福建省一次典型的暖区对流过程分析

李珊梅 黄美金 王贤梅

(1.平潭综合实验区气象局，福建 福州 350400；2.福建省灾害天气重点实验室，福建 福州 350001；3.福建省气象台，福建 福州 350001)

1 概述

强对流天气是指出现短时强降水(>30mm/h)、雷雨大风(>17m/s) 、冰雹、龙卷等现象的灾害性天气。福建地处中国东南沿海、台湾海峡西岸，受季风控制，是典型的亚热带海洋季风气候区。福建境内多山丘，素有“八山一水一分田”之称，特殊的地理位置和地形地貌，使得福建常年灾害性天气发生频繁，其中春季以暴雨和冰雹等局地强对流天气影响为主，常造成严重的经济损失，甚至是人员伤亡事故[1]。

强对流天气由于其尺度小、发展迅速、影响局地等特征，在短期预报中难度很大。但在短时预报预警时效内，气象专家们利用雷达、卫星云图和风廓线雷达等资料，探讨提高强对流天气的短时预报预警服务准确性的可能，并给出了不同类型强对流天气的多普勒雷达识别技术、风廓线雷达的判断方法等[1-5]。从大环流背景方面，邹燕[6]利用小波和EOF等方法分析得出，东亚前冬季季风强(弱)年,前汛期西太平洋副高偏弱(强)，范围较小(大)，西脊点偏西(东)，福建降水偏多(少)。在常规个例分析中，何小宁等[7]利用常规观测资料对福建北部一次暴雨过程的成因进行分析，得出低层辐合、高层辐散有利于对流发展，雷达回波分析表明，低层暖平流、高层冷平流、区域上空辐合形势有利于对流性降水的产生。而冯晋勤[8]、崔梦雪[9]和潘佳文等[10]均利用双偏振雷达产品分析福建强对流天气过程，在证实超级单体风暴的偏振观测特征(ZDR弧、ZDR柱、KDP柱和CC 环)的同时，利用这些偏振特征开展强对流天气预报预警服务。

本文通过对2019年4月22日福建省一次强对流天气过程的成因和发展分析，讨论强对流天气发生发展机制，以期为强对流天气的预报预警服务提供参考。

2 资料和方法

本文主要利用常规高空探测、地面观测及加密自动气象站观测和新一代天气雷达等数据资料，从环流背景条件和中尺度过程两个角度，利用中尺度过程分析方法[11]，探讨此次强对流过程的起因、发展和维持原因。

3 过程概况

2019年4月21-23日，江西、福建、广东等地发生了强对流天气过程，22日福建出现了全省性的雷暴、雷雨大风、冰雹和短时强降水等强对流天气过程。此次过程自西向东发展，22日3时24分，三明建宁最先开始出现雷暴，22日21时，对流回波全部入海，过程结束。

从强对流天气的类型和分布来看，过程(22日03～21时)福建全省均出现雷暴(图1c)，但降水强度不大，冰雹、短时强降水和雷雨大风的时空分布比较零散。全省有8县市21乡镇25个站点累积降水超过50mm，最大为宁德屏南98mm，其中14县19个乡镇20个站次出现短时强降水(图1a)，南平浦城最强为59.4mm/h(图1b)；凌晨和午后有22县市33个乡镇43个站点出现8～10级大风，最大为厦门集美25.7m/s(10级)(图1b)；5县市出现冰雹，凌晨时分出现在三明宁化(05时前后)，下午(14～18时)则先后在福州永泰县、闽侯县竹岐乡、泉州南安诗山镇、宁德周宁县等地出现小冰雹(图1b)。可见这是一次典型的局地混合偏干型强对流天气过程，其特征为影响时间长、影响范围广、局地性强。

