豫東一次超級(jí)單體風(fēng)暴造成的強(qiáng)對(duì)流天氣分析

閔曉桐，李夢(mèng)園，郝笑，杜天宇

（1.蘭考縣氣象局，河南蘭考 475300；2.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都 610225；3.廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430；4.杞縣氣象局，河南杞縣 475200）

強(qiáng)對(duì)流天氣通常是指雷暴大風(fēng)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水、龍卷等水平尺度一般小于200 km，歷時(shí)短、突發(fā)性強(qiáng)、劇烈的災(zāi)害性天氣，往往給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這種破壞性強(qiáng)、預(yù)報(bào)難度大的強(qiáng)對(duì)流天氣的成因特征、潛勢(shì)預(yù)報(bào)等方面進(jìn)行了大量研究［1-4］。姜帥等［5］采用方差分析等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前各物理量指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析；牛淑貞等［6］的研究表明單站物理量參數(shù)可提前6～8 h提供強(qiáng)對(duì)流天氣信息。作為局地對(duì)流發(fā)展最強(qiáng)烈的表現(xiàn)形式，超級(jí)單體一直吸引著眾多研究者的關(guān)注；王紅霞等［7］的研究發(fā)現(xiàn)地面冷鋒、β中尺度地面輻合線和露點(diǎn)鋒易觸發(fā)局地強(qiáng)對(duì)流天氣；王堅(jiān)紅等［8］在研究分析中認(rèn)為，中尺度露點(diǎn)鋒鋒生的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)過(guò)程是強(qiáng)對(duì)流降水天氣發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制。

河南的夏季，強(qiáng)對(duì)流天氣十分常見(jiàn)，豫東地區(qū)又是超級(jí)單體、颮線等災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的多發(fā)區(qū)，而對(duì)其的研究卻相對(duì)較少。本研究利用常規(guī)觀測(cè)、區(qū)域站以及鄭州多普勒雷達(dá)資料，對(duì)2017年8月9日發(fā)生在豫東地區(qū)的一次超級(jí)單體造成的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行分析，并探究露點(diǎn)鋒對(duì)風(fēng)暴的影響，以期增進(jìn)對(duì)此類(lèi)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為提高強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)和服務(wù)能力提供依據(jù)。

1 天氣實(shí)況

2017年8月9日傍晚，豫東地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程（簡(jiǎn)稱(chēng)“17·8”過(guò)程），區(qū)域站加密觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示（圖略），該次強(qiáng)對(duì)流天氣主要發(fā)生在19：00—23：00（北京時(shí)，下同），開(kāi)封南部、商丘西南部及周口北部、東北部多地遭受大風(fēng)、冰雹、強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣，造成4人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到數(shù)十萬(wàn)元。其中開(kāi)封市通許縣出現(xiàn)了64.9 mm的局地暴雨以及50.9 mm的1 h最大降水量，通許厲莊區(qū)域站的最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到35 m/s，最大風(fēng)力達(dá)12級(jí)，造成多處道路中斷，蔬菜大棚、樹(shù)木、電力線路等受損嚴(yán)重，通許縣因?yàn)?zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)24萬(wàn)元以上。

2 天氣背景分析

2.1 天氣形勢(shì)

8月8日08：00，500 hPa形勢(shì)場(chǎng)上，貝加爾湖西側(cè)形成低壓中心，其南部不斷有低槽生成并向前傳播。小槽東移過(guò)程中不斷發(fā)展，同時(shí)副熱帶高壓在我國(guó)東部海域開(kāi)始北抬，中緯度地區(qū)緯向環(huán)流逐漸向徑向環(huán)流調(diào)整。9日08：00，豫東地區(qū)已處在北京-豫西的槽前，等溫線在槽后與等高線接近垂直，槽后冷平流較強(qiáng)。與500 hPa相對(duì)應(yīng)，700與850 hPa在天津至豫中北部均有一低槽，此時(shí)前傾槽形勢(shì)已基本形成。20：00，500與700 hPa低槽緩慢東移并加深，850 hPa低槽無(wú)位移但也有所發(fā)展，前傾槽形勢(shì)更加明朗。中高層槽后強(qiáng)冷平流與低層槽前強(qiáng)暖平流在開(kāi)封地區(qū)上空疊置，為該次強(qiáng)對(duì)流天氣提供了有利的大尺度環(huán)流背景。

2.2 地面形勢(shì)與流場(chǎng)

過(guò)程前河北至河南一帶的地面低壓逐漸發(fā)展，9日20：00開(kāi)封地區(qū)北部形成低壓中心。分析過(guò)程前與過(guò)程發(fā)生時(shí)的地面流場(chǎng)表明，9日17：00濮陽(yáng)至南陽(yáng)形成一中尺度輻合線，此時(shí)地面輻合使上升運(yùn)動(dòng)開(kāi)始加強(qiáng)，對(duì)流云團(tuán)得以發(fā)展。20：00，輻合線發(fā)展至開(kāi)封地區(qū)東部，其北端形成輻合中心（圖1），輻合線上風(fēng)速水平切變加強(qiáng)，超級(jí)單體移經(jīng)此處時(shí)得到發(fā)展。

