石嘴山市2020 年汛期一次雷雨大風(fēng)天氣分析

周翠芳，牛宏宇，薛佩珍，楊艷紅

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；3.寧夏石嘴山市氣象局，寧夏 石嘴山 753000）

雷雨大風(fēng)指平均風(fēng)力≥6 級(jí)、陣風(fēng)≥7 級(jí)且伴有雷雨的天氣，是石嘴山市災(zāi)害性天氣之一。雷雨大風(fēng)作為強(qiáng)對(duì)流天氣之一，有局地性、突發(fā)性和多變性等特點(diǎn)，使得它的定時(shí)、定點(diǎn)的精細(xì)化短期預(yù)報(bào)較為困難。由于其破壞性很強(qiáng)，常給工農(nóng)業(yè)、交通、電力、通信等造成巨大損失。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和預(yù)報(bào)技術(shù)人員都針對(duì)雷雨大風(fēng)天氣從不同的角度進(jìn)行了一定的分析和總結(jié)[1—9]，在預(yù)報(bào)方法的研究方面，也主要關(guān)注對(duì)流參數(shù)在對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展中的指示意義，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析研究得到了雷暴大風(fēng)大多發(fā)生在午后，與地形也有密切關(guān)系等結(jié)論。王亞男等[2]對(duì)渤海西部雷雨大風(fēng)統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行分析，分別給出了渤海西部6—9 月份逐月以及高空冷渦和高空低槽背景下的抬升指數(shù)、大風(fēng)指數(shù)、最佳對(duì)流有效位能和0～3 km 垂直風(fēng)切變參考閾值。張志剛等[4]分析了2005 年8 月17 日江蘇鹽城地區(qū)的一次雷雨大風(fēng)天氣過(guò)程的雷達(dá)回波特征，并及時(shí)利用新一代天氣雷達(dá)信息，進(jìn)行預(yù)警信號(hào)的發(fā)布工作，取得了非常好的效果，并得到社會(huì)公眾的認(rèn)可。付桂琴等[6]分析了雷雨大風(fēng)與河北電網(wǎng)災(zāi)害特征，提出災(zāi)害性天氣服務(wù)對(duì)策，為加強(qiáng)河北省電力行業(yè)氣象服務(wù)及防災(zāi)減災(zāi)提供參考。2020年石嘴山市雷雨大風(fēng)發(fā)生次數(shù)較往年顯著增多，但是對(duì)于石嘴山市雷雨大風(fēng)方面的研究目前仍處于一個(gè)空白區(qū)，本文通過(guò)對(duì)2020 年6 月17 日雷雨大風(fēng)天氣的研究和總結(jié)分析，為石嘴山市今后開展此類強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供一定的參考依據(jù)。

1 天氣實(shí)況

2020 年6 月17 日16:00—18:00，石嘴山全市出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)天氣，強(qiáng)降水（≥10 mm）主要集中在平羅縣的崇崗鎮(zhèn)及沙湖一帶，最大累計(jì)降水量及最大小時(shí)雨強(qiáng)均出現(xiàn)在沙湖氣象站，為16.8 mm（圖1a），國(guó)家觀測(cè)站極大風(fēng)速全部超過(guò)7 級(jí)，最強(qiáng)風(fēng)速出現(xiàn)在沙湖，為21.1 m/s。自動(dòng)站有23 站極大風(fēng)速超過(guò)7級(jí)，最強(qiáng)風(fēng)速出現(xiàn)在汝箕溝，為25.5 m/s（圖1b）。由于強(qiáng)降水伴有短時(shí)雷雨大風(fēng)天氣，致使部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的作物倒伏嚴(yán)重，造成大樹倒伏、廣告牌等高空物體墜落的情況，沒有造成人員傷亡，但造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 2020 年6 月17 日16:00—18:00 石嘴山市小時(shí)累計(jì)雨量及極大風(fēng)速分布

2 氣象要素變化

颮線又稱不穩(wěn)定線或氣壓涌升線，是由若干排列成行的雷暴單體或雷暴群所組成的，風(fēng)向、風(fēng)速發(fā)生突變的狹窄的強(qiáng)對(duì)流天氣帶。颮線過(guò)境時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)風(fēng)向突變、風(fēng)速猛增、氣溫陡降和氣壓驟升等劇烈的天氣變化。

