李珊梅 黃美金 王賢梅

(1.平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)氣象局，福建 福州 350400；2.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350001；3.福建省氣象臺(tái)，福建 福州 350001)

1 概述

強(qiáng)對(duì)流天氣是指出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水(>30mm/h)、雷雨大風(fēng)(>17m/s) 、冰雹、龍卷等現(xiàn)象的災(zāi)害性天氣。福建地處中國(guó)東南沿海、臺(tái)灣海峽西岸，受季風(fēng)控制，是典型的亞熱帶海洋季風(fēng)氣候區(qū)。福建境內(nèi)多山丘，素有“八山一水一分田”之稱，特殊的地理位置和地形地貌，使得福建常年災(zāi)害性天氣發(fā)生頻繁，其中春季以暴雨和冰雹等局地強(qiáng)對(duì)流天氣影響為主，常造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人員傷亡事故[1]。

強(qiáng)對(duì)流天氣由于其尺度小、發(fā)展迅速、影響局地等特征，在短期預(yù)報(bào)中難度很大。但在短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警時(shí)效內(nèi)，氣象專家們利用雷達(dá)、衛(wèi)星云圖和風(fēng)廓線雷達(dá)等資料，探討提高強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)準(zhǔn)確性的可能，并給出了不同類型強(qiáng)對(duì)流天氣的多普勒雷達(dá)識(shí)別技術(shù)、風(fēng)廓線雷達(dá)的判斷方法等[1-5]。從大環(huán)流背景方面，鄒燕[6]利用小波和EOF等方法分析得出，東亞前冬季季風(fēng)強(qiáng)(弱)年,前汛期西太平洋副高偏弱(強(qiáng))，范圍較小(大)，西脊點(diǎn)偏西(東)，福建降水偏多(少)。在常規(guī)個(gè)例分析中，何小寧等[7]利用常規(guī)觀測(cè)資料對(duì)福建北部一次暴雨過程的成因進(jìn)行分析，得出低層輻合、高層輻散有利于對(duì)流發(fā)展，雷達(dá)回波分析表明，低層暖平流、高層冷平流、區(qū)域上空輻合形勢(shì)有利于對(duì)流性降水的產(chǎn)生。而馮晉勤[8]、崔夢(mèng)雪[9]和潘佳文等[10]均利用雙偏振雷達(dá)產(chǎn)品分析福建強(qiáng)對(duì)流天氣過程，在證實(shí)超級(jí)單體風(fēng)暴的偏振觀測(cè)特征(ZDR弧、ZDR柱、KDP柱和CC 環(huán))的同時(shí)，利用這些偏振特征開展強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。

本文通過對(duì)2019年4月22日福建省一次強(qiáng)對(duì)流天氣過程的成因和發(fā)展分析，討論強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展機(jī)制，以期為強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供參考。

2 資料和方法

本文主要利用常規(guī)高空探測(cè)、地面觀測(cè)及加密自動(dòng)氣象站觀測(cè)和新一代天氣雷達(dá)等數(shù)據(jù)資料，從環(huán)流背景條件和中尺度過程兩個(gè)角度，利用中尺度過程分析方法[11]，探討此次強(qiáng)對(duì)流過程的起因、發(fā)展和維持原因。

3 過程概況

2019年4月21-23日，江西、福建、廣東等地發(fā)生了強(qiáng)對(duì)流天氣過程，22日福建出現(xiàn)了全省性的雷暴、雷雨大風(fēng)、冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣過程。此次過程自西向東發(fā)展，22日3時(shí)24分，三明建寧最先開始出現(xiàn)雷暴，22日21時(shí)，對(duì)流回波全部入海，過程結(jié)束。

從強(qiáng)對(duì)流天氣的類型和分布來看，過程(22日03～21時(shí))福建全省均出現(xiàn)雷暴(圖1c)，但降水強(qiáng)度不大，冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水和雷雨大風(fēng)的時(shí)空分布比較零散。全省有8縣市21鄉(xiāng)鎮(zhèn)25個(gè)站點(diǎn)累積降水超過50mm，最大為寧德屏南98mm，其中14縣19個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)20個(gè)站次出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水(圖1a)，南平浦城最強(qiáng)為59.4mm/h(圖1b)；凌晨和午后有22縣市33個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)43個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)8～10級(jí)大風(fēng)，最大為廈門集美25.7m/s(10級(jí))(圖1b)；5縣市出現(xiàn)冰雹，凌晨時(shí)分出現(xiàn)在三明寧化(05時(shí)前后)，下午(14～18時(shí))則先后在福州永泰縣、閩侯縣竹岐鄉(xiāng)、泉州南安詩山鎮(zhèn)、寧德周寧縣等地出現(xiàn)小冰雹(圖1b)?？梢娺@是一次典型的局地混合偏干型強(qiáng)對(duì)流天氣過程，其特征為影響時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、局地性強(qiáng)。

