李彩玲 蔡康龍,2 黃先香,2 植江玲 陳志芳 麥文強(qiáng)

1 廣東省佛山市氣象局/佛山市龍卷風(fēng)研究中心，佛山 528315 2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

提 要： 2019年3月21日廣西桂林市臨桂區(qū)發(fā)生一次極端大風(fēng)天氣過(guò)程(以下簡(jiǎn)稱“3·21”臨桂大風(fēng))，當(dāng)日21:13臨桂觀測(cè)站記錄最大陣風(fēng)風(fēng)速為60.3 m·s-1(17級(jí))。通過(guò)風(fēng)災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查判斷這是強(qiáng)度為EF2級(jí)的微下?lián)舯┝鬟^(guò)程。應(yīng)用常規(guī)觀測(cè)資料以及加密自動(dòng)氣象站、探空、多普勒雷達(dá)等資料，分析了“3·21”臨桂大風(fēng)的環(huán)流背景與影響系統(tǒng)及其形成原因。結(jié)果表明：低層暖濕氣流活躍，中層顯著干層，強(qiáng)的低層垂直風(fēng)切變是大風(fēng)發(fā)生的有利條件，地面中尺度輻合線、冷鋒南壓為其提供了觸發(fā)機(jī)制?！?·21”臨桂大風(fēng)由2個(gè)超級(jí)單體風(fēng)暴合并加強(qiáng)造成，在下?lián)舯┝靼l(fā)生前，風(fēng)暴單體最強(qiáng)反射率因子核心高度(HGT)超過(guò)6 km，有中等強(qiáng)度中氣旋伴隨，中層徑向輻合明顯，輻合值達(dá)36 m·s-1；當(dāng)反射率因子減弱、風(fēng)暴頂高下降、HGT下降時(shí)，下?lián)舯┝靼l(fā)生；當(dāng)HGT劇降，一個(gè)體掃間隔下降3.5 km，17級(jí)極端大風(fēng)發(fā)生，低層0.5°仰角在強(qiáng)中氣旋的出流區(qū)觀測(cè)到強(qiáng)的徑向輻散，其值達(dá)27 m·s-1；中氣旋表現(xiàn)出最強(qiáng)切變加強(qiáng)，底高迅速下降到1 km以下等特征。本次下?lián)舯┝靼l(fā)生與極端強(qiáng)降水和冰雹的拖曳作用有密切關(guān)系，冰雹與雨水粒子的拖曳和融化蒸發(fā)作用使下?lián)舯┝骷訌?qiáng)。當(dāng)分鐘降水量大于3 mm 時(shí)，風(fēng)速超過(guò)12級(jí)；當(dāng)分鐘降水量大于6 mm時(shí)，則出現(xiàn)17級(jí)極大風(fēng)速。

