兩次混合性大風天氣成因及模式預報能力對比分析

蒲吉光 ，袁 夢，康 嵐

(1.四川省氣象服務中心，四川 成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；3.四川省氣象臺，四川 成都 610072)

0 引言

大風是災害性天氣之一，強烈的大風天氣常常給人民的生命財產安全帶來嚴重威脅。2010年5月5日夜間發生在重慶梁平、墊江等地的強烈風雹天氣造成32人死亡，通訊、電力等基礎設施不同程度受損；2015年“4·4”廣安武勝大風造成農作物大量受損，8人死亡，2人重傷，直接經濟損失2億元；2016年 “6.4”廣元市輪船公司“雙龍”號在返航途經三堆鎮飛鳳村三組水域時遭遇大風，發生翻沉事故，造成15人死亡。廖波[1]指出：大風是影響高鐵的主要氣象災害之一。因此，對大風發生時間、位置及強度的預報是氣象工作者關注的重點。長期以來，氣象學者從環境場條件、雷達回波特征、天氣形勢等方面進行了大量研究[2-6]，獲得了一些有益結論。王秀明[7]等對比了兩類雷暴大風環境場特征并構建了相應的環境溫、濕度廓線。鐘利華[3]等將廣西雷暴大風劃分為4種模型。俞小鼎[8,9]等總結了有利于雷暴大風發生的環境場條件和基于多普勒雷達特征的臨近預警技術。張云秋[10]統計了冰雹與大風的關系。上述研究對大風的預報預警具有重要意義。隨著大氣科學、地球科學的研究進展，計算機及網絡系統的快速發展，數值預報水平和可用性大大提高[11-13]，尤其是對大尺度環流形勢及主要天氣系統的預報已遠遠超過人的主觀判斷能力，使提前較長時間預測出強對流天氣潛勢成為可能。如何從模式資料中挖掘有用信息，在短期預報時效內預測大風位置和強度，滿足防災減災的時間需求是預報業務中迫切需要解決的問題。

2018年4月4日夜間到5日白天和4月12日夜間到13日白天，四川盆地出現了兩次大風天氣過程。本文利用常規觀測資料、加密自動站大風資料和數值模式預報產品等，對比分析了兩次過程發生的天氣學異同，探討了數值模式對這類大風天氣的預報能力，以期為今后此類大風天氣預報提供參考。

1 天氣實況對比

2018年4月4日夜間—5日白天(簡稱“4·4”)和4月12日夜間—13日白天(簡稱“4·12”)，四川盆地出現了兩次由冷空氣大風、對流性大風組成的混合性大風天氣過程。兩次過程發生時間接近，“4·4”過程雷電頻次高，8級以上大風基本覆蓋了整個盆地，達425站，10級以上大風有48站，局部地方還降了冰雹；而“4·12”過程雷電頻次相對較低，8級以上大風主要位于盆地北部，有143站，10級以上大風只有16站?？傮w而言，“4·4”過程大風范圍更廣，強度更強，對流特征更為清楚。

2 背景條件

2.1 環流形勢對比

分析兩次過程(“4·4”過程和“4·12”過程)的500 hPa環流形勢可以看出，這兩次過程均是中高緯度有移動性的槽脊，槽線附近伴有負變高。槽線在移動過程中鋒區逐漸南壓至35°N附近。過程臨近時，青海附近有淺槽活動，且溫度槽落后于高度槽。不同之處在于“4·4”過程淺槽附近有較大的負變溫區，在移動的過程中逐漸加深為經向度較大的低槽進入盆地；而“4·12”過程淺槽則表現為偏北東移。兩次過程的700 hPa圖上(圖1a、1c)，過程臨近前08—20時，從甘肅北部有一支偏北風急流攜帶冷空氣沿河西走廊快速南下至甘肅南部，伴有4～12 ℃的負變溫區，中心變溫達-11 ℃。與此同時，云貴至盆地轉為一致的偏南風氣流，“4·4”過程風速為8～10 m/s，“4·12”過程為8 m/s；兩次過程的850 hPa圖上(圖1b、1d)，在西北區域和河南至陜南一帶分別有一支偏北風氣流和偏東風氣流，同時伴有24 h負變溫區。貴渝—四川東部由偏南風轉為東南風，“4·4”過程為一支東南風急流，而“4·12”過程為4～8 m/s的東南風氣流。相似之處在于兩次過程都有兩支冷氣流的參與，有700 hPa冷北風和偏南暖濕氣流之間的氣流輻合，有冷東風對暖濕東南氣流的阻擋。不同之處在于“4·4”過程偏東風氣流攜帶的冷空氣強度強于“4·12”過程，同時氣流之間的輻合強度強于“4·12”過程。“4·4”過程動力輻合作用更強。