4 環(huán)流背景

4.1 高空形勢(shì)

從高空形勢(shì)上來看(圖2)，過程影響期間，長(zhǎng)江流域以北有高空槽東移；21日夜里，福建處于副高西北側(cè)、槽前西南氣流控制；22日白天500hPa、700hPa均有弱波動(dòng)?xùn)|移，850hPa仍為西南氣流控制、有弱風(fēng)速輻合，925hPa切變從福建中南部緩慢東移、20時(shí)至福建中南部沿海。高度場(chǎng)上的對(duì)流形勢(shì)相對(duì)較弱。

溫度場(chǎng)上(圖2)，500hPa有冷溫槽東移，此間850hPa一直有溫度脊配合存在。21日20時(shí)冷溫槽位于湖南東部，而后隨高度槽東移，此時(shí)溫度脊線維持在116°E-118°E，22日08時(shí)溫度槽脊重合在浙贛交界-福建西部；22日白天兩層溫度槽脊繼續(xù)東移，20時(shí)溫度槽入海。預(yù)示福建地區(qū)溫度直減率(t85)將增加，層結(jié)不穩(wěn)定也相應(yīng)增大，為對(duì)流的發(fā)生提供不穩(wěn)定條件。

可見，21日夜里，冷槽帶來冷空氣自西路影響福建西部，22日下午，冷槽入海帶來北路冷空氣影響福建沿海，分別對(duì)應(yīng)22日凌晨和下午的強(qiáng)對(duì)流天氣。

圖2 2019年4月21日20時(shí)～22日20時(shí)高空形勢(shì)綜合分析圖

4.2 地面分析

從地面分析圖可以看出，22日08時(shí)，地面倒槽控制福建地區(qū)(圖略)，東西兩側(cè)均有冷空氣影響，冷暖氣團(tuán)在福建東西兩側(cè)分別交匯，有利于兩地的地面輻合分別發(fā)展；11時(shí)，中南部升溫明顯，等壓線、等溫線和等露點(diǎn)溫度線在沿海密集分布(圖3a)；14時(shí)，福建西部受降水影響、氣溫下降，但中南部暖區(qū)升溫更加明顯，地面氣溫達(dá)31℃以上(圖3b)，地面氣壓下降至1008hPa，升溫的暖區(qū)與下午的對(duì)流發(fā)生區(qū)基本重合。

綜上，這是一次典型的鋒前暖區(qū)型對(duì)流過程，冷槽帶來兩路冷空氣分別影響福建東部和西部，地面回暖使東部對(duì)流更加強(qiáng)盛。

根據(jù)對(duì)流發(fā)生地時(shí)段，可將其分為兩個(gè)階段。第一階段：凌晨，三明地區(qū)的風(fēng)雹天氣，為對(duì)流發(fā)展的初始階段。第二階段：午后～傍晚，永泰、閩侯、南安的小冰雹，閩南的大風(fēng)和零散的短時(shí)強(qiáng)降水，為對(duì)流爆發(fā)階段。下文將從中尺度物理量角度分析此次對(duì)流的兩個(gè)階段。

(a)14時(shí)地面加密分析圖 (b)14時(shí)氣溫≥30℃的自動(dòng)氣象站分布圖(實(shí)線為偏東風(fēng)輻合線)

