川南一次準正壓類強對流天氣的綜合分析

陳文龍 竹利 林璐

摘 要：就四川而言，相較于斜壓大氣中的強對流天氣，準正壓大氣中的強對流天氣出現概率低，突發性更強，監測和預報難度更大。本文基于氣象站觀測資料、雷達組合反射率拼圖、氣象衛星的TBB資料以及NCEP和ERA5再分析資料，運用天氣學、衛星氣象學和雷達氣象學方法，對2022年8月5日四川南部地區發生的準正壓類強對流天氣進行了綜合分析。結果表明：本次強對流天氣以雷暴大風和短時強降雨為主，持續時間約2 h，其間氣象要素變化劇烈；主要影響系統為高層的南亞高壓、中低層的季風低壓倒槽和地面熱低壓；高CAPE值、“上干下濕”的濕度層結、弱垂直風切變、低層輻合、高層輻散和深厚的上升運動是強對流天氣出現的有利環境條件；低壓倒槽前的云帶在川南演變為對流云團，多中心帶狀雷暴群的NE段在川南演變為團狀雷暴群，雷暴大風和短時強降雨與冷云中心、高TBB梯度、高反射率梯度、反射率大小及其維持時間存在較好的對應關系。

關鍵詞：準正壓大氣；倒槽；對流不穩定能量；雷暴群；強反射率

中圖分類號：P458.3 文獻標志碼：A文章編號：1673-5072（2024）02-0181-09

強對流是一種深對流天氣過程，在我國天氣預報業務中，強對流天氣主要包括冰雹、雷暴大風、短時強降水和龍卷4類，強對流天氣的發生與大氣層結穩定度、水汽條件、垂直風切變和抬升觸發條件密切相關［1-3］。強對流天氣具有突發性強、生命史短、局地性強、預報難度大的特點，其產生的災害對人們的生命和財產安全造成了嚴重威脅。

長期以來，氣象學者對強對流天氣的天氣學特征、環流背景和形成機理的研究取得了不少成果。孫繼松等［2］基于產生強對流天氣潛勢條件的相對重要性，按照熱動力學結構特征將我國強對流天氣的形勢分為高空冷平流強迫類、低層暖平流強迫類、斜壓鋒生類、準正壓類和高架雷暴類，其中前3類發生頻率最高。王秀明等［4］的研究表明，雷暴大風主要是由雷暴單體內部的下沉輻散氣流以及低空暖濕氣流受抽吸作用進入上升氣流導致。韋惠紅等［5］指出，湖北雷暴大風的對流參數K指數、850 hPa和500 hPa的溫差、對流有效位能（CAPE）的閾值分別為35 ℃、25 ℃和925 J·kg-1，其中準正壓類雷暴大風主要出現在夏季，其發生所需的CAPE較大，低層（925～700 hPa）風垂直切變較小。柯元惠等［6］將海南島的雷暴大風環流形勢分為西南熱低壓型、季風槽型和冷鋒型，三型雷暴大風均具“上干下濕”、不穩定、能量大的環境特點，季風槽型雷暴大風易伴有短時強降水。劉帆等［7］指出短時強降雨需要中低層具有一定厚度的濕層和較厚的暖云層，雷暴大風和冰雹通常發生在“上干下濕”的大氣層結條件下，雷暴大風往往還對應較大的下沉對流有效位能（DCAPE），即大于120 J·kg-1。龍柯吉等［8］對四川盆地雷暴大風的個例雷達資料的研究表明，中層徑向輻合、低層輻散、回波質心下降以及垂直累積液態水含量（VIL）值迅速下降等可作為判斷雷暴大風指標。對雷暴大風個例的雷達回波特征的研究［8-13］還表明，弓形和颮線形（排列成帶狀的雷暴群）回波也是雷暴大風的重要預報指標。對強對流天氣觸發條件的研究［14-21］表明，主要的觸發天氣系統有冷鋒、近地層（地面）輻、干線（露點鋒）、陣風鋒等。

