黔北一次下擊暴流事件成因及雷達回波特征分析

李 霞,張云秋,劉紅雙,唐 海,楊 熠

(貴州省遵義市氣象局,貴州 遵義 563000)

0 引言

下擊暴流是對流風暴中強下沉氣流到達地面產生輻散造成的災害性大風天氣,其產生的大風往往造成大樹連根拔起、房屋倒塌等極端災害事件,對人民生命財產安全構成極大的威脅。且下擊暴流尺度小,生命史短,是災害性天氣預報預警服務的重難點。目前國內外部分學者對此類事件進行研究,總結出了下擊暴流天氣的雷達回波特征。ROBERTS[1]等研究了31個下擊暴流事件后指出,孤立的雷暴單體在產生下擊暴流之前反射率因子會持續下降;俞小鼎等[2]首次利用雷達資料對一次下擊暴流事件進行詳細分析,發現下擊暴流天氣發生前,反射率因子核心降低,云底以上有輻合;下擊暴流發生時存在低層輻散,中層輻合的風場特征[3];畢旭等[4]認為中層輻合增強后會產生補償作用,使對流再次增強,并維持低層的輻散下沉;同時在下擊暴流天氣出現前,風暴明顯發展,某些個例會伴有回波懸垂結構和三體散射特征[5]。

貴州省位于云貴高原地區,山地特征顯著,下墊面復雜且尺度不均勻,對大氣運動影響大,而雷達探測手段主要以C波段為主,受地形等因素影響衰減嚴重,在強對流天氣雷達資料的利用上存在局限性。目前國內對于山地下擊暴流天氣的研究也比較少,在貴州省雷暴大風天氣方面的研究上,李力等[6]統計了貴州省雷暴大風的時空分布特征,指出貴州省雷暴大風主要發生在午后到夜間的時間段內,5月和8月是發生頻次最多的時候。許可等[7]利用貴陽C波段雷達對一次暖區颮線大風的雷達結構特征進行了分析,發現回波具有中層徑向輻合大風區下傳現象。

2021年5月15日傍晚至夜間,貴州省發生一次罕見的下擊暴流天氣過程,黔北遵義市南部多個鄉鎮出現17 m·s-1以上的大風天氣,最大極大風速達34.4 m·s-1,其次是33.4 m·s-1,并伴有小冰雹,風速值突破當地歷史極值,影響范圍大,致災性強,受大風影響區域多處樹木被攔腰折斷或連根拔起,造成了嚴重的災害。周明飛等[8]利用貴陽站多普勒雷達資料初步分析了本次過程的成因及雷達回波特征,但主要針對貴陽市開陽一帶風暴體,受資料局限性影響未分析徑向速度。遵義市大風主要發生在婁山山脈南側低海拔區域,距離遵義雷達(海拔1032 m)較近,且周圍受地形遮擋的影響不大,因此本文在前人研究的基礎上,利用ERA5(0.25×0.25)逐時再分析資料以及遵義雷達觀測資料,進一步分析遵義境內下擊暴流發生的成因以及雷達回波特征,以期為此類事件短臨預報預警提供參考依據。

1 成因分析

1.1 環流背景

過程發生前(5月15日08時,圖1a),500 hPa上四川東南部有一高空槽,槽后伴隨明顯冷平流,槽前西南風速達20～24 m·s-1,遵義市位于槽前正渦度平流區;700 hPa上陜西—四川東部有一切變線,切變線北側有一支較強偏北氣流輸送冷空氣南下(風速12～16 m·s-1),南側貴州省中部為一強西南急流軸,最大風速達24 m·s-1,大風發生區域緊靠急流軸左側;850 hPa上重慶南部有一條切變線,遵義市位于切變線南側,低空西南急流北側。15日白天低層強西南氣流維持,不斷輸送暖濕氣流使低層增溫增濕,高空槽逐漸東移帶動干冷空氣疊加在低層暖濕氣流之上,大氣層結不穩定性進一步增強。地面圖上,遵義市受西南熱低壓控制,北方有冷高壓東移南下,08時冷鋒抵達四川中部,鋒前有淺薄冷空氣入侵,四川南部為一致偏北風,而貴州省為偏南風,冷暖空氣交匯在遵義市北部邊緣形成一條中尺度地面輻合線。午后熱低壓不斷發展增強(14時中心值由08時的997.5 hPa減弱到992.5 hPa),遵義市中部以南大部地區氣溫升到33 ℃以上,能量顯著積累。隨著北方冷空氣進一步南下,地面輻合線逐漸南壓在暖濕氣流側觸發對流云團生成,最終使得本次天氣過程爆發。因此,本次雷暴大風天氣過程發生在500 hPa槽前、西南低渦南側、中低空急流北側和地面鋒前熱低壓內的區域內,是高層輻散、低層輻合的大范圍上升區,為一次冷鋒前熱低壓內的混合型對流天氣過程,地面輻合線則是本次過程的重要觸發機制。

