闵颖，孙绩华，王曼，朱莉，王治国，杨倩媛
(1.云南省气象台，昆明 650034；
2.中国气象局横断山区(低纬高原)灾害性天气研究中心，昆明 650034；
3.云南省气象科学研究所，昆明 650034)
对流风暴具有突发性，一经触发，迅速发展，由其产生的冰雹、雷暴大风、短时强降水和龙卷等强对流天气局地性强且强度高、致灾性强，严重威胁人民生命财产安全。如何判断风暴的发生、演变、未来移动路径及可能造成的灾种等问题，不仅是短临预报难点，也是国内外许多专家研究的重点。Wilson等(1986)通过对美国东部雷暴的研究发现，边界层辐合线是雷暴生成和发展的主要原因。刁秀广等(2009)、张一平等(2014)、唐钱奎和张涛(2019)、于怀征等(2020)的研究结果也印证了此观点。王彦等(2012)指出单一边界层辐合线一般不能形成大范围的雷暴天气；
两条以上边界层辐合线之间碰撞，一般在碰撞交叉处能够形成强对流天气，若已存在强对流天气，则强对流天气将加强。此外，边界层急流也是触发强对流天气的重要机制之一(顾问等，2011；
陈元昭等，2016；
白慧等，2020)。
目前业务上强对流的预报预警工作分为潜势预报和临近预警。潜势预报主要是基于Doswell等提出的“配料法”(俞小鼎，2011；
樊李苗和俞小鼎，2013；
章丽娜等，2014；
何钰等，2018；
李强等，2019a)，进行中尺度环境条件分析，包括水汽、不稳定条件、抬升条件和垂直风切变大小等。临近预警则需要借助高分辨率的气象卫星、多普勒天气雷达、风廓线雷达、自动站资料对强对流的演变特征进行监测并发布强对流预警(王晓峰等，2014；
李强等，2019b；
杨晓亮等，2020)。
云南省文山市位于滇东南，东南近北部湾，西南邻孟加拉湾，境内地形地貌复杂，总体地势西北高、东南低，特殊的地理位置决定了3—4月冷暖空气易在此交汇，极易发生强对流天气。李英和舒智(2000)研究表明云南春季大范围的强对流天气多与昆明准静止锋的活动有关，并对云南两次西进静止锋前的大范围风暴的中尺度扰动特征进行研究；
白波等(2006)对南压冷锋前强对流天气进行了环流及雷达回波特征分析，指出处于冷锋前的曲靖，当具备有利的温湿条件和极不稳定能量时,极易生产强对流天气。以往的研究多是对冷空气加强并移动到暖湿下垫面上空时激发的锋前强对流天气进行分析，而对静止锋东退减弱、副热带高压(以下简称副高)西进北抬过程中造成的锋前局地强对流天气过程研究较少，预报员对此类背景下发生的强对流天气也容易造成漏报。本文利用常规观测资料、0.25°×0.25°逐时ERA5资料、逐时和逐5 min自动站资料、FY-4A高分辨率卫星云图资料和红河双偏振多普勒天气雷达资料，从大尺度环流背景和中尺度特征等方面对2021年4月28日午后发生在云南省文山市的一次局地强致灾风暴过程进行分析，旨在加强对该类背景下风暴过程的认识，为灾害性天气的监测和预警提供一定的参考依据。
2021年4月28日13∶00—16∶00(北京时，下同)，云南省文山市出现局地强风暴天气。图1为28日文山市强对流天气分布图，从中可见，12∶59—13∶55文山市城北出现36次负地闪，之后雷暴沿盘龙河自西北向东南移动，穿越地势低洼的整个城区。此次过程的主要特点可概括为：(1)小时雨量大。全市21个自动气象站中有6站出现了20 mm·h-1以上的短时强降水，占全市自动气象站的28.57%。(2)降雨时段集中且强度大。从出现短时强降水的5个站(有6个站点出现短时强降水，其中华龙湖的5 min数据有缺测)14:15—15∶45逐5 min降雨变化图看，有4站次超过10 mm，其中最大为文山14∶55—15∶00的14.3 mm(图2)。(3)伴有冰雹天气。据目击者称，文山城区及周边乡镇多处发生冰雹灾害，主要集中在14∶30—15∶30，城区降雹主要集中在14∶48—15∶08左右，大小约1～2 cm左右，且从冰雹路径看，呈现“雹打一条线”的特征。(4)灾情严重。本次强对流过程受灾人口12 577人，城区多条道路内涝。农作物受灾面积852.08 hm2，成灾面积586.01 hm2，绝收面积181.35 hm2；
民房一般损坏29间，300余车辆不同程度受损。直接经济损失3 639.41万元。从2013—2019年云南省125个国家站的强对流天气记录看，共有81站次出现雨雹，呈现“雨雹齐发”特征。综上可知，这是一次自西北向东南移动，具有突发性、局地性且罕见的强致灾中β尺度对流天气过程。
图1 2021年4月28日文山市强对流天气分布图(红色正号表示正地闪,蓝色负号表示负地闪;绿色实心圆表示短时强降水,黄色数字代表短时强降水发生时间;黑色倒三角表示冰雹;填色表示地形)Fig.1 The severe convective weather occurred in Wenshan city on 28 April,2021(Red positive sign indicates positive ground flash,blue negative sign indicates negative ground flash,green dot indicates short-time strong rainfall,yellow numbers represent occurrence time of short-term heavy precipitation,dark inverted triangle indicates hail,and color filling indicates Wenshan city terrain).
