黔西南一次中β尺度强对流天气分析

杨春艳，陈 杨，孟庆怡，孔德璇，段 荣，李 力

(1.贵州省黔西南布依族苗族自治州气象局，贵州 兴义 562400；2.贵州省黔南布依族苗族自治州气象局，贵州 都匀 558000；3.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002)

0 引 言

黔西南州是典型的低纬度高海拔山区，地势西高东低、北高南低。州境内地形起伏大，天气气候复杂，气象灾害频繁，常年受暴雨、冰雹、大风等气象灾害的影响。

前人对强对流天气的研究成果非常丰富。俞小鼎等[1]在中国当代强对流天气研究与业务进展论著中提到，目前我国学者对强对流天气的发生发展认识清楚，能够清晰研究强对流的触发机制、环境条件和维持机制，通过分析强对流天气的气候分布特征和中尺度对流系统的组织形态特征，对强对流天气的预报预警技术有明显提升。大气层结不稳定，低层辐合线触发强对流天气发生，径向速度图上的特征可以预报预警雷暴大风[2]；冰雹的发生需有适宜的0 ℃层高度、-20 ℃层高度，VIL值跃升[3-4]；白慧等[5]对一次初春强对流天气分析时提到了低空急流的作用。夜间边界层顶低空急流加强,使得北部山区出现大量级的短时强降水，广东能量极大值常出现在大气底层，环境风廓线利于垂直运动发展而触发新对流，最终形成飑线[6]。而西部高原发生强对流过程时，东移的高原低涡前倾切变线提供动力和水汽条件，水汽主要来自西路水汽输送通道，有明显的辐合及垂直输送，强烈的入流和上升气流、中层辐合和高空辐散有利于高原上降雹[7]。黄金全等[8]在贵州中部发生的一次强对流天气中发现，垂直速度梯度越大则对流活动越强。同时，特殊地形对极端大风和短时强降水也有明显的增幅作用[9-10]。

但针对黔西南州出现的大范围灾害性天气的个例分析还很少。2020年5月2日午后至夜间，黔西南州自北向东南方向出现大范围雷电、雷暴大风、冰雹、短时强降水等强对流天气，尤其是安龙县钱相出现42 m·s-1的下击暴流天气。本文利用常规地面观测资料、高空观测资料、多普勒天气雷达资料、卫星资料以及NOAA的HYSPLIT模式同期驱动资料，通过常规气象分析方法对本次大范围强对流天气过程的环境场、水汽源地、雷达产品等进行了详细分析，特别是对安龙钱相发生下击暴流时的天气雷达数据进行了重点分析，期望能给黔西南今后的强对流天气预报业务工作提供有效的参考。

1 天气实况及环境场分析

1.1 天气实况

2020年5月2日午后至夜间，黔西南州自北向东南出现大范围雷电、雷暴大风、冰雹、短时强降水等强对流天气，给安龙、册亨等地造成八千余万元的经济损失，主要由风灾引起。

如图1所示，5月2日全州共出现1 817次闪电；普安、晴隆、兴仁、贞丰、安龙、册亨、望谟共有16个乡镇出现偏北雷暴大风，最大为安龙县钱相42 m·s-1(14级)，安龙县钱农园38.9 m·s-1次之；16—20时，普安、晴隆、兴仁、贞丰、安龙、册亨共有29个乡镇降雹，最大冰雹直径25 mm(普安县罗汉)，最大降雹密度200 粒·m-2(晴隆县花贡镇民族村)；全州共出现44站短时强降水，最大小时雨强为册亨县站66.3 mm·h-1(2日23时)。2日08时—3日08时，全州共有13站暴雨，最大降水出现在贞丰龙山为70.4 mm。

图1 黔西南州5月2日(a)过程雷电、(b)雷暴大风、(c)冰雹、(d)短时强降水、(e)24 h降水分布情况Fig.1 Distribution of (a) process lightning,(b) thunderstorm gale,(c) hail,(d) short-term strong precipitation,(e) 24-hour precipitation in Southwest Guizhou on May 2

