李典南 , 劉春艷 , 陳 婷

（1.貴州省氣象臺，貴陽 550002；2.四川省攀枝花市氣象臺，攀枝花 617000；3.四川省氣象臺，成都 610000）

引 言

雷暴是影響我國的重要災害性天氣之一，雷暴云的水平發(fā)展范圍可達幾千米至幾十千米，垂直發(fā)展高度可達8～15 km，持續(xù)時間幾分鐘到幾十分鐘不等[1]，具有短時性和局地性。雷暴天氣的發(fā)生通常伴隨雷暴大風、短時強降水、冰雹甚至龍卷等一種或多種天氣[2]，常給當?shù)剞r(nóng)業(yè)、通訊、建筑、交通及人身安全造成嚴重影響。

長久以來，國內(nèi)外氣象學者已對雷暴形成的天氣背景和物理機制有了一定的認識。Charles[3]認為雷暴是帶有雷電現(xiàn)象的深厚濕對流。陸漢城等[4]把雷暴描述為由各種物理條件相互作用形成的中尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的結果，這些條件大體可總結為深厚且明顯不穩(wěn)定的氣層、充沛的水汽以及適合的觸發(fā)條件[5]。許愛華等[6]基于強對流天氣的形成條件，通過綜合分析將我國的強對流天氣分為冷平流強迫類、暖平流強迫類、斜壓鋒生類、準正壓類和高架對流類。章國材[7]指出500 hPa環(huán)流形勢是影響強對流天氣發(fā)生發(fā)展的重要背景。西南地區(qū)地形復雜多樣，除500 hPa環(huán)流形勢外，局地環(huán)流對強對流天氣的影響也不容忽視[8-9]。任景軒等[10]、郭善云等[11]等通過統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)四川西南山地地區(qū)由于日照強且溫差大，加之地形抬升作用明顯，十分容易產(chǎn)生雷暴天氣，是四川省雷暴發(fā)生頻率較高的地區(qū)之一。

攀枝花市（26°05′～27°21′N，101°08′～102°15′E）位于四川省西南山地地區(qū)，是全國唯一以花命名的城市，地處青藏高原東南緣、攀西裂谷中南段，屬于以南亞熱帶為基帶的季風氣候，日照多且太陽輻射強，氣候炎熱干燥[12-13]。境內(nèi)地形復雜多樣，具有山高谷深、盆地交錯分布的特點，受局地環(huán)流影響較大[14]。當?shù)睾０谓橛?37～4195.5 m，最大相對高度差超過3000 m，整個地勢由西北向東南傾斜[15-16]，容易在中低層形成較強的垂直風切變，并產(chǎn)生切變線、氣流輻合線等系統(tǒng)[17]。加之攀枝花市位于金沙江、雅礱江的交匯處，水利資源豐富，故容易在近地面形成高溫高濕環(huán)境，有利于對流天氣發(fā)生。

6～10月是攀枝花市的雨季，也是雷暴天氣發(fā)生頻率較高的時段[18-20]，11月～次年5月屬于攀枝花市的干季，大環(huán)境場相對穩(wěn)定、水汽不足，強對流天氣發(fā)生較少。但在2020年4月13日，攀枝花市傍晚至夜間發(fā)生了一次強烈且影響范圍大的雷暴天氣過程，為全市各區(qū)縣帶來不同程度的冰雹、短時強降水和雷暴大風等天氣，導致市內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)澇災害，交通嚴重受阻，各地瓜果農(nóng)田均有受損，供電和通訊設施也受到不同程度的損壞。本文利用多種氣象資料，對此次過程的高低空配置、探空圖、各物理量特征、衛(wèi)星云圖和雷達回波特征進行綜合分析，探討本次雷暴天氣的形成機理，以期為此類天氣過程的預報預警及防災減災提供科學參考。