图2 2021年4月28日14:15—15:45出现短时强降水的5个站点逐5 min雨量(单位:mm)Fig.2 The 5-min rainfall amount(unit:mm)at the stations with short-time rainfall from 14∶15 BT to 15∶45 BT on 28 April 2021.
2.1 大尺度环流背景
图3为2021年4月28日08∶00高空综合分析图，从中可见，200 hBa上西南高空急流轴位于云南西北部至重庆东北部一线，云南大部地区处于高空急流入口区右侧的辐散区，辐散中心位于文山州西部，强度达13×10-5s-1。500 hBa上副高588 dagpm线较27日北抬西进，脊线位于16.5°N，西脊点位于102.7°E，滇南受脊线北侧西南暖湿气流控制。东亚大槽较前12 h向偏东方向移动，槽底伸至渝黔交界处，温度槽落后于高度槽，槽后冷平流有利于地面冷空气南下。700 hBa上云南东北部为青藏高原高压东南侧东北/偏东气流与副高北侧的偏西气流在黔南-滇东北南部-川西南形成东西向的切变线，由于切变线南北两侧高差不大，切变线南压缓慢，13∶00压至滇东中部一带(图略)，整个滇东地区为温度露点差≤4℃的湿区，低空急流穿越文山市北部，急流轴的北侧为低层辐合区。850 hBa偏东气流与西南/偏南气流在桂中交汇，形成一条东西向切变线，切变线北侧的东风逐渐转为东北风，且滇桂间风速增大，使得切变线西段南压，在11∶00进入文山市东北部附近，之后自东北向西南移动，于15∶00左右基本移出文山市，文山市转为东北/偏东气流。因此，低层切变线在此次强对流过程中成为有利的动力抬升条件。
图3 2021年4月28日08∶00高空综合分析图(黑色边界为云南省,蓝色边界为文山州边界,绿色边界为文山市边界)Fig.3 The comprehensive analysis of upper air at 08∶00 BT on 28 April 2021.(Black boundary indicates Yunnan Province borderline,blue boundary indicates Wenshan state borderline,and green boundary indicates Wenshan city borderline).
图4为2021年4月28日地面图和可见光云图。08∶00(图4a)中心强度达1 037.5 hBa的地面冷高压(G)位于青海西南侧，冷高压南侧到达川北，川东-黔-滇东为冷高压底部东北气流控制，冷空气以东北路径影响云南，静止锋位于昆明市中部至文山州南部，静止锋云系西边界较为光滑，文山站处于锋后，温度为18℃。11∶00(图4b)静止锋北段少动，位于文山州的南段减弱北抬至文山市以北，文山市附近云量减少，文山站的温度升至22℃，同时，滇中以西的1 010 hBa热低压(D)中心生成。14∶00(图4c)随着午后太阳辐射的加强，滇中以西的热低压(D)中心范围迅速扩大，暖气团势力增强，使得静止锋北段明显东退，南段稳定少动，静止锋云系西边界变得不光滑，呈现锯齿状，文山市北部有积雨云团生成，出现暗影特征，文山站温度进一步升高至24℃，比其西侧和南侧地区温度偏高3~5℃，地面快速增温使得层结不稳定度进一步增强。综上，高层辐散、低层辐合、低层切变线的动力抬升作用以及地面热力条件的改善，均有利于对流天气的发生。
图4 2021年4月28日08∶00(a)、11∶00(b)和14∶00(c)地面图和可见光云图(等值线表示等压线,单位:hPa;蓝色空心箭头表示冷空气的移动路径;白色G表示高压中心;红色D表示低压中心;蓝色边界为文山州边界,绿色边界为文山市边界)Fig.4 The pictures of surface and visible satellite image on 28 April 2021 at(a)08∶00 BT,(b)11∶00 BT and(c)14:00 BT(Isoline indicates isobaric line,unit:hPa,blue hollow arrow indicates the moving path of the cold air,white G indicates the center of high pressure,red D indicates the center of low pressure,blue boundary indicates Wenshan state borderline,and green boundary indicates Wenshan city borderline).
