一次雷暴大風(fēng)天氣過程多普勒雷達(dá)特征分析

一次雷暴大風(fēng)天氣過程多普勒雷達(dá)特征分析

雷暴大風(fēng)的氣象意義夏季強(qiáng)對(duì)流的特點(diǎn)是：自發(fā)、局部、強(qiáng)影響、短持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)破壞力。這是報(bào)告和民防活動(dòng)的關(guān)鍵。做好強(qiáng)對(duì)流的氣候預(yù)測(cè)，積極響應(yīng)措施避免其損害。雷暴大風(fēng)是石家莊地區(qū)主要的氣象災(zāi)害之一,尤其是風(fēng)災(zāi)常常導(dǎo)致農(nóng)作物倒伏,進(jìn)而使農(nóng)作物減產(chǎn);大樹或樹枝折斷,廣告牌刮倒,傷害人及牲畜,造成財(cái)產(chǎn)損失,破壞生態(tài)環(huán)境,并給人們的社會(huì)活動(dòng)帶來不便。近年來,氣象工作者對(duì)中國(guó)錯(cuò)綜復(fù)雜的強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行了深入研究,并得到不少有益成果。秦麗等2009年8月27日15—18時(shí),石家莊地區(qū)除平山縣外的16個(gè)縣(市)出現(xiàn)雷雨、大風(fēng)強(qiáng)對(duì)流天氣,其中有13個(gè)縣(市)出現(xiàn)大風(fēng),5個(gè)縣(市)出現(xiàn)颮,東部平原的晉州和辛集風(fēng)速最大,瞬間最大風(fēng)速達(dá)25m·s1陣風(fēng)強(qiáng)度分析2009年8月27日14時(shí)(北京時(shí)間),石家莊地區(qū)天氣晴好,各縣(市)最高氣溫為32—36℃,位于西北部的平山縣最高氣溫為36℃。16時(shí)后,石家莊地區(qū)自西北向東南開始出現(xiàn)惡劣天氣,風(fēng)速突然加大,靈壽(16:29)、井陘(16:43)、無極(17:03)、藁城(17:11)、欒城(17:15)、元氏(17:21)、晉州(17:25)、辛集(17:34)、高邑(17:36)等9個(gè)縣(市)先后出現(xiàn)短時(shí)大風(fēng),陣風(fēng)最大風(fēng)速超20m·s由于本文側(cè)重于大風(fēng)的研究,故分析8月27日16:05—18:05靈壽、無極、欒城、晉州和辛集氣象站每隔5min的風(fēng)速變化(圖1)。由圖1可以看出,各站風(fēng)速均先后在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)突增,而且隨著時(shí)間推移,陣風(fēng)強(qiáng)度總體呈加強(qiáng)趨勢(shì)。對(duì)應(yīng)各縣(市)的地理分布也可以得出,大風(fēng)的強(qiáng)度自西北向東南逐漸加強(qiáng),其中加密風(fēng)自記記錄的西北部靈壽縣風(fēng)力最弱,東南部辛集最強(qiáng)。2結(jié)果分析2.1雷霆風(fēng)暴環(huán)境場(chǎng)的特點(diǎn)2.1.1地面采空槽wsp2009年8月27日08時(shí),500hPa高空?qǐng)D(圖略)上,亞洲中高緯度為兩槽一脊,冷空氣不斷從貝加爾湖北部沿高壓脊南下影響中國(guó)華北。850hPa上在40°N及以南地區(qū)為暖脊控制。地面貝加爾湖的西部向南有一明顯高壓帶,高壓前有弱冷鋒,27日白天鋒面自西北向東南移動(dòng)影響中國(guó)河北省。垂直結(jié)構(gòu)上,700hPa和850hPa及地面冷鋒南端為前傾結(jié)構(gòu),石家莊地區(qū)處于明顯上升運(yùn)動(dòng)區(qū),具有發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的動(dòng)力條件。高空有弱冷空氣東移,且500hPa溫度槽落后于高度槽,有利于高空槽東移發(fā)展;低層暖脊控制、T-T2.1.2穩(wěn)定度指標(biāo)的應(yīng)用大氣不穩(wěn)定層結(jié)是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的必備條件。選擇石家莊地區(qū)周邊太原、北京、邢臺(tái)和天津大港4站的探空資料進(jìn)行不穩(wěn)定度分析。從石家莊地區(qū)周圍的太原、北京、邢臺(tái)和大港4站2009年8月27日08時(shí)的T-logP圖(圖2)上可以看出,對(duì)流層中低層有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變(風(fēng)向和風(fēng)速),尤其是太原站的西南風(fēng)與西北風(fēng)切變,而且各站風(fēng)向隨高度升高呈順時(shí)針變化,為雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力條件。