福建省一次典型的暖區對流過程分析

李珊梅 黃美金 王賢梅

(1.平潭綜合實驗區氣象局，福建 福州 350400；2.福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350001；3.福建省氣象臺，福建 福州 350001)

1 概述

強對流天氣是指出現短時強降水(>30mm/h)、雷雨大風(>17m/s) 、冰雹、龍卷等現象的災害性天氣。福建地處中國東南沿海、臺灣海峽西岸，受季風控制，是典型的亞熱帶海洋季風氣候區。福建境內多山丘，素有“八山一水一分田”之稱，特殊的地理位置和地形地貌，使得福建常年災害性天氣發生頻繁，其中春季以暴雨和冰雹等局地強對流天氣影響為主，常造成嚴重的經濟損失，甚至是人員傷亡事故[1]。

強對流天氣由于其尺度小、發展迅速、影響局地等特征，在短期預報中難度很大。但在短時預報預警時效內，氣象專家們利用雷達、衛星云圖和風廓線雷達等資料，探討提高強對流天氣的短時預報預警服務準確性的可能，并給出了不同類型強對流天氣的多普勒雷達識別技術、風廓線雷達的判斷方法等[1-5]。從大環流背景方面，鄒燕[6]利用小波和EOF等方法分析得出，東亞前冬季季風強(弱)年,前汛期西太平洋副高偏弱(強)，范圍較小(大)，西脊點偏西(東)，福建降水偏多(少)。在常規個例分析中，何小寧等[7]利用常規觀測資料對福建北部一次暴雨過程的成因進行分析，得出低層輻合、高層輻散有利于對流發展，雷達回波分析表明，低層暖平流、高層冷平流、區域上空輻合形勢有利于對流性降水的產生。而馮晉勤[8]、崔夢雪[9]和潘佳文等[10]均利用雙偏振雷達產品分析福建強對流天氣過程，在證實超級單體風暴的偏振觀測特征(ZDR弧、ZDR柱、KDP柱和CC 環)的同時，利用這些偏振特征開展強對流天氣預報預警服務。

本文通過對2019年4月22日福建省一次強對流天氣過程的成因和發展分析，討論強對流天氣發生發展機制，以期為強對流天氣的預報預警服務提供參考。

2 資料和方法

本文主要利用常規高空探測、地面觀測及加密自動氣象站觀測和新一代天氣雷達等數據資料，從環流背景條件和中尺度過程兩個角度，利用中尺度過程分析方法[11]，探討此次強對流過程的起因、發展和維持原因。

3 過程概況

2019年4月21-23日，江西、福建、廣東等地發生了強對流天氣過程，22日福建出現了全省性的雷暴、雷雨大風、冰雹和短時強降水等強對流天氣過程。此次過程自西向東發展，22日3時24分，三明建寧最先開始出現雷暴，22日21時，對流回波全部入海，過程結束。

從強對流天氣的類型和分布來看，過程(22日03～21時)福建全省均出現雷暴(圖1c)，但降水強度不大，冰雹、短時強降水和雷雨大風的時空分布比較零散。全省有8縣市21鄉鎮25個站點累積降水超過50mm，最大為寧德屏南98mm，其中14縣19個鄉鎮20個站次出現短時強降水(圖1a)，南平浦城最強為59.4mm/h(圖1b)；凌晨和午后有22縣市33個鄉鎮43個站點出現8～10級大風，最大為廈門集美25.7m/s(10級)(圖1b)；5縣市出現冰雹，凌晨時分出現在三明寧化(05時前后)，下午(14～18時)則先后在福州永泰縣、閩侯縣竹岐鄉、泉州南安詩山鎮、寧德周寧縣等地出現小冰雹(圖1b)。可見這是一次典型的局地混合偏干型強對流天氣過程，其特征為影響時間長、影響范圍廣、局地性強。

