冷平流強(qiáng)迫背景下攀枝花市一次雷暴過程綜合分析

李典南 , 劉春艷 , 陳 婷

（1.貴州省氣象臺(tái)，貴陽 550002；2.四川省攀枝花市氣象臺(tái)，攀枝花 617000；3.四川省氣象臺(tái)，成都 610000）

引 言

雷暴是影響我國的重要災(zāi)害性天氣之一，雷暴云的水平發(fā)展范圍可達(dá)幾千米至幾十千米，垂直發(fā)展高度可達(dá)8～15 km，持續(xù)時(shí)間幾分鐘到幾十分鐘不等[1]，具有短時(shí)性和局地性。雷暴天氣的發(fā)生通常伴隨雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹甚至龍卷等一種或多種天氣[2]，常給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、通訊、建筑、交通及人身安全造成嚴(yán)重影響。

長久以來，國內(nèi)外氣象學(xué)者已對雷暴形成的天氣背景和物理機(jī)制有了一定的認(rèn)識。Charles[3]認(rèn)為雷暴是帶有雷電現(xiàn)象的深厚濕對流。陸漢城等[4]把雷暴描述為由各種物理?xiàng)l件相互作用形成的中尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果，這些條件大體可總結(jié)為深厚且明顯不穩(wěn)定的氣層、充沛的水汽以及適合的觸發(fā)條件[5]。許愛華等[6]基于強(qiáng)對流天氣的形成條件，通過綜合分析將我國的強(qiáng)對流天氣分為冷平流強(qiáng)迫類、暖平流強(qiáng)迫類、斜壓鋒生類、準(zhǔn)正壓類和高架對流類。章國材[7]指出500 hPa環(huán)流形勢是影響強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展的重要背景。西南地區(qū)地形復(fù)雜多樣，除500 hPa環(huán)流形勢外，局地環(huán)流對強(qiáng)對流天氣的影響也不容忽視[8-9]。任景軒等[10]、郭善云等[11]等通過統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)四川西南山地地區(qū)由于日照強(qiáng)且溫差大，加之地形抬升作用明顯，十分容易產(chǎn)生雷暴天氣，是四川省雷暴發(fā)生頻率較高的地區(qū)之一。

攀枝花市（26°05′～27°21′N，101°08′～102°15′E）位于四川省西南山地地區(qū)，是全國唯一以花命名的城市，地處青藏高原東南緣、攀西裂谷中南段，屬于以南亞熱帶為基帶的季風(fēng)氣候，日照多且太陽輻射強(qiáng)，氣候炎熱干燥[12-13]。境內(nèi)地形復(fù)雜多樣，具有山高谷深、盆地交錯(cuò)分布的特點(diǎn)，受局地環(huán)流影響較大[14]。當(dāng)?shù)睾０谓橛?37～4195.5 m，最大相對高度差超過3000 m，整個(gè)地勢由西北向東南傾斜[15-16]，容易在中低層形成較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，并產(chǎn)生切變線、氣流輻合線等系統(tǒng)[17]。加之攀枝花市位于金沙江、雅礱江的交匯處，水利資源豐富，故容易在近地面形成高溫高濕環(huán)境，有利于對流天氣發(fā)生。

6～10月是攀枝花市的雨季，也是雷暴天氣發(fā)生頻率較高的時(shí)段[18-20]，11月～次年5月屬于攀枝花市的干季，大環(huán)境場相對穩(wěn)定、水汽不足，強(qiáng)對流天氣發(fā)生較少。但在2020年4月13日，攀枝花市傍晚至夜間發(fā)生了一次強(qiáng)烈且影響范圍大的雷暴天氣過程，為全市各區(qū)縣帶來不同程度的冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)等天氣，導(dǎo)致市內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害，交通嚴(yán)重受阻，各地瓜果農(nóng)田均有受損，供電和通訊設(shè)施也受到不同程度的損壞。本文利用多種氣象資料，對此次過程的高低空配置、探空圖、各物理量特征、衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波特征進(jìn)行綜合分析，探討本次雷暴天氣的形成機(jī)理，以期為此類天氣過程的預(yù)報(bào)預(yù)警及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考。

1 資料

本文所用資料主要包括：（1）歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）ERA5逐 6 h高空再分析資料，水平分辨率為 0.25°×0.25°；（2）美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）逐 6 h高空再分析資料，水平分辨率 2.5°×2.5°；（3）氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)（MICAPS）提供的常規(guī)氣象觀測資料和ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)場資料，主要包含高度、溫度、相對濕度、風(fēng)場、2 m溫度、10 m風(fēng)速和2 m露點(diǎn)溫度等要素；（4）攀枝花市的FY-2G衛(wèi)星相當(dāng)黑體亮度溫度（Black Body Temperature，TBB）資料和 714S 型號雷達(dá)提供的2.83°仰角反射率因子資料。上述資料時(shí)段均為2020年4月13日。

