趙蕾 郝麗清 陳亮

(1海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海南海口 570203;2海南省氣象服務(wù)中心海南?？?570203;3海南省氣象臺(tái)海南?？?570203)

春夏之際是海南省強(qiáng)對(duì)流天氣高發(fā)期，颮線是強(qiáng)對(duì)流天氣重要的中尺度影響系統(tǒng)之一，往往伴隨局地暴雨、短時(shí)大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣，颮線引發(fā)的強(qiáng)對(duì)流天氣尺度小，很難捕捉，由于破壞性強(qiáng)，其導(dǎo)致的災(zāi)害僅次于臺(tái)風(fēng)和洪澇，因此颮線的研究一直是廣大氣象工作者關(guān)注的重點(diǎn)之一。有些學(xué)者或?qū)＜一诮y(tǒng)計(jì)分析建立颮線天氣學(xué)概念模型，如丁一匯等［1］指出，中國颮線發(fā)生的大尺度環(huán)境分成4類，即槽前型、槽后型、高壓后部型、臺(tái)風(fēng)倒槽型或東風(fēng)波型。嚴(yán)紅梅等［2］對(duì)金華地區(qū)一次副熱帶高壓控制下強(qiáng)對(duì)流天氣過程的診斷分析發(fā)現(xiàn)，盛夏季節(jié)里，前期在不斷加強(qiáng)西伸的副熱帶高壓作用下，水汽和不穩(wěn)定能量積聚到一定程度，當(dāng)?shù)蛯虞椇蠗l件較好時(shí)，也會(huì)發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。覃靖等［3］探討了地面冷空氣和低空急流配置下的颮線過程；陳思毅等［4］分析了一次高空槽配合地面輻合線的暖區(qū)颮線過程；李影虹等［5］分析了高空槽和低空急流配置下的颮線大風(fēng)過程。研究發(fā)現(xiàn)，地面中尺度輻合線與對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系非常密切，對(duì)局地強(qiáng)對(duì)流具有觸發(fā)、組織和增強(qiáng)作用［6-7］。颮線的強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是冷池與低層環(huán)境垂直風(fēng)切變相互作用的結(jié)果，得到了廣泛認(rèn)可［8-9］。隨著觀測手段的多樣化，針對(duì)颮線發(fā)生時(shí)的中尺度和雷達(dá)回波特征［10-14］、颮線形成的機(jī)制［15-16］及其產(chǎn)生強(qiáng)天氣的成因［17-19］成為了關(guān)注重點(diǎn)。

雖然前人對(duì)颮線研究比較深入，但是颮線的發(fā)展是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，其形成過程受多種因素影響，由于海南島獨(dú)特的地形、海陸熱力差異及大尺度系統(tǒng)強(qiáng)迫的共同作用，對(duì)這種中小尺度系統(tǒng)的生消過程難以把握，導(dǎo)致模式對(duì)該過程漏報(bào)。本文利用常規(guī)高空地面資料、海口多普勒雷達(dá)產(chǎn)品資料等，分析了此次颮線天氣過程的環(huán)境場特征及回波特征，為今后海南強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測和預(yù)警提供參考。海南是農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害發(fā)生頻率高、危害嚴(yán)重的地區(qū)，颮線等強(qiáng)對(duì)流天氣破壞性強(qiáng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅，導(dǎo)致農(nóng)作物受災(zāi)，對(duì)海南經(jīng)濟(jì)造成一定損失。因此，要關(guān)注颮線等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生和演變，為今后開展海南農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供參考。

1 天氣實(shí)況

2020年4月22日早晨在廣西中部到北部灣北部海面有對(duì)流云團(tuán)活動(dòng)，其東移過程中雷州半島颮線發(fā)生，兩條颮線之間的對(duì)流單體經(jīng)過北部灣海面移到海南島西北部內(nèi)陸時(shí)，產(chǎn)生陣風(fēng)鋒，激發(fā)了位于海南島西北部地區(qū)附近地面的輻合線原有分散對(duì)流回波的進(jìn)一步組織化發(fā)展，并于當(dāng)日下午與雷州半島颮線合并成東北—西南走向的颮線回波帶（弓形回波），自西向東移過海南島；移動(dòng)過程中給海南島北半部地區(qū)帶來大范圍雷暴大風(fēng)和局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣。2020年04月22日15時(shí)01分至20時(shí)00分，3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了大于10級(jí)的陣風(fēng)，41個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了大于8級(jí)的陣風(fēng)，其中最大陣風(fēng)16：50出現(xiàn)在新海港，為29.2 m/s（11級(jí)）（圖1-A），平均風(fēng)為8～9級(jí)，陣風(fēng)10～11級(jí)，持續(xù)時(shí)間約30 min。海南島降水主要出現(xiàn)在午后15—20時(shí)，降水量總體強(qiáng)度不強(qiáng)，呈現(xiàn)局地性特征（圖1-B），最大降水量出現(xiàn)在白沙南開鄉(xiāng)政府，為118 mm，降水主要分布在海南島西北和中部山區(qū)。

