貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)“4·17”大風(fēng)冰雹天氣過(guò)程多普勒雷達(dá)回波特征分析

李路長(zhǎng)，白 慧，顧 欣，韋 波，余代輝

(貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000)

1 引言

春季是貴州省強(qiáng)對(duì)流天氣的高發(fā)時(shí)段，冰雹、大風(fēng)、強(qiáng)烈雷暴等災(zāi)害性天氣經(jīng)常出現(xiàn)在該季節(jié)，同時(shí)，由于貴州地形復(fù)雜易造成強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁發(fā)生、過(guò)程持續(xù)時(shí)間短、災(zāi)害重且預(yù)報(bào)預(yù)警難度大。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者對(duì)雷暴大風(fēng)進(jìn)行了大量研究，俞小鼎等［1］提出:雷暴大風(fēng)主要由強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴(超級(jí)單體或多單體風(fēng)暴)，或與颮線、強(qiáng)鋒面有關(guān)的帶狀強(qiáng)對(duì)流中處于成熟階段單體中的下沉氣流，在近地面處向水平方向擴(kuò)散，形成的輻散性陣風(fēng)而產(chǎn)生;吳芳芳等［2］研究指出，雷暴大風(fēng)有很多類型，弱垂直風(fēng)切變下由脈沖單體產(chǎn)生的下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的雷暴大風(fēng)極少與中氣旋相聯(lián)系，與中氣旋相關(guān)的雷暴大風(fēng)通常出現(xiàn)在超級(jí)單體鉤狀回波附近以及弓形回波頂部(凸起)附近。區(qū)域性雷暴大風(fēng)出現(xiàn)在弓形或線形回波凸起處;Atkins等［3－4］認(rèn)為災(zāi)害性大風(fēng)由弓形回波后側(cè)入流急流與中γ尺度渦旋線性疊加造成;Hookings等［5］研究論證了在較小水滴尺度和較大液態(tài)水含量以及下沉氣流發(fā)源處的低濕度環(huán)境下，能產(chǎn)生更強(qiáng)烈的雷暴大風(fēng)。為更深入的研究和應(yīng)用多普勒雷達(dá)資料，尹忠海等［6］則對(duì)雷雨大風(fēng)的多普勒雷達(dá)產(chǎn)品特征進(jìn)行了分析，得出:大風(fēng)天氣是與強(qiáng)風(fēng)暴單體發(fā)展、弓形回波的出現(xiàn)密切相關(guān);雷達(dá)回波的快速移動(dòng)、風(fēng)暴處于減弱期表明大風(fēng)開始發(fā)生。本文利用常規(guī)實(shí)況資料、地面自動(dòng)站資料和黔東南州新一代多普勒天氣雷達(dá)資料，對(duì)2013年4月17日發(fā)生在鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城有氣象記錄以來(lái)的大風(fēng)天氣過(guò)程進(jìn)行總結(jié)分析，為今后大風(fēng)災(zāi)害短時(shí)臨近預(yù)警積累經(jīng)驗(yàn)和提供有價(jià)值的參考。