引 言

Fujita and Byers(1977)、Fujita and Wakimoto(1981)總結(jié)了強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴導(dǎo)致的3類災(zāi)害性大風(fēng)包括：龍卷大風(fēng)、直線大風(fēng)和下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)。龍卷大風(fēng)路徑一般相對(duì)比較狹窄，通常是高度輻合的旋轉(zhuǎn)性風(fēng)場(chǎng)，而下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)是有明顯輻散特征的直線或曲線型大風(fēng)(鄭永光，2016b)。下?lián)舯┝鞫喈a(chǎn)生于發(fā)展成熟的強(qiáng)雷暴云中，是一種局部性的強(qiáng)下沉氣流，風(fēng)速超過(guò)17.9 m·s-1，地面氣流為輻散或直線型的災(zāi)害大風(fēng)，根據(jù)下?lián)舯┝鳛?zāi)害范圍和影響時(shí)間，又可分為微下?lián)舯┝骱秃晗聯(lián)舯┝鳎⑾聯(lián)舯┝骺臻g尺度小于4 km，時(shí)間尺度小于10 min，而宏下?lián)舯┝骺臻g尺度大于4 km，時(shí)間尺度大于10 min。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)下?lián)舯┝鬟M(jìn)行過(guò)相關(guān)研究?？祶沟?2018)、盛杰等(2019)從下?lián)舯┝靼l(fā)生的環(huán)境條件和形成機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出中層干冷，大的溫度垂直遞減率，高低空急流耦合等有利于下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生；孫凌峰等(2003)、劉洪恩(2001)利用數(shù)值模式模擬指出，下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的直接原因是降水的重力拖曳作用引起, 其次是冰雹的融化和雨水蒸發(fā)的冷卻作用。Potts(1989)認(rèn)為下?lián)舯┝髯羁煽康奶卣魇堑孛孑椛?，在多普勒速度圖上表現(xiàn)為在雷達(dá)徑向上的“牛眼”回波，并針對(duì)下?lián)舯┝飨陆档姆瓷渎室蜃雍诵暮偷蛯訌?qiáng)輻散的流場(chǎng)特征，開(kāi)發(fā)了基于多普勒天氣雷達(dá)資料的下?lián)舯┝髯詣?dòng)識(shí)別算法。由于環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的影響，這種特征并不一定非常對(duì)稱。Schmocker et al(1996)也提出，中層徑向輻合(MARC)是下?lián)舯┝鞯囊粋€(gè)重要特征，可以用于弓狀回波識(shí)別下?lián)舯┝?。Roberts and Wilson (1989)在研究了31個(gè)發(fā)生在美國(guó)科羅拉多州的下?lián)舯┝骷捌湎鄳?yīng)的風(fēng)暴單體后，得出結(jié)論：利用下降的反射率因子核、反射率槽口、雷暴云中徑向輻合以及旋轉(zhuǎn)可以預(yù)報(bào)下?lián)舯┝?。Eilts et al(1996)研究了85個(gè)在不同環(huán)境體制中形成的災(zāi)害性下?lián)舯┝骱?，得到了與Roberts相類似的結(jié)論。可以預(yù)報(bào)下?lián)舯┝鞯奶卣魇牵阂粋€(gè)迅速下降的反射率因子核；強(qiáng)并且深厚的中層輻合(地面上2～6 km)；產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯膯误w的反射率因子核往往出現(xiàn)在比其他單體的反射率因子核更高的高度。近年來(lái)，俞小鼎等(2006b)、畢旭等(2007)、吳芳芳等(2009)、李向紅等(2010)、刁秀廣等(2011)、伍志方等(2014)、羅輝等(2015)、唐明暉等(2016)、費(fèi)海燕等(2016)、李強(qiáng)等(2019)利用我國(guó)新一代天氣雷達(dá)資料分析了發(fā)生在安徽、陜西、江蘇、山東、湖北等地的下?lián)舯┝鬟^(guò)程, 指出下降的反射率因子核心并伴隨云底以上的速度輻合的雷達(dá)回波特征,以及等效位能差、出流強(qiáng)度等可以用來(lái)提前預(yù)警下?lián)舯┝鳌?/p>

2019年3月21日21:13(北京時(shí)，下同)廣西壯族自治區(qū)桂林市臨桂區(qū)出現(xiàn)了17級(jí)極端大風(fēng)，臨桂區(qū)國(guó)家氣象觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱臨桂觀測(cè)站)及其附近的桂林師范高等?？茖W(xué)校臨桂校區(qū)(以下簡(jiǎn)稱桂林師專)等地出現(xiàn)了明顯災(zāi)情，由于風(fēng)災(zāi)發(fā)生在夜間，沒(méi)有直接清晰的視頻或照片資料佐證風(fēng)災(zāi)類型，引起了社會(huì)對(duì)風(fēng)災(zāi)類型的熱議，佛山市龍卷風(fēng)研究中心在風(fēng)災(zāi)發(fā)生后趕赴現(xiàn)場(chǎng)，匯同桂林市氣象局進(jìn)行了詳細(xì)的災(zāi)情調(diào)查，綜合分析判斷這是一次微下?lián)舯┝魈鞖膺^(guò)程，蔡康龍等(2021)對(duì)本次過(guò)程的風(fēng)災(zāi)調(diào)查進(jìn)行了詳細(xì)分析，本文補(bǔ)充說(shuō)明了本次下?lián)舯┝鳜F(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查特征和氣象觀測(cè)特征，并應(yīng)用常規(guī)觀測(cè)資料以及加密自動(dòng)氣象站資料、探空資料、多普勒雷達(dá)資料等對(duì)這次風(fēng)災(zāi)過(guò)程進(jìn)行分析，總結(jié)雷達(dá)監(jiān)測(cè)特征以及初步探討了下?lián)舯┝鞯某梢?，為今后風(fēng)災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和下?lián)舯┝鞯亩虝r(shí)臨近預(yù)警提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣實(shí)況與災(zāi)情調(diào)查概況

2019年3月21日20—22時(shí)，廣西壯族自治區(qū)柳州市融水、柳城，桂林市臨桂、臨川、全州等縣區(qū)自西北向東南出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣(以下簡(jiǎn)稱“3·21”臨桂大風(fēng))，強(qiáng)降水主要集中在臨桂中部幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，有3個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站和5個(gè)自動(dòng)氣象站記錄8級(jí)以上大風(fēng)，其中臨桂觀測(cè)站出現(xiàn)了17級(jí)的極端大風(fēng)。

