怀化两次飑线过程对比分析

张 昆，王起唤，彭艳青，王 强

(怀化市气象局，湖南怀化 418000)

飑线又称为不稳定线或气压涌升线，是气压和风的不连续线，由多个雷暴单体或雷暴群所组成的狭窄的强对流天气带[1]。飑线过程常伴有强降水、雷暴大风和冰雹等强对流天气，对人民群众生命财产安全造成危害，是预报工作的重点。因其发展迅速，生命史短，局地性、突发性强，又是预报工作的难点。因此，飑线至今仍是灾害性天气的重点研究课题。多年来，国内外气象工作者针对飑线的成因和结构等做了较多研究。丁一汇等[2]在1980年代将我国形成飑线的天气背景分四种类型：槽后型、槽前型、高后型、台风倒槽或东风波型；武麦凤等[3]和牛乐田等[4]对影响陕西的飑线个例进行了详细分析，高空冷涡是产生飑线的主要影响系统；潘玉洁[5]、公衍铎[6]和孟妙志[7]等通过对风、气压等气象要素以及雷达回波等资料的分析，揭示了飑线系统的中尺度特征；也有不少湖南气象研究者对本省的一些飑线过程进行了对比分析[8-10]。但针对影响怀化的飑线过程的天气背景、环境条件特征的研究不多。本文利用地面、高空常规观测资料、怀化CB雷达数据以及NCEP 1°×1°再分析数据，采用天气学分析方法，对2016年4月2日和15日影响怀化的两次飑线过程进行分析，以期提高对影响怀化的飑线过程的认识，为今后做好飑线天气预报预警工作提供参考依据。

1 过程实况

2016年4月2日20时至3日08时(北京时，下同)，怀化北部和中部受飑线影响，出现雷暴大风、冰雹和短时强降水等强对流天气(以下简称“4·2”过程)。其中2日22时至3日01时怀化北部受贵州中部生成的强回波东移影响，雷达回波表现出一定的弓形回波特征，造成麻阳和辰溪先后出现冰雹和雷暴大风天气。麻阳本站观测到的最大冰雹直径约为20 mm(23:05—23:15)，境内黄土溪最大风速达22.6 m/s。与此同时，3日00时贵州中东部又有一条弓型回波生成东移，并在怀化中部发展成熟形成飑线，在向东北方向移动过程中造成怀化中部和北部出现雷暴大风和短时强降水，洪江市最大风速达22.1 m/s，洪江区洪高村最大雨强达41.3 mm/h。3日05时之后飑线减弱消失，北部有孤立的新生单体影响。过程造成5站次8级以上雷暴大风、2县冰雹和14站次短时强降水。

2016年4月15日20时至16日08时飑线自北向南影响怀化，过程中怀化出现雷暴大风、冰雹和短时强降水等强对流天气(以下简称“4·15”过程)。15日21时左右，重庆东南部和贵州东北部有回波单体生成，并向东南方向移动。23时回波发展旺盛并开始影响怀化北部，相继出现冰雹、雷暴大风和短时强降水等强对流天气。同时贵州东北部又有一条带状回波形成，并不断发展成熟形成飑线，自北向南影响怀化。06时回波减弱消失，过程结束。整个过程出现11站次8级以上雷暴大风、3县冰雹和51站次短时强降水。其中麻阳黄土溪最大风速达24.3 m/s，溆浦最大冰雹直径约7 mm，沅陵陈家溪最大雨强达50.7 mm/h。

对比两次飑线过程(表1)发现，两次飑线均生成于贵州，而后在怀化境内发展成飑线，影响怀化时间较长，约7～8 h，均出现雷暴大风、短时强降水以及冰雹等强对流天气。不同的是，“4·2”过程飑线主要由西南向东北影响怀化中部和北部，冰雹较强；“4·15”过程飑线由西北向东南影响怀化全市，雷暴大风和短时强降水均较“4·2”过程强。

