速減小，14時(shí)已無(wú)明顯切變線。分析三亞區(qū)域CAPE值的時(shí)間演變（圖6d），11時(shí)起迅速增大，14時(shí)達(dá)1500 J/kg以上，CAPE大值區(qū)域位于海南島南部地區(qū)以及南部海面（圖6a～6c），表明有明顯不穩(wěn)定能量。分析三亞區(qū)域動(dòng)力和水汽條件的時(shí)間演變，圖6e表明9日上午起，中高層相對(duì)濕度在75%以上，濕度條件一般，所以本次過(guò)程沒(méi)有導(dǎo)致大范圍強(qiáng)降水天氣，11時(shí)起有上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，至14時(shí)上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到最強(qiáng)，之后轉(zhuǎn)為下沉氣流，中上層水汽轉(zhuǎn)少，僅在邊界層水汽接近飽和，即強(qiáng)對(duì)流過(guò)程結(jié)束。以上分析表明：11時(shí)起三亞區(qū)域的動(dòng)力和熱力條件、水汽條件較好，有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展。

沿圖6c所示位置作剖面進(jìn)一步分析，可以看出08時(shí)在108°E附近區(qū)域有明顯上升氣流（圖7a），并配合低層正渦度中心（圖7b），與對(duì)流所在位置一致，在剖線與三亞邊界相交位置（圖7b紅色三角區(qū)域）近地面高度受陸風(fēng)影響呈偏東風(fēng)，受弱冷空氣東北風(fēng)影響的區(qū)域（圖7b紅色圓圈）也是偏東風(fēng)，與自動(dòng)站分析一致。11時(shí)原強(qiáng)對(duì)流區(qū)轉(zhuǎn)為下沉氣流，并向東北方向傾斜（圖7c），到達(dá)近地面后堆積，并在低層向西南側(cè)108.3°E（原對(duì)流附近）與東北側(cè)109.2°E（三亞近海附近）兩側(cè)輻合上升，其中西南側(cè)東北風(fēng)與背景風(fēng)風(fēng)向輻合，渦度增加（圖7d），維持原對(duì)流發(fā)展；東北側(cè)西南風(fēng)與較弱海風(fēng)風(fēng)速輻合、與三亞?wèn)|部東北風(fēng)風(fēng)向輻合，中尺度對(duì)流線加強(qiáng)，表現(xiàn)為負(fù)渦度減小。

圖6 2019年5月9日08時(shí)GFS模式08時(shí)（a）、11時(shí)（b）和14時(shí)（c）925 hPa風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：Pa/s）和CAPE值（陰影，單位：J/kg），棕色實(shí)線為切變線，其中圖6c中紅色三角為黑色實(shí)線與三亞市界的交點(diǎn)，紅色圓圈為黑色實(shí)線上受冷空氣影響的區(qū)域；（d）三亞區(qū)域GFS模式預(yù)報(bào)CAPE值的時(shí)間演變；（e）GFS模式預(yù)報(bào)場(chǎng)垂直運(yùn)動(dòng)（虛實(shí)線，單位：Pa/s）和相對(duì)濕度（陰影，單位：%）的時(shí)間演變Fig.6 Forecast field distribution of 925hPa wind (vector,unit:Pa/s) and CAPE value (shadings,unit:J/kg) in GFS mode at (a)08:00,(b) 11:00,(c) 14:00 BT on 9 May 2019,brown solid line is shear line,the red triangle on black solid line in Fig.6c indicates the intersection of the section line and Sanya City boundary,the red circle is the area affected by weak cold air;(d) time evolution of CAPE value in Sanya area predicted by GFS model at 08:00 BT on 9 May 2019;(e) time evolution of vertical motion (virtual real line,unit:Pa/s)and relative humidity (shadings)predicted by GFS model

圖7 沿圖6c黑色實(shí)線所示位置作剖面（a）08時(shí)和（c）11時(shí)散度（陰影，單位：10-5s-1）和垂直運(yùn)動(dòng)（虛實(shí)線，單位：Pa/s）；（b）08時(shí)和（d）11時(shí)渦度（陰影，單位：10-5s-1）和風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s），紅色三角和紅色圓圈與圖6c描述一致Fig.7 Profiles are made along the black solid line shown in Fig.6 con 9 May 201908:00 BT (a)and 11:00 BT (c) divergence (shadings,unit:10-5s-1)and vertical motion (virtual solid line,unit:Pa/s);08:00 BT (b) and 11:00BT (d) vorticity(shadings,unit:10-5s-1)and wind vector (unit:m/s),the red triangle and red circle are consistent with the description in Fig.6c

