两次斜压锋生类强对流过程对比分析

2021-08-25盛志军周雨张国平

气象科技 2021年4期

盛志军周雨张国平

(1 江西省气象台，南昌 330096； 2 江西省气象服务中心，南昌 330096； 3 中国气象局公共气象服务中心，北京 100081)

引言

强对流天气通常是指由深厚湿对流(DMC)产生的冰雹、雷雨大风等各种灾害性天气，因其突发性强、生命期短、局地性强、造成的天气剧烈等特点，一直备受关注[1-3]。随着我国气象现代化的发展，各类专项研究也纷纷展开[4-17]，极大推进了我国强对流天气预报水平。强对流天气的发生发展需要以下基本环境条件：不稳定层结、垂直风切变、触发机制和水汽条件。然而强对流发生前的环境大气特征并不存在非常明确的物理界限，即使是在天气系统配置相似的情况下，对应的强对流天气类型或强度也不尽相同。如何准确的做出雷暴大风、冰雹或短时强降水等强对流分类预报仍然是目前天气预报业务中的难点[18-21]。由于影响强对流的天气尺度系统结构及局地中尺度环流特征差异，同一种类型的强对流强度也会有所不同。强对流天气的上述复杂性决定了一些细微的差别就可能导致强对流天气类别或强度差异。因此需要加强对一些相似类型强对流个例的细致分析研究，通过环境场条件差别研判分析强对流天气不同类型或强度潜势。

2019年春季江西北部发生了两次类似区域性强对流过程，一次出现在3月20日20:00至21日18:00(简称“3·21”过程)，44个气象站出现10级以上大风(图1a);19个气象站出现冰雹，最大直径约30 mm(宜春市)；69个气象站小时雨量超过30 mm(图2a)，最大小时雨量达62.1 mm(湖口县文桥乡);强对流天气导致死亡5人，直接经济损失7.4亿元。另一次过程出现在4月9日13:00—20:00(简称“4·9”过程)，5个气象站出现10级以上大风(图1b)，最大风速达30.8 m·s-1(广丰县大石乡)，4个气象站小时雨量超过30 mm(图2b)，最大小时雨量46.8 mm(九江永修县柘林镇)。两次过程发生时间前后间隔不到20 d，环流背景相似，但强天气的强度、范围及造成的灾情损失差别较大，其成因对强对流天气预报预警服务有重要意义。本文从天气形势、水汽条件、触发机制和回波特征等方面探讨两次过程强天气成因的异同。

图1 2019年3月20—21日(a)和4月9日(b)江西出现8级以上极大风速(实心圆圈)、冰雹(黑色实心三角形)及雷电(+)实况分布

图2 2019年3月20—21日(a)和4月9日(b)江西最大小时雨量达20 mm以上的分布

1 天气形势及冷空气对比分析

1.1 天气形势对比

强对流天气的发生发展与其所在的大尺度环境条件密切相关。2019年3月20日20：00山东半岛到长江中下游500 hPa有阶梯式短波槽(图3a)，引导冷空气沿偏东路径南下。700 hPa到925 hPa切变线位于长江流域，切变南侧江西到华南有宽广的西南急流，呈风速辐合。地面冷高压主体位于西北地区东部，中心气压1035 hPa，前缘冷锋位于山东西部至陕南，江西北部处于低压倒槽中。21日08：00随着高空槽东南移，低层切变南压，动力辐合明显加强，锋区两侧温差达到每100 km 5～7 ℃。4月9日08：00(图3b)，500 hPa江西受槽前暖脊控制；700 hPa至925 hPa切变线位于黄淮到江淮之间，850 hPa长沙、南昌到安庆风速达20～26 m·s-1，江西处地面低压倒槽中，9日下午开始气旋后部冷锋快速南下影响江西，锋区两侧温差达每100 km 4～10 ℃。

两次过程都由冷空气进入倒槽触发，有明显的冷暖平流，属斜压锋生类强对流过程[12]。“3·21”过程500 hPa温度槽超前于高度槽，有利于槽前建立不稳定；“4·9”过程高空槽前是更强的暖平流，导致地面气旋发展。“3·21”过程江西北部低层及锋面南侧风向风速场均呈现辐合特征，为锋前中尺度对流系统发生发展提供了有利的动力条件；“4·9”过程江西北部呈风速辐散特征。

1.2 冷空气对比

分析两次过程天气系统配置，锋前及锋面附近出现了中尺度对流系统。“3·21”过程先有地面静止锋进入倒槽引起暖区分散性对流(图3a)，而后冷空气移入静止锋，锋前干冷空气与暖湿空气的辐合增强引起锋生，上升运动加强，风暴顶辐散在锋前形成垂直环流，降水作用在锋面附近形成冷池，使得温度梯度进一步加大，地面辐合加强，冷池出流与暖湿空气辐合，锋生作用触发江西北部对流新生发展，锋面移速缓慢，导致中尺度对流系统持续时间较长。“4·9”过程地面冷空气势力较强移动快，暖湿气流偏弱，降水条件偏弱导致冷池作用不及前次过程明显，锋前垂直环流维持时间短，以干对流为主。

