王艷蘭，王娟，伍靜，唐熠，王軍君，李向紅

(桂林市氣象局，廣西 桂林541001)

1 引 言

桂林市位于廣西東北部，春季冷暖空氣交匯頻繁，強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)，如2012年2月高架強(qiáng)對(duì)流、2013年3月大范圍風(fēng)雹、4月局地龍卷等給桂林市造成嚴(yán)重?fù)p失。強(qiáng)對(duì)流天氣具有局地性、突發(fā)性，一直是預(yù)報(bào)難點(diǎn)與研究重點(diǎn)。張小玲等[1]開發(fā)了對(duì)流天氣的環(huán)境場(chǎng)條件分析技術(shù)；孫曉蕾等[2]認(rèn)為大的整層環(huán)境風(fēng)切變有利于中尺度對(duì)流系統(tǒng)增強(qiáng)；伍志方等[3]發(fā)現(xiàn)風(fēng)切變矢量隨高度的變化決定了左移和右移風(fēng)暴的發(fā)展趨勢(shì)；方翀等[4]證實(shí)了西風(fēng)帶颮線容易發(fā)生在高低層溫差大、上干下濕、低空輻合、高空輻散的環(huán)境中，雷暴高壓及相應(yīng)冷池持續(xù)加強(qiáng)導(dǎo)致颮線發(fā)展。統(tǒng)計(jì)表明超級(jí)單體或中氣旋與強(qiáng)天氣有密切聯(lián)系，64.3%以上的冰雹天氣的中氣旋達(dá)中等強(qiáng)度以上，帶有中氣旋的高頂高底的對(duì)流風(fēng)暴易產(chǎn)生大冰雹[5]；鄭永光等[6]分析出“東方之星”沉船事故主要由超級(jí)單體觸發(fā)的下?lián)舯┝髟斐蓮?qiáng)烈大風(fēng)災(zāi)害導(dǎo)致；反射率因子核下降、反射率槽口、雷暴云中層徑向輻合等可預(yù)警下?lián)舯┝鱗7]；王秀明等[8]認(rèn)為弓形回波的中層干冷急流卷入對(duì)流體后，降水粒子相變降溫造成的負(fù)浮力及雷暴高壓引起的冷池密度流是產(chǎn)生地面大風(fēng)的重要原因。另外，胡寧等[9]研究了華南颮線發(fā)展的環(huán)境條件，翟麗萍等[10]對(duì)廣西暖區(qū)颮線的結(jié)構(gòu)及形成機(jī)制作了剖析，李向紅等[11]分析了桂林市一次多種強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的雷達(dá)回波特征。2019年3月21日(簡(jiǎn)稱“大風(fēng)過(guò)程”)、4月24日(簡(jiǎn)稱“冰雹過(guò)程”)夜間桂林市臨桂區(qū)出現(xiàn)極端大風(fēng)及致災(zāi)冰雹天氣，氣象部門在潛勢(shì)預(yù)報(bào)及短臨預(yù)警雖有提醒，但強(qiáng)度及災(zāi)情仍出乎意料，對(duì)比分析造成兩次過(guò)程的強(qiáng)風(fēng)暴特征及環(huán)境條件，可為此類強(qiáng)對(duì)流天氣提供預(yù)報(bào)預(yù)警依據(jù)。

2 資料說(shuō)明

本文使用了臨桂國(guó)家觀測(cè)站(簡(jiǎn)稱臨桂站)分鐘資料、中尺度自動(dòng)站1 h觀測(cè)資料、常規(guī)地面、高空觀測(cè)資料、NCEP 1°×1°再分析資料以及風(fēng)云4號(hào)紅外云圖、雷達(dá)觀測(cè)資料。

