2020年“4·12”上海強對流過程形成機制分析

傅 易 韓 寧 徐建華 王 平 陶 嵐

(1.上海氣象服務(wù)中心，上海 200030;2.上海中心氣象臺,上海 200030)

0 引言

上海氣象災(zāi)害中，大風致災(zāi)概率為0.66(根據(jù)1873—2005年氣象災(zāi)害出現(xiàn)概率統(tǒng)計)，居氣象災(zāi)害之首。其中，強對流產(chǎn)生的雷雨大風往往具有突發(fā)性強和致災(zāi)性高的特點，數(shù)值模式對此類天氣的預(yù)報能力較差。2020年4月12日傍晚，上海發(fā)生的強對流天氣給全市帶來了較為嚴重的風災(zāi)，本文從強對流天氣中溫度、渦度配置、風場空間分布、雷達回波徑向剖面等方面分析大風成因，希望對未來預(yù)報、預(yù)警提供參考。

1 過程概況

1.1 天氣實況和天氣預(yù)報

此次強對流天氣過程帶來了大風、雷電和短時強降水，其特征是雷雨大風顯著，全市普遍出現(xiàn)7～9級大風，其中洋山港的極大風速高達11級；青浦區(qū)淀山湖、浦東新區(qū)孫橋、寶山區(qū)郵輪港等地的極大風速達10級。此次過程是4月11日北方冷空氣過境后，高空橫槽下擺造成的，各數(shù)值模式都沒有較好地預(yù)測，見圖1。

圖1 2020年4月10日20時為初始場的數(shù)值模式降水預(yù)報圖(單位：mm)

由圖1可見，歐洲中心細網(wǎng)格、GFS及SMS-WARMS(2nd)模式2020年4月10日20時起報的12日傍晚上海降水預(yù)報都沒有報出明顯的降水。

圖2是ECMWF模式和GEFS模式上海風速預(yù)報時間序列，兩家模式都沒有預(yù)報出4月12日傍晚的大風。從圖中可見，兩家模式在預(yù)報上都是從4月12日下午起風速呈下降趨勢，這是對此次橫槽下擺的影響預(yù)報不足的表現(xiàn)。

(1)ECMWF模式 (2)GEFS模式

1.2 災(zāi)情及影響

此次強對流過程給上海全市帶來了不同程度的災(zāi)害，根據(jù)上海市110報警平臺統(tǒng)計，全市共接報災(zāi)情584起，災(zāi)害以風災(zāi)為主，其中，風災(zāi)546起，雷災(zāi)3起，強降水災(zāi)情1起，另有34起災(zāi)情因信息不全而無法準確判別，大風造成16起傷人事件。受災(zāi)主要區(qū)域集中在中心城區(qū)和浦東新區(qū)，占總災(zāi)情的59%，具體見圖3。

圖3 上海各區(qū)災(zāi)情分布

2 天氣形勢分析

2.1 天氣形勢分析

此次強對流是前一天(4月11日)冷空氣影響后橫槽補充南下的過程(見圖4)，4月12日08時，上海處在槽后西北氣流控制下，大氣層結(jié)穩(wěn)定。但是，傍晚前后橫槽轉(zhuǎn)豎影響上海時，對流迅速發(fā)展(見圖5)，18時11分，當降水區(qū)移近上海時最強回波強度僅40dBZ左右，半小時后，降水區(qū)到達上海境內(nèi)，強度迅速加強，最強回波強度達55dBZ，19時31分強回波基本移出上海。

此次強對流天氣的發(fā)生最大的特征是整層大氣沒有西南急流相配合，即沒有強水汽輸送，從4月12日08時高空天氣圖可以看到，從850hPa至200hPa各層都是偏北氣流或西北氣流，850hPa、700hPa、500hPa、200hPa的溫度露點差分別是7℃、4℃、34℃和30℃，所以說整層大氣都比較干，從天氣大背景看，缺少產(chǎn)生強對流過程的必要條件。

