黔東南山區(qū)兩次雷暴大風(fēng)過(guò)程對(duì)比分析

張　超，周　艷，楊　帆，韋　波

(貴州省黔東南自治州氣象局，貴州　凱里　556000)

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黔東南山區(qū)兩次雷暴大風(fēng)過(guò)程對(duì)比分析

張超，周艷，楊帆，韋波

(貴州省黔東南自治州氣象局，貴州凱里556000)

對(duì)2013年4月17日和2015年5月10日貴州省黔東南地區(qū)兩次雷暴大風(fēng)天氣過(guò)程的物理環(huán)境場(chǎng)和多普勒雷達(dá)回波特征進(jìn)行對(duì)比分析，表明雷暴大風(fēng)的發(fā)生需要一定的環(huán)境條件，抬升指數(shù)LI、下沉對(duì)流有效位能DCAPE、總指數(shù)TT、深對(duì)流指數(shù)DCI等對(duì)黔東南雷暴大風(fēng)有較好的指示意義。通過(guò)對(duì)多普勒雷達(dá)回波產(chǎn)品的分析，表明這兩次雷暴大風(fēng)均為典型的下?lián)舯┝鳎妆﹩误w反射率因子核的突然升高和持續(xù)下降可用于短時(shí)臨近預(yù)報(bào)。

雷暴大風(fēng);雷達(dá)回波;對(duì)比分析

1　引言

貴州東南部山區(qū)地形復(fù)雜，強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。強(qiáng)對(duì)流造成的雷暴大風(fēng)因其局地性、突發(fā)性、強(qiáng)度大、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，是預(yù)報(bào)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。當(dāng)對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)烈下沉氣流在地面產(chǎn)生>17.9 m·s-1的大風(fēng)時(shí)，F(xiàn)ujita將它們定義為下?lián)舯┝鱗1-3]。俞小鼎[4]等首次利用我國(guó)新一代天氣雷達(dá)資料對(duì)一次系列下?lián)舯┝鬟^(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出反射率因子核心的逐漸降低并伴隨云底以上的速度輻合的多普勒雷達(dá)回波特征，可以用來(lái)提前數(shù)分鐘預(yù)警下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生。而強(qiáng)對(duì)流的天氣通常需要具備一定的大氣環(huán)境條件，秦麗、廖曉農(nóng)[5-7]等分別統(tǒng)計(jì)了北京地區(qū)雷暴大風(fēng)的天氣—?dú)夂驅(qū)W特征，得到有利于雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的探空結(jié)構(gòu)和一些有指示意義的對(duì)流參數(shù)。李路長(zhǎng)[8-10]等利用三穗多普勒雷達(dá)資料對(duì)該地區(qū)的冰雹預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行了研究，但是該區(qū)域雷暴大風(fēng)的研究還需要不斷深入。

利用常規(guī)探空資料及多普勒雷達(dá)資料，從雷暴大風(fēng)發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)、探空結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)特征、雷達(dá)回波特征等方面入手進(jìn)行對(duì)比分析，旨在為分析研究和預(yù)報(bào)該地區(qū)該類(lèi)天氣提供參考。

2　兩次雷暴大風(fēng)的環(huán)境場(chǎng)特征對(duì)比

2.1天氣背景

2013年4月17日21時(shí)，黔東南鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣出現(xiàn)瞬時(shí)極大風(fēng)速達(dá)38.3 m·s-1的大風(fēng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“4.17”)。當(dāng)天20時(shí)500 hPa高空?qǐng)D(圖略)上，亞洲中高緯為兩槽一脊，四川東南部—貴州北部之間有短波槽，鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣受槽前偏西南氣流影響；850 hPa上空貴州主要受偏南暖濕氣流影響，在貴州東南部有風(fēng)速輻合。850 hPa與500 hPa比濕差Q850 hPa-Q500hPa>9 g·kg-1，溫度差T850 hPa-T500 hPa>28 ℃。為上干冷下暖濕的結(jié)構(gòu)，利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生。

