弱垂直風(fēng)切變條件下一次颮線大風(fēng)的特征分析

周宗圣,羅秀明,華 華,楊 偉

(宣城市氣象局,242000,安徽,宣城)

1 引言

宣城地區(qū)處于長江中下游,安徽省東南部,地形復(fù)雜,災(zāi)害性天氣種類多。春、夏兩季容易出現(xiàn)強對流天氣,主要包括短時強降水、雷暴大風(fēng)、冰雹等。而雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生頻率較高,往往會給人民生命財產(chǎn)造成重大損失,如房屋損毀,農(nóng)作物倒伏。颮線是由很多個對流單體側(cè)向線狀排列的中尺度對流系統(tǒng),過境時常伴有雷暴、暴雨、大風(fēng)、冰雹和龍卷等災(zāi)害性天氣[1-4]。我國氣象工作者做了大量分析和研究[5-11]。丁一匯等[12]研究指出,按天氣背景,我國颮線可分為槽后型、槽前型、高后型和臺風(fēng)倒槽或東風(fēng)波型四種類型,其中發(fā)生在槽后或冷渦西南部和高空槽前的最多;冷鋒、切變線、低渦、高空急流、露點鋒和低空風(fēng)場不連續(xù)等,都能觸發(fā)颮線系統(tǒng)。吳瑞姣等[13]也參照丁一匯等的做法,根據(jù)颮線發(fā)生12 h內(nèi)高、低空環(huán)流特征以及天氣系統(tǒng)的差異,將颮線大致分為淺槽、深槽、高壓邊緣、槽后、冷渦五種類型。周昆等[14]通過對淮河流域一次颮線結(jié)構(gòu)的剖析和生消過程的分析發(fā)現(xiàn),地面大風(fēng)與對流層高層下沉卷入颮線后部的較弱干冷氣流使得颮線后側(cè)入流更加明顯這一特征相伴出現(xiàn)。Droegemeier等[15]通過數(shù)值模擬也發(fā)現(xiàn),如果存在低層風(fēng)垂直切變,冷池能夠觸發(fā)其前沿空氣產(chǎn)生強上升運動,有利于觸發(fā)新的風(fēng)暴單體。徐小萍等[16-17]分析浙江北部一次災(zāi)害性大風(fēng)發(fā)現(xiàn),大風(fēng)的出現(xiàn)與陣風(fēng)鋒有緊密的聯(lián)系。然而,由于在弱切邊環(huán)境下,颮線造成區(qū)域性10級以上的雷暴大風(fēng)天氣過程較少,對其進行短臨預(yù)報的經(jīng)驗及預(yù)警指標判據(jù)缺少,因此,給實際預(yù)警業(yè)務(wù)造成較大的技術(shù)難度。本文針對2022年7月26日颮線過程,對探空環(huán)境、衛(wèi)星資料、雷達資料等進行分析,以期提高宣城地區(qū)災(zāi)害性大風(fēng)預(yù)報及氣象服務(wù)水平,為公共氣象服務(wù)提供支持和參考。

2 天氣實況及災(zāi)情

2022年7月26日上午,強對流回波移至安徽省大別山,并在向東移動的過程中逐漸有組織地排列形成颮線。颮線在11時許開始影響宣城地區(qū),并在宣城境內(nèi)再次加強,直到14時左右強回波帶移出宣城,總共歷時約3小時,期間造成了宣城大范圍的雷暴大風(fēng)天氣。過程期間,宣城主要以雷暴和大風(fēng)為主要災(zāi)害性天氣,全市141站次出現(xiàn)8級以上大風(fēng)(圖1),占區(qū)域站總數(shù)的60%以上;25站次風(fēng)力超過10級,其中郎溪國家站出現(xiàn)12級大風(fēng),瞬時風(fēng)速達到33.5 m/s。受其影響,全市119人受災(zāi),1人受傷,房屋損壞13間24戶,直接經(jīng)濟損失271.62萬元。

