两次混合性大风天气成因及模式预报能力对比分析

蒲吉光 ，袁 梦，康 岚

(1.四川省气象服务中心，四川 成都 610072；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072；3.四川省气象台，四川 成都 610072)

0 引言

大风是灾害性天气之一，强烈的大风天气常常给人民的生命财产安全带来严重威胁。2010年5月5日夜间发生在重庆梁平、垫江等地的强烈风雹天气造成32人死亡，通讯、电力等基础设施不同程度受损；2015年“4·4”广安武胜大风造成农作物大量受损，8人死亡，2人重伤，直接经济损失2亿元；2016年 “6.4”广元市轮船公司“双龙”号在返航途经三堆镇飞凤村三组水域时遭遇大风，发生翻沉事故，造成15人死亡。廖波[1]指出：大风是影响高铁的主要气象灾害之一。因此，对大风发生时间、位置及强度的预报是气象工作者关注的重点。长期以来，气象学者从环境场条件、雷达回波特征、天气形势等方面进行了大量研究[2-6]，获得了一些有益结论。王秀明[7]等对比了两类雷暴大风环境场特征并构建了相应的环境温、湿度廓线。钟利华[3]等将广西雷暴大风划分为4种模型。俞小鼎[8,9]等总结了有利于雷暴大风发生的环境场条件和基于多普勒雷达特征的临近预警技术。张云秋[10]统计了冰雹与大风的关系。上述研究对大风的预报预警具有重要意义。随着大气科学、地球科学的研究进展，计算机及网络系统的快速发展，数值预报水平和可用性大大提高[11-13]，尤其是对大尺度环流形势及主要天气系统的预报已远远超过人的主观判断能力，使提前较长时间预测出强对流天气潜势成为可能。如何从模式资料中挖掘有用信息，在短期预报时效内预测大风位置和强度，满足防灾减灾的时间需求是预报业务中迫切需要解决的问题。

2018年4月4日夜间到5日白天和4月12日夜间到13日白天，四川盆地出现了两次大风天气过程。本文利用常规观测资料、加密自动站大风资料和数值模式预报产品等，对比分析了两次过程发生的天气学异同，探讨了数值模式对这类大风天气的预报能力，以期为今后此类大风天气预报提供参考。

1 天气实况对比

2018年4月4日夜间—5日白天(简称“4·4”)和4月12日夜间—13日白天(简称“4·12”)，四川盆地出现了两次由冷空气大风、对流性大风组成的混合性大风天气过程。两次过程发生时间接近，“4·4”过程雷电频次高，8级以上大风基本覆盖了整个盆地，达425站，10级以上大风有48站，局部地方还降了冰雹；而“4·12”过程雷电频次相对较低，8级以上大风主要位于盆地北部，有143站，10级以上大风只有16站。总体而言，“4·4”过程大风范围更广，强度更强，对流特征更为清楚。

2 背景条件

2.1 环流形势对比

分析两次过程(“4·4”过程和“4·12”过程)的500 hPa环流形势可以看出，这两次过程均是中高纬度有移动性的槽脊，槽线附近伴有负变高。槽线在移动过程中锋区逐渐南压至35°N附近。过程临近时，青海附近有浅槽活动，且温度槽落后于高度槽。不同之处在于“4·4”过程浅槽附近有较大的负变温区，在移动的过程中逐渐加深为经向度较大的低槽进入盆地；而“4·12”过程浅槽则表现为偏北东移。两次过程的700 hPa图上(图1a、1c)，过程临近前08—20时，从甘肃北部有一支偏北风急流携带冷空气沿河西走廊快速南下至甘肃南部，伴有4～12 ℃的负变温区，中心变温达-11 ℃。与此同时，云贵至盆地转为一致的偏南风气流，“4·4”过程风速为8～10 m/s，“4·12”过程为8 m/s；两次过程的850 hPa图上(图1b、1d)，在西北区域和河南至陕南一带分别有一支偏北风气流和偏东风气流，同时伴有24 h负变温区。贵渝—四川东部由偏南风转为东南风，“4·4”过程为一支东南风急流，而“4·12”过程为4～8 m/s的东南风气流。相似之处在于两次过程都有两支冷气流的参与，有700 hPa冷北风和偏南暖湿气流之间的气流辐合，有冷东风对暖湿东南气流的阻挡。不同之处在于“4·4”过程偏东风气流携带的冷空气强度强于“4·12”过程，同时气流之间的辐合强度强于“4·12”过程。“4·4”过程动力辐合作用更强。

