一次陣風(fēng)鋒觸發(fā)的強(qiáng)對流天氣分析

一次陣風(fēng)鋒觸發(fā)的強(qiáng)對流天氣分析

高曉梅、王世杰、王文波，2016年山東省強(qiáng)對流條件分析[j]。海洋氣象學(xué)報告，2018，38（2）：67-75。強(qiáng)對流天氣研究的意義強(qiáng)對流天氣是山東較常見的災(zāi)害性天氣之一,多伴有雷暴大風(fēng)、冰雹及帶有強(qiáng)雷暴現(xiàn)象的短時強(qiáng)降水。其時空尺度小、持續(xù)時間短、致災(zāi)性強(qiáng)且預(yù)報預(yù)警難度大,對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重?fù)p失,因此研究強(qiáng)對流天氣具有重要意義。近幾十年來,國內(nèi)外氣象學(xué)者對強(qiáng)對流天氣進(jìn)行了研究1東北方雷暴大風(fēng)天氣2016年6月30日下午14時至傍晚,山東濟(jì)南、濰坊、淄博、東營和青島等地出現(xiàn)了局地冰雹、雷暴大風(fēng)和短時強(qiáng)降水天氣,其中15—17時濰坊的城區(qū)、壽光和安丘等地分別出現(xiàn)了冰雹,冰雹最大直徑為1.5cm,分別持續(xù)了2min左右;濟(jì)南及以東地區(qū)至山東半島均出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣,其中東營、濰坊部分地區(qū)出現(xiàn)10級以上大風(fēng)天氣,最大風(fēng)速出現(xiàn)在15:22的濰坊壽光,為25.2m·s2016年6月30日08時(圖1a),500hPa中高緯度為兩槽一脊型,貝加爾湖以西地區(qū)存在阻塞高壓,寬廣深厚的西風(fēng)槽從東北北部伸至山西,冷中心偏北,在55°N以北,副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)呈東西帶狀分布,在30°N附近略有西進(jìn)加強(qiáng),山東位于高空槽前、副高西側(cè)西南暖濕氣流中。700hPa西風(fēng)槽與500hPa相比略偏東,西南氣流水汽輻合強(qiáng)的位置在安徽附近。850hPa槽與700hPa相比更偏東南,20℃暖脊控制山東大部地區(qū),副高西側(cè)有明顯的急流軸和急流區(qū)向北輸送水汽到山東,山東位于較強(qiáng)的水汽輻合區(qū)內(nèi),最大風(fēng)速為16m·s2環(huán)境條件分析2.1pa比濕的垂直分布水汽條件是形成強(qiáng)對流天氣的三個重要條件之一。分析比濕和水汽通量散度(圖2)可知,6月30日08時850hPa比濕場顯示山東比濕在7~8g·kg分析此次過程的比濕垂直分布(圖略),地面到900hPa比濕在11g·kg2.2干冷反應(yīng)分析分析6月30日08時θ2.3暴相對螺旋度對于干絕熱、濕絕熱、假絕熱過程同一氣塊的假相當(dāng)位溫θ風(fēng)暴相對螺旋度(stormrelativehelicity,SRH)反映了旋轉(zhuǎn)與沿旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動的強(qiáng)弱程度,對診斷和預(yù)報對流災(zāi)害性天氣發(fā)生發(fā)展過程較為有用2.4地面和地面條件對比2016年6月30日14時左右魯中北部地區(qū)由于地形和太陽輻射加熱作用出現(xiàn)一些弱對流云團(tuán),產(chǎn)生了雷暴下沉氣流,與其南側(cè)的偏南氣流形成地面輻合線,15時在濰坊—濟(jì)南一帶形成地面輻合區(qū)(圖略),引起濟(jì)南、淄博和濰坊雷雨大風(fēng)和短時強(qiáng)降水,16時輻合區(qū)略有南壓(圖5a),17時移到濰坊—青島一帶,引起濰坊和青島雷雨大風(fēng)和短時強(qiáng)降水。因此地面輻合區(qū)觸發(fā)了魯中地區(qū)此次強(qiáng)對流天氣。由地面1h加密觀測資料看出,由于太陽輻射增溫使午后地面溫度升高,14時濰坊氣溫為34℃,但16時驟減為22℃(圖5a),即濰坊地面氣溫在2h內(nèi)驟降了12℃,這在6月份是不多見的,分析濰坊周邊濟(jì)南、青島等地,雖然氣溫略有下降,但都未超過5℃。