2.2 中尺度环境条件分析
图5为2021年4月28日08∶00订正前后蒙自探空站T-ln p图。从图5a可见，08∶00湿层从地面伸展至650 hBa附近，中层干层明显，呈现上干下湿的“喇叭口”分布。受静止锋影响，08∶00蒙自近地面层有逆温，研究表明低层逆温对水汽在垂直方向的分布(低层积聚)有重要影响(章丽娜等，2014)，同时也有利于不稳定能量的积聚(于怀征等，2020)。08∶00蒙自CABE值为257.7 J·kg-1，K指数为36.6℃，未达到云南斜压类短时强降水的标准(何钰等，2018)。从风随高度的变化来看，地面至786 hBa之间风向随高度顺时针旋转，786—729 hBa之间风向随高度逆时针旋转，729—670 hBa之间风向随高度顺时针旋转，670—539 hBa之间风随高度逆时针旋转，说明低层有暖平流而中层有冷空气侵入，形成上冷下暖的形势。上干冷、下暖湿，CABE呈现条状是云南出现雷雨大风和短时强降水的典型配置。0℃层和-20℃层的高度分别为4.73 km和7.86 km，0℃层高度略高于蒙自站冰雹阈值(3.3—4.7 km，平均4.5 km)，-20℃层适宜，同时对流层下层较湿，中层较干，是出现冰雹的特征。通过计算得出0—6 km深层垂直风切变达到15.39 m·s-1，属于中等以上强度垂直风切变，有利于对流风暴组织化发展。从图5b可见，采用文山午后的温度、露点对08∶00蒙自探空进行订正后发现，CABE值从11∶00开始明显增大，超过1 000 J·kg-1，且在对流发生前14∶00达到1 836.9 J·kg-1，CABE越大，对流发展的高度就越高，对流越强烈。
图5 2021年4月28日08∶00订正前(a)、订正后(b)蒙自探空站T-ln p图Fig.5(a)Unrevised and(b)revised T-ln p diagram at Mengzi station at 08∶00 BT on 28 April 2021.
图6为2021年4月28日13∶00 850 hBa比湿、风场及500 hBa与700 hBa的假相当位温差θse(500-700)。从图6a、b可见，28日13∶00受副高外围气流影响，直接通过偏南气流或高压外围绕流将北部湾水汽向滇东南输送；
同时由于过程发生前两天受南支槽和静止锋的共同影响，滇东南出现降水天气，局地水汽较好，850 hBa比湿可达12 g·kg-1。随着静止锋东退减弱以及太阳辐射作用的增强，砚山西部和文山东部地面气温逐渐升高，14∶00文山主城区气温超过25℃，地面露点温度仍然维持在17℃左右，并没有因为午后受边界层湍流作用而降低，证实午后低层水汽条件有所加强(图略)。从图6c、d可见，短时强降水区域出现在θse(500-700)负的极值中心西侧，表明地面气团逐渐转为高温高湿不稳定状态。
图6 2021年4月28日13∶00 850 hPa比湿(填色,单位:g·kg-1)、风场(风羽)(a,b)以及500 hPa与700 hPa的假相当位温差θse(500-700)(c,d,单位:℃)(图b、d分别是图a、c相应区域的放大图,黑色框代表文山州范围,红色框代表文山市范围,红色圆点代表文山市出现短时强降水的站点)Fig.6 The(a,b)specific humidity(shaded,unit:g·kg-1)and wind(barb)on 850 hPa and(c,d)θse(500-700)(unit:℃)at 13:00 BT on 28 April 2021(Fig.b,d are enlarged views of the corresponding regions of Fig.a,c,respectively.Black frame indicates Wenshan country,red frame indicates Wenshan city,and red dot indicates the stations occurred short-time strong rainfall in Wenshan city).