4 環流背景

4.1 高空形勢

從高空形勢上來看(圖2)，過程影響期間，長江流域以北有高空槽東移；21日夜里，福建處于副高西北側、槽前西南氣流控制；22日白天500hPa、700hPa均有弱波動東移，850hPa仍為西南氣流控制、有弱風速輻合，925hPa切變從福建中南部緩慢東移、20時至福建中南部沿海。高度場上的對流形勢相對較弱。

溫度場上(圖2)，500hPa有冷溫槽東移，此間850hPa一直有溫度脊配合存在。21日20時冷溫槽位于湖南東部，而后隨高度槽東移，此時溫度脊線維持在116°E-118°E，22日08時溫度槽脊重合在浙贛交界-福建西部；22日白天兩層溫度槽脊繼續東移，20時溫度槽入海。預示福建地區溫度直減率(t85)將增加，層結不穩定也相應增大，為對流的發生提供不穩定條件。

可見，21日夜里，冷槽帶來冷空氣自西路影響福建西部，22日下午，冷槽入海帶來北路冷空氣影響福建沿海，分別對應22日凌晨和下午的強對流天氣。

圖2 2019年4月21日20時～22日20時高空形勢綜合分析圖

4.2 地面分析

從地面分析圖可以看出，22日08時，地面倒槽控制福建地區(圖略)，東西兩側均有冷空氣影響，冷暖氣團在福建東西兩側分別交匯，有利于兩地的地面輻合分別發展；11時，中南部升溫明顯，等壓線、等溫線和等露點溫度線在沿海密集分布(圖3a)；14時，福建西部受降水影響、氣溫下降，但中南部暖區升溫更加明顯，地面氣溫達31℃以上(圖3b)，地面氣壓下降至1008hPa，升溫的暖區與下午的對流發生區基本重合。

綜上，這是一次典型的鋒前暖區型對流過程，冷槽帶來兩路冷空氣分別影響福建東部和西部，地面回暖使東部對流更加強盛。

根據對流發生地時段，可將其分為兩個階段。第一階段：凌晨，三明地區的風雹天氣，為對流發展的初始階段。第二階段：午后～傍晚，永泰、閩侯、南安的小冰雹，閩南的大風和零散的短時強降水，為對流爆發階段。下文將從中尺度物理量角度分析此次對流的兩個階段。

(a)14時地面加密分析圖 (b)14時氣溫≥30℃的自動氣象站分布圖(實線為偏東風輻合線)

5 中尺度診斷分析

5.1 第一階段

5.1.1 穩定度條件

CAPE和K指數能反映大氣層結的穩定情況，是判斷對流性天氣穩定度的重要指標[12]。分析22日20時和22日08時分布可以看出，22日夜里，福建西部有一個達1000以上的CAPE大值區，說明三明地區此時具備一定的不穩定能量(圖4)。而08時該地區CAPE值急劇下降，CAPE大值區向東(福州西部)、向南(閩南)擴散，前者與凌晨對流天氣發生的能量釋放有關，后者則為第二階段的對流發生積蓄能量。22日凌晨，三明西部和南平K指數達34以上，為三明西的風雹天氣提供能量。

圖4 2019年4月22日02時福建省CAPE分布圖

5.1.2 動力條件

21日夜里，沿著福建西部自西向東進行散度垂直剖面(圖5)，三明寧化(紅色三角)附近在200hPa有輻散中心，400hPa和近地面層為輻合中心，850～500hPa則處于輻散中心，自下而上(近地面-200hPa)分別為輻合-輻散-輻合-輻散，為雷暴大風的發生提供有力的耦合作用。

注：剖向如圖右上角所示，紅色三角為三明寧化地區

5.1.3 水汽條件

水汽含量和分布可直接影響強對流天氣的類型，大氣中水汽的多少、傳輸特點及其聚集度是決定對流降水大小的重要因子[13]。分析21日夜里850hPa溫度露點差(t-td)和水汽含量(Q)，全省t-td<4℃，Q>13g/kg，說明發生對流的低層水汽條件良好。21日20時，福建全省水汽通量散度均為負值(圖略)，可見整個福建均為水汽通量輻合區，水汽輸送中心在福建中南部，由于整層南風風力不大于10～12m/s，所以水汽并不能大范圍高強度地聚集。

