2025, Vol. 51 
2. 云南省气象科学研究所，昆明 650034；
3. 云南省气象台，昆明 650034
2. Yunnan Institute of Meteorological Sciences, Kunming 650034;
3. Yunnan Meteorological Observatory, Kunming 650034
强风暴天气突发性强且影响剧烈，一直以来都是灾害性天气研究领域的重点课题(唐明晖等，2023；高丽等，2021)。风暴单体，尤其是超级单体风暴作为局地强对流天气主要形式之一，常常产生暴雨、冰雹、雷暴大风/下击暴流和龙卷等气象灾害，造成严重的人员伤亡和经济损失(卜茂宾等，2018；覃丹宇和方宗义，2014；Reif and Bluestein, 2018)。因此，准确地预报和预警强风暴天气，减少由其带来的气象及次生灾害是短时临近预报服务的重点、难点，也是预报业务高质量发展的关键之一(Wilson et al，2018；段鹤等，2014)。
强对流发生潜势和对流初生(CI)的研究揭示出不同类型风暴生成环境及风暴前期自身结构的差异性，提高了中小尺度灾害性天气的预报准确性。王秀明等(2014)对各种中尺度层结不稳定在风暴发生过程中的作用进行了详细论述；许爱华等(2014)基于强对流天气发生的热力、动力潜势条件，将中国中东部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、高架对流类等5类，并给出了基本解释；崔新艳等(2021)认为CI是强对流天气开始活动的标志，一般分为基于地面触发的CI和基于地面以上高度触发的CI两种(Wilson and Roberts, 2006)，但真实的CI触发条件往往受下垫面地形、干线、边界层辐合线和低空急流等多重因素耦合影响(Klingle et al，1987；苏涛等，2020)。此外，具有高时空分辨率的多普勒天气雷达产品已成为分析研究强风暴结构特征的重要资料，诸多学者基于雷达资料对风暴初生和发展演变机制、时空分布与短时临近预报技术等方面进行了深入研究(曹舒娅等，2021；段鹤等，2011；俞小鼎等，2012)。就风暴的发展演变而言，普通对流单体风暴通常包括塔状积云、成熟和消亡3个阶段，而超级单体风暴作为高度组织化的风暴，具有深厚持久的中气旋这一独特的动力学特征，其生命周期更长，造成的灾害性天气也更为突出(陈明轩等，2013；韩颂雨等，2017；吴海英等，2017；于怀征等，2020)。
滇西南地处低纬度高原南部，哀牢山、无量山自北向南延伸，山脉平均海拔2 km以上，山地面积占比95%以上，地形高低起伏落差明显(张腾飞等，2023)；冬—春—初夏时节，南支槽前暖湿气流与南下冷空气在此处交汇或对峙，风暴天气突发、频发，而风暴影响区域难以把握，往往导致出现严重灾情(张腾飞等，2016；尹丽云等，2023；彭启洋等，2023)。2023年3月13—15日，滇西南出现一次影响持久、波及面广、气象灾害类型多样的强风暴天气过程。统计2015年以来普洱伴有冰雹的风暴天气发现，连续3天以上的过程仅有4例。此次过程主客观融合短期预报效果欠佳，仅反映出3月13日1天的强风暴天气。此外，过程期间风暴在凌晨、午后、深夜等不同时段均有发生，同一时段有多条独立风暴轨迹，叠加复杂的下垫面影响，加大了此次过程的预报难度。为探究滇西南复杂地形下强风暴发生的天气背景和对流发展维持机理，本文利用C波段天气雷达产品、多源实况数据和欧洲中期天气预报中心第五代全球大气再分析资料(ERA5)，从风暴路径、CI和发展环境、风暴单体回波特征以及单体生命史特征等方面进行分析，以期进一步了解高原山地环境下风暴发生机理，提升对此类强对流天气的预报预警能力。
1 资料及实况 1.1 资料本文所用的观测资料包括2023年3月13—15日滇西南地区普洱(海拔1926 m)和临沧(海拔2499 m) 2部C波段天气雷达资料、常规地面气象站逐小时观测资料、思茅站探空资料以及ERA5再分析资料。其中，雷达资料的分辨率为6 min；ERA5再分析资料的水平分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h(Hersbach et al，2020)。
