2016年4月長沙機(jī)場一次颮線天氣過程綜合分析

王廷毅

摘 要：利用常規(guī)氣象資料、NCEP 1°×1°格點(diǎn)再分析資料和多普勒氣象雷達(dá)對(duì)2016年4月16日長沙機(jī)場發(fā)生的一次颮線天氣過程進(jìn)行診斷分析和雷達(dá)分析。結(jié)果表明：此次颮線天氣過程發(fā)生于500 hPa淺槽和低層切變線的高低層有利配置下，低層的強(qiáng)輻合觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流天氣;這次過程的暖濕不穩(wěn)定能量主要通過低層西南急流的輸送，受前期多陰雨的影響，太陽輻射提供的能量偏少，強(qiáng)盛的西南暖濕急流對(duì)流發(fā)生發(fā)展提供了有利條件;低層強(qiáng)烈的輻合上升，高層強(qiáng)的輻散，有利于“抽吸作用”，再加上高層輻散強(qiáng)度高于低層輻合強(qiáng)度，都使垂直上升運(yùn)動(dòng)得到了發(fā)展和加強(qiáng)，引起水汽、熱量和動(dòng)量的垂直輸送;這次颮線回波除了具有線狀分布、移速較快等特點(diǎn)外，反射率最大值和徑向速度最大值長時(shí)間相伴，這也是識(shí)別颮線的一個(gè)重要指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：颮線;診斷分析;雷達(dá)分析

中圖分類號(hào)：P445文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）19-0143-06

Abstract： Using conventional meteorological data， NCEP 1°×1° grid reanalysis data and Doppler weather radar， a Squall Line Weather Process at Changsha airport on April 16th 2016 was diagnosed and radar analyzed. The result shows that this squall line weather process occurres in the favorable configuration of 500 hPa shallow trough and low-level shear line. The strong convergence of the low-level triggered the strong convective weather. The warm and wet unstable energy of this process was mainly transmitted through the southwest low-level jet stream .The solar radiation provided less energy due to the influence of the overcast rain in the early stage. The strong southwest warm and humid jet convection provides favorable conditions for its occurrence and development. Strong convergence and rise in the lower layer and strong divergence in the upper layer are beneficial to "suction action". The high-level divergence is higher than the convergence in the lower layer， which will develop and strengthen the vertical upward movement and cause the vertical transportation of steam， heat and momentum. In addition to the linear distribution and fast moving speed， this squall line echo has the maximum reflectivity and radial direction， the maximum velocity is accompanied by a long time， which is also an important index to identify squall line.

Keywords： squall line;diagnostic analysis;radar analysis

1 研究背景

颮線是多個(gè)活躍的雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，發(fā)生時(shí)常伴有冰雹、大風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣[1-2]。隨著探測手段的發(fā)展，雷達(dá)、閃電定位等先進(jìn)儀器的應(yīng)用使人們對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣臨近時(shí)表現(xiàn)出來的征兆、特征等認(rèn)識(shí)不斷加深。對(duì)已出現(xiàn)的颮線天氣過程，有專家學(xué)者從其形成的環(huán)境條件、中尺度特征等方面進(jìn)行了較多有益研究。例如，王秀明等[3]、梁建宇等[4]、孫虎林等[5]深入分析了2009年6月3—4日黃淮地區(qū)強(qiáng)颮線大風(fēng)過程，認(rèn)為高層冷空氣侵入、低層增暖是其大尺度條件，低層和地面輻合、干線是其觸發(fā)條件，大風(fēng)由高空水平風(fēng)動(dòng)量下傳、強(qiáng)下沉氣流輻散和冷池密度流造成;颮線系統(tǒng)在地面存在明顯的雷暴高壓、冷池、出流邊界、尾流低壓等特征。陳云輝等[6]在分析一次江西颮線引起的雷暴大風(fēng)過程時(shí)指出，中低層強(qiáng)的風(fēng)垂直切變使得颮線生命史延長，颮線與引導(dǎo)氣流交角增大，移速異常加快;平坦地形和豐富水汽都可能對(duì)地面大風(fēng)產(chǎn)生增幅作用。費(fèi)海燕等[7]指出，強(qiáng)雷暴大風(fēng)環(huán)境參數(shù)地面至700 hPa和地面至500 hPa水平垂直風(fēng)切變均值分別為10 m·s-1和14 m·s-1，華南和華東的CAPE均值較高，在2 000 J·kg-1以上，且中層干空氣是強(qiáng)雷暴大風(fēng)發(fā)生的一個(gè)重要環(huán)境特征，華東地區(qū)中層400～500 hPa干空氣在全國最為明顯，溫度露點(diǎn)差均值大于15 ℃。

