劉瑾 許向春

（1 海南省三亞市氣象局，三亞 572000；2 海南省氣象局，?？?570203；3 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?570203）

0 引言

近幾年，隨著我國新一代雷達(dá)觀測站的建設(shè)和業(yè)務(wù)化運行，預(yù)報員通過運用雷達(dá)，跟蹤強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展，極大地提高了強(qiáng)對流天氣的短時臨近預(yù)警能力。觸發(fā)機(jī)制是研究強(qiáng)對流天氣的關(guān)鍵問題，在天氣尺度影響系統(tǒng)具備的條件下，地面中尺度輻合線的產(chǎn)生、發(fā)展以及強(qiáng)度對強(qiáng)對流天氣的發(fā)生時段、落區(qū)有很好的指示性。沈杭鋒等對一次颮線過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出雷暴出流與局地輻合線相遇，加劇了對流的爆發(fā)。海陸風(fēng)環(huán)流是沿海城市最突出的中尺度特征之一。何群英等對一次局地暴雨過程進(jìn)行分析，指出天氣尺度的積云對流與海風(fēng)鋒的碰撞觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，是引發(fā)前期強(qiáng)降水的關(guān)鍵。

春季（3—5月）是冷季向暖季過渡的季節(jié)，冷空氣勢力有所減弱，冷空氣與南海逐漸增強(qiáng)的暖濕氣流，導(dǎo)致常交綏在海南島上空，頻繁造成強(qiáng)對流天氣，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的威脅，成為天氣預(yù)報業(yè)務(wù)工作的重點和難點。本文選取2019年5月9日發(fā)生在三亞的一次雷雨大風(fēng)天氣過程，利用多種資料進(jìn)行天氣學(xué)分析，以期尋找出這類強(qiáng)對流天氣成因，強(qiáng)化預(yù)報員對這類天氣的認(rèn)識，提高強(qiáng)對流天氣的監(jiān)測及預(yù)報預(yù)警能力。

1 天氣實況與所用資料

1.1 資料

本文所用的資料包括NCEP 1°×1°再分析數(shù)據(jù)、GFS模式預(yù)報數(shù)據(jù)，常規(guī)高空地面觀測數(shù)據(jù)，多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，以及海南島自動站觀測資料。

1.2 天氣實況

2019年5月9日，受強(qiáng)對流天氣影響，三亞市由南部近海到內(nèi)陸、由西部到東部先后出現(xiàn)雷雨大風(fēng)天氣，影響時段大致為11—14時。11：30前后，三亞市西部崖州區(qū)出現(xiàn)6級大風(fēng)，之后西部南濱實驗站站點風(fēng)力在11：54增大到7級，整個過程自西向東有4個站點極大風(fēng)速達(dá)到7級（圖1a），其中吉陽東站高速站點極大風(fēng)最大，達(dá)16.6 m/s，出現(xiàn)時間為12：50。各單站出現(xiàn)7級大風(fēng)的具體情況見表1。

表1 三亞市極大風(fēng)速達(dá)到7級的站點及出現(xiàn)時間Table 1 Sites and occurrence time of maximum wind speed exceeding grade 7 in Sanya

這次過程還在三亞北部山區(qū)和東北部陸地出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水。08—17時，三亞市中部和東北地區(qū)出現(xiàn)中到大雨，有一個站點出現(xiàn)暴雨（圖1b），其中小時雨強(qiáng)達(dá)到20 mm/h的站點有8個。

圖1 2019年5月9日08—17時三亞市極大風(fēng)（a，單位：m/s）和累計降水（b，單位：mm）（①—④為出現(xiàn)7級大風(fēng)的次序）Fig.1 Extreme gale (a,unit:m/s) and precipitation (b,unit:mm) in Sanya from 08:00 BT to 17:00 BT on 9 May 2019(①-④ means the sequence of strong wind with level 7)

2 成因分析

2.1 環(huán)流背景和大氣層結(jié)

