高原气象

高原气象 >

2024 , Vol. 43 >Issue 2: 398 - 410

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00059

论文

金沙江下游峡谷一次飑线和下击暴流的机理分析

  • 王汉涛 , 1 ,
  • 尹晔 1 ,
  • 白爱娟 , 2 ,
  • 刘炙明 2, 4 ,
  • 张昊楠 2 ,
  • 刘皓 3 ,
  • 郑自君 3
展开
  • 1. 中国长江电力股份有限公司 智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443000
  • 2. 成都信息工程大学 大气科学学院，四川 成都 610225
  • 3. 凉山州气象局，四川 西昌 615000
  • 4. 四川省马边彝族自治县气象局，四川 乐山 614600
白爱娟（1971 -）， 女， 陕西长安人， 教授， 主要研究方向为天气气候学、 强天气监测和预警. E-mail：

王汉涛（1985 -）， 男， 四川都江堰人， 高级工程师， 主要研究方向为水电站施工期气象监测和预警E-mail：

收稿日期: 2023-03-23

  修回日期: 2023-07-18

  网络出版日期: 2024-03-26

基金资助

国家自然科学基金项目(U2242202)

云南省重点研发计划项目(202203AC100006)

成都信息工程大学教师科技创新能力提升计划重大项目(KYTD202201)

中国气象局创新发展专项(CXFZ2022J012)

收起

Analysis on a Squall Line and its Downburst over the Lower Reaches of Jinsha River

  • Hantao WANG , 1 ,
  • Ye YIN 1 ,
  • Aijuan BAI , 2 ,
  • Zhiming LIU 2, 4 ,
  • Haonan ZHANG 2 ,
  • Hao LIU 3 ,
  • Zijun ZHENG 3
Expand
  • 1. Hubei Key Laboratory of Intelligent Yangtze and Hydroelectric Science，China Yangtze Power Co. Ltd. ，Yichang 443000，Hubei，China
  • 2. Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，Sichuan，China
  • 3. Liangshan Meteorological Administration，Xichang 61500，Sichuan，China
  • 4. Mabian Yi-Autonomous County Meteorological Administration，Leshan 614600，Sichuan，China

Received date: 2023-03-23

  Revised date: 2023-07-18

  Online published: 2024-03-26

Copyright

© Editorial Department of Plateau Meteorology （CC BY-NC-ND）
Fold

摘要

产生极端灾害性大风的飑线对水电站安全至关重要。本文以2016年6月4日金沙江下游白鹤滩水电站峡谷产生13级大风的飑线为例， 从天气系统和中小尺度上讨论其形成机制。获得以下结论： （1）飑线到达前， 受飑前低压影响水电站气压稳降了9 hPa， 气温上升超过14 ℃。飑线到达时受雷暴高压作用1 h内气压陡升10 hPa， 气温骤降超过10 ℃， 相对湿度陡增到70%， 伴随短时降水发生。飑线过境后以上要素恢复到原值。（2）天气尺度环流的分析发现， 飑线当天水电站在高空急流入口右侧辐散和低空西南涡南侧切变辐合的耦合作用下， 次级环流的上升运动为飑线深对流提供了环境背景。飑线前中高层干冷平流叠加在中低层暖湿平流上， 加上低空强烈升温增加了气温直减率， 积累了对流发展的静力和对流不稳定， 为飑线长生命提供了有利环境条件。垂直风速显示峡谷的上空下沉运动增强了动量下传， 促进飑线前侧的抬升， 正反馈作用下促进风暴稳定发展。（3）昭通雷达探测表明， 飑线中30 dBZ以上多单体紧密聚合成带状回波， 镶嵌着超过10 km高度柱状发展的50 dBZ以上强回波核。径向速度场上， 垂直于峡谷的中尺度辐合线与带状强回波吻合， 是飑线的触发机制， 对应深厚的中层径向辐合MARC（Mid-Altitude Radial Convergence）特征。在云体剖面结构上， 飑线前强上升运动形成穹窿， 飑线到达时高悬的回波核快速下降， 形成下击暴流， 并诱发顺着河谷的新单体生成， 改变了飑线走向， 形成顺着的峡谷的极端大风。

关键词： 飑线; 下击暴流; 峡谷地形; 中层径向辐合

本文引用格式

王汉涛 , 尹晔 , 白爱娟 , 刘炙明 , 张昊楠 , 刘皓 , 郑自君 . 金沙江下游峡谷一次飑线和下击暴流的机理分析[J]. 高原气象, 2024 , 43(2) : 398 -410 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00059