1.2 强风暴天气实况2023年3月13—15日，滇西南地区出现一次持续时间长、影响范围广、致灾性强的风暴天气过程。天气现象以冰雹和雷暴大风为主，局部伴有20 mm·h-1以上的短时强降水。其主要影响区域在普洱，景东、镇沅、景谷、墨江等9个县(区)的44个乡镇监测到冰雹(图 1b，1c，局部)，最大冰雹直径为20 mm。过程期间地面出现7级以上阵风47站次，最大瞬时风速达27.4 m·s-1(10级)。此次过程共造成普洱3.04万人受灾，农经作物受灾面积达5101.5 hm2，损坏房屋348间，直接经济损失达3790余万元。
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图 1 (a) 滇西南地形(填色)、天气雷达位置及150 km探测半径(蓝色圆)和(b，c)2023年3月(b)13日1号单体风暴, (c)14日2号单体风暴强度(填色)、路径(红线)和地面强风暴天气实况 注：图a中 表示雷达位置。 Fig. 1 (a) Topography (colored), weather radar stations and detection radius of 150 km (blue circle) in southwest Yunnan, and (b, c) intensity (colored), track (red line) and surface severe storm weather observations of (b) storm cell No.1 on 13 and (c) storm cell No.2 on 14 March 2023
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3月13—15日，滇西南出现多条自西向东移动的风暴轨迹，风暴多在临沧北部、缅甸东北部初生，东移至普洱境内发展旺盛，形成冰雹、雷暴大风等灾害性对流天气。其主要路径如下：(1) 13日15：00(北京时，下同)由云县经景东—镇沅—景谷—宁洱—墨江后移至绿春，最终进入越南(图 1a，1b中1号单体)；(2)16：00由镇沅西部至墨江北部；(3)23：00后由缅甸东北部经澜沧江中部，分南北2支，分别影响景谷和西双版纳州；(4)14日04：00由耿马经景谷至思茅(图 1a，1c中2号单体)；(5)15日18：00后由西双版纳州经思茅至江城。其中，(1)和(2)由同一风暴母体分裂生成。此次过程风暴单体众多，但发生时段大体可以分为昼发和夜发两类，为探究过程期间风暴发生发展机制，本文选取1、2号单体风暴作为昼夜不同影响时段的典型风暴进行详细分析。
1号单体风暴由线状风暴分裂形成，生命史长达6 h，风暴中心轨迹整体呈直线，但移动至海拔2 km以上山地时轨迹呈现“一波三折”特征，这可能是风暴气流受山脉地形扰动导致；此外，风暴质心位置趋向于地势较低和更为平坦的区域(图 1a)。1号单体风暴伴有显著的强对流天气，普洱域内风暴过境之处均出现冰雹，涉及5个县15个乡镇；7个站出现20 mm·h-1以上短时强降水；地闪主要分布于线状对流一侧，以负闪为主，夹杂有零星正闪。值得注意的是，13日17:25前，短时强降水仅出现1个站，而风暴翻越无量山后却出现6个站，这可能与单体发展阶段改变有关。1号单体风暴过境前(18:00)宁洱梅子站出现12.9 m·s-1的偏南风，风暴过境时梅子站地面转为西北风，风速为12.5 m·s-1(图 1b)，分别对应风暴过境前后的入流与出流。
2号单体风暴为孤立普通单体，14日凌晨在双江东部受地形影响，风暴质心少动，后经澜沧江移入普洱境内加强，风暴生命史约3 h。与1号单体风暴不同的是，2号单体风暴影响期间除冰雹外，其他对流天气较弱，未出现短时强降水，雷电主要以分散的正闪为主(图 1c)。