圖1 2022年7月26日11—15時宣城市極大風(fēng)速實況

3 環(huán)流背景

本次過程主要發(fā)生在500 hPa高空槽東移過境(圖2(a))、副高邊緣,貝湖附近有低壓中心,槽線后側(cè)有弱冷空氣南下。過程開始前,宣城位于高空槽前正渦度區(qū),抬升條件較好,低層的西南氣流在中午也有所加強,宣城局地增溫很明顯,熱力條件好;隨著對流開始發(fā)展,高空槽東移,宣城逐漸轉(zhuǎn)為槽后西北氣流控制,干冷空氣隨之注入,850 hPa上有西北和西南氣流的切變線(圖2(b)),對流通過暖區(qū)的熱力觸發(fā)開始發(fā)展新生,再由上層干冷空氣加入后使冷池得到發(fā)展維持,對流因此進一步增強。

700～850 hPa圖上受暖脊控制,500 hPa上有冷槽東移,在皖南一帶形成上冷下暖的對流不穩(wěn)定,T850-T500≥25 ℃,T700-T500≥15 ℃,表示宣城地區(qū)層結(jié)不穩(wěn)定。12時30分到50分之間宣城一直存在明顯的地面輻合線(圖3),低層有明顯的氣旋式輻合,在颮線前進方向上有快速移動的陣風(fēng)鋒,這些中尺度輻合系統(tǒng)對對流的觸發(fā)和加強有重要作用,為颮線發(fā)展維持提供動力條件。

4 對流條件

7月26日這次過程熱力條件的分析表明,此次過程500 hPa冷槽與700 hPa暖脊及850 hPa暖中心配合,皖南地區(qū)呈現(xiàn)“上冷下暖”的層結(jié)特征。26日08時安慶探空站(圖4(a))和南京探空站的T-lnP圖顯示(圖4(b)),850 hPa和500 hPa間的溫差為26 ℃左右,700 hPa與500 hPa之間溫差也大于15 ℃;850 hPa以下水汽條件好,而中層都具有干層,這種“上干冷,下暖濕”的配置使江南地區(qū)熱力不穩(wěn)定增強,有利于雷暴大風(fēng)發(fā)生,且使對流在該地區(qū)內(nèi)得到加強發(fā)展。

850 hPa上有較明顯的西南急流,風(fēng)速在15 m/s左右,溫度露點差只有4 ℃,為颮線系統(tǒng)發(fā)展提供了充足水汽,而500 hPa溫度露點差達到16 ℃,“上干下濕”也提供了對流發(fā)展所需的位勢不穩(wěn)定。另外,可以看到安慶和南京站的對流有效位能均在1 000 J/kg以上,上午大別山地區(qū)已經(jīng)開始出現(xiàn)對流,能量條件已逐漸釋放,因此08時安慶站CAPE只有1 577.3 J/kg,而宣城地區(qū)上午天氣晴好,地面增溫快,11時左右氣溫已超過35 ℃,熱力條件充足,有足夠時間積累能量,所以利用宣城11時地面觀測資料訂正后,CAPE可以達到4 000 J/kg左右,K指數(shù)也超過35 ℃且在近地層有逆溫層,配合低的自由對流高度,此時大氣處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。0～3 km、0～6 km風(fēng)垂直切變分別為10 m/s、14 m/s,屬于弱風(fēng)切變。一般而言,強的風(fēng)切變有利于風(fēng)暴的組織化和颮線的長時間維持,而這次過程是在強熱力不穩(wěn)定、偏弱動力不穩(wěn)定的環(huán)境背景中觸發(fā)的。

5 衛(wèi)星資料分析

根據(jù)風(fēng)云4號衛(wèi)星的可見光云圖能看到10時45分(圖5(a))左右,在宣城西側(cè)有線狀對流云團東移,其中部分對流單體云頂突出,發(fā)展高度較高,對流云的前進方向上還有一些新生的對流云團在發(fā)展;11時45分(圖5(b))在颮線云系的前沿由于強的輻合抬升,形成了很多向上發(fā)展、云頂突起的對流單體,且在颮線前部有陣風(fēng)鋒云系出現(xiàn);12時34分(圖5(c))颮線系統(tǒng)主體開始進入宣城地區(qū),前部的陣風(fēng)鋒云系也逐漸明顯,而颮線后側(cè)的入流急流使云系輻散下沉,在颮線后部形成了大片的速度大值區(qū),從而造成地面大風(fēng)。