2 實(shí)況分析

據(jù)攀枝花市氣象臺(tái)《雨情通報(bào)》顯示，2020年4月13日08時(shí)～14日08時(shí)，全市普降小到中雨，局地大雨，個(gè)別區(qū)縣出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹等混合性強(qiáng)對流天氣。13日08時(shí)，攀枝花市天氣整體晴好，近地面受偏南風(fēng)控制。午后涼山州可觀察到對流云團(tuán)生成發(fā)展，并逐漸增強(qiáng)、朝東南方向移動(dòng)。17時(shí)左右攀枝花市北部邊緣地區(qū)至涼山州南部地區(qū)開始出現(xiàn)冰雹天氣。18時(shí)左右強(qiáng)天氣落區(qū)移至攀枝花市米易縣，該縣境內(nèi)最大冰雹直徑達(dá)到5 cm，最大瞬時(shí)風(fēng)速為22.1 m/s。隨著對流云團(tuán)繼續(xù)移動(dòng)，20時(shí)左右東區(qū)、仁和區(qū)也相繼出現(xiàn)冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)等天氣。此外，據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，最大降水量出現(xiàn)在白坡鄉(xiāng)、平地鎮(zhèn)和永興鎮(zhèn)，分別為27.2 mm、25.0 mm和20.7 mm。14日凌晨，全市各地區(qū)降水逐漸減弱或停止，天氣轉(zhuǎn)好。

此次雷暴天氣導(dǎo)致米易縣、鹽邊縣、仁和區(qū)、東區(qū)受到不同程度的冰雹災(zāi)害，當(dāng)?shù)貦烟?、芒果、核桃、青花椒、蔬菜、油桃等多種農(nóng)作物受災(zāi)嚴(yán)重，造成直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)千萬元。

3 天氣形勢及探空分析

3.1 天氣形勢配置

2020年4月13 日08時(shí)，500 hPa歐亞中高緯大環(huán)境場呈兩槽一脊環(huán)流形勢，兩槽分別位于歐洲和東亞地區(qū)，脊位于東西伯利亞地區(qū)（圖1a）。四川省中部有一高原槽，08～20時(shí)高原槽東移，攀枝花市的位置從槽前轉(zhuǎn)為槽后，從受槽前暖平流控制轉(zhuǎn)為受槽后冷平流控制（圖1b）。

從13日20時(shí)200 hPa環(huán)流形勢（圖1c）上看，西風(fēng)帶在青藏高原地區(qū)繞流，中高空500～200 hPa形成西北干冷氣流順高原槽南下的形勢，西南地區(qū)為一冷槽，冷平流強(qiáng)迫明顯。從高低空配置（圖1d）來看，20時(shí)攀枝花市位于500 hPa高原槽槽后，風(fēng)向偏北，受冷平流控制，有溫度場落后高度場的特征，大氣斜壓特征明顯。700 hPa云川黔三省交界處有一段風(fēng)速超過12 m/s的西南急流，由于冷暖空氣交匯和地形特征影響，云貴川渝四省之間形成切變線，攀枝花市位于切變線西北側(cè)、西南急流出口區(qū)左前方，有利于高低空氣流的耦合、氣流抬升以及對流云的維持和發(fā)展。近地面至700 hPa水汽條件較好，西南氣流帶來的暖濕空氣使攀枝花市近地面至700 hPa位于T-Td≤5℃的濕區(qū)內(nèi)。此外，雷暴發(fā)生前期攀枝花市近地面受熱低壓控制，呈晴朗少云天氣，隨著日照加強(qiáng)和低層暖濕氣流輻合，近地面氣層增溫增濕，為雷暴的形成和發(fā)展提供了良好的能量條件。總的來說，此次過程是典型的以高空強(qiáng)干冷平流為主導(dǎo)的冷平流強(qiáng)迫類雷暴天氣過程[17]。

圖1 2020年4月13日天氣形勢（a.08時(shí)，500 hPa；b.20時(shí)，500 hPa；c.20時(shí)，200 hPa；藍(lán)色實(shí)線表示位勢高度，單位：dagpm；紅線虛線表示溫度，單位：℃；箭頭表示風(fēng)場，單位：m·s-1）、高低空系統(tǒng)配置（d.20時(shí)）以及攀枝花市仁和站（站號：56674）模式探空（e.08時(shí)，f.20時(shí)）

