一次高空冷平流誘發的極端雷暴大風分析

韋 瑋, 張 濤, 張東方, 周 聰

(成都市氣象局,四川 成都 611133)

0 引言

雷暴大風是伴隨強對流風暴出現的瞬時風速≥17.2 m·s-1(或者8 級)的大風天氣,具有空間尺度小、突發性強、破壞力大、致災性重等特點,一直是氣象監測和業務預報的重點和難點[1]。近年來,在雷暴大風天氣發生的環流背景[2-6]、環境條件[7-12]、多普勒天氣雷達特征[6,13-16]、產生的對流系統[17-21]、形成機制[7-8,22-23]等方面取得了豐碩的研究成果。由于氣候條件、地形條件以及監測設備等差異,使不同地方的雷暴大風研究進展不同。

對四川盆地(簡稱“盆地”),雷暴大風主要發生在夏季,7月達年內峰值,且在午后和夜間較活躍[24],發生的主要環流背景可分為深厚低槽(低渦)后部類、低槽(切變)東移類、副熱帶高壓西側切變類和東風擾動類4 類[6],其中深厚低槽(低渦)后部類和孫繼松等[25]總結的高空冷平流強迫類有諸多相同之處。從環境條件看,盆地雷暴大風發生時大氣可降水含量大,地面露點溫度高,一般在400 ～500 hPa存在明顯干層,通常具有上干下濕的垂直結構特征[24]。其發展與后側入流加強[26]、移動到動力抬升作用最強和條件不穩定最為顯著的區域[16]有關。盆地雷暴大風對應的雷達回波具有風速大值區、回波質心下降、VIL 下降、中層徑向輻合和輻散等特征,其中風速大值區最為常見,個別站點僅具有回波強度大且梯度強的特征[6]。從地域看,盆地雷暴大風研究更多集中在北部和東部,如2015年“4.4”盆地中北部極端大風[16]、2016年“6.4”川北颮線大風[26]、2017年“7.28”南充大風[27]和2019年“4.9”川東颮線大風[28],這些雷暴大風事件均造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。由于下墊面熱力和動力性質的非均勻性,以及特殊地形的影響,對流系統的發生發展和結構演變更具有多樣性[29-30],進一步增加了盆地內雷暴大風的預報難度,故仍有必要對造成盆地雷暴大風的中小尺度對流系統進行研究,特別是發生在盆地西部的雷暴大風,從而不斷提升雷暴大風的短臨預警能力。

過去對雷暴大風的研究中少有聯合多部風廓線雷達資料分析(尤其在四川盆地),主要原因是缺乏風廓線雷達觀測。近年來,隨著成都風廓線雷達網的建設,使利用風廓線資料對雷暴大風分析成為可能。本文利用多部風廓線雷達、多普勒天氣雷達和加密自動站等觀測資料及ERA5(0.25°×0.25°)逐小時再分析資料,綜合分析2021年7月18日凌晨出現在盆地西部的一次局地雷暴大風天氣的環境條件、風暴演變、地面要素變化、風暴精細化結構和增強減弱機制,旨在加深對此類天氣的認識,為災害性天氣的監測預警提供有利參考。

1 天氣形勢及環境條件分析

2021年7月17日22 時到18日04 時盆地西部自北向南出現了一次局地極端雷暴大風天氣,59 個臺站出現了17.2 m·s-1(8 級)以上陣性大風。過程最大風速出現在00:35 德陽什邡禾豐28 m·s-1(10 級),成都最大風速出現在 00: 55 彭州九尺雙土27.1 m·s-1(10 級),均突破當地歷史極值,造成2 人死亡、部分農作物絕收和房屋受損。

