2017.6.21致災雷暴大風特征分析

馬鴻青，郭志強，李 彥，徐義國，董疆南

（保定市氣象局，河北保定071000）

0 引言

雷暴大風是伴隨雷暴出現的瞬時風速可達17 m/s以上的災害性陣風。因突發性強、持續時間短、破壞性強且預報難度大等特征，雷暴大風產生的環境條件、物理機制及臨近預報預警一直是國內外氣象學者研究的重點之一。Fujita[1]認為，雷暴大風是由于上升氣流凝結的冰晶、水滴在下落過程中產生拖曳作用和融化、蒸發吸收釋放的潛熱使大氣冷卻所引起；秦麗等[2]通過統計研究北京地區的雷暴大風氣候特征，指出北京地區的雷暴大風具有地理分布不均、日變化和季節變化明顯等特點，對流層中層的干冷空氣在雷暴大風的產生過程中非常重要；楊曉霞等[3]以天氣模型對1971—2008年山東雷暴大風進行分類研究，給出了不同季節雷暴大風發生的天氣尺度模型；黃榮等[4]分析了北京地區雷暴新生和增強機制，指出地形強迫、垂直風切變、地面輻合中心、邊界層熱力和動力不穩定的共同作用是局地雷暴新生的主要物理機制；丁青蘭等[5]分析發現，北京西北部和東北部山區夏季雷暴大風偏多；劉香娥等[6]通過研究認為，降水粒子的蒸發和融化冷卻能夠有效降低地面溫度，產生地面大風；廖曉農等[7]利用多元回歸分析技術對北京地區雷暴大風進行了分析和潛勢預報，為雷暴大風預報提供了借鑒。

近幾年許多氣象同行[8-14]利用多普勒雷達產品對風雹等強對流天氣的臨近預報做了大量分析與研究。保定是農業大市，地形特征又比較復雜，對于不同地形的雷暴大風，其發生發展的機理并不完全一樣，對該地區雷暴大風發生的環境條件、動力熱力特征及預報技術的研究還有待拓展。因此，本研究著重從觀測事實和物理機制兩方面對2017 年6 月21 日雷暴大風天氣過程進行剖析，以期為今后日常的預報提供幫助，從而更好地為農業生產做好專業氣象服務。

1 天氣實況

2017 年6 月21 日（見圖 1）（以下簡稱“6.21”）午后到傍晚（18:00—20:00）保定及雄安新區突發強對流天氣，強對流發展迅速，來勢兇猛，雷雨同時伴有大范圍的雷暴大風。本次過程雷暴大風站次達到39個，主要集中在保定東部和雄安新區，20 m/s 及以上雷暴大風有16 站次（見表1），最大風速出現在高碑店梁家營30.7 m/s。雷暴大風使轄區內玉米、土豆、蔬菜等農作物受災嚴重。

圖1 雷暴大風空間分布（風速：m/s）

表1 20 m/s及以上雷暴大風實況

2 環流背景

2.1 大尺度環流形勢

6月21日08時對流層中層500 hPa（見圖2a）貝加爾湖到河套之間維持1個橫槽，由于冷空氣的滲透，橫槽南部形成1條弱的河套短波槽，溫度槽與之相配合，此槽位置略偏西，河北大部分地區受對流層低層700 hPa及以下的反氣旋性環流控制。21日08—20時（見圖2b）河套地區的高空槽有所東移，同時，西太平洋副熱帶高壓緩慢北抬，受其影響，江淮切變線也隨之北抬，江淮切變線北部的偏南氣流明顯增強，河北低層由偏北氣流轉為偏南氣流。地面對應的是自西向東伸展的低壓帶（圖略）。結果，在河套高空短波槽前的低空偏南氣流里突發雷暴大風等強對流天氣。

從地面3 h 變壓和紅外云圖的疊置可以看出，21日午后，山西到河北西部有1個-2.5 hPa的變壓中心形成（見圖2d），地面輻合增強，與此同時，負變壓中心周圍對流云團開始發展。14—17時，隨著山西境內大片雷暴的出現，氣壓迅速升高，山西境內形成1.5 hPa 的正變壓中心（見圖2e），負變壓區東移。此時，正變壓區內的云團逐漸減弱，正負變壓過渡帶的對流云團強烈發展，保定正好處在正負變壓梯度密集區，18:30 左右（見圖2f），保定東部對流云團的云頂高度快速上升，云頂亮溫(Tbb)降到-55℃以下，之后，云團移動前方Tbb梯度大值區出現雷暴大風等強對流天氣。

