黔东南山区两次雷暴大风过程对比分析

张　超，周　艳，杨　帆，韦　波

(贵州省黔东南自治州气象局，贵州　凯里　556000)



黔东南山区两次雷暴大风过程对比分析

张超，周艳，杨帆，韦波

(贵州省黔东南自治州气象局，贵州凯里556000)

对2013年4月17日和2015年5月10日贵州省黔东南地区两次雷暴大风天气过程的物理环境场和多普勒雷达回波特征进行对比分析，表明雷暴大风的发生需要一定的环境条件，抬升指数LI、下沉对流有效位能DCAPE、总指数TT、深对流指数DCI等对黔东南雷暴大风有较好的指示意义。通过对多普勒雷达回波产品的分析，表明这两次雷暴大风均为典型的下击暴流，雷暴单体反射率因子核的突然升高和持续下降可用于短时临近预报。

雷暴大风;雷达回波;对比分析

1　引言

贵州东南部山区地形复杂，强对流天气频发，给人民的生命财产带来了严重威胁。强对流造成的雷暴大风因其局地性、突发性、强度大、破坏力强等特点，是预报预警和防灾减灾的难点和重点。当对流风暴强烈下沉气流在地面产生>17.9 m·s-1的大风时，Fujita将它们定义为下击暴流[1-3]。俞小鼎[4]等首次利用我国新一代天气雷达资料对一次系列下击暴流过程进行了详细分析，指出反射率因子核心的逐渐降低并伴随云底以上的速度辐合的多普勒雷达回波特征，可以用来提前数分钟预警下击暴流的发生。而强对流的天气通常需要具备一定的大气环境条件，秦丽、廖晓农[5-7]等分别统计了北京地区雷暴大风的天气—气候学特征，得到有利于雷暴大风产生的探空结构和一些有指示意义的对流参数。李路长[8-10]等利用三穗多普勒雷达资料对该地区的冰雹预警指标进行了研究，但是该区域雷暴大风的研究还需要不断深入。

利用常规探空资料及多普勒雷达资料，从雷暴大风发生的环流形势、探空结构、环境参数特征、雷达回波特征等方面入手进行对比分析，旨在为分析研究和预报该地区该类天气提供参考。

2　两次雷暴大风的环境场特征对比

2.1天气背景

2013年4月17日21时，黔东南镇远县出现瞬时极大风速达38.3 m·s-1的大风(以下简称“4.17”)。当天20时500 hPa高空图(图略)上，亚洲中高纬为两槽一脊，四川东南部—贵州北部之间有短波槽，镇远县受槽前偏西南气流影响；850 hPa上空贵州主要受偏南暖湿气流影响，在贵州东南部有风速辐合。850 hPa与500 hPa比湿差Q850 hPa-Q500hPa>9 g·kg-1，温度差T850 hPa-T500 hPa>28 ℃。为上干冷下暖湿的结构，利于强对流的发生。

2015年5月10日16时，黔东南天柱县坌处乡经历31.1 m·s-1的大风(以下简称“5.10”)。通过当天08—20时的天气资料可以看出，08时500 hPa高空贵州受槽前西南气流影响，槽线在川东—贵州西部一线，温度槽在青海—川西高原，落后于高度槽，未来槽加深发展；20时槽线移至湘黔之间，贵州处于槽后西北气流中。700 hPa、850 hPa贵州受偏南气流影响，08—20时850 hPa偏南风由6～8 m·s-1增强为8～10 m·s-1，在贵州中部有切变线生成。比湿差Q850 hPa-Q500 hPa>11 g·kg-1，温度差T850 hPa-T500 hPa>27 ℃。同样为上干冷下暖湿的结构。

通过对比，发现两次雷暴大风发生前，具有类似的环流背景：500 hPa高空有槽影响，中低层为偏南暖湿气流，850 hPa有风向或风速的辐合，500 hPa和850 hPa之间存在较大的湿度差和温度差。

