2016年一次南支槽引起的中-α尺度飑线天气过程分析

龚 婉，闫信会，杨素雨

(1.云南省德宏州气象局，云南 芒市 678400；2.云南省气象台，云南 昆明 650034)

1 引言

飑线(squall line)是由多个活跃雷暴单体排列成线状或带状的中尺度对流系统(MCS)，其发生时常伴有雷暴大风、冰雹灾害性天气，因此对飑线的研究一直受到普遍关注[1]。随着多普勒雷达网的建成和风廓线仪等新型观测手段的应用，一批弓形回波雷暴大风的观测研究涌现，从强对流短时临近预报的角度分析了弓形回波发生的天气尺度环流背景和雷达回波特征[2]，但是，对南支槽天气背景下产生飑线探讨较少。因此，本文利用包括云南多普勒雷达站(CINRAD/CC,体扫模式VCP11)等资料，分析2016年4月19日发生在云南中-α尺度飑线的发展、维持及致灾原因和地面风害成因，为云南短时临近预报提供依据。

2 雷暴大风概况

2016年4月19日14—23时，在云南境内自德宏州北部向东至滇中以南的11个地州出现了雷暴大风天气过程，全省有57个大监站出现85个站次小时极大风速达17 m·s-1及以上，7～8级大风占大风站次的46%，9～10级占大风站次的54%，其中姚安、澄江、华宁、峨山、建水极大风速在30 m·s-1以上，过程极大值为建水站39.4 m·s-1。过程初期风向以SW-WSW为主，飑线移至滇中时逐渐转为W-NW。该过程以雷暴大风为主并伴随局地冰雹和短时强降水。这次过程与一般对流性天气时间短，局地性强的特点不同，从下午13—23时在云南持续了近10 h，大风造成全省11个州市24个县113个乡镇12.64万人受灾，6人死亡(其中楚雄、曲靖、玉溪、保山各1人，临沧2人)、26人受伤、354人紧急转移安置，农作物和经济作物不同程度受灾，房屋不同程度受损。直接经济损失0.92亿元。这样大范围、长时间的飑线天气，在云南较罕见。

3 资料和方法

本文采用常规地面观测资料，高空资料根据国家气象中心《中尺度天气图分析技术规范》进行中尺度环境场分析。利用红外、可见光、水汽、TBB等卫星资料对MCS的发生发展进行分析。利用云南6个多普勒雷达站资料(全部雷达型号均为CINRAD-CC,体扫模式VCP11)从临近预报角度对雷暴大风进行分析。雷达站各参数见表1。

表1 云南5部雷达参数Tab.1 5 radar parameters in Yunnan

4 对流潜势条件分析

4.1 中尺度分析

对2016年4月19日08时云南中尺度环境场特征进行分析(图1)。云南在700 hPa上处于T-Td≤5 ℃的湿区，相对湿度在70%以上，滇西有明显湿度大值中心，相对湿度在85%以上，满足强对流天气所需的水汽条件。垂直温度梯度上在云南整个中部以南的大部分地区T700-T500在16 ℃以上，云南南部普洱和红河两个站的T850-T500分别为25 ℃和24 ℃，至20时增大至34 ℃和29 ℃，维持较好的不稳定条件并且有所加强。

08时高原南侧有一前倾结构的南支槽已东移至95°E附近，在500 hPa和850 hPa上此南支槽的温度槽明显落后于高度槽，表明该槽将要发展加强，槽前有强烈的上升运动。500 hPa温度槽从高原南侧东伸至云南西部，冷空气在滇西边缘聚集形成冷中心，冷中心垂直对应850 hPa上的暖脊，在高层冷平流南侵与边界层暖平流形成差动温度平流，使得大气层结不稳定。700 hPa和500 hPa急流穿过整个云南，急流核的辐合区位于滇西地区；850 hPa上低空急流的出口区也位于滇西，急流核达到12 m·s-1，在850 hPa低空急流核辐合区的前侧有强的对流云系发展，该云系是短时时段内影响云南产生雷暴大风的云系。急流的存在还造成中低层大的垂直风切变：700 hPa急流轴附近及以南的地区0～3 km的垂直风切变达到20～24 m·s-1，0～6 km垂直风切变在滇中以西的地区达到20～26 m·s-1，到20时强垂直风切变强中心东移至滇南地区，并维持20～26 m·s-1。通过与实况对比，大风天气的落区与08时0～3 km垂直风切变在大于22 m·s-1的区域较吻合，可作为雷暴大风预报的依据之一。滇西、滇南地区不仅有风速的垂直风切变，近地面层还存在偏南气流与强的偏西气流的风向切变。蒙自、昆明、普洱、腾冲的T-lnp图上显示，大气垂直方向上也显示出上干冷、下暖湿的不稳定层(图略)。4个站的假相当位温θse均随高度减小，其中昆明、腾冲站在500 hPa高度附近有直线性突降，说明大气中层已被冷空气占据。