17日白天盆地受深厚偏北氣流控制,天氣晴好,午后最高氣溫普遍升至33 ℃以上。夜間(圖1a)200 hPa南亞高壓脊線位于30 °N附近,500 hPa青藏高壓中心位于青海西北部,中心強度達592 位勢什米,控制新疆南部、青海、甘肅、西藏以及川西高原到四川盆地西部,高壓東側從甘陜南部到盆地西部有一支8 ～12 m·s-1的偏北顯著氣流。受高原北側下滑冷平流影響,500 hPa甘肅南部形成了-4 ℃的24 h負變溫中心,陜西南部形成了溫度槽,而甘、陜、寧交界為溫度露點差T-Td≥15 ℃的干區。700 hPa有顯著偏北氣流從河套西部延伸至盆地西部,且盆地為T-Td≤5 ℃的濕區。850 hPa 貴州西部到盆地西部為24 h 正變溫≥3 ℃的暖區。地面上,盆地為弱暖低壓控制。高層強偏北氣流引導甘、陜南部的干冷空氣翻越秦嶺到達盆地西部,疊加在低層暖濕空氣之上,使層結不穩定度加大,850 hPa與500 hPa的溫度差≥25 ℃。溫江站K指數增加到40.1 ℃,濕對流有效位能(CAPE)增加到1976.2 J·Kg-1,在高空冷平流的強迫下造成了此次局地雷暴大風天氣。

圖1 2021年7月17日20 時中分析圖和探空圖

20 時溫江站探空顯示(圖1b),0 ～6 km為中等強度垂直風切變,強于成都地區一般強對流天氣下的垂直風切變。400 ～500 hPa,T-Td在4 ℃以上(最大11.8 ℃),且風隨高度逆轉,說明對流層中高層有明顯干冷平流；同時850 hPa以下存在明顯干層(T-Td＞7 ℃)。相比08 時(圖略),20 時對流層中低層大氣濕度明顯下降、中高層干冷平流增強,均有利于降水粒子在下降過程中持續蒸發冷卻,對下沉氣流負浮力的維持和加強有重要作用。同時,抬升凝結高度(LCL)以下溫濕廓線呈“喇叭口”結構,且溫度廓線與干絕熱線接近平行,有利于下沉氣流在該層次上負浮力的維持或加強,有助于雷暴大風的發生[7-8]。

2 雷暴大風演變特征

2.1 衛星和雷達演變特征

17日傍晚前后甘肅南部有孤立橢圓形中-β 尺度對流云團生成,17日21 時青藏高壓外圍偏北氣流引導云團逐漸進入四川,并沿著盆地西部山前繼續向南移動,17日22 h至18日04 時自北向南影響四川廣元、綿陽、德陽、成都4 市的西部和雅安、眉山一帶(圖略)。成都雷達顯示,18日00:20 前,多單體風暴位于綿陽西部,處于發展階段,45 dBZ發展高度達10 km,回波中心強度達60 dBZ,回波頂高(ET)達15 km。00:20-02:00(圖2),多單體風暴加強到最強,處于成熟階段,自北向南影響什邡、彭州、郫都、溫江及周邊,期間V 型缺口特征最明顯,0.5°仰角徑向速度圖上負速度中心超30 m·s-1。其中,00:30 回波前沿影響彭州邊界,45 dBZ回波發展高度達12 km,回波中心強度增加到65 dBZ以上,ET 增加到18 km,60 dBZ以上回波中心發展到8 km以上(圖2a、d)。02:00-03:00 多單體風暴處于減弱階段,其繼續南移影響崇州、大邑、邛崍、蒲江,雖風暴前側不斷有新對流單體生成合并,但強度有所減弱且結構變得松散,最強反射率因子下降到45 ～55 dBZ,45 dBZ回波高度基本下降到5 km以下,ET 下降到13 km以下(圖略)。03:04 后回波移出成都。值得注意的是,風暴在成都境內南移過程中,其前側伴有明顯陣風鋒(圖2b、c),維持時間超2 h,最大水平尺度超30 km。

圖2 2021年7月18日成都雷達1.5°仰角基本反射率和反射率因子剖面(圖中CD 為成都)

