石嘴山市2020 年汛期一次雷雨大风天气分析

周翠芳，牛宏宇，薛佩珍，杨艳红

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；3.宁夏石嘴山市气象局，宁夏 石嘴山 753000）

雷雨大风指平均风力≥6 级、阵风≥7 级且伴有雷雨的天气，是石嘴山市灾害性天气之一。雷雨大风作为强对流天气之一，有局地性、突发性和多变性等特点，使得它的定时、定点的精细化短期预报较为困难。由于其破坏性很强，常给工农业、交通、电力、通信等造成巨大损失。国内外许多学者和预报技术人员都针对雷雨大风天气从不同的角度进行了一定的分析和总结[1—9]，在预报方法的研究方面，也主要关注对流参数在对流天气发生发展中的指示意义，通过统计分析研究得到了雷暴大风大多发生在午后，与地形也有密切关系等结论。王亚男等[2]对渤海西部雷雨大风统计特征进行分析，分别给出了渤海西部6—9 月份逐月以及高空冷涡和高空低槽背景下的抬升指数、大风指数、最佳对流有效位能和0～3 km 垂直风切变参考阈值。张志刚等[4]分析了2005 年8 月17 日江苏盐城地区的一次雷雨大风天气过程的雷达回波特征，并及时利用新一代天气雷达信息，进行预警信号的发布工作，取得了非常好的效果，并得到社会公众的认可。付桂琴等[6]分析了雷雨大风与河北电网灾害特征，提出灾害性天气服务对策，为加强河北省电力行业气象服务及防灾减灾提供参考。2020年石嘴山市雷雨大风发生次数较往年显著增多，但是对于石嘴山市雷雨大风方面的研究目前仍处于一个空白区，本文通过对2020 年6 月17 日雷雨大风天气的研究和总结分析，为石嘴山市今后开展此类强对流天气的预报预警提供一定的参考依据。

1 天气实况

2020 年6 月17 日16:00—18:00，石嘴山全市出现了雷雨大风天气，强降水（≥10 mm）主要集中在平罗县的崇岗镇及沙湖一带，最大累计降水量及最大小时雨强均出现在沙湖气象站，为16.8 mm（图1a），国家观测站极大风速全部超过7 级，最强风速出现在沙湖，为21.1 m/s。自动站有23 站极大风速超过7级，最强风速出现在汝箕沟，为25.5 m/s（图1b）。由于强降水伴有短时雷雨大风天气，致使部分乡镇的作物倒伏严重，造成大树倒伏、广告牌等高空物体坠落的情况，没有造成人员伤亡，但造成一定的经济损失。

图1 2020 年6 月17 日16:00—18:00 石嘴山市小时累计雨量及极大风速分布

2 气象要素变化

飑线又称不稳定线或气压涌升线，是由若干排列成行的雷暴单体或雷暴群所组成的，风向、风速发生突变的狭窄的强对流天气带。飑线过境时，常会出现风向突变、风速猛增、气温陡降和气压骤升等剧烈的天气变化。

此次雷雨大风天气前后，气象要素变化剧烈（表1）（15:00—18:00），从16:00 开始到17:00，风向突变（偏南风转为偏北风）、风速快速增加（阵风超过10 级）、气压骤然上升（上升3 hPa 左右）以及气温急剧变化（下降10 ℃左右），是一次典型的飑线过境现象。

表1 石嘴山市2020 年6 月17 日气象要素表

3 天气形势分析

2020 年6 月17 日08:00，500 hPa 高空图（图2a）上，石嘴山市位于槽后西北气流中，从新疆到河西为一个宽广的暖脊，并且配合有-12 ℃的暖中心，温度脊落后于高度脊，从贝加尔湖不断有沿脊下滑的冷空气在石嘴山市北部堆积。从20:00 高空图可以看到（图2b）：由于冷空气的不断堆积，暖脊已经成为东北西南向的横槽，石嘴山市位于暖脊脊前较强西北气流里，风速达16 m/s。6 月17 日08:00 700 hPa高空图（图2c）上，在石嘴山市的西北部有一个切变，在石嘴山市东部有一个低涡。从高低层的形势分析（图2）可见：高低层的天气系统有明显的前倾倾向，前倾结构意味着高层冷空气移动速度快于低层，在高层冷空气已经抵达的情况下，低层仍为暖的低值中心控制，上下层的温度差拉大，气温的垂直递减率加大，为对流天气的出现提供了良好的环境条件。

