2011年8月18日福州地區(qū)下?lián)舯┝鞣治?/h1>
2012-05-17 07:53:02陳齊川
海峽科學(xué) 2012年8期
陳齊川
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2011年8月18日福州地區(qū)下?lián)舯┝鞣治?/p>
陳齊川
福建省氣象臺
利用多普勒雷達(dá)資料對福州地區(qū)2011年8月18日的兩次下?lián)舯┝鬟^程進(jìn)行分析，結(jié)果表明，反射率強中心的逐步下降，使得風(fēng)暴中層下沉氣流加強，產(chǎn)生下?lián)舯┝?，速度場上近地層速度產(chǎn)品呈現(xiàn)輻散結(jié)構(gòu)、中層徑向輻合的特征。此次過程風(fēng)暴的強出流與風(fēng)暴分離后并未減弱，持續(xù)了相當(dāng)長的時間。利用WINDEX指數(shù)和風(fēng)暴趨勢圖可以對下?lián)舯┝鞯念A(yù)報提供幫助。
下?lián)舯┝?強對流風(fēng)暴 多普勒雷達(dá)
0 引言
Fujita[1,2]把導(dǎo)致地面上水平風(fēng)速大于17.9m/s的輻散或直線型的災(zāi)害性大風(fēng)的強下沉氣流定義為下?lián)舯┝鳎⑦M(jìn)一步區(qū)分為水平尺度大于4km，持續(xù)時間大于10分鐘的宏下?lián)舯┝骱退匠叨刃∮?km、持續(xù)時間小于10分鐘的微下?lián)舯┝?。下?lián)舯┝髟诮孛婕瓤梢栽斐深愃讫埦淼膰?yán)重災(zāi)害，也可以產(chǎn)生很強的水平風(fēng)切變，對飛機起降造成嚴(yán)重影響。美國曾為此開展4次大型外場試驗，包括NIMROD(Northern Illinois Meteorological Research on Downburst)[2,3],JAWS(Joint Airport Weather Studies)[4],FLOWS(FAA/Lincoln Laboratory Operational Weather Studies)[5]以及MIST(Microburst and Severe Thunderstorm)[6],對下?lián)舯┝鬟M(jìn)行研究。隨著國內(nèi)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的布設(shè)，我國也開始了對下?lián)舯┝鞯挠^測和研究。俞小鼎等[7]首次對下?lián)舯┝鬟M(jìn)行了分析，刁秀廣等[8]針對3次單單體風(fēng)暴產(chǎn)生的下?lián)舯┝?，畢旭等[9]、朱君鑒等[10]、王俊等[11]針對弓形回波造成的下?lián)舯┝餮芯堪l(fā)現(xiàn)，反射率因子核心逐步降低并伴隨云底以上速度輻合的多普勒雷達(dá)回波特征，可用來提前數(shù)分鐘預(yù)警下?lián)舯┝?。陶嵐[12]等利用反射率因子核心下降和低層強輻散的流場特征來開發(fā)下?lián)舯┝髯R別算法。
2011年8月18日下午起，永泰、閩侯、福州等地發(fā)生了冰雹、暴雨、大風(fēng)等短時強對流天氣。此次過程主要災(zāi)害為大風(fēng)，風(fēng)速最大達(dá)到29.9m/s，造成多處農(nóng)作物損失、樹木倒伏、停電等事故，給人民生活帶來明顯的影響。本文利用多普勒雷達(dá)、自動站觀測資料對其進(jìn)行分析。
1 天氣背景和穩(wěn)定度分析