2019年5月9日08時，海南島位于200 hPa急流軸右后方，其西南部海面受高層輻散氣流控制（圖2a）；500 hPa西太平洋高壓較弱，由甘肅東部引導(dǎo)一槽，延伸至廣西—北部灣一帶，海南島北部受西北干冷空氣影響；850 hPa切變線位于廣東沿海地區(qū)，海南島位于切變線南部暖區(qū)；伴有水汽通量輔合；925 hPa切變線位于海南島西部海域至中部陸地一帶（圖2b），低層925 hPa強(qiáng)輻合位于海南島西南部，與高層200 hPa輻散區(qū)域位置對應(yīng)一致，有較好的動力抬升條件，切變線附近溫度密集帶，西南暖濕氣流為本次過程提供充足的水汽和能量輸送，與高層干冷西北氣流配合使大氣處于條件不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 （a）2019年5月9日08時500 hPa高度場（黑色實線，單位：dagpm）、溫度場（紅色實線，單位：K）、850 hPa風(fēng)場（單位：m/s）和200 hPa散度場（陰影，單位：10-5s-1）（棕色實線表示850 hPa切變線，南海附圖為850 hPa水汽通量散度）（陰影，單位：-1＊10-5s-1）；（b）925 hPa高度場（黑色實線，單位：dagpm）、溫度場（紅色實線，單位：K）、風(fēng)場（單位：m/s）和散度場（陰影，單位：10-5s-1）（棕色實線分別表示925 hPa切變線）Fig.2 (a) 500 hPa height field (black solid lines,unit:dagpm),temperature field (red solid lines,unit:K),850 hPa wind field(unit:m/s) and 200 hPa divergence field (shadings,unit:10-5s-1) at 08:00 BT on 9 May 2019 (brown solid lines represent 850 hPa shear line),the figure of South China Sea shows the divergence of water vapor flux at 850 hPa (shadings,unit:-1×10-5s-1);(b) 925 hPa height field (black solid lines,unit:dagpm),temperature field (red solid lines,unit:K),wind field (unit:m/s)and divergence field (shadings,unit:10-5s-1) at 08:00 BT on 9 May 2019 (brown solid line represents 925 hPa shear line)

三亞站08時

T

-ln

p

圖（圖3）顯示，溫度和露點層結(jié)曲線呈上干下濕型，500 hPa以上存在干層，600 hPa以下大氣近乎飽和；SI指數(shù)為-2.65 ℃，K指數(shù)為42 ℃，CAPE值為1300 J/kg，抬升凝結(jié)高度和自由對流高度均為900 m左右，表明海南島南部地區(qū)大氣層結(jié)具有較強(qiáng)的條件不穩(wěn)定性，并容易觸發(fā)激生對流。

圖3 2019年5月9日08時三亞站T-lnpFig.3 T-lnp of Sanya Station at 08:00 BT on 9 May 2019

2.2 雷達(dá)回波特征分析

5月9日08時，在925 hPa切變線附近，海南島西南海域有對流云團(tuán)發(fā)展，并向東北方向移動，11：45雷達(dá)回波外圍移至海南島三亞市西南沿岸一帶，雷達(dá)反射率最大達(dá)50 dBz，回波移動方向的前沿的陸地有對流初生的零散弱回波，徑向速度圖上可見弱回波區(qū)的后側(cè)有大風(fēng)區(qū)（圖4a），風(fēng)速達(dá)23 m/s左右，三亞沿岸有較強(qiáng)的風(fēng)速輻合。12：07位于西南海域上的強(qiáng)對流云團(tuán)后側(cè)回波略有減弱，反射率因子達(dá)50 dBz的雷達(dá)數(shù)據(jù)集個數(shù)減少，大風(fēng)區(qū)強(qiáng)度維持，強(qiáng)對流云團(tuán)前側(cè)的對流小單體已發(fā)展為線狀對流，徑向速度圖上同時配合窄細(xì)速度輻合帶，同時海南島西南部陸地上對流回波強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，范圍加大；之后陸地上的線狀對流與西南海域?qū)α鲙Ш喜ⅲ?2：24起已合并成上百千米的帶狀對流，并向東北方向移動，三亞市中東部地區(qū)風(fēng)速加大，并出現(xiàn)7級大風(fēng)天氣。