從臨桂觀測(cè)站的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量六要素變化可見(jiàn)(圖1)，臨桂觀測(cè)站3月21日21:08記錄最大陣風(fēng)風(fēng)速為17.4 m·s-1(8級(jí))，隨后風(fēng)速直線上升，21:09、21：10、21：11、21：12、21：13最大陣風(fēng)風(fēng)速分別為24.3 m·s-1(9級(jí))、32.0 m·s-1(11級(jí))、34.0 m·s-1(12級(jí))、44.7 m·s-1(14級(jí))、60.3 m·s-1(17級(jí))，而21:13 相距幾米外的備份測(cè)風(fēng)儀測(cè)得59.5 m·s-1的極大風(fēng)速，期間風(fēng)向從東北風(fēng)轉(zhuǎn)西北風(fēng)再轉(zhuǎn)偏西風(fēng)，出現(xiàn)了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；21:00—21:30的30 min降水量為44.3 mm；21:10—21:12氣壓在2 min內(nèi)下降了3 hPa，21:12—21:14氣壓又在2 min內(nèi)上升了6.4 hPa，其中21:13氣壓數(shù)據(jù)為缺測(cè)值，對(duì)缺測(cè)原因做分析，氣壓儀1 min采集30個(gè)數(shù)值，氣壓陡降陡升，采樣差值大，采集器認(rèn)為出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)值，按缺測(cè)進(jìn)行了質(zhì)量控制。盡管有缺測(cè)，但前后數(shù)據(jù)說(shuō)明在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了巨大氣壓差，證明發(fā)生了猛烈的大風(fēng)。由此可見(jiàn)，臨桂觀測(cè)站在21:10—21:12降水逐漸增強(qiáng)，氣壓下降，氣溫下降，風(fēng)速直線上升，濕度上升，21:12—21:14降水驟增，氣壓陡升，風(fēng)速達(dá)到最大值。

從臨桂觀測(cè)站的監(jiān)控視頻判斷，21日21:00—21:13觀測(cè)站附近自西北向東南受強(qiáng)對(duì)流天氣影響，風(fēng)速遞增，21:13前后遭遇了極大風(fēng)速，致使監(jiān)控信號(hào)中斷，風(fēng)向由東北轉(zhuǎn)西北，為直線型大風(fēng)，沒(méi)有出現(xiàn)風(fēng)向旋轉(zhuǎn)，監(jiān)控視頻拍攝的情況與觀測(cè)數(shù)據(jù)相符。受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情指示物倒伏方向有明顯的輻散狀，其中存在多處百米量級(jí)的輻散條跡，為下?lián)舯┝鳁l跡(鄭永光等，2016a;2018),受災(zāi)明顯處有多株直徑大于30 cm的樟樹(shù)被連根拔起,鐵皮屋頂被掀翻，砂漿圍墻倒塌等，根據(jù)McDonald and Mehta(2006)EF等級(jí)對(duì)風(fēng)災(zāi)的定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判定，此次下?lián)舯┝鲝?qiáng)度最強(qiáng)達(dá)EF2級(jí)，風(fēng)災(zāi)強(qiáng)度等級(jí)判斷與臨桂觀測(cè)站觀測(cè)的17級(jí)陣風(fēng)風(fēng)速相符。

以上分析可見(jiàn)，臨桂觀測(cè)站17級(jí)極端大風(fēng)出現(xiàn)前后，其周邊有多個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站或自動(dòng)氣象站測(cè)得8～11級(jí)的瞬時(shí)大風(fēng)，臨桂觀測(cè)站風(fēng)速是線性增加的，且與備份測(cè)風(fēng)儀測(cè)得的風(fēng)速相差較小，由此判斷臨桂觀測(cè)站17級(jí)大風(fēng)的風(fēng)速測(cè)量值是合理可信的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查并結(jié)合觀測(cè)站溫壓濕觀測(cè)數(shù)據(jù)等，綜合判斷這是一次強(qiáng)度為EF2級(jí)，影響長(zhǎng)度在2 km 范圍的微下?lián)舯┝鬟^(guò)程，影響時(shí)間為21:09—21:14(6 min)，其中包含多個(gè)β小尺度(40～400 m)下?lián)舯┝鳁l跡。

2 環(huán)流背景與影響系統(tǒng)

2.1 天氣形勢(shì)

