黔北一次下击暴流事件成因及雷达回波特征分析

2023-09-26张云秋刘红双

中低纬山地气象 2023年4期

李霞,张云秋,刘红双,唐海,杨熠

(贵州省遵义市气象局,贵州遵义 563000)

0 引言

下击暴流是对流风暴中强下沉气流到达地面产生辐散造成的灾害性大风天气,其产生的大风往往造成大树连根拔起、房屋倒塌等极端灾害事件,对人民生命财产安全构成极大的威胁。且下击暴流尺度小,生命史短,是灾害性天气预报预警服务的重难点。目前国内外部分学者对此类事件进行研究,总结出了下击暴流天气的雷达回波特征。ROBERTS[1]等研究了31个下击暴流事件后指出,孤立的雷暴单体在产生下击暴流之前反射率因子会持续下降;俞小鼎等[2]首次利用雷达资料对一次下击暴流事件进行详细分析,发现下击暴流天气发生前,反射率因子核心降低,云底以上有辐合;下击暴流发生时存在低层辐散,中层辐合的风场特征[3];毕旭等[4]认为中层辐合增强后会产生补偿作用,使对流再次增强,并维持低层的辐散下沉;同时在下击暴流天气出现前,风暴明显发展,某些个例会伴有回波悬垂结构和三体散射特征[5]。

贵州省位于云贵高原地区,山地特征显著,下垫面复杂且尺度不均匀,对大气运动影响大,而雷达探测手段主要以C波段为主,受地形等因素影响衰减严重,在强对流天气雷达资料的利用上存在局限性。目前国内对于山地下击暴流天气的研究也比较少,在贵州省雷暴大风天气方面的研究上,李力等[6]统计了贵州省雷暴大风的时空分布特征,指出贵州省雷暴大风主要发生在午后到夜间的时间段内,5月和8月是发生频次最多的时候。许可等[7]利用贵阳C波段雷达对一次暖区飑线大风的雷达结构特征进行了分析,发现回波具有中层径向辐合大风区下传现象。

2021年5月15日傍晚至夜间,贵州省发生一次罕见的下击暴流天气过程,黔北遵义市南部多个乡镇出现17 m·s-1以上的大风天气,最大极大风速达34.4 m·s-1,其次是33.4 m·s-1,并伴有小冰雹,风速值突破当地历史极值,影响范围大,致灾性强,受大风影响区域多处树木被拦腰折断或连根拔起,造成了严重的灾害。周明飞等[8]利用贵阳站多普勒雷达资料初步分析了本次过程的成因及雷达回波特征,但主要针对贵阳市开阳一带风暴体,受资料局限性影响未分析径向速度。遵义市大风主要发生在娄山山脉南侧低海拔区域,距离遵义雷达(海拔1032 m)较近,且周围受地形遮挡的影响不大,因此本文在前人研究的基础上,利用ERA5(0.25×0.25)逐时再分析资料以及遵义雷达观测资料,进一步分析遵义境内下击暴流发生的成因以及雷达回波特征,以期为此类事件短临预报预警提供参考依据。

1 成因分析

1.1 环流背景

过程发生前(5月15日08时,图1a),500 hPa上四川东南部有一高空槽,槽后伴随明显冷平流,槽前西南风速达20～24 m·s-1,遵义市位于槽前正涡度平流区;700 hPa上陕西—四川东部有一切变线,切变线北侧有一支较强偏北气流输送冷空气南下(风速12～16 m·s-1),南侧贵州省中部为一强西南急流轴,最大风速达24 m·s-1,大风发生区域紧靠急流轴左侧;850 hPa上重庆南部有一条切变线,遵义市位于切变线南侧,低空西南急流北侧。15日白天低层强西南气流维持,不断输送暖湿气流使低层增温增湿,高空槽逐渐东移带动干冷空气叠加在低层暖湿气流之上,大气层结不稳定性进一步增强。地面图上,遵义市受西南热低压控制,北方有冷高压东移南下,08时冷锋抵达四川中部,锋前有浅薄冷空气入侵,四川南部为一致偏北风,而贵州省为偏南风,冷暖空气交汇在遵义市北部边缘形成一条中尺度地面辐合线。午后热低压不断发展增强(14时中心值由08时的997.5 hPa减弱到992.5 hPa),遵义市中部以南大部地区气温升到33 ℃以上,能量显著积累。随着北方冷空气进一步南下,地面辐合线逐渐南压在暖湿气流侧触发对流云团生成,最终使得本次天气过程爆发。因此,本次雷暴大风天气过程发生在500 hPa槽前、西南低涡南侧、中低空急流北侧和地面锋前热低压内的区域内,是高层辐散、低层辐合的大范围上升区,为一次冷锋前热低压内的混合型对流天气过程,地面辐合线则是本次过程的重要触发机制。

