中國(guó)江南—華南地區(qū)一次強(qiáng)颮線天氣過(guò)程位渦診斷分析

李文娟 俞小鼎 滕代高 彭霞云 劉漢華

(1.浙江省氣象臺(tái)，浙江 杭州 310017；2.中國(guó)氣象局干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081)

引言

雷暴大風(fēng)是對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的一種災(zāi)害性天氣，一般呈直線型或弧線型分布的風(fēng)害。大多數(shù)災(zāi)害性大風(fēng)是由雷暴下沉氣流在低層的出流(下?lián)舯┝?或者強(qiáng)冷池推進(jìn)導(dǎo)致的強(qiáng)陣風(fēng)，即受冷池密度流和高空水平動(dòng)量下傳的作用[1]；雷暴大風(fēng)具有突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間短、致災(zāi)性強(qiáng)等特點(diǎn)，一直是強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警的難點(diǎn)。

颮線是一種線狀排列的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，常伴有區(qū)域性雷暴大風(fēng)天氣，具有發(fā)展迅速、時(shí)空分布不均勻、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。有研究表明，颮線的觸發(fā)與低層輻合線(包括陣風(fēng)鋒、海風(fēng)鋒輻合線以及地形輻合線等)、干線、鋒面以及地形抬升等有關(guān)，也受大氣內(nèi)部擾動(dòng)不穩(wěn)定的影響[2-4]。已有高分辨率數(shù)值模式成功地模擬了颮線的三維結(jié)構(gòu)和發(fā)展[5-7]，提出近地面冷池和低層環(huán)境垂直風(fēng)切變之間的動(dòng)態(tài)平衡是颮線維持的主要機(jī)理之一，即所謂的“RKW理論”。針對(duì)颮線形成機(jī)理和結(jié)構(gòu)特征,國(guó)內(nèi)外已有不少相關(guān)研究，但是高分辨率衛(wèi)星資料應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流機(jī)理的研究相對(duì)較少，主要應(yīng)用于森林大火、氣溶膠、過(guò)冷水云的探測(cè)以及對(duì)流云的初生識(shí)別等。Rinaldy等[8]應(yīng)用葵花衛(wèi)星圖像識(shí)別出MCC，亮溫范圍為-60～-80 ℃；有研究表明[9-10]，葵花衛(wèi)星較雷達(dá)判斷強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)的生成有一定的時(shí)間優(yōu)勢(shì)；崔麗曼等[11]應(yīng)用葵花衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)MCS前側(cè)TBB梯度大值區(qū)與風(fēng)雹天氣有較好的相關(guān)性。有研究應(yīng)用衛(wèi)星水汽圖像分析了強(qiáng)對(duì)流天氣中干空氣侵入特征[12-15]，當(dāng)具有低濕球位溫的干侵入氣流位于暖輸送帶上時(shí)，易出現(xiàn)下濕上干的溫濕層結(jié)，在對(duì)流有效位能較為顯著的前提下，有利于雷暴大風(fēng)和冰雹的產(chǎn)生，尤其是前者；當(dāng)干侵入下方低相當(dāng)位溫空氣侵入颮線主體，與颮線內(nèi)部低層大氣的高相當(dāng)位溫空氣混合后，會(huì)促使颮線下方“冷池”發(fā)展，有利于颮線生命史的延長(zhǎng)。研究表明[16-17],干侵入是源于對(duì)流層高層或平流層向低層下沉的高位渦、低濕氣流，在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為明顯的暗帶；在高位渦下垂區(qū)的底端附近為低θw氣流，它位于邊界層的高θw氣流中時(shí)，就產(chǎn)生位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)，在足夠強(qiáng)的抬升作用下，位勢(shì)不穩(wěn)定能量最終將以對(duì)流形式釋放，即使在低層無(wú)強(qiáng)迫時(shí)，干侵入仍然能夠引起較強(qiáng)的翻轉(zhuǎn)和強(qiáng)對(duì)流天氣，干侵入對(duì)強(qiáng)烈天氣(大風(fēng)、強(qiáng)颮線甚至龍卷)的產(chǎn)生起著重要作用。吳志彥等[18]將位渦理論應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)暴雨過(guò)程，發(fā)現(xiàn)位渦異常區(qū)前側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)與臺(tái)風(fēng)環(huán)流本身的上升運(yùn)動(dòng)疊加,有利于加強(qiáng)對(duì)流層暖濕氣流的抬升。Yang等[19]研究表明，強(qiáng)降雨過(guò)程中干侵入和伴隨的高位渦的下傳可引起非均勻飽和穩(wěn)定度(BVF)，可以更好的描述強(qiáng)降雨地區(qū)的大氣穩(wěn)定度。Luo等[20]對(duì)梅雨期的研究表明，干空氣伴隨高位渦的下傳覆蓋低層濕空氣，引起條件不穩(wěn)定和鋒生，可導(dǎo)致連續(xù)對(duì)流以維持雨帶，雨帶同時(shí)存在條件不穩(wěn)定、對(duì)稱和慣性不穩(wěn)定性，是雨帶結(jié)構(gòu)形成的重要機(jī)制。不可否認(rèn)上述研究成果及多源資料的應(yīng)用對(duì)加深強(qiáng)對(duì)流天氣機(jī)理的認(rèn)識(shí)并指導(dǎo)預(yù)報(bào)預(yù)警具有重要意義。

