毛程燕， 汪 晨， 龔理卿， 廖君鈺， 李浩文

(1.衢州市氣象局，浙江 衢州 324000； 2.廣州市氣象臺(tái)，廣州 510080)

引 言

強(qiáng)對(duì)流天氣具有空間尺度小、發(fā)展速度快、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，并可伴有短時(shí)強(qiáng)降水、強(qiáng)雷電、雷暴大風(fēng)(龍卷)、冰雹[1]、下?lián)舯┝鱗2]等劇烈天氣，尤其是春、夏季強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)發(fā)生頻繁、破壞性強(qiáng)，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成重大威脅[3]。其中颮線是雷暴單體側(cè)向排列形成的強(qiáng)烈線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)，由于其組織性高，尺度小，發(fā)展快，移動(dòng)迅速，預(yù)報(bào)和預(yù)警難度大，因此颮線已被國內(nèi)外學(xué)者重視和研究[4, 5]。對(duì)于颮線的探究，專家學(xué)者大多從其環(huán)流背景、中小尺度結(jié)構(gòu)[6]、觸發(fā)機(jī)制、雷達(dá)產(chǎn)品特征等方面著手[7, 8]。如盛杰等[9]分析了一次早春颮線的物理?xiàng)l件和雷達(dá)回波發(fā)展演變特征，提出下?lián)舯┝魇菢O端大風(fēng)形成的主要原因。吳瑞姣等[10]將江淮災(zāi)害性大風(fēng)颮線分為五種天氣類型，并分析了不同模型下物理?xiàng)l件。王強(qiáng)等[11]對(duì)比了湖南不同季節(jié)颮線產(chǎn)生的物理機(jī)制和雷達(dá)回波特征，認(rèn)為雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)預(yù)警著眼點(diǎn)為低仰角速度大值區(qū)和中層徑向輻合。張琴等[12]研究了山東境內(nèi)強(qiáng)對(duì)流天氣的能量結(jié)構(gòu)、中小尺度異同，提出了700 hPa以下存在的高能區(qū)有助于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展。楊新林等[13]對(duì)比研究華南雷暴大風(fēng)和普通雷暴大尺度環(huán)境，指出雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)斜壓性和動(dòng)力強(qiáng)迫更強(qiáng)。農(nóng)孟松等[14]提出廣西颮線大風(fēng)等災(zāi)害性天氣常出現(xiàn)在颮線的斷裂處。一般來說，不同環(huán)流形勢下產(chǎn)生的災(zāi)害性天氣不同，高空槽前多短時(shí)強(qiáng)降水，冷渦后部多大風(fēng)和冰雹天氣[15-17]，而相似的環(huán)流形勢下也可以出現(xiàn)不同類型和強(qiáng)度的對(duì)流天氣[18,19]。

“3·4”和“4·9”過程是出現(xiàn)在江淮、華南地區(qū)兩次較為典型的強(qiáng)對(duì)流過程，具有影響范圍廣、致災(zāi)性強(qiáng)等特點(diǎn)，二者雖出現(xiàn)在相似背景下卻有不同物理?xiàng)l件和雷達(dá)回波特征。因此尋找兩次過程的共性和特性，具有重要預(yù)報(bào)意義[20]。本文利用常規(guī)地面和高空觀測、多普勒雷達(dá)、NCEP FNL逐6 h(空間分辨率為1°×1°)再分析資料，對(duì)發(fā)生在浙江省的兩次典型春季強(qiáng)對(duì)流過程的天氣分布特點(diǎn)、環(huán)境形勢演變、颮線系統(tǒng)變化等特征進(jìn)行對(duì)比研究，分析雷暴大風(fēng)出現(xiàn)成因的主要異同點(diǎn)，尋求相似背景下混合性強(qiáng)對(duì)流的預(yù)報(bào)方法，為江淮地區(qū)颮線和雷暴大風(fēng)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。

1 颮線過程天氣特征對(duì)比

1.1 颮線過程實(shí)況

“3·4”颮線過程強(qiáng)天氣分布見圖1(a)。2018年3月4日凌晨至5日上午，華南、江南等地出現(xiàn)了一次罕見的大范圍強(qiáng)對(duì)流過程。浙江受颮線影響時(shí)段主要是在4日傍晚到夜里，該時(shí)段出現(xiàn)直線型雷暴大風(fēng)，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水、強(qiáng)雷電、局地冰雹。

