渤海灣海風鋒與陣風鋒碰撞形成雷暴天氣的診斷特征

劉彬賢,王彥,劉一瑋

(1.天津市氣象臺,天津 300074;2.天津市人工影響天氣辦公室,天津 300074;3.中國氣象科學研究院 災害天氣國家重點實驗室,北京 100081)

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渤海灣海風鋒與陣風鋒碰撞形成雷暴天氣的診斷特征

劉彬賢1,王彥2,3,劉一瑋1

(1.天津市氣象臺,天津 300074;2.天津市人工影響天氣辦公室,天津 300074;3.中國氣象科學研究院 災害天氣國家重點實驗室,北京 100081)

對2007年8月13日天津多普勒天氣雷達(CIN RAD WSR/98D)探測的雷暴天氣個例進行分析,結果表明:此次雷暴天氣是由渤海灣海風鋒與陣風鋒碰撞形成的;碰撞后,在海風鋒前端、陣風鋒前部有新的雷暴單體形成;陣風鋒后部的對流回波主體加強,對流回波主體由橢圓狀加強為典型的弓狀。應用天津36個自動氣象站的地面六要素資料和北京850 hPa以上探空資料,組成新的診斷資料,對該個例進行診斷分析,結果表明:雷達探測的海風鋒前端具有較強的低層垂直風切變梯度和露點溫度梯度大值區,海風鋒前沿與0～3 km垂直風切變梯度密集區相對應,且與露點溫度梯度變化較快的區域基本吻合;海風鋒與陣風鋒相互碰撞時,0～3 km垂直風切變在2 h內變化較快,且有明顯的增加趨勢,CAPE(convective available potential energy,對流有效位能)值在雷暴形成前有較明顯增加;隨著雷暴天氣結束,上述特征隨之消失。

海風鋒;陣風鋒;雷暴天氣的形;成診斷特征

0 引言

應用多普勒天氣雷達資料研究邊界層輻合線觸發形成雷暴天氣的機制,已取得一系列的進展。Wilson and Schreiber(1986)、Wilson and Megenhardt(1997)提出雷暴天氣的形成與邊界層輻合線密切相關,研究表明邊界層輻合線的監測和特征識別是雷暴形成、發展和消亡的關鍵所在,如果大氣垂直層結有利于對流的發展,在兩條邊界層輻合線的碰撞相交處,一般會觸發形成雷暴,如果邊界層輻合線相交處本來就有雷暴,則該雷暴會迅速發展。國內關于雷暴天氣形成的新型觀測資料特征及其觸發強對流天氣的邊界層結構特征開展了許多相關的研究。王楠和劉黎平(2007)給出了應用多普勒天氣雷達資料識別邊界層輻合線的方法。高留喜等(2011)、李慶寶等(2010)應用多種觀測資料,分析了邊界層結構特征觸發強對流的演變機制。俞小鼎(2005)應用多普勒天氣雷達資料對雷暴天氣形成的環境條件和結構特征做了大量的研究工作。盧煥珍等(2007)、吳息等(2014)、尹東屏等(2010)應用新型探測資料分析海陸風輻合線特征及其觸發典型強對流天氣的規律。王彥等(2006a,2006b)研究渤海灣典型海風鋒觸發形成強對流天氣的作用,提出雷暴大風的強弱與海風鋒與其他邊界層碰撞有關,碰撞的交叉處一般使雷暴加強,也應用多普勒天氣雷達和氣象鐵塔資料分析了雷暴大風的中尺度結構特征,并分類分析了雷暴大風天氣的多普勒雷達特征。王彥等(2011a,2011b)應用多普勒天氣雷達并結合氣象鐵塔資料進一步分析渤海灣海風鋒的天氣氣候特征以及它與雷暴形成并加強的演變關系,同時也分析了邊界層輻合線對強對流天氣觸發和形成的作用。黃利萍等(2012,2013)、苗峻峰(2014)、董良鵬等(2014)應用常規資料分析了城市熱島效應的時空分布特征,以及天津地區夏季海陸風對城市熱島日變化特征的影響,針對城市熱島環流和海風環流的耦合效應,提出需要深入解決這種耦合效應觸發強對流天氣的演變機制。

