梁維亮,黃 榮
(廣西壯族自治區(qū)氣象臺,廣西 南寧 530022)
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“威馬遜”臺前颮線天氣背景成因和雷達預警方法
梁維亮,黃榮
(廣西壯族自治區(qū)氣象臺,廣西 南寧 530022)
用常規(guī)氣象觀測資料和多普勒天氣雷達觀測資料對“威馬遜”臺前颮線的天氣背景和雷達回波特征做了分析。結(jié)果表明:華南區(qū)域大氣層結(jié)不穩(wěn)定,廣西東南部有中層干區(qū)和較強垂直風切變是該區(qū)域臺前颮線發(fā)生和雷暴大風多發(fā)的主要天氣背景成因。“威馬遜”臺前颮線由三段短弓形回波組成,東部弓形回波具有較典型的雷暴大風回波特征。以空間適用性和時間提前量作為衡量標準進行對比,發(fā)現(xiàn)反射率核心下降的實用性和預警效果最好,其次為中層徑向輻合和地面輻散。
臺風;臺前颮線;天氣背景成因;多普勒雷達;雷暴大風;回波特征
臺前颮線是在臺風環(huán)流背景下產(chǎn)生的中尺度強對流系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計,臺前颮線通常發(fā)生在臺風移動路徑的右前方,距離臺風中心約600 km,為弧線形排列的雷暴群,40%的登陸臺風會產(chǎn)生臺前颮線[1-2]。臺前颮線可造成短時暴雨、雷暴大風、龍卷等災害性天氣[2-5]。雷暴大風和龍卷的瞬間破壞力強,對農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通等構(gòu)成重大危險,可導致建筑物的損傷和破壞,造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失[6-7]。
廣西位于華南沿海,熱力條件充沛,常年受中緯度天氣系統(tǒng)和熱帶天氣系統(tǒng)交替影響,是臺風、暴雨、強對流頻發(fā)的區(qū)域[8-9],也是臺前颮線頻發(fā)的區(qū)域[1]。2014年7月19日超強臺風“威馬遜”正面襲擊華南沿海地區(qū),在廣西造成10人死亡,直接經(jīng)濟損失138.4億元[10]。在“威馬遜”影響之前,7月17日華南沿海地區(qū)在臺風外圍環(huán)流背景下出現(xiàn)了臺前颮線,災害性天氣以雷暴大風為主,同時伴有短時暴雨。
臺前颮線的實質(zhì)是一種強對流系統(tǒng),所導致的暴雨、大風與臺風本體的暴雨、大風在產(chǎn)生機制上有本質(zhì)的區(qū)別,監(jiān)測預警方法和預報著眼點也不同。本文立足于常規(guī)氣象觀測和多普勒雷達觀測,從環(huán)流形勢和物理量配置入手分析“威馬遜”臺前颮線的天氣背景條件,深入剖析對比幾種雷暴大風多普勒雷達回波特征在本次臺前颮線天氣過程中的應用效果。
“威馬遜”7月12日在菲律賓以東的熱帶海面上生成,西移穿過菲律賓群島時由強臺風減弱為臺風,進入南海以后再度加強為超強臺風。“威馬遜”臺前颮線7月17日15:00首先在臺風移動方向右前方的華南沿海地區(qū)出現(xiàn),距離臺風中心650~800 km,約22:00減弱消失,持續(xù)時間約7 h。與典型臺前颮線的長弧形態(tài)或多短弧首尾相接的鏈狀形態(tài)不同,“威馬遜”臺前颮線分為三段緯向排列、東北-西南走向的短弓形回波,生成時間、生成位置、移動方向均不相同,且在發(fā)展過程中相互作用不明顯,最終未能發(fā)展成典型臺前颮線。為方便敘述,本文將三段颮線自西向東依次稱為弓形回波I、II和III(圖1)。回波移動方向與其長軸接近垂直,并與臺風移動方向相同。這是臺前颮線與臺風外圍螺旋云帶移動特點的顯著區(qū)別。

圖1 2014年7月17日17:00華南地區(qū)雷達組合反射率拼圖
