周航 唐舟 徐恩 邵禹晨 程昕 王锦杰 庞礴 张莹

摘要 利用FNL0.25°×0.25°再分析资料，分析2017年7月15日发生在宿迁地区雷暴大风过程的天气形势、环境条件、触发机制和物理量特征。发现：（1）此次雷暴大风天气的主要影响系统是高空冷涡，低空切变线、西南急流和地面冷锋;700 hPa和850 hPa干线、中尺度切变线和地面辐合线是其触发机制。（2）此次强对流过程的水汽通道主要是副高西北侧南到西南风急流的水汽输送，水汽来源于南海和印度洋，且水汽强辐合中心位于宿迁西部上空;假相当位温高值区由西南向东北延伸至宿迁南部地区，宿迁位于能量梯度锋区内;雷暴发生时，对流层低层有强辐散，中层为强辐合区，对应中低层为强下沉气流，是导致下击暴流和地面强阵风的主要因素之一;雷暴发生前，宿迁地区0～6 km和0～3 km垂直风切变出现一致增大，中层增幅较低层明显，表明此次雷暴大风发生在较强的垂直风切变环境下。

关键词 雷暴大风;触发机制;物理量特征

中图分类号：P4 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）01–0015–05

0 引言

强对流天气是影响我国最严重的灾害性天气之一，也是宿迁较常见的灾害性天气之一。由于其生命史短、空间尺度小、突发性强、危害性大，是天气预报工作的难点，伴随强对流天气出现的雷雨大风，常给农林业和人民生产生活等带来严重的灾害。雷雨大风由于常伴随短时强降水、冰雹等灾害性天气，易形成内涝，其大风易造成农作物倒伏和果树落果，输电、高空设施受损，房屋毁坏，影响人类正常工作生活和健康，甚至威胁人类的生命。

在出现雷雨天气时，凡测站出现≥17.2 m/s或风自记中出现≥17.2 m/s记录的，即7级以上的大风，可确定为对流性强风。为了与系统性大风区别，这类大风常被称作“雷暴大风”或“雷雨大风”。关于雷雨大风，气象学者已做过很多研究：梁爱民等[1]对北京、天津地区雷雨大风做了深入研究;漆梁波[2]对上海局地强对流做了分析;朱君鉴等[3]分别对弓状回波、阵风锋回波、飑线回波进行了相关研究;张少波[4]对超级单体的低层风场进行了反演;吴古会等[5]对2011年4月15日发生在贵州西南部的强对流天气过程进行了诊断分析;李路长等[6]对2013年4月17日发生在镇远县城有气象记录以来的大风天气过程进行总结分析，得到大风、冰雹天气的预报指标;伍静等[7]对2011年4月30日—5月2日发生在桂北白色、河池、桂林、贺州四市的冰雹等灾害性天气过程进行综合分析，得到灾害性天气的大尺度环流、热力动力形成机制及中小尺度云团及雷达回波的多种特征指标，为强对流天气的预报预警提供依据;刘平等[8]分析了2007年7月27—30日濮阳全市出现的雷雨大风天气;张涛等[9]分析了2011年4月17日广东强对流天气表明，地面锋面抬升是强对流主要触发机制，平坦地形、中层干急流及较大的垂直风切变可能是强风暴发展和维持的主要因素;陶岚等[10]分析华东一次高空槽前短时强降水和雷雨大风天气表明，湿度较大环境下中高层干暖气流卷入是产生长距离直线大风的关键环境;陈涛等[11]分析华北一次持续时间较长的强飑线天气表明，强对流组织化过程与地面风场辐合线以及锋面紧密相关，气旋后部中高层强下沉气流造成垂直方向干湿对比明显，有利于对流触发及地面大风形成。这些研究对我们认知雷雨大风、了解雷雨大风形成机制、改善雷雨大风的预报预警有积极作用。

2017年7月15日12：30～14：30，宿迁中北部地区出现强雷电、短时强降水、雷雨大风和冰雹等强对流天气，南蔡镇、埠子镇和南刘集乡最大风力达8级，仰化镇和陆集镇最大风力达10级，其中仰化镇瞬时最大风速达27.3 m/s。埠子镇、仰化镇、陆集镇、南刘集乡等部分乡镇出现冰雹。此次强对流天气造成2 230人受灾，农作物受灾面积743 hm2，

成灾面积333 hm2，绝收面积44 hm2;严重损坏房屋3户6间，一般损坏房屋166户323间。本文利用Micaps常规观测资料和FNL0.25°×0.25°再分析资料，对此次过程天气形势、环境条件、触发机制和物理量特征进行分析，从而提高此类灾害性天气的短临预报水平。

