2019年4月9日四川東北部一次颮線大風的成因分析

李 曦，黃敬淋，王智楷

（1.廣安市氣象局，四川 廣安638500；2.中江縣氣象局，四川 德陽618000）

颮線是線狀排列的對流單體族，是尺度、強度、數量呈增長之勢的分散風暴，是水平尺度在幾十至幾百公里、持續時間幾小時到十幾小時、氣壓和風發生突變的強對流天氣帶。颮線常伴有雷暴、大風、冰雹等災害性天氣，常造成人民群眾巨大的生命財產損失。颮線天氣也是天氣預報工作的重點和難點。

近些年來，國內外學者對颮線天氣發生的天氣背景和環境條件已有較為全面的研究。張寧等[1-3]研究發現颮線天氣過程主要發生在高空為冷槽的“槽前型”大尺度環流背景下，高空槽前冷空氣入侵與低層暖濕氣流疊加增強了大氣層結不穩定性，由地面輻合線觸發了颮線系統。崔強等[4]分析了干侵入對江淮地區強颮線天氣的形成具有重要作用。程月星等[5]發現在弱天氣尺度強迫環境中，較好的熱力不穩定增強機制促使線狀對流發展成為弓形回波，形成了雷暴大風。而目前對颮線大風的形成機理也有大量研究成果。王秀明等[6-7]詳細分析了河南商丘等地的颮線大風過程，認為風暴的強下沉輻散氣流、強冷池造成的冷池密度流、降水粒子的蒸發效應等因素共同作用造成了地面極端大風，而三個因素對地面極端大風的增幅作用幾乎相當。農孟松等[8-11]認為颮線的快速移動、高層的動量下傳對地面極端大風也有一定的增益。周后福等[12]分析了超級單體風暴產生的極端大風，認為風暴合并、動量下傳、降水拖拽和負浮力增加以及風暴后部下沉氣流等共同作用造成了地面極端大風。以上對颮線的研究主要集中在我國華南、華中等地區，而目前對四川地區颮線大風過程的環流背景、物理量特征以及發展演變特征還缺乏足夠的客觀認知，為了深入了解四川颮線大風過程的基本特征以及形成原因，有必要對此類颮線大風天氣進行深入研究。

2019年4月9日凌晨，四川東北部廣元、南充、巴中、廣安、達州等地出現了一次強烈颮線大風過程，過程伴隨有雷電、短時強降水等強對流天氣。大范圍極端大風天氣致使部分房屋倒塌、樹木刮倒，多條供電線路出現故障，造成了四川東北部地區較大的經濟財產損失。本文利用常規觀測資料、多普勒天氣雷達資料、探空資料、地面自動站資料，在詳細分析此次颮線大風天氣過程發生的環流背景、強對流條件及其雷達演變特征的基礎上，探討了災害性大風的形成原因，總結了形成此次颮線天氣的環境條件特征，以期加深對四川颮線大風形成機理的認識，為災害天氣的預報和服務提供科學參考。

1 過程概況

本次颮線大風過程發生在2019年4月9日00—06時（北京時，下同），出現區域包括四川省廣元、南充、廣安、巴中、達州等地，四川東北部地區共有141站極大風速達到或超過8級，有13站極大風速超過10級。出現8級以上大風最多的地區為廣安市和廣元市，其中廣安市有52個站點極大風速超過8級，有4站極大風速超過10級，最大風速出現在黃龍為28.4 m/s；廣元市8級以上大風站點有49個，10級以上大風站點有8個，最大風速出現在大石為29.7 m/s。南充、達州、巴中等地出現8級以上大風的站點也分別達到了17站、12站、11站（表1）。本次颮線大風具有范圍廣、強度大、維持時間長等特點。

表1 2019年4月9日川東北大風站點統計

2 天氣背景

本小節利用常規觀測資料、探空資料、地面自動站觀測資料對四川東北部颮線天氣過程的環流形勢、對流環境條件、觸發機制進行分析診斷，討論了颮線的形成原因，并與江淮颮線天氣的環境條件進行了對比分析。

2.1 環流形勢分析

從環流形勢上看（圖1），2019年4月8日08時500 hPa高空圖上，四川東北部主要由高空脊后西南氣流所控制，而在青藏高原東部有一高空冷槽，將于8日夜間影響川東北地區。700 hPa川東北地區由西南暖濕氣流控制，850 hPa為低壓倒槽型切變。由于中低層暖脊和地面熱低壓的共同影響，8日白天四川東北部南充、達州、廣安等地氣溫上升快，其最高溫度超過33℃，8日白天晴熱高溫天氣為夜間的強對流天氣創造了良好的熱力條件。到8日20時，500 hPa青藏高原東部的冷槽東移至四川中部并加深，850 hPa與500 hPa溫度差超過29℃。700 hPa西南氣流顯著加強，其最大風速達到18 m/s，形成西南急流。位于甘肅地區的偏北冷平流迅速推進至四川盆地與700 hPa西南急流形成切變線，四川東北部位于切變線南側，而850 hPa四川東北部仍維持低壓倒槽型切變。