表1 2016月4月2—3日和15—16日两次影响怀化的飑线过程对比

2 中尺度特征分析

2.1 飑中系统

分析两次飑线过程地面10 m风场和海平面气压场，两次飑线过程均表现出较典型的飑中系统特征。“4·2”过程(图略)，3日03时飑线前沿线位于辰溪东南部—中方东部—洪江中东部—会同西北部一线，呈弓形弯曲，飑线的长度达150 km以上，飑线的宽度约为 20 km，长宽比大于 5:1，飑线后部为宽广的层状云降水回波。海平面气压场上，飑线后方是一东北—西南向狭长的中高压区(雷暴高压)，高压中心强度约为1 010.6 hPa；飑线前方是一个低压区(飑前低压)，低压值约为1 007.9 hPa；雷暴高压的后部为1 007.4 hPa(新晃站)中低压(尾流低压)，尾流低压是飑线发展成熟的一个标志[11]。尾流低压与雷暴高压形成一对气压偶，与飑前低压对称。雷暴高压前部和后部均为偏北气流，但前部风速大于后部。雷暴高压内部有一定的气流辐散，飑线前后有风速辐合。飑线位于雷暴高压前沿等压线较密集区以及风速、风向辐合区，实为飑锋；尾流低压要略强于飑前低压。“4·15”过程也有类似特征，但飑线长度明显较“4·2”过程长，达300 km以上。

2.2 飑线系统过境时气象要素的剧烈变化

飑线过境时往往表现出气温骤降、气压涌升、相对湿度和风速增大等经典飑线的典型特征，并且多数伴随有短时强降水、雷暴和短时大风(7级以上的阵风)[6]。“4·2”过程中，3日02:15左右，飑线过境前后洪江站温、压、湿、风等气象要素呈显著变化特征(02:00—04:00，图1a、1b)：温度由24.4 ℃(02:16)降到18.4 ℃(02:45)；本站气压由979.9 hPa(02:07)升至982.0 hPa(02:57)后又下降；风场由南风(3.1 m/s，02:09)迅速转为偏西风(16.3 m/s，02:24)；相对湿度明显增大。另外，飑线过境前(00：00—02:00)本站气压出现下降，气温上升了约 0.7 ℃。由此可见，飑线过境前大体上存在降压升温的趋势，有利飑前低压的形成。飑线过境时(02:15前后)，气压迅速上升(形成雷暴高压)，过境之后气压下降(形成尾流低压)。“4·15”过程也具有类似变化特征。

图1 2016年4月3—4日洪江站气压和风矢(a)、气温和相对湿度(b)逐分钟变化

以上分析可见，两次飑线过程均具有飑中系统的典型特征：都出现雷暴高压、尾流低压、飑线前低压和飑锋等中系统；飑线空间尺度150～300 km以上，时间尺度约5～6 h左右(典型的中β尺度特征)；飑线过境时气温骤降、气压涌升、相对湿度和风速增大，伴有雷暴大风和短时强降雨等强对流天气。

3 影响系统和环境条件分析

3.1 主要影响系统

对比两次飑线过程影响系统发现，“4·2”过程(图2a)主要影响系统为高空槽、切变线、低空急流和地面辐合线，属于低层暖平流强迫类配置形势[12](暖区飑线)；“4·15”过程(图2b)主要影响系统为高空槽、切变线、低空急流和地面冷锋，属于斜压锋生类配置形势(冷锋型飑线)。按照丁一汇等[2]对飑线的分类，两次飑线过程均属于槽前型。“4·2”过程主要在地面辐合线附近触发，飑线的产生与急流有很大关系，在700 hPa低空急流轴上，特别是急流轴风速辐合区产生飑线。“4·15”过程飑线发生发展以及移动主要和850 hPa切变线关系密切，飑线位于地面冷锋之后。