由3月21日20時(shí)綜合分析圖可見(jiàn)(圖2a)：“3·21”臨桂大風(fēng)發(fā)生前，高層200 hPa高空急流位于長(zhǎng)江流域一帶，急流軸由貴州、湖南、江西中北部一直延伸至日本，急流中心風(fēng)速達(dá)60 m·s-1以上，臨桂區(qū)處于其入口右側(cè)；在500 hPa，臨桂處于高空小槽前，受西南氣流影響，西南風(fēng)急流位于廣西中部、湖南南部、江西中南部一帶，臨桂處于急流軸左側(cè)；850 hPa從北部灣到北海、梧州一帶有偏西南急流在臨桂一帶輻合；從溫度露點(diǎn)差(T-Td)的高低空配置來(lái)看，臨桂恰好處于850 hPaT-Td≤2℃，500 hPaT-Td≥30℃區(qū)域，上干下濕形勢(shì)明顯；在地面場(chǎng)上，21日20時(shí)冷空氣前鋒南壓至江西中南部、湖南南部至廣西東北部一帶，湖南、廣東、廣西交界處有地面輻合線存在，23時(shí)冷空氣前鋒已經(jīng)過(guò)境臨桂觀測(cè)站到達(dá)廣西中部一帶。

圖1 2019年3月21日21:04—21:20桂林市臨桂觀測(cè)站各要素演變趨勢(shì)(紅框表示下?lián)舯┝靼l(fā)生時(shí)段，黃線表示分鐘降水量為3 mm)Fig.1 Variation of weather elements at Lingui Automatic Weather Station in 21:04-21:20 BT 21 March 2019(Red box is the time for downburst, yellow line is 3 mm contour of minutely rainfall)

2.2 大氣層結(jié)條件

分析桂林站3月21日20時(shí)的探空資料可見(jiàn)(圖略)，溫度層結(jié)曲線是明顯的上干下濕結(jié)構(gòu)，低層暖平流明顯，風(fēng)場(chǎng)由1 000 hPa弱的西南風(fēng)(1 m·s-1)順轉(zhuǎn)為500 hPa強(qiáng)盛的偏西風(fēng)(31 m·s-1)，0～6 km的垂直風(fēng)切變達(dá)30 m·s-1，850～700 hPa的T-Td<2℃，而700～400 hPa平均和最大的T-Td分別達(dá)19.5和35 ℃，遠(yuǎn)高于我國(guó)極端雷暴大風(fēng)發(fā)生的平均值13.6和25.7 ℃，表明本次對(duì)流發(fā)生前中層處于非常干的環(huán)境，利于極端大風(fēng)的發(fā)生(馬淑萍等，2019)；850與500 hPa溫度差達(dá)25 ℃，溫度垂直遞減率大，有利于強(qiáng)冰雹、區(qū)域性的雷暴大風(fēng)天氣的出現(xiàn)。用850、700、500和300 hPa這4層的平均風(fēng)向風(fēng)速表征風(fēng)暴承載層的風(fēng)向風(fēng)速，21日20時(shí)桂林站風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速達(dá)25 m·s-1(平均風(fēng)向?yàn)?40°)，已超過(guò)2002—2017年我國(guó)95個(gè)極端大風(fēng)個(gè)例的最大值(馬淑萍等，2019)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速越大，越有利于中層干冷空氣的夾卷過(guò)程，致使下沉氣流動(dòng)量下傳，對(duì)地面大風(fēng)貢獻(xiàn)也越大(高曉梅等，2018)。

穩(wěn)心顆粒輔助治療不穩(wěn)定型心絞痛療效和安全性的Meta分析 …………………………………………… 習(xí)元堂等（22）：3158

3月21日20時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前，桂林站K指數(shù)達(dá)到39 ℃，SI指數(shù)為-3.02 ℃，二者均表明在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前桂林附近大氣層結(jié)不穩(wěn)定，對(duì)流有效位能(CAPE)為769.4 J·kg-1，雖然不算大，但足以為強(qiáng)對(duì)流提供充足的抬升能量，最大上升速度為39.2 m·s-1，而1 km以下有弱的對(duì)流抑制有效位能(CIN)，有利于能量的積聚。22日08時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生后，臨桂觀測(cè)站K指數(shù)明顯減小，SI指數(shù)為正值，CAPE和CIN均為0 J·kg-1，從另一方面也反映了此次過(guò)程伴有強(qiáng)烈的能量釋放。

2.3 地面中尺度輻合線

從廣西國(guó)家氣象觀測(cè)站風(fēng)場(chǎng)分析看(圖2b和2c)，隨著冷空氣東移南壓，21日20:00廣西中北部有一東北—西南走向的中尺度輻合線逐漸南壓，同時(shí)，在該輻合線附近開(kāi)始出現(xiàn)東北—西南向的帶狀云系(圖略)，21:05地面輻合線南壓到臨桂觀測(cè)站，風(fēng)場(chǎng)由東南風(fēng)逆轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，同時(shí)，21:05—21:20以臨桂為中心，桂林、永福和雁山附近維持一中尺度氣旋式渦旋存在，有利于對(duì)流云系在臨桂附近加強(qiáng)發(fā)展。21:25—21:30，中尺度渦旋伴隨地面切變線南壓到雁山以南減弱，降水云系逐漸南壓減弱。

