一次下击暴流风暴的成因和结构特征分析*

竹 利,康 岚,王碧波

(1.四川省南充市气象局，四川 南充 637000；2.四川省气象台，四川 成都 610072)

1 引言

Fujita等(1978)把下击暴流定义为地面上水平风速大于17.9 m/s、中空气流向下、地面气流为辐散或直线型的灾害性风，并根据外流的灾害性范围大小，又把下击暴流分为宏下击暴流(尺度>4 km，持续时间>10 min)和微下击暴流(尺度<4 km，持续时间<10 min)。下击暴流因具有强的下沉气流和强的低空风切变，往往造成大树连根拔起、房屋倒塌、飞机坠毁等恶性事故，造成巨大的生命与财产损失。国内外气象学者对下击暴流展开了一系列的研究。Atkins等(1991)统计研究了美国南部的湿下击暴流发生的环境条件，结果表明，地面到对流层中层的假相当位温差>20 ℃时非常利于湿下击暴流的发生，而假相当位温差<13 ℃时没有湿下击暴流发生。强的反射率因子核快速下降、雷暴云中径向辐合以及旋转可以预报下击暴流[4，8，13]。Zhe feng等[6]研究指出相交的冷池较单个冷池多触发73%的对流，这是由于交叉冷池的强外流辐合，提高上升气流的速度高达45%。胡文东等[7]对一次阵风锋触发的强对流过程进行分析表明，在环境背景条件分析基础上,结合雷达资料的阵风锋初生、发展、运动情况,可望提前1 h左右发现触发新生对流征兆。刁秀广等[9]利用多普勒天气雷达资料，对发生在山东境内的3次下击暴流进行了分析，研究表明三次风暴中层为明显的气旋性旋转上升气流结构，利于风暴发展和维持，近地层速度图上表现为辐散结构。张家国等[10]对鄂东一次下击暴流分析表明，地形辐合线对中尺度对流系统(MCS)触发和加强起到重要作用。尽管上述研究对一些下击暴流风暴个例的触发机制和雷达回波特征都有了较好的认识，但下击暴流大风天气仍然是预报的难点，需要对更多的此类天气的个例进行分析研究。为了进一步加深对下击暴流风暴触发机制和结构特征的认识，本文将利用地面自动站、雷达、卫星等观测资料以及FNL数据、视频资料，对四川盆地一次下击暴流风暴的成因和结构特征予以详细分析，以期对四川盆地下击暴流的监测、预报预警提供依据和参考。

2 天气过程简介

2017年7月28日17时35分—18时(北京时间，下同)，四川省南充市的高坪区和顺庆区先后遭受大风、冰雹和短时强降水袭击，瞬时风力达10级以上，其中国家气象观测站高坪站(距离下击暴流中心约2 km)监测到极大风速为26.1 m/s，极大风速出现时间为17时49分,瞬时风速最大值出现时间为17时40分，达到19.6 m/s，造成两人不幸被大风吹倒的大树砸中而身亡。根据现场灾情调查，受灾区域里折断或倒伏的树木都是倒向同一方向，表明影响区域的大风具有明显的直线型大风特征。此次灾害性大风天气过程由两个相继发展的对流单体分别产生的2次下击暴流造成，其中影响高坪城区的下击暴流发生过程被完整地拍摄记录下来。由于第二个下击暴流风暴距离雷达站很近，无法对其雷达回波特征进行详尽的分析，本文主要对第一个下击暴流雷达回波特征进行分析。

3 天气背景条件

3.1 天气形势

7月28日08时(图1a)500 hPa河套以西—甘肃兰州为高空槽，副热带高压控制着华东、华中以及四川盆地，高压脊线位于32°N附近，呈东西向分布；925 hPa甘肃陇南—河南郑州为能量锋区(假相当位温梯度大值区)，盆地西部偏北风引导干冷空气从广元进入盆地，与盆地东部的偏东风在盆地中部形成辐合，同时湖北十堰地区也存在着明显的干冷平流。14时(图1b)，500 hPa高空槽东移，副高西伸增强，盆地完全受副高脊线控制，中高层风场呈反气旋性流场(图略)，因此，此次强对流天气过程预报难度较大；925 hPa湖北西北部的强干冷平流东移南压至湖北中部，同时湖北经重庆中部至四川受弱偏东气流影响，存在弱的干冷平流。20时(图1c)，副高脊线仍控制着盆地；925 hPa湖北中部至盆地中部为明显的冷舌，并伴有干冷平流，低层偏东风引导的干冷空气，有利于触发此次强对流天气的产生。14时地面图(图1d)陕西、宁夏一带为高压影响，盆地中部为低压中心，有弱辐合存在。