1.2 環境特征

從距離最近的貴陽探空站T-lnp圖來看:15日08時(圖1c),溫度層結曲線與露點曲線呈“喇叭口”形狀,800～750 hPa之間為淺薄濕層,700 hPa以上為干層;午后氣溫升高,用過程發生前一時次14時的溫度訂正后對流有效位能CAPE值從426.2 J·kg-1增加到1456 J·kg-1。20時(圖1d),探空圖呈“X”型分布,850 hPa與500 hPa的溫差由24.5 ℃增加到28.9 ℃,溫度遞減率由5.8 ℃·km-1增加到6.9 ℃·km-1;而0～6 km垂直風切變維持中等到強的強度,最強20 m·s-1;從溫度垂直分布上看,0 ℃層在5 km高度附近,-20 ℃層在8 km左右。從以上特征可知:過程發生前遵義南部上空大氣層結為上干下濕的不穩定狀態,環境溫度垂直遞減率較大,中等到強的垂直風切變維持,上空干層有利于干冷空氣的卷入,加速雷暴中下沉氣流的形成,同時中等到強的垂直風切變維持有利于上升氣流與下沉氣流長時間共存,使發展的對流風暴組織完好。

以最先出現極端大風的播州楓香站為例(106.55°E、27.66°N,海拔986 m),用逐時再分析資料進一步分析下擊暴流天氣發生時周圍的環境特征。從該站溫度、濕度、矢量風以及垂直運動的時序圖來看(圖1b):14—18時低層700 hPa以下轉偏北風,并不斷增強,溫度線也隨之下降,且大氣相對濕度增加到90%以上;700～500 hPa之間受西南急流控制,存在上升運動,而500 hPa高度以上的大氣相對濕度<50%。楓香站大風發生在16時38分,其間低層偏北風顯著增強,15 ℃溫度線明顯下降,相對濕度出現100%的大值中心,同時上空垂直運動也達到最強,說明大風發生在大氣上干下濕的不穩定性趨于最強的時段內,700 hPa以上是上升氣流,以下有淺薄冷空氣入侵,冷空氣的卷入使得下沉氣流中的雨滴迅速蒸發,加強下沉氣流的強度,從而增加大風強度[9]。從大風發生前后楓站氣象要素的變化來看,大風發生前楓香最高氣溫升至33.2 ℃,16時30分開始出現風速增大、氣溫下降的趨勢,10 min后風速迅速增強到20.1 m·s-1(瞬時極大風速34.4 m·s-1),氣溫從28.8 ℃降至19.4 ℃,并伴隨0.5 mm的降水和3 mm的小冰雹,持續時間在10 min以下。由此可見,下擊暴流突發性強,持續時間短,且降雨及降雹出現時風速突增,16時50分降雨停止,風速也明顯減弱,說明氣流下沉過程中降水粒子的拖曳效應對大風的增強有一定的正面促進作用。而冷下沉氣流接地后與周圍大氣間產生巨大的溫差,從而產生強烈輻散,是大風產生的關鍵所在。從16時40分楓香周圍站點氣溫來看,風暴移動前側距離楓香最近的樂山、鴨溪、馬蹄3個站的氣溫分別為30.4 ℃、27.5 ℃、28.4 ℃,與楓香站最大溫差達11 ℃。隨著氣流進一步輻散,鴨溪及樂山同時在16時54分出現20.1 m·s-1、12.3 m·s-1的大風。