图1 700 hPa(a、c)和850 hPa(b、d)风场和24 h变温(a、b:2018-04-04 20时 c、d:2018-04-12 20时粗箭头：急流 细箭头：显著气流)

2.2 地面形势对比

“4·4”过程前的4月3日，盆地内日平均气温较历史同期偏高6～9 ℃；“4·12”过程前的4月11日，由于高原波动影响，盆地北部气温已经开始下降，但大部地方日平均气温仍较历史同期偏高3～8 ℃。两次过程前期，均积累了丰富的能量。只是“4·4”过程能量累积条件更好。

从2018年3月15日—4月14日简阳站逐日14时本站气压演变图(图略)可以看出，本站气压都是渐进式上升和下降交替进行，只是每一轮波峰和波谷数值不同，代表暖低压发展和冷空气入侵程度不同。两次过程均发生在暖低压强烈发展，本站气压值接近4月谷底时间段。暖低压发展，空气密度降低，有利于近地面上升运动发展。同时，暖低压发展以及盆地以北区域压差增大，有利于冷空气进入，产生梯度大风。

两次过程开始前分别都有冷空气活动，一股位于我国西北区域，另一股位于华北区域。此次影响四川盆地的冷空气主要是位于西北区的冷气团，其冷高压中心气压均为1 025 hPa左右。过程临近时“4·4”过程与“4·12”过程酒泉与盆地的气压差分别为23 hPa和21 hPa，均超过了梯度风的压差阈值，有利于产生梯度大风。

综上分析，两次过程地面有冷锋南压，500 hPa有低值系统东移，中低层有冷暖气流交绥，符合斜压锋生类强对流天气配置特征。相较而言，“4·4”过程影响系统经向度更大，动力辐合作用更强。

3 中尺度环境条件对比

两次过程临近时刻，盆地内探空站Si指数均为负值，K指数在32 ℃以上，850 hPa θse>60，都表现出了对流不稳定特征，数值上并无显著区别。两次过程差异主要表现在500 hPa和850 hPa的假相当位温差(θse(500-850))及850 hPa和500 hPa(T500-850)、700 hPa和500 hPa(T500-700)的温度直减率。“4·4”过程温江和达州站θse(500-850)在08时已低于-14 ℃，20时进一步减小，宜宾站θse(500-850)从08—20时也迅速减小至-12 ℃。3个代表站T500-850和T500-70008时分别超过28 ℃和16 ℃，20时进一步增加，分别大于30 ℃和18 ℃,相同站点比“4·12”过程高5 ℃和2 ℃以上。

除要素场以外，两次过程临近时刻温湿廓线结构特征也有所不同。从达州站T-lnp图可以看出，“4·4”过程温湿廓线呈现X型特征，500 hPa以上具有中空干层，有利于干冷空气夹卷下沉，而“4·12”过程呈现湿层深厚的特点。其余站点都有类似特征。对“4·4”过程，所有站点Cape值都在500 J/kg以上，“4·12”过程仅有达州站超过500 J/kg，达1 884 J/kg。

对比中尺度环境条件，“4·4”过程比“4·12”过程能量更高、对流不稳定度更大、温湿廓线结构更有利于对流发生，具有更强的对流潜势。

4 模式预报能力分析

前面分析显示，两次大风过程都形成在日平均气温显著偏高，有地面冷锋南下影响的背景下。两次过程冷空气强度相似，指标站和盆地中心的压差接近，形成梯度风的基础条件较为相似。两次过程的强度差异主要由于动力条件和热力条件的不同造成。