湖南4月正處于春夏交替的季節(jié)，冷暖空氣活動(dòng)頻繁，會(huì)造成湖南全省多降水天氣過程，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)。王強(qiáng)等[8]分析得出，就湖南而言，春季颮線過程雷暴大風(fēng)影響范圍更廣，且容易出現(xiàn)冰雹天氣，致災(zāi)性更強(qiáng)。2016年4月與歷史同期相比，湘中到湘北偏多5成，湘西南偏多1倍以上。2016年4月16日凌晨在湘東北地區(qū)發(fā)生了颮線天氣過程，3 h（02：00—05：00）閃電定位監(jiān)測到湘東北至湘西南地區(qū)東北西南向的閃電帶，強(qiáng)降水落區(qū)集中在湘東北地區(qū)，且多地還監(jiān)測到大風(fēng)天氣。黃花機(jī)場在02：00—05：00持續(xù)雷雨天氣，其中在颮線04：00左右過境期間，發(fā)生了雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，對(duì)航空器安全造成極大的影響。本文利用常規(guī)氣象資料、NCEP1°×1°格點(diǎn)再分析資料和多普勒氣象雷達(dá)對(duì)2016年4月16日長沙機(jī)場發(fā)生的一次颮線天氣過程進(jìn)行診斷分析和雷達(dá)分析，為日后此類天氣過程的預(yù)警服務(wù)提供參考依據(jù)。

2 天氣形勢分析

4月15日08：00，500 hPa槽線位于四川地區(qū)，850 hPa切變線同樣位于四川盆地，華南地區(qū)南支急流主要在兩廣地區(qū)，在長江以南大部均為高濕區(qū);20：00（見圖1），500 hPa低槽有所加深，并且東移至重慶西部，整個(gè)華中到華南大部均為處于槽前，850 hPa切變線移至湘、鄂、重慶交界地區(qū)，西南急流明顯加強(qiáng)，且經(jīng)向度加大，整個(gè)湖南區(qū)域均為急流帶控制。16日08：00，500 hPa槽線迅速東移至湖南境內(nèi)，850 hPa切變線南壓至湘中地區(qū)，湘北逐漸轉(zhuǎn)偏北風(fēng)控制，相對(duì)濕度逐漸減小。

3 物理量診斷分析

3.1 水汽條件

水汽通量是表示水汽輸送強(qiáng)度的物理量，水汽通量散度是反映水汽輸送的源與匯，水汽通量散度負(fù)值越大，表示水汽通量匯合越強(qiáng)，越有利于強(qiáng)降水天氣的產(chǎn)生。分析過程期間水汽通量場可以看到，15日08：00[圖2（a）]，850 hPa水汽通道主要是從孟灣經(jīng)兩廣地區(qū)到達(dá)湖南南部及江西地區(qū)，水汽的輻合中心主要在江西境內(nèi)，強(qiáng)度不強(qiáng);16日02：00[圖2（b）]，水汽輸送明顯加強(qiáng)，水汽通道向東北延伸至華東地區(qū)，在湘西北及湘東北地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)水汽輻合中心，其中湘東北地區(qū)正好對(duì)應(yīng)這次強(qiáng)對(duì)流天氣過程。低空西南急流的加強(qiáng)為這次過程提供了充足的水汽。

3.2 熱力和不穩(wěn)定條件

分析15日20：00 850 hPa與500 hPa的假相當(dāng)位溫[θse]差值[Δθse]（850-500）可以發(fā)現(xiàn)[圖3（a）]，[Δθse]大值中心在湘南與兩廣交界的位置，湖南大部都在15 K以上，為明顯的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)。從黃花機(jī)場的[θse]垂直輪廓發(fā)現(xiàn)[圖4（a）]，這種[θse]的垂直分布為劇烈天氣型[9]，隨著高度的升高，機(jī)場中低層的[θse]迅速減小，中低層的[θse]最大差值可達(dá)20 K以上，在對(duì)流層中層500 hPa附近形成一個(gè)干冷蓋，為強(qiáng)對(duì)流過程所需能量的積蓄及釋放提供有利條件。16日02：00[圖3（b）]，隨著強(qiáng)對(duì)流天氣自北向南發(fā)展，湘北地區(qū)不穩(wěn)定能量得到釋放，[Δθse]（850-500）已明顯降低。但是通過黃花機(jī)場[θse]的垂直輪廓可以看出[圖4（b）]，中低層[θse]差值最大也在13 K以上，且[θse]垂直層結(jié)不穩(wěn)定層厚，從近地層向上減小到600～500 hPa，說明機(jī)場低層大氣非常潮濕。只要有上升運(yùn)動(dòng)使低層空氣整層抬升就可以觸發(fā)對(duì)流，而且由于水汽充足，有可能發(fā)展成空間尺度較大的對(duì)流。

