2019年5月影响三亚的一次雷雨大风过程分析

刘瑾 许向春

（1 海南省三亚市气象局，三亚 572000；2 海南省气象局，海口 570203；3 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203）

0 引言

近几年，随着我国新一代雷达观测站的建设和业务化运行，预报员通过运用雷达，跟踪强对流天气的发生发展，极大地提高了强对流天气的短时临近预警能力。触发机制是研究强对流天气的关键问题，在天气尺度影响系统具备的条件下，地面中尺度辐合线的产生、发展以及强度对强对流天气的发生时段、落区有很好的指示性。沈杭锋等对一次飑线过程进行数值模拟，得出雷暴出流与局地辐合线相遇，加剧了对流的爆发。海陆风环流是沿海城市最突出的中尺度特征之一。何群英等对一次局地暴雨过程进行分析，指出天气尺度的积云对流与海风锋的碰撞触发不稳定能量的释放，是引发前期强降水的关键。

春季（3—5月）是冷季向暖季过渡的季节，冷空气势力有所减弱，冷空气与南海逐渐增强的暖湿气流，导致常交绥在海南岛上空，频繁造成强对流天气，给人们的生命和财产安全带来严重的威胁，成为天气预报业务工作的重点和难点。本文选取2019年5月9日发生在三亚的一次雷雨大风天气过程，利用多种资料进行天气学分析，以期寻找出这类强对流天气成因，强化预报员对这类天气的认识，提高强对流天气的监测及预报预警能力。

1 天气实况与所用资料

1.1 资料

本文所用的资料包括NCEP 1°×1°再分析数据、GFS模式预报数据，常规高空地面观测数据，多普勒雷达、风廓线雷达数据，以及海南岛自动站观测资料。

1.2 天气实况

2019年5月9日，受强对流天气影响，三亚市由南部近海到内陆、由西部到东部先后出现雷雨大风天气，影响时段大致为11—14时。11：30前后，三亚市西部崖州区出现6级大风，之后西部南滨实验站站点风力在11：54增大到7级，整个过程自西向东有4个站点极大风速达到7级（图1a），其中吉阳东站高速站点极大风最大，达16.6 m/s，出现时间为12：50。各单站出现7级大风的具体情况见表1。

表1 三亚市极大风速达到7级的站点及出现时间Table 1 Sites and occurrence time of maximum wind speed exceeding grade 7 in Sanya

这次过程还在三亚北部山区和东北部陆地出现了短时强降水。08—17时，三亚市中部和东北地区出现中到大雨，有一个站点出现暴雨（图1b），其中小时雨强达到20 mm/h的站点有8个。

图1 2019年5月9日08—17时三亚市极大风（a，单位：m/s）和累计降水（b，单位：mm）（①—④为出现7级大风的次序）Fig.1 Extreme gale (a,unit:m/s) and precipitation (b,unit:mm) in Sanya from 08:00 BT to 17:00 BT on 9 May 2019(①-④ means the sequence of strong wind with level 7)

2 成因分析

2.1 环流背景和大气层结

2019年5月9日08时，海南岛位于200 hPa急流轴右后方，其西南部海面受高层辐散气流控制（图2a）；500 hPa西太平洋高压较弱，由甘肃东部引导一槽，延伸至广西—北部湾一带，海南岛北部受西北干冷空气影响；850 hPa切变线位于广东沿海地区，海南岛位于切变线南部暖区；伴有水汽通量辅合；925 hPa切变线位于海南岛西部海域至中部陆地一带（图2b），低层925 hPa强辐合位于海南岛西南部，与高层200 hPa辐散区域位置对应一致，有较好的动力抬升条件，切变线附近温度密集带，西南暖湿气流为本次过程提供充足的水汽和能量输送，与高层干冷西北气流配合使大气处于条件不稳定状态。

