一次高空冷平流诱发的极端雷暴大风分析.pdf
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1、Jun.2023JOURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFINFORMATIONTECHNOLOGY2023年6 月八Vol.38 No.3息第3 8 卷第3 期报工程成学学都信文章编号:2 0 96-16 18(2 0 2 3)0 3-0 3 7 2-0 9一次高空冷平流诱发的极端雷暴大风分析韦玮,张涛,张东方,周聪(成都市气象局,四川成都6 1113 3)摘要:为提高盆地西部极端大风的预报预警水平,利用多源探测资料和再分析资料,从天气学角度对2 0 2 1年7月18 日四川盆地西部的一次极端雷暴大风的成因和风暴的精细化结构进行分析。结果表明:在高空干冷平流侵入低层暖湿区域以及
2、中等强度垂直风切变作用下,配合抬升凝结高度以下“喇叭口”结构的温湿廓线条件形成本次雷暴大风。中层干冷人流加强为急流、蒸发冷却和降水拖电明显增强、冷池梯度加大等因素诱导强下沉气流在地面形成极端大风。极端大风出现时雷达回波为弓形多单体回波。成熟和消亡阶段,本站气压涌升和风速剧增开始时刻较最大瞬时风速出现提前15min左右,瞬时风速的大值时段与相对湿度小值时段同时出现。成熟阶段灾害性大风发生的区域位于风暴母体“V型”缺口顶部及其右侧区域。此外,基于RKW理论还发现,风暴最强时刻冷池和低层风垂直切变产生的水平涡度接近平衡状态。关键词:雷暴大风;干冷入流;冷池;阵风锋中图分类号:P458.2文献标志码:
3、Adoi:10.16836/ki.jcuit.2023.03.0180引言雷暴大风是伴随强对流风暴出现的瞬时风速17.2ms(或者8 级)的大风天气,具有空间尺度小、突发性强、破坏力大、致灾性重等特点,一直是气象监测和业务预报的重点和难点 。近年来,在雷暴大风天气发生的环流背景2-6 、环境条件7-12 、多普勒天气雷达特征6,13-16 、产生的对流系统17-2 1、形成机制 7-8,2-2 3 等方面取得了丰硕的研究成果。由于气候条件、地形条件以及监测设备等差异,使不同地方的雷暴大风研究进展不同,对四川盆地(简称“盆地”),雷暴大风主要发生在夏季,7 月达年内峰值,且在午后和夜间较活跃2
4、4 ,发生的主要环流背景可分为深厚低槽(低涡)后部类、低槽(切变)东移类、副热带高压西侧切变类和东风扰动类4 类6 ,其中深厚低槽(低涡)后部类和孙继松等2 5 总结的高空冷平流强迫类有诸多相同之处。从环境条件看,盆地雷暴大风发生时大气可降水含量大,地面露点温度高,一般在4 0 0 50 0 hPa存在明显干层,通常具有上干下湿的垂直结构特征2 4 。其发展与后侧入流加强2 6 、移动到动力抬升作用最强和条件不稳定最为显著的区域16 有关。盆地雷暴大风对应的雷达回波具有风速大值区、回波质心下降、VIL下降、中层径向辐合和辐散等特征,其中风速大值区最为常见,收稿日期:2 0 2 2-11-19通
5、信作者:张涛.E-mail:r a d a r _z t 16 3.c o m个别站点仅具有回波强度大且梯度强的特征6 。从地域看,盆地雷暴大风研究更多集中在北部和东部,如2015年“4.4 盆地中北部极端大风16】、2 0 16 年“6.4”川北胞线大风2 6 】、2 0 17 年“7.2 8”南充大风2 7 和2 0 19年“4.9 川东跑线大风2 8 ,这些雷暴大风事件均造成了严重的人员伤亡和财产损失。由于下垫面热力和动力性质的非均匀性,以及特殊地形的影响,对流系统的发生发展和结构演变更具有多样性2 9-3 0 ,进一步增加了盆地内雷暴大风的预报难度,故仍有必要对造成盆地雷暴大风的中小尺
6、度对流系统进行研究,特别是发生在盆地西部的雷暴大风,从而不断提升雷暴大风的短临预警能力。过去对雷暴大风的研究中少有联合多部风廓线雷达资料分析(尤其在四川盆地),主要原因是缺乏风廓线雷达观测。近年来,随着成都风廓线雷达网的建设,使利用风廓线资料对雷暴大风分析成为可能。本文利用多部风廓线雷达、多普勒天气雷达和加密自动站等观测资料及ERA5(0.250.25)逐小时再分析资料,综合分析2 0 2 1年7 月18 日凌晨出现在盆地西部的一次局地雷暴大风天气的环境条件、风暴演变、地面要素变化、风暴精细化结构和增强减弱机制,旨在加深对此类天气的认识,为灾害性天气的监测预警提供有利参考。1天气形势及环境条件
7、分析2021年7 月17 日2 2 时到18 日0 4 时盆地西部自韦次高暴大风分析373玮等第3 期北向南出现了一次局地极端雷暴大风天气,59个台站出现了17.2 ms-(8 级)以上阵性大风。过程最大风速出现在0 0:3 5德阳什郁禾丰2 8 ms(10 级),成都最大风速出现在0 0:55彭州九尺双土27.1ms(10 级),均突破当地历史极值,造成2 人死亡、部分农作物绝收和房屋受损。17日白天盆地受深厚偏北气流控制,天气晴好,午后最高气温普遍升至3 3 以上。夜间(图1a)200hPa南亚高压脊线位于3 0 N附近,50 0 hPa青藏高压中心位于青海西北部,中心强度达592 位势什