1 資料

本文所用資料主要包括：（1）歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）ERA5逐 6 h高空再分析資料，水平分辨率為 0.25°×0.25°；（2）美國國家環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）逐 6 h高空再分析資料，水平分辨率 2.5°×2.5°；（3）氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)（MICAPS）提供的常規(guī)氣象觀測資料和ECMWF細網(wǎng)格預報場資料，主要包含高度、溫度、相對濕度、風場、2 m溫度、10 m風速和2 m露點溫度等要素；（4）攀枝花市的FY-2G衛(wèi)星相當黑體亮度溫度（Black Body Temperature，TBB）資料和 714S 型號雷達提供的2.83°仰角反射率因子資料。上述資料時段均為2020年4月13日。

2 實況分析

據(jù)攀枝花市氣象臺《雨情通報》顯示，2020年4月13日08時～14日08時，全市普降小到中雨，局地大雨，個別區(qū)縣出現(xiàn)雷暴大風、短時強降水、冰雹等混合性強對流天氣。13日08時，攀枝花市天氣整體晴好，近地面受偏南風控制。午后涼山州可觀察到對流云團生成發(fā)展，并逐漸增強、朝東南方向移動。17時左右攀枝花市北部邊緣地區(qū)至涼山州南部地區(qū)開始出現(xiàn)冰雹天氣。18時左右強天氣落區(qū)移至攀枝花市米易縣，該縣境內(nèi)最大冰雹直徑達到5 cm，最大瞬時風速為22.1 m/s。隨著對流云團繼續(xù)移動，20時左右東區(qū)、仁和區(qū)也相繼出現(xiàn)冰雹、短時強降水、雷暴大風等天氣。此外，據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計，最大降水量出現(xiàn)在白坡鄉(xiāng)、平地鎮(zhèn)和永興鎮(zhèn)，分別為27.2 mm、25.0 mm和20.7 mm。14日凌晨，全市各地區(qū)降水逐漸減弱或停止，天氣轉(zhuǎn)好。

此次雷暴天氣導致米易縣、鹽邊縣、仁和區(qū)、東區(qū)受到不同程度的冰雹災害，當?shù)貦烟?、芒果、核桃、青花椒、蔬菜、油桃等多種農(nóng)作物受災嚴重，造成直接經(jīng)濟損失數(shù)千萬元。

3 天氣形勢及探空分析

3.1 天氣形勢配置

2020年4月13 日08時，500 hPa歐亞中高緯大環(huán)境場呈兩槽一脊環(huán)流形勢，兩槽分別位于歐洲和東亞地區(qū)，脊位于東西伯利亞地區(qū)（圖1a）。四川省中部有一高原槽，08～20時高原槽東移，攀枝花市的位置從槽前轉(zhuǎn)為槽后，從受槽前暖平流控制轉(zhuǎn)為受槽后冷平流控制（圖1b）。

從13日20時200 hPa環(huán)流形勢（圖1c）上看，西風帶在青藏高原地區(qū)繞流，中高空500～200 hPa形成西北干冷氣流順高原槽南下的形勢，西南地區(qū)為一冷槽，冷平流強迫明顯。從高低空配置（圖1d）來看，20時攀枝花市位于500 hPa高原槽槽后，風向偏北，受冷平流控制，有溫度場落后高度場的特征，大氣斜壓特征明顯。700 hPa云川黔三省交界處有一段風速超過12 m/s的西南急流，由于冷暖空氣交匯和地形特征影響，云貴川渝四省之間形成切變線，攀枝花市位于切變線西北側(cè)、西南急流出口區(qū)左前方，有利于高低空氣流的耦合、氣流抬升以及對流云的維持和發(fā)展。近地面至700 hPa水汽條件較好，西南氣流帶來的暖濕空氣使攀枝花市近地面至700 hPa位于T-Td≤5℃的濕區(qū)內(nèi)。此外，雷暴發(fā)生前期攀枝花市近地面受熱低壓控制，呈晴朗少云天氣，隨著日照加強和低層暖濕氣流輻合，近地面氣層增溫增濕，為雷暴的形成和發(fā)展提供了良好的能量條件?？偟膩碚f，此次過程是典型的以高空強干冷平流為主導的冷平流強迫類雷暴天氣過程[17]。

