一次由海风锋激发的下击暴流天气过程分析

王世强，黄菲，詹棠，张金清，李伟明

（1.珠海市公共气象服务中心，广东珠海 519000；2.珠海市国家观象台，广东珠海 519000）

强对流天气往往伴随着短时强降雨、雷暴大风、冰雹等灾害性天气，其中雷暴大风的危害尤为严重［1－2］，对雷暴大风的成因研究一直是雷达气象学研究的重点［3－4］。随着天气雷达技术的不断进步，尤其是近年来X波段双偏振相控阵多普勒雷达的布设和应用，极大地提升了对强对流天气的精细监测能力［5－7］，基于此，国内大量专家对以下击暴流为代表性的雷暴大风天气进行了广泛的研究。马淑萍等［8］通过对极端雷暴大风个例研究表明，极端雷暴大风天气发生在对流层中层相对干的环境下；毕旭等［9］分析了两次下击暴流天气，表明下沉气流同位相叠加，造成了地面产生更加有破坏性的灾害性大风；李彩铃等［10］对桂林一次强下击暴流成因分析表明，在下击暴流发生前，风暴单体有中等强度中气旋伴随，中层径向辐合明显。

在盛夏季节，由于陆海热力性质差异，沿海地区午后海风旺盛，往往出现由海风锋激发的对流云团［11－12］。这种对流云团往往发展迅速，易产生雷暴大风等灾害性天气，需特别注意对其监测和预警。珠海市目前布设有4部X波段双偏振相控阵雷达（简称相控阵雷达），其时间分辨率约为1.5 min，空间分辨率为30 m，对中小尺度、中低空近距离的天气系统有独特的探测优势。本研究利用珠海市地面自动站观测资料、MICAPS资料和横琴相控阵雷达资料，对一次由海风锋激发的下击暴流天气过程分析，以加强相控阵雷达在强对流天气预报预警方面的研究。

1 天气过程简介

2019年7月18日13：00—17：00（北京时，下同），珠海市出现一次强对流天气过程，其中14：05—14：30珠海中部的磨刀门水道附近地区出现了下击暴流天气（图1），该地区地势平坦，下击暴流产生的辐散风很快向周边地区扩展。

图1 2019年7月18日14：30珠海市地面自动站最大阵风分布（单位：m／s）

该次过程中，横琴区芒洲地面观测站出现了雷暴大风、短时强降雨等强对流天气，强对流天气持续了接近30 min，过程中录得极大风速22.4 m／s，小时雨强51.5 mm，5 min降雨量达到13.7 mm。该站周边5～10 km范围内也出现了8～9级短时大风。

2 天气背景

2.1 天气形势

从2019年7月18日08：00天气形势（图2）来看，在200 hPa上（图2a），我国南方地区存在一个高空反气旋环流，珠海位于其东南偏南侧的急流区。在500 hPa上（图2b），由于热带风暴“丹娜丝”在台湾以东洋面活动，同时南海中东部海面有一个热带低压存在，导致巴士海峡至南海中部形成一个广阔的台风槽；另外在西南的贵州地区附近有一个弱反气旋环流存在，珠海处于台风槽和反气旋之间的东北大风区。在850 hPa（图2c）上，珠海位于偏北气流中，风速略大。在地面上（图2d），珠海地区的气压梯度很小，盛行弱偏北风。