圖1 2019年4月8日高度場（單位：dgpm）和風場（單位：m/s）

許愛華等[13]對中國近百次強對流天氣個例的環境場進行了分析，提出中國強對流天氣具有5種基本類別：冷平流強迫類、暖平流強迫類、斜壓鋒生類、準正壓類、高架對流類，并分別建立了5類強對流天氣的概念模型。本次颮線過程屬于“低層暖平流強迫類”（圖2）：低層700 hPa及以下有強烈發展的暖平流，暖平流對熱力不穩定性起主導作用，對流層中高層500 hPa有冷性低槽發展，加強了熱力不穩定，在地面輻合線的動力擾動下，觸發了本次過程。但本次過程與“低層暖平流強迫類”強對流天氣仍然存在差異，主要表現在：“低層暖平流強迫類”天氣模型要求低層西南急流強且水汽充沛，溫度露點差通常＜5℃且濕層達到700 hPa以上，并在低層有明顯的濕度鋒區。而本次過程中，8日20時四川東北部地區低層925 hPa溫度露點差＞13℃，850 hPa溫度露點差＞9℃，700 hPa溫度露點差在4～8℃，這表明本次過程中低層大氣濕度條件相對偏差。

圖2 2019年4月8日20時中尺度分析

2.2 對流環境條件

通過分析2019年4月8日20時四川達縣站的T-lnP圖（圖3a）發現：達縣站上空700~250 hPa條件不穩定特征顯著，對流有效位能較強，CAPE值為811.2 J/kg，K指數為37.7，SI指數為-1.91，抬升凝結高度為737 m，0～6 km垂直風切變為14 m/s左右。低層700 hPa到地面為逆溫層，風隨高度順時針旋轉，整層有暖平流。從水汽分布上看，925~250 hPa均為明顯的干層，相對濕度很低。

而8日20時重慶沙坪壩站的T-lnP圖顯示（圖3b）：沙坪壩站上空650~250 hPa對流有效位能較強，CAPE值達到1163 J/kg，K指數為36.5，SI指數為-2.86，抬升凝結高度為783.2 m，0～6 km垂直風切變接近13 m/s。925~650 hPa有逆溫層。在水汽的垂直分布上，從低層到高層均為明顯干層。

圖3 2019年4月8日20時達縣站（a）和沙坪壩站（b）的T-lnP圖

對比以上兩站的探空資料可知，兩站均有較強的不穩定能量，低層有逆溫層，各類指數均有利于產生強對流天氣。但由于水汽條件較差，不利于上述地區出現大范圍強降水。

吳瑞姣等[14]對2000—2017年江淮地區35次颮線大風過程進行了統計分析，總結了江淮地區颮線天氣共同物理量指標：江淮颮線天氣要求對流有效位能＞1300 J/kg，0～6 km垂直風切變＞10 m/s，低層為高溫潮濕環境，抬升凝結高度一般低于930 hPa。本次颮線天氣對流有效位能＜1300 J/kg，中低層均為干層，抬升凝結高度明顯高于930 hPa，0～6 km垂直風切變＞10 m/s。這表明此次四川颮線過程與江淮颮線天氣在對流環境條件方面有一定的差異。

2.3 觸發條件分析

從環境場上看，四川東北部已具有較高的能量條件和不穩定層結，滿足強對流天氣發生的內在條件，而地面輻合線最終觸發了本次強對流天氣過程。從4月8日23時地面天氣圖上可見（圖4a），在靠近四川東北部的重慶地區存在一條西北風與東南風相輻合的地面輻合線，位于地面輻合線北側的四川南充、廣安等地開始觸發對流。到9日02時（圖4b），地面輻合線呈西南—東北向，并停留在四川達州、廣安東部，風向轉變為偏東風與偏西風的輻合，在地面輻合線的附近不斷觸發不穩定能量，產生新的對流單體，造成強對流天氣。

