2019年4月9日四川东北部一次飑线大风的成因分析

李 曦，黄敬淋，王智楷

（1.广安市气象局，四川 广安638500；2.中江县气象局，四川 德阳618000）

飑线是线状排列的对流单体族，是尺度、强度、数量呈增长之势的分散风暴，是水平尺度在几十至几百公里、持续时间几小时到十几小时、气压和风发生突变的强对流天气带。飑线常伴有雷暴、大风、冰雹等灾害性天气，常造成人民群众巨大的生命财产损失。飑线天气也是天气预报工作的重点和难点。

近些年来，国内外学者对飑线天气发生的天气背景和环境条件已有较为全面的研究。张宁等[1-3]研究发现飑线天气过程主要发生在高空为冷槽的“槽前型”大尺度环流背景下，高空槽前冷空气入侵与低层暖湿气流叠加增强了大气层结不稳定性，由地面辐合线触发了飑线系统。崔强等[4]分析了干侵入对江淮地区强飑线天气的形成具有重要作用。程月星等[5]发现在弱天气尺度强迫环境中，较好的热力不稳定增强机制促使线状对流发展成为弓形回波，形成了雷暴大风。而目前对飑线大风的形成机理也有大量研究成果。王秀明等[6-7]详细分析了河南商丘等地的飑线大风过程，认为风暴的强下沉辐散气流、强冷池造成的冷池密度流、降水粒子的蒸发效应等因素共同作用造成了地面极端大风，而三个因素对地面极端大风的增幅作用几乎相当。农孟松等[8-11]认为飑线的快速移动、高层的动量下传对地面极端大风也有一定的增益。周后福等[12]分析了超级单体风暴产生的极端大风，认为风暴合并、动量下传、降水拖拽和负浮力增加以及风暴后部下沉气流等共同作用造成了地面极端大风。以上对飑线的研究主要集中在我国华南、华中等地区，而目前对四川地区飑线大风过程的环流背景、物理量特征以及发展演变特征还缺乏足够的客观认知，为了深入了解四川飑线大风过程的基本特征以及形成原因，有必要对此类飑线大风天气进行深入研究。

2019年4月9日凌晨，四川东北部广元、南充、巴中、广安、达州等地出现了一次强烈飑线大风过程，过程伴随有雷电、短时强降水等强对流天气。大范围极端大风天气致使部分房屋倒塌、树木刮倒，多条供电线路出现故障，造成了四川东北部地区较大的经济财产损失。本文利用常规观测资料、多普勒天气雷达资料、探空资料、地面自动站资料，在详细分析此次飑线大风天气过程发生的环流背景、强对流条件及其雷达演变特征的基础上，探讨了灾害性大风的形成原因，总结了形成此次飑线天气的环境条件特征，以期加深对四川飑线大风形成机理的认识，为灾害天气的预报和服务提供科学参考。

1 过程概况

本次飑线大风过程发生在2019年4月9日00—06时（北京时，下同），出现区域包括四川省广元、南充、广安、巴中、达州等地，四川东北部地区共有141站极大风速达到或超过8级，有13站极大风速超过10级。出现8级以上大风最多的地区为广安市和广元市，其中广安市有52个站点极大风速超过8级，有4站极大风速超过10级，最大风速出现在黄龙为28.4 m/s；广元市8级以上大风站点有49个，10级以上大风站点有8个，最大风速出现在大石为29.7 m/s。南充、达州、巴中等地出现8级以上大风的站点也分别达到了17站、12站、11站（表1）。本次飑线大风具有范围广、强度大、维持时间长等特点。

表1 2019年4月9日川东北大风站点统计

2 天气背景

本小节利用常规观测资料、探空资料、地面自动站观测资料对四川东北部飑线天气过程的环流形势、对流环境条件、触发机制进行分析诊断，讨论了飑线的形成原因，并与江淮飑线天气的环境条件进行了对比分析。

2.1 环流形势分析

从环流形势上看（图1），2019年4月8日08时500 hPa高空图上，四川东北部主要由高空脊后西南气流所控制，而在青藏高原东部有一高空冷槽，将于8日夜间影响川东北地区。700 hPa川东北地区由西南暖湿气流控制，850 hPa为低压倒槽型切变。由于中低层暖脊和地面热低压的共同影响，8日白天四川东北部南充、达州、广安等地气温上升快，其最高温度超过33℃，8日白天晴热高温天气为夜间的强对流天气创造了良好的热力条件。到8日20时，500 hPa青藏高原东部的冷槽东移至四川中部并加深，850 hPa与500 hPa温度差超过29℃。700 hPa西南气流显著加强，其最大风速达到18 m/s，形成西南急流。位于甘肃地区的偏北冷平流迅速推进至四川盆地与700 hPa西南急流形成切变线，四川东北部位于切变线南侧，而850 hPa四川东北部仍维持低压倒槽型切变。