以上分析表明，“3·21”臨桂大風(fēng)發(fā)生在高空槽前強(qiáng)西南氣流區(qū)，低空暖濕氣流活躍，西南氣流在臨桂附近匯合，中層存在顯著干層，風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速大，0～6 km垂直風(fēng)切變強(qiáng)等，均表現(xiàn)出有利于地面極端大風(fēng)的發(fā)生，而地面中尺度渦旋、冷鋒南壓為本次強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生提供了觸發(fā)機(jī)制。

圖2 2019年3月21日(a)20:00綜合分析，(b)20:00和(c)21:05地面風(fēng)場(chǎng)演變Fig.2 (a) Comprehensive analysis at 20:00 BT 21 March, (b, c) evolution of surface wind at (b) 20:00 BT and (c) 21:05 BT 21 March 2019

3 雷達(dá)資料分析

桂林雷達(dá)站距離臨桂觀測(cè)站約16 km，受雷達(dá)靜錐區(qū)影響，強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴影響臨桂觀測(cè)站附近時(shí)，最大探測(cè)高度在8 km以下，對(duì)回波的垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)有一定影響。并且反射率因子強(qiáng)度圖(圖略)顯示，在0.5°和1.5°仰角的230°～270°方向上有遮擋，因此下文分析反射率因子強(qiáng)度演變使用2.4°仰角資料。3月21日21:06—21:12僅在19.5°仰角可觀測(cè)到三體散射特征(TBSS)，盡管雹塊擴(kuò)展到地面，但19.5°以下均未能觀測(cè)到TBSS特征，此時(shí)風(fēng)暴距離雷達(dá)站在20 km內(nèi)，19.5°仰角以下對(duì)風(fēng)暴的探測(cè)高度在6 km以下，三體散射回波可能位于風(fēng)暴體回波內(nèi)而無(wú)法辨認(rèn)。

文中用到的雷達(dá)資料包括反射率因子、徑向速度、風(fēng)暴編號(hào)、風(fēng)暴參數(shù)、垂直累積液態(tài)含水量(VIL)、最大反射率因子(Rmax)及其所在高度(HGT)以及中氣旋參數(shù)等。

3.1 雷達(dá)回波演變特征

從3月21日20—22時(shí)雷達(dá)回波的演變分析可知(圖3a)，“3·21”臨桂大風(fēng)是由一編號(hào)為E0的超級(jí)單體風(fēng)暴引起。21日20：00一條東北—西南向的多單體線狀回波帶自桂林柳州兩市交界處向東南方向移動(dòng)，回波的走向和移動(dòng)方向與地面輻合線的一致(圖2b)，回波帶南側(cè)有2個(gè)強(qiáng)度大于55 dBz的超級(jí)單體風(fēng)暴，其編號(hào)分別為A0(268/52)和E0(265/67)，A0和E0向東南方向移動(dòng)過(guò)程逐漸靠近，21:00—21:06回波帶到達(dá)臨桂觀測(cè)站前，風(fēng)暴A0并入E0，使E0強(qiáng)度迅速加強(qiáng)，并在隨后的兩個(gè)體掃時(shí)間里(21:12和21:18)自西北向東南過(guò)境臨桂觀測(cè)站。

圖3 2019年3月21日(a)20:00—21:12反射率因子演變，(b)21：00—21：18沿雷達(dá)徑向過(guò)臨桂觀測(cè)站的(b1～b4)反射率因子和(b5～b8)徑向速度的垂直剖面，(c)21:12仰角為(c1)2.4°、(c4)0.5°、(c2，c5)9.9°和(c3，c6)19.5°的(c1～c3)反射率因子和(c4～c6)徑向速度Fig.3 (a) Evolution of radar reflectivity at 20:00—21:12 BT, (b) the radial and Lingui Automatic Weather Station cross-section of (b1-b4) radar reflectivity and (b5-b8) racial velocity in 21:00-21:18 BT, (c1-c3) radar reflectivity and (c4-c6) radial velocity at (c1) 2.4°, (c4) 0.5°, (c2, c5) 9.9° and (c3, c6) 19.5° at 21:12 BT March 21 2019