8、米,控制新疆南部、青海、甘肃、西藏以及川西高原到四川盆地西部,高压东侧从甘陕南部到盆地西部有一支8 12ms的偏北显著气流。受高原北侧下滑冷平流影响,50 0 hPa甘肃南部形成了-4 的2 4 h负变温中心,陕西南部形成了温度槽,而甘、陕、宁交界为温度露点差 T-T。15 的干区。7 0 0 hPa有显著偏北气流从河套西部延伸至盆地西部,且盆地为T-T。5的湿区。8 50 hPa贵州西部到盆地西部为2 4 h正变温3的暖区。地面上,盆地为弱暖低压控制。高层强偏北气流引导甘、陕南部的干冷空气翻越秦岭到达盆地西部,叠加在低层暖湿空气之上,使层结不稳定度加大,8 50 hPa与50 0 hPa的温
9、度差2 5。温江站K指数增加到4 0.1,湿对流有效位能(CAPE)增加到1976.2JKgl,在高空冷平流的强迫下造成了此次局地雷暴大风天气。953100B110B1158Ghpa-80-70-60-50-40-30-20-10010203040200温度对数压力耀200消站站:第工(56 18 721年0 7 月17 日2 0 时250250-303003009km-20400-0C4005006km5006006007007003kmseenty-l2km中国气象局MICAPS4.身850a85095#1001058110E9251km925FC200 x200hPa脊线50hPa显著流
10、线700hPaT-Td5等入8 线2 510001000500hPa588线-500hla变温2 4 h-3+700hPa显著流线雷暴大风区域-8070-60-50-40-30-20-100102030404500hPa温度槽500hPAT-T115850hPa变温2 4 h3(a)中分析(b)探空图12021年7 月17 日2 0 时中分析图和探空图20时温江站探空显示(图1b),0 6 k m 为中等强度垂直风切变,强于成都地区一般强对流天气下的垂直风切变。4 0 0 50 0 hPa,T-T a 在4 以上(最大11.8),且风随高度逆转,说明对流层中高层有明显干冷平流;同时8 50 h
11、Pa以下存在明显干层(T-Ta7)。相比0 8 时(图略),2 0 时对流层中低层大气湿度明显下降、中高层干冷平流增强,均有利于降水粒子在下降过程中持续蒸发冷却,对下沉气流负浮力的维持和加强有重要作用。同时,抬升凝结高度(LCL)以下温湿廓线呈“喇叭口”结构,且温度廓线与干绝热线接近平行,有利于下沉气流在该层次上负浮力的维持或加强,有助于雷暴大风的发生7-8 2雷暴大风演变特征2.1卫星和雷达演变特征17日傍晚前后甘肃南部有孤立椭圆形中-尺度对流云团生成,17 日2 1时青藏高压外围偏北气流引导云团逐渐进人四川,并沿着盆地西部山前继续向南移动,17 日2 2 h至18 日0 4 时自北向南影响
12、四川广元、绵阳、德阳、成都4 市的西部和雅安、眉山一带(图略)。成都雷达显示,18 日0 0:2 0 前,多单体风暴位于绵阳西部,处于发展阶段,4 5dBZ发展高度达10 km,回波中心强度达6 0 dBZ,回波顶高(ET)达15km。0 0:2 0-02:00(图2),多单体风暴加强到最强,处于成熟阶段,自北向南影响什、彭州、郸都、温江及周边,期间V型缺口特征最明显,0.5仰角径向速度图上负速度中心超3 0 ms-。其中,0 0:3 0 回波前沿影响彭州边界,4 5dBZ回波发展高度达12 km,回波中心强度增加到6 5dBZ以上,ET增加到18 km,60dBZ以上回波中心发展到8 km以
13、上(图2 a、d)。0 2:0 0-0 3:0 0 多单体风暴处于减弱阶段,其继续南移影响崇州、大邑、邛崃、蒲江,虽风暴前侧不断有新对流单体生成合并,但强度有所减弱且结构变得松散,最强反射率因子下降到4 555dBZ,45dBZ回波高度基本下降到5km以下,ET下大374息程都成第3 8 卷报信学学降到13 km以下(图略)。0 3:0 4 后回波移出成都。值得注意的是,风暴在成都境内南移过程中,其前侧伴有明显阵风锋(图2 b、c),维持时间超2 h,最大水平尺度超3 0 km。dBZ75dBZ7532.0N32.0N70706565606031.5N-31.5N-55555050454531
14、.0N4031.0N-40353530nt30iST252530.5N2030.5N201515101030.0N530.0N+5103.0E103.5E104.0E104.5E105.0E103.0E103.5E104.0E104.5E105.0E(a)00:301.5仰角基本反射率(b)01:071.5仰角基本反射率dBZdBZ32.0N+751875707065166560146031.5N-555550X/草垂12-5045451031.0N-40403583580806252530.5N-gustffont2042015152101030.0N-550103.0E103.5E104.