图2 2016年4月2日20时(a)和15日20时(b)主要影响系统

3.2 探空分析

由于两次飑线均生成于贵州东部，离怀化探空站最近，因此分别选取两次过程发生前怀化站探空资料进行分析。“4·2”过程(图3a)发生前怀化站850～804 hPa之间为浅薄湿层，804～567 hPa之间为相对湿度在60%以下的干层，具有“上干下湿”特征，表明怀化上空有明显的对流不稳定层结，这是产生雷暴大风的典型层结。对流有效位能(CAPE)所代表的红色区域面积较大，为1 382.5 J/kg，有较强的对流有效位能存在。SI指数为-4.55 ℃(表2)，有利于强对流天气的发生。“4·15”过程(图3b)，中低层大气“上干冷、 下暖湿”的特征非常明显， 下沉对流有效位能(DCAPE)也达到998.2 J/kg，有利于雷暴大风产生。对流有效位能(CAPE)的计算值对抬升起始高度以及抬升起始高度处的温度、湿度均很敏感。此次过程地面有弱冷空气扩散南下，低层有浅薄的逆温层，订正前探空图上计算的CAPE值为0 J/kg，对流层结也呈现出虚假的稳定层结。经过将起始高度订正到逆温层以上后，怀化上空有明显的对流不稳定层结，CAPE为954.9 J/Kg，说明有较强的对流有效位能存在。一些常用的热力不稳定参数(表2)中，K指数达38 ℃，SI指数为-4.31 ℃，有利于强对流天气的发生。强对流发生后，对流有效位能得到释放，16日08时怀化站CAPE值为0 J/Kg。

图3 2016年4月2日20时(a)和15日20时(b)怀化站探空图

表2 2016年4月2日20时和15日20时两次飑线过程发展前怀化探空站对流参数

两次过程均具有上干下湿的特征，有利于雷暴大风的产生，其中“4·15”过程DCAPE较大，产生雷暴大风的站次多，强度强；“4·15”过程K指数大于32 ℃,整层比湿积分较“4·2”过程大，短时强降雨更明显。而“4·2”过程CAPE超过1 000 J/kg，融化层高度较“4·15”过程低，更有利于大冰雹出现。

4 垂直风切变分析

垂直风切变与强对流天气类型及回波组织形态有密切关系[13]。业务上常用地面到500 hPa(0～6 km)风矢量的矢量差的绝对值来表示垂直风切变[14],再分析资料分析时常用1 000 hPa代替地面。分析两次过程1 000～500 hPa垂直风切变(图4)发现，飑线过程开始前期，“4·2”过程(图4a)和“4·15” 过程(图4d)怀化上空垂直风切变较大，均大于22 m/s，属于强垂直风切变，“4·2”过程前期和“4·15”过程出现较明显冰雹天气。飑线成熟阶段，“4·15”过程(图4e)维持强垂直风切变30 m/s，而“4·2”过程(图4b)垂直风切变减弱到16～18 m/s。因此，“4·2”过程飑线组织结构为拖尾型(TS型)，即飑线后部有明显宽广的尾随层状云区；而“4·15”过程为“平行型”(PS型)，飑线后部无明显尾随层状云[15]。

图4 2016年4月2—3日和15—16日1 000～500 hPa垂直风切变(单位为m/s； a 2日20时，b 3日02时，c 3日08时，d 15日20时，e 16日02时，f 16日08时)

5 雷达特征分析

5.1 大风回波特征

“4·2”过程，01:24(图5a)新晃境内回波表现弓形回波特征，而低仰角速度图(图5b)上有速度大值区，即0.5°速度图上新晃境内有超过27 m/s的速度大值区(1.5 km附近)，表明有中层后侧强入流，这有利于地面大风的形成，新晃境内也确实出现了12 m/s左右的极大风速。随着回波东移发展，03:19表现出典型的飑线结构(图5c)，即雷达东南向有带状强回波分布，且具有明显的反射率因子梯度；速度图(图5d)上具有明显的后侧强入流、低仰角速度大值区、中层径向速度辐合等特征，表明有较强的下沉气流。飑线影响期间洪江市最大风速达22.1 m/s(洪江站3日02:00—03:00)。同时，后侧强入流以及中层径向辐合导致的强下沉辐散气流是形成飑线的主要原因。

