浙江春季兩次颮線的環境場條件和多普勒雷達特征對比分析

毛程燕， 汪 晨， 龔理卿， 廖君鈺， 李浩文

(1.衢州市氣象局，浙江 衢州 324000； 2.廣州市氣象臺，廣州 510080)

引 言

強對流天氣具有空間尺度小、發展速度快、持續時間短等特點，并可伴有短時強降水、強雷電、雷暴大風(龍卷)、冰雹[1]、下擊暴流[2]等劇烈天氣，尤其是春、夏季強對流活動發生頻繁、破壞性強，對人們的生命財產構成重大威脅[3]。其中颮線是雷暴單體側向排列形成的強烈線狀中尺度對流系統，由于其組織性高，尺度小，發展快，移動迅速，預報和預警難度大，因此颮線已被國內外學者重視和研究[4, 5]。對于颮線的探究，專家學者大多從其環流背景、中小尺度結構[6]、觸發機制、雷達產品特征等方面著手[7, 8]。如盛杰等[9]分析了一次早春颮線的物理條件和雷達回波發展演變特征，提出下擊暴流是極端大風形成的主要原因。吳瑞姣等[10]將江淮災害性大風颮線分為五種天氣類型，并分析了不同模型下物理條件。王強等[11]對比了湖南不同季節颮線產生的物理機制和雷達回波特征，認為雷暴大風的預報預警著眼點為低仰角速度大值區和中層徑向輻合。張琴等[12]研究了山東境內強對流天氣的能量結構、中小尺度異同，提出了700 hPa以下存在的高能區有助于強對流的發展。楊新林等[13]對比研究華南雷暴大風和普通雷暴大尺度環境，指出雷暴大風發生時斜壓性和動力強迫更強。農孟松等[14]提出廣西颮線大風等災害性天氣常出現在颮線的斷裂處。一般來說，不同環流形勢下產生的災害性天氣不同，高空槽前多短時強降水，冷渦后部多大風和冰雹天氣[15-17]，而相似的環流形勢下也可以出現不同類型和強度的對流天氣[18,19]。

“3·4”和“4·9”過程是出現在江淮、華南地區兩次較為典型的強對流過程，具有影響范圍廣、致災性強等特點，二者雖出現在相似背景下卻有不同物理條件和雷達回波特征。因此尋找兩次過程的共性和特性，具有重要預報意義[20]。本文利用常規地面和高空觀測、多普勒雷達、NCEP FNL逐6 h(空間分辨率為1°×1°)再分析資料，對發生在浙江省的兩次典型春季強對流過程的天氣分布特點、環境形勢演變、颮線系統變化等特征進行對比研究，分析雷暴大風出現成因的主要異同點，尋求相似背景下混合性強對流的預報方法，為江淮地區颮線和雷暴大風預報提供參考依據。

1 颮線過程天氣特征對比

1.1 颮線過程實況

“3·4”颮線過程強天氣分布見圖1(a)。2018年3月4日凌晨至5日上午，華南、江南等地出現了一次罕見的大范圍強對流過程。浙江受颮線影響時段主要是在4日傍晚到夜里，該時段出現直線型雷暴大風，并伴有短時強降水、強雷電、局地冰雹。

“4·9” 颮線過程強天氣分布見圖1(b)。2019年4月9日早晨至10日凌晨，江淮、江南等地出現明顯的強對流天氣。浙江省受颮線影響時段主要在9日11時至20時，以風雹天氣為主，另有分散的短時強降水。

圖1 2018年3月4日08時至5日08時(a)和2019年4月9日08時至10日08時(b)浙江省強對流天氣分布紅色圓點表示小時強降水(單位：mm),綠色倒三角表示雷暴大風(單位：m·s-1)，灰色圖形表示地閃

對比分析發現，兩次颮線過程均出現了大范圍的雷暴大風和強雷電、分散的短時強降水和冰雹天氣。就浙江而言，集中影響區域為中北部地區。雖然兩次過程均是劇烈的混合型強對流，但“3·4”颮線過程影響范圍更廣、冰雹更大、風速更極端、致災性更強，有完整的直線型回波結構特征，移動方向是從湖南向江淮方向快速移動，10級以上大風密集。“4·9”颮線過程以大風天氣為主，局地有小冰雹，地閃密度和大風范圍均不如前者，移動方向則是自北向南影響，移速也不如前者，直線型回波有斷裂，強度相對較弱，風力相對也略弱。

