毛烏素沙漠東部邊緣中β尺度暴雨和冰雹綜合分析＊

井 喜,屠妮妮,井宇,萬紅衛(wèi),康 磊

(1.陜西榆林市氣象局,陜西榆林 719000;2.中國氣象局成都高原氣象研究所,四川成都 610071; 3.蘭州大學大氣科學學院,甘肅蘭州 730000)

毛烏素沙漠東部邊緣中β尺度暴雨和冰雹綜合分析＊

井 喜1,屠妮妮2,井宇3,萬紅衛(wèi)1,康 磊1

(1.陜西榆林市氣象局,陜西榆林 719000;2.中國氣象局成都高原氣象研究所,四川成都 610071; 3.蘭州大學大氣科學學院,甘肅蘭州 730000)

利用多普勒雷達資料、Micaps系統(tǒng)提供的常規(guī)觀測資料和物理量場,對2006年9月20日發(fā)生在毛烏素沙漠東部邊緣的一次強對流天氣過程進行了分析。結(jié)果表明:冰雹和暴雨是由兩塊呈塊狀的中β尺度強對流單體造成的;地面能量比中α尺度“Ω”系統(tǒng)的生成,為能量的積聚和集中釋放提供了有利條件;地面能量比中β尺度能量比低值舌的生成,為強對流天氣的發(fā)生提供了抬升觸發(fā)機制;冰雹和暴雨發(fā)生前,渦度場和散度場的耦合、影響雹暴區(qū)次級環(huán)流的形成,為雹暴的發(fā)生維持提供了動力機制;850 hPa等壓面上濕正壓場和濕斜壓場的配合、以及濕位渦的三維空間結(jié)構(gòu),對雹暴的發(fā)生及落區(qū)有指示意義;在多普勒雷達徑向速度場上,雹暴運動的前方對流層低層有中氣旋生成,雹暴運動的后方對流層低層有中反氣旋生成,而對流層中高層有輻散生成,且超級單體特征明顯。

毛烏素沙漠;濕位渦;中β尺度暴雨;冰雹

0 引言

有關(guān)青藏高原東側(cè)的強對流天氣,我國氣象工作者做了大量研究工作[1-5]。但專門針對毛烏素沙漠東部邊緣的強對流天氣進行的研究很少。但毛烏素沙漠東部邊緣(榆林市西北部長城沿線)是雹災(zāi)和局地洪澇災(zāi)害多發(fā)地帶。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,由雹災(zāi)和局地洪澇災(zāi)害造成的損失越來越大。由此可見,開展毛烏素沙漠東部邊緣局地暴雨和冰雹的研究,對防災(zāi)減災(zāi)具有十分重要的意義。

位渦是綜合熱力、動力的物理量,有濕位渦和干位渦,等壓面和等熵位渦等多種形式,被廣泛用于暴雨和其它天氣系統(tǒng)的診斷[6-7]。地面能量比是反映夏季地面弱冷空氣活動有用的物理量[4]。本文把濕位渦和地面能量比也應(yīng)用于毛烏素沙漠東部邊緣強對流天氣的分析,以便對今后毛烏素沙漠東部邊緣強對流天氣的預(yù)報服務(wù)提供一些新的和有益的依據(jù)。

1 冰雹和暴雨概況及研究資料、方法

2006年9月20日夜,榆林市橫山縣(位于毛烏素沙漠東部邊緣地帶)境內(nèi)遭受特大暴雨和冰雹(以下簡稱雹暴)的襲擊,大部分地區(qū)就地起洪,境內(nèi)房屋、道路、橋涵、庫壩等基礎(chǔ)設(shè)施損毀嚴重,特別是韓岔鄉(xiāng)、殿市鎮(zhèn)、橫山鎮(zhèn)等部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)在降暴雨的同時,遭受特大雹災(zāi)襲擊,冰雹所過之處,農(nóng)作物損失殆盡,至21日凌晨,韓岔等鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)部分地方存積冰雹厚度仍有0.5 m厚。韓岔、石灣等鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨量高達73 mm,境內(nèi)最大冰雹直徑達10～15 mm。據(jù)民政部門統(tǒng)計,受災(zāi)人口達15萬人,直接經(jīng)濟損失大于1.5億元。