2 环流背景与大气环境特征 2.1 环流背景2023年3月13日08:00，200 hPa西南高空急流轴位于云南北部至贵州北部一线，最大风速超过60 m·s-1，云南南部位于高空急流入口右侧的辐散区(图 2)。500 hPa欧亚中高纬度地区为“两槽两脊”形势，东亚大槽主体已东移入海，我国大部地区为槽后西北气流控制。在孟加拉湾北部90°E附近有南支槽东移，云南西部为高压脊，云南中南部处在脊前西北风急流区内，滇西南位于急流入口右侧的辐散区中。云南中南部为干区控制，温度露点差(ΔT)为8~15℃，温度槽呈东北—西南走向，位于云南东南部至老挝北部一线，滇西南处在干冷区内。700 hPa孟加拉湾北部南支槽较500 hPa偏西，呈现后倾槽结构，云南大部受中南半岛反气旋环流西侧叠加南支槽前西南气流影响，西南气流有利于输送水汽及能量，温度脊呈东北—西南走向，位于云南中部至缅甸中部一线，滇西南处在暖区内，ΔT小于4℃的湿区主要位于云南中部以东地区。此时，地面冷锋已西推至临沧—普洱一线，海平面气压1020 hPa线推至普洱西部。午后随着滇西南地面快速升温，冷锋东退至无量山东侧，13日20:00，高空急流在滇南稳定维持且向中南半岛北部至华南地区发展加强，500 hPa东亚大槽尾部推至华南地区，20°N附近南支槽减弱消失，脊前西北急流减弱南移，强度为16 m·s-1，700 hPa滇西风速加大至12 m·s-1，西南急流建立(图略)。
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图 2 2023年3月13日08:00滇西南主要天气影响系统配置 Fig. 2 Major weather system configuration in southwest Yunnan at 08:00 BT 13 March 2023 |
过程期间，随着东亚大槽东移南压，200 hPa和500 hPa高、中空急流也逐渐向我国东南地区发展，700 hPa西南急流加强，近地面层850 hPa偏东南风向西推进。强风暴出现在高、中空急流入口右侧与低空急流入口左侧，配合700 hPa暖湿区与500 hPa干冷区叠加影响，形成有利的热力和动力配置。
2.2 大气环境特征 2.2.1 探空潜势选用经实时气压、2 m温度和露点温度订正后的思茅3月13日08:00和20:00的探空资料分析风暴发生前后的大气层结状况(图 3)，可以发现：过程期间滇西南上空大气处于层结不稳定状态。13日08:00近地面平均ΔT为6.4℃，850~500 hPa为3.7℃，400~300 hPa为15.4℃。T-lnp图中层结曲线和状态曲线呈“X”型分布(图 3a)，大气整层可降水量(PWAT)为27.2 mm，850~500 hPa温差(ΔT85-50)为29.1℃，对流有效位能(CAPE)达1481.6 J·kg-1，0~3 km垂直风切变(SHR3) 为14.4 m·s-1，0~6 km垂直风切变(SHR6)达34.5 m· s-1(表 1)。俞小鼎等(2020)研究指出此种环境场配置较易出现风暴天气；另外，高空风向随高度顺转后逆转再顺转，表明大气低层和高层有暖平流输送、中层有冷平流侵入，加剧了大气的不稳定度。13日20:00，随着850 hPa东南风西推，近地面层水汽条件改善，探空曲线呈“喇叭口”型分布，上干下湿特征明显(图 3b)，PWAT为25.6 mm，CAPE为826.6 J· kg-1，达到夜间较强的不稳定能量条件，ΔT85-50达29.8℃，低空急流建立并发展增强，SHR3增大至19.9 m·s-1，SHR6为27.6 m·s-1，期间沙氏指数SI＜-3.5℃，K指数＞30℃(表 1)，满足段鹤等(2014)提出的滇西南出现强风暴天气的大气物理条件。
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图 3 2023年3月13日(a)08:00, (b)20:00思茅站探空曲线 Fig. 3 Sounding at Simao Station at (a) 08:00 BT and (b) 20:00 BT 13 March 2023 |
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表 1 2023年3月13日思茅站订正后环境参数 Table 1 Revised ambient parameters of Simao Station on 13 March 2023 |
综上，中等强度或以上的CAPE和深厚强垂直风切变有利于超级单体风暴等的形成、发展和维持。此外，俞小鼎(2014)指出，冰雹的融化层更接近于湿球温度的0℃层(WBZ)高度，融化层高度太高，冰雹降落中融化过程越久，地面出现冰雹概率越小。此次过程中WBZ海拔高度在3.3~3.5 km，距离地面约2 km，-20℃层高度(H-20℃)在8.5 km以下，满足冰雹出现条件。
