云南红河一次春季超级单体风暴强对流天气特征分析

韩迁立，朱府鸿，郑 皎*

(1.红河州气象局，云南 蒙自 661100；2.石屏县气象局，云南 石屏 662200)

0 引言

红河州地处云南省东南部，低纬度亚热带高原型湿润季风气候区，境内高山河谷纵横，最高点金平县西隆山与最低点河口县红河和南溪河汇合处海拔高差近3 000 m，地形地貌十分复杂，每年3～5月份南支槽东移影响红河州期间，受到复杂地形影响，在地形抬升作用触发下，以雷暴大风、冰雹为主的局地短时强对流天气高发，往往给国民经济和人民生命财产造成重大损失。因此分析和研究复杂地形背景下红河州境内的强对流天气的形成原因和天气特征对做好气象防灾减灾工作具有重要意义。

过去由于缺乏有效的观测手段，气象研究人员对强对流天气过程的研究主要是根据强对流天气预报的基本原理来分析它的影响系统、对流潜势、触发机制[1]。对于云南本地的强对流天气过程的天气学成因许多专家学者已经做了一些研究并得出了有意义的指导结论，例如张腾飞[2]等研究指出，南支槽前的高低空偏西急流不仅为强对流雹暴提供水汽条件，而且相互耦合加强的上升运动为强对流雹暴提供动量条件，高空深厚强急流带和强垂直风切变导致中高层强斜压性加大而加强上升运动促使雹暴发展，且中低层强垂直风切变影响雹暴的组织和发展；鲁亚斌[3]等分析指出，500 hPa前倾槽、700 hPa切变线及地面冷锋是对流暴雨过程的天气尺度影响系统，高能高湿的对流不稳定层结、明显的垂直风向切变是强对流天气形成的有利条件。艾永智等[4]研究发现，中尺度强对流云带与地面中尺度辐合系统及对流有效位能(CAPE)不连续带有较好的对应关系，中尺度强对流云带发生、发展的位置和走向与前期地面辐合线基本一致，对流单体在CAPE不连续带大值区一侧容易加强和发展。

2020年云南省红河州成功安装了多普勒天气雷达，为分析研究强对流风暴的云微物理过程提供了新的观测手段和观测资料。针对2020年3月24-25日云南省红河州出现的一次超级单体风暴引发的强对流天气过程，本文利用常规地面气象观测资料、个旧雷达站的C波段雷达资料、高空大气探测资料、风云卫星云图等，对此次强对流天气过程的天气学成因进行了分析和研究，通过分析识别钩状回波、有界弱回波、悬垂回波、中气旋等[5]超级单体风暴的雷达回波特征，笔者对产生此次强对流天气过程的风暴云团的内部结构和移动发展过程有了更为深刻认识，也为预报员使用C波段天气雷达资料分析研究低纬高原复杂地形下强对流天气风暴的发生发展过程提供了一些有意义的参考。

1 强对流天气实况

2020年3月24～25日，受南支槽东移影响，云南省红河州出现一次大范围强对流天气过程，全州13县市除西南部的红河县、元阳县、绿春县外，其余9个县市都出现了短时强对流天气，此次强对流天气过程以冰雹和雷暴大风为主并伴有局地短时强降雨。3月23日下午16时，红河州北部开始有对流云团发展，泸西县、弥勒市、开远市和西部的石屏县、建水县出现了雷暴大风和阵性降雨，晚上20时以后对流云团逐渐减弱消散，24日上午08时红河州南部又有对流云团生成，屏边县、金平县、元阳县的部分地区出现了中到大雨，中午12时以后随着对流云团的减弱消散降雨结束。

