2021 年5 月桂西南一次混合強(qiáng)對流天氣過程診斷分析

蔣亞平，農(nóng)明哲，馬 智，蘇 彥，黃秋豐

（崇左市氣象局，廣西 崇左 532200）

引言

強(qiáng)對流天氣是廣西的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，其中以雷暴、冰雹和大風(fēng)對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、通信、電力設(shè)施及人民生命財產(chǎn)造成的危害最大，會給廣西造成不同程度人員傷亡和財產(chǎn)損失［1-2］，因此加強(qiáng)強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警服務(wù)一直是地方政府重視的一項工作。強(qiáng)對流天氣具有生命史短、空間尺度小、突發(fā)性強(qiáng)和破壞力大等特點(diǎn)，一直以來是天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)和難題［2-5］，近年來，強(qiáng)對流天氣成因和預(yù)報預(yù)警服務(wù)的研究受到氣象學(xué)者的關(guān)注和重視，并且取得了眾多的研究成果［6-17］，葉成志等［18］在研究湖南一次致災(zāi)性強(qiáng)對流天氣過程成因時指出，強(qiáng)對流發(fā)生前，近地面晴空輻射增溫、對流不穩(wěn)定層結(jié)、強(qiáng)的垂直風(fēng)切變、強(qiáng)溫度梯度直減率以及近地層較好的水汽條件等能為強(qiáng)對流風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展提供良好的潛勢條件；郭琳晶等［19］研究一次華南局地強(qiáng)降水天氣過程指出，西南暖濕氣流上水汽輻合區(qū)和能量鋒的變化與強(qiáng)降水發(fā)生的時間和落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系；刁秀廣等［20］研究邊界層輻合線在局地強(qiáng)風(fēng)暴臨近預(yù)警中的應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)，雷暴出流邊界的疊加或出流邊界與環(huán)境風(fēng)輻合線的疊加在有利的環(huán)境條件下可產(chǎn)生局地強(qiáng)風(fēng)暴；李向紅等［21］研究廣西強(qiáng)對流天氣雷達(dá)臨近預(yù)警時發(fā)現(xiàn)垂直累積液態(tài)水含量的變化對臨近預(yù)報具有較好的指示效果；漆梁波等［22］研究上海局地強(qiáng)對流天氣及臨近預(yù)報要點(diǎn)時發(fā)現(xiàn)，低層風(fēng)的大小對回波移動和雷雨大風(fēng)的形成至關(guān)重要；翟麗萍等［23］研究相同大尺度環(huán)流背景下不同類型強(qiáng)對流天氣時發(fā)現(xiàn)，干對流型強(qiáng)對流中高層垂直風(fēng)切變明顯大于混合強(qiáng)對流型。這些研究成果為強(qiáng)對流天氣預(yù)報提供了很好的理論指導(dǎo)，有助于提高強(qiáng)對流天氣預(yù)報水平。

2021 年5 月初廣西西南部出現(xiàn)了一次冰雹、雷暴大風(fēng)和短時強(qiáng)降水等混合強(qiáng)對流天氣過程，本文主要利用常規(guī)氣象觀測資料、探空觀測資料、NCEP再分析資料和多普勒天氣雷達(dá)資料對此次天氣過程的環(huán)境條件和中尺度觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行分析，為今后同類型強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警積累經(jīng)驗。

1 資料與方法

所用資料包括2021 年5 月4 日12 時—5 日12時常規(guī)氣象觀測資料、區(qū)域自動站資料、探空觀測資料、崇左市多普勒天氣雷達(dá)資料和美國環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）1°×1°再分析資料。主要采用常規(guī)天氣分析方法和中尺度天氣分析方法。

2 過程概況及特征

據(jù)統(tǒng)計，2021 年5 月4 日12 時—5 日12 時廣西西南部強(qiáng)對流天氣造成崇左市天等縣多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了直徑20～30mm 的冰雹，多地出現(xiàn)大風(fēng)天氣，崇左市城區(qū)出現(xiàn)了33.9m·s-1的極端大風(fēng)，共計有20多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了100mm 以上量級的降水，從崇左市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動站逐小時降雨量變化來看，此次過程最強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在5 日01—06 時，最大小時雨量達(dá)到78.8mm，出現(xiàn)在憑祥市友誼鎮(zhèn)，從友誼鎮(zhèn)強(qiáng)降水發(fā)生時段分鐘雨量值來看，最大分鐘雨量為3.7mm，降水非常穩(wěn)定且持續(xù)，有連續(xù)13min 的分鐘雨量值大于2mm。這是一次明顯的混合型強(qiáng)對流天氣過程。

此次過程前期以冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣為主，極端性強(qiáng)，破壞性大，后期以強(qiáng)降水為主，降水過程強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)、持續(xù)時間長，具有明顯中尺度降水特征。