針對(duì)2018年3月4日這次天氣過(guò)程江西省氣象臺(tái)做了較為細(xì)致的總結(jié)分析，從對(duì)流指數(shù)的氣候極端性、穩(wěn)定度異常、引導(dǎo)氣流、地形作用等方面解釋了對(duì)流風(fēng)暴進(jìn)入江西持續(xù)加強(qiáng)的原因[21]；有研究從環(huán)流特征說(shuō)明此次過(guò)程符合暖平流強(qiáng)迫類颮線的概念模型[22]；也有研究從多普勒天氣雷達(dá)角度剖析了10級(jí)大風(fēng)出現(xiàn)的回波特征[23]。雖然對(duì)本次過(guò)程已有相關(guān)研究，但均局限于本省范圍，而FY-4A高分辨率衛(wèi)星資料具有多通道、高時(shí)空分辨率的優(yōu)勢(shì)，在強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中有廣闊的應(yīng)用前景，尤其對(duì)于颮線等大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)分析，可以較好反映颮線的結(jié)構(gòu)特征及其發(fā)展演變。

FY-4A是中國(guó)第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)系列的首發(fā)星，于2016年12月11日成功發(fā)射。裝載了多種觀測(cè)儀器，包括先進(jìn)的靜止軌道輻射成像儀(AGRI)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀(GIIRS)、閃電成像儀(LMI)和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器包(SEP)等[24]。相比現(xiàn)有風(fēng)云二號(hào)靜止衛(wèi)星，F(xiàn)Y-4A裝載的多通道掃描成像輻射計(jì)和空間天氣載荷顯著提升了觀測(cè)性能，其中多通道掃描成像輻射計(jì)的成像觀測(cè)通道從5個(gè)擴(kuò)展到14個(gè)，觀測(cè)時(shí)效從30 min提高到15 min，最高空間分辨率從1.25 km提高到500 m，有助于提高中小尺度上的短臨天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)水平。已有應(yīng)用多普勒雷達(dá)資料對(duì)此次極端雷暴大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行分析的研究[23]，本文著重應(yīng)用FY-4A高分辨率衛(wèi)星資料，結(jié)合NCEP分析場(chǎng)資料和自動(dòng)站實(shí)況監(jiān)測(cè)資料，研究2018年3月4日強(qiáng)颮線過(guò)程從初生到消亡的演變特征，為颮線發(fā)生發(fā)展機(jī)制及持續(xù)性大風(fēng)產(chǎn)生的原因提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

所用資料包括FY-4A衛(wèi)星紅外云圖(中心波長(zhǎng)為10.8 μm)和水汽云圖(中心波長(zhǎng)為6.25 μm)資料，其空間分辨率1000 m，時(shí)間分辨率15 min；美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的空間分辨率1°×1°、間隔6 h的再分析資料，以及計(jì)算得到的345 K等熵面位渦(105°—125°E,20°—35°N)和310—360 K等熵面位渦的垂直剖面；中國(guó)華東區(qū)域時(shí)間分辨率為1 h的地面自動(dòng)氣象站變壓、變溫、大風(fēng)及降水資料。

1.2 研究方法

颮線過(guò)程造成大范圍極端大風(fēng)，極端大風(fēng)的持續(xù)和颮線弓形結(jié)構(gòu)的維持密不可分，而15 min分辨率的FY-4A衛(wèi)星資料對(duì)于分析強(qiáng)颮線從初生到消亡的結(jié)構(gòu)演變特征具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此，本文利用高分辨率靜止衛(wèi)星的紅外和水汽通道分析持續(xù)性大風(fēng)產(chǎn)生的原因。

基于NCEP分析場(chǎng)繪制不同高度形勢(shì)場(chǎng)和紅外亮溫云圖疊加及多種物理量的垂直剖面，旨在分析颮線的觸發(fā)機(jī)制以及颮線系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的原因。通過(guò)高分辨率紅外云圖和地面自動(dòng)站實(shí)況數(shù)據(jù)(變溫、變壓、大風(fēng))的疊加,反映颮線結(jié)構(gòu)和演變特征以及地面持續(xù)性極端大風(fēng)和颮線形態(tài)的關(guān)系。干侵入也是颮線系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的原因之一，通過(guò)水汽云圖和等熵面位渦的疊加以及等熵面位渦與過(guò)去3 h降水的垂直剖面，分析颮線系統(tǒng)發(fā)展的深層原因，其中過(guò)去3 h降水垂直剖面指自動(dòng)站點(diǎn)實(shí)況監(jiān)測(cè)降水沿著緯向28°N的剖面。

