低空急流在一次初春混合强对流天气过程中的作用

白 慧，欧阳大亮，周 艳，张 超，邓学军

(贵州省黔东南苗族侗族自治州气象局，贵州 凯里 556000)

0 引言

低空急流对灾害性天气的影响和作用，常常在暴雨分析和预报中备受关注和重视[1-4]，而针对强对流天气的影响和作用分析研究的个例较少，对不同类型的强对流天气的分析研究，许多气象专家和气象工作者多从天气背景、环境场条件、形成机制、物理量特征等[5-12]方面入手。贵州位于低纬高原山区，是我国春季强对流天气多发区之一，不少气象工作者从成因、个例对比、中尺度特征和水汽输送、雷达回波特征、流型和物理量等多角度对本地的各类强对流天气开展了大量分析和研究[13-20]，研究成果为贵州强对流天气预报业务提供了理论和实践指导。

2019年3月4—5日贵州大范围雷雨大风、冰雹、短时强降水和暴雨等混合强对流天气是在低空急流建立和加强之后发生的，为揭示低空急流对此次早春雷雨大风、冰雹和短时强降水的影响和作用，本文利用MICAPS4.1平台提供的常规观测资料、一体化平台提供的强天气监测资料以及NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料所计算出的相关物理量，用天气学原理和方法，从环流背景、影响系统、环境场条件和低空急流的水汽、热力输送和动力辐合诊断等方面入手，对此次混合强对流天气进行综合分析，以期能进一步了解和认识低空急流对强对流天气的影响和作用，为贵州初春强对流天气预报提供一些参考。

1 强对流天气过程概况

2019年3月4日14时—5日14时贵州9个市(州)出现了不同程度的雷雨大风、冰雹、短时强降水等混合强对流天气过程(图1a)。位于贵州中西部锋前暖区的毕节、六盘水、安顺、贵阳、黔西南、黔南西部6个市(州)以雷雨大风、冰雹为主，局部伴有短时强降水，主要发生在4日14—22时，最大瞬时风速出现在六盘水盘县大风镇，达到33.7 m·s-1,最大冰雹出现在安顺紫云县猫营、板当，冰雹最大直径达到40 mm。位于静止锋后的黔南州东部、黔东南州中南部地区以短时强降水为主，局部伴有小冰雹，最大雨强为黔南州独山县甲里镇28.7 mm·h-1，短时强降水主要发生在4日20时—5日08时。截止5日14时有8个国家站、131个区域自动站累计降水量超过50 mm，320站累计降水量在25～50 mm之间(图1b),最大降水量为甲里镇89.1 mm。贵州暴雨与湘、赣、粤、桂交界地区的暴雨区连成一片(图1c)，暴雨站数之多，在初春历史同期罕见。

图1 2019年3月4日14时—5日14时强对流天气(a)及降水落区(b、c)分布图

2 环流背景及环境场条件分析

2.1 环流背景和影响系统

4日08时(图2a)500 hPa图上，中高纬度地区为两槽一脊形势，巴尔客什湖到贝加尔湖之间的高压脊，两侧为低压槽，贝加尔湖东部到内蒙古西部的冷槽未来将东移南压引导弱冷空气自河套南下；中低纬度地区高原东部到孟加拉湾(92°E)有高原槽和南支槽东移，四川中部到云南北部有明显超前的温度槽，华中地区为高压脊控制，西低东高的天气形势有利于贵州暴雨的发生。对应700 hPa和850 hPa(图略)云贵及华南地区已由脊前西北风转脊后偏西南风控制，850 hPa在重庆附近有低涡切变生成;20时(图2b)500 hPa南支槽东移至云南东部，温度槽进入贵州西部，对应700 hPa和850 hPa(图略)贵州和广西风速分别由4日08时 12～14 m·s-1和6～12 m·s-1猛增至24～28 m·s-1和20～24 m·s-1，低空急流建立并呈爆发式增强，925 hPa华南地区东南风由4～10 m·s-1增大至12～16 m·s-1,超低空急流建立，同时850 hPa切变线东移南压至湖南中部到贵州中南部一线；地面4日白天川滇黔交界地区的热低压发展加深，20时静止锋南段由08时的贵州中部到广西西部一线北抬至桂北—黔南州中西部—贵阳北部一带。由于500 hPa干冷空气的侵入，在贵州中西部锋前强暖湿不稳定区和强动力辐合区触发了大范围的雷雨大风、冰雹天气。4日夜间到5日白天，南支槽东移，配合低层切变线和活跃的静止锋，共同触发了锋后强降水天气。虽然大多数站点雨强在20 mm·h-1以下，但降水持续时间长，造成贵州东南部地区出现了大范围的暴雨天气。