1.2 兩次颮線過境氣象要素變化特征

圖2(a)、2(b)是“3·4”颮線過程過境前后衢州站氣象要素變化。由圖可看出，衢州站有2次風速劇增，分別出現在4日18-19時、21—22時。颮線過境時，風速劇增,氣壓涌升,濕度突變,氣溫驟降。衢州站風速最大達到了26.1 m·s-1(18:04-18:18)，氣壓從994.8 hPa驟升至998.7 hPa，氣壓變化趨勢與風速變化基本一致；相對濕度由57%飆升至100%，氣溫則由27.5 ℃降至20.2 ℃。18:12颮線過境后各氣象要素變化幅度不大。第二階段線狀回波過境時(21-22時)，變化幅度均沒有第一階段的顯著。

圖2(c)、2(d)是“4·9”颮線過境前后衢州站氣象要素變化。由圖可看出，衢州城區風速最大達到35.6 m·s-1(12級，18:08)，氣壓從991.6 hPa上升至993.9 hPa，后隨著風力下降，氣壓也迅速下降，氣溫則由31.1 ℃(18:00)驟降至23.0 ℃(18:17)，相對濕度由46%(18:05)躥升至95%(18:16)。

圖2 2018年3月4日(a、b)和2019年4月9日(c、d)衢州站氣象要素演變

對比分析發現，兩次颮線過程出現的時間都在18:00前后，白天晴好天氣，升溫明顯，能量積聚，且颮線過境時衢州站均出現氣壓涌升、風速突變、相對濕度突增、氣溫驟降等特征。

2 兩次強對流過程的環境條件對比

2.1 兩次颮線發生前的天氣形勢特征

“3·4”颮線過程發生前(圖3a)，北支槽主鋒區位于江淮南部，斜壓性強，而南支鋒區從華南伸至江南一帶，南支槽與北支槽同位相疊加，有利于暖區強對流發展。浙江省處于西風槽前，700 hPa和500 hPa高度槽呈前傾結構，系統前向傳播明顯，移速較快；副熱帶高壓偏強，位于南海至西太平洋海域；700 hPa西南急流強盛，浙江中北部850 hPa有西南風速輻合，午后升溫顯著，能量積聚，天氣系統加強，對流在午后得到劇烈發展。850 hPa和500 hPa氣層溫差在28 ℃以上，非常有利于春季強對流的觸發。此時地面低壓倒槽伸展至黃淮流域(圖3b)，邊界層輻合線位于浙江中北部，1000 hPa與500 hPa層的垂直風切變增強至30 m·s-1以上，極為有利于組織形變為尺度較大的線狀或弓形回波。此時也是對流發展的強盛階段，垂直風切變偏強，促進了超級單體和多單體風暴的生成和發展，從江西中北部向東北方向移動速度很快，浙江省自西向東有颮線過境。20時鋒區南壓，中尺度系統即由“暖平流強迫類”轉為“斜壓鋒生類”[21]。

“4·9”颮線過程發生前(圖3c)，華南、江南處于西風槽前，700 hPa和500 hPa高度槽也具有明顯的前傾結構，但低槽深度較淺，位置更偏西；700 hPa偏西急流偏強(22 m·s-1)，850 hPa有西南風速輻合，浙江省位于低渦東南象限；200 hPa高度層上，30°N和40°N附近分別有一支西風急流，急流核位于東海上空，浙江省上空急流風速達40 m·s-1以上，高空輻合產生下沉運動。地面江淮氣旋位于江南北部(圖3d)，浙江省大部分地區受到低壓倒槽影響，850 hPa和500 hPa之間溫差在26 ℃以上，1000 hPa與500 hPa垂直風切變為20～24 m·s-1，白天氣溫升幅顯著，熱力條件較好；地面弱冷空氣滲透影響浙江北部，有利于強對流觸發。

圖3 2018年3月4日14時(a、b)和2019年4月9日14時(c、d)天氣形勢圖(a)(c)實線為等高線，單位：dagpm，虛線為200 hPa≥30 m·s-1等風速線，陰影為850 hPa與500 hPa溫差，單位：℃；圖(b)(d)實線為海平面氣壓場，單位：hPa，陰影為1000 hPa與500 hPa垂直風切變，單位：m·s-1

