福建2019年春季兩次不同類型強對流過程對比分析*

程 思 韓 賡

(福建省泉州市氣象局，福建 泉州 362000)

強對流天氣是指伴隨雷暴現象的對流性大風(≥17.2m/s)、冰雹、短時強降水，這種天氣破壞力很強，是氣象災害中歷時短、天氣劇烈、破壞性強的災害性天氣。3～6月是福建省強對流天氣的高發期，強對流天氣發生時，往往幾種災害同時出現，對人民生命財產安全、農業生產、交通造成巨大影響。因其具有局地性、突發性、高強性等特點，預報預測工作尤為困難。俞小鼎等[1]、鄭永光等[2-3]對強對流臨近預報、監測預警技術進行了匯總，綜述了各類預報技術，并討論了各類氣象資料在強對流天氣預報中的應用。鄭媛媛等[4]研究表明，強對流天氣的發生發展與一定的大尺度環流背景場有關，但不同的條件也將產生不同的強對流天氣類型。吳蓁等[5]采用基于構成要素的預報方法——配料法對一次強對流天氣進行分析，結果表明此次過程處于較強的條件不穩定、強烈的深層垂直風切變和明顯的高空干平流的環境中，而地面冷鋒、輻合線和高空次大氣尺度渦旋導致雷暴猛烈發展。雷蕾等[6]利用探空資料計算出18種物理參量及其時間變量，詳細分析不同類型強對流天氣過程下物理量的差異，結果表明合理利用探空資料甄別夏季強對流天氣的類別是可能的。王詠薇[7]研究發現，CAPE等環境風暴參數產品對中尺度強對流風暴的發生發展有一定的指示作用。張小雯等[8]通過計算極端天氣指數并應用于強對流天氣中，研究發現極端天氣指數與強對流天氣有密切的關系，且不同類型的強對流天氣極端指數的分布和閾值具有各自的特點。李向紅[9]、韓文宇[10]、潘留杰[11]等通過對雷達回波特征進行分析研究，找出了短時暴洪、冰雹、龍卷風、下擊暴流等不同強對流天氣類型的差異。黃美金[12]、高曉梅[13]、許新田[14]、張濤[15]等則分別對福建、山東、陜西、廣東等不同地區的強對流個例進行分析，為強對流主觀預報思路總結了一些經驗，并提出需要進一步探討的問題。

1 實況

2019年3月29日午后11時至20時，福建中南部地區出現了大范圍的混合型對流過程(以下簡稱0329)。此次過程雷電范圍廣且強，全省共238個區域自動站出現6級以上大風，其中28個站達8級及以上雷暴大風，以龍巖武平象洞鎮光彩村(11級,31.8m/s)為最大；35個站出現30mm/h以上的短時強降水，以莆田仙游鐘山鎮(53.0mm/h)為最強(圖1a、b)。同年4月10日午后12時至22時，福建中北部出現一次強對流過程(以下簡稱0410)。此次過程對流分散，局地性強；僅有3個站出現8級雷暴大風，以寧德古田水口鎮(8級，19.5m/s)為最大；4個站出現30mm/h以上的短時強降水，均位于福州永泰，以永泰嵩口鎮42.1mm/h為最強(圖1c、d)；14∶00、14∶10、15∶10前后分別在福州閩清三溪鄉、閩侯竹歧鄉和倉山區出現小冰雹。兩次過程發生的時間段、大氣環流背景相似，但是天氣現象、強度和范圍卻大不相同，本文對兩次過程進行對比分析，旨在尋求不同類型強對流天氣的雷達回波特征及其臨近預報著眼點。

(a) (b) (c) (d)圖1 3月29日11～20時(a)極大風速(8級以上)(b)1小時降水極值，4月10日12～22時(c)極大風速(8級以上)(d)1小時降水極值

2 動力條件

2.1 高空環流

從環流背景場的演變來看，3月29日08時至20時，如圖2(a)，500hPa中高緯為兩槽一脊型，其中東部的大槽從貝加爾湖以東一直向南伸展至長江中上游地區，槽后西北氣流引導冷空氣從中偏東路南下。福建地區處于500hPa高空槽前的西南氣流之下，同時位于200hPa高空急流入口區的右側的輻散場中。高空輻散有助于加強抽吸運動，從而為強對流天氣提供垂直運動條件。隨著500hPa南支槽東移，其前側的西南急流強度有所增加，850hPa切變從福建中部東移南壓至海上，20時對流過程趨于結束。4月10日的大氣背景及影響系統與前一次過程類似，但中高空影響系統更為偏北，且850hPa的西南渦及低渦切變位置偏西且少動，主要位于兩廣地區北部至閩西北，閩西北地區位于切變東側，見圖2(b)。