2021年4月28日午后，文山中东部已具备明显的层结不稳定和充足的能量条件，只需触发条件就能产生强对流天气。由于文山市逐5 min自动站仅有文山站，因此采用逐时加密自动站进行分析。13∶00(图略)文山市东侧的东南气流从其南部喇叭口地形开口处(图1)进入后，穿越河谷盆地吹向其北部低山丘陵区。在喇叭口地形和北部低山丘陵区的共同作用下，增强了边界层内风场的辐合和上升运动。同时，静止锋后东南/偏东气流与锋前西南/偏南气流在砚山-文山-马关形成西北-东南向β中尺度地面辐合线。在地面辐合线上，砚山县西部-文山市北部的低山丘陵区有对流被触发。图7为28日14∶00—15∶00红外云图和地面辐合线，从图7a可见，14∶00德厚因降水造成较强升压降温(2.5 hBa·h-1，-6.9℃·h-1)，文山北侧有雷暴高压(G)生成，高压前侧出流与偏南气流形成新的东-西向中β尺度地面辐合线，同时午后在该辐合线南侧的地区气温升高，加大了辐合线附近的温度梯度，在等温线密集带上形成了明显的偏北风(马塘镇和雷达山出现8 m·s-1的偏北风)，而之前的西北-东南向辐合线南缩，中γ尺度对流云团在之后1 h内在缓慢东南移动过程中发展为中β尺度，云顶亮温达到-57℃，强度加强，位于云团西侧亮温梯度大值区的文山市中部出现明显的1 h降雨量(喜古乡24.6 mm、华龙湖20.1 mm、文新大道21.7 mm、盘龙体育城17.9 mm、文山14.3 mm)。到15∶00(图7b)雷暴高压南压，文新大道出现-13.2℃·h-1的降温，文山出现3.7 hBa·h-1的升压，东西向辐合线也随之南压，辐合线南侧的文山南部温度较高，对流云团维持中β尺度但主体加速东南移，云顶亮温下降到-66℃，在云团西南侧亮温梯度大值区的文山市东南侧又出现明显的1 h降雨量(文新大道11.2 mm、盘龙体育城12.5 mm、文山14.5 mm、追栗街镇21.7 mm)。16∶00(图略)，中β尺度对流云团主体快速向东南方向移出文山州西部六县，其西段在文山、砚山和西畴交界处的云顶亮温仅-18.6℃，其南侧地区地面气温基本都小于20℃，对流难以再次加强，文山市的强风暴天气结束。
图7 2021年4月28日14∶00(a)、15∶00(b)文山州西部六县红外云图和地面辐合线(黑色椭圆表示冷高压;蓝色G表示雷暴高压中心;蓝色风羽表示风场;红色虚线表示等温线,红色N表示暖中心;叉划线表示地面辐合线;蓝色边界为文山市边界;色标表示云顶亮温,单位:K)Fig.7 The pictures of infrared cloud image and surface convergence line on the western Wenshan state at(a)14∶00 BT and(b)15∶00 BT on 28 April 2021(Black ellipse indicates cold and high pressure,blue G indicates the center of thunderstorm high,blue barb indicates wind field,red dotted line indicates the isotherm,red N indicates warm center,cross dash indicates the ground convergence line,blue boundary indicates Wenshan city borderline,and color code indicates the cloud top brightness temperature,unit:K).