2 雷達回波特征

2.1 反射率因子特征

從0.5°仰角反射率因子演變上看,本次下擊暴流天氣過程是由地面輻合線附近生成的單體演變來的強多單體風暴造成的,多單體風暴回波強度維持在50 dBz以上,在高空西南氣流引導下向東北方向移動,移動過程中其南側暖濕氣流內不斷觸發新的單體,因此回波經過遵義城區后整體偏離引導氣流向東南方向傳播,先后影響了播州、遵義城區、湄潭、余慶。

下面以湄潭茅坪為例,分析造成本次下擊暴流天氣過程風暴的反射率因子結構特征。18時09分,回波從播州西坪東移至湄潭茅坪的過程中由于地形抬升作用增強,在1.5°仰角上可以看到其南側有明顯的入流缺口(圖2a),且一直伸展到4.3°仰角,在剖面圖上(圖3a)該處上空7 km高度附近60 dBz以上的強回波疊加在低層弱回波區之上形成明顯的懸垂結構,說明入流區有很強的上升氣流存在,同時抬高仰角發現雷達徑向方向出現三體散射長釘,懸垂結構及三體散射長釘的出現表明有冰雹生長,但地面氣溫在30 ℃以上,可能由于冰雹降落過程中存在融化現象,實況僅出現8 mm的小冰雹。18時15分,強回波中心面積擴大,在2.4℃仰角上發現后側有弱回波通道出現(圖2f),與前側入流缺口構成一個弓形回波單體,仰角越高,回波越強,弓形回波特征也越明顯。18時21分,1.5°仰角回波中心強度增強到67 dBz(圖2c),回波后側也開始出現弱回波通道,高仰角后側入流開始減弱,至18時26分消失(圖2d)。說明從18時15分開始,風暴后側中低層就有冷空氣卷入,到18時21分冷空氣下傳影響低層,但該特征僅持續到18時26分,在18時32分時后側弱回波通道完全消失,而茅坪站在18時30分左右出現大風和降雹,從發現后側冷空氣入侵到下擊暴流產生僅十幾分鐘的時間。

圖3 18時09—32分反射率因子垂直剖面圖(單位:dBz)

從反射率因子垂直結構來看,對流持續發展形成65 dBz以上的強回波核,最終強回波核迅速下降造成茅坪站大風。18時09分時風暴頂已經伸展到13 km左右(圖3a),可以看到其前側強回波疊加在低層弱回波之上,后側為下沉氣流形成的回波墻,兩者形成較強的垂直環流使得風暴發展維持。18時15分(圖3b),上升氣流增強,弱回波區明顯向上伸展到5 km以上,回波懸垂結構凸顯,同時風暴后側出現弱回波缺口,冷空氣卷入使得大量降水粒子冷卻凝結,形成中心強度在65 dBz以上的強回波核,其伸展高度在5 km左右,厚度在3 km左右。18時21分后側冷空氣仍然存在(圖3c),回波進一步增強,5 min后后側弱回波缺口減弱(圖3d),風暴后側強回波核厚度增加到7 km左右,而此時前側懸垂結構減弱,上升氣流減弱,表明風暴即將進入消亡階段。18時32分(圖3e),強回波核迅速降落,茅坪出現大風。

2.2 徑向速度特征

2.2.1 低層徑向速度特征 16時38分(圖4a),楓香出現大風時,0.5°仰角上風暴后側出現了水平尺度在3 km左右的輻散區,隨后該輻散區尺度擴大(圖4b),向東北方向移動。16時55分(圖4c),輻散區尺度明顯擴大形成輻散對,存在正負速度大值區,速度值分別為11 m·s-1、-13 m·s-1,16時54分監測到附近樂山站出現12.3 m·s-1的陣風。17時29分(圖4d)該輻散對影響遵義城區,并存在輕微速度模糊,訂正后遵義城區與播州速度值都在13 m·s-1左右,與實際風速接近。18時21分(圖4f),回波開始影響茅坪,在后側出現水平尺度在5 km左右的輻散區,一個體掃時間后輻散區尺度擴大(圖4g),監測到受影響的新南、茅坪相繼出現19.2 m·s-1、33 m·s-1的大風。由此可知,下沉氣流及地時產生的風速最大,輻散范圍越大,輻散風切變越小,因此下游樂山、遵義城區、播州等地大風強度較楓香站來說明顯偏弱,該結論與前文1.2分析一致。除此以外,還能夠在徑向速度圖上看到邊界冷出流與暖濕氣流相遇形成輻合上升,不斷觸發新的單體生成,這是回波偏離引導氣流向東南方向發展傳播的主要原因。如17時29—35分(圖4d、4e),在風暴移動方向的前側為較強偏南氣流,與出流形成輻合觸發新的單體生成,在速度圖上表現出前側輻合后側輻散的特征。