3 災(zāi)害天氣概況及單站要素特征

3月21日夜間桂林市5個(gè)縣氣象站出現(xiàn)≥8級(jí)大風(fēng)，臨桂站21:13記錄到60.3 m/s的極大風(fēng)速，打破了廣西風(fēng)速的歷史記錄，伴有47.9 mm/h的強(qiáng)降水及小冰雹，受災(zāi)群眾安置41人，直接經(jīng)濟(jì)損失26萬(wàn)元。4月24日夜間桂林市9個(gè)縣氣象站出現(xiàn)≥8級(jí)大風(fēng)，臨桂區(qū)兩江鎮(zhèn)21—22時(shí)出現(xiàn)冰雹，最大直徑≥30 mm，伴有46.8 mm/h的強(qiáng)降水，直接經(jīng)濟(jì)損失540萬(wàn)元，其中兩江機(jī)場(chǎng)飛機(jī)遭受冰雹襲擊損失嚴(yán)重。因兩江鎮(zhèn)自動(dòng)站只有兩要素，故分析臨桂站分鐘觀測(cè)資料如圖1a、1b(兩豎線之間為颮線過(guò)境時(shí)段)，大風(fēng)過(guò)程先出現(xiàn)明顯降壓(低層強(qiáng)中氣旋導(dǎo)致)，后為狹窄雷暴高壓形成的氣壓鼻尖頂跡線，最低氣壓與極大風(fēng)速同時(shí)出現(xiàn)(與普通颮線過(guò)境風(fēng)速增大伴氣壓升高截然不同)；冰雹過(guò)程為長(zhǎng)形雷暴高壓形成的波動(dòng)式氣壓跡線，弱的氣壓谷與大風(fēng)速同時(shí)出現(xiàn)(與中層中氣旋有關(guān))。大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)均伴有大的分鐘雨量(下?lián)舯┝髋c降水拖曳導(dǎo)致大風(fēng))，大風(fēng)過(guò)程分鐘最大雨量達(dá)6.6 mm說(shuō)明有強(qiáng)下?lián)舯┝鳎痪橛袧穸裙?，大風(fēng)過(guò)程降水太強(qiáng)谷較淺。另外，大風(fēng)過(guò)程臨近前期(21時(shí)前后)由東南風(fēng)轉(zhuǎn)東北風(fēng)(圖略)、風(fēng)速達(dá)15 m/s且氣溫下降表明冷空氣影響臨桂站，冰雹過(guò)程前期無(wú)冷空氣影響。

圖1 2019年3月21日21:01—21:22(a)、4月24日21:31—21:52(b)臨桂站氣象要素

另外，大風(fēng)過(guò)程災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)大范圍輻散倒伏物也表明有下?lián)舯┝?，而小范圍輻合倒伏物位于雷達(dá)圖中氣旋位置進(jìn)一步說(shuō)明低層有強(qiáng)中氣旋，臨桂站比周圍高60 m的山包地形處于下?lián)舯┝髟斐傻淖顝?qiáng)輻散風(fēng)的高度(30～100 m)范圍[13]，均有利于臨桂站出現(xiàn)極端大風(fēng)。

4 環(huán)流背景、主要影響及觸發(fā)系統(tǒng)

高低空急流耦合提供有利背景條件。3月21日20時(shí)200 hPa高空急流(風(fēng)速≥30 m/s)軸位于29°N，中心風(fēng)速達(dá)60～70 m/s，桂林在急流入口區(qū)右側(cè)50 m/s風(fēng)速區(qū)；低空急流(風(fēng)速≥12 m/s)軸位于22～23°N，中心風(fēng)速為14 m/s，桂林在急流軸左側(cè)；高層輻散、低層輻合在桂林西側(cè)臨桂一帶重迭(圖2a)，輻散中心達(dá)6×10-5s-1，輻合中心達(dá)-6×10-5s-1，有利于上升運(yùn)動(dòng)觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。4月24日20時(shí)高低空急流比3月21日20時(shí)弱，200 hPa高空急流軸位于25～26°N，中心風(fēng)速達(dá)40～45 m/s，桂林在急流軸右側(cè)35 m/s風(fēng)速區(qū)；低空急流區(qū)范圍小，位于23～24°N，桂林在急流軸左側(cè)；高層輻散、低層輻合重迭區(qū)也位于桂林西側(cè)臨桂一帶(圖2b)，強(qiáng)度及重迭程度低于大風(fēng)過(guò)程。

圖2 2019年3月21日20時(shí)(a)及4月24日20時(shí)(b)高低層急流(單位：m/s)及散度(單位：10-5 s-1)實(shí)線：200 hPa上≥50(35)m/s等風(fēng)速線，虛線：850 hPa上≥12 m/s等風(fēng)速線，陰影：200 hPa輻散值，點(diǎn)線：850 hPa輻合值，三角形為桂林位置。

大風(fēng)過(guò)程中層干層更顯著，地面冷鋒更強(qiáng)，冰雹過(guò)程高空槽前正渦度平流更強(qiáng)，低層高溫高濕更明顯。3月21日20時(shí)500 hPa短波槽東移影響桂林(圖3a)，同時(shí)有溫度槽滯留，桂林站500 hPa溫度露點(diǎn)差達(dá)35℃，中層干層明顯。850～925 hPa切變位于25°N以北，桂林為切變南側(cè)偏南暖濕氣流控制，與500 hPa干冷層形成上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，非常有利于雷暴大風(fēng)天氣。地面(圖4a，見下頁(yè))強(qiáng)冷空氣從中路南下形成強(qiáng)鋒區(qū)，25～30°N氣壓差達(dá)12 hPa，溫度及露點(diǎn)差分別為15℃、12℃，偏北風(fēng)6～8 m/s，同時(shí)在廣西西部有干線(露點(diǎn)鋒)，冷鋒及輻合線、干線等在暖濕區(qū)易觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流。4月24日20時(shí)500～700 hPa高原東部深槽移至廣西中北部，槽前后南北風(fēng)分量比大風(fēng)過(guò)程明顯，槽前正渦度平流利于低層輻合上升，850～925 hPa桂林也為切變南側(cè)較強(qiáng)的偏南暖濕氣流控制(圖3b)，與500 hPa形成不穩(wěn)定層結(jié)，但中層溫度露點(diǎn)差為23℃，遠(yuǎn)不如大風(fēng)過(guò)程干層顯著。地面(圖4b)北方冷空氣比大風(fēng)過(guò)程明顯偏弱，桂林主要受靜止鋒及輻合線影響，廣西西部有明顯干線，南部高溫高濕比大風(fēng)過(guò)程明顯，造成的強(qiáng)不穩(wěn)定能量有利于輻合線、干線等觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流。