1.2 影响系统分析

对5月2日08时和20时实况形势场进行分析可见(如图2)，08时500 hPa上甘肃东部至四川中部有低槽，低槽南段冷平流作用使得低槽加深东移南压，副高主体位于海上，稳定少动，受其引导中低层黔西南地区上空为一致的偏南气流，为本次强对流天气的产生提供水汽条件；此时渝贵之间700 hPa和850 hPa均有切变线存在，700 hPa滇黔之间有南北向切变线，地面在云南有热低压发展加深，热低压东侧省的西部偏北地区有辐合线发展，位置少动，在16时以前，黔西南地区为偏南风。20时，500 hPa低槽迅速东移南压至贵州省南部边缘，黔西南地区转为槽后西北气流引导高原冷空气南下，700 hPa滇黔之间切变线东南移动至广西中北部，850 hPa渝贵切变线南压至省中部偏北地区，地面辐合线南压至黔西南州北部。

图2 5月2日(a)08时、(b)20时天气综合分析图Fig.2 Weather comprehensive analysis chart at(a) 08:00, (b) 20:00 on May 2

综上，500 hPa高空槽带动700 hPa切变东移南压，提供了较好天气尺度的上升条件，850 hPa百色始终为偏南风，在16时以前地面上持续的偏南暖湿气流积聚了能量和水汽，叠加中高层高原上的弱冷空气，大气层结不稳定，在地面辐合线的触发下，黔西南地区出现了此次强对流天气过程。

1.3 大气不稳定层结

对5月2日贵阳、威宁和百色的探空图进行分析(见表1)。08时，贵阳的CAPE值较大，达到717 J·kg-1，K指数36 ℃，大气处于不稳定状态，威宁和百色的CAPE值较小，用14时的温度订正后贵阳为2 050 J·kg-1、威宁为1 573 J·kg-1、百色为1 682 J·kg-1。20时，贵阳、威宁的CAPE值减小到851 J·kg-1、134 J·kg-1，表明强对流天气的发生释放了一部分能量，但百色的CAPE仍在1 000 J·kg-1以上为1 089 J·kg-1，K增加到39 ℃，干暖盖指数增加到-48.7 ℃，仍保持着强的不稳定状态，非常有利于不稳定对流天气的发展。08时3站的抬升凝结高度较低，表明较小的外力作用就可以将气块抬升形成对流泡。

表1 5月2日08、20时探空要素表Tab.1 Radiosonde elements at 08:00 and 20:00 on May 2

垂直风切变是表征对流性风暴组织程度的重要参数，此次过程中08时贵阳、威宁、百色的0～6 km垂直风切变均较大，分别为25 m·s-1、34 m·s-1、30 m·s-1，按照俞小鼎等[1]对垂直风切变的分类，属于强垂直风切变，非常有利于形成有组织的对流性风暴，造成大范围的强对流天气。

较强的下沉气流是产生雷暴大风的必要条件，通常用下沉对流有效位能DCAPE来表征。08时威宁和百色的DCAPE较大，分别为338 J· kg-1、922 J· kg-1，表明贵州西部有发生雷暴大风的潜势。从20时百色的探空图(图略)也可以看出，探空层结呈现出“沙漏”结构：中层湿，高低层干，有利于雷暴大风的形成。研究表明，有利于雷暴大风产生的环境条件主要有以下两点：①对流层中层存在干层。通常用700 hPa、500 hPa、400 hPa 3层的平均温度露点差代表对流层中层的干空气层强度，该值越大表示干空气越干或干层越深厚，对于雷暴内强烈下沉气流发展越有利，计算百色700 hPa、500 hPa、400 hPa 3层的平均温度露点差分别为08时9.7 ℃、20时12.3 ℃，有增加的趋势，对比高晓梅等[11]对鲁中地区分类强对流天气干空气强度的计算值，与冰雹雷暴大风型平均温度露点差一致(12.2 ℃)，表明中层具有明显的干层，干空气强度较强。②高层动量下传。当夹卷层风速较大时，动量下传对于地面大风会有相当贡献，利于风暴。承载层平均风速表示动量下传的潜势大小，为简单起见，风暴承载层的平均风用850 hPa、700 hPa、500 hPa和300 hPa 4层的平均风矢量的绝对值表示，分析百色风暴承载层的平均风发现08时和20时分别为15.25 m·s-1和16 m·s-1，与高晓梅等[12]计算的冰雹雷暴大风型风暴承载层的平均风一致，对流风暴移动速度相对较快，动量下传效率高，有助于雷暴大风产生和增强。