2 天氣過(guò)程實(shí)況

2013年4月17日18時(shí)開始，貴州省黔東南州北部黃平縣、施秉縣、鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣、岑鞏縣等縣先后出現(xiàn)強(qiáng)雷雨天氣，其中黃平縣一碗水，施秉縣牛大場(chǎng)、白垛，岑鞏縣客樓降3～8 mm冰雹，鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣縣城出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng)(圖1)。17日21時(shí)16—22分，縣氣象站測(cè)得瞬時(shí)極大風(fēng)速達(dá)38.3 m/s，突破有氣象記錄以來(lái)歷史極值，冰雹最大直徑為5 mm，同時(shí)伴有強(qiáng)雷電和短時(shí)強(qiáng)降水。此次風(fēng)災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、來(lái)勢(shì)迅猛、破壞力強(qiáng)、災(zāi)情重等特點(diǎn)。大風(fēng)吹翻 陽(yáng)河上的游船，致使游客落水，城區(qū)一座風(fēng)雨橋被刮倒，大樹被連根拔起，水泥電桿被折斷，部分汽車被扭曲嚴(yán)重變形，行人被卷離地面等，大風(fēng)所經(jīng)之處一片狼藉。據(jù)民政部門統(tǒng)計(jì)，此次災(zāi)害共造成589.8 hm2農(nóng)作物受災(zāi)，農(nóng)業(yè)損失809.58萬(wàn)元; 陽(yáng)鎮(zhèn)公益設(shè)施損失168.5萬(wàn)元，基礎(chǔ)設(shè)施損失614.2萬(wàn)元，農(nóng)村民房和城鎮(zhèn)居民房屋受損嚴(yán)重，共有4 295余人受災(zāi)，家庭財(cái)產(chǎn)損失達(dá)547.9萬(wàn)元。

圖1 風(fēng)暴追蹤信息以及冰雹落區(qū)、大風(fēng)分布圖

3 天氣背景及環(huán)境場(chǎng)分析

分析4月17日08時(shí)實(shí)況天氣圖(圖略)，500 hPa圖上，歐亞中高緯地區(qū)為兩槽一脊形勢(shì)，巴爾喀什湖西部和貝加爾湖以東地區(qū)為低槽，新疆到巴爾喀什湖、貝加爾湖之間為暖高壓脊控制，中低緯度高原上低值系統(tǒng)活躍，多短波槽脊東移，四川中部有一短波槽，未來(lái)東移影響貴州，西太平洋副熱帶高壓588 dagpm特征線位于中國(guó)南部沿海，南支槽緩慢東移至孟加拉灣東岸，貴州處于西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)和南支槽前西南氣流控制之下;中低層700～850 hPa為西南氣流控制，兩廣中南部有一支12～16 m/s的西南低空急流，700 hPa濕度小，比濕僅有2～4 g/kg，850 hPa在貴州東北有一東西向切變線維持，且濕度大，比濕達(dá)12～15 g/kg，大氣“上干下濕”特征明顯;地面熱低壓中心位于四川東部，貴州受低壓東南側(cè)偏南風(fēng)影響，在貴州中部偏北地區(qū)有一東西向輻合線，鎮(zhèn)遠(yuǎn)位于輻合線南側(cè)，吹4 m/s偏南風(fēng)，天氣晴熱，當(dāng)日最高氣溫為31.4℃。從貴州省七要素自動(dòng)氣象站逐小時(shí)資料(圖略)可知，19時(shí)輻合線從貴陽(yáng)開陽(yáng)到銅仁南部地區(qū)南移，20—21時(shí)輻合線在黃平—施秉—鎮(zhèn)遠(yuǎn)—三穗一線維持，鎮(zhèn)遠(yuǎn)位于輻合線附近，強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴就是在輻合線西段貴陽(yáng)的開陽(yáng)附近觸發(fā)生成并沿地面輻合線東移發(fā)展造成鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城特大風(fēng)災(zāi)。22時(shí)輻合線南移麻江—?jiǎng)P里—臺(tái)江—天柱一線，鎮(zhèn)遠(yuǎn)轉(zhuǎn)6 m/s偏北風(fēng)，過(guò)程結(jié)束。分析17日08時(shí)貴陽(yáng)探空資料(圖略)可知，貴陽(yáng)探空曲線呈漏斗狀，低層有弱逆溫層存在，層結(jié)為“上干下濕”結(jié)構(gòu)，0℃層在600 hPa和－20℃層在400 hPa高度附件，大氣環(huán)境有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展。分析17日20時(shí)黔東南周邊貴陽(yáng)、懷化、河池、桂林探空資料可知:0～6 km垂直風(fēng)切變分別為 20.98 m·s－1、26.02 m·s－1、24.84 m·s－1、20.98 m·s－1，均屬于強(qiáng)垂直風(fēng)切變;600 hPa以上均存在明顯干層;大氣中0℃層的高度均在5 km以下，分別為4.5 km、4.4 km、4.6 km、4.5 km;同時(shí)，對(duì)流層中下層(500 hPa以下)大氣環(huán)境溫度直減率較大，有利于雷暴大風(fēng)天氣的發(fā)生。