但是,目前國內很少有學者分析海風鋒與陣風鋒碰撞形成雷暴天氣的診斷特征。隨著渤海灣海風鋒觸發形成雷暴天氣個例的增多,針對渤海灣海風鋒與陣風鋒碰撞形成的雷暴天氣,應用天津地面自動氣象站資料結合850 hPa以上的北京探空資料,組合成新的探空資料,對這類雷暴天氣的形成做診斷分析。

1 資料

本文資料選自2007年8月13日天津多普勒天氣雷達(CIN RAD WSR/98D)探測到的渤海灣海風鋒與陣風鋒碰撞形成雷暴的天氣個例,以及相關典型的海風鋒與陣風鋒碰撞形成雷暴的天氣個例。這些資料主要是來自天津多普勒天氣雷達。

同時選取同期天津36個6要素的自動氣象站逐時觀測資料,采用氣溫、風向和風速、氣壓和降水等要素的變化特征,并結合北京850 hPa以上探空資料組合稱為新的診斷資料。另外還使用Micaps3系統中的500 hPa、700 hPa、850 hPa和地面常規探測資料。

2 個例分析

2007年8月13日11—18時(北京時間,下同)天津地區自東北向西南陸續出現雷暴天氣。這次雷暴天氣是海風鋒和陣風鋒之間相互碰撞,在碰撞周圍約20 km處,形成了雷暴天氣。

2.1 天氣背景形勢分析

2007年8月10日08時500 hPa上有一東北冷渦,其中心位于126.61°E、48.58°N,天津處于東北冷渦底部的平直西風氣流里,此時西風風速8 m/s,氣溫為-10 ℃,但是溫度平流明顯落后于高度平流,11日形成了深厚的高空槽,受其影響,天津出現了一次明顯的強降水。環流背景形勢仍舊在調整過程中,8月12日08時500 hPa東北冷渦主要影響系統已減弱移出影響天津地區的關鍵區域,天津還繼續維持著10 m/s的風速,氣溫基本維持-11 ℃,但是850 hPa氣溫回暖速度非常快,由11日的4 ℃增至12日的14 ℃;配合地面形勢天津處于弱氣壓場形勢中,同時伴有輕霧出現。但是,500 hPa與850 hPa的氣溫差由11日08時的-25 ℃增加到了12日的-39 ℃。

事實上,由于時間分辨率和空間分辨率的限制,應用這種常規資料很難準確地預報這種局地形成的雷暴天氣。但是,應用新型的探測資料彌補了常規資料的不足,能夠清晰的捕獲這種中小尺度雷暴天氣的發生發展。

圖1 2007年8月13日0.5°仰角雷達基本反射率因子(每圈50 km) a.15:00;b.16:00;c.17:30

2.2 海風鋒和陣風鋒碰撞形成雷暴天氣的多普勒天氣雷達和自動氣象站資料演變特征

多普勒天氣雷達產品演變特征(圖1)。12時海風鋒已形成并向西北方向推進;至15時,海風鋒已移到圖1a紅色箭頭所示位置,此時海風鋒的強度約為25 dBz,寬度不足10 km,高度不足2 km。它繼續向西北方向推進。同時,自東北方向有對流回波形成的陣風鋒(圖1b,黑色箭頭所示),陣風鋒的強度約為25 dBz,寬度也不足8 km,正向西南方向移動。16時,向西北方向移動的海風鋒和向西南移動的陣風鋒相互碰撞,碰撞后(圖1b中紅色方框內所示),在海風鋒前端,陣風鋒的前方有新的雷暴單體形成;同時陣風鋒后部對流回波加強。這個新的回波單體6 min內強度由30 dBz迅速增至50 dBz,回波最強達到了55 dBz,回波高度約為8 km,回波面積也快速增大。對于陣風鋒后部的對流回波單體,回波形態發生了顯著變化,由橢圓形變為顯著的弓型回波,最強回波達到了55 dBz,同時高度在8 km的面積范圍顯著增大。它在繼續向西南方向移動,回波單體逐漸合并減弱后維持2 h后消散了。

