浙北地区一次强冷空气南下引起的雷雨大风分析

2012-12-07曹俊元杜惠良

浙江气象 2012年4期

曹俊元杜惠良

(1.杭州市气象台，浙江杭州310051;2.浙江省气象台，浙江杭州310017)

0 引言

2012年4月2日19:00前后，受低槽东移影响，在安徽中南部和江苏南部，新生一条东北西南向飑线回波，而后向东南方向移动，先后影响浙江北部地区，于3日2:00左右强对流回波移到浙江沿海地区后减弱消亡，强对流过程结束。强雷暴所经之地，气压升高，Δp3最大数值达(+10.3 hPa);气温剧烈下降，大部分地区降温在8～10℃之间，局地降温10～12℃。浙北地区出现了8～9级，其中湖州、嘉兴、杭州、绍兴和宁波共有16个测站出现9级大风。4月2日21:50，湖州市长兴县和平镇兴碛村私人茶场山顶采茶工临时住宿房因受雷雨天气和大风影响发生倒塌，致使多人被埋压，造成20多人受伤，7人死亡。

1 大尺度环流形势

1.1 高空形势特点

在这次强空气南下之前，欧亚上空为一槽一脊形势，4月1日08:00 500 hPa图上，在贝加尔湖至乌鲁木齐乌一线有下滑槽，温度槽落后于气压槽，槽前呈辐散状，在乌拉尔山附近及东部是暖高脊，由于暖脊、冷槽与高度脊、槽相对应，脊、槽都将发展加强。

4月2日08:00 500 hPa图上(图1)，低槽东移到了呼和浩特、榆林和兰州一线，槽后的高压脊在暖平流的作用下迅速发展，槽后偏北气流增大，槽后的西北风≥20 m/s以上。另外在青岛、南京、衡阳有一低槽，槽前有强西南气流向北输送水汽，槽后长江以北地区上空又有较强的冷平流，槽前有强西南气流，其下方的前部地面倒槽发展，地面倒槽北部伸展到辽东半岛。同时，700 hPa高空图上，槽线位于济南、郑州至安康一线，850 hPa高空图上，槽线位于天津、郑州和宜昌。由于850 hPa槽线与地面冷锋相重叠，700，500 hPa低槽位于850 hPa和地面冷锋槽前 4～5个纬距，即为前倾结构。而500，700，850 hPa槽前均为暖平流，副热带高压脊线在20°N以南地区，呈东北东－西南西走向，高空3层均有西南急流，急流轴线在南昌至上海一线，急流轴线上的最大风速分别为28，24和20 m/s。

2日20:00 500 hPa的低槽下滑生成一个移动性的低槽，此槽明显得到发展，且槽后上空又有深厚的干、冷西风槽配合，500，700 hPa的槽线相重叠，槽线位于蚌埠至长沙一线，850 hPa的槽线位于南京、安庆和长沙一线，而槽线与地面冷锋又相重叠。500 hPa槽后西北气流和冷平流都较大，500 hPa槽后蚌埠和安庆最大西北风达41 m/s;而850 hPa槽后蚌埠和汉口最大西北风也达20 m/s，槽前黄山西南西风只有6 m/s，此时槽前强对流出现的区域辐合明显增强。高空槽后有干冷平流和强劲的西北风动量下传，槽线与地面冷锋很近，冷锋锋面坡度很大，此时，500，700 hPa的槽线重叠，850 hPa槽线与地面冷锋相重叠。由此可见，北方冷槽深而陡，锋区狭窄、能量集中、上升运动十分强烈，一旦遇到合格条件，极易产生强对流天气。

1.2 地面形势

4月2日08:00地面图上强冷空气的前锋已到达秦皇岛、濮阳和汉中一线(图1)，锋后等压线很密集，冷中心为1040 hPa，最大Δp3分别在天水和宝鸡(+8.6和 +8.4 hPa)。2日20:00冷锋位于南京至长沙一线，锋后湖北、安徽和江苏中北地区有大范围的3 h正变量中心，Δp3最大中心在安徽肥东附近(+9.7 hPa)，23:00冷锋后部的3 h正变量中心移到安徽南陵和泾县附近，Δp3最大数值达(+10.4 hPa)，这些都是表明强冷空气即将迅速向南爆发;锋面所经之处都是出现了雷雨并伴有偏北大风。