图2 2019年7月18日08：00天气形势

2.2 大气层结条件

从香港站（横琴芒洲站偏东方约70 km）探空资料（图3）来看，在湿度层结方面，整体呈现“上干下湿”结构，低层湿层（相对湿度≥80%）达到1.5 km（850 hPa）高度，在4 km（600 hPa）高度的露点温度差接近25℃，存在明显的干层，这种湿度层结结构有利于地面大风天气的发生。在垂直风力方面，低层盛行偏北风，高层为东北至偏东风，0～6 km垂直风速切变为13.4 m／s，风暴承载层（300～600 hPa）的平均风速11.7 m／s，平均风向54°，风暴承载层平均风速大，有利于中层冷空气夹卷，导致下沉气流的动量下传，对地面大风的形成有利［13］。在温度层结方面，850与500 hPa的温差达24.1℃，温度垂直递减率大，从而具有更大的CAPE，能产生强的风暴上升速度，有利于雷暴大风的出现，但0℃层高度在5.5 km，－20℃层在8.8 km，0℃层和－20℃层高度较高，对比广东省气象业务人员总结的冰雹天气发生条件［14］，不利于冰雹的产生。K指数为36.4℃，SI指数－1.06℃，CAPE达到3 594.7 J／kg，600 hPa起始下沉对流有效位能DCAPE达到1 417.9 J／kg，对流温度32.4℃，对流凝结高度、自由对流高度均不足1 km，表明大气层结极其不稳定。

图3 2019年7月18日08：00香港站探空图

3 强对流天气演变过程

3.1 海风锋向陆地推进过程

受“丹娜丝”外围下沉气流和地面弱的偏北气流的影响，从7月18日上午开始，珠海地面气温快速上升，但由于海陆热力性质的差异，陆地的升温速率明显高于沿岸和海岛，至13：00珠海市西部地区气温普遍上升至36～38℃，东部地区35～36℃，沿岸区32～34℃，海岛仅为31～33℃，气温分布呈现“西高东低”的态势，温度梯度在东部沿岸最大，达到0.2℃／km以上，非常有利于海风锋形成与发展。

由于海陆温度差的逐渐加大，导致海上和陆地之间气压差不断增大，偏东向的海风逐渐加强，与内陆的偏北风形成地面风辐合线，逐渐发展为海风锋（图略）。从11：00开始，东部海岛的风向逐渐转为偏东风，与陆地的偏北气流在东部海岸线附近形成弱的辐合带；12：00随着海风的加强，沿岸的风向逐渐转为偏东风，地面辐合线不断向东部陆地推进，形成一条东北－西南向的地面海风锋，有利于近地层的暖湿空气强迫抬升，形成更强的上升气流；13：00锋线已推进到珠海中部地区，地面辐合线更加明显。

3.2 在地形作用下对流云系的触发

图4为7月18日13：10—15：00横琴雷达0.9°仰角反射率因子变化图，从图4可以看到对流云系触发到加强过程。受地形影响，海风在推进到珠海中部地区时，横琴雷达站北边的将军山和脑背山之间（图1）的平坦地带吹偏东风，而磨刀门水道入海口附近吹偏南风，这与内陆偏北风在横琴站西北方5～8 km处形成了辐合，同时地面气温在35℃以上，触发了对流云系（图4a）。随着对流云系的加强，在其周边地面形成了辐散气流，导致在地势平坦的南屏镇（图1）附近形成了新的辐合中心，产生了新的对流云系（图4c）。

图4 2019年7月18日13：10—15：00横琴相控雷达0.9°仰角反射率因子

3.3 对流云系的发展和消亡

从对流云系的发展过程（图4）可以看到，对流云系在地面辐合线附近不断发展加强，尤其在13：50—14：00期间（图4e－f），位于横琴站西北方15 km左右的对流云系发展非常迅速，部分区域的0.9°仰角反射率因子已达到60 dBz以上，在这期间相控阵雷达也观测到了中气旋。在14：00—14：10期间（图4f－g），反射率大值区（核心）明显下降，在珠海中部区域出现下击暴流，地面辐散气流明显。14：10—14：20（图4g－h）对流云系又有所加强，且向西南方扩展，同时在其西北方又形成了新的对流云团；14：30—15：00期间（图4i－l）珠海中部的对流云团逐渐减弱消亡，而其西北方18～25 km处的对流云系则发展旺盛。