四川由于特殊的地理位置，東風擾動環流背景下的準正壓類雷暴大風出現的頻率不高，且一般發生在8月［8］，即一年中西北太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）位置最靠北的時候，而其他類的強對流天氣全年均可出現，且多出現于春夏。2022年8月5日晚，受副高壓南側的季風低壓倒槽影響，四川南部的瀘州、宜賓、自貢三市（以下簡稱“川南三市”）出現了一次雷暴大風伴有短時強降水的強對流天氣過程。此次強對流天氣突發性強，雷暴大風出現范圍較廣且風力大，當地的工農業生產、交通運輸、電力和通訊設施以及居民生活受到了嚴重影響。本文利用多種氣象資料，從天氣實況、環流形勢、環境條件、雷達回波和衛星圖像等方面對本次天氣過程進行綜合分析，探討強對流天氣的形成機理，以期為四川較為少見的準正壓類強對流天氣的監測和預報提供科學參考。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所用資料主要包括：自動氣象站觀測資料、高空觀測資料、新一代天氣雷達組合反射率拼圖、FY-2G衛星相當黑體溫度（TBB）以及美國國家環境預報中心（NCEP）的再分析資料、歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA5再分析資料，詳見表1。

1.2 方法

本文在描述強對流天氣實況時，主要基于四川省自動氣象站的觀測資料，以及據此繪制的極大風速和降水量的填色圖，并在極大風中心和強降雨中心分別選取一個站點，繪制單站逐小時的氣溫、降水量、極大風變化圖進行補充分析。對于強對流天氣發生時大氣環流背景，基于天氣學方法，利用NCEP再分析資料中的位勢高度、水平風、氣溫和海平面氣壓繪制的高空和地面天氣圖來進行分析；在分析強對流天氣發生的環境條件時，利用宜賓探空站的T-lnp圖和極大風速中心附近的物理量（垂直速度和散度）單點垂直-時間序列圖。最后基于衛星氣象學和雷達氣象學方法，利用ERA5再分析資料繪制的細網格850 hPa高空風場，配合氣象衛星觀測的TBB資料以及雷達組合反射率拼圖來分析強對流天氣系統的生消和演變。

2 天氣實況

2022年8月5日傍晚到夜間，川南三市出現了一次較大范圍強對流天氣過程（圖1a、1b），共有28個自動氣象站的極大風速超過17.2 m·s-1（8級），最大為25.5 m·s-1（10級，瀘縣云錦鎮），極大風速中心包括了瀘縣、龍馬潭區、江陽區和富順縣的大部，以及南溪區、翠屏區、大安區和沿灘區的局部，另外在瀘州南部的古藺縣也出現了局地性的雷暴大風，極大風的風向以偏E風居多。有6個自動氣象站的24 h累計雨量超過50 mm，最大雨量為74.3 mm（南溪區劉家鎮紅廟村），并有超過30個站出現了短時強降雨（小時降雨量超過20 mm），強降雨區主要在瀘州北部到宜賓北部一帶。

分別選取極大風速中心和強降雨中心附近的瀘縣云錦站和南溪長興站（南溪劉家紅廟站為單雨量要素站，故選取其鄰近的多要素站），繪制單站逐小時的多要素曲線（柱狀）（圖1c、1d）。瀘縣云錦站在南溪長興站東偏北方向約38 km處，兩站氣象要素突變持續時間約2 h，瀘州云錦站為21～22時，南溪長興站為22～23時。5日白天，兩站點均無明顯降水；極大風速穩定在5.0 m·s-1以內，瀘縣云錦站的極大風風向以偏W風為主，南溪長興站風向無明顯突變規律；兩站氣溫在16～18時達到最高，瀘縣云錦站為37.6 ℃，南溪長興站為35.1 ℃。強對流天氣期間，各氣象要素均出現了突變。5日21時，瀘縣云錦站的氣象要素變化最劇烈，氣溫陡降9.5 ℃，小時雨量達22.9 mm，極大風速從上一時段的3.7 m·s-1驟增到25.5 m·s-1，風向由WSW突轉為E；22時極大風速和小時雨量明顯減小；5日22時，南溪長興站氣溫下降了4.0 ℃，有弱降雨，極大風速驟增到14.6 m·s-1，風向為NE；23時，氣溫持續降低，出現了39.0 mm的強降雨，極大風速進一步增大到18.8 m·s-1，風向為NE；6日0時之后，各氣象要素的變化趨于平穩。

