低空急流在一次初春混合強(qiáng)對流天氣過程中的作用

白 慧，歐陽大亮，周 艷，張 超，鄧學(xué)軍

(貴州省黔東南苗族侗族自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

0 引言

低空急流對災(zāi)害性天氣的影響和作用，常常在暴雨分析和預(yù)報中備受關(guān)注和重視[1-4]，而針對強(qiáng)對流天氣的影響和作用分析研究的個例較少，對不同類型的強(qiáng)對流天氣的分析研究，許多氣象專家和氣象工作者多從天氣背景、環(huán)境場條件、形成機(jī)制、物理量特征等[5-12]方面入手。貴州位于低緯高原山區(qū)，是我國春季強(qiáng)對流天氣多發(fā)區(qū)之一，不少氣象工作者從成因、個例對比、中尺度特征和水汽輸送、雷達(dá)回波特征、流型和物理量等多角度對本地的各類強(qiáng)對流天氣開展了大量分析和研究[13-20]，研究成果為貴州強(qiáng)對流天氣預(yù)報業(yè)務(wù)提供了理論和實踐指導(dǎo)。

2019年3月4—5日貴州大范圍雷雨大風(fēng)、冰雹、短時強(qiáng)降水和暴雨等混合強(qiáng)對流天氣是在低空急流建立和加強(qiáng)之后發(fā)生的，為揭示低空急流對此次早春雷雨大風(fēng)、冰雹和短時強(qiáng)降水的影響和作用，本文利用MICAPS4.1平臺提供的常規(guī)觀測資料、一體化平臺提供的強(qiáng)天氣監(jiān)測資料以及NCEP 1°×1°逐6 h再分析資料所計算出的相關(guān)物理量，用天氣學(xué)原理和方法，從環(huán)流背景、影響系統(tǒng)、環(huán)境場條件和低空急流的水汽、熱力輸送和動力輻合診斷等方面入手，對此次混合強(qiáng)對流天氣進(jìn)行綜合分析，以期能進(jìn)一步了解和認(rèn)識低空急流對強(qiáng)對流天氣的影響和作用，為貴州初春強(qiáng)對流天氣預(yù)報提供一些參考。

1 強(qiáng)對流天氣過程概況

2019年3月4日14時—5日14時貴州9個市(州)出現(xiàn)了不同程度的雷雨大風(fēng)、冰雹、短時強(qiáng)降水等混合強(qiáng)對流天氣過程(圖1a)。位于貴州中西部鋒前暖區(qū)的畢節(jié)、六盤水、安順、貴陽、黔西南、黔南西部6個市(州)以雷雨大風(fēng)、冰雹為主，局部伴有短時強(qiáng)降水，主要發(fā)生在4日14—22時，最大瞬時風(fēng)速出現(xiàn)在六盤水盤縣大風(fēng)鎮(zhèn)，達(dá)到33.7 m·s-1,最大冰雹出現(xiàn)在安順紫云縣貓營、板當(dāng)，冰雹最大直徑達(dá)到40 mm。位于靜止鋒后的黔南州東部、黔東南州中南部地區(qū)以短時強(qiáng)降水為主，局部伴有小冰雹，最大雨強(qiáng)為黔南州獨山縣甲里鎮(zhèn)28.7 mm·h-1，短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在4日20時—5日08時。截止5日14時有8個國家站、131個區(qū)域自動站累計降水量超過50 mm，320站累計降水量在25～50 mm之間(圖1b),最大降水量為甲里鎮(zhèn)89.1 mm。貴州暴雨與湘、贛、粵、桂交界地區(qū)的暴雨區(qū)連成一片(圖1c)，暴雨站數(shù)之多，在初春歷史同期罕見。

圖1 2019年3月4日14時—5日14時強(qiáng)對流天氣(a)及降水落區(qū)(b、c)分布圖

2 環(huán)流背景及環(huán)境場條件分析

2.1 環(huán)流背景和影響系統(tǒng)

