一次高空冷平流诱发的极端雷暴大风分析

韦 玮, 张 涛, 张东方, 周 聪

(成都市气象局,四川 成都 611133)

0 引言

雷暴大风是伴随强对流风暴出现的瞬时风速≥17.2 m·s-1(或者8 级)的大风天气,具有空间尺度小、突发性强、破坏力大、致灾性重等特点,一直是气象监测和业务预报的重点和难点[1]。近年来,在雷暴大风天气发生的环流背景[2-6]、环境条件[7-12]、多普勒天气雷达特征[6,13-16]、产生的对流系统[17-21]、形成机制[7-8,22-23]等方面取得了丰硕的研究成果。由于气候条件、地形条件以及监测设备等差异,使不同地方的雷暴大风研究进展不同。

对四川盆地(简称“盆地”),雷暴大风主要发生在夏季,7月达年内峰值,且在午后和夜间较活跃[24],发生的主要环流背景可分为深厚低槽(低涡)后部类、低槽(切变)东移类、副热带高压西侧切变类和东风扰动类4 类[6],其中深厚低槽(低涡)后部类和孙继松等[25]总结的高空冷平流强迫类有诸多相同之处。从环境条件看,盆地雷暴大风发生时大气可降水含量大,地面露点温度高,一般在400 ～500 hPa存在明显干层,通常具有上干下湿的垂直结构特征[24]。其发展与后侧入流加强[26]、移动到动力抬升作用最强和条件不稳定最为显著的区域[16]有关。盆地雷暴大风对应的雷达回波具有风速大值区、回波质心下降、VIL 下降、中层径向辐合和辐散等特征,其中风速大值区最为常见,个别站点仅具有回波强度大且梯度强的特征[6]。从地域看,盆地雷暴大风研究更多集中在北部和东部,如2015年“4.4”盆地中北部极端大风[16]、2016年“6.4”川北飑线大风[26]、2017年“7.28”南充大风[27]和2019年“4.9”川东飑线大风[28],这些雷暴大风事件均造成了严重的人员伤亡和财产损失。由于下垫面热力和动力性质的非均匀性,以及特殊地形的影响,对流系统的发生发展和结构演变更具有多样性[29-30],进一步增加了盆地内雷暴大风的预报难度,故仍有必要对造成盆地雷暴大风的中小尺度对流系统进行研究,特别是发生在盆地西部的雷暴大风,从而不断提升雷暴大风的短临预警能力。

过去对雷暴大风的研究中少有联合多部风廓线雷达资料分析(尤其在四川盆地),主要原因是缺乏风廓线雷达观测。近年来,随着成都风廓线雷达网的建设,使利用风廓线资料对雷暴大风分析成为可能。本文利用多部风廓线雷达、多普勒天气雷达和加密自动站等观测资料及ERA5(0.25°×0.25°)逐小时再分析资料,综合分析2021年7月18日凌晨出现在盆地西部的一次局地雷暴大风天气的环境条件、风暴演变、地面要素变化、风暴精细化结构和增强减弱机制,旨在加深对此类天气的认识,为灾害性天气的监测预警提供有利参考。

1 天气形势及环境条件分析

2021年7月17日22 时到18日04 时盆地西部自北向南出现了一次局地极端雷暴大风天气,59 个台站出现了17.2 m·s-1(8 级)以上阵性大风。过程最大风速出现在00:35 德阳什邡禾丰28 m·s-1(10 级),成都最大风速出现在 00: 55 彭州九尺双土27.1 m·s-1(10 级),均突破当地历史极值,造成2 人死亡、部分农作物绝收和房屋受损。