在分析變壓和地面大風(fēng)之間的關(guān)系時(shí)，應(yīng)用了變壓風(fēng)的理論。由變高梯度或變壓梯度表示的地轉(zhuǎn)偏差，通常稱為變壓風(fēng)，公式為：

(1)

D1與變高梯度或變壓梯度的大小成正比，且與變高梯度或變壓梯度的方向一致。在正變壓中心區(qū)，變壓風(fēng)輻散引起下沉運(yùn)動(dòng)，而在負(fù)變壓中心區(qū)，變壓風(fēng)輻合引起上升運(yùn)動(dòng)[25]。

Browning把從對(duì)流層頂附近下沉至低層的干空氣稱為干侵入，并指出干侵入具有高位勢(shì)渦度和低濕球位溫兩個(gè)特征[26]。干侵入在衛(wèi)星云圖中表現(xiàn)為“干裂縫”(dryslot)，而在水汽圖像上表現(xiàn)為暗區(qū)。高層的高位渦與水汽圖像所表征的干侵入有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，干侵入的機(jī)制實(shí)際上是高位渦侵入和下傳，水汽圖像上的干侵入是對(duì)高位渦侵入和下傳對(duì)低層系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)迫效應(yīng)最為形象直觀的描述[17]。位渦作為一個(gè)綜合反映大氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)性質(zhì)的物理量，在絕熱條件下具有守恒性質(zhì)。周小剛等[27]指出，由于位渦的變化主要與非絕熱加熱和冷卻有關(guān)，在等熵坐標(biāo)系下分析位渦更加直接。為分析等熵面上的氣流等特征，利用NCEP的1°× 1°分析場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算300—370 K每隔5 K的15層等熵面上的位勢(shì)高度、氣壓、風(fēng)速以及位渦，且沿28°N做垂直剖面，分析本次過(guò)程水汽圖像上的干侵入特征。位渦PV 的數(shù)量級(jí)為：PV≈10-6m2·K·s-1·kg-1=1 PVU，PVU為位渦的單位。

2 結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)對(duì)流實(shí)況

2018年3月4日強(qiáng)颮線過(guò)程影響范圍廣、災(zāi)害影響大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)流起始于廣西，經(jīng)過(guò)湖南、江西、浙江等省份，從起始到消亡維持約15 h，在江西、浙江創(chuàng)下有歷史記錄以來(lái)最大范圍、最大強(qiáng)度的對(duì)流性大風(fēng)天氣。江西中北部60個(gè)縣(市)國(guó)家氣象站出現(xiàn)8級(jí)以上雷暴大風(fēng)，其中20個(gè)(市)站陣風(fēng)達(dá)10級(jí)以上，廬山、湖口、進(jìn)賢站出現(xiàn)12級(jí)以上陣風(fēng)，其中廬山站16:08的瞬時(shí)極端風(fēng)速達(dá)37.3 m·s-1(13 級(jí))，進(jìn)賢站次之，為34.8 m·s-1，該過(guò)程雷暴大風(fēng)范圍、強(qiáng)度均居江西有氣象記錄以來(lái)第一位[21]。颮線在17：00—21：00自西南向東北方向影響浙江，造成和江西相似強(qiáng)度的災(zāi)害性大風(fēng)天氣，浙江省內(nèi)30個(gè)縣(市)961個(gè)測(cè)站出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng)，11個(gè)縣(市)陣風(fēng)達(dá)10級(jí)以上，32個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站出現(xiàn)12級(jí)以上大風(fēng)，最大風(fēng)出現(xiàn)在諸暨市的開化站，為40.4 m·s-1。

2.2 強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)發(fā)展機(jī)制及大風(fēng)成因

