祁宏 武林 黄静 汤淼 枚雪彬
摘要：为进一步探究宜昌市复杂地形下下击暴流的形成机制，利用常规气象观测资料、区域站观测资料、FY-4B卫星资料和多普勒天气雷达资料，对2023年8月22日湖北省宜昌市远安县一次下击暴流过程进行分析。结果表明：① 此次下击暴流伴随着气压陡升、气温骤降、风向突变、风速骤增的现象，发生在高空冷槽后部偏北气流控制下，垂直方向呈现“上冷下暖”的不稳定结构，中尺度地面辐合线、午后的加热、冷空气的侵入共同触发了当日的对流；
② 中尺度对流云团的发展、合并造成了远安县此次强对流天气，下击暴流的产生同时伴随云体结构快速坍塌及云顶温度骤降的特征；
③ 此次下击暴流显示以传播方式触发新生对流的多单体强风暴特征，且出现深厚的中层径向辐合、回波悬垂及有界弱回波特质。差分反射率因子柱（Zdr柱）、差分相位常数（Kdp）缺值区等双偏振参数特征对当日对流天气具有一定指示意义。
关键词：下击暴流；
双偏振参数；
中尺度分析；
气象观测；
宜昌市
中图法分类号：
P458.3
文献标志码：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.007
0引 言
下击暴流是对流发展成熟时产生的强下沉气流，到达地面时便形成风速达17.9 m/s（8级）以上的灾害性大风，是一种突发性强、破坏性大的强对流天气之一［1-2］。Fujita等［3］将下击暴流分为微下击暴流（水平辐散尺度小于4 km，强阵风持续时间为2～10 min）、宏下击暴流（水平辐散尺度大于等于4 km，强阵风持续时间为5～20 min）。由于下击暴流存在突发性、局地性强、形成机理复杂等特征，加之实际业务中观测资料精度不够很难捕捉到其天气过程中的中小尺度信息，因此下击暴流天气预报预警是当前短时临近预报业务的难点［4-5］。
下击暴流通常伴随强烈降水，包括大风和冰雹，近年来，不少气象学者利用新一代天气雷达数据对此类强对流天气进行了个例分析［2，5-6］。如夏羽等［1］对湖北省一次下击暴流大风个例的研究表明，其发生前雷达回波呈现典型的脉冲风暴特征，大风主要发生在雷暴冷出流最强处。王艳春等［7］研究了2017年天津市一次下击暴流成因，认为降水粒子的拖曳作用对两次下击暴流大风的发生均起到重要作用。吴福浪等［8］利用中尺度数值模式WRFV3.6模拟2017年7月12日宁波市的一次微下击暴流过程，发现低层位涡扰动加强了垂直运动，中低层位涡异常增大区与雷暴强降水区域有较好对应关系。李晓荣［9］、陶岚［10］等认为脉冲风暴在成熟坍塌时以下击暴流形势造成强的辐散气流，在地面形成冷池密度池与环境温度产生的气压梯度力有利于加强大风风速。王一童等［11］研究了致灾大风的超级单体回波特征，认为一般单体和脉冲风暴多产生单个下击暴流，超级单体风暴可间歇性产生多个下击暴流，多单体风暴也可产生系列下击暴流。
2023年8月22日在宜昌市远安县发生了一次下击暴流事件，造成的灾害性大。本文通过常规的观测资料、卫星、雷达资料对此次下击暴流的大气环流背景及影响系统进行分析，还利用多普勒雷达的双偏振参量进一步探究其发生发展机制，以期提升宜昌地区针对下击暴流造成的灾害性天气的预报预警能力。
1实况特征
8月22日傍晚前后，宜昌市远安县出现雷雨大风、短时强降水、冰雹。据自动站监测显示，最大小时雨量达42.7 mm（22日18：00～19：00），伴随5～6级、局部11级阵风，均出现在远安国家站，极大风速为31.8 m/s（11级，22日18：54），具有持续时间短、极端性强、强降水及大风落区集中、灾害天气种类多的特点。