图1 2019年4月8日高度场（单位：dgpm）和风场（单位：m/s）

许爱华等[13]对中国近百次强对流天气个例的环境场进行了分析，提出中国强对流天气具有5种基本类别：冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类、高架对流类，并分别建立了5类强对流天气的概念模型。本次飑线过程属于“低层暖平流强迫类”（图2）：低层700 hPa及以下有强烈发展的暖平流，暖平流对热力不稳定性起主导作用，对流层中高层500 hPa有冷性低槽发展，加强了热力不稳定，在地面辐合线的动力扰动下，触发了本次过程。但本次过程与“低层暖平流强迫类”强对流天气仍然存在差异，主要表现在：“低层暖平流强迫类”天气模型要求低层西南急流强且水汽充沛，温度露点差通常＜5℃且湿层达到700 hPa以上，并在低层有明显的湿度锋区。而本次过程中，8日20时四川东北部地区低层925 hPa温度露点差＞13℃，850 hPa温度露点差＞9℃，700 hPa温度露点差在4～8℃，这表明本次过程中低层大气湿度条件相对偏差。

图2 2019年4月8日20时中尺度分析

2.2 对流环境条件

通过分析2019年4月8日20时四川达县站的T-lnP图（图3a）发现：达县站上空700~250 hPa条件不稳定特征显著，对流有效位能较强，CAPE值为811.2 J/kg，K指数为37.7，SI指数为-1.91，抬升凝结高度为737 m，0～6 km垂直风切变为14 m/s左右。低层700 hPa到地面为逆温层，风随高度顺时针旋转，整层有暖平流。从水汽分布上看，925~250 hPa均为明显的干层，相对湿度很低。

而8日20时重庆沙坪坝站的T-lnP图显示（图3b）：沙坪坝站上空650~250 hPa对流有效位能较强，CAPE值达到1163 J/kg，K指数为36.5，SI指数为-2.86，抬升凝结高度为783.2 m，0～6 km垂直风切变接近13 m/s。925~650 hPa有逆温层。在水汽的垂直分布上，从低层到高层均为明显干层。

图3 2019年4月8日20时达县站（a）和沙坪坝站（b）的T-lnP图

对比以上两站的探空资料可知，两站均有较强的不稳定能量，低层有逆温层，各类指数均有利于产生强对流天气。但由于水汽条件较差，不利于上述地区出现大范围强降水。

吴瑞姣等[14]对2000—2017年江淮地区35次飑线大风过程进行了统计分析，总结了江淮地区飑线天气共同物理量指标：江淮飑线天气要求对流有效位能＞1300 J/kg，0～6 km垂直风切变＞10 m/s，低层为高温潮湿环境，抬升凝结高度一般低于930 hPa。本次飑线天气对流有效位能＜1300 J/kg，中低层均为干层，抬升凝结高度明显高于930 hPa，0～6 km垂直风切变＞10 m/s。这表明此次四川飑线过程与江淮飑线天气在对流环境条件方面有一定的差异。

2.3 触发条件分析

从环境场上看，四川东北部已具有较高的能量条件和不稳定层结，满足强对流天气发生的内在条件，而地面辐合线最终触发了本次强对流天气过程。从4月8日23时地面天气图上可见（图4a），在靠近四川东北部的重庆地区存在一条西北风与东南风相辐合的地面辐合线，位于地面辐合线北侧的四川南充、广安等地开始触发对流。到9日02时（图4b），地面辐合线呈西南—东北向，并停留在四川达州、广安东部，风向转变为偏东风与偏西风的辐合，在地面辐合线的附近不断触发不稳定能量，产生新的对流单体，造成强对流天气。