15、0E104.5E105.0E405060708090(c)01:581.5仰角基本反射率径向距离/km(d)00:30反射率因子剖面图22021年7 月18 日成都雷达1.5仰角基本反射率和反射率因子剖面(图中CD为成都)2.2地面自动站要素演变伴有阵风锋出现的雷暴大风常常会造成气温骤降、气压涌升和风向突变等现象3 1-3 。此次雷暴大风中也出现类似变化(图3)。选取彭州和邛崃国家站分钟级资料分析多单体风暴成熟阶段和减弱阶段的各气象要素变化。由图3 可见,随着阵风锋到达本站,气象要素开始出现明显变化,且气象要素变化先后依次为气压和风、气温和相对湿度、降水,但成熟阶段气象要素变化的剧烈程度强于减
16、弱阶段。以气压和气温为例,成熟阶段气压升高3 hPa,气温下降4.9,而减弱阶段气压升高为2.2 hPa,气温下降3.8。同时可以看出相对湿度在冷池中表现为先急降后陡增,且其低值时段与风速大值时段对应关系较好。从时间上来看,成熟和减弱阶段最大瞬时风速均出现在气压涌升和风速剧增开始变化后的15min左右。彭州站降水出现在气压开始突变后的10 min,而减弱阶段的邛崃降水出现在气压和风速开始突变后的2 8 min,时间间隔明显增加这与阵风锋在减弱阶段离风暴母体距离增大有关。RH/%V/msR/mmT/RH/%V/msR/mmT/C942.010012F27.0948.0-100r12F27.056
17、11891.8562941.896F1026.0-96F10t26.0941.0-1.5947.0-1.592825.0-92F825.0ed/dF1.21.2940.0-88624.0946.0-88624.00.90.9844F0.8F23.0-844F0.823.0939.0-945.0802F0.322.0802F0.322.0938.076LO.0L21.0944.07600.021.000:00010002000:3000:4000:001:01:10012001:001:400150020002:10022002:002:40025003:0001:0001:10012001:3
18、001:40015002:0210022002300240025003:003:10032003003:4003500400时刻时刻(a)彭州(b)邛崃图3彭州、邛崃气象要素变化曲线(三角形代表阵风锋开始影响时刻)此外,成熟阶段降水和最大瞬时风速出现时间十分接近,结合对流单体风暴模型,表明此时最大风速出现风暴母体中心偏后部一侧;而减弱阶段最大瞬时风速出现在降水之前,表明最大风速区出现在风暴母体韦375次高雷暴大风分析不秋玮等:第3 期前侧阵风锋附近,相对于成熟阶段最大风速区明显前移。进一步结合0 0:0 0-0 1:0 0 地面6 级以上大风区域和雷达回波演变可见(图4),成熟阶段地面6 级以
19、上大风区域主要位于阵风锋后侧,风暴母体V型缺口及偏右一侧;而8 级以上灾害性大风位于风暴母体下方,V型缺口右侧,而右侧正好是阵风锋相对风暴母体更远的一侧。dBZ32.0N32.0N+757065入流急流6031.5N-31.5N00:0055V型缺口5000:204531.0N31.0N01:004035302530.5N-30.5N20151030.0N-30.0N5103.0E103.5E104.0E104.5E105.0E103.0E103.5E104.0E104.5E105.0E(a)地面变压和大风区域(b)雷达回波演变图4 7 月18 日0 0:0 0-0 1:0 0 地面变压、6
20、级以上大风区域(浅蓝、深蓝、橙、红色阴影区分别代表6、7、8、9级大风区)和1.5仰角4 0 dBZ以上回波演变3风暴立体空间结构的精细分析对风暴强下沉气流、冷池以及阵风锋空间结构和概念模型研究3-3 6 中,基于多部风廓线雷达和天气雷达资料分析的个例并不多见,故本文选取伴有阵风锋出现的成熟阶段多单体风暴,结合彭州、郸都、温江风廓线雷达资料分析其空间精细结构。由图5可见,01:12 风暴母体前沿正好到达郸都站,阵风锋即将到达温江站,风暴母体尾部正好位于彭州(图5)。dBZ32.0N7570656031.5N+55504531.0N4035302530.5N-20151030.0N+5103.0