1.2 环境特征

从距离最近的贵阳探空站T-lnp图来看:15日08时(图1c),温度层结曲线与露点曲线呈“喇叭口”形状,800～750 hPa之间为浅薄湿层,700 hPa以上为干层;午后气温升高,用过程发生前一时次14时的温度订正后对流有效位能CAPE值从426.2 J·kg-1增加到1456 J·kg-1。20时(图1d),探空图呈“X”型分布,850 hPa与500 hPa的温差由24.5 ℃增加到28.9 ℃,温度递减率由5.8 ℃·km-1增加到6.9 ℃·km-1;而0～6 km垂直风切变维持中等到强的强度,最强20 m·s-1;从温度垂直分布上看,0 ℃层在5 km高度附近,-20 ℃层在8 km左右。从以上特征可知:过程发生前遵义南部上空大气层结为上干下湿的不稳定状态,环境温度垂直递减率较大,中等到强的垂直风切变维持,上空干层有利于干冷空气的卷入,加速雷暴中下沉气流的形成,同时中等到强的垂直风切变维持有利于上升气流与下沉气流长时间共存,使发展的对流风暴组织完好。

以最先出现极端大风的播州枫香站为例(106.55°E、27.66°N,海拔986 m),用逐时再分析资料进一步分析下击暴流天气发生时周围的环境特征。从该站温度、湿度、矢量风以及垂直运动的时序图来看(图1b):14—18时低层700 hPa以下转偏北风,并不断增强,温度线也随之下降,且大气相对湿度增加到90%以上;700～500 hPa之间受西南急流控制,存在上升运动,而500 hPa高度以上的大气相对湿度<50%。枫香站大风发生在16时38分,其间低层偏北风显著增强,15 ℃温度线明显下降,相对湿度出现100%的大值中心,同时上空垂直运动也达到最强,说明大风发生在大气上干下湿的不稳定性趋于最强的时段内,700 hPa以上是上升气流,以下有浅薄冷空气入侵,冷空气的卷入使得下沉气流中的雨滴迅速蒸发,加强下沉气流的强度,从而增加大风强度[9]。从大风发生前后枫站气象要素的变化来看,大风发生前枫香最高气温升至33.2 ℃,16时30分开始出现风速增大、气温下降的趋势,10 min后风速迅速增强到20.1 m·s-1(瞬时极大风速34.4 m·s-1),气温从28.8 ℃降至19.4 ℃,并伴随0.5 mm的降水和3 mm的小冰雹,持续时间在10 min以下。由此可见,下击暴流突发性强,持续时间短,且降雨及降雹出现时风速突增,16时50分降雨停止,风速也明显减弱,说明气流下沉过程中降水粒子的拖曳效应对大风的增强有一定的正面促进作用。而冷下沉气流接地后与周围大气间产生巨大的温差,从而产生强烈辐散,是大风产生的关键所在。从16时40分枫香周围站点气温来看,风暴移动前侧距离枫香最近的乐山、鸭溪、马蹄3个站的气温分别为30.4 ℃、27.5 ℃、28.4 ℃,与枫香站最大温差达11 ℃。随着气流进一步辐散,鸭溪及乐山同时在16时54分出现20.1 m·s-1、12.3 m·s-1的大风。

2 雷达回波特征

2.1 反射率因子特征

从0.5°仰角反射率因子演变上看,本次下击暴流天气过程是由地面辐合线附近生成的单体演变来的强多单体风暴造成的,多单体风暴回波强度维持在50 dBz以上,在高空西南气流引导下向东北方向移动,移动过程中其南侧暖湿气流内不断触发新的单体,因此回波经过遵义城区后整体偏离引导气流向东南方向传播,先后影响了播州、遵义城区、湄潭、余庆。

下面以湄潭茅坪为例,分析造成本次下击暴流天气过程风暴的反射率因子结构特征。18时09分,回波从播州西坪东移至湄潭茅坪的过程中由于地形抬升作用增强,在1.5°仰角上可以看到其南侧有明显的入流缺口(图2a),且一直伸展到4.3°仰角,在剖面图上(图3a)该处上空7 km高度附近60 dBz以上的强回波叠加在低层弱回波区之上形成明显的悬垂结构,说明入流区有很强的上升气流存在,同时抬高仰角发现雷达径向方向出现三体散射长钉,悬垂结构及三体散射长钉的出现表明有冰雹生长,但地面气温在30 ℃以上,可能由于冰雹降落过程中存在融化现象,实况仅出现8 mm的小冰雹。18时15分,强回波中心面积扩大,在2.4℃仰角上发现后侧有弱回波通道出现(图2f),与前侧入流缺口构成一个弓形回波单体,仰角越高,回波越强,弓形回波特征也越明显。18时21分,1.5°仰角回波中心强度增强到67 dBz(图2c),回波后侧也开始出现弱回波通道,高仰角后侧入流开始减弱,至18时26分消失(图2d)。说明从18时15分开始,风暴后侧中低层就有冷空气卷入,到18时21分冷空气下传影响低层,但该特征仅持续到18时26分,在18时32分时后侧弱回波通道完全消失,而茅坪站在18时30分左右出现大风和降雹,从发现后侧冷空气入侵到下击暴流产生仅十几分钟的时间。

