引言

雷暴大风是造成气象灾害的主要强对流天气类型之一。关于雷暴大风，气象工作者在形成机制(朱乾根等，2003；姚叶青等，2008；廖晓农等，2008；朱君鉴等，2008)、环境场条件(钟利华等，2010；费海燕等，2016；杨新林等，2017)、预报方法(王福俠等，2016；曾明剑等，2015)等方面做了大量研究。俞小鼎(2012；2006b)等总结了有利于雷暴大风发生的环境场条件和基于多普勒雷达特征的临近预警技术，指出反射率因子核心的逐渐降低并伴随云底以上的速度辐合的回波特征可以用来提前数分钟预警下击暴流的发生。王秀明等(2013)对比了两类雷暴大风环境场特征并构建了相应的环境温、湿度廓线。陈贵川等(2011)、王晓明和谢静芳(1994)、隋迎久等(2010)讨论了地形对强对流天气的触发、加强作用及分布影响，曾明剑等(2015)基于中尺度数值模式建立了分类强对流客观预报系统。上述研究对雷暴大风的预报预警具有重要意义。对四川风雹天气的研究集中在环流形势配置及能量条件方面(李淑芳等，1986；陈章和顾清源，1994；蒲吉光等，2002)，认为一定梯度的冷空气、300 hPa冷槽、500 hPa阶梯槽、对流层中层强冷空气夹卷及盆地大气层结高能不稳定是有利于产生风雹天气的背景场。另外，王秀明(2008)通过模拟指出，低层地形强迫、中层切变线波动、高层中尺度高空槽系统及大气湿不稳定是四川强对流的发展机制。李庆和黄成亮(2002)初步总结了一次风雹天气过程飑线回波的演变特征。费海燕等(2016)统计的25 m·s^-1以上的我国强雷暴大风空间分布显示，2004—2013年四川盆地累计出现强雷暴大风5站次，属于小概率区域，然而一旦其发生，往往造成严重灾害。总体而言，对四川强雷暴大风的背景条件研究较多，而对流潜势及多普勒雷达特征涉及较少，有必要对其进行深入探讨，为今后预报此类天气及发布预警信号提供参考。

本文使用的资料包括：(1)常规地面、探空观测资料；(2)南充站多普勒天气雷达探测资料；(3)FY-2E红外卫星资料；(4)闪电定位仪资料；(5)地面自动站观测资料；(6)西南区域中心区域模式分析场资料，模式空间分辨率为9 km。

1 天气背景特征

2015年4月4日傍晚至夜间，四川盆地出现了强烈的风雹、雷雨天气过程。雷雨主要出现在盆地中部—东北部，雨量为大雨或暴雨，17 m·s^-1以上的大风有94站，主要位于盆地中北部，其中广安市武胜县的三溪镇、飞龙镇分别于21:41和21:50出现了瞬时风速达38.5、36.2 m·s^-1的雷暴大风，并伴有平均直径为3 mm的冰雹。风速之大为当地有气象记录以来罕见，严重的风灾导致农作物大量受损、房屋垮塌，造成8人死亡、2人重伤，直接经济损失2亿元。

过程前期，四川盆地以多云到晴天气为主，日平均气温持续偏高，4日盆地东部、南部日平均气温较历史同期偏高7℃以上。前期持续高温，为强对流天气的发生准备了较好的能量条件。

1.1 天气形势 1.1.1 高空形势

在2015年4月4日20时200 hPa天气图上(图 1a)，南支急流位于川渝南部，中心风速达52 m·s^-1，盆地东北部和重庆市正好位于南支急流出口区左前侧高空辐散最为清楚的位置。同时刻500 hPa上空(图 1b)，从甘肃南部到川西高原有低槽，槽前西南风速达16~18 m·s^-1，高度槽后伴有温度槽。在700 hPa图上(图 1c)河套西部到甘肃南部为一支8~16 m·s^-1的显著偏北气流，气流中携带有大片的24 h负变温区，变温中心达-8℃，昆明经威宁到重庆为14~16 m·s^-1的西南风急流，盆地东北部既是南北两支气流对峙具有强的动力辐合抬升条件的位置，又是低空急流头部质量辐合最为清楚的位置。在850 hPa图上(图 1d)有3支气流，一支是位于盆地西部的冷东北风急流，温江站24 h气温下降6℃；另一支是从南边北上的暖湿气流受大巴山阻挡转为东北气流；还有一支是位于重庆的东南风急流，东北气流和东南风急流间形成切变线，切变线的位置和温度脊位置重合，叠置在925 hPa温度脊和地面暖低压上空，增强了该区域上空的条件不稳定层结。分析显示，盆地东北部和重庆市是动力抬升作用最强和条件不稳定最为显著的区域。