18日08時500hPa中高緯為兩槽一脊形勢，脊位于貝加爾湖，左右分別為兩個低渦，分別位于西西伯利亞和鄂霍次克海，隨著貝加爾湖脊東移加強，脊前偏北風(fēng)量加大，引導(dǎo)冷空氣南壓，使脊前的槽加強南伸，槽底伸至30°N。福建為副高南部的東風(fēng)氣流控制，從浙江到福建均有1度的負(fù)變溫。同時400hPa從臺灣島到福州均為負(fù)變溫區(qū)，最大的達(dá)到-4℃。高層的降溫使溫度垂直遞減率變大，增加了大氣的不穩(wěn)定性，有利于對流性天氣的發(fā)生。低層700hPa，850hPa福建均處于偏南急流的東側(cè)，全省風(fēng)速均較小。福州的08時探空資料顯示，福州上空有逆溫層，從850hPa到300hPa均較干，風(fēng)從低層到高層為逆時針旋轉(zhuǎn)，說明高層有冷平流，風(fēng)切變較弱，K指數(shù)為31℃，CAPE值為2703J?kg-1，顯示福州地區(qū)有較大的不穩(wěn)定能量累積，WINDEX大風(fēng)指數(shù)為26.8m/s，表明福州地區(qū)發(fā)生可能有強風(fēng)，與實況最大風(fēng)29.9m/s十分接近。
2 自動站資料分析
16:00-20:00的自動站資料顯示，福州、閩侯、永泰3個縣市都有達(dá)到7級以上的極大風(fēng)，最大的達(dá)到29.9m/s。以閩侯、福州站為例，從下午起，閩侯的溫度緩慢下降，而濕度、氣壓則緩慢升高，18:30起，濕度劇烈下降，20分鐘后是風(fēng)速的迅速增大，接著溫度陡降、氣壓猛升，19:03出現(xiàn)24.0m/s的9級大風(fēng)，同期10分鐘累積雨量達(dá)到11.9mm。這表明地面的極大風(fēng)是由風(fēng)暴內(nèi)降水物的拖曳而產(chǎn)生的下?lián)舯┝髟诮孛孑椛⒃斐傻?。類似的，福州站也有相同的特點，19:17更是出現(xiàn)了29.2m/s的11級大風(fēng)，但是福州的降水卻很少，其它要素的變化也沒有閩侯站劇烈。這是由于風(fēng)暴強中心經(jīng)過閩侯站，卻未經(jīng)過福州站，但是在閩侯時，回波未發(fā)展到最強，而影響福州時，正是回波最強和下沉出流最強的時刻。雖然風(fēng)暴的降水主體沒經(jīng)過福州，但是風(fēng)暴產(chǎn)生的下?lián)舯┝鲄s更強，所以福州的極大風(fēng)反而比閩侯的大。
3 雷達(dá)資料分析
中午起，福州地區(qū)就有零散回波出現(xiàn)并發(fā)展。從18時02分起，在6.0°仰角的速度圖上（圖略）閩侯西北部高空6km左右出現(xiàn)了一條近40km長的輻合線，并逐漸向東南方向移動，沿著這條輻合線新單體于空中6km左右的高度不斷生成并迅速增強，各個新生成的風(fēng)暴單體的強中心一般位于6km左右高度，強區(qū)隨著風(fēng)暴的發(fā)展向上下伸展。隨后，一些單體開始合并，風(fēng)暴中層強中心加強并逐漸下降，至18時56分，開始產(chǎn)生第一次下?lián)舯┝鳎?.5°仰角的速度圖上出現(xiàn)了下?lián)舯┝鞯妮椛L(fēng)場，負(fù)速度中心達(dá)到-24m/s，正速度中心則達(dá)到12m/s。正負(fù)速度中心間的距離約9~10km，構(gòu)成一個不對稱的低層輻散場，尺度約17km（圖1a），而正負(fù)速度對連線的中點對應(yīng)著0.5°強度場上的最強值（圖1a，b中箭頭所指處），表明是風(fēng)暴內(nèi)降水物的拖曳而產(chǎn)生的下?lián)舯┝?。圖 1中，a、b分別為18時56分0.5°速度圖和強度圖。c、d分別為沿圖a、b中箭頭所指處的同時刻的徑向強度剖面圖和速度剖面圖。
