懷化兩次颮線過程對比分析

張 昆，王起喚，彭艷青，王 強

(懷化市氣象局，湖南懷化 418000)

颮線又稱為不穩定線或氣壓涌升線，是氣壓和風的不連續線，由多個雷暴單體或雷暴群所組成的狹窄的強對流天氣帶[1]。颮線過程常伴有強降水、雷暴大風和冰雹等強對流天氣，對人民群眾生命財產安全造成危害，是預報工作的重點。因其發展迅速，生命史短，局地性、突發性強，又是預報工作的難點。因此，颮線至今仍是災害性天氣的重點研究課題。多年來，國內外氣象工作者針對颮線的成因和結構等做了較多研究。丁一匯等[2]在1980年代將我國形成颮線的天氣背景分四種類型：槽后型、槽前型、高后型、臺風倒槽或東風波型；武麥鳳等[3]和牛樂田等[4]對影響陜西的颮線個例進行了詳細分析，高空冷渦是產生颮線的主要影響系統；潘玉潔[5]、公衍鐸[6]和孟妙志[7]等通過對風、氣壓等氣象要素以及雷達回波等資料的分析，揭示了颮線系統的中尺度特征；也有不少湖南氣象研究者對本省的一些颮線過程進行了對比分析[8-10]。但針對影響懷化的颮線過程的天氣背景、環境條件特征的研究不多。本文利用地面、高空常規觀測資料、懷化CB雷達數據以及NCEP 1°×1°再分析數據，采用天氣學分析方法，對2016年4月2日和15日影響懷化的兩次颮線過程進行分析，以期提高對影響懷化的颮線過程的認識，為今后做好颮線天氣預報預警工作提供參考依據。

1 過程實況

2016年4月2日20時至3日08時(北京時，下同)，懷化北部和中部受颮線影響，出現雷暴大風、冰雹和短時強降水等強對流天氣(以下簡稱“4·2”過程)。其中2日22時至3日01時懷化北部受貴州中部生成的強回波東移影響，雷達回波表現出一定的弓形回波特征，造成麻陽和辰溪先后出現冰雹和雷暴大風天氣。麻陽本站觀測到的最大冰雹直徑約為20 mm(23:05—23:15)，境內黃土溪最大風速達22.6 m/s。與此同時，3日00時貴州中東部又有一條弓型回波生成東移，并在懷化中部發展成熟形成颮線，在向東北方向移動過程中造成懷化中部和北部出現雷暴大風和短時強降水，洪江市最大風速達22.1 m/s，洪江區洪高村最大雨強達41.3 mm/h。3日05時之后颮線減弱消失，北部有孤立的新生單體影響。過程造成5站次8級以上雷暴大風、2縣冰雹和14站次短時強降水。

2016年4月15日20時至16日08時颮線自北向南影響懷化，過程中懷化出現雷暴大風、冰雹和短時強降水等強對流天氣(以下簡稱“4·15”過程)。15日21時左右，重慶東南部和貴州東北部有回波單體生成，并向東南方向移動。23時回波發展旺盛并開始影響懷化北部，相繼出現冰雹、雷暴大風和短時強降水等強對流天氣。同時貴州東北部又有一條帶狀回波形成，并不斷發展成熟形成颮線，自北向南影響懷化。06時回波減弱消失，過程結束。整個過程出現11站次8級以上雷暴大風、3縣冰雹和51站次短時強降水。其中麻陽黃土溪最大風速達24.3 m/s，溆浦最大冰雹直徑約7 mm，沅陵陳家溪最大雨強達50.7 mm/h。

對比兩次颮線過程(表1)發現，兩次颮線均生成于貴州，而后在懷化境內發展成颮線，影響懷化時間較長，約7～8 h，均出現雷暴大風、短時強降水以及冰雹等強對流天氣。不同的是，“4·2”過程颮線主要由西南向東北影響懷化中部和北部，冰雹較強；“4·15”過程颮線由西北向東南影響懷化全市，雷暴大風和短時強降水均較“4·2”過程強。