2.2 地面自動站要素演變

伴有陣風鋒出現的雷暴大風常常會造成氣溫驟降、氣壓涌升和風向突變等現象[31-33]。此次雷暴大風中也出現類似變化(圖3)。選取彭州和邛崍國家站分鐘級資料分析多單體風暴成熟階段和減弱階段的各氣象要素變化。由圖3 可見,隨著陣風鋒到達本站,氣象要素開始出現明顯變化,且氣象要素變化先后依次為氣壓和風、氣溫和相對濕度、降水,但成熟階段氣象要素變化的劇烈程度強于減弱階段。以氣壓和氣溫為例,成熟階段氣壓升高3 hPa,氣溫下降4.9 ℃,而減弱階段氣壓升高為2.2 hPa,氣溫下降3.8 ℃。同時可以看出相對濕度在冷池中表現為先急降后陡增,且其低值時段與風速大值時段對應關系較好。從時間上來看,成熟和減弱階段最大瞬時風速均出現在氣壓涌升和風速劇增開始變化后的15 min左右。彭州站降水出現在氣壓開始突變后的10 min,而減弱階段的邛崍降水出現在氣壓和風速開始突變后的28 min,時間間隔明顯增加,這與陣風鋒在減弱階段離風暴母體距離增大有關。

圖3 彭州、邛崍氣象要素變化曲線(三角形代表陣風鋒開始影響時刻)

此外,成熟階段降水和最大瞬時風速出現時間十分接近,結合對流單體風暴模型,表明此時最大風速出現風暴母體中心偏后部一側；而減弱階段最大瞬時風速出現在降水之前,表明最大風速區出現在風暴母體前側陣風鋒附近,相對于成熟階段最大風速區明顯前移。進一步結合00:00-01:00 地面6 級以上大風區域和雷達回波演變可見(圖4),成熟階段地面6 級以上大風區域主要位于陣風鋒后側,風暴母體V 型缺口及偏右一側；而8 級以上災害性大風位于風暴母體下方,V 型缺口右側,而右側正好是陣風鋒相對風暴母體更遠的一側。

圖4 7月18日00:00 -01:00 地面變壓、6 級以上大風區域

3 風暴立體空間結構的精細分析

對風暴強下沉氣流、冷池以及陣風鋒空間結構和概念模型研究[33-36]中,基于多部風廓線雷達和天氣雷達資料分析的個例并不多見,故本文選取伴有陣風鋒出現的成熟階段多單體風暴,結合彭州、郫都、溫江風廓線雷達資料分析其空間精細結構。由圖5 可見,01:12風暴母體前沿正好到達郫都站,陣風鋒即將到達溫江站,風暴母體尾部正好位于彭州(圖5)。

圖5 7月18日01:12 成都雷達1.5°仰角反射率因子

隨著陣風鋒和多單體的影響,近地面水平風向迅速從弱偏南風轉為強東北風,1 km以下最大水平風速達20 m·s-1以上,下沉氣流達10 m·s-1以上,說明風暴內強下沉氣流形成的出流給地面帶來了極端大風。結合風廓線雷達資料和風暴垂直結構,進一步分析風暴后側入流急流轉為強下沉氣流的特征,如圖6(a)中白色短線箭頭A,2.5 km以上有東北風急流存在,急流在風暴內向前運動時水平風速有所減小,但垂直向下的速度分量從4 m·s-1增加至10 m·s-1以上。垂直下沉速度的增大一方面與風暴內的降雨拖曳作用有關[32,37],另一方面與后側入流急流和暖濕空氣混合產生的顯著蒸發冷卻作用有關[38-39]。風暴母體后部,自動站分鐘雨量有所減小,風廓線雷達上下沉氣流最大速度也較風暴前部下沉速度略小(圖6(a)中白色短線箭頭B)。風暴尾部處,后側入流進入風暴內部有限,蒸發冷卻作用有限,使得下沉氣流進一步明顯減弱,1.5 ～2.5 km高度上為弱下沉區,甚至還出現了上升運動(圖6a中白色短線箭頭C)。

圖6 7月18日00:20-02:00 彭州、郫都、溫江風廓線雷達水平風和垂直速度時間演變

結合3 站風廓線雷達資料對01:12 風暴母體、冷空氣出流和陣風鋒空間剖面結構進行分析。1:10 彭州站(圖6a),4 km以下為8 ～10 m·s-1的下沉氣流,個別高度甚至在10 m·s-1以上,表明風暴后部為深厚的顯著下沉運動。01:10 郫都站(圖6b),下沉氣流形成的冷池厚度達到1.0 km,偏西偏南的暖濕氣流被冷池抬升到1.0 km以上,暖濕上升氣流和干冷下沉氣流在風暴內輻合使風暴維持或發展。01:10 溫江站(圖6c中的紅色箭頭)上空有明顯的上升氣流,高度可達3.0 ～4.0 km,受陣風鋒附近冷暖空氣交匯影響,水平風速小于2 m·s-1。在暖濕氣流后側,1.0 km以下的弱下沉運動,近地面的弱上升運動(圖6c 中的藍色箭頭)可能是冷池在觸地后向上卷起,而形成的滾軸狀的水平渦旋[40]。

