王世強，黃菲，詹棠，張金清，李偉明

（1.珠海市公共氣象服務中心，廣東珠海 519000；2.珠海市國家觀象臺，廣東珠海 519000）

強對流天氣往往伴隨著短時強降雨、雷暴大風、冰雹等災害性天氣，其中雷暴大風的危害尤為嚴重［1－2］，對雷暴大風的成因研究一直是雷達氣象學研究的重點［3－4］。隨著天氣雷達技術的不斷進步，尤其是近年來X波段雙偏振相控陣多普勒雷達的布設和應用，極大地提升了對強對流天氣的精細監(jiān)測能力［5－7］，基于此，國內大量專家對以下?lián)舯┝鳛榇硇缘睦妆┐箫L天氣進行了廣泛的研究。馬淑萍等［8］通過對極端雷暴大風個例研究表明，極端雷暴大風天氣發(fā)生在對流層中層相對干的環(huán)境下；畢旭等［9］分析了兩次下?lián)舯┝魈鞖?，表明下沉氣流同位相疊加，造成了地面產生更加有破壞性的災害性大風；李彩鈴等［10］對桂林一次強下?lián)舯┝鞒梢蚍治霰砻?，在下?lián)舯┝靼l(fā)生前，風暴單體有中等強度中氣旋伴隨，中層徑向輻合明顯。

在盛夏季節(jié)，由于陸海熱力性質差異，沿海地區(qū)午后海風旺盛，往往出現由海風鋒激發(fā)的對流云團［11－12］。這種對流云團往往發(fā)展迅速，易產生雷暴大風等災害性天氣，需特別注意對其監(jiān)測和預警。珠海市目前布設有4部X波段雙偏振相控陣雷達（簡稱相控陣雷達），其時間分辨率約為1.5 min，空間分辨率為30 m，對中小尺度、中低空近距離的天氣系統(tǒng)有獨特的探測優(yōu)勢。本研究利用珠海市地面自動站觀測資料、MICAPS資料和橫琴相控陣雷達資料，對一次由海風鋒激發(fā)的下?lián)舯┝魈鞖膺^程分析，以加強相控陣雷達在強對流天氣預報預警方面的研究。

1 天氣過程簡介

2019年7月18日13：00—17：00（北京時，下同），珠海市出現一次強對流天氣過程，其中14：05—14：30珠海中部的磨刀門水道附近地區(qū)出現了下?lián)舯┝魈鞖猓▓D1），該地區(qū)地勢平坦，下?lián)舯┝鳟a生的輻散風很快向周邊地區(qū)擴展。

圖1 2019年7月18日14：30珠海市地面自動站最大陣風分布（單位：m／s）

該次過程中，橫琴區(qū)芒洲地面觀測站出現了雷暴大風、短時強降雨等強對流天氣，強對流天氣持續(xù)了接近30 min，過程中錄得極大風速22.4 m／s，小時雨強51.5 mm，5 min降雨量達到13.7 mm。該站周邊5～10 km范圍內也出現了8～9級短時大風。

2 天氣背景

2.1 天氣形勢

從2019年7月18日08：00天氣形勢（圖2）來看，在200 hPa上（圖2a），我國南方地區(qū)存在一個高空反氣旋環(huán)流，珠海位于其東南偏南側的急流區(qū)。在500 hPa上（圖2b），由于熱帶風暴“丹娜絲”在臺灣以東洋面活動，同時南海中東部海面有一個熱帶低壓存在，導致巴士海峽至南海中部形成一個廣闊的臺風槽；另外在西南的貴州地區(qū)附近有一個弱反氣旋環(huán)流存在，珠海處于臺風槽和反氣旋之間的東北大風區(qū)。在850 hPa（圖2c）上，珠海位于偏北氣流中，風速略大。在地面上（圖2d），珠海地區(qū)的氣壓梯度很小，盛行弱偏北風。

