兩次混合性大風(fēng)天氣成因及模式預(yù)報能力對比分析

蒲吉光 ，袁 夢，康 嵐

(1.四川省氣象服務(wù)中心，四川 成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；3.四川省氣象臺，四川 成都 610072)

0 引言

大風(fēng)是災(zāi)害性天氣之一，強(qiáng)烈的大風(fēng)天氣常常給人民的生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。2010年5月5日夜間發(fā)生在重慶梁平、墊江等地的強(qiáng)烈風(fēng)雹天氣造成32人死亡，通訊、電力等基礎(chǔ)設(shè)施不同程度受損；2015年“4·4”廣安武勝大風(fēng)造成農(nóng)作物大量受損，8人死亡，2人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失2億元；2016年 “6.4”廣元市輪船公司“雙龍”號在返航途經(jīng)三堆鎮(zhèn)飛鳳村三組水域時遭遇大風(fēng)，發(fā)生翻沉事故，造成15人死亡。廖波[1]指出：大風(fēng)是影響高鐵的主要氣象災(zāi)害之一。因此，對大風(fēng)發(fā)生時間、位置及強(qiáng)度的預(yù)報是氣象工作者關(guān)注的重點。長期以來，氣象學(xué)者從環(huán)境場條件、雷達(dá)回波特征、天氣形勢等方面進(jìn)行了大量研究[2-6]，獲得了一些有益結(jié)論。王秀明[7]等對比了兩類雷暴大風(fēng)環(huán)境場特征并構(gòu)建了相應(yīng)的環(huán)境溫、濕度廓線。鐘利華[3]等將廣西雷暴大風(fēng)劃分為4種模型。俞小鼎[8,9]等總結(jié)了有利于雷暴大風(fēng)發(fā)生的環(huán)境場條件和基于多普勒雷達(dá)特征的臨近預(yù)警技術(shù)。張云秋[10]統(tǒng)計了冰雹與大風(fēng)的關(guān)系。上述研究對大風(fēng)的預(yù)報預(yù)警具有重要意義。隨著大氣科學(xué)、地球科學(xué)的研究進(jìn)展，計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的快速發(fā)展，數(shù)值預(yù)報水平和可用性大大提高[11-13]，尤其是對大尺度環(huán)流形勢及主要天氣系統(tǒng)的預(yù)報已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人的主觀判斷能力，使提前較長時間預(yù)測出強(qiáng)對流天氣潛勢成為可能。如何從模式資料中挖掘有用信息，在短期預(yù)報時效內(nèi)預(yù)測大風(fēng)位置和強(qiáng)度，滿足防災(zāi)減災(zāi)的時間需求是預(yù)報業(yè)務(wù)中迫切需要解決的問題。

2018年4月4日夜間到5日白天和4月12日夜間到13日白天，四川盆地出現(xiàn)了兩次大風(fēng)天氣過程。本文利用常規(guī)觀測資料、加密自動站大風(fēng)資料和數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品等，對比分析了兩次過程發(fā)生的天氣學(xué)異同，探討了數(shù)值模式對這類大風(fēng)天氣的預(yù)報能力，以期為今后此類大風(fēng)天氣預(yù)報提供參考。

1 天氣實況對比

2018年4月4日夜間—5日白天(簡稱“4·4”)和4月12日夜間—13日白天(簡稱“4·12”)，四川盆地出現(xiàn)了兩次由冷空氣大風(fēng)、對流性大風(fēng)組成的混合性大風(fēng)天氣過程。兩次過程發(fā)生時間接近，“4·4”過程雷電頻次高，8級以上大風(fēng)基本覆蓋了整個盆地，達(dá)425站，10級以上大風(fēng)有48站，局部地方還降了冰雹；而“4·12”過程雷電頻次相對較低，8級以上大風(fēng)主要位于盆地北部，有143站，10級以上大風(fēng)只有16站。總體而言，“4·4”過程大風(fēng)范圍更廣，強(qiáng)度更強(qiáng)，對流特征更為清楚。