“4·9” 颮線過程強(qiáng)天氣分布見圖1(b)。2019年4月9日早晨至10日凌晨，江淮、江南等地出現(xiàn)明顯的強(qiáng)對(duì)流天氣。浙江省受颮線影響時(shí)段主要在9日11時(shí)至20時(shí)，以風(fēng)雹天氣為主，另有分散的短時(shí)強(qiáng)降水。

圖1 2018年3月4日08時(shí)至5日08時(shí)(a)和2019年4月9日08時(shí)至10日08時(shí)(b)浙江省強(qiáng)對(duì)流天氣分布紅色圓點(diǎn)表示小時(shí)強(qiáng)降水(單位：mm),綠色倒三角表示雷暴大風(fēng)(單位：m·s-1)，灰色圖形表示地閃

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩次颮線過程均出現(xiàn)了大范圍的雷暴大風(fēng)和強(qiáng)雷電、分散的短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹天氣。就浙江而言，集中影響區(qū)域?yàn)橹斜辈康貐^(qū)。雖然兩次過程均是劇烈的混合型強(qiáng)對(duì)流，但“3·4”颮線過程影響范圍更廣、冰雹更大、風(fēng)速更極端、致災(zāi)性更強(qiáng)，有完整的直線型回波結(jié)構(gòu)特征，移動(dòng)方向是從湖南向江淮方向快速移動(dòng)，10級(jí)以上大風(fēng)密集?！?·9”颮線過程以大風(fēng)天氣為主，局地有小冰雹，地閃密度和大風(fēng)范圍均不如前者，移動(dòng)方向則是自北向南影響，移速也不如前者，直線型回波有斷裂，強(qiáng)度相對(duì)較弱，風(fēng)力相對(duì)也略弱。

1.2 兩次颮線過境氣象要素變化特征

圖2(a)、2(b)是“3·4”颮線過程過境前后衢州站氣象要素變化。由圖可看出，衢州站有2次風(fēng)速劇增，分別出現(xiàn)在4日18-19時(shí)、21—22時(shí)。颮線過境時(shí)，風(fēng)速劇增,氣壓涌升,濕度突變,氣溫驟降。衢州站風(fēng)速最大達(dá)到了26.1 m·s-1(18:04-18:18)，氣壓從994.8 hPa驟升至998.7 hPa，氣壓變化趨勢與風(fēng)速變化基本一致；相對(duì)濕度由57%飆升至100%，氣溫則由27.5 ℃降至20.2 ℃。18:12颮線過境后各氣象要素變化幅度不大。第二階段線狀回波過境時(shí)(21-22時(shí))，變化幅度均沒有第一階段的顯著。

圖2(c)、2(d)是“4·9”颮線過境前后衢州站氣象要素變化。由圖可看出，衢州城區(qū)風(fēng)速最大達(dá)到35.6 m·s-1(12級(jí)，18:08)，氣壓從991.6 hPa上升至993.9 hPa，后隨著風(fēng)力下降，氣壓也迅速下降，氣溫則由31.1 ℃(18:00)驟降至23.0 ℃(18:17)，相對(duì)濕度由46%(18:05)躥升至95%(18:16)。

圖2 2018年3月4日(a、b)和2019年4月9日(c、d)衢州站氣象要素演變

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩次颮線過程出現(xiàn)的時(shí)間都在18:00前后，白天晴好天氣，升溫明顯，能量積聚，且颮線過境時(shí)衢州站均出現(xiàn)氣壓涌升、風(fēng)速突變、相對(duì)濕度突增、氣溫驟降等特征。

