江南一次強對流天氣的成因及環(huán)境場特征分析

王子晨,王紅軍,彭 沖,解石鑫

(1.西北工業(yè)大學數(shù)學與統(tǒng)計學院，陜西 西安 710129；2.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043；3.宇航動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710043)

0 引言

雷暴大風主要由對流風暴的強下沉氣流造成，具有突發(fā)性強、歷時短、易致災等特點，是我國主要災害性天氣之一[1]。加強對強對流天氣研究，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天發(fā)射與測控以及人民生活等具有重要意義。近年來，國內外氣象工作者從強對流大尺度環(huán)流、環(huán)境參數(shù)以及雷達回波等方面進行了研究[2-5]，總結了強對流天氣的演變模型和雷達回波特征[6-7]，并模擬再現(xiàn)了強對流天氣過程中起重要作用的中尺度系統(tǒng)演變過程[8-9]。雷暴大風過程多伴有颮線，颮線過境時，氣象要素劇烈變化。引起江淮地區(qū)雷暴大風的弓狀回波，其天氣背景主要是東北冷渦和高空槽，中等的對流不穩(wěn)定度和垂直風切變，中層存在明顯干層[10]。而中到強的垂直風切變下形成雷暴大風的過程中，大范圍的雷暴大風多由沿著颮線的弓形回波造成[11]。丁一匯等[12]研究了中國華北地區(qū)颮線的環(huán)流背景、觸發(fā)機制和動力、熱力條件，指出槽前暖區(qū)颮線的重要特征是低空急流發(fā)展，暖平流和濕舌向北伸展，建立位勢不穩(wěn)定，颮線易發(fā)生在槽前地面倒槽中。方翀等[13]將華南地區(qū)颮線分為西風帶颮線和臺風颮線，其中，西風帶颮線的低層強暖濕氣流導致層結不穩(wěn)定多與700 hPa冷平流有關，對流的線狀組織化與倒槽內的氣旋性切變、鋒區(qū)和冷池等有關。吳哲紅等[14]對貴州冰雹發(fā)生的環(huán)境潛勢研究發(fā)現(xiàn)，各型對流性天氣物理量有著共同特征，且物理量的強度、配置等對于產(chǎn)生對流性天氣的強度、種類有指示作用。上述研究有助于提高對強對流天氣的認識，但不同區(qū)域、不同季節(jié)的強對流天氣成因及維持機理等存在差異，在預報業(yè)務中一直是重難點。

2018年3月4日，江南地區(qū)發(fā)生了1次歷史罕見的大范圍極端強對流天氣過程，廣西、湖南及江西等地出現(xiàn)強風雹天氣。本文利用地面觀探測資料、1°×1°的NCEP/NCAR再分析資料以及雷達資料等，從強對流天氣環(huán)流演變、環(huán)境參數(shù)、颮線演變特征和極端大風成因等方面，研究此次強對流過程的主要特點和極端大風成因，旨在加深對強對流天氣的認識，以提高強對流天氣分析預報能力。

1 天氣概況

2018年3月4日05—18時，廣西(4日05—10時)、湖南(4日08—14時)和江西(4日13—18時)自西南向東北先后出現(xiàn)區(qū)域性雷暴大風過程，并伴有局地冰雹、短時強降水。93市(縣、區(qū))出現(xiàn)8級以上雷暴大風，20市(縣、區(qū))出現(xiàn)10級以上雷暴大風，3市(縣、區(qū))出現(xiàn)12～13級雷暴大風，江西廬山、景德鎮(zhèn)出現(xiàn)13級極端雷暴大風(廬山站，37.3 m·s-1；樂平塔山工業(yè)園站，40.8 m·s-1)，8級以上大風覆蓋范圍之廣為有完整氣象記錄以來歷史罕見。194站(國家站+區(qū)域站)出現(xiàn)短時強降水，廣西東北部多站超過50 mm。冰雹監(jiān)測顯示，廣西、湖南及江西等境內均有冰雹發(fā)生，湖南冰雹直徑達18 mm。此次雷暴大風過程導致44萬人受災，14人死亡，3.5萬間房屋受損，1.6萬hm2農(nóng)作物受災，直接經(jīng)濟損失5億元以上。災害以江西最嚴重，直接經(jīng)濟損失4億元以上；其次是湖南，直接經(jīng)濟損失1億元以上。