圖3 2019年3月21日20時(shí)(a)、4月24日20時(shí)(b)綜合分析圖

圖4 2019年3月21日20時(shí)(a)及4月24日20時(shí)(b)地面氣壓(單位：hPa)、風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)及溫度、露點(diǎn)溫度(單位：℃)黑色實(shí)線：地面氣壓，黑色箭頭：地面風(fēng)，白色虛線：露點(diǎn)溫度，彩色：溫度。

5 潛勢(shì)環(huán)境條件

臨桂站及臨桂兩江鎮(zhèn)分別位于桂林觀測(cè)站西南方18.3 km、29.5 km處，可用20時(shí)桂林站探空資料(圖5a、5b)及地面要素計(jì)算的對(duì)流參數(shù)(表1)來(lái)分析強(qiáng)對(duì)流環(huán)境潛勢(shì)條件。

圖5 2019年3月21日(a)、4月24日(b)20時(shí)桂林站T-log P圖

表1 桂林站兩次過(guò)程相關(guān)對(duì)流參數(shù)

具有強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)及下沉動(dòng)能，冰雹過(guò)程對(duì)流有效位能更強(qiáng)。大風(fēng)及冰雹過(guò)程對(duì)應(yīng)的850～500 hPa溫差為25℃、29℃，CAPE值為769 J/kg、1 797 J/kg，CIN為69 J/kg、56 J/kg；沙氏指數(shù)為-3.0℃、-7.1℃，最大上升速度w_CAPE(表示不穩(wěn)定能量全部釋放后氣塊獲得的最大上升速度，其值為CAPE值的2倍的平方根)為39 m/s、60 m/s，強(qiáng)天氣威脅指數(shù)為426、568；Δθse850～500為20℃、28℃，遠(yuǎn)高于10℃的對(duì)流不穩(wěn)定閾值；DCAPE值達(dá)1 218 J/kg、1 222 J/kg，預(yù)示風(fēng)暴體中存在因降水蒸發(fā)或融化而產(chǎn)生的強(qiáng)下沉速度。風(fēng)矢端圖上低層有暖平流，700 hPa以下曲率大，即具有大的0～3 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度，有利于形成較強(qiáng)中氣旋。

明顯的上干下濕特征及強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，大風(fēng)過(guò)程中層干層更顯著，冰雹過(guò)程經(jīng)驗(yàn)估計(jì)冰雹直徑大。孫建華等[13]證明了雷暴大風(fēng)易發(fā)生在中層干、下層濕的環(huán)境中，低層水汽越多，中層越干，冷池及最大風(fēng)速越強(qiáng)。兩次過(guò)程低層850 hPa上T-Td為2℃，中層700～500 hPa最大(T-Td)≥23℃，其中大風(fēng)過(guò)程達(dá)37℃，中層顯著干層利于雨滴、冰雹等水凝物蒸發(fā)、融化降溫形成負(fù)浮力，增強(qiáng)下沉氣流導(dǎo)致地面大風(fēng)。同時(shí)中層干層也有利于冰雹的產(chǎn)生，有干層時(shí)濕球溫度0℃層高度會(huì)明顯低于干球0℃層高度(表1)，且干層的存在表明環(huán)境大氣會(huì)有較大的垂直減溫率從而具有較大的CAPE和DCAPE，既有利于上升氣流，也有利于強(qiáng)下沉氣流。濕球0℃層更接近冰雹融化層高度，通過(guò)T-logP圖直接求假濕球溫度并作差值(0.5℃)訂正得到大風(fēng)、冰雹過(guò)程的濕球0℃高度分別為3 700 m、3 900 m，明顯低于干球0℃層高度，另外，自由對(duì)流高度都降至1.5 km，有利于強(qiáng)對(duì)流啟動(dòng)；T-logP圖中經(jīng)驗(yàn)估計(jì)冰雹最大直徑分別達(dá)22 mm、51 mm，說(shuō)明兩次過(guò)程都具有雹暴潛勢(shì)。強(qiáng)的中低層環(huán)境風(fēng)垂直切變對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴內(nèi)部中氣旋形成有重要作用。桂林站3月21日20時(shí)地面(東南風(fēng)1 m/s)～500 hPa(西南風(fēng)31 m/s)風(fēng)速差達(dá)30 m/s以上，其中地面～700 hPa風(fēng)速差達(dá)9 m/s；4月24日20時(shí)地面～500 hPa風(fēng)速差達(dá)26 m/s以上，地面～700 hPa風(fēng)速差達(dá)10 m/s。NCEP資料也顯示，兩次過(guò)程桂林位于強(qiáng)垂直風(fēng)切變中心附近，地面～500 hPa風(fēng)矢量差≥28 m/s，地面～700 hPa風(fēng)速差≥10 m/s(圖略)，均達(dá)到強(qiáng)垂直風(fēng)切變標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)值模式和理論研究表明不穩(wěn)定環(huán)境中的低層垂直風(fēng)切變是中層中氣旋的渦度來(lái)源，兩次過(guò)程均有較強(qiáng)的中低層環(huán)境風(fēng)垂直切變，對(duì)風(fēng)暴內(nèi)部中氣旋形成、對(duì)流組織化、風(fēng)暴發(fā)展有重要作用。