(a) (b)圖2 3月29日(a)、4月10日(b)08～20時環流形勢演變

兩次過程低層影響系統位置的不同，是造成兩次對流發生范圍、地點不同的主要原因。29日低層切變的南壓致使福建中南部發生了強對流天氣，10日切變的穩定少動導致當天對流僅出現在福建中北部且局地性強。

2.2 地面分析

從地面資料分析來看，3月29日08時(圖3a)在廣東北部至龍巖南部以及三明、福州交界處分別有一中尺度輻合線存在，而當天午后對流正是沿著兩條地面輻合線發生發展的，雷暴大風及短時強降水的位置幾乎與之重合。08時冷鋒位于閩西北與江西、浙江的交界處，14時(圖3b)鋒面位置幾乎未移動，福建仍處在大片的低壓帶中，直至20時，冷高壓攜冷空氣南下，福建地區轉為高壓控制，鋒面移至海峽，強對流過程趨于結束。4月10日08時(圖3c),鋒面已經位于福建境內，但還未影響到福州地區；11時(圖3d)，福建中南部仍在暖低壓的控制之下；10～11時，福州地區附近最高氣溫上升至28～32℃；11時，位于三明東部福州西部的暖中心和低壓中心幾近重合；12時，閩北沿海轉北風，冷空氣從沿海侵入，福州氣溫逐步下降，與陸地上的暖濕氣流相遇，觸發了對流天氣。

(a) (b)

可以看出，兩次過程地面雖然均有熱低壓的出現，但觸發機制完全不同。0329處于鋒前地面倒槽暖區內的中尺度輻合線發展，觸發了此次對流。0410低壓倒槽發展，暖濕氣流也隨之向北發展，上午升溫明顯，與沿海冷空氣交綏在福州地區導致局地強對流天氣。

3 不穩定層結條件

從0329和0410兩天08時福州站的探空曲線(圖4)及指數(表1)可以看出，從近地面至850hPa，風隨高度順轉，表明該層次有暖平流，再往上至700hPa，風隨高度逆轉，有冷平流；并且在700hPa附近溫度露點差較大，有明顯的干層，這種上冷下暖、上干下濕的層結為對流的形成提供了不穩定層結條件。對比兩次過程，0329的濕層更為深厚，從925hPa一直擴展至700hPa左右，為短時強降水提供了水汽條件；同時A指數也高達13，指示大氣不穩定或對流層中下層飽和程度高，對降水非常有利。而0410濕層淺薄，A指數為負，非常不利于短時強降水天氣的發生。0329中上層和近地面層較干，呈“喇叭口”形態，同時0～6km垂直風切變達36m/s，大風指數達26.1，這都是有利于產生雷暴大風的指標。0410當天0～6km垂直風切變為26m/s，有利于產生風雹天氣，但跟前一次過程相比，則明顯不如之前產生大風的條件有利。另外，可以注意到0410福州0℃層4.8km，-20℃層8km左右，對福建地區春季降雹條件而言略為偏高，冰雹在落地過程中經過暖層時間長，易融化，這與我們僅觀測到小冰雹的實況也吻合。

(a) (b)圖4 3月29日08時(a)、4月10日08時(b)福州站訂正后探空

表1 08時福州站探空指數

4 雷達回波特征

從雷達組合反射率因子的整體演變來看，0329先是從廣東北部江西南部有一些小尺度的弓狀回波體東移進入龍巖地區，爾后南壓，至戴云山脈附近在地形的輻合抬升作用下加強，并逐漸合并發展成颮線型或線性波形弓狀回波，給福建省中南部帶來了雷暴大風天氣。0410則是由局地熱低壓觸發的在福州地區原地生成發展而成的超級單體帶來的冰雹天氣，因而具有局地性強、回波分散的特點。

4.1 0329大風雷達回波特征

從龍巖單站0.5°仰角的基本速度圖可以看到，16∶40左右，武平東部出現速度模糊(圖5a)，由負的極大值跳躍至正的極大值；16∶51，速度模糊區進入上杭境內(圖5b)，直至6個體掃后減弱消失(圖5d)。經速度退模糊計算，武平、上杭的近地面風速可達27～34m/s，這與區域自動站觀測得的極大風速31.8m/s也是一致的。17∶24時，漳平南部靠近華安地區的低空已經可見大風核(圖5e)，之后的7個體掃愈加清晰，且核區面積逐漸擴大，直至18∶03達最強(圖5h)，其中心速度達27m/s以上。在該站1.5°仰角速度圖上(圖略)也顯示出類似的大風核特征。