3 大氣環流背景

在5日20時的200 hPa天氣圖上（圖2a），南亞高壓的反氣旋環流中心位于青藏高原東北部，反氣旋環流覆蓋西亞到東亞的大部分地區，川南在南亞高壓脊線南側的東風氣流區。高層強大的反氣旋意味著顯著的輻散，有利于垂直方向“抽吸作用”的形成。在500 hPa天氣圖上（圖2b），西太平洋副高588gapm線西伸到青藏高原中部，北部灣附近存在一個季風低壓中心，其倒槽位于廣西西部到重慶一線。川南正好受副高南緣和季風低壓倒槽前的偏E風影響，槽前的正渦度平流促進了垂直方向的上升運動。700 hPa季風低壓中心和低壓倒槽的位置與500 hPa基本一致（圖2c），且2個高度上的等溫線都較為稀疏，無鋒區特征，大氣呈準正壓狀態。南海的暖濕空氣被中低層的偏E風源源不斷地輸送到川南，有利于不穩定能量的積累。在地面天氣圖上（圖4d），東亞無明顯冷空氣活動，青藏高原東側為低壓區，川南位于西南地區東部的熱低壓中心附近。地面熱低壓促進了近地層升溫和暖濕空氣的輻合，有利于熱對流的發生和發展。綜合高空和地面天氣圖來看，此次強對流天氣發生在副高邊緣的季風低壓倒槽前部，是一次典型的準正壓類強對流天氣。

4 環境條件

4.1 能量

強對流天氣發生前，大氣中一定存在不穩定能量的聚集過程。T-lnp圖［2］能反映探空站及周邊一定范圍內氣象要素的垂直分布特征，并能用于計算多種對流參數。以下為幾種常用對流參數［2］的介紹：對流有效位能（CAPE）用自由對流高度（LFC）以上，層結曲線與狀態曲線圍成的面積來表示，它與T-lnp圖上的正面積對應，其值越大，表明對流發展的高度越高（劇烈）。對流抑制能量（CIN）用LFC以下，層結曲線與狀態曲線圍成的面積來表示，它與T-lnp圖上的負面積對應，其值越大，表明氣塊抬升到LFC所做的功就越多，合適的CIN有利于低層不穩定能量的積累。下沉對流有效位能（DCAPE）從理論上反映出干空氣侵入含水云體后，與雨水一起下落，因蒸發冷卻下降到地表時的最大位能［6］。對流層中層和低層的溫差（一般用850 hPa的氣溫減去500 hPa的氣溫，符號ΔT（850-500））很直觀地反映了中低層的垂直溫度梯度，該溫差值越大，冰雹和雷暴大風發生的可能性就越大。沙氏指數（SI）可以定性判斷對流層中下層（850～500 hPa）是否存在熱力不穩定性，SI的值越小，表明層結越不穩定。抬升指數（LI）可以定性判斷對流層中層（LFC至500 hpa）的熱力不穩定程度，LI負的越多表明層結越不穩定。K指數著重反映對流層中低層的溫濕分布對穩定度的影響，K值越大，越不穩定；熱帶暖濕氣團的K指數很大。位于宜賓市翠屏區的宜賓探空站是川南唯一的探空站，距離雷暴大風中心不遠，具有較好的代表性。