2.2.2 强风暴形成机制利用ERA5再分析资料分别沿13日白天和14日凌晨风暴初生地作假相当位温(θse)及相关气象要素的经向与纬向垂直剖面，结果如图 4、图 5所示。对于昼发型风暴初生环境，3月13日13:00经向剖面中700 hPa以下24°N以南均为θse高值区，中心值超过344 K，24°N以北则为θse低值区，中心值小于330 K，此外，南风分量对局地增温增湿和增加大气层结不稳定度起到关键作用，23°~25°N为一支略向北倾斜的上升气流柱，高度达400 hPa，并在上升气流柱左侧构成垂直环流正涡度区，23°N低层750 hPa和25°N中层600 hPa有暖平流中心，中心值分别为0.8×10-3 K·s-1和1.2×10-3 K·s-1，与上升运动大值区域重叠(图 4a)。从纬向垂直剖面来看(图 4b), 700 hPa以下纬向风分量较弱，100°~ 101°E为θse高值区，中心值为334 K；暖平流自近地层延伸至450 hPa，中低层无明显冷平流。综上，13日午后风暴初生地(24.15°~24.50°N、98.85°~100.56°E)位于低层θse梯度大值区附近，层结不稳定度高于周边环境大气；中低空暖平流强迫偏南风抬升形成强烈上升的暖湿气流柱，这符合许爱华等(2014)提出的低层暖平流强迫类强对流热、动力及抬升触发条件。
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图 4 2023年3月13日13:00滇西南风暴初生环境 (a)v-w(风矢)沿99.50°E垂直剖面, (b)u-w(风矢)、温度平流(等值线，单位：10-3 K·s-1)和θse(填色)沿24.25°N垂直剖面 注：黑色阴影：地形；红色线段：风暴初生位置，下同。 Fig. 4 Primary environment of storms in southwest Yunnan at 13:00 BT 13 March 2023 (a) vertical profile of v-w (vector) along 99.50°E, (b) vertical profile of u-w (vector), temperature advection (contour, unit: 10-3 K·s-1) and θse (colored) along 24.25°N |
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图 5 2023年3月14日03:00滇西南风暴初生环境 (a)v-w(风矢)沿99.00°E垂直剖面, (b)u-w(风矢)、温度平流(等值线，单位：10-3 K·s-1)和θse(填色)沿23.50°N垂直剖面 Fig. 5 Primary environment of storms in southwest Yunnan at 03:00 BT 14 March 2023 (a) vertical profile of v-w (vector) along 99.00°E, (b) vertical profile of u-w (vector), temperature advection (contour, unit: 10-3 K·s-1) and θse (colored) along 23.50°N |
对于夜发型风暴初生环境，14日03：00经向垂直剖面上(图 5a)，750 hPa以下24°N以南持续为θse高值区，南风在24°N迎风坡爬升发展为垂直上升气流，上升气流与暖平流发展高度均在600 hPa以下，600 hPa以上存在偏北干冷气流下沉侵入，冷、暖平流中心值在0.8×10-3 K·s-1左右，25°N附近700~600 hPa存在锋生区，相较于13日午后中低空大气斜压性增强、上升运动减弱。从纬向垂直剖面来看(图 5b)，随着夜间低空西南急流的建立和加强，700 hPa以下西风分量较13日午后明显增大，并伴有风速辐合，96°E与99°E近地面为θse高值区，西风自96°E暖湿区域向东沿迎风坡爬升，此时低空暖平流位于97°~99°E强上升运动区，而冷平流则由高层向中低层输送。综上，14日凌晨风暴初生地(23.40°~24.10°N、99.00°~100.00°E)位于θse中心附近及中低空锋区暖性一侧；西南急流在迎风坡强迫抬升及中低空锋生作用下形成上升气流，满足斜压锋生类强对流不稳定条件及触发条件。
