2020年3月21日浙中北地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣特征及其成因分析

張?chǎng)?張日佳 姜 盈 沈杭鋒

(1.富陽(yáng)區(qū)氣象局,浙江 杭州 311400;2.杭州市氣象局,浙江 杭州 310051)

0 引 言

強(qiáng)對(duì)流天氣是會(huì)對(duì)我國(guó)產(chǎn)生嚴(yán)重影響的災(zāi)害性天氣之一,提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)能力,對(duì)減輕強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害造成的損失具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生機(jī)理、觸發(fā)機(jī)制等進(jìn)行了研究。陶詩(shī)言[1]指出，影響強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的大尺度系統(tǒng)有:阻塞高壓、西風(fēng)帶短波槽、西太平洋副熱帶高壓、切變線和地面靜止鋒。Wilson等[2-3]指出，邊界層輻合線的監(jiān)測(cè)和特征識(shí)別是風(fēng)暴發(fā)生、發(fā)展和消亡臨近預(yù)報(bào)的關(guān)鍵所在,大多數(shù)風(fēng)暴起源于邊界層輻合線附近,在兩條邊界層輻合線的相交處,如果大氣垂直層結(jié)有利于對(duì)流發(fā)展,則幾乎會(huì)有風(fēng)暴在那里生成;如果邊界層輻合線相交處原本就有風(fēng)暴,則該風(fēng)暴會(huì)迅速發(fā)展。翟國(guó)慶等[4]指出，地形輻合線、干線、鋒面和切變線等各種中尺度輻合線均能夠單獨(dú)觸發(fā)新風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展。

2020年3月21日，在浙江中北部地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)對(duì)流天氣,帶來(lái)了短時(shí)暴雨、雷雨大風(fēng)、局地冰雹等災(zāi)害性天氣,造成了較大影響。從預(yù)報(bào)來(lái)看,對(duì)此次過(guò)程,強(qiáng)對(duì)流的落區(qū)、強(qiáng)度和范圍都是預(yù)估不足的。浙江省氣象臺(tái)20日下午和21日上午的短期預(yù)報(bào)為“21日全省多云,下午起自西向東轉(zhuǎn)陰有陣雨或雷雨,部分地區(qū)有中到大雨,其中浙西地區(qū)局部有暴雨,并伴有8～10級(jí)雷雨大風(fēng)”,對(duì)此次對(duì)流強(qiáng)度的估計(jì)明顯偏弱,且考慮強(qiáng)降水和雷雨大風(fēng)的落區(qū)僅在浙西,未預(yù)計(jì)到此次強(qiáng)對(duì)流的范圍之廣。初春時(shí)節(jié)這種范圍大、強(qiáng)度強(qiáng)的強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的概率比較低,本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、區(qū)域自動(dòng)站加密觀測(cè)資料、GFS 0.25°×0.25°逐6 h的分析場(chǎng)數(shù)據(jù),以及多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)資料,探討此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生發(fā)展的特征及其成因,以期為春季大范圍災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警找出預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。

1 天氣概況

2020年3月21日,在浙江及周邊省份發(fā)生了強(qiáng)對(duì)流天氣,尤其在浙江中北部地區(qū),從下午開(kāi)始,自西向東出現(xiàn)了大范圍的劇烈天氣,此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程出現(xiàn)了大風(fēng)、短時(shí)暴雨、雷電和局地冰雹。由浙江21日12—20時(shí)的累計(jì)雨量和極大風(fēng)速圖(圖略)可知,此次過(guò)程影響了浙江中北部地區(qū),降雨和大風(fēng)天氣主要出現(xiàn)在杭州、紹興和寧波等地,強(qiáng)降雨中心位于杭州中北部,有兩個(gè)觀測(cè)站累計(jì)雨量超過(guò)50 mm;155個(gè)觀測(cè)站小時(shí)雨強(qiáng)大于20 mm,最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在杭州余杭雙聯(lián)村,為47 mm。有174個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)了8級(jí)以上大風(fēng),54個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)超過(guò)10級(jí)的大風(fēng),最大風(fēng)速出現(xiàn)在紹興嵊州董塢崗,達(dá)13級(jí)(39.9 m/s)。在此次過(guò)程中，雨帶是自西向東移動(dòng)的,16時(shí)臨安島石地區(qū)出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水,之后強(qiáng)降水帶東移,17時(shí)強(qiáng)降水帶位于杭州中北部,18時(shí)開(kāi)始影響紹興地區(qū),19時(shí)強(qiáng)降水帶繼續(xù)東移且范圍縮小,主要分布于紹興東部和寧波地區(qū),到20時(shí),寧波東部出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,此后雨帶東移入海,此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程基本結(jié)束。此次過(guò)程歷時(shí)短、移動(dòng)快,強(qiáng)度大,尤其是大風(fēng)災(zāi)害導(dǎo)致多處建筑物被吹倒,造成了較嚴(yán)重的人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失。

