一次飑线大风天气过程成因分析

2021-09-03赵蕾郝丽清陈亮

热带农业科学 2021年8期

赵蕾郝丽清陈亮

(1海南省南海气象防灾减灾重点实验室海南海口 570203;2海南省气象服务中心海南海口 570203;3海南省气象台海南海口 570203)

春夏之际是海南省强对流天气高发期，飑线是强对流天气重要的中尺度影响系统之一，往往伴随局地暴雨、短时大风、冰雹等灾害性天气，飑线引发的强对流天气尺度小，很难捕捉，由于破坏性强，其导致的灾害仅次于台风和洪涝，因此飑线的研究一直是广大气象工作者关注的重点之一。有些学者或专家基于统计分析建立飑线天气学概念模型，如丁一汇等［1］指出，中国飑线发生的大尺度环境分成4类，即槽前型、槽后型、高压后部型、台风倒槽型或东风波型。严红梅等［2］对金华地区一次副热带高压控制下强对流天气过程的诊断分析发现，盛夏季节里，前期在不断加强西伸的副热带高压作用下，水汽和不稳定能量积聚到一定程度，当低层辐合条件较好时，也会发生强对流天气。覃靖等［3］探讨了地面冷空气和低空急流配置下的飑线过程；陈思毅等［4］分析了一次高空槽配合地面辐合线的暖区飑线过程；李影虹等［5］分析了高空槽和低空急流配置下的飑线大风过程。研究发现，地面中尺度辐合线与对流天气的发生、发展关系非常密切，对局地强对流具有触发、组织和增强作用［6-7］。飑线的强对流运动被认为是冷池与低层环境垂直风切变相互作用的结果，得到了广泛认可［8-9］。随着观测手段的多样化，针对飑线发生时的中尺度和雷达回波特征［10-14］、飑线形成的机制［15-16］及其产生强天气的成因［17-19］成为了关注重点。

虽然前人对飑线研究比较深入，但是飑线的发展是一个极其复杂的过程，其形成过程受多种因素影响，由于海南岛独特的地形、海陆热力差异及大尺度系统强迫的共同作用，对这种中小尺度系统的生消过程难以把握，导致模式对该过程漏报。本文利用常规高空地面资料、海口多普勒雷达产品资料等，分析了此次飑线天气过程的环境场特征及回波特征，为今后海南强对流天气的监测和预警提供参考。海南是农业自然灾害发生频率高、危害严重的地区，飑线等强对流天气破坏性强，对农业生产构成极大威胁，导致农作物受灾，对海南经济造成一定损失。因此，要关注飑线等强对流天气的发生和演变，为今后开展海南农业气象服务提供参考。

1 天气实况

2020年4月22日早晨在广西中部到北部湾北部海面有对流云团活动，其东移过程中雷州半岛飑线发生，两条飑线之间的对流单体经过北部湾海面移到海南岛西北部内陆时，产生阵风锋，激发了位于海南岛西北部地区附近地面的辐合线原有分散对流回波的进一步组织化发展，并于当日下午与雷州半岛飑线合并成东北—西南走向的飑线回波带（弓形回波），自西向东移过海南岛；移动过程中给海南岛北半部地区带来大范围雷暴大风和局地短时强降水天气。2020年04月22日15时01分至20时00分，3个乡镇出现了大于10级的阵风，41个乡镇出现了大于8级的阵风，其中最大阵风16：50出现在新海港，为29.2 m/s（11级）（图1-A），平均风为8～9级，阵风10～11级，持续时间约30 min。海南岛降水主要出现在午后15—20时，降水量总体强度不强，呈现局地性特征（图1-B），最大降水量出现在白沙南开乡政府，为118 mm，降水主要分布在海南岛西北和中部山区。

2 大尺度背景场

强对流天气一般发生在有利的环境条件下，前期副热带高压稳定，在中国华南地区少有发生。在稳定的反气旋性环流控制下，海南岛持续晴热天气，2020年4月22日08时（北京时，下同）环境背景场综合分析（图略）。500 hPa欧亚中高纬为两槽一脊，东北冷涡缓慢东移，其后部横槽东移南下，槽底在30°N附近，南支槽较为平直，带状副热带高压控制华南沿海及南海海域，长江以南至海南岛为纬向西风；200～700 hPa华南北部地区有偏西急流，850 hPa华南地区有东西向切变线，西段位于广西中部，东段位于广东北部，切变线南侧有西南急流，最大风速达16 m/s，将水汽源源不断地从孟加拉湾向广西输送；海南岛吹反气旋式偏南风，925 hPa切变线位于广西南部至广东中部地区，1 000 hPa切变线已南压到北部湾一带；海南岛由于受东南气流影响，高空急流配合中低层的切变，形成低层辐合、高层辐散的高低空配置。地面准静止锋位于北海附近，长约500 km，此次飑线过程发生在副热带高压北侧边缘、低层切变和地面准静止锋南侧暖区内。