21:00—21:18下?lián)舯┝靼l(fā)生前后，從雷達(dá)上連續(xù)識(shí)別出中氣旋或三維切變的只有X1和E0兩個(gè)風(fēng)暴單體(圖3a)，從表1可見(jiàn)，與風(fēng)暴E0相關(guān)的中氣旋直徑從3.7 km縮小到2.7 km，逐漸緊縮加強(qiáng)，最強(qiáng)切變從8×10-3s-1加大到15×10-3s-1，底高在21:12—21:18期間迅速下降到0.2 km；而風(fēng)暴X1的反射率因子強(qiáng)度在50～60 dBz,中氣旋直徑是一個(gè)減小又增大的過(guò)程，最強(qiáng)切變雖然比較大，但底高維持在2.6 km以上，風(fēng)暴X1給永?？h帶來(lái)短時(shí)強(qiáng)降水和5級(jí)左右陣風(fēng)?？梢?jiàn)，風(fēng)暴單體的中氣旋直徑緊縮，強(qiáng)度增加，最強(qiáng)切變加強(qiáng)，中氣旋底高驟降并下降到1 km以下，更利于地面大風(fēng)的發(fā)生。

表1 2019年3月21日21:00—21:18 中氣旋特征Table 1 Features of mesocyclone in 21:00-21:18 BT 21 March 2019

3.2 風(fēng)暴特征分析

超級(jí)單體風(fēng)暴A0 并入E0前(20:00—20:54)(圖略)，Rmax在60～67 dBz波動(dòng)增大，HGT先升后降，風(fēng)暴強(qiáng)反射率因子核從中層(20:36前)逐漸下降，可見(jiàn)A0強(qiáng)度變化不大，逐漸從中層向地面發(fā)展。

從E0的風(fēng)暴參數(shù)看(圖4)，E0經(jīng)歷了波動(dòng)變化到迅速增強(qiáng)的過(guò)程，其中20:24—20:48呈現(xiàn)波動(dòng)變化過(guò)程，20:48—21:06隨著A0靠近并入后迅速增強(qiáng)，風(fēng)暴頂高發(fā)展到6.8 km，底高向下發(fā)展到0.2 km，Rmax增大到71 dBz，HGT達(dá)到6.6 km，可見(jiàn)此時(shí)風(fēng)暴體最大、反射率因子最強(qiáng)；21:06—21:12風(fēng)暴體略有下降、Rmax略減小、VIL略降，HGT略降，降幅為0.6 km，此時(shí)段下?lián)舯┝靼l(fā)生，風(fēng)速線性增加；21:12—21:18風(fēng)暴體下降、Rmax減小、VIL下降，HGT驟降，從6 km下降到2.5 km，降幅達(dá)3.5 km，此時(shí)段風(fēng)速驟增，下?lián)舯┝骷訌?qiáng)。

圖4 2019年3月21日20：24—21：18風(fēng)暴E0各參數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.4 The parameters of Storm E0 in 20:24-21:18 BT 21 March 2019

圖5為21:12—21:18下?lián)舯┝骷訌?qiáng)期間，各風(fēng)暴單體HGT及HGT差，可見(jiàn)21:12 HGT超過(guò)4 km 的風(fēng)暴有3個(gè)，超過(guò)6 km的風(fēng)暴有2個(gè)(E0和Y1); 21:18有2個(gè)風(fēng)暴的HGT上升，其他風(fēng)暴的HGT均有所下降，下降高度超過(guò)1 km的風(fēng)暴有2個(gè)，超過(guò)3 km的僅有1個(gè)(E0)，可見(jiàn)只有風(fēng)暴E0同時(shí)具有較高的HGT和較快的下降速度，可以判斷該風(fēng)暴為造成此次強(qiáng)下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)暴。

以上分析表明，21:06—21:12超級(jí)單體風(fēng)暴核心下降，MARC明顯，地面風(fēng)速線性增大，下?lián)舯┝靼l(fā)生;21:12—21:18超級(jí)單體風(fēng)暴核心進(jìn)一步下降到地面，中氣旋出流區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)輻散，下?lián)舯┝鬟M(jìn)一步加強(qiáng)，風(fēng)速劇增達(dá)到極大值?？梢?jiàn)，在下?lián)舯┝鞯竭_(dá)地面之前，表現(xiàn)出反射率因子核心持續(xù)下降，徑向速度上有MARC的特征，這與俞小鼎等(2006a)的研究結(jié)論一致，可以為下?lián)舯┝黝A(yù)警提供重要判定依據(jù)。