2.2环境物理量场参数

雷暴大风是典型的强对流天气，大气层结的不稳定是其发生的必要条件，各种稳定度指数、动力参数、热力参数能从不同的角度反映出雷暴大风发生前的大气环境状态和条件。镇远位于贵阳和怀化两个探空站连线的中点上，因此“4.17”大风以两站探空资料作为参考；天柱距离怀化探空站约100 km，因此“5.10”大风以怀化站探空资料为参考。前人在对流参数的选取上做了许多工作，本文根据前人研究成果[5-7]，选取比较有指示意义的抬升指数LI、总指数TT、对流有效位能CAPE等6个对流参数(表1)，对两次过程进行对比分析。

表1　表征环境物理量场的参数

2.2.1热力稳定度参数抬升指数LI定义为[11]：气块自地面沿干绝热线抬升，到达抬升凝结高度后再沿着湿绝热线上升至 500 hPa具有的气块温度与 500 hPa环境温度之差:LI=T850-T。当LI<0时表示大气层结不稳定，可以看到两次大风过程，LI指数均小于-3 ℃，环境大气具有很强的不稳定性。

总指数：TT=T850+Td 850-2T500，其中T850-T500表征环境的垂直温度直减率，值越大，则高层冷，低层暖；Td850-T500表征湿度条件，值越大，低层湿度越大。两次过程TT均大于50 ℃，表明环境场高层干冷、低层暖湿。

2.2.2能量参数对流有效位能(CAPE)表示可以转化为气块垂直上升运动(对流)动能的能量,从理论上反映出对流上升运动可能发展的最大强度。即环境正浮力对气块做功所产生的动能。而下沉对流有效位能( DCAPE)从理论上反映对流云体中下沉气流到达地面时可能具有的最大动能(下击暴流的强度)，即环境负浮力对气块做功所产生的动能。秦丽(2006)的研究表明：强的下沉有效位能，利于北京地区出现雷暴大风，所统计最大风速>26 m·s-1的个例中有80%>700 J·kg-1。两次大风过程中CAPE均>600 J·kg-1,下沉对流有效位能>800 J·kg-1，风速也都>30 m·s-1。在“4.17”大风爆发前DCAPE超过了900 J·kg-1，其风速也比“5.10”要大。可见当存在一定的CAPE值时DCAPE的增大对雷暴大风有较强的指示意义[10]。

2.2.3其他参数深对流指数DCI=(T850+Td850)-LI，综合反映低层(850 hPa)温湿特性及中低层条件稳定度的参数[10]。秦丽(2006)的研究表明其统计中有85%的个例DCI>25 ℃；本文两个个例DCI均>30 ℃。说明这两次雷暴大风日在对流层低层有较厚的湿层(与当日中低层的偏南气流对应)；且500 hPa条件不稳定(对应500 hPa的槽线影响)满足深厚对流发展的条件。

大风指数：“4.17”大风发生在21时，对应当日20时资料大风指数VV>20，而“5.10”大风发生在午后，大风指数VV由08时的20.8下降至20时的5.2，判断是由于雷暴大风的爆发，消耗能量所致。但是其他参数却是基本维持或是略有升高，因此大风指数在本地区的应用还需更多个例的总结。

3 多普勒雷达产品特征对比

“4.17”过程所产生的对流天气更强烈，不仅是极端大风，还伴随着冰雹、雷电、短时强降水，且影响范围较大。而“5.10”过程仅为大风和短时强降水，影响范围小。下面对两次过程发生时段雷达回波特征进行对比。

3.1基本反射率因子演变特征

“4.17”过程是在较远上游地区已有强回波生成，在逐渐移向镇远的过程中维持，靠近镇远时回波再度增强，最大反射率因子达到65 dBz。而“5.10”过程则是在附近生成回波，在靠近过程中突然增强。

“4.17”过程在当天18时05分开阳和瓮安交界处有45 dBz强回波存在，此后经瓮安、黄平、施秉，20时46分开始影响镇远(图1)。进入镇远后回波强度增大，达60 dBz，21时34分强回波移出镇远县城，强度维持，继续影响下游地区。

图1　“4.17”镇远大风雷达回波反射率因子演变图Fig.1　The radar reflectivity of thunderstorm influencing Zhenyuan on April 17.