图5 2016年4月3日01:24组合反射率因子(a) 、0.5°仰角径向速度(b)，03:19组合反射率因子(c) 和 3.4°仰角径向速度(d)

“4·15”过程，怀化中部区域出现大风时段(16日01:00—02:00洪江区幸福路风速达22 m/s)，组合反射率因子(图6a，由于强降雨正好在怀化雷达站上空，天线罩对降雨回波产生衰减，因此回波强度比实际强度要弱很多)和2.4°仰角基本速度图(图6b)中，可以看到飑线后侧0.8 km高度以上有20 m/s以上的后侧强入流，在更低层0.5 km高度上有10 m/s以上的出流，说明存在倾斜的下沉气流，也对应了地面大风区。同时还可以看到，低层为西北风，低层冷空气已经经过怀化本站。

图6 2016年4月16日01:44组合反射率因子(a)和2.4°仰角径向速度(b)

5.2 冰雹回波特征

对于C波段雷达，由于冰雹的强烈衰减作用，强冰雹回波有时候会出现一个顶点指向雷达的“V”形缺口。图7a、7b中A、B区域指示的就是由于冰雹对雷达回波的衰减造成的“V”形缺口。表明两次强对流天气过程中，均出现了较强的冰雹，雷达电磁波无法穿透，导致其后部出现“V”形缺口。

A、B指示区域为V型缺口。图7 2016年4月2日22:46(a)和15日23:49(b)组合反射率因子

分析两次过程降雹时段反射率因子垂直剖面(图8)发现，“4·2”过程麻阳降雹时，强回波呈竖直形态，50 dBz的回波伸展到11 km左右，超过-20 ℃层高度，60 dBz的回波也从2.5 km左右高度伸展到8 km以上，回波最强强度达65 dBz以上，同时低层表现出弱回波区特征，说明风暴内上升气流较强，有利于大冰雹的形成和增长，冰雹直径达20 mm。“4·15”过程溆浦降雹时，强回波呈竖直形态，但强回波伸展高度明显较“4·2”过程低，50 dBz强回波高度未伸展至-20 ℃层高度以上，不利于冰雹的增长，因此溆浦只出现7 mm左右的小冰雹。

图8 2016年4月2日22:46(a)和15日23:49(b)反射率因子垂直剖面

6 结论

(1)两次飑线过程均具有飑中系统的典型特征：都出现雷暴高压、尾流低压、飑线前低压和飑锋等中系统；飑线空间尺度150～300 km以上，时间尺度约5～6 h左右(典型的中β尺度特征)；飑线过境时气温骤降、气压涌升、相对湿度和风速增大。

(2)对比两次飑线过程的影响系统和环境条件发现，“4·2”过程属于低层暖平流强迫类配置形势(暖区飑线)；“4·15”过程属于斜压锋生类配置形势(冷锋型飑线)。“4·2”过程CAPE超过1 000 J/kg，融化层高度较“4·15”过程低，有利于大冰雹出现；“4·15”过程DCAPE较大，产生雷暴大风的站次多，强度强；K指数大于32 ℃，整层比湿积分较大，有利于短时强降水产生。

(3)垂直风切变强弱与回波组织形态有密切关系。“4·2”过程飑线成熟阶段为弱垂直风切变，回波组织结构为拖尾型(TS型)。而“4·15”过程在强垂直风切变下，回波组织结构属于“平行型”(PS型)。弓形回波、成熟阶段显著的中层后侧强入流、中层径向速度辐合和低仰角速度大值区等特征是产生雷暴大风的典型雷达回波特征；“V”形缺口、弱回波区等是典型的雹暴特征。