2 大尺度背景場

強(qiáng)對(duì)流天氣一般發(fā)生在有利的環(huán)境條件下，前期副熱帶高壓穩(wěn)定，在中國華南地區(qū)少有發(fā)生。在穩(wěn)定的反氣旋性環(huán)流控制下，海南島持續(xù)晴熱天氣，2020年4月22日08時(shí)（北京時(shí)，下同）環(huán)境背景場綜合分析（圖略）。500 hPa歐亞中高緯為兩槽一脊，東北冷渦緩慢東移，其后部橫槽東移南下，槽底在30°N附近，南支槽較為平直，帶狀副熱帶高壓控制華南沿海及南海海域，長江以南至海南島為緯向西風(fēng)；200～700 hPa華南北部地區(qū)有偏西急流，850 hPa華南地區(qū)有東西向切變線，西段位于廣西中部，東段位于廣東北部，切變線南側(cè)有西南急流，最大風(fēng)速達(dá)16 m/s，將水汽源源不斷地從孟加拉灣向廣西輸送；海南島吹反氣旋式偏南風(fēng)，925 hPa切變線位于廣西南部至廣東中部地區(qū)，1 000 hPa切變線已南壓到北部灣一帶；海南島由于受東南氣流影響，高空急流配合中低層的切變，形成低層輻合、高層輻散的高低空配置。地面準(zhǔn)靜止鋒位于北海附近，長約500 km，此次颮線過程發(fā)生在副熱帶高壓北側(cè)邊緣、低層切變和地面準(zhǔn)靜止鋒南側(cè)暖區(qū)內(nèi)。

圖1 2020年4月22日14-20時(shí)極大風(fēng)和降水量分布

3 中尺度環(huán)境條件

3.1 物理參數(shù)特征

為研究颮線形成原因，對(duì)?？诃h(huán)境條件進(jìn)行綜合分析。由于風(fēng)暴的形成很大程度取決于層結(jié)不穩(wěn)定度、垂直風(fēng)切變情況和水汽等因素。

從熱力條件上看，由于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生在午后，根據(jù)14時(shí)的?？诘孛鏆鉁睾吐饵c(diǎn)溫度對(duì)08時(shí)的?？谔娇諗?shù)據(jù)進(jìn)行訂正，訂正后的對(duì)流有效位能為2 500 J/kg，表明其具備一定的不穩(wěn)定能量；K指數(shù)為33.9，Si指數(shù)為-4.21，表明中尺度環(huán)境場處于強(qiáng)的不穩(wěn)定狀態(tài)。850 hPa比濕為14 g/kg，925 hpa比濕為12 g/kg，大氣可降水量平均在40 mm，說明水汽條件較好；另外，抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度都較低，有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。從動(dòng)力條件上看，0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)到15 m/s時(shí)，屬于中等偏強(qiáng)的量級(jí)，有利于颮線在東移過程中組織化發(fā)展并長時(shí)間維持；850 hPa以下受南到東南氣流的控制，中高層為西南風(fēng)，風(fēng)速順轉(zhuǎn)有利于強(qiáng)風(fēng)暴的生成。本次颮線發(fā)生在暖區(qū)，水汽條件充沛，垂直風(fēng)切變較強(qiáng)。

2016年4月22日16時(shí)900 hPa及700 hPa溫度場和相對(duì)濕度疊加場見圖2。900 hPa整個(gè)華南區(qū)域處于高濕區(qū)域，兩廣地區(qū)與海南島西北部陸地區(qū)溫度梯度較大，有利于海南島西北部輻合線的發(fā)展；此外，在雷州半島和廣西中部、北部灣北部相對(duì)濕度在20%左右，說明有干侵入（圖2-A）。由圖2-B可知，華南地區(qū)濕度較小，而江淮、長江中下游地區(qū)濕度梯度較大。華南地區(qū)整層沒有明顯的冷空氣，低層有干侵入。