Abstract

Squall lines often produce extremely disastrous gales and play a crucial role in the safety of hytropower stations.This article explores a squall line event over the lower reaches of Jinsha River on June 4， 2016， which brought 13-level wind at the canyon of Baihetan Hytropower Station.This research detect the formation mechanism of this squall line from environmental conditions and medium-scale meteorology.The following conclusions are obtained： （1） Before the squall line arrived， the ground pressure dropped steadily by 9 hPa because of the low pressure， and the temperature of the canyon rises up above 14 ℃.As the squall line arrived， the pressure rises sharply with thunderstorm high pressure， and the temperature dropped more than 10 ℃.At the same time， the relative humidity reached as higher as 70%， accompanied by short-term precipitation.After the squall line left， the aforementioned meteorological elements restored to their original values.（2） Analysis on the synoptic scale circulation， we finds that Baihetan hytropower station located in the south of southwest vortex， which induced a wind convergence background at the low level.Meanwhile， the station lied in right side of the jet stream inlet at upper level， and strong vertical motion formed by the wind shear.As a result， the squall line to come into being.Furthermore， in the troposphere before the squall line， the atmospheric circulation displayed a dry-cold advection in the middle-upper level superimposed over a warm-wet advection and higher ground temperature in the lower levels， increasing the temperature lapse rate.t As a result， the strong static instability and convection accumulated， and the conditions were favorable for the squall line to live a long time.The analyses from vertical wind speed showed that the subsidence movement made the momentum spread down， and promoted the uplift in the front side of line， and a positive feedback effect developed， promoting a stable mechanism for the strong storm.（3） Radar of Zhaotong detection indicates that echo cell that greater than 30 dBZ aggregated costly into a band and embed with the strong echo cores of greater than 50 dBZ， as a cylindrical convective cloud of higher than 10 km.On the radical velocity field， the meso-scale convergence line coinciding with the banded strong echo， as well as MARC （Mid-Altitude Radial Convergence） characteristics of the mid-altitude radial convergence， were the trigger mechanism for the squall line.As the cloud structure of the storm， strong upward movement in front of the squall line leaded to the dome.As the squall line arrived， the echo core dropped rapidly， and the extreme gale of downburst formed， resulted the new convective monomers come in being along the canyon.

Key words： squall line; downburst; canyon; mid-altitude radial convergence

1 引言

飑线是最易产生极端灾害性大风的中尺度强对流系统， 且具有传播范围广和持续时间长的特点。飑线系统多与雷暴、 冰雹和短时强降水等天气相伴随， 经常因强风和强风切变， 及其产生的下击暴流造成严重损毁。如2015年“6·1东方之星”沉船事件， 就是飑线经过长江时， 由微下击暴流产生31 m·s-1的极端强风， 致使游船倾覆形成灾难（郑永光等， 2018； 孟智勇， 2016）。飑线及伴随的强天气， 尤其是强风长期以来是气象监测和预警的难点， 姚晨等（2013）、 禹梁玉等（2021）、 李哲等（2017）、 张腾飞等（2018）和于波等（2017）的众多研究都关注到飑线特征和形成原因， 研究中对地面观测数据的分析表明， 飑线经过时会出现气压跳跃、 风向急剧变化， 以及气温陡降和湿度猛增的现象（丁一汇等， 2005）。天气雷达通过探测飑线云体的钩状、 弓形和带状等回波形态演变特征， 能够判识出飑线的移动路径， 及产生的下击暴流（俞小鼎等， 2020）， 因此雷达探测数据成为揭示飑线强风形成机制的关键。具体表现为， 雷达回波可以辨识出飑线大风速核和风向不连续， 以及中气旋、 下击暴流和速度模糊等飑中系统， 对理解飑线发生发展和移向具有重要的作用（俞小鼎等， 2006）。Fujita（1981）指出弓形回波是飑线大风最经常表现的形态， 飑线大范围的雷暴云中下沉运动经常分布不均匀， 存在一股或几股较强的下击暴流， 其中水平尺度小于4 km， 持续2~5 min的为微下击暴流， 有时甚至可导致龙卷强度的大风。Johns and Doswell（1992）指出飑线大风的回波呈经典弓形、 波状弓形和直线型等多种形态， 最强风通常出现在弓形回波向前凸起的位置， 在飑线衰减阶段其回波较强的头部， 还常形成钩状回波。李国翠等（2013）和唐明晖等（2016）指出飑线弓形回波有时包含有超级单体的中尺度系统， 对应飑线回波中的大风速核。
金沙江下游穿越青藏高原和云贵高原向四川盆地过渡的横断山区， 从攀枝花蔓延抵达宜宾， 所经之处地形起伏大， 河谷纵横交错， 干热气象条件复杂， 是西南地区大风最频繁的地区（王治华， 1999）。该流域因丰富的水能资源是我国最大的水电基地， 分布着西电东输工程的4个梯级水电站。以金沙江下游白鹤滩水电站为例， 受对流层中高层不同纬度带上低槽和低空低涡， 以及切变线的共同影响， 一年中7级以上大风日数可达255天， 占全年69.8%， 其中干季11月至次年4月7级以上大风的日数达187天， 占大风总日数的86.4%， 河谷东岸马脖子站风力最强， 多年2 min平均风速达8.9 m·s-1（尹晔， 2023）。坝区峡谷风力大， 且持续性强， 极大风速经常达30 m·s-1以上。除干季大风多发外， 在雨季还经常出现飑线对流为主的强雷暴大风。频繁的强风在水电站施工期对库区运输、 高空作业、 临时建筑物、 悬崖施工和输电线路带来强大的破坏， 并带来不可预见的生命财产损失。如2016年6月4日的飑线大风天气， 在白鹤滩水电站南北向的峡谷中部产生了36 m·s-1的极端大风， 造成大坝工区缆机平台剧烈摆动， 临时营地受损， 形势非常危急。对于这次飑线天气， 坝区气象服务中根据云南昭通雷达的云团回波特征， 提前发布了灾害预警信息， 为灾害防范争取到一定时间， 但是对这次飑线和下击暴流中的起风时间和风力等级缺乏准确预见。受峡谷地形影响， 金沙江下游飑线系统的移动和传播机制复杂， 加上观测数据欠缺， 对风力预测的准确性差。加强坝区峡谷地飑线和下击暴流的个例分析， 探索特殊地形区飑线的预警信息， 有利于增强强风的预警能力。因此本文以2016年6月4日影响白鹤滩水电站的飑线天气为例， 利用多种观测和再分析数据， 揭示峡谷地形下飑线的环流形势背景， 及其飑线中小尺度云体的结构特征， 探索金沙江河谷飑线和下击暴流的成因， 以提高对峡谷地形区灾害性大风形成机制和预警技术的认识， 致力于保障水电的安全施工和运行。