本文利用多普勒雷達資料、Micaps提供的常規(guī)探測資料和物理量場,對上述強對流天氣采用濕位渦、地面能量比等物理量和天氣學方法進行了分析。在計算濕位渦時,采用了文獻[5]給出的濕位渦表達式。

在絕熱無摩擦的飽和大氣中濕位渦守恒,在p坐標下忽略ω的水平變化,等壓面濕位渦的表達式為:

將其寫成分量形式,有:

式中:M PV1為濕正壓項;M PV2為濕斜壓項。

在計算地面能量比時,采用了文獻[8]給出的地面能量比表達式:

式中:TσG為地面相對總溫度;P0為海平面氣壓。

2 環(huán)流背景及中尺度影響系統(tǒng)

2006年7月2日08:00(北京時,下同)在500 hPa等壓面上,亞洲40°N以北地區(qū)為兩槽一脊型:黑龍江東部至日本海為大槽區(qū),烏拉爾山東部為大槽區(qū)(以下簡稱烏山大槽),貝加爾湖為高脊區(qū);亞洲20°～40°N,青藏高壓脊和蒙古西部高脊形成同位相迭加,陰山山脈北部存在一中尺度低渦,從陰山山脈東部、山西東部、河南中部至湖南中部為一階梯槽區(qū)(圖略)。2006年7月2日08:00在850 hPa和700 hPa等壓面上,40°N以南我國大陸東部為東高西低形勢,從臨河、銀川至蘭州生成一切變線;700 hPa從平?jīng)鲋裂影采? m·s-1西南氣流,850 hPa從延安至東勝生成一支6 m·s-1南風氣流(圖略)。7月2日20:00,伴隨烏山大槽的東移、蒙古西部高脊的東移發(fā)展, 500 hPa陰山山脈北部中尺度低渦中心向南移入河套北部雹暴區(qū)(圖略),700 hPa、850 hPa位于臨河、銀川至蘭州的切變線向東移入雹暴區(qū), 700 hPa在延安生成10 m·s-1西南氣流(圖略); 850 hPa等壓面上,河套有東北西南向倒槽發(fā)展,延安生成8 m·s-1南風氣流,太原生成14 m·s-1東南低空急流;和太原東南低空急流配合,同時生成一西北東南向的冷舌入侵河套北部(圖略)。中低空環(huán)流形勢的配合,在黃土高原(陜西北部)形成有利于雹暴發(fā)生發(fā)展的環(huán)流背景。

3 水汽條件分析

2006年9月20日20:00,850 hPa等壓面上,雹暴區(qū)東南部及東部形成大于8 g·cm-1·hPa-1·s-1水汽通量中心(圖略),雹暴區(qū)形成小于-20× 10-7g·cm-2·hPa-1·s-1水汽通量強輻合中心(圖略);700 hPa等壓面上,在延安西南氣流的前方(雹暴區(qū))也形成大于6 g·cm-1·hPa-1·s-1水汽通量中心和小于-10×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1水汽通量輻合中心(圖略),對流層低層水汽通量和水汽通量輻合中心的形成,滿足了雹暴發(fā)生發(fā)展所需的水汽條件。

4 濕位渦診斷分析

4.1 濕位渦的三維空間結(jié)構(gòu)

9月20日20:00,700 hPa等壓面上,在延安西南風帶來的暖濕氣流和陰山山脈低渦西部偏北風帶來的干冷氣流相互作用下,在雹暴區(qū)北側(cè)生成M PV等值線密集區(qū),有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展[5];500 hPa等壓面上,河套北部低渦西部生成高值濕位渦平流(圖略),也有利于毛烏素沙漠風暴的發(fā)生發(fā)展[5]。同時從過風暴區(qū)濕位渦的空間剖面圖上看到,從08:00～20:00,對流層高層M PV>0的高值濕位渦區(qū)呈“漏斗”狀向?qū)α鲗拥蛯影l(fā)展的同時,和雹暴區(qū)邊界層M PV≤-2的中心形成垂直配置。根據(jù)文獻[5],上述濕位渦的垂直配置形式有利于雹暴區(qū)強對流不穩(wěn)定的形成和不穩(wěn)定能量的集中猛烈釋放。