2 兩次強(qiáng)對(duì)流過程的環(huán)境條件對(duì)比

2.1 兩次颮線發(fā)生前的天氣形勢特征

“3·4”颮線過程發(fā)生前(圖3a)，北支槽主鋒區(qū)位于江淮南部，斜壓性強(qiáng)，而南支鋒區(qū)從華南伸至江南一帶，南支槽與北支槽同位相疊加，有利于暖區(qū)強(qiáng)對(duì)流發(fā)展。浙江省處于西風(fēng)槽前，700 hPa和500 hPa高度槽呈前傾結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)前向傳播明顯，移速較快；副熱帶高壓偏強(qiáng)，位于南海至西太平洋海域；700 hPa西南急流強(qiáng)盛，浙江中北部850 hPa有西南風(fēng)速輻合，午后升溫顯著，能量積聚，天氣系統(tǒng)加強(qiáng)，對(duì)流在午后得到劇烈發(fā)展。850 hPa和500 hPa氣層溫差在28 ℃以上，非常有利于春季強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)。此時(shí)地面低壓倒槽伸展至黃淮流域(圖3b)，邊界層輻合線位于浙江中北部，1000 hPa與500 hPa層的垂直風(fēng)切變增強(qiáng)至30 m·s-1以上，極為有利于組織形變?yōu)槌叨容^大的線狀或弓形回波。此時(shí)也是對(duì)流發(fā)展的強(qiáng)盛階段，垂直風(fēng)切變偏強(qiáng)，促進(jìn)了超級(jí)單體和多單體風(fēng)暴的生成和發(fā)展，從江西中北部向東北方向移動(dòng)速度很快，浙江省自西向東有颮線過境。20時(shí)鋒區(qū)南壓，中尺度系統(tǒng)即由“暖平流強(qiáng)迫類”轉(zhuǎn)為“斜壓鋒生類”[21]。

“4·9”颮線過程發(fā)生前(圖3c)，華南、江南處于西風(fēng)槽前，700 hPa和500 hPa高度槽也具有明顯的前傾結(jié)構(gòu)，但低槽深度較淺，位置更偏西；700 hPa偏西急流偏強(qiáng)(22 m·s-1)，850 hPa有西南風(fēng)速輻合，浙江省位于低渦東南象限；200 hPa高度層上，30°N和40°N附近分別有一支西風(fēng)急流，急流核位于東海上空，浙江省上空急流風(fēng)速達(dá)40 m·s-1以上，高空輻合產(chǎn)生下沉運(yùn)動(dòng)。地面江淮氣旋位于江南北部(圖3d)，浙江省大部分地區(qū)受到低壓倒槽影響，850 hPa和500 hPa之間溫差在26 ℃以上，1000 hPa與500 hPa垂直風(fēng)切變?yōu)?0～24 m·s-1，白天氣溫升幅顯著，熱力條件較好；地面弱冷空氣滲透影響浙江北部，有利于強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)。

圖3 2018年3月4日14時(shí)(a、b)和2019年4月9日14時(shí)(c、d)天氣形勢圖(a)(c)實(shí)線為等高線，單位：dagpm，虛線為200 hPa≥30 m·s-1等風(fēng)速線，陰影為850 hPa與500 hPa溫差，單位：℃；圖(b)(d)實(shí)線為海平面氣壓場，單位：hPa，陰影為1000 hPa與500 hPa垂直風(fēng)切變，單位：m·s-1

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩次強(qiáng)對(duì)流過程均處于500 hPa南支槽、850 hPa西南風(fēng)速輻合、地面低壓倒槽、200 hPa急流輻散區(qū)的配置下，850 hPa與500 hPa溫差較大，1000 hPa與500 hPa垂直風(fēng)切變較強(qiáng)，熱對(duì)流條件良好。此外，地面冷空氣滲透增強(qiáng)了近地層的不穩(wěn)定性。 但“4·9”過程相較于“3·4”颮線過程，系統(tǒng)位置更偏北，系統(tǒng)也更弱，出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流的范圍相對(duì)也更小。

2.2 兩次颮線發(fā)生前的物理?xiàng)l件特征

選取兩次都受颮線影響的08時(shí)衢州探空進(jìn)行分析(圖4)。由圖4可看出，14時(shí)，衢州站溫度和露點(diǎn)層結(jié)曲線均呈喇叭狀開口，顯示出上干下暖濕，600-500 hPa附近都有明顯干侵入，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，下沉對(duì)流有效位能大；800 hPa溫度露點(diǎn)差較小，但近地層相對(duì)較干；中層(500-700 hPa)風(fēng)力很強(qiáng)，有利于大動(dòng)量氣塊卷夾；CAPE和LI數(shù)值相近，但兩者K指數(shù)相差很大(分別為37 ℃、23 ℃)?！?·4”過程午后升溫幅度大(氣溫日較差17.7 ℃)，有利于雷雨大風(fēng)等強(qiáng)雷暴的發(fā)展，0 ℃層高度為4.2 km，-20 ℃層在6.7 km左右，適宜大冰雹產(chǎn)生；“4·9”當(dāng)日氣溫升溫幅度(12.8 ℃)遠(yuǎn)不如前者，0 ℃位于4.5 km，-20 ℃在7.5 km，零度層高度略偏高，有局地小冰雹出現(xiàn)。