2 数据来源与方法介绍

（1） 白鹤滩水电站自建观测站数据。三峡水电集团自白鹤滩水电站开工建设以来， 在大坝附近的峡谷两侧布设了加密观测站， 有新田、 马脖子和荒田水厂站。收集的观测数据有逐分钟风向风速、 逐小时气压、 气温和相对湿度数据。水电站峡谷从上游葫芦口大桥， 经骑骡沟后， 穿过坝区， 到达下游的荒田水厂站， 整个河谷的地形高度和观测站位置如图1所示。
图1 金沙江下游地形海拔（阴影， 单位： km）、 白鹤滩水电站（菱形）和观测站位置（蓝色圆点）

（a）中黑色曲线为云南和四川的省界， 三角形为昭通雷达站； （b）中数值为测站海拔（单位： km）

Fig.1 The topographic height above the sea level of the lower reaches of Jinsha River （shadow， unit： km）， and Baihetan Hydropoder （lozenge） and the location of observation stations （blue dot）.The black line in （a） is the provincial boundary， and triangle means Zhaotong Radar Station， and the number in （b） shows the stations’ altitude （unit： km）

（2） 云南昭通天气雷达数据。依据电磁波散射和多普勒效应原理进行大气探测的天气雷达本领强大， 能够为飑线和飑中系统分析提供高时空分辨率的观测数据。云南昭通C波段天气雷达与白鹤滩水电站直线距离82.5 km， 是离水电站坝区峡谷最近的雷达站。雷达站位置如图1（a）所示， 位于103.72°E， 27.35°N， 海拔2002.8 m。昭通雷达最低仰角扫描到坝区的海拔约为3120 m。雷达每6 min完成一次立体探测， 水平分辨率为500 m。本文地图底图来源于STRM（Shuttle Radar Topography Mission）90 m分辨率的地形数据。
（3） 欧洲数值预报中心ECMWF的ERA-5（European Center for Medium-Range Weather Forecasts ReanAlysis）再分析数据。ERA-5全球气象综合数据是数值天气预报、 卫星和地面观测等不同来源的数据， 经过同化算法最优集成得到的。由于其采用了四维变分同化， 以及改进的卫星数据误差校正等技术， 具有良好的物理、 空间和时间一致性， 且相较于前几代再分析数据质量有较大提升（Kistler et al， 2001）。数据通过网址https： //cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/home的Climate Data Store下载。本文使用的数据分辨率为0.25°×0.25°， 每天08:00（北京时， 下同）和20:00两个时次， 垂直方向有61个层。气象要素包括： 气温、 水平风速、 垂直风速、 位势高度和相对湿度， 用来分析影响飑线的大气环流形势特征。考虑到影响金沙江下游的天气系统活动范围， 本文选择了中东亚大陆区域（80°E -120°E， 10°N -50°N）的ERA-5数据。