此次雷雨大風(fēng)天氣前后，氣象要素變化劇烈（表1）（15:00—18:00），從16:00 開始到17:00，風(fēng)向突變（偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)）、風(fēng)速快速增加（陣風(fēng)超過(guò)10 級(jí)）、氣壓驟然上升（上升3 hPa 左右）以及氣溫急劇變化（下降10 ℃左右），是一次典型的颮線過(guò)境現(xiàn)象。

表1 石嘴山市2020 年6 月17 日氣象要素表

3 天氣形勢(shì)分析

2020 年6 月17 日08:00，500 hPa 高空?qǐng)D（圖2a）上，石嘴山市位于槽后西北氣流中，從新疆到河西為一個(gè)寬廣的暖脊，并且配合有-12 ℃的暖中心，溫度脊落后于高度脊，從貝加爾湖不斷有沿脊下滑的冷空氣在石嘴山市北部堆積。從20:00 高空?qǐng)D可以看到（圖2b）：由于冷空氣的不斷堆積，暖脊已經(jīng)成為東北西南向的橫槽，石嘴山市位于暖脊脊前較強(qiáng)西北氣流里，風(fēng)速達(dá)16 m/s。6 月17 日08:00 700 hPa高空?qǐng)D（圖2c）上，在石嘴山市的西北部有一個(gè)切變，在石嘴山市東部有一個(gè)低渦。從高低層的形勢(shì)分析（圖2）可見：高低層的天氣系統(tǒng)有明顯的前傾傾向，前傾結(jié)構(gòu)意味著高層冷空氣移動(dòng)速度快于低層，在高層冷空氣已經(jīng)抵達(dá)的情況下，低層仍為暖的低值中心控制，上下層的溫度差拉大，氣溫的垂直遞減率加大，為對(duì)流天氣的出現(xiàn)提供了良好的環(huán)境條件。

圖2 2020 年6 月17 日石嘴山市天氣形勢(shì)圖

從14:00 地面天氣形勢(shì)圖（圖3a）上來(lái)看，地面冷鋒尾部位于石嘴山市的西北部，冷鋒前100～500 km的暖區(qū)內(nèi)有一條露點(diǎn)鋒（干線），干線可導(dǎo)致強(qiáng)烈的對(duì)流風(fēng)暴，是對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制之一。石嘴山市處在熱低壓底部，在石嘴山市北部是暖而濕的空氣，石嘴山市的南部是冷而干的空氣，石嘴山市處在露點(diǎn)鋒的南側(cè)。17:00 地面天氣形勢(shì)圖（圖3b）上，露點(diǎn)鋒已經(jīng)移入石嘴山市，石嘴山市正好位于干濕區(qū)之間的露點(diǎn)鋒區(qū)中，造成了石嘴山市的雷雨大風(fēng)天氣。從17日08:00—17:00 地面冷鋒的動(dòng)態(tài)圖（圖略）上可以清晰地看到地面弱冷空氣的活動(dòng)情況，冷鋒接近露點(diǎn)鋒區(qū)的時(shí)間是在14:00 左右，弱冷空氣的入侵是造成露點(diǎn)鋒附近的對(duì)流擾動(dòng)發(fā)展的又一重要原因。

圖3 2020 年6 月17 日石嘴山市地面天氣形勢(shì)圖

4 對(duì)流條件分析

4.1 探空?qǐng)D分析

從2020 年6 月17 日溫度對(duì)數(shù)壓力圖（圖4）可以看出：

圖4 2020 年6 月17 日石嘴山市溫度對(duì)數(shù)壓力圖

（1）500～600 hPa 為高濕區(qū)，相對(duì)深厚的濕層為對(duì)流天氣的發(fā)生提供了良好的水汽條件；抬升凝結(jié)高度（LCL）（826.9 hPa）和自由對(duì)流高度（LFC）（714.9 hPa）都比較低，不需要太強(qiáng)烈的觸發(fā)，便能引發(fā)對(duì)流活動(dòng)的發(fā)展。