對比分析發現，兩次強對流過程均處于500 hPa南支槽、850 hPa西南風速輻合、地面低壓倒槽、200 hPa急流輻散區的配置下，850 hPa與500 hPa溫差較大，1000 hPa與500 hPa垂直風切變較強，熱對流條件良好。此外，地面冷空氣滲透增強了近地層的不穩定性。 但“4·9”過程相較于“3·4”颮線過程，系統位置更偏北，系統也更弱，出現強對流的范圍相對也更小。

2.2 兩次颮線發生前的物理條件特征

選取兩次都受颮線影響的08時衢州探空進行分析(圖4)。由圖4可看出，14時，衢州站溫度和露點層結曲線均呈喇叭狀開口，顯示出上干下暖濕，600-500 hPa附近都有明顯干侵入，大氣層結極不穩定，下沉對流有效位能大；800 hPa溫度露點差較小，但近地層相對較干；中層(500-700 hPa)風力很強，有利于大動量氣塊卷夾；CAPE和LI數值相近，但兩者K指數相差很大(分別為37 ℃、23 ℃)。“3·4”過程午后升溫幅度大(氣溫日較差17.7 ℃)，有利于雷雨大風等強雷暴的發展，0 ℃層高度為4.2 km，-20 ℃層在6.7 km左右，適宜大冰雹產生；“4·9”當日氣溫升溫幅度(12.8 ℃)遠不如前者，0 ℃位于4.5 km，-20 ℃在7.5 km，零度層高度略偏高，有局地小冰雹出現。

圖4 衢州站2018年3月4日14時(a)和2019年4月9日14時(b)T-lnp圖紅色實線為溫度層結曲線，藍色實線為露點層結曲線，黑色實線為狀態曲線

3 兩次過程風暴結構對比分析

3.1 “3·4”颮線過程雷達回波特征

“3·4”颮線過程對浙江的影響主要分為3個階段：3月4日17:19-19:27弓形回波(Ⅰ階段)，20:21-23:29多單體帶狀回波(颮線，Ⅱ階段)，23:17-次日03:13分散塊狀強降水回波(Ⅲ階段)。本文僅分析前兩個階段。

Ⅰ階段：4日17:19-19:27弓形回波自西向東影響浙江中南部。17時前后，線狀回波從江西省中北部快速移向浙江省西部。17:44線狀多單體風暴合并演變為弓形回波(圖5a)，回波移速相對于500 hPa和700 hPa的引導氣流(20 m·s-1)略快。17:00-18:00帶狀回波尺度增大，有一條斷裂的回波帶，移動過程中移速略有減慢(80～100 km·h-1)。對風暴A作反射率剖面可見(圖5c)，其對流發展高度在7.5 km左右，強回波(50 dBZ以上)伸展高度僅4 km，強降水回波30～40 dBZ。與此同時，江西北部地區基本速度圖(0.5°仰角)上出現27 m·s-1大風速核(圖5b)。從速度剖面可見，線狀回波移動的前沿在2-6 km處有弱的徑向輻合(圖5d)。本次過程移動速度很快，風力陡增，隨后風速明顯減弱。

圖5 2018年3月4日 17:44衢州雷達組合反射率因子(a)和0.5°仰角平均徑向速度(b)及沿著圖中線段走向的A風暴的反射率因子(c)和平均徑向速度(d)的垂直剖面黑色圓圈代表中氣旋，白色圓圈代表中層徑向輻合區

Ⅱ階段：4日20:21—23:29第二條颮線過境影響。20:21有完整的線狀回波。20:33回波帶上的強風暴發展為超級單體風暴B、C和D。21:01—21:22颮線斷裂，21:28—22:10線狀回波再次加強為連續結構，20:45超級單體C強中心最大反射率因子超過68 dBZ(圖6a)。從對應的反射率剖面看(圖6c)，超級單體C的對流發展高度在9 km左右，高懸的強回波擴展到8 km(-20 ℃等溫線以上)，近地層有弱回波區，中高層有明顯的回波懸垂。