圖1
為了分析風(fēng)暴的空間結(jié)構(gòu)，過圖1a、b箭頭所指處，沿徑向分別做反射率和速度的垂直剖面圖。由圖1c可見風(fēng)暴已發(fā)展到14km以上，大于50dBZ的強區(qū)從9km一直伸展到地面，其強中心此時降至2km處，風(fēng)暴整體向前傾斜，呈現(xiàn)出明顯的懸垂結(jié)構(gòu)，低層強度梯度很大，說明該處有強烈的天氣的發(fā)生。強度圖上風(fēng)暴的強中心之下對應(yīng)著近地面的輻散風(fēng)場，風(fēng)暴前部對應(yīng)的速度剖面上從地面一直到高空近9km維持著一條輻合線，輻合線向后傾斜，說明上升氣流沿冷空氣傾斜上升至高層。輻合線前面的正速度區(qū)最大值位于4~7km處，最強達(dá)到24m/s，其對應(yīng)著強度剖面上的懸垂部分，說明強烈的中層徑向輻合。閩侯站的極大風(fēng)從18:49的14.2m/s到18:59增大為18.7m/s ，19:03達(dá)到最大的24.0m/s。而后這股下?lián)舯┝鞯南鲁翚饬髋c風(fēng)暴分離，向東移動影響福州，福州站的極大風(fēng)從19:08的10.8m/s迅速于19:17增大為29.2m/s。
19時08分，于閩侯西南處出現(xiàn)第二次的下?lián)舯┝?，由于此次下?lián)舯┝魇怯蓡螁误w風(fēng)暴產(chǎn)生，風(fēng)暴識別追蹤算法正確地進(jìn)行了識別，利用風(fēng)暴趨勢圖可以更直觀地表征風(fēng)暴的一些特征。圖2為產(chǎn)生第二次下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)暴趨勢圖。它代表了從18:20~19:14之間物理量隨時間的變化，豎線代表回波頂和底，黃點代表回波強中心，紅點代表回波質(zhì)心。由圖2可以看到，從18:44起，風(fēng)暴的強中心高度不斷升高，到19:02達(dá)到7.5km左右，而后19:08強中心迅速下沉到2km，反射率強中心的迅速大幅下沉造成了第二次的下?lián)舯┝?。同時在速度場上也可以看到明顯的輻散風(fēng)場和強烈的中層徑向輻合。由于第二次下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的地區(qū)無自動站，且也與風(fēng)暴分離，12分鐘后和第一次下?lián)舯┝鞯某隽骱喜ⅲ驏|移動共同影響福州、長樂地區(qū)。
圖2
4 小結(jié)
（1）這兩次下?lián)舯┝鲗儆诤晗聯(lián)舯┝?，位于副高南部邊緣的東風(fēng)氣流控制下，風(fēng)暴產(chǎn)生前環(huán)境風(fēng)切變?nèi)?，但地面溫度高，不穩(wěn)定能量大，高層的降溫加大了大氣的不穩(wěn)定性。此次過程中WINDEX指數(shù)對下?lián)舯┝鳚搫莸念A(yù)報很好，可以用其來預(yù)報下?lián)舯┝鞯臐搫荨?/p>
（2）兩次下?lián)舯┝鞫伎梢钥吹椒瓷渎蕪娭行南陆档降蛯拥默F(xiàn)象，但是產(chǎn)生第一次下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)暴是由多個風(fēng)暴合并后產(chǎn)生的，風(fēng)暴識別算法因各風(fēng)暴間距離近，對這種多單體風(fēng)暴未能進(jìn)行很好的識別，并且各單體處于不同的風(fēng)暴發(fā)展階段，導(dǎo)致風(fēng)暴的反射率強中心位置不一，因此不能用風(fēng)暴趨勢圖來表征，對它的預(yù)報要追蹤風(fēng)暴的變化才行。而第二次下?lián)舯┝魇菃螁误w風(fēng)暴產(chǎn)生的，風(fēng)暴識別算法可以對其進(jìn)行識別，利用風(fēng)暴趨勢圖可以很好地表征風(fēng)暴強中心的變化。
