2016年一次南支槽引起的中-α尺度颮線天氣過程分析

龔 婉，閆信會，楊素雨

(1.云南省德宏州氣象局，云南 芒市 678400；2.云南省氣象臺，云南 昆明 650034)

1 引言

颮線(squall line)是由多個活躍雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對流系統(MCS)，其發生時常伴有雷暴大風、冰雹災害性天氣，因此對颮線的研究一直受到普遍關注[1]。隨著多普勒雷達網的建成和風廓線儀等新型觀測手段的應用，一批弓形回波雷暴大風的觀測研究涌現，從強對流短時臨近預報的角度分析了弓形回波發生的天氣尺度環流背景和雷達回波特征[2]，但是，對南支槽天氣背景下產生颮線探討較少。因此，本文利用包括云南多普勒雷達站(CINRAD/CC,體掃模式VCP11)等資料，分析2016年4月19日發生在云南中-α尺度颮線的發展、維持及致災原因和地面風害成因，為云南短時臨近預報提供依據。

2 雷暴大風概況

2016年4月19日14—23時，在云南境內自德宏州北部向東至滇中以南的11個地州出現了雷暴大風天氣過程，全省有57個大監站出現85個站次小時極大風速達17 m·s-1及以上，7～8級大風占大風站次的46%，9～10級占大風站次的54%，其中姚安、澄江、華寧、峨山、建水極大風速在30 m·s-1以上，過程極大值為建水站39.4 m·s-1。過程初期風向以SW-WSW為主，颮線移至滇中時逐漸轉為W-NW。該過程以雷暴大風為主并伴隨局地冰雹和短時強降水。這次過程與一般對流性天氣時間短，局地性強的特點不同，從下午13—23時在云南持續了近10 h，大風造成全省11個州市24個縣113個鄉鎮12.64萬人受災，6人死亡(其中楚雄、曲靖、玉溪、保山各1人，臨滄2人)、26人受傷、354人緊急轉移安置，農作物和經濟作物不同程度受災，房屋不同程度受損。直接經濟損失0.92億元。這樣大范圍、長時間的颮線天氣，在云南較罕見。

3 資料和方法

本文采用常規地面觀測資料，高空資料根據國家氣象中心《中尺度天氣圖分析技術規范》進行中尺度環境場分析。利用紅外、可見光、水汽、TBB等衛星資料對MCS的發生發展進行分析。利用云南6個多普勒雷達站資料(全部雷達型號均為CINRAD-CC,體掃模式VCP11)從臨近預報角度對雷暴大風進行分析。雷達站各參數見表1。

表1 云南5部雷達參數Tab.1 5 radar parameters in Yunnan

4 對流潛勢條件分析

4.1 中尺度分析

對2016年4月19日08時云南中尺度環境場特征進行分析(圖1)。云南在700 hPa上處于T-Td≤5 ℃的濕區，相對濕度在70%以上，滇西有明顯濕度大值中心，相對濕度在85%以上，滿足強對流天氣所需的水汽條件。垂直溫度梯度上在云南整個中部以南的大部分地區T700-T500在16 ℃以上，云南南部普洱和紅河兩個站的T850-T500分別為25 ℃和24 ℃，至20時增大至34 ℃和29 ℃，維持較好的不穩定條件并且有所加強。

08時高原南側有一前傾結構的南支槽已東移至95°E附近，在500 hPa和850 hPa上此南支槽的溫度槽明顯落后于高度槽，表明該槽將要發展加強，槽前有強烈的上升運動。500 hPa溫度槽從高原南側東伸至云南西部，冷空氣在滇西邊緣聚集形成冷中心，冷中心垂直對應850 hPa上的暖脊，在高層冷平流南侵與邊界層暖平流形成差動溫度平流，使得大氣層結不穩定。700 hPa和500 hPa急流穿過整個云南，急流核的輻合區位于滇西地區；850 hPa上低空急流的出口區也位于滇西，急流核達到12 m·s-1，在850 hPa低空急流核輻合區的前側有強的對流云系發展，該云系是短時時段內影響云南產生雷暴大風的云系。急流的存在還造成中低層大的垂直風切變：700 hPa急流軸附近及以南的地區0～3 km的垂直風切變達到20～24 m·s-1，0～6 km垂直風切變在滇中以西的地區達到20～26 m·s-1，到20時強垂直風切變強中心東移至滇南地區，并維持20～26 m·s-1。通過與實況對比，大風天氣的落區與08時0～3 km垂直風切變在大于22 m·s-1的區域較吻合，可作為雷暴大風預報的依據之一。滇西、滇南地區不僅有風速的垂直風切變，近地面層還存在偏南氣流與強的偏西氣流的風向切變。蒙自、昆明、普洱、騰沖的T-lnp圖上顯示，大氣垂直方向上也顯示出上干冷、下暖濕的不穩定層(圖略)。4個站的假相當位溫θse均隨高度減小，其中昆明、騰沖站在500 hPa高度附近有直線性突降，說明大氣中層已被冷空氣占據。