图2 （a）2019年5月9日08时500 hPa高度场（黑色实线，单位：dagpm）、温度场（红色实线，单位：K）、850 hPa风场（单位：m/s）和200 hPa散度场（阴影，单位：10-5s-1）（棕色实线表示850 hPa切变线，南海附图为850 hPa水汽通量散度）（阴影，单位：-1＊10-5s-1）；（b）925 hPa高度场（黑色实线，单位：dagpm）、温度场（红色实线，单位：K）、风场（单位：m/s）和散度场（阴影，单位：10-5s-1）（棕色实线分别表示925 hPa切变线）Fig.2 (a) 500 hPa height field (black solid lines,unit:dagpm),temperature field (red solid lines,unit:K),850 hPa wind field(unit:m/s) and 200 hPa divergence field (shadings,unit:10-5s-1) at 08:00 BT on 9 May 2019 (brown solid lines represent 850 hPa shear line),the figure of South China Sea shows the divergence of water vapor flux at 850 hPa (shadings,unit:-1×10-5s-1);(b) 925 hPa height field (black solid lines,unit:dagpm),temperature field (red solid lines,unit:K),wind field (unit:m/s)and divergence field (shadings,unit:10-5s-1) at 08:00 BT on 9 May 2019 (brown solid line represents 925 hPa shear line)

三亚站08时

T

-ln

p

图（图3）显示，温度和露点层结曲线呈上干下湿型，500 hPa以上存在干层，600 hPa以下大气近乎饱和；SI指数为-2.65 ℃，K指数为42 ℃，CAPE值为1300 J/kg，抬升凝结高度和自由对流高度均为900 m左右，表明海南岛南部地区大气层结具有较强的条件不稳定性，并容易触发激生对流。

图3 2019年5月9日08时三亚站T-lnpFig.3 T-lnp of Sanya Station at 08:00 BT on 9 May 2019

2.2 雷达回波特征分析

5月9日08时，在925 hPa切变线附近，海南岛西南海域有对流云团发展，并向东北方向移动，11：45雷达回波外围移至海南岛三亚市西南沿岸一带，雷达反射率最大达50 dBz，回波移动方向的前沿的陆地有对流初生的零散弱回波，径向速度图上可见弱回波区的后侧有大风区（图4a），风速达23 m/s左右，三亚沿岸有较强的风速辐合。12：07位于西南海域上的强对流云团后侧回波略有减弱，反射率因子达50 dBz的雷达数据集个数减少，大风区强度维持，强对流云团前侧的对流小单体已发展为线状对流，径向速度图上同时配合窄细速度辐合带，同时海南岛西南部陆地上对流回波强度明显加强，范围加大；之后陆地上的线状对流与西南海域对流带合并，12：24起已合并成上百千米的带状对流，并向东北方向移动，三亚市中东部地区风速加大，并出现7级大风天气。

图4 2019年5月9日11:45（a,d）、12:07（b,e）和12:24（c,f）径向速度和雷达反射率Fig.4 Radial velocity and radar reflectivity at 11:45 BT (a,d)、12:07 BT (b,e) and 12:24 (c,f) BT on May 92019

综上分析可知，西南海域强对流云团发展并向东北移至陆地是导致三亚雷雨大风的直接原因，强对流向东北移动过程中，海岸地形促发线状对流组织化发展，是强对流天气产生的关键，线状对流如何发生发展是本文的研究重点。

2.3 自动站数据分析

此次过程对流主体首先发生于西南部海域，由于海上实测数据缺乏，以下重点对对流系统移到海南岛陆地后的发展过程进行分析。图5a为三亚站点的三线图：8日夜间为东北风，9日09时起气温开始上升，转为东到东北风，11时起气温达到最高，逐渐转为南到东南风，在此期间，海陆风、露点和气压均呈常规日变化规律，表明此时未受到西南部海域对流的影响。11时海南岛温度和自动站风场表明（图5b），中部和北部陆地已受冷空气扩散影响，被东北风控制，气温明显偏低，西南部陆地气温高于其他区域，三亚西部沿岸海风表明未受冷空气影响，东部海风较弱并与扩散冷空气辐合为对流线的发展提供较好的中尺度动力条件。直至12：30，随着对流带过境，本市强风雨天气过程期间，气温、露点骤降，气压逐渐下降。