圖4 2019年5月9日11:45（a,d）、12:07（b,e）和12:24（c,f）徑向速度和雷達(dá)反射率Fig.4 Radial velocity and radar reflectivity at 11:45 BT (a,d)、12:07 BT (b,e) and 12:24 (c,f) BT on May 92019

綜上分析可知，西南海域強(qiáng)對流云團(tuán)發(fā)展并向東北移至陸地是導(dǎo)致三亞雷雨大風(fēng)的直接原因，強(qiáng)對流向東北移動過程中，海岸地形促發(fā)線狀對流組織化發(fā)展，是強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生的關(guān)鍵，線狀對流如何發(fā)生發(fā)展是本文的研究重點。

2.3 自動站數(shù)據(jù)分析

此次過程對流主體首先發(fā)生于西南部海域，由于海上實測數(shù)據(jù)缺乏，以下重點對對流系統(tǒng)移到海南島陸地后的發(fā)展過程進(jìn)行分析。圖5a為三亞站點的三線圖：8日夜間為東北風(fēng)，9日09時起氣溫開始上升，轉(zhuǎn)為東到東北風(fēng)，11時起氣溫達(dá)到最高，逐漸轉(zhuǎn)為南到東南風(fēng)，在此期間，海陸風(fēng)、露點和氣壓均呈常規(guī)日變化規(guī)律，表明此時未受到西南部海域?qū)α鞯挠绊憽?1時海南島溫度和自動站風(fēng)場表明（圖5b），中部和北部陸地已受冷空氣擴(kuò)散影響，被東北風(fēng)控制，氣溫明顯偏低，西南部陸地氣溫高于其他區(qū)域，三亞西部沿岸海風(fēng)表明未受冷空氣影響，東部海風(fēng)較弱并與擴(kuò)散冷空氣輻合為對流線的發(fā)展提供較好的中尺度動力條件。直至12：30，隨著對流帶過境，本市強(qiáng)風(fēng)雨天氣過程期間，氣溫、露點驟降，氣壓逐漸下降。

圖5 （a）2019年5月9日08—17時三亞站三線圖，黑色折線表示氣壓（單位：Pa），紅色折線表示溫度（單位：℃），藍(lán)色折線表示露點（單位：℃），綠色實線指示12:30；（b）2019年5月9日11時自動站風(fēng)場（單位：m/s）和溫度（陰影，單位：℃），棕色實線為切變線Fig.5 (a) The three-line map of Sanya Station at 08-17 BT on 9 May 2019,the black line represents air pressure (unit:Pa),the red line represents temperature (unit:℃),the blue line represents dew point (unit:℃),and the green solid line indicated at 12:30;(b) the wind vector (unit:m/s) and temperature (shadings,unit:℃) of automatic station at 11:00 BT on 9 May 2019,brown solid line is shear line

2.4 海上對流形成機(jī)制分析

從以上雷達(dá)回波分析可知，強(qiáng)對流首先在海南島西南側(cè)海域生成，由于海上實測數(shù)據(jù)缺乏，在此借助GFS數(shù)值模式產(chǎn)品對海上對流形成機(jī)制進(jìn)行分析。圖6a～c為5月9日08、11、14時GFS模式925風(fēng)場和CAPE值分布圖，可看出08—14時海南島西部海域至中部陸地的切變線穩(wěn)定維持；西南部海域的切變線在08時氣旋性風(fēng)切明顯，11時氣旋性減弱，風(fēng)速減小，14時已無明顯切變線。分析三亞區(qū)域CAPE值的時間演變（圖6d），11時起迅速增大，14時達(dá)1500 J/kg以上，CAPE大值區(qū)域位于海南島南部地區(qū)以及南部海面（圖6a～6c），表明有明顯不穩(wěn)定能量。分析三亞區(qū)域動力和水汽條件的時間演變，圖6e表明9日上午起，中高層相對濕度在75%以上，濕度條件一般，所以本次過程沒有導(dǎo)致大范圍強(qiáng)降水天氣，11時起有上升運動發(fā)展，至14時上升運動達(dá)到最強(qiáng)，之后轉(zhuǎn)為下沉氣流，中上層水汽轉(zhuǎn)少，僅在邊界層水汽接近飽和，即強(qiáng)對流過程結(jié)束。以上分析表明：11時起三亞區(qū)域的動力和熱力條件、水汽條件較好，有利于強(qiáng)對流的發(fā)生發(fā)展。