自動氣象站資料的演變特征(圖略)。12時海風鋒已經形成,并逐漸向西北方向推進,至14時,海風鋒向西北方向推至東麗,此時,東麗顯示氣溫為30 ℃,風向轉為東南風4 m/s,濕度明顯增加。15時,海風鋒已到達天津市區,并繼續向西北方向推進。16時,海風鋒在向西北方向移動的過程中,自東北方向也有對流云團活動,其中對流云團前部形成了陣風鋒,陣風鋒先后自東北向西南依次經過寶坻、武清等,當陣風鋒通過寶坻時,氣象要素變化最為劇烈,氣溫降低的幅度最大,為8 ℃。以后陣風鋒逐漸遠離主體回波,陣風鋒也在減弱,降溫幅度也依次在減小。陣風鋒繼續向前移動,與海風鋒在寶坻武清相遇后,在相互碰撞的地方形成了雷暴天氣。自動氣象站資料和多普勒天氣雷達探測的信息相互吻合。

2.3 海風鋒和陣風鋒碰撞形成雷暴天氣的診斷特征

利用天津36個自動氣象站逐時觀測資料,使用氣溫、風向和風速、氣壓和降水等要素的變化特征,結合北京850 hPa以上探空資料組合成新的診斷資料,對2007年8月13日渤海灣海風鋒的形成演變特征做診斷分析(圖2)。

這次過程根據海風鋒特征分為三階段:形成階段、發展成熟階段和消散階段。

圖2 2007年8月13日11時(a)、16時(b)、17時(c)渤海灣海風鋒的0～3 km垂直風切變(單位:m/s)

形成階段,海風鋒形成之前,天津無明顯的垂直風切變特征。11時(圖2a),近渤海沿海形成了弱垂直風切變梯度,垂直風切變總體呈現為東部高西邊低的形勢,垂直風切變梯度在向西緩慢移動過程中逐漸加強。垂直風切變密集區與海風鋒前沿的移動路徑基本重合,11時垂直風切變值由前期的2.0 m/s增大到2.5 m/s。同時溫度梯度也已形成。不穩定能量正在積累,CAPE(convective available potential energy,對流有效位能)值也有明顯變化,從08時1 510 J/kg到11時增加到了2 015 J/kg。

發展成熟階段,診斷分析表明垂直風切變梯度繼續向西推進,14時,垂直風切變繼續維持東部高,西部低的形勢,并加強到3 m/s。16時,垂直風切變密集區向西推進(圖2b,粗實線位置),強度維持在3 m/s。垂直風切變密集區始終與雷達探測的海風鋒前沿位置基本重合。此時,自北方路徑有對流云團前端形成的陣風鋒在活動(圖2b,粗點線),16時前后海風鋒與陣風鋒在寶坻(圖2b△位置)相互碰撞,寶坻附近有新的雷暴形成。從寶坻觀測站垂直風切變逐時演變(圖3)來看,自08時開始其值在2 m/s波動,到15時開始增大到2.5 m/s,16時為2.8 m/s,此時雷暴天氣形成,垂著風切變繼續增加到3.0 m/s。隨后,雷暴天氣也隨之減弱,垂直風切變也在減弱。從CAPE值演變情況來看,從08時其值約為1 500 J/kg,在隨后5 h內逐步增大,到15時增大到了約2 000 J/kg,1 h以后其值快速增加,增加到了2 500 J/kg,雷暴天氣形成后迅速減小。

消散階段,隨著海風鋒逐漸向西移動,海風鋒垂直風切變梯度逐漸減弱,與之對應雷暴天氣也在減弱。

上述分析表明,海風鋒前沿與0～3 km垂直風切變梯度密集區相互對應,同時也與露點溫度梯度變化較快的區域大體吻合。海風鋒與陣風鋒相互碰撞時,0～3 km垂直風切變在2 h內變化較快,并且有明顯增加趨勢,CAPE值在雷暴形成前也有較明顯的增加。隨著雷暴天氣的結束,上述特征也隨之消失。