各站低層均有逆溫存在,“下濕上干”結(jié)構(gòu),層結(jié)廓線“向上呈漏斗形”,尤其是北京站為典型的喇叭口結(jié)構(gòu),有明顯的不穩(wěn)定能量,太原站和大港站也有不穩(wěn)定能量,但相對(duì)較小;邢臺(tái)站雖有少量不穩(wěn)定能量,但相比之下不利于對(duì)流發(fā)展;而石家莊地區(qū)位于太原—大港一線與北京之間的區(qū)域,白天隨溫度升高不穩(wěn)定能量不斷積累,有利于形成雷暴大風(fēng)天氣。以上4站當(dāng)日20時(shí)T-logP圖(圖略)顯示,各站仍有不穩(wěn)定能量存在。但與08時(shí)相比,北京、大港站的不穩(wěn)定能量已經(jīng)大量釋放,而太原和邢臺(tái)站的不穩(wěn)定能量明顯加強(qiáng),尤其是南部的邢臺(tái)站,20時(shí)T-logP圖上出現(xiàn)大面積正不穩(wěn)定能量區(qū),表明當(dāng)日白天,隨著時(shí)間的推移,不穩(wěn)定能量自東北向西南逐漸加強(qiáng),有利于河北省中南部的石家莊地區(qū)出現(xiàn)對(duì)流性天氣。配合表征穩(wěn)定度指標(biāo)的對(duì)流參數(shù)(表1)進(jìn)一步分析,K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI等作為反映大氣層結(jié)穩(wěn)定程度的物理量,常應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中。K、SI作為對(duì)流性天氣的熱力指標(biāo),08時(shí)太原、北京和大港站K>20℃,尤其是太原站K>30℃;同時(shí),08時(shí)太原、大港站SI<0,北京站SI也較小,可見石家莊站位于3站包圍的高能區(qū),存在明顯熱力不穩(wěn)定條件。反映動(dòng)力條件的大風(fēng)指數(shù)VV,08時(shí)和20時(shí)北京、邢臺(tái)VV>20,太原、大港08時(shí)VV較小,而20時(shí)VV值超過了20,表明白天大風(fēng)指數(shù)處于不斷增強(qiáng)的趨勢(shì),有動(dòng)力不穩(wěn)定潛勢(shì)發(fā)展。反映能量的物理量有對(duì)流有效位能CAPE和總指數(shù)TT。表1中各站08時(shí)CAPE值說明均有一定的對(duì)流有效位能,但不是很強(qiáng),只有北京站的CAPE值較大,接近500J·kg式(1)中,TT越大,表示不穩(wěn)定能量越多,越不穩(wěn)定。從表1可以看出,08時(shí)4站TT>40℃,表明08時(shí)已經(jīng)積聚了大量不穩(wěn)定能量。深對(duì)流指數(shù)反映對(duì)流層中低層的穩(wěn)定度情況以上分析表明,低層逆溫、“下濕上干”以及中低層垂直風(fēng)切變較強(qiáng)的層結(jié)不穩(wěn)定環(huán)境,為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI和對(duì)流有效位能CAPE值,作為強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)中常用的參考指標(biāo),在本次天氣過程中均顯示出了熱力和能量的不穩(wěn)定。大風(fēng)指數(shù)VV(>20)表征動(dòng)力不穩(wěn)定,但過程前的08時(shí)總指數(shù)TT(>40℃)更顯著說明了本區(qū)積聚了大量熱力不穩(wěn)定能量,而且深對(duì)流指數(shù)DCI(>24℃)也反映了中低層的不穩(wěn)定和對(duì)流潛勢(shì)。相比之下,總指數(shù)TT、深對(duì)流指數(shù)DCI對(duì)本次雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)更具指示意義。2.2旋等中尺度天氣系統(tǒng)雷暴大風(fēng)天氣過程中,陣風(fēng)鋒、颮線和中氣旋等中尺度天氣系統(tǒng)同時(shí)存在,在位于新樂縣的多普勒雷達(dá)產(chǎn)品演變圖上清晰可見。以下所用多普勒雷達(dá)資料體掃間隔為6min。2.2.1陣風(fēng)鋒和對(duì)流風(fēng)暴陣風(fēng)鋒出現(xiàn)在近地面層,回波帶在0.5°仰角的反射率因子PPI圖像上表現(xiàn)得較完整從以上演變特征可以看出,影響石家莊地區(qū)時(shí)間最長(zhǎng)的陣風(fēng)鋒水平尺度為100—130km,回波強(qiáng)度為5—25dBz,生命史為3.5h。陣風(fēng)鋒出現(xiàn)在對(duì)流風(fēng)暴前部。當(dāng)陣風(fēng)鋒速度大于對(duì)流風(fēng)暴速度時(shí),兩者距離越來越遠(yuǎn),陣風(fēng)鋒對(duì)對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)度有負(fù)反饋?zhàn)饔?