沿圖6c所示位置作剖面進(jìn)一步分析，可以看出08時在108°E附近區(qū)域有明顯上升氣流（圖7a），并配合低層正渦度中心（圖7b），與對流所在位置一致，在剖線與三亞邊界相交位置（圖7b紅色三角區(qū)域）近地面高度受陸風(fēng)影響呈偏東風(fēng)，受弱冷空氣東北風(fēng)影響的區(qū)域（圖7b紅色圓圈）也是偏東風(fēng)，與自動站分析一致。11時原強(qiáng)對流區(qū)轉(zhuǎn)為下沉氣流，并向東北方向傾斜（圖7c），到達(dá)近地面后堆積，并在低層向西南側(cè)108.3°E（原對流附近）與東北側(cè)109.2°E（三亞近海附近）兩側(cè)輻合上升，其中西南側(cè)東北風(fēng)與背景風(fēng)風(fēng)向輻合，渦度增加（圖7d），維持原對流發(fā)展；東北側(cè)西南風(fēng)與較弱海風(fēng)風(fēng)速輻合、與三亞東部東北風(fēng)風(fēng)向輻合，中尺度對流線加強(qiáng)，表現(xiàn)為負(fù)渦度減小。

圖6 2019年5月9日08時GFS模式08時（a）、11時（b）和14時（c）925 hPa風(fēng)場（矢量，單位：Pa/s）和CAPE值（陰影，單位：J/kg），棕色實線為切變線，其中圖6c中紅色三角為黑色實線與三亞市界的交點，紅色圓圈為黑色實線上受冷空氣影響的區(qū)域；（d）三亞區(qū)域GFS模式預(yù)報CAPE值的時間演變；（e）GFS模式預(yù)報場垂直運動（虛實線，單位：Pa/s）和相對濕度（陰影，單位：%）的時間演變Fig.6 Forecast field distribution of 925hPa wind (vector,unit:Pa/s) and CAPE value (shadings,unit:J/kg) in GFS mode at (a)08:00,(b) 11:00,(c) 14:00 BT on 9 May 2019,brown solid line is shear line,the red triangle on black solid line in Fig.6c indicates the intersection of the section line and Sanya City boundary,the red circle is the area affected by weak cold air;(d) time evolution of CAPE value in Sanya area predicted by GFS model at 08:00 BT on 9 May 2019;(e) time evolution of vertical motion (virtual real line,unit:Pa/s)and relative humidity (shadings)predicted by GFS model

圖7 沿圖6c黑色實線所示位置作剖面（a）08時和（c）11時散度（陰影，單位：10-5s-1）和垂直運動（虛實線，單位：Pa/s）；（b）08時和（d）11時渦度（陰影，單位：10-5s-1）和風(fēng)場（矢量，單位：m/s），紅色三角和紅色圓圈與圖6c描述一致Fig.7 Profiles are made along the black solid line shown in Fig.6 con 9 May 201908:00 BT (a)and 11:00 BT (c) divergence (shadings,unit:10-5s-1)and vertical motion (virtual solid line,unit:Pa/s);08:00 BT (b) and 11:00BT (d) vorticity(shadings,unit:10-5s-1)and wind vector (unit:m/s),the red triangle and red circle are consistent with the description in Fig.6c