俞小鼎[13]指出冰雹融化层的近似高度应为湿球温度0 ℃层(WBZ)，而不是干球温度0 ℃层(DBZ)。进行海拔高度订正后，百色探空显示08时和20时的DBZ分别为4 758 m、4 885 m，而WBZ分别为3 854 m、4 275 m，均在600 hPa附近，与DBZ相比有明显的降低。同时，-20 ℃层高度为8 km左右，比较适宜大冰雹生长。

由5月2日贵阳、威宁和百色的比湿、假相当位温的垂直分布可知(图略)，08时，百色底层比湿达到15 g·kg-1，随着水汽的不断积聚，比湿不断增加，水汽的垂直输送增大。假相当位温的垂直分布表现为随高度先减小后增大，低层为明显的不稳定层结状态，随着系统发展，底层比湿增加，不稳定状态得到加强，中低层的假相当位温逆温更加显著，且不稳定高度明显增加，触发抬升运动和水汽向上垂直输送，对流发展旺盛时，潜热大量释放，有利于产生冰雹、短时强降水天气。

1.4 水汽条件

过程中黔西南地区上空湿层厚，水汽通量散度辐合，700 hPa比湿为7～9 g·kg-1，850 hPa比湿为14～15 g·kg-1，随着系统发展，比湿不断增加，底层水汽不断积聚，水汽的垂直输送增大，为强对流天气的发生提供较好的水汽条件。

本文利用美国NOAA后向轨迹模式HYSPLIT的同期驱动资料对本次过程的水汽输送路径及贡献率进行模拟分析[14]。假定水滴的运动轨迹是随风场一致的，且在运动过程中无耗散，模拟日期选取过程发生前48 h，时间步长为6 h，模拟对象为本次过程20时发生大冰雹的兴仁站，选取1 500 m(850 hPa)作为模拟高度，将兴仁站水滴后向追踪48 h的多条三维运动轨迹进行聚类。

图3可见，5月2日兴仁站850 hPa的水汽输送路径主要有4条，即本地、西、西南、东北路径。一是在兴义、兴仁附近的本地短路径水汽输送，贡献率为21%；二是由重庆地区向兴仁输送的东北路冷水汽，其贡献率达到28%；三是由云南南侧向兴仁输送的西南水汽输送通道，贡献率为17%；四是由云南西侧缅甸向兴仁输送的西路水汽通道，贡献率34%为最多。

图3 5月2日兴仁站后向轨迹追踪48 h的水汽输送轨迹(百分比为该轨迹的水汽贡献率)Fig.3 Backward trajectory tracking for 48 hours of water vapor transport of Xingren station on May 2(The percentage is the water vapor contribution rate)

2 卫星云图与雷达分析

2.1 卫星云图分析

此次过程中，卫星红外云图上有一椭圆形云团向东南方向发展移动，云团的东南边界呈弧形，东边界出现卷云砧，呈现出典型的雹暴云团特征(图略)，强对流天气一般出现在雹暴云团东南边界梯度最密集带。根据当天相当黑体亮度温度TBB的演变(图4)来看，5月2日18时，黔西南地区TBB中心值在-30～-50 ℃之间，20时黔西南中部出现TBB<-60 ℃的冷云中心，21—22时冷云中心范围扩大，中心南部边缘梯度增加，此时对流发展最为旺盛，对流云顶伸展较高，有利于冰晶的生成，易发生强对流天气。