3 飑线经过时地面气象要素分析

2016年6月4日白鹤滩水电站周边发生了建站以来最强的雷暴大风天气， 昭通雷达显示有飑线经过， 地面观测到大风和短时强降水发生。分析图2（a）中峡谷区3个站小时极大风速的风向变化， 在6月4日10:00前， 峡谷区各站风向较稳定， 但风向不一致， 且差别较大， 如新田以偏北风为主， 马脖子持续偏东风， 荒田水厂为偏东南风和西南风。结合站址的位置和风向， 发现新田站偏北风和荒田水厂的偏南风在大坝北部低层形成低空辐散流场。到10:00 -11:00各站风向发生改变后， 低空风切变增强， 表现为马脖子和新田站偏南风与荒田水厂偏北风的强辐合切变。12:00后较一致的东南风在峡谷地开始发展， 说明飑线由前期偏南暖湿气流辐合强迫入流形成。18:00各站突转为西北风， 与前几时次完全反向， 风向突变可达180°。由此确定当天18:00是低空风向突变最强的时间， 也是飑线到达水电站坝区的时间。
图2 新田、 马脖子和荒田水厂站2016年6月4日小时极大风速的风向［（a）， 单位： （°）］、 逐分钟风速（b， 单位： m·s-1， 方框小图为18:00 -20:00的放大）和小时降水量（c）变化曲线

黄色阴影为飑线经过峡谷的时段

Fig.2 The variations of direction of maximum wind speed vector ［a， unit： （°）］， the maximum wind speed （b， unit： m·s-1， the box is the enlarge picture from 18:00 to 20:00） and the hourly precipitation （c） over Xintian， Mabozi and Huangtian on June 4， 2016.The yellow shaded means the duration of squall line arrived the canyon

从图2（b）中各站逐分钟极大风速曲线上， 分析飑线产生的风速变化。6月4日各站地面观测的日间风速低于10 m·s-1。18:00后荒田水厂、 新田和马脖子站风速陡增， 19:00超过20 m·s-1， 表明飑线气流从北向南冲过坝区。19:00 -20:00风力持续， 马脖子站风力最强， 超过36.2 m·s-1， 达到13级大风。新田站极大风速是30.4 m·s-1， 为11级大风。20:00后各站风力减弱， 马脖子站风速骤降到12 m·s-1， 荒田水厂降到5 m·s-1以下。因此从18:00风向突变后， 到19:00风力增强， 表明飑线已经到达。对应图2（c）中荒田水厂19:00降水量达到14.7 mm·h-1的最强， 以及马脖子和新田站较弱降水， 说明飑线对流在18:00 -19:00抵达大坝附近。22:00后3站的风速逐渐降低， 表明飑线通过了坝区， 共影响了约4 h。
分析飑线经过时对地面要素变化的影响。以观测要素齐全的新田为例， 从图3上分析气压的变化。从6月4日09:00开始新田气压开始降低， 17:00达到最低的889.2 hPa， 气压共下降了9.0 hPa。18:00飑线到达时， 气压突转为上升， 到20:00陡升到899.7 hPa， 前后1 h上升了10.5 hPa。由此说明飑线到达坝区前， 受天气尺度低压环流影响， 地面气压缓慢持续下降， 且飑前低压范围广， 影响时间可达10 h。19:00飑线主体入侵峡谷区， 受中尺度飑线高压影响， 地面气压涌升。随后受飑线中尾流气压影响， 21:00气压波动变化。次日08:00后飑线影响消失， 气压恢复到强天气发生前的正常值。在峡谷地形下， 受飑前低压和飑中雷暴高压影响到坝区， 导致气压出现以上变化。
图3 新田站2016年6月4日08:00至5日08:00气压、 气温和相对湿度变化曲线

灰色矩形为飑线经过的时段

Fig.3 The variations of the air pressure， temperature and relative humidity of Xintian station from 08:00 on 4 to 08:00 on 5 June 2016.The gray box means the duration of the squall line go through the canyon

对应这次飑线经过坝区， 图3中新田站6月4日白天持续升温， 在16:00气温达到34.5 ℃， 8 h升温超过14 ℃。直到18:00气温持续偏高， 说明飑线进入前， 河谷大气受日间强烈辐射增温作用， 日气温明显偏高。低空高温条件促进了大气能量积累， 形成了强气温直减率， 为飑线发展提供了初始的位势不稳定能量。到18:00飑线主体到达后， 2 h内气温骤降了13 ℃， 达到最低值20.5 ℃。对应19:00 - 20:00坝区大风和强降水， 说明短时间内干冷空气入侵对流云体， 云内气温骤降， 不稳定能量得到释放。降温后强冷空气促进下沉运动， 导致下击暴流诱发地面强风。在22:00飑线过后， 气温略低于坝区夜间气温。再分析飑线对大气湿度的影响， 当日08:00后新田相对湿度持续降低， 16:00 -18:00达到28%的最低值。19:00飑线到达时， 相对湿度开始猛增， 20:00达到70%。说明受飑线对流影响， 低空辐合作用增强， 偏南风形成的水汽条件充足， 相对湿度迅速上升， 进一步使坝区的高位能环境条件形成， 促进飑线对流降水和大风的形成。
总之， 通过以上对这次飑线中地面气象要素的分析， 可以看到飑线过境前水电站峡谷气压缓降9 hPa以上， 气温上升约14 ℃。飑线到达引发气象要素的突变， 表现为1~2 h内气压涌升10 hPa， 气温下降超过10 ℃， 加上环境湿度猛增， 由此， 气压涌升9 hPa和气温陡降10 ℃以上是该峡谷地预警飑线大风的可能阈值。飑线经过后， 以上要素逐渐回落到原值。鉴于飑线经过时引发气象要素的强烈变化， 突显了飑线发生的有利环境特征， 因此地面气象要素变化对预警峡谷地飑线大风等强天气具有重要意义。飑线经过坝区峡谷引发气象要素的显著变化， 类似于天气尺度冷锋的过境， 但飑线中各要素变化比冷锋迅速且剧烈， 集中在1~2 h内完成突变。飑线和冷锋的区别还在于飑线过后， 以上要素能够恢复到原值， 这也是其显著不同于冷锋的变化。

