2020年“4·12”上海强对流过程形成机制分析

傅 易 韩 宁 徐建华 王 平 陶 岚

(1.上海气象服务中心，上海 200030;2.上海中心气象台,上海 200030)

0 引言

上海气象灾害中，大风致灾概率为0.66(根据1873—2005年气象灾害出现概率统计)，居气象灾害之首。其中，强对流产生的雷雨大风往往具有突发性强和致灾性高的特点，数值模式对此类天气的预报能力较差。2020年4月12日傍晚，上海发生的强对流天气给全市带来了较为严重的风灾，本文从强对流天气中温度、涡度配置、风场空间分布、雷达回波径向剖面等方面分析大风成因，希望对未来预报、预警提供参考。

1 过程概况

1.1 天气实况和天气预报

此次强对流天气过程带来了大风、雷电和短时强降水，其特征是雷雨大风显著，全市普遍出现7～9级大风，其中洋山港的极大风速高达11级；青浦区淀山湖、浦东新区孙桥、宝山区邮轮港等地的极大风速达10级。此次过程是4月11日北方冷空气过境后，高空横槽下摆造成的，各数值模式都没有较好地预测，见图1。

图1 2020年4月10日20时为初始场的数值模式降水预报图(单位：mm)

由图1可见，欧洲中心细网格、GFS及SMS-WARMS(2nd)模式2020年4月10日20时起报的12日傍晚上海降水预报都没有报出明显的降水。

图2是ECMWF模式和GEFS模式上海风速预报时间序列，两家模式都没有预报出4月12日傍晚的大风。从图中可见，两家模式在预报上都是从4月12日下午起风速呈下降趋势，这是对此次横槽下摆的影响预报不足的表现。

(1)ECMWF模式 (2)GEFS模式

1.2 灾情及影响

此次强对流过程给上海全市带来了不同程度的灾害，根据上海市110报警平台统计，全市共接报灾情584起，灾害以风灾为主，其中，风灾546起，雷灾3起，强降水灾情1起，另有34起灾情因信息不全而无法准确判别，大风造成16起伤人事件。受灾主要区域集中在中心城区和浦东新区，占总灾情的59%，具体见图3。

图3 上海各区灾情分布

2 天气形势分析

2.1 天气形势分析

此次强对流是前一天(4月11日)冷空气影响后横槽补充南下的过程(见图4)，4月12日08时，上海处在槽后西北气流控制下，大气层结稳定。但是，傍晚前后横槽转竖影响上海时，对流迅速发展(见图5)，18时11分，当降水区移近上海时最强回波强度仅40dBZ左右，半小时后，降水区到达上海境内，强度迅速加强，最强回波强度达55dBZ，19时31分强回波基本移出上海。

此次强对流天气的发生最大的特征是整层大气没有西南急流相配合，即没有强水汽输送，从4月12日08时高空天气图可以看到，从850hPa至200hPa各层都是偏北气流或西北气流，850hPa、700hPa、500hPa、200hPa的温度露点差分别是7℃、4℃、34℃和30℃，所以说整层大气都比较干，从天气大背景看，缺少产生强对流过程的必要条件。

2.2 温度分布分析

2.2.1 高空温度平流分析

从南北向的12小时温度变化可以发现(见图6)，在上海上空是一个很强的降温区，在700hPa处形成了-10℃的降温中心。与此对应的是低层出现了较强的升温区，并在上海形成了4℃的增温中心，也就是说，上海中上层大气具有很强的冷平流，低层具有较强的暖平流，其结果造成了11日冷空气过后上海低层大气迅速回暖，中高层大气越来越冷。这种明显的上冷、下暖的层结结构是造成此次上海强对流的热力原因。

上海中上层具有很强的冷平流，低层具有较强的暖平流，也直接导致了上海地区大气不稳定能量的增大(见图7)，4月12日08时上海处在低能量区，K指数为13.7℃，20时上海则是处在了高能量区，雨后经过能量释放后的K指数为26.1℃。

图4 2020年4月12日08时高空天气图

(a)18时11分雷达回波图 (b)18时40分雷达回波图 (c)19时31分雷达回波图

图6 2020年4月11日20时与4月12日08时温度差剖面图

2.2.2 地面气温分布分析

4月11日受冷空气影响，上海及周边地区出现了强降温，15时气温在10℃左右。12日上海气温急速上升，15时气温升至近20℃，上海中心城区和市郊各区与11日同期相比升温近10℃(见图8)。气温的急速上升使大气的能量得到了快速补充，不稳定能量增大。由于城市热岛效应的作用，在上海形成了一个弱的暖中心，暖中心的形成一定程度上提供了空气上升的热力条件，有利于上海周边空气向上海辐合，助长此次强对流天气的发展。

(a)08时K指数场 (b)20时K指数场

图7 2020年4月12日K指数场分布图

2.3 高空涡度分析

图9是12日08时和12日20时500hPa的涡度平流图。在08时涡度平流图上，上海至南京有3条强正涡度平流带，至20时，3条正涡度平流带汇聚在上海上空，在这个过程中对上海来说具有较强的正涡度平流，正涡度平流导致了下层等高面的降低(见图10)。