3.2 探空分析

攀枝花市內(nèi)的氣象站點(diǎn)均屬于國家一般觀測站，無探空資料，故本文利用MICAPS系統(tǒng)繪制相關(guān)站點(diǎn)的模式探空曲線進(jìn)行分析。選用的資料為ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)場資料，具體時(shí)間為2020年4月13日08時(shí)起報(bào)的00場和20時(shí)起報(bào)的00場。選用的站點(diǎn)是位于攀枝花市南部的仁和站（站號56674），繪制出的探空曲線如圖1e、f所示。

從 08～20時(shí)T-lnP 圖（圖1e、f）可看出，雷暴天氣發(fā)生前后探空曲線呈X型，表征為不穩(wěn)定特性。從水汽條件上看，08時(shí)和20時(shí)兩個(gè)時(shí)次的大氣層結(jié)水汽條件整體較好，其保持相對濕度≥80%的濕層分別位于 850～625 hPa、760～545 hPa，其中在 700 hPa附近均維持T-Td≤2℃的飽和狀態(tài)。從風(fēng)場特征上看，08～20時(shí)整層大氣的風(fēng)速隨高度增長；08時(shí)風(fēng)向在850～600 hPa隨高度順轉(zhuǎn)，20時(shí)風(fēng)向順轉(zhuǎn)高度增高到500 hPa，說明低層暖平流隨時(shí)間增強(qiáng)；08時(shí)風(fēng)向在600～200 hPa隨高度逆轉(zhuǎn)，20時(shí)風(fēng)向逆轉(zhuǎn)高度降低到500 hPa，說明中高層有冷平流維持并呈減弱趨勢。這種“上冷下暖”的熱力結(jié)構(gòu)可使高低層溫差加大，層結(jié)潛在熱力不穩(wěn)定能量增強(qiáng)。此外，在08時(shí)，700 hPa為6 m/s的西南風(fēng)，500 hPa為16 m/s的西南偏西風(fēng)；在20時(shí)，700 hPa為8 m/s的西南風(fēng)，500 hPa為12 m/s的西北風(fēng)，可見700 hPa和500 hPa之間垂直風(fēng)切變呈增強(qiáng)趨勢。從不穩(wěn)定能量上看，08～20時(shí)CAPE值從0 J·kg-1增加至 557.5 J·kg-1，SI 指 數(shù) 從 1.22℃ 減 小 至-1.84℃，說明層結(jié)間不穩(wěn)定能量隨時(shí)間累積，有利于雷暴天氣的發(fā)展和維持。再從特殊層結(jié)上看，08～20時(shí)仁和區(qū)0℃層高度從3.75 km升高至3.92 km，-20℃層高度從6.93 km降低至6.90 km，0℃、-20℃層的高度均滿足降雹條件[17]；兩個(gè)特殊溫度層之間的厚度從3.18 km縮減至2.98 km，說明溫度垂直遞減率隨時(shí)間增大，層結(jié)間熱力不穩(wěn)定能量增強(qiáng)。

4 物理量場特征

4.1 抬升條件

抬升條件是雷暴天氣發(fā)生發(fā)展的重要條件之一。圖2為4月13日08時(shí)和20時(shí)沿101°75′E所作的渦度平流垂直剖面。從08時(shí)（圖2a）看出，攀枝花地區(qū)700～600 hPa有弱的正渦度平流，600 hPa以上轉(zhuǎn)為負(fù)渦度平流，說明當(dāng)前氣流抬升較弱。在20時(shí)（圖2b），從整體上看渦度平流正負(fù)值均有所增大，說明對流較08時(shí)更活躍，其中攀枝花市中北部-涼山州南部為正渦度平流大值區(qū)，在涼山州德昌縣（27.7°N）上空480 hPa附近達(dá)到最大，中心值約為17.3×10-9s-2。從攀枝花市范圍來看，中南部近地面至600 hPa為弱的負(fù)渦度平流，600 hPa以上轉(zhuǎn)為隨高度增大的正渦度平流；北部800 hPa以上為正渦度平流，且700～450 hPa渦度平流值隨高度增大，450 hPa上約為6.1×10-9s-2。根據(jù)上述分析可知，相對于08時(shí)，20時(shí)氣流上升運(yùn)動(dòng)有所增強(qiáng)。

