廈門地區(qū)一次午后熱對(duì)流的中尺度特征分析*

孫瓊博 胡雅君 張玉軒 張煒月

(1.海峽氣象開放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象臺(tái)，福建 廈門 361012；3.閩侯縣氣象局，福建 福州 350100)

1 概述

強(qiáng)對(duì)流天氣是由對(duì)流引起的冰雹、雷雨大風(fēng)和強(qiáng)降水天氣的統(tǒng)稱。強(qiáng)對(duì)流天氣與中小尺度系統(tǒng)有關(guān)，一般具有時(shí)間和空間尺度小、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，一直是預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。由于常規(guī)資料時(shí)空分辨率低，新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)在監(jiān)測(cè)局地強(qiáng)對(duì)流天氣過程中發(fā)揮了重要作用。鄭祚芳等分析了北京地區(qū)一次夜間局地強(qiáng)對(duì)流天氣，發(fā)現(xiàn)地面中尺度輻合線是降水主要的觸發(fā)機(jī)制之一[1]。張德林和馬雷鳴分析發(fā)現(xiàn)，邊界層中尺度輻合線和擾動(dòng)能在弱冷空氣南下和局地中小尺度斜壓不穩(wěn)定的背景下產(chǎn)生，中尺度擾動(dòng)不穩(wěn)定隨垂直運(yùn)動(dòng)上傳并觸發(fā)對(duì)流[2]。馮晉勤等利用新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品開展了強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)預(yù)警方法研究，提高了冰雹和雷雨大風(fēng)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率[3]。王曉峰等分析了城市熱島、海陸風(fēng)、湖陸風(fēng)在“0731”局地強(qiáng)對(duì)流中的作用[4]。馮晉勤等利用廈門雙偏振雷達(dá)資料對(duì)比分析了冬季冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水的雙偏振參量特征，為冬季強(qiáng)對(duì)流天氣的短期和短時(shí)預(yù)報(bào)提供了預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)[5]。

本文針對(duì)2019年7月20日廈門同安局地?zé)釋?duì)流過程，利用雙偏振多普勒雷達(dá)和雨滴譜儀等新型探測(cè)資料，分析了其環(huán)流特征、中尺度特征以及微物理特征，以期為雷達(dá)定量降水估測(cè)、強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)等提供參考。

2 資料來源

分析使用了2019年7月20日NCEP提供的FNL再分析資料，分辨率為1°×1°；2019年7月20日常規(guī)探空資料、地面自動(dòng)站觀測(cè)資料、廈門海滄新一代雙偏振雷達(dá)資料以及同安降水現(xiàn)象儀的雨滴譜資料。儀器分布見圖1。

圖1 觀測(cè)儀器分布圖

3 過程概況

2019年7月20日，受中低層切變及西南暖濕氣流影響，福建省沿海部分市縣出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水，廈門市同安區(qū)局部地區(qū)出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水過程。同安區(qū)降水過程范圍小，局地性比較強(qiáng)，雨強(qiáng)較強(qiáng)，穩(wěn)定少動(dòng)，但本次雨量歷時(shí)不長(zhǎng)，整體強(qiáng)度弱，沒有造成明顯的災(zāi)害損失。全市共16個(gè)站日降水量超過50 mm，其中三個(gè)站超過100 mm，達(dá)大暴雨量級(jí)，最大日雨量為138.4 mm，出現(xiàn)在同安區(qū)溪林村，同安站當(dāng)日降水量為61.7 mm。本次降水過程主要集中在20日12～16時(shí)，統(tǒng)計(jì)該時(shí)段3小時(shí)、1小時(shí)以及半小時(shí)降水強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在同安區(qū)新民鎮(zhèn)溪林村，分別為138.4 mm、130.1 mm、89.8 mm，同時(shí)本次過程泉州、莆田、福州、寧德的部分縣市也出現(xiàn)了大于50 mm的暴雨。另外本次過程全省范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)雷電(圖2)以及7～9級(jí)雷雨大風(fēng)(圖2)，廈門市最大陣風(fēng)出現(xiàn)在同安區(qū)城南BRT站，風(fēng)速19.5 m/s(8級(jí))。