綜上，21日夜里，福建西部具有較好的上升條件和不穩定能量，尤其是三明附近有利于產生雷暴大風的耦合條件，由于南風風力不大，造成降水強度不大。

5.2 第二階段

5.2.1 不穩定條件

500hPa～850hPa假相當位溫(Δθse58)時表示穩定度的物理量，不穩定區北側均遵從一條東西向強Δθse58鋒區，南北5個緯度Δθse差值>15K以上，即可能有冰雹發生[6]。分析22日14時Δθse58分布圖(圖6a)，華南-浙江存在一條東北-西南向的不穩定區，不穩定中心位于閩南-粵東，達-18K，福建沿海一帶尤其是閩南處于強不穩定區，第二階段的對流可能以風雹為主。

5.2.2 能量條件

22日白天，地面倒槽的能量積蓄，福建全省CAPE和K值在午后達到了最強盛的時候，尤其是中南部和東部沿海CAPE值達2000以上，對應了午后大風、冰雹等強對流發生的區域；全省K值均達35以上，熱力不穩定發展旺盛，福州西部、泉州南部等強天氣發生區與K≥37℃的區域基本吻合。

觀察850hPa和500hPa的溫度差(ΔT85)同樣可以發現，08時全省ΔT85為23～25℃，14時全省ΔT85>24℃，且內陸、南部沿海有兩個ΔT85>25℃的中心，17時沿海ΔT85>25℃(圖略)。根據福建省強對流天氣預報經驗(ΔT85>23℃即可發生對流、ΔT85>25℃時可發生風雹),但此次過程ΔT85>25℃的范圍和量級相對較弱，所以對流以小冰雹為主。

假相當位溫θse是同時表征溫度和濕度的參數，θse值的高低和疏密程度可確定其能量鋒區的位置[14]。22日白天850hPa θse在東部沿海也有一個明顯的、具有一定斜壓性的溫度鋒區，不僅有利于抬升作用，同時是沿海地區具有較強不穩定條件的又一有力證據。

5.2.3 水汽條件

22日早晨福建整層處于水汽通量輻合區，輻合中心位于中北部沿海的福州、寧德等地。08時，福建中南部500hPa溫度露點差(t-td)≥16℃，泉州南部和廈門地區為更明顯的干區(t-td)≥20℃：在整層上干下濕的環境條件下，中層明顯的干區，是造成大風天氣的重要征兆。

22日白天850hPa溫度露點差(t-td)逐漸減小、水汽含量Q在沿海和南部明顯加大，14時全省t-td≤3℃、Q≥12g/kg，沿海和南部地區Q≥14g/kg(圖6b)，水汽條件更有利于對流在沿海和南部地區發展。

(a)Δθse58分布圖 (b)水汽(Q)分布圖

5.2.4 動力條件

22日08時，福建高層(200hPa)有較好的輻散條件，500hPa南支槽自湘南-粵北東移影響福建中南部，500hPa上升速度中心也在福建中南部、最強上升速度達16 (10-1Pa/s )，為福建中南部創造良好的抬升條件。

沿著沿海強天氣發生區做散度垂直剖面，并選取四個坐標分別對應平和(117.02°E，24.26°N)、廈門(118.12°E，24.46°N)、南安(118.32°E，25.16°N)、永泰(119.18°E，25.88°N)等強對流發生區，如圖7所示。結合散度剖面圖和福建地形，南安和永泰附近由于山脈的地形作用，低層可抬升到850～700hPa左右，自700～200hPa自低層到高層的散度形勢為：輻合-輻散-輻合-輻散；平和和廈門近地面-200hPa散度形勢同樣如此。可見，午后福建沿海整層的抬升條件有利于產生風雹天氣。