从气压日变化的规律来看，正常天气形势下，08时低层大气的位势高度往往是增高的，但是，12日08时700hPa和1000hPa等高面上都出现了位势高度的降低，特别是低层位势高度的降低增加了低层空气上升的动力，助长了降水云团到达上海后发展的动力条件。

(a)12日08时500hPa涡度平流分布图(单位：10-7s-2) (b)12日20时500hPa涡度平流分布图(单位：10-7s-2)

图10 700hPa和1000hPa天气图(图中绿色数字为12小时变高)

2.4 高空槽过境前后GPS风场分析

从大尺度天气形势分析，东部沿海地区在偏北气流或西北气流控制下，但是从GPS风场分析(见图11)，横槽影响上海前(15时、16时)，上海的嘉定与闵行之间在600～1500m高度上存在西北风和西南风间的辐合区，当横槽影响时(17时)嘉定与闵行之间西北风和西南风间的辐合区则向下延伸到了近地100m，向上扩展至5000m，整层大气都有风切变，而苏南地区在横槽影响前后一直吹的都是西北风，没有出现过风切变，这就是回波在苏南地区较弱，进入上海境内后明显发展的原因之一。

图11 GPS风场剖面图

相对于一日两次的常规高空观测，GPS风场信息具有高时空分辨率的优势，目前多个省份的观测已经能够形成有一定规模的组网。对于这类资料的细致分析，是判断未来本地对流是否发生、发展的有效工具，在今后的预报工作中还要加强使用。

3 过程降水弱、风力强的原因分析

本次过程显著的特征是降水弱，风力强，17时至20时全市雨量普遍在10mm以下，极大阵风达10级。

3.1 过程降水条件分析

从高低空环流来看，上海及周边地区都是西北气流，没有一支利于强降水发生的输送水汽的急流。

12日08时,上海及周边地区水汽都是处在辐散条件下(见图12)，无论是925hPa等高面上，还是850hPa等高面上，水汽通量散度都是大于零，即这两层的水汽都是辐散，低层水汽辐散强降水不易发生。

图12 水汽通量散度场分布图

3.2 过程大风条件分析

从图13(a)可见， 18时40分回波移至上海境内，强度明显增强，并呈现出显著的弓状回波特征，在弓状回波带上，嘉定附近出现了55dBZ的强回波单体，弓状回波的出现说明大气层结的不稳定，其对应的是常常有地面大风产生。

图13(b)是0.5度仰角的平均径向速度图，在弓状回波的后部有一片负速度区域，即存在一较大范围的西北风区域。图13(c)是18时40分平均径向速度垂直剖面图，剖面位置对应于图13(b)中线段AB的位置，也即嘉定附近强回波单体的位置，在径向速度垂直剖面图中，大于26.3m/s的下沉气流自2.5～3.0km的高度指向弓状回波的前沿，而在雷暴移动前方有大于26.3m/s的气流从弓状回波的前沿向上爬升，综合分析图13(b)和图13(c)，雷暴存在一较大范围西北方向自中层插向弓状回波前沿地面的强下沉气流，即产生雷暴大风，这个下沉气流速度和地面测得的极大风速基本一致。因此雷达回波径向剖面图是判断雷暴大风的重要依据，剖面中插向弓状回波前沿地面的强下沉气流速度可以成为风速定量预报的有效参考。

(a)0.5°仰角18时40分反射率因子雷达回波图 (b)0.5°仰角18时40分雷达径向速度图 (c)18时40分雷达径向垂速度剖面图

虽然，这次强对流过程缺少水汽输送，降水强度较弱，但是在上文分析的各种动力影响下，降水云团移至上海后得到显著发展，产生雷暴，在降水较弱的情况下，能量主要通过大风进行释放，产生雷雨大风。

4 结论

在天气形势不利于强对流发生、发展的背景下，本文从锋后增温、涡度平流、GPS风场分布及雷达回波径向剖面等方面分析了2020年4月12日傍晚发生在上海的雷雨大风成因，主要结论如下：

①冷空气影响后低层大气迅速增暖，中高层大气强烈变冷，显著的上冷下暖层结导致上海地区大气不稳定能量增大是造成此次上海强对流天气的热力原因。

②较强的高空正涡度平流导致局地低层大气位势高度的降低，为降水云团到达上海后进一步发展提供了动力条件，促进了对流强度的加强。

③上游及本地的多站点GPS风场演变，很好地反映了高空槽过境前后上海地区边界层辐合加强的趋势，这也是生成于江苏无锡地区的弱回波进入上海后明显发展的直接原因。加强对GPS风场组网实况资料的分析，是判断未来本地对流是否发生、发展的有效工具。

④雷达回波径向剖面图是判断雷暴大风重要依据，通过雷达回波径向剖面发现较大范围西北方向自中层插向弓状回波前沿地面的强下沉气流速度大于26.3m/s，这支下沉气流的速度与实际地面测得的极大风速基本一致，这也为雷雨大风风速的定量预报提供了参考。