21、E103.5E104.0E104.5E105.0E图57 月18 日0 1:12 成都雷达1.5仰角反射率因子(代表彭州(PZ)、郸都(PZ)和温江(WJ)风廓线雷达位置)随着阵风锋和多单体的影响,近地面水平风向迅速从弱偏南风转为强东北风,1km以下最大水平风速达2 0 ms以上,下沉气流达10 ms以上,说明风暴内强下沉气流形成的出流给地面带来了极端大风。结合风廓线雷达资料和风暴垂直结构,进一步分析风暴后侧人流急流转为强下沉气流的特征,如图6(a)中白色短线箭头A,2.5k m 以上有东北风急流存在,急流在风暴内向前运动时水平风速有所减小,但垂直向下的速度分量从4 ms增加至10 ms以上。
22、垂直下沉速度的增大一方面与风暴内的降雨拖电作用有关3 2 3 7 ,另一方面与后侧人流急流和暖湿空气混合产生的显著蒸发冷却作用有关3 8-3 9。风暴母体后部,自动站分钟雨量有所减小,风廓线雷达上下沉气流最大速度也较风暴前部下沉速度略小(图6(a)中白色短线箭头B)。风暴尾部处,后侧入流进入风暴内部有限,蒸发冷却作用有限,使得下沉气流进一步明显减弱,1.52.5km高度上为弱下沉区,甚至还出现了上升运动(图6 a中白色短线箭头C)。结合3 站风廓线雷达资料对0 1:12 风暴母体、冷空气出流和阵风锋空间剖面结构进行分析。1:10 彭州站(图6 a),4 k m以下为8 10 ms的下沉气流,个
23、别高度甚至在10 ms-以上,表明风暴后部为深厚的显著下沉运动。0 1:10 郸都站(图6 b),下沉气流形成的冷池厚度达到1.0 km,偏西偏南的暖湿气流被冷池抬升到1.0 km以上,暖湿上升气流和干冷下沉气流在风暴内辐合使风暴维持或发展。0 1:10 温江站(图6 c中的红色箭头)上空有明显的上升气流,高度可达3.0 4.0 km,受阵风锋附近冷暖空气交汇影响,水平风速小于2 ms。在暖湿气流后侧,1.0 km以下的弱下沉运动,近地面的弱上升运动(图6 c中的蓝色箭头)可能是冷池在触地后向上卷起,而形成的滚轴状的水平涡旋4 0 大376息都程信成第3 8 卷报学学5000州向下450010
24、40008635004210300025002000-115002410006500800:2000:4501:1001:3502:00北京时间(a)彭州5000都向下45001040008635004U/300022500102000-17150010006500800:2000:4501:1001:3502:00北京时间(b)郸都5000-温江向下4500-1040008642103500U/翼300025002000724915001000500800:2000:4501:1001:3502:00北京时间(c)温江图657月18 日0 0:2 0-0 2:0 0 彭州、郸都、温江风廓线雷
25、达水平风和垂直速度时间演变4风暴强度变化成因分析4.1增强和维持的原因据雷达回波分析,18 日0 0:2 0-0 1:0 7 多单体风暴从绵竹南部移动到彭州,风暴母体快速地发展增强,地面瞬时极大风速达到过程最大。这与该区域有利的不稳定能量、干冷空气人流和边界层辐合等条件密不可分4 1-4 2 首先显著增强的中层干冷空气,加强了风暴母体内部的蒸发冷却,同时雨强的增加产生了更显著的向下拖电作用。风暴母体增强阶段的雷达回波可清晰地识别出其后侧存在明显人流缺口(图2 b),还有前侧弱的人流缺口。0 0-0 1时彭州上空(图7 a、b),随着550650hPa高度上转冷平流,使8 0 0 hPa以上全为
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