環(huán)境分析場表明，颮線是在有利的熱力條件、動(dòng)力條件、水汽條件和層結(jié)條件下迅速發(fā)展的。

3.2 中尺度觸發(fā)機(jī)制

通過以上分析可知，海南島上空大氣儲(chǔ)備了較高的能量和不穩(wěn)定層結(jié)，是產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流的內(nèi)因，還需要外因作為觸發(fā)條件。在有利的大尺度環(huán)流背景下，強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展及減弱主要取決于低層觸發(fā)機(jī)制。對(duì)流初生階段由于海陸熱力差異，15：30分左右在海南島西北部地區(qū)存在一條由偏北風(fēng)和東南風(fēng)形成的輻合線；16：00輻合線北側(cè)偏北風(fēng)量逐漸增大（圖3），平均風(fēng)力增大至6～8 m/s，輻合線附近溫度為34～36℃，露點(diǎn)溫度為22～25℃，為暖濕邊界層輻合線提供有利熱力條件；為使颮線進(jìn)一步發(fā)展，在地面輻合線發(fā)展期間，其附近溫度露點(diǎn)梯度不斷加大，16：30輻合線北段形成颮線，雷達(dá)回波圖顯示，颮線形態(tài)與地面輻合線走向一致，并緩慢東移；17：00可看到颮線后側(cè)出現(xiàn)了大風(fēng)天氣，輻合線附近不斷有新的對(duì)流單體觸發(fā)，輻合線為颮線提供了有利動(dòng)力觸發(fā)條件，低層輻合上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，導(dǎo)致了強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生?？梢娭谐叨鹊孛孑椇暇€的形成為強(qiáng)對(duì)流天氣爆發(fā)提供了非常有利的抬升觸發(fā)機(jī)制。

圖2 2016年6月5日16時(shí)900 hPa（A）、700 hPa（B）溫度和相對(duì)濕度疊加場

圖3 2020年4月22日15：30和16：00時(shí)加密自動(dòng)站

4 雷達(dá)回波特征分析

BLUSTEIN等［20］將颮線的生成方式大致分成4種類型，即不連續(xù)線發(fā)展型、后部新生型、不連續(xù)面發(fā)展型和隱含對(duì)流云區(qū)發(fā)展型。此次颮線過程如下：對(duì)流單體在經(jīng)過北部灣海面移到海南島西北部內(nèi)陸時(shí)，產(chǎn)生陣風(fēng)鋒，激發(fā)了位于海南島西北部地區(qū)附近的地面輻合線原有分散對(duì)流回波的進(jìn)一步組織化發(fā)展，屬于不連續(xù)面發(fā)展型。

通過早晨衛(wèi)星云圖（圖略）可知，對(duì)流最初起源于廣西中部到北部灣北部，向偏東方向移動(dòng)，移動(dòng)過程中雷州半島的颮線在逐漸發(fā)展，15：00颮線的前沿接近海南島西北沿海地區(qū)。15：30可看到北部灣海面和雷州半島已有兩條平行的颮線，東移過程中雷州半島颮線維持；北部灣海面的颮線在東移過程中結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度逐漸減弱，兩條颮線之間夾著多個(gè)對(duì)流單體，此時(shí)雷達(dá)探測到中雷州半島南端的對(duì)流單體前面約8 km處有弧形的窄帶回波即陣風(fēng)鋒出流，強(qiáng)度在20 dBz左右，距離海南島西北內(nèi)陸的多單體約20 km，移速較快；與此同時(shí)，在海南島西北部內(nèi)陸地區(qū)，由于午后熱力對(duì)流形成輻合線，在其附近有多個(gè)孤立對(duì)流單體生成。對(duì)比同一時(shí)次的基本徑向速度與地面氣溫疊加情況（圖4）可知，颮線前期有明顯的后側(cè)入流急流，陣風(fēng)鋒在后側(cè)入流急流的作用下向東南方向移動(dòng)；16：00左右（陣風(fēng)鋒）與海南島西北內(nèi)陸的對(duì)流單體匯合，并激發(fā)了原有對(duì)流單體的組織化發(fā)展，此時(shí)后側(cè)入流急流與環(huán)境風(fēng)前側(cè)偏南暖濕氣流輻合抬升，不斷激發(fā)中尺度輻合線附近的對(duì)流單體；16：30對(duì)流單體組織化發(fā)展成為強(qiáng)的線狀回波帶，并與雷州半島的颮線合并發(fā)展成為強(qiáng)的線狀回波帶，前邊界清晰，此時(shí)颮線表現(xiàn)出較強(qiáng)的前導(dǎo)對(duì)流線和寬廣的尾隨層狀云形態(tài)，颮線強(qiáng)回波與變溫梯度大值區(qū)對(duì)應(yīng)，線狀特征最顯著；16：30前，雷西海面出現(xiàn)冷池，冷池中心氣溫為18℃，冷池前方邊緣（陣風(fēng)鋒）等溫線密集帶與海南島西北內(nèi)陸地區(qū)（氣溫達(dá)32℃）形成了極大的水平溫度梯度，密度流強(qiáng)，這正是颮線產(chǎn)生極大風(fēng)的重要原因。冷池觸發(fā)其前沿空氣和新對(duì)流單體，17：30合并的颮線在東移過程中，遇五指山斷裂，分成南北兩段，南段不斷分裂新的對(duì)流單體，脫離颮線，并逐漸減弱；北段颮線向南延伸，冷池強(qiáng)度逐漸減弱，但范圍稍有擴(kuò)大，且位置也隨系統(tǒng)略向東南方向移動(dòng)?？偟膩碚f，颮線與冷池移動(dòng)方向一致，朝東南方向移動(dòng)；颮線直到20：00才移出海南島，其形態(tài)保持不變，但強(qiáng)度在逐漸減弱；該颮線在海南陸地上具有生命史長、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，使得其沿途所經(jīng)的地區(qū)產(chǎn)生了大風(fēng)天氣。