3 颮線的雷達回波演變

在4月9日00：03四川南充站的雷達回波圖上，四川東北部開始有分散的對流云團生成，主要分布在四川遂寧、南充、達州等地。對流云團在偏西氣流的引導下東移、發展，其回波主體位于遂寧附近，最大回波強度達到60 dBZ（圖5a、5b）。00：20位于遂寧附近的雷達回波主體向南迅速擴展，向東與其它對流單體合并，逐漸發展壯大為一彎曲的帶狀回波體，在帶狀回波體的南側、東北側有大量分散的對流云團生成發展。01：35帶狀回波體在引導氣流的作用下東移，并不斷與南側、東北側的回波單體合并，形成一個呈反氣旋彎曲、統一的對流單體族。此時帶狀回波向東擴展至四川渠縣附近，向南擴展至重慶潼南，其長寬比超過5：1，最大回波強度達到65 dBZ，這表明帶狀回波體已發展成一個組織完善的颮線。此時颮線前沿已抵達南充雷達站附近，新生的對流單體沿著颮線前沿上升再并入颮線，颮線東北部鑲嵌有超級單體風暴（圖5c，5d）。到02：02颮線已完全發展成熟，其前沿不斷有新對流單體生成，颮線回波主體已抵達四川武勝、岳池等地，颮線主體后部為典型的層狀云回波。此時從地面自動氣象觀測站的氣壓場上，可在颮線后部的四川蓬溪、射洪、遂寧三地之間觀測到明顯的中尺度雷暴高壓。颮線后部分別造成：01：11南充升水鎮22.5 m/s的大風，01：27南充南部24.8 m/s的大風，01：29罐埡鄉文昌嶺村21.4 m/s的大風。02：50颮線前沿已抵達四川渠縣、華鎣等地，雷達回波的強度、梯度均有所減弱，而颮線后部層狀云回波則迅速擴展（圖5e，5f）。颮線在東移過程中，分別造成：02：22岳池黃龍28.4 m/s的大風，02：35岳池24.8 m/s的大風，02：40龍安24 m/s的大風。03：30颮線東移至四川大竹、達州等地，回波強度明顯減弱，結構變得更加松散，速度圖上表現為整層輻散氣流，回波已演變成層狀云降水回波，颮線過程趨于結束。

4 極端大風成因分析

本節將從雷暴高壓與冷池密度流、下沉輻散氣流、高空動量下傳、颮線移動速度等方面分析本次極端大風的形成原因，并嘗試分析形成極端大風各因子的重要性及相互之間的聯系。

4.1 雷暴高壓與冷池密度流

在颮線自西向東移動和發展過程中，可以從地面自動觀測站明顯的觀測到颮線后部存在中尺度雷暴高壓和冷池。從2019年4月9日02時四川東北地區地面自動站資料（圖6a）和9日02：02的南充雷達組合反射率圖（圖6b）上看：4月9日02時，颮線自西向東移動，颮線前沿抵達四川渠縣、岳池、武勝、合川一線（圖6a紅線），颮線主體后部為層狀云，層狀云回波向西延伸至四川儀隴、鹽亭、樂至、安岳一線（圖6a藍線）。與之相對應，在颮線主體后部層狀云下方可觀測到一個中尺度雷暴高壓和冷池（圖6a藍色圓圈），雷暴高壓中心位于遂寧、蓬溪、射洪三地之間，其中心最大氣壓值超過964 hPa，冷池中心溫度在19℃左右，其長度達80 km，寬約40 km，它是由颮線后部的下沉冷空氣在近地面堆積而成，雷暴高壓與地面輻散中心相對應，雷暴高壓中心有明顯的向外輻散氣流。在颮線前部還伴有暖低壓，暖低壓中心強度為950 hPa，颮線前溫度最高達25℃，颮線前后氣壓差超過10 hPa，溫度差達到6℃，氣壓梯度力很大，冷池密度流很強，這是造成四川東北部地區極端大風的重要原因。據地面自動站觀測資料顯示，4月9日02：35、02：41，位于颮線前沿的岳池、廣安兩站（圖6a黑色圓點）分別出現了24.8、23.4 m/s的極端大風。

圖4 4月8日23時（a）和4月9日02時（b）地面風場及輻合線

圖5 2019年4月9日四川南充站不同時刻的雷達反射率（單位：dBZ）和徑向速度（單位：m/s）

圖6 4月9日02時地面自動站資料（a）與4月9日02：02南充雷達組合反射率（b，單位：dBZ）

4.2 下沉輻散氣流

下沉輻散氣流是形成極端大風另一個重要原因。當中高層干冷的后向入流夾卷進入強對流單體后，加強了強對流云中降水粒子的蒸發效應，降水粒子蒸發、降溫產生負浮力，增強了氣塊的下沉運動，造成下擊暴流[6]。同時，降水粒子拖拽對下沉氣流的加速作用雖然遠小于降水粒子蒸發效應，但降水粒子的拖拽對下沉氣流的發動卻起重要作用[15]。Doswell[16]研究認為，降水負荷和蒸發冷卻所產生的負浮力是引發和維持下沉輻散氣流的重要因子。當降水通過不飽和空氣層時，中低層的低濕度有利于降水蒸發形成負浮力。