5日8時（圖3，表2），宜賓站的地面氣溫和露點溫度均為23 ℃；CAPE較小，僅為122.1 J·kg-1，DCAPE為42.5 J·kg-1；由于受到中低層暖濕氣流的影響，ΔT（850-500）為24.7 ℃，K指數達到了39.4 ℃，大氣處于高溫、高濕狀態；SI和LI分別為-2.7 ℃和-1.2 ℃，大氣層結具有一定的不穩定性。LFC較高（620 hPa），CIN達到241.7 J·kg-1，這樣能抑制低層弱對流的發展，有利于低層能量積累。50日20時，宜賓站的地面氣溫達到31 ℃，露點溫度為24 ℃；CAPE陡增至2 747.8 J·kg-1，DCAPE減小到0.4 J·kg-1；ΔT（850-500）和SI略有增大，數值分別為26.5 ℃和-2.0 ℃；K指數為35.8 ℃；LI絕對值顯著增大，達到-5.8 ℃；LFC降低至抬升點附近，CIN為0。湖北省［3］準正壓類雷暴大風的K指數、ΔT（850-500）、CAPE的平均閾值分別為34 ℃、24 ℃、1 667 J·kg-1，本次過程以上3個指數的值均高于湖北省的平均閾值，特別是CAPE比湖北省的平均閾值高出1 080 J·kg-1。此時的大氣處于高能且極不穩定的狀態，在有利的天氣系統作用下，極易發生較大范圍的雷暴大風天氣。

4.2 水汽

水汽是強對流天氣發生的重要物質基礎和能量載體，大氣中水汽的含量和垂直分布對對流風暴的結構和強度具有重要影響［1-3］。5日8時（圖3a），宜賓站上空的溫度層結曲線和露點層結曲線的間距很小，整個對流層相對濕度都接近飽和。到5日20時（圖3b），除地面露點溫度略有增大外，垂直方向的露點溫度出現了不同程度的減小。650 hPa以下層的露點溫度差為4～8 ℃，整體相對濕度不低；650～270 hPa層的露點溫度呈波動減小的趨勢，整體相對濕度明顯下降；大氣的相對濕度表示出“上干下濕”的特征。

4.3 垂直風切變

對流層中低層的垂直風切變極大地影響著對流風暴的組織、結構和演變。在一定的水汽和不穩定能量條件下，風的垂直切變越大，風暴的組織化程度和強度就越高，生命史也越長［21］。某個特定高度的風與抬升點的風矢量差的模即為垂直風切變的大小。5日8時，0～3 km和0～6 km垂直風切變大小分別為1.8 m·s-1和10.2 m·s-1，均為弱垂直風切變；5日20時，0～3 km垂直風切變略有增大，為2.3 m·s-1；0～6 km垂直風切變減小至5.2 m·s-1（表2）。可以看出，在強對流天氣發生前，對流層中低層一直處于弱垂直風切變的狀態，如此條件下產生的對流風暴即為脈沖風暴［3］。

4.4 動力抬升

強對流天氣的出現除了需要一定的能量、水汽和垂直風切變條件，還需要有合適的動力抬升條件和觸發機制［1-3］。通過在雷暴大風中心附近作垂直速度和散度垂直-時間序列圖，可以直觀地分析動力抬升條件。結果如圖4所示：在散度場上，強對流天氣開始前后，空氣的輻合層都比較淺薄，集中在800 hPa以下層。5日14—19時，開始出現輻合，散度值為-0.5×10-4～-1.0×10-4 s-1；5日20時前后，輻合增加，最大散度值達-2.0×10-4 s-1；5日16—21時，800～700 hPa層維持輻散，其中在20時左右出現了強度大于1.0×10-4 s-1的輻散中心；5日21—22時，800 hPa以下層的輻合運動從低到高迅速減小并轉為輻散，而在300 hPa以上層出現了輻散。在垂直速度場上，5日16—20時，上升運動都較弱且主要在700 hPa以下層，垂直速度為-0.5～-1.0 Pa·s-1；5日21時左右，上升運動迅速向高層發展至200 hPa附近，最大垂直速度為-1.0～-1.5 Pa·s-1，大致出現在600～300 hPa；5日22時起，上升運動迅速減小；5日23時左右，已無明顯上升運動，800 hPa以下層還出現了強度為0.5～1.0 Pa·s-1的下沉運動。可以看出，在強對流發生前，輻合運動和弱上升運動主要在對流層底層，底層之上有弱輻散，這樣的形勢將弱對流運動限制在底層，不利于能量的耗散。在強對流過程的中前期，底層的輻合先增后減，低層的輻散減弱，上升運動迅速向高空發展并顯著增強，形成了深對流，同時高層還出現了輻散。如此在對流層內形成的顯著“抽吸作用”，有利于低層暖濕空氣的快速輻合和上升，進而形成發展旺盛的雷暴云。在強對流過程的中后期，上升運動迅速減弱，高層輻散消失，底層迅速轉為下沉運動并配合顯著輻散，強對流天氣趨于結束。