4 环流背景

4.1 高空形势

从高空形势上来看(图2)，过程影响期间，长江流域以北有高空槽东移；21日夜里，福建处于副高西北侧、槽前西南气流控制；22日白天500hPa、700hPa均有弱波动东移，850hPa仍为西南气流控制、有弱风速辐合，925hPa切变从福建中南部缓慢东移、20时至福建中南部沿海。高度场上的对流形势相对较弱。

温度场上(图2)，500hPa有冷温槽东移，此间850hPa一直有温度脊配合存在。21日20时冷温槽位于湖南东部，而后随高度槽东移，此时温度脊线维持在116°E-118°E，22日08时温度槽脊重合在浙赣交界-福建西部；22日白天两层温度槽脊继续东移，20时温度槽入海。预示福建地区温度直减率(t85)将增加，层结不稳定也相应增大，为对流的发生提供不稳定条件。

可见，21日夜里，冷槽带来冷空气自西路影响福建西部，22日下午，冷槽入海带来北路冷空气影响福建沿海，分别对应22日凌晨和下午的强对流天气。

图2 2019年4月21日20时～22日20时高空形势综合分析图

4.2 地面分析

从地面分析图可以看出，22日08时，地面倒槽控制福建地区(图略)，东西两侧均有冷空气影响，冷暖气团在福建东西两侧分别交汇，有利于两地的地面辐合分别发展；11时，中南部升温明显，等压线、等温线和等露点温度线在沿海密集分布(图3a)；14时，福建西部受降水影响、气温下降，但中南部暖区升温更加明显，地面气温达31℃以上(图3b)，地面气压下降至1008hPa，升温的暖区与下午的对流发生区基本重合。

综上，这是一次典型的锋前暖区型对流过程，冷槽带来两路冷空气分别影响福建东部和西部，地面回暖使东部对流更加强盛。

根据对流发生地时段，可将其分为两个阶段。第一阶段：凌晨，三明地区的风雹天气，为对流发展的初始阶段。第二阶段：午后～傍晚，永泰、闽侯、南安的小冰雹，闽南的大风和零散的短时强降水，为对流爆发阶段。下文将从中尺度物理量角度分析此次对流的两个阶段。

(a)14时地面加密分析图 (b)14时气温≥30℃的自动气象站分布图(实线为偏东风辐合线)

5 中尺度诊断分析

5.1 第一阶段

5.1.1 稳定度条件

CAPE和K指数能反映大气层结的稳定情况，是判断对流性天气稳定度的重要指标[12]。分析22日20时和22日08时分布可以看出，22日夜里，福建西部有一个达1000以上的CAPE大值区，说明三明地区此时具备一定的不稳定能量(图4)。而08时该地区CAPE值急剧下降，CAPE大值区向东(福州西部)、向南(闽南)扩散，前者与凌晨对流天气发生的能量释放有关，后者则为第二阶段的对流发生积蓄能量。22日凌晨，三明西部和南平K指数达34以上，为三明西的风雹天气提供能量。

图4 2019年4月22日02时福建省CAPE分布图

5.1.2 动力条件

21日夜里，沿着福建西部自西向东进行散度垂直剖面(图5)，三明宁化(红色三角)附近在200hPa有辐散中心，400hPa和近地面层为辐合中心，850～500hPa则处于辐散中心，自下而上(近地面-200hPa)分别为辐合-辐散-辐合-辐散，为雷暴大风的发生提供有力的耦合作用。

注：剖向如图右上角所示，红色三角为三明宁化地区

5.1.3 水汽条件

水汽含量和分布可直接影响强对流天气的类型，大气中水汽的多少、传输特点及其聚集度是决定对流降水大小的重要因子[13]。分析21日夜里850hPa温度露点差(t-td)和水汽含量(Q)，全省t-td<4℃，Q>13g/kg，说明发生对流的低层水汽条件良好。21日20时，福建全省水汽通量散度均为负值(图略)，可见整个福建均为水汽通量辐合区，水汽输送中心在福建中南部，由于整层南风风力不大于10～12m/s，所以水汽并不能大范围高强度地聚集。