图5 （a）2019年5月9日08—17时三亚站三线图，黑色折线表示气压（单位：Pa），红色折线表示温度（单位：℃），蓝色折线表示露点（单位：℃），绿色实线指示12:30；（b）2019年5月9日11时自动站风场（单位：m/s）和温度（阴影，单位：℃），棕色实线为切变线Fig.5 (a) The three-line map of Sanya Station at 08-17 BT on 9 May 2019,the black line represents air pressure (unit:Pa),the red line represents temperature (unit:℃),the blue line represents dew point (unit:℃),and the green solid line indicated at 12:30;(b) the wind vector (unit:m/s) and temperature (shadings,unit:℃) of automatic station at 11:00 BT on 9 May 2019,brown solid line is shear line

2.4 海上对流形成机制分析

从以上雷达回波分析可知，强对流首先在海南岛西南侧海域生成，由于海上实测数据缺乏，在此借助GFS数值模式产品对海上对流形成机制进行分析。图6a～c为5月9日08、11、14时GFS模式925风场和CAPE值分布图，可看出08—14时海南岛西部海域至中部陆地的切变线稳定维持；西南部海域的切变线在08时气旋性风切明显，11时气旋性减弱，风速减小，14时已无明显切变线。分析三亚区域CAPE值的时间演变（图6d），11时起迅速增大，14时达1500 J/kg以上，CAPE大值区域位于海南岛南部地区以及南部海面（图6a～6c），表明有明显不稳定能量。分析三亚区域动力和水汽条件的时间演变，图6e表明9日上午起，中高层相对湿度在75%以上，湿度条件一般，所以本次过程没有导致大范围强降水天气，11时起有上升运动发展，至14时上升运动达到最强，之后转为下沉气流，中上层水汽转少，仅在边界层水汽接近饱和，即强对流过程结束。以上分析表明：11时起三亚区域的动力和热力条件、水汽条件较好，有利于强对流的发生发展。

沿图6c所示位置作剖面进一步分析，可以看出08时在108°E附近区域有明显上升气流（图7a），并配合低层正涡度中心（图7b），与对流所在位置一致，在剖线与三亚边界相交位置（图7b红色三角区域）近地面高度受陆风影响呈偏东风，受弱冷空气东北风影响的区域（图7b红色圆圈）也是偏东风，与自动站分析一致。11时原强对流区转为下沉气流，并向东北方向倾斜（图7c），到达近地面后堆积，并在低层向西南侧108.3°E（原对流附近）与东北侧109.2°E（三亚近海附近）两侧辐合上升，其中西南侧东北风与背景风风向辐合，涡度增加（图7d），维持原对流发展；东北侧西南风与较弱海风风速辐合、与三亚东部东北风风向辐合，中尺度对流线加强，表现为负涡度减小。

图6 2019年5月9日08时GFS模式08时（a）、11时（b）和14时（c）925 hPa风场（矢量，单位：Pa/s）和CAPE值（阴影，单位：J/kg），棕色实线为切变线，其中图6c中红色三角为黑色实线与三亚市界的交点，红色圆圈为黑色实线上受冷空气影响的区域；（d）三亚区域GFS模式预报CAPE值的时间演变；（e）GFS模式预报场垂直运动（虚实线，单位：Pa/s）和相对湿度（阴影，单位：%）的时间演变Fig.6 Forecast field distribution of 925hPa wind (vector,unit:Pa/s) and CAPE value (shadings,unit:J/kg) in GFS mode at (a)08:00,(b) 11:00,(c) 14:00 BT on 9 May 2019,brown solid line is shear line,the red triangle on black solid line in Fig.6c indicates the intersection of the section line and Sanya City boundary,the red circle is the area affected by weak cold air;(d) time evolution of CAPE value in Sanya area predicted by GFS model at 08:00 BT on 9 May 2019;(e) time evolution of vertical motion (virtual real line,unit:Pa/s)and relative humidity (shadings)predicted by GFS model

