一次区域性雷暴大风的特征分析.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 6 月黑 龙 江 气 象HEILONGJIANG METEOROLOGYVol.40No.2Jun.2023文章编号院员园园圆原圆缘圆载穴圆园23雪园2原园园01原园6收稿日期院 圆园23原3原1第一作者简介院周奕含(1989-)袁女袁黑龙江省哈尔滨市人袁成都信息工程学院袁本科生袁工程师.周奕含袁吴迎旭袁王深义渊黑龙江省气象台袁黑龙江 哈尔滨 150030冤一次区域性雷暴大风的特征分析摘要院2021 年 8 月 23 日午后黑龙江省西南部地区出现了一次区域性雷暴大风天气遥 本文利用常规观测资料和 ERA5 再分析资料对此次过程进行了特征分析遥 结果表明院该过程是在冷涡背景下袁低层暖湿输送强迫形成的区域性多类型雷暴大风天气袁强垂直风切变尧中层干层尧大的对流有效位能提供了有利的环境条件遥 地面辐合线触发在暖锋锋生区内产生了下击暴流和多单体风暴袁造成了局地的雷暴大风和低质心强降水曰线状对流系统中的弓形回波其前侧入流缺口尧后侧弱回波区尧高反射率因子梯度大值区尧超过 60 dBz 的强中心不断生消及其 V 型缺口袁都对雷暴大风和冰雹有很好的预警指示曰 冷池的面积与冷源强度同雷暴有明显的对应关系且对流的发展和冷池加强也形成了反馈机制遥关键词院多类型风暴曰下击暴流曰线状中尺度对流中图分类号院P458.1+23文献标识码院ACharacteristic Analysis of a Regional Thunderstorm GaleZHOU Yi-han,WU Ying-xu,WANG Shen-yi渊Meteorological observatory of Heilongjiang province,Heilongjiang Harbin 150030冤Abstract:In the afternoon of August 23,2021,a regional thunderstorm and gales occurred in the southwest re鄄gion of Heilongjiang Province.In this paper,the characteristics of this process are analyzed using conventionalobservation data and ERA5 reanalysis data.The results show that the process is a multi-type thunderstorm galeweather formed by the warm and wet transport force at low level under the background of cold vortex.The fa鄄vorable environmental conditions are provided by strong vertical wind shear,middle dry layer and large convec鄄tive effective potential energy.The ground convergence line triggered the downburst and multiple individualstorms in the warm front frontogenesis area,resulting in local thunderstorm gale and low core heavy precipitation.The bow echo in linear convection system has a good warning indication for