引发“6.25”天津极端雷暴大风的超级单体与中尺度对流系统分析.pdf
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1、Analysis of supercell and meso-scale convective system causingan extreme thunderstorm gale in Tianjin on 25 June 2020SUN Xiaolei1,WANG Ke1,ZUO Tao1,YI Xiaoyuan2,LIN Xiaomeng2(1.Tianjin Central Observatory for Oceanic Meteorology,Tianjin 300074;2.Tianjin Meteorological Observatory,Tianjin 300074)Abst
2、ract:An extreme thunderstorm gale event(hereinafter referred to as the 6.25 event)occurred in Tianjin on 25 June 2020.Based onthe intensive stational data and the data from Doppler weather radar,wind profile radar,microwave radiometer,and VDRAS(Variational Doppler Radar Analysis System),we conducted
3、 an analysis of supercell and meso-scale convective system causing the“6.25”event.The mainresults are as follow:Before the occurrence of gale,the echo pattern of the supercell changed from hook to bow.The increase of the disturbance temperature gradient in the front of mesoscale convective system(MC
4、S)and the mesoscale convergence center formed by the cold pooloutflow and the ambient wind field merge with the convergence area in the southeast of Tianjin,which is beneficial to strengthen and maintain the strength of MCS.The strong vertical wind shear at 03 km enhanced the vertical vorticity at t
5、he Xiqing station,which also playedan important role in the development of MCS.The merging of the incoming air flow at the height of 3 km behind the storm and the downdraftinside the storm enhanced effectively the downdraft velocity,which was conducive to the formation of thunderstorm winds.Mid-alti
6、tude Meridional Convergence strengthened,the diameter of mesocyclone decreased,and the variation of V40up6(total volume of strong echoes greaterthan 40 dBz over 6 km)and V40down6(total volume of strong echoes greater than 40 dBz below 6 km)was nearly 30 minutes earlier than the occurrence of extreme
7、 gale at the Xiqing station,which has some value for prediction.Key words:supercell,bow echo,extreme wind,vertical wind shear,vertical vorticity引言雷暴大风是指对流风暴产生的除龙卷以外的地面大风,随着经济社会、城市建设的不断发展,其往往造成严重灾害甚至威胁生命财产安全,而极端雷暴大风由于具有较强的极端性导致人们难以做充分的应孙晓磊,王科,左涛,等.2023.引发“6.25”天津极端雷暴大风的超级单体与中尺度对流系统分析J.暴雨灾害,42(3):312-
8、323.SUNXiaolei,WANG Ke,ZUO Tao,et al.2023.Analysis of supercell and meso-scale convective system causing an extreme thunderstorm gale inTianjin on 25 June 2020 J.Torrential Rain and Disasters,42(3):312-323(in Chinese).doi:10.12406/byzh.2022-093引发“6.25”天津极端雷暴大风的超级单体与中尺度对流系统分析孙晓磊1,王科1,左涛1,刘德昊1,易笑园2,林晓
