2017.6.21致灾雷暴大风特征分析

马鸿青，郭志强，李 彦，徐义国，董疆南

（保定市气象局，河北保定071000）

0 引言

雷暴大风是伴随雷暴出现的瞬时风速可达17 m/s以上的灾害性阵风。因突发性强、持续时间短、破坏性强且预报难度大等特征，雷暴大风产生的环境条件、物理机制及临近预报预警一直是国内外气象学者研究的重点之一。Fujita[1]认为，雷暴大风是由于上升气流凝结的冰晶、水滴在下落过程中产生拖曳作用和融化、蒸发吸收释放的潜热使大气冷却所引起；秦丽等[2]通过统计研究北京地区的雷暴大风气候特征，指出北京地区的雷暴大风具有地理分布不均、日变化和季节变化明显等特点，对流层中层的干冷空气在雷暴大风的产生过程中非常重要；杨晓霞等[3]以天气模型对1971—2008年山东雷暴大风进行分类研究，给出了不同季节雷暴大风发生的天气尺度模型；黄荣等[4]分析了北京地区雷暴新生和增强机制，指出地形强迫、垂直风切变、地面辐合中心、边界层热力和动力不稳定的共同作用是局地雷暴新生的主要物理机制；丁青兰等[5]分析发现，北京西北部和东北部山区夏季雷暴大风偏多；刘香娥等[6]通过研究认为，降水粒子的蒸发和融化冷却能够有效降低地面温度，产生地面大风；廖晓农等[7]利用多元回归分析技术对北京地区雷暴大风进行了分析和潜势预报，为雷暴大风预报提供了借鉴。

近几年许多气象同行[8-14]利用多普勒雷达产品对风雹等强对流天气的临近预报做了大量分析与研究。保定是农业大市，地形特征又比较复杂，对于不同地形的雷暴大风，其发生发展的机理并不完全一样，对该地区雷暴大风发生的环境条件、动力热力特征及预报技术的研究还有待拓展。因此，本研究着重从观测事实和物理机制两方面对2017 年6 月21 日雷暴大风天气过程进行剖析，以期为今后日常的预报提供帮助，从而更好地为农业生产做好专业气象服务。

1 天气实况

2017 年6 月21 日（见图 1）（以下简称“6.21”）午后到傍晚（18:00—20:00）保定及雄安新区突发强对流天气，强对流发展迅速，来势凶猛，雷雨同时伴有大范围的雷暴大风。本次过程雷暴大风站次达到39个，主要集中在保定东部和雄安新区，20 m/s 及以上雷暴大风有16 站次（见表1），最大风速出现在高碑店梁家营30.7 m/s。雷暴大风使辖区内玉米、土豆、蔬菜等农作物受灾严重。

图1 雷暴大风空间分布（风速：m/s）

表1 20 m/s及以上雷暴大风实况

2 环流背景

2.1 大尺度环流形势

6月21日08时对流层中层500 hPa（见图2a）贝加尔湖到河套之间维持1个横槽，由于冷空气的渗透，横槽南部形成1条弱的河套短波槽，温度槽与之相配合，此槽位置略偏西，河北大部分地区受对流层低层700 hPa及以下的反气旋性环流控制。21日08—20时（见图2b）河套地区的高空槽有所东移，同时，西太平洋副热带高压缓慢北抬，受其影响，江淮切变线也随之北抬，江淮切变线北部的偏南气流明显增强，河北低层由偏北气流转为偏南气流。地面对应的是自西向东伸展的低压带（图略）。结果，在河套高空短波槽前的低空偏南气流里突发雷暴大风等强对流天气。

从地面3 h 变压和红外云图的叠置可以看出，21日午后，山西到河北西部有1个-2.5 hPa的变压中心形成（见图2d），地面辐合增强，与此同时，负变压中心周围对流云团开始发展。14—17时，随着山西境内大片雷暴的出现，气压迅速升高，山西境内形成1.5 hPa 的正变压中心（见图2e），负变压区东移。此时，正变压区内的云团逐渐减弱，正负变压过渡带的对流云团强烈发展，保定正好处在正负变压梯度密集区，18:30 左右（见图2f），保定东部对流云团的云顶高度快速上升，云顶亮温(Tbb)降到-55℃以下，之后，云团移动前方Tbb梯度大值区出现雷暴大风等强对流天气。