圖4 衢州站2018年3月4日14時(shí)(a)和2019年4月9日14時(shí)(b)T-lnp圖紅色實(shí)線為溫度層結(jié)曲線，藍(lán)色實(shí)線為露點(diǎn)層結(jié)曲線，黑色實(shí)線為狀態(tài)曲線

3 兩次過程風(fēng)暴結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

3.1 “3·4”颮線過程雷達(dá)回波特征

“3·4”颮線過程對(duì)浙江的影響主要分為3個(gè)階段：3月4日17:19-19:27弓形回波(Ⅰ階段)，20:21-23:29多單體帶狀回波(颮線，Ⅱ階段)，23:17-次日03:13分散塊狀強(qiáng)降水回波(Ⅲ階段)。本文僅分析前兩個(gè)階段。

Ⅰ階段：4日17:19-19:27弓形回波自西向東影響浙江中南部。17時(shí)前后，線狀回波從江西省中北部快速移向浙江省西部。17:44線狀多單體風(fēng)暴合并演變?yōu)楣位夭?圖5a)，回波移速相對(duì)于500 hPa和700 hPa的引導(dǎo)氣流(20 m·s-1)略快。17:00-18:00帶狀回波尺度增大，有一條斷裂的回波帶，移動(dòng)過程中移速略有減慢(80～100 km·h-1)。對(duì)風(fēng)暴A作反射率剖面可見(圖5c)，其對(duì)流發(fā)展高度在7.5 km左右，強(qiáng)回波(50 dBZ以上)伸展高度僅4 km，強(qiáng)降水回波30～40 dBZ。與此同時(shí)，江西北部地區(qū)基本速度圖(0.5°仰角)上出現(xiàn)27 m·s-1大風(fēng)速核(圖5b)。從速度剖面可見，線狀回波移動(dòng)的前沿在2-6 km處有弱的徑向輻合(圖5d)。本次過程移動(dòng)速度很快，風(fēng)力陡增，隨后風(fēng)速明顯減弱。

圖5 2018年3月4日 17:44衢州雷達(dá)組合反射率因子(a)和0.5°仰角平均徑向速度(b)及沿著圖中線段走向的A風(fēng)暴的反射率因子(c)和平均徑向速度(d)的垂直剖面黑色圓圈代表中氣旋，白色圓圈代表中層徑向輻合區(qū)

Ⅱ階段：4日20:21—23:29第二條颮線過境影響。20:21有完整的線狀回波。20:33回波帶上的強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)展為超級(jí)單體風(fēng)暴B、C和D。21:01—21:22颮線斷裂，21:28—22:10線狀回波再次加強(qiáng)為連續(xù)結(jié)構(gòu)，20:45超級(jí)單體C強(qiáng)中心最大反射率因子超過68 dBZ(圖6a)。從對(duì)應(yīng)的反射率剖面看(圖6c)，超級(jí)單體C的對(duì)流發(fā)展高度在9 km左右，高懸的強(qiáng)回波擴(kuò)展到8 km(-20 ℃等溫線以上)，近地層有弱回波區(qū)，中高層有明顯的回波懸垂。

從0.5°仰角的徑向速度可見(圖6b)，20:45颮線后部中氣旋的負(fù)速度出現(xiàn)了速度模糊、退模糊后為-39 m·s-1，近地層出現(xiàn)了大風(fēng)速區(qū)。從速度剖面可見(圖6d)，線狀回波移動(dòng)的前沿在2-6 km處有強(qiáng)烈的中層徑向輻合區(qū)，說明對(duì)流層中層干空氣卷夾進(jìn)入雷暴的過程，這種卷夾過程加速了雷暴內(nèi)部的下沉氣流。中氣旋最大旋轉(zhuǎn)速度為20 m·s-1，達(dá)到中等強(qiáng)度中氣旋標(biāo)準(zhǔn)。本次雷暴大風(fēng)過程是傳統(tǒng)的經(jīng)典大風(fēng)天氣回波產(chǎn)生的極端大風(fēng)，并具有大冰雹回波特征，很有可能出現(xiàn)冰雹天氣。

圖6 2018年3月4日 20:45衢州雷達(dá)組合反射率因子(a)和0.5°仰角平均徑向速度(b)及沿著圖中線段走向的C風(fēng)暴的反射率因子(c)和平均徑向速度(d)的垂直剖面黑色箭頭代表氣流方向

