大范圍暴雨發(fā)生前一次局地極端大風(fēng)天氣分析

摘 要：2022年6月26日13：00～17：00，臨沂市出現(xiàn)大范圍偏南大風(fēng)，14：15郯城縣高峰頭鎮(zhèn)最大瞬時風(fēng)速達(dá)37.2 m/s（13級）。利用多源氣象資料，重點探討了出現(xiàn)極端大風(fēng)的可能原因。研究表明：（1）此次極端大風(fēng)天氣發(fā)生在深厚的暖濕平流背景下，低層和地面的輻合提供了觸發(fā)條件。（2）強(qiáng)降水和冰雹的共同下沉拖曳作用是產(chǎn)生極端大風(fēng)的啟動機(jī)制。（3）中層明顯偏干且近地面近似干絕熱層，有利于風(fēng)暴中層夾卷，同時降水下沉拖曳啟動后降落到低層后還會進(jìn)一步蒸發(fā)，導(dǎo)致地面溫度驟降、氣壓涌升，強(qiáng)烈的冷池外流造成了地面的極端大風(fēng)。（4）被夾卷進(jìn)下沉氣流中的環(huán)境空氣（偏南氣流）在下降到地面附近的過程中將一部分南風(fēng)動量帶到地面附近，加強(qiáng)了偏南大風(fēng)。

關(guān)鍵詞：局地極端大風(fēng)；特征；成因分析；濕下?lián)舯┝?/p>

中圖分類號：P446 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

局地極端大風(fēng)是致災(zāi)性極強(qiáng)的中小尺度天氣，具有局地性強(qiáng)、時間短、破壞力大等特點。大范圍的極端大風(fēng)多出現(xiàn)在臺風(fēng)系統(tǒng)的影響下，或強(qiáng)冷鋒、颮線系統(tǒng)及特殊的地形環(huán)境，具有尺度大、生命史長、影響范圍廣等特征，易于監(jiān)測跟蹤。而局地極端大風(fēng)難以追蹤分析，對此，從跟蹤監(jiān)測、災(zāi)害角度出發(fā)研究局地極端大風(fēng)天氣具有重要意義。

氣象學(xué)者研究了產(chǎn)生極端大風(fēng)的環(huán)流背景和對流環(huán)境條件，形成了極端大風(fēng)天氣概念模型。相關(guān)學(xué)者對一次雷暴大風(fēng)的模擬結(jié)果表明，冰雹的融化和拖曳作用及雨滴蒸發(fā)等產(chǎn)生的負(fù)浮力在雷暴大風(fēng)暴發(fā)的過程中十分重要。廖曉農(nóng)等[1]分析了2006年6月24日北京地區(qū)一次罕見的瞬時極大風(fēng)速超過32 m/s的雷暴大風(fēng)事件，結(jié)果表明此次強(qiáng)雷暴大風(fēng)與鑲嵌在颮線回波帶中的弓形回波相關(guān)，下沉對流有效位能和對流層低層環(huán)境大氣溫度直減率明顯增加并接近干絕熱，對即將到來的下?lián)舯┝骶哂兄甘疽饬x。張家國等[2]對2007年7月27日鄂東地區(qū)雷雨大風(fēng)天氣過程進(jìn)行了中尺度分析，結(jié)果表明地形輻合線對中尺度對流系統(tǒng)觸發(fā)和加強(qiáng)起到重要作用。李彩玲等[3]分析了“3·21”臨桂大風(fēng)的環(huán)流背景與影響系統(tǒng)及其形成原因，得出此次下?lián)舯┝靼l(fā)生與極端強(qiáng)降水和冰雹的拖曳作用有密切關(guān)系，冰雹與雨水粒子的拖曳和融化蒸發(fā)作用使下?lián)舯┝骷訌?qiáng)，當(dāng)分鐘降水量大于3 mm時，風(fēng)速超過12級，當(dāng)分鐘降水量大于6 mm時，則出現(xiàn)17級極大風(fēng)速。禹梁玉等[4]分析了發(fā)生在江蘇沿淮地區(qū)一次下?lián)舯┝魇录?，得出下?lián)舯┝髟斐傻闹聻?zāi)大風(fēng)可能是由于同時發(fā)生的2個風(fēng)暴單體下?lián)舯┝鬏椛饬鞯耐虔B加、強(qiáng)變壓風(fēng)、強(qiáng)密度流和次級環(huán)流的加強(qiáng)等共同作用所導(dǎo)致。周后福等[5]分析了2016年5月2日皖西南發(fā)生的一次連續(xù)下?lián)舯┝魈鞖獾某梢?，得出?dāng)6 min降水達(dá)4 mm以上時，是發(fā)生下?lián)舯┝鞯恼髡?/p>

