撫順市一次人工萌發(fā)性雹天氣過程成因分析

撫順市一次人工萌發(fā)性雹天氣過程成因分析

冰、風、雨、風、短期強降流時間是由中小型氣候系統(tǒng)引起的。它的發(fā)生和發(fā)展的突然性和地方性，以及預(yù)測的困難。近幾年來,隨著我國新一代多普勒天氣雷達觀測網(wǎng)的建立和業(yè)務(wù)化運行,多普勒雷達資料已廣泛應(yīng)用于暴雨、強對流天氣的監(jiān)測分析和短時預(yù)報。我國氣象工作者利用新一代天氣雷達數(shù)據(jù)對強對流天氣進行了一些個例研究,包括產(chǎn)生冰雹、龍卷風和大風的超級單體風暴、多單體風暴和颮線。冰雹、雷雨、大風、短時強降水強對流天氣是撫順地區(qū)常出現(xiàn)的強對流天氣,出現(xiàn)時間短,常造成較重災(zāi)害。2009年6月21日13:00～15:00撫順東部地區(qū)新賓縣新賓鎮(zhèn)、北四平、紅升、旺清門、紅廟子、永陵、榆樹、清原縣大蘇河多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)了冰雹天氣,該次冰雹過程中最大冰雹直徑為2cm,最長持續(xù)時間達10min,冰雹厚度(圖1)局地最深處達10cm,有的嚴重地段地面被冰雹覆蓋。受災(zāi)作物包括玉米、水稻、大豆、中藥材、山野菜、蔬菜等(圖1),全市受災(zāi)面積為4415.53hm2,直接經(jīng)濟損失達2000萬元。此次撫順“090621”冰雹是撫順初夏出現(xiàn)的一次明顯災(zāi)害性天氣。筆者利用常規(guī)氣象資料和沈陽多普勒天氣雷達探測資料,對該過程中尺度天氣系統(tǒng)活動特征進行了綜合分析,探討了冰雹天氣的成因,揭示了強對流天氣過程的雷達回波特征,為提高新一代天氣雷達技術(shù)的應(yīng)用水平和短時強對流天氣預(yù)報提供參考。1環(huán)境參數(shù)及環(huán)流條件2009年6月21日8:00500hPa高空圖中(圖2a),撫順處在冷渦底部的西南氣流中,冷渦中心位于內(nèi)蒙東部,從貝加爾湖至內(nèi)蒙中部有冷空氣沿冷渦后部偏北氣流南下,高空槽位于內(nèi)蒙東部一帶。2009年6月21日8:00700hPa高空圖上(圖2b)切變線進入遼寧西部,未來12h將東移影響撫順地區(qū),給強對流天氣形成了比較有利的環(huán)流條件。2009年6月21日8:00850hPa高空圖上(圖2c)在撫順東部地區(qū)至營口已形成東北—西南向切變線,切變線兩側(cè)有明顯風向、風速輻合,為強對流天氣形成了比較有利于中尺度環(huán)流的背景。2009年6月21日14:00地面(圖2d)在黑龍江北部至華北地區(qū)形成東北低壓。撫順位于低壓底部,14:00997.5hPa等壓線在遼寧東北部向北部突起,突起等壓線頂部與14:00地面輻合線對應(yīng)。對流單體沿地面輻合線從西南向東北方向移動,出現(xiàn)冰雹天氣。2物理和化學性質(zhì)分析2.1物理分析2.1.1探空站基本特征分析首先分析大氣層結(jié)穩(wěn)定度。21日8:00沈陽探空站探空曲線如圖3所示,圖中紅色面積區(qū)域表示正面積區(qū),藍色區(qū)域表示負面積區(qū)。中間區(qū)域的面積代表CAPE(對流有效位能)值。沈陽站CAPE值為正,表明具有不穩(wěn)定能量,但數(shù)值并不大,因此單從探空站8:00對流有效位能分析很難看出下午具有發(fā)生強對流的潛勢。主要原因在于探空站時空分辨率較低,其空間分辨率約為200km,時間間隔為12h,而大氣穩(wěn)定度的時空變化很大,所以根據(jù)常規(guī)探空資料計算的CAPE值對于強對流發(fā)生潛勢的指示性非常有限。然后檢驗風垂直廓線。圖3中空曲線底層925hPa為6m/s的西南風,850hPa為8m/s的西北風,700hPa為14m/s的西北風,500hPa為32m/s的西風,500～200hPa風向無變化,為一致的西風。因此低層風向隨高度順時針旋轉(zhuǎn),風速增大,有利于氣旋右移超級單體風暴的產(chǎn)生。地面到500hPa的風速垂直切變大小在6～32m/s,厚度為0～500km。2.1.2入侵冷空氣6月21日8:00～20:00850hPa有冷溫度槽迅速東移經(jīng)過撫順,冷空氣侵入加劇了大氣層結(jié)不穩(wěn)定,觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放。2.2對動態(tài)條件的分析2.2.1圍巖環(huán)流該次天氣過程中,高低空均存在西南急流,21日8:00850hPa在大連到丹東有12m/s急流,700hPa急流北抬,位于朝陽—沈陽—撫順,風速16～26m/s。急流建立為冰雹天氣提供了對流條件。2.2.2動力條件分析從21日8:00850hPa垂直速度圖分析,撫順地區(qū)為垂直速度上升區(qū),為冰雹天氣提供了必要的動力條件。