2 背景條件

2.1 環(huán)流形勢對比

分析兩次過程(“4·4”過程和“4·12”過程)的500 hPa環(huán)流形勢可以看出，這兩次過程均是中高緯度有移動性的槽脊，槽線附近伴有負(fù)變高。槽線在移動過程中鋒區(qū)逐漸南壓至35°N附近。過程臨近時，青海附近有淺槽活動，且溫度槽落后于高度槽。不同之處在于“4·4”過程淺槽附近有較大的負(fù)變溫區(qū)，在移動的過程中逐漸加深為經(jīng)向度較大的低槽進(jìn)入盆地；而“4·12”過程淺槽則表現(xiàn)為偏北東移。兩次過程的700 hPa圖上(圖1a、1c)，過程臨近前08—20時，從甘肅北部有一支偏北風(fēng)急流攜帶冷空氣沿河西走廊快速南下至甘肅南部，伴有4～12 ℃的負(fù)變溫區(qū)，中心變溫達(dá)-11 ℃。與此同時，云貴至盆地轉(zhuǎn)為一致的偏南風(fēng)氣流，“4·4”過程風(fēng)速為8～10 m/s，“4·12”過程為8 m/s；兩次過程的850 hPa圖上(圖1b、1d)，在西北區(qū)域和河南至陜南一帶分別有一支偏北風(fēng)氣流和偏東風(fēng)氣流，同時伴有24 h負(fù)變溫區(qū)。貴渝—四川東部由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，“4·4”過程為一支東南風(fēng)急流，而“4·12”過程為4～8 m/s的東南風(fēng)氣流。相似之處在于兩次過程都有兩支冷氣流的參與，有700 hPa冷北風(fēng)和偏南暖濕氣流之間的氣流輻合，有冷東風(fēng)對暖濕東南氣流的阻擋。不同之處在于“4·4”過程偏東風(fēng)氣流攜帶的冷空氣強(qiáng)度強(qiáng)于“4·12”過程，同時氣流之間的輻合強(qiáng)度強(qiáng)于“4·12”過程。“4·4”過程動力輻合作用更強(qiáng)。

圖1 700 hPa(a、c)和850 hPa(b、d)風(fēng)場和24 h變溫(a、b:2018-04-04 20時 c、d:2018-04-12 20時粗箭頭：急流 細(xì)箭頭：顯著氣流)

2.2 地面形勢對比

“4·4”過程前的4月3日，盆地內(nèi)日平均氣溫較歷史同期偏高6～9 ℃；“4·12”過程前的4月11日，由于高原波動影響，盆地北部氣溫已經(jīng)開始下降，但大部地方日平均氣溫仍較歷史同期偏高3～8 ℃。兩次過程前期，均積累了豐富的能量。只是“4·4”過程能量累積條件更好。

從2018年3月15日—4月14日簡陽站逐日14時本站氣壓演變圖(圖略)可以看出，本站氣壓都是漸進(jìn)式上升和下降交替進(jìn)行，只是每一輪波峰和波谷數(shù)值不同，代表暖低壓發(fā)展和冷空氣入侵程度不同。兩次過程均發(fā)生在暖低壓強(qiáng)烈發(fā)展，本站氣壓值接近4月谷底時間段。暖低壓發(fā)展，空氣密度降低，有利于近地面上升運動發(fā)展。同時，暖低壓發(fā)展以及盆地以北區(qū)域壓差增大，有利于冷空氣進(jìn)入，產(chǎn)生梯度大風(fēng)。

兩次過程開始前分別都有冷空氣活動，一股位于我國西北區(qū)域，另一股位于華北區(qū)域。此次影響四川盆地的冷空氣主要是位于西北區(qū)的冷氣團(tuán)，其冷高壓中心氣壓均為1 025 hPa左右。過程臨近時“4·4”過程與“4·12”過程酒泉與盆地的氣壓差分別為23 hPa和21 hPa，均超過了梯度風(fēng)的壓差閾值，有利于產(chǎn)生梯度大風(fēng)。

綜上分析，兩次過程地面有冷鋒南壓，500 hPa有低值系統(tǒng)東移，中低層有冷暖氣流交綏，符合斜壓鋒生類強(qiáng)對流天氣配置特征。相較而言，“4·4”過程影響系統(tǒng)經(jīng)向度更大，動力輻合作用更強(qiáng)。

3 中尺度環(huán)境條件對比

兩次過程臨近時刻，盆地內(nèi)探空站Si指數(shù)均為負(fù)值，K指數(shù)在32 ℃以上，850 hPa θse>60，都表現(xiàn)出了對流不穩(wěn)定特征，數(shù)值上并無顯著區(qū)別。兩次過程差異主要表現(xiàn)在500 hPa和850 hPa的假相當(dāng)位溫差(θse(500-850))及850 hPa和500 hPa(T500-850)、700 hPa和500 hPa(T500-700)的溫度直減率?！?·4”過程溫江和達(dá)州站θse(500-850)在08時已低于-14 ℃，20時進(jìn)一步減小，宜賓站θse(500-850)從08—20時也迅速減小至-12 ℃。3個代表站T500-850和T500-70008時分別超過28 ℃和16 ℃，20時進(jìn)一步增加，分別大于30 ℃和18 ℃,相同站點比“4·12”過程高5 ℃和2 ℃以上。