thunderstorms,gales and hail,in鄄cluding the inlet notch in front,the weak echo area in back,the large value area of high reflectance factor gradi鄄ent,the continuous generation and dissipation of the strong center over 60dBz and the V-shaped notch.The areaof the cold pool and the intensity of the cold source have an obvious correspondence with the surface wind,andthe development of convection and the strengthening of the cold pool also form a feedback mechanism.Key words:Multi-type storm曰 Downburst,曰Linear mesoscale convection1引言雷暴大风一般是指伴随强雷暴天气出现的强烈大风袁具有持续时间短袁破坏力强的特点遥 区域性雷暴大风常常会伴随短时强降水或冰雹的发生袁 给人民生命安全袁农业尧经济方面造成重大损失遥 因此从预报的角度对雷暴大风的研究就变得更为重要遥 雷暴大风产生的原因主要有两种院 一是雷暴出流形成的地面大风曰二是雷暴入流形成的地面大风1遥 许多学者对于雷暴大风分别从环境条件袁机理研究袁结构特征等方面进行了细致的分析2-5遥 郑永光6指出雷暴产生的强下沉气流通常出现在对流层中层的明显干层及对流层中下层的较大的垂直减温率的环境下遥图 12021 年 8 月 23 日渊a冤14-19 时雷暴大风分布渊单位院m/s冤和渊b冤14-15 时降水量(单位院mm)第 40 卷黑龙江气象王秀明7提出在中低层相对干的环境下强风由对流单体下沉辐散气流叠加在冷池密度流上造成遥 近些年来袁 随着新一代多普勒天气雷达在短临天气中的广泛应用袁观测表明袁弓形回波袁中层径向辐合袁低层径向速度的大值区对雷暴大风的预报预警有较好指示作用8-9遥孙密娜10指出中层强辐合和风暴顶辐散产生强下沉气流袁 地面最大风出现在中气旋发展阶段和冷池合并阶段遥康岚11在对极端大风的研究中发现弓形回波中高反射率因子连续下降袁 显著增加了大风强度遥本文选取了 2021 年 8 月 23 日出现在黑龙江省西南地区一次区域性的强对流天气过程袁 此天气过程主要以雷暴大风为主袁 并局地伴有冰雹和短时强降水的出现袁而由于不同时段受影响的系统不同袁该过程出现了下击暴流尧 多单体风暴及线状对流系统等区域性多类型的风暴遥 利用常规观测资料袁欧洲数值预报中心分辨率为 0.25毅伊0.25毅的 ERA5 再分析资料袁哈尔滨和绥化的 CA 多普勒天气雷达资料对该过程不同阶段的雷暴大风演变进行分析遥2实况特征2021 年 8 月 23 日午后至傍晚袁黑龙江西南部地区自西向东出现了一次强对流天气遥 其中哈尔滨尧大庆尧绥化分别出了 8 级以上的区域性雷暴大风袁局部多个站点伴随冰雹及短时强降水天气渊图 1冤遥根据雷暴类型及时空分布分为两个阶段袁 第一阶段大庆及绥化西部主要以局地强对流为主袁14-15 时绥化肇东市内四方山农场出现了 24.6 m 窑 s-1的 10 级大风袁13-16 时大庆市区及肇源县也出现了直径超过 2 cm 的冰雹天气袁 市区北部喇嘛甸该时段降水量为 82.9mm袁出现了短暂的城市内涝曰第二阶段为区域性强对流天气主要影响哈尔滨西部及绥化南部袁17-18 时哈尔滨市双城区尧呼兰区均有超过 9 级风的站点袁市区以雷雨大风为主伴有冰雹天气袁 雨量较第一阶段减弱遥3强对流形成的环境条件3.1天气背景此次天气过程是一次冷涡背景下发生的典型强对流天气遥8 