（2）中層干冷侵入的層結(jié)條件：400 hPa 有干冷空氣侵入。中層干冷侵入的層結(jié)條件導(dǎo)致對(duì)流在中層與干冷空氣混合，從而產(chǎn)生明顯的下沉運(yùn)動(dòng)，就會(huì)形成地面的短時(shí)輻散式強(qiáng)風(fēng)天氣，有利于雷暴大風(fēng)天氣的發(fā)生。

（3）0～6 km 垂直風(fēng)切變顯著，為12 m/s，垂直風(fēng)切變的增強(qiáng)將導(dǎo)致風(fēng)暴進(jìn)一步加強(qiáng)和發(fā)展。

（4）500 hPa 較強(qiáng)的西北氣流與地面弱的西南氣流形成了較強(qiáng)的垂直切變。這種低層升溫、高層降溫的溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)和高低空風(fēng)的垂直切變?cè)斐傻臏囟炔顒?dòng)效應(yīng)有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)，也是石嘴山市大氣不穩(wěn)定的主要因素。颮線正是發(fā)生在6 月17 日下午高低層溫度平流的垂直變化達(dá)到最大的時(shí)候。

4.2 對(duì)流參數(shù)分析

選取四個(gè)參數(shù)對(duì)此次雷暴大風(fēng)天氣進(jìn)行分析（表2）。濕對(duì)流有效位能（CAPE）是風(fēng)暴潛在強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，是可能轉(zhuǎn)換為上升運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的一種能量。從2020 年6 月17 日CAPE 值來(lái)看，08:00 CAPE 值達(dá)140.1，在17:00 前后雷雨大風(fēng)發(fā)生時(shí)能量釋放，20:00 CAPE 值減小為80.6。對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)貜?qiáng)對(duì)流天氣分析指標(biāo)可知，CAPE 的變化趨勢(shì)比CAPE值的大小更為重要。此次過(guò)程CAPE 值前后變化差值為59.5，是一次較強(qiáng)的能量釋放過(guò)程。大風(fēng)指數(shù)（VV）是為預(yù)報(bào)微下?lián)舯┝鳚搫?shì)引入的一個(gè)指數(shù)，主要估測(cè)下沉對(duì)流潛勢(shì)，一般VV 值越大越有利。08:00—20:00 VV 值為增大的趨勢(shì)，變化數(shù)值比當(dāng)?shù)貙?duì)流天氣指標(biāo)偏強(qiáng)，形成了地面的短時(shí)輻散式強(qiáng)風(fēng)天氣。環(huán)境水平風(fēng)向風(fēng)速的垂直切變的大小往往和形成風(fēng)暴的強(qiáng)弱密切相關(guān)，強(qiáng)垂直切變是雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的必要條件。此次雷雨大風(fēng)期間，深層垂直風(fēng)切變（0～6 km）風(fēng)矢量差在20:00 達(dá)到16 m/s，屬于中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變。K 指數(shù)是表征大氣層結(jié)穩(wěn)定度的參數(shù)，一般K 指數(shù)越大，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。根據(jù)寧夏強(qiáng)對(duì)流指標(biāo)，當(dāng)K 指數(shù)≥30 時(shí)，容易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流，此次過(guò)程K 指數(shù)從30.5 下降到23.5，為一次能量釋放過(guò)程。

表2 2020 年6 月17 日雷雨大風(fēng)強(qiáng)對(duì)流天氣參數(shù)

5 物理量條件分析

5.1 水汽條件分析

此次雷雨大風(fēng)期間相對(duì)濕度從高層—中層—低層分布來(lái)看（圖5），為干-濕-干的分布，在中層400～500 hPa 以上有干冷空氣侵入，500～700 hPa 為濕層，700 hPa 以下為相對(duì)干層，這次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中高層水汽輸送是通過(guò)西北氣流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種由西北氣流向強(qiáng)對(duì)流區(qū)輸送水汽的模式同通常的由偏南或偏東氣流向強(qiáng)對(duì)流區(qū)輸送水汽是明顯不同的，這是本次強(qiáng)對(duì)流天氣和以往強(qiáng)對(duì)流天氣的不同點(diǎn)。