圖2 2019年7月20日過程累計(jì)降水、3小時(shí)累計(jì)降水、極大風(fēng)和雷電監(jiān)測(cè)

4 環(huán)流形勢(shì)

從7月20日08時(shí)形勢(shì)場(chǎng)分析來看(圖3)，副高相比于前一天加強(qiáng)西伸，并且比預(yù)報(bào)的更加深入內(nèi)陸一些，福建省處于副熱帶高壓邊緣的不穩(wěn)定區(qū)域，受明顯的偏北氣流影響；700hPa和850hPa是一致的西南風(fēng)，閩中和閩南有弱的西風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，風(fēng)速約為4m·s-1，低層無明顯系統(tǒng)影響；從中尺度分析也可以看到，切變主要集中在江淮一帶；在這種中層北風(fēng)低層南風(fēng)的形勢(shì)下，回波更加容易穩(wěn)定少動(dòng)。從濕度條件看，700hPa以及850hPa福建省均處于顯著濕區(qū)，特別是閩南地區(qū)，低層的T-Td基本在1℃左右，比濕在12g·kg-1以上。

7月20日08時(shí)廈門探空為明顯上干下濕的結(jié)構(gòu)。抬升凝結(jié)高度低(接近1000hPa)，自由對(duì)流高度約在925hPa高度，濕層較為深厚。K指數(shù)為39，SI指數(shù)為-2.06，CAPE超過了3000，層結(jié)不穩(wěn)定條件好。整體探空條件有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生，尤其是短時(shí)強(qiáng)降水以及雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生。

圖3 2019年7月20日08時(shí)500hPa、700hPa、850hPa以及中尺度分析

圖4 2019年7月20日08時(shí)廈門站探空

5 雷達(dá)回波分析

5.1 反射率因子

本次過程主要從20日12時(shí)左右開始?；夭ㄊ紫葟膹B門以北沿山一帶發(fā)展，呈分散的塊狀，移動(dòng)緩慢(圖5a)。隨著時(shí)間的推移，分散的回波逐漸合并，強(qiáng)度增強(qiáng)，由于環(huán)境風(fēng)場(chǎng)較弱，緩慢向西南方向移動(dòng)，同時(shí)在廈門西南部(海滄、龍海一帶)有回波生成并快速發(fā)展(圖5b)。13時(shí)以后，廈門北部山區(qū)的回波受其西南側(cè)的新生單體影響，進(jìn)一步向西南方向移動(dòng)(圖5c)。接近14時(shí)，北部的強(qiáng)回波與廈門西南部的回波再次合并，強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，達(dá)到成熟階段，維持了大約半小時(shí)，且移動(dòng)緩慢，造成了局地的短時(shí)強(qiáng)降水(圖5d)。14時(shí)30分以后，回波強(qiáng)度逐漸減慢，并開始緩慢向西南方向移動(dòng)(圖5e)。16時(shí)左右，強(qiáng)回波已經(jīng)移到海滄地區(qū)，強(qiáng)度明顯減弱(圖5f)。

圖5 廈門海滄雙偏振雷達(dá)組合反射率演變

根據(jù)以上分析，將本次強(qiáng)對(duì)流過程分為3個(gè)階段，12～13時(shí)為合并發(fā)展階段，13～15時(shí)為成熟階段，15～16時(shí)為減弱階段。