利用17日20時(shí)探空資料計(jì)算貴陽(yáng)、懷化、河池、桂林4站從600 hPa起始下沉對(duì)流有效位能(DCAPE)分別為:615 J·kg－1、879 J·kg－1、907 J·kg－1、790 J·kg－1，說(shuō)明黔東南州范圍內(nèi)發(fā)生強(qiáng)局地風(fēng)暴的可能性極大。

4 多普勒雷達(dá)回波特征分析

4.1 反射率特征分析

4月17日18時(shí)05分在貴陽(yáng)開陽(yáng)和黔南州北部甕安交界地區(qū)有一中心強(qiáng)度為45 dBz的對(duì)流風(fēng)暴，隨后風(fēng)暴沿地面輻合線發(fā)展東移，途經(jīng)甕安、黃平、施秉到鎮(zhèn)遠(yuǎn)，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。20時(shí)40分，50 dBz以上的強(qiáng)回波擴(kuò)展到環(huán)境大氣－20℃等溫線高度以上，結(jié)合當(dāng)日0℃層的高度，此時(shí)雷達(dá)回波出現(xiàn)高懸強(qiáng)回波特征。20時(shí)46分強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴從施秉甘溪移向鎮(zhèn)遠(yuǎn)，此時(shí)強(qiáng)回波主體移動(dòng)方向(偏東方向)的右后方伸展出明顯的鉤狀回波，但低層弱回波區(qū)(WER)不明顯。隨著風(fēng)暴進(jìn)入縣城，風(fēng)暴出現(xiàn)爆發(fā)式增強(qiáng)，21時(shí)16分鉤狀回波更明顯，0.5°仰角圖中出現(xiàn)明顯的弱回波區(qū)(WER)，0.5°、1.5°仰角圖中出現(xiàn)了較大面積大于65 dBz的強(qiáng)回波，說(shuō)明此時(shí)回波強(qiáng)中心已經(jīng)在下降，預(yù)示著即將出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣或者強(qiáng)對(duì)流天氣已經(jīng)發(fā)生。

分析17日基本反射率因子圖(圖略)發(fā)現(xiàn):基本反射率因子圖上回波呈現(xiàn)鉤狀，而不是與雷暴大風(fēng)相聯(lián)系的弓形回波，也無(wú)明顯雷暴出流邊界(陣風(fēng)鋒);6.0°仰角圖上20時(shí)28分開始出現(xiàn)三體散射特征，9.8°仰角圖上20時(shí)58分出現(xiàn)三體散射特征，該特征的出現(xiàn)有助于預(yù)警人員提前發(fā)布冰雹預(yù)警。分析組合反射率因子圖(圖略)發(fā)現(xiàn):大于65 dBz的強(qiáng)回波區(qū)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，其前沿存在高反射率因子梯度區(qū)，這對(duì)預(yù)警人員發(fā)布雷暴大風(fēng)預(yù)警有一定的參考作用［6］。

4.2 徑向速度特征分析

張沛源等［8］把逆風(fēng)區(qū)定義為:在低仰角PPI多普勒速度圖上，在同一方向的速度區(qū)中出現(xiàn)另一種方向的速度區(qū)，即在正(負(fù))多普勒速度區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)了負(fù)(正)多普勒速度區(qū)。同時(shí)指出，逆風(fēng)區(qū)是中尺度輻散輻合共軛系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)在多普勒速度圖上的表現(xiàn)形式，反映了水平動(dòng)量垂直交換過(guò)程。