圖5 2020 年6 月17 日石嘴山市相對(duì)濕度及水汽通量散度分布圖

5.2 動(dòng)力條件分析

此次雷雨大風(fēng)期間散度場(chǎng)的分布特征（圖6）：高層400 hPa 以上是輻合，輻合中心在400 hPa，中心值為-4×10-5hPa/s；中層500～700 hPa 為輻散，輻散中心在550 hPa，中心值為4×10-5hPa/s；低層700 hPa 以下為輻合，輻合中心在850 hPa，中心值為-2×10-5hPa/s。從垂直速度來(lái)看，強(qiáng)降水開始時(shí)前500 hPa 以上是下沉運(yùn)動(dòng)，500 hPa 以下是上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)降水開始后整層變?yōu)橄鲁吝\(yùn)動(dòng)，與以往總結(jié)的強(qiáng)對(duì)流性天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)基本一致。

圖6 2020 年6 月17 日石嘴山市散度及垂直速度分布圖

5.3 不穩(wěn)定能量分析

從850 hPa 和500 hPa 的假相當(dāng)位溫之差（簡(jiǎn)稱θse850-500）來(lái)看（圖7），當(dāng)θse850-500＞0 ℃時(shí)，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此次過(guò)程θse850-500的分布為正值，石嘴山地區(qū)（106°E，39°N）處于θse850-500的大值中心區(qū)，最大中心值為120 ℃，處于較強(qiáng)的對(duì)流性不穩(wěn)定區(qū)，有利于產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣，符合以往總結(jié)的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的指標(biāo)。

圖7 2020 年6 月17 日石嘴山市θse850-500 分布圖

6 雷達(dá)回波分析

此次颮線回波系統(tǒng)是區(qū)外產(chǎn)生且有規(guī)律地移入石嘴山市的帶狀回波系統(tǒng)，屬于“外來(lái)颮線系統(tǒng)”，是造成此次石嘴山市雷雨大風(fēng)天氣的主要回波系統(tǒng)。以下主要對(duì)這次颮線的發(fā)生、發(fā)展、強(qiáng)盛及消亡進(jìn)行分析。

6.1 發(fā)展階段

15:51（圖8a），在我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，石嘴山市西北方向的上游地區(qū)已形成一明顯南北走向的帶狀回波。16:02（圖8b）回波邊界逐漸發(fā)展清晰，對(duì)流回波不斷發(fā)展，對(duì)流單體不斷生成，并逐漸匯合呈線狀排列的回波群，颮線回波帶的中北段已演變成明顯的由一個(gè)個(gè)對(duì)流回波核組成的弓狀回波系統(tǒng)，中心強(qiáng)度在44～45 dBZ，而雷雨大風(fēng)往往發(fā)生在弓狀回波的前沿，隨著颮線系統(tǒng)逐漸發(fā)展，并且向東南方向移動(dòng)，且移動(dòng)速度較快，石嘴山市的賀蘭山沿山最先出現(xiàn)雷雨大風(fēng)天氣。

圖8 2020 年6 月17 日石嘴山市颮線發(fā)展階段雷達(dá)回波圖

6.2 強(qiáng)盛階段

16:13（圖9a），颮線系統(tǒng)的強(qiáng)回波中心，即雷達(dá)回波反射率因子的大值區(qū)，已經(jīng)移入石嘴山市，最大反射率因子的值為55～60 dBZ，主要位于賀蘭山沿山大武口區(qū)段和惠農(nóng)區(qū)段。16:19（圖9b）石嘴山市大武口區(qū)處于颮線系統(tǒng)的強(qiáng)回波區(qū)域中，其中垂直累積液態(tài)水含量最大值為20～25 kg/m2（圖9e），此時(shí)石嘴山市大武口區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了較強(qiáng)的雷雨大風(fēng)天氣。

16:36（圖9c）是颮線回波系統(tǒng)在石嘴山市發(fā)展的最強(qiáng)階段，多個(gè)對(duì)流單體合并成連續(xù)的區(qū)域，并且中心強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，影響程度最大，其中垂直累積液態(tài)水含量最大值為25～30 kg/m2（圖9f）。颮線系統(tǒng)的強(qiáng)中心在大武口區(qū)和平羅縣西部地區(qū)停留的時(shí)間較在其他區(qū)域久，隨著颮線帶狀回波系統(tǒng)繼續(xù)東移發(fā)展，沿途產(chǎn)生系列雷雨大風(fēng)天氣。