兩次過(guò)程都具備超級(jí)單體風(fēng)暴環(huán)境條件：大的CAPE和強(qiáng)的中低層垂直風(fēng)切變；大風(fēng)過(guò)程濕下?lián)舯┝魈娇绽€特征更明顯：低層高溫高濕，溫度直減率大，上干下濕，利于產(chǎn)生強(qiáng)下沉氣流導(dǎo)致地面大風(fēng)[8]；冰雹過(guò)程大的CAPE、強(qiáng)的中低層垂直風(fēng)切變、大的w-CAPE以及冰雹估計(jì)直徑，表明上升氣流發(fā)展高，利于大冰雹形成。

6 動(dòng)力條件

輻合上升動(dòng)力作用強(qiáng)，大風(fēng)過(guò)程強(qiáng)中心在低層，冰雹過(guò)程在高層。物理量剖面圖上(圖略)大風(fēng)過(guò)程受低層冷切變、鋒面及輻合線強(qiáng)迫抬升，-1.2 Pa/s的強(qiáng)上升速度位于800 hPa，500 hPa桂林西側(cè)有下沉氣流伴相對(duì)濕度≤20%干空氣，即中層有干空氣侵入利于下?lián)舯┝?；冰雹過(guò)程-0.8 Pa/s的較強(qiáng)上升速度位于700 hPa，大值中心及伸展高度比大風(fēng)過(guò)程高，利于對(duì)流風(fēng)暴向上發(fā)展。大風(fēng)過(guò)程800 hPa正渦度中心達(dá)6×10-5s-1，低層強(qiáng)渦旋有利于地面大風(fēng)形成。冰雹過(guò)程高空槽前正渦度柱伸展到300 hPa，利于低層輻合上升及深對(duì)流發(fā)生。

冷池出流與環(huán)境風(fēng)入流形成輻合垂直上升利于颮線發(fā)展。大風(fēng)及冰雹過(guò)程沿回波帶移動(dòng)方向(圖6a、6b紅色實(shí)線)的剖面圖上(圖6c、6d)，低層都有較強(qiáng)輻合，后側(cè)近地層分別有-5℃、-3.5℃的冷池，前方暖濕入流遇冷池出流形成輻合及抬升，沿著低層最大入流經(jīng)輻合區(qū)和最大上升運(yùn)動(dòng)區(qū)構(gòu)成近乎垂直狀態(tài)的入流上升支(紅色粗實(shí)線)，依據(jù)RKW理論[14]當(dāng)冷池?cái)U(kuò)張速度(颮線強(qiáng)回波前沿移速)與0～3 km垂直風(fēng)切變達(dá)到平衡時(shí)，垂直的上升運(yùn)動(dòng)利于颮線發(fā)展，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)暴出流與環(huán)境風(fēng)場(chǎng)相平衡，颮線及颮線上單體風(fēng)暴將發(fā)展加強(qiáng)，大風(fēng)過(guò)程低層冷池、入流、輻合及上升均比冰雹過(guò)程強(qiáng)。

圖6 3月21日20時(shí)(a)、4月24日20時(shí)(b)組合反射率因子(單位:dBZ)及沿紅直線的垂直速度(紅色虛線，單位：Pa/s)、散度(白色虛線，單位：10-5 s-1)、擾動(dòng)溫度(彩色，單位：℃)剖面圖(c、d，黑色箭頭為環(huán)境風(fēng)，其中水平風(fēng)減去了回波帶移速)