在本次個例中，下沉輻散效應非常明顯。從4月9日02：59南充站雷達組合反射率圖和仰角為6°的徑向速度圖上看到（圖7a、7b），9日02：59颮線回波前沿已抵達四川渠縣、華鎣、合川一帶，而在颮線強回波后部可觀測到明顯的后向入流大風速區，其最大風速超過21 m/s。后向入流進入颮線內的高度為4.5 km附近，而探空資料顯示，該高度接近0℃高度層。強烈的后向入流在0℃層附近進入了颮線主體，不僅促進了颮線的移動和發展，同時由于夾卷效應，融化層附近的干空氣增強了降水粒子的蒸發、冷卻效應，加強了氣塊的下沉運動。

圖7 4月9日2：59仰角為6°的雷達徑向速度（a，單位：m/s）和組合反射率（b，單位：dBZ）

強烈、干冷的后向入流和低層明顯干區的共同作用，顯著加強了颮線大風區降水粒子的蒸發、冷卻效應，形成了強烈的下沉輻散氣流，這也是形成本次四川東北地區極端大風的重要原因。

值得注意的是，本例中降水粒子的拖拽效應對極端大風形成的作用。以四川武勝站為例，從武勝站的降水、風速時序圖上看（圖8），武勝站在4月9日02—03時，出現了小時雨量的突增，由0 mm/h突增到18 mm/h，與此相對應，極大風速由6 m/s增加到16 m/s；到04時，小時雨量迅速減小到2.9 mm/h，而極大風速卻增大到18.9 m/s。這表明在本次過程中，降水粒子的拖拽效應對下沉氣流的啟動和極端大風的形成有重要作用。

圖8 4月9日00—08時四川武勝站小時雨量（單位：mm）和極大風速（單位：m/s）

4.3 高空動量下傳

強烈的后向入流進入颮線主體時，受下沉氣流影響，高動量的后向入流迅速下沉到地面，對地面大風具有增幅作用。在本次颮線大風過程中，高層水平動量下傳對地面大風的增幅作用比較明顯。從4月9日02：41南充雷達徑向速度剖面圖上看（圖9a），在南充雷達站上空4 km高度處存在一個明顯的后向入流大風速區，而沿著后向入流方向距離雷達站50 km附近，后向入流大風區已明顯下沉并接近地面。這表明，受強烈下沉氣流影響，高空后向入流在很短時間內迅速下沉并接近地面，動量下傳特征明顯，對地面大風具有增幅效應。

4.4 颮線的移動速度

颮線移動速度快，前向傳播特征顯著，也容易產生地面大風。伍志方等[17]利用廣州天氣雷達資料對大量強對流天氣個例進行了分類統計，發現雷雨大風的雷達回波以線狀回波居多，弓形回波、勾狀回波等特殊形狀回波與強天氣密切相關，而快速移動的雷達回波對雷雨大風的產生非常有利。回波強度＞60 dBZ，移動速度超過60 km/h的雷達回波十分有利于產生災害性大風。本次個例也符合這一結論，在4月9日01時，颮線回波中段前沿位于四川西充、蓬溪附近，到03時颮線中段前沿已移動至四川大竹、鄰水附近，兩地平均直線距離達到130 km，強雷達回波中心的移動速度達到65 km/h。快速移動的強雷達回波對地面極端大風的形成有一定的作用。

圖9 4月9日02：41雷達徑向速度剖面（a）與組合反射率（b）

本次颮線大風是在強雷暴高壓與冷池密度流、強下沉輻散氣流、高空動量下傳、颮線快速移動等多方面的共同作用下形成的（圖10）。

圖10 極端大風成因示意圖

5 結論

本文采用多源觀測資料分析了2019年4月9日發生在四川東北部的一次颮線大風天氣過程，討論了颮線過程的演變特征，并對颮線大風的成因進行了分析，得到了以下結論：

（1）本次颮線過程屬于低層暖平流強迫類強對流天氣過程。四川東北部低層700 hPa有明顯的西南急流，結合中低層暖脊的影響，午后升溫明顯，有利于不穩定層結的建立。隨著中層冷槽東移，溫度垂直遞減率進一步增大，850 hPa與500 hPa溫度差超過29℃，大氣層結變得更加不穩定，在地面輻合線的作用下，最終觸發了本次颮線天氣過程。

（2）颮線大風的形成原因是颮線后部中尺度雷暴高壓以及超強冷池的形成，與颮線前部的熱低壓形成強氣壓梯度力，造成了強冷池密度流；強烈、干冷的后向入流和低層顯著干區的存在共同作用，顯著加強了降水粒子的蒸發、冷卻，形成了強烈的下沉輻散氣流；受強烈下沉氣流影響，高層后向入流在很短時間內迅速下沉并接近地面，高空動量下傳非常明顯，對地面大風的有一定的增幅效應；颮線移動迅速，前向傳播明顯，也有利于大風天氣。