4 飑线的环流形势背景分析

飑线作为重要的中小尺度系统， 离不开天气尺度的大气环流背景条件。在此采用ERA-5数据， 分析飑线发生前对流层不同高度的大气流场， 分析导致飑线的系统类型， 以及环境条件对飑线的影响作用。图4（a）显示在飑线发生前的6月4日08:00， 在高层200 hPa上高空急流轴在高原东侧向南加深， 且在中国大陆中东部加强， 急流核位于长江中下游。在这种高空环流形势下， 金沙江流域位于低槽后部高空急流入口区右侧， 该处水平风切变形成对流层顶的辐散， 激发垂直方向的抽吸作用， 增强次级环流的上升运动， 有利于形成深厚的对流不稳定， 诱发强天气的发生。
图4 2016年6月4日08:00的200 hPa（a）、 500 hPa（b）和700 hPa（c）的风场（风羽， 单位： m·s-1， 长线为4 m· s-1， 短线为2 m·s-1）和位势高度等值线（黑实线， 单位： dagpm）， 以及气温（彩色区， 单位： ℃）分布

蓝色三角形为水电站位置， 图（c）中灰色阴影为青藏高原地形

Fig.4 The distribution of wind vector field （bar， unit： m·s-1， long line means 4 m·s-1 and short line means 2 m·s-1）， geopotential height contour （black solid line， unit： dagpm ） and temperature （color area， unit： ℃） at the levels of 200 hPa （a）， 500 hPa （b） and 700 hPa （c） at 08:00 on June 4， 2016.The blue triangle is the location of Baihetan hydropower station， and gray area in （c） is the terrain of Qinghai-Xizang Plateau

飑线发生前对流层中层500 hPa高度上［图4（b）］， 在中国大陆中东部北脊南槽的环流形势下， 中纬度流场的经向度加大。青藏高原上向北拱起的高脊与东部的高空槽相继增强， 脊前有下滑的冷槽发展， 西北气流推动冷空气南下。温度场上高原以东的冷槽落后于高空槽， 促进高空槽加深且稳定维持。金沙江流域位于下滑低槽后部， 该地以正涡度平流为飑线提供了天气尺度的环境。对应700 hPa高度上［图4（c）］， 四川盆地有西南低涡发展， 流域位于低涡南侧的强风切变区， 低空低涡和切变线的辐合与200 hPa的辐散在垂直方向上耦合， 与次级环流的上升区形成正反馈作用， 为飑线提供了有利的天气尺度环境。因此对流层低层的低涡切变导致的辐合作用稳定发展， 与高空急流辐散的耦合增强机制， 导致中纬度大气斜压性加强和槽脊加深， 为飑线提供了天气尺度有利的动力条件。
再分析飑线发生前对流层不同高度的热力环境条件。图4中6月4日的气温场上， 500 hPa高空冷舌以中路冷空气的形势向南推进， -8 ℃等温线最南抵达到金沙江下游， 冷中心影响到坝区以北， 表现为强的冷平流活动。但在700 hPa温度场上， 相反有暖舌向高原及以北延伸， 水电站位于强暖中心区， 气温超过12 ℃， 且有暖平流维持。高空冷平流与低空暖平流在垂直方向上叠加， 使得坝区上空低层的高能量与高层的低能量对峙， 大气层结不稳定能量得到积累和加强， 以强静力不稳定为当日傍晚的飑线提供了热力条件。
再分析飑线发生前， 水电站峡谷区大气环流的垂直分布特征。以峡谷所在的103°E为基线， 利用ERA-5数据分析大气水平运动和温湿场的纬度-高度变化。在6月4日14:00的飑线前， 图5（a）等温线显示峡谷所在的27.5°N低空为强暖中心， 气温比南北侧偏高8 ℃左右。垂直风速场上， 坝区以北， 尤其是30°N以北为垂直风速负值区， 达到0.8×10-2 Pa·s-1， 从低到高穿透对流层， 表明对流层有深厚上升运动。400 hPa强上升中心与其更北侧的下沉运动共存。坝区以南从低层到高层的下沉运动形成， 说明飑线大风以下沉运动的作用为主， 是在北侧深厚的强上升运动的激发下， 促进下沉对流运动的发展。
图5 2016年6月4日14:00（a）和16:00（b）沿坝区所在103°E的水平风场（风羽， 单位： m·s-1）、 垂直风速（黑色曲线， 单位： ×10-2 Pa·s-1）、 气温（红色曲线， 单位： ℃）和相对湿度（绿色阴影， 单位： %）的纬度-高度剖面