圖2 2019年7月18日08：00天氣形勢

2.2 大氣層結條件

從香港站（橫琴芒洲站偏東方約70 km）探空資料（圖3）來看，在濕度層結方面，整體呈現“上干下濕”結構，低層濕層（相對濕度≥80%）達到1.5 km（850 hPa）高度，在4 km（600 hPa）高度的露點溫度差接近25℃，存在明顯的干層，這種濕度層結結構有利于地面大風天氣的發(fā)生。在垂直風力方面，低層盛行偏北風，高層為東北至偏東風，0～6 km垂直風速切變?yōu)?3.4 m／s，風暴承載層（300～600 hPa）的平均風速11.7 m／s，平均風向54°，風暴承載層平均風速大，有利于中層冷空氣夾卷，導致下沉氣流的動量下傳，對地面大風的形成有利［13］。在溫度層結方面，850與500 hPa的溫差達24.1℃，溫度垂直遞減率大，從而具有更大的CAPE，能產生強的風暴上升速度，有利于雷暴大風的出現，但0℃層高度在5.5 km，－20℃層在8.8 km，0℃層和－20℃層高度較高，對比廣東省氣象業(yè)務人員總結的冰雹天氣發(fā)生條件［14］，不利于冰雹的產生。K指數為36.4℃，SI指數－1.06℃，CAPE達到3 594.7 J／kg，600 hPa起始下沉對流有效位能DCAPE達到1 417.9 J／kg，對流溫度32.4℃，對流凝結高度、自由對流高度均不足1 km，表明大氣層結極其不穩(wěn)定。

圖3 2019年7月18日08：00香港站探空圖

3 強對流天氣演變過程

3.1 海風鋒向陸地推進過程

受“丹娜絲”外圍下沉氣流和地面弱的偏北氣流的影響，從7月18日上午開始，珠海地面氣溫快速上升，但由于海陸熱力性質的差異，陸地的升溫速率明顯高于沿岸和海島，至13：00珠海市西部地區(qū)氣溫普遍上升至36～38℃，東部地區(qū)35～36℃，沿岸區(qū)32～34℃，海島僅為31～33℃，氣溫分布呈現“西高東低”的態(tài)勢，溫度梯度在東部沿岸最大，達到0.2℃／km以上，非常有利于海風鋒形成與發(fā)展。

由于海陸溫度差的逐漸加大，導致海上和陸地之間氣壓差不斷增大，偏東向的海風逐漸加強，與內陸的偏北風形成地面風輻合線，逐漸發(fā)展為海風鋒（圖略）。從11：00開始，東部海島的風向逐漸轉為偏東風，與陸地的偏北氣流在東部海岸線附近形成弱的輻合帶；12：00隨著海風的加強，沿岸的風向逐漸轉為偏東風，地面輻合線不斷向東部陸地推進，形成一條東北－西南向的地面海風鋒，有利于近地層的暖濕空氣強迫抬升，形成更強的上升氣流；13：00鋒線已推進到珠海中部地區(qū)，地面輻合線更加明顯。

3.2 在地形作用下對流云系的觸發(fā)

圖4為7月18日13：10—15：00橫琴雷達0.9°仰角反射率因子變化圖，從圖4可以看到對流云系觸發(fā)到加強過程。受地形影響，海風在推進到珠海中部地區(qū)時，橫琴雷達站北邊的將軍山和腦背山之間（圖1）的平坦地帶吹偏東風，而磨刀門水道入?？诟浇灯巷L，這與內陸偏北風在橫琴站西北方5～8 km處形成了輻合，同時地面氣溫在35℃以上，觸發(fā)了對流云系（圖4a）。隨著對流云系的加強，在其周邊地面形成了輻散氣流，導致在地勢平坦的南屏鎮(zhèn)（圖1）附近形成了新的輻合中心，產生了新的對流云系（圖4c）。

圖4 2019年7月18日13：10—15：00橫琴相控雷達0.9°仰角反射率因子

3.3 對流云系的發(fā)展和消亡

從對流云系的發(fā)展過程（圖4）可以看到，對流云系在地面輻合線附近不斷發(fā)展加強，尤其在13：50—14：00期間（圖4e－f），位于橫琴站西北方15 km左右的對流云系發(fā)展非常迅速，部分區(qū)域的0.9°仰角反射率因子已達到60 dBz以上，在這期間相控陣雷達也觀測到了中氣旋。在14：00—14：10期間（圖4f－g），反射率大值區(qū)（核心）明顯下降，在珠海中部區(qū)域出現下?lián)舯┝?，地面輻散氣流明顯。14：10—14：20（圖4g－h(huán)）對流云系又有所加強，且向西南方擴展，同時在其西北方又形成了新的對流云團；14：30—15：00期間（圖4i－l）珠海中部的對流云團逐漸減弱消亡，而其西北方18～25 km處的對流云系則發(fā)展旺盛。