2 環(huán)流形勢(shì)演變特征

3月21日08時(shí)500 hPa高空槽位于自甘肅至四川一帶,并逐漸東移,浙江上空各層均為一致的西南氣流;700 hPa貴州—江西—浙江一帶有西南急流,急流軸中心風(fēng)速大于20 m/s,浙江中北部位于急流軸左側(cè),華北和東北地區(qū)受一致的西北氣流控制,內(nèi)蒙古—河北—山東一帶存在16～22 m/s的西北急流;850 hPa的西南風(fēng)急流軸位于廣東—江西—浙江西部一帶。在700 hPa和850 hPa西南急流的持續(xù)增濕作用下,我國(guó)南方地區(qū)形成高濕區(qū),浙江西南部處于高濕區(qū)。在干冷空氣的影響下，內(nèi)蒙古—江蘇一帶處于干區(qū),浙江東北部處于干區(qū),浙江中北部處于干區(qū)和濕區(qū)的交界處。20時(shí)500 hPa槽線略有東移,浙江仍處于槽前寬廣的西南氣流中,700 hPa西南急流北抬至江蘇與浙江的交界處,位于山東以北的西北氣流已南壓到江蘇南部,江蘇地區(qū)轉(zhuǎn)為受偏北氣流控制,江浙交界處有西南風(fēng)和西北風(fēng)的輻合;850 hPa的西南急流東移到浙江北部,浙北地區(qū)處于急流軸附近,出現(xiàn)了風(fēng)速輻合區(qū)。

綜合08時(shí)和20時(shí)各層的形勢(shì)場(chǎng)分析可知,21日浙江受西南氣流控制,中低層急流逐漸東移北抬至浙江中北部,有利于春季回暖增溫,當(dāng)天浙江中部和北部的最高氣溫普遍為28 ℃以上;700 hPa西北氣流從山東南壓到江浙交界處的過(guò)程帶來(lái)弱冷空氣的滲透,形成了午后“上干冷、下暖濕”的不穩(wěn)定層結(jié),浙江中北部位于干區(qū)和濕區(qū)交界處,21日的高低空系統(tǒng)配置有利于浙中北地區(qū)午后對(duì)流的發(fā)生。

3 物理量場(chǎng)分析

圖1是3月21日08時(shí)杭州站探空資料,此時(shí)CAPE值為0 J·kg-1,K指數(shù)為11.1 ℃,SI指數(shù)為6.04 ℃,這樣的對(duì)流指數(shù)并不利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生,這是由于08時(shí)近地面層存在逆溫層。對(duì)其他站的探空資料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)湖北南部、湖南北部、江西、安徽、江蘇、上海以及浙江的近地面層都存在一個(gè)大范圍的逆溫層,有利于不穩(wěn)定能量的積累。用杭州站14時(shí)氣溫(27.8 ℃)、露點(diǎn)溫度(14.4 ℃)對(duì)探空資料進(jìn)行訂正后,CAPE值達(dá)到了595.1 J·kg-1,這在春季為較高的不穩(wěn)定能量,有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。另外,08時(shí)的探空資料(圖1)表明:杭州站上空0 ℃層高度在4 km左右,-20℃層高度在7 km左右,有利于冰雹的產(chǎn)生[5-6]。