3 风暴初生特征与增强机制2023年3月13日13:00—15:00冷锋东退至无量山脉附近，期间地面弱辐合线也随冷锋同步东退，山脉西侧站点2 m温度高于25℃(图略)，露点温度维持在0.1~5.0℃，ΔT超过20℃，表明大气较为干燥；山脉东侧的温度较低，为15℃左右，但露点温度明显高于山脉西侧，为10~16℃，ΔT较小，表明大气湿润且近饱和(图 6a~6c)，由此导致山脉两侧热力分布差异显著。昼发型风暴不仅初生于暖平流强迫偏南风抬升的暖湿气流柱内(图 4a)，还伴随地面辐合线耦合触发，辐合线位于CI前侧约20~ 50 km处(图 6a)。14:20，初生风暴呈东西带状分布并快速东移，在辐合线附近不断触发新生回波并入风暴母体，回波面积不断增长，远离主回波区的东南侧有新生单体发展，风暴母体有向东南方向传播的趋势(图 6b)。15:05，回波主体由山脉西侧移入东侧，其东南侧的新生单体已并入母体回波，地面热力差异影响加剧，回波强度和面积出现爆发式增长，出现多个55 dBz以上的强中心，然后持续向东南方向传播和发展，回波形态逐渐由横向转竖(图 6c)。可以发现，暖平流强迫偏南风抬升与地面辐合线是13日午后风暴触发的主要原因，山脉两侧地面显著的热力差异则使风暴的发展得以增强。
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图 6 2023年3月(a~c)13日临沧雷达组合反射率(填色)、13:00—15:00整点流场(红色流线)和露点温度(填值，单位：℃)，(d~g)14日回波反射率(填色)、垂直风场(红色流线)、垂直速度(黑色等值线，单位：m·s-1)和地形沿23.7°N的剖面 注：图a~c中蓝色线为图d~g的剖面位置; 图中灰色阴影为地形，下同。 Fig. 6 (a-c) Composite reflectivity (colored), flow field at each whole hour from 13:00 BT to 15:00 BT (red flow line), and dew point temperature (filled value, unit: ℃) of Lincang Radar on 13 March 2023, (d-g) profiles of echo reflectivity (colored), vertical wind field (red flow line), vertical velocity (black contour, unit: m·s-1) and topograpy along 23.7°N on 14 March 2023 |
就夜发型风暴而言，3月14日凌晨，滇西南下垫面温度和露点温度分布差异已不明显，但低空西南急流建立并增强，中空西北急流逐步南移，大气垂直不稳定度加剧，中低空斜压性明显增强，CI位于中低空锋生区附近。从CI与地形剖面(图 6a~6c蓝色划线处)可以发现：03:21，新生回波底高位于WBZ以上，伸展高度超过-20℃层，垂直上升速度达9 m·s-1(图 6d)；03:27，大于30 dBz的回波面积骤增，质心高度在海拔5 km以上，呈现高悬垂特征，风暴内部形成完整次级环流(图 6e)；03:32，回波中心强度迅速增至49 dBz，垂直上升速度稳定在4 m·s-1以上，值得注意的是，受地形强迫作用影响(图 5b)，初生风暴内部纬向气流并没有立刻直接爬升翻越山地，而是在山地阻挡下近地层流场由西风转为东风，且伴随生成多个次级环流(图 6f)；03:38，初生风暴才开始在山前爬升，其内部紊乱的流场迅速调整为一致的斜升气流(图 6g)。综上，14日凌晨风暴初生于中低空斜压锋生区附近，在东移过程中由地形强迫抬升作用触发，并配合西南低空急流的建立与加强，SHR3增大至19.9 m·s-1，低层水平涡度扭曲成为垂直涡度，使抬升运动变得剧烈和迅速。
