兩次下?lián)舯┝魈鞖獾沫h(huán)境背景及多普勒雷達(dá)特征

畢 旭，徐軍昶，楊亦典，郭慶元

(1.西安市氣象臺(tái)，西安 710016；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；3.西安市公共氣象服務(wù)中心，西安 710016)

下?lián)舯┝魇怯蓪?duì)流體中的強(qiáng)下沉氣流形成的。王秀明等[1]、廖曉農(nóng)等[2-3]對(duì)產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯沫h(huán)境條件進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)干型雷暴大風(fēng)產(chǎn)生在對(duì)流有效位能較小但對(duì)流層中低層環(huán)境風(fēng)垂直切變比較大的環(huán)境中,而濕型雷暴大風(fēng)則多發(fā)生在熱力不穩(wěn)定的條件下。下沉對(duì)流有效位能和對(duì)流層低層環(huán)境大氣溫度垂直遞減率明顯增加并接近干絕熱, 這對(duì)即將到來(lái)的下?lián)舯┝骶哂兄甘疽饬x。劉烈霜等[4]認(rèn)為缺少天氣尺度系統(tǒng)的動(dòng)力支持，單體對(duì)流被抑制，單體也快速崩塌，下沉運(yùn)動(dòng)迅速占據(jù)主導(dǎo)。在中國(guó)多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)布設(shè)以來(lái)，國(guó)內(nèi)專家做了大量多普勒雷達(dá)資料應(yīng)用的分析研究。對(duì)超級(jí)單體風(fēng)暴、多單體風(fēng)暴、颮線風(fēng)暴和弓形回波等產(chǎn)生的下?lián)舯┝鞫嗥绽绽走_(dá)回波進(jìn)行了廣泛的分析，認(rèn)為反射率因子核心下降、中層徑向輻合區(qū)(MARC)、低層輻散等特征回波[5-11]可作為預(yù)警下?lián)舯┝鞯闹甘拘曰夭ㄌ卣?。采用?shù)值模式，對(duì)下?lián)舯┝鞯哪M取得了很好的進(jìn)展。杜愛(ài)軍等[12]基于特征回波對(duì)下?lián)舯┝鬟M(jìn)行三維仿真模擬，肖艷嬌等[13]對(duì)中層徑向輻合區(qū)特征設(shè)計(jì)了三維識(shí)別算法方案，孔凡鈾等[14]、孫凌峰等[15]采用三維強(qiáng)風(fēng)暴冰雹云分檔模式對(duì)下?lián)舯┝鬟M(jìn)行數(shù)值模擬。李夢(mèng)捷等[16]采用WRF 模式對(duì)下?lián)舯┝鬟M(jìn)行了模擬，對(duì)下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了深入分析探討，為下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生預(yù)報(bào)預(yù)警提供了很好的指導(dǎo)。本文將對(duì)2017年7月份發(fā)生在西安地區(qū)的兩次下?lián)舯┝魈鞖膺M(jìn)行分析，以期為該類天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 天氣過(guò)程實(shí)況

2017年7月10日12—18時(shí)(北京時(shí)，下同)，西安市及其上游地區(qū)出現(xiàn)了對(duì)流性天氣。17:15—17:35在西安市閻良區(qū)出現(xiàn)了大風(fēng)，17：31西安市閻良區(qū)自動(dòng)氣象站(109.22°E，34.66°N)觀測(cè)到瞬時(shí)風(fēng)速32.8 m/s。2017年7月22日16：00—19：00，西安市出現(xiàn)對(duì)流天氣，16:47西安市灞橋區(qū)氣象站(109.04°E，34.32°N)最大瞬時(shí)風(fēng)速33.1 m/s。這兩次大風(fēng)天氣持續(xù)時(shí)間短，影響范圍小，均造成大樹(shù)倒伏、建筑物損毀。

2 影響系統(tǒng)分析

2.1 地面影響系統(tǒng)

2017年7月10日08時(shí)地面填圖資料及海平面氣壓場(chǎng)分析圖(圖略)顯示，中國(guó)東北—華北—陜西關(guān)中地區(qū)為一冷鋒，西安處于冷鋒前部。

2017年7月22日08時(shí)地面填圖資料及海平面氣壓場(chǎng)分析圖(圖略)顯示，四川—陜西為一熱低壓，西安處于熱低壓中，08—17時(shí)熱低壓持續(xù)發(fā)展，其中心海平面氣壓由1 002.5 hPa下降至998.5 hPa以下。

2.2 高空影響系統(tǒng)

2017年7月10日08時(shí)500 hPa高空?qǐng)D(圖略)上，副熱帶高壓在亞洲東部斷裂為兩部分，東部位于西太平洋地區(qū)，西部位于青藏高原及以西地區(qū)，兩高之間為寬廣槽區(qū)，西安處于槽后的偏北氣流當(dāng)中。溫度槽落后于高度槽，槽后冷舌伸展到西安地區(qū)，中高層有冷空氣南下入侵。10日08時(shí)西安站(57131)探空?qǐng)D(圖1)顯示，850 hPa及以下，隨著高度升高風(fēng)向從西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，700～500 hPa風(fēng)速為8～10 m/s的西北風(fēng)，400 hPa以上為較為一致的偏西風(fēng)，400 hPa風(fēng)速為20 m/s。ΔT(850-500)=35 ℃。0～6 km垂直風(fēng)切變約10 m/s， 0～3 km垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s，垂直風(fēng)切變?nèi)?。KI指數(shù)為18 ℃，SI指數(shù)為-1.68 ℃，CAPE值為497.7 J/kg，有弱的潛在不穩(wěn)定能量，有利于對(duì)流天氣發(fā)生。低層850 hPa以下有逆溫，有利于不穩(wěn)定能量的積聚。