之一。

500 hPa環(huán)流背景分析表明，絕大多數(shù)雷暴大風(fēng)暴發(fā)時對流層中層有干空氣侵入，只有少數(shù)個例產(chǎn)生在偏南氣流中，對后一類大風(fēng)產(chǎn)生的機(jī)制仍不清楚，而此次山東省臨沂市郯城縣高峰頭鎮(zhèn)強(qiáng)對流過程發(fā)生前，中低空為一致的偏南氣流，濕層深厚，預(yù)報難度大，極端大風(fēng)發(fā)生后，臨沂市出現(xiàn)了一次大暴雨天氣過程，過程平均降水量147.7 mm[6]。因此，此次高峰頭鎮(zhèn)大風(fēng)很有研究價值。

此次所用資料為自動氣象站、探空、多普勒天氣雷達(dá)等監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中探空數(shù)據(jù)的時間分辨率為12 h，自動氣象站數(shù)據(jù)為1 h；多普勒天氣雷達(dá)時間分辨率為

6 min，反射率因子空間分辨率為1 km，徑向速度分辨率為0.25 km。

1 天氣實況和環(huán)流背景

1.1 天氣實況

受高空槽和西南暖濕氣流的共同影響，2022年6月26日下午至28日，臨沂市出現(xiàn)了一次大暴雨天氣過程。此次過程范圍廣、強(qiáng)度大。全市過程平均降水量147.7 mm；最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在莒南縣坪上鎮(zhèn)，為

53.6 mm。持續(xù)時間長，主降水時間段在26日14：00—27日08：00。此次降水使6月下旬降水量突破了歷史同期極值。26日13：00—17：00，全市普遍出現(xiàn)偏南大風(fēng)，郯城縣高峰頭鎮(zhèn)14：12最大瞬時風(fēng)速達(dá)37.2 m/s

（13級）。此外14：10～14：20，郯城縣高峰頭鎮(zhèn)和莒南縣鎮(zhèn)相溝出現(xiàn)花生米大?。s1 cm）的冰雹。

1.2 環(huán)境場及物理量分析

1.2.1 環(huán)流背景與對流潛勢分析

26日08：00，山東省位于南亞高壓脊線東部的分流輻散區(qū)。500 hPa西風(fēng)槽東移，副高西伸北抬控制沿江及江南地區(qū)，584 dagpm線位于蘇魯交界處，槽前氣壓梯度增大，引起低層氣旋性切變加強(qiáng)和地面減壓，850 hPa西南急流增強(qiáng)至18m/s，地面低壓倒槽加深，魯南地區(qū)位于西南急流軸前端和切變線右側(cè)的強(qiáng)烈輻合區(qū)。根據(jù)相關(guān)學(xué)者基于對流發(fā)展條件對天氣背景的劃分，這是一次典型的低層暖平流強(qiáng)迫類強(qiáng)對流天氣，低層暖濕平流的顯著增強(qiáng)，對不穩(wěn)定層結(jié)的建立和水汽輸送起到重要作用。

23日臨沂平均降水量33.9 mm和24、25日連續(xù)兩天的高溫天氣為強(qiáng)對流發(fā)展提供了水汽和熱量積累。從T-lnP圖來看，具有以下典型特征：呈現(xiàn)喇叭口形態(tài)，濕層伸展至500 hPa；中層400～500 hPa間溫度露點差普遍＞16 ℃；對流有效位能值2 800 J/kg，基于14：00臨沂市2 m氣溫和露點訂正后的對流有效位能值＞4 300 J/kg（14：00臨沂市2 m氣溫和露點分別為33 ℃和26 ℃），抬升指數(shù)-5 ℃，K指數(shù)43 ℃；0～6 km垂直風(fēng)切變13 m/s；濕球零度層高度4.8 km。從位溫廓線圖來看，地面至500 hPa存在顯著的條件性不穩(wěn)定層結(jié)，且假相當(dāng)位溫廓線更靠近飽和假相當(dāng)位溫廓線，這也說明不穩(wěn)定的建立和維持主要由低層暖濕平流強(qiáng)迫導(dǎo)致。