图3 2019年3月20日20:00(a)、4月9日08:00(b)天气形势综合配置

2 环境条件对比分析

2.1 不稳定特征

强对流发生前，低层一般都存在潜在不稳定能量积聚过程，在外部动力条件具备的情况下，大气潜在不稳定能量释放从而触发强对流天气。T-lnp图能够反映探空站及其附近气象要素的垂直分布，可有效判断强对流潜势。选取南昌站进行探空分析(图4)，两次过程层结曲线都呈典型“上干下湿”分布；3月20日20:00，850 hPa以下风随高度顺转，700 hPa至400 hPa风随高度逆转，呈“上冷下暖”温度垂直分布特征；0 ℃和-20 ℃层高度分别为4.0 km和7.2 km，显著不稳定层结和适宜的中间层高度有利冰雹增长。

对比常用对流参数(表1)，3月20日20：00对流有效位能达1090 J·kg-1，850 hPa与500 hPa温差达28 ℃，气温垂直递减率增大，表明对流发生前已积累较高不稳定能量，分析4月9日08：00探空图(图4b)，使用14:00地面温度和露点温度订正后对流有效位能达1533 J·kg-1，两次过程的对流有效位能在江西3—4月是明显偏高的。分析表明，两次过程在对流发生前均具有较明显的热力和动力不稳定特征，对流层中层存在明显干冷层结；而“3·21”过程不稳定能量积累更强，中层干冷条件更好，湿层相对更深厚，对流潜势环境条件利于产生更剧烈的强对流天气。

表1 2019年3月20日20:00和4月9日08：00南昌站常用对流指数物理量对比

图4 2019年3月20日20：00(a)和4月9日08：00(b)南昌探空站T-lnp图

2.2 动力抬升条件

在具有强的不稳定层结条件下，强对流天气是否能够发展，另一关键条件是动力抬升条件和触发机制。以下从散度和垂直速度具体分析两次过程的动力抬升条件。

分析图5发现，3月20日02：00至21日14：00江西北部200 hPa为辐散区，700 hPa以下为辐合区，辐合中心为-1.0×10-6s-1，出现在850 hPa(图5a、b、c)，低层辐合高层辐散的抽吸效应使得锋面前沿深厚的垂直上升区建立，为强天气的触发提供了有利的动力抬升条件；20日02：00开始江西北部对流单体风暴有组织化发展，南昌、鹰潭、上饶东部等地区先后出现8～10级雷暴大风和短时强降水。“4·9”过程500 hPa以上无明显的辐散特征，辐合出现在925 hPa和850 hPa。9日08：00—20:00，925 hPa和850 hPa辐合中心为-1.0×10-6s-1、-0.4×10-6s-1(图5d、e、f)，较前次过程辐合层浅薄、范围小。

图5 2019年3月21日02：00(a)、21日08：00(b)、21日14：00(c)、4月9日08：00(d)、9日14：00(e)、 9日20：00(f)925 hPa风场、925 hPa辐合区(填色)、850 hPa辐合区(等值线，单位：10-6s-1)分布

2.3 垂直风切变

对流风暴的组织程度和强度与环境风垂直切变有密切关系[17]，分析两次过程风场及涡度的高度-经度剖面，3月20日20：00至21日08:00(图6a、b)随着冷空气侵入，116°E附近1000～700 hPa、1000～500 hPa垂直风矢量差最大分别为12 m·s-1、24 m·s-1，切变最大分别为2.0×10-3s-1、3.2×10-3s-1。高低层垂直风矢量差及风向差异的增大，使得高低空垂直风切变增强，为强对流发生发展提供了不稳定层结条件。4月9日08:00—14：00(图6c、d)，116°E附近1000～700 hPa、1000～500 hPa垂直风矢量差最大分别为8 m·s-1、14 m·s-1，切变最大分别1.6×10-3s-1、2×10-3s-1。对比发现，“3·21”过程垂直风切变更强，有利于水平正涡度的激发和中层干冷空气的吸入，导致冰雹增长，触发强下沉气流。对比图6b、d发现，强垂直切变区存在较大水平正涡度，涡管扭曲产生垂直涡度，上升运动加强，利于产生冰雹。

图6 2019年3月20日20:00(a)、21日08:00(b)、4月9日08:00(c)、 9日14:00(d)沿29°N风场及涡度(等值线，单位:10-5s-1)的垂直剖面