08时的高空中尺度分析云南中部以南的大部分地区已具备不稳定层结、强的垂直风切变、水汽条件这3个强对流发生的必须条件。

在飑线经过时，地面的中尺度特征为飑线后部有-12～-5 ℃/h的强烈降温，温度低至12～17 ℃为飑线后部冷池。在几乎与冷池相同的区域有1 010 hPa以上的雷暴高压，小时正变压2 hPa/h以上。飑线南段东南侧地面干热，有30 ℃以上的暖中心，与飑线后侧冷湿的中尺度特征形成明显的不连续，使得雷暴大风下沉气流底部冷空气和周围暖空气形成较大的温差，温差越大，下沉气流流出的强度越大，所造成的雷暴大风越强。这种强的温度和湿度梯度特征使得飑线向南延展和加强，增加大了飑线的影响范围。另外，午后500 hPa、700 hPa风速加强，飑线滇东地区热低压发展，动力和热力的层结不稳定使动量下传的作用增强，对飑线有明显的增强作用，使飑线长时间的维持。

4.2 有利于大风产生的对流参数

4月19日08时，滇西滇南边缘局部地区CAPE值仅为200 J/kg，至14时，其范围迅速扩大到滇中及以南地区，滇西、南滇、滇东迅速增至1 000 J/kg以上，滇南边缘增幅最大，达1 500 J/kg。当CAPE呈现上升趋势并且CAPE>1 000 J/kg时出现雷雨大风的概率高达77%[4]。

4月19日08时，DCAPE的大值区在青藏高原南侧至云南西南缅甸、老挝、越南一侧，云南西部德宏边缘至普洱、版纳及文山边缘有600～800 J/kg的DCAPE值。14时DCAPE的范围明显向北扩大至滇中及滇东北，强度加强至600～1 200 J/kg，20时DCAPE的范围相对南缩，但云南南部依然维持800～1 200 J/kg的DCAPE值。负浮力做功引起的下沉气流速度为：

(1)

经计算，下沉气流的速度在-34～-49 m·s-1。对于正在做下沉运动的气块来说，DCAPE越大，则它到达中性浮力层或地面时的速度越大，越有利于地面强阵风的出现[5]有非常利于地面强风的出现。

由于DCAPE假设下沉气流饱和，而且对起始下沉高度干燥度很敏感，那么基于垂直运动方程中下沉运动的强迫机制而引入的大风指数则充分考虑了强下沉气流常不饱和的特点，能弥补DCAPE的不足[1]。为了进一步分析这次大风过程的成因，引入McCann为预报下击暴流提出的一个大风指数—WINDEX ，该经验性指数反映了中低层温、湿特性对地面大风可能产生的共同作用，其表达式为：

WINDEX=5[HMRQ(I2-30+QL-2Qm)]0.5

(2)

WINDEX的单位为knot(mi/h)，乘以0.514 7就可以转化为m·s-1[6]。

利用4月19日08时探空资料,计算出云南区域的风速在18.84～25 m·s-1之间。已经达到大风的标准，与绝大多数站点出现的极大风速相吻合，对这次大范围的雷暴大风过程的预报有较高的指示意义。