圖2 2020年4月13日沿101°75′ E的渦度平流垂直剖面（a.08時(shí)，b.20時(shí)，單位：10-9 s-2）

4.2 水汽條件

充沛的水汽供應(yīng)是雷暴天氣得以維持的條件之一。圖3分別給出了4月13日08時(shí)和20時(shí)沿101°75′E的比濕和水汽通量散度垂直剖面。由圖3a和b可知，08時(shí)和20時(shí)攀枝花市范圍內(nèi)近地面至700 hPa比濕均在6 g·kg-1之上，且各高度層上20時(shí)的比濕均大于08時(shí)的比濕。分析水汽通量散度垂直剖面（圖3c和 d）可知，13日 08時(shí)（圖3c），攀枝花市上空800～700 hPa為弱的水汽通量散度輻合區(qū)，輻合中心位于750 hPa附近，750 hPa以上輻合逐漸減弱并轉(zhuǎn)為輻散。到了20時(shí)（圖3d），大氣中低層的水汽通量散度輻合輻散整體增強(qiáng)，表明這期間暖濕氣流的本地輸送較明顯。20時(shí)輻合中心移至攀枝花市北部-涼山州南部上空750 hPa附近（圖3d），這與比濕垂直分布特征基本相符，也與降水落區(qū)有較好對應(yīng)（圖略）。綜上可知，雖然本次過程發(fā)生于4月，但攀枝花市上空大氣層結(jié)水汽條件整體較好，相比于08時(shí)，20時(shí)本場的水汽輸送更加明顯。

圖3 2020 年 4 月 13 日 08 時(shí)（a、c）和 20 時(shí)（b、d）沿 101°75′E 的比濕和水汽通量散度垂直剖面（a、b.比濕，單位：g·kg-1；c、d.水汽通量散度，單位：10-9g·hPa-1·cm-2·s-1）

4.3 不穩(wěn)定條件

較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量是發(fā)展和維持雷暴天氣不可缺少的條件。圖4a、b給出了2020年4月13日08時(shí)和20時(shí)K指數(shù)分布。圖4c、d給出了同一時(shí)間700 hPa和500 hPa之間的溫差分布。從圖4a、b可知，攀西地區(qū)（34.5°～37.5°N）K 指數(shù)隨時(shí)間增大，其中攀枝花市K指數(shù)中心值從34.5℃增加至39.5℃，說明層結(jié)間具備較強(qiáng)的不穩(wěn)定能量，且不穩(wěn)定能量隨時(shí)間增強(qiáng)。從圖4c、d可知，攀西地區(qū)溫差隨時(shí)間增大，其中攀枝花市溫差從15.7℃ 增加至17.3℃，700 hPa和 500 hPa之間的溫度垂直遞減率從5.9℃·km-1增大至6.5℃·km-1，表明大氣熱力不穩(wěn)定能量隨時(shí)間增強(qiáng)。可見，08～20時(shí)大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定能量的累積過程。

圖4 2020年4月13日08時(shí)（a、c）和20時(shí)（b、d）K 指數(shù)、700 hPa和 500 hPa溫度差的空間分布（a、b.K 指數(shù)，c、d.溫度差，單位：℃，黑色三角形為攀枝花市位置）

5 衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波分析

5.1 衛(wèi)星云圖分析

FY-2G衛(wèi)星觀測的相當(dāng)黑體亮度溫度（TBB）可較好指示對流云的生消過程[21]。TBB在有云區(qū)一般為負(fù)值，且負(fù)值越大，代表云頂越高，對流越強(qiáng)。圖5為2020年4月13日14～22時(shí)攀西地區(qū)TBB逐小時(shí)演變。如圖所示，4月13日14時(shí)攀西地區(qū)西北部有TBB≤-10℃的對流云團(tuán)，此時(shí)涼山州開始出現(xiàn)零星降水（圖5a）；隨后對流云團(tuán)向東南移動(dòng)發(fā)展，并逐漸與周圍零星云團(tuán)合并聚攏，范圍擴(kuò)大且強(qiáng)度增強(qiáng)，形成東北-西南走向的帶狀云團(tuán)（圖5b、c）。17時(shí)位于降水中心區(qū)域上方的中尺度對流云團(tuán)TBB值已經(jīng)突破了-60℃，攀枝花市北部邊緣地區(qū)-涼山州南部地區(qū)開始出現(xiàn)冰雹天氣（圖5d）。隨著對流云團(tuán)繼續(xù)向東南移動(dòng)，攀枝花市北部的鹽邊縣和米易縣也相繼出現(xiàn)冰雹天氣，并伴隨短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)（圖5e）。18～20時(shí)，強(qiáng)對流落區(qū)從米易縣延伸至東區(qū)、仁和區(qū)，自北向南繼續(xù)出現(xiàn)冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等混合性天氣（圖5e～g）。隨后對流云團(tuán)出現(xiàn)向周邊輻散的趨勢，整體強(qiáng)度有所減弱；21～22時(shí)，對流云團(tuán)繼續(xù)南下，強(qiáng)度減弱，過程趨于結(jié)束（圖5h、i）。