3 大尺度環(huán)流形勢分析

從4 日08 時高低空天氣形勢來看，500hPa 歐亞中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”形勢，高壓脊位于貝加爾湖地區(qū)，脊前強(qiáng)偏北風(fēng)不斷引導(dǎo)冷空氣南下，冷溫槽南壓至廣西北部，在孟加拉灣地區(qū)有南支深槽存在，在其槽前不斷有短波東移，同時西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）北抬至南海中部，588 位勢什米線位于廣西南部沿海邊緣，孟加拉灣的水汽和能量在槽前西南氣流引導(dǎo)下沿副高邊緣持續(xù)不斷的向廣西輸送；700hPa 在云南南部至越南北部存在一條明顯的干線，西南顯著流線自干線的干區(qū)一側(cè)吹向濕區(qū)，使得層結(jié)的不穩(wěn)定性增大，容易觸發(fā)強(qiáng)對流；850hPa 切變線南壓至桂北，云桂交界附近存在一條明顯的溫度脊，剛好位于500hPa 溫度槽前，桂西一帶850hPa 與500hPa 溫度差達(dá)到24℃，上層冷平流、下層暖平流進(jìn)一步加大了層結(jié)不穩(wěn)定性，同時越南北部至廣西南部一帶有西南急流存在，急流中心最大風(fēng)速達(dá)到14m·s-1，低層強(qiáng)水汽輸送有利于短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣的出現(xiàn)；925hPa 切變線已南壓至桂中，桂南一帶的偏東氣流在不斷增強(qiáng)，有利于水汽向桂西南地區(qū)輸送，桂西南地區(qū)均處于顯著濕區(qū)內(nèi)，局部地區(qū)比濕超過17g·kg-1；地面上，四川盆地以南地區(qū)有暖低壓在不斷發(fā)展，桂西南從5 月2 日開始受到熱低壓影響，地面溫度持續(xù)升高，5 月4 日部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)地面最高溫度超過38℃，高溫高濕為強(qiáng)天氣的觸發(fā)提供了充足的不穩(wěn)定能量，地面的干線也剛好位于熱低壓前沿的桂西至越南北部一帶，而在云貴交界至桂中有一條明顯的鋒面存在，強(qiáng)對流天氣在鋒面附近不斷生成發(fā)展。

4 環(huán)境條件分析

選取南寧、百色和越南河內(nèi)三個探空站資料作為分析對象，從表1 來看，強(qiáng)天氣發(fā)生前，三站對流有效位能（CAPE）值均達(dá)到2700J·kg-1以上，河內(nèi)K 指數(shù)達(dá)到37.1℃，SI 指數(shù)為-2.41℃，百色和南寧稍差，且850hPa 與500hPa 溫度差顯示，三個站點(diǎn)T（850hPa-500hPa）均在22℃以上，河內(nèi)T（850hPa-500hPa）更是達(dá)到28.1℃，說明桂西至越南北部一帶具有非常大的不穩(wěn)定能量，且大氣層結(jié)很不穩(wěn)定；三個站都有一定對流抑制有效位能（CIN），百色CIN 更是達(dá)到128J·kg-1，使得大量可用有效位能儲存在大氣低層，又因為三個站點(diǎn)的抬升凝結(jié)高度（LCL）均在0.5km 左右，在較小的抬升作用下就能觸發(fā)對流，從而使得對流觸發(fā)后能夠形成更強(qiáng)的天氣；三個探空站0℃濕球溫度高度（WBZ）均在4km 左右，且0～6km 垂直風(fēng)矢量差均在12m·s-1以上，南寧更是達(dá)到21.3m·s-1，強(qiáng)垂直風(fēng)切變?nèi)菀资股仙龤饬鲀A斜，減弱對上升氣流的拖曳作用，使上升氣流能達(dá)到更高的高度，有利于冰雹和大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣的形成，這也是過程開始初期桂西南出現(xiàn)較強(qiáng)冰雹和大風(fēng)天氣的原因，且三個站點(diǎn)暖云層厚度均在3.5km 以上，深厚的暖云層和對流層低層強(qiáng)水汽輸送，是過程后期桂西南地區(qū)高效率降水的基礎(chǔ)。

表1 2021 年5 月4 日08 時探空資料

5 觸發(fā)條件分析

從地面風(fēng)場和同時刻雷達(dá)回波圖來看（圖略），在地面鋒面附近存在一條東北風(fēng)和西南風(fēng)或東南風(fēng)的輻合線，氣流在輻合線附近輻合抬升，從而導(dǎo)致回波在輻合線附近觸發(fā)生成，并逐漸發(fā)展成深厚濕對流，回波生成和發(fā)展的位置與輻合線的位置幾乎一致；輻合線在逐漸南移的過程中，不斷觸發(fā)出強(qiáng)對流云團(tuán)產(chǎn)生，出現(xiàn)冰雹、大風(fēng)、短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣，后期輻合線在桂西南南部長時間維持造成該地出現(xiàn)強(qiáng)降水。由此可見，地面輻合線是此次過程重要觸發(fā)機(jī)制，輻合線在桂西南南部一帶長時間維持，是造成該地出現(xiàn)持續(xù)性短時強(qiáng)降水天氣的主要原因。