月 23 日 08 时袁500 hPa 贝加尔湖至鄂霍次克海为宽阔的气压槽袁 其中两个低涡中心分别位于贝加尔湖南侧和黑龙江省北部渊图 2a冤遥 位于黑龙江北部至内蒙古东部的东侧槽线与等温线的夹角近乎垂直袁冷平流明显袁冷涡后部不断有冷空气向南渗透遥 河西走廊至东北地区为平直的西风急流袁将干冷空气不断向东输送至吉林与黑龙江交界遥850 hPa渊图2b冤 上黑龙江省西南部至吉林西部交界能分析出一个中尺度低涡袁 从低涡中心至内蒙古东部形成了近乎东西向的切变袁有利于此处对流云的产生和发展遥切变南侧能分析出中尺度西南急流袁 为黑龙江南部地区输送水汽和能量遥 此处也形成了比湿超过 12 g 窑kg-1的湿度大值中心袁为强对流的发生提供丰沛的水汽供应遥 跃16 益的暖脊伸向东北地区中部袁并在黑龙江南部与吉林交界处形成风速和水汽的辐合遥 整体上袁 中层干冷低层暖湿的配置有利于此次强对流天气的发生遥哈尔滨 23 日 08 时的探空上 渊图 3冤袁 低层 925hPa 上有逆温层存在袁此时哈尔滨探空的 Ls渊干暖盖指数冤为-32 益袁 有利于不稳定能量和水汽在此处聚集遥 哈尔滨站 08 时地面温度和露点分别为 21 益和20 益袁 到了 14 时显示为 28 益和 21 益遥 午后地面明显增温袁 利用 14 时哈尔滨的温度尧 露点和气压订正 08 时的探空袁 CAPE 较订正前增大至 2754 J 窑kg-1袁增加了午后强对流暴发的可能性遥 0 益湿球温度高度在 3.3 km袁1000-500 hPa 的垂直风切变为 19.1m 窑 s-1袁接近强垂直风切变的范围袁有利于组织化的对流出现遥 不太高的融化层高度尧强的垂直风切变和大的对流有效位能为冰雹的产生提供了有利的环境条件12遥雷暴大风产生的强下沉气流主要因素是冷却负浮力袁气块在绝热下沉增温中能够保持负浮力袁取决图28 月 23 日 08 时(a)500 hPa 时天气图和(b)850 hPa 天气图渊阴影区院比湿渊单位院g 窑 kg-1冤2图 32021 年 8 月 23 日 08 时渊实况订前后冤哈尔滨站探空曲线周奕含,等院一次区域性雷暴大风的特征分析第 2 期于对流层 700-400 hPa 的干层袁08 时哈尔滨站的干层强度指数 Hdry Max 渊700-400 hPa 平均温度露点差冤为 34 益袁干层明显遥500 hPa 和 850 hPa 温度差为26 益袁600 hPa 以下层结曲线与露点曲线呈现上干下湿的野喇叭口冶形状袁600 hPa 以上干层明显增大袁这种高低空上冷下暖袁 上干下湿的天气配置有利于雷暴大风及冰雹等强对流天气的发生遥3.2中尺度物理量特征根据雷达两个阶段对流类型对分时中尺度物理量进行特征分析袁13 时沿 125.0毅E 渊多单体和下击暴流位置冤做物理量的纬度-气压的剖面袁在 45毅N 有从地面至 800 hPa 向北延伸的暖湿平流袁跃12伊10-6K 窑 s-1的暖中心位于 850 hPa袁 暖中心南侧 800 hPa 有相对湿度约70%的弱冷平流入侵袁 能量锋区向北延伸至47毅N袁随着高度增加而减小袁斜压性加强袁兹se 等值线密集带所控制区域对应的强暖湿平流迫使对流在该区域抬升发展遥 17 时沿 126.5毅E 的纬度-气压剖面渊图 4b冤袁随着午后持续的增温袁低层的暖平流不断增强袁哈尔滨西部地区渊45-46毅N 范围冤近地面至中低层呈现暖平流袁900 hPa 在 46.5毅N 上空有暖中心达到48伊10-6K 窑 s-1的强暖平流袁垂直方向上 800 hPa 为冷平流袁 而在呼兰北侧由于前期受到消散积云带的影响袁地面至中层呈弱冷平流袁冷平流中心位于 46.5毅N的 925 hPa 附近袁因此在呼兰附近有低层冷暖平流的交汇袁 哈尔滨西部地区由于强暖平流的强迫形成了有组织性的强对流天气遥4雷达回波特征分析8 月 23 日午后袁 