圖1 2017年8月9日20：00地面流場(chǎng)

3 多普勒雷達(dá)回波特征分析

初期，18：20 PPI上中牟南部、尉氏北部有兩個(gè)弱回波單體同時(shí)生成，隨后迅速發(fā)展增強(qiáng)并于18：42在尉氏境內(nèi)合并，此時(shí)中牟又有一個(gè)弱回波單體生成，其與合并的單體一起東移、發(fā)展。18：20—19：06，開(kāi)封西部與通許北部另有3個(gè)回波單體生成并發(fā)展；多個(gè)單體中，強(qiáng)度最強(qiáng)、范圍最大的是開(kāi)封的鉤狀回波，19：18中心最大強(qiáng)度已達(dá)到60 dBz（圖2a），是該次超級(jí)單體的主體。到19：24，多個(gè)單體與主體合并，在開(kāi)封、尉氏、通許三地交界發(fā)展成一個(gè)強(qiáng)大的鉤狀回波，中心最大強(qiáng)度68 dBz。此時(shí)開(kāi)始進(jìn)入該次天氣過(guò)程的最強(qiáng)時(shí)段（圖2b），沿風(fēng)暴移動(dòng)方向?qū)痉瓷渎室蜃幼龃怪逼拭骘@示，強(qiáng)的對(duì)流云體一直伸展到12 km以上，且存在有界弱回波區(qū)（BWER）。強(qiáng)的超級(jí)單體回波一直維持到20：06，這與觀測(cè)到的局地暴雨以及受災(zāi)民眾所描述的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)時(shí)段較為吻合；之后開(kāi)始分裂成若干個(gè)單體（圖2c），部分單體仍然有55 dBz，產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣并影響杞縣、商丘西部和周口東北部地區(qū)。

19：18的徑向速度圖（圖2d）上，通許西北部就開(kāi)始出現(xiàn)中氣旋，這與PPI分析的鉤狀回波特征相吻合；中氣旋一直持續(xù)到20：06，最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度超過(guò)28 m/s在19：42的通許中部，屬?gòu)?qiáng)中氣旋（圖2e）。中氣旋的存在說(shuō)明此地有強(qiáng)烈的輻合上升運(yùn)動(dòng)，是超級(jí)單體的標(biāo)志，也是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的重要信號(hào)。

圖 2 2017年8月9日1.5°仰角的基本反射率因子（a、b、c）和相對(duì)風(fēng)暴徑向速度（d、e、f）

4 強(qiáng)對(duì)流天氣與地面中尺度露點(diǎn)鋒

4.1 地面中尺度露點(diǎn)鋒的生成

露點(diǎn)相對(duì)于溫度是更加保守的量，露點(diǎn)分布與雷暴發(fā)生發(fā)展移動(dòng)都有密切的聯(lián)系［9］，露點(diǎn)鋒一般是季風(fēng)相關(guān)的暖濕氣流與干冷氣流相交而成的干濕不連續(xù)。用區(qū)域站逐時(shí)觀測(cè)資料分析影響本次過(guò)程的中尺度系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)對(duì)流發(fā)生前低層至地面均無(wú)明顯的輻合線或渦旋系統(tǒng)，但從河南省各站的溫度露點(diǎn)差（t-td）水平分布的變化可以看出，17：00豫東地區(qū)大體呈西干東濕態(tài)勢(shì)，干濕差距不大（圖3a）；18：00開(kāi)始，豫東t-td迅速增大，干燥程度普遍加重，而開(kāi)封南部出現(xiàn)濕中心，其西邊的鄭州干濕差距開(kāi)始加大；19：00強(qiáng)干舌（t-td≥8℃）東伸（圖3b），同時(shí)豫東北干中心南壓至開(kāi)封北部，尉氏至開(kāi)封形成“廠”字形密集帶，露點(diǎn)鋒初步形成；20：00干舌在鄭州增強(qiáng)成t-td為13℃的干中心（圖3c），露點(diǎn)鋒強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)；之后逐漸減弱并向東南移動(dòng)影響商丘西南部、周口北部地區(qū)，至23：00露點(diǎn)鋒消失，天氣過(guò)程也基本結(jié)束。

圖3 2017年8月9日河南地區(qū)t-td（實(shí)線）和T（虛線）的逐時(shí)分布（單位：℃）

從溫度場(chǎng)分析，冷中心與濕中心、暖中心與干中心配合都較為一致。19：00鄭州的溫度高達(dá)31℃，這是一個(gè)暖干舌分布，20：00鄭州比尉氏高出9℃，且暖中心與干中心已完全重合。19：00—21：00干暖空氣與冷濕空氣交綏于尉氏至開(kāi)封一帶，形成較強(qiáng)的露點(diǎn)鋒，該地區(qū)在這個(gè)時(shí)段內(nèi)爆發(fā)了64.9 mm的降水和雷電大風(fēng)。強(qiáng)對(duì)流天氣與地面露點(diǎn)鋒有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，降水和大風(fēng)出現(xiàn)在露點(diǎn)鋒前側(cè)的濕區(qū)內(nèi)，冷濕中心正好位于通許城區(qū)，而之后時(shí)段的天氣強(qiáng)度要弱得多。這就說(shuō)明隨著強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生，露點(diǎn)鋒所積聚的能量釋放的很快，使地面至低層的溫濕場(chǎng)也發(fā)生了快速的變化。