综上，21日夜里，福建西部具有较好的上升条件和不稳定能量，尤其是三明附近有利于产生雷暴大风的耦合条件，由于南风风力不大，造成降水强度不大。

5.2 第二阶段

5.2.1 不稳定条件

500hPa～850hPa假相当位温(Δθse58)时表示稳定度的物理量，不稳定区北侧均遵从一条东西向强Δθse58锋区，南北5个纬度Δθse差值>15K以上，即可能有冰雹发生[6]。分析22日14时Δθse58分布图(图6a)，华南-浙江存在一条东北-西南向的不稳定区，不稳定中心位于闽南-粤东，达-18K，福建沿海一带尤其是闽南处于强不稳定区，第二阶段的对流可能以风雹为主。

5.2.2 能量条件

22日白天，地面倒槽的能量积蓄，福建全省CAPE和K值在午后达到了最强盛的时候，尤其是中南部和东部沿海CAPE值达2000以上，对应了午后大风、冰雹等强对流发生的区域；全省K值均达35以上，热力不稳定发展旺盛，福州西部、泉州南部等强天气发生区与K≥37℃的区域基本吻合。

观察850hPa和500hPa的温度差(ΔT85)同样可以发现，08时全省ΔT85为23～25℃，14时全省ΔT85>24℃，且内陆、南部沿海有两个ΔT85>25℃的中心，17时沿海ΔT85>25℃(图略)。根据福建省强对流天气预报经验(ΔT85>23℃即可发生对流、ΔT85>25℃时可发生风雹),但此次过程ΔT85>25℃的范围和量级相对较弱，所以对流以小冰雹为主。

假相当位温θse是同时表征温度和湿度的参数，θse值的高低和疏密程度可确定其能量锋区的位置[14]。22日白天850hPa θse在东部沿海也有一个明显的、具有一定斜压性的温度锋区，不仅有利于抬升作用，同时是沿海地区具有较强不稳定条件的又一有力证据。

5.2.3 水汽条件

22日早晨福建整层处于水汽通量辐合区，辐合中心位于中北部沿海的福州、宁德等地。08时，福建中南部500hPa温度露点差(t-td)≥16℃，泉州南部和厦门地区为更明显的干区(t-td)≥20℃：在整层上干下湿的环境条件下，中层明显的干区，是造成大风天气的重要征兆。

22日白天850hPa温度露点差(t-td)逐渐减小、水汽含量Q在沿海和南部明显加大，14时全省t-td≤3℃、Q≥12g/kg，沿海和南部地区Q≥14g/kg(图6b)，水汽条件更有利于对流在沿海和南部地区发展。

(a)Δθse58分布图 (b)水汽(Q)分布图

5.2.4 动力条件

22日08时，福建高层(200hPa)有较好的辐散条件，500hPa南支槽自湘南-粤北东移影响福建中南部，500hPa上升速度中心也在福建中南部、最强上升速度达16 (10-1Pa/s )，为福建中南部创造良好的抬升条件。

沿着沿海强天气发生区做散度垂直剖面，并选取四个坐标分别对应平和(117.02°E，24.26°N)、厦门(118.12°E，24.46°N)、南安(118.32°E，25.16°N)、永泰(119.18°E，25.88°N)等强对流发生区，如图7所示。结合散度剖面图和福建地形，南安和永泰附近由于山脉的地形作用，低层可抬升到850～700hPa左右，自700～200hPa自低层到高层的散度形势为：辐合-辐散-辐合-辐散；平和和厦门近地面-200hPa散度形势同样如此。可见，午后福建沿海整层的抬升条件有利于产生风雹天气。