1.1.2 地面形势

在4月4日20时地面图上(图略)，河套一带为庞大的冷高压，盆地受暖低压控制，冷前锋到达盆地北部边缘，指标站酒泉、兰州与盆地低压中心气压差值均超过22 hPa，大于《四川省短期天气预报手册》中总结的出现梯度风的压差阈值(15 hPa；李淑芳等，1986)，有利于冷空气进入盆地。同时次自动站监测显示(图 2a和2b)，地面堆积的干冷空气已经从盆地西北部进入盆地，地面转为北风，T和T_d均较前一日下降3~7℃，盆地东部仍然维持高温和高湿的状态，东西部T与T_d的差值达6℃以上，形成温度锋区和露点温度锋区，在锋区两侧由于冷暖和干湿分布不均匀容易引起大气层结不稳定，而地面显著气流由干冷区域吹向暖湿区域，容易在暖湿一侧触发形成对流。

1.2 环境场条件分析

极端大风于4月4日21:40前后出现在距离重庆西北方向50 km的武胜县。重庆站20时的探空资料能代表当时的环境场特征。图 3b显示，550 hPa以下层T与T_d的差值较08时(图 3a)不同程度变小，500和850 hPa之间温度递减率增大到27℃，中低层水汽条件变好和条件不稳定性增强导致对流有效位能由30 J·kg^-1上升至770 J·kg^-1，对流抑制能量迅速下降至190 J·kg^-1，发生深厚湿对流的潜势增大，只要具备合适的抬升触发条件就能克服负浮力将气块抬升到自由对流高度。同时，550 hPa以上存在明显干层，有利于干空气夹卷进入雷暴下沉气流，使雨滴剧烈蒸发产生负浮力，加速雷暴内下沉气流速度，具有发生雷暴大风的潜势。各层风速明显增大，700~300 hPa风速增至16~35 m·s^-1，0~3 km垂直风切变为18 m·s^-1，0~6 km垂直风切变达20 m·s^-1，中等以上强度的垂直风切变有利于相对风暴气流发展，而风暴承载层平均风较大可能会导致形成的雷暴移速较快，其惯性作用也可以使得下沉气流导致的辐散风在沿着雷暴移动方向变得更大；该时次重庆站温湿廓线呈X形分布，形态类似王秀明等(2013)分析的湿下击暴流探空廓线形态。利用武胜站的地面T和T_d对重庆探空进行订正，对流有效位能上升至1400 J·kg^-1，指示武胜附近的环境场更有利发生深厚湿对流。

由于实况探空空间分辨率较低，不能代表不同位置大气层结状态。利用西南区域模式4月4日20时分析场资料沿30.4°N做假相当位温(θ_se)垂直剖面(图 4)，分析发生极端大风前盆地内东西方向大气层结状态。图 4显示，105.1°E以西，θ_se分布上大下小，850 hPa以下层不足56℃，整个大气层结处于稳定状态；105.1°~106.0°E，800 hPa附近有68℃的高值区，500 hPa附近为64℃的低值区，边界层内处于层结稳定状态，边界层以上处于对流不稳定状态；106°~108°E，θ_se分布上小下大，800 hPa以下层为高值区，中心达70℃，500 hPa附近为低值区，中心为50℃，整个大气层结相当不稳定。盆地自西部—中部—东部大气层结由稳定状态转为边界层以上不稳定再到整层条件不稳定，越向东大气层结越有利对流发展。

综上所述，显著偏高的地面气温及河套区域庞大的冷高压是本次过程发生的背景条件。盆地层结越向东越有利于对流发展。盆地东北部和重庆市既位于高空辐散最为清楚的位置，也是中下层动力抬升作用最强和条件不稳定最为显著的区域，同时还具备中空干层、大的温度直减率、中等强度垂直风切变，有利于有组织性的风暴形成及干冷空气的夹卷进入。只要具备触发条件，就能促使该区域不稳定能量释放，启动对流，形成对流风暴。该区域是最有利对流发展的潜势区域。