另外，在圖3上可見(jiàn)露點(diǎn)鋒的長(zhǎng)度在100 km左右，生命史約3 h，屬中-β尺度系統(tǒng)。但值得注意的是，該次過(guò)程中的露點(diǎn)鋒與常見(jiàn)的屬性配置不同。我國(guó)常見(jiàn)的露點(diǎn)鋒往往是暖濕空氣活躍北上，與干冷空氣形成局地的干濕不連續(xù)［10-11］；但該次過(guò)程中形成干濕對(duì)比的主導(dǎo)氣流并不是東南暖濕空氣，而是來(lái)自西側(cè)和北側(cè)的干暖空氣，推測(cè)可能與太行山南麓的過(guò)山西北氣流有關(guān)，也與孫淑清等［10］研究的北京一次突發(fā)暴雨過(guò)程中的干線相似。

4.2 地面露點(diǎn)鋒生成的環(huán)境條件

對(duì)9日形勢(shì)進(jìn)行中尺度分析，20：00（圖4）850 hPa存在露點(diǎn)鋒經(jīng)過(guò)開(kāi)封至通許一帶，同時(shí)有一個(gè)暖脊伸至通許附近；從925至500 hPa的槽前傾明顯，此時(shí)通許正處于地面鋒線前沿、高空鋒區(qū)內(nèi)，有利于垂直運(yùn)動(dòng)的迅速加強(qiáng)。低層露點(diǎn)鋒對(duì)應(yīng)地面中尺度露點(diǎn)鋒，又與地面中尺度輻合線（圖1）結(jié)合，觸發(fā)對(duì)流并使其迅速發(fā)展。而08：00河南中西部已出現(xiàn)一條東伸的干舌，這對(duì)強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

圖4 2017年8月9日20：00河南及周邊地區(qū)中尺度分析

5 強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)機(jī)制

通過(guò)對(duì)天氣形勢(shì)和地面露點(diǎn)的分析得知，地面中尺度輻合線和地面露點(diǎn)鋒都對(duì)該次強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展有一定的影響，為了進(jìn)一步探究強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)機(jī)制，對(duì)比分析了地面加密觀測(cè)資料的風(fēng)向與露點(diǎn)兩個(gè)要素。由雷達(dá)回波特征（圖略）分析可知，超級(jí)單體強(qiáng)勢(shì)期開(kāi)始于19：30，這也是實(shí)況大風(fēng)開(kāi)始出現(xiàn)的時(shí)間；區(qū)域氣象站分鐘風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)（圖5）顯示，在18：30之前開(kāi)封西北部已出現(xiàn)地面輻合線，而此時(shí)次對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)場(chǎng)中的干線并不明顯，其在19：00才開(kāi)始顯著發(fā)展。由此表明，雖然在該次超級(jí)單體強(qiáng)對(duì)流天氣中地面露點(diǎn)鋒伴隨著輻合線出現(xiàn)，但露點(diǎn)鋒是其主要的觸發(fā)機(jī)制［12-13］。

圖5 2017年8月9日鄭州東部至開(kāi)封全區(qū)區(qū)域氣象站觀測(cè)地面風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）

6 結(jié)論

1）該次超級(jí)單體天氣發(fā)生在貝湖低渦南部小槽東移發(fā)展環(huán)流形勢(shì)下，前傾槽結(jié)構(gòu)、地面中尺度輻合線與中尺度露點(diǎn)鋒為“17·8”過(guò)程發(fā)生提供了觸發(fā)機(jī)制，超級(jí)單體沿著地面露點(diǎn)鋒發(fā)展加強(qiáng)，并隨露點(diǎn)鋒移動(dòng)方向移動(dòng)。

2）該次超級(jí)單體過(guò)程中，地面中尺度露點(diǎn)鋒上有多個(gè)中小尺度對(duì)流單體初生、合并發(fā)展形成超級(jí)單體，超級(jí)單體中心最大強(qiáng)度達(dá)68 dBz。

3）該次過(guò)程中的中尺度露點(diǎn)鋒與我國(guó)常見(jiàn)的露點(diǎn)鋒不同，其并非暖濕空氣活躍北上后與干冷空氣形成的干濕不連續(xù)，而是來(lái)自西側(cè)和北側(cè)的干暖空氣為主導(dǎo)氣流形成的干濕對(duì)比。天氣發(fā)生前期伸出的干暖舌，對(duì)強(qiáng)對(duì)流的觸發(fā)預(yù)報(bào)有一定的指示意義。