川南一次准正压类强对流天气的综合分析

陈文龙 竹利 林璐

摘 要：就四川而言，相较于斜压大气中的强对流天气，准正压大气中的强对流天气出现概率低，突发性更强，监测和预报难度更大。本文基于氣象站观测资料、雷达组合反射率拼图、气象卫星的TBB资料以及NCEP和ERA5再分析资料，运用天气学、卫星气象学和雷达气象学方法，对2022年8月5日四川南部地区发生的准正压类强对流天气进行了综合分析。结果表明：本次强对流天气以雷暴大风和短时强降雨为主，持续时间约2 h，其间气象要素变化剧烈；主要影响系统为高层的南亚高压、中低层的季风低压倒槽和地面热低压；高CAPE值、“上干下湿”的湿度层结、弱垂直风切变、低层辐合、高层辐散和深厚的上升运动是强对流天气出现的有利环境条件；低压倒槽前的云带在川南演变为对流云团，多中心带状雷暴群的NE段在川南演变为团状雷暴群，雷暴大风和短时强降雨与冷云中心、高TBB梯度、高反射率梯度、反射率大小及其维持时间存在较好的对应关系。

关键词：准正压大气；倒槽；对流不稳定能量；雷暴群；强反射率

中图分类号：P458.3 文献标志码：A文章编号：1673-5072（2024）02-0181-09

强对流是一种深对流天气过程，在我国天气预报业务中，强对流天气主要包括冰雹、雷暴大风、短时强降水和龙卷4类，强对流天气的发生与大气层结稳定度、水汽条件、垂直风切变和抬升触发条件密切相关［1-3］。强对流天气具有突发性强、生命史短、局地性强、预报难度大的特点，其产生的灾害对人们的生命和财产安全造成了严重威胁。

长期以来，气象学者对强对流天气的天气学特征、环流背景和形成机理的研究取得了不少成果。孙继松等［2］基于产生强对流天气潜势条件的相对重要性，按照热动力学结构特征将我国强对流天气的形势分为高空冷平流强迫类、低层暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类和高架雷暴类，其中前3类发生频率最高。王秀明等［4］的研究表明，雷暴大风主要是由雷暴单体内部的下沉辐散气流以及低空暖湿气流受抽吸作用进入上升气流导致。韦惠红等［5］指出，湖北雷暴大风的对流参数K指数、850 hPa和500 hPa的温差、对流有效位能（CAPE）的阈值分别为35 ℃、25 ℃和925 J·kg-1，其中准正压类雷暴大风主要出现在夏季，其发生所需的CAPE较大，低层（925～700 hPa）风垂直切变较小。柯元惠等［6］将海南岛的雷暴大风环流形势分为西南热低压型、季风槽型和冷锋型，三型雷暴大风均具“上干下湿”、不稳定、能量大的环境特点，季风槽型雷暴大风易伴有短时强降水。刘帆等［7］指出短时强降雨需要中低层具有一定厚度的湿层和较厚的暖云层，雷暴大风和冰雹通常发生在“上干下湿”的大气层结条件下，雷暴大风往往还对应较大的下沉对流有效位能（DCAPE），即大于120 J·kg-1。龙柯吉等［8］对四川盆地雷暴大风的个例雷达资料的研究表明，中层径向辐合、低层辐散、回波质心下降以及垂直累积液态水含量（VIL）值迅速下降等可作为判断雷暴大风指标。对雷暴大风个例的雷达回波特征的研究［8-13］还表明，弓形和飑线形（排列成带状的雷暴群）回波也是雷暴大风的重要预报指标。对强对流天气触发条件的研究［14-21］表明，主要的触发天气系统有冷锋、近地层（地面）辐、干线（露点锋）、阵风锋等。