在哈尔滨和绥化天气雷达产品上能够清晰的观察出此次区域性雷暴大风的演变过程袁主要分为两个阶段遥 在 16 时之前影响大庆东部和绥化西南部地区出现雷暴大风和局地冰雹天气的对流系统主要为北侧的多个多单体风暴和南侧的下击暴流曰16-20 时出现在哈尔滨中西部地区和绥化南部的区域性强雷暴大风主要是合并的线状中尺度对流系统造成的遥4.1下击暴流阶段4.1.1风暴演变特征此阶段出现的下击暴流是由于风暴单体演变而成的袁 单体在 13 时 49 分开始生长加强袁14 时 29 分消散遥 从演变的趋势可以观察出袁 随着单体不断发展袁最旺盛阶段出现在 13 时 55 分袁对流单体的最大反射率因子在 65-70 dBz袁最强中心的高度约为 10-12 km袁VIL 最大值连续三个体扫在 80 kg 窑 m-2并且在中低层反射率因子图渊1.4毅尧2.4毅尧3.3毅冤上均有三体散射现象出现遥 在 14 时 01-12 分高于 10 km 的强中心迅速下落袁回波顶高在此次阶段发展至 15 km袁在 14时 29 分后迅速下降至 10 km 以下遥 而 VIL 最大值在14 时 29 分也由 80 kg 窑 m-2降至 40 kg 窑 m-2遥 快速下降的强中心到地面使大庆肇州县和绥化肇东市出现局地超过 8 级的雷暴大风和冰雹天气13遥此后随着该雷暴的减弱东移袁其后侧仍有雷暴单体发展袁但雷暴单体的高度多在 6-9 km 且均只维持了 2-3 个体扫袁此阶段产生的强对流天气趋于减弱遥4.1.2径向速度特征在中层 2.4毅径向速度图上渊图略冤袁风暴发展阶段在 13 时 27 分表现为中层径向辐合袁 正负速度差大约为 28-30 m 窑 s-1袁 在下一个体扫 13 时 49 分上升气流不断加强袁强中心在 6-9 km 时中层速度出现气旋式辐合袁该辐合一直至 14 时 06 分维持了 4 个体扫遥低层 0.5毅径向速度上袁13 时 44 分开始呈气旋性辐合袁正速度为 14.5 m 窑 s-1袁负速度为 14.5 m 窑 s-1袁正负速度差为 29 m 窑 s-1袁在随后风暴发展旺盛阶段袁低层一直维持径向辐合遥 在地面观测数据中袁14 时 09 分在肇源已经观测到了 20 m 窑 s-1的 8 级大风袁14 时 12 分雷达低层径向速度已经变为反气旋辐散并维持了两个体扫袁随着该雷暴的减弱袁低层径向速度的特征也逐渐消失遥图 4渊a冤13 时沿 125毅E(b)17 时沿 126.5毅E 做剖面的温度平流渊阴影区袁单位院10-6K 窑 s-1冤和假相当位温渊黑色实线袁单位院K冤和相对湿度渊黑色虚线袁单位院益冤的纬度-气压剖面3图 58 月 23 日 13 时地面图渊阴影区院0.5毅反射率因子袁单位院dBz冤第 40 卷黑龙江气象4.2多单体风暴13 时大庆的北部地区已经有多个孤立的对流单体生成趋于合并袁 在 13 时 11 分多单体对流开始发展袁 逐渐形成片状且整体回波中的多个单体强度开始加强袁前侧两个单体中心强度达到 66 dBz袁高度在5-7 km袁 向东北方向移动袁VIL 从 48 kg 窑 m-2跃升至75 kg窑 m-2袁 经过两个体扫后 VIL 降至 40 kg窑 m-2以下遥 两个单体的影响减弱袁但两个单体南侧较之前相近的位置又有新的对流单体生成及发展袁 强中心超过了 60 dBz袁但高度较之前的高度低 1-2 km袁以低质心的强降水为主遥 受到多单体不断的生消发展袁在大庆市区的北部出现了局地达到 78.7 mm 窑 h-1的短时强降水和冰雹大风天气遥4.3线状中尺度对流阶段4.3.1风暴演变特征15 时超过 40 dBz 的块状强回波呈分散状位于绥化西部和南部地区袁 两块回波中均镶嵌着多个中心强度 60-65 dBz 的强单体袁 在逐渐向东移动中袁两块回波内部强单体不断生消且新生的单体强度持续维持在 60 dBz 以上遥 17 