6 雷達資料分析

6.1 颮線發(fā)展過程

10時左右在宣城西面有多單體風(fēng)暴排列成線狀對流形成颮線(圖6(a)),快速東移,并形成弓狀彎曲;11時09分(圖6(b))颮線在東移過程中對流單體逐漸分散,有減弱趨勢;之后進入南陵、涇縣境內(nèi)后新生對流單體重新排列并且加強,涇縣境內(nèi)出現(xiàn)8～10級大風(fēng),此時可以看到颮線前部有陣風(fēng)鋒出現(xiàn)(圖6(c)),宣州區(qū)也自西向北出現(xiàn)8級以上大風(fēng)天氣;11時51分(圖6(d))颮線北部又出現(xiàn)一條陣風(fēng)鋒,與之前的陣風(fēng)鋒相遇觸發(fā)對流加強;12時20分(圖6(e))兩條陣風(fēng)鋒在宣州區(qū)相遇合并對流迅速加強,此時宣州區(qū)大部分地區(qū)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣,宣桐K0和華陽站出現(xiàn)11級大風(fēng),之后向郎溪、廣德方向快速移動,造成郎溪國家站出現(xiàn)12級大風(fēng)(33.5 m/s)。通過風(fēng)暴分析(圖6(f)),颮線在發(fā)展過程中強回波中心一直保持在55～60 dBZ,強回波發(fā)展高度大約維持在6 km附近,在11時30分過后可看到回波中心的高度在不斷降低,VIL也有快速下降過程,主要考慮此時颮線后部動量下傳以及干空氣卷入后蒸發(fā)產(chǎn)生強烈的下沉氣流,從而使冷池快速移動形成地面大風(fēng)。

6.2 速度模糊

徑向速度圖上可看到11時45分(圖7(a))0.5°仰角涇縣到青陽一帶都為速度大值區(qū),且已出現(xiàn)速度模糊,速度為30 m/s左右;12時15分(圖7(b))宣州區(qū)西部存在30 m/s以上的徑向速度;13時02分(圖7(c))郎溪、廣德出現(xiàn)大片速度模糊區(qū),最大速度達到35 m/s左右。整個過程中0.5°仰角一直存在徑向速度大值區(qū),并且在颮線系統(tǒng)到達宣城前,颮線后部就已出現(xiàn)大片的入流急流區(qū),徑向速度也出現(xiàn)模糊現(xiàn)象,對宣城市出現(xiàn)大風(fēng)有很好的指示作用,而宣城各縣市區(qū)雖然都提前發(fā)布了雷雨大風(fēng)預(yù)警,但通過雷達分析仍可進一步提高預(yù)警提前量以及預(yù)警等級。

6.3 風(fēng)暴結(jié)構(gòu)分析

12時15分沿白線方向(圖8(a))做剖面,可看到徑向速度剖面上(圖8(b))颮線系統(tǒng)低層為大片的負速度大值區(qū),出現(xiàn)了徑向速度的模糊,最大速度在-35 m/s以上,系統(tǒng)前端是強的輻合上升區(qū),水汽抬升和能量的觸發(fā)釋放形成大量降水粒子的下沉與蒸發(fā),在風(fēng)暴后側(cè)由于拖拽作用,產(chǎn)生動量下傳,此時宣城地區(qū)地面氣溫下降近10 ℃,并配合干冷空氣的入侵,從而使下沉氣流加強,強烈的下沉空氣使颮線前部的冷池快速移動,在風(fēng)暴區(qū)域形成了大范圍的地面大風(fēng)區(qū);而前側(cè)的入流急流經(jīng)過冷池的抬升后,形成新對流單體并切斷后側(cè)上升入流,使新老單體不斷迭代,從而造成颮線系統(tǒng)的快速東移。