6 雷達(dá)回波特征

6.1 冰雹雷達(dá)回波特征

此次桂西南強(qiáng)天氣過程主要分為兩個階段，5月4 日14—22 時為第一階段，此階段主要以冰雹、大風(fēng)為主；5 日00—07 時為第二階段，此階段主要以短時強(qiáng)降水為主；13 時左右，主體回波帶呈颮線位于百色和河池南部，在回波帶南部有孤立的對流單體不斷生成和發(fā)展，且不斷向東南方向移動，至16∶03，強(qiáng)回波移動到天等縣東北部，其最大反射率因子值達(dá)到68dBZ，最大垂直累計液水含量超過76kg·m-2，且具有明顯的旁瓣回波和三體散射長釘；從其剖面圖來看（略），存在明顯的有界弱回波區(qū)（BWER）和懸垂回波，回波頂?shù)母叨瘸^17km，反射因子核心位于8km 左右，而對應(yīng)的速度圖上（略）有明顯的中氣旋存在，在其移動過程中造成天等縣進(jìn)結(jié)鎮(zhèn)出現(xiàn)最大直徑超過30mm 的大冰雹。

6.2 雷暴大風(fēng)和短時強(qiáng)降水雷達(dá)回波特征

崇左國家一般氣象觀測站4 日21∶15 監(jiān)測到33.9m·s-1的瞬時大風(fēng)，從21∶10 的雷達(dá)回波來看，在崇左市城區(qū)上空存在較強(qiáng)的對流風(fēng)暴，回波最大反射率因子達(dá)到58dBZ，從風(fēng)暴趨勢圖（略）來看，20∶30左右開始，反射率因子核心開始波動下降，到21∶15下降到最低，對應(yīng)垂直累積液態(tài)水含量（VIL）值也出現(xiàn)相應(yīng)的降低趨勢，在同一時刻下降到接近地面的位置，而地面也恰好在此時出現(xiàn)極端大風(fēng)天氣；從崇左站的風(fēng)廓線來看，對流層中高層為較強(qiáng)的西北氣流，低層為西南氣流，近地面層開始為西北風(fēng)，逐漸轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，且風(fēng)速在迅速增大，形成強(qiáng)的地面輻散流場，進(jìn)而引起地面極端大風(fēng)的出現(xiàn)；從對應(yīng)的氣象要素分鐘變化趨勢來看，21∶10 左右氣壓開始驟降，21∶14 降到最低，之后又開始陡升，平均速度也在這期間迅速增大，21∶15 達(dá)到最大，對流風(fēng)暴強(qiáng)下沉氣流引起地面氣壓劇烈變化，下沉氣流接地后形成地面強(qiáng)輻散流場，使地面風(fēng)速迅速增大，進(jìn)而出現(xiàn)極端大風(fēng)天氣，這是一起典型的下?lián)舯┝髟斐傻牡孛鏄O端大風(fēng)天氣。

5 日00 時之后，輻合線開始在桂西南南部維持，輻合線附近仍不斷有對流回波生成發(fā)展并向偏東方向移動，而輻合線的北面則轉(zhuǎn)為大范圍的穩(wěn)定層狀云降水，從反射率因子剖面來看，有多個對流回波單體存在，而各單體的回波質(zhì)心均位于4km 以下的較低高度，具有明顯的暖云高效率降水特性，且這些回波單體在東移過程中不斷經(jīng)過同一地點(diǎn)，形成明顯的“列車效應(yīng)”，造成桂西南南部地區(qū)出現(xiàn)極端強(qiáng)降水。

7 結(jié)論

（1）此次過程前期以冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣為主，極端性強(qiáng)，破壞性大；后期以強(qiáng)降水為主，降水過程強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)、持續(xù)時間長，具有明顯的中尺度降水特征。

（2）過程主要由高空短波槽、低層切變線、急流和地面鋒面等動力條件共同作用下產(chǎn)生，地面輻合線是重要觸發(fā)機(jī)制，輻合線在桂西南南部一帶長時間維持，是造成該地出現(xiàn)持續(xù)性短時強(qiáng)降水天氣的主要原因。

（3）一定的對流抑制能量和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于出現(xiàn)極端性強(qiáng)天氣，低層強(qiáng)水汽輸送和深厚暖云層是過程后期桂西南地區(qū)高效率降水產(chǎn)生的主要原因。

（4）冰雹發(fā)生時具有明顯的三體散射和旁瓣回波特征，而局地極端大風(fēng)主要由下?lián)舯┝髟斐?，短時強(qiáng)降水發(fā)生時，具有低質(zhì)心和暖云高效率降水的雷達(dá)回波特征，且“列車效應(yīng)”特征明顯，有利于對流風(fēng)暴的有組織發(fā)展和極端降水的發(fā)生。