时到达哈尔滨西部袁两块逐渐合并形成了有组织化的准连续的线状中尺度对流系统14袁该线状中尺度对流继续移动过程中组织性不断加强袁在 18 时 58 分线状对流系统尺度超过了 200km袁但是宽度逐渐变窄袁超过 60 dBz 的强中心减少袁此后产生雷暴大风天气的对流系统强度逐渐减弱趋于结束遥 线状中尺度对流系统的演变也造成了绥化北林尧兰西和哈尔滨中西部地区出现了 8-10 级的雷暴大风和冰雹天气遥4.3.2结构变化特征及影响受此线状中尺度对流的影响袁17-18 时在哈尔滨市区出现了局地 10 级的雷暴大风和冰雹袁雷暴大风的分布和整体线状回波带强中心结构相对应袁 可见强雷暴大风天气与对流系统的变化紧密相关遥在 17 时的 1.4毅反射率因子图渊图略冤上袁线性对流系统的北侧有弓形结构的风暴位于哈尔滨呼兰区袁在 17 时 12 分风暴的弓形特征增强袁能够持续观察到前侧的入流缺口和后侧的弱回波区袁 随着仰角抬升至 6.0毅也均有该特征体现袁且前侧的高反射率因子一直保持比较高的梯度袁 可见暖湿入流的斜升高度非常高遥 弓形回波的演变过程中袁 不断有超过 60dBz 的强中心出现袁该时刻的最大反射率因子为 62.5dBz袁其后侧也出现了 V 型缺口遥 而低层 0.5毅仰角在弓形回波前侧也出现了雷暴出流遥 在 2.4毅径向速度上袁风暴的前侧能分辨出一条径向辐合的速度带袁正负速度差在 15-20 m 窑 s-1袁 这条速度辐合带在 3.3毅和4.3毅径向速度均能观察到袁该速度带沿着弓形回波的南侧延伸整个线状对流系统遥 随着线状对流系统中的弓形不断发展袁在其不断移动中袁高反射率因子不断生成下落袁进而形成了雷暴大风和局地冰雹天气袁根据逐上特征也可以对强对流天气提前进行预报预警遥5雷暴大风触发与维持的特征5.1地面辐合线与暖锋的触发与维持受到抬升触发才能使具有明显对流有效位能的大气发展成深厚湿对流遥23 日 12 时渊图略冤在大庆市的西南侧已经有零星的回波生成袁 地面能分析出一个小低压袁 风场上有西南风与偏北风或东北风的风向辐合袁 沿辐合线两侧不断的有强回波生成遥 13 时渊图 5冤在引导气流的影响下袁辐合线南侧的西南风不断增强袁向东北方向延伸并快速加强袁在辐合线上也能分析出多个中尺度气旋辐合袁 辐合线两侧也不断有对流单体新生袁并沿着辐合线快速发展遥 此次的强对流天气最早的触发与地面西南风增大后的快速加强的辐合线有直接关系袁 可见中尺度辐合线触发机制对对流初生起到重要作用遥5.2暖锋的触发与维持此次过程是在于冷锋前的地面辐合线触发后移入不断锋生的暖锋区域而演变成的区域性对流天气遥 14 时渊图 6a冤在黑龙江西南地区渊124毅-125毅E冤有超过 10伊10-6K 窑 s-1的冷平流袁 对应的是 1 k 窑 h-1窑(100km)-1冷锋锋生区袁 其东侧有紧贴着的暖平流对应的4图 78 月 23 日(a)15 时(b)16 时(c)17 时 1 h 变温渊阴影区袁单位院益冤图 68 月 23 日(a)14 时(b)15 时(c)17 时温度平流渊阴影区袁单位院10-6 K 窑 s-1冤和锋生函数渊黑色虚线院单位院k 窑 h-1窑(100km)-1冤是 2 k 窑 h-1窑(100 km)-1暖锋锋生区袁 冷暖锋的锋生强度相差不大袁且均发生在 900 hPa 至近地面渊图略冤遥冷锋区产生的分散对流单体不断向暖锋锋生区移动袁并在冷暖平流交界处不断产生抬升触发后袁对流组织化进而加强袁 在冷暖锋生区交界的 125毅E 左右区域就产生了明显多单体风暴和下击暴流遥15 时渊图6b冤冷锋锋生强度增至 4 k 窑 h-1窑(100km)-1袁暖锋锋生区分为南北两个区域袁该小时由于冷空气的主导作用袁致使对流单体又呈分散状且组织化减弱遥 到 17 时渊图 6c冤暖锋锋生区一直维持在黑龙江西南渊45毅-46毅N冤袁锋生强度也一直维持在 1 k 窑 h-1窑(100 km)-1袁虽然锋生强度减小了 1 k 窑 h-1窑(100 