垂直向上箭头为水电站所在纬度

Fig.5 The Latitude-height sections of horizontal wind vector （barb， unit： m·s-1）， vertical velocity （black curve， unit： ×102·Pa·s-1）， temperature （red curve， unit： ℃） and relative humidity （green shadow， units： %） along the canyon at 103°E longitude at 14:00 （a） and 16:00 （b） on June 4， 2016.The blue arrow shows the latitude of the hydropower station

分析飑线前环境湿度的垂直分布， 图5（a）中30°N附近低空到600 hPa相对湿度达到70%以上， 相反其上空环境空气偏干， 相对湿度在50%以下， 因此中层的干空气层与低空暖湿空气层相作用， 形成低层高能不稳定的同时， 有利于中层环境干空气侵入云体。干冷空气夹卷入飑线对流云后侧的下沉饱和湿空气区， 以蒸发降温增强下沉运动的同时， 将中层环境的水平风动量， 转换成垂直运动， 以动量下传作用促进下击暴流， 以及低空辐散大风。同时中高层环境干空气夹卷在促进飑线中下沉运动的同时， 能够激发云体前侧上升运动， 正反馈作用下， 进一步增强下沉运动形成下击暴流。
分析图5（a）中飑线前水平风的空间变化， 在30°N以北， 水平风向从低空的东南风， 到700 hPa顺转为西南风， 500 hPa继续顺转成西北风， 且风速增强， 表明该对流层受稳定暖平流作用。在500 hPa以上偏西北风逐渐逆转为偏西风和西南风， 说明受明显冷平流影响。因此， 与图4中环流形势分析一致， 河谷上空低空暖平流和高空冷平流作用， 积累和增强对流层的不稳定能量， 同时在600 hPa高度形成水平风的强垂直切变， 风切变改变了高低空的散度分布， 在风暴前侧形成低空辐合和高空辐散， 有利于促进垂直运动， 延长风暴生命。经过3 h到16:00接近飑线发生的图5（b）， 以上形势稳定维持， 且各要素的高值中心向南移动约3个纬度， 高湿中心向上层伸展到对流层顶的100 hPa， 风切变增强， 垂直运动加剧， 因此环流形势反映了飑线深对流的稳定性， 并从北向南迅速移动的特征。
通过飑线影响下环境气象要素的空间分布， 分析2016年6月4日飑线到达水电站前后环境条件的时间变化。在图6垂直于金沙江河谷的各要素剖面上， 分析水平风变化的冷暖平流特征。6月3日18:00以后， 图6中绿色方框显示500~300 hPa厚度水平风从西北风向上逆转成西风， 且200 hPa风速增强， 表明高空受冷空气活动影响， 有冷平流持续发展。在500 hPa以下风向从低到高顺转， 图6红框表明暖平流增强， 与高空的冷平流对峙稳定发展。4日08:00 -18:00在800~500 hPa厚度上， 对应红框区暖平流增强， 等温线向高空隆起， 近地面气温增加到32 ℃以上， 气温升高6 ℃以上， 形成了强暖中心。高低空温度平流的发展， 尤其是高空持续冷强迫作用， 加上500~600 hPa干空气影响， 850 hPa低层暖湿的高位能增强， 同时高低空的位势差增大， 不稳定能量得到快速积聚， 酝酿了强对流位势不稳定条件， 导致飑线大风和强降水的爆发。
图6 2016年6月3 -5日沿峡谷地形的水平风场（风羽， 单位： m·s-1）、 垂直速度（黑线， 单位： ×10-2 Pa·s-1）、 气温（红线， 单位： ℃）和相对湿度（绿色阴影， 单位： %）的时间变化剖面

红色和绿色方框分别为暖平流和冷平流区， 蓝色和棕色箭头分别表示上升和下沉运动

Fig.6 The variation of time-height profile of horizontal wind vector （barb， unit： m·s-1）， vertical velocity （black line， unit： ×10-2 Pa·s-1）， temperature （red line， unit： ℃）， and relative humidity （shaded， unit： %） on June 3 -5， 2016.The box of red and green mean the warm and cold advection zones.Blue and brown arrows mean ascending and descending motion， respectively