四川由于特殊的地理位置，东风扰动环流背景下的准正压类雷暴大风出现的频率不高，且一般发生在8月［8］，即一年中西北太平洋副热带高压（以下简称“副高”）位置最靠北的时候，而其他类的强对流天气全年均可出现，且多出现于春夏。2022年8月5日晚，受副高压南侧的季风低压倒槽影响，四川南部的泸州、宜宾、自贡三市（以下简称“川南三市”）出现了一次雷暴大风伴有短时强降水的强对流天气过程。此次强对流天气突发性强，雷暴大风出现范围较广且风力大，当地的工农业生产、交通运输、电力和通讯设施以及居民生活受到了严重影响。本文利用多种气象资料，从天气实况、环流形势、环境条件、雷达回波和卫星图像等方面对本次天气过程进行综合分析，探讨强对流天气的形成机理，以期为四川较为少见的准正压类强对流天气的监测和预报提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 资料

本文所用资料主要包括：自动气象站观测资料、高空观测资料、新一代天气雷达组合反射率拼图、FY-2G卫星相当黑体温度（TBB）以及美国国家环境预报中心（NCEP）的再分析资料、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析资料，详见表1。

1.2 方法

本文在描述强对流天气实况时，主要基于四川省自动气象站的观测资料，以及据此绘制的极大风速和降水量的填色图，并在极大风中心和强降雨中心分别选取一个站点，绘制单站逐小时的气温、降水量、极大风变化图进行补充分析。对于强对流天气发生时大气环流背景，基于天气学方法，利用NCEP再分析资料中的位势高度、水平风、气温和海平面气压绘制的高空和地面天气图来进行分析；在分析强对流天气发生的环境条件时，利用宜宾探空站的T-lnp图和极大风速中心附近的物理量（垂直速度和散度）单点垂直-时间序列图。最后基于卫星气象学和雷达气象学方法，利用ERA5再分析资料绘制的细网格850 hPa高空风场，配合气象卫星观测的TBB资料以及雷达组合反射率拼图来分析强对流天气系统的生消和演变。

2 天气实况

2022年8月5日傍晚到夜间，川南三市出现了一次较大范围强对流天气过程（图1a、1b），共有28个自动气象站的极大风速超过17.2 m·s-1（8级），最大为25.5 m·s-1（10级，泸县云锦镇），极大风速中心包括了泸县、龙马潭区、江阳区和富顺县的大部，以及南溪区、翠屏区、大安区和沿滩区的局部，另外在泸州南部的古蔺县也出现了局地性的雷暴大风，极大风的风向以偏E风居多。有6个自动气象站的24 h累计雨量超过50 mm，最大雨量为74.3 mm（南溪区刘家镇红庙村），并有超过30个站出现了短时强降雨（小时降雨量超过20 mm），强降雨区主要在泸州北部到宜宾北部一带。

分别选取极大风速中心和强降雨中心附近的泸县云锦站和南溪长兴站（南溪刘家红庙站为单雨量要素站，故选取其邻近的多要素站），繪制单站逐小时的多要素曲线（柱状）（图1c、1d）。泸县云锦站在南溪长兴站东偏北方向约38 km处，两站气象要素突变持续时间约2 h，泸州云锦站为21～22时，南溪长兴站为22～23时。5日白天，两站点均无明显降水；极大风速稳定在5.0 m·s-1以内，泸县云锦站的极大风风向以偏W风为主，南溪长兴站风向无明显突变规律；两站气温在16～18时达到最高，泸县云锦站为37.6 ℃，南溪长兴站为35.1 ℃。强对流天气期间，各气象要素均出现了突变。5日21时，泸县云锦站的气象要素变化最剧烈，气温陡降9.5 ℃，小时雨量达22.9 mm，极大风速从上一时段的3.7 m·s-1骤增到25.5 m·s-1，风向由WSW突转为E；22时极大风速和小时雨量明显减小；5日22时，南溪长兴站气温下降了4.0 ℃，有弱降雨，极大风速骤增到14.6 m·s-1，风向为NE；23时，气温持续降低，出现了39.0 mm的强降雨，极大风速进一步增大到18.8 m·s-1，风向为NE；6日0时之后，各气象要素的变化趋于平稳。