图1 2012年4月2日高空与地面图的综合图

2 雷雨大风的形成条件分析

雷雨大风是积雨云强烈发展成熟后，从积雨云中下降的冷空气到达地面时所引起的大风［1］。雷雨大风出现时，往往地面风向突变，风速剧增，并带有明显的阵性。它的形成与天气形势有密切关系，它常出现在冷锋前，春、夏季节的积雨云里最易发生。强冷空气入侵时，地面冷锋前部的暖气团中，或低压槽附近，大气存在不稳定层结，此时最易形成强对流天气。

2.1 水汽条件分析

2.1.1 水汽的水平输送

4月1日08:00地面图上，西南倒槽强烈发展，其北部一直伸展到华北地区，长江中下地区均处在冷空气前部的暖区，由于锋前暖湿气流辐合增强，地面露点增大，形成一个东北东至西南西走向的露点高值区，其中心在南昌附近。2日08:00在杭州湾至宁波附近有气旋性弯曲，由于长江下游吹一致的西南风，南昌附近的高露点值向长江下游移动。2日17:00地面冷锋已到达盱眙至汉口一线时，同时安庆、杭州有辐合线，太湖附近有低压环流形成，安徽南部到苏南的露点温度明显增大，14:00在安徽中南部露点温度只有12～13℃，到17:00露点温度已升到14～15℃，20:00在安徽南部到太湖附近的露点温度迅速增大，最大值在江苏溧阳露点温度为16℃。随后强冷空气的入侵，强雷暴天气的爆发，气温和露点快速下降。19:00安徽中南部气温25～26℃，20:00后出现雷雨等强对流天气，地面气温和露点迅速下降，到21:00地面气温只有14～16℃，普遍下降到10～11℃之间。

这次强对流天气发生前的流场分析来看，地面处在强冷空气的前部，由于锋前有气流的辐合，水汽大量聚积在辐合线附近，同时850，700 hPa上均有低空西南急流，急流轴在南昌至衢州一线。由于低空一致吹西南气流，大量水汽源源不断地输送到长江中下游地区，加上地形的作用，浙江中北部地区的水汽不断增多。由2日08:00 850 hPa比湿图上(图略)可知，最大的比湿中心在湖南衡阳和江西吉安，分别达8.6和8.9 g/kg，湿舌伸展浙江北部到上海一带。在强西南气流的作用下，长江下游地区的比湿迅速增大，到20:00(图2a)衢州、杭州比湿增加了2.1 和1.4 g/kg，分别为8.8 和8.6 g/kg。由同一时间的850 hPa水汽通量散度场来看(图2b)，在低空急流轴上水汽通量散度较大，中心在湖南中部，中心数值达16.0 g/cm·hPa·s，水汽通量轴呈东北东向分布(图2c)，湿舌伸展到安徽南部至浙江北部地区，水汽通量轴与低空急流轴线基本重叠，在低空西南急流的作用下，20:00其中心已经到达安徽南部至浙江北部地区。在850，700 hPa槽线附近又是水汽的辐合中心，且有大量的水汽凝结，产生一定凝结潜热来维持强对流天气的发展。

2.1.2 水汽的垂直分布

强对流天气是比湿垂直递减率较大的区域，呈现上干下湿分布(图2d)，2日08:00，长江流域最大 Δq850－700值在长沙附近，值为5.8 g/kg，在西南风急流的作用下，Δq最大值向长江下游扩展，2日20:00南昌至衢州，杭州达 5.3 g/kg。

上述分析表明，从地面水汽的变化，850 hPa水平比湿分布及垂直变化，低层水汽增大，这为强对流天气出现提供了水汽和潜热;强对流区域上空上干下湿垂直分布，使气层成为对流性不稳定状态。