此次颮線過(guò)程長(zhǎng)生命史及造成的極端性大風(fēng)天氣為歷史罕見，為什么對(duì)流系統(tǒng)從廣西觸發(fā)，在江西發(fā)展成颮線，再進(jìn)入浙江，系統(tǒng)沒(méi)有減弱而是不斷發(fā)展？為什么會(huì)造成大范圍極端大風(fēng)？這是需要解釋的兩個(gè)難點(diǎn)。陳云輝等[21]對(duì)颮線進(jìn)入江西持續(xù)加強(qiáng)及極端大風(fēng)出現(xiàn)的原因進(jìn)行了細(xì)致分析認(rèn)為，在雷暴大風(fēng)發(fā)生前，低層暖平流與增濕和地面增溫形成的異常不穩(wěn)定是風(fēng)暴進(jìn)入江西后能夠增強(qiáng)的重要原因。12級(jí)以上極端大風(fēng)主要出現(xiàn)在環(huán)湖或海拔相對(duì)較低的區(qū)域，極端大風(fēng)出現(xiàn)的原因是：颮線移動(dòng)過(guò)程中，其走向與引導(dǎo)氣流交角增大，移速加快，地面大風(fēng)增強(qiáng)；環(huán)鄱陽(yáng)湖地區(qū)平坦地形和豐富水汽對(duì)大風(fēng)起到增強(qiáng)作用；中尺度強(qiáng)氣壓梯度也是江西大風(fēng)出現(xiàn)的重要原因：雷暴高壓與颮線前低壓之間的氣壓梯度力方向指向東北，與颮線的移動(dòng)方向基本重合，且與動(dòng)量下傳導(dǎo)致的大風(fēng)方向相近，疊加作用可能導(dǎo)致地面極端大風(fēng)的產(chǎn)生。針對(duì)上述兩個(gè)難點(diǎn)，下面著重從衛(wèi)星云圖應(yīng)用的宏觀角度，并結(jié)合NCEP分析場(chǎng)資料加以分析和補(bǔ)充說(shuō)明。

2.2.1 颮線觸發(fā)發(fā)展機(jī)制

從形勢(shì)場(chǎng)的高低層配置(圖1)可見，2018年3月4日08：00(北京時(shí)，下同)，對(duì)流系統(tǒng)起始于廣西東北部(約110°E，26°N附近)，位于500 hPa槽前西南急流中，對(duì)流觸發(fā)區(qū)低層存在明顯的風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)，動(dòng)力條件非常有利于對(duì)流的觸發(fā)，起始對(duì)流的走向是東北西南向，和急流方向一致。相對(duì)濕度存在明顯的下濕上干層結(jié)(圖2a)，800 hPa以上有深厚的干空氣，假相當(dāng)位溫地面達(dá)到340 K左右，并隨高度減小，低值中心位于600 hPa。由于低層存在暖濕平流，而對(duì)流層中、高層為相對(duì)的干冷平流，使得在對(duì)流發(fā)展區(qū)迅速形成了顯著的條件不穩(wěn)定區(qū)域。08時(shí)對(duì)流觸發(fā)區(qū)地面對(duì)流有效位能已經(jīng)達(dá)到500—1000 J·kg-1，14：00在江西至浙江對(duì)流有效位能增強(qiáng)至1000 J·kg-1以上，江西北部最大，為1800 J·kg-1(圖略)。14：00，強(qiáng)對(duì)流在經(jīng)過(guò)江西和湖南交界南北向的山脈之后，發(fā)展成弓形颮線系統(tǒng)，系統(tǒng)走向和西南急流方向接近于垂直，30°N以南地區(qū)各層西南急流非常強(qiáng)盛，850—925 hPa風(fēng)速達(dá)到16 m·s-1以上，0—6 km垂直風(fēng)切變達(dá)到20 m·s-1以上，并且在對(duì)流區(qū)存在風(fēng)速輻合。颮線整體平流速度既與引導(dǎo)氣流的強(qiáng)度有關(guān)，也與颮線整體與引導(dǎo)氣流的夾角有關(guān)，14：00 700—500 hPa平均氣流風(fēng)速為24—28 m·s-1。由于引導(dǎo)氣流與颮線移動(dòng)方向一致，颮線進(jìn)入江西后其移速加快，達(dá)100 km·h-1以上，由于動(dòng)量下傳作用增強(qiáng)，地面大風(fēng)明顯增強(qiáng)，這與陳云輝等[21]的研究結(jié)果一致。

棕線為500 hPa高度場(chǎng)，單位為gpm；黑線為地面氣壓場(chǎng)，單位為hPa；風(fēng)向桿為925 hPa風(fēng)場(chǎng)，單位為m·s-1；綠線為對(duì)流系統(tǒng)的紅外亮溫，單位為K；藍(lán)線為剖面位置

陰影為相對(duì)濕度，單位為%；黑線為垂直速度，單位為Pa·s-1；紅線為假相當(dāng)位溫，單位為K；黑框表示對(duì)流對(duì)應(yīng)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)

剖面數(shù)據(jù)表明(圖2b)，在114°E左右對(duì)流發(fā)展的區(qū)域，900 hPa以下出現(xiàn)偏北風(fēng)，低層風(fēng)場(chǎng)的輻合和200—300 hPa高空輻散場(chǎng)耦合，形成上升運(yùn)動(dòng)，垂直上升速度在600 hPa達(dá)到-2.1 Pa·s-1，在其東側(cè)形成下沉氣流，又在其前方激發(fā)出上升運(yùn)動(dòng)；假相當(dāng)位溫低層達(dá)到340 K以上，并且假相當(dāng)位溫和比濕條件在上升運(yùn)動(dòng)的東側(cè)更有利(圖2a和圖2b)。由圖2可知，對(duì)流生成后在西南急流引導(dǎo)下向東北移動(dòng)，雷暴下沉氣流在地面附近與其前方的西南暖濕氣流形成地面輻合線，并且移入地區(qū)的水汽條件、靜力不穩(wěn)定條件及垂直風(fēng)切變條件對(duì)對(duì)流單體發(fā)展均十分有利，使得對(duì)流單體持續(xù)發(fā)展。