圖1 2020年4月13日天氣形勢（a.08時，500 hPa；b.20時，500 hPa；c.20時，200 hPa；藍色實線表示位勢高度，單位：dagpm；紅線虛線表示溫度，單位：℃；箭頭表示風場，單位：m·s-1）、高低空系統(tǒng)配置（d.20時）以及攀枝花市仁和站（站號：56674）模式探空（e.08時，f.20時）

3.2 探空分析

攀枝花市內(nèi)的氣象站點均屬于國家一般觀測站，無探空資料，故本文利用MICAPS系統(tǒng)繪制相關站點的模式探空曲線進行分析。選用的資料為ECMWF細網(wǎng)格預報場資料，具體時間為2020年4月13日08時起報的00場和20時起報的00場。選用的站點是位于攀枝花市南部的仁和站（站號56674），繪制出的探空曲線如圖1e、f所示。

從 08～20時T-lnP 圖（圖1e、f）可看出，雷暴天氣發(fā)生前后探空曲線呈X型，表征為不穩(wěn)定特性。從水汽條件上看，08時和20時兩個時次的大氣層結水汽條件整體較好，其保持相對濕度≥80%的濕層分別位于 850～625 hPa、760～545 hPa，其中在 700 hPa附近均維持T-Td≤2℃的飽和狀態(tài)。從風場特征上看，08～20時整層大氣的風速隨高度增長；08時風向在850～600 hPa隨高度順轉(zhuǎn)，20時風向順轉(zhuǎn)高度增高到500 hPa，說明低層暖平流隨時間增強；08時風向在600～200 hPa隨高度逆轉(zhuǎn)，20時風向逆轉(zhuǎn)高度降低到500 hPa，說明中高層有冷平流維持并呈減弱趨勢。這種“上冷下暖”的熱力結構可使高低層溫差加大，層結潛在熱力不穩(wěn)定能量增強。此外，在08時，700 hPa為6 m/s的西南風，500 hPa為16 m/s的西南偏西風；在20時，700 hPa為8 m/s的西南風，500 hPa為12 m/s的西北風，可見700 hPa和500 hPa之間垂直風切變呈增強趨勢。從不穩(wěn)定能量上看，08～20時CAPE值從0 J·kg-1增加至 557.5 J·kg-1，SI 指 數(shù) 從 1.22℃ 減 小 至-1.84℃，說明層結間不穩(wěn)定能量隨時間累積，有利于雷暴天氣的發(fā)展和維持。再從特殊層結上看，08～20時仁和區(qū)0℃層高度從3.75 km升高至3.92 km，-20℃層高度從6.93 km降低至6.90 km，0℃、-20℃層的高度均滿足降雹條件[17]；兩個特殊溫度層之間的厚度從3.18 km縮減至2.98 km，說明溫度垂直遞減率隨時間增大，層結間熱力不穩(wěn)定能量增強。

4 物理量場特征

4.1 抬升條件

抬升條件是雷暴天氣發(fā)生發(fā)展的重要條件之一。圖2為4月13日08時和20時沿101°75′E所作的渦度平流垂直剖面。從08時（圖2a）看出，攀枝花地區(qū)700～600 hPa有弱的正渦度平流，600 hPa以上轉(zhuǎn)為負渦度平流，說明當前氣流抬升較弱。在20時（圖2b），從整體上看渦度平流正負值均有所增大，說明對流較08時更活躍，其中攀枝花市中北部-涼山州南部為正渦度平流大值區(qū)，在涼山州德昌縣（27.7°N）上空480 hPa附近達到最大，中心值約為17.3×10-9s-2。從攀枝花市范圍來看，中南部近地面至600 hPa為弱的負渦度平流，600 hPa以上轉(zhuǎn)為隨高度增大的正渦度平流；北部800 hPa以上為正渦度平流，且700～450 hPa渦度平流值隨高度增大，450 hPa上約為6.1×10-9s-2。根據(jù)上述分析可知，相對于08時，20時氣流上升運動有所增強。

