宗 晨 李 睿 冷典頌 柯小青

(1.福建省氣象服務(wù)中心，福建 福州 350001；2.福建省大氣探測技術(shù)保障中心，福建 福州 350008；3.福建省氣象臺，福建 福州 350001)

0 引言

颮線是一種線狀或帶狀雷暴群所構(gòu)成的中小尺度對流系統(tǒng)[1]，具有風(fēng)速風(fēng)向劇變、氣壓劇增驟降等特征，過境時常引發(fā)雷電、大風(fēng)、冰雹和強雷暴等災(zāi)害性天氣，給經(jīng)濟生產(chǎn)和人民生命安全帶來巨大威脅[2-4]。由于颮線系統(tǒng)的局地性和突發(fā)性，颮線強對流過程一直是短臨預(yù)報的難點。因此，深入開展颮線強對流過程形成機理的研究，對于保障人民生命財產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對颮線的環(huán)流背景、中尺度結(jié)構(gòu)、觸發(fā)和維持機理等方面展開深入研究。丁一匯等[5]通過對18個颮線過程的環(huán)流形勢分型，將我國颮線總結(jié)為槽后型、槽前型、高壓后部型和倒槽型四種。Bluestein等[6]總結(jié)出中緯度颮線有斷線型、后續(xù)線型、離散區(qū)線型和嵌套區(qū)線型等四種形成方式。在颮線的觸發(fā)和維持機理研究方面，一些學(xué)者認(rèn)為颮線的觸發(fā)與鋒面、中空急流等中尺度擾動及地形因素有密切關(guān)系，高層輻散、低層輻合和地面鋒生作用造成的強抬升運動是颮線的主要觸發(fā)機制[7-10]。Rotunno等[11]提出颮線發(fā)展的RKW理論，即低層垂直風(fēng)切變與地面冷池的相互作用決定了颮線和抬升氣流的強度，從而決定了新單體的生成和系統(tǒng)的維持。隨著我國新型多源觀測資料投入業(yè)務(wù)運用，國內(nèi)開始利用天氣雷達對颮線系統(tǒng)進行深入研究。鄭媛媛等[12]利用雷達回波產(chǎn)品詳細分析了一次典型超級單體發(fā)展過程和結(jié)構(gòu)特征，并提出了颮線強對流天氣系統(tǒng)的雷達回波指標(biāo)。馮晉勤等[13]利用新一代天氣雷達資料分析出颮線系統(tǒng)弓狀特征后側(cè)入流槽口以及入流槽口上的弱回波區(qū)等中小尺度結(jié)構(gòu)特征是造成災(zāi)害性大風(fēng)的成因。俞小鼎等[14]系統(tǒng)闡述了雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷等強對流天氣的雷達回波特征，并在此基礎(chǔ)上對強對流天氣識別、監(jiān)測和分析方法以及基于“配料法”和深度學(xué)習(xí)方法等的預(yù)報、預(yù)警技術(shù)進行總結(jié)和展望。

福建地形地貌復(fù)雜，西北部地區(qū)屬于山地氣候，東南部地區(qū)為海洋性氣候，因其復(fù)雜的地形和氣候條件，颮線強對流過程的預(yù)報一直是短時臨近預(yù)報的難點。對此，本文利用常規(guī)地面觀測資料、雷達資料和水平分辨率0.25°×0.25°的NCEP GFS再分析資料，重點分析2020年3月26日一次槽前型颮線過程的形成機理，以期為福建颮線強對流過程的短臨預(yù)報提供參考。

1 實況

1.1 雷暴大風(fēng)實況

2020年3月26日午后至夜間，受高空槽、低層低渦切變、地面倒槽和西南急流共同影響，福建省中北部地區(qū)出現(xiàn)一次以雷暴大風(fēng)為主，局地伴有短時強降水、雷電和冰雹的大范圍強對流天氣過程。受強對流天氣影響，26日08時至27日08時，南平、三明、龍巖、寧德、福州、泉州和廈門共有30個縣(區(qū))、54個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)8～11級雷暴大風(fēng)，其中6個自動站出現(xiàn)10級大風(fēng)，3個自動站風(fēng)速達11級，最大陣風(fēng)出現(xiàn)在古田縣鳳埔鄉(xiāng)，達32.1m/s，26日17∶09前后，屏南縣出現(xiàn)直徑為6mm的冰雹。