1 天气形势与环境条件

1.1 天气形势

此次强对流天气过程的主要影响系统是高空冷涡，低空切变线和地面辐合线。15日08：00 500 hPa高空图（图1a）上，副热带高压发展强盛，脊线位于22°N附近，588 dapgm线位于长江中下游地区，东北地区有高空槽向西南延伸，携带冷空气南下，并在河套地区堆积形成冷涡，但是没有形成闭合的低压中心。15日20：00（图1b），副热带高压西伸北抬，脊线北抬到26°N 附近，588 dapgm线北抬至淮河流域，河套东部冷涡与北部槽断裂并发展维持，副高与大陆高压之间形成闭合的气旋性环流，中心位于河北、河南和山东三省交界处。冷涡后部不断有冷空气南下，为宿迁地区强对流的产生提供了动力条件。

15日08：00 700 hPa（图2a）湖北至山东西南地区一带有东北西南向切变线，切变线南侧有西南风急流，中心最大风速为18 m/s，切变线稳定少动。15日20：00 700 hPa（图2b）切变线发展为气旋性环流，中心位于河南与山东交界，同时急流增强，中心最大风速达22 m/s，宿迁地区位于切变线南部、低涡前部以及急流轴顶部。15日08：00 850 hPa（图2c）切变线位于山东至湖北北部地区，西南急流位于湖南至淮北地区，最大风速为18 m/s，并且稳定维持。15日20：00（图2d）切变线和急流略有减弱，最大风速为14 m/s。地面上12：00～14：00淮北地区存在明显的东西向辐合线，有利于触发不稳定能量的释放。低層西南急流的维持为宿迁地区降水带来充沛的水汽条件和热力条件。高层冷空气与副高北侧西南暖湿空气汇合，在宿迁地区造成雷雨大风、冰雹等强对流天气。地面图上可以看出河套南部至淮河以北地区有冷锋逐渐南压，雷暴发生前，宿迁位于冷锋前，增温作用明显。

2.2 环境条件

T-lnP图是环境热力和动力垂直变化分析的主要手段，图4分别为14日20：00徐州站和15日08：00射阳站探空分析。分析14日20：00徐州站探空曲线，状态曲线和露点线对应的温湿层结曲线呈“X”型，整个对流层随高度为“干—湿—干”分布，650～400 hPa出现T-Td<2℃、厚度约4 km的显著湿层，而400 hPa以上和600 hPa以下为干层。700 hPa以下风向随高度顺时针旋转，低层有暖湿平流输送，700～400 hPa风向随高度逆转，中层有冷平流输送，整层大气有利于对流不稳定发展。分析15日08：00射阳站探空曲线，500 hPa附近和近地面层均存在显著湿层，厚度约1 km，925～500 hPa为干层，干层的存在是由于降水负载引发的下沉气流因雷暴周边干空气的夹卷进入，造成雨滴迅速蒸发降温，下沉气流温度明显低于环境温度而产生的负浮力导致下沉运动加速[12]。700 hPa以下风向随高度顺时针旋转，有暖湿平流，中高层有冷平流，利于对流不稳定发展。

分析对流有效位能、下沉对流有效位能、SI指数、K指数等强对流参数表明：14日20：00，徐州站CAPE值为3 035.2 J/kg，

SI指数为-2.13℃，K指数为39℃，T850-500为27℃;15日08：00，射阳站CAPE值为3 437.8 J/kg，DCAPE为776.4 J/kg，SI指数为-0.49℃，K指数为36℃，T850-500为27℃;20：00DCAPE增至1 387.9 J/kg。分别对比7月14日20：00、15日08：00和20：00

徐州和射阳两个站点对应的各参数来看，单一参数值变化和雷暴大风的发生无明显相关关系，但CAPE>3 000 J/kg、DCAPE>1 000 J/kg、K指数>35℃、SI指数<0是综合判断宿迁地区雷暴大风天气发生的综合指标。

2.3 中分析

图5是7月15日08：00强对流过程天气系统配置分析。淮北地区受700 hPa和850 hPa切变线影响，宿迁处于切变线东南侧16～18 m·s-1西南急流中;同时，河南与安徽地区温度露点差为9℃～10℃，淮北地区仅1℃～2℃，因此淮北西部存在较明显的干湿对比。地面上，河南中部到江苏东部沿海一带存在东西向的辐合线，华北地区存在明显的正变压区，江苏南部为负变压区。另外，7月12—15日宿迁地区出现最高气温为35℃的连续高温天气，有利于不稳定能量积聚。

