賀蘭山東麓一次颮線過程演變特征分析

李 偉， 穆建華， 洪國平， 何 佳， 閆 軍

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.武漢區(qū)域氣候中心，湖北 武漢 430074)

颮線是一種帶(線)狀的中尺度(MCS)對流系統(tǒng)，能夠產生區(qū)域性大風的多單體線狀風暴.颮線水平長幾十公里至幾百公里，寬幾十公里至二百公里，可以維持幾小時至十幾小時[1].颮線自身的非地轉平衡和非靜力平衡顯著，帶來的天氣變化劇烈，破壞力極強.颮線發(fā)生時，常伴隨雷暴、大風、冰雹及強降雨等災害天氣[2—4].颮線水平尺度小，生命期短，氣象要素變化梯度大，天氣變化強烈，預報難度大[5].國內學者對颮線從環(huán)流背景、層結條件、觸發(fā)機制等方面進行深入的研究.颮線的產生與有利的大尺度環(huán)流背景、大氣不穩(wěn)定層結和觸發(fā)條件息息相關[6—10].颮線過程往往伴隨著短時大風，且颮線后部存在的由中尺度雷暴高壓和超強冷池造成的強冷池密度流是產生大風的直接原因[11].研究表明[12—14]，弱天氣尺度強迫環(huán)境下、大氣熱力不穩(wěn)定、強的水平風及垂直風切變，有利于大氣對流的強烈發(fā)展，進而導致颮線、冰雹等強對流天氣的發(fā)生與發(fā)展，而對流層上層的干冷空氣侵入和低層暖濕氣流的強烈輻合正是颮線天氣的觸發(fā)機制.王秀明等的研究表明[15]，在對流層中低層強風垂直切變配置下，低層濕度成為風暴結構的決定因素，在中高濕度環(huán)境下易形成高度組織化的颮線[16].山地地形對強對流天氣發(fā)生與發(fā)展的作用研究表明[17—19]，地形對低層氣流和輻合強迫作用容易觸發(fā)強對流，在地形坡度較大時，會產生較強的上升氣流，從而使系統(tǒng)對流發(fā)展旺盛.陳豫英等的研究顯示[20]，賀蘭山地形在阻擋氣流移動過程中產生的繞流、摩擦輻合及迎風坡抬升有利于加強其東側的強降水.

地形和水體對該次颮線系統(tǒng)起增幅和能量補充作用.颮線系統(tǒng)在翻越賀蘭山脈進入寧夏時，低層偏西氣流受地形抬升影響，上升運動加強，進而使颮線系統(tǒng)得到加強.颮線東移經過沙湖時，又得到沙湖水面的水汽和能量補充，使颮線得以持續(xù)東移.寧夏地處西北地區(qū)，周邊多沙漠，干旱少雨，出現颮線過程的幾率相對較少，預報員對此類災害性天氣的發(fā)生與發(fā)展認識不足.筆者基于天氣雷達探測資料、衛(wèi)星云圖、雷電監(jiān)測資料、探空資料等，結合自動氣象觀測站逐時觀測資料和賀蘭山地形、沙湖水體的作用，對賀蘭山東麓一次颮線過程進行診斷分析，旨在總結西北內陸干旱地區(qū)強對流天氣監(jiān)測、預警預報服務和防災減災等方面的經驗，從而減少颮線天氣可能造成的損失.

1 資料和方法

1.1 資料

2020-06-17高空探測資料、自動氣象站觀測資料、閃電定位資料、FY-2G衛(wèi)星云圖資料、銀川多普勒天氣雷達資料以及ERA5逐小時再分析資料.

1.2 方法

通過天氣分析、物理量診斷分析方法，對該次颮線過程中降水分布特征、地面氣象要素時間演變、閃電特征、環(huán)流背景及主要影響系統(tǒng)、颮線云帶宏觀結構、賀蘭山地形和沙湖水體的作用及颮線生消過程等進行綜合診斷分析.