分析远安国家站逐5 min温度、气压、雨量、平均风速演变图（图1）发现，气温下降时间与风速增加、风向突变、气压增加的时间基本一致，略提前于降雨，气温最大变幅出现时间（18：35～18：40）明显提前于气压和风速增幅最大出现时间（18：50～18：57），远安站平均风速在18：25～18：30由0.8 m/s升至6.7 m/s，风向由偏南风转为东北风，气温从34.7 ℃降至33.9 ℃。18：45升至13.5 m/s，风向由东北风转为偏东风，气压由986.3 hPa升至987.5 hPa，气温降至25.1 ℃，达到本次极端天气气温降幅最大时段，同时远安站开始出现降水并迅速增强，15 min降雨量12 mm，至18：54平均风力迅速加强至22.1 m/s，风向突变为北风，气压增速达到最大，18：55～18：57增幅1.7 hPa，维持10 min后，19：05逐渐减弱至12.5 m/s，风向随之转为西南风。
实况监测到的远安国家站极大风速显示（图略）：远安站极大风速在18：25～18：30由3级升至5级，18：45升至8级风（18.1 m/s），18：54时风力迅速加强至31.8 m/s（11级），19：05逐渐减弱至20.6 m/s（8级）。在风力最强时段，徐家庄站、徐家棚站、雷电站同步出现5～6级风，且风向均为偏北风，持续时间大致15～20 min，伴随短时强降水和冰雹，可判断为一次下击暴流事件。
2成因分析
2.1环流背景分析
从8月22日08：00 500 hPa高空图（图2）可以看到，高纬度地区为两槽一脊，东部的高空冷槽维持在中国内蒙古东部地区，中心强度561 gpm，副高主体南退至华南沿海一带，大陆高压位于川西高原地区，且温度槽脊落后于高度槽脊，最大冷中心强度为-18 ℃。宜昌市处于高空冷槽后部西北气流中，该气流带动弱冷空气南下。中低层均受偏北气流控制，但700 hPa存在明显的冷平流输送，宜昌站12 h变温为-3.2 ℃；
850 hPa和925 hPa北风减弱，宜昌地区处于暖区控制下，12 h变温分别为0.4 ℃和1.9 ℃，宜昌站925 hPa的气温达26 ℃，呈现“上冷下暖”的垂直不稳定结构。此外，鄂西北存在一明显的冷中心。
从地面图（图略）上分析，22日08：00宜昌受低压后部均压场控制，地面主导风向为偏北风，宜昌市东部县市低温26～27 ℃（远安26 ℃）；
午后气温迅速超过35 ℃，为对流的发生发展积累了大量的不稳定能量。且宜昌市东部地区由北风转为偏南风，时间持续至17：00左右，在上游襄阳地区弱偏东北气流的作用下，在该市北部形成了弱的中尺度辐合线（风场辐合）（图3），存在辐合抬升条件，同时带动鄂北弱冷空气沿远安沮河河谷南下，触发局地对流的发生发展。GPS可降水量（图4）显示宜昌市当日可降水量在30～40 mm，17：00远安县局部可降水量有所调强，与当日强对流落区较为一致，但整体水汽条件较差，说明当日的对流类型可能是以雷暴大风为主的天气。
2.2垂直结构分析
22日08：00宜昌站的探空图（图5）显示：近地面存在浅薄湿区，湿层厚度304.9 m，925 hPa以上为干层，低层逆温明显，利于能量的累积［12］。抬升凝结高度较低，但自由对流较高，层结曲线呈现向上开口的喇叭口形状，存在“上干冷，下暖湿”的特征，有利于雷雨大风的发生。08：00宜昌站的对流有效位能（CAPE）为575 J/kg（用宜昌站14：00气温35 ℃订正后，达到3 039.6 J/kg），说明具有很强的对流潜在能量，K指数为29.6 ℃，850～500 hPa温差25.3 ℃，层结较为不稳定，较利于对流天气发生；