除要素場以外，兩次過程臨近時刻溫濕廓線結(jié)構(gòu)特征也有所不同。從達(dá)州站T-lnp圖可以看出，“4·4”過程溫濕廓線呈現(xiàn)X型特征，500 hPa以上具有中空干層，有利于干冷空氣夾卷下沉，而“4·12”過程呈現(xiàn)濕層深厚的特點。其余站點都有類似特征。對“4·4”過程，所有站點Cape值都在500 J/kg以上，“4·12”過程僅有達(dá)州站超過500 J/kg，達(dá)1 884 J/kg。

對比中尺度環(huán)境條件，“4·4”過程比“4·12”過程能量更高、對流不穩(wěn)定度更大、溫濕廓線結(jié)構(gòu)更有利于對流發(fā)生，具有更強(qiáng)的對流潛勢。

4 模式預(yù)報能力分析

前面分析顯示，兩次大風(fēng)過程都形成在日平均氣溫顯著偏高，有地面冷鋒南下影響的背景下。兩次過程冷空氣強(qiáng)度相似，指標(biāo)站和盆地中心的壓差接近，形成梯度風(fēng)的基礎(chǔ)條件較為相似。兩次過程的強(qiáng)度差異主要由于動力條件和熱力條件的不同造成。

表1 兩次過程對流參數(shù)

實際業(yè)務(wù)中常用全球模式EC、GRAPES、CMA模式產(chǎn)品。下面探討通過模式產(chǎn)品能否區(qū)分出兩次過程的對流特點及強(qiáng)度差異。

4.1 形勢場及要素場預(yù)報產(chǎn)品

“4·4”過程，3日20時起報的EC模式產(chǎn)品顯示：4日20時500 hPa圖上(圖2a)，青海東南部有東北西南向低槽，5日08時低槽東移至川西高原西北側(cè)，20時(圖2b)加深東移至四川盆地，預(yù)報出了引導(dǎo)系統(tǒng)加深東移至盆地的特點，但移動速度較實況慢了12 h。對于中低層環(huán)流形勢，模式產(chǎn)品較為準(zhǔn)確預(yù)報出了3支氣流。700 hPa(圖2c)河套區(qū)域的偏北風(fēng)急流和云貴到四川的西南風(fēng)氣流，四川境內(nèi)最大垂直上升速度3.94 pa/s；850 hPa(圖2d)河套區(qū)域的偏北風(fēng)氣流，河南南部到陜南的偏東風(fēng)氣流以及云貴到盆地的偏南風(fēng)氣流，偏南風(fēng)氣流弱于實況，沒有達(dá)到急流，最大垂直上升速度3.38 pa/s。溫度產(chǎn)品預(yù)報出與偏北風(fēng)氣流(圖2e、2f)及偏東風(fēng)氣流(圖2f)相伴隨的24 h負(fù)變溫區(qū)，提示未來有兩股冷空氣入侵。本次過程最顯著的特點是大的500 hPa和700 hPa、850 hPa的溫度直減率以及假相當(dāng)位溫差。模式預(yù)報產(chǎn)品同樣準(zhǔn)確顯示了這一特征，盆地4個探空站位置850 hPa和500 hPa溫度差(圖2g)均在28 ℃以上，重慶和宜賓附近超過30 ℃。假相當(dāng)位溫差較實況略弱，也達(dá)到10～15 ℃(圖2h)?！?·12過程”，11日20時起報的EC模式產(chǎn)品顯示：12日20時500 hPa(圖3a)青海東南部有東北西南向低槽，盆地為較為平直的偏西氣流，13日08—20時(圖3b)，上述特點維持，預(yù)報出了四川主要受波動氣流影響的特點。對于中低層環(huán)流形勢，模式產(chǎn)品較為準(zhǔn)確預(yù)報出了兩支氣流。12日20時700 hPa(圖3c)河套區(qū)域的偏北風(fēng)氣流和云貴到四川的西南風(fēng)氣流，四川境內(nèi)最大垂直上升速度1.63 pa/s；850 hPa(圖3d)河套區(qū)域的偏北風(fēng)氣流，河南南部到陜南的偏東風(fēng)氣流，境內(nèi)最大垂直上升速度1.67 pa/s。本次過程預(yù)報的偏北風(fēng)氣流和西南風(fēng)氣流風(fēng)速均較“4·4”過程弱，鋒前垂直上升運動同樣弱于“4·4”過程，最大垂直上升運動差值超過1.7 pa/s。溫度產(chǎn)品同樣預(yù)報出與偏北風(fēng)氣流(圖3e、3f)和偏東風(fēng)氣流(圖3f)相伴隨的24 h負(fù)變溫區(qū)，提示未來也有兩股冷空氣入侵。本次過程預(yù)報的850 hPa與500 hPa的溫度直減率及假相當(dāng)位溫差(圖3g、3h)分別為22～26 ℃和0～10 ℃，明顯弱于“4·4”過程。