3 大气环流背景

在5日20时的200 hPa天气图上（图2a），南亚高压的反气旋环流中心位于青藏高原东北部，反气旋环流覆盖西亚到东亚的大部分地区，川南在南亚高压脊线南侧的东风气流区。高层强大的反气旋意味着显著的辐散，有利于垂直方向“抽吸作用”的形成。在500 hPa天气图上（图2b），西太平洋副高588gapm线西伸到青藏高原中部，北部湾附近存在一个季风低压中心，其倒槽位于广西西部到重庆一线。川南正好受副高南缘和季风低压倒槽前的偏E风影响，槽前的正涡度平流促进了垂直方向的上升运动。700 hPa季风低压中心和低压倒槽的位置与500 hPa基本一致（图2c），且2个高度上的等温线都较为稀疏，无锋区特征，大气呈准正压状态。南海的暖湿空气被中低层的偏E风源源不断地输送到川南，有利于不稳定能量的积累。在地面天气图上（图4d），东亚无明显冷空气活动，青藏高原东侧为低压区，川南位于西南地区东部的热低压中心附近。地面热低压促进了近地层升温和暖湿空气的辐合，有利于热对流的发生和发展。综合高空和地面天气图来看，此次强对流天气发生在副高边缘的季风低压倒槽前部，是一次典型的准正压类强对流天气。

4 环境条件

4.1 能量

强对流天气发生前，大气中一定存在不稳定能量的聚集过程。T-lnp图［2］能反映探空站及周边一定范围内气象要素的垂直分布特征，并能用于计算多种对流参数。以下为几种常用对流参数［2］的介绍：对流有效位能（CAPE）用自由对流高度（LFC）以上，层结曲线与状态曲线围成的面积来表示，它与T-lnp图上的正面积对应，其值越大，表明对流发展的高度越高（剧烈）。对流抑制能量（CIN）用LFC以下，层结曲线与状态曲线围成的面积来表示，它与T-lnp图上的负面积对应，其值越大，表明气块抬升到LFC所做的功就越多，合适的CIN有利于低层不稳定能量的积累。下沉对流有效位能（DCAPE）从理论上反映出干空气侵入含水云体后，与雨水一起下落，因蒸发冷却下降到地表时的最大位能［6］。对流层中层和低层的温差（一般用850 hPa的气温减去500 hPa的气温，符号ΔT（850-500））很直观地反映了中低层的垂直温度梯度，该温差值越大，冰雹和雷暴大风发生的可能性就越大。沙氏指数（SI）可以定性判断对流层中下层（850～500 hPa）是否存在热力不稳定性，SI的值越小，表明层结越不稳定。抬升指数（LI）可以定性判断对流层中层（LFC至500 hpa）的热力不稳定程度，LI负的越多表明层结越不稳定。K指数着重反映对流层中低层的温湿分布对稳定度的影响，K值越大，越不稳定；热带暖湿气团的K指数很大。位于宜宾市翠屏区的宜宾探空站是川南唯一的探空站，距离雷暴大风中心不远，具有较好的代表性。

5日8时（图3，表2），宜宾站的地面气温和露点温度均为23 ℃；CAPE较小，仅为122.1 J·kg-1，DCAPE为42.5 J·kg-1；由于受到中低层暖湿气流的影响，ΔT（850-500）为24.7 ℃，K指数达到了39.4 ℃，大气处于高温、高湿状态；SI和LI分别为-2.7 ℃和-1.2 ℃，大气层结具有一定的不稳定性。LFC较高（620 hPa），CIN达到241.7 J·kg-1，这样能抑制低层弱对流的发展，有利于低层能量积累。50日20时，宜宾站的地面气温达到31 ℃，露点温度为24 ℃；CAPE陡增至2 747.8 J·kg-1，DCAPE减小到0.4 J·kg-1；ΔT（850-500）和SI略有增大，数值分别为26.5 ℃和-2.0 ℃；K指数为35.8 ℃；LI绝对值显著增大，达到-5.8 ℃；LFC降低至抬升点附近，CIN为0。湖北省［3］准正压类雷暴大风的K指数、ΔT（850-500）、CAPE的平均阈值分别为34 ℃、24 ℃、1 667 J·kg-1，本次过程以上3个指数的值均高于湖北省的平均阈值，特别是CAPE比湖北省的平均阈值高出1 080 J·kg-1。此时的大气处于高能且极不稳定的状态，在有利的天气系统作用下，极易发生较大范围的雷暴大风天气。