此次强对流天气过程主要发生在24日夜间至25日凌晨，24日晚上21时红河州西南部的绿春县境内再次有对流云团发展东移，受对流风暴影响22∶30元阳县东部开始出现降雹，23∶40分对流风暴继续发展东移，个旧市、蒙自市、屏边县也相继出现了冰雹并伴有局地短时强降雨，蒙自市南部出现了大冰雹，降雹时间持续了30分钟，最大冰雹直径3～4 cm，25日00∶20分，对流云团东移进入屏边县境内并发展为超级单体，屏边县的东部和南部出现了大冰雹和局地短时强降雨，最大冰雹最大直径5 cm，1∶20分以后对流风暴逐渐减弱，并向东南方移动，降雹随之结束，河口县境内以短时强降雨天气为主，小时最大降雨量为33.0 mm，出现在河口县桥头乡竹瓦房村(图1)，1∶40分以后对流风暴从红河州东南部移出。受此影响，共造成红河州11.8万人受灾，经济损失1.07亿元，损坏房屋7 256间。

图1 2020年3月23日08时～25日08时累计雨量和短时强对流天气的空间分布(：大风，：大冰雹，：短时强降雨)Fig.1 Spatial distribution of accumulated rainfall and short-term severe convective weather from 8:00 on 23 March to 8∶00 on 25 March，2020(：strong wind，：large hail，：short-term heavy rainfall)

2 环流背景及成因分析

2.1 环流形势和影响系统

此次天气过程期间，3月24日08时500 hPa亚洲中高纬为两脊一槽型，西北地区有高空槽引导冷空气东移南下进入西南地区东部，青藏高原南部的高原槽在东移过程中发展加强，高空槽后部有冷空气进入云南上空，滇西北地区受南支槽前冷温槽(图2a)影响，3月24日20时槽前冷平流东移过程中叠加在850 hPa低层暖湿气流之上形成冷平流强迫，有利于大气对流不稳定层结的建立，高空槽前的正涡度平流[6]有利于垂直上升运动发展；700 hPa云南位于南支槽前(图2c)，槽前西南低空急流把孟加拉湾海域的暖湿气流向云南上空输送，为此次强对流天气过程带的发生提供了充沛的水汽输送和能量条件，低空急流左侧有较强的风速切变，有利于产生辐合上升运动；3月24日20时地面天气图上云南位于大陆高压和副热带高压之间的两高辐合区内，滇东北到滇西南的两个低压中心有一条地面辐合线(图2d)，强对流天气在地面辐合线附近触发生成之后自西向东移动，红河州位于云南南部，对流单体在东移过程中逐渐发展为超级单体风暴并对红河州造成影响。

图2 2020年3月24日08时500 hPa(a)和20时850 hPa(b)高空风场(单位，m/s)和温度场(填色，单位，℃)，3月24日20时700 hPa高空风场(单位，m/s)和水汽通量场(填色，单位，g/(s·hPa·cm))(c)，3月24日20时地面天气图分析(d)Fig.2 High-altitude wind field(unit：m/s)and temperature field(fill color，unit：℃)at 500 hPa at 8∶00 on 24 March(a)， at 850 hPa at 20∶00 on 24 March(b)， high-altitude wind field(unit：m/s)and water vapor flux field[fill color，unit：g/ (s·hPa·cm)] at 700 hPa at 20∶00 on 24 March (c)，ground weather map analysis at 20∶00 on 24 March(d)，2020

2.2 对流潜势分析

强对流天气的发生不仅需要有生成对流性天气过程的环流背景和影响天气系统，还需要有较好的对流潜势条件。3月24日08时蒙自站大气垂直探空分析(图3a)呈v型特征分布，中高层大气干冷中低层大气暖湿，近地层附近有逆温层，对流有效位能CAPE=36.5 J/kg，对流抑制有效位能CIN=338.1 J/kg，下沉对流有效位能DCAPE=338.4 J/kg，K=42℃，沙氏指数SI=-6℃，比湿q(700 hPa)=7.79 g/kg，0～6 km垂直风切变大于20 m/s。3月24日20时(图3b)CAPE值增至1 915.8 J/kg，q(700 hPa)增加到11.04 g/kg，CIN下降到1 J/kg，0℃层高度ZH=4 156 m，-20℃层高度-20H=7 500 m。近地层逆温层的存在和较强的对流抑制有效位能有利于不稳定能量的储存，使得午后升温之后对流有效位能迅速累计，为强对流天气的发生提高了不稳定能量条件，对流抑制有效位能的迅速降低有利于对流不稳定能量的释放，中低层大气中水汽含量的增加为强对流天气的发生提高了良好的水汽条件，较强的下沉对流有效位能有利于高空动量下传从而产生地面大风，0～6 km强烈的垂直风切变有利于垂直上升运动发展，合适的零度层高度和-20℃层高度有利于产生冰雹。