圖1 3月21日08時(shí)杭州站探空資料

劉健文等[7]指出，500 hPa與850 hPa的假相當(dāng)位溫差可以用于表征不穩(wěn)定度,負(fù)值越大,表明大氣越不穩(wěn)定。3月21日14時(shí),浙江受西南急流控制。當(dāng)深厚氣層受槽前偏南氣流控制、低空急流較強(qiáng)、暖濕平流明顯，而在中高層暖濕平流較弱時(shí),有利于對(duì)流不穩(wěn)定建立[8]。從圖2a可見(jiàn)，14時(shí)杭州、紹興的假相當(dāng)位溫值普遍高于328 K,且杭州和紹興東北部地區(qū)500 hPa與850 hPa的假相當(dāng)位溫差小于-4 K,表明上述地區(qū)存在不穩(wěn)定層結(jié)。到了20時(shí)(圖2b),各地假相當(dāng)位溫值增大,且假相當(dāng)位溫差小于-4 K的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大到湖州和嘉興的南部,此時(shí)杭州、紹興和寧波都具有不穩(wěn)定層結(jié),且從850 hPa風(fēng)場(chǎng)可以看到浙中南地區(qū)仍受西南風(fēng)控制,而浙北受偏北風(fēng)控制,浙中北地區(qū)存在風(fēng)場(chǎng)輻合。

圖2 3月21日850 hPa假相當(dāng)位溫(等值線,單位:K)、500 hPa與850 hPa的假相當(dāng)位溫差(陰影,單位:K)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s)(a.14時(shí)、b.20時(shí))

雖然強(qiáng)對(duì)流天氣不像暴雨那樣需要源源不斷的水汽,但水汽條件也是產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流的3要素之一。在14時(shí)1000 hPa水汽通量散度場(chǎng)上(圖3),浙江整體處于西南氣流中,但在杭州灣一帶為偏東風(fēng),水汽在杭州東部、紹興、寧波西部一帶輻合,兩個(gè)輻合中心水汽通量散度值均為-10×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1,分別位于杭州東部和紹興,為午后強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供了水汽條件;而14時(shí)寧波大部分地區(qū)仍為水汽輻散區(qū),到了20時(shí)轉(zhuǎn)為水汽輻合區(qū),但強(qiáng)度較弱。在此次過(guò)程中，寧波的累計(jì)降雨量要低于杭州和紹興的,僅有兩個(gè)站點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)大于20 mm。

圖3 3月21日14時(shí)1000 hPa水汽通量散度場(chǎng)(單位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)及水平風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s)

從杭州、紹興和寧波3個(gè)站散度場(chǎng)的垂直變化發(fā)現(xiàn),21日14時(shí)(圖4a),杭州站在750 hPa以下為輻散,在700 hPa以上為輻合,呈現(xiàn)典型的低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu),有利于該站產(chǎn)生對(duì)流天氣;紹興站散度的垂直結(jié)構(gòu)與杭州站的相似,只是輻合層厚度要低于杭州站的,僅在近地面層1000～900 hPa為輻合,在900 hPa以上都為輻散,表明紹興站已具備產(chǎn)生對(duì)流的條件;寧波站在850 hPa以下為輻散,在800 hPa以上為輻合,該站上空此時(shí)不利于產(chǎn)生對(duì)流天氣,同時(shí)寧波站為晴好天氣。到了20時(shí)(圖略),寧波站的散度垂直分布轉(zhuǎn)為在850 hPa以下為輻合,在800～700 hPa為輻散,有利于寧波對(duì)流天氣的產(chǎn)生,18—20時(shí)寧波地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。從14時(shí)的垂直速度場(chǎng)可知(圖4b),杭州站在550 hPa以下以垂直上升運(yùn)動(dòng)為主,上升區(qū)較為深厚,紹興站在800 hPa以下為垂直上升區(qū)。寧波站在700 hPa以下受下沉氣流控制,到了20時(shí)寧波站才轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng),但上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度要低于杭州站和紹興站。