4.2 水汽

水汽是强对流天气发生的重要物质基础和能量载体，大气中水汽的含量和垂直分布对对流风暴的结构和强度具有重要影响［1-3］。5日8时（图3a），宜宾站上空的温度层结曲线和露点层结曲线的间距很小，整个对流层相对湿度都接近饱和。到5日20时（图3b），除地面露点温度略有增大外，垂直方向的露点温度出现了不同程度的减小。650 hPa以下层的露点温度差为4～8 ℃，整体相对湿度不低；650～270 hPa层的露点温度呈波动减小的趋势，整体相对湿度明显下降；大气的相对湿度表示出“上干下湿”的特征。

4.3 垂直风切变

对流层中低层的垂直风切变极大地影响着对流风暴的组织、结构和演变。在一定的水汽和不稳定能量条件下，风的垂直切变越大，风暴的组织化程度和强度就越高，生命史也越长［21］。某个特定高度的风与抬升点的风矢量差的模即为垂直风切变的大小。5日8时，0～3 km和0～6 km垂直风切变大小分别为1.8 m·s-1和10.2 m·s-1，均为弱垂直风切变；5日20时，0～3 km垂直风切变略有增大，为2.3 m·s-1；0～6 km垂直风切变减小至5.2 m·s-1（表2）。可以看出，在强对流天气发生前，对流层中低层一直处于弱垂直风切变的状态，如此条件下产生的对流风暴即为脉冲风暴［3］。

4.4 动力抬升

强对流天气的出现除了需要一定的能量、水汽和垂直风切变条件，还需要有合适的动力抬升条件和触发机制［1-3］。通过在雷暴大风中心附近作垂直速度和散度垂直-时间序列图，可以直观地分析动力抬升条件。结果如图4所示：在散度场上，强对流天气开始前后，空气的辐合层都比较浅薄，集中在800 hPa以下层。5日14—19时，开始出现辐合，散度值为-0.5×10-4～-1.0×10-4 s-1；5日20时前后，辐合增加，最大散度值达-2.0×10-4 s-1；5日16—21时，800～700 hPa层维持辐散，其中在20时左右出现了强度大于1.0×10-4 s-1的辐散中心；5日21—22时，800 hPa以下层的辐合运动从低到高迅速减小并转为辐散，而在300 hPa以上层出现了辐散。在垂直速度场上，5日16—20时，上升运动都较弱且主要在700 hPa以下层，垂直速度为-0.5～-1.0 Pa·s-1；5日21时左右，上升运动迅速向高层发展至200 hPa附近，最大垂直速度为-1.0～-1.5 Pa·s-1，大致出现在600～300 hPa；5日22时起，上升运动迅速减小；5日23时左右，已无明显上升运动，800 hPa以下层还出现了强度为0.5～1.0 Pa·s-1的下沉运动。可以看出，在强对流发生前，辐合运动和弱上升运动主要在对流层底层，底层之上有弱辐散，这样的形势将弱对流运动限制在底层，不利于能量的耗散。在强对流过程的中前期，底层的辐合先增后减，低层的輻散减弱，上升运动迅速向高空发展并显著增强，形成了深对流，同时高层还出现了辐散。如此在对流层内形成的显著“抽吸作用”，有利于低层暖湿空气的快速辐合和上升，进而形成发展旺盛的雷暴云。在强对流过程的中后期，上升运动迅速减弱，高层辐散消失，底层迅速转为下沉运动并配合显著辐散，强对流天气趋于结束。

