黔西南一次中β尺度強對流天氣分析

楊春艷，陳 楊，孟慶怡，孔德璇，段 榮，李 力

(1.貴州省黔西南布依族苗族自治州氣象局，貴州 興義 562400；2.貴州省黔南布依族苗族自治州氣象局，貴州 都勻 558000；3.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

黔西南州是典型的低緯度高海拔山區，地勢西高東低、北高南低。州境內地形起伏大，天氣氣候復雜，氣象災害頻繁，常年受暴雨、冰雹、大風等氣象災害的影響。

前人對強對流天氣的研究成果非常豐富。俞小鼎等[1]在中國當代強對流天氣研究與業務進展論著中提到，目前我國學者對強對流天氣的發生發展認識清楚，能夠清晰研究強對流的觸發機制、環境條件和維持機制，通過分析強對流天氣的氣候分布特征和中尺度對流系統的組織形態特征，對強對流天氣的預報預警技術有明顯提升。大氣層結不穩定，低層輻合線觸發強對流天氣發生，徑向速度圖上的特征可以預報預警雷暴大風[2]；冰雹的發生需有適宜的0 ℃層高度、-20 ℃層高度，VIL值躍升[3-4]；白慧等[5]對一次初春強對流天氣分析時提到了低空急流的作用。夜間邊界層頂低空急流加強,使得北部山區出現大量級的短時強降水，廣東能量極大值常出現在大氣底層，環境風廓線利于垂直運動發展而觸發新對流，最終形成颮線[6]。而西部高原發生強對流過程時，東移的高原低渦前傾切變線提供動力和水汽條件，水汽主要來自西路水汽輸送通道，有明顯的輻合及垂直輸送，強烈的入流和上升氣流、中層輻合和高空輻散有利于高原上降雹[7]。黃金全等[8]在貴州中部發生的一次強對流天氣中發現，垂直速度梯度越大則對流活動越強。同時，特殊地形對極端大風和短時強降水也有明顯的增幅作用[9-10]。

但針對黔西南州出現的大范圍災害性天氣的個例分析還很少。2020年5月2日午后至夜間，黔西南州自北向東南方向出現大范圍雷電、雷暴大風、冰雹、短時強降水等強對流天氣，尤其是安龍縣錢相出現42 m·s-1的下擊暴流天氣。本文利用常規地面觀測資料、高空觀測資料、多普勒天氣雷達資料、衛星資料以及NOAA的HYSPLIT模式同期驅動資料，通過常規氣象分析方法對本次大范圍強對流天氣過程的環境場、水汽源地、雷達產品等進行了詳細分析，特別是對安龍錢相發生下擊暴流時的天氣雷達數據進行了重點分析，期望能給黔西南今后的強對流天氣預報業務工作提供有效的參考。

1 天氣實況及環境場分析

1.1 天氣實況

2020年5月2日午后至夜間，黔西南州自北向東南出現大范圍雷電、雷暴大風、冰雹、短時強降水等強對流天氣，給安龍、冊亨等地造成八千余萬元的經濟損失，主要由風災引起。

如圖1所示，5月2日全州共出現1 817次閃電；普安、晴隆、興仁、貞豐、安龍、冊亨、望謨共有16個鄉鎮出現偏北雷暴大風，最大為安龍縣錢相42 m·s-1(14級)，安龍縣錢農園38.9 m·s-1次之；16—20時，普安、晴隆、興仁、貞豐、安龍、冊亨共有29個鄉鎮降雹，最大冰雹直徑25 mm(普安縣羅漢)，最大降雹密度200 粒·m-2(晴隆縣花貢鎮民族村)；全州共出現44站短時強降水，最大小時雨強為冊亨縣站66.3 mm·h-1(2日23時)。2日08時—3日08時，全州共有13站暴雨，最大降水出現在貞豐龍山為70.4 mm。

圖1 黔西南州5月2日(a)過程雷電、(b)雷暴大風、(c)冰雹、(d)短時強降水、(e)24 h降水分布情況Fig.1 Distribution of (a) process lightning,(b) thunderstorm gale,(c) hail,(d) short-term strong precipitation,(e) 24-hour precipitation in Southwest Guizhou on May 2

