冷平流强迫背景下攀枝花市一次雷暴过程综合分析

李典南 , 刘春艳 , 陈 婷

（1.贵州省气象台，贵阳 550002；2.四川省攀枝花市气象台，攀枝花 617000；3.四川省气象台，成都 610000）

引 言

雷暴是影响我国的重要灾害性天气之一，雷暴云的水平发展范围可达几千米至几十千米，垂直发展高度可达8～15 km，持续时间几分钟到几十分钟不等[1]，具有短时性和局地性。雷暴天气的发生通常伴随雷暴大风、短时强降水、冰雹甚至龙卷等一种或多种天气[2]，常给当地农业、通讯、建筑、交通及人身安全造成严重影响。

长久以来，国内外气象学者已对雷暴形成的天气背景和物理机制有了一定的认识。Charles[3]认为雷暴是带有雷电现象的深厚湿对流。陆汉城等[4]把雷暴描述为由各种物理条件相互作用形成的中尺度天气系统产生的结果，这些条件大体可总结为深厚且明显不稳定的气层、充沛的水汽以及适合的触发条件[5]。许爱华等[6]基于强对流天气的形成条件，通过综合分析将我国的强对流天气分为冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类和高架对流类。章国材[7]指出500 hPa环流形势是影响强对流天气发生发展的重要背景。西南地区地形复杂多样，除500 hPa环流形势外，局地环流对强对流天气的影响也不容忽视[8-9]。任景轩等[10]、郭善云等[11]等通过统计分析，发现四川西南山地地区由于日照强且温差大，加之地形抬升作用明显，十分容易产生雷暴天气，是四川省雷暴发生频率较高的地区之一。

攀枝花市（26°05′～27°21′N，101°08′～102°15′E）位于四川省西南山地地区，是全国唯一以花命名的城市，地处青藏高原东南缘、攀西裂谷中南段，属于以南亚热带为基带的季风气候，日照多且太阳辐射强，气候炎热干燥[12-13]。境内地形复杂多样，具有山高谷深、盆地交错分布的特点，受局地环流影响较大[14]。当地海拔介于937～4195.5 m，最大相对高度差超过3000 m，整个地势由西北向东南倾斜[15-16]，容易在中低层形成较强的垂直风切变，并产生切变线、气流辐合线等系统[17]。加之攀枝花市位于金沙江、雅砻江的交汇处，水利资源丰富，故容易在近地面形成高温高湿环境，有利于对流天气发生。

6～10月是攀枝花市的雨季，也是雷暴天气发生频率较高的时段[18-20]，11月～次年5月属于攀枝花市的干季，大环境场相对稳定、水汽不足，强对流天气发生较少。但在2020年4月13日，攀枝花市傍晚至夜间发生了一次强烈且影响范围大的雷暴天气过程，为全市各区县带来不同程度的冰雹、短时强降水和雷暴大风等天气，导致市内出现内涝灾害，交通严重受阻，各地瓜果农田均有受损，供电和通讯设施也受到不同程度的损坏。本文利用多种气象资料，对此次过程的高低空配置、探空图、各物理量特征、卫星云图和雷达回波特征进行综合分析，探讨本次雷暴天气的形成机理，以期为此类天气过程的预报预警及防灾减灾提供科学参考。

1 资料

本文所用资料主要包括：（1）欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）ERA5逐 6 h高空再分析资料，水平分辨率为 0.25°×0.25°；（2）美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）逐 6 h高空再分析资料，水平分辨率 2.5°×2.5°；（3）气象信息综合分析处理系统（MICAPS）提供的常规气象观测资料和ECMWF细网格预报场资料，主要包含高度、温度、相对湿度、风场、2 m温度、10 m风速和2 m露点温度等要素；（4）攀枝花市的FY-2G卫星相当黑体亮度温度（Black Body Temperature，TBB）资料和 714S 型号雷达提供的2.83°仰角反射率因子资料。上述资料时段均为2020年4月13日。