變壓風(fēng)及冷池有利于對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展并朝變壓低中心移動(dòng)。氣壓的局地變化使氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力不平衡引起地轉(zhuǎn)偏差，稱為變壓風(fēng)，擾動(dòng)輻合線與變壓風(fēng)存在明顯關(guān)系[15]。變壓風(fēng)計(jì)算公為變壓梯度，f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，ρ為大氣密度)表明變壓梯度大的地方產(chǎn)生大的變壓風(fēng)形成輻合線等，在不穩(wěn)定條件下易觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流。大風(fēng)過(guò)程21日18—19時(shí)1 h變壓圖上(圖7a紅線)，西側(cè)有正變壓中心1.5 hPa/h，其東南側(cè)為變壓低值區(qū)0～0.2 hPa/h，在兩中心之間存在變壓梯度大值區(qū)，對(duì)流回波沿大值區(qū)發(fā)展東移(圖7b)。溫度擾動(dòng)對(duì)回波發(fā)展也起到重要作用。19時(shí)強(qiáng)回波中心≥50 dBZ處雨勢(shì)加大，20時(shí)強(qiáng)降水≥20 mm/h，其蒸發(fā)冷卻導(dǎo)致地面出現(xiàn)變溫達(dá)-2～-7℃的冷池(圖7b)，冷池出流與前沿東南風(fēng)入流形成輻合導(dǎo)致對(duì)流單體生成。19—20時(shí)強(qiáng)回波東南方有變壓低中心，則在冷池前沿及變壓低中心方向產(chǎn)生新的對(duì)流單體使帶狀回波向東南方向移動(dòng)(圖7a、7b)。21時(shí)因颮前低壓及中氣旋下降，變壓低中心位于臨桂區(qū)，并與臨桂附近的冷池前沿重迭，冷池出流和暖濕入流相匯合以及變壓低中心變壓風(fēng)輻合導(dǎo)致強(qiáng)回波中心影響臨桂區(qū)造成極端大風(fēng)(圖7c)。按照RKW理論[14]：地面冷池出流造成的水平負(fù)渦度和低層垂直風(fēng)切變?cè)斐傻乃秸郎u度相平衡時(shí)，其前沿上升氣流垂直發(fā)展(即強(qiáng)回波前沿與冷池前沿重迭)，最有利于前方新單體形成和回波帶發(fā)展。19、20時(shí)負(fù)變溫前沿分別超前和落后于強(qiáng)回波，回波帶較弱(圖7a、7b)，21—22時(shí)負(fù)變溫前沿與強(qiáng)回波前沿基本重疊，利于前沿新單體形成和回波帶發(fā)展加強(qiáng)(圖7c、7d)，颮線東移過(guò)程中明顯加強(qiáng)。

圖7 21日19時(shí)(a)、20時(shí)(b)、21時(shí)(c)、22時(shí)(d)1 h變壓(紅色等值線，單位：hPa)、變溫(藍(lán)色等值線，單位：℃)及反射率因子(彩色等值線，單位:dBZ) 實(shí)心三角與空心三角分別代表桂林站及臨桂站位置。

冰雹過(guò)程中1 h變壓、1 h變溫也存在相似的颮線中尺度特征，但21時(shí)變壓低中心遠(yuǎn)不如大風(fēng)過(guò)程強(qiáng)，主要是因?yàn)橹袣庑挥诟邔铀隆?/p>

7 對(duì)流風(fēng)暴云圖及雷達(dá)回波演變特征

7.1 衛(wèi)星云圖特征

大風(fēng)過(guò)程21日20:53—21:00，由多個(gè)對(duì)流單體組成的窄帶對(duì)流云發(fā)展東移影響桂林市，相當(dāng)黑體亮溫(TBB)中心為225 K，07分兩側(cè)單體迅速減弱，中間單體加強(qiáng)，11—15分TBB中心最低達(dá)220 K且邊界梯度大，面積約15 km×15 km，屬于中γ系統(tǒng)(圖略)。冰雹過(guò)程24日20:30—21:00塊狀對(duì)流云東移至桂林市，云團(tuán)南側(cè)鑲嵌的多個(gè)對(duì)流單體合并成短帶狀，TBB中心為220 K，15—23分開始影響臨桂區(qū)，TBB達(dá)215 K，21時(shí)30—40分對(duì)流云合并成橢圓形，TBB≤215 K面積約80 km×40 km，屬于中β系統(tǒng)，其強(qiáng)中心達(dá)210 K，比大風(fēng)過(guò)程更低(圖略)，說(shuō)明風(fēng)暴頂更高。

7.2 雷達(dá)回波特征

7.2.1 大風(fēng)過(guò)程雷達(dá)回波特征及冷空氣對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴的作用

