福建省一次飑线强对流过程的诊断分析*

宗 晨 李 睿 冷典颂 柯小青

(1.福建省气象服务中心，福建 福州 350001；2.福建省大气探测技术保障中心，福建 福州 350008；3.福建省气象台，福建 福州 350001)

0 引言

飑线是一种线状或带状雷暴群所构成的中小尺度对流系统[1]，具有风速风向剧变、气压剧增骤降等特征，过境时常引发雷电、大风、冰雹和强雷暴等灾害性天气，给经济生产和人民生命安全带来巨大威胁[2-4]。由于飑线系统的局地性和突发性，飑线强对流过程一直是短临预报的难点。因此，深入开展飑线强对流过程形成机理的研究，对于保障人民生命财产安全具有重要的现实意义。

近年来，国内外学者对飑线的环流背景、中尺度结构、触发和维持机理等方面展开深入研究。丁一汇等[5]通过对18个飑线过程的环流形势分型，将我国飑线总结为槽后型、槽前型、高压后部型和倒槽型四种。Bluestein等[6]总结出中纬度飑线有断线型、后续线型、离散区线型和嵌套区线型等四种形成方式。在飑线的触发和维持机理研究方面，一些学者认为飑线的触发与锋面、中空急流等中尺度扰动及地形因素有密切关系，高层辐散、低层辐合和地面锋生作用造成的强抬升运动是飑线的主要触发机制[7-10]。Rotunno等[11]提出飑线发展的RKW理论，即低层垂直风切变与地面冷池的相互作用决定了飑线和抬升气流的强度，从而决定了新单体的生成和系统的维持。随着我国新型多源观测资料投入业务运用，国内开始利用天气雷达对飑线系统进行深入研究。郑媛媛等[12]利用雷达回波产品详细分析了一次典型超级单体发展过程和结构特征，并提出了飑线强对流天气系统的雷达回波指标。冯晋勤等[13]利用新一代天气雷达资料分析出飑线系统弓状特征后侧入流槽口以及入流槽口上的弱回波区等中小尺度结构特征是造成灾害性大风的成因。俞小鼎等[14]系统阐述了雷暴大风、冰雹、龙卷等强对流天气的雷达回波特征，并在此基础上对强对流天气识别、监测和分析方法以及基于“配料法”和深度学习方法等的预报、预警技术进行总结和展望。

福建地形地貌复杂，西北部地区属于山地气候，东南部地区为海洋性气候，因其复杂的地形和气候条件，飑线强对流过程的预报一直是短时临近预报的难点。对此，本文利用常规地面观测资料、雷达资料和水平分辨率0.25°×0.25°的NCEP GFS再分析资料，重点分析2020年3月26日一次槽前型飑线过程的形成机理，以期为福建飑线强对流过程的短临预报提供参考。

1 实况

1.1 雷暴大风实况

2020年3月26日午后至夜间，受高空槽、低层低涡切变、地面倒槽和西南急流共同影响，福建省中北部地区出现一次以雷暴大风为主，局地伴有短时强降水、雷电和冰雹的大范围强对流天气过程。受强对流天气影响，26日08时至27日08时，南平、三明、龙岩、宁德、福州、泉州和厦门共有30个县(区)、54个乡镇出现8～11级雷暴大风，其中6个自动站出现10级大风，3个自动站风速达11级，最大阵风出现在古田县凤埔乡，达32.1m/s，26日17∶09前后，屏南县出现直径为6mm的冰雹。

26日08时至27日08时，中北部和闽南沿海部分地区出现小到中雨，局部大雨，以南靖靖城镇42.7mm为最大。连江和华安部分乡镇出现短时强降水，连江县东风村最大小时雨量达37.8mm/h。

1.2 飑线实况

26日11∶30，江西地区的强回波逐渐向福建省移入并不断加强(图1a)；13∶30，进入福建省三明和龙岩地区后迅速发展成飑线，随后在槽前西南气流引导下向东北方向快速移动(图1b)；15∶30，切变南侧呈现典型的弓形回波，强度显著加强，组织结构加深(图1c)；17∶00，飑线移动至南平和宁德地区，17∶09左右，屏南县出现冰雹天气(图1d)；19∶00左右，飑线东移出福建，回波减弱直至消亡。此次飑线强对流过程给南平、三明、龙岩、宁德、福州、泉州和厦门的部分地区造成8级以上雷暴大风，其中将乐本站出现9级阵风(21.1m/s)，政和本站出现11级阵风(29.6m/s)，并持续近2个小时。