4日08時(圖2a)500 hPa圖上，中高緯度地區(qū)為兩槽一脊形勢，巴爾客什湖到貝加爾湖之間的高壓脊，兩側(cè)為低壓槽，貝加爾湖東部到內(nèi)蒙古西部的冷槽未來將東移南壓引導(dǎo)弱冷空氣自河套南下；中低緯度地區(qū)高原東部到孟加拉灣(92°E)有高原槽和南支槽東移，四川中部到云南北部有明顯超前的溫度槽，華中地區(qū)為高壓脊控制，西低東高的天氣形勢有利于貴州暴雨的發(fā)生。對應(yīng)700 hPa和850 hPa(圖略)云貴及華南地區(qū)已由脊前西北風(fēng)轉(zhuǎn)脊后偏西南風(fēng)控制，850 hPa在重慶附近有低渦切變生成;20時(圖2b)500 hPa南支槽東移至云南東部，溫度槽進(jìn)入貴州西部，對應(yīng)700 hPa和850 hPa(圖略)貴州和廣西風(fēng)速分別由4日08時 12～14 m·s-1和6～12 m·s-1猛增至24～28 m·s-1和20～24 m·s-1，低空急流建立并呈爆發(fā)式增強(qiáng)，925 hPa華南地區(qū)東南風(fēng)由4～10 m·s-1增大至12～16 m·s-1,超低空急流建立，同時850 hPa切變線東移南壓至湖南中部到貴州中南部一線；地面4日白天川滇黔交界地區(qū)的熱低壓發(fā)展加深，20時靜止鋒南段由08時的貴州中部到廣西西部一線北抬至桂北—黔南州中西部—貴陽北部一帶。由于500 hPa干冷空氣的侵入，在貴州中西部鋒前強(qiáng)暖濕不穩(wěn)定區(qū)和強(qiáng)動力輻合區(qū)觸發(fā)了大范圍的雷雨大風(fēng)、冰雹天氣。4日夜間到5日白天，南支槽東移，配合低層切變線和活躍的靜止鋒，共同觸發(fā)了鋒后強(qiáng)降水天氣。雖然大多數(shù)站點雨強(qiáng)在20 mm·h-1以下，但降水持續(xù)時間長，造成貴州東南部地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的暴雨天氣。

(黑色實線:等高線；紅色虛線:等溫線；棕色實線:槽線；藍(lán)色鋸齒線:溫度槽)

2.2 環(huán)境場條件

4日08時和20時實況資料中尺度分析顯示，4日08時(圖3a)隨著偏南風(fēng)增強(qiáng)，低層濕度增大，除貴州西部地區(qū)外，850 hPa及以下大部地區(qū)為T-Td≤2 ℃的飽和濕區(qū)，700 hPa整層均為T-Td≥10 ℃的干區(qū)，大氣上干下濕特征顯著；20時(圖3b)低空急流加強(qiáng)東移，3支急流在桂東北地區(qū)上空匯合，700 hPa和850 hPa貴州中西部地區(qū)上空的溫度脊明顯加強(qiáng)，暖平流增強(qiáng)，切變線南壓貴州中部，貴州位于急流左側(cè)強(qiáng)水汽和動力輻合區(qū)，在鋒前暖區(qū)的貴州中西部地區(qū)上空大氣層結(jié)仍維持上干下濕結(jié)構(gòu),而東南部鋒后冷區(qū)濕層顯著增厚，T-Td≤2 ℃的飽和濕區(qū)伸展到700 hPa，且貴州中南部地區(qū)850 hPa與500 hPa的溫差>25 ℃，此時500 hPa溫度槽已進(jìn)入貴州西部700 hPa和850 hPa溫度脊線附近強(qiáng)暖濕不穩(wěn)定區(qū)上空，威寧變溫由08時0.4 ℃變?yōu)?4 ℃，鋒前暖區(qū)大氣環(huán)境場條件非常有利于雷雨大風(fēng)、冰雹強(qiáng)對流天氣發(fā)生，而鋒后冷區(qū)濕層深厚，有利于強(qiáng)降水天氣發(fā)生。貴陽和桂林探空資料也有相同的結(jié)論:對于出現(xiàn)雷雨大風(fēng)和冰雹的貴陽站(圖4a、4b)在過程發(fā)生前和發(fā)生期間，大氣層結(jié)均維持上干下濕結(jié)構(gòu)，垂直風(fēng)切變比桂林站強(qiáng)，08時和20時DCAPE600值分別達(dá)到446.6 J/kg和398.4 J/kg，0 ℃和-20 ℃高度適宜，分別為3 562 m、6 711.5 m和3 850.0 m、6 846.0 m，發(fā)生雷雨大風(fēng)和冰雹的對流潛勢條件明朗；而對于鋒后出現(xiàn)短時強(qiáng)降水和暴雨的桂林站(圖4c、4d)，08時和20時低層存在明顯的鋒面逆溫，20時濕層厚度由08時低于700 hPa伸展到500 hPa附近，且鋒面逆溫增厚，鋒區(qū)加強(qiáng)，有利于強(qiáng)降水天氣的發(fā)生，同時，0 ℃和-20 ℃高度適宜，分別為4 128.3 m、6 833.0 m和3 855.3 m、6 853.3 m，因而在貴州東南部強(qiáng)降水發(fā)生期間局地伴有小冰雹。