2 对流风暴演变及多普勒雷达特征 2.1 对流风暴特征

在4月4日15:00 FY-2E红外云图上(图略)，从内蒙古西部到川西高原北部是一条东北—西南向冷锋云系，四川盆地西部有低云覆盖，气温仅为19~24℃，中东部为晴空少云区，近地层充分接收太阳短波辐射，气温迅速上升至27~30℃，大气中温度直减率增大，条件不稳定性增强。盆地中东部具有比西部更有利于上升运动发展的环境条件。追踪逐小时红外云图，冷锋云系缓慢东移，19时(图 5a)冷锋云系前部进入盆地西北部，以层状云系为主，没有闪电发生。20时(图 5b)冷锋云系前部进入对流条件相对好的中部区域，由于冷锋对暖湿气团的强迫抬升，冷锋云系前沿有米粒状的对流云团生成，锋前监测到闪电。与此同时，在对流潜势最有利区域也有对流云团生成，同样监测到闪电。Maribel(2002)指出，要想单体中能够产生雷电，单体回波中40 dBz以上回波的顶高必须高于7 km。闪电的存在，说明相应区域有对流发展。21时(图 5c)锋前对流云团和潜势区域对流云团云顶亮温降低，面积增大，连接成带状，闪电频次也明显增加。从南充站1.5°仰角20:40反射率因子图(图 5d)可以看出，盆地回波主要由冷锋前沿多个对流单体连接形成的线状回波A，冷锋后部的层状云回波以及暖区内多个雷暴单体发展形成的线状回波B共同组成。本次大风过程是冷锋后部的梯度风以及冷锋前沿和暖区的雷暴大风共同组成的混合性大风，极端大风由暖区线状回波在东移发展过程中产生。

2.2 极端雷暴大风多普勒雷达特征

上文分析指出，极端雷暴大风是由潜势区域生成发展的线状回波造成，下文重点分析线状回波B生成、发展及演变特征。

2.2.1 线状回波B形成

分析显示：20时，北方冷空气已经从盆地西北部中低层入侵，地面风向转为一致的偏北风，引导干冷空气移向盆地东部最为暖湿的区域，触发不稳定区域释放对流有效位能，获得上升运动。在19：50的1.5°仰角反射率因子图上(图 6a)，于温度、露点温度梯度密集区暖湿区一侧有回波单体开始生成，强度剖面(图 6b)显示该回波在中空发展，40 dBz以上回波位于4~8.5 km高度，最强回波中心为55 dBz (位于7.5 km高度)。回波生成的位置正好是低层切变线的位置，20:08—20：47(图 6c~6e)，沿切变线上不断有大小不等、强度不同的回波单体新生，在有利雷暴发展的潜势区域，各雷暴单体迅速发展，于21:01(图 6f)排列形成线状回波，在500~700 hPa西南气流引导下向东北方向移动。线状回波呈东北—西南向，形成初期长约140 km、宽约25 km，主要由6个风暴单体组成，在其前进方向右侧出现前侧V型缺口，是上升气流所在地，表明低层入流从前方进入上升气流中。线状回波上的风暴单体一方面受西南气流引导向东北方向移动，另一方面还受到冷锋东移南压的影响，整个移动方向是由西南向东北方向移动，雷达风暴追踪产品也证明了这一点(图略)。线状回波B在移动过程中给盆地东部带来了大范围的雷暴大风天气，其中36 m·s^-1以上的极端大风由风暴C造成，其他部位的大风风速均在24 m·s^-1以下，下文重点分析C风暴特征。