風(fēng)暴最大反射率因子達(dá)65 dBZ，具有明顯的低層鉤狀回波，冷鋒邊界導(dǎo)致風(fēng)暴中氣旋形成。低層反射率因子顯示，21日17時(shí)受干線輻合線觸發(fā)，廣西西北部初生對(duì)流回波生成發(fā)展，隨后形成線狀對(duì)流，20時(shí)冷空氣影響桂林北部縣，線狀對(duì)流與鋒面對(duì)流靠近發(fā)展成多單體風(fēng)暴，單站要素特征表明21時(shí)前后地面冷鋒正好抵達(dá)臨桂站，熱力邊界上斜壓性增大，超級(jí)單體風(fēng)暴此時(shí)移入恰好在熱力邊界通過(guò)斜壓性產(chǎn)生最大水平渦度，導(dǎo)致低層中氣旋形成，從而導(dǎo)致風(fēng)暴強(qiáng)烈發(fā)展，因而此時(shí)線狀對(duì)流回波合成颮線，颮線上的強(qiáng)單體發(fā)展成超級(jí)單體風(fēng)暴，且21:06—21:11超級(jí)單體風(fēng)暴發(fā)展達(dá)到鼎盛階段，位于颮線最前沿，最大反射率因子超過(guò)65 dBZ，并出現(xiàn)與中氣旋相聯(lián)系的鉤狀回波和與強(qiáng)上升氣流相聯(lián)系的有界弱回波區(qū)(圖8a)，對(duì)應(yīng)0.5°仰角在臨桂區(qū)出現(xiàn)中氣旋(圖8b)并伴有31.5 m/s的最大出流，13分該強(qiáng)單體東移經(jīng)臨桂站，造成了60.3 m/s的極端大風(fēng)。因此地面冷空氣的及時(shí)介入在極端大風(fēng)形成中起到重要作用。而極端大風(fēng)發(fā)生在鉤狀回波對(duì)應(yīng)的中氣旋后部強(qiáng)回波處，說(shuō)明低層中氣旋是造成極端大風(fēng)的重要因素之一。

強(qiáng)反射率因子核心下降導(dǎo)致下?lián)舯┝?，低層中氣旋?duì)下?lián)舯┝饔性鰪?qiáng)作用。沿強(qiáng)回波前進(jìn)方向右前方(圖8a中黑線)作反射率因子剖面圖顯示，20:54—21:00風(fēng)暴頂傾斜，出現(xiàn)弱回波區(qū)，65 dBZ強(qiáng)回波中心達(dá)6 km，21:06移向臨桂區(qū)時(shí)強(qiáng)回波中心升至7 km并出現(xiàn)有界弱回波區(qū)，說(shuō)明中氣旋在低層窟窿處產(chǎn)生較大上升速度，弱回波區(qū)后側(cè)65 dBZ強(qiáng)回波中心降至3～4 km，11分反射率因子核心快速下降，強(qiáng)回波墻在臨桂站附近接地，伴隨冰雹、雨水的重力拖曳及融化、蒸發(fā)冷卻作用導(dǎo)致下?lián)舯┝髟斐奢椛⒋箫L(fēng)(圖8c)，因此下?lián)舯┝髟跇O端大風(fēng)形成中起重要作用。Roberts等[7]研究認(rèn)為旋轉(zhuǎn)會(huì)在地面附近造成氣壓下降，從而形成向下的氣壓梯度力，使下沉氣流及下?lián)舯┝骷訌?qiáng)。此次過(guò)程下?lián)舯┝靼l(fā)生時(shí)近地面層400 m高度(0.5°仰角)上出現(xiàn)了較強(qiáng)中氣旋，臨桂站本站氣壓和風(fēng)速分鐘數(shù)據(jù)也表明，下?lián)舯┝靼l(fā)生時(shí)，氣壓出現(xiàn)明顯下降，風(fēng)速極大值與氣壓最小值同時(shí)出現(xiàn)也說(shuō)明了低層中氣旋在地面造成氣壓下降，從而進(jìn)一步加強(qiáng)下?lián)舯┝鲗?dǎo)致極端大風(fēng)。

中層徑向輻合特征MARC明顯。沿徑向經(jīng)強(qiáng)風(fēng)暴中心(如圖8d中黑線)作速度剖面，20:54強(qiáng)風(fēng)暴中心3～7 km為較強(qiáng)輻散，對(duì)應(yīng)低層輻合；21時(shí)中層轉(zhuǎn)為弱輻合；06分(圖8e)強(qiáng)風(fēng)暴中心中層外側(cè)入流10～15 m/s，內(nèi)側(cè)出流5～10 m/s(白色圓圈)，輻合明顯增大，中層徑向輻合特征(MARC)明顯，對(duì)應(yīng)6.0°仰角徑向速度圖上存在明顯輻合(圖8f)，有利于地面輻散大風(fēng)，MARC比極端大風(fēng)提前了7～13 min，具有警示作用。另外，大風(fēng)過(guò)程桂林雷達(dá)垂直累積液態(tài)水含量(VIL)達(dá)到30 kg/m2(距離近偏低)，永州雷達(dá)(距臨桂180 km)VIL達(dá)45 kg/m2，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了小冰雹。

圖8 3月21日21:11 6.0°仰角反射率因子(a)、0.5°仰角基本速度(b)、沿a中黑線反射率因子剖面(c)；06分6.0°仰角反射率因子(d)、沿d中黑線基本速度剖面(e)、6.0°仰角基本速度(e) 黑色及紅色三角為臨桂站位置。