2.2 溫度分布分析

2.2.1 高空溫度平流分析

從南北向的12小時溫度變化可以發(fā)現(xiàn)(見圖6)，在上海上空是一個很強的降溫區(qū)，在700hPa處形成了-10℃的降溫中心。與此對應(yīng)的是低層出現(xiàn)了較強的升溫區(qū)，并在上海形成了4℃的增溫中心，也就是說，上海中上層大氣具有很強的冷平流，低層具有較強的暖平流，其結(jié)果造成了11日冷空氣過后上海低層大氣迅速回暖，中高層大氣越來越冷。這種明顯的上冷、下暖的層結(jié)結(jié)構(gòu)是造成此次上海強對流的熱力原因。

上海中上層具有很強的冷平流，低層具有較強的暖平流，也直接導(dǎo)致了上海地區(qū)大氣不穩(wěn)定能量的增大(見圖7)，4月12日08時上海處在低能量區(qū)，K指數(shù)為13.7℃，20時上海則是處在了高能量區(qū)，雨后經(jīng)過能量釋放后的K指數(shù)為26.1℃。

圖4 2020年4月12日08時高空天氣圖

(a)18時11分雷達回波圖 (b)18時40分雷達回波圖 (c)19時31分雷達回波圖

圖6 2020年4月11日20時與4月12日08時溫度差剖面圖

2.2.2 地面氣溫分布分析

4月11日受冷空氣影響，上海及周邊地區(qū)出現(xiàn)了強降溫，15時氣溫在10℃左右。12日上海氣溫急速上升，15時氣溫升至近20℃，上海中心城區(qū)和市郊各區(qū)與11日同期相比升溫近10℃(見圖8)。氣溫的急速上升使大氣的能量得到了快速補充，不穩(wěn)定能量增大。由于城市熱島效應(yīng)的作用，在上海形成了一個弱的暖中心，暖中心的形成一定程度上提供了空氣上升的熱力條件，有利于上海周邊空氣向上海輻合，助長此次強對流天氣的發(fā)展。

(a)08時K指數(shù)場 (b)20時K指數(shù)場

圖7 2020年4月12日K指數(shù)場分布圖

2.3 高空渦度分析

圖9是12日08時和12日20時500hPa的渦度平流圖。在08時渦度平流圖上，上海至南京有3條強正渦度平流帶，至20時，3條正渦度平流帶匯聚在上海上空，在這個過程中對上海來說具有較強的正渦度平流，正渦度平流導(dǎo)致了下層等高面的降低(見圖10)。

從氣壓日變化的規(guī)律來看，正常天氣形勢下，08時低層大氣的位勢高度往往是增高的，但是，12日08時700hPa和1000hPa等高面上都出現(xiàn)了位勢高度的降低，特別是低層位勢高度的降低增加了低層空氣上升的動力，助長了降水云團到達上海后發(fā)展的動力條件。

(a)12日08時500hPa渦度平流分布圖(單位：10-7s-2) (b)12日20時500hPa渦度平流分布圖(單位：10-7s-2)

圖10 700hPa和1000hPa天氣圖(圖中綠色數(shù)字為12小時變高)

2.4 高空槽過境前后GPS風場分析

從大尺度天氣形勢分析，東部沿海地區(qū)在偏北氣流或西北氣流控制下，但是從GPS風場分析(見圖11)，橫槽影響上海前(15時、16時)，上海的嘉定與閔行之間在600～1500m高度上存在西北風和西南風間的輻合區(qū)，當橫槽影響時(17時)嘉定與閔行之間西北風和西南風間的輻合區(qū)則向下延伸到了近地100m，向上擴展至5000m，整層大氣都有風切變，而蘇南地區(qū)在橫槽影響前后一直吹的都是西北風，沒有出現(xiàn)過風切變，這就是回波在蘇南地區(qū)較弱，進入上海境內(nèi)后明顯發(fā)展的原因之一。

圖11 GPS風場剖面圖

相對于一日兩次的常規(guī)高空觀測，GPS風場信息具有高時空分辨率的優(yōu)勢，目前多個省份的觀測已經(jīng)能夠形成有一定規(guī)模的組網(wǎng)。對于這類資料的細致分析，是判斷未來本地對流是否發(fā)生、發(fā)展的有效工具，在今后的預(yù)報工作中還要加強使用。

