仙居縣雷暴大風(fēng)時(shí)空分布及雷達(dá)回波特征研究

楊玲玲 朱壽燕 李知何 王 亮 金郁淇

(浙江省仙居縣氣象局,浙江 臺(tái)州 317300)

0 引 言

雷暴大風(fēng)是指由雷暴云引起的瞬時(shí)風(fēng)力達(dá)到或超過(guò)8級(jí)(≥17.2 m/s)的強(qiáng)對(duì)流天氣,常發(fā)生在不穩(wěn)定層結(jié)環(huán)境中,其生命史短暫,時(shí)間尺度僅為幾十分鐘到幾小時(shí),具有明顯的突發(fā)性、局地性和強(qiáng)致災(zāi)性[1-3]。

國(guó)內(nèi)有不少氣象學(xué)者開(kāi)展過(guò)對(duì)雷暴大風(fēng)的研究,在改善雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)預(yù)警中起到較好的指示意義。楊德江[4]指出，當(dāng)氣流由開(kāi)闊地帶流入峽谷地形時(shí),受狹管效應(yīng)風(fēng)速增大,常造成多種氣象災(zāi)害。俞小鼎等[5]指出，雷暴大風(fēng)臨近預(yù)報(bào)主要基于雷達(dá)回波特征,中層徑向輻合和弓形回波對(duì)雷暴大風(fēng)預(yù)報(bào)有很好的指示意義。許愛(ài)華等[6]研究指出，雷達(dá)回波上的回波合并、高層強(qiáng)回波區(qū)以及雷達(dá)回波速度場(chǎng)上的“零值線”等特征是判斷雷電發(fā)生和強(qiáng)對(duì)流天氣的重要依據(jù)。吳才明等[7]認(rèn)為，副熱帶高壓邊緣雷達(dá)回波特征主要表現(xiàn)為兩類:一是南北向短帶狀回波,有時(shí)會(huì)發(fā)展為弓狀回波結(jié)構(gòu);二是強(qiáng)回波單體結(jié)構(gòu)或超級(jí)單體回波結(jié)構(gòu)。

雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)難點(diǎn)在于發(fā)生條件復(fù)雜、受下墊面影響明顯,短臨預(yù)報(bào)時(shí)效有限。本文研究了仙居縣雷暴大風(fēng)的時(shí)空分布和雷達(dá)回波特征,以期增進(jìn)預(yù)報(bào)員對(duì)雷暴大風(fēng)物理機(jī)制的了解,歸納總結(jié)當(dāng)?shù)仡A(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn),為展開(kāi)強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警工作提供更好的科學(xué)技術(shù)支撐。

1 資料說(shuō)明

本文利用全球探空氣球?qū)崪y(cè)資料、浙江省地面自動(dòng)站資料、浙江省雷達(dá)拼圖,結(jié)合臺(tái)州市雷達(dá)基數(shù)據(jù)、地閃資料,并利用臺(tái)風(fēng)、雷暴資料對(duì)大風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制[8-10],剔除60站次冷空氣大風(fēng)和438站次臺(tái)風(fēng)大風(fēng),篩選得到2005—2020年仙居縣共107例雷暴大風(fēng)過(guò)程資料,包含224站次雷暴大風(fēng)。

2 仙居縣雷暴大風(fēng)時(shí)間分布

2.1 雷暴大風(fēng)年際分布

由2005—2020年仙居縣雷暴大風(fēng)的年際分布可知，16 a中仙居縣雷暴大風(fēng)過(guò)程共計(jì)107例,平均每年出現(xiàn)雷暴大風(fēng)約6.7例。雷暴大風(fēng)過(guò)程年際變化明顯,呈波動(dòng)性增長(zhǎng),共有4次較明顯的震蕩過(guò)程。個(gè)別年份雷暴大風(fēng)過(guò)程較臨近年份驟增,例如2013、2017年。2016年未發(fā)生雷暴大風(fēng),但次年2017年雷暴大風(fēng)過(guò)程急速增長(zhǎng)為13例,為16 a中雷暴大風(fēng)最大值。