（3）從兩次下?lián)舯┝鞯乃俣葓錾隙伎梢钥吹降蛯訌娏逸椛⒑蛷娏业闹袑訌较蜉椇系奶卣鳌?/p>
（4）下?lián)舯┝鞯念A(yù)警十分困難，由于如颮線中的單體也會出現(xiàn)反射率因子核心下降和中層徑向輻合的特征，故已有的對下?lián)舯┝髯詣幼R別的方法都是主要針對反射率強中心下降和低層風(fēng)暴輻散這兩個特征來設(shè)計[12,13,14]。但是當(dāng)雷達(dá)觀測到近地面的輻散時，幾乎已無法提前發(fā)出警報。而對于宏下?lián)舯┝?，比如此次，下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生后強烈出流與風(fēng)暴分離，且持續(xù)近1小時，福州、長樂的很多地方都受其影響。如果單從強度場分析風(fēng)暴，會認(rèn)為風(fēng)暴的影響將是閩侯南部和福清，但若從速度場分析，則可以提前，正確地預(yù)報出大風(fēng)將影響福州和長樂地區(qū)。
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陳齊川
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下?lián)舯┝?強對流風(fēng)暴 多普勒雷達(dá)
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2011年8月18日下午起，永泰、閩侯、福州等地發(fā)生了冰雹、暴雨、大風(fēng)等短時強對流天氣。此次過程主要災(zāi)害為大風(fēng)，風(fēng)速最大達(dá)到29.9m/s，造成多處農(nóng)作物損失、樹木倒伏、停電等事故，給人民生活帶來明顯的影響。本文利用多普勒雷達(dá)、自動站觀測資料對其進(jìn)行分析。
1 天氣背景和穩(wěn)定度分析
18日08時500hPa中高緯為兩槽一脊形勢，脊位于貝加爾湖，左右分別為兩個低渦，分別位于西西伯利亞和鄂霍次克海，隨著貝加爾湖脊東移加強，脊前偏北風(fēng)量加大，引導(dǎo)冷空氣南壓，使脊前的槽加強南伸，槽底伸至30°N。福建為副高南部的東風(fēng)氣流控制，從浙江到福建均有1度的負(fù)變溫。同時400hPa從臺灣島到福州均為負(fù)變溫區(qū)，最大的達(dá)到-4℃。高層的降溫使溫度垂直遞減率變大，增加了大氣的不穩(wěn)定性，有利于對流性天氣的發(fā)生。低層700hPa，850hPa福建均處于偏南急流的東側(cè)，全省風(fēng)速均較小。福州的08時探空資料顯示，福州上空有逆溫層，從850hPa到300hPa均較干，風(fēng)從低層到高層為逆時針旋轉(zhuǎn)，說明高層有冷平流，風(fēng)切變較弱，K指數(shù)為31℃，CAPE值為2703J?kg-1，顯示福州地區(qū)有較大的不穩(wěn)定能量累積，WINDEX大風(fēng)指數(shù)為26.8m/s，表明福州地區(qū)發(fā)生可能有強風(fēng)，與實況最大風(fēng)29.9m/s十分接近。
2 自動站資料分析