注:剖向如圖左上角所示，紅色圖形標識自左向右分別為漳州平和、廈門、泉州南安和福州永泰

綜上，22日Δθse58在福建沿海一帶尤其是閩南有極大值，說明該地區處于強不穩定區；同時，地面-200hPa散度形成低層輻合、高層輻散的抬升條件，預示并觸發風雹型對流天氣的發生。福建中南部地面暖區升溫明顯，南北風輻合區發生，中南部、沿海地區午后不穩定能量強盛，是22日午后強對流發生的基礎。中層明顯的干區，是造成午后雷暴大風的主要因素。水汽在沿海聚集，尤其是寧德西部地區水汽條件最為有利，是該地區短時強降水發生的基礎。

6 雷達資料分析

針對這樣的強對流天氣，由于傳統探測資料的局限，短期天氣預報往往不能起到非常好的預警作用。隨著探測手段的發展，日常預報服務中，預報員傾向于利用多普勒雷達等非常規雷達探測資料來彌補缺陷。本文同樣從此次過程的兩個階段入手，利用多普勒雷達回波資料來分析其差異。

在第一階段，選取4月22日06∶00三明雷達基本反射率產品和最可能降雹粒子的風暴追蹤信息(圖8a)，可以發現最強反射率因子強度(MAXIMUM REFLECTIVITY)達60dBz的強度維持了近一個小時(5∶00～6∶00)，5∶30左右最強反射率因子高度(DBZM HT)達5km左右，超過0℃層高度；大冰雹指數(POSH)達100%，但只維持一個體掃，說明有小冰雹；整層可降水量(CELL BASED VIL)較小，所以沒有明顯強降水。

在第二階段，分析雷達回波速度場資料(圖8b)可以發現，17時～19時，三個仰角的速度場都有強速度回波東移，速度達-27m/s，對應大風自漳州南部東移北抬至廈門-泉州南部；18∶16時05°仰角的雷達回波出現速度模糊現象，最大速度達-30m/s，此時對應地面大風達23.8m/s；然而地面最強風速出現在18∶45，說明雷達回波對短時臨近強天氣預報有一定的預測性。

而從14:59福州永泰降雹胚子分析圖(圖略)也可以很容易看出，其最強反射率因子高度超過5km，大冰雹指數達100%也維持了一個體掃，強反射率因子達55dBz也維持了1h以上，且整層可降水量最高達60kg/m2以上，說明永泰地區不僅會有小冰雹發生，還會有短時強降水發生的可能，與實況對應良好。

綜上，雷達回波資料如多普勒速度圖等對強天氣的發生有一定的指示作用，可用于臨近預警服務中；風暴追蹤等產品可以很好指示冰雹、短時強降水等強天氣的發生，可用于實況確認和過程分析等。

(a)6∶00三明雷達風暴追蹤圖 (b)18∶16長樂雷達基本速度圖(紅圈為速度模糊區)

7 結論

通過對2019年4月22日強對流過程的分析，可以得出此次強對流過程的特征及其形成原因：

①冷槽帶來兩路冷空氣分別影響福建西東部，地面回暖加劇東部對流。

②散度等物理量條件也為此次對流過程的發生發展提供一定的支撐。高層輻散低層輻合的散度形勢，輻散區和中層上升速度中心重合在福建中南部，為對流創造良好的抬升條件。CAPE和K值自21日夜里開始積蓄，22日午后最強盛，為對流在凌晨發生和午后再次發展提供能量。溫度露點差偏低、整層含水量持續較多和持續的水汽通量輻合為對流發生提供良好的水汽條件。

③溫度、濕度和能量等物理量的分布不均等造成了此次對流的局地性特征。南風風力不大，造成21日夜里對流降水強度不大；閩南地區的中層明顯干區，是其午后雷暴大風形成的主要原因；局地的輻散低層輻合形勢，Δθse85極值分布在閩東南，且其在沿海地區明顯的、具有一定斜壓性的鋒區，觸發了這些地區風雹類強天氣的發生；水汽在沿海、尤其是寧德西部地區聚集，是該地區短時強降水發生的基礎。

雷達回波產品中，多普勒雷達速度圖對強天氣的發生有一定的指示作用，可用于臨近預警服務中；風暴追蹤等產品可以很好地指示冰雹、短時強降水等強天氣的發生，可用于實況確認和過程分析等。