图2 2020 年6 月17 日石嘴山市天气形势图

从14:00 地面天气形势图（图3a）上来看，地面冷锋尾部位于石嘴山市的西北部，冷锋前100～500 km的暖区内有一条露点锋（干线），干线可导致强烈的对流风暴，是对流的触发机制之一。石嘴山市处在热低压底部，在石嘴山市北部是暖而湿的空气，石嘴山市的南部是冷而干的空气，石嘴山市处在露点锋的南侧。17:00 地面天气形势图（图3b）上，露点锋已经移入石嘴山市，石嘴山市正好位于干湿区之间的露点锋区中，造成了石嘴山市的雷雨大风天气。从17日08:00—17:00 地面冷锋的动态图（图略）上可以清晰地看到地面弱冷空气的活动情况，冷锋接近露点锋区的时间是在14:00 左右，弱冷空气的入侵是造成露点锋附近的对流扰动发展的又一重要原因。

图3 2020 年6 月17 日石嘴山市地面天气形势图

4 对流条件分析

4.1 探空图分析

从2020 年6 月17 日温度对数压力图（图4）可以看出：

图4 2020 年6 月17 日石嘴山市温度对数压力图

（1）500～600 hPa 为高湿区，相对深厚的湿层为对流天气的发生提供了良好的水汽条件；抬升凝结高度（LCL）（826.9 hPa）和自由对流高度（LFC）（714.9 hPa）都比较低，不需要太强烈的触发，便能引发对流活动的发展。

（2）中层干冷侵入的层结条件：400 hPa 有干冷空气侵入。中层干冷侵入的层结条件导致对流在中层与干冷空气混合，从而产生明显的下沉运动，就会形成地面的短时辐散式强风天气，有利于雷暴大风天气的发生。

（3）0～6 km 垂直风切变显著，为12 m/s，垂直风切变的增强将导致风暴进一步加强和发展。

（4）500 hPa 较强的西北气流与地面弱的西南气流形成了较强的垂直切变。这种低层升温、高层降温的温度场结构和高低空风的垂直切变造成的温度差动效应有利于强对流天气的出现，也是石嘴山市大气不稳定的主要因素。飑线正是发生在6 月17 日下午高低层温度平流的垂直变化达到最大的时候。

4.2 对流参数分析

选取四个参数对此次雷暴大风天气进行分析（表2）。湿对流有效位能（CAPE）是风暴潜在强度的一个重要指标，是可能转换为上升运动动能的一种能量。从2020 年6 月17 日CAPE 值来看，08:00 CAPE 值达140.1，在17:00 前后雷雨大风发生时能量释放，20:00 CAPE 值减小为80.6。对应当地强对流天气分析指标可知，CAPE 的变化趋势比CAPE值的大小更为重要。此次过程CAPE 值前后变化差值为59.5，是一次较强的能量释放过程。大风指数（VV）是为预报微下击暴流潜势引入的一个指数，主要估测下沉对流潜势，一般VV 值越大越有利。08:00—20:00 VV 值为增大的趋势，变化数值比当地对流天气指标偏强，形成了地面的短时辐散式强风天气。环境水平风向风速的垂直切变的大小往往和形成风暴的强弱密切相关，强垂直切变是雷暴大风产生的必要条件。此次雷雨大风期间，深层垂直风切变（0～6 km）风矢量差在20:00 达到16 m/s，属于中等强度的垂直风切变。K 指数是表征大气层结稳定度的参数，一般K 指数越大，大气层结越不稳定。根据宁夏强对流指标，当K 指数≥30 时，容易发生强对流，此次过程K 指数从30.5 下降到23.5，为一次能量释放过程。

表2 2020 年6 月17 日雷雨大风强对流天气参数

5 物理量条件分析

5.1 水汽条件分析

此次雷雨大风期间相对湿度从高层—中层—低层分布来看（图5），为干-湿-干的分布，在中层400～500 hPa 以上有干冷空气侵入，500～700 hPa 为湿层，700 hPa 以下为相对干层，这次强对流天气过程中高层水汽输送是通过西北气流来实现的。这种由西北气流向强对流区输送水汽的模式同通常的由偏南或偏东气流向强对流区输送水汽是明显不同的，这是本次强对流天气和以往强对流天气的不同点。

图5 2020 年6 月17 日石嘴山市相对湿度及水汽通量散度分布图

5.2 动力条件分析

此次雷雨大风期间散度场的分布特征（图6）：高层400 hPa 以上是辐合，辐合中心在400 hPa，中心值为-4×10-5hPa/s；中层500～700 hPa 为辐散，辐散中心在550 hPa，中心值为4×10-5hPa/s；低层700 hPa 以下为辐合，辐合中心在850 hPa，中心值为-2×10-5hPa/s。从垂直速度来看，强降水开始时前500 hPa 以上是下沉运动，500 hPa 以下是上升运动，强降水开始后整层变为下沉运动，与以往总结的强对流性天气预报指标基本一致。

图6 2020 年6 月17 日石嘴山市散度及垂直速度分布图

5.3 不稳定能量分析

从850 hPa 和500 hPa 的假相当位温之差（简称θse850-500）来看（图7），当θse850-500＞0 ℃时，大气处于不稳定状态，此次过程θse850-500的分布为正值，石嘴山地区（106°E，39°N）处于θse850-500的大值中心区，最大中心值为120 ℃，处于较强的对流性不稳定区，有利于产生短时强对流天气，符合以往总结的强对流天气预报的指标。