5 衛星圖像與雷達回波特征

5.1 衛星圖像

通過FY-2G衛星觀測的TBB可以直觀地監測雷暴云，TBB值越低，表示對流云頂的高度越高，即對流越旺盛；配合850 hPa的高分辨率風場可以更好地分析低層天氣系統與雷暴云生消、移動關系。從圖5中可以看到：5日16—20時，南海西北部的季風低壓倒槽緩慢西移，槽前出現大片移速較快的對流云，其中影響川南的對流云呈NE—SW向的帶狀，向NW方向移動，對流云存在多個TBB低于-62 ℃的低值中心；對流云在西移過程中結構逐漸變得密實，TBB低值中心出現合并，該時段為雷暴云的發展階段。5日20時，低壓倒槽斷裂。5日21—23時，北段倒槽迅速西移到川南，呈準靜止狀態；同時，-32 ℃冷云區向川南收縮，結構進一步變得密實，TBB梯度增大，TBB低值中心由2個變為1個，該時段正是雷暴云的成熟階段。5日21時，瀘縣云錦站位于-72 ℃冷云中心西北部TBB梯度最大的地方，出現了25.5 m·s-1的大風和22.9 mm的短時強降雨。5日23時，南溪長興氣象站位于-72 ℃冷云中心（TBB的低值中心）附近，出現了18.8 m·s-1的大風和39.0 mm的短時強降雨。6日0時，雷暴云的-32 ℃冷云區范圍進一縮小，中心TBB升高，TBB梯度減小，雷暴云進入減弱階段。

5.2 雷達回波

雷達通過電磁波能有效探測云內結構，為強對流天氣的監測和臨近預報提供重要參考［3］。從5日川南的雷達組合反射率拼圖（圖6）上可以看到：17時26分—19時30分，呈NE—SW向帶狀排列的雷暴群進入瀘州，并向WNW方向移動，出現多個反射率在60～65 dBZ的強中心。20時28分，雷暴群影響瀘州的大部，其形狀發生明顯變化，從帶狀雷暴群演變成2個團狀雷暴群，位于NE方向的雷暴群反射率更大。21時左右，NE方向的雷暴群在向W移動的過程中，在其移動方向的前側激發出了多個新的雷暴單體，這些新的雷暴單體不斷合并增強。21時18分和22時24分，NE方向的雷暴群結構密實，最大反射率達65 dBZ，且反射率梯度很大；該雷暴群從瀘州北部向西移動，影響自貢東南部和宜賓北部，瀘縣云錦站和南溪長興站附近都出現了很強的反射率，雷暴大風主要出現在強反射率梯度經過的地方，短時強降雨則主要出現在強反射率維持較長時間的地方。23時以后，2個雷暴群在宜賓西部合并，移動方向轉向NW，由于處在副高南側高能環境中，雷暴群的反射率很大。總體上，前期雷暴群呈現類似颮線回波的帶狀，中后期則分裂為2個相對獨立的團狀雷暴群，這與衛星圖像上冷云區的演化特征具有一定的相似性。這種在弱垂直風切變和準正壓環境中發展起來的脈沖風暴的組織性較差，生消演變迅速且維持時間不長。

6 結論與討論

通過自動氣象站、探空站、氣象衛星和天氣雷達的觀測資料以及NCEP和ERA5再分析資料，對2022年8月5日晚發生在川南的一次強對流天氣進行了綜合分析，得到以下結論。

1）本次強對流過程的主要影響區在瀘州、宜賓、自貢三市的交界地區附近，以雷暴大風為主，伴有短時強降雨，影響時間2 h左右；過程期間，氣溫、風速、風向和降水等要素出現劇烈變化，其中極大風速達25.5 m·s-1，最大小時雨量39.0 mm，極大風風向以偏E為主。