17日白天盆地受深厚偏北气流控制,天气晴好,午后最高气温普遍升至33 ℃以上。夜间(图1a)200 hPa南亚高压脊线位于30 °N附近,500 hPa青藏高压中心位于青海西北部,中心强度达592 位势什米,控制新疆南部、青海、甘肃、西藏以及川西高原到四川盆地西部,高压东侧从甘陕南部到盆地西部有一支8 ～12 m·s-1的偏北显著气流。受高原北侧下滑冷平流影响,500 hPa甘肃南部形成了-4 ℃的24 h负变温中心,陕西南部形成了温度槽,而甘、陕、宁交界为温度露点差T-Td≥15 ℃的干区。700 hPa有显著偏北气流从河套西部延伸至盆地西部,且盆地为T-Td≤5 ℃的湿区。850 hPa 贵州西部到盆地西部为24 h 正变温≥3 ℃的暖区。地面上,盆地为弱暖低压控制。高层强偏北气流引导甘、陕南部的干冷空气翻越秦岭到达盆地西部,叠加在低层暖湿空气之上,使层结不稳定度加大,850 hPa与500 hPa的温度差≥25 ℃。温江站K指数增加到40.1 ℃,湿对流有效位能(CAPE)增加到1976.2 J·Kg-1,在高空冷平流的强迫下造成了此次局地雷暴大风天气。

图1 2021年7月17日20 时中分析图和探空图

20 时温江站探空显示(图1b),0 ～6 km为中等强度垂直风切变,强于成都地区一般强对流天气下的垂直风切变。400 ～500 hPa,T-Td在4 ℃以上(最大11.8 ℃),且风随高度逆转,说明对流层中高层有明显干冷平流；同时850 hPa以下存在明显干层(T-Td＞7 ℃)。相比08 时(图略),20 时对流层中低层大气湿度明显下降、中高层干冷平流增强,均有利于降水粒子在下降过程中持续蒸发冷却,对下沉气流负浮力的维持和加强有重要作用。同时,抬升凝结高度(LCL)以下温湿廓线呈“喇叭口”结构,且温度廓线与干绝热线接近平行,有利于下沉气流在该层次上负浮力的维持或加强,有助于雷暴大风的发生[7-8]。

2 雷暴大风演变特征

2.1 卫星和雷达演变特征

17日傍晚前后甘肃南部有孤立椭圆形中-β 尺度对流云团生成,17日21 时青藏高压外围偏北气流引导云团逐渐进入四川,并沿着盆地西部山前继续向南移动,17日22 h至18日04 时自北向南影响四川广元、绵阳、德阳、成都4 市的西部和雅安、眉山一带(图略)。成都雷达显示,18日00:20 前,多单体风暴位于绵阳西部,处于发展阶段,45 dBZ发展高度达10 km,回波中心强度达60 dBZ,回波顶高(ET)达15 km。00:20-02:00(图2),多单体风暴加强到最强,处于成熟阶段,自北向南影响什邡、彭州、郫都、温江及周边,期间V 型缺口特征最明显,0.5°仰角径向速度图上负速度中心超30 m·s-1。其中,00:30 回波前沿影响彭州边界,45 dBZ回波发展高度达12 km,回波中心强度增加到65 dBZ以上,ET 增加到18 km,60 dBZ以上回波中心发展到8 km以上(图2a、d)。02:00-03:00 多单体风暴处于减弱阶段,其继续南移影响崇州、大邑、邛崃、蒲江,虽风暴前侧不断有新对流单体生成合并,但强度有所减弱且结构变得松散,最强反射率因子下降到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(图略)。03:04 后回波移出成都。值得注意的是,风暴在成都境内南移过程中,其前侧伴有明显阵风锋(图2b、c),维持时间超2 h,最大水平尺度超30 km。

图2 2021年7月18日成都雷达1.5°仰角基本反射率和反射率因子剖面(图中CD 为成都)