2 天氣實況特征

2.1 天氣概況

2020-06-17午后，在寧夏賀蘭山東麓出現一次颮線過程，颮線長約420 km，寬為30～80 km.受颮線東移影響，位于賀蘭山東麓的寧夏先后出現了對流性降水天氣，累計降水量為5～18 mm.同時，在沙湖、平羅和石炭井3個氣象站出現8級以上雷暴大風，其中銀川氣象站最大瞬時風速達16 m/s.受其影響，部分溫室大棚受損，田間小麥有倒伏現象；疾風驟雨使交通行車視線變差，短時間路面積水嚴重.

2.2 閃電特征

寧夏中北部地區(qū)的地閃共發(fā)生42次(圖1)，雷暴云對地的閃擊時間從16時14分08秒至18時15分27秒(北京時間，下同)，持續(xù)2 h.17時39分26秒，平羅縣出現最大地閃強度(71.05 kA/μs，絕對值)，平羅縣沙湖氣象站同時次1 h降雨量達16.8 mm，這與閃電主要集中于降水量最大區(qū)域的相關研究吻合[21].

2.3 典型站氣象要素演變特征

平羅縣沙湖氣象站出現最大1 h降雨量，因此選取6月17日15:30—18:30沙湖氣象站逐分鐘觀測數據，分析颮線過境時氣壓p、氣溫T、相對濕度HR、風速v等氣象要素的變化特征(圖1).

2.3.1氣壓 從15:30開始，沙湖氣象站氣壓從883.0 hPa緩慢均勻下降，16:41氣壓降至881.9 hPa，下降1.1 hPa.隨著颮線臨近，氣壓一路涌升.17:06氣壓升至最高值(885.1 hPa)，增加3.2 hPa.隨后，氣壓一直保持在885 hPa左右(±0.1 hPa)，高氣壓維持長達34 min，直至17:40,這是颮線過境時氣壓變化的典型特征.

2.3.2氣溫 16:52—17:25，在33 min內，氣溫從27 ℃以上陡降至16.8 ℃，隨后維持在17～18 ℃.而地表溫度從颮線過境前的55.4 ℃驟降至19.1 ℃，強烈的對流冷池和下擊暴流促使地面溫度迅速降低，這也是颮線過境特征之一，與沙湖氣象站氣壓的驟升相對應.

2.3.3相對濕度 15:30—16:54，相對濕度維持在30%左右，在颮線臨近時，相對濕度飆升，17：44時相對濕度達84%，增大1倍以上.降水出現后，相對濕度維持在70%左右，說明過境的颮線云團內含有大量水汽.

2.3.4風速 15:30—16:46，平均風速為2～4 m/s.隨著颮線臨近，風向從東南風逐漸轉為東風，風速從2.0 m/s短暫降至1.3 m/s，隨后風速猛增，16：58風速最大達15.2 m/s，風向轉為偏北風，瞬時極大風速達21.1 m/s.

氣象要素演變表明，颮線在16：46左右影響沙湖氣象站.受颮線過境影響，沙湖站風向出現突變、風速劇增，隨后又出現氣壓涌升、氣溫陡降和相對濕度陡增，這是由于颮線云觸發(fā)的下沉氣流隨著颮線向前移動，下沉氣流及降水的拖曳動力作用導致地面氣溫明顯下降.沙湖氣象站地處沙湖濕地，沙湖總面積198 km2，濕地面積約12.6 km2，平均水深2.2 m，最深處可達6.0 m，湖泊濕地的熱容量較周邊陸地高，午后湖面水汽蒸發(fā)強烈.從17時，18時賀蘭山東麓地面相對濕度的空間分布(圖1)看，颮線經過沙湖后，在附近出現一個相對濕度大于90%的高值中心，說明午后沙湖表面的強烈蒸發(fā)為颮線提供了較豐富的水汽和能量，這是降水量最大值出現在此地的重要原因.

3 環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

從6月17日08時500 hPa高度場看(圖2a)，歐亞范圍中高緯度地區(qū)總體為兩槽一脊，在巴爾喀什湖(簡稱巴湖)西北側和黑龍江東北部各有一冷槽，在河西走廊至新疆維持一弱高壓脊，在高壓脊北部的貝加爾湖附近高緯度地區(qū)有一低壓槽.受貝加爾湖冷槽底部擴散冷空氣東移影響，在蒙古國中部到我國內蒙古西北部一帶有一短波槽，寧夏處在高壓脊前西北氣流里.