4.2 對流層低層濕正壓場和濕斜壓場特征

從9月20日20:00強對流發(fā)生前850 hPa濕正壓場上看到(圖1a),強對流發(fā)生區(qū)鄰近上游生成M PV1≤-4.0 PVU中β尺度強對流不穩(wěn)定中心。從9月20日20:00強對流發(fā)生前850 hPa濕斜壓場上看到(圖1b),伴隨河套倒槽的發(fā)展(延安生成V= 8 m·s-1南風,銀川生成V=10 m·s-1東北風)、延安西南風帶來的暖濕平流和河套西北部東北風帶來的冷平流的相互作用,使延安至平?jīng)鲋g生成M PV2≤-0.8 PVU濕斜壓中心,銀川及其南部生成正的濕斜壓擾動,正的濕斜壓擾動和負的濕斜壓中心之間在雹暴區(qū)上游生成M PV2等值線密集區(qū)(也是能量鋒生區(qū))。濕正壓場和濕斜壓場的配合,在雹暴區(qū)上游生成M PV2等值線密集區(qū)和M PV1≤-4.0 PVU中β尺度強對流不穩(wěn)定中心的耦合區(qū),有利于中β尺度強對流天氣的生成和發(fā)展[5]。

5 地面能量比診斷分析

圖1 2006年9月20日20:00 850 hPaMPV1(a)和M PV2(b)(單位:10-1PVU)

從圖2a可見,9月20日20:00,地面圖上已形成中α尺度能量比高值區(qū),雹暴區(qū)東北方同時生成中β尺度能量比低值舌,正是中β尺度能量比低值舌觸發(fā)了強對流天氣的生成和發(fā)展。從圖2b可見,由于雹暴區(qū)上下游弱冷空氣的活動,使地面圖上形成能量比“Ω”系統(tǒng)。能量比“Ω”系統(tǒng)的形成,使能量在雹暴區(qū)形成積聚,為能量在中β度尺度小范圍內(nèi)形成集中猛烈釋放創(chuàng)造了有利條件。

6 動力條件分析

從圖3a可見,2006年9月20日20:00,雹暴區(qū)(38°N)已形成深厚的正渦度柱,雹暴區(qū)北方(48°N)已形成深厚的負渦度柱;雹暴區(qū)對流層低層形成強輻合,對流層中高層形成強輻散,而雹暴區(qū)北方(45°N)對流層中高層形成強輻合,對流層低層形成強輻散(圖3b);渦度柱和散度柱的耦合,使雹暴區(qū)(32～40°N)形成很強的上升運動柱和ω=-3.2×10-2hPa·s-1上升運動中心,使雹暴區(qū)北方(45°N)形成很強的下沉運動柱和ω= 2.8×10-2hPa·s-1下沉運動中心(圖3c)。影響雹暴區(qū)次級環(huán)流的形成,成為雹暴發(fā)生發(fā)展和維持的動力機制。

圖2 2006年9月20日20:00(a)和21日02:00(b)地面能量比(單位:℃/hPa)

7 多普勒天氣雷達回波特征

以榆林多普勒雷達獲得的資料,對此次強對流天氣做進一步分析。

19 :06 ,在雷達的西部看到一條強對流云帶,在強對流云帶的西南端生成一強度>50 dBZ、中β尺度強對流單體b(圖4a);在對應(yīng)的1.5°仰角經(jīng)向速度場看到,在強對流云帶上生成3個中γ尺度的逆風區(qū),和強對流單體b對應(yīng)的逆風區(qū)右側(cè)同時生成V≥16 m·s-1西南急流中心,即西南急流中心左側(cè)生成第一個中氣旋(圖5a)。20:00,強對流云帶在向東南移動的過程中又生成強對流單體a (圖4b),正是強對流單體a和強對流單體b在東移的過程中造成了橫山部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的強冰雹和暴雨天氣;在對應(yīng)的1.5°仰角的經(jīng)向速度圖上,和強對流單體a、強對流單體b對應(yīng),分別出現(xiàn)中γ尺度逆風區(qū),而在兩個中γ尺度逆風區(qū)左側(cè)對應(yīng)出現(xiàn)兩個西南急流核,在兩個中γ尺度逆風區(qū)右側(cè)也分別出現(xiàn)對應(yīng)的兩個急流核,即在強對流單體a、強對流單體b后部分別生成中β尺度反氣旋,而在強對流單體a、強對流單體b前部分別生成中γ尺度氣旋(圖5b)。21:00,強對流單體a和強對流單體b在東移過程中減弱,而在強對流單體b的西南部(靖邊縣)又生成新的強對流單體c(圖4c);在對應(yīng)的1.5°仰角的經(jīng)向速度圖上看到,和新生的強對流單體c對應(yīng),又生成一新的中氣旋(圖5c)。21日02:00,強對流云帶的帶狀特征消失,單體c減弱(圖略),影響毛烏素沙漠東部邊緣地帶的短時暴雨和強冰雹天氣結(jié)束。同時從2.4°仰角的徑向速度圖上看到,強對流發(fā)生期間對流層高層有輻散發(fā)展。