2.2 地面自动站要素演变

伴有阵风锋出现的雷暴大风常常会造成气温骤降、气压涌升和风向突变等现象[31-33]。此次雷暴大风中也出现类似变化(图3)。选取彭州和邛崃国家站分钟级资料分析多单体风暴成熟阶段和减弱阶段的各气象要素变化。由图3 可见,随着阵风锋到达本站,气象要素开始出现明显变化,且气象要素变化先后依次为气压和风、气温和相对湿度、降水,但成熟阶段气象要素变化的剧烈程度强于减弱阶段。以气压和气温为例,成熟阶段气压升高3 hPa,气温下降4.9 ℃,而减弱阶段气压升高为2.2 hPa,气温下降3.8 ℃。同时可以看出相对湿度在冷池中表现为先急降后陡增,且其低值时段与风速大值时段对应关系较好。从时间上来看,成熟和减弱阶段最大瞬时风速均出现在气压涌升和风速剧增开始变化后的15 min左右。彭州站降水出现在气压开始突变后的10 min,而减弱阶段的邛崃降水出现在气压和风速开始突变后的28 min,时间间隔明显增加,这与阵风锋在减弱阶段离风暴母体距离增大有关。

图3 彭州、邛崃气象要素变化曲线(三角形代表阵风锋开始影响时刻)

此外,成熟阶段降水和最大瞬时风速出现时间十分接近,结合对流单体风暴模型,表明此时最大风速出现风暴母体中心偏后部一侧；而减弱阶段最大瞬时风速出现在降水之前,表明最大风速区出现在风暴母体前侧阵风锋附近,相对于成熟阶段最大风速区明显前移。进一步结合00:00-01:00 地面6 级以上大风区域和雷达回波演变可见(图4),成熟阶段地面6 级以上大风区域主要位于阵风锋后侧,风暴母体V 型缺口及偏右一侧；而8 级以上灾害性大风位于风暴母体下方,V 型缺口右侧,而右侧正好是阵风锋相对风暴母体更远的一侧。

图4 7月18日00:00 -01:00 地面变压、6 级以上大风区域

3 风暴立体空间结构的精细分析

对风暴强下沉气流、冷池以及阵风锋空间结构和概念模型研究[33-36]中,基于多部风廓线雷达和天气雷达资料分析的个例并不多见,故本文选取伴有阵风锋出现的成熟阶段多单体风暴,结合彭州、郫都、温江风廓线雷达资料分析其空间精细结构。由图5 可见,01:12风暴母体前沿正好到达郫都站,阵风锋即将到达温江站,风暴母体尾部正好位于彭州(图5)。

图5 7月18日01:12 成都雷达1.5°仰角反射率因子

随着阵风锋和多单体的影响,近地面水平风向迅速从弱偏南风转为强东北风,1 km以下最大水平风速达20 m·s-1以上,下沉气流达10 m·s-1以上,说明风暴内强下沉气流形成的出流给地面带来了极端大风。结合风廓线雷达资料和风暴垂直结构,进一步分析风暴后侧入流急流转为强下沉气流的特征,如图6(a)中白色短线箭头A,2.5 km以上有东北风急流存在,急流在风暴内向前运动时水平风速有所减小,但垂直向下的速度分量从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与风暴内的降雨拖曳作用有关[32,37],另一方面与后侧入流急流和暖湿空气混合产生的显著蒸发冷却作用有关[38-39]。风暴母体后部,自动站分钟雨量有所减小,风廓线雷达上下沉气流最大速度也较风暴前部下沉速度略小(图6(a)中白色短线箭头B)。风暴尾部处,后侧入流进入风暴内部有限,蒸发冷却作用有限,使得下沉气流进一步明显减弱,1.5 ～2.5 km高度上为弱下沉区,甚至还出现了上升运动(图6a中白色短线箭头C)。

图6 7月18日00:20-02:00 彭州、郫都、温江风廓线雷达水平风和垂直速度时间演变

结合3 站风廓线雷达资料对01:12 风暴母体、冷空气出流和阵风锋空间剖面结构进行分析。1:10 彭州站(图6a),4 km以下为8 ～10 m·s-1的下沉气流,个别高度甚至在10 m·s-1以上,表明风暴后部为深厚的显著下沉运动。01:10 郫都站(图6b),下沉气流形成的冷池厚度达到1.0 km,偏西偏南的暖湿气流被冷池抬升到1.0 km以上,暖湿上升气流和干冷下沉气流在风暴内辐合使风暴维持或发展。01:10 温江站(图6c中的红色箭头)上空有明显的上升气流,高度可达3.0 ～4.0 km,受阵风锋附近冷暖空气交汇影响,水平风速小于2 m·s-1。在暖湿气流后侧,1.0 km以下的弱下沉运动,近地面的弱上升运动(图6c 中的蓝色箭头)可能是冷池在触地后向上卷起,而形成的滚轴状的水平涡旋[40]。