3 過程降水弱、風力強的原因分析

本次過程顯著的特征是降水弱，風力強，17時至20時全市雨量普遍在10mm以下，極大陣風達10級。

3.1 過程降水條件分析

從高低空環(huán)流來看，上海及周邊地區(qū)都是西北氣流，沒有一支利于強降水發(fā)生的輸送水汽的急流。

12日08時,上海及周邊地區(qū)水汽都是處在輻散條件下(見圖12)，無論是925hPa等高面上，還是850hPa等高面上，水汽通量散度都是大于零，即這兩層的水汽都是輻散，低層水汽輻散強降水不易發(fā)生。

圖12 水汽通量散度場分布圖

3.2 過程大風條件分析

從圖13(a)可見， 18時40分回波移至上海境內(nèi)，強度明顯增強，并呈現(xiàn)出顯著的弓狀回波特征，在弓狀回波帶上，嘉定附近出現(xiàn)了55dBZ的強回波單體，弓狀回波的出現(xiàn)說明大氣層結(jié)的不穩(wěn)定，其對應(yīng)的是常常有地面大風產(chǎn)生。

圖13(b)是0.5度仰角的平均徑向速度圖，在弓狀回波的后部有一片負速度區(qū)域，即存在一較大范圍的西北風區(qū)域。圖13(c)是18時40分平均徑向速度垂直剖面圖，剖面位置對應(yīng)于圖13(b)中線段AB的位置，也即嘉定附近強回波單體的位置，在徑向速度垂直剖面圖中，大于26.3m/s的下沉氣流自2.5～3.0km的高度指向弓狀回波的前沿，而在雷暴移動前方有大于26.3m/s的氣流從弓狀回波的前沿向上爬升，綜合分析圖13(b)和圖13(c)，雷暴存在一較大范圍西北方向自中層插向弓狀回波前沿地面的強下沉氣流，即產(chǎn)生雷暴大風，這個下沉氣流速度和地面測得的極大風速基本一致。因此雷達回波徑向剖面圖是判斷雷暴大風的重要依據(jù)，剖面中插向弓狀回波前沿地面的強下沉氣流速度可以成為風速定量預(yù)報的有效參考。

(a)0.5°仰角18時40分反射率因子雷達回波圖 (b)0.5°仰角18時40分雷達徑向速度圖 (c)18時40分雷達徑向垂速度剖面圖

雖然，這次強對流過程缺少水汽輸送，降水強度較弱，但是在上文分析的各種動力影響下，降水云團移至上海后得到顯著發(fā)展，產(chǎn)生雷暴，在降水較弱的情況下，能量主要通過大風進行釋放，產(chǎn)生雷雨大風。

4 結(jié)論

在天氣形勢不利于強對流發(fā)生、發(fā)展的背景下，本文從鋒后增溫、渦度平流、GPS風場分布及雷達回波徑向剖面等方面分析了2020年4月12日傍晚發(fā)生在上海的雷雨大風成因，主要結(jié)論如下：

①冷空氣影響后低層大氣迅速增暖，中高層大氣強烈變冷，顯著的上冷下暖層結(jié)導(dǎo)致上海地區(qū)大氣不穩(wěn)定能量增大是造成此次上海強對流天氣的熱力原因。

②較強的高空正渦度平流導(dǎo)致局地低層大氣位勢高度的降低，為降水云團到達上海后進一步發(fā)展提供了動力條件，促進了對流強度的加強。

③上游及本地的多站點GPS風場演變，很好地反映了高空槽過境前后上海地區(qū)邊界層輻合加強的趨勢，這也是生成于江蘇無錫地區(qū)的弱回波進入上海后明顯發(fā)展的直接原因。加強對GPS風場組網(wǎng)實況資料的分析，是判斷未來本地對流是否發(fā)生、發(fā)展的有效工具。

④雷達回波徑向剖面圖是判斷雷暴大風重要依據(jù)，通過雷達回波徑向剖面發(fā)現(xiàn)較大范圍西北方向自中層插向弓狀回波前沿地面的強下沉氣流速度大于26.3m/s，這支下沉氣流的速度與實際地面測得的極大風速基本一致，這也為雷雨大風風速的定量預(yù)報提供了參考。