4 風暴強度變化成因分析

4.1 增強和維持的原因

據雷達回波分析,18日00:20-01:07 多單體風暴從綿竹南部移動到彭州,風暴母體快速地發展增強,地面瞬時極大風速達到過程最大。這與該區域有利的不穩定能量、干冷空氣入流和邊界層輻合等條件密不可分[41-42]。

首先顯著增強的中層干冷空氣,加強了風暴母體內部的蒸發冷卻,同時雨強的增加產生了更顯著的向下拖曳作用。風暴母體增強階段的雷達回波可清晰地識別出其后側存在明顯入流缺口(圖2b),還有前側弱的入流缺口。00-01 時彭州上空(圖7a、b),隨著550 ～650 hPa高度上轉冷平流,使800 hPa以上全為冷平流(矩形框區域),中心強度為-9.0 ～-6.0 ×10-5K·s-1位于450 hPa附近；同時刻風廓線雷達上可見(圖6a)該區域上空對流層中層轉為偏北風,最大風速可達20 m·s-1以上。這表明風暴母體后部中層有入流急流攜帶干冷空氣進入風暴,使風暴母體內部的蒸發冷卻作用增強,風暴母體進一步增強。01 時前后風暴母體產生的10 min降水量較00 時前的雨強明顯增大,雨強的增大將有助于向下拖曳作用變強,與干冷空氣蒸發冷卻作用對下沉氣流增強產生疊加效應。

圖7 2021年7月18日垂直速度(等值線)溫度平流(陰影)的剖面及地面要素場和流場分布

其次,風暴母體所處環境大氣熱力不穩定度的維持并略有增強。00-01 時溫度平流垂直分布圖上,彭州上空800 hPa以上轉為深厚的冷平流區,彭州以南800 ～850 hPa暖平流維持,表明垂直方向的熱力不穩定度維持并略有增加。水平方向上,受干冷空氣侵入蒸發冷卻效應影響,彭州北側850 hPa附近冷平流從-3.0 × 10-5K·s-1左右增強到-9.0 ～ - 6.0 ×10-5K·s-1,使風暴母體低層水平方向熱力不穩定度增加。同時30.8 °N附近的800 Pa以下南風有所增強增厚(圖6b),強的垂直風切變有利于暖濕氣流和干冷空氣在風暴內共存。

地面冷池強度及其抬升作用的增強。如圖7(c)所示,01 時綿竹和彭州附近為顯著1 h負變溫區和正變壓區,正變壓較前1 h增加了0.8 hPa,風場上表現為明顯的輻散,這是風暴中強的冷性下沉氣流形成的冷池。冷池出流和前側偏南風形成顯著的輻合抬升,對風暴前側入流形成更明顯的強迫。01 時地面的假相當位溫θse分布可見(圖7d),在冷池的前側大部分地方θse在89 ℃～97 ℃,其梯度值可達7 ℃/10 km,為新對流的生成和風暴母體的維持提供了必要條件。結合流場上的輻合線位置,更有利于風暴向成都西南側發展。

利用RKW 理論[43],可以從動力角度出發,對冷池出流和近風暴母體環境低層切變入流進行分析[44],進一步認識風暴母體增強的原因。本文采用陳明軒等[45]提出的密度流傳播速度計算方法:

其中,C代表冷池的傳播速度,ΔP代表冷池內外地面氣壓的變化,ˉρ代表地面空氣的平均密度。風垂直切變采用風暴母體前側臨近的風廓線雷達進行計算。經過計算,00:40 冷池傳播速度和風切變的比值為0.94～1.02。該比值非常接近1,表明冷池產生的水平負渦度與低層風垂直切變產生的正渦度接近平衡狀態[43],對此次弓形狀多單體風暴發展維持最為有利。