1.2 影響系統分析

對5月2日08時和20時實況形勢場進行分析可見(如圖2)，08時500 hPa上甘肅東部至四川中部有低槽，低槽南段冷平流作用使得低槽加深東移南壓，副高主體位于海上，穩定少動，受其引導中低層黔西南地區上空為一致的偏南氣流，為本次強對流天氣的產生提供水汽條件；此時渝貴之間700 hPa和850 hPa均有切變線存在，700 hPa滇黔之間有南北向切變線，地面在云南有熱低壓發展加深，熱低壓東側省的西部偏北地區有輻合線發展，位置少動，在16時以前，黔西南地區為偏南風。20時，500 hPa低槽迅速東移南壓至貴州省南部邊緣，黔西南地區轉為槽后西北氣流引導高原冷空氣南下，700 hPa滇黔之間切變線東南移動至廣西中北部，850 hPa渝貴切變線南壓至省中部偏北地區，地面輻合線南壓至黔西南州北部。

圖2 5月2日(a)08時、(b)20時天氣綜合分析圖Fig.2 Weather comprehensive analysis chart at(a) 08:00, (b) 20:00 on May 2

綜上，500 hPa高空槽帶動700 hPa切變東移南壓，提供了較好天氣尺度的上升條件，850 hPa百色始終為偏南風，在16時以前地面上持續的偏南暖濕氣流積聚了能量和水汽，疊加中高層高原上的弱冷空氣，大氣層結不穩定，在地面輻合線的觸發下，黔西南地區出現了此次強對流天氣過程。

1.3 大氣不穩定層結

對5月2日貴陽、威寧和百色的探空圖進行分析(見表1)。08時，貴陽的CAPE值較大，達到717 J·kg-1，K指數36 ℃，大氣處于不穩定狀態，威寧和百色的CAPE值較小，用14時的溫度訂正后貴陽為2 050 J·kg-1、威寧為1 573 J·kg-1、百色為1 682 J·kg-1。20時，貴陽、威寧的CAPE值減小到851 J·kg-1、134 J·kg-1，表明強對流天氣的發生釋放了一部分能量，但百色的CAPE仍在1 000 J·kg-1以上為1 089 J·kg-1，K增加到39 ℃，干暖蓋指數增加到-48.7 ℃，仍保持著強的不穩定狀態，非常有利于不穩定對流天氣的發展。08時3站的抬升凝結高度較低，表明較小的外力作用就可以將氣塊抬升形成對流泡。

表1 5月2日08、20時探空要素表Tab.1 Radiosonde elements at 08:00 and 20:00 on May 2

垂直風切變是表征對流性風暴組織程度的重要參數，此次過程中08時貴陽、威寧、百色的0～6 km垂直風切變均較大，分別為25 m·s-1、34 m·s-1、30 m·s-1，按照俞小鼎等[1]對垂直風切變的分類，屬于強垂直風切變，非常有利于形成有組織的對流性風暴，造成大范圍的強對流天氣。

較強的下沉氣流是產生雷暴大風的必要條件，通常用下沉對流有效位能DCAPE來表征。08時威寧和百色的DCAPE較大，分別為338 J· kg-1、922 J· kg-1，表明貴州西部有發生雷暴大風的潛勢。從20時百色的探空圖(圖略)也可以看出，探空層結呈現出“沙漏”結構：中層濕，高低層干，有利于雷暴大風的形成。研究表明，有利于雷暴大風產生的環境條件主要有以下兩點：①對流層中層存在干層。通常用700 hPa、500 hPa、400 hPa 3層的平均溫度露點差代表對流層中層的干空氣層強度，該值越大表示干空氣越干或干層越深厚，對于雷暴內強烈下沉氣流發展越有利，計算百色700 hPa、500 hPa、400 hPa 3層的平均溫度露點差分別為08時9.7 ℃、20時12.3 ℃，有增加的趨勢，對比高曉梅等[11]對魯中地區分類強對流天氣干空氣強度的計算值，與冰雹雷暴大風型平均溫度露點差一致(12.2 ℃)，表明中層具有明顯的干層，干空氣強度較強。②高層動量下傳。當夾卷層風速較大時，動量下傳對于地面大風會有相當貢獻，利于風暴。承載層平均風速表示動量下傳的潛勢大小，為簡單起見，風暴承載層的平均風用850 hPa、700 hPa、500 hPa和300 hPa 4層的平均風矢量的絕對值表示，分析百色風暴承載層的平均風發現08時和20時分別為15.25 m·s-1和16 m·s-1，與高曉梅等[12]計算的冰雹雷暴大風型風暴承載層的平均風一致，對流風暴移動速度相對較快，動量下傳效率高，有助于雷暴大風產生和增強。