4 典型风暴单体回波特征分析 4.1 1号单体风暴分析普洱天气雷达资料可以看出，受无量山脉两侧水汽和热力差异影响，3月13日15:25线状风暴已经过临沧云县移入普洱境内，风暴内部对流单体之间存在合并发展。15:55，线状风暴内嵌有多个强中心，1号单体风暴开始脱离母体(图 7a)，径向速度场中仍以中层偏西北引导气流为主，但风暴内部的逆风区已逐渐增强发展形成中尺度辐合线(图 7e)。16:25后，1号单体风暴与附近单体合并，形成强风暴单体，最大反射率超过60 dBz，回波中心结构呈现“V”字型钩状特征，强回波存在后侧入流缺口(RIN；高丽等，2021年)，入流强度超过12 m· s-1，相对应的1号单体风暴前侧有更强劲的前侧入流缺口(FIN)，急流强度达24.5 m·s-1(图 7b，7f)，之后单体向东南方向移动。17:25，回波移动至距离雷达站100 km处的无量山(镇沅段)附近，风暴中心粒子反射率增强，1号单体风暴左侧0.5°仰角出现明显旁瓣回波并有加强趋势(图 7c)，径向速度场上回波中心南侧生成中等强度中气旋，旋转速度达17.8 m· s-1，单体风暴加强为超级单体风暴(图 7g)，之后中气旋持续5个体扫以上(图 7h)，伸展高度超过1.5°仰角。17:43后，1号超级单体风暴后侧开始出现“V”型缺口(图 7h)，这是单体风暴内部大冰雹、大水滴等粒子对C波段雷达信号强烈衰减影响所致(夏文梅等，2016)。20:38后，随着1号超级单体风暴移出普洱，“V”型缺口特征消失(图略)。
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图 7 2023年3月13日(a, e)15:55，(b, f)16:43，(c, g)17:25，(d, h)17:43普洱雷达0.5°仰角 (a~d)反射率和(e~h)退速度模糊后径向速度 注：图g、h中白色圆圈为中气旋。 Fig. 7 (a-d) Reflectivity and (e-h) radial velocity after develocity blur at 0.5° elevation of Pu'er Radar at (a, e) 15:55 BT, (b, f) 16:43 BT, (c, g) 17:25 BT and (d, h) 17:43 BT 13 March 2023 |
通过双多普勒雷达三维变分方法反演风场(罗云等，2021)可以发现，1号超级单体风暴发展至中后期(18:01—20:38)，3.3 km等高平面上风暴速度场内中气旋减弱，转变为右侧气旋式旋转、左侧反气旋式旋转并存的一对涡旋(图 8a)，其伸展高度超过5.4 km。气旋式涡旋对应强上升旋转运动区，雷达体扫表现出悬挂的强回波和反射率高梯度形成的有界弱回波区(BWER)特征，55 dBz以上强回波发展高度超过5 km，位于WBZ和-20℃层之间(图 8b)，有利于冰雹形成和增长；而反气旋式涡旋则位于强下沉运动区，雷达体扫特征表现为反射率因子最大值区域(图 8a)，与景星镇冰雹和大风落区相吻合(图 1b)。从径向速度剖面来看(图 8c)，两涡旋之间4~8 km高度以上有一支强斜升入流，风暴出流位于入流右下方，入流与出流之间存在中层径向辐合(MARC)，风暴顶表现为强辐散特征。上升与下沉气流独立分开的斜升运动使得单体持续时间延长，并有利于持续降雹。
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图 8 2023年3月13日18:25普洱雷达3.3 km等高平面位置显示产品 (a)反射率(填色)和水平风场(风矢)，及同时刻(b)反射率和(c)径向速度剖面 注：图a中红色实线为图b、c剖面位置。 Fig. 8 (a) Reflectivity (colored) and horizontal wind field (vector), profiles of (b) reflectivity and (c) radial velocity of 3.3 km altitude plan position indicator of Pu'er Radar at 18:25 BT 13 March 2023 |