分析飑线前后相对湿度和垂直运动的时间变化。图6中的湿度剖面显示， 18:00飑线生时， 高层300 hPa首先出现饱和的水汽湿中心， 延伸到对流层顶， 表明强上升运动输送向上水汽， 深对流形成。随后图6中蓝色曲线箭头显示高湿中心向低层渗透， 最后近地面相对湿度超过80%。垂直风速的时间变化显示， 飑线发生的18:00， 700 hPa的中低层气流上升运动增强， 对应湿中心向上伸展。由于强辐合上升运动， 干热河谷地水汽难以饱和， 凝结成云雨滴， 导致低层湿度小。到达300 hPa高度， 气温降低到-20 ℃以下， 水汽快速饱和凝结， 相对湿度陡增到90%以上， 形成高悬湿中心。从强湿中心发展的高度上， 可判定飑线云顶可达10 km以上， 强湿核中心超过7 km高度， 表现为深厚的湿对流特征。19:00后飑线上升运动受高层下沉气流抑制， 湿中心在5日00:00下降到3 km以下， 体现了下击暴流时的环境特征， 对应峡谷区的极大风速。总之， 当坝区位于高空急流入口区南侧的辐散区， 且当对流层低层的暖平流和中高层的冷平流相叠加， 为飑线大风和下击暴流发展的有利高空环境条件。

5 雷达探测飑线的中小尺度特征分析

天气雷达探测的高时空分辨率高， 尤其是其对降水云体内部结构的探测上， 有利于揭示中小尺度系统的生命史、 发展路径和飑中系统结构。从昭通雷达对这次飑线探测的反射率因子上分析， 图7（a）中飑线对流最初于17:23在峡谷西北方向生成， 表现为带状回波形态， 在均匀稳定的层状云回波上开始生成密集的块状单体， 中心强度达65 dBZ以上， 且靠近层状云回波前沿。18:20的雷达回波图7（b）中， 飑线对流移向大坝， 核心区呈东北西南向带状， 略呈弓形， 长度达150 km以上。到图7（c）的18:34， 受峡谷地形影响， 带状回波中段向西南隆起， 南段伸入到河谷， 且顺着峡谷南北向的对流核明显增强， 形成典型的多单体回波。图7（d）显示18:39， 飑线横扫过峡谷北段， 继续向东南向移动， 随后经过4个多小时后减弱消失。由于这次峡谷地飑线的带状回波稳定， 具有多单体弓形回波的移动和传播性， 其中单体对流变化快， 且生命期短， 这些回波强度特征与已有关于飑线等对流天气的研究吻合（王秀明， 2012）。在这次飑线发展中， 峡谷地形对气流的聚合作用， 改变飑线最初的东北西南走向回波， 在南北向峡谷地诱发新单体生成和增强， 形成了水电站周边的极端大风。
图7 昭通雷达2016年6月4日1.5°仰角探测的反射率因子分布（单位： dBZ）

图（c， d）中黑直线为图9（a， b）剖面的基线， 白色曲线为云南和四川的省界

Fig.7 The distribution of reflectivity detected by ZhaoTong radar at 1.5° elevation on June 4， 2016（unit： dBZ）.The black lines in （c， d） are the baseline of Fig.9（a， b）， and the white curves are the provincial boundaries between Yunnan and Sichuan

通过昭通雷达探测的径向速度图， 分析飑线天气的中小尺度流场特征。图8（a）、 （b）中的1.5°仰角径向速度场上， 对应飑线发展成熟时的带状强回波中心， 在飑线前沿有东北-西南走向的中尺度辐合线形成， 且飑线西侧和西北侧有负径向风速的最高值， 达到探测最大值的27 m·s-1， 说明飑线后侧对流层中层有气流辐合进入云体， 产生抬升作用， 触发对流形成。在中尺度辐合线两侧， 受边界层和峡谷地形的摩擦作用， 有小尺度涡旋不断发展加强， 形成正负速度的不连续。图8（c）上在新田站北侧观察到中气旋结构， 负速度核心的风速达27 m·s-1以上。图8（d）上伴随飑线对流移动减弱， 辐合线开始消散。因此天气雷达探测的径向速度值揭示了峡谷区飑线在对流层中下层存在的径向辐合运动， 与深厚对流云典型的MARC结构相一致。
图8 昭通雷达2016年6月4日1.5°仰角的径向速度场（单位： m·s-1）分布

图（b， c）中黑直线为图9（b， c）剖面的基线， 白色曲线为云南和四川的省界

Fig.8 The distributions of radial velocity （unit： m· s-1） detected by ZhaoTong radar at 1.5 ° elevation on June 4， 2016.The black in （b， c） is the baseline for the Fig.9 （c， d）， and the white curves are the provincial boundaries between Yunnan and Sichuan province