2.2.2 单体弓形与下击暴流

图 6f显示，线状回波由多个独立的风暴组成，其中C风暴结构密实，面积最大，强度最强，右侧具有强反射率因子梯度，和风暴移动方向一致；中心强度超过65 dBz，对应垂直液态水含量达80 kg·m^-2(图略)，均超过普通雷暴强度；在风暴两侧分别有前侧入流缺口和后侧弱回波通道。仰角逐步抬升至2.4°(图 7a)和4.3°(图略)，对应风暴高度1.5~4 km，强反射率因子梯度仍然位于入流一侧，高仰角强回波叠置在低仰角弱回波区之上。仰角抬升后前侧入流缺口和后侧弱回波通道仍然清晰，说明中低层暖湿入流深厚，暖湿入流一部分直升云顶，一部分随着风暴移动方向向右斜升，形成悬垂回波，后侧弱回波通道表明中低层有干冷空气侵入。在同时段径向速度图上，在风暴前沿强回波区对应有径向速度辐合区。1.5°仰角速度图上(图略)，风暴前沿为径向速度风速辐合线，辐合线后为大片的离开雷达的大风速区，最大风速达23 m·s^-1；2.4°仰角图(图 7b)上，风暴前沿为正负速度辐合线，最大负径向速度为-12 m·s^-1，最大正径向速度为21 m·s^-1，两者差值达33 m·s^-1，直至4.3°仰角都维持了类似特点，具有中层径向辐合的特征。中层径向辐合(俞小鼎，2006a)的出现预示将出现较强下沉气流，导致地面大风，此时可根据线状回波移动方向及移动速度发布大风预警，预警时间提前30~40 min。21:09，前侧入流缺口和后侧弱回波通道仍然清晰(图 7c)，中层径向辐合维持，并且雷达在辐合线南部识别有中气旋(图 7d)，中气旋一直到4.3°仰角(图略)，高度大约为4 km，属于较为深厚的中气旋，中气旋的旋转将促使弱回波通道内干冷空气夹卷进入风暴内部，使得雨滴蒸发，进一步加强下沉气流，中气旋的出现可进一步确定大风强度，仍然有20~30 min预警时间。随后两个体扫速度图上同样识别出中气旋，正是由于中尺度涡旋环流及前侧入流和后侧入流的相互作用导致风暴C发展，于21:23形成单体弓形回波(图 7e)，最强反射率因子达71 dBz，60 dBz以上强回波区垂直伸展到8 km以上，后部伴有20 m·s^-1的低层后侧入流(图 7f)。研究表明，弓形回波一旦形成，其相应的中尺度风场和对流结构特征将进一步加强灾害性大风事件的强度(俞小鼎等，2006b)，此时可确定将出现强风天气，但留下的预警时间非常有限。21:31(图 8a~8d)，6.0°仰角，极端大风上空约5.5 km高度，回波反射率强度达72 dBz，4.3°、2.4°、0.7°仰角则分别为53、41、21 dBz，具有高悬强回波的特点，同时刻0.5°径向速度图上(图 8m)，以离开雷达的正速度为主，极端大风位置径向速度为17 m·s^-1。21:36(图 8e~8h)，6.0°、4.3°、2.4°、0.7°仰角反射率强度分别为59、72、61、48 dBz，高仰角强度降低，低仰角强度增加，强反射率核心下移至4 km高度，在0.5°仰角速度图上(图 8n)，相同位置径向速度增大至33 m·s^-1，西北侧开始出现辐散气流；21:40(图 8i~8l)，强反射率核心高度继续下降，2.4°、0.7°仰角强度增至67、57 dBz，在0.5°仰角径向速度图上(图 8o)观测到串在径向上的正负速度对，正负速度差值约70 m·s^-1，三溪站随即监测到38.5 m·s^-1的灾害性大风并伴有平均直径3 mm的冰雹和34.6 mm·h^-1的短时强降水。飞龙站大风也具有类似回波特征并伴有14.2 mm·h^-1降水。通过上述分析可以推断，本次极端大风是由单体弓形回波带来的湿下击暴流所导致。单体弓形回波中高反射率因子的高度连续下降意味着下沉气流伴随降水粒子下降，干空气被夹卷进入下沉气流使得雨滴迅速蒸发，大大加强了下沉气流强度，因而显著增加了大风强度。

综上分析显示，低层气流引导干冷空气进入暖湿区域，在低层切变线上触发生成一系列雷暴单体，雷暴单体在有利雷暴大风形成的潜势区域迅速发展成线状回波，其中一个风暴发展成单体弓形回波，弓形回波在快速移动过程中强反射率因子高度的连续下降导致地面产生极端雷暴大风。

3 结论

本文利用常规观测资料、FY-2E卫星资料、多普勒雷达产品、闪电定位资料、自动气象站资料等，分析了2015年4月4日出现在四川盆地的极端大风过程的天气特点、环境场条件及相应的多普勒雷达观测事实，总结了本次过程的成因及预报着眼点。

(1) 本次大风过程发生在前期天气晴好，日平均气温持续偏高，具有显著高空冷平流和地面冷空气的天气背景下。雷暴大风由冷锋对暖湿气团的强迫抬升以及干冷空气进入暖湿区域触发形成。极端雷暴大风发生在中等强度垂直风切变环境中，其上空既具有中空干层和大的温度直减率，同时又位于高低空急流耦合区域及低层温度脊附近，是动力抬升作用最强和条件不稳定显著的区域。

(2) 本次个例冷空气首先从盆地西北部中低层入侵，在低层切变线上触发生成一系列雷暴单体，在最有利对流发展的潜势区域迅速发展成线状回波。线状回波北段观测到的中尺度涡旋环流、前侧入流和后侧入流的相互作用导致形成单体弓形回波。极端雷暴大风就是由移动线状回波上发展的单体弓形回波带来的湿下击暴流所导致。弓形回波中强反射率因子的高度连续下降意味着下沉气流伴随降水粒子下降，干空气被夹卷进入下沉气流使得雨滴迅速蒸发，大大加强了下沉气流强度，因而显著增加了大风强度。

(3) 云顶亮温降低、闪电频次同步增加可以判断雷暴处于爆发阶段，对强对流临近预警有指示作用。

(4) 本次过程的预报着眼点在于，首先根据实况观测资料，判断是否具备产生强对流天气的背景条件。再进行对流潜势综合分析，确定最有利对流发展的潜势区域。在短时临近预报时段重点关注潜势区域中具备触发条件的位置及该区域雷暴的发展演变，最后根据雷达回波形态特点、移动方向、演变趋势提前发布大风预警信号。

致谢：感谢中国气象局气象干部培训学院俞小鼎教授的悉心指导。