從高低空天氣系統(tǒng)相對位置看，17日08時，中低層天氣系統(tǒng)呈現明顯的前傾結構，850 hPa切變線落后700 hPa切變線大約140 km，700 hPa切變線落后500 hPa低壓槽大約170 km.在500 hPa溫度場(圖2a)上，寧夏西北部存在一明顯的冷槽，且冷槽位置落后于氣壓槽，存在明顯的西北—東南方向冷平流.由700 hPa溫度場(圖2b)可知，在寧夏上游的河西走廊至新疆東部一帶亦存在一個暖脊，中心溫度最高值為13 ℃，位于河西走廊中西部，受西北偏西氣流影響，存在暖平流.在850 hPa高空圖上(圖略)，寧夏上游的河西到新疆東部一帶存在一個中心強度為27 ℃的暖脊.天氣系統(tǒng)的前傾結構和中高層冷平流、低層暖平流的溫度平流特征，有利于大氣不穩(wěn)定層結的進一步加強.

圖2 2020-06-17 08時的環(huán)流形勢場

17日白天，隨著500hPa短波槽沿著高壓脊前西北氣流向東南移動，影響寧夏中北部地區(qū)，觸發(fā)了該次颮線過程.丁一匯等總結我國颮線的發(fā)生條件[22]，將颮線分為槽后型、槽前型、高后型和倒槽型4種類型，其中槽后型多出現在華北地區(qū).寧夏該次颮線過程，從天氣系統(tǒng)的“前傾”結構以及低層暖平流、中層冷平流的高低空溫度平流配置等特征看，符合槽后型颮線過程的特征.

4 物理量診斷分析

4.1 探空分析

從6月17日08時銀川氣象站T-lnp圖(圖3)看，該次颮線過程當天，整層大氣濕度較低，只有600 hPa附近溫度露點差在2 ℃左右，其他高度層的露點差均大于3 ℃，距地面2～3 km氣層內露點差維持在6～13 ℃，400 hPa以上露點差基本在8～30 ℃.因此從低層到高層大氣，濕度整體呈“干-濕-干”的垂直分布特征.在中低層存在明顯的對流不穩(wěn)定能量和對流抑制能量，對流有效位能(CAPE)為140.1 J/kg，對流抑制能(CIN)為155.5 J/kg，冷空氣擾動容易觸發(fā)對流天氣發(fā)生.0～6 km垂直風切變差為14 m/s， 850～700 hPa的垂直風切變?yōu)?2 m/s，表明大氣存在強的垂直風切變，利于強對流天氣發(fā)生.基于銀川氣象站主要對流指數閾值及6月17日08 h銀川的氣象探空資料，計算得到主要的對流指數(表1).K指數、沙氏指數IS、對流有效位能ECAP等相關參數顯示，銀川上空有對流不穩(wěn)定層結存在;強天氣威脅指數ISWEAT和風暴強度指數ISS均超過強對流天氣時的閥值，表明銀川氣象站上空的大氣層結不穩(wěn)定.

圖3 2020-06-17 08時銀川氣象站的T-ln p圖

表1 2020-06-17銀川氣象站的主要對流指數

4.2 賀蘭山地形的強迫作用

從該次颮線過程在經過賀蘭山時的雷達回波演變看(圖4)，颮線系統(tǒng)上的各回波中心在經過賀蘭山時強度和范圍均明顯增大.17時東西向垂直剖面圖(圖略)顯示，在賀蘭山附近700 hPa處出現一個上升運動中心.08時銀川站探空資料顯示，自由對流高度在2 800 m左右，而賀蘭山海拔在2 000～3 000 m，其中主峰海拔3 556 m，雷達回波在移近賀蘭山時迅速增強并處于賀蘭山附近空中上升運動中心，說明系統(tǒng)在東移翻越賀蘭山時，地形強迫抬升觸發(fā)了雷暴產生.