“威馬遜”臺前颮線造成了雷暴大風和短時暴雨天氣(圖2)。雷暴大風的影響范圍更大,廣西共有25個縣出現(xiàn)6級(10.8 m·s-1)以上的大風,其中有6個縣出現(xiàn)8級(17.2 m·s-1)以上的大風,最大風速達23.1 m·s-1。15:00-22:00最大累積降水55.5 mm,最大逐小時降水53.5 mm,大雨以上(≥25 mm)站點較少且分散。最大累積降水和最大小時降水出現(xiàn)在同一個測站,較好地代表了本次臺前颮線降水的特點,即降水持續(xù)時間短,雨強較大,累積雨量較小,總體上降水不顯著。

圖2 2014年7月17日15:00-22:00降水和雷暴大風
2.1環(huán)流形勢分析
臺前颮線發(fā)生時,臺風中心位于南海北部海面,中心位于115.0°E,16.9°N,中心氣壓960 hPa,中心附近最大風速40 m·s-1,7級風圈半徑約300 km,10級風圈半徑約150 km,風速分布不對稱,南側(cè)風速較大(圖1)。臺風云系在衛(wèi)星云圖上也顯示出不對稱結(jié)構(gòu),臺風眼區(qū)附近和臺風南側(cè)、東側(cè)云系較密實,西北側(cè)為較稀疏的螺旋云帶。
7月17日08:00的高空環(huán)流形勢為:200 hPa急流軸位于長江中下游地區(qū),在華南地區(qū)形成較好的高層輻散條件,且高空急流可帶走高層的凝結(jié)潛熱,有利于維持上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)[4]。副熱帶高壓控制華南東部,500 hPa副熱帶高壓脊線位于25°N,西極點位于112°E附近。廣西處于副熱帶高壓西側(cè)邊緣,500 hPa以下均為東南風,其中850 hPa有12 m·s-1的東南低空急流,急流軸位于廣西東部。急流導致的較強垂直風切變是有利于臺前颮線發(fā)展的[1],是廣西東南部雷暴大風較中西部更強的原因之一。700 hPa廣西東南部有東北-西南走向的露點鋒,臺風外圍干空氣隨東南氣流向廣西東南部輸送,使中層空氣變干,有利于空氣蒸發(fā)冷卻形成較強下沉氣流,也是該區(qū)域雷暴大風較強的原因。14:00,廣東和廣西交界處沿海地區(qū)有地面輻合線,是觸發(fā)臺前颮線的有利條件。
2.2物理量分析
南寧、北海、梧州、陽江、清遠等5站的探空物理量如表1所示。南寧、陽江的K≥36 ℃,滿足成片雷暴出現(xiàn)的閾值條件(K>35 ℃)。根據(jù)廣西地區(qū)雷暴天氣和對流參數(shù)的相關(guān)統(tǒng)計,K≥36 ℃時出現(xiàn)雷暴天氣的概率高于50%[11]。梧州、陽江、清遠的沙氏指數(shù)SI<0 ℃。所有站的抬升指數(shù)LI<0 ℃,其中陽江和清遠的LI分別達到-3.13和-5.39,不穩(wěn)定度較大。同時也可見其中一些站的對流參數(shù)不滿足出現(xiàn)大范圍雷暴的要求。這與臺風環(huán)流背景下的特殊溫濕分布有關(guān)。梧州、清遠K指數(shù)較小是由于中層空氣變干,700 hPa的溫度露點差較大所致;北海K指數(shù)較小與850 hPa的露點較低有關(guān);南寧SI較大的原因是500 hPa溫度較高;北海500 hPa溫度同樣較高,且850 hPa空氣較干,空氣塊沿干絕熱曲線上升,溫度垂直遞減率大,上升到500 hPa時溫度較低,導致SI較大。

表1 2014年7月17日08:00華南地區(qū)探空物理量