9、萌2(1.天津海洋中心气象台,天津300074;2.天津市气象台,天津300074)摘要:2020年6月25日天津地区发生一次极端雷暴大风过程(简称“6.25”大风过程),利用加密观测、多普勒天气雷达、风廓线雷达、微波辐射计、VDRAS(变分多普勒雷达分析系统)分析场等数据,对引发“6.25”大风过程的超级单体与中尺度对流系统进行了分析。结果表明:高空前倾槽与低层的暖湿气流叠加形成上干下湿的对流不稳定以及较强的垂直风切变、大风发生前超级单体回波形态由钩状转为弓形、对流系统前侧扰动温度梯度增大、冷池出流与环境风场形成的中尺度辐合中心与天津东南侧局地辐合区汇合,有利于中尺度对流系统的加强和维持;0
10、3 km较强的垂直风切变促进西青站垂直涡度不断增长,对中尺度对流系统的发展起到重要作用;风暴后侧3 km高度处入流气流与风暴内部的下沉气流合并有效增强了气流下沉速度,有利于雷暴大风的形成;中层径向辐合加强、中气旋直径减小,V40up6(即6 km以上大于40 dBz的强回波总体积)及V40down6(即6 km以下大于40 dBz的强回波总体积)指标的变化比西青站极端大风出现时间提前近30 min,具有一定预报指示意义。关键词:超级单体;弓状回波;极端大风;垂直风切变;垂直涡度中图法分类号:P458.1+23文献标志码:ADOI:10.12406/byzh.2022-093收稿日期:2022-
11、04-25;定稿日期:2023-03-03资助项目:国家重点研发计划项目(2019YFC1510105);环渤海区域基金项目(QYXM201808);天津市气象局研究型业务专项(202103yjxywzx02);中国气象局复盘总结专项(FPZJ2023-008)第一作者:孙晓磊,主要从事海洋气象和灾害性天气预报技术研究。E-mail:sun_暴雨灾害TORRENTIAL RAIN AND DISASTERSVol.42 No.3Jun.2023第42卷 第3期2023年6月第3期急准备从而造成更大的损失,因此深入研究极端雷暴大风的发生发展特征是进一步提升短时预报能力、加强气象防灾减灾能力建设的
12、重要需求。我国出现的大多数灾害性雷暴大风产生的原因是雷暴出流形成的地面大风,主要由垂直运动转化而来(下击暴流)或者冷池形成的阵风(俞小鼎等,2006;许爱华等,2006;孙继松等,2014)。对流层中下层大气环境温度直减率较大,对流层中层有明显干层是雷暴内强烈下沉气流形成的有利环境条件(Johns et al.,1992)。对雷暴大风形成发展的机制的研究表明,冰雹和大的降水粒子的下沉拖曳对下沉气流的形成起到重要作用,冰雹的融化和雨水的蒸发冷却进一步增强了下沉气流的发展(Fujita et al.,1977)。此外,众多研究将产生雷暴大风的风暴归纳为四类:无组织孤立的结构松散的脉冲风暴、高度组织
13、化的多单体风暴(弓形回波)、超级单体风暴和飑线。国内外学者对飑线引发的雷暴大风方面的研究取得了很多成果,其中描述飑线发展传播的“RKW理论”(Rotunno et al.,1988;Weisman et al.,1992)得到了众多专家认可,该理论指出冷池与低层垂直风切变的相互作用直接与飑线前沿气流垂直抬升的高度和垂直速度的大小相关,是飑线前方不断触发新对流单体的重要影响因子。线性风暴系统后部的中层入流因为加强了对流区的气流,因此是极端大风形成的重要原因之一(Schmidt et al.,1989;梁建宇等,2012)。陈明轩等(2011)认为对流风暴的新生地点和传播方向与局地冷池造成的强温度
14、梯度有关。在弱天气尺度和层结背景下,冷池与低层环境风场相互作用可以造成对流风暴增强传播下山(肖现,2015),较好的热力不稳定等增强机制可以促使线状对流发展为弓形回波(程月星等,2018)。王秀明等(2012)通过分析2009年6月3日商丘极端雷暴大风成因发现,多个超级单体的强下沉气流合并、强冷池密度流和层状云部分降水粒子蒸发、冷池合并是导致雷暴大风的重要原因。张乐楠等(2019)指出飑线后部中层以上地转偏差涡度随高度增加,使得飑线后部中层风速加速,低层风速减速,形成中低层垂直切变增强。强垂直运动与强垂直风切变作用产生的强旋转会使飑线系统初期具有中气旋特征(孙密娜等,2020)。华北地区是强风
15、暴多发地区,但对由超级单体引发的极端雷暴大风的研究较少,对其发展变化和极端性形成的环境条件认识仍有不足,因此本文以2020 年 6 月 25 日傍晚至夜间天津地区极端雷暴大风天气为例,使用地面加密自动站、FY-2G 红外云图、风廓线雷达、多普勒天气雷达及 VDRAS 再分析资料对此次天气过程超级单体与中尺度对流系统发展演变机制和环境条件进行分析,以更深入了解华北强风暴的演变发展规律。1 天气实况与资料说明1.1 实况与灾情2020年6月2526日,天津地区出现雷暴大风、冰雹及短时强降水天气,图1a为2020年6月25日21 0026日00 00(北京时,下同)逐小时8级以上极大风和短时强降水分
16、布图,西青国家基本气象站(位置与图1a 所示西青风廓线雷达站相同,以下简称西青站)观测到了50 a一遇的短时大风,最大阵风达到13级(41.4 ms-1)(图1b)。Fujita(1981)认为,下击暴流的最大强度可达到EF3级龙卷强度的强风,经查此次雷40.5N40.039.539.038.5(a)(b)116.0116.5117.0117.5118.0118.5E1 006.01 005.51 005.01 004.51 004.01 003.51 003.01 002.51 002.01 001.51 001.01 000.51000.0999.5999.0100908070605040
17、3020100Rh/%27262524232221201918171615141312P/hPaT/25日21时25日22时25日23时26日00时PTRhPrcp时间/(日-时)25-1725-1925-2125-2326-0126-03图1 2020年6月25日21 0026日00 00京津冀地区逐小时8级以上极大风(风向杆,单位:m s-1)及短时强降水(a,圆点表示R20 mm h-1)分布以及25日17 0026日04 00西青站逐小时气压(P,单位:hPa)、气温(T,单位:)、相对湿度(Rh,单位:%)、极大风(风向杆,单位:m s-1)、降水量(Prcp,单位:mm)变化图(b