3月上旬強雷暴大風(10級)多發(fā)于西南及華南一帶，而湖南、江西很少。湖南、江西強颮線最早發(fā)生于2009年3月21日[15]，此次強對流發(fā)生時間明顯偏早。同時在對流過程中，副高與南支槽共同作用，導致副高西北側西南暖濕氣流較常年異常偏強，使得廣西—江西一帶的水汽和能量條件都非常有利于強對流天氣出現(xiàn)。

2 環(huán)流演變

3月3—4日，新地島—白令海峽有1個極渦，極渦不斷分裂短波槽東移，引導極地冷空氣南下，亞洲東部環(huán)流形勢東高西低，同時長江以南地區(qū)南支槽活躍，低層處于暖中心，有低渦及切變線存在(圖略)。當西風帶中北支槽和南支槽系統(tǒng)過境，北支槽引導冷空氣南下，與南支槽前強盛的暖濕氣流交匯于廣西—江西一帶，在地面倒槽暖區(qū)內輻合線附近形成了1次大范圍的強對流天氣過程，江西九江、景德鎮(zhèn)出現(xiàn)極端雷暴大風。

2.1 中高層環(huán)流形勢

由圖1看出，4日08時，200 hPa高空鋒區(qū)位于廣西—福建地區(qū)，廣西—浙江高空急流(40～54 m·s-1)，廣西處于高空急流入口區(qū)右側、高空鋒區(qū)和500 hPa南支槽前的疊加區(qū)，廣西高空輻散。

圖1 2018年3月4日08時 200 hPa風場、溫度場(細實線為500 hPa槽線，粗實線為200 hPa急流軸)

由圖2a 看出，4日08時，500 hPa北支槽位于西北地區(qū)東部，槽區(qū)內等溫線密集，系統(tǒng)斜壓性強，南支槽位于西南地區(qū)東部；11—14時，北支槽與南支槽在青藏高原東部同位相疊加，并開始發(fā)展加深，槽前西南氣流從24 m·s-1增大到34 m·s-1以上，在槽前形成天氣尺度的上升運動，其動力降壓作用有利于低層對流系統(tǒng)的形成與發(fā)展。500 hPa溫度場上(圖略)，3日20時，南支槽落后于溫度槽，有利于在南支槽前形成不穩(wěn)定層結，這是槽前強對流不穩(wěn)定建立的重要機制；20時后，二者相繼從貴州中部東移；4日05時到達廣西西部，百色出現(xiàn)雷暴大風及冰雹天氣；08—14時，從廣西經(jīng)湘南移至江西中部，江西中北部T850～500達28～33 ℃，這在南方地區(qū)尤為罕見，其所經(jīng)過的地區(qū)均出現(xiàn)雷暴大風，伴有冰雹、短時強降水天氣。

2.2 低層環(huán)流形勢

低層強暖濕氣流對建立熱力不穩(wěn)定起了主導作用。

4日05時，廣西—江西，700 hPa強西南低空急流達20～26 m·s-1，最大風速出現(xiàn)在廣西北部，廣西中部冷切變。08時，700 hPa、850 hPa西南低空急流分別達20～28 m·s-1、18～26 m·s-1(圖2b、2c)，最大風速出現(xiàn)在湖南中部，在西南低空急流的作用下，廣西、湖南及江西受高能舌控制，同時偏北低空急流在其北部建立，湘贛北部冷切變。09—12時，低空急流軸位于湖南中部，冷切變南壓至湖南中部及江西北部。13—18時，低空急流顯著增強，低層能量舌也顯著增強。江西中北部西南風風速增加了4～8 m·s-1，且有明顯風速輻合，冷切變維持在湖南中部和江西中北部。這種強暖濕低空急流和低層切變線構成了低層輻合系統(tǒng)，為強對流天氣提供有利動力條件。低空急流在13—18時的加強與南支槽有關，在南支槽前上升運動所導致的中低層動力降壓以及繞流與側向摩擦等共同作用下，南支槽移動到青藏高原東部下高原時，在槽前西南地區(qū)強迫出西南低渦，導致南支槽與副高之間的氣壓梯度加大，低空急流顯著增強，而暖濕低空急流的加強有利于熱力不穩(wěn)定增長。

圖2 2018年3月4日08時 500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)和地面(d)形勢場