濰坊14時和15時為偏南風(fēng),16時轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),說明地面有冷空氣侵入,使氣溫驟降,在濰坊形成一個冷池,與濰坊南部地區(qū)偏南風(fēng)輸送的暖濕空氣交匯,觸發(fā)了濰坊此次冰雹天氣的發(fā)生。分析30日14時高低層溫度平流(圖5b)發(fā)現(xiàn),在1000hPa有明顯的冷平流從東北方向侵入,導(dǎo)致濰坊氣溫劇降,說明近地面層有明顯冷空氣侵入導(dǎo)致濰坊氣溫劇降與濰坊南部的暖濕空氣交匯,觸發(fā)了濰坊上空不穩(wěn)定能量釋放,引起強(qiáng)對流天氣特別是冰雹天氣的發(fā)生。另外,濰坊11—14時3h氣壓下降了2.6hPa,為山東降壓最大的區(qū)域,也有利于濰坊冰雹天氣的發(fā)生。綜上,30日高空冷空氣不強(qiáng),低層和地面暖濕空氣較強(qiáng),地面輻合區(qū)的存在觸發(fā)了山東中部雷雨大風(fēng)和短時強(qiáng)降水天氣。濰坊冰雹天氣主要由于地面輻合區(qū)和負(fù)變壓中心所產(chǎn)生的抬升作用及近地面層冷空氣的侵入使濰坊氣溫驟降。2.5tial能量cape由于此次強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)在午后,計算對流有效位能(convectiveavailablepotentialenergy,CAPE)時,采用08時探空,以及濟(jì)南探空站午后14時的地面溫度和露點對CAPE值做訂正。由表1看出,30日08時CAPE值較大,為2563J·kg分析濟(jì)南雹日探空要素(表1)看出,30日0℃層高度為4700m,略高于冰雹生長最適宜的高度(4000m)研究3兩個強(qiáng)流風(fēng)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)特征3.1南北分段狀對流回波濰坊多普勒雷達(dá)顯示,6月30日中午在河北—德州交界處有一小片線狀對流回波生成,并不斷發(fā)展向東南方向移動。14:10該線狀回波移到沾化—濱州一帶并呈東北—西南向,強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)范圍不斷增大,同時在濟(jì)南東北部濟(jì)陽附近由于午后地面增溫作用又發(fā)展生成一小片線狀對流回波,這樣有南北兩段線狀對流回波在發(fā)展,在濟(jì)南附近生成的地面輻合線周圍,新生對流泡不斷觸發(fā)新生的小對流單體并入南段回波帶,使得南段的線狀對流回波強(qiáng)度和范圍逐漸增大,并在高空風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)(偏西氣流)作用下向偏東方向移動,14:40在東營—鄒平一帶南北兩段回波帶合并成一條呈東北—西南向的線狀對流回波帶,長度約200km,其中中部和南段發(fā)展旺盛,回波強(qiáng)度最大值達(dá)65dBz。14:52徑向速度圖顯示,線狀回波帶中部前側(cè)在廣饒附近徑向速度逐漸增大,達(dá)30m·s13:35在濰坊昌邑—諸城一帶有明顯的弓形輻合帶發(fā)展,回波強(qiáng)度在10~15dBz之間。14:58陣風(fēng)鋒形成后向東南移動,弓形輻合帶向偏西方向移動(圖6b),16:20兩者碰撞合并,形成一條較強(qiáng)的回波帶,回波強(qiáng)度最大值達(dá)到55dBz(圖6e)。王彥等3.2u3000酸、灰和灰黑的回波特征15:09在線狀回波帶內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)暴開始發(fā)展加強(qiáng),壽光臺頭鎮(zhèn)回波強(qiáng)度達(dá)68dBz,對應(yīng)徑向速度在4.3°仰角和6.0°仰角出現(xiàn)了弱氣旋式切變速度對,但持續(xù)時間較短,只持續(xù)了兩個體掃,15:21已消失,未達(dá)到超級單體標(biāo)準(zhǔn),但此次弱渦旋的存在對應(yīng)地面實況則是在壽光出現(xiàn)了短時間的冰雹天氣;16:26強(qiáng)風(fēng)暴移到濰坊安丘一帶,開始發(fā)展加強(qiáng)為超級單體,在9.9°和14.6°仰角上存在有界弱回波區(qū)(圖6f),并且14.6°和19.5°仰角顯示68dBz和59dBz的強(qiáng)回波分別擴(kuò)展到8.5km和12km處(圖6g),即有高懸強(qiáng)回波,高于-20℃層高度(7.4km),說明上升氣流強(qiáng),有利于冰雹的生長。