2 实况分析

据攀枝花市气象台《雨情通报》显示，2020年4月13日08时～14日08时，全市普降小到中雨，局地大雨，个别区县出现雷暴大风、短时强降水、冰雹等混合性强对流天气。13日08时，攀枝花市天气整体晴好，近地面受偏南风控制。午后凉山州可观察到对流云团生成发展，并逐渐增强、朝东南方向移动。17时左右攀枝花市北部边缘地区至凉山州南部地区开始出现冰雹天气。18时左右强天气落区移至攀枝花市米易县，该县境内最大冰雹直径达到5 cm，最大瞬时风速为22.1 m/s。随着对流云团继续移动，20时左右东区、仁和区也相继出现冰雹、短时强降水、雷暴大风等天气。此外，据监测统计，最大降水量出现在白坡乡、平地镇和永兴镇，分别为27.2 mm、25.0 mm和20.7 mm。14日凌晨，全市各地区降水逐渐减弱或停止，天气转好。

此次雷暴天气导致米易县、盐边县、仁和区、东区受到不同程度的冰雹灾害，当地樱桃、芒果、核桃、青花椒、蔬菜、油桃等多种农作物受灾严重，造成直接经济损失数千万元。

3 天气形势及探空分析

3.1 天气形势配置

2020年4月13 日08时，500 hPa欧亚中高纬大环境场呈两槽一脊环流形势，两槽分别位于欧洲和东亚地区，脊位于东西伯利亚地区（图1a）。四川省中部有一高原槽，08～20时高原槽东移，攀枝花市的位置从槽前转为槽后，从受槽前暖平流控制转为受槽后冷平流控制（图1b）。

从13日20时200 hPa环流形势（图1c）上看，西风带在青藏高原地区绕流，中高空500～200 hPa形成西北干冷气流顺高原槽南下的形势，西南地区为一冷槽，冷平流强迫明显。从高低空配置（图1d）来看，20时攀枝花市位于500 hPa高原槽槽后，风向偏北，受冷平流控制，有温度场落后高度场的特征，大气斜压特征明显。700 hPa云川黔三省交界处有一段风速超过12 m/s的西南急流，由于冷暖空气交汇和地形特征影响，云贵川渝四省之间形成切变线，攀枝花市位于切变线西北侧、西南急流出口区左前方，有利于高低空气流的耦合、气流抬升以及对流云的维持和发展。近地面至700 hPa水汽条件较好，西南气流带来的暖湿空气使攀枝花市近地面至700 hPa位于T-Td≤5℃的湿区内。此外，雷暴发生前期攀枝花市近地面受热低压控制，呈晴朗少云天气，随着日照加强和低层暖湿气流辐合，近地面气层增温增湿，为雷暴的形成和发展提供了良好的能量条件。总的来说，此次过程是典型的以高空强干冷平流为主导的冷平流强迫类雷暴天气过程[17]。

图1 2020年4月13日天气形势（a.08时，500 hPa；b.20时，500 hPa；c.20时，200 hPa；蓝色实线表示位势高度，单位：dagpm；红线虚线表示温度，单位：℃；箭头表示风场，单位：m·s-1）、高低空系统配置（d.20时）以及攀枝花市仁和站（站号：56674）模式探空（e.08时，f.20时）

3.2 探空分析

攀枝花市内的气象站点均属于国家一般观测站，无探空资料，故本文利用MICAPS系统绘制相关站点的模式探空曲线进行分析。选用的资料为ECMWF细网格预报场资料，具体时间为2020年4月13日08时起报的00场和20时起报的00场。选用的站点是位于攀枝花市南部的仁和站（站号56674），绘制出的探空曲线如图1e、f所示。

从 08～20时T-lnP 图（图1e、f）可看出，雷暴天气发生前后探空曲线呈X型，表征为不稳定特性。从水汽条件上看，08时和20时两个时次的大气层结水汽条件整体较好，其保持相对湿度≥80%的湿层分别位于 850～625 hPa、760～545 hPa，其中在 700 hPa附近均维持T-Td≤2℃的饱和状态。从风场特征上看，08～20时整层大气的风速随高度增长；08时风向在850～600 hPa随高度顺转，20时风向顺转高度增高到500 hPa，说明低层暖平流随时间增强；08时风向在600～200 hPa随高度逆转，20时风向逆转高度降低到500 hPa，说明中高层有冷平流维持并呈减弱趋势。这种“上冷下暖”的热力结构可使高低层温差加大，层结潜在热力不稳定能量增强。此外，在08时，700 hPa为6 m/s的西南风，500 hPa为16 m/s的西南偏西风；在20时，700 hPa为8 m/s的西南风，500 hPa为12 m/s的西北风，可见700 hPa和500 hPa之间垂直风切变呈增强趋势。从不稳定能量上看，08～20时CAPE值从0 J·kg-1增加至 557.5 J·kg-1，SI 指 数 从 1.22℃ 减 小 至-1.84℃，说明层结间不稳定能量随时间累积，有利于雷暴天气的发展和维持。再从特殊层结上看，08～20时仁和区0℃层高度从3.75 km升高至3.92 km，-20℃层高度从6.93 km降低至6.90 km，0℃、-20℃层的高度均满足降雹条件[17]；两个特殊温度层之间的厚度从3.18 km缩减至2.98 km，说明温度垂直递减率随时间增大，层结间热力不稳定能量增强。