2015年5月10日16時(shí)，黔東南天柱縣坌處鄉(xiāng)經(jīng)歷31.1 m·s-1的大風(fēng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“5.10”)。通過(guò)當(dāng)天08—20時(shí)的天氣資料可以看出，08時(shí)500 hPa高空貴州受槽前西南氣流影響，槽線(xiàn)在川東—貴州西部一線(xiàn)，溫度槽在青海—川西高原，落后于高度槽，未來(lái)槽加深發(fā)展；20時(shí)槽線(xiàn)移至湘黔之間，貴州處于槽后西北氣流中。700 hPa、850 hPa貴州受偏南氣流影響，08—20時(shí)850 hPa偏南風(fēng)由6～8 m·s-1增強(qiáng)為8～10 m·s-1，在貴州中部有切變線(xiàn)生成。比濕差Q850 hPa-Q500 hPa>11 g·kg-1，溫度差T850 hPa-T500 hPa>27 ℃。同樣為上干冷下暖濕的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩次雷暴大風(fēng)發(fā)生前，具有類(lèi)似的環(huán)流背景：500 hPa高空有槽影響，中低層為偏南暖濕氣流，850 hPa有風(fēng)向或風(fēng)速的輻合，500 hPa和850 hPa之間存在較大的濕度差和溫度差。

2.2環(huán)境物理量場(chǎng)參數(shù)

雷暴大風(fēng)是典型的強(qiáng)對(duì)流天氣，大氣層結(jié)的不穩(wěn)定是其發(fā)生的必要條件，各種穩(wěn)定度指數(shù)、動(dòng)力參數(shù)、熱力參數(shù)能從不同的角度反映出雷暴大風(fēng)發(fā)生前的大氣環(huán)境狀態(tài)和條件。鎮(zhèn)遠(yuǎn)位于貴陽(yáng)和懷化兩個(gè)探空站連線(xiàn)的中點(diǎn)上，因此“4.17”大風(fēng)以?xún)烧咎娇召Y料作為參考；天柱距離懷化探空站約100 km，因此“5.10”大風(fēng)以懷化站探空資料為參考。前人在對(duì)流參數(shù)的選取上做了許多工作，本文根據(jù)前人研究成果[5-7]，選取比較有指示意義的抬升指數(shù)LI、總指數(shù)TT、對(duì)流有效位能CAPE等6個(gè)對(duì)流參數(shù)(表1)，對(duì)兩次過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析。

表1　表征環(huán)境物理量場(chǎng)的參數(shù)

2.2.1熱力穩(wěn)定度參數(shù)抬升指數(shù)LI定義為[11]：氣塊自地面沿干絕熱線(xiàn)抬升，到達(dá)抬升凝結(jié)高度后再沿著濕絕熱線(xiàn)上升至 500 hPa具有的氣塊溫度與 500 hPa環(huán)境溫度之差:LI=T850-T。當(dāng)LI<0時(shí)表示大氣層結(jié)不穩(wěn)定，可以看到兩次大風(fēng)過(guò)程，LI指數(shù)均小于-3 ℃，環(huán)境大氣具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性。

總指數(shù)：TT=T850+Td 850-2T500，其中T850-T500表征環(huán)境的垂直溫度直減率，值越大，則高層冷，低層暖；Td850-T500表征濕度條件，值越大，低層濕度越大。兩次過(guò)程TT均大于50 ℃，表明環(huán)境場(chǎng)高層干冷、低層暖濕。

2.2.2能量參數(shù)對(duì)流有效位能(CAPE)表示可以轉(zhuǎn)化為氣塊垂直上升運(yùn)動(dòng)(對(duì)流)動(dòng)能的能量,從理論上反映出對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)可能發(fā)展的最大強(qiáng)度。即環(huán)境正浮力對(duì)氣塊做功所產(chǎn)生的動(dòng)能。而下沉對(duì)流有效位能( DCAPE)從理論上反映對(duì)流云體中下沉氣流到達(dá)地面時(shí)可能具有的最大動(dòng)能(下?lián)舯┝鞯膹?qiáng)度)，即環(huán)境負(fù)浮力對(duì)氣塊做功所產(chǎn)生的動(dòng)能。秦麗(2006)的研究表明：強(qiáng)的下沉有效位能，利于北京地區(qū)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)，所統(tǒng)計(jì)最大風(fēng)速>26 m·s-1的個(gè)例中有80%>700 J·kg-1。兩次大風(fēng)過(guò)程中CAPE均>600 J·kg-1,下沉對(duì)流有效位能>800 J·kg-1，風(fēng)速也都>30 m·s-1。在“4.17”大風(fēng)爆發(fā)前DCAPE超過(guò)了900 J·kg-1，其風(fēng)速也比“5.10”要大?？梢?jiàn)當(dāng)存在一定的CAPE值時(shí)DCAPE的增大對(duì)雷暴大風(fēng)有較強(qiáng)的指示意義[10]。