對應(yīng)徑向速度在4.3°仰角出現(xiàn)較弱的中氣旋,其旋轉(zhuǎn)速度為12m·s3.3水流結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)分析此次強(qiáng)對流過程出現(xiàn)了雷暴大風(fēng),其形成還與另外兩個機(jī)制有關(guān)4風(fēng)參數(shù)及屬性分析4.1回波頂高、高度變化風(fēng)暴單體和中氣旋識別是多普勒雷達(dá)中重要的算法,俞小鼎等在文獻(xiàn)[23]中有詳細(xì)敘述。分析每次過程的風(fēng)暴參數(shù)及屬性等不同特征對強(qiáng)對流預(yù)報有重要指示意義。產(chǎn)生此次冰雹天氣的風(fēng)暴單體J6最大反射率因子(DBZM)及其所在高度(HT)的回波頂高(echotops,ET)變化趨勢顯示,6月30日濰坊安丘降雹期間(16:26—16:49)DBZM最大強(qiáng)度在63~67dBz之間,HT偏低,一般在2km以上高度,最高為8.3km,回波頂高(ET)較高,變化平穩(wěn),基本在11.6~14km之間(圖7)。說明30日風(fēng)暴強(qiáng)中心高度較低,基本維持在風(fēng)暴底部。對應(yīng)安丘降雹實況看,降雹前(16:09—16:25)HT呈先降后升的趨勢。綜上,此次過程降雹發(fā)生在ET和DBZM大值期。4.2過程風(fēng)暴單體vil變化6月30日產(chǎn)生此次冰雹天氣的風(fēng)暴單體J6垂直累積液態(tài)水含量(verticallyintegratedliquid,VIL)變化圖(圖8)顯示,16:27—16:51是此次過程風(fēng)暴單體VIL最大的時段,VIL≥59kg·m5回波特征統(tǒng)計1)6月30日強(qiáng)對流天氣主要發(fā)生在高空槽與副高相互作用、山東高低層受一致西南氣流影響的環(huán)流形勢下,在高空槽動力作用和地面輻合區(qū)的觸發(fā)作用下發(fā)生的。其中濰坊冰雹天氣主要由于地面輻合區(qū)和負(fù)變壓中心所產(chǎn)生的抬升觸發(fā)作用引起,另外近地面層冷空氣的侵入使濰坊氣溫驟降也是對流加強(qiáng)的關(guān)鍵因素。2)此次強(qiáng)對流天氣自高空到900hPa都有冷空氣侵入,屬于上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié),低層濕層較厚、水汽充沛對出現(xiàn)的短時強(qiáng)降水起重要作用。強(qiáng)對流天氣發(fā)生區(qū)域處在Δθ3)探空分析表明對流有效位能、850hPa和500hPa之間的溫差、大風(fēng)指數(shù)、強(qiáng)天氣威脅指數(shù)等都對此次強(qiáng)對流過程有較好的指示作用。0℃層高度和融化層高度較高是此次過程未出現(xiàn)直徑在3cm以上大冰雹的原因。4)此次強(qiáng)對流過程是發(fā)生在0~3km垂直風(fēng)切變較強(qiáng)的環(huán)境條件下,因此在強(qiáng)對流預(yù)報業(yè)務(wù)中需要特別注意0~3km垂直風(fēng)切變。此次超級單體的移向是在風(fēng)暴承載層平均風(fēng)右側(cè),屬于右移超級單體。風(fēng)暴移動速度比風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速大,縮短了超級單體的存在時間。5)雷達(dá)資料分析表明,6月30日對流過程是線狀回波帶前側(cè)風(fēng)暴內(nèi)由于降水拖曳和雨滴蒸發(fā)形成和加強(qiáng)的下沉氣流到達(dá)地面后開始輻散出現(xiàn)了陣風(fēng)鋒,陣風(fēng)鋒又不斷觸發(fā)雷暴,使個別強(qiáng)單體風(fēng)暴加強(qiáng)發(fā)展成超級單體風(fēng)暴,具有持續(xù)時間較短的中氣旋、高懸強(qiáng)回波、有界弱回波區(qū)、風(fēng)暴頂輻散、窄帶回波、徑向速度大值區(qū)等特征。另外對流過程出現(xiàn)的弱旋轉(zhuǎn)回波對應(yīng)地面帶來一些小冰雹天氣,說明強(qiáng)對流過程中出現(xiàn)的弱旋轉(zhuǎn)回波特征不能忽視。此次降雹過程發(fā)生在回波頂高ET、垂直累積液態(tài)水含量VIL和風(fēng)暴最大反射率因子DBZM大值期。GaoXiaomei,WangS