3 飑线的雷达回波演变

在4月9日00：03四川南充站的雷达回波图上，四川东北部开始有分散的对流云团生成，主要分布在四川遂宁、南充、达州等地。对流云团在偏西气流的引导下东移、发展，其回波主体位于遂宁附近，最大回波强度达到60 dBZ（图5a、5b）。00：20位于遂宁附近的雷达回波主体向南迅速扩展，向东与其它对流单体合并，逐渐发展壮大为一弯曲的带状回波体，在带状回波体的南侧、东北侧有大量分散的对流云团生成发展。01：35带状回波体在引导气流的作用下东移，并不断与南侧、东北侧的回波单体合并，形成一个呈反气旋弯曲、统一的对流单体族。此时带状回波向东扩展至四川渠县附近，向南扩展至重庆潼南，其长宽比超过5：1，最大回波强度达到65 dBZ，这表明带状回波体已发展成一个组织完善的飑线。此时飑线前沿已抵达南充雷达站附近，新生的对流单体沿着飑线前沿上升再并入飑线，飑线东北部镶嵌有超级单体风暴（图5c，5d）。到02：02飑线已完全发展成熟，其前沿不断有新对流单体生成，飑线回波主体已抵达四川武胜、岳池等地，飑线主体后部为典型的层状云回波。此时从地面自动气象观测站的气压场上，可在飑线后部的四川蓬溪、射洪、遂宁三地之间观测到明显的中尺度雷暴高压。飑线后部分别造成：01：11南充升水镇22.5 m/s的大风，01：27南充南部24.8 m/s的大风，01：29罐垭乡文昌岭村21.4 m/s的大风。02：50飑线前沿已抵达四川渠县、华蓥等地，雷达回波的强度、梯度均有所减弱，而飑线后部层状云回波则迅速扩展（图5e，5f）。飑线在东移过程中，分别造成：02：22岳池黄龙28.4 m/s的大风，02：35岳池24.8 m/s的大风，02：40龙安24 m/s的大风。03：30飑线东移至四川大竹、达州等地，回波强度明显减弱，结构变得更加松散，速度图上表现为整层辐散气流，回波已演变成层状云降水回波，飑线过程趋于结束。

4 极端大风成因分析

本节将从雷暴高压与冷池密度流、下沉辐散气流、高空动量下传、飑线移动速度等方面分析本次极端大风的形成原因，并尝试分析形成极端大风各因子的重要性及相互之间的联系。

4.1 雷暴高压与冷池密度流

在飑线自西向东移动和发展过程中，可以从地面自动观测站明显的观测到飑线后部存在中尺度雷暴高压和冷池。从2019年4月9日02时四川东北地区地面自动站资料（图6a）和9日02：02的南充雷达组合反射率图（图6b）上看：4月9日02时，飑线自西向东移动，飑线前沿抵达四川渠县、岳池、武胜、合川一线（图6a红线），飑线主体后部为层状云，层状云回波向西延伸至四川仪陇、盐亭、乐至、安岳一线（图6a蓝线）。与之相对应，在飑线主体后部层状云下方可观测到一个中尺度雷暴高压和冷池（图6a蓝色圆圈），雷暴高压中心位于遂宁、蓬溪、射洪三地之间，其中心最大气压值超过964 hPa，冷池中心温度在19℃左右，其长度达80 km，宽约40 km，它是由飑线后部的下沉冷空气在近地面堆积而成，雷暴高压与地面辐散中心相对应，雷暴高压中心有明显的向外辐散气流。在飑线前部还伴有暖低压，暖低压中心强度为950 hPa，飑线前温度最高达25℃，飑线前后气压差超过10 hPa，温度差达到6℃，气压梯度力很大，冷池密度流很强，这是造成四川东北部地区极端大风的重要原因。据地面自动站观测资料显示，4月9日02：35、02：41，位于飑线前沿的岳池、广安两站（图6a黑色圆点）分别出现了24.8、23.4 m/s的极端大风。

图4 4月8日23时（a）和4月9日02时（b）地面风场及辐合线

图5 2019年4月9日四川南充站不同时刻的雷达反射率（单位：dBZ）和径向速度（单位：m/s）

图6 4月9日02时地面自动站资料（a）与4月9日02：02南充雷达组合反射率（b，单位：dBZ）

4.2 下沉辐散气流

下沉辐散气流是形成极端大风另一个重要原因。当中高层干冷的后向入流夹卷进入强对流单体后，加强了强对流云中降水粒子的蒸发效应，降水粒子蒸发、降温产生负浮力，增强了气块的下沉运动，造成下击暴流[6]。同时，降水粒子拖拽对下沉气流的加速作用虽然远小于降水粒子蒸发效应，但降水粒子的拖拽对下沉气流的发动却起重要作用[15]。Doswell[16]研究认为，降水负荷和蒸发冷却所产生的负浮力是引发和维持下沉辐散气流的重要因子。当降水通过不饱和空气层时，中低层的低湿度有利于降水蒸发形成负浮力。