(黑色实线:等高线；红色虚线:等温线；棕色实线:槽线；蓝色锯齿线:温度槽)

2.2 环境场条件

4日08时和20时实况资料中尺度分析显示，4日08时(图3a)随着偏南风增强，低层湿度增大，除贵州西部地区外，850 hPa及以下大部地区为T-Td≤2 ℃的饱和湿区，700 hPa整层均为T-Td≥10 ℃的干区，大气上干下湿特征显著；20时(图3b)低空急流加强东移，3支急流在桂东北地区上空汇合，700 hPa和850 hPa贵州中西部地区上空的温度脊明显加强，暖平流增强，切变线南压贵州中部，贵州位于急流左侧强水汽和动力辐合区，在锋前暖区的贵州中西部地区上空大气层结仍维持上干下湿结构,而东南部锋后冷区湿层显著增厚，T-Td≤2 ℃的饱和湿区伸展到700 hPa，且贵州中南部地区850 hPa与500 hPa的温差>25 ℃，此时500 hPa温度槽已进入贵州西部700 hPa和850 hPa温度脊线附近强暖湿不稳定区上空，威宁变温由08时0.4 ℃变为-4 ℃，锋前暖区大气环境场条件非常有利于雷雨大风、冰雹强对流天气发生，而锋后冷区湿层深厚，有利于强降水天气发生。贵阳和桂林探空资料也有相同的结论:对于出现雷雨大风和冰雹的贵阳站(图4a、4b)在过程发生前和发生期间，大气层结均维持上干下湿结构，垂直风切变比桂林站强，08时和20时DCAPE600值分别达到446.6 J/kg和398.4 J/kg，0 ℃和-20 ℃高度适宜，分别为3 562 m、6 711.5 m和3 850.0 m、6 846.0 m，发生雷雨大风和冰雹的对流潜势条件明朗；而对于锋后出现短时强降水和暴雨的桂林站(图4c、4d)，08时和20时低层存在明显的锋面逆温，20时湿层厚度由08时低于700 hPa伸展到500 hPa附近，且锋面逆温增厚，锋区加强，有利于强降水天气的发生，同时，0 ℃和-20 ℃高度适宜，分别为4 128.3 m、6 833.0 m和3 855.3 m、6 853.3 m，因而在贵州东南部强降水发生期间局地伴有小冰雹。

图4 2019年3月4日08时、20时贵阳(ab)、桂林(cd)探空图

图3 2019年3月4日08时、20时影响系统及环境场中尺度分析图

3 低空急流的水汽输送和热力动力作用

3.1 低空急流的水汽输送和水汽辐合作用

4日08时—5日02时水汽通量和水汽通量散度演变显示:随着低空急流的建立和加强，贵州低层水汽输送和水汽辐合显著加强，4日08时中南半岛东北部、广西中西部到贵州有一支西南—东北向的水汽输送带，水汽通量中心由3日20时12 g·(cm·hPa·s)-1增大到14 g·(cm·hPa·s)-1(图5a),此时贵州大部地区水汽通量散度为负值，出现明显水汽辐合，水汽辐合中心小于-4×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(图5e)；14时随着低空急流加强缓慢东移，水汽输送和水汽辐合加强东移，水汽通量中心超过22 g·(cm·hPa·s)-1，贵州南部地区达到12～18 g·(cm·hPa·s)-1(图5b),水汽通量散度增强至-5×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，贵州西部地区水汽通量散度小于-4×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(图5f)；20时低空急流达到最强盛，水汽输送和水汽辐合也达到最强，位于广西中北部的水汽通量中心超过24 g·(cm·hPa·s)-1，贵州南部地区达到12～21 g·(cm2·hPa·s)-1(图5c),贵州中西部地区水汽辐合也达到过程最强，水汽通量散度小于-8×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，中心值小于-12×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(图5g)，强水汽辐合区与强对流天气发生区相对应；5日02时随着低空急流逐渐减弱东移南撤，水汽输送和水汽辐合有所减弱，贵州南部水汽通量减弱为8-16 g·(cm·hPa·s)-1(图5d)，水汽通量散度中心减弱为-7×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(图5h),强水汽辐合中心位于贵州东南部地区,与强降水发生区相对应。