2.3 地面環(huán)流形勢

3月3日14時，冷高壓位于西北地區(qū)，冷鋒位于東北地區(qū)并逐漸南下。4日05時，廣西百色地面輻合線、暖中心。08時，冷高壓東移至華北(圖2d)，冷鋒位于長江中下游，受南支槽前上升運動的動力降壓和暖濕空氣等作用，貴州地面形成暖低壓，中心氣壓異常偏低(1000.0 hPa)，湖南、江西處于低壓倒槽中，存在地面輻合線。13時以后，隨著低空急流的增強，低壓倒槽強烈發(fā)展，地面降壓強烈，南昌最低氣壓1003.9 hPa，上述地區(qū)△P3達-4～-3 hPa，為該地區(qū)強對流提供了輻合抬升條件，冷鋒南移至江西和湖南北部，隨著冷鋒侵入地面暖低壓倒槽和輻合線中，觸發(fā)了江西中北部異常強對流天氣，雷達回波顯示，冷鋒前的暖低壓倒槽中有從湖南移入江西的一條颮線強烈發(fā)展，呈現(xiàn)較大尺度的西北—東南向的弓狀回波，當弓狀回波移到江西中北部時，造成了極端雷暴大風天氣。廣西—江西一帶，3—4日地面升溫明顯(表1)，多數(shù)地區(qū)接近30℃，最高氣溫較常年同期偏高4 ℃以上，西南暖濕氣流攜帶豐沛的水汽和熱量，使大氣中積累了大量不穩(wěn)定能量，當冷鋒南下侵入到暖低壓倒槽的輻合線時，觸發(fā)了強對流天氣，使得積累的大量水汽和能量在瞬間釋放，形成強烈風雹天氣。

表1 2018年3月3—4日廣西、湖南、江西最高溫度(單位：℃)

地形迎風坡具有抬升作用。在迎風坡迫使氣流沿山爬升，造成很強的上升運動；當山的坡度愈大，且風向與山的走向接近垂直時，則地面垂直運動愈強。另外，地形對過山氣流具有阻礙作用，導致過山氣流發(fā)生繞流，形成沿山脈走向的輻合線，誘發(fā)新的上升運動。由于百色、鐘山、株洲、萍鄉(xiāng)、宜春、南昌、景德鎮(zhèn)等地勢呈北高南低形狀，4日08時，江南盛行偏南風，風向與地形存在夾角，因此，該地形對偏南風具有輻合抬升作用。

3 環(huán)境參數(shù)特征

環(huán)境參數(shù)分析有助于了解強對流天氣的物理過程，在實際預報中有一定的指示意義。

3.1 熱力及水汽條件

3月4日08時，南昌站850 hPa(圖2c)、925 hPa西南風均達到16 m·s-1，溫度露點差(T-Td)850、(T-Td)925均小于4 ℃，暖(濕)平流顯著，而(T-Td)700、(T-Td)500、(T-Td)400分別達25 ℃、18 ℃、14 ℃(圖略)，說明干舌出現(xiàn)在700～500 hPa，且空氣十分干燥，而對流層中層干冷空氣有利于下沉氣流中降水粒子的強烈蒸發(fā)、融化或升華而導致下沉氣流顯著降溫并產(chǎn)生負浮力，對下沉氣流起到加速作用。大氣層結曲線與露點曲線下部緊靠、上部分離，呈“漏斗”狀，也表明南昌水汽分布“上干下濕”。同時850 hPa與500 hPa溫度差(T850-500)達28 ℃，700 hPa與500 hPa溫度差(T700-500)達22 ℃，強溫度垂直遞減率是加強對流上升和下沉運動的重要原因。上述因素有利于熱力不穩(wěn)定層結的建立。4日17時，江西中北部T850-500達32 ℃，極端溫差造成的“上冷下暖”使得江西地區(qū)處于異常熱力不穩(wěn)定，這是雷暴大風形成有利條件之一。而強對流發(fā)生前近地層存在的逆溫層，則有利于不穩(wěn)定能量的聚集。

4日08—14時，廣西—江西對流有效位能(CAPE)不斷加強并東移(圖略)，14時，江西中北部CAPE達1500～2000 J·kg-1，說明該地區(qū)不穩(wěn)定能量處于高值區(qū)，4日17時后，該地區(qū)CAPE降到1500 J·kg-1以下，CAPE最大值迅速減小表明強對流天氣已發(fā)生。

3.2 動力條件

4日08時，200 hPa高空急流(圖1)，500 hPa溫度槽超前高空槽，700 hPa、850 hPa強暖濕低空急流，高低空急流耦合形成的強上升運動，850 hPa切變線，地面暖低壓倒槽中的輻合線，冷鋒，地勢北高南低(圖2)。上述因素是此次強對流天氣有利的動力強迫抬升條件。