5 卫星图像与雷达回波特征

5.1 卫星图像

通过FY-2G卫星观测的TBB可以直观地监测雷暴云，TBB值越低，表示对流云顶的高度越高，即对流越旺盛；配合850 hPa的高分辨率风场可以更好地分析低层天气系统与雷暴云生消、移动关系。从图5中可以看到：5日16—20时，南海西北部的季风低压倒槽缓慢西移，槽前出现大片移速较快的对流云，其中影响川南的对流云呈NE—SW向的带状，向NW方向移动，对流云存在多个TBB低于-62 ℃的低值中心；对流云在西移过程中结构逐渐变得密实，TBB低值中心出现合并，该时段为雷暴云的发展阶段。5日20时，低压倒槽断裂。5日21—23时，北段倒槽迅速西移到川南，呈准静止状态；同时，-32 ℃冷云区向川南收缩，结构进一步变得密实，TBB梯度增大，TBB低值中心由2个变为1个，该时段正是雷暴云的成熟阶段。5日21时，泸县云锦站位于-72 ℃冷云中心西北部TBB梯度最大的地方，出现了25.5 m·s-1的大风和22.9 mm的短时强降雨。5日23时，南溪长兴气象站位于-72 ℃冷云中心（TBB的低值中心）附近，出现了18.8 m·s-1的大风和39.0 mm的短时强降雨。6日0时，雷暴云的-32 ℃冷云区范围进一缩小，中心TBB升高，TBB梯度减小，雷暴云进入减弱阶段。

5.2 雷达回波

雷达通过电磁波能有效探测云内结构，为强对流天气的监测和临近预报提供重要参考［3］。从5日川南的雷达组合反射率拼图（图6）上可以看到：17时26分—19时30分，呈NE—SW向带状排列的雷暴群进入泸州，并向WNW方向移动，出现多个反射率在60～65 dBZ的强中心。20时28分，雷暴群影响泸州的大部，其形状发生明显变化，从带状雷暴群演变成2个团状雷暴群，位于NE方向的雷暴群反射率更大。21时左右，NE方向的雷暴群在向W移动的过程中，在其移动方向的前侧激发出了多个新的雷暴单体，这些新的雷暴单体不断合并增强。21时18分和22时24分，NE方向的雷暴群结构密实，最大反射率达65 dBZ，且反射率梯度很大；该雷暴群从泸州北部向西移动，影响自贡东南部和宜宾北部，泸县云锦站和南溪长兴站附近都出现了很强的反射率，雷暴大风主要出现在强反射率梯度经过的地方，短时强降雨则主要出现在强反射率维持较长时间的地方。23时以后，2个雷暴群在宜宾西部合并，移动方向转向NW，由于处在副高南侧高能环境中，雷暴群的反射率很大。总体上，前期雷暴群呈现类似飑线回波的带状，中后期则分裂为2个相对独立的团状雷暴群，这与卫星图像上冷云区的演化特征具有一定的相似性。这种在弱垂直风切变和准正压环境中发展起来的脉冲风暴的组织性较差，生消演变迅速且维持时间不长。

6 结论与讨论

通过自动气象站、探空站、气象卫星和天气雷达的观测资料以及NCEP和ERA5再分析资料，对2022年8月5日晚发生在川南的一次强对流天气进行了综合分析，得到以下结论。

1）本次强对流过程的主要影响区在泸州、宜宾、自贡三市的交界地区附近，以雷暴大风为主，伴有短时强降雨，影响时间2 h左右；过程期间，气温、风速、风向和降水等要素出现剧烈变化，其中极大风速达25.5 m·s-1，最大小时雨量39.0 mm，极大风风向以偏E为主。