圖4 2019年3月4日08時、20時貴陽(ab)、桂林(cd)探空圖

圖3 2019年3月4日08時、20時影響系統(tǒng)及環(huán)境場中尺度分析圖

3 低空急流的水汽輸送和熱力動力作用

3.1 低空急流的水汽輸送和水汽輻合作用

4日08時—5日02時水汽通量和水汽通量散度演變顯示:隨著低空急流的建立和加強(qiáng)，貴州低層水汽輸送和水汽輻合顯著加強(qiáng)，4日08時中南半島東北部、廣西中西部到貴州有一支西南—東北向的水汽輸送帶，水汽通量中心由3日20時12 g·(cm·hPa·s)-1增大到14 g·(cm·hPa·s)-1(圖5a),此時貴州大部地區(qū)水汽通量散度為負(fù)值，出現(xiàn)明顯水汽輻合，水汽輻合中心小于-4×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(圖5e)；14時隨著低空急流加強(qiáng)緩慢東移，水汽輸送和水汽輻合加強(qiáng)東移，水汽通量中心超過22 g·(cm·hPa·s)-1，貴州南部地區(qū)達(dá)到12～18 g·(cm·hPa·s)-1(圖5b),水汽通量散度增強(qiáng)至-5×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，貴州西部地區(qū)水汽通量散度小于-4×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(圖5f)；20時低空急流達(dá)到最強(qiáng)盛，水汽輸送和水汽輻合也達(dá)到最強(qiáng)，位于廣西中北部的水汽通量中心超過24 g·(cm·hPa·s)-1，貴州南部地區(qū)達(dá)到12～21 g·(cm2·hPa·s)-1(圖5c),貴州中西部地區(qū)水汽輻合也達(dá)到過程最強(qiáng)，水汽通量散度小于-8×10-8g·(cm2·hPa·s)-1，中心值小于-12×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(圖5g)，強(qiáng)水汽輻合區(qū)與強(qiáng)對流天氣發(fā)生區(qū)相對應(yīng)；5日02時隨著低空急流逐漸減弱東移南撤，水汽輸送和水汽輻合有所減弱，貴州南部水汽通量減弱為8-16 g·(cm·hPa·s)-1(圖5d)，水汽通量散度中心減弱為-7×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(圖5h),強(qiáng)水汽輻合中心位于貴州東南部地區(qū),與強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)相對應(yīng)。