圖3 2006年9月20日20:00沿109°E渦度(a)、散度(b)和ω(c)剖面圖(渦度和散度單位:10-5s-1;ω單位:10-2hPa·s-1)

做單體a和單體b反射率因子剖面圖(圖略),在陜北來說強中心不算太強,但云體有界弱回波區(qū)明顯,>55 dBZ的強回波達到-21℃所在的高度(大約8 km),0℃所在的高度在3 km左右,也顯示出強冰雹的特征。

圖4 2.4°仰角多普勒雷反射率因子

圖5 1.5°仰角多普勒雷達徑向速度圖

8 結(jié)論

通過上述分析,可得出以下幾點結(jié)論:

(1)地面能量比中α尺度“Ω”系統(tǒng)的生成、中β尺度能量比低值舌的生成,為雹暴的發(fā)生發(fā)展提供了能量積聚、集中釋放條件和抬升觸發(fā)機制。

(2)冰雹和暴雨發(fā)生前,850 hPa等壓面上濕正壓場和濕斜壓場的配合、以及濕位渦三維空間結(jié)構(gòu),對冰雹和暴雨的發(fā)生及落區(qū)有指示意義;動力場渦度柱和散度柱的耦合,影響雹暴區(qū)次級環(huán)流的形成,成為雹暴發(fā)生發(fā)展和維持的動力機制。

(3)多普勒雷達反射率因子分析表明,冰雹和暴雨是由帶狀云系尾部生成兩塊中β尺度強對流單體造成的;在反射率因子剖面圖上,強對流單體有界弱回波區(qū)明顯,>55 dBZ高度達到-21℃所在高度,強冰雹特征明顯。在徑向速度圖上,強對流單體運動的前方對流層低層有中氣旋生成,強對流單體運動的后方對流層低層有中反氣旋生成,而對流層中高層有輻散生成,且超級單體特征明顯。

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Comprehensive Analysis on Mes-β-Scale Rainstorm and
Hails on the Eastern Border ofMaowusu Desert

Jing Xi1,Tu Nini2,Jing Yu3,Wan Hongwei1and Kang Lei1
(1.Yulin M eteorological B ureau of Shaanxi Province,Yulin719000,China;
2.Chengdu Institute of Plateau M eteorology,Chengdu610071,China;
3.College of A tm osphere Sciences,Lanzhou University,Lanzhou730000,China)

The process of a strong convective weather occurred on September 20,2006 on the eastern border ofMaowusu desert is analyzed by use of observation data and Doppler Radar data.The results show that the hail and rainstorm are cause by two blocks ofmes-β-scale strong convective cells.The for mation ofmes-β-scale“Ω”system provides a favorable condition for concentrating and releasing energy.The for mation of low-value tongue in ground energy creates a triggermechanis m for strengthening convectiveweather.Before the hail and rainstorm,the coupling of strong vorticity and divergence generates the secondary circulation system and provides the dynamical mechanis m for the generation and development of the hail storm.The combination of both wet barotropy field and wet baroclinity field on the equal pressure surface of 850 hPa and three-dimensional structure of MPV are the meaningful indicator of occurring of hail and rainstorm.At the field of Doppler Radar speed,a meso-cyclone originates before the strong hail stor m in lower troposphere and a meso-aticyclone for ms behind the strong hail storm in lower troposphere.The divergence occurs in higher troposphere and the characteristics of the super cell are evident.

Maowusu desert;MPV;mes-β-scale rainstorm;hail

P426.62;P426.64

A

1000-811X(2010)01-0073-05

2009-07-12

國家自然科學基金項目(40675058)資助

井喜(1957-),男,陜西米脂人,高級工程師,主要從事短期天氣預(yù)報工作.E-mail:jingxiailihua@126.com