16 a中仙居縣共發(fā)生雷暴大風(fēng)224站次,平均每年出現(xiàn)大風(fēng)事件約14站次,其中2017年雷暴大風(fēng)發(fā)生站次最多,2018年次之,分別為34、27站次。仙居縣境內(nèi)對(duì)風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)的區(qū)域自動(dòng)站數(shù)量逐年增長(zhǎng),由2005年的4個(gè)站(包括仙居國(guó)家基本站)不斷增長(zhǎng)到2020年的39個(gè)自動(dòng)站。較早年份存在雷暴大風(fēng)發(fā)生、但由于自動(dòng)站密度小導(dǎo)致未能觀測(cè)到大風(fēng)數(shù)據(jù)的情況。自2005年起，共有4次明顯的震蕩過(guò)程,呈現(xiàn)4～6 a的周期性規(guī)律變化。2005年雷暴大風(fēng)站次/自動(dòng)站數(shù)值最大,為1.75站次。2006、2017年次之,分別為1.18、1.17站次。雷暴大風(fēng)站次與自動(dòng)站總站數(shù)之比年際波動(dòng)大,與雷暴大風(fēng)日的年際波動(dòng)存在較明顯的相似程度。

2.2 雷暴大風(fēng)月際分布

2005—2020年仙居縣雷暴大風(fēng)日的月際分布如圖1所示,圖1中實(shí)線表示全年雷暴大風(fēng)平均線。雷暴大風(fēng)主要集中在3—11月,呈現(xiàn)明顯的單峰分布,7月雷暴大風(fēng)日共有39日,占總?cè)諗?shù)的36%。5—8月的雷暴大風(fēng)日超過(guò)全年雷暴大風(fēng)日平均值。根據(jù)氣候季節(jié)劃分3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12有、次年1—2月為冬季。雷暴大風(fēng)可出現(xiàn)在春、夏和秋3個(gè)季節(jié),其中以夏季最多,共76日,占雷暴大風(fēng)總?cè)諗?shù)的71%;春季、秋季次之。冬季未發(fā)生雷暴大風(fēng)。

圖1 2005—2020仙居縣雷暴大風(fēng)日的月際分布

雷暴大風(fēng)季節(jié)特征顯著,夏季仙居受副熱帶高壓影響,熱力條件增強(qiáng),易導(dǎo)致層結(jié)不穩(wěn)定,產(chǎn)生的中尺度對(duì)流系統(tǒng)相對(duì)較多,更易產(chǎn)生雷暴云。對(duì)夏季發(fā)生的雷暴大風(fēng)過(guò)程的極大風(fēng)速、日最高氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，在夏季雷暴大風(fēng)最大風(fēng)速達(dá)到28.4 m/s,中位數(shù)為18.8 m/s;日最高氣溫區(qū)間為21.5～39.1 ℃,中位數(shù)為30.7 ℃,平均值達(dá)到30.8 ℃。由降水量的統(tǒng)計(jì)資料可知,夏季近85%的雷暴大風(fēng)過(guò)程伴有降水。濕微下?lián)舯┝魇窍删涌h雷暴大風(fēng)最主要的形式,而干微下?lián)舯┝髡妓羞^(guò)程的15%。

2.3 雷暴大風(fēng)日分布

根據(jù)雷暴大風(fēng)過(guò)程中最大陣風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間,統(tǒng)計(jì)雷暴大風(fēng)在05—08時(shí)、09—11時(shí)、12—14時(shí)、15—17時(shí)、18—20時(shí)、21—24時(shí)和01—04時(shí)各時(shí)段內(nèi)的分布情況可知,雷暴大風(fēng)日變化特征明顯,呈現(xiàn)明顯的單峰型,高頻時(shí)段為下午和傍晚,峰值出現(xiàn)在下午。夜間和上午為雷暴大風(fēng)發(fā)生的低頻時(shí)段。

雷暴活動(dòng)和太陽(yáng)總輻射存在密切的關(guān)系[11]。太陽(yáng)輻射在中午前后達(dá)到最強(qiáng),地面升溫明顯,在午后氣溫達(dá)到最高,對(duì)流抑制減少,低層熱量不斷上傳,加劇大氣層結(jié)不穩(wěn)定,有利于雷暴大風(fēng)的發(fā)生發(fā)展。夜間到上午時(shí)段,太陽(yáng)輻射銳減,地面氣溫相對(duì)較低,對(duì)對(duì)流的發(fā)展有一定抑制作用,不利于雷暴大風(fēng)發(fā)生。