運(yùn)用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)以上模式預(yù)報(bào)分析進(jìn)行補(bǔ)充，風(fēng)廓線雷達(dá)站處于圖6c紅色三角略往東的位置上，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)分布可以分為四個(gè)階段（圖8a），借以反映強(qiáng)對(duì)流東移對(duì)對(duì)流線的影響：1）11時(shí)之前，對(duì)流帶距離雷達(dá)站較遠(yuǎn)，風(fēng)向與東部陸地東北風(fēng)一致；2）11：30左右，對(duì)流帶逐漸靠近雷達(dá)站，表現(xiàn)為對(duì)流帶下沉氣流向東北方向擴(kuò)散的偏西氣流；3）12時(shí)左右，對(duì)流帶經(jīng)過(guò)雷達(dá)站，為對(duì)流帶下沉氣流向西南方向擴(kuò)散的偏東氣流；4）12：30左右，對(duì)流帶東移遠(yuǎn)離雷達(dá)站，則為背景風(fēng)西南氣流。進(jìn)一步計(jì)算1000～900 hPa、900～500 hPa垂直風(fēng)切變與渦度的時(shí)間演變，圖8b～8c可以看出低層垂直風(fēng)切變明顯高于中層，渦度在低層也有較明顯發(fā)展，均在11時(shí)開(kāi)始增加，7級(jí)大風(fēng)主要發(fā)生在第三個(gè)階段，表明對(duì)流帶過(guò)境帶來(lái)風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，引起低層垂直風(fēng)切變和渦度的增加，從而導(dǎo)致對(duì)流線的發(fā)展。

圖8 （a）2019年5月9日10：30—13:00三亞風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s），紅色表示風(fēng)速大于8 m/s，①—④指示風(fēng)場(chǎng)分布的4個(gè)階段；（b）GFS模式預(yù)報(bào)三亞區(qū)域垂直風(fēng)切變的時(shí)間演變，紅色折線表示1000～900 hPa，綠色折線表示900～500 hPa；（c）GFS模式預(yù)報(bào)三亞區(qū)域渦度的時(shí)間演變（單位：10-5s-1）Fig.8 (a) Sanya wind profiler radar at 10:30-13:00 BT (vector,unit:m/s) on 9 May 2019,red indicates that the wind speed is greater than 8 m/s,①-④ four stages indicating the distribution of wind field;(b) GFS model predicts the time evolution of vertical wind shear in Sanya,with red line representing 1000～900 hPa and green line representing 900～500 hPa;(c) GFS model predicts the time evolution of vorticity in Sanya (unit:10-5s-1)

3 結(jié)論

1）高空干冷槽疊加于低層西南暖濕空氣之上，三亞?wèn)|部陸地東北風(fēng)與弱海風(fēng)輻合形成中尺度輻合線，為本次過(guò)程提供良好的水汽、熱力不穩(wěn)定、動(dòng)力抬升和觸發(fā)條件。

2）海南島西南部海域生成的強(qiáng)對(duì)流帶向東北方向移動(dòng)過(guò)程與西南部陸地對(duì)流合并發(fā)展是整個(gè)對(duì)流維持的關(guān)鍵，雷達(dá)回波上的對(duì)流后側(cè)大風(fēng)入流和前側(cè)零散弱回波線，為雷雨大風(fēng)的發(fā)生提供較好的預(yù)警。

3）近地層垂直風(fēng)場(chǎng)分析得出，海南島西南海域?qū)α飨到y(tǒng)的維持與中尺度對(duì)流線的發(fā)展有關(guān)，對(duì)流系統(tǒng)中伴隨的下沉氣流，向東北方向傾斜至近地面后向兩側(cè)涌升，其西南側(cè)產(chǎn)生的東北風(fēng)與背景風(fēng)輻合，造成海上的原對(duì)流維持；東北側(cè)西南風(fēng)與弱海風(fēng)風(fēng)速輻合、與三亞?wèn)|部東北風(fēng)風(fēng)速輻合，造成中尺度對(duì)流線加強(qiáng)。對(duì)流帶過(guò)境前后，三亞區(qū)域存在西南風(fēng)到東北風(fēng)的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致低層垂直風(fēng)切變和渦度增加，進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)流發(fā)展。風(fēng)廓線雷達(dá)可較好地監(jiān)測(cè)到對(duì)流系統(tǒng)過(guò)境的風(fēng)場(chǎng)變化演變特征。