26日08時至27日08時，中北部和閩南沿海部分地區(qū)出現(xiàn)小到中雨，局部大雨，以南靖靖城鎮(zhèn)42.7mm為最大。連江和華安部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時強降水，連江縣東風(fēng)村最大小時雨量達37.8mm/h。

1.2 颮線實況

26日11∶30，江西地區(qū)的強回波逐漸向福建省移入并不斷加強(圖1a)；13∶30，進入福建省三明和龍巖地區(qū)后迅速發(fā)展成颮線，隨后在槽前西南氣流引導(dǎo)下向東北方向快速移動(圖1b)；15∶30，切變南側(cè)呈現(xiàn)典型的弓形回波，強度顯著加強，組織結(jié)構(gòu)加深(圖1c)；17∶00，颮線移動至南平和寧德地區(qū)，17∶09左右，屏南縣出現(xiàn)冰雹天氣(圖1d)；19∶00左右，颮線東移出福建，回波減弱直至消亡。此次颮線強對流過程給南平、三明、龍巖、寧德、福州、泉州和廈門的部分地區(qū)造成8級以上雷暴大風(fēng)，其中將樂本站出現(xiàn)9級陣風(fēng)(21.1m/s)，政和本站出現(xiàn)11級陣風(fēng)(29.6m/s)，并持續(xù)近2個小時。

(a)3月26日11∶30 (b)3月26日13∶30 (c)3月26日15∶30 (d)3月26日17∶00

2 環(huán)流背景和影響系統(tǒng)分析

2020年3月26日08時500hPa(圖2a)顯示，歐亞中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”配置，中緯度有短波槽東移，溫度槽落后于高度槽，引導(dǎo)冷空氣南下，低緯度有南支槽東移，在南支槽與副熱帶高壓之間有一支≥26m/s的西南急流，福建處于槽前西南氣流、正渦度平流和上升氣流較強區(qū)，有利于對流天氣的發(fā)生發(fā)展。850hPa低渦位于四川和貴州交界，低渦緩慢東移，位于四川至江西一線的切變線不斷東移南壓，福建處于槽前西南暖濕氣流(風(fēng)速≥16m/s)控制下(圖2b)。地面冷高壓主體在河套以北地區(qū)，到20時，冷鋒南壓至安徽與江西交界處，福建處于鋒前暖區(qū)控制下，地面低壓倒槽從西南地區(qū)伸向華東地區(qū)，倒槽東移導(dǎo)致暖濕氣流東移北抬(圖略)。綜上所述，此次過程是典型的槽前颮線過程。

(a)500hPa 26日08時 (b)850hPa 26日08時

從08時的中尺度分析圖來看，福建200hPa高空為分流區(qū)(圖3a)，高層輻散有利于抽吸作用。500hPa中緯有短波槽東移，低緯有南支槽東移，福建處于較強西南暖濕氣流控制下，500hPa溫度露點差≥15℃的干區(qū)和24h降溫區(qū)位于福建上游地區(qū)，干區(qū)午后深入福建，導(dǎo)致福建午后高空干冷結(jié)構(gòu)明顯，500hPa槽前有較大正渦度平流，垂直上升運動明顯(圖3b)。700、850和925hPa切變東移南壓，福建處于一致的槽前西南急流影響下，其中850hPa(圖3c)福建處于顯著濕區(qū)，長江以南大部分地區(qū)溫度露點差≤5℃，比濕在10g/kg左右，850hPa與500hPa溫度差≥25℃，具備對流發(fā)展的水汽條件和熱力條件。地面圖上(圖3d)，福建上游地區(qū)有明顯冷池，冷池中心氣溫為19℃，西北部是一強暖中心(氣溫達29℃)，冷池前方等溫線密集，水平梯度較大；氣壓場上，地面低壓倒槽和低層暖濕氣流輸送造成福建西北部颮線系統(tǒng)前部熱低壓發(fā)展，與地面冷池形成強烈的溫度對比造成對流不穩(wěn)定，使得低層暖濕氣流沿著冷池邊緣輻合抬升而不斷生成新的對流單體，這是強回波進入福建后明顯加強形成颮線的重要原因。