0～6 km的垂直风切变5.2 m/s，垂直风切弱，对流组织性较弱。
虽然此次极端天气过程发生在22日18：00～19：00，但可以通过20：00的探空图定性分析当日大气层结的演变趋势。此时环境中不存在逆温，K指数高达40.9 ℃，SI指数为-2.77 ℃，不稳定性和本地水汽条
件增强；
垂直风切变10.2 m/s，抬升指数由-2.6 ℃降低至-5.2 ℃（表1），抬升条件变好，本地比湿条件也略增强，发生对流的潜势增强。且0 ℃湿球高度持续位于3～4 km高度，较有利于产生冰雹。
因此，在22日较有利的大尺度天气背景条件下，午后的辐射增温使对流潜在能量和大气不稳定性增强，在辐合条件较好的区域容易出现局地强对流天气。而弱的环境风垂直切变（08：00，0～6 km垂直风切变为5.2 m/s），使得当天的对流风暴结构较为松散。
3中尺度特征分析
3.1卫星云图分析
从高时空分辨率FY-4B气象卫星真彩云图（图6）的演变发现，β中尺度对流云团的发展、合并造成了宜昌市此次强对流天气，下击暴流的产生同时伴随云体结构快速坍塌及云顶温度骤降的特征。
（1） 云团初生。22日13：45在远安西县侧、北侧、北部乡镇有3个孤立对流云团A、B、C（图6（a）），远安县及周边多分散性碎积云、浓积云、淡积云。14：30云团A东移并于远安县西侧发展，B于远安县外北侧发展加强，C在远安县内河口乡一带发展（图6（b））。15：00对流云A进一步向南发展、B与C在远安河县口乡、洋坪镇一带合并为D（图6（c）），造成该地区有27 mm/（10 min）降水。
（2） 云团发展。15：00之后D与A合并为带状云团D1（图6（d）），对流系统缓慢南移，同时远安县外北侧不断有新对流云团生成并南下，15：45与D1合并为D2（图6（e））。此后D2在远安县东北部稳定少动（图6（f）、（g））。直至18：00，D2分裂为河口乡、洋坪镇一带D3，以及茅坪场镇、鸣凤镇一带D4（图6（h））；
18：15时D3保持稳定，D4开始有明显发展，对流云顶高度增高（图6（i）），18：30时D4出现明显的“双峰”结构，左侧对流云团顶高度进一步增高呈“窄高”结构，D4右侧对流云团顶高度增高不明显（图6（j）），同时远安国家站监测到9.1 m/s极大风。从云相态监测（图7）可以看到，18：25时D4仍以暖水云和过冷水云为主，18：30开始出现混合云和小面积冰云，18：35出现大面积冰云，此时对流云发展旺盛，云的相态发生变化，远安站降水强度开始增加；
18：45时D4“双峰”同时坍塌，对流云团顶高度降低（图6（k）），远安国家站同步监测到18.1 m/s极大风，18：55云顶温度（图8）从18：30的-10 ℃左右逐步降低至以-30 ℃左右为主，此时远安国家站风速达到31.8 m/s，19：00云顶温度出现进一步下降，出现条状-50 ℃左右的云顶温度带，风速维持不变，此时降水强度达7.2 mm/（5 min），为此次过程降水强度最大时段，随着对流云D4缓慢东移，远安站风速、降雨随之减弱（图6（l））。
3.2雷达回波特征分析