圖5 2020年4月13日14～22時(shí)攀西地區(qū)TBB逐小時(shí)演變（a.14時(shí)，b.15時(shí)，c.16時(shí)，d.17時(shí)，e.18時(shí)，f.19時(shí)，g.20時(shí)，h.21時(shí)，i.22時(shí)，單位：℃）

5.2 雷達(dá)回波分析

雷達(dá)是監(jiān)測實(shí)況天氣的重要手段，雷達(dá)回波的發(fā)展走勢對雷暴天氣的監(jiān)測和預(yù)警具有很好的指導(dǎo)意義[22-23]。由圖6可知，在17:59，強(qiáng)度超過40 dBZ的回波云團(tuán)位于攀枝花市鹽邊縣中部-米易縣西部，呈不規(guī)則塊狀或帶狀，鹽邊縣和米易縣交界處的回波大值區(qū)呈現(xiàn)前后側(cè)的“V”字形狀槽口特征，最大強(qiáng)度超過50 dBZ（圖6a）。隨時(shí)間推移，回波朝東南方向移動(dòng)，18:39已到達(dá)米易縣得石、普威一帶，回波中分布有多個(gè)較強(qiáng)單體，“V”字形狀有減弱趨勢，最大強(qiáng)度依舊維持在50 dBZ左右（圖6c），18:59后帶狀回波分裂為塊狀，回波大值區(qū)與冰雹的落區(qū)情況一致（圖6d）。隨后回波繼續(xù)向東南移動(dòng)，強(qiáng)度維持，東區(qū)、仁和區(qū)在19:19左右依次出現(xiàn)冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)天氣，冰雹落區(qū)與回波大值區(qū)也有較好對應(yīng)（圖6e、f）。20:00之后雷達(dá)回波整體呈減弱趨勢，全市轉(zhuǎn)為以雷雨天氣為主（圖6g、h），21:00過后過程趨于結(jié)束（圖略）。

圖6 2020年4月13日17:59～20:19攀枝花市714S雷達(dá)2.83°仰角逐20min反射率因子分布（a.17:59，b.18:19，c.18:39，d.18:59，e.19:19，f.19:39，g.19:59，h.20:19，單位：dBZ）

6 結(jié)論

本文利用歐洲中心ERA5再分析資料、NCEP再分析資料、衛(wèi)星和雷達(dá)資料，以及MICAPS氣象資料，綜合分析了2020年4月13日攀枝花市發(fā)生的冷平流強(qiáng)迫類雷暴天氣過程，得到如下主要結(jié)論：

（1）影響本次雷暴天氣過程的主要系統(tǒng)為200 hPa高空急流、500 hPa高原槽、700 hPa切變線、700 hPa西南急流以及地面輻合線。本次過程發(fā)生時(shí)，攀枝花市位于500 hPa高原槽槽后，槽后干冷平流為本次過程起主導(dǎo)作用。700 hPa弱的西南急流為本地輸送暖濕空氣和不穩(wěn)定能量，中低層切變線及地面輻合線促進(jìn)暖濕氣流的輻合抬升，加之前期近地面熱低壓控制，為本次冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)的混合性雷暴天氣創(chuàng)造了有利條件。

（2）本次雷暴過程影響區(qū)域的大氣層結(jié)滿足“上冷下暖”熱力結(jié)構(gòu)，中低層垂直風(fēng)切變隨時(shí)間增強(qiáng)，0℃和-20℃層高度滿足降雹條件，氣流呈現(xiàn)低層輻合與中高層輻散特征，中低層水汽條件較好，K指數(shù)、700～500 hPa溫度垂直遞減率反映的層結(jié)不穩(wěn)定能量隨時(shí)間增強(qiáng)。

（3）對流云團(tuán)從涼山州西北部開始生成，朝東南方向移動(dòng)發(fā)展并影響攀枝花市，17～20時(shí)全市各地出現(xiàn)以冰雹天氣為主的不同強(qiáng)度災(zāi)害性天氣。雷達(dá)回波發(fā)展走勢與衛(wèi)星云圖反映的情況一致，回波移動(dòng)過程中出現(xiàn)倒“V”字型特征，最大強(qiáng)度超過50 dBZ。