4 风暴强度变化成因分析

4.1 增强和维持的原因

据雷达回波分析,18日00:20-01:07 多单体风暴从绵竹南部移动到彭州,风暴母体快速地发展增强,地面瞬时极大风速达到过程最大。这与该区域有利的不稳定能量、干冷空气入流和边界层辐合等条件密不可分[41-42]。

首先显著增强的中层干冷空气,加强了风暴母体内部的蒸发冷却,同时雨强的增加产生了更显著的向下拖曳作用。风暴母体增强阶段的雷达回波可清晰地识别出其后侧存在明显入流缺口(图2b),还有前侧弱的入流缺口。00-01 时彭州上空(图7a、b),随着550 ～650 hPa高度上转冷平流,使800 hPa以上全为冷平流(矩形框区域),中心强度为-9.0 ～-6.0 ×10-5K·s-1位于450 hPa附近；同时刻风廓线雷达上可见(图6a)该区域上空对流层中层转为偏北风,最大风速可达20 m·s-1以上。这表明风暴母体后部中层有入流急流携带干冷空气进入风暴,使风暴母体内部的蒸发冷却作用增强,风暴母体进一步增强。01 时前后风暴母体产生的10 min降水量较00 时前的雨强明显增大,雨强的增大将有助于向下拖曳作用变强,与干冷空气蒸发冷却作用对下沉气流增强产生叠加效应。

图7 2021年7月18日垂直速度(等值线)温度平流(阴影)的剖面及地面要素场和流场分布

其次,风暴母体所处环境大气热力不稳定度的维持并略有增强。00-01 时温度平流垂直分布图上,彭州上空800 hPa以上转为深厚的冷平流区,彭州以南800 ～850 hPa暖平流维持,表明垂直方向的热力不稳定度维持并略有增加。水平方向上,受干冷空气侵入蒸发冷却效应影响,彭州北侧850 hPa附近冷平流从-3.0 × 10-5K·s-1左右增强到-9.0 ～ - 6.0 ×10-5K·s-1,使风暴母体低层水平方向热力不稳定度增加。同时30.8 °N附近的800 Pa以下南风有所增强增厚(图6b),强的垂直风切变有利于暖湿气流和干冷空气在风暴内共存。

地面冷池强度及其抬升作用的增强。如图7(c)所示,01 时绵竹和彭州附近为显著1 h负变温区和正变压区,正变压较前1 h增加了0.8 hPa,风场上表现为明显的辐散,这是风暴中强的冷性下沉气流形成的冷池。冷池出流和前侧偏南风形成显著的辐合抬升,对风暴前侧入流形成更明显的强迫。01 时地面的假相当位温θse分布可见(图7d),在冷池的前侧大部分地方θse在89 ℃～97 ℃,其梯度值可达7 ℃/10 km,为新对流的生成和风暴母体的维持提供了必要条件。结合流场上的辐合线位置,更有利于风暴向成都西南侧发展。

利用RKW 理论[43],可以从动力角度出发,对冷池出流和近风暴母体环境低层切变入流进行分析[44],进一步认识风暴母体增强的原因。本文采用陈明轩等[45]提出的密度流传播速度计算方法:

其中,C代表冷池的传播速度,ΔP代表冷池内外地面气压的变化,ˉρ代表地面空气的平均密度。风垂直切变采用风暴母体前侧临近的风廓线雷达进行计算。经过计算,00:40 冷池传播速度和风切变的比值为0.94～1.02。该比值非常接近1,表明冷池产生的水平负涡度与低层风垂直切变产生的正涡度接近平衡状态[43],对此次弓形状多单体风暴发展维持最为有利。