俞小鼎[13]指出冰雹融化層的近似高度應為濕球溫度0 ℃層(WBZ)，而不是干球溫度0 ℃層(DBZ)。進行海拔高度訂正后，百色探空顯示08時和20時的DBZ分別為4 758 m、4 885 m，而WBZ分別為3 854 m、4 275 m，均在600 hPa附近，與DBZ相比有明顯的降低。同時，-20 ℃層高度為8 km左右，比較適宜大冰雹生長。

由5月2日貴陽、威寧和百色的比濕、假相當位溫的垂直分布可知(圖略)，08時，百色底層比濕達到15 g·kg-1，隨著水汽的不斷積聚，比濕不斷增加，水汽的垂直輸送增大。假相當位溫的垂直分布表現為隨高度先減小后增大，低層為明顯的不穩定層結狀態，隨著系統發展，底層比濕增加，不穩定狀態得到加強，中低層的假相當位溫逆溫更加顯著，且不穩定高度明顯增加，觸發抬升運動和水汽向上垂直輸送，對流發展旺盛時，潛熱大量釋放，有利于產生冰雹、短時強降水天氣。

1.4 水汽條件

過程中黔西南地區上空濕層厚，水汽通量散度輻合，700 hPa比濕為7～9 g·kg-1，850 hPa比濕為14～15 g·kg-1，隨著系統發展，比濕不斷增加，底層水汽不斷積聚，水汽的垂直輸送增大，為強對流天氣的發生提供較好的水汽條件。

本文利用美國NOAA后向軌跡模式HYSPLIT的同期驅動資料對本次過程的水汽輸送路徑及貢獻率進行模擬分析[14]。假定水滴的運動軌跡是隨風場一致的，且在運動過程中無耗散，模擬日期選取過程發生前48 h，時間步長為6 h，模擬對象為本次過程20時發生大冰雹的興仁站，選取1 500 m(850 hPa)作為模擬高度，將興仁站水滴后向追蹤48 h的多條三維運動軌跡進行聚類。

圖3可見，5月2日興仁站850 hPa的水汽輸送路徑主要有4條，即本地、西、西南、東北路徑。一是在興義、興仁附近的本地短路徑水汽輸送，貢獻率為21%；二是由重慶地區向興仁輸送的東北路冷水汽，其貢獻率達到28%；三是由云南南側向興仁輸送的西南水汽輸送通道，貢獻率為17%；四是由云南西側緬甸向興仁輸送的西路水汽通道，貢獻率34%為最多。

圖3 5月2日興仁站后向軌跡追蹤48 h的水汽輸送軌跡(百分比為該軌跡的水汽貢獻率)Fig.3 Backward trajectory tracking for 48 hours of water vapor transport of Xingren station on May 2(The percentage is the water vapor contribution rate)

2 衛星云圖與雷達分析

2.1 衛星云圖分析

此次過程中，衛星紅外云圖上有一橢圓形云團向東南方向發展移動，云團的東南邊界呈弧形，東邊界出現卷云砧，呈現出典型的雹暴云團特征(圖略)，強對流天氣一般出現在雹暴云團東南邊界梯度最密集帶。根據當天相當黑體亮度溫度TBB的演變(圖4)來看，5月2日18時，黔西南地區TBB中心值在-30～-50 ℃之間，20時黔西南中部出現TBB<-60 ℃的冷云中心，21—22時冷云中心范圍擴大，中心南部邊緣梯度增加，此時對流發展最為旺盛，對流云頂伸展較高，有利于冰晶的生成，易發生強對流天氣。