根據21日08時北京探空數據計算得出：沙氏指數SI為-5.55℃，K指數為 35℃，600～925 hPa 大氣呈上干下濕的“喇叭狀”分布（見圖2c），對流層中上層的干空氣更加明顯，說明大氣層結還是非常不穩定的。另外值得關注的是，本次探空存在上下2個自由對流高度LFC（見圖2c），一個位于1000 hPa，另一個位于630 hPa附近，氣團具備潛在的不穩定性，對流云團有可能發展。

2.2 中尺度背景特征分析

21日14時左右，位于保定與雄安新區之間的地面中尺度輻合線開始出現（見圖3a），17—18時西部山前由于地形抬升生成的對流云團東移到地面中尺度輻合線附近，對流云團快速發展加強（見圖2e～f）。上游雷暴的發生使氣壓場和溫度場出現擾動，保定中部形成1 個直徑不到100 km 的明顯的冷池，最大負變溫中心（見圖3b）為-9.4℃，同時，與冷池相匹配的是1 個較大正變壓區，最大正變壓（見圖3c）為4.2 hPa，保定東部到雄安新區的強對流云團與地面小時強變溫和小時強變壓前側鋒區相吻合。可見，地面中尺度輻合線和冷池共同加劇了雷暴大風等強對流的爆發。

3 物理機制分析

3.1 能量與不穩定機制

21日午后，隨著太陽輻射加強，地面氣溫上升，21日 14 時（見圖 4a）500 hPa 與 850 hPa 的溫差達到-33～-34℃，層結不穩定條件具備；21日08—14時（見圖4b），隨著對流層低層偏南氣流的加強，邊界層暖平流有所加強，低層能量增加，21 日14 時800 hPa 到地面出現“Ω”型能量鋒區，邊界層與500 hPaθse的差值大于16 K，對流性不穩定形成，16 時左右邊界層冷空氣開始入侵，之后，對流云團發展加強，強對流加劇，18—19 時保定中東部和雄安新區出現區域性雷暴大風。20 時隨著雷暴大風等強對流的出現，邊界層被冷空氣堆占據，同時高層出現弱的暖平流，對流不穩定條件減弱，強對流趨于結束。Cape指氣塊在自由對流高度和平衡高度之間受環境正浮力所做的功，它是一種潛在的不穩定能量，因此，Cape可以作為判斷雷暴大風等強對流是否發生的環境參數之一。21日08—14時（見圖4d）保定中東部Cape值直線上升，能量處在積累階段，中午前后Cape值達到2300～2400 J/kg，隨后上升運動快速發展（見圖5b），說明此能量值轉化為上升運動所需的動能，最終導致雷暴大風等強對流天氣的爆發。21 日20 時—22 日02 時，隨著雷暴大風等強對流天氣的結束，能量得到釋放，Cape值快速降至200 J/kg 以下。地面能量與雷暴大風等強對流天氣的發展緊密相關，6月21日08時（圖略），39—40°N，114—116°E區域內有1 個近似東西向的地面能量鋒區，其北部為低能區，南部為1個相對的高能舌區，這與地面常規天氣圖上的北高南低形勢吻合。21日14時（見圖4c），60℃的高能舌繼續北頂西伸，在保定東部與雄安新區形成1個閉合高能舌中心，39°N附近濕靜力溫度等值線密度加大，說明能量鋒區加強，18—19 時最強對流云團在保定東部與雄安新區上空發展壯大，雷暴大風出現，6月22 日02 時（圖略），60℃的高能舌南撤，能量鋒區減弱。由此可得，地面濕靜力溫度代表的能量變化至少可以比強對流的爆發提前2～3 h。