圖1 700 hPa(a、c)和850 hPa(b、d)風場和24 h變溫(a、b:2018-04-04 20時 c、d:2018-04-12 20時粗箭頭：急流 細箭頭：顯著氣流)

2.2 地面形勢對比

“4·4”過程前的4月3日，盆地內日平均氣溫較歷史同期偏高6～9 ℃；“4·12”過程前的4月11日，由于高原波動影響，盆地北部氣溫已經開始下降，但大部地方日平均氣溫仍較歷史同期偏高3～8 ℃。兩次過程前期，均積累了豐富的能量。只是“4·4”過程能量累積條件更好。

從2018年3月15日—4月14日簡陽站逐日14時本站氣壓演變圖(圖略)可以看出，本站氣壓都是漸進式上升和下降交替進行，只是每一輪波峰和波谷數值不同，代表暖低壓發展和冷空氣入侵程度不同。兩次過程均發生在暖低壓強烈發展，本站氣壓值接近4月谷底時間段。暖低壓發展，空氣密度降低，有利于近地面上升運動發展。同時，暖低壓發展以及盆地以北區域壓差增大，有利于冷空氣進入，產生梯度大風。

兩次過程開始前分別都有冷空氣活動，一股位于我國西北區域，另一股位于華北區域。此次影響四川盆地的冷空氣主要是位于西北區的冷氣團，其冷高壓中心氣壓均為1 025 hPa左右。過程臨近時“4·4”過程與“4·12”過程酒泉與盆地的氣壓差分別為23 hPa和21 hPa，均超過了梯度風的壓差閾值，有利于產生梯度大風。

綜上分析，兩次過程地面有冷鋒南壓，500 hPa有低值系統東移，中低層有冷暖氣流交綏，符合斜壓鋒生類強對流天氣配置特征。相較而言，“4·4”過程影響系統經向度更大，動力輻合作用更強。

3 中尺度環境條件對比

兩次過程臨近時刻，盆地內探空站Si指數均為負值，K指數在32 ℃以上，850 hPa θse>60，都表現出了對流不穩定特征，數值上并無顯著區別。兩次過程差異主要表現在500 hPa和850 hPa的假相當位溫差(θse(500-850))及850 hPa和500 hPa(T500-850)、700 hPa和500 hPa(T500-700)的溫度直減率。“4·4”過程溫江和達州站θse(500-850)在08時已低于-14 ℃，20時進一步減小，宜賓站θse(500-850)從08—20時也迅速減小至-12 ℃。3個代表站T500-850和T500-70008時分別超過28 ℃和16 ℃，20時進一步增加，分別大于30 ℃和18 ℃,相同站點比“4·12”過程高5 ℃和2 ℃以上。

除要素場以外，兩次過程臨近時刻溫濕廓線結構特征也有所不同。從達州站T-lnp圖可以看出，“4·4”過程溫濕廓線呈現X型特征，500 hPa以上具有中空干層，有利于干冷空氣夾卷下沉，而“4·12”過程呈現濕層深厚的特點。其余站點都有類似特征。對“4·4”過程，所有站點Cape值都在500 J/kg以上，“4·12”過程僅有達州站超過500 J/kg，達1 884 J/kg。

對比中尺度環境條件，“4·4”過程比“4·12”過程能量更高、對流不穩定度更大、溫濕廓線結構更有利于對流發生，具有更強的對流潛勢。

4 模式預報能力分析

前面分析顯示，兩次大風過程都形成在日平均氣溫顯著偏高，有地面冷鋒南下影響的背景下。兩次過程冷空氣強度相似，指標站和盆地中心的壓差接近，形成梯度風的基礎條件較為相似。兩次過程的強度差異主要由于動力條件和熱力條件的不同造成。