4 極端大風(fēng)成因分析

強(qiáng)烈下沉氣流的產(chǎn)生受到3個(gè)因素的影響，包括降水粒子負(fù)載、浮力和垂直擾動(dòng)氣壓梯度力(俞小鼎等，2012)。孫凌峰等(2003)通過(guò)數(shù)值模擬得出，有些下?lián)舯┝鞯谋l(fā)以風(fēng)暴反射率因子核的下降為前兆，因此可以判斷降水(冰雹和雨滴)的拖曳作用是下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的主要初始動(dòng)力，冰雹融化和雨水蒸發(fā)冷卻作用是次要原因；周后福等(2017)研究指出，當(dāng)6 min 降水達(dá)4 mm以上時(shí)，是發(fā)生下?lián)舯┝鞯恼髡字?。通過(guò)3.1和3.2節(jié)分析可見(jiàn)，此次下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生以反射率因子核心下降為前兆，下文對(duì)此次下?lián)舯┝靼l(fā)生前后降水粒子的拖曳作用、浮力和垂直擾動(dòng)氣壓梯度力等方面進(jìn)行分析，對(duì)下?lián)舯┝鞯男纬稍蜻M(jìn)行初步探討。

圖5 2019年3月21日21:12—21:18下?lián)舯┝骷訌?qiáng)期間各風(fēng)暴HGT及ΔHGT(負(fù)值表示下降高度，正值則表示上升高度)Fig.5 The HGT of the storms and HGT difference during downburst developing intensification in 21:12-21:18 BT 21 March 2019 (Negative value indicates descending height, positive value indicates ascending height)

4.1 降水粒子的拖曳作用

圖6為臨桂觀測(cè)站逐分鐘降水量和風(fēng)速演變圖，由圖可見(jiàn)，風(fēng)速變化和降水強(qiáng)度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，3月21日21:08—21:14降水量迅速遞增，對(duì)應(yīng)風(fēng)速線性增大，下?lián)舯┝靼l(fā)生。21:11—21:14分鐘降水量在3 mm以上，地面風(fēng)速在12級(jí)以上，其中21:13—21:14的分鐘降水量達(dá)6.6 mm，此時(shí)段內(nèi)HGT下降速度非常快，空氣中降水粒子較大，拖曳作用強(qiáng)，此時(shí)風(fēng)速增大到極大值(17級(jí))，降水的極端強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)周后福等(2017)研究的下?lián)舯┝靼l(fā)生征兆的雨量值，21:15—21:16降水量有所下降，風(fēng)速明顯下降(4～5級(jí))，21:17—21:18的分鐘降水量再次在3 mm以上，風(fēng)速對(duì)應(yīng)有增大過(guò)程(7級(jí))?？梢?jiàn)，降水的拖曳作用在本次下?lián)舯┝髦衅饐?dòng)和增強(qiáng)作用。由3.1節(jié)雷達(dá)回波演變分析可知，在下?lián)舯┝靼l(fā)生前，21日21:06反射率因子和徑向速度圖上均出現(xiàn)了TBSS，表明風(fēng)暴中有大冰雹存在，并在地面出現(xiàn)了2 cm左右的冰雹，21:12 TBSS維持，21:18 TBSS消失。因此，冰雹和雨滴的下降拖曳是本次下?lián)舯┝靼l(fā)生和加強(qiáng)的主要原因。

圖6 2019年3月21日21:01—21:21分鐘降水量和最大瞬時(shí)風(fēng)速(黑色橫線為下?lián)舯┝鲿r(shí)間，灰色橫線為分鐘降水量3 mm線)Fig.6 Minutely rainfall and maximum instantaneous wind speed in 21:01-21:21 BT 21 March 2019(Black line is the time for downburst, gray bold line is minutely rainfall 3 mm contour)

4.2 負(fù)浮力和氣壓梯度力作用

本次過(guò)程中對(duì)流層中上層存在明顯干層，且風(fēng)暴承載層風(fēng)速大，風(fēng)暴周邊相對(duì)干的空氣被夾卷進(jìn)入風(fēng)暴，使得下沉氣流內(nèi)雨滴或冰雹迅速蒸發(fā)造成下沉氣流降溫，下沉氣流內(nèi)溫度明顯低于環(huán)境溫度而產(chǎn)生向下的負(fù)浮力，導(dǎo)致下沉氣流加速下降，同時(shí)對(duì)流層中下層環(huán)境溫度垂直遞減率大，利于下沉氣流負(fù)浮力進(jìn)一步加大(俞小鼎等，2012；章國(guó)材，2011)。從下?lián)舯┝靼l(fā)生前后地面氣溫的明顯降低，大致可以說(shuō)明負(fù)浮力情況。下?lián)舯┝靼l(fā)生前，臨桂觀測(cè)站氣溫為25.5 ℃，21:08氣溫下降到22.4 ℃，降幅達(dá)3.1 ℃，21:13極大風(fēng)發(fā)生時(shí)，氣溫下降到最低(20.1 ℃)后維持，可見(jiàn)下?lián)舯┝鬟^(guò)程前后降溫幅度達(dá)5.4 ℃，按1 ℃溫差造成的浮力可抵消約 4 g·kg-1水物質(zhì)產(chǎn)生的重力拖曳，5.4 ℃的溫差造成的負(fù)浮力效應(yīng)大致相當(dāng)于21.6 g·kg-1的重力拖曳作用。另外，本次過(guò)程超級(jí)單體發(fā)展成熟時(shí)中氣旋底高向地面發(fā)展，導(dǎo)致21:12地面中氣旋附近氣壓下降，與下沉氣流在地面附近形成的高壓間產(chǎn)生強(qiáng)的氣壓梯度，雷暴內(nèi)下沉氣流到地面后在該強(qiáng)烈氣壓梯度作用下風(fēng)速也得以進(jìn)一步加強(qiáng)。