根据21日08时北京探空数据计算得出：沙氏指数SI为-5.55℃，K指数为 35℃，600～925 hPa 大气呈上干下湿的“喇叭状”分布（见图2c），对流层中上层的干空气更加明显，说明大气层结还是非常不稳定的。另外值得关注的是，本次探空存在上下2个自由对流高度LFC（见图2c），一个位于1000 hPa，另一个位于630 hPa附近，气团具备潜在的不稳定性，对流云团有可能发展。

2.2 中尺度背景特征分析

21日14时左右，位于保定与雄安新区之间的地面中尺度辐合线开始出现（见图3a），17—18时西部山前由于地形抬升生成的对流云团东移到地面中尺度辐合线附近，对流云团快速发展加强（见图2e～f）。上游雷暴的发生使气压场和温度场出现扰动，保定中部形成1 个直径不到100 km 的明显的冷池，最大负变温中心（见图3b）为-9.4℃，同时，与冷池相匹配的是1 个较大正变压区，最大正变压（见图3c）为4.2 hPa，保定东部到雄安新区的强对流云团与地面小时强变温和小时强变压前侧锋区相吻合。可见，地面中尺度辐合线和冷池共同加剧了雷暴大风等强对流的爆发。

3 物理机制分析

3.1 能量与不稳定机制

21日午后，随着太阳辐射加强，地面气温上升，21日 14 时（见图 4a）500 hPa 与 850 hPa 的温差达到-33～-34℃，层结不稳定条件具备；21日08—14时（见图4b），随着对流层低层偏南气流的加强，边界层暖平流有所加强，低层能量增加，21 日14 时800 hPa 到地面出现“Ω”型能量锋区，边界层与500 hPaθse的差值大于16 K，对流性不稳定形成，16 时左右边界层冷空气开始入侵，之后，对流云团发展加强，强对流加剧，18—19 时保定中东部和雄安新区出现区域性雷暴大风。20 时随着雷暴大风等强对流的出现，边界层被冷空气堆占据，同时高层出现弱的暖平流，对流不稳定条件减弱，强对流趋于结束。Cape指气块在自由对流高度和平衡高度之间受环境正浮力所做的功，它是一种潜在的不稳定能量，因此，Cape可以作为判断雷暴大风等强对流是否发生的环境参数之一。21日08—14时（见图4d）保定中东部Cape值直线上升，能量处在积累阶段，中午前后Cape值达到2300～2400 J/kg，随后上升运动快速发展（见图5b），说明此能量值转化为上升运动所需的动能，最终导致雷暴大风等强对流天气的爆发。21 日20 时—22 日02 时，随着雷暴大风等强对流天气的结束，能量得到释放，Cape值快速降至200 J/kg 以下。地面能量与雷暴大风等强对流天气的发展紧密相关，6月21日08时（图略），39—40°N，114—116°E区域内有1 个近似东西向的地面能量锋区，其北部为低能区，南部为1个相对的高能舌区，这与地面常规天气图上的北高南低形势吻合。21日14时（见图4c），60℃的高能舌继续北顶西伸，在保定东部与雄安新区形成1个闭合高能舌中心，39°N附近湿静力温度等值线密度加大，说明能量锋区加强，18—19 时最强对流云团在保定东部与雄安新区上空发展壮大，雷暴大风出现，6月22 日02 时（图略），60℃的高能舌南撤，能量锋区减弱。由此可得，地面湿静力温度代表的能量变化至少可以比强对流的爆发提前2～3 h。