图3 2020年3月24日08(a)时和20时(b)蒙自站大气垂直探空分析Fig.3 Vertical atmosphere air-exploration analysis of Mengzi station(a)at 08∶00 and(b)at 20∶00 on March 24，2020

2.3 物理量条件分析

从散度场上来看(图4，a～b)，25日08时200 hPa高空，云南省东南部有一个较强的辐散中心，散度场中心最大值超过-24×10e-5·s-1，中低层700 hPa附近云南省东南部为辐合区，散度值为-8～16×10e-5·s-1，垂直方向上高层辐散低层辐合的散度场配置，有利于与垂直上升运动风发展，为此次强对流天气过程的发生提供了很好的动力条件。

从水汽通量场上来看(图4，c～d)，25日08时与24日08时相比水汽输送条件有明显改善，24日云南省东南部水汽输送通量为4～6 g·(s·hPa·cm)-1，其余地区为2～4 g·(s·hPa·cm)-1，25日从缅甸南部沿海到江南地区北部形成了一条明显的水汽输送带，云南省位于这条水汽输送带的前部，云南省东南部水汽通量达到8～10 g·(s·hPa·cm)-1，来自孟加拉湾海域的西南暖湿气流，为此次强对流天气过程提供了良好的水汽条件。

从能量条件来看(图4，c～d)，24日08时云南省东南部850 hPa与500 hPa假相当位温差正值中心，中心最大值接近15 k，高低层假相当位温差是分析垂直方向上大气层级稳定度的重要判别依据[7]，差值越大不稳定能量条件也好，24日20时随着午后气温的进一步升高850 hPa与500 hPa假相当位温差值进一步增大，不稳定区域明显扩大。高低层大气假相当位温差值显著增加说明对流不稳定能量在迅速累积，为此次强对流天气过程提供了良好的能量条件。

图4 2020年3月25日08时200 hPa(a)和700 hPa(b)高空散度场(单位，10e-5·s-1)；24日08时(c)和25日08时(d)700 hPa水汽通量场(单位，10e-5·s-1)；24日08时(e)和20时(f)850 hPa与500 hPa假相当位差(单位，K)Fig.4 High-altitude divergence field(unit：10e-5·s-1)at 8∶00 on 25 March at 200 hPa(a)and at 700 hPa(b)；water vapor flux field(unit：10e-5·s-1)at 700 hPa at 8∶00 on 24 March(c)and at 8∶00 on 25 March(d)；the pseudo equivalent potential temperature difference between 850 hPa and 500 hPa(unit：K)at 8∶00(d)and at 20∶00(e)on 24 March，2020