图3 18时09—32分反射率因子垂直剖面图(单位:dBz)

从反射率因子垂直结构来看,对流持续发展形成65 dBz以上的强回波核,最终强回波核迅速下降造成茅坪站大风。18时09分时风暴顶已经伸展到13 km左右(图3a),可以看到其前侧强回波叠加在低层弱回波之上,后侧为下沉气流形成的回波墙,两者形成较强的垂直环流使得风暴发展维持。18时15分(图3b),上升气流增强,弱回波区明显向上伸展到5 km以上,回波悬垂结构凸显,同时风暴后侧出现弱回波缺口,冷空气卷入使得大量降水粒子冷却凝结,形成中心强度在65 dBz以上的强回波核,其伸展高度在5 km左右,厚度在3 km左右。18时21分后侧冷空气仍然存在(图3c),回波进一步增强,5 min后后侧弱回波缺口减弱(图3d),风暴后侧强回波核厚度增加到7 km左右,而此时前侧悬垂结构减弱,上升气流减弱,表明风暴即将进入消亡阶段。18时32分(图3e),强回波核迅速降落,茅坪出现大风。

2.2 径向速度特征

2.2.1 低层径向速度特征 16时38分(图4a),枫香出现大风时,0.5°仰角上风暴后侧出现了水平尺度在3 km左右的辐散区,随后该辐散区尺度扩大(图4b),向东北方向移动。16时55分(图4c),辐散区尺度明显扩大形成辐散对,存在正负速度大值区,速度值分别为11 m·s-1、-13 m·s-1,16时54分监测到附近乐山站出现12.3 m·s-1的阵风。17时29分(图4d)该辐散对影响遵义城区,并存在轻微速度模糊,订正后遵义城区与播州速度值都在13 m·s-1左右,与实际风速接近。18时21分(图4f),回波开始影响茅坪,在后侧出现水平尺度在5 km左右的辐散区,一个体扫时间后辐散区尺度扩大(图4g),监测到受影响的新南、茅坪相继出现19.2 m·s-1、33 m·s-1的大风。由此可知,下沉气流及地时产生的风速最大,辐散范围越大,辐散风切变越小,因此下游乐山、遵义城区、播州等地大风强度较枫香站来说明显偏弱,该结论与前文1.2分析一致。除此以外,还能够在径向速度图上看到边界冷出流与暖湿气流相遇形成辐合上升,不断触发新的单体生成,这是回波偏离引导气流向东南方向发展传播的主要原因。如17时29—35分(图4d、4e),在风暴移动方向的前侧为较强偏南气流,与出流形成辐合触发新的单体生成,在速度图上表现出前侧辐合后侧辐散的特征。

图4 0.5°仰角径向速度图(单位: m·s-1)

2.2.2 中层径向速度特征根据2.1分析结果,回波移至茅坪处时,在18时15分有冷空气卷入,导致下沉气流增强,最终产生下击暴流。从18时15分不同仰角径向速度图来看,低层是明显的辐散流场。在1.5°仰角上发现前侧冷出流与南侧暖湿气流形成径向辐合(图5b),该辐合区一直伸展到4.3°仰角,对应风暴的上升气流区。在2.4°及4.3°仰角上(图5c、d),存在大小在18 m·s-1左右的急流,对应风暴后侧入流缺口,说明茅坪大风产生前,中低层入侵的冷空气强度较强。再从17时58分—18时26分径向速度垂直剖面图上看,17时58分(图5e),风暴前侧有一支由前向后的斜升气流与后侧入流气流间形成一个深厚的辐合区,至18时09分(图5f),该辐合区更加明显,从2 km向上伸展到8 km左右,厚度达6 km。18时15分(图5g),后侧入流增强,在5 km高度附近形成急流中心,正负速度差值高达41 m·s-1。18时26分(图5h),后侧急流增厚,强辐合区也随之增厚,伸展到9 km左右的高度,形成显著的中层径向辐合区。研究表明,与深层辐合伴随的气流加速与负浮力结合会导致地面产生强风,而中层径向辐合可用于提前预报地面大风,提前时间在10～30 min之间[10]。从本次过程看,在地面大风发生前0.5 h左右出现深层辐合,前15 min加强为中层径向辐合,在17时58分时可以判断风暴将产生大风天气,在18时15分可以确定地面将有极端大风产生。