km)-1袁但是持续稳定的暖锋锋生使得对流在此阶段不断维持加强袁 造成了哈尔滨西部局地的 10 级大风和冰雹出现遥 由此可见触发后的对流在暖锋锋生区的维持和增强为此次风暴演变提供了关键性作用遥5.3雷暴与冷池的关系根据地面自动站的观测数据观察此次强对流过程的 1 h 变温可以发现袁由于雷暴的蒸发拖拽作用和降温作用袁在地面上相继陆续出现了多个冷池遥15 时渊图 7a冤冷池位置位于大庆与绥化交界袁冷池中心 1 h的负变温为-8.1 益袁约-5 益的冷池面积大小约为 1毅纬度伊1.5毅经度袁 在冷池前沿出现了 10 级的极大风袁强风导致冷空气不断下沉袁加强了地面的冷池袁冷池的的强度和范围明显增强遥 16 时渊图 7b冤影响绥化西部的地面冷池面积减小袁 冷池中心的负变温也增加了0.5 益袁1 h 的极大风站点和量级也随之减弱袁但强冷池南北两侧分别又出现了两个小冷池中心袁 中心强度负变温均在-5 益以上遥 17 时渊图 7c冤随着暖锋内单体不断加强袁线状对流逐渐生成袁地面冷池中心重新增强袁最大负变温中心达到-9.4 益袁造成的 8 级以上大风有 10 个站且分布密集袁并在呼兰区出现了冰雹天气遥 可见冷池面积和冷源强度与雷暴有明显的正相关遥在冷池变温强中心的垂直速度剖面上看袁 冷池中心附近均有明显的上升运动袁 一直延展到 200hPa袁15 时渊图 8a冤冷池中心渊46.5毅N袁125.75毅E冤地面至 900 hPa 有下沉速度袁900 hPa 以上的上升速度在-2 Pa 窑 s-1以下袁对流发展逐渐受到抑制袁而从地面至 200 hPa 的一直上升运动位于冷池的南侧袁主要与地面的暖锋锋生区相对应遥 16 时渊图 8b冤开始垂直速度的一致上升运动分别在最强冷池 渊46.5毅N袁126毅E冤的南北两个小冷池上空袁 南侧冷池上空的最强上升速度位于 500 hPa 达到-2.8 Pa 窑 s-1袁 强的垂直上升速度使得对流不断发展袁 使得对流在下一个小时不断增强袁造成了区域性雷暴大风遥 可见对流的触发尧发周奕含,等院一次区域性雷暴大风的特征分析第 2 期5图 88 月 23 日渊a冤15 时沿 125.750E渊b冤16 时沿 1260E冤垂直速度剖面渊黑色虚线袁单位院Pa 窑 s-1冤第 40 卷黑龙江气象展和冷池的形成尧加强有明显的相互反馈关系遥6结论渊1冤 本次过程出现在 500 hPa 冷涡背景下袁850hPa 暖湿输送使得不稳定能量增大造成了区域性的雷暴大风天气袁强暖湿平流的强迫起到抬升发展袁组织化加强的作用遥 强垂直风切变尧低融化层高度尧中低层干层和较大的对流不稳定能量为雷暴大风及冰雹天气提供有利的环境条件遥渊2冤此次雷暴大风是由两个主要阶段构成的袁第一阶段产生雷暴以局地为主袁 分别为下击暴流和多单体风暴遥 雷达特征上袁下击暴流出现快速下降的高反射率因子核袁使得下沉气流快速触地曰径向速度上中层有气旋式辐合袁 低层从气旋式辐合至雷暴触地后转变为反气旋辐散遥 多单体风暴阶段孤立单体合并且反复生消袁VIL 迅速的跃升和下降袁 造成了局地的冰雹和低质心强降水遥渊3冤第二阶段产生的区域性雷暴大风为线状中尺度对流袁 雷暴大风分布和该对流强中心结构相对应遥 对流系统北侧发展形成了弓形回波袁前侧入流缺口尧后侧弱回波区尧高反射率因子梯度大值区尧超过60 dBz 的强中心不断生消及其 V 型缺口袁 都为雷暴大风和冰雹的出现提供很高的预警指示作用遥渊4冤地面辐合线尧暖锋锋生对此次雷暴的触发和维持起到了关键作用袁 西南风增强后的地面辐合线是对流最早的触发机制曰 暖锋锋生使得对流组织化不断增强袁 从多单体风暴演变成线状中尺度对流系统遥渊5冤地面 10 级大风出现在雷暴冷池的前沿袁冷池的面积与冷源强度与雷暴有明显的对应关系曰对流的触发尧 发展和冷池形成尧 加强也形成了反馈机制遥参考文献1 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