4 物理量场特征

4.1 抬升条件

抬升条件是雷暴天气发生发展的重要条件之一。图2为4月13日08时和20时沿101°75′E所作的涡度平流垂直剖面。从08时（图2a）看出，攀枝花地区700～600 hPa有弱的正涡度平流，600 hPa以上转为负涡度平流，说明当前气流抬升较弱。在20时（图2b），从整体上看涡度平流正负值均有所增大，说明对流较08时更活跃，其中攀枝花市中北部-凉山州南部为正涡度平流大值区，在凉山州德昌县（27.7°N）上空480 hPa附近达到最大，中心值约为17.3×10-9s-2。从攀枝花市范围来看，中南部近地面至600 hPa为弱的负涡度平流，600 hPa以上转为随高度增大的正涡度平流；北部800 hPa以上为正涡度平流，且700～450 hPa涡度平流值随高度增大，450 hPa上约为6.1×10-9s-2。根据上述分析可知，相对于08时，20时气流上升运动有所增强。

图2 2020年4月13日沿101°75′ E的涡度平流垂直剖面（a.08时，b.20时，单位：10-9 s-2）

4.2 水汽条件

充沛的水汽供应是雷暴天气得以维持的条件之一。图3分别给出了4月13日08时和20时沿101°75′E的比湿和水汽通量散度垂直剖面。由图3a和b可知，08时和20时攀枝花市范围内近地面至700 hPa比湿均在6 g·kg-1之上，且各高度层上20时的比湿均大于08时的比湿。分析水汽通量散度垂直剖面（图3c和 d）可知，13日 08时（图3c），攀枝花市上空800～700 hPa为弱的水汽通量散度辐合区，辐合中心位于750 hPa附近，750 hPa以上辐合逐渐减弱并转为辐散。到了20时（图3d），大气中低层的水汽通量散度辐合辐散整体增强，表明这期间暖湿气流的本地输送较明显。20时辐合中心移至攀枝花市北部-凉山州南部上空750 hPa附近（图3d），这与比湿垂直分布特征基本相符，也与降水落区有较好对应（图略）。综上可知，虽然本次过程发生于4月，但攀枝花市上空大气层结水汽条件整体较好，相比于08时，20时本场的水汽输送更加明显。

图3 2020 年 4 月 13 日 08 时（a、c）和 20 时（b、d）沿 101°75′E 的比湿和水汽通量散度垂直剖面（a、b.比湿，单位：g·kg-1；c、d.水汽通量散度，单位：10-9g·hPa-1·cm-2·s-1）

4.3 不稳定条件

较强的不稳定能量是发展和维持雷暴天气不可缺少的条件。图4a、b给出了2020年4月13日08时和20时K指数分布。图4c、d给出了同一时间700 hPa和500 hPa之间的温差分布。从图4a、b可知，攀西地区（34.5°～37.5°N）K 指数随时间增大，其中攀枝花市K指数中心值从34.5℃增加至39.5℃，说明层结间具备较强的不稳定能量，且不稳定能量随时间增强。从图4c、d可知，攀西地区温差随时间增大，其中攀枝花市温差从15.7℃ 增加至17.3℃，700 hPa和 500 hPa之间的温度垂直递减率从5.9℃·km-1增大至6.5℃·km-1，表明大气热力不稳定能量随时间增强。可见，08～20时大气层结处于不稳定能量的累积过程。

图4 2020年4月13日08时（a、c）和20时（b、d）K 指数、700 hPa和 500 hPa温度差的空间分布（a、b.K 指数，c、d.温度差，单位：℃，黑色三角形为攀枝花市位置）