圖4 2020-06-17 17時沙湖氣象站(106.366°E,38.827°N)東西向風、氣溫和垂直速度剖面分析

5 颮線的雷達回波演變

基于6月17日14:00—17:00銀川多普勒天氣雷達資料，對該次颮線回波演變特征進行分析，發(fā)現總體上可分為初生、發(fā)展、成熟和消亡4個階段，生命史4 h左右，回波體高度在300 km左右(圖5).

圖5 2020-06-17 14:03—17:31銀川多普勒天氣雷達組合反射率演變及雷達回波剖面分析

5.1 初生階段

17日14:03，在內蒙古烏海市西北方向，距離寧夏石嘴山市大約138 km處有一長約70 km、寬約25 km的較強對流回波體，其內部有3個回波強度在45～50 dBz的小單體，此時雷達回波呈現團狀分布的多單體對流風暴特征.14：31，對流回波體在移動過程中發(fā)展并加強，長度達100 km，寬度達40 km，回波強度大于50 dBz，其西南側70 km處及偏西方向約50 km處又相繼生成2個對流單體，強度為15～20 dBz.此時形成了后向發(fā)展型颮線，即在已經生成的孤立雷暴單體移動方向的后側不斷有新的單體形成，且新的單體發(fā)展壯大并與舊單體合并.說明此階段的大氣環(huán)境極利于颮線系統(tǒng)的對流發(fā)展.

5.2 發(fā)展階段

15:05，對流回波體繼續(xù)東移南壓，并與在阿拉善盟的西北方向對流單體合并，形成長約210 km，中心由3個回波強度為45～50 dBz的回波單體組成的帶狀回波，影響范圍向東延伸至內蒙古烏海市北端黃河段.位于阿拉善盟偏西50 km處的對流單體與其西南側騰格里沙漠地帶的新生單體合并，形成一條新的帶狀回波.15：32，2條回波在向東南移動過程中合并成東北—西南向的狹長帶狀颮線，回波結構密實，輪廓分明，呈現南北非對稱結構，即北部寬大、南部細長的逗點形態(tài).

5.3 成熟和消亡階段

16：02，颮線翻越寧夏北部賀蘭山段，繼續(xù)發(fā)展達到成熟階段，形成中心強度為45～55 dBz、多單體帶狀分布的回波帶，長度達300 km，其中，烏海市至石嘴山市局地雷達回波強度大于50 dBz，此時內蒙古烏海市及其周邊區(qū)域受颮線影響.16：35，颮線北端已侵入寧夏石嘴山市，回波中心強度達68 dBz，氣象要素出現劇烈變化，3個國家氣象站出現了8級以上雷暴大風.16：41，從雷達回波垂直剖面圖上看，回波頂高度最大值為16 km，表現為多單體形態(tài)，回波強度為65 dBz.16：53，雷達回波垂直剖面圖中強中心范圍縮小，回波頂高度下降至14 km，但強中心回波強度達68 dBz，此時，沙湖氣象站正處在強雷暴影響區(qū)域.17：03，在石嘴山市平羅縣出現強回波，中心強度最大值接近70 dBz，沙湖氣象站位于平羅縣境內，此時與沙湖氣象站局地產生強烈天氣現象的時間段相吻合.颮線整體移動方向為西北—東南，橫掃寧夏中北部區(qū)域.颮線在寧夏北部長達2 h.17日20:00左右，該系統(tǒng)移出寧夏并逐漸減弱.

6 颮線FY-2G衛(wèi)星遙感特征

選取6月17日15:00—18:00逐小時FY-2G衛(wèi)星紅外云圖,對颮線系統(tǒng)云的演變特征進行分析.

15：00，在內蒙古中北部-寧夏中西部上空有一條東北—西南走向的強對流云帶，對流云帶長約590 km，寬度最寬約120 km，最窄處僅20 km.云團的平均尺度大，云體厚實，邊緣較整齊.云團尺度大表明云發(fā)展旺盛，云體較厚.對流云的水平尺度與垂直尺度相同，表明此時在超長云帶內已存在若干對流云塊(多個對流單體組成)，已形成成熟的線狀多單體風暴.強對流云帶云頂的亮度溫度從東北至西南呈緩慢遞減趨勢，云帶東北端云頂的亮度溫度大約為-50 ℃；內蒙古河套地區(qū)云頂的亮度溫度大約為-40 ℃；寧夏北部地區(qū)云頂的亮度溫度大約為-36 ℃，亮度溫度梯度較大，云頂高度在9～15 km，云頂高度已觸及對流層頂部，此時颮線的雛形已顯現.