3 仙居縣雷暴大風(fēng)空間分布

仙居縣地處浙江東南丘陵,地形由外向內(nèi)傾斜,主要由平原、丘陵和山地3種地形共同構(gòu)成。永安溪自西向東橫貫仙居全境,境內(nèi)38條支流成樹(shù)枝分散型從南北兩個(gè)方向匯入干流。括蒼山脈的分支從麗水延伸入仙居縣后分為南北中3支分脈,呈現(xiàn)南北羽翼狀山丘地帶。

2011—2020年仙居縣雷暴大風(fēng)空間分布不均勻，其中雷暴大風(fēng)高頻發(fā)生站點(diǎn)為仙居國(guó)家基本站(丘陵)、蓄能站(山地)、安嶺站(山地)和山岙站(山地),分別發(fā)生雷暴大風(fēng)過(guò)程19、18、12和12例。仙居境內(nèi)3種地形中海拔較高的山地地區(qū)發(fā)生雷暴大風(fēng)的頻率更高。全境范圍內(nèi)自西向東有多個(gè)雷暴大風(fēng)高頻區(qū),主要分布在永安溪兩側(cè)較為開(kāi)闊的河谷地區(qū),與南北側(cè)的山地存在較明顯的海拔梯度,共同形成喇叭口或峽谷地形,可使氣流迅速產(chǎn)生匯流和輻合,有利于形成風(fēng)速輻合中心。

地形的迎風(fēng)坡和背風(fēng)波效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫抬升作用,有利于觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣。仙居南北兩側(cè)羽翼狀山地地形具有迎風(fēng)坡的動(dòng)力抬升作用,有利于激發(fā)和加強(qiáng)中尺度渦旋的發(fā)展。氣流越過(guò)山脊后可激發(fā)背風(fēng)波,有利于在山區(qū)與平原的交界區(qū)域激發(fā)新的對(duì)流,使得開(kāi)闊的河谷兩側(cè)地區(qū)發(fā)生雷暴大風(fēng)。

山地與平原之間的海拔梯度可為雷暴大風(fēng)的發(fā)展提供層結(jié)不穩(wěn)定和熱力作用。太陽(yáng)的輻射加熱作用使山地和其他地形間形成較明顯的水平溫度梯度。地形對(duì)于水汽也存在阻擋和積累作用,使山前水汽垂直梯度強(qiáng)于遠(yuǎn)離山區(qū)的平原地區(qū),使大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定。

4 仙居縣雷暴大風(fēng)的雷達(dá)回波特征分析

雷暴大風(fēng)的短臨監(jiān)測(cè)和臨近預(yù)警主要依賴新一代天氣雷達(dá)網(wǎng),對(duì)雷暴生成后幾分鐘至3 h的演變趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤,并通過(guò)預(yù)測(cè)雷達(dá)回波的強(qiáng)度變化、形狀以及移動(dòng)方向,進(jìn)行大風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警的發(fā)布。對(duì)仙居縣雷暴大風(fēng)過(guò)程的雷達(dá)回波特征進(jìn)行歸納,對(duì)大風(fēng)預(yù)報(bào)有著非常重要的參考價(jià)值。

4.1 雷達(dá)回波的移動(dòng)方向

利用2010—2020年的臺(tái)州雷達(dá)基數(shù)據(jù),對(duì)仙居縣境內(nèi)發(fā)生的77次雷暴大風(fēng)過(guò)程的雷達(dá)回波進(jìn)行分析。如表1所示,回波自西向東影響仙居縣造成雷暴大風(fēng)的過(guò)程最多(C表示回波在仙居邊界生成并呈環(huán)狀向內(nèi)發(fā)展),達(dá)到24次,占所有雷暴大風(fēng)總過(guò)程的31%;西北—東南向移動(dòng)的過(guò)程有19次,占所有雷暴大風(fēng)總過(guò)程的25%;西南—東北向移動(dòng)以及由仙居縣境外呈環(huán)狀、以仙居縣為中心發(fā)展靠近的過(guò)程均為7次;自南向北、自北向南、自東向西影響仙居的過(guò)程分別為5、2和2次。