2.2.3其他參數(shù)深對(duì)流指數(shù)DCI=(T850+Td850)-LI，綜合反映低層(850 hPa)溫濕特性及中低層條件穩(wěn)定度的參數(shù)[10]。秦麗(2006)的研究表明其統(tǒng)計(jì)中有85%的個(gè)例DCI>25 ℃；本文兩個(gè)個(gè)例DCI均>30 ℃。說(shuō)明這兩次雷暴大風(fēng)日在對(duì)流層低層有較厚的濕層(與當(dāng)日中低層的偏南氣流對(duì)應(yīng))；且500 hPa條件不穩(wěn)定(對(duì)應(yīng)500 hPa的槽線(xiàn)影響)滿(mǎn)足深厚對(duì)流發(fā)展的條件。

大風(fēng)指數(shù)：“4.17”大風(fēng)發(fā)生在21時(shí)，對(duì)應(yīng)當(dāng)日20時(shí)資料大風(fēng)指數(shù)VV>20，而“5.10”大風(fēng)發(fā)生在午后，大風(fēng)指數(shù)VV由08時(shí)的20.8下降至20時(shí)的5.2，判斷是由于雷暴大風(fēng)的爆發(fā)，消耗能量所致。但是其他參數(shù)卻是基本維持或是略有升高，因此大風(fēng)指數(shù)在本地區(qū)的應(yīng)用還需更多個(gè)例的總結(jié)。

3 多普勒雷達(dá)產(chǎn)品特征對(duì)比

“4.17”過(guò)程所產(chǎn)生的對(duì)流天氣更強(qiáng)烈，不僅是極端大風(fēng)，還伴隨著冰雹、雷電、短時(shí)強(qiáng)降水，且影響范圍較大。而“5.10”過(guò)程僅為大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水，影響范圍小。下面對(duì)兩次過(guò)程發(fā)生時(shí)段雷達(dá)回波特征進(jìn)行對(duì)比。

3.1基本反射率因子演變特征

“4.17”過(guò)程是在較遠(yuǎn)上游地區(qū)已有強(qiáng)回波生成，在逐漸移向鎮(zhèn)遠(yuǎn)的過(guò)程中維持，靠近鎮(zhèn)遠(yuǎn)時(shí)回波再度增強(qiáng)，最大反射率因子達(dá)到65 dBz。而“5.10”過(guò)程則是在附近生成回波，在靠近過(guò)程中突然增強(qiáng)。

“4.17”過(guò)程在當(dāng)天18時(shí)05分開(kāi)陽(yáng)和甕安交界處有45 dBz強(qiáng)回波存在，此后經(jīng)甕安、黃平、施秉，20時(shí)46分開(kāi)始影響鎮(zhèn)遠(yuǎn)(圖1)。進(jìn)入鎮(zhèn)遠(yuǎn)后回波強(qiáng)度增大，達(dá)60 dBz，21時(shí)34分強(qiáng)回波移出鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城，強(qiáng)度維持，繼續(xù)影響下游地區(qū)。

圖1　“4.17”鎮(zhèn)遠(yuǎn)大風(fēng)雷達(dá)回波反射率因子演變圖Fig.1　The radar reflectivity of thunderstorm influencing Zhenyuan on April 17.