圖4 0.5°仰角徑向速度圖(單位: m·s-1)

2.2.2 中層徑向速度特征 根據2.1分析結果,回波移至茅坪處時,在18時15分有冷空氣卷入,導致下沉氣流增強,最終產生下擊暴流。從18時15分不同仰角徑向速度圖來看,低層是明顯的輻散流場。在1.5°仰角上發現前側冷出流與南側暖濕氣流形成徑向輻合(圖5b),該輻合區一直伸展到4.3°仰角,對應風暴的上升氣流區。在2.4°及4.3°仰角上(圖5c、d),存在大小在18 m·s-1左右的急流,對應風暴后側入流缺口,說明茅坪大風產生前,中低層入侵的冷空氣強度較強。再從17時58分—18時26分徑向速度垂直剖面圖上看,17時58分(圖5e),風暴前側有一支由前向后的斜升氣流與后側入流氣流間形成一個深厚的輻合區,至18時09分(圖5f),該輻合區更加明顯,從2 km向上伸展到8 km左右,厚度達6 km。18時15分(圖5g),后側入流增強,在5 km高度附近形成急流中心,正負速度差值高達41 m·s-1。18時26分(圖5h),后側急流增厚,強輻合區也隨之增厚,伸展到9 km左右的高度,形成顯著的中層徑向輻合區。研究表明,與深層輻合伴隨的氣流加速與負浮力結合會導致地面產生強風,而中層徑向輻合可用于提前預報地面大風,提前時間在10～30 min之間[10]。從本次過程看,在地面大風發生前0.5 h左右出現深層輻合,前15 min加強為中層徑向輻合,在17時58分時可以判斷風暴將產生大風天氣,在18時15分可以確定地面將有極端大風產生。

圖5 18時15分不同仰角徑向速度圖(a～d)及17時58分—18時26分徑向速度垂直剖面圖(e～h)(單位: m·s-1)

3 結論與討論

文章利用多種資料對2021年5月15日午后發生在貴州北部的一次下擊暴流天氣過程成因及雷達回波特征進行了詳細分析,得到如下結論:

(1)本次下擊暴流天氣過程發生在500 hPa槽前、西南低渦南側、中低空急流北側和地面鋒前熱低壓內的大范圍上升區內,地面輻合線為過程的發生提供了重要的觸發機制。

(2)過程發生在大氣上干下濕的不穩定性趨于最強的時候,中等到強的垂直風切變維持,環境溫度垂直遞減率較大,低層有冷空氣入侵導致下沉氣流增強,下沉氣流中降水粒子拖曳使大風增強,下沉氣流及地時與周圍大氣形成10 ℃以上的溫差,導致氣流強烈輻散最終產生大風,且下沉氣流及地時產生的風速最大,隨后逐漸減小。

(3)造成本次下擊暴流天氣過程的是較強多單體風暴,回波強度維持在50 dBz以上。回波移動過程中其南側暖濕氣流內不斷觸發新的單體,回波整體偏離引導氣流向東南方向傳播。

(4)從回波結構上看,大風發生前風暴后側中低層有冷空氣卷入,不斷下傳影響低層,后側冷空氣入流與前側暖濕入流構成弓形回波單體,并伴有三體散射長釘;在垂直結構上,風暴頂高在13 km左右,有回波懸垂、弱回波區和強回波核等特征,強回波核的迅速降落伴隨著地面大風的發生。

(5)從徑向速度圖上,大風出現前風暴前側有一支由前向后的斜升氣流,與后側入流氣流間形成一個深厚的輻合區,隨著后側急流的增強發展為中層徑向輻合,大風出現時,低層有小尺度輻散區域,隨后輻散尺度擴大,風速切變減小,因此受影響的下游地區未監測到災害性大風。