圖4 2020年5月2日20—22時TBB演變(UTC)Fig.4 Evolution of TBB at 20:00 to 22:00 on May 2 (UTC)

2.2 雷達分析

本次過程從16時開始至23時結束，持續7 h，移動速度緩慢，影響黔西南州大部分地區。回波路徑有3條，均為西北—東南方向：一是16時在興仁市潘家莊生成并不斷加強，向東南方向移動先后經過興仁、安龍、冊亨，最后從冊亨移出我州；二是16時30分在普安縣龍吟生成并不斷加強，向東南方向移動先后經過普安、晴隆、興仁、冊亨，與第一路徑匯合；三是18時在普安中北部生成并不斷補充加強，向東南方向移動，回波強中心先后經過普安、晴隆、興仁、安龍、貞豐、冊亨后移出我州。

下文針對此次過程中出現的大冰雹、最大小時雨強作詳細的雷達數據分析。

過程中大冰雹于19時35分在普安羅漢(最大冰雹直徑25 mm)、20時27分在興仁站(最大冰雹直徑23 mm)發生。19時32分普安羅漢、20時19分興仁站的雷達組合反射率因子呈現“V”字形缺口、“鉤狀”回波特征，最強雷達組合反射率因子超過65 dBz，沿徑向方向有明顯的三體散射長釘(圖略)。同時，兩站上空有回波頂高大值區移過，19時32分普安羅漢的回波頂高達8 km，20時19分興仁站的回波頂高達10 km，均有利降雹(圖略)。

由圖5雷達反射率因子剖面圖可見，5月2日19時32分普安羅漢(圖5a)和20時19分興仁站(圖5b)處的強回波65 dBz已伸展到-20 ℃高度層(約7.8 km)以上，對降雹的潛勢貢獻大；存在明顯的回波懸垂和弱回波區。19時32分普安羅漢降雹時(圖6)垂直液態含水量達80 kg·m-2，降雹前有明顯的躍增現象，降雹后迅速減弱。

圖5 5月2日19時32分普安羅漢(a)、20時19分興仁站(b)雷達反射率因子剖面特征Fig.5 Radar reflectivity profile characteristics of (a) Puan Luohan at 19:32,(b) Xingren at 20:19 on May 2

圖6 5月2日19時普安羅漢降暴前后垂直液態水含量變化Fig.6 The Variation of Vertical liquid water content before and after hail in Puan Luohan at 19:00 on May 2

2日22時，冊亨站雨強為66.3 mm·h-1、者樓街道高峰雨強為50.4 mm·h-1。分析冊亨站的雷達回波數據可知，22時10分冊亨站的雷達組合反射率達60 dBz(圖7)，但無明顯的冰雹雷達特征，且強降水回波質心較低，低層存在強烈的徑向輻合，雷達產品雨強可達150 mm，以上特征均能判識短時強降水的出現。

圖7 5月2日22時10分冊亨站(a)0.5°仰角徑向速度、(b)雨強產品Fig.7 Ceheng station (a) combined reflectivity, (b) reflectivity factor profile, (c) radial velocity characteristics at 0.5°elevation, (d) rainfall intensity product map at 22:10 on May 2

2.3 安龍錢相災害性大風分析

5月2日21時，安龍錢相(距離安龍縣城正北方12 km左右)出現了42 m·s-1偏北瞬時大風，并伴隨冰雹(15 mm)和短時強降水(46.7 mm)。

分析安龍錢相21時雷達組合反射率圖可知(圖略)，存在側向入流槽口，隨著回波南移，21時06分和21時11分安龍錢相處于組合反射率梯度密集帶，最大梯度達50 dBz，與前文21時TBB梯度大值區位置幾乎重疊，前后差異明顯的氣壓產生大的氣壓梯度力，易產生大風。

由反射率因子剖面圖可見(圖8)，21時11分安龍錢相最強反射率因子達65 dBz，反射率因子核位于6 km左右，回波梯度較大，18 min后的反射率因子核高度迅速下降，強度減弱，指示有下擊暴流發生的可能。