2）本次强对流天气发生在500 hPa副高南侧较为深厚的季风低压倒槽前部，大气具有准正压特征；200 hPa南亚高压的辐散作用以及地面热低压造成的增温有利于对流的发生和发展。

3）强对流天气开始前，大气中的不稳定能量快速增加，CAPE显著增大至2 747.8 J·kg-1，ΔT（850-500）增大至26.5 ℃、SI维持负值（-2.0 ℃）、LI显著减小至-5.8 ℃，地面最高气温普遍超过35 ℃；CIN减小为0，LFC降低到抬升点附近，其中K指数、ΔT（850-500）、SI都明显高于湖北省准正压类雷暴大风的平均阈值；水汽的垂直分布具“上干下湿”的特征，地面露点维持在高值；中低层的垂直风切变弱；底层有辐合和弱上升运动，而低层的辐散阻碍了深对流的发展。强对流过程中前期，底层辐合增强，低层辐散减弱，高层出现辐散，上升运动增强并向高层发展，“抽吸作用”显著。强对流过程后期，底层以下沉辐散运动为主。

4）850 hPa低压倒槽在缓慢西移过程中发生断裂，北段倒槽进入川南后呈准静止状态。倒槽前的带状对流云向NW方向移动进入川南后逐渐收缩，结构变得密实，演变为对流云团，TBB低值中心由多个变为1个。雷暴大风和短时强降雨主要出现在-72 ℃冷云区内或冷云区TBB梯度最大的地方。带状的雷暴群向WNW方向快速移动和传播过程中分裂为2个团状雷暴群，NE方向雷暴群的强反射率中心逐渐合并增强，是影响川南的主要中尺度对流系统。雷暴大风与强反射率梯度有较好的对应关系，短时强降雨则主要由强反射率的维持时间决定。

准正压和弱垂直风切变条件下生成的脉冲风暴具有生消迅速和持续时间短的特点，在不稳定能量充足的情况下，易产生非常剧烈的对流天气。本研究对深入认识该型强对流天气的特征，提高监测和预报水平具有一定的参考价值。受限于资料和研究方法，本文的分析还有一些不足之处。在后续研究工作中，将加强自动站、气象卫星、天气雷达资料以及对流热力参数的应用，以揭示更多的强对流天气和对流风暴特征。

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Comprehensive Analysis of A Quasi-barotropic Severe Convective Weather Event in Southern Sichuan

Abstract：As far as Sichuan Province is concerned，the severe convective weather in the quasi-barotropic atmosphere has a lower probability of occurrence，stronger abruptness and more difficulty in monitoring and prediction when compared with the severe convective weather in the baroclinic atmosphere.Based on the observation data of meteorological station，mosaic of radar composite reflectivity，TBB data of meteorological satellite，reanalysis data of NCEP and ERA5，the quasi-barotropic severe convective weather happened in southern Sichuan on August 5，2022 is comprehensively analyzed by the methods of synoptic，satellite meteorology and radar meteorology.The results indicate that the severe convective weather is dominated by thunderstorms，strong winds and short-term heavy rainfall;the duration is about 2 h，during which the meteorological elements have changed violently;the main influence systems are the South Asia High Pressure in high level，the inverted trough of monsoon low pressure in low level and the thermal low pressure on the ground;the favourable environmental conditions for the occurrence of severe convective weather are high CAPE value，“upper dry and lower wet” humidity stratification，weak vertical wind shear，low-level convergence，high-level divergence and deep upward movement;the cloud belt，before the inverted trough of low pressure，has changed into a convective cloud cluster in southern Sichuan;the NE segment of the banded thunderstorm group of multi centres has evolved into a cluster thunderstorm group in southern Sichuan;thunderstorm gale and short-term heavy rainfall have a good corresponding relationship with cold cloud centre，high TBB gradient，high reflectivity gradient，reflectivity size and its maintenance time.

Keywords：quasi-barotropic atmosphere;inverted trough;convective instability energy;thunderstorm group;strong reflectivity