4 相控陣雷達對中氣旋和下?lián)舯┝鞯挠^測

4.1 相控陣雷達對中氣旋的觀測

13：50—14：00期間，珠海中部的對流云團發(fā)展迅速。13：56橫琴相控陣雷達觀測到在西北偏北方（330°，13 km）的對流云系中，有一個直徑3 km左右的氣旋速度對形成，在6.3°、8.1°、9.9°仰角速度圖（圖5）上均可看到明顯的正負速度對存在的情況，其徑向負速度在－15～－20 m／s，正速度在5 m／s左右。相控陣雷達中氣旋產品也顯示，在該區(qū)域存在一個中氣旋，該中氣旋回波底高1.0 km，回波頂高3.1 km，中心高度2.1 km，最大入流速度19.1 m／s，最大出流速度5.5 m／s，屬于弱中氣旋。中氣旋活動期間，對流云團原地少動，強度明顯加強（圖4e－f），但其僅僅維持了幾分鐘，14：00之后隨著風場減弱，氣旋結構破壞，同時強對流云團也逐漸向西南方向移動。

圖5 2019年7月18日13：56橫琴相控陣雷達6.3°（a）、8.1°（b）、9.9°（c）仰角速度

4.2 相控陣雷達對下?lián)舯┝鞯挠^測

為更好地研究下?lián)舯┝靼l(fā)生過程中對流云團內回波強度、徑向速度和地面大風的關系，本研究選取14：02—14：10橫琴相控陣雷達反射率資料，沿288°方向做垂直剖面（圖6a），觀察分析其反射率因子、徑向速度變化（圖6b－f）。

圖6 2019年7月18日14：10橫琴相控陣雷達0.9°仰角徑向速度圖（a）和13：59－14：10雷達288°方位角（圖a中紅線位置）的逐3 min的強度（Zh）和速度（vr）剖面（b－f）

可以看出，下?lián)舯┝靼l(fā)生前（13：59），對流云團（圖6b）內強回波區(qū)（反射率因子≥55 dBz）呈傾斜結構，傾向距離雷達較遠方向（西北偏西方），且具有較強的負速度，0～4 km高度呈現弱的速度輻合；14：02（圖6c）強回波區(qū)質心明顯下降，2～3 km高度處負速度減弱，地面出現－10 m／s以上的徑向負速度；14：05（圖6d）在7～10 km處的強回波區(qū)域集中在1 km高度以下，3～4 km高度再次出現徑向輻合，距離雷達7 km左右的強回波觸地，并在該處出現－15m／s以上的負速度，此時芒洲地面自動站出現19 m／s的陣風；14：08（圖6e）在距離雷達7～8 km處的強回波的降水粒子降落的地面上，導致距離雷達7 km附近地面的負速度增加至接近－20 m／s，3～4 km高度上的徑向速度輻合更加明顯；14：10（圖6f）在距離雷達8～10 km處的強回波逐漸接地，地面開始出現明顯的徑向速度輻散，距雷達5～10 km為負速度，10～15 km為正速度，但正速度的絕對值較負速度小，芒洲地面自動站出現21.8 m／s的陣風，周圍自動站也出現8～9級陣風。

5 結論

本研究利用珠海市地面自動站觀測資料、MICAPS資料和橫琴X波段雙偏振相控陣雷達資料對2019年7月18日一次由海風鋒激發(fā)的下?lián)舯┝魈鞖膺^程進行分析，結果表明：

1）該次下?lián)舯┝鬟^程發(fā)生在臺風外圍環(huán)流中，大氣層結呈現“上干下濕”結構，溫度垂直遞減率大，對流凝結高度、自由對流高度不足1 km，K指數大、SI指數為負、CAPE值大等條件都有利于下?lián)舯┝魈鞖獍l(fā)生。

2）由于海陸熱力性質差異，導致珠海東部沿海地區(qū)在中午時段出現了顯著的偏東向海風，其與陸地的偏北輻合，形成海風鋒，觸發(fā)此次的強對流天氣。

3）強對流系統(tǒng)中有弱中氣旋存在，中氣旋活動期間對流發(fā)展旺盛；下?lián)舯┝靼l(fā)生前，低層反射率處于大值期，X波段相控雷達可以清晰觀測到強反射率因子下降、中層徑向速度輻合、近地面氣流輻散等現象。

相控陣雷達由于其觀測時空分辨率高，可以發(fā)現對流系統(tǒng)中較小、較弱的中氣旋，并清晰地看到中小尺度對流系統(tǒng)變化，尤其是高頻次低層徑向輻散風的監(jiān)測，對下?lián)舯┝鞯念A警具有重要作用。