08時的高空中尺度分析云南中部以南的大部分地區已具備不穩定層結、強的垂直風切變、水汽條件這3個強對流發生的必須條件。

在颮線經過時，地面的中尺度特征為颮線后部有-12～-5 ℃/h的強烈降溫，溫度低至12～17 ℃為颮線后部冷池。在幾乎與冷池相同的區域有1 010 hPa以上的雷暴高壓，小時正變壓2 hPa/h以上。颮線南段東南側地面干熱，有30 ℃以上的暖中心，與颮線后側冷濕的中尺度特征形成明顯的不連續，使得雷暴大風下沉氣流底部冷空氣和周圍暖空氣形成較大的溫差，溫差越大，下沉氣流流出的強度越大，所造成的雷暴大風越強。這種強的溫度和濕度梯度特征使得颮線向南延展和加強，增加大了颮線的影響范圍。另外，午后500 hPa、700 hPa風速加強，颮線滇東地區熱低壓發展，動力和熱力的層結不穩定使動量下傳的作用增強，對颮線有明顯的增強作用，使颮線長時間的維持。

4.2 有利于大風產生的對流參數

4月19日08時，滇西滇南邊緣局部地區CAPE值僅為200 J/kg，至14時，其范圍迅速擴大到滇中及以南地區，滇西、南滇、滇東迅速增至1 000 J/kg以上，滇南邊緣增幅最大，達1 500 J/kg。當CAPE呈現上升趨勢并且CAPE>1 000 J/kg時出現雷雨大風的概率高達77%[4]。

4月19日08時，DCAPE的大值區在青藏高原南側至云南西南緬甸、老撾、越南一側，云南西部德宏邊緣至普洱、版納及文山邊緣有600～800 J/kg的DCAPE值。14時DCAPE的范圍明顯向北擴大至滇中及滇東北，強度加強至600～1 200 J/kg，20時DCAPE的范圍相對南縮，但云南南部依然維持800～1 200 J/kg的DCAPE值。負浮力做功引起的下沉氣流速度為：

(1)

經計算，下沉氣流的速度在-34～-49 m·s-1。對于正在做下沉運動的氣塊來說，DCAPE越大，則它到達中性浮力層或地面時的速度越大，越有利于地面強陣風的出現[5]有非常利于地面強風的出現。

由于DCAPE假設下沉氣流飽和，而且對起始下沉高度干燥度很敏感，那么基于垂直運動方程中下沉運動的強迫機制而引入的大風指數則充分考慮了強下沉氣流常不飽和的特點，能彌補DCAPE的不足[1]。為了進一步分析這次大風過程的成因，引入McCann為預報下擊暴流提出的一個大風指數—WINDEX ，該經驗性指數反映了中低層溫、濕特性對地面大風可能產生的共同作用，其表達式為：

WINDEX=5[HMRQ(I2-30+QL-2Qm)]0.5

(2)

WINDEX的單位為knot(mi/h)，乘以0.514 7就可以轉化為m·s-1[6]。

利用4月19日08時探空資料,計算出云南區域的風速在18.84～25 m·s-1之間。已經達到大風的標準，與絕大多數站點出現的極大風速相吻合，對這次大范圍的雷暴大風過程的預報有較高的指示意義。