表1 兩次過程對流參數

實際業務中常用全球模式EC、GRAPES、CMA模式產品。下面探討通過模式產品能否區分出兩次過程的對流特點及強度差異。

4.1 形勢場及要素場預報產品

“4·4”過程，3日20時起報的EC模式產品顯示：4日20時500 hPa圖上(圖2a)，青海東南部有東北西南向低槽，5日08時低槽東移至川西高原西北側，20時(圖2b)加深東移至四川盆地，預報出了引導系統加深東移至盆地的特點，但移動速度較實況慢了12 h。對于中低層環流形勢，模式產品較為準確預報出了3支氣流。700 hPa(圖2c)河套區域的偏北風急流和云貴到四川的西南風氣流，四川境內最大垂直上升速度3.94 pa/s；850 hPa(圖2d)河套區域的偏北風氣流，河南南部到陜南的偏東風氣流以及云貴到盆地的偏南風氣流，偏南風氣流弱于實況，沒有達到急流，最大垂直上升速度3.38 pa/s。溫度產品預報出與偏北風氣流(圖2e、2f)及偏東風氣流(圖2f)相伴隨的24 h負變溫區，提示未來有兩股冷空氣入侵。本次過程最顯著的特點是大的500 hPa和700 hPa、850 hPa的溫度直減率以及假相當位溫差。模式預報產品同樣準確顯示了這一特征，盆地4個探空站位置850 hPa和500 hPa溫度差(圖2g)均在28 ℃以上，重慶和宜賓附近超過30 ℃。假相當位溫差較實況略弱，也達到10～15 ℃(圖2h)?！?·12過程”，11日20時起報的EC模式產品顯示：12日20時500 hPa(圖3a)青海東南部有東北西南向低槽，盆地為較為平直的偏西氣流，13日08—20時(圖3b)，上述特點維持，預報出了四川主要受波動氣流影響的特點。對于中低層環流形勢，模式產品較為準確預報出了兩支氣流。12日20時700 hPa(圖3c)河套區域的偏北風氣流和云貴到四川的西南風氣流，四川境內最大垂直上升速度1.63 pa/s；850 hPa(圖3d)河套區域的偏北風氣流，河南南部到陜南的偏東風氣流，境內最大垂直上升速度1.67 pa/s。本次過程預報的偏北風氣流和西南風氣流風速均較“4·4”過程弱，鋒前垂直上升運動同樣弱于“4·4”過程，最大垂直上升運動差值超過1.7 pa/s。溫度產品同樣預報出與偏北風氣流(圖3e、3f)和偏東風氣流(圖3f)相伴隨的24 h負變溫區，提示未來也有兩股冷空氣入侵。本次過程預報的850 hPa與500 hPa的溫度直減率及假相當位溫差(圖3g、3h)分別為22～26 ℃和0～10 ℃，明顯弱于“4·4”過程。

4.2 近地層風場預報產品

在“4·4”過程的4日夜間925 hPa風場產品預報出了一致的偏北風，大部地方風速超過17 m/s，EC模式的百米風產品在4日夜間也提示了8級以上大風區，而GRAPES、CMA存在10 m風預報偏弱的特點。EC集合預報模式極端陣風指數產品指示盆地大部地方極端陣風指數超過0.7，部分地方達到0.8以上，出現大風的概率相當高。而“4·12”過程，3個模式925 hPa同樣預報出了較大風力，EC、CMA模式預報出的強風范圍較“4·4”過程小，風速強度較“4·4”過程弱，而GRAPES模式預報兩次過程強度及范圍相當。GRAPES、CMA同樣存在10 m風速預報偏弱的特點。EC集合預報模式極端陣風指數產品對于“4·12”過程，僅在盆地西部預報了0.7以上的強指數區，范圍較“4·4”過程顯著偏小。

因此，全球模式近地層風場預報產品和集合預報極端陣風指數產品對兩次過程大風的強度和范圍有較好的提示作用。結合實況資料，能判斷出“4·4”過程更強的對流特征。

5 小結

通過分析兩次過程的實況觀測資料和模式預報產品，獲得以下幾點結論。

①兩次過程均發生在氣溫顯著偏高，有明顯地面冷空氣參與背景下。過程中降溫顯著，伴有混合性大風、閃電及短時強降水。

②“4·4”過程探空曲線呈現X廓線特征，具有中空干層的特點，有利于冷空氣夾卷下沉，符合雷暴大風層結曲線特征；而“4·12”過程探空曲線主要呈現濕層深厚的特點，更有利于發生強降水。

③ 兩次過程地面均有冷鋒南壓，有500 hPa低值系統東移，中低層有冷暖氣流交綏，符合斜壓鋒生類強對流天氣配置特征。從系統配置看，“4·4”過程影響系統斜壓性、動力輻合作用、熱力條件和不穩定條件均優于“4·12”過程，具有更強的對流特征。

④模式產品對兩次過程的影響系統及動力條件、熱力條件、要素場均有良好反應，能預報出“4·4”過程較“4·12”過程更強的對流特征。

⑤全球模式925 hPa風、100 m風和集合預報的極端大風指數產品對預報混合性大風有較好的指示意義，通過預報產品能提示大風開始時間、強風范圍及風速大小。

⑥綜合分析實況觀測資料、數值模式風場預報產品和要素預報產品，能在短期預報時效內提高對這類過程大風范圍及強度的預報能力。