沿強(qiáng)對(duì)流回波移動(dòng)方向所作的雷達(dá)反射率因子垂直剖面(圖6)顯示，強(qiáng)回波首先在同安以北地區(qū)生成，回波中心不斷向西南方向移動(dòng)(圖6b)。緊接著在海滄、龍海一帶也有強(qiáng)回波生成，而后向東北方向移動(dòng)(圖6c)。接近14時(shí)，兩股強(qiáng)回波合并(圖6d)，強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，一直維持在同安地區(qū)，直到15時(shí)左右才趨于減弱并向西南方向移動(dòng)(圖6e)。另外，由廈門探空計(jì)算的大氣0 ℃層高度為5.5 km，在降水最強(qiáng)時(shí)刻(14時(shí))強(qiáng)回波(45 dBz以上)發(fā)展高度超過0 ℃層(黑色實(shí)線)，最高在10 km以上，且向下一直擴(kuò)展到近地面。

圖6 廈門海滄雙偏振雷達(dá)反射率因子垂直剖面(剖面沿圖5中黑色實(shí)線，西南到東北方向)

5.2 雙偏振參量

由于在降水最強(qiáng)時(shí)刻(14時(shí))，強(qiáng)回波(45 dBz以上)發(fā)展高度超過0 ℃層，所以此次暴雨過程與2018年5月7日的暖區(qū)暴雨不同，并非低質(zhì)心暖云降水。為了研究其中的微物理過程，需要弄清楚0 ℃層以上的強(qiáng)回波是過冷水還是冰相粒子造成。

雙偏振參量能獲得粒子相態(tài)信息。ZDR反映粒子的扁平度，而雨滴粒徑越大，形狀越扁平，對(duì)于冰相粒子，由于翻轉(zhuǎn)作用，總體效果接近球形，ZDR值在0附近，可以是小的負(fù)值或者小的正值。KDP可以反映液態(tài)水含量，對(duì)于冰相粒子，KDP值也比較小。圖7和圖8給出了沿強(qiáng)對(duì)流回波移動(dòng)方向所作的ZDR和KDP垂直剖面，12～16時(shí)，ZDR大值區(qū)(ZDR>1.2)和KDP大值區(qū)(KDP>1.1)基本都位于0 ℃層以下，與0 ℃層以下的反射率因子大值區(qū)能很好的對(duì)應(yīng)。但在降水最強(qiáng)時(shí)刻(14時(shí))，0 ℃層以上的反射率因子大值區(qū)的ZDR很小，接近于0，同時(shí)KDP的值也比較小，這說明在降水最強(qiáng)的時(shí)刻，存在復(fù)雜的冰相過程。

圖7 廈門海滄雙偏振雷達(dá)ZDR垂直剖面(剖面沿圖5中黑色實(shí)線)

圖8 廈門海滄雙偏振雷達(dá)KDP垂直剖面(剖面沿圖5中黑色實(shí)線)

6 強(qiáng)對(duì)流三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

首先分析此次強(qiáng)對(duì)流的中尺度水平風(fēng)場(chǎng)演變特征，圖9給出了7月20日12∶36-15∶24同安及其周邊地區(qū)1500 m高度雙雷達(dá)反演風(fēng)場(chǎng)和回波強(qiáng)度。從中看到，在合并發(fā)展階段(圖9a、b)，強(qiáng)回波所在位置受西南氣流影響，高溫高濕，有利于觸發(fā)對(duì)流。在成熟階段(圖9c、d)，強(qiáng)回波所在位置有明顯的輻合，有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)展和維持。在減弱階段(圖9e、f)，輻合消失，變?yōu)橐恢碌奈黠L(fēng)，且風(fēng)速逐漸減小，導(dǎo)致回波逐漸減弱。這與2018年5月7日閩南沿海暖區(qū)特大暴雨中的風(fēng)場(chǎng)水平結(jié)構(gòu)特征一致，強(qiáng)回波伴隨著輻合區(qū)的發(fā)展，風(fēng)場(chǎng)的變化和輻合區(qū)的形成也可能是由于強(qiáng)降水粒子對(duì)低層水平風(fēng)的削弱阻擋作用而造成的。