表1 仙居縣雷暴大風(fēng)雷達(dá)回波移向及占比

如表2所示,回波在仙居縣境內(nèi)局地發(fā)展引起雷暴大風(fēng)的過(guò)程共11次。其中局地發(fā)展增強(qiáng)后向北移的過(guò)程居多,達(dá)到4次;局地增強(qiáng)后又在仙居縣境內(nèi)減弱消散的過(guò)程次之,為3次;局地發(fā)展后向東、向西以及向南的過(guò)程分別為2、1和1次。

表2 仙居縣雷暴大風(fēng)局地發(fā)展的雷達(dá)回波移向及占比

4.2 雷達(dá)回波的形狀

對(duì)雷達(dá)回波形狀按塊狀回波、弓狀回波、片狀回波、帶狀回波以及以上4種回波的相互轉(zhuǎn)換的形態(tài)進(jìn)行分類。

如圖2所示,仙居縣境內(nèi)由塊狀回波發(fā)展增強(qiáng)導(dǎo)致雷暴大風(fēng)生成的次數(shù)最多,達(dá)到37次,占比為48%。該37次過(guò)程中,20次塊狀回波是局地發(fā)展起來(lái)的,其中有14次塊狀回波是在仙居境內(nèi)局地發(fā)展增強(qiáng),有6次塊狀回波是在仙居與縉云、磐安、臨海的交界處局地發(fā)展并增強(qiáng),呈環(huán)狀向仙居境內(nèi)發(fā)展。該類局地發(fā)展起來(lái)的雷達(dá)回波發(fā)生在5—9月,以7、8月頻次最高,達(dá)到總次數(shù)的80%。在強(qiáng)度方面,局地發(fā)展起來(lái)的塊狀回波在進(jìn)入仙居境內(nèi)后強(qiáng)度發(fā)展增強(qiáng)的概率達(dá)到90%,并且離境后強(qiáng)度迅速減弱,只有極個(gè)別離境后強(qiáng)度維持或增強(qiáng)。

圖2 雷暴大風(fēng)回波類型分類及占比

塊狀回波引起雷暴大風(fēng)的過(guò)程發(fā)生在3—9月,主要集中在夏季(6—8月),共30次,達(dá)到81%。7月最多,為13次,8月次之,為10次。

7—8月為仙居縣常年極端最高氣溫發(fā)生的主要月份。2005—2020年極端最高氣溫范圍為38.1～42.0℃,其中有11 a的極端最高氣溫發(fā)生在7月;3 a極端最高氣溫發(fā)生在8月。對(duì)于塊狀回波引起的雷暴大風(fēng)過(guò)程,均發(fā)生在12—20時(shí),其中24次發(fā)生在15—18時(shí)。對(duì)由塊狀回波引起的雷暴大風(fēng)過(guò)程日最高氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到日最高氣溫中位數(shù)為28.9℃,日最高氣溫平均值為29.2℃。對(duì)當(dāng)天日最高氣溫大于29℃的22次雷暴大風(fēng)過(guò)程的日最高氣溫與極大風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析,得到相關(guān)系數(shù)為0.42。

雷暴大風(fēng)過(guò)程中由明顯的弓狀回波引起的過(guò)程數(shù)量達(dá)到19次,占比為25%。弓狀回波引起的雷暴大風(fēng)過(guò)程,雷達(dá)強(qiáng)度較帶狀、片狀回波普遍更強(qiáng),達(dá)到55～65 dBZ;影響范圍更廣。如表3所示,18次弓狀回波來(lái)自仙居西側(cè)的區(qū)域,向東和東南方向移動(dòng),分別為12次和6次;僅1次雷暴大風(fēng)過(guò)程是在仙居邊界回波局地發(fā)展增強(qiáng)連結(jié)形成弓狀回波。