3.2 大气层结条件

从重庆沙坪坝站(距离下击暴流发生地偏南约130 km)的28日08时探空资料分析，K指数为44 ℃，SI指数为-2.1 ℃，CAPE值为995.6 J/kg，表明环境场能量较高，层结不稳定。CIN为287.6 J/kg,表明近地层有一定的对流抑制能量存在，有利于能量的累积。垂直风切变较弱，不利于大尺度对流系统组织发展。温度和露点曲线呈细长的上下喇叭口状，有利于大风类型的强对流产生和发展。统计重庆沙坪坝探空站过去30 a的探空历史资料发现，27日08时该站850 hPa温度以及850 hPa与500 hPa温度差均是历年7月份的最大值，分别为27 ℃和30 ℃。同时高坪国家观测站在27日和28日白天地面2 m温度达到40 ℃，突破该站有气象记录以来极值。从广元剑阁站(距离下击暴流发生地偏北约150 km)28日14时探空资料分析(图略)，K指数为46 ℃，SI指数为-3.3 ℃，CAPE值为3 049 J/kg，表明环境场能量较高，层结极不稳定。DCAPE为201.6 J/kg,有利于对流系统内强下沉气流的产生，从而形成地面大风。

图1 2017年7月28日08时(a)、14时(b)、20时(c)500 hPa高度场(粗实线)和925 hPa风场、假相当位温(细实线，单位：℃)、散度场(虚线，10-5s-1)以及14时地面海平面气压场(细实线，单位：hPa)、风场(d)Fig.1 500 hPa geopotential height field (thick solid line) and 925 hPa wind field, pseudoequivalent potential temperature(thin solid line), divergence field (dotted line)at 08∶00(a), 14∶00(b), 20∶00(c) and sea surface pressure field (thin solid line), wind field at 14∶00(d) on July 28, 2017

4 触发机制

4.1 地面中尺度辐合线

17时，随着河套附近的地面高压东移南压，四川盆地位于高压西南侧，近地层主要受偏东风影响(图略)。17时10分，近地层偏东风在南充市偏南地区形成一条长约40 km的南北向地面中尺度辐合线(图2b)，同时，在该辐合线附近也存在一南北向线状云系(图2a中圆圈处)。仔细分析10 min一次的葵花可见光云图和5 min一次地面风场图(图略)发现，该辐合线和线状云系从16时50分出现并一直持续到17时20分，且位置维持不变，表明线状云系是由这一地面中尺度辐合线影响而产生的。从图3中的线状云系的演变情况可以看出，17时50分(极大风速出现时间为17时49分)对流云团发展最旺盛(图2d)，产生此次下击暴流大风天气的对流风暴是由该线状云系发展形成的。

4.2 阵风锋

28日17时17分南充站雷达的2.4°仰角反射率因子图(图3a)显示，在雷达站西南向约30 km处有一强多单体风暴A，对应图2a中的对流云系A，其东北侧约10 km处有一东南西北向的弱回波带(图3a橙色圆圈处)，回波带的反射率因子<15 dBz。弱回波带的径向速度为一致的入流负速度(图3b)，最大入流速度达10 m/s，且弱回波带前侧(光标处)有较明显的风速辐合，因此判断该弱回波带为风暴A中的出流与近地层暖空气辐合形成的阵风锋。到下个体扫(27分)时，该弱回波带向东北方向(朝着雷达站方向)移至距离雷达约14 km处，回波强度维持不变(图3c)，入流速度增大(图3d)，由此可以计算该阵风锋的移动速度约为11 m/s，与其最大径向入流速度相当。沿着图3d中橙色直线的径向速度剖面图(图4a)显示，阵风锋的底部为-10 m/s的入流，而顶部为5 m/s的出流，顶部高度约2 km,并且阵风锋的底部前沿存在辐合，辐合产生上升气流。因此判断阵风锋在近地层形成了由西北指向东南的水平涡管，涡管的旋转强度(最大出流速度减去最大入流速度再除以涡管直径)约7.5 s-3。