图2 2012年4月2日水汽水平分布及垂直分布情况

2.2 不稳定度分析

2日08:00长江下游地区700 hPa以下吹一致的西南风，增温明显，而500 hPa以上处在西风槽前冷平流降温区，故层结是不稳定。从Δt850－500可知(表 1)，2 日 08:00 各站的24 h Δt850－500变化值均大于1日08:00的24 h变化值，2日20:00各站上空的气层均比1日趋于不稳定。强对流出现的区域内2日08:00和2日20:00Δt850－500的变化值为正值，上空的气层不稳度趋于增大。进一步分析发现，位于强雷暴区域内的安庆2日20:00Δt850－500的变化的值最大的(7℃)，杭州2日20:00Δt850－500的变化的值为(3℃)。2日20:00Δt850－500达到27℃。高空500 hPa高空有很强的冷平流，长江下游地区2日20:00Δt24降温2℃以上，宁波和南昌上空降温幅度达3℃。在温度露点差场上来看，长江中下游地区500 hPa上层干区;而850 hPa低层有暖平流，长江下游增温明显，最大值出现在东南沿海，大陈岛2日20:00Δt24增温达8℃，而850 hPa又有低空急流和湿舌配合，此处气层极不稳定。

表1 Δt850－500气温变化情况 ℃

2日08:00长江下游地区从低层到200 hPa高度均处在槽前，而强对流又正处于强的辐合上升气流里，分析4月2日08:00武都到上海的空间垂直剖面图(图3)可以看出。2日08:00从低层到高空有二条槽线，在蚌埠至安庆的3～5 km上空的低槽，由于厚度不大，很快东移到海上，槽后给长江中下游地区高空降温降湿;另一条在蚌埠到汉口5～9 km上空的低槽，由于槽前干冷平流的下沉作用，到2日20:00 500 hPa的低槽下滑生成一个移动性的低槽，此槽明显得到发展，且槽后上空又有深厚的西风槽配合，500 hPa槽后西北气流和冷平流都较大，而500，700和850 hPa的槽线相重叠，槽线位于南京和长沙，500 hPa槽后蚌埠和安庆最大西北风达41 m/s，而850 hPa槽后蚌埠和汉口最大西北风达20 m/s，槽前安庆西南风6 m/s。因此，垂直剖面图上的两个低槽就是低层到高层的不稳定能量释放的触发机制。

图3 2012年4月2日08:00垂直剖面图

在Δθse(500－850)分布图上，长江中下游地区为位势不稳定区，长沙—南昌为负中心，强对流区域明显的位势不稳定区中，其中雷暴区与强不稳定轴线配合较好。位势不稳定环境也为对流性强降水提供了有利条件)(图4)。而850，700 hPaθse场上，θse强梯度区(图略)与强对流天气走向基本吻合，而θse轴与低空急流轴方向一致，强对流天气在低空急流轴与850 hPa的高能轴线附近和能量锋区上生成、发展，并向大值中心附近及其下风方向移动。

图4 2012年4月2日20:00 Δθse(500－850)分布图(单位:℃)

另外，高空急流对强对流天气也有重大作用，由于400～150 hPa北京、蚌埠、汉口一线有低槽，低槽后部有大范围的冷平流降温(Δt24为－1～－3℃)，使高空急流南压加强，长江中下游地区正好位于高空急流的下方。由于2日08:00 500，700，850 hPa高空3 层均有高、低空急流，急流轴线在南昌至上海一线，而强雷暴区域又恰好在高空急流带附近垂直风切变大值区的前方，v300/v850表示垂直风切变(图5)，高空大的风速垂直切变的动力扰动作用是触发造成强雷暴天气及大风的重要条件。

2.3 涡度、散度、垂直速度分析

从分析表明，高空槽后冷平流，槽前暖平流。高空槽前有高空急流，在对流中层有强风速区。槽前有明显的正涡度平流(图略)，造成的高空辐散能触发强对流天气发生。在850，925 hPa低层有发展的低涡或低涡切变线。低涡系统东南有低空急流存在，伴随其发展，有暖脊或暖平流和湿舌向北伸展。强雷暴天气出现在低空急流发展最盛的时候，暖湿舌的西侧。

图5 2012年4月2日08:00 v300/v850垂直风切变图(单位:m/s)