強低空垂直風切變使上升氣流發(fā)生傾斜，有利于對流層中層干冷空氣卷入，從而加強雷暴下沉氣流，當垂直風切變≥20 m·s-1時，易出現(xiàn)雷暴大風天氣[10]。4日08時，湖南—江西0～6 km垂直風切變20～24 m·s-1(圖3a)，08—20時，垂直風切變明顯增大，達24～30 m·s-1(圖3b)。廣西北部—江西中北部強垂直風切變形成的動力不穩(wěn)定使颮線高度組織化發(fā)展且長時間維持，有利于雷達回波形態(tài)演變?yōu)槌叨容^大的線狀弓形。14—18時，江西中北部地區(qū)颮線發(fā)展成熟，逐漸形成弓狀回波，颮線所經(jīng)地區(qū)伴隨11～13級災害性雷暴大風、冰雹及短時強降水天氣。

圖3 2018年3月4日08時(a)、20時(b)0～6 km垂直風切變(單位：m·s-1)

4 中尺度對流特征

4.1 雷達回波特征

此次強對流過程可分為3個階段：初始階段、強盛階段和減弱階段。初始階段(4日04—12時)，04時，對流開始在云南與廣西交界處發(fā)展東移(圖4a)。05時(圖4b)，百色出現(xiàn)東北—西南向線狀回波，緩慢移向東北，在當?shù)卦斐闪溯^強的風雹天氣。08時(圖4c)，回波移到廣西北部，發(fā)展成2條線狀回波，移度60 km·h-1，廣西北部出現(xiàn)雷暴大風，伴隨多地短時強降水天氣。08時30分—11時(圖4d～4f)，廣西北部2條線狀回波依次移入湖南后，在湖南中南部合并為1條颮線。11時30分—12時(圖4g～4h)，颮線發(fā)展，回波結構更加緊密，颮線前不斷有新的對流單體形成，颮線所經(jīng)地區(qū)雷暴大風，伴有冰雹及短時強降水天氣。強盛階段(4日12—18時)，12時12—36分(圖4i～4j)，強回波面積增大，颮線在東移中與湘粵交界處對流回波合并發(fā)展，形成近似南北向的颮線，移速60～80 km·h-1。13時12—24分(圖4k～4l)，颮線移入江西后繼續(xù)增強，形狀演變?yōu)楣瓲罨夭ǎ瑥姸?0 dBz，移動加快，移速達100 km·h-1。14時24分—15時30分(圖4m～4n)，颮線發(fā)展旺盛并快速向東北方向移動。15時36分—17時36分(圖4o～4t)，西北—東南向的颮線發(fā)展成熟，弓狀回波特征更加明顯，移速100～120 km·h-1，弓狀回波凸起處及其北側所經(jīng)過的贛中北地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性的雷暴大風，多站監(jiān)測到12級以上的強雷暴大風，九江廬山站、景德鎮(zhèn)樂平塔山工業(yè)園站分別出現(xiàn)37.3 m·s-1、40.8 m·s-1的極端雷暴大風。減弱階段(4日18時后)，18時(圖4u)，颮線移出江西后減弱并進入浙江、安徽一帶。綜上所述，這次強對流過程，前期在廣西、湖南形成的強對流回波，4日午后進入江西鄱陽湖平原，摩擦減小，移速加快，鄱陽湖午后高溫高濕，上述因素促進了強對流天氣的發(fā)展，颮線發(fā)展成熟，由線狀回波演變?yōu)楣瓲罨夭?，造成江西中北部大范?～10級雷暴大風、九江—景德鎮(zhèn)地區(qū)11～13級強雷暴大風。

圖4 2018年3月4日雷達回波(單位：dBz)

4.2 引導氣流特征

雷達回波移速與雷暴大風出現(xiàn)幾率呈正相關，回波移速>60 km·h-1時有利于產(chǎn)生災害性大風[11-12]。3月4日850～300 hPa平均風場上(圖略)，08時，廣西—江西上空為一致性的西南風，風速22～28 m·s-1，08—20時，湖南—江西的西南風增強，達24～30 m·s-1。在西南急流引導下，04—12時、13—14時、15—17時雷達回波移動速度分別達60～80 km·h-1、80～100 km·h-1、100～120 km·h-1。