運用風(fēng)廓線雷達(dá)對以上模式預(yù)報分析進(jìn)行補充，風(fēng)廓線雷達(dá)站處于圖6c紅色三角略往東的位置上，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場分布可以分為四個階段（圖8a），借以反映強(qiáng)對流東移對對流線的影響：1）11時之前，對流帶距離雷達(dá)站較遠(yuǎn)，風(fēng)向與東部陸地東北風(fēng)一致；2）11：30左右，對流帶逐漸靠近雷達(dá)站，表現(xiàn)為對流帶下沉氣流向東北方向擴(kuò)散的偏西氣流；3）12時左右，對流帶經(jīng)過雷達(dá)站，為對流帶下沉氣流向西南方向擴(kuò)散的偏東氣流；4）12：30左右，對流帶東移遠(yuǎn)離雷達(dá)站，則為背景風(fēng)西南氣流。進(jìn)一步計算1000～900 hPa、900～500 hPa垂直風(fēng)切變與渦度的時間演變，圖8b～8c可以看出低層垂直風(fēng)切變明顯高于中層，渦度在低層也有較明顯發(fā)展，均在11時開始增加，7級大風(fēng)主要發(fā)生在第三個階段，表明對流帶過境帶來風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，引起低層垂直風(fēng)切變和渦度的增加，從而導(dǎo)致對流線的發(fā)展。

圖8 （a）2019年5月9日10：30—13:00三亞風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場（矢量，單位：m/s），紅色表示風(fēng)速大于8 m/s，①—④指示風(fēng)場分布的4個階段；（b）GFS模式預(yù)報三亞區(qū)域垂直風(fēng)切變的時間演變，紅色折線表示1000～900 hPa，綠色折線表示900～500 hPa；（c）GFS模式預(yù)報三亞區(qū)域渦度的時間演變（單位：10-5s-1）Fig.8 (a) Sanya wind profiler radar at 10:30-13:00 BT (vector,unit:m/s) on 9 May 2019,red indicates that the wind speed is greater than 8 m/s,①-④ four stages indicating the distribution of wind field;(b) GFS model predicts the time evolution of vertical wind shear in Sanya,with red line representing 1000～900 hPa and green line representing 900～500 hPa;(c) GFS model predicts the time evolution of vorticity in Sanya (unit:10-5s-1)

3 結(jié)論

1）高空干冷槽疊加于低層西南暖濕空氣之上，三亞東部陸地東北風(fēng)與弱海風(fēng)輻合形成中尺度輻合線，為本次過程提供良好的水汽、熱力不穩(wěn)定、動力抬升和觸發(fā)條件。

2）海南島西南部海域生成的強(qiáng)對流帶向東北方向移動過程與西南部陸地對流合并發(fā)展是整個對流維持的關(guān)鍵，雷達(dá)回波上的對流后側(cè)大風(fēng)入流和前側(cè)零散弱回波線，為雷雨大風(fēng)的發(fā)生提供較好的預(yù)警。

3）近地層垂直風(fēng)場分析得出，海南島西南海域?qū)α飨到y(tǒng)的維持與中尺度對流線的發(fā)展有關(guān)，對流系統(tǒng)中伴隨的下沉氣流，向東北方向傾斜至近地面后向兩側(cè)涌升，其西南側(cè)產(chǎn)生的東北風(fēng)與背景風(fēng)輻合，造成海上的原對流維持；東北側(cè)西南風(fēng)與弱海風(fēng)風(fēng)速輻合、與三亞東部東北風(fēng)風(fēng)速輻合，造成中尺度對流線加強(qiáng)。對流帶過境前后，三亞區(qū)域存在西南風(fēng)到東北風(fēng)的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致低層垂直風(fēng)切變和渦度增加，進(jìn)一步促進(jìn)對流發(fā)展。風(fēng)廓線雷達(dá)可較好地監(jiān)測到對流系統(tǒng)過境的風(fēng)場變化演變特征。