在風(fēng)廓線產(chǎn)品中(圖8(c))能看到在颮線到達宣城時,0～6 km的垂直風(fēng)切變有增強趨勢,12時左右0～6 km的垂直風(fēng)切變上升至20 m/s左右,前期雖然動力條件偏弱,但在超強的能量條件下激發(fā)對流產(chǎn)生,且在對流發(fā)展過程中動力條件逐漸增強,對冷池能夠持續(xù)維持起到關(guān)鍵作用,因而也使颮線系統(tǒng)能夠長時間存在影響宣城大部分地區(qū)。12時過后中上層的大風(fēng)核迅速下降也對應(yīng)了下沉氣流的增強,預(yù)示地面大風(fēng)的發(fā)生。

11時57分4.3°仰角大約3.3 km高度可以看到在宣城西南側(cè)出現(xiàn)了中層徑向輻合(圖8 (d)),相對速度達到40 m/s左右,屬于強的徑向輻合,且有中氣旋特征,說明此時對流風(fēng)暴快速發(fā)展,大風(fēng)速核在逐漸增強變厚,隨后宣州區(qū)大量站點出現(xiàn)10級雷暴大風(fēng)。抬高仰角,可以看到對流風(fēng)暴頂具有強烈輻散(圖8(e)),相對速度超過50 m/s,強烈的風(fēng)暴頂輻散使下沉作用加強,也增加了對流上下層間能量的交換,有利于下?lián)舯┝鞯漠a(chǎn)生。

6.4 雷暴大風(fēng)報警產(chǎn)品分析

在這次颮線過程發(fā)展東移前,rose2.0中雷暴大風(fēng)的預(yù)警產(chǎn)品在11時09分(圖9(a))左右就已經(jīng)預(yù)報出宣州區(qū)周邊將會有雷暴大風(fēng)天氣,而在整個過程期間一直持續(xù)到13時左右(圖9(b)),預(yù)警產(chǎn)品一直顯示宣城市大部分地區(qū)都有雷暴大風(fēng),整個過程預(yù)警提前20分鐘左右,預(yù)警范圍也與實況大致相當,對實際預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)起到了一定的指導(dǎo)作用。

7 結(jié)論

1)過程發(fā)生在500 hPa高空槽東移過境,副高邊緣,貝湖附近低壓后側(cè)弱冷空氣南下的背景中。500 hPa冷槽配合700、850 hPa的暖脊和地面輻合線有利于對流不穩(wěn)定能量的積累和觸發(fā)。

2)探空資料顯示皖南地區(qū)呈現(xiàn)“上冷下暖”的層結(jié)特征;850 hPa和500 hPa間的溫差為26 ℃左右,700 hPa與500 hPa之間溫差也大于15 ℃,這種“上干冷,下暖濕”的配置使皖南地區(qū)熱力不穩(wěn)定增強,有利于雷暴大風(fēng)發(fā)生。另外,大的對流有效位能、近地層的逆溫層、低的自由對流高度都有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)。0～3 km、0～6 km風(fēng)垂直切變偏弱,因此,這次過程是在強熱力不穩(wěn)定、偏弱動力不穩(wěn)定的環(huán)境背景中發(fā)生的。

3)雷達資料對強對流的短臨預(yù)報有很好的指導(dǎo)作用。回波的線性組織化、颮線的弓形彎曲及颮線前快速移動的陣風(fēng)鋒都在風(fēng)暴未達到宣城前就對雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)有指示作用;而低仰角的入流急流產(chǎn)生的大風(fēng)區(qū)和速度模糊都能讓預(yù)報員提前做出判斷并發(fā)布預(yù)警。颮線發(fā)展移動過程中,中層的徑向輻合、中氣旋特征以及垂直風(fēng)切變的增強都預(yù)示著風(fēng)暴繼續(xù)發(fā)展維持,風(fēng)暴頂?shù)膹娏逸椛ⅰ⒋箫L(fēng)核的快速下降都對下?lián)舯┝饔幸欢ㄖ甘尽Ａ硗?雷暴大風(fēng)的報警產(chǎn)品可在一定程度上指導(dǎo)預(yù)報員提前發(fā)布預(yù)警,達到預(yù)警時效的提前。