图7 2020 年6 月17 日石嘴山市θse850-500 分布图

6 雷达回波分析

此次飑线回波系统是区外产生且有规律地移入石嘴山市的带状回波系统，属于“外来飑线系统”，是造成此次石嘴山市雷雨大风天气的主要回波系统。以下主要对这次飑线的发生、发展、强盛及消亡进行分析。

6.1 发展阶段

15:51（图8a），在我国内蒙古自治区境内，石嘴山市西北方向的上游地区已形成一明显南北走向的带状回波。16:02（图8b）回波边界逐渐发展清晰，对流回波不断发展，对流单体不断生成，并逐渐汇合呈线状排列的回波群，飑线回波带的中北段已演变成明显的由一个个对流回波核组成的弓状回波系统，中心强度在44～45 dBZ，而雷雨大风往往发生在弓状回波的前沿，随着飑线系统逐渐发展，并且向东南方向移动，且移动速度较快，石嘴山市的贺兰山沿山最先出现雷雨大风天气。

图8 2020 年6 月17 日石嘴山市飑线发展阶段雷达回波图

6.2 强盛阶段

16:13（图9a），飑线系统的强回波中心，即雷达回波反射率因子的大值区，已经移入石嘴山市，最大反射率因子的值为55～60 dBZ，主要位于贺兰山沿山大武口区段和惠农区段。16:19（图9b）石嘴山市大武口区处于飑线系统的强回波区域中，其中垂直累积液态水含量最大值为20～25 kg/m2（图9e），此时石嘴山市大武口区已经出现了较强的雷雨大风天气。

16:36（图9c）是飑线回波系统在石嘴山市发展的最强阶段，多个对流单体合并成连续的区域，并且中心强度不断加强，影响程度最大，其中垂直累积液态水含量最大值为25～30 kg/m2（图9f）。飑线系统的强中心在大武口区和平罗县西部地区停留的时间较在其他区域久，随着飑线带状回波系统继续东移发展，沿途产生系列雷雨大风天气。

16:58（图9d），石嘴山市处于飑线系统的控制下，出现全市范围内的雷雨大风天气，此时飑线系统的强回波中心主要处于石嘴山市的平罗县。飑线回波系统在石嘴山市发展到最强阶段的时候，银川雷达2.4°仰角上径向速度图中有明显的辐合型正负速度对（图9g、图9h），而测站大风一般出现在强回波中心和速度对辐合区，低空是有径向速度超过20 m/s的大值区存在。同时回波顶高长时间维持在9～12 km（图9i），有利于强对流的发生，此次过程液态水含量超出了宁夏强对流天气指标13 kg/m2。

图9 2020 年6 月17 日石嘴山市飑线强盛阶段雷达回波图

与宁夏雷暴大风指标相比，此次过程出现在中等强度的垂直风切变环境中，导致雷暴大风的系统是飑线，雷达回波主要是弓状回波。与雷暴大风的临近预警指标相符。

6.3 减弱阶段

17:10（图略）开始，随着雷达回波的东移，飑线系统中心的雷达最强反射率因子显著减小，对流单体回波减弱，系统整体强度逐渐减弱，东边的回波强度弱于西边，故本次天气过程中，石嘴山市东边的雷雨大风天气弱于西边；雷雨过后，回波中心垂直液态水含量也同时迅速减小。18:29，石嘴山市西部地区的天气过程已基本结束，东部还有一些回波。18:46，回波带已移出石嘴山市，全市天气过程已基本结束。

7 结论

（1）此次雷雨大风天气前后，气象要素变化剧烈，风向突变、风速快速增加、气压骤然上升以及气温急剧变化，是一次典型的飑线过境现象。主要影响系统为500 hPa 横槽、700 hPa 低涡、地面冷锋及露点锋。湿对流有效位能（CAPE）、大风指数（VV）和0～6 km 垂直风切变及K 指数对石嘴山市雷雨大风的预报具有一定的指示意义，印证了以往总结的雷雨大风的预报指标。

（2）雷雨大风期间，石嘴山市处于较强的对流性不稳定区，这次强对流天气过程中的水汽输送是通过西北气流来实现的。散度场的分布特征是高层辐合、中层辐散、低层辐合，强降水开始时前500 hPa以上是下沉运动，500 hPa 以下是上升运动，强降水开始后整层变为下沉运动，这与以往水汽输送的来源是不同的。

（3）从雷达回波来看，此次飑线回波系统是由内蒙古境内移入石嘴山市的带状回波系统，雷雨大风发生在弓状回波的前沿，在飑线回波的强盛阶段，最大反射率因子的值为55～60 dBZ，垂直累积液态水含量最大值为20～25 kg/m2，回波顶高9～12 km。这与雷暴大风的临近预警指标相符。