2.4 水汽条件

强对流发生需要一定的水汽条件，王秀明等[21]通过数值模拟分析发现，大气低层湿度对风暴的组织结构有较大影响，中-高湿度环境更有利于形成高度组织化的飑线。分析两次过程水汽通量和通量散度分布(图略)发现： ①两次过程低层均有较好的水汽输送，但 “3·21”过程水汽输送偏南，“4·9”过程水汽输送偏东偏北。两次过程最大水汽通量分别为20～30 g·cm-1·hPa-1·s-1、20～27 g·cm-1·hPa-1·s-1。②两次过程强对流发生区域均有较强的水汽辐合，“3·21”过程赣北水汽通量散度中心达-14×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，高于“4·9”过程。

干侵入是指来自平流层下层和对流层中上层的低相对湿度和高位涡表征的干燥下沉气流，与低层暖空气相互作用，对暴雨的增幅、天气系统位势不稳定的发展以及中气旋发展生成起着重要的促进作用。分析两次过程主强对流发生区域(115°～117°E，28°～31°N)每6 h 1次的位涡和相对湿度时间剖面发现，3月19日08：00至20日23:00对流层高层高值位涡库自上而下呈漏斗状延伸至400 hPa，表明有干空气向下侵入对流层中层(图7a)。之后，干区逐渐减弱，湿度高值区开始增加，21日08：00，925～300 hPa为显著的湿区，这样深厚的湿层和高位涡库的存在，为短时强降水、冰雹等强对流天气的发生提供了水汽和不稳定条件。“4·9”过程也存在对流层高层位涡库高值向下延伸和湿层增厚(图7b)，但位涡高值区和高湿区维持时间较“3·21”过程偏短。

图7 2019年3月19日08:00至22日02：00(a)和4月8日08：00至10日02:00(b)强对流区 (113°～118°E，28°～32°N)平均相对湿度(阴影，实线,单位：%)和平均位涡(虚线,单位：PVU,1 PVU=106 m2·s-1·K·kg-1)

3 多普勒天气雷达回波特征对比分析

3.1 回波演变特征对比

两次过程大尺度天气系统结构配置有相似性，雷暴大风、冰雹等强天气主要是由飑线等中小尺度系统导致，以下主要讨论其回波演变特征。

“3·21”过程回波演变(图8a)可分为准静止锋影响下的多单体风暴(20日20：00至21日04：00)、冷暖空气共同触发的强飑线(21日04:00—09:00)及湖南短飑线移入(21日10:00—14:00)等3个阶段。20日20:00开始，赣北北部对流单体逐渐新生发展。21：00出现超级单体风暴，浮梁、婺源、都昌等县受影响出现雷暴大风和冰雹。21日04：00(图8a)飑线A回波移入赣西北，45 dBz以上强回波呈南北向分布，与移动方向几乎垂直，平均移速75 km·h-1，07：00飑线经过南昌市时出现弓形特征，造成进贤县瞬时大风达28.4 m·s-1(10级)；飑线北侧和西侧层积混合回波水平尺度超过200 km，回波列车效应导致进贤县三阳集08：00小时降水量达61 mm。此后强飑线加速东移并脱离后侧层积混合回波，降水强度减弱，08：00—09：00强飑线快速东移影响鹰潭、抚州、上饶等市，造成大范围9～11级雷暴大风，09：00以后逐渐移出江西。10：00飑线B从湖南浏阳移入萍乡市，45 dBz以上强回波呈南北向线状，东移平均移速60 km·h-1，11：00—14:00相继影响新余、吉安等市，造成7～8级雷暴大风，冰雹和短时强降水分布较分散，14：00飑线B进入抚州后减弱，2组飑线回波影响时长达10 h。

“4·9”过程有2组(C、D)飑线自西北向东南先后影响江西北部(图8b)。9日13：00多个雷暴单体在九江市组织化发展并呈线状排列，C飑线形成，反射率因子最大达60 dBz，平均移速达80 km·h-1，15:00飑线C东南方向移动影响景德镇、上饶、南昌等市出现8级左右雷暴大风。飑线前沿有阵风锋回波，前侧雷暴出流遭遇强西南气流，在飑线南部触发新的对流单体生成，17：00逐渐消亡。飑线D 16：00在南昌市南部发展东移，此后其东段发展东移，西段逐渐减弱，18：00影响鹰潭、上饶等市，飑线D水平尺度100 km左右，平均移速65 km·h-1。2组飑线影响时长超过5 h。