16:00-20:00的自動站資料顯示，福州、閩侯、永泰3個縣市都有達(dá)到7級以上的極大風(fēng)，最大的達(dá)到29.9m/s。以閩侯、福州站為例，從下午起，閩侯的溫度緩慢下降，而濕度、氣壓則緩慢升高，18:30起，濕度劇烈下降，20分鐘后是風(fēng)速的迅速增大，接著溫度陡降、氣壓猛升，19:03出現(xiàn)24.0m/s的9級大風(fēng)，同期10分鐘累積雨量達(dá)到11.9mm。這表明地面的極大風(fēng)是由風(fēng)暴內(nèi)降水物的拖曳而產(chǎn)生的下?lián)舯┝髟诮孛孑椛⒃斐傻?。類似的，福州站也有相同的特點，19:17更是出現(xiàn)了29.2m/s的11級大風(fēng)，但是福州的降水卻很少，其它要素的變化也沒有閩侯站劇烈。這是由于風(fēng)暴強中心經(jīng)過閩侯站，卻未經(jīng)過福州站，但是在閩侯時，回波未發(fā)展到最強，而影響福州時，正是回波最強和下沉出流最強的時刻。雖然風(fēng)暴的降水主體沒經(jīng)過福州，但是風(fēng)暴產(chǎn)生的下?lián)舯┝鲄s更強，所以福州的極大風(fēng)反而比閩侯的大。
3 雷達(dá)資料分析
中午起，福州地區(qū)就有零散回波出現(xiàn)并發(fā)展。從18時02分起，在6.0°仰角的速度圖上（圖略）閩侯西北部高空6km左右出現(xiàn)了一條近40km長的輻合線，并逐漸向東南方向移動，沿著這條輻合線新單體于空中6km左右的高度不斷生成并迅速增強，各個新生成的風(fēng)暴單體的強中心一般位于6km左右高度，強區(qū)隨著風(fēng)暴的發(fā)展向上下伸展。隨后，一些單體開始合并，風(fēng)暴中層強中心加強并逐漸下降，至18時56分，開始產(chǎn)生第一次下?lián)舯┝鳎?.5°仰角的速度圖上出現(xiàn)了下?lián)舯┝鞯妮椛L(fēng)場，負(fù)速度中心達(dá)到-24m/s，正速度中心則達(dá)到12m/s。正負(fù)速度中心間的距離約9~10km，構(gòu)成一個不對稱的低層輻散場，尺度約17km（圖1a），而正負(fù)速度對連線的中點對應(yīng)著0.5°強度場上的最強值（圖1a，b中箭頭所指處），表明是風(fēng)暴內(nèi)降水物的拖曳而產(chǎn)生的下?lián)舯┝?。圖 1中，a、b分別為18時56分0.5°速度圖和強度圖。c、d分別為沿圖a、b中箭頭所指處的同時刻的徑向強度剖面圖和速度剖面圖。
圖1
為了分析風(fēng)暴的空間結(jié)構(gòu)，過圖1a、b箭頭所指處，沿徑向分別做反射率和速度的垂直剖面圖。由圖1c可見風(fēng)暴已發(fā)展到14km以上，大于50dBZ的強區(qū)從9km一直伸展到地面，其強中心此時降至2km處，風(fēng)暴整體向前傾斜，呈現(xiàn)出明顯的懸垂結(jié)構(gòu)，低層強度梯度很大，說明該處有強烈的天氣的發(fā)生。強度圖上風(fēng)暴的強中心之下對應(yīng)著近地面的輻散風(fēng)場，風(fēng)暴前部對應(yīng)的速度剖面上從地面一直到高空近9km維持著一條輻合線，輻合線向后傾斜，說明上升氣流沿冷空氣傾斜上升至高層。輻合線前面的正速度區(qū)最大值位于4~7km處，最強達(dá)到24m/s，其對應(yīng)著強度剖面上的懸垂部分，說明強烈的中層徑向輻合。閩侯站的極大風(fēng)從18:49的14.2m/s到18:59增大為18.7m/s ，19:03達(dá)到最大的24.0m/s。而后這股下?lián)舯┝鞯南鲁翚饬髋c風(fēng)暴分離，向東移動影響福州，福州站的極大風(fēng)從19:08的10.8m/s迅速于19:17增大為29.2m/s。