圖2 環流背景場與云團演變

圖3 地面中尺度系統（變溫：℃，變壓：hPa）

3.2 動力機制

21 日14 時（見圖5a）保定邊界層到地面逐漸由偏南風轉為偏東風，對流層中層為偏南風，保定區域出現0～3 km垂直風切變大值區，其中心值大于2.1 m/(s·km)，同時風隨高度發生近90°的順轉。21 日08 時開始，對流層低層的輻合（見圖5b）逐漸增強，14—20時對流層上升運動（見圖5b）快速發展，18—20時，低層(900 hPa)最大上升運動中心-0.6 Pa/s，最大上升速度位于400 hPa，其值為-0.9 Pa/s，此時強對流發展達到最強，中東部的雷暴大風就出現在這個時段。根據文獻中[15]中定義：MPV2＜0，且MPV2 的絕對值越大，說明水平風的垂直切變和相當位溫的水平梯度越大，大氣的濕斜壓度越強，有利于氣旋性渦度的發展。20 日夜間，邊界層800 hPa 以下濕位渦斜壓項MPV2 的負值區域明顯增強（見圖5c），21 日14—20 時，隨著高空影響系統的東移，MPV2 的負值區向高層伸展，750 hPa 附近出現-1.6 PVU 的中心，其與0～3 km 水平風的垂直切變加強時間一致，間接說明低空風場的變化；與此同時，高空450 hPa 和 300 hPa 也分 別 形成 -2.0 PVU 的 MPV2 中心，說明對流層整層的氣旋性渦度快速發展，大氣的斜壓性增大，輻合上升運動增強，雷暴大風等強對流就出現在濕位渦絕對值得到增大的時段和區域，濕位渦的斜壓項與雷暴大風的發生時間和落區相吻合。當大氣具有潛勢不穩定能量時，垂直螺旋度能反映對流天氣的垂直螺旋上升運動特征，其越來越多的被應用于對流天氣的診斷預報中[16-21]。21 日14—20 時，隨著影響系統的臨近和低層上升運動的發展，對流層低層的正垂直螺旋度（見圖5d）逐漸增大，18—20時，位于700 hPa的垂直螺旋度最大值達到5×10-5hPa/s2，說明低層輻合加強，同時對流層高層有1 個代表高空強輻散的閉合負螺旋度中心與之相配合，這種低層正、高層負的配置，非常有利于強對流天氣的爆發。

圖4 能量與不穩定條件

4 結論與討論

（1）本次區域性雷暴大風發生在高空槽前，地面中尺度輻合線和冷池是雷暴大風天氣的直接觸發機制。探空曲線存在上下2 個自由對流高度LFC，說明氣團具備潛在的不穩定性，預示對流云團有可能發展。大氣層結呈上干下濕“喇叭狀”，整層濕度較小，本次強對流以雷暴大風為主。小時最強負變溫和最大正變壓與雷暴大風等強對流天氣的發生發展有很好的對應關系和指示意義，最強負變溫和正變壓前側鋒區容易出現雷暴大風。依據此兩項指標至少可以提前10～20 min發出預警信號。夏季午后隨著太陽輻射加強，“Ω”型能量鋒區快速發展，Cape達到2000 J/kg 以上，強對流云團在濕靜力溫度密集區（能量鋒區）形成、發展，雷暴大風等強對流天氣位于高能舌附近的能量鋒區。中高層的冷平流越強，動量下傳帶來的雷暴大風越劇烈。邊界層弱冷平流有利于水平鋒區的形成與加強。2.1 m/(s·km)以上的0～3 km強垂直風切變使對流的發生更加有組織性。MPV2 的負值區向高層伸展，致使對流層整層的氣旋性渦度快速發展，大氣的斜壓性增大，輻合上升運動增強，雷暴大風等強對流就出現在濕位渦絕對值得到增大的時段和區域。低層的垂直螺旋度最大正值達到5×10-5hPa/s2，高層的垂直螺旋度最大負值達到-3×10-5hPa/s2，高、低空螺旋度的耦合，構成此次強對流天氣的典型模式。

圖5 動力條件

（2）本研究發現，本次過程探空曲線存在上下2個自由對流高度LFC，這對強對流天氣的潛勢預報意義重大；雷暴大風出現在小時最強負變溫和最大正變壓前側鋒區，依據此，2 項指標可以提前發出預警信號；邊界層弱冷平流與水平鋒區的形成和加強關系密切。

（3）1次個例不能足以證明上下2個自由對流高度LFC 對強對流天氣的真正指示意義，需要從眾多類似天氣過程中去歸類、總結。

（4）因為資料有限，本研究對雷暴大風的形成機理研究的還不夠深入，之后有必要在新資料方面做更深入的分析。