圖8 5月2日安龍錢相(a)21時11分、(b)21時29分反射率因子剖面圖Fig.8 Reflectivity factor profile of Anlong Qianxiang,at (a) 21:11,(b) 21:29 on May 2

21時11分各個仰角的徑向速度顯示(圖9)，雷達仰角1.5°、2.4°上，安龍錢相出現徑向正負速度對，存在深厚的中層徑向輻合，中層有明顯旋轉，退速度模糊后正速度達35 m·s-1，表現為低層徑向速度大值區；雷達仰角6.0°、9.9°上出現強烈的風暴頂輻散，輻散旋轉特征明顯，強烈的風場輻散帶來集中的強下沉氣流，可能引發下擊暴流。

圖9 5月2日21時11分安龍錢相(a)1.5°、(b)6.0°雷達仰角的徑向速度特征Fig.9 Radial velocity characteristics of radar elevation of Anlong Qianxiang at (a) 1.5°,(b) 6.0° ,at 21:11 on May 2

綜上分析，安龍錢相此次大風為雷暴下沉氣流強烈輻散造成的下擊暴流可能性極大，造成了類似龍卷的嚴重災害。另外，安龍縣錢相的西面山脈海拔較高，氣流一方面從山脈俯沖下坡，另一方面從山脈南北方向繞流集合，東面、北面山脈海拔也較錢相高，故在錢相處形成特殊的“狹管效應”，對大風的發生有一定的增幅作用。

3 小結

①2020年5月2日，黔西南地區出現中β尺度的強對流天氣，安龍錢相出現42 m·s-1災害性大風，最大冰雹直徑為普安羅漢25 mm，最大雨強為冊亨站66 mm·h-1；本次過程主要受高空槽、中低層切變線、地面輻合線、云南熱低壓等系統的共同影響。

②過程中大氣不穩定層結明顯，08時貴陽K指數36 ℃；用14時的溫度訂正后貴陽、威寧、百色CAPE值均在1 500 J·kg-1以上；20時貴陽、威寧的CAPE值減小表明強對流天氣的發生釋放了一部分能量，但百色的CAPE仍達1 088.9 J·kg-1，K增加到39 ℃，干暖蓋指數增加到-48.7 ℃，仍保持著強的不穩定狀態，非常有利于不穩定對流天氣的發展。

08時3站的抬升凝結高度較低，表明較小的外力作用則可觸發對流；3站的0～6 km垂直風切變均較大，屬強垂直風切變，非常有利于形成有組織的對流性風暴；威寧和百色的DCAPE較大，表明貴州西部有發生雷暴大風的潛勢。20時百色的探空層結呈現出“沙漏”結構：中層濕，高低層干；同時，對流層中層存在明顯干層，高層有動量下傳，非常利于雷暴大風的形成發展。濕球溫度0 ℃層高度和-20 ℃層高度利于大冰雹生長；水汽條件好，后向軌跡模式HYSPLIT模擬了興仁站850 hPa的水汽輸送路徑，分別為本地、西、西南、東北路徑，貢獻率分別為21%、28%、17%、34%。

③本次過程的3條回波路徑均為西北—東南方向。大冰雹發生時，雷達回波出現“V”字形缺口、“鉤狀”特征，最強組合反射率因子65 dBz已伸展到-20 ℃高度層，有明顯的三體散射長釘，存在明顯的回波懸垂，風暴頂強輻散，垂直液態水含量躍增，高回波頂高。短時強降水發生時，回波質心低，低層強烈徑向輻合，雷達產品雨強達150 mm。

④過程中衛星紅外云圖上為橢圓形雹暴云團發展移動，TBB中心低于-60 ℃，對流云頂伸展較高，有利于冰晶生成。

⑤安龍錢相出現42 m·s-1災害性大風時，65 dBz以上的反射率因子核位于6 km，回波梯度大，過程中反射率因子核迅速下降，存在側向入流槽口和徑向正負速度對，有深厚的中層徑向輻合，退速度模糊后正速度達35 m·s-1，風暴頂強烈輻散，旋轉特征明顯。同時，安龍縣錢相特殊地形的“狹管效應”對本次災害性大風的發生有增幅作用。