圖2表明對(duì)流層中層800—400 hPa存在深厚的干區(qū)，低層濕空氣上面覆蓋深厚的干空氣，形成下濕上干層結(jié)，有利于雷暴大風(fēng)和冰雹的產(chǎn)生。主要原因是：深厚的具有較強(qiáng)風(fēng)速的干空氣夾卷進(jìn)入對(duì)流系統(tǒng)，導(dǎo)致雨滴劇烈蒸發(fā)，增強(qiáng)了降水拖曳導(dǎo)致的下沉運(yùn)動(dòng)，在地面附近會(huì)形成更強(qiáng)的輻散風(fēng)；同時(shí)具有較強(qiáng)動(dòng)量的被夾卷進(jìn)入的干空氣與對(duì)流系統(tǒng)下沉氣流混合被帶到地面附近，動(dòng)量下傳增大了原有輻散風(fēng)的極大值[28]。

2.2.2 颮線云帶形態(tài)演變及持續(xù)性大風(fēng)成因

通過(guò)紅外云圖疊加自動(dòng)站1 h變溫和≥10級(jí)大風(fēng)的逐小時(shí)演變(圖3)，分析颮線形態(tài)、小時(shí)變溫和極端大風(fēng)之間的關(guān)系。從圖3可知，颮線影響區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)的小時(shí)負(fù)變溫，而颮線后部由于下沉氣流增溫作用和太陽(yáng)輻射的影響，出現(xiàn)了較強(qiáng)的小時(shí)正變溫。颮線的形態(tài)和地面小時(shí)變溫的等值線分布一致，亮溫在220—230 K的區(qū)域和-3 ℃以下的變溫區(qū)對(duì)應(yīng)較好，10級(jí)以上大風(fēng)基本出現(xiàn)在小時(shí)變溫在-3 ℃以下的區(qū)域，而極端大風(fēng)(≥12級(jí))主要出現(xiàn)在颮線云帶發(fā)展成為典型的弓狀且對(duì)流發(fā)展旺盛的階段(15：00—17：00，18：00—20：00)，易出現(xiàn)在颮線云帶的中部，且弓形突起的位置。從颮線造成的地面大風(fēng)強(qiáng)度可見，14:00—17:00颮線在江西境內(nèi)快速發(fā)展，17：00—18：00進(jìn)入浙江省后略有減弱，之后再次加強(qiáng)。

從圖3可見，13:00—14:00，颮線云帶明顯加強(qiáng)，由結(jié)構(gòu)較為松散的團(tuán)狀演變?yōu)閹?，伴隨的主要特征是位于其西南部的高溫區(qū)明顯加強(qiáng)向北發(fā)展，地面實(shí)況小時(shí)正變溫由3 ℃加強(qiáng)到7 ℃，220—230 K的冷云區(qū)明顯加大加強(qiáng)，最大小時(shí)變溫由-10.4 ℃降至-12.9 ℃。因此，暖區(qū)的加強(qiáng)北頂,致使冷暖梯度明顯加強(qiáng)，冷暖區(qū)形成T狀，云圖上表現(xiàn)為云帶逐漸發(fā)展成為弓狀。15：00—17：00是颮線云帶維持發(fā)展的階段，暖區(qū)繼續(xù)北頂，颮線云帶移至江西中北部，冷暖梯度仍較大，地面小時(shí)最大變溫差(正變溫—負(fù)變溫)達(dá)到20 ℃左右，此時(shí)有8—9個(gè)測(cè)站極大風(fēng)速達(dá)到12級(jí)以上，且發(fā)生區(qū)域比較集中。17：00以后，颮線云帶和北部鋒面對(duì)流不斷合并加強(qiáng)，范圍擴(kuò)大至江蘇、安徽南部，最低亮溫達(dá)到220 K以下，雖然颮線后部的暖區(qū)有所減弱，但仍維持清晰的暖區(qū)邊界，冷暖梯度減小(日變化的原因)，但造成的小時(shí)最大變溫差仍達(dá)到15 ℃左右，且最大小時(shí)降溫達(dá)到-11 ℃。進(jìn)入浙江以后，形成多個(gè)大風(fēng)區(qū)域，18：00—19：00仍有12個(gè)測(cè)站出現(xiàn)12級(jí)以上大風(fēng)。