图1 2020年4月22日14-20时极大风和降水量分布

3 中尺度环境条件

3.1 物理参数特征

为研究飑线形成原因，对海口环境条件进行综合分析。由于风暴的形成很大程度取决于层结不稳定度、垂直风切变情况和水汽等因素。

从热力条件上看，由于强对流发生在午后，根据14时的海口地面气温和露点温度对08时的海口探空数据进行订正，订正后的对流有效位能为2 500 J/kg，表明其具备一定的不稳定能量；K指数为33.9，Si指数为-4.21，表明中尺度环境场处于强的不稳定状态。850 hPa比湿为14 g/kg，925 hpa比湿为12 g/kg，大气可降水量平均在40 mm，说明水汽条件较好；另外，抬升凝结高度和自由对流高度都较低，有利于短时强降水的发生。从动力条件上看，0～6 km垂直风切变达到15 m/s时，属于中等偏强的量级，有利于飑线在东移过程中组织化发展并长时间维持；850 hPa以下受南到东南气流的控制，中高层为西南风，风速顺转有利于强风暴的生成。本次飑线发生在暖区，水汽条件充沛，垂直风切变较强。

2016年4月22日16时900 hPa及700 hPa温度场和相对湿度叠加场见图2。900 hPa整个华南区域处于高湿区域，两广地区与海南岛西北部陆地区温度梯度较大，有利于海南岛西北部辐合线的发展；此外，在雷州半岛和广西中部、北部湾北部相对湿度在20%左右，说明有干侵入（图2-A）。由图2-B可知，华南地区湿度较小，而江淮、长江中下游地区湿度梯度较大。华南地区整层没有明显的冷空气，低层有干侵入。

环境分析场表明，飑线是在有利的热力条件、动力条件、水汽条件和层结条件下迅速发展的。

3.2 中尺度触发机制

通过以上分析可知，海南岛上空大气储备了较高的能量和不稳定层结，是产生强对流的内因，还需要外因作为触发条件。在有利的大尺度环流背景下，强对流的发生、发展及减弱主要取决于低层触发机制。对流初生阶段由于海陆热力差异，15：30分左右在海南岛西北部地区存在一条由偏北风和东南风形成的辐合线；16：00辐合线北侧偏北风量逐渐增大（图3），平均风力增大至6～8 m/s，辐合线附近温度为34～36℃，露点温度为22～25℃，为暖湿边界层辐合线提供有利热力条件；为使飑线进一步发展，在地面辐合线发展期间，其附近温度露点梯度不断加大，16：30辐合线北段形成飑线，雷达回波图显示，飑线形态与地面辐合线走向一致，并缓慢东移；17：00可看到飑线后侧出现了大风天气，辐合线附近不断有新的对流单体触发，辐合线为飑线提供了有利动力触发条件，低层辐合上升运动触发了不稳定能量的释放，导致了强对流的发生。可见中尺度地面辐合线的形成为强对流天气爆发提供了非常有利的抬升触发机制。

图2 2016年6月5日16时900 hPa（A）、700 hPa（B）温度和相对湿度叠加场

图3 2020年4月22日15：30和16：00时加密自动站

4 雷达回波特征分析

BLUSTEIN等［20］将飑线的生成方式大致分成4种类型，即不连续线发展型、后部新生型、不连续面发展型和隐含对流云区发展型。此次飑线过程如下：对流单体在经过北部湾海面移到海南岛西北部内陆时，产生阵风锋，激发了位于海南岛西北部地区附近的地面辐合线原有分散对流回波的进一步组织化发展，属于不连续面发展型。

