湖北兩次雷暴大風過程對比分析

湖北兩次雷暴大風過程對比分析

湖北省各地區(qū)雷暴大風天氣情況對比目前，我們在影響系統(tǒng)、環(huán)境特征、風暴類型、不同風暴類型雷達回波特征方面研究了雷暴風暴的可預測性，并對雷暴風的預測和報警起到了很好的借鑒作用。湖北省為強對流天氣頻發(fā)的地區(qū),強對流天氣主要以夏季的暴雨、局地強降水為主,目前關于湖北地區(qū)雷暴大風的研究及預報較少。湖北省東西跨度較大,西部與東部地區(qū)雷暴大風的發(fā)生時間、天氣影響系統(tǒng)差異較大,西部地區(qū)雷暴大風天氣一般4—6月發(fā)生較多,而東部地區(qū)一般在8—9月雷暴大風天氣較頻繁。因此有必要對湖北省東西部地區(qū)的雷暴大風天氣過程進行對比分析,總結天氣系統(tǒng)、大氣環(huán)境場、雷達回波異同點,為湖北地區(qū)雷暴大風預報、預警提供參考。本文利用十堰和武漢地面加密氣象站的觀測資料、高空實況資料及美國國家環(huán)境預報中心—全球預報系統(tǒng)(NationalCentersforEnvironmentalPrediction-GlobalForecastSystem,NCEP-GFS)(0.5°×0.5°)再分析資料,從影響天氣系統(tǒng)、探空結構、大氣環(huán)境場特征等方面分析湖北省2013年兩次雷暴大風天氣過程的異同性,利用十堰和武漢雷達站S波段多普勒雷達監(jiān)測資料,從雷達回波組織的發(fā)展、雷達回波的形態(tài)及雷達回波的垂直結構等角度分析了災害性大風的形成過程。1“843”過程天氣形勢分析本文選取2013年湖北省發(fā)生的兩次強對流過程,兩次強對流過程均伴有災害性大風天氣(圖1),第一次強對流過程發(fā)生在湖北省西部的十堰地區(qū),時間為2013年5月23日,在盛夏之前,簡稱“523”過程;第二次強對流過程發(fā)生在湖北省東部的武漢地區(qū),時間為2013年8月18日,處于盛夏,簡稱“818”過程。圖1a為“523”過程十堰地區(qū)極大風速的分布,圖1b為“818”過程武漢及周邊地區(qū)極大風速的分布。由圖可見,“523”過程:2013年5月23日03:00—05:00十堰地區(qū)發(fā)生風雹天氣,主要以大風和冰雹為主,局地伴有短時強降水,十堰地區(qū)共出現(xiàn)20站次17m·s由“523”過程前期形勢可知(圖略),2013年5月20日和21日鄂西北地區(qū)受高空偏北氣流控制,天氣晴好;22日08時起,高空冷槽位于陜西南部,鄂西北地區(qū)受弱高壓脊控制;至22日14時,隨著低槽東移,位于鄂西北地區(qū)的高壓脊南壓,鄂西北地區(qū)受槽前西南氣流控制,此時,850hPa東南氣流發(fā)展,低層大氣增暖、增濕明顯;由“523”過程22日20時中尺度天氣系統(tǒng)分析可見(圖2a),高空低槽移至鄂西北地區(qū),500hPa低槽與700hPa低渦前側的切變線、850hPa暖切變疊加,低層東南風與西北—東南走向的河谷地形配合,形成自下而上呈反氣旋性旋轉的流場;地面22日20—23時有西南—東北走向的輻合線自西向東南壓;20日20時K指數(shù)(KIndex,K)大值區(qū)位于十堰地區(qū),且500hPa與850hPa溫差大于30℃,十堰地區(qū)東部850hPa有明顯的濕舌向北伸展;22日22時以后鄖西和鄖縣地區(qū)新生的回波不斷組織發(fā)展,23日03時結合有利的天氣形勢和河谷地形,在鄖西地區(qū)形成超級單體,生命史超過2h,并沿河谷向東南方向移動。由“818”前期天氣形勢可知(圖略),2013年8月上旬至中旬副熱帶高壓北抬,湖北地區(qū)處于副熱帶高壓邊緣,受副熱帶高壓的影響,湖北地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣,且午后至傍晚常有局地熱對流發(fā)生。由“818”過程8月18日14時武漢地區(qū)中尺度綜合分析可見(圖2b),副熱帶高壓控制黃淮地區(qū),受登陸臺風“尤特”的影響,副熱帶高壓南側東北氣流與臺風倒槽后側偏東氣流疊加形成較強的東北氣流;由地面風場可見,北方有冷空氣滲透南下,與大別山南麓的南風交匯;18日17時武漢北部地區(qū)有南北向的地面輻合線形成,地面輻合線在東北氣流的引導下自北向南穿過武漢城區(qū),低層東北急流和地面輻合線為此次雷雨大風形成的觸發(fā)條件。