圖a至圖g陰影為紅外亮溫，單位為K；等值線為1 h變溫實(shí)況，單位℃；綠圓點(diǎn)為實(shí)況≥10級(jí)大風(fēng)站點(diǎn)，紅圓點(diǎn)為實(shí)況≥12級(jí)大風(fēng)站；云圖為北京時(shí)間,下同

圖4為紅外云圖最高亮溫頂端和最低亮溫連線的逐小時(shí)演變，圖中直線代表亮溫梯度，并疊加逐小時(shí)極端大風(fēng)(≥12級(jí))的站點(diǎn)。從圖4可見，極端大風(fēng)的落區(qū)和亮溫梯度的走向位置基本一致，從15：00開始江西出現(xiàn)較大范圍的極端大風(fēng)，其分布大致在亮溫梯度附近，進(jìn)入浙江后，仍在亮溫梯度線附近出現(xiàn)大范圍極端大風(fēng)，浙江省南部出現(xiàn)零散的極端大風(fēng)，主要分布在高海拔的山區(qū)，而北側(cè)的極端大風(fēng)多出現(xiàn)在平原地區(qū)，與弓形云帶頂端發(fā)展最為旺盛(紅外亮溫低于220 K)的對(duì)流云密切相關(guān)，由此也說(shuō)明弓形結(jié)構(gòu)是持續(xù)性極端大風(fēng)的成因。

紅色線段表示亮溫梯度;圓點(diǎn)表示不同時(shí)間的≥12級(jí)大風(fēng)實(shí)況站點(diǎn);紫色等值線表示紅外亮溫≤220K

圖5為逐小時(shí)變壓等值線疊加云圖和≥10級(jí)大風(fēng)站點(diǎn)。由圖5可知，受到颮線雷暴高壓和尾流低壓影響，颮線云帶經(jīng)過(guò)的測(cè)站出現(xiàn)了強(qiáng)的小時(shí)正變壓，大風(fēng)區(qū)小時(shí)正變壓普遍在2—3 hPa以上，最大達(dá)到5—6 hPa，颮線后部則出現(xiàn)強(qiáng)的負(fù)變壓，最大達(dá)到-3～-6 hPa，正負(fù)變壓之間形成強(qiáng)的變壓梯度，而10級(jí)以上大風(fēng)基本分布在變壓梯度大值區(qū)和正變壓區(qū)，12級(jí)以上極端大風(fēng)更易出現(xiàn)在變壓梯度大值區(qū)。颮線云帶在進(jìn)入浙江以后，出現(xiàn)多個(gè)大風(fēng)中心，浙江南部的大風(fēng)雖然主要出現(xiàn)在高海拔的山區(qū)，但是仍然和一定的變壓梯度相對(duì)應(yīng)。根據(jù)變壓風(fēng)的理論可知，強(qiáng)變壓梯度造成變壓風(fēng)的加強(qiáng)，引起地轉(zhuǎn)偏差的加大，進(jìn)而使得實(shí)際風(fēng)變強(qiáng)，并且正變壓造成向外輻散大風(fēng)。因此，變壓風(fēng)也是造成災(zāi)害性大風(fēng)的原因之一。

陰影為紅外亮溫，單位為K；等值線為1 h變壓實(shí)況，單位hPa；綠色圓點(diǎn)為實(shí)況≥10級(jí)大風(fēng)站點(diǎn)，紅色圓點(diǎn)為實(shí)況≥12級(jí)大風(fēng)站點(diǎn)

通過(guò)以上變溫梯度、變壓梯度和大風(fēng)的關(guān)系分析表明，極端大風(fēng)的出現(xiàn)與弓形云帶頂端強(qiáng)的亮溫梯度和變壓梯度存在密切的關(guān)聯(lián)。極端大風(fēng)和亮溫梯度的走向位置基本一致，主要分布在弓形結(jié)構(gòu)頂端，同時(shí)極端大風(fēng)分布在變壓梯度大值區(qū)和正變壓區(qū)，且變壓梯度的增強(qiáng)導(dǎo)致變壓風(fēng)的增大。颮線移動(dòng)與引導(dǎo)氣流方向一致，且與雷暴高壓和颮前低壓的氣壓梯度力方向一致，系統(tǒng)走向和低層西南急流接近于垂直，系統(tǒng)移速加快至100 km·h-1以上，動(dòng)量下傳效應(yīng)增強(qiáng)，這些均是導(dǎo)致極端地面大風(fēng)的重要原因。