應用同樣方法隨機對天津多普勒天氣雷達監測到的8次海風鋒天氣進行診斷分析,其中有6次海風鋒前沿與0～3 km垂直風切變梯度密集區基本對應,但是,垂直風切變強度隨著海風鋒的強度變化而變化。同時也與露點溫度梯度密集區大致吻合。這表明渤海灣海風鋒前沿具有垂直風切變變化較快的特點,同時也是露點溫度變化較快的區域。

圖3 寶坻站0～3 km垂直風切變(單位:m·s-1)和CAPE值(單位:J·kg-1)的逐時變化(△表示海風鋒與陣風鋒碰撞、有新雷暴形成)

3 結論

1)這次雷暴天氣是由渤海灣海風鋒與陣風鋒碰撞形成雷暴天氣的,碰撞后,在海風鋒前端,陣風鋒的前部有新的雷暴單體形成;陣風鋒后部對流回波加強。對流回波主體由橢圓狀加強為典型的弓狀回波。

2)診斷分析表明,海風鋒前沿與0～3 km垂直風切變梯度密集區相互對應,同時也與露點溫度梯度密集區大致吻合。海風鋒與陣風鋒相互碰撞時,0～3 km垂直風切變在2 h內變化較快,并且有明顯增加趨勢,CAPE值在雷暴形成前也有較明顯的增加。隨著雷暴天氣的結束,上述特征也隨之消失。

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(責任編輯：劉菲)

Diagnostic features of thunderstorm events triggered by collision between sea breeze front and gust front over Bohai Bay

LIU Bing-xian1,WANG Yan2,3,LIU Yi-wei1

(1.Tianjin Municipal Meteorological Observatory,Tianjin 300074,China;2.Tianjin Modification Weather Office,Tianjin 300074,China;3.State Key Laboratory of Severe Weather,Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 10081,China)

This paper studies a thunderstorm event detected by Doppler Weather Radar(CIN RAD WSR/98D) in Tianjin on 13 August 2007,showing that the thunderstorm event is triggered by collision between sea breeze front and gust front over Bohai Bay.After the collided,new thunderstorm cells formed in the front of sea breeze front and gust front.The convection echo body intensifies in the back of gust front,and changes from theellipse echo to the typical bow echo.This paper applies the ground data of six factors at 36 automatic weather stations in Tianjin and the sounding data above 850 hPa in Beijing,forming new diagnostic data.Diagnostic analysis shows that there are strong low-level vertical wind shear and dew point temperature gradients in the front of sea breeze front detected by the Radar.The front edge of sea breeze front corresponds with the dense area of 0—3 km vertical wind shear gradient,and basically tallies with the rapid change zone of dew point temperature gradient.When the sea breeze front and the gust front collide,the 0—3 km vertical wind shear changes rapidly within 2 h with an obvious increasing trend,and CAPE(convective available potential energy) has significantly increased before the formation of thunderstorm.With the end of thunderstorm,above features will disappear.

sea breeze front;gust front;formation of thunderstorm;diagnostic feature

2012-10-10；改回日期：2013-02-23

國家自然科學基金資助項目(40975026);中國氣象局關鍵技術集成與應用(CMAGJ2013M03);中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室資助項目(2009LASW-B04);公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201206031)

劉彬賢,高級工程師,研究方向為多普勒天氣雷達在短時預報中的應用,binxianl@sina.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121010005.

1674-7097(2015)01-0132-05

P441

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121010005

劉彬賢,王彥,劉一瑋.2015.渤海灣海風鋒與陣風鋒碰撞形成雷暴天氣的診斷特征[J].大氣科學學報,38(1):132-136.

Liu Bing-xian,Wang Yan,Liu Yi-wei.2015.Diagnostic features of thunderstorm events triggered by collision between sea breeze front and gust front over Bohai Bay[J].Trans Atmos Sci,38(1):132-136.(in Chinese)