從0.5°仰角的徑向速度可見(圖6b)，20:45颮線后部中氣旋的負速度出現了速度模糊、退模糊后為-39 m·s-1，近地層出現了大風速區。從速度剖面可見(圖6d)，線狀回波移動的前沿在2-6 km處有強烈的中層徑向輻合區，說明對流層中層干空氣卷夾進入雷暴的過程，這種卷夾過程加速了雷暴內部的下沉氣流。中氣旋最大旋轉速度為20 m·s-1，達到中等強度中氣旋標準。本次雷暴大風過程是傳統的經典大風天氣回波產生的極端大風，并具有大冰雹回波特征，很有可能出現冰雹天氣。

圖6 2018年3月4日 20:45衢州雷達組合反射率因子(a)和0.5°仰角平均徑向速度(b)及沿著圖中線段走向的C風暴的反射率因子(c)和平均徑向速度(d)的垂直剖面黑色箭頭代表氣流方向

3.2 “4·9”颮線過程雷達回波特征

4月9日15:51—19:45颮線過境影響浙江省。9日15:34江西北部出現60 dBZ以上的超級單體風暴，16:03回波東移加強，數個多單體風暴(55 dBZ以上)在16:50合并形成弓形回波影響衢州市北部。17:01—17:19衢州市龍游縣有超級單體風暴發展，最強回波有72 dBZ，龍游出現了小冰雹。17:13超級單體E強中心最大反射率因子超過65 dBZ(圖7a)，具有明顯的中氣旋和三體散射現象。從反射率剖面看(圖7c)，超級單體E的對流發展高度近9 km，高懸的強回波擴展到8 km(-20 ℃等溫線以上)，近地層有弱回波區，中高層有明顯的回波懸垂。從0.5°仰角的徑向速度可見(圖7b)，17:15颮線后部中氣旋的負速度出現了速度模糊，退模糊后為28 m·s-1，近地層出現了大風速區。從速度剖面可見(圖7d)，線狀回波移動的前沿在2-6 km處有較弱的中層徑向輻合區。最大旋轉速度為10 m·s-1，達到弱切變標準。

18:06新一輪多單體回波影響衢州城區，沒有明顯的弓形回波，衢州站出現了12級大風，持續時間較短。由雷達反射率剖面圖(圖略)可見，高懸的強回波伸展到6 km，最強中心為55 dBZ，低層有弱回波區。

由此可見，“3·4”和“4·9”颮線過程中均不斷有回波單體生成，并伴有冰雹、雷暴大風、短時強降水等混合性強對流出現。出現冰雹天氣時，均出現了高懸的強回波中心和中高層回波懸垂，且中層徑向速度輻合，近地層徑向速度很大。但“3·4”颮線組織性更好，移速更快，近地層出現了速度模糊，中層徑向輻合更強，因此出現的冰雹更大，大風持續時間更長，破壞力也更明顯。而“4·9”過程組織性維持時間很短，多斷裂的多單體影響形勢，呈現“遍地開花”狀。

4 結 論

通過對發生在浙江省的兩次大范圍的春季強對流過程的環境條件和風暴結構進行對比分析，得到如下結論。

(1)“3·4”颮線過程與“4·9”颮線過程均出現了混合強對流天氣，且均出現在下午到傍晚，影響過程以雷暴大風和冰雹為主，強降水范圍較小，“3·4”過程中雷暴大風的影響范圍更廣，出現的冰雹更大，致災性更強。

(2)兩次強對流過程高空均有前傾槽結構，地面有低壓倒槽，850 hPa和700 hPa有西南急流，良好的天氣系統配置為強對流觸發提供有利的環境條件；“上干下濕”的典型的“喇叭口”探空結構，中層明顯干侵入，地面冷空氣滲透，溫度垂直遞減率很大，1000 hPa與500 hPa垂直風切變強，午后大幅度升溫導致動力、熱力不穩定條件均良好。“3·4” 颮線過程高空槽更深，有利配置的系統位置更偏南，出現的強對流范圍遍布全省，而“4·9”過程強對流基本上集中在浙江北部，對中南部影響時間短。“3·4”過程垂直風切變、高低空溫差均比“4·9”過程的大。

(3)兩次颮線過程都受到有組織的對流風暴反復多次影響。預報著眼點均為低仰角速度大值區，中層徑向輻合，高懸的強回波，回波懸垂。不同的是“3·4”過程中出現了很強的中氣旋，“4·9”過程則只出現弱切變，因此前者強度更強，影響范圍更大。