江苏典型下击暴流风暴结构特征统计分析*

王 易 郑媛媛 庄潇然 张 静 慕瑞琪 孙康远

1.江苏省气象台，南京，210019

2.中国气象局交通气象重点开放实验室，南京，210019

3.南京气象科技创新研究院，南京，210019

1.Jiangsu Meteorological Observatory，Nanjing 210019，China

2.Key Laboratory of Transportation of Meteorology CMA，Nanjing 210019，China

3.Nanjing Joint Institute for Atmospheric Sciences，Nanjing 210019，China

1 引 言

在对流风暴产生的强天气现象中，由风暴的下沉气流导致的地面大风是出现频率最高的（俞小鼎等，2006）。对流风暴的下沉气流空间分布极不均匀，往往在大片的下沉气流中有一股或几股较强的下沉气流，Fujita（Fujita，1985；Fujita，et al，1977）将其定义为下击暴流，下击暴流分为宏下击暴流（尺度大于10 km，持续时间大于10 min）和微下击暴流（尺度小于4 km，持续时间小于10 min）。下击暴流对航空领域影响显著（威胁飞机的起降等），下击暴流引发的灾害大风会引起树木损毁、房屋倒塌，造成严重的人员伤亡及财产损失。

国际上对下击暴流的研究开展较早。Fujita（1985）和Wakimoto（1985）依据下击暴流发生时是否伴有强降水将其分为干微下击暴流和湿微下击暴流。Johns 等（1992）在强对流天气预报研究中针对干、湿下击暴流的地理分布及温、湿廓线等环境特征进行了分析。Roberts 等（1989）利用多普勒雷达研究了美国科罗拉多州31 个产生下击暴流的风暴单体，结果表明，反射率因子核心下降、云中径向辐合增强、反射率缺口和旋转等指标对下击暴流的预报有一定指示作用。Kuster 等（2016）利用S 波段相控阵雷达的分钟级数据研究发现，反射率因子核心下降、中层径向辐合尺度的增大、ZDR（差分反射率）低值区下降是下击暴流发生的前兆信号，并且伴随着反射率因子核心下降，中层径向辐合达到最大值后也开始下降。Mahale 等（2016）基于双偏振雷达研究了下击暴流风暴内的水汽变化特征，证实雨雹混合物的向下运动是下击暴流形成的原因之一。

中国幅员辽阔，大部分地区处于下击暴流的影响范围内（李宏海等，2015），其中强雷暴大风主要发生在中东部地区（费海燕等，2016；方翀等，2017）。现场灾情调查是分析和确认下击暴流最直接和最重要的手段，但中国针对下击暴流开展专业的灾情调查仅有“东方之星”客轮倾覆下击暴流（郑永光等，2016；孟智勇等，2016）和2019 年3 月桂林下击暴流（李彩玲等，2021），早期下击暴流的研究多通过数值模拟（孙凌峰等，2003）进行。俞小鼎等（2006）首次利用中国新一代天气雷达探测资料对2003 年6 月6 日发生在安徽的一次系列下击暴流过程进行了详细分析，结果表明反射率因子核心逐渐降低伴随云底以上速度辐合的多普勒雷达回波特征可以提前数分钟预警下击暴流的发生。王秀明等（2012，2013）对致灾大风形成机制进行了初步讨论，发现产生强风的超级单体具有明显的中层径向辐合，并通过观测和数值模拟进一步分析了干、湿两类下击暴流的风暴环境参量。下击暴流大致可分为两种类型：一种是由孤立风暴的强下沉气流辐散导致。刁秀广等（2011）、毕旭等（2007）、吴芳芳等（2009）、周后福等（2017）分别对发生在山东、陕西、江苏、安徽等省的孤立风暴造成的下击暴流进行了研究。另一种是由中尺度对流系统内嵌的强单体产生的下击暴流，学者们也做了大量研究（廖晓农等，2008；王楠等，2009；吴举秀等，2017；符式红等，2018）。此外，对超级单体风暴造成的致灾大风也有研究报道（郑媛媛等，2004；王易等，2018，2019）。

陶岚等（2011）对下击暴流的自动识别开展了研究，开发了基于多普勒雷达资料的下击暴流自动识别算法，识别反射率因子核心下降和低层辐散现象明显的下击暴流，并提前6—12 min 预警。张钢等（2011）、罗辉等（2015）、肖艳姣（2018）、王兴等（2019）、肖艳姣等（2021）基于图像处理算法、中层径向辐合以及反射率因子核心下降等特征开发了下击暴流识别系统和临近预报方程。近年来，随着人工智能的发展，基于机器学习算法的雷暴大风研究逐渐增多（周康辉等，2017；孙京等，2019），在一定程度上提高了雷暴大风的监测和预报能力。