从8月22日不同时刻宜昌市雷达组合反射率因子、径向速度图及自西南向东北对强回波中心作的剖面图（图9～12）可以看到，22日午后，宜昌市北部地面风场辐合较好的区域开始不断有分散的多单体风暴生成。17：09（图略），观测到远安市北部茅坪场镇（单体A）和当阳市育溪镇北部（单体B）有孤立回波生成并发展。17：26，单体A、B在本地加强发展，最大反射率因子均超过50 dBz，单体B中心组合反射率54 dBz，回波中心高度为6 km左右，回波顶高7.9 km。17：31，单体B组合最大反射率因子为56 dBz，中心高度下降至3.3 km左右，随后单体B回波迅速减弱消散，整个过程强回波维持仅3个体扫，回波中心快速下降产生下沉气流，有利于地面产生大风。从径向速度上看，33°仰角以下均为较为一致的偏北风，0.5°仰角回波虽受地形遮挡明显，但强回波中心对应位置依旧出现5～10 m/s的东北风，单体B沿环境风的雷暴冷出流使得单体A沿东南方向进一步发展增强。17：48，单体A回波质心向上发展至4～6 km，中心组合反射率因子为58 dBz，中心高度位于3.8 km左右，回波顶高7.1 km，结构紧实。在1.5°径向速度图上也可以看到中层径向辐合，虽强回波中心无地面监测站点，但可以推测是以大风为主的对流风暴，且两个对流单体（A、B）都造成了较强的冷出流及地。
18：05，雷暴冷出流在环境风引导下于远安县茅坪场镇南部触发新的对流单体（单体C），沿远安县沮河河谷在鸣凤镇加强，随着单体C的发展，其回波向上向下同时增长。随着上升气流的加强，单体快速发展，垂直累积液态含水量（VIL）快速升高。18：27，最大回波强度达63 dBz（图10（a）），反射率因子大值区靠近入流一侧，质心位于5～7 km，45 dBz强回波伸展至12 km以上（图11（a）），结构紧实，在垂直方向上无明显倾斜结构。从径向速度的垂直剖面看到，10 km以上出现强的风场辐散特征（图12（a）），有利于低层辐合，使得中低层垂直运动增强，此时垂直累积液态含水量达52 kg/m2，强回波沿西南方向传播（图略）。18：33，回波整体有所减弱，回波质心下沉至5 km左右（图11（b）），远安国家站和远安县晓秦站出现风场辐散的特征，且伴随远安国家站的风力增大。18：38，强回波中心进一步减弱，低层的反射率因子在前侧入流方向出现较明显的梯度和弱回波区（图11（c）），从径向速度剖面可以看到明显的高层辐散、中低层辐合结构（图12（c））。18：44～18：49，垂直累积液态含水量由58 kg/m2迅速降至43 kg/m2（图略），18：50～18：55，前侧入流方向风暴强度持续发展，最大反射率因子维持在60 dBz以上（图10（e）（f）），反射率因子剖面出现明显的回波悬垂和有界弱回波区特征（图11（e）），5 km以下后侧出流方向出现较大范围的大风中心（图12（d）（e）），在2～7 km维持深厚的中层径向辐合特征，5 km左右上为最大正负速度中心，辐合强度达20 m/s（图12（e）），有利于地面大风进一步发展，期间远安国家站监测到冰雹，短时强降水和31.8 m/s（11级）极端大风。19：01，强回波迅速减弱，反射率因子核心下降至2.7 km，此时极大风速降低至20.6 m/s（8级），过程趋于减弱，直至消散。整个过程受地形阻挡作用，0.5°仰角的径向速度场在低层未见强下沉气流的辐散区，但其它的雷达特征均可证明远安国家站出现11级的极端大风，属于弱的垂直风切变下，结构较为松散的多单体强风暴引起的下击暴流。
综上所述，此次大风的形成主要是因为远安县北部的中尺度地面辐合线、午后的加热、冷空气的侵入共同触发对流单体A、B的生成和发展。而对流单体A、B崩塌及地，较强的辐散气流在地面形成相对较冷中心，其冷出流在环境风的引导下在鸣凤镇触发新的对流，此时该地气温34 ℃，热力条件明显增强，回波在进入沮河河谷地带时受到地面中尺度辐合线的动力作用和下垫面的热力作用共同影响明显加强，造成远安国家站出现11级大风、短时强降水和冰雹天气。
3.3双偏振参量特征分析