从昭通雷达探测对流的剖面上， 分析飑线发展时大风的形成原因。飑线多单体在18:28移到水电站峡谷西北侧， 雷达探测到2个柱状直立的回波核， 垂直伸展到10 km以上。参考雷达站高度， 对流云顶伸展距地面约13 km。图9（a）的18:34回波显示， 飑线对流发展成熟， 回波核增强且继续向上伸展， 超过50 dBZ的回波核在6 km高度呈悬挂状态， 相较于前一次探测时次， 回波向上增加了2 km， 低层有弱回波的穹窿结构， 说明对流云中上升运动强盛发展。18:39的图9（b）上， 对流云顶迅速降低到10 km， 云体穹窿结构减弱， 50 dBZ的强中心下降到4~6 km以下， 且强回波接地， 对应19:00地面观测的降水和大风发生， 说明飑线中的下击暴流发展形成低空大风。
图9 昭通雷达2016年6月4日探测的反射率因子（a~b， 单位： dBZ）和径向速度（c~d， 单位： m·s-1）的剖面

图（a， b）以图7（c， d）的黑线为基线， 图（c， d）以图8（b， c）的黑线为基线

Fig.9 The profile of reflectivity （unit： dBZ） and radial velocity （unit： m·s-1） detected by Zhaotong radar on June 4， 2016.Fig.9 （a， b） are based on black line in Fig.7 （c， d）， and Fig.9（c， d） are based on black line of Fig.8（b， c）

从图9（b）上反射率因子核的快速下降， 说明19:00在天气尺度下沉运动背景下， 对流云体就像跌入河谷， 以动量下传机制在低空产生辐散性大风， 形成下击暴流， 峡谷的瞬间风力加大。加上地形狭管效应对风速的增强作用， 以及气流被约束到南北方向上， 更是加强了风速， 与应坝区19:00风力达到13级时间吻合。图9（c）的径向速度剖面图上， 在飑线大风影响水电站前， 对应图9（a）的回波核心位置， 有气流的强烈辐合， 使偏南风暖湿水汽的高能量涌入到云体内， 诱发垂直抬升运动， 并使云体到达对流层顶， 形成深对流， 最后以辐散的形式从飑线前侧流出。图9（d）上， 飑线北部云体在6 km以下的径向辐合运动维持， 对应飑线前沿7~10 km高层的辐散运动增强， 对流单体发展增强， 深厚的中层径向辐合， 即MARC特征显著。综上所述， 天气雷达探测到云体的带状回波， 且在垂直结构上显著的MARC和穹窿特征是监测和预警飑线大风的关键。

6 结论

本文以2016年6月4日金沙江下游峡谷地形区的一次飑线极端大风天气为例， 采用多种数据分析了这次飑线天气的环境背景条件和对流云体结构特征， 讨论了峡谷地飑线大风的形成机制及预警飑线大风的重要线索。得到以下结论：
（1） 通过对飑线经过时气象要素的分析， 发现受飑前低压影响， 大风前8 h气压缓降9 hPa， 且河谷地升温超过14 ℃， 相对湿度下降到30%。飑线到达时， 在雷暴高压作用下1 h内气压陡升10 hPa以上， 伴随气温骤降超过10 ℃， 相对湿度快速增加到70%， 对应短时降水和13级大风出现。飑线过后， 以上气象要素恢复到原值。
（2） 对飑线前大气环流形势分析发现， 飑线受高空急流入口区南侧辐散和低空西南涡南侧风切变的耦合作用， 诱发次级环流的上升运动， 为飑线深厚对流提供了动力条件。对流层中低层的暖湿平流上， 叠加中高层强烈干冷平流， 导致飑线前低空的强烈升温， 形成的强气温直减率， 积累了静力和对流不稳定， 为延长飑线生命提供了稳定有利的热力条件。垂直风速显示水电站峡谷上空的下沉运动促进飑线前侧的抬升， 正反馈作用下次级环流使得上升和下沉运动增强， 利于对流风暴稳定发展。
（3） 天气雷达回波揭示飑线的深对流云结构表明， 飑线云体呈10 km高度以上柱状多单体回波的紧密排列， 30 dBZ以上回波聚合成带状， 中间镶嵌着50 dBZ的强回波核。在径向速度场上， 带状强回波与中尺度辐合线对应， 对流层中层径向强烈辐合的MARC特征， 是这次飑线的触发机制。飑线前部强烈上升运动导致低层出现穹窿结构， 并促进对流云向上发展成熟。飑线到达峡谷区时， 强烈下沉运动下， 强回波核高度快速下降， 动量下传作用导致下击暴流形成， 产生近地面强风， 同时诱发顺着峡谷的新单体生成， 推进飑线沿峡谷地向南发展， 形成低空极端大风。因此飑线作用的下击暴流是产生水电站峡谷区大风的关键。

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