分析露点变化可以看出，15日08：00淮北西部12h内露点下降至1℃，淮北地区出现每经度9℃的露点梯度大值区，700 hPa和850 hPa上山东至安徽北部一带存在大范围显著湿区，河南和安徽交界处出现明显的干线，低层有中尺度切变线，且地面有辐合线活动。15日20：00淮北西部露点回升至6℃，干线明显减弱。分析比湿可以得到，7月15日08：00～14：00，850 hPa上，淮北地区比湿由13 g·kg-1增至15 g·kg-1，为强对流天气的发展提供了有利的水汽条件。

综上所述，干线、中尺度切变线和地面辐合线是此次强对流过程的触发机制，地面持续高温天气积聚了不稳定能量，850 hPa淮北地区比湿增加，为强对流天气的发展提供了有利的水汽条件。

3 物理量诊断分析

3.1 水汽条件

分析7月15日宿迁地区比湿垂直—时间剖面（图6）可以看出，02：00～11：00边界层比湿为16 g/kg，700～600 hPa比湿为8 g/kg;11：00～20：00边界层比湿达18 g/kg以上，850 hPa附近比湿为14 g/kg，比湿大值区向上延伸至700 hPa

上下，700～600 hPa比湿为6 g/kg，表明对流发展时段，对流层中层有干空气侵入并向下延伸，边界层湿度显著增大，“上干下湿”的垂直结构逐步建立，更有利于不稳定能量以雷暴大风的对流形式释放。

水汽通量是反映水汽输送量的基本参数之一，本文计算了7月15日02：00～20：00逐3 h700～925 hPa上的水汽通量（图7）发现：此次强对流过程的水汽通道主要是副高西北侧南到西南急流的水汽输送。从02：00～20：00，水汽通量的最大值区域，自西南向东北缓慢移动，且在11：00水汽通量达到最强，随后逐渐减弱。分析15日11：00 700～925 hPa上的水汽通量和流场可得，700 hPa上的水汽通量最大值为22 g×cm-1×

hPa-1×s-1，大值中心位于宿迁的西北部地区，850 hPa上水汽输送达到最强，最大值在22 g×cm-1×hPa-1×s-1以上，且区域较大，925 hPa上水汽通量最大值>22 g×

cm-1×hPa-1×s-1，但區域较850 hPa小得多，同时在东南方向还有一条水汽通道，最大值在14 g×cm-1×hPa-1×s-1以上，自西南向东北方向输送水汽，两条水汽通道在宿迁西部地区汇合。水汽输送随高度加强，在850 hPa高度上达到最强，然后向上逐渐减小。上述分析说明，此次强对流过程的水汽源主要来自南海和印度洋。

水汽通量散度表示水汽在一个地区的集中程度，分析7月15日14：00 925 hPa水汽通量散度（图8）可以看出，强辐合中心位于宿迁西部上空。

3.2 热力条件

分析15日14：00假相当位温分布和垂直-时间剖面图（图9）可得，假相当位温高值区由西南向东北延伸至宿迁南部地区，宿迁位于能量梯度锋区内，大气层结不稳定。11：00～17：00，对流层低层假相当位温不断增大，且向上延伸至900 hPa附近，说明近地面积聚了很高的能量。11：00～14：00 600～700 hPa有假相当位温低值中心，说明垂直方向为上干下湿的层结状态，存在对流不稳定，一旦有触发机制，即可产生强对流天气。随着对流的发生，对流层中层假相当位温逐渐增大，上干下湿结构被破坏，对流也逐渐减弱。

3.3 动力条件

从散度垂直-时间剖面（图10a）可见，对流层中低层为强辐合区，最大辐合高度位于500～450 hPa，辐合中心散度≤-6?10-5s-1，高层为强辐散区，最大辐散高度位于300～200 hPa，辐散中心散度≥6?10-5s-1。10：00～13：00，近地面层有强辐散，最大辐散中心散度为5?10-5s-1，低层辐散，中层辐合，高层辐散，说明中低层有下沉运动，中高层有上升运动。从垂直速度垂直—时间剖面（图10b）可见，08：00～14：00，对流层高层为强上升气流，最强上升运动位于400～300 hPa，中心垂直速度为-0.5pa·s-1，中低层为强下沉气流，最强下沉运动位于700～600 hPa，中心垂直速度为0.4 pa·s-1。下沉气流是强风暴气流场的一个重要特征，是导致下击暴流和地面强阵风的主要因素之一。