綜合天氣背景和探空分析，對流有效位能強(qiáng)、垂直風(fēng)切變中等偏弱，暖云層深厚，有利于短時強(qiáng)降水。中層干平流的侵入加強(qiáng)了風(fēng)暴夾卷作用，近地面干絕熱層加劇了降水蒸發(fā)冷卻效應(yīng)。結(jié)合章丘探空圖，其中層最大溫度露點差＞40 ℃，可以推斷隨著西風(fēng)槽迫近，中層還將顯著變干，有利于雷暴大風(fēng)產(chǎn)生。同時，濕球融化層高度偏高，不利于大冰雹產(chǎn)生，可能在強(qiáng)烈發(fā)展的風(fēng)暴過程中產(chǎn)生小冰雹。

1.2.2 物理量場分析

從強(qiáng)對流發(fā)生前（26日14：00）各物理量來看，魯南條件最好，對流有效位能值高達(dá)4 000甚至＞4 500

J/kg。700 hPa上，臨沂市位于-30×10-6 s-1的輻合中心，

整層氣柱水含量＞65 mm，500～1 000 hPa垂直風(fēng)切變?yōu)?.5×10-3 s-1左右。這與以往研究中“在較高對流有效位能和相對弱的垂直風(fēng)切變環(huán)境下同樣可能產(chǎn)生強(qiáng)烈單體”的結(jié)論一致。

從垂直速度和散度的剖面圖（圖1）可看出，郯城縣高峰頭鎮(zhèn)（實心三角）附近700 hPa以下為強(qiáng)輻合和上升運動中心。一旦有觸發(fā)條件，對流單體將會迅猛發(fā)展。

2 雷達(dá)特征分析

強(qiáng)對流系統(tǒng)初始的觸發(fā)在暖區(qū)一致的南風(fēng)中。26日13：00，江蘇省宿遷市周邊在地面輻合線附近觸發(fā)對流，多個分散的雷暴不斷組織合并，向東北方向傳播發(fā)展，同時在魯南西部有多個分散的對流發(fā)展，向東偏東南方向移動；13：30，上述2個區(qū)域中的雷暴繼續(xù)發(fā)展并逐漸靠近，郯城縣至新沂市一帶位于雷暴出流與地面低壓暖區(qū)一側(cè)偏南風(fēng)之間的中小尺度輻合區(qū)內(nèi)，有利于對流持續(xù)發(fā)展。之后在靠近郯城縣邊界的位置有新生單體觸發(fā)，至14：00，風(fēng)暴進(jìn)入郯城縣境內(nèi)，發(fā)展迅速并北移影響高峰頭鎮(zhèn)。

注：（填圖為垂直速度，單位為10-7 hPa/s，等值線為散度，

單位為10-6 s-1）

從“風(fēng)暴追蹤”產(chǎn)品STI可以看出，造成高峰頭鎮(zhèn)13級大風(fēng)的風(fēng)暴為一次生命史長達(dá)2 h的長壽命超級單體。

14：10～14：30，主要影響高峰頭鎮(zhèn)。其中13：54～

14：06，2個體掃內(nèi)反射率因子由55升至70 dBz，基于風(fēng)暴質(zhì)心的VIL值由55 kg/m2增至80 kg/m2。從反射率因子剖面圖（圖2a）可以看出，65 dBz的強(qiáng)回波伸展至9 km以上，有明顯的強(qiáng)上升氣流造成的回波懸垂，ET高達(dá)17 km，14：12，風(fēng)暴質(zhì)心快速下降（圖2b）。14：00