從15日20：00長沙站T-logp圖（圖5）看出850 hPa以下均為濕層，中層為干層，構(gòu)成有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的上干下濕結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵?00～400 hPa均為干層，濕層不高，所以這種層結(jié)配置更利于雷暴大風(fēng)、冰雹類強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生，不利于持續(xù)型暴雨類天氣發(fā)生。

分析850 hPa與500 hPa溫度差（ΔT850-500=T850-T500）可以看出，在15日20：00黃花機(jī)場位置ΔT850-500值在23 K左右，到了16日02：00[圖6（b）]ΔT850-500值迅速增長到30 ℃左右，具有強(qiáng)垂直溫度梯度，表現(xiàn)出強(qiáng)位勢不穩(wěn)定，非常有利于該區(qū)域雷暴大風(fēng)的發(fā)生[10]。機(jī)場位置[K]指數(shù)15日20：00[圖6（a）]為25 ℃，到了16日02：00[圖6（b）]迅速增長到38 ℃，同樣表明了層結(jié)的不穩(wěn)定，容易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣。因此可以看出，ΔT850-500、[K]指數(shù)15日白天并不是很大，在夜間開始迅速增加，這與低空西南急流的增強(qiáng)密切相關(guān)，說明這次過程的暖濕不穩(wěn)定能量主要通過低層西南急流的輸送，受前期多陰雨的影響，太陽輻射提供的能量偏少，強(qiáng)盛的西南暖濕急流為對(duì)流發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。

3.3 動(dòng)力條件

從高低空散度場看，16日02：00[圖7（a）]，200 hPa散度場上，有一個(gè)輻散中心位于湘贛北部交界地區(qū)，中心強(qiáng)度為6×10-5 s-1，同一時(shí)刻850 hPa[圖7（b）]輻合中心和200 hPa輻散中心基本重合，中心強(qiáng)度加強(qiáng)到-6×10-5 s-1，高低空輻合輻散中心都正好位于颮線系統(tǒng)上空，說明上升運(yùn)動(dòng)加劇。分析得出，高空輻散、低空輻合的配置表明空氣處于上升運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生和發(fā)展。

以黃花機(jī)場所在位置做垂直方向的散度時(shí)間剖面圖[圖8（a）]不難看出，在16日02：00左右，高層100～200 hPa輻散最強(qiáng)，低層最強(qiáng)的輻合層在900 hPa以下，強(qiáng)輻合中心位于950 hPa附近，且在16日02：00—08：00都處于強(qiáng)的輻合，所以颮線過境期間黃花機(jī)場上空具有明顯的低層輻合高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)。

綜上，低層強(qiáng)烈地輻合上升，高層強(qiáng)烈地輻散，有利于“抽吸作用”，而且高層輻散強(qiáng)度高于低層輻合強(qiáng)度，會(huì)使垂直上升運(yùn)動(dòng)得到發(fā)展和加強(qiáng)，引起水汽、熱量和動(dòng)量的垂直輸送。高低層輻散、輻合場的時(shí)空配置說明這是一個(gè)強(qiáng)大中尺度系統(tǒng)，強(qiáng)烈的輻合是這次颮線過程的觸發(fā)機(jī)制。

在16日02：00沿113°E作垂直速度剖面（見圖9），從圖上可以看出，在26°N～31°N范圍內(nèi)為一致的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，并延伸至200 hPa高度，在黃花機(jī)場附近（豎線位置）表現(xiàn)最為顯著，最大垂直速度出現(xiàn)在500～600 hPa，對(duì)應(yīng)時(shí)段也正好是颮線過境前。因此，空中存在深厚而強(qiáng)的垂直上升氣流是這次颮線過程發(fā)生的直接原因之一。

