2011年8月18日福州地區下擊暴流分析

陳齊川

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2011年8月18日福州地區下擊暴流分析

陳齊川

福建省氣象臺

利用多普勒雷達資料對福州地區2011年8月18日的兩次下擊暴流過程進行分析，結果表明，反射率強中心的逐步下降，使得風暴中層下沉氣流加強，產生下擊暴流，速度場上近地層速度產品呈現輻散結構、中層徑向輻合的特征。此次過程風暴的強出流與風暴分離后并未減弱，持續了相當長的時間。利用WINDEX指數和風暴趨勢圖可以對下擊暴流的預報提供幫助。

下擊暴流 強對流風暴 多普勒雷達

0 引言

Fujita[1,2]把導致地面上水平風速大于17.9m/s的輻散或直線型的災害性大風的強下沉氣流定義為下擊暴流，并進一步區分為水平尺度大于4km，持續時間大于10分鐘的宏下擊暴流和水平尺度小于4km、持續時間小于10分鐘的微下擊暴流。下擊暴流在近地面既可以造成類似龍卷的嚴重災害，也可以產生很強的水平風切變，對飛機起降造成嚴重影響。美國曾為此開展4次大型外場試驗，包括NIMROD(Northern Illinois Meteorological Research on Downburst)[2,3],JAWS(Joint Airport Weather Studies)[4],FLOWS(FAA/Lincoln Laboratory Operational Weather Studies)[5]以及MIST(Microburst and Severe Thunderstorm)[6],對下擊暴流進行研究。隨著國內新一代天氣雷達網的布設，我國也開始了對下擊暴流的觀測和研究。俞小鼎等[7]首次對下擊暴流進行了分析，刁秀廣等[8]針對3次單單體風暴產生的下擊暴流，畢旭等[9]、朱君鑒等[10]、王俊等[11]針對弓形回波造成的下擊暴流研究發現，反射率因子核心逐步降低并伴隨云底以上速度輻合的多普勒雷達回波特征，可用來提前數分鐘預警下擊暴流。陶嵐[12]等利用反射率因子核心下降和低層強輻散的流場特征來開發下擊暴流識別算法。

2011年8月18日下午起，永泰、閩侯、福州等地發生了冰雹、暴雨、大風等短時強對流天氣。此次過程主要災害為大風，風速最大達到29.9m/s，造成多處農作物損失、樹木倒伏、停電等事故，給人民生活帶來明顯的影響。本文利用多普勒雷達、自動站觀測資料對其進行分析。

1 天氣背景和穩定度分析

18日08時500hPa中高緯為兩槽一脊形勢，脊位于貝加爾湖，左右分別為兩個低渦，分別位于西西伯利亞和鄂霍次克海，隨著貝加爾湖脊東移加強，脊前偏北風量加大，引導冷空氣南壓，使脊前的槽加強南伸，槽底伸至30°N。福建為副高南部的東風氣流控制，從浙江到福建均有1度的負變溫。同時400hPa從臺灣島到福州均為負變溫區，最大的達到-4℃。高層的降溫使溫度垂直遞減率變大，增加了大氣的不穩定性，有利于對流性天氣的發生。低層700hPa，850hPa福建均處于偏南急流的東側，全省風速均較小。福州的08時探空資料顯示，福州上空有逆溫層，從850hPa到300hPa均較干，風從低層到高層為逆時針旋轉，說明高層有冷平流，風切變較弱，K指數為31℃，CAPE值為2703J?kg-1，顯示福州地區有較大的不穩定能量累積，WINDEX大風指數為26.8m/s，表明福州地區發生可能有強風，與實況最大風29.9m/s十分接近。

2 自動站資料分析

16:00-20:00的自動站資料顯示，福州、閩侯、永泰3個縣市都有達到7級以上的極大風，最大的達到29.9m/s。以閩侯、福州站為例，從下午起，閩侯的溫度緩慢下降，而濕度、氣壓則緩慢升高，18:30起，濕度劇烈下降，20分鐘后是風速的迅速增大，接著溫度陡降、氣壓猛升，19:03出現24.0m/s的9級大風，同期10分鐘累積雨量達到11.9mm。這表明地面的極大風是由風暴內降水物的拖曳而產生的下擊暴流在近地面輻散造成的。類似的，福州站也有相同的特點，19:17更是出現了29.2m/s的11級大風，但是福州的降水卻很少，其它要素的變化也沒有閩侯站劇烈。這是由于風暴強中心經過閩侯站，卻未經過福州站，但是在閩侯時，回波未發展到最強，而影響福州時，正是回波最強和下沉出流最強的時刻。雖然風暴的降水主體沒經過福州，但是風暴產生的下擊暴流卻更強，所以福州的極大風反而比閩侯的大。