溫度垂直遞減率能直觀地反映高低層的溫度對比,能直觀地反映層結(jié)穩(wěn)定度。取850 hPa和700 hPa的溫度,分別計算兩者與500 hPa之間的平均溫度垂直遞減率(γ)。上述5個站850~500 hPa溫度差和700~500 hPa溫度差最小值分別為22 ℃和13 ℃,γ約為0.5 ℃/100 m和0.47 ℃/100 m,與濕絕熱垂直遞減率(0.45 ℃/100 m)大致相當,為弱的條件性不穩(wěn)定。東部站點的溫度差比西部站點大。清遠850~500 hPa之間γ達到0.57 ℃/100 m,700~500 hPa之間γ達到0.65℃/100 m,為條件性不穩(wěn)定,其中700~500 hPa之間不穩(wěn)定度最大。
下沉對流有效位能(Downdraft Convective Available Potential Energy,DCAPE)表示空氣塊因降水蒸發(fā)冷卻,在負浮力作用下做下沉運動所能達到的最大動能。DCAPE越大,表示可能出現(xiàn)的下沉運動越強,地面輻散大風風速也越大。華南沿海地區(qū)均有一定的DCAPE,廣西東南部以及廣東沿海的DCAPE相對較大,達到800~1 100 J·kg-1,據(jù)此估算下沉氣流最大速度可能達到20 m·s-1左右。
垂直風切變是雷暴發(fā)展過程中一個重要的動力條件。在較強的垂直風切變條件下雷暴更容易加強。統(tǒng)計表明雷暴大風一般出現(xiàn)在較強的垂直風切變條件下。梧州、陽江、清遠0~1.5 km風速差為7~10 m·s-1,對應的垂直風切變值為2.3~3.3×10-3s-1,為中等偏強風切變;0~3 km風速差為5~8 m·s-1,對應的垂值風切變值為1.7~2.7×10-3s-1,為中等風切變。相比之下南寧和北海的垂直風切變則較小。
綜合熱力因子和動力因子,廣西全區(qū)均存在一定的層結(jié)不穩(wěn)定條件,東南部的不穩(wěn)定度和垂直風切變都比中西部強,因此臺前颮線在東南部發(fā)展旺盛,進入中西部即減弱消失。雷暴大風在東南部達到8級,而在中西部只達到6級。
3.1弓形回波I
初期為若干沿東北-西南走向排列整齊、相互獨立的雷暴單體。雷暴單體向西北方向移動過程中強度逐漸增強,連接為線狀回波,中間部分略向前突出。17:47(圖3a)移動至南寧雷達東南方向約70 km處時強度達到最強,整體表現(xiàn)為長度約130 km、寬度約30 km的密實帶狀回波,組合反射率(Composite Reflectivity, CR)最大為59 dBZ。
低仰角的基本反射率(Reflectivity, REF)可見緊貼著弓形回波前邊緣位置有一條線狀弱回波與其同步向前移動,為弓形回波前部的陣風鋒。17:59以后陣風鋒與弓形回波的距離逐漸增大,反映地面輻散氣流使陣風鋒加速向前,也表明弓形回波進入消亡階段。從徑向垂直剖面中可見反射率核心高度17:47位于5~6 km,17:59迅速下降到1 km。

圖3 2014年7月17日南寧雷達回波特征
反射率核心下降后約30 min,陣風鋒完全脫離弓形回波,形成狹長的線狀弱回波,同時弓形回波快速減弱。19:11的REF(圖3b)顯示陣風鋒距離弓形回波約20 km,徑向速度圖中有10 m·s-1的大風區(qū)與之對應,大風區(qū)高度約800 m。南寧附近的6級大風出現(xiàn)時間與陣風鋒過境時間相符。
反射率核心下降是雷暴大風出現(xiàn)前的典型特征,但由于弓形回波I本身強度偏弱,造成大風未達8級,且維持時間較短。天氣背景原因以外,陣風鋒遠離颮線,缺少低層輻合條件也是導致弓形回波不能維持和加強的一個原因。
3.2弓形回波II
15:30在廣東西南部生成,17:00西移進入廣西。西端的雷暴單體強度和速度都增加較快,若干雷暴單體在貴港南部結(jié)合形成塊狀回波,回波從經(jīng)向排列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫曄蚺帕校⑥D(zhuǎn)向西北方向移動(圖4a)。20:30達到最強,REF大于60 dBZ。21:00之后逐漸減弱消失。在發(fā)展過程中弓形回波內(nèi)單體結(jié)構(gòu)為塊狀,弓形回波前后邊界不整齊,未發(fā)現(xiàn)陣風鋒。