图5 2019年3月4日08时—5日02时 850 hPa间隔6 h的水汽通量(a、b、c、d)和水汽通量散度(e、f、g、h)演变图

3.2 低空急流与短时强降水的关系

分析独山、榕江、桂林3个暴雨站(累计降水量分别为50.9 mm、64.9 mm、 96.8 mm)的风场、水汽通量散度时间垂直剖面图与逐小时降水量演变可知，独山低空急流4日02时建立，08时增强，14—20时达到最强，5日02时减弱,水汽辐合最强时段出现在5日02时前后，强水汽辐合中心达到-7×10-7g·(cm2·hPa·s)-1(图6a)。明显滞后于低空急流达到最强时段，强降水发生时间略早于水汽辐合达到最强时段，出现在5日00—03时(图6d)。榕江低空急流4日08时建立，14时增强，20时达到最强，5日02时减弱，水汽辐合最强出现在低空急流达到最强至减弱时段(4日20时—5日02时)，强水汽辐合中心达到-6×10-7g·(cm2·hPa·s)-1(图6b)，强降水出现在4日22时—5日04时(图6e),强降水发生时间晚于水汽辐合达到最强时间。桂林低空急流4日08时建立，4日20时—5日02时达到最强，5日08时减弱(图6c)，水汽辐合最强时段出现在4日20时—5日02时，强水汽辐合中心达到-6×10-7g·(cm2·hPa·s)-1，与低空急流达到最强时段基本一致，对应的强降水出现在5日01—08时(图6f)，滞后于低空急流和水汽辐合达到最强时间。可见，强降水发生时间和水汽辐合最强时间均滞后于低空急流达到最强的时间，而强降水发生时间略早于或晚于水汽辐合达到最强时间。

图6 2019年3月3日20时—5日20时独山(a、d)、榕江(b、e)、桂林(c、f)风场和水汽通量散度时间垂直剖面图与对应的逐小时降水量演变图

3.3 低空急流的热力作用

低空急流不仅能集中和增强水汽与温度平流，增强和加速风暴前的环境对流不稳定，并提供不稳定释放的垂直抬升[20]。由实况θse演变可知，随着低空急流的建立和加强，大气不稳定能量增强，4日20时700 hPa θse高能舌由08时广西西部地区东移到湘黔桂粤四省交界地区，并向北伸展到华中北部地区，贵州中南部地区从48～54 ℃增大到50～58 ℃(图略)，湘桂黔交界地区大气高温高湿条件显著加强；对应850 hPa θse等值线东西向带状分布，密集区位于湘黔中南部至两广北部地区，等值线趋于密集(图略)，能量锋区加强。由沿26°N θse垂直剖面显示，08时(图7a)700 hPa以下贵州为大于48 ℃的高能区控制，大于54 ℃高能中心位于106°E附近近地面，低能区在700～600 hPa，中心值小于43 ℃。14时(图7b)700 hPa以下高能区向东扩展且增大到55 ℃以上，106°E附近的高能中心增大到58 ℃以上，低能中心小于50 ℃，并向上扩展到600 hPa以上，暖湿和干冷中心差值增大，大气不稳定度增大，有利于强对流天气发生。20时(图7c)随着低空急流东移，大气不稳定区东移，800～700 hPa之间大于57 ℃的高能区由108°E向东扩展到113°E，低能区向上扩展到400 hPa以上，中心值低于51 ℃，高低能中心差值有所减小，而108°E以西地区由于出现强对流天气能量明显耗散，大气层结逐渐趋于稳定。5日02时(图7d)随着低空急流减弱东移，低层高能区东移至112°E以东地区，贵州中东部地区随着强降水天气的发生发展致使能量有所减弱，但高能中心值仍维持在55 ℃，600 hPa附近的低能中心小于50 ℃。08时随着低空急流进一步减弱东移华南中南部地区，贵州东南部低层高能中心进一步减弱，但大气上干冷、下暖湿的结构仍清晰，此时，贵州东南部地区强降水明显减弱。