4.2 近地層風(fēng)場預(yù)報產(chǎn)品

在“4·4”過程的4日夜間925 hPa風(fēng)場產(chǎn)品預(yù)報出了一致的偏北風(fēng)，大部地方風(fēng)速超過17 m/s，EC模式的百米風(fēng)產(chǎn)品在4日夜間也提示了8級以上大風(fēng)區(qū)，而GRAPES、CMA存在10 m風(fēng)預(yù)報偏弱的特點。EC集合預(yù)報模式極端陣風(fēng)指數(shù)產(chǎn)品指示盆地大部地方極端陣風(fēng)指數(shù)超過0.7，部分地方達(dá)到0.8以上，出現(xiàn)大風(fēng)的概率相當(dāng)高。而“4·12”過程，3個模式925 hPa同樣預(yù)報出了較大風(fēng)力，EC、CMA模式預(yù)報出的強(qiáng)風(fēng)范圍較“4·4”過程小，風(fēng)速強(qiáng)度較“4·4”過程弱，而GRAPES模式預(yù)報兩次過程強(qiáng)度及范圍相當(dāng)。GRAPES、CMA同樣存在10 m風(fēng)速預(yù)報偏弱的特點。EC集合預(yù)報模式極端陣風(fēng)指數(shù)產(chǎn)品對于“4·12”過程，僅在盆地西部預(yù)報了0.7以上的強(qiáng)指數(shù)區(qū)，范圍較“4·4”過程顯著偏小。

因此，全球模式近地層風(fēng)場預(yù)報產(chǎn)品和集合預(yù)報極端陣風(fēng)指數(shù)產(chǎn)品對兩次過程大風(fēng)的強(qiáng)度和范圍有較好的提示作用。結(jié)合實況資料，能判斷出“4·4”過程更強(qiáng)的對流特征。

5 小結(jié)

通過分析兩次過程的實況觀測資料和模式預(yù)報產(chǎn)品，獲得以下幾點結(jié)論。

①兩次過程均發(fā)生在氣溫顯著偏高，有明顯地面冷空氣參與背景下。過程中降溫顯著，伴有混合性大風(fēng)、閃電及短時強(qiáng)降水。

②“4·4”過程探空曲線呈現(xiàn)X廓線特征，具有中空干層的特點，有利于冷空氣夾卷下沉，符合雷暴大風(fēng)層結(jié)曲線特征；而“4·12”過程探空曲線主要呈現(xiàn)濕層深厚的特點，更有利于發(fā)生強(qiáng)降水。

③ 兩次過程地面均有冷鋒南壓，有500 hPa低值系統(tǒng)東移，中低層有冷暖氣流交綏，符合斜壓鋒生類強(qiáng)對流天氣配置特征。從系統(tǒng)配置看，“4·4”過程影響系統(tǒng)斜壓性、動力輻合作用、熱力條件和不穩(wěn)定條件均優(yōu)于“4·12”過程，具有更強(qiáng)的對流特征。

④模式產(chǎn)品對兩次過程的影響系統(tǒng)及動力條件、熱力條件、要素場均有良好反應(yīng)，能預(yù)報出“4·4”過程較“4·12”過程更強(qiáng)的對流特征。

⑤全球模式925 hPa風(fēng)、100 m風(fēng)和集合預(yù)報的極端大風(fēng)指數(shù)產(chǎn)品對預(yù)報混合性大風(fēng)有較好的指示意義，通過預(yù)報產(chǎn)品能提示大風(fēng)開始時間、強(qiáng)風(fēng)范圍及風(fēng)速大小。

⑥綜合分析實況觀測資料、數(shù)值模式風(fēng)場預(yù)報產(chǎn)品和要素預(yù)報產(chǎn)品，能在短期預(yù)報時效內(nèi)提高對這類過程大風(fēng)范圍及強(qiáng)度的預(yù)報能力。