19:12在貴港石江村(圖4a中圓圈所示)出現(xiàn)18.2 m·s-1的大風。同時刻REF(圖4a)顯示該站正受回波過境影響。柳州雷達距離該站150 km,未觀測到低層回波特征,但可以綜合不同仰角的回波分布特征仍可得到一些信息。0.5°仰角的徑向速度(Radial Velocity, RV, 圖4b)顯示該站位于正負速度的輻合線上,該處回波高度約3 km。考察1.5~3.4°仰角的RV發(fā)現(xiàn)仰角越高輻合線位置越偏南,根據(jù)雷暴的傾斜特征可推測低層輻合線應在該站的北側(cè)。同時弓形回波后部偏南風RV達20 m·s-1,經(jīng)過該站點的徑向垂直剖面中發(fā)現(xiàn)15 m·s-1的大風區(qū)從6 km高度向下延伸至3 km(3 km以下缺測),反映了輻合線南側(cè)的高空偏南大風下傳。因此該站雷暴大風可能是由弓形回波后部中低層的強烈入流造成。

圖4 2014年7月17日柳州雷達回波特征
3.3弓形回波III
15:00廣東西南沿海地區(qū)出現(xiàn)雷暴單體,約17:00在肇慶西部加強為弓形回波(圖5a虛線所示),長度約100 km,寬度約20 km,向西北偏西方向移動。弓形回波后側(cè)東南氣流強盛,3.5~7.5 km高度有深厚的大風區(qū),RV大于20 m·s-1(圖5b),且有逐漸降低的趨勢。17:53-19:08,陸川東城水庫、梧州萬秀區(qū)、蒼梧地面站、北流高垌水庫、藤縣龍勝村(表2,站點位置如圖5a中圓圈所示)相繼出現(xiàn)8級以上的雷暴大風。

圖5 2014年7月17日梧州雷達回波特征

圖6 2014年7月17日17:34-18:03梧州雷達基本反射率徑向垂直剖面
造成梧州雷暴大風的是圖5a所示弓形回波前方的孤立強雷暴單體。17:30-19:00孤立單體的強度加強并連接成新的弓形回波,原弓形回波則逐漸減弱消失。圖5c虛線所示梧州西部的密實線狀回波即新弓形回波。原回波消失和新回波形成可以看作弓形回波中雷暴單體的替換過程,而宏觀上則表現(xiàn)為弓形回波的一次跳躍式前進。跳躍式前進使弓形回波III整體移動速度加快,17:00-20:00間的3 h內(nèi)向西北移動了約180 km,平均速度60 km·h-1,移動速度比弓形回波I和弓形回波II(約40~45 km·h-1)更快,增加了雷暴大風出現(xiàn)的可能性,這與梧州地區(qū)出現(xiàn)更多大風的觀測事實相符。
梧州雷達較為完整清晰地觀測到梧州雷暴大風的形成過程。約17:30一個強雷暴單體從東南向梧州靠近,強度逐漸加強,CR大于65 dBZ。沿105°方向的(圖5c中虛線)徑向垂直剖面演變(圖6)可見,17:36距離雷達25 km處雷暴單體內(nèi)出現(xiàn)穹窿狀的有界弱回波區(qū),為強上升氣流區(qū)。17:40,6 km高度出現(xiàn)大于60 dBZ的強回波懸垂,弱回波區(qū)面積縮小,表明中高層的降水粒子開始降落到弱回波區(qū)內(nèi)。17:46強回波快速下降到3 km高度,強度維持大于60 dBZ。17:57強回波觸地,觸地點距離雷達約12 km。15 min后雷達北側(cè)2 km出現(xiàn)8級大風。
REF徑向垂直剖面演變反映了降水粒子被強上升氣流抬升到高空、在上升過程中增長,然后迅速下降觸地的過程。弓形回波前后入流形成的中層徑向輻合(圖7圓圈所示)、降水粒子下落時拖曳和冷卻作用形成的強下沉氣流在觸地后向四周輻散的特征也較清楚。地面強烈輻散疊加較強的環(huán)境東南風,18:03地面附近的徑向速度增大至20 m·s-1,9 min后出現(xiàn)8級大風。