江苏地处中国东部，下击暴流发生频繁，以往研究主要集中在个例分析与讨论上，对长时间序列的下击暴流统计研究较少。文中选取2007—2018年发生在江苏省的19 个典型致灾下击暴流个例，对下击暴流发生的时空分布特征、环境要素特征、雷达特征和环境演变特征等进行分析，为预报员识别、预警下击暴流提供参考。

2 资料和方法

致灾下击暴流参考Smith 等（2004）的定义：（1）地面观测的极大风风速超过25 m/s；（2）有灾情记录；（3）雷达探测到距离地面1 km 高度以下风速不小于25 m/s（或者径向速度差超过40 m/s 的辐散），满足其中一个条件即可定义为下击暴流。由于缺乏详实专业的下击暴流灾情调查，文中选取的下击暴流满足条件（1）和/或（3）即可。依此标准，2007—2018 年江苏省共有19 个典型致灾下击暴流。

观测资料为离下击暴流发生地最近的SA 波段多普勒雷达数据，并对经过质量控制的数据进行人工判别。由于2010 年8 月4 日、2016 年7 月29、30 日和2017 年8 月7 日的下击暴流个例发生在距离雷达10 km 范围内，其中2010 年8 月4 日个例距雷达仅3 km，受雷达静锥区影响，探测到的风暴高度过低，无法对下击暴流进行细致完整的雷达回波特征分析。文中的雷达风场反演采用Potvin 等（2012）的多雷达反演技术，中层径向辐合采用Przybylinski（1995）的定义。

地面温度数据来自江苏省1909 个区域加密自动气象观测站，时间分辨率为10 min。其他数据来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代大气再分析资料（ERA5），空间分辨率为0.25°，时间分辨率为1 h。

3 下击暴流的时、空特征

3.1 下击暴流空间分布

从典型致灾下击暴流的地理分布（图1，部分个例地点重合）可以看出，江苏省下击暴流分布呈北多南少的趋势，与地形有一定关系，北部以平原为主，南部多丘陵，下击暴流多出现在北部平原地区。

图1 2007—2018 年江苏省典型下击暴流发生地点分布（色阶为地形高度，圆圈代表下击暴流发生地点）Fig.1 Distribution of typical downburst cases in Jiangsu from 2007 to 2018 （shaded areas indicate terrain elevation in Jiangsu，circles indicate the distribution of downburst）

3.2 下击暴流季节变化和日变化

从下击暴流的月分布（图2a）来看，7 月是下击暴流的高发月，与雷暴大风发生的月分布基本一致。从季节来看，以夏季为主。观测到的下击暴流都伴随有降水，未发现干下击暴流。从气候学的角度看，结论是合理的，7—8 月江苏处于高温、高湿环境，下击暴流的类型主要以湿下击暴流为主。

由下击暴流发生的日分布（图2b）可见，主要发生在14—16 时，占总数的60%，与强对流发生的时间较为一致（王易等，2018；周一民等，2018），10 时之前、20 时之后没有下击暴流发生。

图2 2007—2018 年典型下击暴流和江苏雷暴大风出现频率月变化（a）、典型下击暴流出现频率日变化（b）Fig.2 Monthly variation of occurrence frequency of typical downbursts and thunderstorm gales （a），diurnal variation of occurrence frequency of typical downbursts （b） during 2007—2018

4 下击暴流环境特征分析

4.1 下击暴流的热动力特征

产生下击暴流的风暴类型大致可分为两类：一类由孤立风暴造成，一类由飑线内嵌单体造成。依此分类将文中19 个下击暴流的移速（V）进行统计（表1）分析发现，两类造成下击暴流的风暴存在明显差异，飑线镶嵌型的风暴平均移速为47.5 km/h，约为孤立风暴型移速（16 km/h）的3 倍。

表1 不同风暴类型下击暴流的热动力特征统计Table 1 Statistics of thermal and dynamic characteristics of downburst under different storm types