3 雷達資料分析

中午起，福州地區就有零散回波出現并發展。從18時02分起，在6.0°仰角的速度圖上（圖略）閩侯西北部高空6km左右出現了一條近40km長的輻合線，并逐漸向東南方向移動，沿著這條輻合線新單體于空中6km左右的高度不斷生成并迅速增強，各個新生成的風暴單體的強中心一般位于6km左右高度，強區隨著風暴的發展向上下伸展。隨后，一些單體開始合并，風暴中層強中心加強并逐漸下降，至18時56分，開始產生第一次下擊暴流，0.5°仰角的速度圖上出現了下擊暴流的輻散風場，負速度中心達到-24m/s，正速度中心則達到12m/s。正負速度中心間的距離約9~10km，構成一個不對稱的低層輻散場，尺度約17km（圖1a），而正負速度對連線的中點對應著0.5°強度場上的最強值（圖1a，b中箭頭所指處），表明是風暴內降水物的拖曳而產生的下擊暴流。圖 1中，a、b分別為18時56分0.5°速度圖和強度圖。c、d分別為沿圖a、b中箭頭所指處的同時刻的徑向強度剖面圖和速度剖面圖。

圖1

為了分析風暴的空間結構，過圖1a、b箭頭所指處，沿徑向分別做反射率和速度的垂直剖面圖。由圖1c可見風暴已發展到14km以上，大于50dBZ的強區從9km一直伸展到地面，其強中心此時降至2km處，風暴整體向前傾斜，呈現出明顯的懸垂結構，低層強度梯度很大，說明該處有強烈的天氣的發生。強度圖上風暴的強中心之下對應著近地面的輻散風場，風暴前部對應的速度剖面上從地面一直到高空近9km維持著一條輻合線，輻合線向后傾斜，說明上升氣流沿冷空氣傾斜上升至高層。輻合線前面的正速度區最大值位于4~7km處，最強達到24m/s，其對應著強度剖面上的懸垂部分，說明強烈的中層徑向輻合。閩侯站的極大風從18:49的14.2m/s到18:59增大為18.7m/s ，19:03達到最大的24.0m/s。而后這股下擊暴流的下沉氣流與風暴分離，向東移動影響福州，福州站的極大風從19:08的10.8m/s迅速于19:17增大為29.2m/s。

19時08分，于閩侯西南處出現第二次的下擊暴流，由于此次下擊暴流是由單單體風暴產生，風暴識別追蹤算法正確地進行了識別，利用風暴趨勢圖可以更直觀地表征風暴的一些特征。圖2為產生第二次下擊暴流的風暴趨勢圖。它代表了從18:20~19:14之間物理量隨時間的變化，豎線代表回波頂和底，黃點代表回波強中心，紅點代表回波質心。由圖2可以看到，從18:44起，風暴的強中心高度不斷升高，到19:02達到7.5km左右，而后19:08強中心迅速下沉到2km，反射率強中心的迅速大幅下沉造成了第二次的下擊暴流。同時在速度場上也可以看到明顯的輻散風場和強烈的中層徑向輻合。由于第二次下擊暴流產生的地區無自動站，且也與風暴分離，12分鐘后和第一次下擊暴流的出流合并，向東移動共同影響福州、長樂地區。

圖2

4 小結

（1）這兩次下擊暴流屬于宏下擊暴流，位于副高南部邊緣的東風氣流控制下，風暴產生前環境風切變弱，但地面溫度高，不穩定能量大，高層的降溫加大了大氣的不穩定性。此次過程中WINDEX指數對下擊暴流潛勢的預報很好，可以用其來預報下擊暴流的潛勢。

（2）兩次下擊暴流都可以看到反射率強中心下降到低層的現象，但是產生第一次下擊暴流的風暴是由多個風暴合并后產生的，風暴識別算法因各風暴間距離近，對這種多單體風暴未能進行很好的識別，并且各單體處于不同的風暴發展階段，導致風暴的反射率強中心位置不一，因此不能用風暴趨勢圖來表征，對它的預報要追蹤風暴的變化才行。而第二次下擊暴流是單單體風暴產生的，風暴識別算法可以對其進行識別，利用風暴趨勢圖可以很好地表征風暴強中心的變化。

（3）從兩次下擊暴流的速度場上都可以看到低層強烈輻散和強烈的中層徑向輻合的特征。

（4）下擊暴流的預警十分困難，由于如颮線中的單體也會出現反射率因子核心下降和中層徑向輻合的特征，故已有的對下擊暴流自動識別的方法都是主要針對反射率強中心下降和低層風暴輻散這兩個特征來設計[12,13,14]。但是當雷達觀測到近地面的輻散時，幾乎已無法提前發出警報。而對于宏下擊暴流，比如此次，下擊暴流產生后強烈出流與風暴分離，且持續近1小時，福州、長樂的很多地方都受其影響。如果單從強度場分析風暴，會認為風暴的影響將是閩侯南部和福清，但若從速度場分析，則可以提前，正確地預報出大風將影響福州和長樂地區。

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