雷暴單體發(fā)展演變的過程中可見清晰的弱回波區(qū)、強回波懸垂、反射率核心下降、中層徑向輻合、地面輻散等,為較典型的雷暴大風回波特征。

圖7 2014年7月17日17:52和17:57梧州雷達徑向速度徑向垂直剖面
與弓形回波相聯(lián)系的雷暴大風可以由弓形回波中低層后側(cè)強入流造成,也可以由下?lián)舯┝鲗е碌牡孛孑椛⒋箫L造成,但有研究表明弓形回波出現(xiàn)時,下?lián)舯┝鲗嶋H上已經(jīng)發(fā)生,且對弓形回波的初始發(fā)展至關(guān)重要。因此理論上雷暴大風出現(xiàn)前都可以發(fā)現(xiàn)下?lián)舯┝鞯幕夭ㄌ卣鳌1O(jiān)測雷暴大風常用的多普勒雷達回波特征有:反射率核心下降(Descending of Reflectivity Core, DRC)、中層徑向輻合(Mid-Altitude Radial Convergence, MARC)、地面輻散(Surface Divergence, SD)等[12]。
綜合基本反射率、徑向速度、風暴追蹤信息等雷達產(chǎn)品,考察6個出現(xiàn)8級以上雷暴大風站點的雷達回波特征,按照特征的明顯程度分為明顯、較明顯、可識別、不可識別四個等級,分別用A、B、C、D表示,記錄回波特征首次出現(xiàn)的時間和相對于8級大風的時間提前量(表2)。
在所有出現(xiàn)大風的站點都能發(fā)現(xiàn)較明顯的DRC,明顯程度與站點和雷達之間的距離(R)有關(guān),與雷暴移動方向和雷達徑向的夾角(θ)關(guān)系不大。R較小時DRC更明顯,一個可能的原因是雷達的掃描高度間隔隨R增大而增大,R較小時雷達資料的垂直分辨率較高,DRC更容易被發(fā)現(xiàn)。

表2 雷暴大風站點雷達回波特征統(tǒng)計
注:*(明顯程度 / 時間提前量)/min
MARC與θ關(guān)系較密切。在θ較小的站點2和6,MARC的輻合速度為15~20 m·s-1,在θ較大的站點輻合速度均小于10 m·s-1。MARC主要由雷暴前側(cè)斜升氣流與中低層后側(cè)入流的輻合造成。θ較小時前后入流在徑向上的分量較大,故MARC更明顯。
SD只在R較小時才被識別。R<10 km的站點2和3有明顯的SD,R=55 km處的站點5SD特征已較難識別,距離雷達更遠的站點則無法觀測到地面附近的回波特征。這是因為雷達0.5°仰角在R=50 km距離圈上掃描高度超過700 m,在這個距離以外地面的回波特征嚴重缺失。
從回波特征出現(xiàn)時間看,DRC和MARC是幾乎同時的,因此具有相近的時間提前量。SD則要滯后1~2個雷達體掃時間(6~12 min),時間提前量也較小。時間提前量與R也有一定的關(guān)聯(lián),R較小的站點時間提前時間較長,可見較高的資料垂直分辨率對發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測回波特征是重要的。
綜上,DRC有較大的時間提前量,受R和θ的影響較小,在空間上有較廣泛的適用性;MARC有較大的時間提前量,但在θ較大時效果不佳;SD的時間提前量相對較小,且僅在距離雷達約50 km的范圍內(nèi)適用。綜合空間適用性和時間提前量兩個因素,DRC的實用性和預警效果最好,其次為MARC,SD最差。
“威馬遜”臺前颮線是在臺風外圍環(huán)流背景下產(chǎn)生,由三段不連續(xù)的短弓形回波組成的非典型臺前颮線。主要災害性天氣為雷暴大風,伴有局地短時強降水。
背景環(huán)流和物理量分析表明華南沿海地區(qū)具備較好的不穩(wěn)定度條件。廣西東南部中層濕度較小、垂直風切變較大導致該區(qū)域雷暴大風的范圍和強度都比中西部大。
雷達回波分析表明:弓形回波I結(jié)構(gòu)完整但強度較弱,造成6級大風;弓形回波II結(jié)構(gòu)不完整,其內(nèi)部個別強單體造成局地8級大風;弓形回波III結(jié)構(gòu)完整且強度較強,具備多種典型雷暴大風回波特征,導致大范圍8級大風。