圖4 不同時(shí)次0.5°仰角反射率因子與地面溫度和0.5°仰角基本徑向速度與地面溫度

此過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)是颮線移動(dòng)方向，其移動(dòng)方向和移動(dòng)速度等于平均云層風(fēng)矢和風(fēng)暴傳播矢之和，風(fēng)暴傳播即相對(duì)風(fēng)暴的新生單體。參考前人研究結(jié)果可知，平均風(fēng)云層風(fēng)矢（引導(dǎo)氣流）為西南風(fēng)，低空急流為風(fēng)暴傳播風(fēng)矢，為偏北風(fēng)，二者合成對(duì)流系統(tǒng)（颮線）的移動(dòng)方向，為東南風(fēng)；引導(dǎo)氣流方向與颮線系統(tǒng)移動(dòng)方向相差近90°，給短臨預(yù)報(bào)造成困難，在今后的短臨預(yù)報(bào)預(yù)警中對(duì)類似問題應(yīng)引起重視。

5 局地大風(fēng)產(chǎn)生的原因

5.1 地面自動(dòng)站要素分析

新海港在颮線過境時(shí)和過境后分別出現(xiàn)了陣風(fēng)為28 m/s（11級(jí)）和29.2 m/s（11級(jí)）的大風(fēng)天氣，分析其產(chǎn)生的可能原因如下：15：00—16：30降溫幅度較小，為2℃，風(fēng)向由偏南風(fēng)順轉(zhuǎn)躍變到偏西風(fēng)，風(fēng)速增加到13.7 m/s；16：30—16：40風(fēng)向由偏西風(fēng)順轉(zhuǎn)到偏北風(fēng)，風(fēng)速增加到24 m/s；16：40左右颮線過境，溫度急劇下降，下降了4.5℃，降溫幅度明顯；隨著氣溫下降，大氣接近飽和，同時(shí)風(fēng)向轉(zhuǎn)變，輻合增強(qiáng)，產(chǎn)生降水，這說明先有冷池降溫，然后才產(chǎn)生降水。隨著降溫幅度遞減，降水增大，颮線過境帶來的冷池降溫和風(fēng)向輻合是產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的原因。結(jié)合新海港自動(dòng)站10 min的極大風(fēng)（圖5）與5 min雨量（圖略）發(fā)現(xiàn)，雨量與極大風(fēng)速有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，16：30—16：45降水由0.4 mm增大到9.2 mm，呈正相關(guān)，雨量增大的同時(shí)風(fēng)速也開始增大，降水的拖曳作用產(chǎn)生了局地大風(fēng)；16：48左右颮線主體移過新海港，16：50出現(xiàn)最大陣風(fēng)29.2 m/s，說明此次大風(fēng)主要發(fā)生在颮線過境時(shí)及颮線后側(cè)區(qū)域；18：00颮線逐漸遠(yuǎn)離該站，風(fēng)速迅速減小，且風(fēng)向由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。單站自動(dòng)站分析表明，颮線經(jīng)過時(shí)，氣象要素出現(xiàn)了風(fēng)向突變、溫度陡降等變化，過境之后又迅速恢復(fù)平穩(wěn)，這是一次非常典型的颮線過程。