從圖2可知20時(shí)40分強(qiáng)回波進(jìn)入鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣境內(nèi)，一直伴隨著高懸的強(qiáng)回波，在低層有明顯的弱回波區(qū)，回波中心>55 dBz的強(qiáng)回波中心向下伸展的接地，說(shuō)明在已經(jīng)發(fā)生強(qiáng)降水或是降冰雹。20時(shí)58分—21時(shí)04分>60 dBz的反射率因子核突然從4 km躍升至7 km左右，在下一體掃時(shí)刻21時(shí)10分回波核心開(kāi)始下降，21時(shí)16分回波核心接地，21時(shí)28分核心下降，整合核心下降過(guò)程持續(xù)了2個(gè)體掃約12 min，造成長(zhǎng)達(dá)十多分鐘的大風(fēng)災(zāi)害，21時(shí)34分后，強(qiáng)回波移出鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城。

“5.10”過(guò)程期間，15時(shí)13分錦屏縣境內(nèi)有零星回波生成(圖3)，并逐漸發(fā)展東北方向移動(dòng)，15時(shí)24分—15時(shí)29分最大回波強(qiáng)度由40 dBz增加到55 dBz，16時(shí)11分回波主體進(jìn)入天柱縣境內(nèi)，最大強(qiáng)度達(dá)到60 dBz，16時(shí)27分強(qiáng)回波開(kāi)始影響天柱坌處，16時(shí)59分強(qiáng)回波移出坌處，強(qiáng)度維持，17時(shí)14分回波開(kāi)始減弱。

圖2　“4.17”鎮(zhèn)遠(yuǎn)大風(fēng)各時(shí)次雷達(dá)回波反射率因子剖面圖Fig.2　The vertical cross-section of radar reflectivity for a thunderstorm influencing Zhenyuan on April 17.

圖3　“5.10”天柱坌處大風(fēng)雷達(dá)回波反射率因子演變圖Fig.3　The radar reflectivity of thunderstorm influencing Benchu on May 10.

從圖4來(lái)看16時(shí)06分雷暴單體回波中心高度在3 km左右，強(qiáng)度為50 dBz，到16時(shí)11分回波中心升高到6 km左右，強(qiáng)度為55 dBz，16時(shí)22分回波中心高度維持，強(qiáng)度達(dá)60 dBz；16時(shí)27分回波中心接地，形成第1次大風(fēng)，影響坌處，強(qiáng)度仍為60 dBz。雷暴單體先是核心異常增高，然后迅速下降，為典型的下?lián)舯┝鳌?6時(shí)32分下沉氣流在其前后邊界觸發(fā)新的雷暴單體生成，在16時(shí)43分、16時(shí)48分單體核心分別落地，行成第2、第3次地面大風(fēng)。16時(shí)53分由地面大風(fēng)再次觸發(fā)新單體的生成，并在一個(gè)體掃后16時(shí)59分核心接地，形成第4次大風(fēng)。此后回波逐漸移出減弱。

圖4　“5.10”天柱坌處大風(fēng)各時(shí)次雷達(dá)回波反射率因子剖面圖Fig.4　The vertical cross-section of radar reflectivity for a thunderstorm influencing Benchu on May 10.

3.2風(fēng)暴相對(duì)徑向速度演變

天氣發(fā)生時(shí)，徑向速度圖上可以識(shí)別出明顯的逆風(fēng)區(qū)，當(dāng)強(qiáng)回波中心下降接地時(shí)，可以觀察到低層有輻散，中層有徑向輻合區(qū)。

“4.17”大風(fēng)21時(shí)04分反射率因子核增強(qiáng)并升高，對(duì)應(yīng)徑向速度剖面圖上，低層輻合,高層輻散；21時(shí)10分強(qiáng)回波中心開(kāi)始下沉，低層的徑向輻散清晰可見(jiàn)；說(shuō)明地面開(kāi)始有大風(fēng)，到21時(shí)16分低層輻散仍然存在，大風(fēng)維持(圖5)。

圖5　“4.17”大風(fēng)徑向速度空間剖面圖Fig.5　The vertical cross-section of radial velocity for a thunderstorm influencing on April 17.