圖2 2020年4月13日沿101°75′ E的渦度平流垂直剖面（a.08時，b.20時，單位：10-9 s-2）

4.2 水汽條件

充沛的水汽供應是雷暴天氣得以維持的條件之一。圖3分別給出了4月13日08時和20時沿101°75′E的比濕和水汽通量散度垂直剖面。由圖3a和b可知，08時和20時攀枝花市范圍內(nèi)近地面至700 hPa比濕均在6 g·kg-1之上，且各高度層上20時的比濕均大于08時的比濕。分析水汽通量散度垂直剖面（圖3c和 d）可知，13日 08時（圖3c），攀枝花市上空800～700 hPa為弱的水汽通量散度輻合區(qū)，輻合中心位于750 hPa附近，750 hPa以上輻合逐漸減弱并轉(zhuǎn)為輻散。到了20時（圖3d），大氣中低層的水汽通量散度輻合輻散整體增強，表明這期間暖濕氣流的本地輸送較明顯。20時輻合中心移至攀枝花市北部-涼山州南部上空750 hPa附近（圖3d），這與比濕垂直分布特征基本相符，也與降水落區(qū)有較好對應（圖略）。綜上可知，雖然本次過程發(fā)生于4月，但攀枝花市上空大氣層結水汽條件整體較好，相比于08時，20時本場的水汽輸送更加明顯。

圖3 2020 年 4 月 13 日 08 時（a、c）和 20 時（b、d）沿 101°75′E 的比濕和水汽通量散度垂直剖面（a、b.比濕，單位：g·kg-1；c、d.水汽通量散度，單位：10-9g·hPa-1·cm-2·s-1）

4.3 不穩(wěn)定條件

較強的不穩(wěn)定能量是發(fā)展和維持雷暴天氣不可缺少的條件。圖4a、b給出了2020年4月13日08時和20時K指數(shù)分布。圖4c、d給出了同一時間700 hPa和500 hPa之間的溫差分布。從圖4a、b可知，攀西地區(qū)（34.5°～37.5°N）K 指數(shù)隨時間增大，其中攀枝花市K指數(shù)中心值從34.5℃增加至39.5℃，說明層結間具備較強的不穩(wěn)定能量，且不穩(wěn)定能量隨時間增強。從圖4c、d可知，攀西地區(qū)溫差隨時間增大，其中攀枝花市溫差從15.7℃ 增加至17.3℃，700 hPa和 500 hPa之間的溫度垂直遞減率從5.9℃·km-1增大至6.5℃·km-1，表明大氣熱力不穩(wěn)定能量隨時間增強。可見，08～20時大氣層結處于不穩(wěn)定能量的累積過程。

圖4 2020年4月13日08時（a、c）和20時（b、d）K 指數(shù)、700 hPa和 500 hPa溫度差的空間分布（a、b.K 指數(shù)，c、d.溫度差，單位：℃，黑色三角形為攀枝花市位置）

5 衛(wèi)星云圖和雷達回波分析

5.1 衛(wèi)星云圖分析

FY-2G衛(wèi)星觀測的相當黑體亮度溫度（TBB）可較好指示對流云的生消過程[21]。TBB在有云區(qū)一般為負值，且負值越大，代表云頂越高，對流越強。圖5為2020年4月13日14～22時攀西地區(qū)TBB逐小時演變。如圖所示，4月13日14時攀西地區(qū)西北部有TBB≤-10℃的對流云團，此時涼山州開始出現(xiàn)零星降水（圖5a）；隨后對流云團向東南移動發(fā)展，并逐漸與周圍零星云團合并聚攏，范圍擴大且強度增強，形成東北-西南走向的帶狀云團（圖5b、c）。17時位于降水中心區(qū)域上方的中尺度對流云團TBB值已經(jīng)突破了-60℃，攀枝花市北部邊緣地區(qū)-涼山州南部地區(qū)開始出現(xiàn)冰雹天氣（圖5d）。隨著對流云團繼續(xù)向東南移動，攀枝花市北部的鹽邊縣和米易縣也相繼出現(xiàn)冰雹天氣，并伴隨短時強降水和雷暴大風（圖5e）。18～20時，強對流落區(qū)從米易縣延伸至東區(qū)、仁和區(qū)，自北向南繼續(xù)出現(xiàn)冰雹、雷暴大風、短時強降水等混合性天氣（圖5e～g）。隨后對流云團出現(xiàn)向周邊輻散的趨勢，整體強度有所減弱；21～22時，對流云團繼續(xù)南下，強度減弱，過程趨于結束（圖5h、i）。