7.2.2 冰雹過(guò)程雷達(dá)回波特征

風(fēng)暴強(qiáng)回波中心達(dá)65 dBZ，三體散射特征明顯，有中低層輻合、高層輻散的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)。24日18時(shí)對(duì)流回波帶從貴州南部東移入境，20時(shí)迅速發(fā)展成颮線及弓形回波，20:40弓形回波與南側(cè)對(duì)流單體合并，處于合并點(diǎn)的對(duì)流回波單體迅速發(fā)展，21時(shí)演變成超級(jí)單體風(fēng)暴(出現(xiàn)中氣旋)，20分垂直颮線的速度剖面圖上颮線后側(cè)下沉氣流較強(qiáng)，前側(cè)暖濕氣流與冷池出流形成輻合抬升，上升氣流沿冷池出流上方進(jìn)入風(fēng)暴，形成中低層輻合、高層輻散結(jié)構(gòu)，風(fēng)暴頂輻散伸展到10 km以上(圖9a)，有利于冰雹形成。對(duì)應(yīng)超級(jí)單體21:20反射率因子中心達(dá)60 dBZ，28—46分強(qiáng)回波中心達(dá)65 dBZ，向上伸至19.5°仰角，前側(cè)有V形缺口，28分開始9.9°仰角以上出現(xiàn)三體散射長(zhǎng)釘TBSS(圖9b)，兩江鎮(zhèn)出現(xiàn)密集冰雹。

冰雹過(guò)程具有高懸強(qiáng)回波，VIL達(dá)55～65 kg/m2。反射率因子剖面上21:27開始65 dBZ強(qiáng)回波達(dá)到-20℃層高度(約7 800 m)，60 dBZ頂高達(dá)10 km以上(圖9c)，有利于冰晶碰并，高懸強(qiáng)回波下有弱回波區(qū)，21:40時(shí)60 dBZ仍達(dá)9 km以上，有利于大冰雹不斷形成下落。根據(jù)美國(guó)俄克拉荷馬州的統(tǒng)計(jì)，4月出現(xiàn)大冰雹的VIL閾值為45 kg/m2，廣西3—5月冰雹云及大冰雹的VIL閾值分別為43 kg/m2和50 kg/m2[16]。強(qiáng)風(fēng)暴趨勢(shì)及VIL產(chǎn)品顯示桂林雷達(dá)21:04—21:11 VIL從40 kg/m2躍升至65 kg/m2(圖9d)，之后因距離較近缺測(cè)高層回波，VIL逐漸降低，28分后達(dá)60 kg/m2以上(圖9d)，34—40分VIL≤40 kg/m2，此時(shí)柳州雷達(dá)(距離約115 km)VIL達(dá)55～65 kg/m2，即明顯比俄克拉荷馬州及廣西同期冰雹的VIL閾值大，兩江機(jī)場(chǎng)21:28—21:40出現(xiàn)密集且較大直徑的冰雹也證實(shí)了這一點(diǎn)。另外，冰雹過(guò)程颮線中強(qiáng)單體經(jīng)過(guò)臨桂站時(shí)造成26 m/s大風(fēng)(21:44)，出現(xiàn)了較強(qiáng)反射率因子下降及中層徑向輻合(圖略)，但都比大風(fēng)過(guò)程明顯偏弱。

圖9 桂林雷達(dá)2019年4月24日21時(shí)22分2.4°反射率因子及沿左上圖紅線的速度剖面(a)、21時(shí)28分14.6°反射率因子(單位：dBZ)(b)、21時(shí)27分柳州雷達(dá)反射率因子剖面(c)以及桂林雷達(dá)21時(shí)28分VIL(單位：kg/m2)(d)

7.3 中氣旋特征

兩過(guò)程均具有較強(qiáng)中氣旋，大風(fēng)過(guò)程中氣旋直徑減小，高度較低。按照美國(guó)俄克拉荷馬州中氣旋標(biāo)準(zhǔn)，讀取大風(fēng)過(guò)程風(fēng)暴旋轉(zhuǎn)速度及直徑(表略)，20:00—20:25旋轉(zhuǎn)速度12～18 m/s，伸展高度≥3 km，為弱中氣旋，其中13—19分旋轉(zhuǎn)速度≥16 m/s，為中等中氣旋；這一階段中氣旋中心較高，直徑較大，風(fēng)暴發(fā)展；30—36分強(qiáng)回波分成兩塊，大的中氣旋分裂成兩個(gè)小渦旋，北部渦旋42分旋轉(zhuǎn)速度大值中心下降，造成上游站22.8 m/s大風(fēng)；54分旋轉(zhuǎn)速度加強(qiáng)，21:00—21:06達(dá)12～15 m/s，為中氣旋，直徑明顯減小，11分直徑≤2 km，造成極端大風(fēng)。冰雹過(guò)程中氣旋較高，柳州雷達(dá)21:02—21:46旋轉(zhuǎn)速度≥11.5 m/s，為中氣旋，其中21:27—21:34中層仰角(垂直厚度達(dá)3 km)旋轉(zhuǎn)速度15 m/s，為中等中氣旋，高的中氣旋有利于高懸強(qiáng)回波形成大冰雹，中氣旋直徑約3 km，其中40分≤3 km，44分出現(xiàn)大風(fēng)。分析雷達(dá)中氣旋相關(guān)參數(shù)，并由速度產(chǎn)品讀出近距離(≤20 km)處中氣旋低層信息(圖10a、10b)可知大風(fēng)過(guò)程中氣旋高度低，頂高、底高分別在5 km和3 km以下，比冰雹過(guò)程頂?shù)?7 km和5 km)明顯偏低；大風(fēng)出現(xiàn)前2～3個(gè)體掃中氣旋底高、頂高及最大切變高度有一個(gè)上升的過(guò)程，出現(xiàn)前0～1個(gè)體掃中氣旋頂高及最大切變高度下降。