2013年湖北省兩次雷暴大風過程的影響系統(tǒng)差異明顯,“523”過程天氣系統(tǒng)配合較好,高空有低槽東移,700hPa和850hPa有切變線維持,地面有輻合線東移南下,自下而上的氣旋性流場結合有利的河谷地形,易產生強對流風暴,雷暴大風過程可預報性較強;“818”過程無明顯的影響系統(tǒng),整層受副熱帶高壓底部的東北氣流控制,僅8月18日17時以后可以分析出地面輻合線,影響系統(tǒng)較單一,預報難度較大。類似的是兩次雷暴大風過程地面均有輻合線維持,在強對流預報中應重點對地面形勢進行分析。2結果分析2.1物理特性2.1.1資料來源及分析由于鄖縣上游安康站已發(fā)生強對流天氣,其探空結構與鄖縣有區(qū)別,因此利用NCEP的0.5°×0.5°再分析資料得到2013年5月23日14時和20時鄖縣地區(qū)探空曲線(圖3),武漢地區(qū)利用實況探空資料進行分析。由2013年武漢地區(qū)兩次雷暴大風過程的探空曲線(圖3和圖4)及表1物理量統(tǒng)計結果可見,“523”過程鄖縣站5月23日14時400hPa至地面干層明顯(圖3a和表1),溫度露點差一般為10℃以上,K為22℃,CAPE為923J·kg由“818”過程2013年8月18日08時武漢站的探空曲線可知(圖4a和表1),700hPa以下水汽條件較好,700hPa以上水汽條件較差,層結曲線與等比濕線構成向上開口的喇叭狀結構,K為32℃,CAPE為1464J·kg2.1.2熱力條件分析圖5為K指數(shù)與假相當位溫的水平分布,由圖5a可見,“523”過程十堰地區(qū)處于K大值區(qū)中,且K中心區(qū)與假相當位溫鋒區(qū)疊加,表明十堰地區(qū)熱力條件和不穩(wěn)定條件非常有利于強對流發(fā)生。由圖5b可見,“818”過程熱力條件和不穩(wěn)定條件的配置具有典型的盛夏季節(jié)特點,武漢地區(qū)熱力條件非常好(θ2.1.3“八”過程要素圖7a為“523”過程沿風暴中心斜升氣流和相對濕度的徑向剖面,由圖可見,鄂西北地區(qū)垂直方向擾動較活躍,近地層有明顯的上升氣流,中低層存在兩個氣旋性閉合環(huán)流圈,水汽層結為明顯的上干、下濕結構,且700hPa有干空氣卷入到上升氣流區(qū)。由圖7b可見,“818”過程在武漢及其南部地區(qū)邊界層有明顯的氣旋性環(huán)流,中高層為顯著的下沉氣流,水汽表現(xiàn)為上干、下濕的結構。由水汽及斜升氣流的分布可見,“523”過程動力擾動明顯,低層水汽條件稍好,有利于強對流發(fā)展;“818”過程動力擾動主要發(fā)生在低層大氣,且低層水汽條件也較差,對流活動稍弱。圖8為假相當位溫和相對濕度隨時間的分布,由圖8a可見,“523”過程2013年5月22日20時至24日02時500hPa以下為對流不穩(wěn)定層結(Δθ2.2雷達回波功能2.2.1超級單體回波特征隨著多普勒天氣雷達網(wǎng)布設逐步完善,雷達資料在強對流預報中的作用日益顯現(xiàn),雷達回波的強弱、形態(tài)演變、徑向速度的大小及輻合、輻散等特征為強對流監(jiān)測分析的重要依據(jù)。由“523”過程雷達回波的演變可見(圖略),從2013年5月23日00:00開始,位于陜西南部及河南西部地區(qū)的中尺度對流系統(tǒng)東移、南壓,其前方冷出流在鄖西境內觸發(fā)新生對流,新生回波不斷合并,并迅速東移。01:00—03:00為超級單體發(fā)展階段,01:00開始鄖西不斷有強單體生成,回波中心強度達60dBz以上;01:50左右,生成于鄖西東北部地區(qū)的60dBz以上回波范圍明顯擴大,形成強單體,并沿河谷向東南方向移動,在移動過程中與其前方的強對流回波合并,最終在03:00左右發(fā)展為超級單體(圖略)。03:10—04:30為超級單體成熟階段,03:00開始超級單體移至鄖縣東南部地區(qū),60dBz以上回波范圍為50km以上;03:40識別出中氣旋,中氣旋維持11個體掃,中氣旋的長時間維持說明風暴內部上升氣流深厚持久,對強風暴維持具有重要作用。