“5.10”大風(fēng)的徑向速度剖面上(圖6)，16時(shí)16分空中有一些逆風(fēng)區(qū)，在空中有輻合輻散；16時(shí)22分低層輻合場(chǎng)，高空輻散，對(duì)應(yīng)該時(shí)刻反射率因子強(qiáng)度達(dá)到60 dBz；16時(shí)27分強(qiáng)回波中心開(kāi)始下降，低層輻散場(chǎng)風(fēng)速增強(qiáng)，；16時(shí)53分后側(cè)基本為輻散，無(wú)輻合，表明大風(fēng)向四周散開(kāi)。

4　結(jié)論

①兩次雷暴大風(fēng)均發(fā)生在高空有槽線(xiàn)，低層為偏南暖濕氣流的環(huán)流背景之下，表明不穩(wěn)定的環(huán)境場(chǎng)是雷暴大風(fēng)爆發(fā)的必要條件。

②抬升指數(shù)LI、總指數(shù)TT、對(duì)流有效位能CAPE、下沉對(duì)流有效位能DCAPE、深對(duì)流指數(shù)DCI對(duì)黔東南雷暴大風(fēng)有較好的指示意義。其中LI和DCAPE對(duì)雷暴大風(fēng)風(fēng)速的預(yù)報(bào)有參考意義，若LI值越低，DCAPE值越大，則產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)風(fēng)速越大。大風(fēng)指數(shù)VV在別的文獻(xiàn)中提及，具有很好的預(yù)警參考意義；在這兩次過(guò)程中，適用性并不強(qiáng)。下一步將搜集更多的個(gè)例，以期尋找到適合黔東南當(dāng)?shù)氐睦妆┐箫L(fēng)潛勢(shì)預(yù)報(bào)的對(duì)流參數(shù)閾值。

③兩次雷暴大風(fēng)過(guò)程的環(huán)境場(chǎng)類(lèi)似，但是雷達(dá)回波特征有所不同?！?.17”為上游強(qiáng)回波移動(dòng)增強(qiáng)引起，伴隨雷電、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等。是一個(gè)超級(jí)單體分裂下沉，持續(xù)造成大風(fēng)?！?.10”是局地生成，突然增強(qiáng)導(dǎo)致的大風(fēng)災(zāi)害。其影響范圍小，只伴隨短時(shí)強(qiáng)降水。由強(qiáng)雷暴單體核心下沉，形成下?lián)舯┝?；向四周輻散的大風(fēng)又觸發(fā)新的雷暴單體，如此往復(fù)，共計(jì)4次強(qiáng)回波中心的下沉。

④兩次過(guò)程均為最大風(fēng)速>30 m·s-1的雷暴大風(fēng)災(zāi)害，由下?lián)舯┝鲗?dǎo)致，今后將在工作中關(guān)注下?lián)舯┝鞯念A(yù)報(bào)預(yù)警方法。目前從雷達(dá)回波上已有一定的監(jiān)測(cè)方法。如雷暴的反射率因子核心突然升高，反射率因子的大值區(qū)還有本文未提及的VIL的異常增高等。但是更多適用與本地的特征指標(biāo)仍需要大量個(gè)例的總結(jié)。

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A Comparative Analysis on Two Thunderstorm Wind Events in Qiandongnan

ZHANG Chao,ZHOU Yan,YANG Fan,WEI Bo

(Qiandongnan Meteorological Bureau of Guizhou Province, Kaili 556000，China)

The ambient circulation and convection parameters of the two thunderstorm wind events were analyzed by using the data from automatic weather station and sounding data. It shows that the occurrence of thunderstorm winds needs certain environmental conditions. Lifted index (LI), down draft convective available potential energy (DCAPE), deep convective index (DCI) etc. are important to the potential development of the thunderstorm wind in Qiandongnan. The Doppler weather radar data show that the suddenly rise and continuous decline of the radar echo reflectivity nucleus can be used for short-term forecasting of thunderstorm winds in Qiandongnan.

thunderstorm winds; radar echo reflectivity; comparison and analysis

1003-6598(2016)03-0037-06

2015-12-04

張超(1987—)，男，助工，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作，E-mail:wjszhangchao@126.com。

黔氣科合KF[2015]06號(hào)“基于天氣學(xué)、物理量和T-LogP圖的黔東南冰雹模型研究”。

P425

B