三種雷暴大風回波特征的對比發(fā)現(xiàn):DRC的實用性和預警效果最好,其次為MARC,SD最差。
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The Synoptic Causes and Radar Warning Methods of “Rammasun” pre-TC Squall Line
LIANG Weiliang and HUANG Rong
(GuangxiMeteorologicalObservatory,Nanning530022,China)
ThesynopticcausesandradarfeatureswereanalyzedbyusingconventionalmeteorologicalobservationsandDopplerradardata.TheresultsshowedthatthestratificationwasunstableinsouthChina.Mid-leveldryairandstrongverticalwindshearwerethemaincausesofpre-TCsquallline,werealsothereasonsthatmorethunderstormgalehappenedinsoutheastGuangxi. “Rammasun”pre-TCsqualllineincludedthreeshortbowechoes.TheeasternbowechoshowedthetypicalfeaturesofthunderstormgaleinDopplerradar.Takingspatialapplicabilityandtimeadvanceasthemeasurement,descendingofreflectivitycorewasthemostpracticalandoptimalfeatureforthunderstormgalewarning,followedbymid-altituderadialconvergenceandsurfacedivergence.
typhoon;pre-TCSquallLine;synopticcause;DopplerRadar;ThunderstormGale;EchoFeature
2016-03-28
2016-05-11
廣西自然科學基金項目(2014GXNSFAA118290,2014GXNSFAA118295,2014GXNSFAA118299);中國氣象局預報預測核心業(yè)務發(fā)展專項(CMAHX20160212)
梁維亮(1983-),男,廣西南寧人,碩士,高級工程師,從事災害性天氣預報和研究工作.
E-mail: little_lwl@hotmail.com
X43;P461
A
1000-811X(2016)04-0082-06
10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.015
梁維亮,黃榮. “威馬遜”臺前颮線天氣背景成因和雷達預警方法[J]. 災害學,2016,31(4):82-87. [LIANG Weiliang, HUANG Rong. The Synoptic Causes and Radar Warning Methods of “Rammasun” pre-TC Squall Line[J]. Journal of Catastrophology,2016,31(4):82-87. doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.015.]