4 相控阵雷达对中气旋和下击暴流的观测

4.1 相控阵雷达对中气旋的观测

13：50—14：00期间，珠海中部的对流云团发展迅速。13：56横琴相控阵雷达观测到在西北偏北方（330°，13 km）的对流云系中，有一个直径3 km左右的气旋速度对形成，在6.3°、8.1°、9.9°仰角速度图（图5）上均可看到明显的正负速度对存在的情况，其径向负速度在－15～－20 m／s，正速度在5 m／s左右。相控阵雷达中气旋产品也显示，在该区域存在一个中气旋，该中气旋回波底高1.0 km，回波顶高3.1 km，中心高度2.1 km，最大入流速度19.1 m／s，最大出流速度5.5 m／s，属于弱中气旋。中气旋活动期间，对流云团原地少动，强度明显加强（图4e－f），但其仅仅维持了几分钟，14：00之后随着风场减弱，气旋结构破坏，同时强对流云团也逐渐向西南方向移动。

图5 2019年7月18日13：56横琴相控阵雷达6.3°（a）、8.1°（b）、9.9°（c）仰角速度

4.2 相控阵雷达对下击暴流的观测

为更好地研究下击暴流发生过程中对流云团内回波强度、径向速度和地面大风的关系，本研究选取14：02—14：10横琴相控阵雷达反射率资料，沿288°方向做垂直剖面（图6a），观察分析其反射率因子、径向速度变化（图6b－f）。

图6 2019年7月18日14：10横琴相控阵雷达0.9°仰角径向速度图（a）和13：59－14：10雷达288°方位角（图a中红线位置）的逐3 min的强度（Zh）和速度（vr）剖面（b－f）

可以看出，下击暴流发生前（13：59），对流云团（图6b）内强回波区（反射率因子≥55 dBz）呈倾斜结构，倾向距离雷达较远方向（西北偏西方），且具有较强的负速度，0～4 km高度呈现弱的速度辐合；14：02（图6c）强回波区质心明显下降，2～3 km高度处负速度减弱，地面出现－10 m／s以上的径向负速度；14：05（图6d）在7～10 km处的强回波区域集中在1 km高度以下，3～4 km高度再次出现径向辐合，距离雷达7 km左右的强回波触地，并在该处出现－15m／s以上的负速度，此时芒洲地面自动站出现19 m／s的阵风；14：08（图6e）在距离雷达7～8 km处的强回波的降水粒子降落的地面上，导致距离雷达7 km附近地面的负速度增加至接近－20 m／s，3～4 km高度上的径向速度辐合更加明显；14：10（图6f）在距离雷达8～10 km处的强回波逐渐接地，地面开始出现明显的径向速度辐散，距雷达5～10 km为负速度，10～15 km为正速度，但正速度的绝对值较负速度小，芒洲地面自动站出现21.8 m／s的阵风，周围自动站也出现8～9级阵风。

5 结论

本研究利用珠海市地面自动站观测资料、MICAPS资料和横琴X波段双偏振相控阵雷达资料对2019年7月18日一次由海风锋激发的下击暴流天气过程进行分析，结果表明：

1）该次下击暴流过程发生在台风外围环流中，大气层结呈现“上干下湿”结构，温度垂直递减率大，对流凝结高度、自由对流高度不足1 km，K指数大、SI指数为负、CAPE值大等条件都有利于下击暴流天气发生。

2）由于海陆热力性质差异，导致珠海东部沿海地区在中午时段出现了显著的偏东向海风，其与陆地的偏北辐合，形成海风锋，触发此次的强对流天气。

3）强对流系统中有弱中气旋存在，中气旋活动期间对流发展旺盛；下击暴流发生前，低层反射率处于大值期，X波段相控雷达可以清晰观测到强反射率因子下降、中层径向速度辐合、近地面气流辐散等现象。

相控阵雷达由于其观测时空分辨率高，可以发现对流系统中较小、较弱的中气旋，并清晰地看到中小尺度对流系统变化，尤其是高频次低层径向辐散风的监测，对下击暴流的预警具有重要作用。