图7 2019年3月4日08时(a)、14时(b)、20时(c)和5日02时(d)沿26°N上空θse垂直剖面图

3.4 低空急流的动力作用

随着低空急流的建立和加强，垂直风切变明显加强，有利于对流风暴的组织、维持和增强，同时，急流左侧的风向和风速辐合加强，为强对流天气发生发展提供动力扰动。从贵阳、怀化、河池、桂林对应的实况0～3 km、0～6 km风速差演变来看(表1)：4日08时和20时除贵阳和桂林0～3 km风速差减小外，0～6 km风速差各站均增大，桂林、怀化增大最明显，20时分别由08时14 m·s-1、18 m·s-1分别增大到26 m·s-1、30 m·s-1。850 hPa风场与散度场配置显示，随着低空急流建立，4日08时(图8a)位于贵州西部和北部地区切变线辐合加强，对应的散度负值辐合区由贵州西部向东扩展到贵州中西部地区，且辐合强度明显加强，强中心位于切变线附近，中心值由3日20时-4 s-1增强为-6 s-1；14—20时(图8b、8c)低空急流核区风速加强到18～22 m·s-1，切变线逐渐南移到贵州中部，切变线北侧的偏北风由4 m·s-1增加到6～8 m·s-1，贵州大部地区为负散度，强辐合区主要分布在切变线附近，大值区由六盘水、黔西南州北部地区东移至黔西南州东部、安顺、贵阳、黔南州西部一带，中心值增强为-12 s-1，辐合上升运动显著加强，与上述地区雷雨大风和冰雹发生时间相对应。5日02时(图8d)广西境内的偏南风转为西南风，核区风速减弱为20 m·s-1，切变线东移南压至湖南南部至贵州南部一线，对应的散度辐合大值区位于贵州南部和东南部地区，强辐合中心位于河池北部、黔南州南部、黔东南州西南部地区，中心值下降至-8 s-1，强辐合区与强降水集中区域相对应。08时(图略)低空急流减弱东移至广东境内，切变线南压至贵州南部边缘地区，辐合大值区东移南压到黔桂交界和湘粤桂交界地区，中心值进一步减弱为-6 s-1和-7 s-1，此时贵州降水明显减弱。分析沿26°N的散度垂直剖面图可知，4日14时(图8e)贵州西部地区近地面开始有辐合上升运动发展，20时(图8f)强对流天气发生期间，500 hPa以下为负散度辐合，辐合中心位于贵州西部，中心值低于-10 s-1，辐合区上空为正散度辐散，强辐散中心位于500～300 hPa之间，辐散中心大于8 s-1，低层辐合大于高层辐散。5日02时(图8g)强降水发生期间，强辐合区位于108～111°E之间，强中心在500～600 hPa之间，中心值小于-5 s-1，对应上空的辐散中心位于400 hPa附近，中心值大于10 s-1，高层辐散明显大于低层辐合，此时，对应着贵州东南部强降水发展和持续阶段。08时(图8h)“低层辐合，高层辐散”的配置结构东移至111～113°E之间，强降水随之东移减弱。

图8 2019年3月4日08时(a)、14时(b)、20时(c)、5日02时 (d)850 hPa风场与散度及4日14时(e)、20时(f)、5日02时(g)、08时(h)沿26°N散度垂直剖面图

表1 2019年3月4日08时、20时 邻近探空站0～3 km和0～6 km风速差(单位:m·s-1)

4 结论及讨论

①500 hPa温度槽、南支槽、低空急流、低空切变线、热低压、静止锋是此次混合强对流天气的主要影响系统。

②低空急流建立并呈爆发式增强，使低层水汽输送和水汽辐合增强，低层θse高能区增强，能量积聚显著加强并向东扩展，能量锋区加强，中高层低能区增厚，大气层结不稳定增强，为雷雨大风、冰雹、短时强降水等大范围强对流天气发生发展提供了充足的水汽和能量条件。雷雨大风和冰雹主要发生在低空急流发展增强到最强盛时间，强降水主要发生在低空急流和水汽辐合达到最强之后。

③低空急流建立和加强，使对流潜势条件增强，大气上干冷、下暖湿的特征更加显著，垂直风切变增强，为贵州中西部锋前暖区大范围雷雨大风、冰雹等强对流天气提供了有利的环境场条件。同时，使动力辐合加强，散度垂直分布呈“低层辐合、高层辐散”的有利配置，雷雨大风、冰雹发生时低层辐合大于高层辐散，强降水发生时高层辐散大于低层辐合，这种抽吸作用的维持，为强对流和强降水天气的发生发展提供了持续强劲的动力条件。

④500 hPa温度槽东移，干冷平流叠加在中低层强暖湿平流之上，触发锋前暖区雷雨大风和冰雹天气；南支槽夜间东移、配合850 hPa切变线与活跃的静止锋，强烈抬升逆温层之上的暖湿气流，触发了贵州东南部锋后冷区强降水天气。雷雨大风、冰雹主要发生在静止锋前700 hPa和850 hPa温度脊区附近强暖湿不稳定区，短时暴雨落区位于静止锋后、低空急流左前侧、850 hPa切变线南侧及850 hPa和700 hPa饱和湿区重叠区内。

讨论:由于此次大范围强对流天气发生在早春3月初，雷达监测资料收集不完整，没有进一步分析此次混合强对流天气发生时的雷达回波演变特征，有待下一步开展这方面的分析研究。