图2 环流背景场与云团演变

图3 地面中尺度系统（变温：℃，变压：hPa）

3.2 动力机制

21 日14 时（见图5a）保定边界层到地面逐渐由偏南风转为偏东风，对流层中层为偏南风，保定区域出现0～3 km垂直风切变大值区，其中心值大于2.1 m/(s·km)，同时风随高度发生近90°的顺转。21 日08 时开始，对流层低层的辐合（见图5b）逐渐增强，14—20时对流层上升运动（见图5b）快速发展，18—20时，低层(900 hPa)最大上升运动中心-0.6 Pa/s，最大上升速度位于400 hPa，其值为-0.9 Pa/s，此时强对流发展达到最强，中东部的雷暴大风就出现在这个时段。根据文献中[15]中定义：MPV2＜0，且MPV2 的绝对值越大，说明水平风的垂直切变和相当位温的水平梯度越大，大气的湿斜压度越强，有利于气旋性涡度的发展。20 日夜间，边界层800 hPa 以下湿位涡斜压项MPV2 的负值区域明显增强（见图5c），21 日14—20 时，随着高空影响系统的东移，MPV2 的负值区向高层伸展，750 hPa 附近出现-1.6 PVU 的中心，其与0～3 km 水平风的垂直切变加强时间一致，间接说明低空风场的变化；与此同时，高空450 hPa 和 300 hPa 也分 别 形成 -2.0 PVU 的 MPV2 中心，说明对流层整层的气旋性涡度快速发展，大气的斜压性增大，辐合上升运动增强，雷暴大风等强对流就出现在湿位涡绝对值得到增大的时段和区域，湿位涡的斜压项与雷暴大风的发生时间和落区相吻合。当大气具有潜势不稳定能量时，垂直螺旋度能反映对流天气的垂直螺旋上升运动特征，其越来越多的被应用于对流天气的诊断预报中[16-21]。21 日14—20 时，随着影响系统的临近和低层上升运动的发展，对流层低层的正垂直螺旋度（见图5d）逐渐增大，18—20时，位于700 hPa的垂直螺旋度最大值达到5×10-5hPa/s2，说明低层辐合加强，同时对流层高层有1 个代表高空强辐散的闭合负螺旋度中心与之相配合，这种低层正、高层负的配置，非常有利于强对流天气的爆发。

图4 能量与不稳定条件

4 结论与讨论

（1）本次区域性雷暴大风发生在高空槽前，地面中尺度辐合线和冷池是雷暴大风天气的直接触发机制。探空曲线存在上下2 个自由对流高度LFC，说明气团具备潜在的不稳定性，预示对流云团有可能发展。大气层结呈上干下湿“喇叭状”，整层湿度较小，本次强对流以雷暴大风为主。小时最强负变温和最大正变压与雷暴大风等强对流天气的发生发展有很好的对应关系和指示意义，最强负变温和正变压前侧锋区容易出现雷暴大风。依据此两项指标至少可以提前10～20 min发出预警信号。夏季午后随着太阳辐射加强，“Ω”型能量锋区快速发展，Cape达到2000 J/kg 以上，强对流云团在湿静力温度密集区（能量锋区）形成、发展，雷暴大风等强对流天气位于高能舌附近的能量锋区。中高层的冷平流越强，动量下传带来的雷暴大风越剧烈。边界层弱冷平流有利于水平锋区的形成与加强。2.1 m/(s·km)以上的0～3 km强垂直风切变使对流的发生更加有组织性。MPV2 的负值区向高层伸展，致使对流层整层的气旋性涡度快速发展，大气的斜压性增大，辐合上升运动增强，雷暴大风等强对流就出现在湿位涡绝对值得到增大的时段和区域。低层的垂直螺旋度最大正值达到5×10-5hPa/s2，高层的垂直螺旋度最大负值达到-3×10-5hPa/s2，高、低空螺旋度的耦合，构成此次强对流天气的典型模式。

图5 动力条件

（2）本研究发现，本次过程探空曲线存在上下2个自由对流高度LFC，这对强对流天气的潜势预报意义重大；雷暴大风出现在小时最强负变温和最大正变压前侧锋区，依据此，2 项指标可以提前发出预警信号；边界层弱冷平流与水平锋区的形成和加强关系密切。

（3）1次个例不能足以证明上下2个自由对流高度LFC 对强对流天气的真正指示意义，需要从众多类似天气过程中去归类、总结。

（4）因为资料有限，本研究对雷暴大风的形成机理研究的还不够深入，之后有必要在新资料方面做更深入的分析。