(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 环流背景和影响系统分析

2020年3月26日08时500hPa(图2a)显示，欧亚中高纬地区为“两槽一脊”配置，中纬度有短波槽东移，温度槽落后于高度槽，引导冷空气南下，低纬度有南支槽东移，在南支槽与副热带高压之间有一支≥26m/s的西南急流，福建处于槽前西南气流、正涡度平流和上升气流较强区，有利于对流天气的发生发展。850hPa低涡位于四川和贵州交界，低涡缓慢东移，位于四川至江西一线的切变线不断东移南压，福建处于槽前西南暖湿气流(风速≥16m/s)控制下(图2b)。地面冷高压主体在河套以北地区，到20时，冷锋南压至安徽与江西交界处，福建处于锋前暖区控制下，地面低压倒槽从西南地区伸向华东地区，倒槽东移导致暖湿气流东移北抬(图略)。综上所述，此次过程是典型的槽前飑线过程。

(a)500hPa 26日08时 (b)850hPa 26日08时

从08时的中尺度分析图来看，福建200hPa高空为分流区(图3a)，高层辐散有利于抽吸作用。500hPa中纬有短波槽东移，低纬有南支槽东移，福建处于较强西南暖湿气流控制下，500hPa温度露点差≥15℃的干区和24h降温区位于福建上游地区，干区午后深入福建，导致福建午后高空干冷结构明显，500hPa槽前有较大正涡度平流，垂直上升运动明显(图3b)。700、850和925hPa切变东移南压，福建处于一致的槽前西南急流影响下，其中850hPa(图3c)福建处于显著湿区，长江以南大部分地区温度露点差≤5℃，比湿在10g/kg左右，850hPa与500hPa温度差≥25℃，具备对流发展的水汽条件和热力条件。地面图上(图3d)，福建上游地区有明显冷池，冷池中心气温为19℃，西北部是一强暖中心(气温达29℃)，冷池前方等温线密集，水平梯度较大；气压场上，地面低压倒槽和低层暖湿气流输送造成福建西北部飑线系统前部热低压发展，与地面冷池形成强烈的温度对比造成对流不稳定，使得低层暖湿气流沿着冷池边缘辐合抬升而不断生成新的对流单体，这是强回波进入福建后明显加强形成飑线的重要原因。

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

飑线过境前后屏南的风廓线雷达水平风廓线图(图略)显示，飑线过境前屏南高低空受西南气流控制，中低层风切变较大，16∶30后，中低层西南风明显加强，中低层风切变也明显增强；飑线过境时段低空风向由西南风转为西北风，17∶30，屏南离地0.99km处风速18.9m/s；飑线过境后1km以下风速迅速减小，风向又转回西南风，1km以上风速持续增大，风向仍维持偏西风。总体上看，风廓线雷达能够捕捉到飑线系统的发展变化，对飑线过境的强天气短临监测预警有基础指示作用。

3 物理条件诊断分析

3.1 探空潜势分析

从热力条件来看，邵武站08时的沙氏指数(SI)为-0.16，K指数达28℃，850hPa与500hPa温度差25℃，显示中层大气温度直减率较大。地面到800hPa为较薄的湿层，800hPa以上较干，上干下湿结构明显。邵武站的0℃层高度为3951m，-20℃高度为7154m，在福建春季(3～4月)的0℃层和-20℃层适宜高度范围内。

从能量条件来看，08时邵武站的对流有效位能(CAPE)为20.9J/kg，邵武站14时的温度和露点订正后的探空资料显示，邵武午后对流有效位能(CAPE)明显增大，上升至903 J/kg，地面到500hPa存在风向随高度顺转，说明低层有明显暖平流，输送暖湿空气和不稳定能量，能量在低层汇集，有利于雷暴大风或冰雹的发生。

从动力条件来看，08时0～6km风矢差达18m/s左右，午后风矢差逐渐增大，至14时，EC模式预报的0～6km风矢差超过20m/s，较大的垂直风切变有利于风暴类强对流的发展。

综合分析可知，闽西北地区上干、下湿结构明显，垂直温度直减率较大，CAPE值午后迅速增大，有利于雷暴大风等强对流天气的发生。0℃层和-20℃层高度适宜，同时0～6km垂直风切变较大，有利于风雹类强对流天气出现。但整层水汽条件中等，湿层厚度一般，不利于大范围短时强降水发生。

在灾害性天气预报中，V-3θ图对强对流天气有较好的超前预警作用。邵武探空站26日08时的垂直位温分析图(图略)显示，26日08时200至250hPa之间的位温θ曲线随高度略有降低，已经出现了超低温结构；从假相当位温θse、饱和假相当位温θ*两条曲线配置来看，θse和θ*在650hPa至800hPa之间出现明显整体左拐现象，上下层温差8℃以上，说明中低层存在较大的层结不稳定，有利于强对流的发生。