5 中尺度診斷分析

5.1 第一階段

5.1.1 穩(wěn)定度條件

CAPE和K指數(shù)能反映大氣層結(jié)的穩(wěn)定情況，是判斷對(duì)流性天氣穩(wěn)定度的重要指標(biāo)[12]。分析22日20時(shí)和22日08時(shí)分布可以看出，22日夜里，福建西部有一個(gè)達(dá)1000以上的CAPE大值區(qū)，說明三明地區(qū)此時(shí)具備一定的不穩(wěn)定能量(圖4)。而08時(shí)該地區(qū)CAPE值急劇下降，CAPE大值區(qū)向東(福州西部)、向南(閩南)擴(kuò)散，前者與凌晨對(duì)流天氣發(fā)生的能量釋放有關(guān)，后者則為第二階段的對(duì)流發(fā)生積蓄能量。22日凌晨，三明西部和南平K指數(shù)達(dá)34以上，為三明西的風(fēng)雹天氣提供能量。

圖4 2019年4月22日02時(shí)福建省CAPE分布圖

5.1.2 動(dòng)力條件

21日夜里，沿著福建西部自西向東進(jìn)行散度垂直剖面(圖5)，三明寧化(紅色三角)附近在200hPa有輻散中心，400hPa和近地面層為輻合中心，850～500hPa則處于輻散中心，自下而上(近地面-200hPa)分別為輻合-輻散-輻合-輻散，為雷暴大風(fēng)的發(fā)生提供有力的耦合作用。

注：剖向如圖右上角所示，紅色三角為三明寧化地區(qū)

5.1.3 水汽條件

水汽含量和分布可直接影響強(qiáng)對(duì)流天氣的類型，大氣中水汽的多少、傳輸特點(diǎn)及其聚集度是決定對(duì)流降水大小的重要因子[13]。分析21日夜里850hPa溫度露點(diǎn)差(t-td)和水汽含量(Q)，全省t-td<4℃，Q>13g/kg，說明發(fā)生對(duì)流的低層水汽條件良好。21日20時(shí)，福建全省水汽通量散度均為負(fù)值(圖略)，可見整個(gè)福建均為水汽通量輻合區(qū)，水汽輸送中心在福建中南部，由于整層南風(fēng)風(fēng)力不大于10～12m/s，所以水汽并不能大范圍高強(qiáng)度地聚集。

綜上，21日夜里，福建西部具有較好的上升條件和不穩(wěn)定能量，尤其是三明附近有利于產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的耦合條件，由于南風(fēng)風(fēng)力不大，造成降水強(qiáng)度不大。

5.2 第二階段

5.2.1 不穩(wěn)定條件

500hPa～850hPa假相當(dāng)位溫(Δθse58)時(shí)表示穩(wěn)定度的物理量，不穩(wěn)定區(qū)北側(cè)均遵從一條東西向強(qiáng)Δθse58鋒區(qū)，南北5個(gè)緯度Δθse差值>15K以上，即可能有冰雹發(fā)生[6]。分析22日14時(shí)Δθse58分布圖(圖6a)，華南-浙江存在一條東北-西南向的不穩(wěn)定區(qū)，不穩(wěn)定中心位于閩南-粵東，達(dá)-18K，福建沿海一帶尤其是閩南處于強(qiáng)不穩(wěn)定區(qū)，第二階段的對(duì)流可能以風(fēng)雹為主。

5.2.2 能量條件

22日白天，地面倒槽的能量積蓄，福建全省CAPE和K值在午后達(dá)到了最強(qiáng)盛的時(shí)候，尤其是中南部和東部沿海CAPE值達(dá)2000以上，對(duì)應(yīng)了午后大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的區(qū)域；全省K值均達(dá)35以上，熱力不穩(wěn)定發(fā)展旺盛，福州西部、泉州南部等強(qiáng)天氣發(fā)生區(qū)與K≥37℃的區(qū)域基本吻合。

觀察850hPa和500hPa的溫度差(ΔT85)同樣可以發(fā)現(xiàn)，08時(shí)全省ΔT85為23～25℃，14時(shí)全省ΔT85>24℃，且內(nèi)陸、南部沿海有兩個(gè)ΔT85>25℃的中心，17時(shí)沿海ΔT85>25℃(圖略)。根據(jù)福建省強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)(ΔT85>23℃即可發(fā)生對(duì)流、ΔT85>25℃時(shí)可發(fā)生風(fēng)雹),但此次過程ΔT85>25℃的范圍和量級(jí)相對(duì)較弱，所以對(duì)流以小冰雹為主。