图7 沿图6c黑色实线所示位置作剖面（a）08时和（c）11时散度（阴影，单位：10-5s-1）和垂直运动（虚实线，单位：Pa/s）；（b）08时和（d）11时涡度（阴影，单位：10-5s-1）和风场（矢量，单位：m/s），红色三角和红色圆圈与图6c描述一致Fig.7 Profiles are made along the black solid line shown in Fig.6 con 9 May 201908:00 BT (a)and 11:00 BT (c) divergence (shadings,unit:10-5s-1)and vertical motion (virtual solid line,unit:Pa/s);08:00 BT (b) and 11:00BT (d) vorticity(shadings,unit:10-5s-1)and wind vector (unit:m/s),the red triangle and red circle are consistent with the description in Fig.6c

运用风廓线雷达对以上模式预报分析进行补充，风廓线雷达站处于图6c红色三角略往东的位置上，发现风廓线雷达风场分布可以分为四个阶段（图8a），借以反映强对流东移对对流线的影响：1）11时之前，对流带距离雷达站较远，风向与东部陆地东北风一致；2）11：30左右，对流带逐渐靠近雷达站，表现为对流带下沉气流向东北方向扩散的偏西气流；3）12时左右，对流带经过雷达站，为对流带下沉气流向西南方向扩散的偏东气流；4）12：30左右，对流带东移远离雷达站，则为背景风西南气流。进一步计算1000～900 hPa、900～500 hPa垂直风切变与涡度的时间演变，图8b～8c可以看出低层垂直风切变明显高于中层，涡度在低层也有较明显发展，均在11时开始增加，7级大风主要发生在第三个阶段，表明对流带过境带来风向的转变，引起低层垂直风切变和涡度的增加，从而导致对流线的发展。

图8 （a）2019年5月9日10：30—13:00三亚风廓线雷达风场（矢量，单位：m/s），红色表示风速大于8 m/s，①—④指示风场分布的4个阶段；（b）GFS模式预报三亚区域垂直风切变的时间演变，红色折线表示1000～900 hPa，绿色折线表示900～500 hPa；（c）GFS模式预报三亚区域涡度的时间演变（单位：10-5s-1）Fig.8 (a) Sanya wind profiler radar at 10:30-13:00 BT (vector,unit:m/s) on 9 May 2019,red indicates that the wind speed is greater than 8 m/s,①-④ four stages indicating the distribution of wind field;(b) GFS model predicts the time evolution of vertical wind shear in Sanya,with red line representing 1000～900 hPa and green line representing 900～500 hPa;(c) GFS model predicts the time evolution of vorticity in Sanya (unit:10-5s-1)

3 结论

1）高空干冷槽叠加于低层西南暖湿空气之上，三亚东部陆地东北风与弱海风辐合形成中尺度辐合线，为本次过程提供良好的水汽、热力不稳定、动力抬升和触发条件。

2）海南岛西南部海域生成的强对流带向东北方向移动过程与西南部陆地对流合并发展是整个对流维持的关键，雷达回波上的对流后侧大风入流和前侧零散弱回波线，为雷雨大风的发生提供较好的预警。

3）近地层垂直风场分析得出，海南岛西南海域对流系统的维持与中尺度对流线的发展有关，对流系统中伴随的下沉气流，向东北方向倾斜至近地面后向两侧涌升，其西南侧产生的东北风与背景风辐合，造成海上的原对流维持；东北侧西南风与弱海风风速辐合、与三亚东部东北风风速辐合，造成中尺度对流线加强。对流带过境前后，三亚区域存在西南风到东北风的转变，导致低层垂直风切变和涡度增加，进一步促进对流发展。风廓线雷达可较好地监测到对流系统过境的风场变化演变特征。