分別對5月23日03:47、03:59、04:11(圖9)超級單體沿其移動路徑做反射率因子垂直剖面(03:47圖示黑線方向),并沿雷達徑向做徑向速度垂直剖面(03:47圖示紅線方向),由反射率因子剖面可見(圖9d至圖9f),60dBz以上強回波發(fā)展至10km以上,強回波呈前傾結構,高空有懸垂回波;超級單體前側為界弱回波區(qū),表明有強的入流;弱回波區(qū)左側有明顯的回波墻,且低層強回波觸地,表明該超級單體發(fā)展深厚。由徑向速度垂直剖面可見(圖9g至圖9i),3km附近發(fā)現(xiàn)中層徑向輻合,靠近雷達一側為一致的正速度區(qū),表明有入流;低層為一致的負速度區(qū),表明低層朝向雷達一側有出流,且在貼地層觀測到20m·s2.2.2“八”過程回波分析2013年8月18日14:00,鄂東北和鄂東南地區(qū)不斷有對流回波生成,并快速移動減弱,符合盛夏季節(jié)對流回波的生消特征(圖略);16:30在孝感和隨州一帶對流回波向下移動的過程中,在對流回波前側形成陣風鋒出流,0.5°仰角有兩條窄帶回波向東南方向移動,并合并加強(圖略)。17:00—18:00為強對流回波發(fā)展階段,17:38(圖11a)位于黃岡北部地區(qū)的對流回波呈弓形回波結構,弓形回波維持3個體掃,然后向東北方向快速移動,在弓形回波前側形成出流邊界,說明已有下沉氣流觸地,并與其前部暖濕氣流相遇,觸發(fā)新對流。18:00—19:00為強對流回波成熟階段,18:15(圖12a)位于新洲的回波通過合并發(fā)展為強度為45dBz以上的帶狀回波,其前沿的陣風鋒繼續(xù)向西移動,并與從孝感地區(qū)移來的窄帶回波在武漢城區(qū)疊加為人字形回波,兩條窄帶回波相遇,觸發(fā)新對流回波。18:33(圖12b)位于新洲地區(qū)的帶狀強回波南下,并與18:15陣風鋒觸發(fā)的新生對流回波合并形成片狀對流回波,迅速向武漢城區(qū)移動,造成武漢城區(qū)災害性大風天氣。對2013年8月18日18:15、18:33、18:40強回波移動路徑做反射率因子的垂直剖面,并沿雷達徑向做徑向速度的垂直剖面(反射率因子剖面與速度剖面方向一致,均為18:15時刻顯示的黑線方向),由反射率因子剖面圖可見(圖12d至圖12f),50dBz強回波發(fā)展至10km以上,18:15發(fā)現(xiàn)強回波懸垂,且隨著時間的推移,18:40該強回波向下塌陷,觸地并形成地面大風。由雷達徑向速度剖面可見(圖12g至圖12i),3個時刻均有朝向雷達的徑向速度,且徑向速度大值從高空向地面移動,可見“818”過程高空動量下傳是造成武漢地區(qū)大風的主要影響因素。2013年湖北地區(qū)兩次雷暴大風過程雷達回波特點鮮明,“523”過程為對流單體通過合并發(fā)展最終形成超級單體,該超級單體強回波伸展高度較高,有持久深厚的中氣旋維持,鉤狀回波和V型缺口較典型,雷達回波的垂直結構顯示有界弱回波區(qū)和懸垂回波等特征;雷達徑向速度的垂直結構顯示中低層有徑向速度輻合,地面存在大風核?！?18”過程為強單體前沿陣風鋒通過合并觸發(fā)新生對流單體的過程,雷達回波圖上可以發(fā)現(xiàn)陣風鋒出流、陣風鋒合并及強單體呈現(xiàn)的弓形結構;由雷達回波的垂直結構可知,該對流風暴強回波中心迅速向下塌陷,生命史較短;與“523”過程類似,“818”過程徑向速度的垂直結構顯示中低層有徑向速度輻合,地面存在大風核。從雷暴大風預報角度來看,兩次雷暴大風過程具有典型的大風回波特征,“523”過程出現(xiàn)的鉤狀回波、中氣旋、中低層徑向速度輻合及徑向負速度大值向地面伸展,“818”過程陣風鋒出流、陣風鋒合并、弓形回波等均為較典型的大風預警指標。3兩次雷暴大風過程天氣形勢比較(1)“523”過程發(fā)生在中高層有高空槽東移的背景下,低層有暖切變線維持,地面有輻合線東移南下,大氣環(huán)境場參數(shù)如500hPa以下風矢量垂直風切變、K>39℃、T(2)“818”過程發(fā)生在盛夏季節(jié),武漢地區(qū)受副熱帶高壓底部東北氣流控制,整層無明顯的影響系統(tǒng),強對流決定因素為熱力條件和不穩(wěn)定條件及地面輻合線,大氣環(huán)境參數(shù)如700hPa以下環(huán)境減溫率、T(3)2013年湖北地區(qū)兩次雷暴大風過程天氣形勢差異明顯,“523”過程動力系統(tǒng)深厚,對流風暴持續(xù)時間較長;“818”過程動力系統(tǒng)較淺薄,對流風暴生消較快。但也有相似特點:兩次雷暴大風過程地