表1 2016月4月2—3日和15—16日兩次影響懷化的颮線過程對比

2 中尺度特征分析

2.1 颮中系統

分析兩次颮線過程地面10 m風場和海平面氣壓場，兩次颮線過程均表現出較典型的颮中系統特征?！?·2”過程(圖略)，3日03時颮線前沿線位于辰溪東南部—中方東部—洪江中東部—會同西北部一線，呈弓形彎曲，颮線的長度達150 km以上，颮線的寬度約為 20 km，長寬比大于 5:1，颮線后部為寬廣的層狀云降水回波。海平面氣壓場上，颮線后方是一東北—西南向狹長的中高壓區(雷暴高壓)，高壓中心強度約為1 010.6 hPa；颮線前方是一個低壓區(颮前低壓)，低壓值約為1 007.9 hPa；雷暴高壓的后部為1 007.4 hPa(新晃站)中低壓(尾流低壓)，尾流低壓是颮線發展成熟的一個標志[11]。尾流低壓與雷暴高壓形成一對氣壓偶，與颮前低壓對稱。雷暴高壓前部和后部均為偏北氣流，但前部風速大于后部。雷暴高壓內部有一定的氣流輻散，颮線前后有風速輻合。颮線位于雷暴高壓前沿等壓線較密集區以及風速、風向輻合區，實為颮鋒；尾流低壓要略強于颮前低壓。“4·15”過程也有類似特征，但颮線長度明顯較“4·2”過程長，達300 km以上。

2.2 颮線系統過境時氣象要素的劇烈變化

颮線過境時往往表現出氣溫驟降、氣壓涌升、相對濕度和風速增大等經典颮線的典型特征，并且多數伴隨有短時強降水、雷暴和短時大風(7級以上的陣風)[6]。“4·2”過程中，3日02:15左右，颮線過境前后洪江站溫、壓、濕、風等氣象要素呈顯著變化特征(02:00—04:00，圖1a、1b)：溫度由24.4 ℃(02:16)降到18.4 ℃(02:45)；本站氣壓由979.9 hPa(02:07)升至982.0 hPa(02:57)后又下降；風場由南風(3.1 m/s，02:09)迅速轉為偏西風(16.3 m/s，02:24)；相對濕度明顯增大。另外，颮線過境前(00：00—02:00)本站氣壓出現下降，氣溫上升了約 0.7 ℃。由此可見，颮線過境前大體上存在降壓升溫的趨勢，有利颮前低壓的形成。颮線過境時(02:15前后)，氣壓迅速上升(形成雷暴高壓)，過境之后氣壓下降(形成尾流低壓)?！?·15”過程也具有類似變化特征。

圖1 2016年4月3—4日洪江站氣壓和風矢(a)、氣溫和相對濕度(b)逐分鐘變化

以上分析可見，兩次颮線過程均具有颮中系統的典型特征：都出現雷暴高壓、尾流低壓、颮線前低壓和颮鋒等中系統；颮線空間尺度150～300 km以上，時間尺度約5～6 h左右(典型的中β尺度特征)；颮線過境時氣溫驟降、氣壓涌升、相對濕度和風速增大，伴有雷暴大風和短時強降雨等強對流天氣。

3 影響系統和環境條件分析

3.1 主要影響系統

對比兩次颮線過程影響系統發現，“4·2”過程(圖2a)主要影響系統為高空槽、切變線、低空急流和地面輻合線，屬于低層暖平流強迫類配置形勢[12](暖區颮線)；“4·15”過程(圖2b)主要影響系統為高空槽、切變線、低空急流和地面冷鋒，屬于斜壓鋒生類配置形勢(冷鋒型颮線)。按照丁一匯等[2]對颮線的分類，兩次颮線過程均屬于槽前型?！?·2”過程主要在地面輻合線附近觸發，颮線的產生與急流有很大關系，在700 hPa低空急流軸上，特別是急流軸風速輻合區產生颮線。“4·15”過程颮線發生發展以及移動主要和850 hPa切變線關系密切，颮線位于地面冷鋒之后。