3.2 “4·9”颮線過程雷達(dá)回波特征

4月9日15:51—19:45颮線過境影響浙江省。9日15:34江西北部出現(xiàn)60 dBZ以上的超級(jí)單體風(fēng)暴，16:03回波東移加強(qiáng)，數(shù)個(gè)多單體風(fēng)暴(55 dBZ以上)在16:50合并形成弓形回波影響衢州市北部。17:01—17:19衢州市龍游縣有超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)展，最強(qiáng)回波有72 dBZ，龍游出現(xiàn)了小冰雹。17:13超級(jí)單體E強(qiáng)中心最大反射率因子超過65 dBZ(圖7a)，具有明顯的中氣旋和三體散射現(xiàn)象。從反射率剖面看(圖7c)，超級(jí)單體E的對(duì)流發(fā)展高度近9 km，高懸的強(qiáng)回波擴(kuò)展到8 km(-20 ℃等溫線以上)，近地層有弱回波區(qū)，中高層有明顯的回波懸垂。從0.5°仰角的徑向速度可見(圖7b)，17:15颮線后部中氣旋的負(fù)速度出現(xiàn)了速度模糊，退模糊后為28 m·s-1，近地層出現(xiàn)了大風(fēng)速區(qū)。從速度剖面可見(圖7d)，線狀回波移動(dòng)的前沿在2-6 km處有較弱的中層徑向輻合區(qū)。最大旋轉(zhuǎn)速度為10 m·s-1，達(dá)到弱切變標(biāo)準(zhǔn)。

18:06新一輪多單體回波影響衢州城區(qū)，沒有明顯的弓形回波，衢州站出現(xiàn)了12級(jí)大風(fēng)，持續(xù)時(shí)間較短。由雷達(dá)反射率剖面圖(圖略)可見，高懸的強(qiáng)回波伸展到6 km，最強(qiáng)中心為55 dBZ，低層有弱回波區(qū)。

由此可見，“3·4”和“4·9”颮線過程中均不斷有回波單體生成，并伴有冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等混合性強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn)。出現(xiàn)冰雹天氣時(shí)，均出現(xiàn)了高懸的強(qiáng)回波中心和中高層回波懸垂，且中層徑向速度輻合，近地層徑向速度很大。但“3·4”颮線組織性更好，移速更快，近地層出現(xiàn)了速度模糊，中層徑向輻合更強(qiáng)，因此出現(xiàn)的冰雹更大，大風(fēng)持續(xù)時(shí)間更長，破壞力也更明顯。而“4·9”過程組織性維持時(shí)間很短，多斷裂的多單體影響形勢，呈現(xiàn)“遍地開花”狀。

4 結(jié) 論

通過對(duì)發(fā)生在浙江省的兩次大范圍的春季強(qiáng)對(duì)流過程的環(huán)境條件和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論。

(1)“3·4”颮線過程與“4·9”颮線過程均出現(xiàn)了混合強(qiáng)對(duì)流天氣，且均出現(xiàn)在下午到傍晚，影響過程以雷暴大風(fēng)和冰雹為主，強(qiáng)降水范圍較小，“3·4”過程中雷暴大風(fēng)的影響范圍更廣，出現(xiàn)的冰雹更大，致災(zāi)性更強(qiáng)。

(2)兩次強(qiáng)對(duì)流過程高空均有前傾槽結(jié)構(gòu)，地面有低壓倒槽，850 hPa和700 hPa有西南急流，良好的天氣系統(tǒng)配置為強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)提供有利的環(huán)境條件；“上干下濕”的典型的“喇叭口”探空結(jié)構(gòu)，中層明顯干侵入，地面冷空氣滲透，溫度垂直遞減率很大，1000 hPa與500 hPa垂直風(fēng)切變強(qiáng)，午后大幅度升溫導(dǎo)致動(dòng)力、熱力不穩(wěn)定條件均良好。“3·4” 颮線過程高空槽更深，有利配置的系統(tǒng)位置更偏南，出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流范圍遍布全省，而“4·9”過程強(qiáng)對(duì)流基本上集中在浙江北部，對(duì)中南部影響時(shí)間短。“3·4”過程垂直風(fēng)切變、高低空溫差均比“4·9”過程的大。

(3)兩次颮線過程都受到有組織的對(duì)流風(fēng)暴反復(fù)多次影響。預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)均為低仰角速度大值區(qū)，中層徑向輻合，高懸的強(qiáng)回波，回波懸垂。不同的是“3·4”過程中出現(xiàn)了很強(qiáng)的中氣旋，“4·9”過程則只出現(xiàn)弱切變，因此前者強(qiáng)度更強(qiáng)，影響范圍更大。