以上分析可見(jiàn)，本次下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生以反射率因子核下降為前兆，且雷暴云中有冰雹下降到地面，在下?lián)舯┝鲉?dòng)時(shí)，分鐘降水量大于3 mm，氣溫下降大于3℃，風(fēng)線性增大，降雨和冰雹的拖曳及水成物的蒸發(fā)造成的負(fù)浮力效應(yīng)為下?lián)舯┝鞯膯?dòng)提供主要貢獻(xiàn)；下?lián)舯┝骷訌?qiáng)時(shí)，分鐘降水量大于6 mm，冰雹等各種水凝物在重力拖曳作用加速下沉，氣溫在3 min內(nèi)降幅大于2℃，2 min氣壓上升大于6 hPa，風(fēng)速劇增，出現(xiàn)17級(jí)極大風(fēng)速，由此可以推斷，本次下?lián)舯┝魇紫扔捎谟晁捅⒘Ｗ拥耐弦纷饔糜|發(fā)產(chǎn)生，伴隨大的降水粒子和冰雹的下降，水成物蒸發(fā)造成的負(fù)浮力增大以及強(qiáng)大氣壓差使得下?lián)舯┝鞯靡约訌?qiáng)。

5 結(jié) 論

(1)2019年3月21日桂林市臨桂區(qū)17級(jí)極端大風(fēng)過(guò)程是一次空間尺度在2 km范圍內(nèi)、時(shí)間尺度為6 min、強(qiáng)度為EF2的微下?lián)舯┝鬟^(guò)程，其中包含多個(gè)β小尺度下?lián)舯┝鳁l跡，現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查和氣象觀測(cè)實(shí)況吻合。

(2)“3·21”臨桂大風(fēng)是發(fā)生在高空槽、切變線及地面冷空氣共同配合的大尺度環(huán)境條件下，具有低空暖濕氣流活躍，中層存在顯著干層，大的溫度垂直遞減率，強(qiáng)的低空垂直風(fēng)切變等有利條件，地面中尺度輻合線、冷鋒南壓為本次強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生提供了觸發(fā)機(jī)制。

(3)本次下?lián)舯┝魇怯?個(gè)超級(jí)單體風(fēng)暴合并加強(qiáng)后引起，下?lián)舯┝靼l(fā)生前超級(jí)單體風(fēng)暴具有反射率因子核心下降、MARC特征，當(dāng)反射率因子開(kāi)始減弱、風(fēng)暴頂高下降、HGT下降時(shí)，下?lián)舯┝靼l(fā)生；當(dāng)HGT劇降時(shí)，下?lián)舯┝骷訌?qiáng)，17級(jí)大風(fēng)發(fā)生地位于中氣旋出流區(qū)強(qiáng)輻散中心，輻散值達(dá)27 m·s-1，中氣旋有最強(qiáng)切變加強(qiáng)，底高迅速下降到1 km以下等特征。

(4)下?lián)舯┝髟斐傻牡孛骘L(fēng)速線性增加與雨強(qiáng)有密切關(guān)系，本次過(guò)程出現(xiàn)極端的分鐘級(jí)降水量，當(dāng)分鐘降水量大于3 mm·min-1時(shí)，風(fēng)速超過(guò)12級(jí)，當(dāng)分鐘降水量大于6 mm·min-1時(shí)，出現(xiàn)17級(jí)極大風(fēng)速。初始大風(fēng)首先由雨水和冰雹粒子的拖曳作用引起，在下降過(guò)程中負(fù)浮力的熱力不穩(wěn)定和氣壓梯度力也加劇了下沉運(yùn)動(dòng)。

致 謝:感謝桂林市氣象局在現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查過(guò)程給予的大力支持和協(xié)助。