圖5 2019年3月4日08時—5日02時 850 hPa間隔6 h的水汽通量(a、b、c、d)和水汽通量散度(e、f、g、h)演變圖

3.2 低空急流與短時強(qiáng)降水的關(guān)系

分析獨山、榕江、桂林3個暴雨站(累計降水量分別為50.9 mm、64.9 mm、 96.8 mm)的風(fēng)場、水汽通量散度時間垂直剖面圖與逐小時降水量演變可知，獨山低空急流4日02時建立，08時增強(qiáng)，14—20時達(dá)到最強(qiáng)，5日02時減弱,水汽輻合最強(qiáng)時段出現(xiàn)在5日02時前后，強(qiáng)水汽輻合中心達(dá)到-7×10-7g·(cm2·hPa·s)-1(圖6a)。明顯滯后于低空急流達(dá)到最強(qiáng)時段，強(qiáng)降水發(fā)生時間略早于水汽輻合達(dá)到最強(qiáng)時段，出現(xiàn)在5日00—03時(圖6d)。榕江低空急流4日08時建立，14時增強(qiáng)，20時達(dá)到最強(qiáng)，5日02時減弱，水汽輻合最強(qiáng)出現(xiàn)在低空急流達(dá)到最強(qiáng)至減弱時段(4日20時—5日02時)，強(qiáng)水汽輻合中心達(dá)到-6×10-7g·(cm2·hPa·s)-1(圖6b)，強(qiáng)降水出現(xiàn)在4日22時—5日04時(圖6e),強(qiáng)降水發(fā)生時間晚于水汽輻合達(dá)到最強(qiáng)時間。桂林低空急流4日08時建立，4日20時—5日02時達(dá)到最強(qiáng)，5日08時減弱(圖6c)，水汽輻合最強(qiáng)時段出現(xiàn)在4日20時—5日02時，強(qiáng)水汽輻合中心達(dá)到-6×10-7g·(cm2·hPa·s)-1，與低空急流達(dá)到最強(qiáng)時段基本一致，對應(yīng)的強(qiáng)降水出現(xiàn)在5日01—08時(圖6f)，滯后于低空急流和水汽輻合達(dá)到最強(qiáng)時間。可見，強(qiáng)降水發(fā)生時間和水汽輻合最強(qiáng)時間均滯后于低空急流達(dá)到最強(qiáng)的時間，而強(qiáng)降水發(fā)生時間略早于或晚于水汽輻合達(dá)到最強(qiáng)時間。

圖6 2019年3月3日20時—5日20時獨山(a、d)、榕江(b、e)、桂林(c、f)風(fēng)場和水汽通量散度時間垂直剖面圖與對應(yīng)的逐小時降水量演變圖

3.3 低空急流的熱力作用

低空急流不僅能集中和增強(qiáng)水汽與溫度平流，增強(qiáng)和加速風(fēng)暴前的環(huán)境對流不穩(wěn)定，并提供不穩(wěn)定釋放的垂直抬升[20]。由實況θse演變可知，隨著低空急流的建立和加強(qiáng)，大氣不穩(wěn)定能量增強(qiáng)，4日20時700 hPa θse高能舌由08時廣西西部地區(qū)東移到湘黔桂粵四省交界地區(qū)，并向北伸展到華中北部地區(qū)，貴州中南部地區(qū)從48～54 ℃增大到50～58 ℃(圖略)，湘桂黔交界地區(qū)大氣高溫高濕條件顯著加強(qiáng)；對應(yīng)850 hPa θse等值線東西向帶狀分布，密集區(qū)位于湘黔中南部至兩廣北部地區(qū)，等值線趨于密集(圖略)，能量鋒區(qū)加強(qiáng)。由沿26°N θse垂直剖面顯示，08時(圖7a)700 hPa以下貴州為大于48 ℃的高能區(qū)控制，大于54 ℃高能中心位于106°E附近近地面，低能區(qū)在700～600 hPa，中心值小于43 ℃。14時(圖7b)700 hPa以下高能區(qū)向東擴(kuò)展且增大到55 ℃以上，106°E附近的高能中心增大到58 ℃以上，低能中心小于50 ℃，并向上擴(kuò)展到600 hPa以上，暖濕和干冷中心差值增大，大氣不穩(wěn)定度增大，有利于強(qiáng)對流天氣發(fā)生。20時(圖7c)隨著低空急流東移，大氣不穩(wěn)定區(qū)東移，800～700 hPa之間大于57 ℃的高能區(qū)由108°E向東擴(kuò)展到113°E，低能區(qū)向上擴(kuò)展到400 hPa以上，中心值低于51 ℃，高低能中心差值有所減小，而108°E以西地區(qū)由于出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣能量明顯耗散，大氣層結(jié)逐漸趨于穩(wěn)定。5日02時(圖7d)隨著低空急流減弱東移，低層高能區(qū)東移至112°E以東地區(qū)，貴州中東部地區(qū)隨著強(qiáng)降水天氣的發(fā)生發(fā)展致使能量有所減弱，但高能中心值仍維持在55 ℃，600 hPa附近的低能中心小于50 ℃。08時隨著低空急流進(jìn)一步減弱東移華南中南部地區(qū)，貴州東南部低層高能中心進(jìn)一步減弱，但大氣上干冷、下暖濕的結(jié)構(gòu)仍清晰，此時，貴州東南部地區(qū)強(qiáng)降水明顯減弱。