图4 2020年5月2日20—22时TBB演变(UTC)Fig.4 Evolution of TBB at 20:00 to 22:00 on May 2 (UTC)

2.2 雷达分析

本次过程从16时开始至23时结束，持续7 h，移动速度缓慢，影响黔西南州大部分地区。回波路径有3条，均为西北—东南方向：一是16时在兴仁市潘家庄生成并不断加强，向东南方向移动先后经过兴仁、安龙、册亨，最后从册亨移出我州；二是16时30分在普安县龙吟生成并不断加强，向东南方向移动先后经过普安、晴隆、兴仁、册亨，与第一路径汇合；三是18时在普安中北部生成并不断补充加强，向东南方向移动，回波强中心先后经过普安、晴隆、兴仁、安龙、贞丰、册亨后移出我州。

下文针对此次过程中出现的大冰雹、最大小时雨强作详细的雷达数据分析。

过程中大冰雹于19时35分在普安罗汉(最大冰雹直径25 mm)、20时27分在兴仁站(最大冰雹直径23 mm)发生。19时32分普安罗汉、20时19分兴仁站的雷达组合反射率因子呈现“V”字形缺口、“钩状”回波特征，最强雷达组合反射率因子超过65 dBz，沿径向方向有明显的三体散射长钉(图略)。同时，两站上空有回波顶高大值区移过，19时32分普安罗汉的回波顶高达8 km，20时19分兴仁站的回波顶高达10 km，均有利降雹(图略)。

由图5雷达反射率因子剖面图可见，5月2日19时32分普安罗汉(图5a)和20时19分兴仁站(图5b)处的强回波65 dBz已伸展到-20 ℃高度层(约7.8 km)以上，对降雹的潜势贡献大；存在明显的回波悬垂和弱回波区。19时32分普安罗汉降雹时(图6)垂直液态含水量达80 kg·m-2，降雹前有明显的跃增现象，降雹后迅速减弱。

图5 5月2日19时32分普安罗汉(a)、20时19分兴仁站(b)雷达反射率因子剖面特征Fig.5 Radar reflectivity profile characteristics of (a) Puan Luohan at 19:32,(b) Xingren at 20:19 on May 2

图6 5月2日19时普安罗汉降暴前后垂直液态水含量变化Fig.6 The Variation of Vertical liquid water content before and after hail in Puan Luohan at 19:00 on May 2

2日22时，册亨站雨强为66.3 mm·h-1、者楼街道高峰雨强为50.4 mm·h-1。分析册亨站的雷达回波数据可知，22时10分册亨站的雷达组合反射率达60 dBz(图7)，但无明显的冰雹雷达特征，且强降水回波质心较低，低层存在强烈的径向辐合，雷达产品雨强可达150 mm，以上特征均能判识短时强降水的出现。

图7 5月2日22时10分册亨站(a)0.5°仰角径向速度、(b)雨强产品Fig.7 Ceheng station (a) combined reflectivity, (b) reflectivity factor profile, (c) radial velocity characteristics at 0.5°elevation, (d) rainfall intensity product map at 22:10 on May 2

2.3 安龙钱相灾害性大风分析

5月2日21时，安龙钱相(距离安龙县城正北方12 km左右)出现了42 m·s-1偏北瞬时大风，并伴随冰雹(15 mm)和短时强降水(46.7 mm)。

分析安龙钱相21时雷达组合反射率图可知(图略)，存在侧向入流槽口，随着回波南移，21时06分和21时11分安龙钱相处于组合反射率梯度密集带，最大梯度达50 dBz，与前文21时TBB梯度大值区位置几乎重叠，前后差异明显的气压产生大的气压梯度力，易产生大风。

由反射率因子剖面图可见(图8)，21时11分安龙钱相最强反射率因子达65 dBz，反射率因子核位于6 km左右，回波梯度较大，18 min后的反射率因子核高度迅速下降，强度减弱，指示有下击暴流发生的可能。