19時08分，于閩侯西南處出現(xiàn)第二次的下?lián)舯┝?，由于此次下?lián)舯┝魇怯蓡螁误w風(fēng)暴產(chǎn)生，風(fēng)暴識別追蹤算法正確地進(jìn)行了識別，利用風(fēng)暴趨勢圖可以更直觀地表征風(fēng)暴的一些特征。圖2為產(chǎn)生第二次下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)暴趨勢圖。它代表了從18:20~19:14之間物理量隨時間的變化，豎線代表回波頂和底，黃點代表回波強中心，紅點代表回波質(zhì)心。由圖2可以看到，從18:44起，風(fēng)暴的強中心高度不斷升高，到19:02達(dá)到7.5km左右，而后19:08強中心迅速下沉到2km，反射率強中心的迅速大幅下沉造成了第二次的下?lián)舯┝?。同時在速度場上也可以看到明顯的輻散風(fēng)場和強烈的中層徑向輻合。由于第二次下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的地區(qū)無自動站，且也與風(fēng)暴分離，12分鐘后和第一次下?lián)舯┝鞯某隽骱喜ⅲ驏|移動共同影響福州、長樂地區(qū)。
圖2
4 小結(jié)
（1）這兩次下?lián)舯┝鲗儆诤晗聯(lián)舯┝?，位于副高南部邊緣的東風(fēng)氣流控制下，風(fēng)暴產(chǎn)生前環(huán)境風(fēng)切變?nèi)?，但地面溫度高，不穩(wěn)定能量大，高層的降溫加大了大氣的不穩(wěn)定性。此次過程中WINDEX指數(shù)對下?lián)舯┝鳚搫莸念A(yù)報很好，可以用其來預(yù)報下?lián)舯┝鞯臐搫荨?/p>
（2）兩次下?lián)舯┝鞫伎梢钥吹椒瓷渎蕪娭行南陆档降蛯拥默F(xiàn)象，但是產(chǎn)生第一次下?lián)舯┝鞯娘L(fēng)暴是由多個風(fēng)暴合并后產(chǎn)生的，風(fēng)暴識別算法因各風(fēng)暴間距離近，對這種多單體風(fēng)暴未能進(jìn)行很好的識別，并且各單體處于不同的風(fēng)暴發(fā)展階段，導(dǎo)致風(fēng)暴的反射率強中心位置不一，因此不能用風(fēng)暴趨勢圖來表征，對它的預(yù)報要追蹤風(fēng)暴的變化才行。而第二次下?lián)舯┝魇菃螁误w風(fēng)暴產(chǎn)生的，風(fēng)暴識別算法可以對其進(jìn)行識別，利用風(fēng)暴趨勢圖可以很好地表征風(fēng)暴強中心的變化。
（3）從兩次下?lián)舯┝鞯乃俣葓錾隙伎梢钥吹降蛯訌娏逸椛⒑蛷娏业闹袑訌较蜉椇系奶卣鳌?/p>
（4）下?lián)舯┝鞯念A(yù)警十分困難，由于如颮線中的單體也會出現(xiàn)反射率因子核心下降和中層徑向輻合的特征，故已有的對下?lián)舯┝髯詣幼R別的方法都是主要針對反射率強中心下降和低層風(fēng)暴輻散這兩個特征來設(shè)計[12,13,14]。但是當(dāng)雷達(dá)觀測到近地面的輻散時，幾乎已無法提前發(fā)出警報。而對于宏下?lián)舯┝?，比如此次，下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生后強烈出流與風(fēng)暴分離，且持續(xù)近1小時，福州、長樂的很多地方都受其影響。如果單從強度場分析風(fēng)暴，會認(rèn)為風(fēng)暴的影響將是閩侯南部和福清，但若從速度場分析，則可以提前，正確地預(yù)報出大風(fēng)將影響福州和長樂地區(qū)。
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