图8 2019年3月21日04:00—14:00(a)和4月9日13:00—18:00(b)大于45 dBz雷达回波随时间演变

分析可知，“3·21”过程飑线回波具有典型弓形特征，强回波范围大，形状与移向垂直，移速快；“4·9”过程飑线的线状排列特征明显，强回波面积小，前侧有阵风锋回波。

3.2 风廓线产品资料对比分析

风廓线产品(VWP)反演的是雷达多个体扫时次的水平风垂直廓线，一般认为能较好代表距离雷达站60 km范围内的环境风场[16]。“3·21”过程进贤、南昌县和“4·9”过程靖安、永修县出现了8级以上雷暴大风(南昌雷达处有效范围内)，选取南昌站VWP产品分析飑线过境前后垂直风场演变。

分析3月21日06:14—07:13南昌VWP演变(图9a)可知，06:38前受一支强西南气流控制，5 km高度风速最大达30 m·s-1，06:38开始3 km高度有明显偏北风冷空气侵入(图9a红色方框)，冷空气与偏南气流交汇，产生明显辐合，激发对流风暴新生并强烈发展，南昌县附近识别出明显的中气旋，06:43强偏北风自上而下迅速扩展，动量快速下传，1.8 km高度偏北风最大达24 m·s-1，06:48南昌县出现20 m·s-1大风；07:13强偏北风已向下扩展至0.3 km高度， 07:18进贤县出现28 m·s-1(10级)大风。07:36中层逐渐转为西南风，边界层风速减小，飑线移出南昌。

图9b给出了4月9日15:09—16:08南昌VWP演变，15:27前中低层为较强西南风，最大风速12 m·s-1，15:33冷空气开始从0.9 km高度侵入(图9b蓝色方框)，最大风速10 m·s-1，之后快速向地面扩展，15:39—16:00靖安、永修先后出现19 m·s-1(8级)雷暴大风，此后边界层维持偏北风，最大风速12 m·s-1，南昌地区出现了13～15 m·s-1(7级)大风，与实况基本吻合。

图9 2019年3月21日06:14—07:13(a)、4月9日15:09—16:08(b)南昌垂直风廓线演变 (图a、b中红色、蓝色方框表示有冷空气侵入,横坐标为世界时)

由以上分析可知，“3·21”过程暖平流特征明显(3 km以下西南风速最大达22 m·s-1)，高空冷空气侵入深厚(从3 km向下延伸)，偏北风速大(最大达24 m·s-1)；“4·9”过程3 km高度以下西南风相对偏弱(最大16 m·s-1)，侵入冷空气浅薄(0.9 km高度以下)。

3.3 中气旋对比分析

中气旋是强风暴雷达回波的重要特征，对冰雹、雷暴大风等强对流天气的短临预报预警有重要指示作用。本文选取的中气旋持续时间2个体扫以上，考虑到中气旋在合适的距离才能被探测到，结合南昌、上饶、景德镇等3部雷达对“3·21”和“4·9”过程中气旋产品作对比，将明显识别不合理的中气旋剔除后发现，“3·21”过程出现了9个中气旋，其中3月21日06:49南昌县附近20 km范围内识别出3个中气旋(图10a黑色方框内)，中尺度对流发展非常剧烈。“4·9”过程永修附近出现了中气旋(图10b)，最长持续时间为3个体扫。

图10 2020年3月21日06:49(a)、15:21(b)南昌雷达组合反射率因子 (黄色圆圈表示中气旋，黑色方框表示中气旋发展区域)

3.4 单体风暴参数对比分析

垂直积分液态水含量(VIL)、风暴移动速度(MV)与雷暴大风天气的发生发展密切相关，是江西雷达短临监测预警的重要产品指标之一。两次过程江西抚州东乡区都出现9级雷暴大风(3月21日07:37风速24 m·s-1、4月9日16:02风速22 m·s-1)，对东乡站在风暴过境前后VIL和MV进行分析。两次过程东乡雷暴大风发生前VIL均出现下降(图略)，“3·21”过程VIL由07:30的43 kg·m-2降至07:36的38 kg·m-2，VIL值符合江西本地雷暴大风研究统计值，VIL值下降出现在大风发生前。“4·9”过程VIL值由15:56的18 kg·m-2降至16:02的13 kg·m-2，与江西雷暴大风VIL统计值相比明显偏小，可能导致预报员低估雷暴大风的强度，增大了短临预警的难度。

两次过程东乡雷暴大风发生前MV出现上升，“3·21”过程东乡雷暴大风发生前30 min(07:07)已达22 m·s-1(图略)，07:18增大至27 m·s-1，之后维持27 m·s-1，东乡及下游鹰潭等地区出现9～10级大风。“4·9”过程大风发生前MV由15:56的15 m·s-1增加至17 m·s-1，对流单体影响东乡后增大到18 m·s-1继续影响下游地区。可见，风暴发生发展移动趋势对预报员短临预警有重要参考作用。