大風(fēng)過(guò)程中氣旋與龍卷渦旋特征(簡(jiǎn)稱TVS)同時(shí)出現(xiàn)。Doswell[17]指出，在觀測(cè)到中氣旋的基礎(chǔ)上再探測(cè)到TVS，則龍卷及大風(fēng)發(fā)生概率明顯增大。大風(fēng)過(guò)程19:54—20:36連續(xù)6個(gè)體掃出現(xiàn)底高≥1.3 km的TVS，20:42在臨桂西部出現(xiàn)底高0.6 km的TVS，茶洞鹿角村出現(xiàn)22.6 m/s大風(fēng)。20:54—21:06出現(xiàn)底高0.8 km的TVS，11—13分出現(xiàn)極端大風(fēng)，比大風(fēng)提前1～2個(gè)體掃時(shí)間。冰雹過(guò)程由于中氣旋較高，整個(gè)過(guò)程無(wú)明顯TVS。

8 結(jié) 論

通過(guò)分析2019年春季桂林市臨桂區(qū)極端大風(fēng)及致災(zāi)冰雹過(guò)程，得出如下結(jié)論。

(1)兩次過(guò)程大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)氣壓出現(xiàn)谷值(與中氣旋有關(guān))、分鐘降水量大(與下?lián)舯┝骷敖邓弦纷饔孟嚓P(guān))，大風(fēng)過(guò)程罕見的分鐘降水與氣壓谷說(shuō)明有強(qiáng)下?lián)舯┝骷暗蛯又袣庑?/p>

(2)兩次過(guò)程均發(fā)生在高空急流右側(cè)、低空急流左側(cè)，鋒面及輻合線為觸發(fā)系統(tǒng)。大風(fēng)過(guò)程低層鋒面強(qiáng)，中層干層更顯著，冰雹過(guò)程高空槽更強(qiáng)，低層高溫高濕更明顯。

(3)兩次過(guò)程具有強(qiáng)的上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)及下沉動(dòng)能，大風(fēng)過(guò)程中層干層更顯著；均具有超級(jí)單體風(fēng)暴形成的潛勢(shì)條件：大的CAPE和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，冰雹過(guò)程CAPE更大。

(4)兩次過(guò)程颮線前沿冷池出流與環(huán)境風(fēng)垂直切變維持平衡，上升速度呈垂直狀態(tài)，利于颮線發(fā)展。變壓風(fēng)有利于對(duì)流發(fā)生，適度的冷池出流利于回波帶維持并向冷池前1 h變壓低中心移動(dòng)。大風(fēng)過(guò)程冷池前沿與變壓低中心在臨桂迭加，導(dǎo)致強(qiáng)回波發(fā)展造成下?lián)舯┝鳌?/p>

(5)大風(fēng)過(guò)程為中γ對(duì)流系統(tǒng)，強(qiáng)中心位于云團(tuán)中心；冰雹過(guò)程為中β對(duì)流系統(tǒng)，TBB值更低。兩次過(guò)程由鑲嵌在颮線系統(tǒng)中的超級(jí)單體風(fēng)暴引起，超級(jí)單體強(qiáng)回波中心達(dá)65 dBZ，具有(有界)弱回波區(qū)、三體散射。大風(fēng)過(guò)程強(qiáng)單體風(fēng)暴借助冷鋒熱力邊界的斜壓性在低層形成較強(qiáng)中氣旋，其低層V形缺口及鉤狀回波更明顯，并出現(xiàn)明顯的MARC及反射率核心快速下降(下?lián)舯┝?等特征；冰雹過(guò)程強(qiáng)回波質(zhì)心高，三體散射更明顯，有中低層輻合、高層輻散的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，VIL達(dá)55～65 kg/m2，并有躍升現(xiàn)象。

(6)兩次過(guò)程都出現(xiàn)中等強(qiáng)度中氣旋，大風(fēng)過(guò)程中氣旋低，半徑明顯減小，冰雹過(guò)程中氣旋高。大風(fēng)發(fā)生前2～3個(gè)體掃中氣旋都有一個(gè)上升過(guò)程，前0～1個(gè)體掃中氣旋高度下降。大風(fēng)過(guò)程中氣旋與龍卷渦旋特征同時(shí)出現(xiàn)，對(duì)地面極端大風(fēng)有預(yù)警作用。