低层散度场来看，强对流出现在强辐合区中，2日20:00 850 hPa负辐散中心在南京附近(图略)，最大值达到－8 ×10－5/s。同时，在长江下游地区有一上升运动区(图略)，中心在靠近850，700 hPa低空急流左侧的芜湖到南京之间，中心值为－17.4×10－5hPa/s。另外，2日08:00急流轴上的风向切变在衢州至杭州之间，加上高空500 hPa的有明显的低槽下滑及快速东移、到2日20:00高空500，700和850 hPa的槽线相重叠，高空低槽稍落后于地面锋线，地面锋前暖空气活跃，当受到槽后有干冷平流和强劲的西北风动量下传影响时(图略)，促使气层对流发展，高空低槽下滑及快速东移是维持大范围辐合上升运动的重要机制，也是造成这次大范围雷暴大风的必要条件。

2.4 中小尺度系统对雷雨大风的作用

大尺度天气系统为雷雨大风提供了必要的条件，而中小尺度系统飑线的发展及移动，它与雷雨大风有直接的关系。通常，雷雨大风出现在强雷暴云发展的强盛时期［2］。

2日14时地面图上，在安徽霍山附近有一个中尺度低压(图略)，另外在太湖西部3省交汇处有辐合线形成，由于气流辐合，此处的气温、露点温度明显增高，17:00中尺度低压已到达溧阳附近的辐合区域内，18:00—19:00中尺度低压在太湖附近得到发展加强，在中尺度低压的北部安徽绩溪、宣城及江苏南部等地均出现雷阵雨及大风天气，20:00后中尺度低压向东缓慢移动，强雷暴天气在中尺度低压附近出现，21:30到达南通后中尺度低压入海，低压在海上强烈的发展，引导北方强冷空气快速南下，强对流天气强烈发展。

从雷达回波动态图上可以看到(图6)，其变化同中尺度低压，雷暴的强弱变化也基本是一致的。19:58杭州雷达探测，安徽绩溪、溧阳、南通一带呈带状分布，20:57雷达回波向东南移动，并分裂出2个强回波中心，一个在安徽绩溪和宣城一带，另一个长兴附近，回波进入长兴后迅速发展，到21:50长兴、湖州等地出现雷阵雨，并伴有9级以上的偏北大风。3日02:00后回波到达沿海一带，并逐渐分裂、减弱，趋于消失。

由上述分析看出，中尺度低压出现后向东南移动，当移入地面的辐合区域时，中尺度低压发展加深、移速缓慢，雷暴云团得到发展加强。

2.5 下降冷空气的强度

气团内部的雷雨大风与下降冷空气的温度有关［3］，而下降冷空气的主要层次是0℃所在的高度，下降气流是按湿绝热直减率变化的。从出现雷雨大风当天0℃层高度变化来看，2日08:00杭州0℃层高度基630 hPa附近，2日20:00 0℃层高度已上升到620 hPa附近，沿湿绝热线下降到地面的温度是18℃，当天地面最高气温是26.4 ℃，Δt=tg－tq=8.4 ℃，根据多年实际预报工作经验Δt≥8℃就会有雷雨大风出现。

从分析2日20:00小区域天气实况图上可知(图略)，温度锋和露点锋明显加强并有较大的交角，在这样的区域容易发展强烈对流。当时溧阳与芜湖露点差和温度差分别为6℃/100 km和5℃/100 km，且露点锋与温度锋在此地区的交角最大。当露点锋与温度锋的交角移到长兴到杭州时，出现了阵风8～9级的偏北大风，浙江北部沿海出现了10～11级的大风。

图6 2012年4月2日杭州雷达回波情况

3 强雷暴大风方法应用

强雷暴大风出现时间可通过绘制强雷暴移动路径图预报，强雷暴大风强度可用下式计算:

式中Vm为预报的最大风速;to为预报强雷暴到达本站时的气温。若强雷暴上午过境，因地面往往有辐射逆温，气温没有代表性，这时可用本站或邻近站的探空从近地面逆温层顶沿干绝热线下降到地面时的温度。tc为强雷暴后部冷温区中心值，如无冷温中心，则取强雷暴后部冷区中相信200～300 km处的最低的温度，由于正点气温不是最低的温度，根据多年实际工作经验在最低的温度上1℃作为tc值。用此式可在强雷暴到达本站前1～2 h报出强雷暴大风强度。

本例试报结果见表2。