4.3 触发机制

结合图2分析，17时27分，阵风锋与图2b中的地面中尺度辐合线相交，阵风锋后侧的西南风与辐合线右侧的偏东风将产生更强烈的辐合。同时，图4a、4b中，阵风锋后侧西南风的高度约1 km，而图1b中925 hPa(约1 km)盆地也为偏东风，表明该辐合系统较深厚，有利于近地层的暖湿空气被强迫抬升，形成更强的上升气流，从而触发此次强对流天气的产生。

图2 28日17时10分(a)、30分(c)、50分(d)的Himawari-8可见光卫星云图和17时10分地面自动站瞬时风场图(b)Fig.2 Himawari-8 visible satellite cloud map at 17∶10 (a), 17∶30(c), 17∶50(d) and ground instantaneous wind field(b) at 17∶10 on July 28, 2017

根据中尺度涡度方程(高守亭，2007)：

(1)

图3 28日17时四川南充CINRAD-SC雷达2.4°仰角的反射率因子图(17时17分(a)、17时27分(c)、17时37分(e)、17时42分(g))和径向速度图(17时17分(b)、17时27分(d)、17时37分(f)、17时42分(h))Fig.3 Reflectance factor map of the 2.4°of the CINRAD-SC radar of Nanchong at 17∶17(a), 17∶27(c), 17∶37(e), 17∶42(g) and Radial velocity maps at 17∶17(b), 17∶27(d), 17∶37(f), 17∶42(h)

图4 a和b分别为28日17时27分沿着图3d和32分沿着图2f中橙色直线的径向速度剖面图(图中橙色圆圈处为阵风锋所在位置)；c和d分别为17时32分和37分9.8°仰角的径向速度图(图中白色圆圈处为小尺度涡旋所在位置，高度约2.8 km)Fig.4 Figure a and b are radial velocity profiles along the orange line in figure 3f along the lines of figures 3d; figures c and d are radial speed diagrams at 17:32, 17:37 of 9.8° elevation

17时32—37分，上述阵风锋与图3c中的多单体风暴B减弱后产生的阵风锋合并后强度增强(其最大入流速度达-15 m/s)，并快速移至距离雷达西南侧约5 km处(图3e和3f光标处)。沿着图3f中橙色直线作的17时32分径向速度剖面图(图4b)显示，阵风锋的底部为-15 m/s的入流，而顶部为10 m/s的出流，因此判断此时阵风锋在近地层形成的由西北指向东南的水平涡管强度增强，涡管的旋转强度约12.5 s-3。17时37分，由于地物回波的影响从反射率因子图上不能判断阵风锋的位置，但此时的阵风锋在径向速度图上表现较明显，其最大入流速度增大至-20 m/s，与地面辐合线东侧的偏东风形成强度更强的辐合。旋转更强烈的水平涡管在辐合上升气流作用下倾斜形成的垂直涡度更大，产生更强烈的上升气流，激发了线状云系上的另一个对流单体(雷达站东侧5 km处)迅速增强(图3e)，最大反射率因子由27分的35 dBz迅速增大至55 dBz，该对流单体发展为第二个下击暴流风暴。

从17时32分(图4c)和37分(图4d)9.8°仰角的径向速度图可以看出，在风暴中心存在水平尺度约2 km的气旋性涡旋，与阵风锋产生的水平涡管的直径一致，这进一步佐证了水平涡管在辐合上升气流作用下倾斜可能会形成垂直涡度。刁秀广等[9]研究表明：三次下击暴流风暴的中层为明显的气旋性旋转上升气流结构，与此次过程的下击暴流风暴中层的气旋性涡旋结构特征较一致。因此，对流风暴中层的气旋性涡旋结构特征可作为下击暴流的预警指标之一。