16：00，颮線向東南方向移動80～100 km，云帶連片，范圍加寬增大，云體更加厚實，云頂色斑顏色層次分明，云頂的亮度溫度呈多點連片式分布，云頂的平均亮度溫度為-39 ℃，此時颮線已是發(fā)展成熟階段,其前鋒已入寧夏北端，寧夏局地出現雷暴天氣.

17：00，寧夏北部與內蒙古交界處被大片云系覆蓋，沙湖一帶被密實云團覆蓋，云頂的亮度溫度梯度加大，云頂的亮度溫度為-40 ℃，強對流云團產生劇烈天氣變化，云體內不穩(wěn)定能量快速釋放.在賀蘭山中部，銀川市至中衛(wèi)市西北部云帶的水平尺度較小，垂直上升運動相對較弱，對流單體相對較少，云頂的亮度溫度為-23.73 ℃，對流單體云頂的高度為10～12 km.

18:00，影響寧夏北部地區(qū)云帶已基本移出，影響寧夏中南部地區(qū)混合云中的對流云團能量衰竭，云帶減少、變薄，勢力減弱，對流單體逐漸變得松散并開始解體.

7 結論與討論

1)颮線系統(tǒng)過境時出現了雷暴大風、短時強降水等強對流天氣，風向、風速、氣壓、濕度、氣溫等氣象要素短時間內出現了劇烈變化，具有典型的颮線天氣特征.颮線發(fā)生在夏季午后，經歷了初生、發(fā)展、成熟和消亡4個階段，生命史4 h左右，回波體最長300 km，具有明顯的中小尺度特征.

2)17：08，歐亞范圍內中高緯度為兩槽一脊環(huán)流形勢，寧夏北部處于貝加爾湖低壓槽底部，850 hPa切變線位于700 hPa切變線后，700 hPa切變線位于500 hPa冷槽后，天氣系統(tǒng)呈現明顯的前傾結構.賀蘭山東麓對流有效位能為140.1 J/kg,對流抑制能為155.5 J/kg,中低層(0～6 km)垂直風切變?yōu)?4 m/s，存在明顯的層結不穩(wěn)定特征.貝加爾湖冷槽底部擴散冷空氣受脊前西北氣流引導東移南下，于17日午后影響寧夏中北部及周邊地區(qū)，受冷空氣觸發(fā)，出現了颮線天氣.

3)分析雷達回波及衛(wèi)星云圖，發(fā)現颮線自生成至發(fā)展成熟，持續(xù)近2 h，颮線發(fā)展成熟時雷達反射強度最大值接近70 dBz，回波頂高度最大值為16 km，回波強中心云頂的亮度溫度達40 ℃.颮線系統(tǒng)在經過賀蘭山時得到迅速發(fā)展，強度大于45 dBz的回波范圍明顯擴大，回波中心強度由50 dBz增加至68 dBz，表明賀蘭山地形進一步加強了颮線系統(tǒng)對流的發(fā)展.颮線經過沙湖后，在沙湖附近出現1個相對濕度大于90%的高值中心，說明午后沙湖表面的強烈蒸發(fā)為颮線提供了較豐富的水汽和能量，這是降水量最大值出現在此地的重要原因.

4)該次颮線天氣過程是在有利的大尺度環(huán)流形勢和不穩(wěn)定層結條件下產生的.從雷達回波演變和地面相對濕度變化看，賀蘭山地形和沙湖水體對颮線系統(tǒng)的發(fā)展起加強作用.說明在西北內陸地區(qū)，大尺度天氣系統(tǒng)在局地地形和有利下墊面條件下，能夠觸發(fā)中小尺度強對流天氣.但在內陸干旱地區(qū)，有關局地特殊地形和地貌(如賀蘭山地形、沙湖水體等)對中小尺度系統(tǒng)的觸發(fā)機制，有待基于數值模擬和物理機制的進一步深入研究.