利用探空数据计算了19 个下击暴流的环境因子：对流有效位能（CAPE）、850 和500 hPa 假相当位温差（ϴse850-500）、抬升凝结高度（LCL）、0—2 km风切变（Wsr0-2）、0—6 km 风切变（Wsr0-6）。对两种不同类型的风暴环境因子进行统计（表1）发现，孤立风暴型（DIS）下击暴流的对流有效位能平均值明显大于飑线镶嵌型（DQL），ϴse850-500平均值接近21℃，高于飑线镶嵌型（18.8℃），从ϴse850-500累积频率分布（图3a）也能看到，孤立风暴型中超过50%的ϴse850-500达到20℃，飑线镶嵌型仅有35%超过了20℃，表明低层较为暖湿，中层为干层（从表1 的统计也可以看出），呈上干下湿的结构，中层干空气的夹卷进一步加强了下沉气流，有利于下击暴流的产生。孤立风暴型Wsr0-2和Wsr0-6明显小于飑线镶嵌型，特别是Wsr0-6，孤立风暴型仅有8.29 m/s，飑线镶嵌型为15.96 m/s。从Wsr0-6累积频率分布（图3b）上也能清晰看到，飑线镶嵌型有50%的Wsr0-6超过了12 m/s，孤立风暴型仅有10%超过了12 m/s，表明飑线内产生下击暴流的风暴具有很强的0—6 km 风垂直切变，有利于风暴的维持和发展，并伴随飑线一起快速移动。孤立风暴型下击暴流具有弱的天气尺度强迫和强的垂直不稳定特点，导致风暴移速较小，下击暴流以局地生消为主，飑线镶嵌型下击暴流具有很强的天气尺度强迫，往往伴随飑线移动，产生下击暴流的风暴移速较大。

图3 孤立风暴型和飑线镶嵌型下击暴流850 和500 hPa 假相当位温差 （a） 和0—6 km 风切变 （b） 的累积频率分布Fig.3 Cumulative frequency distributions of （a） θse850–500 and （b） Wsr0–6 for downbursts caused by isolated storms and downbursts embedded in squall lines

4.2 下击暴流的地面要素特征

大量观测（王秀明等，2012；周后福等，2017；吴举秀等，2017）表明，在下击暴流发生前后，温度往往有剧烈变化。文中将19 个下击暴流的地面温度进行统计，选取下击暴流发生地和相邻自动气象站（共54 站）进行分析。统计结果显示，下击暴流影响期间平均温度降幅达到7.6℃，最大降温幅度达到11.4℃， 出 现 在2016 年7 月30 日 个 例 中，最小降温幅度为4.5℃，出现在2018 年6 月28 日个例中。

通过下击暴流影响期间的降温分布（图4a）可以看到，大部分站点的降温幅度集中在6—8℃，占到了46.3%，其中24.1%的站点降温幅度为7—8℃，显著高于其他降温分布， 85.2%的站点降温幅度超过6℃。上述统计表明，在下击暴流影响期间地面温度有剧烈变化，降温幅度多大于6℃。从下击暴流影响期间的风速增幅（图4b）可以看到，平均达到20.4 m/s，最大为32.9 m/s（2017 年7 月14 日个例），12—15 m/s 的风速增幅占比最高，达到了30%， 18 m/s 及以上的风速增幅达60%。上述统计表明，下击暴流影响期间温度下降伴随有明显的风速增大过程。

图4 下击暴流影响期间温度降幅 （a） 和风速增幅 （b）频率分布Fig.4 Percentage distributions of temperature drop （a） and wind speed increase （b） during the downburst

4.3 下击暴流的垂直运动特征

根据俞小鼎等（2006）的研究，采用经过简化的下击暴流垂直运动方程

利用ERA5 再分析资料计算了19 个下击暴流过程临近时刻的垂直温度变化（表2），可以看出，0℃层高度维持在5 km 左右，下击暴流发生前夕，地面温度基本在30℃以上（2018 年3 月4 日个例发生在太湖湖面上，湖面测站温度较地面温度低），19 个下击暴流个例0℃层以下的温度平均递减率维持在6.8℃/km 以上，部分个例超过7℃/km（大于标准大气对流层的平均温度递减率（6℃/km）），明显高于暖季对流层中、下层湿绝热温度递减率。下沉气流在下降过程中温度的升高略微高于环境温度随高度下降升高的幅度，因此气块下降过程的负浮力能够维持，从而保证下击暴流能够维持和加强。

利用Potvin 等（2012）基于三维变分技术的多雷达反演技术，对2017 年7 月14 日19 时07 分（北京时，下同）下击暴流发生前的风暴内部风场结构进行反演（图5），可以看到，在3—6 km 高度存在明显的中层径向辐合，气流辐合形成下沉气流，将冷空气向下传输，而环境空气最大露点差位于9.5 km（表2），表明有相对干的环境空气被中层的辐合气流夹卷进入风暴内部，引起降水粒子蒸发，进一步加强了下沉气流，有利于下击暴流维持和加强。冷空气向下传输到达地面后，地面随之出现明显降温、风速增大。