(a)08時200hPa分析；(b)08時500hPa分析；(c)08時850hPa分析；(d)14時地面分析

颮線過境前后屏南的風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)廓線圖(圖略)顯示，颮線過境前屏南高低空受西南氣流控制，中低層風(fēng)切變較大，16∶30后，中低層西南風(fēng)明顯加強，中低層風(fēng)切變也明顯增強；颮線過境時段低空風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，17∶30，屏南離地0.99km處風(fēng)速18.9m/s；颮線過境后1km以下風(fēng)速迅速減小，風(fēng)向又轉(zhuǎn)回西南風(fēng)，1km以上風(fēng)速持續(xù)增大，風(fēng)向仍維持偏西風(fēng)。總體上看，風(fēng)廓線雷達能夠捕捉到颮線系統(tǒng)的發(fā)展變化，對颮線過境的強天氣短臨監(jiān)測預(yù)警有基礎(chǔ)指示作用。

3 物理條件診斷分析

3.1 探空潛勢分析

從熱力條件來看，邵武站08時的沙氏指數(shù)(SI)為-0.16，K指數(shù)達28℃，850hPa與500hPa溫度差25℃，顯示中層大氣溫度直減率較大。地面到800hPa為較薄的濕層，800hPa以上較干，上干下濕結(jié)構(gòu)明顯。邵武站的0℃層高度為3951m，-20℃高度為7154m，在福建春季(3～4月)的0℃層和-20℃層適宜高度范圍內(nèi)。

從能量條件來看，08時邵武站的對流有效位能(CAPE)為20.9J/kg，邵武站14時的溫度和露點訂正后的探空資料顯示，邵武午后對流有效位能(CAPE)明顯增大，上升至903 J/kg，地面到500hPa存在風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，說明低層有明顯暖平流，輸送暖濕空氣和不穩(wěn)定能量，能量在低層匯集，有利于雷暴大風(fēng)或冰雹的發(fā)生。

從動力條件來看，08時0～6km風(fēng)矢差達18m/s左右，午后風(fēng)矢差逐漸增大，至14時，EC模式預(yù)報的0～6km風(fēng)矢差超過20m/s，較大的垂直風(fēng)切變有利于風(fēng)暴類強對流的發(fā)展。

綜合分析可知，閩西北地區(qū)上干、下濕結(jié)構(gòu)明顯，垂直溫度直減率較大，CAPE值午后迅速增大，有利于雷暴大風(fēng)等強對流天氣的發(fā)生。0℃層和-20℃層高度適宜，同時0～6km垂直風(fēng)切變較大，有利于風(fēng)雹類強對流天氣出現(xiàn)。但整層水汽條件中等，濕層厚度一般，不利于大范圍短時強降水發(fā)生。

在災(zāi)害性天氣預(yù)報中，V-3θ圖對強對流天氣有較好的超前預(yù)警作用。邵武探空站26日08時的垂直位溫分析圖(圖略)顯示，26日08時200至250hPa之間的位溫θ曲線隨高度略有降低，已經(jīng)出現(xiàn)了超低溫結(jié)構(gòu)；從假相當(dāng)位溫θse、飽和假相當(dāng)位溫θ*兩條曲線配置來看，θse和θ*在650hPa至800hPa之間出現(xiàn)明顯整體左拐現(xiàn)象，上下層溫差8℃以上，說明中低層存在較大的層結(jié)不穩(wěn)定，有利于強對流的發(fā)生。

3.2 動力抬升條件分析

300hPa與850hPa的散度差能有效代表整層大氣的輻合輻散程度，其正值越大說明大氣高層輻散和低層輻合越強。從500hPa垂直速度場和300hPa與850hPa的散度差分布圖(圖4)上可以看到，08時華南西部地區(qū)300hPa與850hPa有較大的散度差，對應(yīng)500hPa垂直速度場有明顯的上升運動(圖4a)，午后此動力系統(tǒng)逐漸發(fā)展，至14時，福建中北部大部地區(qū)高層輻散低層輻合，輻合強度顯著大于08時，并伴有明顯的垂直上升運動(圖4b)。

(a)26日08時 (b)26日14時

3.3 熱力不穩(wěn)定條件分析

假相當(dāng)位溫θse是大氣層結(jié)不穩(wěn)定的判據(jù)之一，對比26日08時(圖5a)和14時(圖5b)925hPa假相當(dāng)位溫分布可知，在強對流天氣出現(xiàn)前，925hPa有高能舌從華南沿海向福建西部延伸，存在明顯的Ω型能量鋒區(qū)，隨地面熱低壓逐漸發(fā)展，14時福建上空近地層為大范圍高溫高濕區(qū)，θse最大值達335K，K指數(shù)已達35℃以上。此外，對比08時(圖5c)和14時(圖5d)假相當(dāng)位溫θse和溫度平流垂直剖面圖可以看到，福建地區(qū)850hPa以下低層為高能舌，低層增溫增濕，對應(yīng)的500～850hPa為低能舌，這種低層高溫高濕、高層低溫低濕的能量垂直分布結(jié)構(gòu)有利于颮線系統(tǒng)發(fā)展。