圖9 2019年7月20日1500 m回波強(qiáng)度(著色，單位dBz)和反演水平風(fēng)場(chǎng)(箭頭)演變

圖10給出了沿回波傳播方向(圖9d中黑色實(shí)線)所作的垂直剖面，可以看到，與2018年5月7日過程明顯不同，此次強(qiáng)對(duì)流過程的上層和下層風(fēng)向幾乎完全相反，上層主要是東北風(fēng)，下層主要是西南風(fēng)，而后者的上下層風(fēng)向是一致的。另外，沿著回波傳播方向，在強(qiáng)回波所在位置有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，與上層?xùn)|北風(fēng)構(gòu)成次級(jí)環(huán)流，在強(qiáng)回波的西南方有下沉出流，與環(huán)境的西南風(fēng)形成輻合，但由于風(fēng)速較小，使得強(qiáng)回波緩慢向西南方向移動(dòng)，造成局地強(qiáng)降水(圖10a、d)。到了減弱階段(圖10e、f)，風(fēng)速進(jìn)一步減小，輻合減弱，上升運(yùn)動(dòng)也隨之減弱，回波逐漸減弱，降水過程結(jié)束。

圖10 圖9d中黑色實(shí)線的徑向剖面回波強(qiáng)度(著色，單位：dBz)和反演風(fēng)場(chǎng)(箭頭，單位：m·s-1，垂直速度擴(kuò)大為原來的2倍)

7 雨滴譜分布

圖11a給出了同安降水現(xiàn)象儀所探測(cè)的強(qiáng)對(duì)流過程中雨滴譜時(shí)間變化。

(a)2019年7月20日同安降水現(xiàn)象儀探測(cè)的13—18時(shí)的雨滴譜時(shí)間變化，(b)同安雨量筒實(shí)測(cè)(紅色)和雨滴譜反演(藍(lán)色)所得逐5 min雨量(柱狀圖，對(duì)應(yīng)左縱坐標(biāo)，單位:mm)和滑動(dòng)1 h累計(jì)雨量(折線，對(duì)應(yīng)右縱坐標(biāo)，單位:mm)

從圖11可見，整個(gè)降水過程中，小雨滴的濃度(N(D))都比大雨滴大，1 mm以下的小雨滴濃度最大，接近104 mm-1·m-3；雨滴粒徑分布廣，最大雨滴粒徑接近6 mm。對(duì)比同安雨量筒實(shí)測(cè)雨量和雨滴譜反演雨量(圖11b)可知，降水現(xiàn)象儀會(huì)稍微低估降水，但兩者基本吻合，不論是滑動(dòng)1 h累計(jì)雨量還是逐5 min雨量，兩者相關(guān)系數(shù)都高達(dá)0.999，都通過了0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。

8 結(jié)論

(1)本次局地?zé)釋?duì)流發(fā)生在副熱帶高壓邊緣的不穩(wěn)定區(qū)域，同安地區(qū)受明顯的偏北氣流影響；低層是一致的西南風(fēng)，閩中和閩南有弱的西風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，無明顯系統(tǒng)影響，濕度條件較好。

(2)廈門探空為明顯上干下濕的結(jié)構(gòu)。抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度都很低，濕層深厚，層結(jié)不穩(wěn)定條件好。

(3)本次過程屬于冷云降水，強(qiáng)回波發(fā)展高度超過0 ℃層，ZDR和KDP的分布表明在成熟階段存在復(fù)雜冰相過程。

(4)強(qiáng)回波所在位置受西南氣流影響，高溫高濕，有利于對(duì)流發(fā)展維持，強(qiáng)回波伴隨著輻合區(qū)的發(fā)展，風(fēng)場(chǎng)的變化和輻合區(qū)的形成可能是由于強(qiáng)降水粒子對(duì)低層水平風(fēng)的削弱阻擋作用而造成的。沿著回波傳播方向，上層和下層風(fēng)向幾乎完全相反，構(gòu)成次級(jí)環(huán)流，強(qiáng)回波向出流方向緩慢移動(dòng)。