表2 江苏典型下击暴流过程的垂直温度变化Table 2 Vertical temperature changes accompanied with typical downbursts in Jiangsu

图5 2017 年7 月14 日19 时07 分雷达风场反演Fig.5 Radar wind field inversion at 19：07 BT 14 July 2017

5 下击暴流的雷达产品特征

根据下击暴流的定义，并参考雷达产品特征及地面要素特征，将下击暴流的生命史分为3 个阶段：初生阶段、成熟阶段和消亡阶段。初生阶段为雷达观测到中层出现50 dBz 以上的强反射率因子，到地面首次观测到极大风超过25 m/s 或雷达首次探测到距离地面1 km 高度以下25 m/s 的风（或者径向速度差超过40 m/s 的辐散特征）之间的时间；成熟阶段为地面观测到极大风超过25 m/s 或雷达探测到距离地面1 km 高度以下25 m/s 的风（或者径向速度差超过40 m/s 的辐散特征）的时间段；消亡阶段为地面观测到极大风小于17 m/s 的时间段，下面从3 个阶段分别分析下击暴流的雷达产品特征。

5.1 初生阶段

通过对江苏典型下击暴流个例发生前强反射率因子核心高度的统计分析（表3），可以看到，在下击暴流发生初期，大部分个例的最强反射率因子核心出现在3—6 km 高度内，且强度都超过了60 dBz（距离雷达较近，无法准确描述雷达产品特征的个例除外）。从最强反射率因子核心出现时间的统计（图6）可以看到，55%的最强反射率因子核心出现时间在下击暴流发生前20—30 min。表明在下击暴流的初生阶段，大部分强反射率因子回波在下击暴流发生前30 min 出现，且最先出现在风暴中层。

图6 最强反射率因子出现时间与下击暴流发生时间差的频率分布Fig.6 Frequency distribution of time lag between the occurrences of the strongest reflectivity factor and the downburst

表3 江苏典型下击暴流发生前强反射率因子统计Table 3 Statistics of strong reflectivity before the occurrence of typical downbursts in Jiangsu

对2007 年8 月2 日下击暴流发生前25 min（14 时50 分）的回波进行垂直剖面分析（图7a），可以看到，在大约5 km 高度上有一明显的反射率因子大值区，呈明显的悬垂形态，回波强度达到了60 dBz。2017 年7 月14 日的个例（图7b）显示，下击暴流发生前25 min（19 时07 分），大于60 dBz 的反射率因子大值区位于3—6 km 高度的风暴中层区域，即产生下击暴流的风暴最先在该区域发展起来。

图7 2007 年8 月2 日14 时50 分（a）、2017 年7 月14 日19 时07 分（b）反射率因子剖面Fig.7 Reflectivity factor profiles at （a） 14：50 BT 2 August 2007 and （b） 19：07 BT 14 July 2017

下击暴流初生阶段的径向速度统计（表4）结果显示，中层径向辐合基本出现在3—5 km 高度上，径向速度差约为24 m/s，最大径向速度差达到48 m/s。中层径向辐合出现时间的统计（图8）表明，50%的中层径向辐合出现时间在下击暴流发生前20—30 min。与最强反射率因子相似，在下击暴流的初生阶段，径向速度在中层也有明显的径向辐合出现，平均径向速度差为26.3 m/s。

图8 中层径向辐合出现时间与下击暴流发生时间差的频率分布Fig.8 Frequency distribution of time lag between occurrences of the mid-altitude radial convergence and the downburst

表4 江苏典型下击暴流发生前径向速度统计Table 4 Radial velocity statistics before the occurrence of typical downbursts in Jiangsu

2007 年8 月2 日个例的径向速度剖面结果（图9a）显示，在下击暴流发生前19 min（14 时56 分），4 km 高度处有−20 m/s 和15 m/s 的正负速度相对应，证明有明显的中层径向辐合。由2017 年7 月14 日个例（图9b）也可以看到，在下击暴流发生前30 min（19 时01 分），5 km 高度也有明显的中层径向辐合出现。

图9 2007 年8 月2 日14 时56 分 （a）、2017 年7 月14 日19 时01 分 （b） 径向速度剖面Fig.9 Radial velocity profiles at （a） 14：56 BT 2 August 2007 and （b） 19：01 BT 14 July 2017