假相當(dāng)位溫θse是同時(shí)表征溫度和濕度的參數(shù)，θse值的高低和疏密程度可確定其能量鋒區(qū)的位置[14]。22日白天850hPa θse在東部沿海也有一個(gè)明顯的、具有一定斜壓性的溫度鋒區(qū)，不僅有利于抬升作用，同時(shí)是沿海地區(qū)具有較強(qiáng)不穩(wěn)定條件的又一有力證據(jù)。

5.2.3 水汽條件

22日早晨福建整層處于水汽通量輻合區(qū)，輻合中心位于中北部沿海的福州、寧德等地。08時(shí)，福建中南部500hPa溫度露點(diǎn)差(t-td)≥16℃，泉州南部和廈門地區(qū)為更明顯的干區(qū)(t-td)≥20℃：在整層上干下濕的環(huán)境條件下，中層明顯的干區(qū)，是造成大風(fēng)天氣的重要征兆。

22日白天850hPa溫度露點(diǎn)差(t-td)逐漸減小、水汽含量Q在沿海和南部明顯加大，14時(shí)全省t-td≤3℃、Q≥12g/kg，沿海和南部地區(qū)Q≥14g/kg(圖6b)，水汽條件更有利于對(duì)流在沿海和南部地區(qū)發(fā)展。

(a)Δθse58分布圖 (b)水汽(Q)分布圖

5.2.4 動(dòng)力條件

22日08時(shí)，福建高層(200hPa)有較好的輻散條件，500hPa南支槽自湘南-粵北東移影響福建中南部，500hPa上升速度中心也在福建中南部、最強(qiáng)上升速度達(dá)16 (10-1Pa/s )，為福建中南部創(chuàng)造良好的抬升條件。

沿著沿海強(qiáng)天氣發(fā)生區(qū)做散度垂直剖面，并選取四個(gè)坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)平和(117.02°E，24.26°N)、廈門(118.12°E，24.46°N)、南安(118.32°E，25.16°N)、永泰(119.18°E，25.88°N)等強(qiáng)對(duì)流發(fā)生區(qū)，如圖7所示。結(jié)合散度剖面圖和福建地形，南安和永泰附近由于山脈的地形作用，低層可抬升到850～700hPa左右，自700～200hPa自低層到高層的散度形勢(shì)為：輻合-輻散-輻合-輻散；平和和廈門近地面-200hPa散度形勢(shì)同樣如此。可見，午后福建沿海整層的抬升條件有利于產(chǎn)生風(fēng)雹天氣。

注:剖向如圖左上角所示，紅色圖形標(biāo)識(shí)自左向右分別為漳州平和、廈門、泉州南安和福州永泰

綜上，22日Δθse58在福建沿海一帶尤其是閩南有極大值，說明該地區(qū)處于強(qiáng)不穩(wěn)定區(qū)；同時(shí)，地面-200hPa散度形成低層輻合、高層輻散的抬升條件，預(yù)示并觸發(fā)風(fēng)雹型對(duì)流天氣的發(fā)生。福建中南部地面暖區(qū)升溫明顯，南北風(fēng)輻合區(qū)發(fā)生，中南部、沿海地區(qū)午后不穩(wěn)定能量強(qiáng)盛，是22日午后強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的基礎(chǔ)。中層明顯的干區(qū)，是造成午后雷暴大風(fēng)的主要因素。水汽在沿海聚集，尤其是寧德西部地區(qū)水汽條件最為有利，是該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的基礎(chǔ)。

6 雷達(dá)資料分析

針對(duì)這樣的強(qiáng)對(duì)流天氣，由于傳統(tǒng)探測(cè)資料的局限，短期天氣預(yù)報(bào)往往不能起到非常好的預(yù)警作用。隨著探測(cè)手段的發(fā)展，日常預(yù)報(bào)服務(wù)中，預(yù)報(bào)員傾向于利用多普勒雷達(dá)等非常規(guī)雷達(dá)探測(cè)資料來彌補(bǔ)缺陷。本文同樣從此次過程的兩個(gè)階段入手，利用多普勒雷達(dá)回波資料來分析其差異。