垂直风切变是风暴环境条件和组织性强弱的重要参量，层结不稳定条件下，较强的垂直风切变常常有利于强对流天气发展、加强。图11为7月15日08：00、14：00 0～6 km和0～3 km垂直风切变。分析可得，08：00宿迁地区0～6 km和0～3 km垂直风切变分别为12m·s-1和18 m·s-1;14：00，垂直风切变矢量差大值区东移至淮北，并且强度明显增强，中心最大值超过24 m·s-1，宿迁地区上空0～6 km和0～3 km垂直风切变分别为24 m·s-1和22 m·s-1。雷暴大风发生前，宿迁地区0～6 km和0～3 km垂直风切变出现一致增大，增幅分别为12 m·s-1和

4 m·s-1，中层增幅较低层明显。以上分析表明，此次雷暴大风发生在较强垂直风切变环境下。

4 结论

（1）2017年7月15日发生在宿迁地区雷暴大风天气过程的主要影响系统是高空冷涡和低空切变线，高空冷涡后部有冷空气补充南下，为强对流天气的产生提供了动力条件，同时，西南急流的维持为强降水带来充沛的水汽条件和热力条件。雷暴发生前，宿迁位于冷锋前，增溫作用明显。

（2）T-lnP图上状态曲线和露点线对应的温湿层结曲线呈“X”型，整个对流层随高度为“干—湿—干”分布。

700 hPa以下风向随高度顺时针旋转，低层有暖湿平流输送，700～400 hPa之间风向随高度逆转，中层有冷平流输送，整层大气有利于对流不稳定发展。分析各对流指数表明，单一参数值变化和雷暴大风的发生无明显相关关系，但CAPE>3000 J/kg、DCAPE>1 000 J/kg、K指数>35℃、SI指数<0是综合判断宿迁地区雷暴大风天气发生的综合

指标。

（3）700 hPa和850 hPa干线、中尺度切变线和地面辐合线是此次强对流过程的触发机制，地面持续高温天气积聚了不稳定能量，850 hPa淮北地区比湿增加，为强对流天气的发展提供了有利的水汽条件。

（4）此次强对流过程的水汽通道主要是副高西北侧南到西南风急流的水汽输送，水汽主要来源于南海和印度洋，且水汽强辐合中心位于宿迁西部上空。假相当位温高值区由西南向东北延伸至宿迁南部地区，宿迁位于能量梯度锋区内，大气层结不稳定。雷暴发生时，对流层低层有强辐散，中层为强辐合区，高层为强辐散区，对应高层为强上升气流，中低层为强下沉气流，是导致下击暴流和地面强阵风的主要因素之一。雷暴发生前，宿迁地区0～6 km和0～3 km垂直风切变出现一致增大，中层增幅较低层明显，表明此次雷暴大风发生在较强的垂直风切变环境下。

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責任编辑：黄艳飞

The Trigger Mechanism and Physical Diagnostic Analysis of a Thunderstorm Gale Weather

ZHOU Hang et al （Suqian Meteorological Bureau， Suqian， Jiangsu 223800）

Abstract Based on the reanalysis data of FNL， the synoptic situation， environmental conditions， trigger mechanism and physical characteristics of the thunderstorm process in Suqian area on 15 July 2017 are analyzed. The results show that the main Impact systems of the thunderstorm are high-altitude cold vortex， low-altitude shear line， southwest jet and surface cold front. The trigger mechanisms of the above thunderstorm include 700 hPa and 850 hPa drylines， the mesoscale shear line and the surface cold front. The water vapor channel of the above thunderstorm mainly is the water vapor transportation from south to southwest jet on northwest side of subtropical high， Besides， its water vapor comes from the South China Sea and the Indian Ocean， and the strong convergence center of water vapor is located over the western Suqian city. High pseudo-equivalent potential temperature range extends from southwest to northeast to southern Suqian， and Suqian is located in the energy gradient front area. When the thunderstorm occurs， there is a strong divergence center in the lower troposphere， while there is a strong convergence center in the middle troposphere， corresponding to a strong downdraft in the middle and lower layer， which is one of the main factors leading to downbursts and extreme wind on the ground， Before the thunderstorm occurs， the 0～3 km and 0～6 km wind vertical shear increase consistently in Suqian， and the increase amplitude in the middle layer is more significant than the lower layer. The conclusion indicates that the thunderstorm occurred in a strong vertical wind shear environment.

Key words Thunderstorm; The trigger mechanism; Physical characteristics