通过早晨卫星云图（图略）可知，对流最初起源于广西中部到北部湾北部，向偏东方向移动，移动过程中雷州半岛的飑线在逐渐发展，15：00飑线的前沿接近海南岛西北沿海地区。15：30可看到北部湾海面和雷州半岛已有两条平行的飑线，东移过程中雷州半岛飑线维持；北部湾海面的飑线在东移过程中结构松散，强度逐渐减弱，两条飑线之间夹着多个对流单体，此时雷达探测到中雷州半岛南端的对流单体前面约8 km处有弧形的窄带回波即阵风锋出流，强度在20 dBz左右，距离海南岛西北内陆的多单体约20 km，移速较快；与此同时，在海南岛西北部内陆地区，由于午后热力对流形成辐合线，在其附近有多个孤立对流单体生成。对比同一时次的基本径向速度与地面气温叠加情况（图4）可知，飑线前期有明显的后侧入流急流，阵风锋在后侧入流急流的作用下向东南方向移动；16：00左右（阵风锋）与海南岛西北内陆的对流单体汇合，并激发了原有对流单体的组织化发展，此时后侧入流急流与环境风前侧偏南暖湿气流辐合抬升，不断激发中尺度辐合线附近的对流单体；16：30对流单体组织化发展成为强的线状回波带，并与雷州半岛的飑线合并发展成为强的线状回波带，前边界清晰，此时飑线表现出较强的前导对流线和宽广的尾随层状云形态，飑线强回波与变温梯度大值区对应，线状特征最显著；16：30前，雷西海面出现冷池，冷池中心气温为18℃，冷池前方边缘（阵风锋）等温线密集带与海南岛西北内陆地区（气温达32℃）形成了极大的水平温度梯度，密度流强，这正是飑线产生极大风的重要原因。冷池触发其前沿空气和新对流单体，17：30合并的飑线在东移过程中，遇五指山断裂，分成南北两段，南段不断分裂新的对流单体，脱离飑线，并逐渐减弱；北段飑线向南延伸，冷池强度逐渐减弱，但范围稍有扩大，且位置也随系统略向东南方向移动。总的来说，飑线与冷池移动方向一致，朝东南方向移动；飑线直到20：00才移出海南岛，其形态保持不变，但强度在逐渐减弱；该飑线在海南陆地上具有生命史长、强度大的特点，使得其沿途所经的地区产生了大风天气。

图4 不同时次0.5°仰角反射率因子与地面温度和0.5°仰角基本径向速度与地面温度

此过程的重点和难点是飑线移动方向，其移动方向和移动速度等于平均云层风矢和风暴传播矢之和，风暴传播即相对风暴的新生单体。参考前人研究结果可知，平均风云层风矢（引导气流）为西南风，低空急流为风暴传播风矢，为偏北风，二者合成对流系统（飑线）的移动方向，为东南风；引导气流方向与飑线系统移动方向相差近90°，给短临预报造成困难，在今后的短临预报预警中对类似问题应引起重视。

5 局地大风产生的原因

5.1 地面自动站要素分析

新海港在飑线过境时和过境后分别出现了阵风为28 m/s（11级）和29.2 m/s（11级）的大风天气，分析其产生的可能原因如下：15：00—16：30降温幅度较小，为2℃，风向由偏南风顺转跃变到偏西风，风速增加到13.7 m/s；16：30—16：40风向由偏西风顺转到偏北风，风速增加到24 m/s；16：40左右飑线过境，温度急剧下降，下降了4.5℃，降温幅度明显；随着气温下降，大气接近饱和，同时风向转变，辐合增强，产生降水，这说明先有冷池降温，然后才产生降水。随着降温幅度递减，降水增大，飑线过境带来的冷池降温和风向辐合是产生短时强降水的原因。结合新海港自动站10 min的极大风（图5）与5 min雨量（图略）发现，雨量与极大风速有很好的对应关系，16：30—16：45降水由0.4 mm增大到9.2 mm，呈正相关，雨量增大的同时风速也开始增大，降水的拖曳作用产生了局地大风；16：48左右飑线主体移过新海港，16：50出现最大阵风29.2 m/s，说明此次大风主要发生在飑线过境时及飑线后侧区域；18：00飑线逐渐远离该站，风速迅速减小，且风向由西北风转为偏东风。单站自动站分析表明，飑线经过时，气象要素出现了风向突变、温度陡降等变化，过境之后又迅速恢复平稳，这是一次非常典型的飑线过程。

图5 新海港自动站要素变化时序图

5.2 飑线系统垂直结构特征

海口新海港大风主要集中在16：40—17：10，平均风持续8～9级，阵风10—11级，持续时间较长。通过飑线垂直结构分析产生的可能原因：沿新海港所在纬度20°做纬向风和垂直速度剖面，14时，新海港上空110°及其以西，垂直速度呈上升运动，大值区位于800 hPa附近，且垂直速度轴向西倾斜，即向后倾斜，这种倾斜说明垂直风切变较大，有利于风暴内上升和下沉气流的长期并存，同时有利于风暴的维持。110°以东，沿垂直速度轴下沉，16时110°及其以西垂直速度由上升运动转为下降（图6），且垂直速度大值区下降至950 hpa附近；17时110°附近垂直速度仍持续下沉。据自动降雨量实况，新海港降水集中在下午16：30—17：00，其中16：45时降水量最大为9.2 mm，通过海口的双偏正雷达降水识别可知其属于大降水粒子，大降水粒子的拖曳下沉作用可能是造成海口新海港大风的成因之一；另外，16：00—17：00，110°附近持续的垂直速度下沉运动，将高空垂直速度大值向下输送可能是造成持续性局地大风的原因之一。