3.2 动力抬升条件分析

300hPa与850hPa的散度差能有效代表整层大气的辐合辐散程度，其正值越大说明大气高层辐散和低层辐合越强。从500hPa垂直速度场和300hPa与850hPa的散度差分布图(图4)上可以看到，08时华南西部地区300hPa与850hPa有较大的散度差，对应500hPa垂直速度场有明显的上升运动(图4a)，午后此动力系统逐渐发展，至14时，福建中北部大部地区高层辐散低层辐合，辐合强度显著大于08时，并伴有明显的垂直上升运动(图4b)。

(a)26日08时 (b)26日14时

3.3 热力不稳定条件分析

假相当位温θse是大气层结不稳定的判据之一，对比26日08时(图5a)和14时(图5b)925hPa假相当位温分布可知，在强对流天气出现前，925hPa有高能舌从华南沿海向福建西部延伸，存在明显的Ω型能量锋区，随地面热低压逐渐发展，14时福建上空近地层为大范围高温高湿区，θse最大值达335K，K指数已达35℃以上。此外，对比08时(图5c)和14时(图5d)假相当位温θse和温度平流垂直剖面图可以看到，福建地区850hPa以下低层为高能舌，低层增温增湿，对应的500～850hPa为低能舌，这种低层高温高湿、高层低温低湿的能量垂直分布结构有利于飑线系统发展。

3.4 水汽条件分析

分析850hPa水汽通量散度、比湿和风场情况(图6a，图6b)可知，26日08时至14时西南地区到福建西部850hPa水汽通量散度为负值，福建西部为强水汽辐合中心，比湿达10g/kg左右，500hPa以下西南急流维持，来自南海及孟加拉湾的水汽源源不断输送，为强对流的发展提供了水汽条件。沿26°N作温度露点差和相对湿度的垂直剖面可以看到，08时强对流发生前，福建上空各层温度露点差较小，112°E～115°E地区300hPa以上高空有温度露点差≤15℃的显著干区，且相对湿度小于20%(图6c)，表明对流层中高层有干冷空气入侵。随后干区不断东移下沉，至14时(图6d)，福建地区(116°E左右)高空呈干冷状态，同时低层维持近于饱和的暖湿空气，这种“上干冷、下湿暖”的配置致使福建上空大气层结不稳定度增大，是此次飑线过程导致地面雷暴大风的主要原因之一。

4 飑线大风雷达回波分析

雷暴大风主要表现为对流风暴中下沉气流达到地面时产生辐散造成大风，发生雷暴大风时，易出现回波顶、强回波中心高度及VIL值将下降等回波特征[15]。从三明泰宁、南平建阳单站雷达图可以看到，26日13∶00，随着回波东移进入我省中部地区，回波带前沿的飑线型弓形回波不断加强，13∶58左右形成东北西南向长度约150km的带状回波(图7a)，强回波位于带状回波前沿；径向速度场图(图7b)上，回波带前沿对应着大风区，强回波带对应着风速辐合带和零速度折角。15∶01，飑线回波移至三明东北部地区，飑线型弓形回波结构明显，强回波中心强度达57.5dBz，强回波中心高度为3.6km，VIL最大值为32.5kg/m2，两个体扫后VIL值剧减10～15kg/m2(图略)；径向速度场图(图7d)上有中气旋出现，中气旋旋转速度约为15m/s，以上特征是雷暴大风的中尺度对流系统特征。

图7 3月26日13∶58泰宁雷达站的0.5°仰角基本反射率(a)和径向速度场(b)及15∶01建阳雷达站的1.5°仰角基本反射率(c)和径向速度场(d)

5 结论

本文综合利用常规观测资料、多源观测资料以及再分析资料对福建一次飑线强对流过程进行分析,得到以下结论。

①此次飑线过程是一次中纬度短波槽与南支槽叠加东移，对流层低层切变东移南压背景下发生的强对流天气过程，为典型的槽前型飑线过程。

②低层暖湿气流在冷垫上抬升、低层垂直风切变维持、配合高空槽前辐散气流的抽吸作用为此次飑线过程提供了有利的热力、动力条件。

③中高层干冷空气入侵导致的“上干冷、下湿暖”垂直结构为此次飑线过程提供了有利的不稳定层结条件。

④低层水汽辐合配合西南暖湿急流的水汽输送为此次飑线过程提供了较好的水汽条件。

⑤多普勒天气雷达反映有明显的垂直液态水含量剧减和中尺度气旋等中尺度对流系统特征，风廓线雷达能捕捉到飑线系统过境前后风场的演变，对飑线过境时强天气短临监测预警有基础指示作用。