从图2可知20时40分强回波进入镇远县境内，一直伴随着高悬的强回波，在低层有明显的弱回波区，回波中心>55 dBz的强回波中心向下伸展的接地，说明在已经发生强降水或是降冰雹。20时58分—21时04分>60 dBz的反射率因子核突然从4 km跃升至7 km左右，在下一体扫时刻21时10分回波核心开始下降，21时16分回波核心接地，21时28分核心下降，整合核心下降过程持续了2个体扫约12 min，造成长达十多分钟的大风灾害，21时34分后，强回波移出镇远县城。

“5.10”过程期间，15时13分锦屏县境内有零星回波生成(图3)，并逐渐发展东北方向移动，15时24分—15时29分最大回波强度由40 dBz增加到55 dBz，16时11分回波主体进入天柱县境内，最大强度达到60 dBz，16时27分强回波开始影响天柱坌处，16时59分强回波移出坌处，强度维持，17时14分回波开始减弱。

图2　“4.17”镇远大风各时次雷达回波反射率因子剖面图Fig.2　The vertical cross-section of radar reflectivity for a thunderstorm influencing Zhenyuan on April 17.

图3　“5.10”天柱坌处大风雷达回波反射率因子演变图Fig.3　The radar reflectivity of thunderstorm influencing Benchu on May 10.

从图4来看16时06分雷暴单体回波中心高度在3 km左右，强度为50 dBz，到16时11分回波中心升高到6 km左右，强度为55 dBz，16时22分回波中心高度维持，强度达60 dBz；16时27分回波中心接地，形成第1次大风，影响坌处，强度仍为60 dBz。雷暴单体先是核心异常增高，然后迅速下降，为典型的下击暴流。16时32分下沉气流在其前后边界触发新的雷暴单体生成，在16时43分、16时48分单体核心分别落地，行成第2、第3次地面大风。16时53分由地面大风再次触发新单体的生成，并在一个体扫后16时59分核心接地，形成第4次大风。此后回波逐渐移出减弱。

图4　“5.10”天柱坌处大风各时次雷达回波反射率因子剖面图Fig.4　The vertical cross-section of radar reflectivity for a thunderstorm influencing Benchu on May 10.

3.2风暴相对径向速度演变

天气发生时，径向速度图上可以识别出明显的逆风区，当强回波中心下降接地时，可以观察到低层有辐散，中层有径向辐合区。

“4.17”大风21时04分反射率因子核增强并升高，对应径向速度剖面图上，低层辐合,高层辐散；21时10分强回波中心开始下沉，低层的径向辐散清晰可见；说明地面开始有大风，到21时16分低层辐散仍然存在，大风维持(图5)。

图5　“4.17”大风径向速度空间剖面图Fig.5　The vertical cross-section of radial velocity for a thunderstorm influencing on April 17.

“5.10”大风的径向速度剖面上(图6)，16时16分空中有一些逆风区，在空中有辐合辐散；16时22分低层辐合场，高空辐散，对应该时刻反射率因子强度达到60 dBz；16时27分强回波中心开始下降，低层辐散场风速增强，；16时53分后侧基本为辐散，无辐合，表明大风向四周散开。

4　结论

①两次雷暴大风均发生在高空有槽线，低层为偏南暖湿气流的环流背景之下，表明不稳定的环境场是雷暴大风爆发的必要条件。

②抬升指数LI、总指数TT、对流有效位能CAPE、下沉对流有效位能DCAPE、深对流指数DCI对黔东南雷暴大风有较好的指示意义。其中LI和DCAPE对雷暴大风风速的预报有参考意义，若LI值越低，DCAPE值越大，则产生的雷暴大风风速越大。大风指数VV在别的文献中提及，具有很好的预警参考意义；在这两次过程中，适用性并不强。下一步将搜集更多的个例，以期寻找到适合黔东南当地的雷暴大风潜势预报的对流参数阈值。