16:58（圖9d），石嘴山市處于颮線系統(tǒng)的控制下，出現(xiàn)全市范圍內(nèi)的雷雨大風(fēng)天氣，此時(shí)颮線系統(tǒng)的強(qiáng)回波中心主要處于石嘴山市的平羅縣。颮線回波系統(tǒng)在石嘴山市發(fā)展到最強(qiáng)階段的時(shí)候，銀川雷達(dá)2.4°仰角上徑向速度圖中有明顯的輻合型正負(fù)速度對(duì)（圖9g、圖9h），而測(cè)站大風(fēng)一般出現(xiàn)在強(qiáng)回波中心和速度對(duì)輻合區(qū)，低空是有徑向速度超過(guò)20 m/s的大值區(qū)存在。同時(shí)回波頂高長(zhǎng)時(shí)間維持在9～12 km（圖9i），有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生，此次過(guò)程液態(tài)水含量超出了寧夏強(qiáng)對(duì)流天氣指標(biāo)13 kg/m2。

圖9 2020 年6 月17 日石嘴山市颮線強(qiáng)盛階段雷達(dá)回波圖

與寧夏雷暴大風(fēng)指標(biāo)相比，此次過(guò)程出現(xiàn)在中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變環(huán)境中，導(dǎo)致雷暴大風(fēng)的系統(tǒng)是颮線，雷達(dá)回波主要是弓狀回波。與雷暴大風(fēng)的臨近預(yù)警指標(biāo)相符。

6.3 減弱階段

17:10（圖略）開始，隨著雷達(dá)回波的東移，颮線系統(tǒng)中心的雷達(dá)最強(qiáng)反射率因子顯著減小，對(duì)流單體回波減弱，系統(tǒng)整體強(qiáng)度逐漸減弱，東邊的回波強(qiáng)度弱于西邊，故本次天氣過(guò)程中，石嘴山市東邊的雷雨大風(fēng)天氣弱于西邊；雷雨過(guò)后，回波中心垂直液態(tài)水含量也同時(shí)迅速減小。18:29，石嘴山市西部地區(qū)的天氣過(guò)程已基本結(jié)束，東部還有一些回波。18:46，回波帶已移出石嘴山市，全市天氣過(guò)程已基本結(jié)束。

7 結(jié)論

（1）此次雷雨大風(fēng)天氣前后，氣象要素變化劇烈，風(fēng)向突變、風(fēng)速快速增加、氣壓驟然上升以及氣溫急劇變化，是一次典型的颮線過(guò)境現(xiàn)象。主要影響系統(tǒng)為500 hPa 橫槽、700 hPa 低渦、地面冷鋒及露點(diǎn)鋒。濕對(duì)流有效位能（CAPE）、大風(fēng)指數(shù)（VV）和0～6 km 垂直風(fēng)切變及K 指數(shù)對(duì)石嘴山市雷雨大風(fēng)的預(yù)報(bào)具有一定的指示意義，印證了以往總結(jié)的雷雨大風(fēng)的預(yù)報(bào)指標(biāo)。

（2）雷雨大風(fēng)期間，石嘴山市處于較強(qiáng)的對(duì)流性不穩(wěn)定區(qū)，這次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中的水汽輸送是通過(guò)西北氣流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。散度場(chǎng)的分布特征是高層輻合、中層輻散、低層輻合，強(qiáng)降水開始時(shí)前500 hPa以上是下沉運(yùn)動(dòng)，500 hPa 以下是上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)降水開始后整層變?yōu)橄鲁吝\(yùn)動(dòng)，這與以往水汽輸送的來(lái)源是不同的。

（3）從雷達(dá)回波來(lái)看，此次颮線回波系統(tǒng)是由內(nèi)蒙古境內(nèi)移入石嘴山市的帶狀回波系統(tǒng)，雷雨大風(fēng)發(fā)生在弓狀回波的前沿，在颮線回波的強(qiáng)盛階段，最大反射率因子的值為55～60 dBZ，垂直累積液態(tài)水含量最大值為20～25 kg/m2，回波頂高9～12 km。這與雷暴大風(fēng)的臨近預(yù)警指標(biāo)相符。