分析17日20時(shí)46分基本徑向速度圖(圖略)，在 0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°仰角徑向速度上，施秉縣甘溪鄉(xiāng)上空均出現(xiàn)逆風(fēng)區(qū)。同時(shí)，0.5°、1.5°、2.4°仰角徑向速度圖上逆風(fēng)區(qū)的最大負(fù)速度區(qū)出現(xiàn)了速度模糊，并伴有明顯的氣旋旋轉(zhuǎn)特征，4.3°仰角徑向速度圖上出現(xiàn)明顯輻散特征。隨著風(fēng)暴的發(fā)展和風(fēng)暴向著雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，21時(shí)10分的徑向速度圖上，1.5°、2.4°、3.4°仰角逆風(fēng)區(qū)特征不明顯，但存在明顯的輻散特征，4.3°、6.0°仰角“逆風(fēng)區(qū)”特征明顯，并伴有輻散特征，說(shuō)明此時(shí)對(duì)流發(fā)展特別旺盛。

根據(jù)鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣地面氣象觀測(cè)站17日21時(shí)20分觀測(cè)到的瞬時(shí)極大風(fēng)速達(dá)38.3 m/s大風(fēng)，此風(fēng)速是黔東南州有氣象記錄以來(lái)瞬時(shí)風(fēng)極值，大風(fēng)發(fā)生期間，除濕度明顯增大外，沒有出現(xiàn)“氣壓涌升、溫度驟降、風(fēng)向突變”現(xiàn)象，說(shuō)明不是颮線過(guò)境。分析大風(fēng)發(fā)生前后0.5仰角基本徑向速度圖發(fā)現(xiàn)，鎮(zhèn)遠(yuǎn)上空1 km左右有逆風(fēng)區(qū)存在，且風(fēng)速值很大，風(fēng)災(zāi)發(fā)生期間風(fēng)速有明顯增大現(xiàn)象，21時(shí)28分在鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城東南方向出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)速度大值區(qū)，但大風(fēng)發(fā)生前后沒有出現(xiàn)明顯的中氣旋或龍卷渦旋特征。因此，利用基本徑向速度圖來(lái)識(shí)別小龍卷存在一定的困難。

4.3 垂直累積液態(tài)水含量特征分析

圖2 4月17日20時(shí)46分—21時(shí)34分共9個(gè)時(shí)次垂直累積液態(tài)水含量圖

俞小鼎等［1］指出垂直累積液態(tài)水含量(VIL)的優(yōu)點(diǎn)主要有:①持續(xù)高的VIL值可能與超級(jí)單體風(fēng)暴有關(guān);②快速降低的VIL值也許意味著破壞性大風(fēng)的開始。缺點(diǎn)主要是:①水滴滴譜的不確定性使得VIL值有偏差;②因雷達(dá)靜錐區(qū)使得距雷達(dá)40 km以內(nèi)的VIL值被過(guò)低估計(jì);③用于警報(bào)的值是逐日變化的且隨警報(bào)地區(qū)變化的。東高紅等［9］指出VIL值達(dá)到30 kg·m－2是地面災(zāi)害性大風(fēng)出現(xiàn)的閾值，40 kg·m－2可以看作大風(fēng)的預(yù)警指標(biāo)，VIL值達(dá)到最大后的快速減小意味著將有地面災(zāi)害性大風(fēng)發(fā)生，VIL值快速減小后的突然躍增則是地面災(zāi)害性大風(fēng)開始的標(biāo)志。