圖4 3月21日14時(shí)的垂直分布(a.散度場(chǎng)(單位:10-5 s-1)、b.速度場(chǎng)(單位:m/s)

上述分析表明,此次過(guò)程發(fā)生前杭州和紹興的不穩(wěn)定能量、水汽條件和動(dòng)力條件較好,散度場(chǎng)呈現(xiàn)典型的低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu),且都已出現(xiàn)垂直上升運(yùn)動(dòng)。寧波地區(qū)午后對(duì)流條件較差,到20時(shí)對(duì)流條件轉(zhuǎn)好,但水汽條件較差，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度弱于杭州和紹興,這導(dǎo)致寧波地區(qū)的降雨強(qiáng)度要弱一些。

4 強(qiáng)對(duì)流天氣觸發(fā)條件分析

通過(guò)分析天氣形勢(shì)和物理量條件發(fā)現(xiàn),3月21日這一天的環(huán)流形勢(shì)和物理量條件是有利于強(qiáng)對(duì)流發(fā)生發(fā)展的,但是強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生除了需要不穩(wěn)定層結(jié)和濕度條件,還需要觸發(fā)條件,下面對(duì)該次強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的觸發(fā)條件進(jìn)行分析。

3月21日下午的地面自動(dòng)站資料表明,14時(shí)以前安徽南部到浙江受偏南氣流控制,15時(shí)安徽黃山出現(xiàn)了西北風(fēng),黃山南部存在西北風(fēng)和西南風(fēng)的中尺度輻合線。從對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波圖(圖略)可知，在中尺度輻合線附近強(qiáng)對(duì)流回波中心的最大強(qiáng)度超過(guò)了55 dBZ,強(qiáng)回波對(duì)應(yīng)區(qū)域的1 h降水普遍超過(guò)10 mm;16時(shí)中尺度輻合線經(jīng)過(guò)黃山移到杭州西北部,此后中尺度輻合線向東南方向移動(dòng),雨區(qū)與中尺度輻合線對(duì)應(yīng)良好,且在移動(dòng)過(guò)程中輻合線北側(cè)的西北風(fēng)速顯著增大,使得西北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合增強(qiáng),對(duì)應(yīng)雷達(dá)回波強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。18時(shí)中尺度輻合線主要位于紹興境內(nèi),最大回波強(qiáng)度超過(guò)65 dBZ;16—18時(shí)杭州和紹興境內(nèi)出現(xiàn)了劇烈天氣,局部地區(qū)有冰雹,紹興嵊州董塢崗出現(xiàn)了13級(jí)雷暴大風(fēng),雨強(qiáng)普遍為20 mm·h-1以上,一些站點(diǎn)的雨強(qiáng)超過(guò)30 mm·h-1,余杭雙聯(lián)村更是出現(xiàn)了47 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水。19時(shí)中尺度輻合線移到寧波境內(nèi),此時(shí)雷達(dá)回波強(qiáng)度略有減弱,最大回波強(qiáng)度為60 dBZ以上,18—20時(shí)小時(shí)雨強(qiáng)減弱,普遍為20 mm·h-1以下,寧波地區(qū)主要以雷雨大風(fēng)災(zāi)害為主。

通過(guò)上述分析可知,中尺度輻合線與強(qiáng)對(duì)流回波的位置、雨區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。中尺度輻合線是如何觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流回波的呢?圖5a為3月21日15∶52大明山雷達(dá)1.5°仰角徑向速度圖,由圖5a可知，杭州西北部、安徽黃山和宣城一帶為偏北氣流,而杭州其余大部分地區(qū)仍受西南氣流控制,在杭州臨安存在一條東北—西南向的中尺度輻合線,強(qiáng)對(duì)流回波主要在杭州臨安和黃山交界處,位于中尺度輻合線的后側(cè)(圖5b),且雷達(dá)回波呈弓狀,這樣的回波形態(tài)對(duì)大風(fēng)有較強(qiáng)的指示作用。這表明輻合線先于對(duì)流形成,輻合線北側(cè)的干冷空氣和南側(cè)的西南暖濕氣流結(jié)合觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流,此后中尺度輻合線向東南移動(dòng),不斷觸發(fā)新的對(duì)流。