此次强对流过程因文山雷达站大修，采用红河雷达站进行分析，两地间隔100 km左右，对雷达回波特征的分析会有一定不利影响。通过分析发现，此次过程由单单体风暴造成。图8为28日12∶54—14∶52红河双偏振多普勒雷达0.5°仰角反射率因子和垂直剖面分布。12∶24(图8a)，在雷达65°—68°，距离71—79 km处有孤立的单单体形成，中心强度仅为30.5 dBz，此后回波向东南方向移动。13∶00(图8b)，对流单体进入文山市北部，回波面积明显加大，中心强度达到46 dBz(73.4°，79.1 km)。13∶23(图8c)，单体在缓慢东南移动过程中发展，回波边界变得清晰，中心强度达到51 dBz(76.2°，80.1 km)。13∶29—14∶05(图略)，回波强度有所减弱，回波以东移为主并伴有缓慢南压，回波进入文山市北部后东移的过程与文山市北部出现负地闪的时间段较为吻合(12∶59—13∶55)。此后对流单体南移过程中在喜古乡附近迅速发展，至14∶17(图8d)，回波中心强度迅速增强至55 dBz；
从此时对应的高显回波来看(图8g)，强回波柱明显倾斜，50 dBz以上的回波高度已达到5.9 km，其下方为低于47 dBz的弱回波区，代表中低层有强上升气流。14∶35(图8e)距离测站110.6 km、方位89.4°处的回波中心强度迅速增强至59 dBz，出现旁瓣回波和前侧“V”型缺口，当风暴核径向外侧有真实回波而三体散射不清晰时旁瓣回波可较好地预示冰雹的出现，前侧“V”型缺口回波表明有强入流气流进入上升气流；
从此时对应的高显回波来看(图8h)，最大回波顶高已达到12.5 km，并出现上冲云顶，表明此时雷暴处于发展阶段，上升气流强盛，同时也出现旁瓣回波，即“假尖顶”回波特征，50 dBz以上的强回波柱进一步向上伸展到6.3 km附近，但未超过08∶00的-20℃层高度(7.86 km)，表明对流发展不够旺盛，难以形成大冰雹，而以小冰雹为主。之后的三个体扫，风暴单体在缓慢东南移动过程中，最大回波强度一直维持在58.5 dBz以上，垂直方向上也一直保持倾斜结构和“假尖顶”回波特征，这一阶段(14∶35—14∶52)是风暴发展最旺盛的阶段，也是文山市主城区天气变化最剧烈的时段，这一阶段VIL值从11.9 kg·m-2增大到16.1 kg·m-2，表明云中含丰富的水汽，有利于雹胚的碰并增长。14∶52(图8f)强回波中心位于文山市区上方，文山市主城区持续出现冰雹天气。之后回波强度开始减弱，对流单体移出文山市，文山市的强对流天气趋于结束。
图8 2021年4月28日12∶24(a)、13∶00(b)、13∶23(c)、14∶17(d)、14∶35(e)和14∶52(f)红河双偏振多普勒雷达0.5°仰角反射率因子及其14∶17(g)、14∶35(h)的垂直剖面图(单位:dBz,反射率因子图中的白色实线为对应时刻垂直剖面沿线,垂直剖面分布图中纵坐标的高度不包含雷达站海拔高度2 479 m)Fig.8 The pictures of reflectivity on 0.5°elevation at(a)12∶24 BT,(b)13∶00 BT,(c)13∶23 BT,(d)14∶17 BT,(e)14∶35 BT and(f)14∶52 BT,and vertical profile at(g)14∶17 BT and(h)14∶35 BT of Honghe dual polarization doppler radar on 28 April 2021(unit:dBz,the white line in the reflectivity factor diagram is the section taken from the vertical section at the corresponding time.The 2 479 m altitude of the radar station is excluded from the ordinate in the vertical profile).
本文从环境条件、演变机制以及雷达回波特征等方面，对2021年4月28日午后发生在文山市的局地强风暴过程进行了分析，得到以下主要结论：
(1)此次风暴天气过程具有明显的突发性，虽然影响范围小，但降雨时段集中、雨强较大，过程中伴有明显冰雹天气，且有多站出现“雨雹齐发”、“雹打一条线”的特征，罕见的强对流造成严重的灾情。
(2)此次过程发生在静止锋东退后的锋前暖区中，中等以上强度垂直风切变、层结不稳定和大的CABE值为强对流天气的发生提供了有利的环境条件。
(3)砚山西部-文山北部的初始回波在地面辐合线和有利地形的共同作用下得以触发，其在东(南)移动过程中逐渐发展，形成中尺度冷高压，高压出流边界与下游近似相向风场(偏东风或偏南风)形成的边界层辐合线有利于风暴的进一步发展成熟，造成文山市区“雨雹齐发”，其移动方向前方的相对低能区不利于对流的再次发展，使得回波在向东南方向移动的过程中逐渐减弱。
(4)造成该过程的单单体风暴在发展最旺盛的阶段，最强回波达到59 dBz，回波顶高达12.5 km，VIL值出现跃增，反射率因子图中出现前侧“V”型缺口、旁瓣回波，高显回波上出现回波前倾、弱回波区和上冲云顶等典型特征，但50 dBz以上回波发展高度没有超过-20℃层高度，回波发展不够旺盛，以小冰雹为主，且局地性强。
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