3.4 水汽條件分析

分析850hPa水汽通量散度、比濕和風(fēng)場情況(圖6a，圖6b)可知，26日08時至14時西南地區(qū)到福建西部850hPa水汽通量散度為負值，福建西部為強水汽輻合中心，比濕達10g/kg左右，500hPa以下西南急流維持，來自南海及孟加拉灣的水汽源源不斷輸送，為強對流的發(fā)展提供了水汽條件。沿26°N作溫度露點差和相對濕度的垂直剖面可以看到，08時強對流發(fā)生前，福建上空各層溫度露點差較小，112°E～115°E地區(qū)300hPa以上高空有溫度露點差≤15℃的顯著干區(qū)，且相對濕度小于20%(圖6c)，表明對流層中高層有干冷空氣入侵。隨后干區(qū)不斷東移下沉，至14時(圖6d)，福建地區(qū)(116°E左右)高空呈干冷狀態(tài)，同時低層維持近于飽和的暖濕空氣，這種“上干冷、下濕暖”的配置致使福建上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定度增大，是此次颮線過程導(dǎo)致地面雷暴大風(fēng)的主要原因之一。

4 颮線大風(fēng)雷達回波分析

雷暴大風(fēng)主要表現(xiàn)為對流風(fēng)暴中下沉氣流達到地面時產(chǎn)生輻散造成大風(fēng)，發(fā)生雷暴大風(fēng)時，易出現(xiàn)回波頂、強回波中心高度及VIL值將下降等回波特征[15]。從三明泰寧、南平建陽單站雷達圖可以看到，26日13∶00，隨著回波東移進入我省中部地區(qū)，回波帶前沿的颮線型弓形回波不斷加強，13∶58左右形成東北西南向長度約150km的帶狀回波(圖7a)，強回波位于帶狀回波前沿；徑向速度場圖(圖7b)上，回波帶前沿對應(yīng)著大風(fēng)區(qū)，強回波帶對應(yīng)著風(fēng)速輻合帶和零速度折角。15∶01，颮線回波移至三明東北部地區(qū)，颮線型弓形回波結(jié)構(gòu)明顯，強回波中心強度達57.5dBz，強回波中心高度為3.6km，VIL最大值為32.5kg/m2，兩個體掃后VIL值劇減10～15kg/m2(圖略)；徑向速度場圖(圖7d)上有中氣旋出現(xiàn)，中氣旋旋轉(zhuǎn)速度約為15m/s，以上特征是雷暴大風(fēng)的中尺度對流系統(tǒng)特征。

圖7 3月26日13∶58泰寧雷達站的0.5°仰角基本反射率(a)和徑向速度場(b)及15∶01建陽雷達站的1.5°仰角基本反射率(c)和徑向速度場(d)

5 結(jié)論

本文綜合利用常規(guī)觀測資料、多源觀測資料以及再分析資料對福建一次颮線強對流過程進行分析,得到以下結(jié)論。

①此次颮線過程是一次中緯度短波槽與南支槽疊加?xùn)|移，對流層低層切變東移南壓背景下發(fā)生的強對流天氣過程，為典型的槽前型颮線過程。

②低層暖濕氣流在冷墊上抬升、低層垂直風(fēng)切變維持、配合高空槽前輻散氣流的抽吸作用為此次颮線過程提供了有利的熱力、動力條件。

③中高層干冷空氣入侵導(dǎo)致的“上干冷、下濕暖”垂直結(jié)構(gòu)為此次颮線過程提供了有利的不穩(wěn)定層結(jié)條件。

④低層水汽輻合配合西南暖濕急流的水汽輸送為此次颮線過程提供了較好的水汽條件。

⑤多普勒天氣雷達反映有明顯的垂直液態(tài)水含量劇減和中尺度氣旋等中尺度對流系統(tǒng)特征，風(fēng)廓線雷達能捕捉到颮線系統(tǒng)過境前后風(fēng)場的演變，對颮線過境時強天氣短臨監(jiān)測預(yù)警有基礎(chǔ)指示作用。