圖5 新海港自動(dòng)站要素變化時(shí)序圖

5.2 颮線系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)特征

海口新海港大風(fēng)主要集中在16：40—17：10，平均風(fēng)持續(xù)8～9級(jí)，陣風(fēng)10—11級(jí)，持續(xù)時(shí)間較長。通過颮線垂直結(jié)構(gòu)分析產(chǎn)生的可能原因：沿新海港所在緯度20°做緯向風(fēng)和垂直速度剖面，14時(shí)，新海港上空110°及其以西，垂直速度呈上升運(yùn)動(dòng)，大值區(qū)位于800 hPa附近，且垂直速度軸向西傾斜，即向后傾斜，這種傾斜說明垂直風(fēng)切變較大，有利于風(fēng)暴內(nèi)上升和下沉氣流的長期并存，同時(shí)有利于風(fēng)暴的維持。110°以東，沿垂直速度軸下沉，16時(shí)110°及其以西垂直速度由上升運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為下降（圖6），且垂直速度大值區(qū)下降至950 hpa附近；17時(shí)110°附近垂直速度仍持續(xù)下沉。據(jù)自動(dòng)降雨量實(shí)況，新海港降水集中在下午16：30—17：00，其中16：45時(shí)降水量最大為9.2 mm，通過?？诘碾p偏正雷達(dá)降水識(shí)別可知其屬于大降水粒子，大降水粒子的拖曳下沉作用可能是造成?？谛潞８鄞箫L(fēng)的成因之一；另外，16：00—17：00，110°附近持續(xù)的垂直速度下沉運(yùn)動(dòng)，將高空垂直速度大值向下輸送可能是造成持續(xù)性局地大風(fēng)的原因之一。

圖6 2020年4月22日14：00和16：00沿20°做緯向風(fēng)和垂直速度剖面圖

6 結(jié)論

本研究對(duì)2020年4月22日發(fā)生在海南島的一次颮線過程的環(huán)境條件和回波特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，獲得主要結(jié)論如下：

（1）本次颮線氣發(fā)生在副熱帶高壓北側(cè)邊緣，地面準(zhǔn)靜止鋒南側(cè)暖區(qū)內(nèi)整層大氣較濕，沒有明顯的冷空氣，高層有急流，低層有切變；高低空急流配置形成低層輻合，高層輻散，提供有力的動(dòng)力不穩(wěn)定條件，地面中尺度輻合線為強(qiáng)對(duì)流天氣爆發(fā)提供了非常有利的觸發(fā)抬升機(jī)制。

（2）颮線前期有明顯的后側(cè)入流急流，陣風(fēng)鋒在后側(cè)入流急流的作用下向東南方向移動(dòng)，并激發(fā)了原有對(duì)流單體的組織化發(fā)展。

（3）雷西海面出現(xiàn)冷池，與海南島西北內(nèi)陸地區(qū)形成了極大的水平溫度梯度，密度流強(qiáng)，這正是颮線產(chǎn)生極大風(fēng)的重要原因。

（4）颮線與冷池移動(dòng)方向一致，朝東南方向移動(dòng)。參考前人研究結(jié)果可知，平均風(fēng)云層風(fēng)矢（引導(dǎo)氣流）為西南風(fēng)；低空急流為風(fēng)暴傳播風(fēng)矢，為偏北風(fēng)，二者合成對(duì)流系統(tǒng)（颮線）的移動(dòng)方向，為東南風(fēng)，引導(dǎo)氣流方向與颮線系統(tǒng)移動(dòng)方向相差近90°。

（5）水汽條件較好，抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度都較低，有利于強(qiáng)降水發(fā)生；0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)到15 m/s，屬于中等偏強(qiáng)的量級(jí)，有利于颮線在東移過程中組織化發(fā)展并長時(shí)間維持，風(fēng)速順轉(zhuǎn)有利于強(qiáng)風(fēng)暴的生成。

（6）颮線過境帶來的冷池降溫和風(fēng)向輻合是產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水的原因；另外，雨量和極大風(fēng)速有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，呈正相關(guān)，雨量增大的同時(shí)風(fēng)速也開始增大，降水的拖曳作用產(chǎn)生了局地大風(fēng)。

（7）沿單站新海港所在緯度做緯向風(fēng)和垂直速度剖面圖，可看到垂直速度軸向西傾斜，這種傾斜說明垂直風(fēng)切變較大，有利于風(fēng)暴內(nèi)上升和下沉氣流長期并存，有利于風(fēng)暴的維持。風(fēng)暴接地前，垂直速度大值區(qū)持續(xù)向下輸送可能是造成持續(xù)性局地大風(fēng)的原因之一。