在第一階段，選取4月22日06∶00三明雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品和最可能降雹粒子的風(fēng)暴追蹤信息(圖8a)，可以發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)反射率因子強(qiáng)度(MAXIMUM REFLECTIVITY)達(dá)60dBz的強(qiáng)度維持了近一個(gè)小時(shí)(5∶00～6∶00)，5∶30左右最強(qiáng)反射率因子高度(DBZM HT)達(dá)5km左右，超過0℃層高度；大冰雹指數(shù)(POSH)達(dá)100%，但只維持一個(gè)體掃，說明有小冰雹；整層可降水量(CELL BASED VIL)較小，所以沒有明顯強(qiáng)降水。

在第二階段，分析雷達(dá)回波速度場(chǎng)資料(圖8b)可以發(fā)現(xiàn)，17時(shí)～19時(shí)，三個(gè)仰角的速度場(chǎng)都有強(qiáng)速度回波東移，速度達(dá)-27m/s，對(duì)應(yīng)大風(fēng)自漳州南部東移北抬至廈門-泉州南部；18∶16時(shí)05°仰角的雷達(dá)回波出現(xiàn)速度模糊現(xiàn)象，最大速度達(dá)-30m/s，此時(shí)對(duì)應(yīng)地面大風(fēng)達(dá)23.8m/s；然而地面最強(qiáng)風(fēng)速出現(xiàn)在18∶45，說明雷達(dá)回波對(duì)短時(shí)臨近強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)有一定的預(yù)測(cè)性。

而從14:59福州永泰降雹胚子分析圖(圖略)也可以很容易看出，其最強(qiáng)反射率因子高度超過5km，大冰雹指數(shù)達(dá)100%也維持了一個(gè)體掃，強(qiáng)反射率因子達(dá)55dBz也維持了1h以上，且整層可降水量最高達(dá)60kg/m2以上，說明永泰地區(qū)不僅會(huì)有小冰雹發(fā)生，還會(huì)有短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的可能，與實(shí)況對(duì)應(yīng)良好。

綜上，雷達(dá)回波資料如多普勒速度圖等對(duì)強(qiáng)天氣的發(fā)生有一定的指示作用，可用于臨近預(yù)警服務(wù)中；風(fēng)暴追蹤等產(chǎn)品可以很好指示冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)天氣的發(fā)生，可用于實(shí)況確認(rèn)和過程分析等。

(a)6∶00三明雷達(dá)風(fēng)暴追蹤圖 (b)18∶16長(zhǎng)樂雷達(dá)基本速度圖(紅圈為速度模糊區(qū))

7 結(jié)論

通過對(duì)2019年4月22日強(qiáng)對(duì)流過程的分析，可以得出此次強(qiáng)對(duì)流過程的特征及其形成原因：

①冷槽帶來兩路冷空氣分別影響福建西東部，地面回暖加劇東部對(duì)流。

②散度等物理量條件也為此次對(duì)流過程的發(fā)生發(fā)展提供一定的支撐。高層輻散低層輻合的散度形勢(shì)，輻散區(qū)和中層上升速度中心重合在福建中南部，為對(duì)流創(chuàng)造良好的抬升條件。CAPE和K值自21日夜里開始積蓄，22日午后最強(qiáng)盛，為對(duì)流在凌晨發(fā)生和午后再次發(fā)展提供能量。溫度露點(diǎn)差偏低、整層含水量持續(xù)較多和持續(xù)的水汽通量輻合為對(duì)流發(fā)生提供良好的水汽條件。

③溫度、濕度和能量等物理量的分布不均等造成了此次對(duì)流的局地性特征。南風(fēng)風(fēng)力不大，造成21日夜里對(duì)流降水強(qiáng)度不大；閩南地區(qū)的中層明顯干區(qū)，是其午后雷暴大風(fēng)形成的主要原因；局地的輻散低層輻合形勢(shì)，Δθse85極值分布在閩東南，且其在沿海地區(qū)明顯的、具有一定斜壓性的鋒區(qū)，觸發(fā)了這些地區(qū)風(fēng)雹類強(qiáng)天氣的發(fā)生；水汽在沿海、尤其是寧德西部地區(qū)聚集，是該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的基礎(chǔ)。

雷達(dá)回波產(chǎn)品中，多普勒雷達(dá)速度圖對(duì)強(qiáng)天氣的發(fā)生有一定的指示作用，可用于臨近預(yù)警服務(wù)中；風(fēng)暴追蹤等產(chǎn)品可以很好地指示冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)天氣的發(fā)生，可用于實(shí)況確認(rèn)和過程分析等。