21日20:00冰雹天氣已結(jié)束,850hPa無垂直速度上升區(qū)。3雷達數(shù)據(jù)的分析雷達探測產(chǎn)品是短時臨近預(yù)報的主要工具,特別是對強對流天氣的影響時間、范圍、強度等的預(yù)報,更要認真分析雷達探測產(chǎn)品。3.1對流單體回波特征從1.5°仰角基本反射率圖(圖4a)看出,21日12:57雷達站右側(cè),相對于雷達位置為“80°,63km”處,有30～45dBz中尺度帶狀回波,中心嵌有57dBz塊,此后在雷達站東南“90～180°,50～150km”的位置有多個對流單體生成,對流單體向東北方向移動,發(fā)展成塊狀,回波強度增大。13:351.5°仰角基本反射率圖(圖4b)已生成5個對流單體,前3個已分別進入撫順縣、新賓縣、清原縣境內(nèi),回波強度在30～55dBz,對流單體最大回波強度已達到64dBz。13:54(圖4c)1.5°仰角對流單體發(fā)展極強盛階段,清原境內(nèi)第2個對流單體為25km×25km塊狀,基本反射率圖已出現(xiàn)穹窿和懸垂結(jié)構(gòu)特征,最大回波強度達到64dBz,13:540.5°仰角圖(圖4d)上此對流單體基本反射率出現(xiàn)鉤狀回波特征,最大回波強度達到69dBz,此對流單體在清原縣境內(nèi)維持,造成清原大蘇河冰雹。13:54(圖4c)1.5°仰角第3個對流單體已移入新賓境內(nèi),為25km×50km塊狀,最大回波強度達到55dBz,13:59(圖4e)1.5°仰角對流單體自西向東移動,回波強度增大,最大回波強度達到60dBz,前側(cè)出現(xiàn)鉤狀特征。14:32(圖4f)1.5°仰角此對流單體回波已出現(xiàn)弓形特征,最大回波強度已達到64dBz,13:590.5°仰角(圖4g)此對流單體回波左前側(cè)出現(xiàn)鉤狀回波特征,此時是對流單體發(fā)展最強盛階段,新賓縣冰雹由此對流單體造成。15:01(圖4h)此對流單體移入吉林境內(nèi),回波強度減弱,冰雹天氣結(jié)束。3.2對流單體含量增加13:16進入清原縣境內(nèi)的對流單體最大垂直液態(tài)水含量分別為36和25km/m2,13:54,2個對流單體垂直液態(tài)水含量分別增至50和35km/m2,且原來新賓縣境內(nèi)對流單體移入清原境內(nèi)。13:49新對流單體進入新賓境內(nèi),最大垂直液態(tài)水含量達48km/m2。此對流單體東移,最大垂直液態(tài)水含量增大,14:44達到52km/m2,15:01開始減小,且對流單體進入吉林。根據(jù)以上過程分析,清原縣、新賓縣出現(xiàn)冰雹的對流單體最大垂直液態(tài)水含量為50～52km/m2。3.3速度區(qū)和陣風鋒13:211.5°仰角徑向速度表明,雷達站北部零速度線為s形狀,說明有暖平流。鐵嶺、撫順地區(qū)有正出流速度區(qū),雷達站西北部、鐵嶺、沈陽部分地區(qū)有負入流速度區(qū),最大速度為31m/s。13:30零速度線消失。13:352.4°仰角徑向速度圖(圖5a)50km處撫順縣正速度區(qū)包圍負速度區(qū),出現(xiàn)逆風區(qū)。14:08(圖5b)在雷達站西側(cè)90～150km處有大片正速度區(qū)和星點負速度區(qū),有輻合區(qū)存在。14:18在新賓縣對流單體東南側(cè)有負入流速度區(qū),西北側(cè)正出流速度區(qū),輻合加強,14:42(圖5d)新賓縣地區(qū)東部正負速度輻合區(qū)仍維持。新賓縣觀測站記錄冰雹時間為14:37,在上游出現(xiàn)逆風區(qū)1h后出現(xiàn)冰雹。3.4暖平流判定標準在垂直風廓線圖(圖6)中12:25低層為偏南風,高層為偏西風,風隨高度順轉(zhuǎn),判斷沈陽站附近中低空存在暖平流。13:02以后4.3～7.3km層有偏東風,風向出現(xiàn)180°變化,風速增大,風向、風速出現(xiàn)較大切變,這種垂直切變是發(fā)生強對流天氣重要條件。3.5對流單體回波特征13:11(圖7a)雷達站西北部,位于清原縣有2～9km回波區(qū),最大回波頂高為8.8km。13:54(圖7b)位于清原縣、撫順縣對流單體回波頂高增大,清原縣最大回波頂高9～11km,對流單體最大回波區(qū)頂高9km。14:27(圖7c)位于新賓縣對流單體回波頂高9～11km。14:37(圖7d)后對流單體逐漸東移,回波頂高逐漸減小。由以上分析可知,形成這次冰雹天氣的對流單體回波頂高為9～11km。4高低空材料(1)此次冰雹天氣發(fā)生在地面低壓帶、500hPa冷渦底部東南象限中。500hPa冷渦移動觸發(fā)低層切變線形成。(2)冰雹發(fā)生前大氣有不穩(wěn)定能量和水汽輸送條件。850hPa低空冷空氣的侵入加劇了大氣層結(jié)不穩(wěn)定,促進不穩(wěn)定能量的釋放,產(chǎn)生冰雹天氣,高低空急流配合為強對流發(fā)展提供了動力條件。(3)多普勒雷達資料分析表明,