圖2 2016年4月2日20時(a)和15日20時(b)主要影響系統

3.2 探空分析

由于兩次颮線均生成于貴州東部，離懷化探空站最近，因此分別選取兩次過程發生前懷化站探空資料進行分析?！?·2”過程(圖3a)發生前懷化站850～804 hPa之間為淺薄濕層，804～567 hPa之間為相對濕度在60%以下的干層，具有“上干下濕”特征，表明懷化上空有明顯的對流不穩定層結，這是產生雷暴大風的典型層結。對流有效位能(CAPE)所代表的紅色區域面積較大，為1 382.5 J/kg，有較強的對流有效位能存在。SI指數為-4.55 ℃(表2)，有利于強對流天氣的發生。“4·15”過程(圖3b)，中低層大氣“上干冷、 下暖濕”的特征非常明顯， 下沉對流有效位能(DCAPE)也達到998.2 J/kg，有利于雷暴大風產生。對流有效位能(CAPE)的計算值對抬升起始高度以及抬升起始高度處的溫度、濕度均很敏感。此次過程地面有弱冷空氣擴散南下，低層有淺薄的逆溫層，訂正前探空圖上計算的CAPE值為0 J/kg，對流層結也呈現出虛假的穩定層結。經過將起始高度訂正到逆溫層以上后，懷化上空有明顯的對流不穩定層結，CAPE為954.9 J/Kg，說明有較強的對流有效位能存在。一些常用的熱力不穩定參數(表2)中，K指數達38 ℃，SI指數為-4.31 ℃，有利于強對流天氣的發生。強對流發生后，對流有效位能得到釋放，16日08時懷化站CAPE值為0 J/Kg。

圖3 2016年4月2日20時(a)和15日20時(b)懷化站探空圖

表2 2016年4月2日20時和15日20時兩次颮線過程發展前懷化探空站對流參數

兩次過程均具有上干下濕的特征，有利于雷暴大風的產生，其中“4·15”過程DCAPE較大，產生雷暴大風的站次多，強度強；“4·15”過程K指數大于32 ℃,整層比濕積分較“4·2”過程大，短時強降雨更明顯。而“4·2”過程CAPE超過1 000 J/kg，融化層高度較“4·15”過程低，更有利于大冰雹出現。

4 垂直風切變分析

垂直風切變與強對流天氣類型及回波組織形態有密切關系[13]。業務上常用地面到500 hPa(0～6 km)風矢量的矢量差的絕對值來表示垂直風切變[14],再分析資料分析時常用1 000 hPa代替地面。分析兩次過程1 000～500 hPa垂直風切變(圖4)發現，颮線過程開始前期，“4·2”過程(圖4a)和“4·15” 過程(圖4d)懷化上空垂直風切變較大，均大于22 m/s，屬于強垂直風切變，“4·2”過程前期和“4·15”過程出現較明顯冰雹天氣。颮線成熟階段，“4·15”過程(圖4e)維持強垂直風切變30 m/s，而“4·2”過程(圖4b)垂直風切變減弱到16～18 m/s。因此，“4·2”過程颮線組織結構為拖尾型(TS型)，即颮線后部有明顯寬廣的尾隨層狀云區；而“4·15”過程為“平行型”(PS型)，颮線后部無明顯尾隨層狀云[15]。

圖4 2016年4月2—3日和15—16日1 000～500 hPa垂直風切變(單位為m/s； a 2日20時，b 3日02時，c 3日08時，d 15日20時，e 16日02時，f 16日08時)

5 雷達特征分析

5.1 大風回波特征

“4·2”過程，01:24(圖5a)新晃境內回波表現弓形回波特征，而低仰角速度圖(圖5b)上有速度大值區，即0.5°速度圖上新晃境內有超過27 m/s的速度大值區(1.5 km附近)，表明有中層后側強入流，這有利于地面大風的形成，新晃境內也確實出現了12 m/s左右的極大風速。隨著回波東移發展，03:19表現出典型的颮線結構(圖5c)，即雷達東南向有帶狀強回波分布，且具有明顯的反射率因子梯度；速度圖(圖5d)上具有明顯的后側強入流、低仰角速度大值區、中層徑向速度輻合等特征，表明有較強的下沉氣流。颮線影響期間洪江市最大風速達22.1 m/s(洪江站3日02:00—03:00)。同時，后側強入流以及中層徑向輻合導致的強下沉輻散氣流是形成颮線的主要原因。