5 卫星云图和雷达回波分析

5.1 卫星云图分析

FY-2G卫星观测的相当黑体亮度温度（TBB）可较好指示对流云的生消过程[21]。TBB在有云区一般为负值，且负值越大，代表云顶越高，对流越强。图5为2020年4月13日14～22时攀西地区TBB逐小时演变。如图所示，4月13日14时攀西地区西北部有TBB≤-10℃的对流云团，此时凉山州开始出现零星降水（图5a）；随后对流云团向东南移动发展，并逐渐与周围零星云团合并聚拢，范围扩大且强度增强，形成东北-西南走向的带状云团（图5b、c）。17时位于降水中心区域上方的中尺度对流云团TBB值已经突破了-60℃，攀枝花市北部边缘地区-凉山州南部地区开始出现冰雹天气（图5d）。随着对流云团继续向东南移动，攀枝花市北部的盐边县和米易县也相继出现冰雹天气，并伴随短时强降水和雷暴大风（图5e）。18～20时，强对流落区从米易县延伸至东区、仁和区，自北向南继续出现冰雹、雷暴大风、短时强降水等混合性天气（图5e～g）。随后对流云团出现向周边辐散的趋势，整体强度有所减弱；21～22时，对流云团继续南下，强度减弱，过程趋于结束（图5h、i）。

图5 2020年4月13日14～22时攀西地区TBB逐小时演变（a.14时，b.15时，c.16时，d.17时，e.18时，f.19时，g.20时，h.21时，i.22时，单位：℃）

5.2 雷达回波分析

雷达是监测实况天气的重要手段，雷达回波的发展走势对雷暴天气的监测和预警具有很好的指导意义[22-23]。由图6可知，在17:59，强度超过40 dBZ的回波云团位于攀枝花市盐边县中部-米易县西部，呈不规则块状或带状，盐边县和米易县交界处的回波大值区呈现前后侧的“V”字形状槽口特征，最大强度超过50 dBZ（图6a）。随时间推移，回波朝东南方向移动，18:39已到达米易县得石、普威一带，回波中分布有多个较强单体，“V”字形状有减弱趋势，最大强度依旧维持在50 dBZ左右（图6c），18:59后带状回波分裂为块状，回波大值区与冰雹的落区情况一致（图6d）。随后回波继续向东南移动，强度维持，东区、仁和区在19:19左右依次出现冰雹、短时强降水和雷暴大风天气，冰雹落区与回波大值区也有较好对应（图6e、f）。20:00之后雷达回波整体呈减弱趋势，全市转为以雷雨天气为主（图6g、h），21:00过后过程趋于结束（图略）。

图6 2020年4月13日17:59～20:19攀枝花市714S雷达2.83°仰角逐20min反射率因子分布（a.17:59，b.18:19，c.18:39，d.18:59，e.19:19，f.19:39，g.19:59，h.20:19，单位：dBZ）

6 结论

本文利用欧洲中心ERA5再分析资料、NCEP再分析资料、卫星和雷达资料，以及MICAPS气象资料，综合分析了2020年4月13日攀枝花市发生的冷平流强迫类雷暴天气过程，得到如下主要结论：

（1）影响本次雷暴天气过程的主要系统为200 hPa高空急流、500 hPa高原槽、700 hPa切变线、700 hPa西南急流以及地面辐合线。本次过程发生时，攀枝花市位于500 hPa高原槽槽后，槽后干冷平流为本次过程起主导作用。700 hPa弱的西南急流为本地输送暖湿空气和不稳定能量，中低层切变线及地面辐合线促进暖湿气流的辐合抬升，加之前期近地面热低压控制，为本次冰雹、短时强降水、雷暴大风的混合性雷暴天气创造了有利条件。

（2）本次雷暴过程影响区域的大气层结满足“上冷下暖”热力结构，中低层垂直风切变随时间增强，0℃和-20℃层高度满足降雹条件，气流呈现低层辐合与中高层辐散特征，中低层水汽条件较好，K指数、700～500 hPa温度垂直递减率反映的层结不稳定能量随时间增强。

（3）对流云团从凉山州西北部开始生成，朝东南方向移动发展并影响攀枝花市，17～20时全市各地出现以冰雹天气为主的不同强度灾害性天气。雷达回波发展走势与卫星云图反映的情况一致，回波移动过程中出现倒“V”字型特征，最大强度超过50 dBZ。