以至于對(duì)流風(fēng)暴減弱甚至消亡;而當(dāng)陣風(fēng)鋒速度小于對(duì)流風(fēng)暴速度時(shí),兩者距離越來越近,陣風(fēng)鋒對(duì)對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)度有正反饋?zhàn)饔?對(duì)流風(fēng)暴則強(qiáng)盛發(fā)展,甚至有個(gè)別單體加強(qiáng)為超級(jí)單體對(duì)流風(fēng)暴。最大水平尺度為30km,鉤狀回波,發(fā)展旺盛時(shí)形似圓形、結(jié)構(gòu)密實(shí),回波強(qiáng)度≥55dBz,是超級(jí)單體對(duì)流風(fēng)暴所表現(xiàn)出的特征2.2.2風(fēng)暴相對(duì)徑向速度演變與中氣旋相對(duì)于風(fēng)暴的平均徑向速度(SRM)產(chǎn)品與基本速度產(chǎn)品類似,減去了由風(fēng)暴跟蹤信息(STI)識(shí)別的所有風(fēng)暴的平均運(yùn)動(dòng)速度,此產(chǎn)品可用來探測(cè)被風(fēng)暴運(yùn)動(dòng)掩蓋掉的切變區(qū)域,如中氣旋等通過對(duì)風(fēng)暴相對(duì)徑向速度演變圖的分析,以及對(duì)地面大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)經(jīng)過測(cè)站的中尺度天氣系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)(表2),可以看出,風(fēng)暴相對(duì)徑向速度圖上中氣旋Y經(jīng)過對(duì)基本反射率因子演變圖與風(fēng)暴相對(duì)徑向速度演變圖的比較發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)短時(shí)大風(fēng)天氣的井陘、元氏和高邑3站,陣風(fēng)鋒經(jīng)過前后的風(fēng)暴相對(duì)徑向速度圖上對(duì)應(yīng)位置存在著弱的風(fēng)向風(fēng)速輻合區(qū);而陣風(fēng)鋒經(jīng)過前后沒有出現(xiàn)短時(shí)大風(fēng)或風(fēng)速突增的測(cè)站,風(fēng)暴相對(duì)徑向速度圖上對(duì)應(yīng)位置不存在風(fēng)向風(fēng)速輻合。3雷暴大風(fēng)天氣過程相關(guān)指標(biāo)提取(1)石家莊地區(qū)的周邊探空資料顯示,低層逆溫、“下濕上干”,有不穩(wěn)定能量存在;中低層垂直風(fēng)切變較強(qiáng),層結(jié)不穩(wěn)定,為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。(2)常用的K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI雖然顯示了一定的熱力不穩(wěn)定條件,但天氣過程前的08時(shí)總指數(shù)TT(>40℃)更顯著說明了全區(qū)積聚了大量熱力不穩(wěn)定能量;而且深對(duì)流指數(shù)DCI(>24℃)也反映了中低層的不穩(wěn)定和對(duì)流潛勢(shì),對(duì)預(yù)報(bào)更具指示意義?？傊笖?shù)TT、深對(duì)流指數(shù)DCI的預(yù)報(bào)指標(biāo),必須經(jīng)過氣候統(tǒng)計(jì)得出,而本文只分析了一次雷暴大風(fēng)天氣過程,故有必要深入研究。(3)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的陣風(fēng)鋒水平尺度為100—130km,回波強(qiáng)度為5—25dBz,生命史長(zhǎng)達(dá)3.5h。陣風(fēng)鋒出現(xiàn)在對(duì)流風(fēng)暴前部,對(duì)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展強(qiáng)度有反饋?zhàn)饔?當(dāng)二者逐漸遠(yuǎn)離時(shí),對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)度減弱甚至消亡;當(dāng)二者逐漸靠近時(shí),對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展加強(qiáng),甚至發(fā)展為超級(jí)單體對(duì)流風(fēng)暴。這種反饋?zhàn)饔脤?duì)短時(shí)及臨近預(yù)報(bào)具有指示意義。(4)鉤狀回波、人字形回波、弓形回波和深厚發(fā)展的中氣旋是天氣過程中的超級(jí)單體對(duì)流風(fēng)暴的典型特征。地面災(zāi)害性大風(fēng)主要由超級(jí)單體對(duì)流風(fēng)暴所引發(fā)。(5)對(duì)比回波強(qiáng)度特征與各站出現(xiàn)大風(fēng)時(shí)間發(fā)現(xiàn)