5 衛星云圖特征

5.1 颮線云系特征

2016年4月19日08時在紅外云圖中，青藏高原南側同緯度上有兩個發展旺盛的中—β尺度的對流云團并排向東移動，兩個對流云團的強度逐漸減弱，尺度減小。10時兩個減弱的對流云團在90°E附近合并，形成一個較弱的對流單體，11時在可見光云圖上看到發展的對流云團四周出現了明顯的長卷云砧。12時30分的可見光圖像中(圖略)東側卷云砧演變成較光滑清晰的邊界，向西南方向延長，出現颮線云團的特征。13時，颮線云團的東側光滑的邊界處出現出現了3條相連的弧狀云線，判定為該對流云團的出流邊界，14時，弧狀云線逐漸發展起來形成逗點狀云系的尾部。15時發展的對流云系移至云南西部開始影響云南，德宏盈江西北部山區開始出現雷暴大風天氣。此時，逗點云系尾部移至不穩定的大氣環境中，觸發對流單體的發展形成有組織的弧線狀的積云帶。伴隨著弧狀云帶的東移，引發新的深層對流，擴大了雷暴大風的范圍，這時颮鋒定在逗點云團的前界到弧狀對流云線上，大風的風向和強度不僅出現在逗點云前界，還出現在弧狀對流云線上(圖略)。16—17時可見光云圖上云團色調明亮，范圍增大，東南邊界向前凸起，出現上沖云頂區(風暴核)，南端的弧狀對流云帶在對流單體不斷發展的條件下在滇南普洱地區得到加強逐漸彌合成為范圍更大的對流云團。當云團降水加強時，在降水粒子的拖曳作用下風速加強。

在此次雷暴大風過程中，對流單體12—17時的云頂亮溫最低在214 K左右(-59 ℃)，-42 ℃冷云蓋的面積變化不大。18—19時云頂亮溫驟降至204 K(-69 ℃)，-42 ℃冷云蓋面積迅速擴大。對流云團的東側和東南側TBB維持較大的梯度，即颮鋒的位置。強對流天氣發生在TBB梯度大值區和云頂亮溫的低值區。20時后，對流的主體部分成熟衰減，弧狀云線激發的對流發展為強的對流單體影響云南南部。

5.2 颮線云團與其他云團的相互作用

在MCS發展過程中不斷有對流云合并的過程，每一次對流云的合并都加快了對流云的發展，加強對流云的持續時間。17時的紅外云圖中(圖2)A是對流單體的主體，B、C、D、E是弧狀云線上發展起來的小對流云單體，F是弧狀對流云系東側的對流單體。隨著云團的發展B逐漸合并到A中。18時A接著吞沒對流云帶前部的F與之合并。此時對流云團C獨自發展，D和E合并。19—20時，發展旺盛的C也合并到對流主體A中，形成中-a尺度的對流云團。D、E合并后的對流云團D、E在移至紅河南部時，有明顯的減弱，但在21—23時與在西雙版納東側新生的對流單體合并到增強，對流云團又重新發展起來影響紅河和文山地區。

圖2 2016年4月19日17—23時紅外云圖Fig.2 IR cloud image at 17∶00-23∶00 April 19, 2016

在MCS的發展和維持過程中，對流系統內部的對流云團相互合并，使對流系統得以增強；在系統東移且即將消散的階段又與MCS以外的新生單體合并。合并過程不僅促成中尺度對流系統的生成，使得云體增強發展，而且為對流系統維持補充了能量，使系統生命史延長[7]。

6 颮線的雷達特征分析

利用云南5部雷達的資料和全省雷達拼圖資料進行分析。4月19日14時德宏站雷達站西北部回波出現一條強度在45 dBz，長度在60 km左右的帶狀回波(中-β)，從德宏西北部移入云南，其后部的入流急流在雷達上出現了速度模糊的現象，通過退模糊計算，風速達到32.3 m·s-1。在該颮線不斷東移的過程中，南端的弧狀對流云線觸發的對流單體不斷發展，至保山臨滄時形成一個200 km長的中-α尺度弧狀排列的雷暴群，該雷暴群在19時20分，發展到從昆明—玉溪—普洱一線約500 km長的弧狀對流云帶(圖略)，在弧狀對流延長的同時，颮線后部的入流急流范圍不斷增大，強度增強，當颮線至昆明站時(圖3)颮線后部的徑向速度已達到34.9 m·s-1。此時，弧狀云帶北端的強度在45 dBz左右，南端對流云帶上的雷暴單體彌合程度并不高，但強度多在55 dBz以上，還處于發展階段。在弧狀云線逐漸向滇東移動時，云帶彌合程度越來越高，趨于成熟。颮線從中-β尺度增強為中-α后維持了近9 h。