2.4 云图特征和触发机制分析

红外云图上，受南支槽前西南气流影响，3月23日16时红河州西部和北部有少量对流云团生成发展并伴有对流天气产生，石屏站出现雷暴大风(23.5 m/s，15∶54分)，小时雨量11.5 mm。在槽前西南气流的引导下，对流云团继续向东北方向移动，傍晚以后随着地面气温的下降，对流活动减弱，红河州境内对流云团逐渐减弱消散。24日08时随着南支槽的进一步发展东移，红河州中部以南地区再次有体积较小的对流云团生成，16时云南西部开始有结构较松散的带状对流云系生成，22时地面辐合线附近原本结构松散的对流云系在东过程中逐渐发展成为结构紧密的块状对流云团A和B(封二图版Ⅰ图5a)。随着地面辐合线的继续东移，25日00时对流云团A和B在向东北方向移动的过程中由于受到云南省中部哀牢山脉的阻挡和地形抬升作用，垂直上升运动加强，对流云团的迅速发展(封二图版Ⅰ图5b)；对流云团B从滇西南的普洱市西部东移至滇南的红河州西部，云团体积明显变大，对流云团A从红河州西南部东移至红河州东部，出现了明显的“V”型结构特征，云顶相当黑体亮温从250 K下降到232 K，蒙自市、屏边县出现大冰雹，对流云团B南侧的地面辐合线南侧约100 km处生成了新的对流单体C，25日03时对流云团B从红河州西部向东北方向移动到红河州北部云团体积明显变大，红外云顶亮温降至232 K以下，04～05时红河州北部弥勒市东山和泸西县地面极大风速超过20 m/s并伴有冰雹，对流云团C东移至红河州东南部并迅速发展壮大(封二图版Ⅰ图5c)。

3 C波段雷达特征分析

由于此次强对流天气过程中对流云团A造成的影响最大，因此本文利用2020年红河州新建的C波段天气雷达的观测资料对该对流风暴云团的移动过程和发展过程进行重点分析。

3.1 风暴的移动过程

3月24日夜间，21∶00红河州西南部绿春县西边开始有层积混合降水回波生成，层状云中夹杂着块状对流云，最强反射率因子52 dBZ，随后对流云团不断增强并向东移动；21∶42对流云移动到绿春县城以南，最大反射率因子63 dBZ，在3.29°仰角上首次出现“三体散射长钉(TBSS)”[8]和旁瓣回波[5](封二图版Ⅰ图6a)；21∶48～22∶05“三体散射长钉”逐渐变短、旁瓣回波消失，回波强度减弱；22∶11对流云移动至元阳县西南部，反射率因子有所增强；22∶29回波增强，三体散射长钉变长，南段迅速增强(封二图版Ⅰ图6b)；23∶17组合反射率上观测到了明显的指状回波(封二图版Ⅰ图6c)；23∶33风暴移至元阳县东南与金平县北部交界处，45 dBZ以上回波增强、面积增大至298 m2；23∶43风暴移至个旧市、蒙自市和屏边县交界处(封二图版Ⅰ图6d)，三体散射长钉(TBSS)达33 km，说明风暴发展阶段已经有冰雹产生。

3月25日00∶19单体东移动进入屏边，反射率因子垂直剖面图上出现了回波悬垂和有界弱回波区，回波顶高9.5 km、最大反射率因子69 dBZ(图7)，VIL值达43(kg·m-2)，三体散射长钉(TBSS)达到了本次过程最长(34 km)，表明超级单体发展到鼎盛时期，地面出现50 mm大冰雹和雷暴大风；00∶25在4.3°仰角反射率因子图上“钩”状回波结构特征明显(封二图版Ⅰ图6e)。研究表明[9]钩状回波是强的上升气流中有强烈旋转的结构，超级单体中有“钩”状回波，径向速度图上有与之对应的正负速度对，说明对流发展非常旺盛，风暴已经发展为超级单体，对流单体发展到达成熟阶段。

图7 2020年3月25日00∶19分反射率因子垂直剖面Fig.7 The reflectivity factor vertical profile at 00∶19 on 25 March,2020

3月25日01∶01单体风暴经过5个体扫后，移动到屏东部，PPI1.5°仰角上清晰看到“逗点”回波再次出现，逗点尾巴回波由之前(00∶25)西北方向旋转到现在的东北方向，表明强对流云系存在着旋转，再次证明了中气旋的存在。此时0.5°～1.5°仰角观测到单体风暴东北侧有“V”型槽口回波结构(封二图版Ⅰ图6f)，径向速度图上有逆风区(封二图版Ⅰ图6h)，表明低层有强的下沉气流，风暴发展减弱，01∶42单体主体移动至文山州马关县大栗树乡，单体减弱，三体散射长钉(TBSS)消失，到02∶18此次强对流天气降雹结束。