4.2 强对流特征的转变

02 时冷暖平流剖面图显示(图8a),800 hPa以下暖平流持续增强,达9.0×10-5K·s-1以上,800 hPa以上为冷平流,强度无明显变化,强的不稳定层结利于冷池前侧触发新对流,与原对流系统合并,从而维持对流系统。但是,02 时前后强对流特征却发生了明显的变化,如地面极大风速减弱1 ～2 个风力等级,短时强降水站点数较前期更多。

图8 2021年7月18日风暴减弱阶段物理量诊断图

当风暴母体从彭州和郫都继续向南移动时,风暴母体从弓形状的多单体风暴转变为非线性对流系统(NL)。后侧入流缺口依旧存在(图2c),但缺口深度变浅,表明入流明显减弱。同时还有一个显著的不同,彭州地区弓形状多单体风暴中＞45 dBZ的强回波前后宽度仅10 ～15 km,而此时NL 中＞45 dBZ回波宽度增至20 km以上,且干冷空气入流在NL 后侧的回波单体中,而暖湿入流在NL 前侧的强回波中,表明随着阵风锋远离母体,NL 前侧虽有对流不断新生,但后侧和前侧入流间距离增大,使得冷池对前侧入流的强迫抬升作用减弱,不利于深厚对流发展。

此外,冷池向前扩散过程中,其前侧边界层偏南气流明显使其与冷池出流间的辐合抬升作用减弱(图8b)。冷池前θse下降到85 ℃～91 ℃,梯度值下降到3 ℃/10 km(图8c),暖湿空气与冷池的交界面变得更加宽广,大气热力不稳定度也有所减弱。即:风暴母体结构和形态的变化,配合热力不稳定度和冷池强度减弱,以及阵风锋的远离造成了强对流特征变化。

5 结论

目前盆地西部对灾害性或极端大风的研究认识不足,导致预报预警水平不高。基于分钟级自动站资料、多部风廓线雷达资料、多普勒天气雷达资料和ERA5逐小时再分析资料(0.25°×0.25°)等,对2021年7月18日四川盆地西部一次极端雷暴大风环境条件、形成成因、精细结构和发展机制进行分析,得到结论如下:

(1)此次雷暴大风是在高空干冷平流侵入低层暖湿区域以及中等强度垂直风切变作用下,配合LCL 以下“喇叭口”结构的温湿廓线条件形成。雷暴大风形成后,在高能不稳定大气中,受深厚的偏北气流引导下自北向南影响盆地西部。

(2)成熟和消亡阶段,多单体风暴及前侧的阵风锋过境时,先后造成了气压陡升、风速剧增、气温骤降和相对湿度急降陡升；本站气压涌升开始和风向突变时刻较最大瞬时风速出现提前15 min左右,且相对湿度的低值时段与瞬时风速的大值时段有较好的对应关系。成熟阶段灾害性大风发生的区域位于风暴母体V型缺口顶部及其右侧区域。

(3)风廓线雷达资料反映此次雷暴下沉气流形成的冷池出流厚度为1 km 左右, 下沉速度超过10 m·s-1。风廓线雷达较好地观测到风暴内部和周围环境的垂直结构,特别是风暴后侧高空干冷空气入流转变为强下沉气流以及风暴前侧阵风锋的精细空间结构特征。

(4)风暴母体从绵竹南移到彭州时,大气热力不稳定度的维持,受中层干冷空气入流加强为急流、蒸发冷却和降水拖曳明显增强、冷池梯度加大、阵风锋的强迫抬加强等因素使风暴发展为过程最强阶段,并呈弓形多单体。此时,风暴内下沉气流达到最强,从而诱发地面风速达到最大。进一步应用RKW 理论发现此时冷池和低层风垂直切变产生的水平涡度接近平衡状态。

对此次雷暴大风天气的多单体风暴母体精细化结构及强度变化原因进行了分析,但由于造成局地大风的对流系统种类多,差异明显,仍应加强不同对流系统下雷暴大风的收集和分类研究,进而为分级、分区预警提供有益参考。

致谢:感谢成都市气象局短平快课题(2022-6)、成都市气象局重点课题(2022-3)对本文的资助