5 卫星云图特征

5.1 飑线云系特征

2016年4月19日08时在红外云图中，青藏高原南侧同纬度上有两个发展旺盛的中—β尺度的对流云团并排向东移动，两个对流云团的强度逐渐减弱，尺度减小。10时两个减弱的对流云团在90°E附近合并，形成一个较弱的对流单体，11时在可见光云图上看到发展的对流云团四周出现了明显的长卷云砧。12时30分的可见光图像中(图略)东侧卷云砧演变成较光滑清晰的边界，向西南方向延长，出现颮线云团的特征。13时，飑线云团的东侧光滑的边界处出现出现了3条相连的弧状云线，判定为该对流云团的出流边界，14时，弧状云线逐渐发展起来形成逗点状云系的尾部。15时发展的对流云系移至云南西部开始影响云南，德宏盈江西北部山区开始出现雷暴大风天气。此时，逗点云系尾部移至不稳定的大气环境中，触发对流单体的发展形成有组织的弧线状的积云带。伴随着弧状云带的东移，引发新的深层对流，扩大了雷暴大风的范围，这时飑锋定在逗点云团的前界到弧状对流云线上，大风的风向和强度不仅出现在逗点云前界，还出现在弧状对流云线上(图略)。16—17时可见光云图上云团色调明亮，范围增大，东南边界向前凸起，出现上冲云顶区(风暴核)，南端的弧状对流云带在对流单体不断发展的条件下在滇南普洱地区得到加强逐渐弥合成为范围更大的对流云团。当云团降水加强时，在降水粒子的拖曳作用下风速加强。

在此次雷暴大风过程中，对流单体12—17时的云顶亮温最低在214 K左右(-59 ℃)，-42 ℃冷云盖的面积变化不大。18—19时云顶亮温骤降至204 K(-69 ℃)，-42 ℃冷云盖面积迅速扩大。对流云团的东侧和东南侧TBB维持较大的梯度，即飑锋的位置。强对流天气发生在TBB梯度大值区和云顶亮温的低值区。20时后，对流的主体部分成熟衰减，弧状云线激发的对流发展为强的对流单体影响云南南部。

5.2 飑线云团与其他云团的相互作用

在MCS发展过程中不断有对流云合并的过程，每一次对流云的合并都加快了对流云的发展，加强对流云的持续时间。17时的红外云图中(图2)A是对流单体的主体，B、C、D、E是弧状云线上发展起来的小对流云单体，F是弧状对流云系东侧的对流单体。随着云团的发展B逐渐合并到A中。18时A接着吞没对流云带前部的F与之合并。此时对流云团C独自发展，D和E合并。19—20时，发展旺盛的C也合并到对流主体A中，形成中-a尺度的对流云团。D、E合并后的对流云团D、E在移至红河南部时，有明显的减弱，但在21—23时与在西双版纳东侧新生的对流单体合并到增强，对流云团又重新发展起来影响红河和文山地区。

图2 2016年4月19日17—23时红外云图Fig.2 IR cloud image at 17∶00-23∶00 April 19, 2016

在MCS的发展和维持过程中，对流系统内部的对流云团相互合并，使对流系统得以增强；在系统东移且即将消散的阶段又与MCS以外的新生单体合并。合并过程不仅促成中尺度对流系统的生成，使得云体增强发展，而且为对流系统维持补充了能量，使系统生命史延长[7]。

6 飑线的雷达特征分析

利用云南5部雷达的资料和全省雷达拼图资料进行分析。4月19日14时德宏站雷达站西北部回波出现一条强度在45 dBz，长度在60 km左右的带状回波(中-β)，从德宏西北部移入云南，其后部的入流急流在雷达上出现了速度模糊的现象，通过退模糊计算，风速达到32.3 m·s-1。在该飑线不断东移的过程中，南端的弧状对流云线触发的对流单体不断发展，至保山临沧时形成一个200 km长的中-α尺度弧状排列的雷暴群，该雷暴群在19时20分，发展到从昆明—玉溪—普洱一线约500 km长的弧状对流云带(图略)，在弧状对流延长的同时，飑线后部的入流急流范围不断增大，强度增强，当飑线至昆明站时(图3)飑线后部的径向速度已达到34.9 m·s-1。此时，弧状云带北端的强度在45 dBz左右，南端对流云带上的雷暴单体弥合程度并不高，但强度多在55 dBz以上，还处于发展阶段。在弧状云线逐渐向滇东移动时，云带弥合程度越来越高，趋于成熟。飑线从中-β尺度增强为中-α后维持了近9 h。