统计最强反射率因子高度和径向速度过程发现，距离雷达中心40—60 km 范围内，最强反射率因子及中层径向辐合的结构特征最清晰，40—60 km 可能是探测下击暴流初生阶段的最佳探测距离，对下击暴流预警有一定的参考意义。

5.2 成熟阶段

在下击暴流的成熟阶段，由强反射率因子核心的统计结果（表5）可以看到，与初生阶段基本相同，强反射率因子核心强度维持在60 dBz 左右，但高度明显下降，大部分个例强反射率因子核心高度下降到了1 km 以下（平均高度0.48 km）。下击暴流发生时强反射率因子核心高度明显下降可作为下击暴流爆发的预警指标。

表5 江苏典型下击暴流成熟阶段强反射率因子统计Table 5 Statistics of strong reflectivity in the mature stage of typical downbursts in Jiangsu

通过对0.5°仰角的雷达径向速度特征统计分析（图10）可以看到，成熟阶段低层的下击暴流外流速度明显增大，呈现明显的辐散结构，近71.2%的低层速度差超过了25 m/s，21.6%的速度差超过了40 m/s，最大速度差达到了54 m/s。表明在成熟阶段低层的强辐散起主导作用。

图10 下击暴流成熟阶段低层径向速度差频率分布Fig.10 Frequency distribution of low-level radial velocity difference in the mature stage of the downburst

从2007 年8 月2 日15 时14 分 的 径 向 速 度 垂直剖面（图11a）可以看到，在4—5 km 高度（风暴中层）有明显的辐合，2 km 以下有−20 m/s 以上的速度出现，近地层出现明显的辐散结构，同时在15 时15 分地面自动气象站观测到25.9 m/s 的大风。2017 年7 月14 日19 时30 分的径向速度垂直剖面（图11b）中，同样在4—5 km 高度有一定辐合，而低层速度也超过了−20 m/s，有明显的强辐散出现，同时19 时31 分在自动气象站观测到了35.7 m/s 大风，可见地面大风和低层辐散时间对应较好。

图11 2007 年8 月2 日15 时14 分 （a）、2017 年7 月14 日19 时30 分 （b） 径向速度剖面Fig.11 Radial velocity profiles at （a） 15：14 BT 2 August 2007 and （b） 19：30 BT 14 July 2017

5.3 消亡阶段

下击暴流消亡阶段地面辐散结构开始消失，整个风暴结构逐渐松散。由2007 年8 月2 日（图12a）和2017 年7 月14 日（图12b）个例的径向速度垂直剖面可见，中层辐合低层辐散的结构已经消失，低层和中高层均为一致的气流，风速减弱明显。

图12 2007 年8 月2 日16 时02 分 （a）、2017 年7 月14 日20 时17 分 （b） 径向速度剖面Fig.12 Radial velocity profiles at （a） 16：02 BT 2 August 2007 and （b） 20：17 BT 14 July 2017

6 结 论

文中选取2007—2018 年发生在江苏的19 个典型致灾下击暴流，对其发生时空分布特征、环境特征和雷达回波特征等方面进行分析，得到以下结论：

（1）江苏下击暴流的分布呈北多南少的趋势，平原地区更容易出现下击暴流，7 月下击暴流高发，主要发生在14—16 时，以湿下击暴流为主。

（2）孤立风暴型下击暴流具有弱天气尺度强迫和上干下湿结构，风暴移速较小，下击暴流以局地生消为主；飑线镶嵌型下击暴流具有很强的天气尺度强迫特征，因伴随飑线移动，产生下击暴流的风暴移速较大。

（3）下击暴流影响期间地面温度有剧烈变化，降温幅度超过6℃，且伴随有明显的风速增大过程，负浮力是否能够维持是下击暴流维持和加强的关键。文中下击暴流的温度平均递减率维持在6.8℃/km，气块下降过程中的温度升高幅度略高于环境温度随高度下降升高的幅度，能够保证负浮力维持，同时干冷空气被中层辐合气流夹卷进入风暴内并向下传输进一步加强了下沉气流，从而使得下击暴流得以维持和加强。

（4）下击暴流的初生阶段，强反射率因子核心在下击暴流发生前30 min 的风暴中层出现，中层径向辐合出现在下击暴流发生前20—30 min。下击暴流的成熟阶段，强反射率因子核心高度明显降低，低层的下击暴流外流速度明显增大，径向速度呈明显的辐散结构，这些特征可以作为下击暴流爆发的预警指标。40—60 km 是探测下击暴流初生阶段的最佳探测距离，对下击暴流预警有一定的参考意义。