从风暴各特征参量演变情况来看(图 9a)，过程期间1号单体风暴回波的最大组合反射率(CR)、基于格点的最大VIL和最大VILD均显示出有利于冰雹出现的特征。地面降雹时段内CR平均为60.5 dBz，VIL平均为36.1 kg·m-2，VILD平均为4.0 g·m-3，与段鹤等(2014)的滇南地区成熟阶段冰雹云VIL为30~60 kg·m-2、VILD为3.0~6.5 g·m-3的统计值相当。强回波面积(反射率超过55 dBz的区域，下同)整体呈增长—维持—减小的趋势，在1号单体风暴发展形成中气旋(17:25)后强回波面积达到顶峰(69.2 km2)。17:43后随着强回波面积、VIL和VILD逐渐减小，地面降水相态发生改变，由单一的冰雹转为冰雹混合短时强降水同时出现(图 1b)。对强回波质心进行轨迹跟踪发现(图 9b)，风暴单体质心移速对地形高程阻挡作用的提前响应特征突出，风暴移至高海拔山地前1~3个体扫时移速减慢，在下山运动中和地势平缓的河谷盆地内移速相对较快，具体为17:00风暴单体移至海拔2400 m左右的无量山(宁洱段)前，中心移速由17.4 m·s-1减至6.8 m·s-1，越过无量山后，中心移速增至15.7 m·s-1。
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图 9 2023年3月13日1号单体风暴发展期间雷达特征参量随(a)时间和(b)地形的演变 Fig. 9 Variation of radar characteristic parameters with (a) time and (b) terrain elevation during the development of storm cell No.1 on 13 March 2023 |
3月14日05:32之前, 2号单体风暴位于临沧境内，受双江东侧高海拔山地影响，风暴出现后向传播，强度较弱。05:32，风暴东移越过澜沧江进入地势较为低缓的普洱境内，与后侧弱回波合并并加强(图 10a)，风暴质心移速开始加快(图 11b)，0.5°仰角径向速度存在后侧入流急流，强度为21.5 m·s-1(图 10b)；过江后，2号单体风暴VIL和VILD出现跃增，2个体扫时间内VIL由11.5 kg·m-2增至42.5 kg·m-2，VILD由1.7 g·m-3增至4.5 g· m-3，此外CR也缓慢增至60 dBz左右并稳定维持(图 11a)，地面开始出现降雹。05:50—06:38单体风暴前侧出现入流缺口，并不断加深为倒“V”型结构(图 10c, 10d)，中高空对应出现强悬垂回波(图 10e)，表明此阶段自低层至中高层存在一股由偏南风入流发展形成的强上升气流。06:56，前侧入流缺口迅速减弱并消失，偏南风入流脱离风暴单体，强回波质心高度也逐渐由8 km下降至5 km左右(图 10f)，随后2号单体风暴消亡，残余回波并入线状对流带(图 1c)。
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图 10 2023年3月14日(a)05:32、(c)05:50、(d)06:38普洱雷达0.5°仰角反射率和(b)05:32退速度模糊后径向速度，(e)06:38、(f)06:56反射率剖面 注：图c、d中红色实线为图e、f剖面位置。 Fig. 10 Reflectivity at 0.5° elevation of Pu'er Radar at (a) 05:32 BT, (c) 05:50 BT and (d) 06:38 BT, (b) radial velocity after develocity blur at 0.5° elevation at 05:32 BT, and profiles of reflectivity at (e) 06:38 BT and (f) 06:56 BT 14 March 2023 |
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图 11 2023年3月14日2号单体风暴发展期间雷达特征参量随（a）时间和（b）地形的演变 Fig. 11 Variation of radar characteristic parameters with (a) time and (b) terrain elevation during the development of storm cell No.2 on 14 March 2023 |
风暴单体的初生与发展有赖于滇西南大气环境的高度层结不稳定以及中低层强垂直风切变稳定维持，另外，风暴承载层平均风向与风暴单体移动方向一致也使得持续时间延长，这与以往的相关研究基本一致(高晓梅等，2018)。但在此次过程中的1、2号单体风暴之间的生命史特征大相径庭，还需要进行深入分析。