(a)16∶40 (b)16∶51 (c)17∶02 (d)17∶19

4.2 0410冰雹雷達回波特征

4月10日14時10分左右，閩侯竹歧鄉降雹持續3分鐘，觀測得冰雹直徑為拇指大小。13∶57，從福州雷達3.4°仰角的反射率因子產品便可觀測“三體散射”，此后陸續在其他五個仰角均能看到“三體散射”現象。從14∶09六個仰角的反射率因子產品(圖6)可以看出，風暴的高反射率因子區從高層到低層向西傾斜，高層的強回波中心到低層對應弱回波區。結合后文的垂直剖面圖(圖8)，反映出低層的弱回波區和中高層的懸垂回波結構特征。這種“三體散射”和“回波垂懸”都是冰雹特有的雷達回波特征。此外，在3.4°～6.0°仰角還可見強回波區沿半徑向兩旁擴展的“旁瓣回波”。

(a)6°仰角反射率因子 (b)4.3°仰角反射率因子 (c)3.4°仰角反射率因子

從13∶44-14∶44風暴追蹤產品(圖7)可以看到，13∶50最大反射率已達60dBz，此后繼續加強，至14∶14接近70dBz，回波頂高也從6km上升至10km以上，最強回波中心高度、質心高度在14∶02均有劇增的現象，14∶08開始有明顯下降。同一時刻，垂直液態水含量VIL也躍增至最大值55kg/m2，之后驟減。相應地，降雹概率此時也達到100%，并持續了4個體掃的時間。可以看出，14∶08前后，回波頂高、最強回波中心高度、質心高度、VIL有先躍增再減小的趨勢，表明冰雹此刻從空中落地，與實際觀測的降雹時間一致。

(a) (b) (c) (d)(a)黑線：回波頂高及底高；藍線：最大反射率因子所在高度；綠線：質心高度(單位：km);(b)紅線：產生強冰雹概率；黑線：產生一般冰雹概率(%);(c)基于單體的垂直累積液態水含量(單位：kg/m2 ) ;(d)最大反射率因子(單位：dBz)(坐標橫軸數字分別對應北京時間13∶56、14∶08、14∶20、14∶32、14∶44)圖7 4 月 10 日13∶44-14∶44福州站雷達風暴追蹤產品

從福州附近強回波的垂直剖面演變(圖8)來看，早在13∶28，回波中心強度逐漸加強，質心逐漸抬升，此時強回波中心強度已達50dBz，高度達3km左右。13∶39，強回波中心升至4.5km，開始出現回波懸垂結構，高層的強回波中心向地面有傾斜，對應地面為弱回波區。13∶57，回波強度達60dBz，質心高度抬升至6km以上，低層可見寬大的弱回波區WER。14∶09，回波頂高達9km以上，強回波60dBz升至8km左右，而當天08時福州站-20℃層的高度為7.9km，這為形成冰雹提供了有利的條件。14∶15，出現BWER且入流缺口明顯。14∶32，質心明顯下降，強回波范圍減小減弱。

(a)13∶28 (b)13∶39 (c)13∶57

5 結論

本文將福建2019年春季兩次不同類型強對流天氣進行對比，從高空環流形勢、地面分析、探空曲線、雷達回波特征等方面進行了詳細的分析，得到以下結論：

(1)3月29日和4月10日兩次強對流過程均發生在高空槽前、對流層低層切變東移南壓的背景下，切變位置不同是兩次對流發生范圍和地點不同的主要原因。

(2)0329地面倒槽內的中尺度輻合線發展觸發了雷暴大風和短時強降水天氣；0410則是局地發展的熱低壓與沿海冷空氣交綏在福州地區導致冰雹天氣。

(3)上冷下暖、上干下濕的垂直結構為兩次對流過程提供了有利的不穩定層結條件。0329濕層深厚、A指數高、有“喇叭口”特征、垂直風切變大，有利于短時強降水及雷雨大風的發生。0410濕層淺薄、A指數為負、0℃層4.8km、-20℃層8km左右，更有利于冰雹的產生。

(4)0329大風過程雷達上可見速度模糊、大風核區，0410冰雹過程可見TBSS、旁瓣回波、WER、回波懸垂、入流缺口等特征，且降雹前后回波頂高、最強回波中心高度、質心高度、VIL有先躍增再減小的趨勢。

(5)不同類型強對流的雷達回波特征區別明顯，但缺乏提前量，只能根據上游地區的信號結合當地物理量的配置并通過短臨和預警信號作為短期預報和潛勢預報的補充。