颮線后部強(qiáng)暖區(qū)的發(fā)展過(guò)程表明，存在颮線后側(cè)強(qiáng)下沉入流急流，颮線云帶由團(tuán)狀演變?yōu)楣谓Y(jié)構(gòu)，形態(tài)的變化和后部暖區(qū)的加強(qiáng)北頂有關(guān)。進(jìn)入浙江后仍造成大范圍的極端大風(fēng)，由于颮線云帶和冷鋒對(duì)流云帶的合并加強(qiáng)，致使颮線范圍加大、強(qiáng)度加強(qiáng)；颮線后部暖區(qū)的持續(xù)北頂，表現(xiàn)為颮線弓狀形態(tài)的形成并維持，颮線弓形結(jié)構(gòu)的維持是大風(fēng)持續(xù)的又一個(gè)重要原因。

2.3 水汽圖像和位渦

分析發(fā)現(xiàn)θse=345 K等熵面上的氣流能較好地反映對(duì)流層中上部的干侵入特征。圖6將水汽圖像和345 K等熵面上的位渦疊加，分析水汽云圖上的暗區(qū)在颮線發(fā)展過(guò)程中的作用，08：00、14：00、20：00可以分別代表颮線觸發(fā)、發(fā)展、消亡的三個(gè)階段。

廣西和湖南交界地帶是強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)區(qū)域，四周被水汽云圖上的暗區(qū)包圍(圖6a)，其北側(cè)的暗區(qū)和345 K等熵面上的高位渦區(qū)有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，西側(cè)暗區(qū)和高位渦區(qū)的侵入有一定關(guān)聯(lián)，而南側(cè)的暗區(qū)對(duì)應(yīng)低位渦梯度區(qū)，是一條不活躍的干帶。14：00(圖6b)，對(duì)流云團(tuán)位于江西境內(nèi)，此時(shí)云型已經(jīng)發(fā)展成為弓狀，從345 K等熵面上的位渦分布來(lái)看，對(duì)流云團(tuán)和小于2.0 PVU的低位渦區(qū)相對(duì)應(yīng)，形態(tài)亦相似，其后部存在明顯的高位渦下傳，高位渦和水汽云圖上西側(cè)的暗區(qū)相對(duì)應(yīng)，新生對(duì)流不斷在高位渦南部梯度一側(cè)觸發(fā)，位于湖南南部至颮線后部的暗區(qū)位于高位渦的前沿，也是干侵入的表現(xiàn)。20：00(圖6c)，來(lái)自北方的干侵入表現(xiàn)更加明顯，此時(shí)颮線云帶已經(jīng)移入浙江北部，后部由于高位渦的侵入，不斷觸發(fā)新生對(duì)流云團(tuán)，觸發(fā)的對(duì)流云團(tuán)和低位渦對(duì)應(yīng)，和高位渦對(duì)應(yīng)的暗區(qū)基本位于其移動(dòng)方向的前沿及南部梯度一側(cè)。因此，可以認(rèn)為水汽圖像上颮線后部的暗區(qū)和高位渦的侵入密切關(guān)聯(lián)，颮線后部的暗區(qū)正是干侵入的前沿。從位渦的形態(tài)分布也可以說(shuō)明，高位渦的侵入和呈弓形分布的低位渦區(qū)的形成具有一定關(guān)聯(lián)。干侵入?yún)^(qū)與等熵面上高位渦區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)，對(duì)流風(fēng)暴沿著干侵入前沿和南部的等位渦線密集帶觸發(fā)發(fā)展。

陰影區(qū)為水汽圖像≥240 K的區(qū)域；實(shí)線為345 K等熵面上位渦，單位為PVU；虛線為345 K等熵面上氣壓，單位為hPa；箭頭為345 K等熵面上矢量風(fēng)場(chǎng)，單位為m·s-1；黃線為剖面位置，紅框?yàn)榈褥孛嫔衔粶u和對(duì)流區(qū)

圖7中以相對(duì)濕度低值(≤60 %)及位渦高值(≥1 PVU)代表干冷空氣活動(dòng)。通過(guò)等熵面位渦緯向垂直剖面可以看出，14：00颮線對(duì)流造成的過(guò)去3 h降水發(fā)生在113°—115°E，高層大于2 PVU的高位渦區(qū)位于111°E以西的330 K等熵面以上，中心值達(dá)到4 PVU，而在320 K以下的等熵面高度，有一中心值為1.5 PVU的正位渦區(qū)，正好位于地面降水區(qū)的上方，此時(shí)颮線系統(tǒng)處于發(fā)展階段，正位渦的侵入對(duì)颮線系統(tǒng)的發(fā)展起到重要作用。20：00，高層的高位渦區(qū)向東發(fā)展的同時(shí)，并向下伸展到320 K等熵面，并配合明顯的干區(qū)下傳，此時(shí)過(guò)去3 h降水發(fā)生在115°—121°E，降水強(qiáng)度明顯加大，并且在121°E的近地面層出現(xiàn)大于1 PVU的高位渦區(qū)?？梢?，隨著颮線系統(tǒng)的發(fā)展，高層的高位渦區(qū)東移下傳，有利于地面對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)意味著颮線的持續(xù)發(fā)展和高層高位渦的下傳有關(guān)。高層干氣流下沉后到達(dá)低層暖濕上升氣流的上方時(shí)，形成下濕上干的特征，有利于雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生，同時(shí)有利于地面附近冷池的加強(qiáng)和維持，冷池前沿的陣風(fēng)鋒不斷觸發(fā)新的對(duì)流，是颮線系統(tǒng)持續(xù)傳播、發(fā)展的成因。