图8 5月2日安龙钱相(a)21时11分、(b)21时29分反射率因子剖面图Fig.8 Reflectivity factor profile of Anlong Qianxiang,at (a) 21:11,(b) 21:29 on May 2

21时11分各个仰角的径向速度显示(图9)，雷达仰角1.5°、2.4°上，安龙钱相出现径向正负速度对，存在深厚的中层径向辐合，中层有明显旋转，退速度模糊后正速度达35 m·s-1，表现为低层径向速度大值区；雷达仰角6.0°、9.9°上出现强烈的风暴顶辐散，辐散旋转特征明显，强烈的风场辐散带来集中的强下沉气流，可能引发下击暴流。

图9 5月2日21时11分安龙钱相(a)1.5°、(b)6.0°雷达仰角的径向速度特征Fig.9 Radial velocity characteristics of radar elevation of Anlong Qianxiang at (a) 1.5°,(b) 6.0° ,at 21:11 on May 2

综上分析，安龙钱相此次大风为雷暴下沉气流强烈辐散造成的下击暴流可能性极大，造成了类似龙卷的严重灾害。另外，安龙县钱相的西面山脉海拔较高，气流一方面从山脉俯冲下坡，另一方面从山脉南北方向绕流集合，东面、北面山脉海拔也较钱相高，故在钱相处形成特殊的“狭管效应”，对大风的发生有一定的增幅作用。

3 小结

①2020年5月2日，黔西南地区出现中β尺度的强对流天气，安龙钱相出现42 m·s-1灾害性大风，最大冰雹直径为普安罗汉25 mm，最大雨强为册亨站66 mm·h-1；本次过程主要受高空槽、中低层切变线、地面辐合线、云南热低压等系统的共同影响。

②过程中大气不稳定层结明显，08时贵阳K指数36 ℃；用14时的温度订正后贵阳、威宁、百色CAPE值均在1 500 J·kg-1以上；20时贵阳、威宁的CAPE值减小表明强对流天气的发生释放了一部分能量，但百色的CAPE仍达1 088.9 J·kg-1，K增加到39 ℃，干暖盖指数增加到-48.7 ℃，仍保持着强的不稳定状态，非常有利于不稳定对流天气的发展。

08时3站的抬升凝结高度较低，表明较小的外力作用则可触发对流；3站的0～6 km垂直风切变均较大，属强垂直风切变，非常有利于形成有组织的对流性风暴；威宁和百色的DCAPE较大，表明贵州西部有发生雷暴大风的潜势。20时百色的探空层结呈现出“沙漏”结构：中层湿，高低层干；同时，对流层中层存在明显干层，高层有动量下传，非常利于雷暴大风的形成发展。湿球温度0 ℃层高度和-20 ℃层高度利于大冰雹生长；水汽条件好，后向轨迹模式HYSPLIT模拟了兴仁站850 hPa的水汽输送路径，分别为本地、西、西南、东北路径，贡献率分别为21%、28%、17%、34%。

③本次过程的3条回波路径均为西北—东南方向。大冰雹发生时，雷达回波出现“V”字形缺口、“钩状”特征，最强组合反射率因子65 dBz已伸展到-20 ℃高度层，有明显的三体散射长钉，存在明显的回波悬垂，风暴顶强辐散，垂直液态水含量跃增，高回波顶高。短时强降水发生时，回波质心低，低层强烈径向辐合，雷达产品雨强达150 mm。

④过程中卫星红外云图上为椭圆形雹暴云团发展移动，TBB中心低于-60 ℃，对流云顶伸展较高，有利于冰晶生成。

⑤安龙钱相出现42 m·s-1灾害性大风时，65 dBz以上的反射率因子核位于6 km，回波梯度大，过程中反射率因子核迅速下降，存在侧向入流槽口和径向正负速度对，有深厚的中层径向辐合，退速度模糊后正速度达35 m·s-1，风暴顶强烈辐散，旋转特征明显。同时，安龙县钱相特殊地形的“狭管效应”对本次灾害性大风的发生有增幅作用。