圖7 2019年3月4日08時(a)、14時(b)、20時(c)和5日02時(d)沿26°N上空θse垂直剖面圖

3.4 低空急流的動力作用

隨著低空急流的建立和加強(qiáng)，垂直風(fēng)切變明顯加強(qiáng)，有利于對流風(fēng)暴的組織、維持和增強(qiáng)，同時，急流左側(cè)的風(fēng)向和風(fēng)速輻合加強(qiáng)，為強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展提供動力擾動。從貴陽、懷化、河池、桂林對應(yīng)的實況0～3 km、0～6 km風(fēng)速差演變來看(表1)：4日08時和20時除貴陽和桂林0～3 km風(fēng)速差減小外，0～6 km風(fēng)速差各站均增大，桂林、懷化增大最明顯，20時分別由08時14 m·s-1、18 m·s-1分別增大到26 m·s-1、30 m·s-1。850 hPa風(fēng)場與散度場配置顯示，隨著低空急流建立，4日08時(圖8a)位于貴州西部和北部地區(qū)切變線輻合加強(qiáng)，對應(yīng)的散度負(fù)值輻合區(qū)由貴州西部向東擴(kuò)展到貴州中西部地區(qū)，且輻合強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，強(qiáng)中心位于切變線附近，中心值由3日20時-4 s-1增強(qiáng)為-6 s-1；14—20時(圖8b、8c)低空急流核區(qū)風(fēng)速加強(qiáng)到18～22 m·s-1，切變線逐漸南移到貴州中部，切變線北側(cè)的偏北風(fēng)由4 m·s-1增加到6～8 m·s-1，貴州大部地區(qū)為負(fù)散度，強(qiáng)輻合區(qū)主要分布在切變線附近，大值區(qū)由六盤水、黔西南州北部地區(qū)東移至黔西南州東部、安順、貴陽、黔南州西部一帶，中心值增強(qiáng)為-12 s-1，輻合上升運動顯著加強(qiáng)，與上述地區(qū)雷雨大風(fēng)和冰雹發(fā)生時間相對應(yīng)。5日02時(圖8d)廣西境內(nèi)的偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，核區(qū)風(fēng)速減弱為20 m·s-1，切變線東移南壓至湖南南部至貴州南部一線，對應(yīng)的散度輻合大值區(qū)位于貴州南部和東南部地區(qū)，強(qiáng)輻合中心位于河池北部、黔南州南部、黔東南州西南部地區(qū)，中心值下降至-8 s-1，強(qiáng)輻合區(qū)與強(qiáng)降水集中區(qū)域相對應(yīng)。08時(圖略)低空急流減弱東移至廣東境內(nèi)，切變線南壓至貴州南部邊緣地區(qū)，輻合大值區(qū)東移南壓到黔桂交界和湘粵桂交界地區(qū)，中心值進(jìn)一步減弱為-6 s-1和-7 s-1，此時貴州降水明顯減弱。分析沿26°N的散度垂直剖面圖可知，4日14時(圖8e)貴州西部地區(qū)近地面開始有輻合上升運動發(fā)展，20時(圖8f)強(qiáng)對流天氣發(fā)生期間，500 hPa以下為負(fù)散度輻合，輻合中心位于貴州西部，中心值低于-10 s-1，輻合區(qū)上空為正散度輻散，強(qiáng)輻散中心位于500～300 hPa之間，輻散中心大于8 s-1，低層輻合大于高層輻散。5日02時(圖8g)強(qiáng)降水發(fā)生期間，強(qiáng)輻合區(qū)位于108～111°E之間，強(qiáng)中心在500～600 hPa之間，中心值小于-5 s-1，對應(yīng)上空的輻散中心位于400 hPa附近，中心值大于10 s-1，高層輻散明顯大于低層輻合，此時，對應(yīng)著貴州東南部強(qiáng)降水發(fā)展和持續(xù)階段。08時(圖8h)“低層輻合，高層輻散”的配置結(jié)構(gòu)東移至111～113°E之間，強(qiáng)降水隨之東移減弱。