2）本次強對流天氣發生在500 hPa副高南側較為深厚的季風低壓倒槽前部，大氣具有準正壓特征；200 hPa南亞高壓的輻散作用以及地面熱低壓造成的增溫有利于對流的發生和發展。

3）強對流天氣開始前，大氣中的不穩定能量快速增加，CAPE顯著增大至2 747.8 J·kg-1，ΔT（850-500）增大至26.5 ℃、SI維持負值（-2.0 ℃）、LI顯著減小至-5.8 ℃，地面最高氣溫普遍超過35 ℃；CIN減小為0，LFC降低到抬升點附近，其中K指數、ΔT（850-500）、SI都明顯高于湖北省準正壓類雷暴大風的平均閾值；水汽的垂直分布具“上干下濕”的特征，地面露點維持在高值；中低層的垂直風切變弱；底層有輻合和弱上升運動，而低層的輻散阻礙了深對流的發展。強對流過程中前期，底層輻合增強，低層輻散減弱，高層出現輻散，上升運動增強并向高層發展，“抽吸作用”顯著。強對流過程后期，底層以下沉輻散運動為主。

4）850 hPa低壓倒槽在緩慢西移過程中發生斷裂，北段倒槽進入川南后呈準靜止狀態。倒槽前的帶狀對流云向NW方向移動進入川南后逐漸收縮，結構變得密實，演變為對流云團，TBB低值中心由多個變為1個。雷暴大風和短時強降雨主要出現在-72 ℃冷云區內或冷云區TBB梯度最大的地方。帶狀的雷暴群向WNW方向快速移動和傳播過程中分裂為2個團狀雷暴群，NE方向雷暴群的強反射率中心逐漸合并增強，是影響川南的主要中尺度對流系統。雷暴大風與強反射率梯度有較好的對應關系，短時強降雨則主要由強反射率的維持時間決定。

準正壓和弱垂直風切變條件下生成的脈沖風暴具有生消迅速和持續時間短的特點，在不穩定能量充足的情況下，易產生非常劇烈的對流天氣。本研究對深入認識該型強對流天氣的特征，提高監測和預報水平具有一定的參考價值。受限于資料和研究方法，本文的分析還有一些不足之處。在后續研究工作中，將加強自動站、氣象衛星、天氣雷達資料以及對流熱力參數的應用，以揭示更多的強對流天氣和對流風暴特征。

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Comprehensive Analysis of A Quasi-barotropic Severe Convective Weather Event in Southern Sichuan

Abstract：As far as Sichuan Province is concerned，the severe convective weather in the quasi-barotropic atmosphere has a lower probability of occurrence，stronger abruptness and more difficulty in monitoring and prediction when compared with the severe convective weather in the baroclinic atmosphere.Based on the observation data of meteorological station，mosaic of radar composite reflectivity，TBB data of meteorological satellite，reanalysis data of NCEP and ERA5，the quasi-barotropic severe convective weather happened in southern Sichuan on August 5，2022 is comprehensively analyzed by the methods of synoptic，satellite meteorology and radar meteorology.The results indicate that the severe convective weather is dominated by thunderstorms，strong winds and short-term heavy rainfall;the duration is about 2 h，during which the meteorological elements have changed violently;the main influence systems are the South Asia High Pressure in high level，the inverted trough of monsoon low pressure in low level and the thermal low pressure on the ground;the favourable environmental conditions for the occurrence of severe convective weather are high CAPE value，“upper dry and lower wet” humidity stratification，weak vertical wind shear，low-level convergence，high-level divergence and deep upward movement;the cloud belt，before the inverted trough of low pressure，has changed into a convective cloud cluster in southern Sichuan;the NE segment of the banded thunderstorm group of multi centres has evolved into a cluster thunderstorm group in southern Sichuan;thunderstorm gale and short-term heavy rainfall have a good corresponding relationship with cold cloud centre，high TBB gradient，high reflectivity gradient，reflectivity size and its maintenance time.

Keywords：quasi-barotropic atmosphere;inverted trough;convective instability energy;thunderstorm group;strong reflectivity