在本次个例中，下沉辐散效应非常明显。从4月9日02：59南充站雷达组合反射率图和仰角为6°的径向速度图上看到（图7a、7b），9日02：59飑线回波前沿已抵达四川渠县、华蓥、合川一带，而在飑线强回波后部可观测到明显的后向入流大风速区，其最大风速超过21 m/s。后向入流进入飑线内的高度为4.5 km附近，而探空资料显示，该高度接近0℃高度层。强烈的后向入流在0℃层附近进入了飑线主体，不仅促进了飑线的移动和发展，同时由于夹卷效应，融化层附近的干空气增强了降水粒子的蒸发、冷却效应，加强了气块的下沉运动。

图7 4月9日2：59仰角为6°的雷达径向速度（a，单位：m/s）和组合反射率（b，单位：dBZ）

强烈、干冷的后向入流和低层明显干区的共同作用，显著加强了飑线大风区降水粒子的蒸发、冷却效应，形成了强烈的下沉辐散气流，这也是形成本次四川东北地区极端大风的重要原因。

值得注意的是，本例中降水粒子的拖拽效应对极端大风形成的作用。以四川武胜站为例，从武胜站的降水、风速时序图上看（图8），武胜站在4月9日02—03时，出现了小时雨量的突增，由0 mm/h突增到18 mm/h，与此相对应，极大风速由6 m/s增加到16 m/s；到04时，小时雨量迅速减小到2.9 mm/h，而极大风速却增大到18.9 m/s。这表明在本次过程中，降水粒子的拖拽效应对下沉气流的启动和极端大风的形成有重要作用。

图8 4月9日00—08时四川武胜站小时雨量（单位：mm）和极大风速（单位：m/s）

4.3 高空动量下传

强烈的后向入流进入飑线主体时，受下沉气流影响，高动量的后向入流迅速下沉到地面，对地面大风具有增幅作用。在本次飑线大风过程中，高层水平动量下传对地面大风的增幅作用比较明显。从4月9日02：41南充雷达径向速度剖面图上看（图9a），在南充雷达站上空4 km高度处存在一个明显的后向入流大风速区，而沿着后向入流方向距离雷达站50 km附近，后向入流大风区已明显下沉并接近地面。这表明，受强烈下沉气流影响，高空后向入流在很短时间内迅速下沉并接近地面，动量下传特征明显，对地面大风具有增幅效应。

4.4 飑线的移动速度

飑线移动速度快，前向传播特征显著，也容易产生地面大风。伍志方等[17]利用广州天气雷达资料对大量强对流天气个例进行了分类统计，发现雷雨大风的雷达回波以线状回波居多，弓形回波、勾状回波等特殊形状回波与强天气密切相关，而快速移动的雷达回波对雷雨大风的产生非常有利。回波强度＞60 dBZ，移动速度超过60 km/h的雷达回波十分有利于产生灾害性大风。本次个例也符合这一结论，在4月9日01时，飑线回波中段前沿位于四川西充、蓬溪附近，到03时飑线中段前沿已移动至四川大竹、邻水附近，两地平均直线距离达到130 km，强雷达回波中心的移动速度达到65 km/h。快速移动的强雷达回波对地面极端大风的形成有一定的作用。

图9 4月9日02：41雷达径向速度剖面（a）与组合反射率（b）

本次飑线大风是在强雷暴高压与冷池密度流、强下沉辐散气流、高空动量下传、飑线快速移动等多方面的共同作用下形成的（图10）。

图10 极端大风成因示意图

5 结论

本文采用多源观测资料分析了2019年4月9日发生在四川东北部的一次飑线大风天气过程，讨论了飑线过程的演变特征，并对飑线大风的成因进行了分析，得到了以下结论：

（1）本次飑线过程属于低层暖平流强迫类强对流天气过程。四川东北部低层700 hPa有明显的西南急流，结合中低层暖脊的影响，午后升温明显，有利于不稳定层结的建立。随着中层冷槽东移，温度垂直递减率进一步增大，850 hPa与500 hPa温度差超过29℃，大气层结变得更加不稳定，在地面辐合线的作用下，最终触发了本次飑线天气过程。

（2）飑线大风的形成原因是飑线后部中尺度雷暴高压以及超强冷池的形成，与飑线前部的热低压形成强气压梯度力，造成了强冷池密度流；强烈、干冷的后向入流和低层显著干区的存在共同作用，显著加强了降水粒子的蒸发、冷却，形成了强烈的下沉辐散气流；受强烈下沉气流影响，高层后向入流在很短时间内迅速下沉并接近地面，高空动量下传非常明显，对地面大风的有一定的增幅效应；飑线移动迅速，前向传播明显，也有利于大风天气。