4.3 風廓線特征

地面大風發(fā)生前，中層大風速核下降明顯。3月4日宜春風廓線產(chǎn)品顯示(圖5a)，大風出現(xiàn)前，12時56分—13時25分，西南風>20 m·s-1的大風速核從3.7 km高度下降至1.8 km高度，颮線于13時13—36分經(jīng)過宜春雷達站，13時33分宜春出現(xiàn)該過程最大陣風南風>20 m·s-1(21.1 m·s-1)。4日，南昌風廓線產(chǎn)品顯示(圖略)，大風出現(xiàn)前，14時57分—15時14分，西的大風速核從2.7 km高度下降至0.3 km；15時21分,南昌出現(xiàn)19.7 m·s-1的陣性大風。由圖5b看出，4日，景德鎮(zhèn)大風出現(xiàn)前，16時33—46分，西南風>20 m·s-1的大風速核從3.7 km下降至0.6 km；16時50分，景德鎮(zhèn)出現(xiàn)20.3 m·s-1的陣性大風。由此可見，大風速核下降時間早于地面大風10～30 min左右。

4.4 冷池特征

冷池是颮線的邊界層特征，冷池前部是風暴出流邊界。低層存在垂直風切變時，冷池就能夠觸發(fā)其前沿空氣產(chǎn)生較強上升運動，對觸發(fā)新的風暴單體有利。冷池和低層垂直風切變相互作用是颮線發(fā)展維持最為重要的熱力和動力機制。4日15時20分，地面溫度客觀分析顯示，南昌西側出現(xiàn)冷池，中心最低溫度18 ℃，陣風鋒前高溫達27 ℃(圖6)，在陣風鋒前后分別出現(xiàn)颮前暖低壓、雷暴高壓(圖略)，陣風鋒前后溫差大，氣壓梯度大，密度流強。冷池引起上升氣流，在冷池前部不斷誘生新的對流單體，使得雷暴快速傳播而形成弓形回波。冷池前沿陣風鋒與弓形回波凸起處對應較好，冷池前風向與弓形回波接近垂直，颮線以100～120 km·h-1的速度向東北方向快速移動。冷池與強低空垂直風切變共同作用，促使颮線前部不斷形成新的風暴單體，從而維持了對流風暴的發(fā)展與移動。

圖6 2021年3月4日15時20分地面溫度場(黑色實線為等溫線，單位：℃，)和雷達回波(陰影為雷達回波)

5 結論

本文利用NCEP/NCAR再分析資料、雷達資料和觀測資料，分析了2018年3月4日發(fā)生在江南的1次區(qū)域性強對流天氣過程，得出以下結論：

①此次強對流天氣產(chǎn)生于槽前暖區(qū)，強低空急流帶來的暖濕空氣有利于熱力不穩(wěn)定增大、水汽輸送和低空垂直風切變維持，同時中層干冷空氣進一步加劇了層結不穩(wěn)定。高空急流、高空槽、垂直風切變、低空急流、低層能量舌+切變線、地面暖低壓倒槽+輻合線+冷鋒，上述系統(tǒng)是此次強對流天氣的觸發(fā)者和組織者。強垂直風切變使上升氣流發(fā)生傾斜，導致對流層中層干冷空氣卷入，進而加強雷暴下沉氣流，最終導致災害性雷暴大風的出現(xiàn)。地面大風前，中層大風速核下降明顯。

②對流條件分析表明此次強對流低層暖平流顯著。3月4日08時，700、850 hPa西南低空急流分別達20～28 m·s-1、18～26 m·s-1，08時以后低空急流不斷增強，江西中北部低層高溫高濕，(T-Td)850、(T-Td)925均小于4 ℃，中層有冷槽影響，(T-Td)700達25 ℃，干區(qū)明顯。溫度垂直遞減率高，4日08時，南昌T850-500、T700-500分別達28 ℃、22 ℃，4日17時，江西中北部T850-500達32 ℃，達極端熱力不穩(wěn)定，DCAPE達1500～2000 J·kg-1，上述因素非常有利于極端雷暴大風天氣的出現(xiàn)。

③此次強對流過程中，對流開始在云南與廣西交界處發(fā)展東移，呈線狀回波，在強盛的西南氣流引導下，線狀回波以60 km·h-1的速度從廣西移入湖南后，與湘粵交界處對流回波合并發(fā)展，形成近似南北向的颮線，移動不斷加速。颮線移入江西后發(fā)展為線狀弓形，颮線后冷池明顯，中尺度雷暴高壓強與陣風鋒前暖低壓的強氣壓梯度造成強密度流，弓形回波移速達100～120 km·h-1，導致江西中北地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性8～10級大風，九江廬山站、景德鎮(zhèn)樂平塔山工業(yè)園站出現(xiàn)13級的極端雷暴大風。