圖5 a.3月21日15∶52大明山雷達(dá)1.5°仰角徑向速度圖、b.3月21日15∶51大明山雷達(dá)0.5°仰角基本反射率因子

為了進(jìn)一步了解中尺度輻合線在此次過(guò)程中的作用,本文分析了3月21日強(qiáng)對(duì)流影響時(shí)段臨安風(fēng)廓線資料。從圖6可知,16∶30以前臨安站受西南風(fēng)控制,降雨帶位于臨安西部,16∶36低層轉(zhuǎn)為西北風(fēng),此時(shí)西北風(fēng)和西南風(fēng)輻合形成了中尺度輻合線。16∶40強(qiáng)對(duì)流回波移到臨安附近,之后高層也逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng),16∶48—16∶54高低空均受西北風(fēng)控制,且風(fēng)速在20 m/s左右,17∶00開(kāi)始低層逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)。結(jié)合前面的分析可以得出,在此次過(guò)程中,中尺度輻合線先于對(duì)流形成,輻合線形成時(shí)冷空氣楔入暖濕氣流下方,將暖濕氣流抬升,從而觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。

圖6 3月21日強(qiáng)對(duì)流影響時(shí)段臨安風(fēng)廓線

5 結(jié) 語(yǔ)

2020年3月21日發(fā)生在浙江中北部的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程帶來(lái)了短時(shí)暴雨、雷雨大風(fēng)、局地冰雹等災(zāi)害性天氣,利用多種觀測(cè)資料對(duì)其發(fā)生發(fā)展的成因進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論。

(1)此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程發(fā)生前，浙江中北部高低層均受西南氣流控制,白天升溫明顯,中低層急流軸逐漸東移北抬,同時(shí)700 hPa西北氣流南壓帶來(lái)弱冷空氣的滲透,形成午后“上干冷、下暖濕”的不穩(wěn)定層結(jié),且浙江中北部地區(qū)處于干區(qū)和濕區(qū)交界處,環(huán)流背景場(chǎng)有利于對(duì)流的發(fā)生。

(2)逆溫層配合有利的環(huán)流形勢(shì)，使不穩(wěn)定能量快速積累。在此次過(guò)程中，杭州站和紹興站的不穩(wěn)定能量、水汽條件和動(dòng)力條件較好,散度場(chǎng)呈現(xiàn)典型的低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu),且都已出現(xiàn)垂直上升運(yùn)動(dòng)。寧波地區(qū)午后對(duì)流條件較差,到20時(shí)對(duì)流條件轉(zhuǎn)好,但水汽條件較差，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度弱于杭州和紹興地區(qū)。

在杭州和紹興地區(qū)產(chǎn)生的對(duì)流天氣劇烈,而寧波地區(qū)以雷雨大風(fēng)災(zāi)害為主,降雨強(qiáng)度較弱。

(3)中尺度輻合線是此次強(qiáng)對(duì)流天氣的直接觸發(fā)系統(tǒng),輻合線先于對(duì)流形成,輻合線形成時(shí)冷空氣楔入暖濕氣流下方,將暖濕氣流抬升,觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。輻合線強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí),回波強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。

通過(guò)分析此次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程發(fā)現(xiàn),在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中,預(yù)報(bào)員需多利用高時(shí)空分辨率的區(qū)域自動(dòng)站加密觀測(cè)資料、多普勒天氣雷達(dá)資料以及風(fēng)廓線雷達(dá)資料等,注意是否有中尺度輻合線的存在,以免強(qiáng)對(duì)流天氣被忽略。