陰影區(qū)為相對(duì)濕度≤60%，單位為%；柱狀為地面3 h降水，單位為mm

3 結(jié)論與討論

(1)飽和假相當(dāng)位溫隨高度減小的條件不穩(wěn)定層結(jié)與低層有利的較高露點(diǎn)結(jié)合，形成顯著的對(duì)流有效位能，而低層輻合線觸發(fā)了對(duì)流系統(tǒng)。由于雷暴下沉氣流與其前方的西南暖濕氣流形成地面輻合線，并且經(jīng)過(guò)地區(qū)的水汽條件、不穩(wěn)定條件及垂直風(fēng)切變條件均有利于對(duì)流單體發(fā)展，為對(duì)流持續(xù)發(fā)展的原因。中空深厚的具有較強(qiáng)風(fēng)速的干空氣夾卷進(jìn)入對(duì)流系統(tǒng)，使得下沉氣流中水凝物蒸發(fā)或升華導(dǎo)致下沉氣流內(nèi)劇烈降溫，大大增強(qiáng)降水導(dǎo)致的下沉運(yùn)動(dòng)，在地面形成強(qiáng)的輻散風(fēng)；同時(shí)具有較強(qiáng)動(dòng)量的夾卷干空氣與下沉氣流混合帶到地面，動(dòng)量下傳增大輻散風(fēng)的極值。

(2)極端雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)和弓形云帶頂端強(qiáng)的亮溫梯度、變壓梯度存在密切關(guān)聯(lián)。極端大風(fēng)和亮溫梯度的走向位置基本一致，主要分布在弓形結(jié)構(gòu)的頂端，同時(shí)極端大風(fēng)和強(qiáng)的變壓梯度區(qū)相對(duì)應(yīng)，變壓梯度的增強(qiáng)導(dǎo)致變壓風(fēng)的增大；颮線的移動(dòng)與引導(dǎo)氣流方向一致，且與雷暴高壓和颮前低壓的氣壓梯度力方向一致，系統(tǒng)走向和低層西南急流接近于垂直，系統(tǒng)移速加快，動(dòng)量下傳效應(yīng)增強(qiáng)，均可能是導(dǎo)致極端地面大風(fēng)的原因。颮線弓形結(jié)構(gòu)的形成和維持是極端大風(fēng)持續(xù)的成因。

(3)位渦的形態(tài)分布說(shuō)明高位渦的侵入和呈弓形分布的低位渦區(qū)的形成具有一定關(guān)聯(lián)，干侵入?yún)^(qū)與等熵面上高位渦區(qū)有著較好的對(duì)應(yīng)，颮線后部的暗區(qū)正是干侵入的前沿，對(duì)流單體沿著干侵入前沿和南部的等位渦線密集帶形成發(fā)展。高層低濕、高位渦空氣向?qū)α鲄^(qū)發(fā)生區(qū)域上空輸送，形成“上干下濕”的大氣層結(jié)，有利于雷暴大風(fēng)和冰雹產(chǎn)生，同時(shí)有利于地面附近冷池的加強(qiáng)和維持，冷池前沿的陣風(fēng)鋒不斷觸發(fā)新的對(duì)流，是颮線系統(tǒng)持續(xù)傳播、發(fā)展的成因。

需要指出，對(duì)此次極端雷暴大風(fēng)過(guò)程的完整分析需要結(jié)合多普勒雷達(dá)資料，考慮到已有研究利用多普勒雷達(dá)資料仔細(xì)分析過(guò)這次過(guò)程，本文考慮從其他側(cè)面，即著重從位渦診斷和高分辨率靜止氣象衛(wèi)星方面對(duì)此次過(guò)程進(jìn)行分析。本文將FY-4A高分辨率衛(wèi)星資料的紅外和水汽通道應(yīng)用于颮線個(gè)例分析，得出颮線形態(tài)演變與持續(xù)性大風(fēng)密切相關(guān)，等熵面位渦的分析結(jié)果表明，高層高位渦下傳是颮線系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的深層原因?？梢?，高分辨率衛(wèi)星資料在颮線等大范圍強(qiáng)對(duì)流的監(jiān)測(cè)預(yù)警中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，但FY-4A高分衛(wèi)星具有14個(gè)通道的數(shù)據(jù)信息，其在強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警中的作用還有待進(jìn)一步研究挖掘。