分析風(fēng)暴垂直累積液態(tài)水含量圖(圖2)可知，黔東南雷達(dá)17日18時(shí)46分第1次探測(cè)到的VIL值為48 kg·m－2，風(fēng)暴東移過(guò)程中VIL值呈現(xiàn)明顯的跳躍式增減變化，截止到20時(shí)46分，VIL值出現(xiàn)了多達(dá)10次跳躍變化(圖3)，19時(shí)16分到22分，VIL值最大變化量達(dá)15 kg·m－2，VIL值在大風(fēng)發(fā)生前，最小值為 38 kg·m－2，最大值達(dá) 53 kg·m－2，且多數(shù)時(shí)間維持在40 kg·m－2以上。根據(jù)東高紅等人的研究成果［10］，強(qiáng)風(fēng)暴20時(shí)46分從施秉甘溪到21時(shí)16分—21時(shí)22分鎮(zhèn)遠(yuǎn)大風(fēng)發(fā)生，預(yù)警人員可以提前30 min發(fā)布冰雹和大風(fēng)預(yù)警。21時(shí)10分—21時(shí)22分VIL最大值維持在43 kg·m－2，此期間VIL值大于25 kg·m－2的范圍出現(xiàn)了快速增大現(xiàn)象(圖2)，但此特征出現(xiàn)時(shí)距離大風(fēng)發(fā)生時(shí)間只有6 min，預(yù)警時(shí)間很短。風(fēng)暴21時(shí)28分移出鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城后，VIL值呈快速減小趨勢(shì)。由于黔東南多普勒天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用才2 a多，黔東南地區(qū)用VIL值作大風(fēng)預(yù)警還需進(jìn)一步總結(jié)和研究。

圖3 4月17日18時(shí)46分—21時(shí)52分垂直累積液態(tài)水含量最大值演變圖

5 地形影響分析

強(qiáng)風(fēng)暴在移入鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城前VIL值也有跳躍式增長(zhǎng)，最大值超過(guò)40 kg·m－2，但沿途并沒有造成破壞性大風(fēng)。分析鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城所在的地形發(fā)現(xiàn)，鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城地處西北—東南向的山谷中，當(dāng)風(fēng)暴從西北部甘溪移入鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城時(shí)，由于狹管效應(yīng)，在地形強(qiáng)迫作用下，風(fēng)在山谷中急劇增大，使近地層輻合增強(qiáng)，風(fēng)暴得到爆發(fā)式增強(qiáng)，是導(dǎo)致鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城特大風(fēng)災(zāi)發(fā)生的重要原因。

6 小結(jié)和討論

①地面輻合抬升是強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)生的啟動(dòng)機(jī)制，“上干下濕”的大氣不穩(wěn)定層結(jié)條件、強(qiáng)的垂直風(fēng)切變和對(duì)流層中下層(500 hPa以下)大氣環(huán)境較大溫度直減率為強(qiáng)風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展提供了重要條件。

②大風(fēng)、冰雹發(fā)生前基本反射率因子圖上出現(xiàn)高懸強(qiáng)回波特征、明顯的鉤狀回波、弱回波區(qū)和三體散射特征，組合反射率圖上有明顯的高反射率因子梯度區(qū)等特征。利用不同仰角基本反射率因子圖，可以快速識(shí)別弱回波區(qū)(WER)，對(duì)大風(fēng)、冰雹強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警具有很好的指導(dǎo)作用。

③基本徑向速度圖上中、低仰角存在明顯的逆風(fēng)區(qū)，也是大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的征兆。

④風(fēng)災(zāi)發(fā)生前垂直累積液態(tài)水含量VIL值具有明顯的跳躍式增減變化，最大值大于40 kg·m－2，且大于25 kg·m－2的面積范圍出現(xiàn)快速增大特征，這對(duì)大風(fēng)預(yù)警有一定指示意義。

⑤鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城位于山谷狹長(zhǎng)地形條件是使風(fēng)暴爆發(fā)式增強(qiáng)產(chǎn)生破壞性大風(fēng)的重要原因。

⑥由于雷達(dá)回波沒出現(xiàn)明顯的中氣旋、龍卷渦旋以及弓形回波特征，鎮(zhèn)遠(yuǎn)特大風(fēng)災(zāi)發(fā)生是由特殊的地形引起的還是小龍卷造成的，還有待進(jìn)一步討論。

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