表3 仙居縣雷暴大風(fēng)弓形回波的移動(dòng)方向及占比

在強(qiáng)度方面,雷暴大風(fēng)14次在進(jìn)入仙居境內(nèi)后強(qiáng)度增強(qiáng),離開(kāi)仙居后強(qiáng)度維持或迅速減弱;2次進(jìn)入仙居境內(nèi)后強(qiáng)度維持,離境后強(qiáng)度維持或減弱;2次進(jìn)入仙居境內(nèi)強(qiáng)度減弱,離境后繼續(xù)減弱;1次在仙居的西邊界減弱后,東移至仙居的東邊界增強(qiáng)。

片狀、帶狀回波引起的雷暴大風(fēng)過(guò)程分別為7、4次。片狀回波的范圍更廣,但回波強(qiáng)度較塊狀和弓狀回波弱,其中5次自西北向東南移動(dòng),2次自西向東移動(dòng);進(jìn)入仙居后強(qiáng)度普遍增強(qiáng)或維持,離境后強(qiáng)度減弱或維持。在帶狀回波引起雷暴大風(fēng)的過(guò)程中,3次進(jìn)入仙居境內(nèi)后強(qiáng)度增強(qiáng),離境后強(qiáng)度減弱;有1次在入境和離境過(guò)程中均減弱。

上述4類回波在移動(dòng)進(jìn)入仙居境內(nèi)強(qiáng)度普遍增強(qiáng)或維持,離境后減弱或維持。在回波移動(dòng)過(guò)程中,受到下墊面地形和溫度影響,強(qiáng)度和形狀會(huì)發(fā)生變化,4類回波形態(tài)存在相互轉(zhuǎn)換。以塊狀回波發(fā)展成弓狀回波引起雷暴大風(fēng)的次數(shù)居多,為5次。塊狀回波轉(zhuǎn)變?yōu)閹?、片狀均?次。片狀回波轉(zhuǎn)變?yōu)楣瓲睢K狀的過(guò)程分別為2、1次。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用2005—2020年浙江省地面自動(dòng)站資料大風(fēng)數(shù)據(jù)和浙江省雷達(dá)拼圖,對(duì)仙居縣雷暴大風(fēng)進(jìn)行時(shí)空分布特征、地形對(duì)大風(fēng)的影響以及雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下。

(1)16 a中仙居縣雷暴大風(fēng)日年際變化明顯,呈現(xiàn)波動(dòng)性增長(zhǎng)。雷暴大風(fēng)年站次與自動(dòng)站總站數(shù)自2005年起共有4次震蕩起伏過(guò)程,呈現(xiàn)4～6 a的周期性規(guī)律變化。在月際變化上,雷暴大風(fēng)可出現(xiàn)在春、夏和秋3個(gè)季節(jié),呈現(xiàn)明顯的單峰型,夏季雷暴大風(fēng)過(guò)程最多,春季、秋季次之。在日分布上,仙居縣雷暴大風(fēng)日變化特征明顯,呈現(xiàn)明顯的單峰型,高頻時(shí)段為14—20時(shí),峰值出現(xiàn)在下午,傍晚次之。夜間和上午為雷暴大風(fēng)發(fā)生的低頻時(shí)段。

(2)仙居縣多地具有峽谷和喇叭口地形,可使氣流迅速產(chǎn)生匯流和輻合,有利于形成風(fēng)速輻合中心。海拔較高的山地地形較丘陵、平原地形更易發(fā)生雷暴大風(fēng)。雷暴大風(fēng)高頻區(qū)主要分布在永安溪兩側(cè)較為開(kāi)闊的河谷區(qū)域,與南北部的山地存在較明顯的海拔梯度。

(3)在雷達(dá)回波移向上,自西向東影響仙居縣造成雷暴大風(fēng)的過(guò)程最多,自西北向東南方向移動(dòng)的過(guò)程次之。回波從仙居西側(cè)以偏東分量移動(dòng)的過(guò)程占比共達(dá)到68%,是造成雷暴大風(fēng)最主要的移向。在回波形態(tài)上,由塊狀回波發(fā)展增強(qiáng)導(dǎo)致雷暴大風(fēng)生成的次數(shù)最多,弓狀回波次之。但弓狀回波過(guò)程雷達(dá)回波強(qiáng)度普遍較強(qiáng),范圍更廣。在強(qiáng)度變化上,各類雷達(dá)回波進(jìn)入仙居境內(nèi)強(qiáng)度普遍增強(qiáng)或維持,離境后減弱或維持。