圖8 2019年3月4日08時(a)、14時(b)、20時(c)、5日02時 (d)850 hPa風(fēng)場與散度及4日14時(e)、20時(f)、5日02時(g)、08時(h)沿26°N散度垂直剖面圖

表1 2019年3月4日08時、20時 鄰近探空站0～3 km和0～6 km風(fēng)速差(單位:m·s-1)

4 結(jié)論及討論

①500 hPa溫度槽、南支槽、低空急流、低空切變線、熱低壓、靜止鋒是此次混合強(qiáng)對流天氣的主要影響系統(tǒng)。

②低空急流建立并呈爆發(fā)式增強(qiáng)，使低層水汽輸送和水汽輻合增強(qiáng)，低層θse高能區(qū)增強(qiáng)，能量積聚顯著加強(qiáng)并向東擴(kuò)展，能量鋒區(qū)加強(qiáng)，中高層低能區(qū)增厚，大氣層結(jié)不穩(wěn)定增強(qiáng)，為雷雨大風(fēng)、冰雹、短時強(qiáng)降水等大范圍強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展提供了充足的水汽和能量條件。雷雨大風(fēng)和冰雹主要發(fā)生在低空急流發(fā)展增強(qiáng)到最強(qiáng)盛時間，強(qiáng)降水主要發(fā)生在低空急流和水汽輻合達(dá)到最強(qiáng)之后。

③低空急流建立和加強(qiáng)，使對流潛勢條件增強(qiáng)，大氣上干冷、下暖濕的特征更加顯著，垂直風(fēng)切變增強(qiáng)，為貴州中西部鋒前暖區(qū)大范圍雷雨大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣提供了有利的環(huán)境場條件。同時，使動力輻合加強(qiáng)，散度垂直分布呈“低層輻合、高層輻散”的有利配置，雷雨大風(fēng)、冰雹發(fā)生時低層輻合大于高層輻散，強(qiáng)降水發(fā)生時高層輻散大于低層輻合，這種抽吸作用的維持，為強(qiáng)對流和強(qiáng)降水天氣的發(fā)生發(fā)展提供了持續(xù)強(qiáng)勁的動力條件。

④500 hPa溫度槽東移，干冷平流疊加在中低層強(qiáng)暖濕平流之上，觸發(fā)鋒前暖區(qū)雷雨大風(fēng)和冰雹天氣；南支槽夜間東移、配合850 hPa切變線與活躍的靜止鋒，強(qiáng)烈抬升逆溫層之上的暖濕氣流，觸發(fā)了貴州東南部鋒后冷區(qū)強(qiáng)降水天氣。雷雨大風(fēng)、冰雹主要發(fā)生在靜止鋒前700 hPa和850 hPa溫度脊區(qū)附近強(qiáng)暖濕不穩(wěn)定區(qū)，短時暴雨落區(qū)位于靜止鋒后、低空急流左前側(cè)、850 hPa切變線南側(cè)及850 hPa和700 hPa飽和濕區(qū)重疊區(qū)內(nèi)。

討論:由于此次大范圍強(qiáng)對流天氣發(fā)生在早春3月初，雷達(dá)監(jiān)測資料收集不完整，沒有進(jìn)一步分析此次混合強(qiáng)對流天氣發(fā)生時的雷達(dá)回波演變特征，有待下一步開展這方面的分析研究。