注:剖向如图左上角所示，红色图形标识自左向右分别为漳州平和、厦门、泉州南安和福州永泰

综上，22日Δθse58在福建沿海一带尤其是闽南有极大值，说明该地区处于强不稳定区；同时，地面-200hPa散度形成低层辐合、高层辐散的抬升条件，预示并触发风雹型对流天气的发生。福建中南部地面暖区升温明显，南北风辐合区发生，中南部、沿海地区午后不稳定能量强盛，是22日午后强对流发生的基础。中层明显的干区，是造成午后雷暴大风的主要因素。水汽在沿海聚集，尤其是宁德西部地区水汽条件最为有利，是该地区短时强降水发生的基础。

6 雷达资料分析

针对这样的强对流天气，由于传统探测资料的局限，短期天气预报往往不能起到非常好的预警作用。随着探测手段的发展，日常预报服务中，预报员倾向于利用多普勒雷达等非常规雷达探测资料来弥补缺陷。本文同样从此次过程的两个阶段入手，利用多普勒雷达回波资料来分析其差异。

在第一阶段，选取4月22日06∶00三明雷达基本反射率产品和最可能降雹粒子的风暴追踪信息(图8a)，可以发现最强反射率因子强度(MAXIMUM REFLECTIVITY)达60dBz的强度维持了近一个小时(5∶00～6∶00)，5∶30左右最强反射率因子高度(DBZM HT)达5km左右，超过0℃层高度；大冰雹指数(POSH)达100%，但只维持一个体扫，说明有小冰雹；整层可降水量(CELL BASED VIL)较小，所以没有明显强降水。

在第二阶段，分析雷达回波速度场资料(图8b)可以发现，17时～19时，三个仰角的速度场都有强速度回波东移，速度达-27m/s，对应大风自漳州南部东移北抬至厦门-泉州南部；18∶16时05°仰角的雷达回波出现速度模糊现象，最大速度达-30m/s，此时对应地面大风达23.8m/s；然而地面最强风速出现在18∶45，说明雷达回波对短时临近强天气预报有一定的预测性。

而从14:59福州永泰降雹胚子分析图(图略)也可以很容易看出，其最强反射率因子高度超过5km，大冰雹指数达100%也维持了一个体扫，强反射率因子达55dBz也维持了1h以上，且整层可降水量最高达60kg/m2以上，说明永泰地区不仅会有小冰雹发生，还会有短时强降水发生的可能，与实况对应良好。

综上，雷达回波资料如多普勒速度图等对强天气的发生有一定的指示作用，可用于临近预警服务中；风暴追踪等产品可以很好指示冰雹、短时强降水等强天气的发生，可用于实况确认和过程分析等。

(a)6∶00三明雷达风暴追踪图 (b)18∶16长乐雷达基本速度图(红圈为速度模糊区)

7 结论

通过对2019年4月22日强对流过程的分析，可以得出此次强对流过程的特征及其形成原因：

①冷槽带来两路冷空气分别影响福建西东部，地面回暖加剧东部对流。

②散度等物理量条件也为此次对流过程的发生发展提供一定的支撑。高层辐散低层辐合的散度形势，辐散区和中层上升速度中心重合在福建中南部，为对流创造良好的抬升条件。CAPE和K值自21日夜里开始积蓄，22日午后最强盛，为对流在凌晨发生和午后再次发展提供能量。温度露点差偏低、整层含水量持续较多和持续的水汽通量辐合为对流发生提供良好的水汽条件。

③温度、湿度和能量等物理量的分布不均等造成了此次对流的局地性特征。南风风力不大，造成21日夜里对流降水强度不大；闽南地区的中层明显干区，是其午后雷暴大风形成的主要原因；局地的辐散低层辐合形势，Δθse85极值分布在闽东南，且其在沿海地区明显的、具有一定斜压性的锋区，触发了这些地区风雹类强天气的发生；水汽在沿海、尤其是宁德西部地区聚集，是该地区短时强降水发生的基础。

雷达回波产品中，多普勒雷达速度图对强天气的发生有一定的指示作用，可用于临近预警服务中；风暴追踪等产品可以很好地指示冰雹、短时强降水等强天气的发生，可用于实况确认和过程分析等。