圖5 2020年4月13日14～22時攀西地區(qū)TBB逐小時演變（a.14時，b.15時，c.16時，d.17時，e.18時，f.19時，g.20時，h.21時，i.22時，單位：℃）

5.2 雷達回波分析

雷達是監(jiān)測實況天氣的重要手段，雷達回波的發(fā)展走勢對雷暴天氣的監(jiān)測和預警具有很好的指導意義[22-23]。由圖6可知，在17:59，強度超過40 dBZ的回波云團位于攀枝花市鹽邊縣中部-米易縣西部，呈不規(guī)則塊狀或帶狀，鹽邊縣和米易縣交界處的回波大值區(qū)呈現(xiàn)前后側(cè)的“V”字形狀槽口特征，最大強度超過50 dBZ（圖6a）。隨時間推移，回波朝東南方向移動，18:39已到達米易縣得石、普威一帶，回波中分布有多個較強單體，“V”字形狀有減弱趨勢，最大強度依舊維持在50 dBZ左右（圖6c），18:59后帶狀回波分裂為塊狀，回波大值區(qū)與冰雹的落區(qū)情況一致（圖6d）。隨后回波繼續(xù)向東南移動，強度維持，東區(qū)、仁和區(qū)在19:19左右依次出現(xiàn)冰雹、短時強降水和雷暴大風天氣，冰雹落區(qū)與回波大值區(qū)也有較好對應（圖6e、f）。20:00之后雷達回波整體呈減弱趨勢，全市轉(zhuǎn)為以雷雨天氣為主（圖6g、h），21:00過后過程趨于結束（圖略）。

圖6 2020年4月13日17:59～20:19攀枝花市714S雷達2.83°仰角逐20min反射率因子分布（a.17:59，b.18:19，c.18:39，d.18:59，e.19:19，f.19:39，g.19:59，h.20:19，單位：dBZ）

6 結論

本文利用歐洲中心ERA5再分析資料、NCEP再分析資料、衛(wèi)星和雷達資料，以及MICAPS氣象資料，綜合分析了2020年4月13日攀枝花市發(fā)生的冷平流強迫類雷暴天氣過程，得到如下主要結論：

（1）影響本次雷暴天氣過程的主要系統(tǒng)為200 hPa高空急流、500 hPa高原槽、700 hPa切變線、700 hPa西南急流以及地面輻合線。本次過程發(fā)生時，攀枝花市位于500 hPa高原槽槽后，槽后干冷平流為本次過程起主導作用。700 hPa弱的西南急流為本地輸送暖濕空氣和不穩(wěn)定能量，中低層切變線及地面輻合線促進暖濕氣流的輻合抬升，加之前期近地面熱低壓控制，為本次冰雹、短時強降水、雷暴大風的混合性雷暴天氣創(chuàng)造了有利條件。

（2）本次雷暴過程影響區(qū)域的大氣層結滿足“上冷下暖”熱力結構，中低層垂直風切變隨時間增強，0℃和-20℃層高度滿足降雹條件，氣流呈現(xiàn)低層輻合與中高層輻散特征，中低層水汽條件較好，K指數(shù)、700～500 hPa溫度垂直遞減率反映的層結不穩(wěn)定能量隨時間增強。

（3）對流云團從涼山州西北部開始生成，朝東南方向移動發(fā)展并影響攀枝花市，17～20時全市各地出現(xiàn)以冰雹天氣為主的不同強度災害性天氣。雷達回波發(fā)展走勢與衛(wèi)星云圖反映的情況一致，回波移動過程中出現(xiàn)倒“V”字型特征，最大強度超過50 dBZ。