圖5 2016年4月3日01:24組合反射率因子(a) 、0.5°仰角徑向速度(b)，03:19組合反射率因子(c) 和 3.4°仰角徑向速度(d)

“4·15”過程，懷化中部區域出現大風時段(16日01:00—02:00洪江區幸福路風速達22 m/s)，組合反射率因子(圖6a，由于強降雨正好在懷化雷達站上空，天線罩對降雨回波產生衰減，因此回波強度比實際強度要弱很多)和2.4°仰角基本速度圖(圖6b)中，可以看到颮線后側0.8 km高度以上有20 m/s以上的后側強入流，在更低層0.5 km高度上有10 m/s以上的出流，說明存在傾斜的下沉氣流，也對應了地面大風區。同時還可以看到，低層為西北風，低層冷空氣已經經過懷化本站。

圖6 2016年4月16日01:44組合反射率因子(a)和2.4°仰角徑向速度(b)

5.2 冰雹回波特征

對于C波段雷達，由于冰雹的強烈衰減作用，強冰雹回波有時候會出現一個頂點指向雷達的“V”形缺口。圖7a、7b中A、B區域指示的就是由于冰雹對雷達回波的衰減造成的“V”形缺口。表明兩次強對流天氣過程中，均出現了較強的冰雹，雷達電磁波無法穿透，導致其后部出現“V”形缺口。

A、B指示區域為V型缺口。圖7 2016年4月2日22:46(a)和15日23:49(b)組合反射率因子

分析兩次過程降雹時段反射率因子垂直剖面(圖8)發現，“4·2”過程麻陽降雹時，強回波呈豎直形態，50 dBz的回波伸展到11 km左右，超過-20 ℃層高度，60 dBz的回波也從2.5 km左右高度伸展到8 km以上，回波最強強度達65 dBz以上，同時低層表現出弱回波區特征，說明風暴內上升氣流較強，有利于大冰雹的形成和增長，冰雹直徑達20 mm。“4·15”過程溆浦降雹時，強回波呈豎直形態，但強回波伸展高度明顯較“4·2”過程低，50 dBz強回波高度未伸展至-20 ℃層高度以上，不利于冰雹的增長，因此溆浦只出現7 mm左右的小冰雹。

圖8 2016年4月2日22:46(a)和15日23:49(b)反射率因子垂直剖面

6 結論

(1)兩次颮線過程均具有颮中系統的典型特征：都出現雷暴高壓、尾流低壓、颮線前低壓和颮鋒等中系統；颮線空間尺度150～300 km以上，時間尺度約5～6 h左右(典型的中β尺度特征)；颮線過境時氣溫驟降、氣壓涌升、相對濕度和風速增大。

(2)對比兩次颮線過程的影響系統和環境條件發現，“4·2”過程屬于低層暖平流強迫類配置形勢(暖區颮線)；“4·15”過程屬于斜壓鋒生類配置形勢(冷鋒型颮線)。“4·2”過程CAPE超過1 000 J/kg，融化層高度較“4·15”過程低，有利于大冰雹出現；“4·15”過程DCAPE較大，產生雷暴大風的站次多，強度強；K指數大于32 ℃，整層比濕積分較大，有利于短時強降水產生。

(3)垂直風切變強弱與回波組織形態有密切關系?！?·2”過程颮線成熟階段為弱垂直風切變，回波組織結構為拖尾型(TS型)。而“4·15”過程在強垂直風切變下，回波組織結構屬于“平行型”(PS型)。弓形回波、成熟階段顯著的中層后側強入流、中層徑向速度輻合和低仰角速度大值區等特征是產生雷暴大風的典型雷達回波特征；“V”形缺口、弱回波區等是典型的雹暴特征。