4 雷達(dá)資料分析

4.1 颮線的初生

在16日02：00以前，雷達(dá)中心西北部地區(qū)已經(jīng)開始有對(duì)流單體發(fā)生發(fā)展，并且呈東北-西南向不均勻排列，回波整體向東南方向移動(dòng)。在02：26，在雷達(dá)中心西面已經(jīng)有弓形回波逐漸形成，回波強(qiáng)度在60 dBZ左右，并且在弓形回波的尾部不斷有對(duì)流單體的生成，新生單體強(qiáng)度不斷加強(qiáng)，最強(qiáng)點(diǎn)達(dá)到60 dBZ以上，對(duì)應(yīng)看同時(shí)次的徑向速度圖[圖10（a）]，在弓形回波所在位置可以觀測到呈“L”型的速度零線，表征近地面的鋒面存在，邊界層的的鋒面是對(duì)流觸發(fā)的有利條件，還觀測到在鋒面后部有大風(fēng)核存在，中心值為24 m·s-1，因?yàn)橛^測到的大風(fēng)核高度較低，所以在鋒面附近都有雷暴大風(fēng)發(fā)生的可能。在03：01時(shí)，弓形回波與其西南部的對(duì)流單體已經(jīng)發(fā)展并整齊排列，形成了一條長約210 km，寬約40 km的線狀回波帶，預(yù)示著颮線的初生[圖10（b）]。從同一時(shí)次徑向速度圖可以看出，鋒面已經(jīng)移到了雷達(dá)中心的東南面，在鋒面后部仍然可以觀測大風(fēng)區(qū)的存在[圖10（b）]。從風(fēng)廓線（見圖11）可以看出，在時(shí)間點(diǎn)18：38（世界時(shí)）以前，低層還為西南風(fēng)，從18：44（世界時(shí)）開始，ND值向上伸展，中高層仍然維持西南風(fēng)，表明此時(shí)低層有淺薄的干冷空氣的侵入，19：13（世界時(shí)），在雷達(dá)上空存在西風(fēng)和東北風(fēng)風(fēng)向的切變[圖6（e）白色圈所示]，冷空氣的侵入增加了低層垂直風(fēng)切變的強(qiáng)度，有利于對(duì)流單體的進(jìn)一步發(fā)展。

4.2 颮線的發(fā)展

在03：13，颮線逐漸開始從中間斷裂成A、B兩段，且A段明顯強(qiáng)于B段，從速度圖也可以看出大風(fēng)區(qū)C所在位置對(duì)應(yīng)斷裂后的A段強(qiáng)回波帶上[圖10（c）];在03：37[圖10（d）]，B段弓形回波向東南方向逼近黃花機(jī)場（三角形所示），從對(duì)應(yīng)的速度圖可看出鋒面也同時(shí)到達(dá)黃花機(jī)場，造成黃花機(jī)場強(qiáng)雷雨及短時(shí)大風(fēng)天氣，在A段弓形回波對(duì)應(yīng)的大風(fēng)區(qū)C正好位于平江上空，平江測站在03：29—03：38時(shí)間段內(nèi)測到3次風(fēng)速達(dá)到21 m·s-1。在04：12，B段趕上A段重新排列整齊，再次連接成一條完整的線狀回波帶，隨后繼續(xù)發(fā)展東移南壓，在05：00時(shí)颮線回波已經(jīng)全部掃過機(jī)場，機(jī)場雷雨過程結(jié)束，颮線繼續(xù)向東南方向移動(dòng)進(jìn)入江西境內(nèi)。從圖10可以看出，這次颮線回波除了具有線狀分布、移速較快等特點(diǎn)，反射率最大值和徑向速度最大值長時(shí)間相伴，這也是識(shí)別颮線的一個(gè)重要指標(biāo)[11]。

5 結(jié)論

①此次颮線天氣過程發(fā)生于500 hPa淺槽和低層切變線的高低層有利配置下，低層的強(qiáng)輻合觸發(fā)了強(qiáng)對(duì)流天氣。

②低空西南急流的加強(qiáng)為這次過程提供了充足的水汽。

③機(jī)場低層大氣非常潮濕，只要有上升運(yùn)動(dòng)使低層空氣整層抬升就可以觸發(fā)對(duì)流，而且由于水汽充足，有可能發(fā)展成空間尺度較大的對(duì)流。

④這次過程的暖濕不穩(wěn)定能量主要通過低層西南急流的輸送，受前期多陰雨的影響，太陽輻射提供的能量偏少，強(qiáng)盛的西南暖濕急流為對(duì)流發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。

⑤低層強(qiáng)烈的輻合上升，高層強(qiáng)的輻散，有利于“抽吸作用”，而且高層輻散強(qiáng)度高于低層輻合強(qiáng)度，使垂直上升運(yùn)動(dòng)得到了發(fā)展和加強(qiáng)，引起水汽、熱量和動(dòng)量的垂直輸送。高低層輻散、輻合場的時(shí)空配置說明這是一個(gè)強(qiáng)大中尺度系統(tǒng)，強(qiáng)烈的輻合是這次颮線過程的觸發(fā)機(jī)制。

⑥這次颮線回波除了具有線狀分布、移速較快等特點(diǎn)外，反射率最大值和徑向速度最大值長時(shí)間相伴，這也是識(shí)別颮線的一個(gè)重要指標(biāo)

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