5 下击暴流风暴结构特征

28日17时27分，产生此次大风天气的第一个下击暴流对流单体生成发展并向西北方向(朝着南充雷达站方向)移动，在其移动方向前侧约10 km处，一位摄影师(李雍)拍摄记录了该对流风暴产生下击暴流的整个演变过程。据了解，这是国内首例有完整视频记录的湿下击暴流，图5为该视频的部分截图。17时36分(图5a)该对流风暴发展成熟，风暴南侧(即图片右侧)中低层有明显亮区，表明低层的干暖气流在风暴南侧辐合抬升形成强烈的上升气流(图中蓝色箭头线所示)。而风暴北侧高层为暗区并向观测方向延伸，表明风暴高层产生了悬垂的湿冷空气团，38分(图5b)湿冷气团迅速下降，其底部干湿分界线呈向下凸起的弧状(圆圈处)。39分(图5c)湿冷气团下降至近地面层，同时风暴南侧亮区消失，表明入流气流减弱，40分(图5d)湿冷气团在近地面层辐散开，此时距离该对流风暴约2 km处的高坪观测站监测到最大瞬时风速为19.6 m/s。上述分析表明，产生下击暴流的冷气团核从高空开始下降，然后落至近地面层，并在近地层辐散开形成地面大风的整个过程仅需约4 min，而一个完整的雷达体扫时间为5 min，因此根据强反射率因子核迅速下降的回波特征不能对该下击暴流进行及时的预警。

图5 2017年7月28日17时36时45分(a)、38时35分(b)、39时40分(c)、40时30分(d)第一个下击暴流视频截图(拍摄高度距离地面约120 m，拍摄点位于下击暴流西北向约10 km处)Fig.5 The first downburst torrent video screenshot at 17∶36∶45(a), 38∶35(b), 39∶40(c), 40∶30(d) on July 28, 2017

17时32分,第一次下击暴流的对流风暴在南充雷达站的东南侧约14 km处强烈发展，由该风暴中低层反射率因子图(略)可知，此时风暴的中高层南侧有明显的V型入流槽口，风暴南侧有强上述气流，同时风暴强反射率因子核随高度向西北向(即对流层中层引导气流方向，为东南风)倾斜。该风暴雷达回波结构特征与视频截图5a的风暴结构特征表现较一致，即入流气流位于风暴南端，悬垂回波随高度向风暴移动方向倾斜。

从17时42分0.5°仰角径向速度图(图3h)可以看出，在第一次下击暴流对流风暴处有强烈的辐散风场特征,最大径向入流速度为20 m/s，最大出流径向速度为10 m/s，最大速度中心之间距离为4 km，因此该下击暴流应为微下击暴流。从17时52分2.4°仰角径向速度图(图6b)可以看出，产生第二次下击暴流的对流风暴刚好位于雷达站上空，径向速度上在雷达站周围为一致的出流速度。

6 结论

本文利用高时空分辨率的葵花8气象卫星云图、地面自动站观测资料以及新一代多普勒雷达资料，并结合国内首个下击暴流视频资料对四川盆地一次湿下击暴流大风天气过程进行了详细分析。得到如下结论：

①此次灾害性大风天气过程由两个相继发展的对流风暴分别产生的两次下击暴流造成，第1个下击暴流风暴为微下击暴流，第2个下击暴流风暴为宏下击暴流。

②此次大风天气过程发生在副热带高压脊附近，预报难度大。过程发生前，对流层中低层环境温度及其直减率均达到同期历史极端值，大气层结为上干下湿，有利于雷暴大风强对流天气的产生。

图6 2017年7月28日17时42分四川南充CINRAD-SC雷达0.5°(a)和52分2.4°(b)仰角径向速度图Fig.6 Radial velocity diagram of 0.5°(a) at 17∶42 and 2.4°(b) at 17∶52 for CINRAD-SC radar of Nanchong on July 28, 2017

③形成这次下击暴流大风天气的对流风暴，主要由阵风锋与地面中尺度辐合线相交后触发，阵风锋水平涡度不断输入对流系统内，产生正的相对风暴螺旋度，利于对流风暴持续发展到较高高度，为下击暴流的产生提供条件。

④下击暴流发生前的对流风暴，在视频截图和反射率因子图上都表现为悬垂倾斜结构，倾斜方向与对流层中层平均风向较一致。对流风暴中层的气旋性涡旋结构特征可作为下击暴流的预警指标之一。