图5 2016年4月19日昆明雷达站18时52分0.5°仰角基本反射率和径向速度Fig.5 Elevation on 0.5°base Reflectivity and Radial velocity at 18∶52 April 19, 2016 Kunming-radar station

根据统计，这次过程有56个站的大风是产生在弓形回波上，有4个站次产生在弓形回波后侧的入流急流中，并且有3/4站次的大风出现在飑线的北段。在飑线移动的过程中产生大风的同时部分地区伴随有冰雹发生，在保山和红河、玉溪地区有短时强降水的发生。

经过对此次过程的研究，雷暴大风集中发生在后部有较强入流急流的飑线凸部或飑线上发展旺盛的对流单体中。

值得注意的是，当飑线移过德宏进入保山时15时40分(飑线的起始阶段)北段飑线已失去了带状雷暴的组织性，最大组合反射率逐渐减弱至40dBz左右，在径向速度上其后部的入流急流范围却有所增大，急流在径向速度上的结构非常清晰，出现了速度模糊，造成保山腾冲等地的大风天气。此段飑线在移过保山后重新有组织的发展起来形成新的雷暴带。

该强风暴天气系统的中尺度环流还有一个明显的特征，即中层径向辐合(Mid-altitude Radial Convergence Charateristics，MARC)，Przybylinski 等对中层径向辐合特征(MARC)与地面大风的关系进行了详细的研究，将MARC定义为沿雷达径向6 km的范围内最大入流和出流速度的差值，而且他们的研究表明在3～7 km的范围内，如果MARC值能够达到25 m/s以上，就可以提前30～3 5min预测地面大风，而最大MRAC特征值先于大风10～20 min出现[9]。从普洱站18时10分的基本反射率来看，南段的飑线最大反射率因子强度达到55 dBz，飑线开始逐渐的弥合起来，并出现中气旋，表明飑线还在不断的发展过程中。18时21分1.5°仰角的多普勒雷达径向速度图的特征来看，出现的正负速度辐合线，最大辐合达25.1 m/s，为较强的MRAC特征。表示此时对流单体内部强上升气流与后侧急流之间的过渡区域，这一区域与近地面强的外流气流密切相关，并且近地面的强外流气流位置位于最强中层辐合中心的下方。从垂直剖面上看在中尺度环流的垂直剖面上有一支从边界层开始倾斜上升到对流层顶的暖湿气流和一支中空干冷空气的下沉气流(图4)。在该过程中强阵风发生的测站附近有冰雹灾情的发生而且雷达观测也表明产生下击暴流的单体具有雹云特征，由此可推测，该过程中冰雹和降水的拖曳和融化对地面强阵风的产生有一定贡献。该过程中飑线的南段在18时10分出现MRAC的特征后分别在19时03分澜沧站，19时05分镇沅站和19时50分宁洱站出现了大风天气。也就是说用MRAC特征预报这3个测站的大风天气能够提前40 min以上。

图4 2016年4月19日普洱雷达站18时21分0.5°仰角径向速度和径向剖面Fig.4 Elevation on 0.5°Radial velocity and vertical plane at 18∶21 April 19, 2016 Puer-radar station

7 结论

这次过程是在满足了不稳定层结、水汽、抬升触发三个条件和强的垂直风切变的条件下造成的。通过中尺度分析结合大风指数等参数的分析能够预报短时时段内大风出现的可能性，强对流天气的落区主要在T700-T500≥16 ℃(或T850-T500≥20 ℃)的地区，出现大风的区域与08时0～3 km垂直风切变≥20 m·s-1的区域极其吻合。强的垂直风切变的维持、中低层急流的加强、动量下传作用增大以及对流云团的合并是飑线维持较长时间的主要原因。

弧状云线是这次大范围雷暴大风天气的另一触发条件，强对流发生在红外亮温不断下降和冷云盖面积增大的时段中，大风主要出现在TBB梯度大的对流云团前侧。对流云团的合并起到增强对流的作用，延长MCS生命史。

弧状回波(飑线)是这次大风过程的雷达特征，是造成这次雷暴大风灾害性过程的主要原因，大风出现在后侧有明显的入流急流的前侧弓形回波上，少数站点的大风是出现在后侧的入流急流中。弓形回波和中层径向辐合可以作为大风预报的依据。

参考文献

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