进一步利用多普勒天气雷达的双偏振参量如差分反射率因子（Zdr）、差分相位常数（Kdp）对此次降水粒子进行分析。其中Zdr是雷达取样体积内所有粒子以反射率因子为权重的形状的度量，与产生后向散射的水凝物粒子的形状、密度和成分构成（影响介电常数）有关，而与水凝物数密度无关；
差分相位常数Kdp的大小主要由液态含水量决定，固态降水粒子的Kdp很小，在混合态降水粒子中，Kdp主要由液态降水粒子贡献［13-14］；
Zdr柱和Kdp柱是强对流云体内普遍存在的动力特征［15］。强风暴在零度层高度以上通常会出现Zdr柱和Kdp柱，Zdr柱对应强上升气流区，且Zdr柱高度与上升气流呈正相关关系［16-17］。
8月22日18：30～19：00远安国家站监测到大风、短时强降水和冰雹，从图13可以看出，18：33，在A处4 km即当日湿球零度层高度以上存在Zdr柱，与反射率因子梯度大值区对应，说明A处为风暴的强上升气流区，有利于生成湿球零度层之上的干冰雹［6，11］。沿着强回波中心自西南向东北方向作Kdp和Zdr的剖面得到图14、15，发现在4 km以下的Zdr值为2～4 dB，对应Kdp值大于2的区域。雨滴尺寸越大，Zdr值越大，说明此刻对流单体聚集了大直径雨滴，有利于短时强降水的发生，而融化的湿雹也可引起这两个参数的异常增大。远离雷达方向的B处在5～10 km高度上也出现了接近5 dB的大值区（图14），高度最高接近10 km，对应KDP柱的缺值区（图15），这往往表征此处存在三体散射的可能性较大。在实际预报业务中及时关注双偏振参量的特征，可以提前约10 min监测到要素变化，可为强对流监测预报预警提供一定的参考。
另选取4.3°仰角，对应高度为3～4 km Kdp随时间演变特征分析，发现在强回波发展过程中，Kdp大值区域在融化层以下迅速下降并且增加（图16），表明冰相粒子在融化层下迅速融化，而雨滴蒸发、冰雹融化及冰雹融化后的蒸发等复杂水凝物粒子相变导致的负浮力产生对湿下击暴流及地及短时强降水有比较好的指示意义［2，18-19］。
4结论与思考
本文对2023年8月22日宜昌远安县一次下击暴流的背景成因及中尺度特征进行分析，得出以下结论：
（1） 本次极端天气过程是一次高空冷槽背景下，处于弱的垂直风切变中，由结构较为分散的多单体强风暴产生的下击暴流过程，午后的辐射增温使对流潜在能量和大气不稳定性增强，地面弱冷空气的侵入促使宜昌市北部辐合条件较好的地方不稳定能量发生释放，造成远安局部的雷暴天气。
（2） 中尺度对流云团的发展、合并造成了远安县此次强对流天气，下击暴流的产生同时伴随云体结构快速坍塌及云顶温度骤降的特征。
（3） 下击暴流显示以传播方式触发新生对流的多单体强风暴特征，且出现深厚的中层径向辐合、回波悬垂及有界弱回波区特质。
（4） 差分反射率因子（Zdr）、差分相位常数（Kdp）在垂直方向分别出现了Zdr柱、Kdp缺值区，三体散射等，因此当日远安在大风出现的同时伴随短时强降水和冰雹，且存在强的上升气流。而双偏振参数（Zdr、Kdp等）的应用对强对流天气的预报具有一定指示意义。
通过对此次雷暴过程的分析，在对处于弱垂直风切变中的多单体雷暴进行分析时，在关注大的天气形势、对流不稳定条件和水汽条件的同时还应关注低层的中尺度辐合区及它们与雷暴强出流的相互作用，加强多普勒天气雷达产品的应用，提高临近预报预警的准确性和预报时效。
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（编辑：刘 媛）
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