18、)Fig.1 Beijing-Tianjin-Hebei region(a)distribution of hourly maximum winds(barb,unit:m s-1)above level 8 and heavy rainfall(solid colour dots denote thehourly precipitation(R)greater than or equol to 20 mm)and(b)evolution chart of hourly barometric pressure(P,unit:hPa),temperature(T,unit:),relativeh
19、umidity(Rh,unit:%),maximum wind(barb,unit:m s-1)and precipitation(Prcp,unit:mm)at Xiqing station from 17 00 BT 25 June to 04 00 BT 26 June 2020孙晓磊,等:引发“6.25”天津极端雷暴大风的超级单体与中尺度对流系统分析313第42卷暴雨灾害暴大风瞬时风速对应于 EF1 级龙卷(瞬时风速介于3949 m s-1)等级强风(周后福等,2020)。此次过程同时伴随短时强降水和冰雹,全市最大过程降水量出现在西青大寺镇达69.4 mm,最大小时雨量55.7mm h
20、-1,降雨主要集中在25日23 0026日01 00,武清(22 00)、北辰(22 30)、西青(22 56)、天津市区(23 00)、津南(23 20)等多地出现冰雹天气,最大直径达2.5 cm。从西青站各要素逐小时演变(图1b)可以看到,西青站出现极端大风前17 0021 00东南风风速从4 m s-1逐渐增大为12 m s-1,气温波动较小,相对湿度接近70%,气压在18 00后增幅约1 hPa h-1,而22 0023 00一小时内温度下降8.6,气压增幅2.8 hPa h-1,主要变化时段集中在大风发生前 5 min(22 5022 55):气 温 从24.5 骤降至17.5,降温
21、达7,气压陡升2.6 hPa,西青站小时雨强21.5 mm h-1,与其他站相比并不大但降水期间伴有密度较大的小冰雹,冰雹直径35 mm左右。此次极端大风影响的地区部分社区围栏、围墙倒塌,直径十几厘米的树木被连根拔起,大批树木枝干折断、倒伏,造成众多车辆受损严重,冰雹损毁瓜果蔬菜,强降水导致部分路段积水给城市经济建设造成重大损失。值得注意的是25日15 0020 00和25日21 0026日02 00,北京地区出现两次对流系统并东移过程,但是第一阶段(25日15 0020 00)对流系统并未对天津地区产生影响,天津地区发生的极端大风及冰雹、短时强降水均是第二阶段(25日21 0026日02 0
22、0)对流系统在向东南方向移动过程中造成的。本文重点分析造成此次极端雷暴大风的雷达特征和环境条件,并对第一阶段对流系统未影响天津地区的原因进行分析。1.2 资料情况本文研究所用气象资料主要包括:(1)地面加密自动站逐 5 min 和逐小时气温、降水、风向、风速资料。(2)2020年6月25日08 00、20 00北京探空资料。(3)VDRAS 再分析资料:变分多普勒雷达分析系统VDRAS(Variational Doppler Radar Analysis System)通过使用三维云模式和四维变分同化技术,实现对多部多普勒雷达资料的快速更新循环同化分析,从而得到与风暴系统生消发展密切相关的三维
23、动力和热动力特征资料(Sun,et al.,2008;陈明轩等,2011;陈明轩和王迎春,2012)。其产品垂直方向上分为15层间隔200 m,水平分辨率5 km。(4)雷达探测资料:来源于天津塘沽、北京大兴和沧州三部S波段多普勒雷达,雷达三维拼图资料为直角坐标系数据,水平分辨率0.010.01,垂直方向21层,0.56 km分为11层间隔0.5 km;711 km分为5层间隔1 km;1321 km分为5层,间隔2 km。(5)雷达回波参数:以V40up6(或V40down6)表示6 km高度以上(或以下)40 dBz强回波体积,6 km高度在前述(4)雷达资料中位于第11层,参照易笑园等(
24、2017)的标准以单元作为回波参数单位,一个单元大小是水平 0.010.01,垂直高度为层与层间的厚度,V40up6(或V40down6)使用11层以上(或11层以下)数据进行统计计算。2 超级单体雷达回波演变特征造成此次极端大风的超级单体从生成到入海减弱超过6 h,由于天津塘沽雷达南侧存在一个接近90挡角,为连续分析超级单体发展演变情况选用沧州雷达进行反射率因子和径向速度分析。25日20 0020 36位于北京境内的回波由20 dBz快速增强至60 dBz,21 06(图2a)回波呈钩状并伴有三体散射,1.5仰角图上可见旁瓣回波(图略),质心强度达65 dBz的回波呈直立状,伸展高度达5 k
25、m,径向速度图上风速辐合区在6 km以下,此时地面以短时强降水为主,随后回波以12 m s-1左右的速度缓慢向东南移动。21 54(图2b)回波后侧出现显著入流,65 dBz强回波核区逐渐前移到回波前沿,形态由钩状演变为弓形,高反射率因子梯度区位于弓形回波前进方向右侧,径向速度剖面图上开始出现强烈后侧下沉气流,37 km范围内最大正负速度差值达到35 m s-1,中层径向辐合显著,受倾斜下沉、上升气流的影响,强回波向入流一侧倾斜,垂直伸展高度达9 km,表明低层入流的旋转辐合上升特征明显,该阶段在弓形的顶点处开始出现8级以上大风,最大风速28.5 ms-1。根据Klimoski等(2004)对
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