1号单体风暴自3月13日15:25生成，16:25发展为强单体，17:25加强为超级单体，20:30后减弱并逐渐消亡，期间风暴流场大体经历了中尺度辐合线—中气旋—气旋式涡旋与反气旋式涡旋共生等一系列的演变过程，且每个阶段持续5~10个体扫时间，风暴单体对流运动活跃且持久。而2号单体风暴于14日04:02生成，05:32加强为强单体，06:38后中心减弱消散随之并入线状对流，风暴历经后侧入流急流和前侧入流急流两个阶段，且各阶段持续时间(2~8个体扫)较短，过程演变迅速，没有超级单体生成和维持的特征。造成1号和2号单体风暴生命周期差异的主要原因如下。
(1) 触发机制对单体的生命史长短起决定作用。昼发型风暴由低空暖平流强迫和地面弱辐合线耦合触发，CI附近强烈上升的暖湿气流柱伸展至450 hPa，热力、动力条件优渥；而夜发型风暴主要由地形强迫抬升作用和中低空斜压锋生耦合触发，配合西南低空急流发展加强，CI附近上升运动弱于13日午后，热力条件也相对较差。
(2) 滇西南地形及地面热力差异对风暴发展的影响。风暴在山前受地形抬升，内部气旋式涡度减弱，过山后，气旋式涡度增强，风暴重新发展(朱乾根等，2000)。1号和2号单体风暴对高海拔山地均有上述特征反馈，具体表现为1号单体风暴于13日17:25翻越无量山(镇沅段)后发展为超级单体风暴，其内部出现中气旋结构(图 7g)，2号单体风暴则在14日05:32翻越大青山后与后侧弱回波发展为强单体风暴(图 11)。所不同的是，1号单体风暴在发展前、中期有3次过山运动(图 1a，图 9)，分别为13日16:07(1929 m)、16:37(2068 m)、17:25(2269 m)，且地面热力条件明显优于后者，而2号单体风暴仅在发展前期有1次过山运动(图 1b，图 11)，即14日04:56—05:20(2201 m)，中、后期下垫面海拔在1500 m以下，加之地面温度较低，不利于风暴持续增强和发展。
5 结论本文利用常规地面观测资料、多普勒雷达资料和ERA5再分析资料等，对2024年3月13—15日发生在滇西南地区影响持久且剧烈的强风暴天气过程，特别是针对昼夜不同时间段内风暴的初生、增强与维持机制进行分析，得到如下主要结论。
(1) 强风暴天气过程发生在地面冷锋东退期间，低(高)空西南急流建立并加强，中层西北气流持续侵入的环流背景下，风暴主要在高空急流入口右侧与中空急流轴交角附近发展加强；过程中随着系统南压，CI位置也逐渐偏南偏西。
(2) 滇西南地区低层暖平流与中层冷平流持续且稳定的输送，加剧了环境大气不稳定层结；CAPE为826.6~1481.6 J·kg-1，SHR3为14.4~19.9 m· s-1，SHR6为27.6~34.5 m·s-1，高度层结不稳定和强垂直风切变为致灾性强风暴发生、发展和维持提供了良好的环境条件。
(3) 昼发型风暴由暖平流强迫偏南风抬升和地面弱辐合线耦合触发，无量山脉两侧显著的水汽、热力差异使得风暴在东移越山后发展增强。夜发型风暴则初生于中低空斜压锋生区附近，在东移过程中由迎风坡强迫抬升作用触发，并在西南低空急流配合下发展加强。
(4) 在昼夜差异和不同地形强迫影响下，风暴单体雷达回波特征各异。1号单体风暴具有入流缺口、有界弱回波区和“V”型缺口等形态特征，径向速度表现出中气旋结构，降雹时段内平均CR为60.5 dBz，平均VIL为36.1 kg·m-2，平均VILD为4.0 g·m-3；2号单体风暴回波则表现有显著的后侧入流急流和前侧入流缺口，但回波对地形响应更为明显，跨越澜沧江后强回波面积、VIL和VILD出现跃增，VIL由11.5 kg·m-2增长至42.5 kg·m-2，VILD由1.7 g·m-3增长至4.5 g·m-3。
(5) 受昼夜近地层和中高空大气热力、动力条件差异以及风暴发展演变阶段不同下垫面强迫的影响，风暴单体生命史长度和地面灾害性天气表现迥异，1号单体风暴生命史长达6 h，影响期间持续伴随降雹，过境前后地面出现雷暴大风天气，后期降水相态转变为冰雹混合20 mm·h-1以上的短时强降水；2号单体风暴生命史为3 h，仅在单体发展后期出现降雹，其他类型对流天气并不剧烈。
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