圖5 2016年4月19日昆明雷達站18時52分0.5°仰角基本反射率和徑向速度Fig.5 Elevation on 0.5°base Reflectivity and Radial velocity at 18∶52 April 19, 2016 Kunming-radar station

根據統計，這次過程有56個站的大風是產生在弓形回波上，有4個站次產生在弓形回波后側的入流急流中，并且有3/4站次的大風出現在颮線的北段。在颮線移動的過程中產生大風的同時部分地區伴隨有冰雹發生，在保山和紅河、玉溪地區有短時強降水的發生。

經過對此次過程的研究，雷暴大風集中發生在后部有較強入流急流的颮線凸部或颮線上發展旺盛的對流單體中。

值得注意的是，當颮線移過德宏進入保山時15時40分(颮線的起始階段)北段颮線已失去了帶狀雷暴的組織性，最大組合反射率逐漸減弱至40dBz左右，在徑向速度上其后部的入流急流范圍卻有所增大，急流在徑向速度上的結構非常清晰，出現了速度模糊，造成保山騰沖等地的大風天氣。此段颮線在移過保山后重新有組織的發展起來形成新的雷暴帶。

該強風暴天氣系統的中尺度環流還有一個明顯的特征，即中層徑向輻合(Mid-altitude Radial Convergence Charateristics，MARC)，Przybylinski 等對中層徑向輻合特征(MARC)與地面大風的關系進行了詳細的研究，將MARC定義為沿雷達徑向6 km的范圍內最大入流和出流速度的差值，而且他們的研究表明在3～7 km的范圍內，如果MARC值能夠達到25 m/s以上，就可以提前30～3 5min預測地面大風，而最大MRAC特征值先于大風10～20 min出現[9]。從普洱站18時10分的基本反射率來看，南段的颮線最大反射率因子強度達到55 dBz，颮線開始逐漸的彌合起來，并出現中氣旋，表明颮線還在不斷的發展過程中。18時21分1.5°仰角的多普勒雷達徑向速度圖的特征來看，出現的正負速度輻合線，最大輻合達25.1 m/s，為較強的MRAC特征。表示此時對流單體內部強上升氣流與后側急流之間的過渡區域，這一區域與近地面強的外流氣流密切相關，并且近地面的強外流氣流位置位于最強中層輻合中心的下方。從垂直剖面上看在中尺度環流的垂直剖面上有一支從邊界層開始傾斜上升到對流層頂的暖濕氣流和一支中空干冷空氣的下沉氣流(圖4)。在該過程中強陣風發生的測站附近有冰雹災情的發生而且雷達觀測也表明產生下擊暴流的單體具有雹云特征，由此可推測，該過程中冰雹和降水的拖曳和融化對地面強陣風的產生有一定貢獻。該過程中颮線的南段在18時10分出現MRAC的特征后分別在19時03分瀾滄站，19時05分鎮沅站和19時50分寧洱站出現了大風天氣。也就是說用MRAC特征預報這3個測站的大風天氣能夠提前40 min以上。

圖4 2016年4月19日普洱雷達站18時21分0.5°仰角徑向速度和徑向剖面Fig.4 Elevation on 0.5°Radial velocity and vertical plane at 18∶21 April 19, 2016 Puer-radar station

7 結論

這次過程是在滿足了不穩定層結、水汽、抬升觸發三個條件和強的垂直風切變的條件下造成的。通過中尺度分析結合大風指數等參數的分析能夠預報短時時段內大風出現的可能性，強對流天氣的落區主要在T700-T500≥16 ℃(或T850-T500≥20 ℃)的地區，出現大風的區域與08時0～3 km垂直風切變≥20 m·s-1的區域極其吻合。強的垂直風切變的維持、中低層急流的加強、動量下傳作用增大以及對流云團的合并是颮線維持較長時間的主要原因。

弧狀云線是這次大范圍雷暴大風天氣的另一觸發條件，強對流發生在紅外亮溫不斷下降和冷云蓋面積增大的時段中，大風主要出現在TBB梯度大的對流云團前側。對流云團的合并起到增強對流的作用，延長MCS生命史。

弧狀回波(颮線)是這次大風過程的雷達特征，是造成這次雷暴大風災害性過程的主要原因，大風出現在后側有明顯的入流急流的前側弓形回波上，少數站點的大風是出現在后側的入流急流中。弓形回波和中層徑向輻合可以作為大風預報的依據。

參考文獻

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