3.2 风暴的发展过程

对24日21∶00～23∶17 风暴单体的强反射率中心做径向速度垂直剖面分析，发现远离雷达方向，径向速度约为4～17 m/s，从低层到高层气流向上辐合，朝向雷达方向，径向速度约为-4～-10 m/s，从高层到低层气流向下辐散，上升气流比下沉气流强，中高层以倾斜上升气流为主，上中低层以下沉气流(图8a)，可认为是单体风暴的发展阶段；对24日23∶33～25日01∶30的雷达回波径向速度垂直剖面分析，发现超级单体风暴前侧，从高层到低层，径向速度为-4～-10 m/s，气流向下辐散，单体前方为下沉气流，超级风暴单体后侧，从低层到高层，径向速度为4～10 m/s，气流向上辐散，单体后方为上升气流，中低层辐合，高层辐散的结构特征十分明显，风暴单体中心，正风速最大值15(m·s-1)，负风速最小值-15(m·s-1)，上升气流与下沉气流共存(图8b)，风向风速存在剧烈切变，此时期为单体的成熟和维持阶段；01∶36～02∶18从径向速度剖面图分析得知，风暴单体主体范围内，从高层到低层径向速度以负速度为主，高层气流向低层辐散，单体风暴以下沉气流为主(图8c)，01∶36后超级单体回波强度开始缓慢减弱，从CR组合回波图(图略)上可看出回波的基本反射率因子最大值降低、强回波核面积缩小，到02∶18单体移动至文山州马关县与越南交接处(雷达最大探测距离150 km外)，滇南地区降雹结束，天气转晴，此时期为减弱阶段；本次冰雹过程中，风场特点与石燕等[10]分析的冰雹云流场结构一致，即冰雹云在发展阶段以上升气流为主导，成熟阶段是上升气流与下沉气流共存，到减弱阶段则以下沉气流为主。

图8 风暴发展阶段(21∶48分)径向速度剖面(a)，成熟阶段径(23∶55分)向速度剖面(b)，消亡阶段(01∶48)径向速度剖面(c)Fig.8 Radial velocity profiles of the cell storm development phase at 21∶48 on 24 March(a)，maturation phase at 23∶55 on 24 March(b)，extinction phase at 01∶48 on 25 March(c)，2020

4 结论

(1)此次超级单体风暴强对流天气过程期间，500 hPa亚洲中高纬为两脊一槽型，西北地区有高空槽引导冷空气东移南下进入西南地区东部，700 hPa云南省位于南支槽前，高层冷平流叠加在低层暖湿气流之上形成冷平流强迫，有利于对流不稳定层结建立，500 hPa高空槽前的正涡度平流有利于垂直上升运动发展，南支槽前的西南暖湿气流为强对流天气的发生发展提供了水汽条件和能量条件。近地层逆温层的存在和较强的对流抑制有效位能有利于不稳定能量的储存，使得午后升温之后对流有效位能迅速累计，为强对流天气的发生提高了不稳定能量条件。地面辐合线附近，对流云团向东北方向移动的过程中由于受到哀牢山的阻挡和地形抬升作用触发了对流云团的强烈发展。

(2)对流单体风暴发展阶段，中高层以上升气流为主，低层有下沉气流，雷达反射率上就观测到了明显的指状回波和三体散射特征，有冰雹和短时强降雨产生；风暴成熟阶段，移动方向前方为下沉气流，后方为上升气流，中低层辐合，高层辐散的结构特征十分明显，上升气流与下沉气流共存，风向风速存在剧烈切变，雷达反射率因子“钩”状回波结构特征明显，出现了回波悬垂和有界弱回波区，径向速度图上有与之对应的正负速度对，风暴云团后侧有“V”型槽口，地面出现了直径50 mm大冰雹和雷暴大风；减弱阶段，单体风暴以下沉气流为主，反射率因子最大值降低、强回波核面积缩小。