4.2 強對流特征的轉變

02 時冷暖平流剖面圖顯示(圖8a),800 hPa以下暖平流持續增強,達9.0×10-5K·s-1以上,800 hPa以上為冷平流,強度無明顯變化,強的不穩定層結利于冷池前側觸發新對流,與原對流系統合并,從而維持對流系統。但是,02 時前后強對流特征卻發生了明顯的變化,如地面極大風速減弱1 ～2 個風力等級,短時強降水站點數較前期更多。

圖8 2021年7月18日風暴減弱階段物理量診斷圖

當風暴母體從彭州和郫都繼續向南移動時,風暴母體從弓形狀的多單體風暴轉變為非線性對流系統(NL)。后側入流缺口依舊存在(圖2c),但缺口深度變淺,表明入流明顯減弱。同時還有一個顯著的不同,彭州地區弓形狀多單體風暴中＞45 dBZ的強回波前后寬度僅10 ～15 km,而此時NL 中＞45 dBZ回波寬度增至20 km以上,且干冷空氣入流在NL 后側的回波單體中,而暖濕入流在NL 前側的強回波中,表明隨著陣風鋒遠離母體,NL 前側雖有對流不斷新生,但后側和前側入流間距離增大,使得冷池對前側入流的強迫抬升作用減弱,不利于深厚對流發展。

此外,冷池向前擴散過程中,其前側邊界層偏南氣流明顯使其與冷池出流間的輻合抬升作用減弱(圖8b)。冷池前θse下降到85 ℃～91 ℃,梯度值下降到3 ℃/10 km(圖8c),暖濕空氣與冷池的交界面變得更加寬廣,大氣熱力不穩定度也有所減弱。即:風暴母體結構和形態的變化,配合熱力不穩定度和冷池強度減弱,以及陣風鋒的遠離造成了強對流特征變化。

5 結論

目前盆地西部對災害性或極端大風的研究認識不足,導致預報預警水平不高?；诜昼娂壸詣诱举Y料、多部風廓線雷達資料、多普勒天氣雷達資料和ERA5逐小時再分析資料(0.25°×0.25°)等,對2021年7月18日四川盆地西部一次極端雷暴大風環境條件、形成成因、精細結構和發展機制進行分析,得到結論如下:

(1)此次雷暴大風是在高空干冷平流侵入低層暖濕區域以及中等強度垂直風切變作用下,配合LCL 以下“喇叭口”結構的溫濕廓線條件形成。雷暴大風形成后,在高能不穩定大氣中,受深厚的偏北氣流引導下自北向南影響盆地西部。

(2)成熟和消亡階段,多單體風暴及前側的陣風鋒過境時,先后造成了氣壓陡升、風速劇增、氣溫驟降和相對濕度急降陡升；本站氣壓涌升開始和風向突變時刻較最大瞬時風速出現提前15 min左右,且相對濕度的低值時段與瞬時風速的大值時段有較好的對應關系。成熟階段災害性大風發生的區域位于風暴母體V型缺口頂部及其右側區域。

(3)風廓線雷達資料反映此次雷暴下沉氣流形成的冷池出流厚度為1 km 左右, 下沉速度超過10 m·s-1。風廓線雷達較好地觀測到風暴內部和周圍環境的垂直結構,特別是風暴后側高空干冷空氣入流轉變為強下沉氣流以及風暴前側陣風鋒的精細空間結構特征。

(4)風暴母體從綿竹南移到彭州時,大氣熱力不穩定度的維持,受中層干冷空氣入流加強為急流、蒸發冷卻和降水拖曳明顯增強、冷池梯度加大、陣風鋒的強迫抬加強等因素使風暴發展為過程最強階段,并呈弓形多單體。此時,風暴內下沉氣流達到最強,從而誘發地面風速達到最大。進一步應用RKW 理論發現此時冷池和低層風垂直切變產生的水平渦度接近平衡狀態。

對此次雷暴大風天氣的多單體風暴母體精細化結構及強度變化原因進行了分析,但由于造成局地大風的對流系統種類多,差異明顯,仍應加強不同對流系統下雷暴大風的收集和分類研究,進而為分級、分區預警提供有益參考。

致謝:感謝成都市氣象局短平快課題(2022-6)、成都市氣象局重點課題(2022-3)對本文的資助