～14：30，30 min內(nèi)累計降水量為30.3 mm，有記錄到花生米大小的冰雹和37.2 m/s的極端偏南大風(fēng)天氣。

14：12，低層0.5°仰角上（圖3），郯城縣高峰頭鎮(zhèn)附近出現(xiàn)大風(fēng)核，距地面高度1.5 km左右，流向雷達(dá)的最大速度值達(dá)34.5 m/s，是一次下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)。在其南側(cè)為流入相對偏弱的區(qū)域，可能是由于環(huán)境偏南風(fēng)與雷暴下沉氣流及雷暴向北移動有關(guān)，近地面呈現(xiàn)非對稱的輻散風(fēng)場特征，這說明極端雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生主要源自雷暴內(nèi)強(qiáng)烈下沉氣流疊加風(fēng)暴的環(huán)境風(fēng)動量下傳。

從極端大風(fēng)發(fā)生前（14：00）徑向速度剖面產(chǎn)品（圖4a）可以看出，中層徑向輻合層厚度達(dá)到10 km，中層徑向輻合加強(qiáng)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)性加大、直徑減小、厚度增加，對雷雨大風(fēng)有加強(qiáng)作用。極端大風(fēng)發(fā)生時，近地面強(qiáng)輻散（圖4b）。

3 結(jié)論

基于上述雷暴影響階段的雷達(dá)特征，可推斷造成郯城縣高峰頭鎮(zhèn)極端大風(fēng)的可能原因主要有以下三點。

（1）拖曳啟動作用。14：00～14：30郯城縣高峰頭鎮(zhèn)降水量為30.3 mm，伴有花生米大小的冰雹天氣，14：12

觀測到37.2 m/s的偏南大風(fēng)。極端大風(fēng)發(fā)生在強(qiáng)降水已經(jīng)開始且伴有冰雹天氣的階段，說明強(qiáng)降水和冰雹的共同下沉拖曳作用是產(chǎn)生極端大風(fēng)的原因之一。

（2）夾卷和蒸發(fā)冷卻效應(yīng)。結(jié)合前述天氣形勢和探空特征，中層明顯偏干，且近地面近似干絕熱層，有利于風(fēng)暴中層夾卷，同時，降水下沉拖曳啟動后降落到低層后還會進(jìn)一步蒸發(fā)，導(dǎo)致地面溫度驟降、氣壓涌升，強(qiáng)烈的冷池外流造成了地面的極端大風(fēng)。郯城縣高峰頭鎮(zhèn)14：00～14：20溫度驟降10 ℃。

（3）動量下傳。被夾卷進(jìn)下沉氣流中的環(huán)境空氣（偏南氣流）在下降到地面附近的過程中將一部分南風(fēng)動量帶到地面附近，加強(qiáng)了高峰頭鎮(zhèn)的偏南大風(fēng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖曉農(nóng).北京地區(qū)一次罕見的雷暴大風(fēng)過程特征分析[J].高原氣象，2008，27（6）：1350-1362.

[2] 張家國，王平，吳濤.鄂東一次下?lián)舯┝魈鞖獾闹谐叨确治鯷J].氣象科學(xué)，2010，30（2）：239-244.

[3] 李彩玲，蔡康龍，黃先香，等.桂林一次強(qiáng)下?lián)舯┝鞒梢蚍治鯷J].氣象，2021，47（2）：242-252.

[4] 禹梁玉，王嘯華，顧榮直，等.江蘇一次下?lián)舯┝鬟^程致災(zāi)大風(fēng)成因分析[J].熱帶氣象學(xué)報，2021，37（Z1）：801-811.

[5] 周后福，刁秀廣，趙倩，等.一次連續(xù)下?lián)舯┝魈鞖獾某梢蚍治鯷J].干旱氣象，2017，35（4）：641-648.

[6] 廖曉農(nóng).北京雷暴大風(fēng)環(huán)境特征分析[J].氣象，2009，35（9）： 18-28.

收稿日期：2024-03-11

基金項目：山東省氣象局重大天氣過程專項（SDTQ2022-07）。

作者簡介：毛國榮（1992—），山東臨沂人，中級工程師，研究方向為天氣預(yù)報預(yù)警與防災(zāi)減災(zāi)。#通信作者：劉新磊（1996—），內(nèi)蒙古林西人，助理工程師，研究方向為天氣預(yù)報預(yù)警與氣候變化，E-mail：atmosliu2013@163.com。