表1 两次过程对流参数

实际业务中常用全球模式EC、GRAPES、CMA模式产品。下面探讨通过模式产品能否区分出两次过程的对流特点及强度差异。

4.1 形势场及要素场预报产品

“4·4”过程，3日20时起报的EC模式产品显示：4日20时500 hPa图上(图2a)，青海东南部有东北西南向低槽，5日08时低槽东移至川西高原西北侧，20时(图2b)加深东移至四川盆地，预报出了引导系统加深东移至盆地的特点，但移动速度较实况慢了12 h。对于中低层环流形势，模式产品较为准确预报出了3支气流。700 hPa(图2c)河套区域的偏北风急流和云贵到四川的西南风气流，四川境内最大垂直上升速度3.94 pa/s；850 hPa(图2d)河套区域的偏北风气流，河南南部到陕南的偏东风气流以及云贵到盆地的偏南风气流，偏南风气流弱于实况，没有达到急流，最大垂直上升速度3.38 pa/s。温度产品预报出与偏北风气流(图2e、2f)及偏东风气流(图2f)相伴随的24 h负变温区，提示未来有两股冷空气入侵。本次过程最显著的特点是大的500 hPa和700 hPa、850 hPa的温度直减率以及假相当位温差。模式预报产品同样准确显示了这一特征，盆地4个探空站位置850 hPa和500 hPa温度差(图2g)均在28 ℃以上，重庆和宜宾附近超过30 ℃。假相当位温差较实况略弱，也达到10～15 ℃(图2h)。“4·12过程”，11日20时起报的EC模式产品显示：12日20时500 hPa(图3a)青海东南部有东北西南向低槽，盆地为较为平直的偏西气流，13日08—20时(图3b)，上述特点维持，预报出了四川主要受波动气流影响的特点。对于中低层环流形势，模式产品较为准确预报出了两支气流。12日20时700 hPa(图3c)河套区域的偏北风气流和云贵到四川的西南风气流，四川境内最大垂直上升速度1.63 pa/s；850 hPa(图3d)河套区域的偏北风气流，河南南部到陕南的偏东风气流，境内最大垂直上升速度1.67 pa/s。本次过程预报的偏北风气流和西南风气流风速均较“4·4”过程弱，锋前垂直上升运动同样弱于“4·4”过程，最大垂直上升运动差值超过1.7 pa/s。温度产品同样预报出与偏北风气流(图3e、3f)和偏东风气流(图3f)相伴随的24 h负变温区，提示未来也有两股冷空气入侵。本次过程预报的850 hPa与500 hPa的温度直减率及假相当位温差(图3g、3h)分别为22～26 ℃和0～10 ℃，明显弱于“4·4”过程。

4.2 近地层风场预报产品

在“4·4”过程的4日夜间925 hPa风场产品预报出了一致的偏北风，大部地方风速超过17 m/s，EC模式的百米风产品在4日夜间也提示了8级以上大风区，而GRAPES、CMA存在10 m风预报偏弱的特点。EC集合预报模式极端阵风指数产品指示盆地大部地方极端阵风指数超过0.7，部分地方达到0.8以上，出现大风的概率相当高。而“4·12”过程，3个模式925 hPa同样预报出了较大风力，EC、CMA模式预报出的强风范围较“4·4”过程小，风速强度较“4·4”过程弱，而GRAPES模式预报两次过程强度及范围相当。GRAPES、CMA同样存在10 m风速预报偏弱的特点。EC集合预报模式极端阵风指数产品对于“4·12”过程，仅在盆地西部预报了0.7以上的强指数区，范围较“4·4”过程显著偏小。

因此，全球模式近地层风场预报产品和集合预报极端阵风指数产品对两次过程大风的强度和范围有较好的提示作用。结合实况资料，能判断出“4·4”过程更强的对流特征。

5 小结

通过分析两次过程的实况观测资料和模式预报产品，获得以下几点结论。

①两次过程均发生在气温显著偏高，有明显地面冷空气参与背景下。过程中降温显著，伴有混合性大风、闪电及短时强降水。

②“4·4”过程探空曲线呈现X廓线特征，具有中空干层的特点，有利于冷空气夹卷下沉，符合雷暴大风层结曲线特征；而“4·12”过程探空曲线主要呈现湿层深厚的特点，更有利于发生强降水。

③ 两次过程地面均有冷锋南压，有500 hPa低值系统东移，中低层有冷暖气流交绥，符合斜压锋生类强对流天气配置特征。从系统配置看，“4·4”过程影响系统斜压性、动力辐合作用、热力条件和不稳定条件均优于“4·12”过程，具有更强的对流特征。

④模式产品对两次过程的影响系统及动力条件、热力条件、要素场均有良好反应，能预报出“4·4”过程较“4·12”过程更强的对流特征。

⑤全球模式925 hPa风、100 m风和集合预报的极端大风指数产品对预报混合性大风有较好的指示意义，通过预报产品能提示大风开始时间、强风范围及风速大小。

⑥综合分析实况观测资料、数值模式风场预报产品和要素预报产品，能在短期预报时效内提高对这类过程大风范围及强度的预报能力。