③两次雷暴大风过程的环境场类似，但是雷达回波特征有所不同。“4.17”为上游强回波移动增强引起，伴随雷电、冰雹、短时强降水等。是一个超级单体分裂下沉，持续造成大风。“5.10”是局地生成，突然增强导致的大风灾害。其影响范围小，只伴随短时强降水。由强雷暴单体核心下沉，形成下击暴流；向四周辐散的大风又触发新的雷暴单体，如此往复，共计4次强回波中心的下沉。

④两次过程均为最大风速>30 m·s-1的雷暴大风灾害，由下击暴流导致，今后将在工作中关注下击暴流的预报预警方法。目前从雷达回波上已有一定的监测方法。如雷暴的反射率因子核心突然升高，反射率因子的大值区还有本文未提及的VIL的异常增高等。但是更多适用与本地的特征指标仍需要大量个例的总结。

[1] 俞小鼎，王迎春，陈明轩，等．新一代天气雷达与强对流天气预警[J]．高原气象，2005，24(3)；456-464.

[2] Fujita T T,Byer H R. Spearhead echo and downburst in the crash of an airliner[J]. Mon Wea Rrev, 1977,105:129-146.

[3] Fujita T T.The Downburst[R].SMRP Research Paper 210. Chicago: University of Chicago, 1985:1-122.[NTIS PB-148880].

[4] 俞小鼎,张爱民,郑媛媛,等．一次系列下击暴流事件的多普勒天气雷达分析[J]．应用气象学报，2006，17(4)：385-393．

[5] 阎访，陈静，卞韬,等．一次雷暴大风的物理环境场和多普勒雷达回波特征[J]，气象与环境学报，2013，29(1)：33-39 .

[6] 秦丽,李耀东,高手亭．北京地区雷暴大风的天气一气候学特征研究[J]．气候与环境研究，2006，11(6)，754-762.

[7] 廖晓农,于波,卢丽华.北京雷暴大风气候特征及短时临近预报方法[J].气象，2009，35(9)，18-28.

[8] 李路长,白慧,曹凯明.黔东南2012年4月10日大冰雹天气过程雷达回波特征分析[J].贵州气象，2012,36(5):23-26.

[9] 李路长,白慧,杨胜忠,等.黔东南地区冰雹天气雷达临近预警指标研究[J].贵州气象，2014 ,38(1):20-24.

[10]李路长,白慧,顾欣,等.贵州镇远“4·17”大风冰雹天气过程多普勒雷达回波特征分析[J].贵州气象，2014,38(4):28-31.

[11]刘建文, 郭虎, 李耀东. 天气分析预报物理量计算基础[M].北京：气象出版社,2005,06.

A Comparative Analysis on Two Thunderstorm Wind Events in Qiandongnan

ZHANG Chao,ZHOU Yan,YANG Fan,WEI Bo

(Qiandongnan Meteorological Bureau of Guizhou Province, Kaili 556000，China)

The ambient circulation and convection parameters of the two thunderstorm wind events were analyzed by using the data from automatic weather station and sounding data. It shows that the occurrence of thunderstorm winds needs certain environmental conditions. Lifted index (LI), down draft convective available potential energy (DCAPE), deep convective index (DCI) etc. are important to the potential development of the thunderstorm wind in Qiandongnan. The Doppler weather radar data show that the suddenly rise and continuous decline of the radar echo reflectivity nucleus can be used for short-term forecasting of thunderstorm winds in Qiandongnan.

thunderstorm winds; radar echo reflectivity; comparison and analysis

1003-6598(2016)03-0037-06

2015-12-04

张超(1987—)，男，助工，主要从事短期天气预报工作，E-mail:wjszhangchao@126.com。

黔气科合KF[2015]06号“基于天气学、物理量和T-LogP图的黔东南冰雹模型研究”。

P425

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