圖1 2017-07-10T08 西安站(57131)探空?qǐng)D

2017年7月22日08時(shí)500 hPa高空?qǐng)D(圖略)上，西太平洋及中國(guó)東部地區(qū)受副熱帶高壓控制，副熱帶高壓西脊線伸展到87°E以西，西安市處于副熱帶高壓之中，西安涇河探空站位勢(shì)高度為592 dagpm。

2017年7月22日08時(shí)西安探空?qǐng)D(圖2)顯示，850 hPa及以下，隨高度升高風(fēng)向由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，700～500 hPa為4～6 m/s偏南風(fēng)，400 hPa以上為一致偏東風(fēng)。ΔT(850-500)=26 ℃。0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s，0～3 km垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s，垂直風(fēng)切變?nèi)酢I指數(shù)為42 ℃，SI指數(shù)為0.41 ℃，CAPE值為1 291.6 J/kg，有中等強(qiáng)度的潛在不穩(wěn)定能量。

圖2 2017-07-22T08西安站探空?qǐng)D

與文獻(xiàn)[1-3]分析結(jié)果相比，這兩次下?lián)舯┝魈鞖膺^(guò)程均發(fā)生在低層弱的垂直風(fēng)切變環(huán)境中，較為少見(jiàn)。

3 西安多普勒雷達(dá)回波特征

3.1 組合反射率因子

3.1.1 2017年7月10日過(guò)程 10日12:22，西安多普勒雷達(dá)組合反射率因子圖(圖略)上，西安市閻良區(qū)北偏西方向80～150 km處開(kāi)始有對(duì)流生成，之后對(duì)流逐漸發(fā)展加強(qiáng)，有單體不斷生成、消散，并逐漸向偏南方向移動(dòng)；16:26對(duì)流體在持續(xù)向東南方移動(dòng)過(guò)程中，逐漸發(fā)展成一條西北—東南向長(zhǎng)約150 km的發(fā)展旺盛的帶狀回波(圖3a白色橢圓圈中)；之后帶狀回波逐漸減弱、斷裂；17:01斷裂的回波帶中有反射率因子≥50 dBz單體A(圖3b白色橢圓中)在16:55—17:40影響西安市閻良區(qū)，17:31西安市閻良區(qū)觀測(cè)站監(jiān)測(cè)到32.8 m/s大風(fēng)。統(tǒng)計(jì)10日16:55—17:40影響閻良區(qū)的單體A各仰角最大反射率因子，結(jié)果見(jiàn)表1。17:01—17:06一個(gè)體掃的時(shí)間內(nèi)，單體A中0.5°、1.5°仰角最大反射率因子迅速增大，且大于4.3°仰角的最大反射率因子，4.3°仰角最大反射率因子減小，反射率因子大值區(qū)域面積逐漸減少，表明單體A反射率核心下降。17:12以后，各仰角最大反射率因子逐漸減小，反射率因子大值區(qū)域面積持續(xù)減少，表明單體A持續(xù)減弱。17:40以后單體A逐漸消散。

圖3 2017-07-10西安多普勒雷達(dá)組合反射率因子(a圖中白色橢圓中為帶狀回波帶；b圖中白色橢圓中為單體A，白色箭頭所指區(qū)域?yàn)殚惲紖^(qū))

表1 2017-07-10不同時(shí)刻西安多普勒雷達(dá)影響閻良區(qū)的單體A不同仰角最大反射率因子 單位：dBz

3.1.2 2017年07月22日過(guò)程 22日13:00前后，西安南部秦嶺山區(qū)受局地?zé)崃ψ饔糜绊懀饾u有對(duì)流單體生成，生成的對(duì)流單體緩慢向東移動(dòng)。15:29對(duì)流單體東移過(guò)程中逐漸發(fā)展成弓形回波(圖4a白色橢圓中)，弓形回波的前方在局地?zé)崃ψ饔孟掠行聠误w1生成(圖4a白色箭頭所指)。之后，單體1逐漸發(fā)展為東西向帶狀回波。15:58弓形回波和其運(yùn)動(dòng)方向前部的帶狀回波開(kāi)始交匯合并，有反射率因子≥60 dBz回波生成，交匯合并的對(duì)流體向北移動(dòng)，其移動(dòng)前方持續(xù)有新單體生成。16:21前后在合并的回波北側(cè)，有新單體2生成，16：32單體2(圖4b中白色單箭頭所指)中出現(xiàn)≥65 dBz的強(qiáng)回波，16:47單體2在西安市灞橋區(qū)產(chǎn)生33.1 m/s的地面大風(fēng)。

圖4 2017-07-22西安多普勒雷達(dá)組合反射率(a圖中白色橢圓中為弓形回波，白色單箭頭所指為單體1；b圖中白色單箭頭所指為單體2)

15:58以前弓形回波和前方的單體1發(fā)展形成的帶狀回波中一直有≥55 dBz的強(qiáng)回波維持。15:58回波開(kāi)始交匯合并在一起，交匯合并的回波中4.3°、6.0°仰角上出現(xiàn)≥60 dBz的回波，并且出現(xiàn)了“三體”散射回波。16:03合并的對(duì)流體各仰角反射率因子持續(xù)增大，對(duì)流增強(qiáng)。16:09合并的對(duì)流體反射率因子核心開(kāi)始下降，合并后的對(duì)流體中有下沉氣流產(chǎn)生。16:15交匯合并的對(duì)流體中≥50 dBz的回波面積持續(xù)增大，0.5°仰角上出現(xiàn)≥60 dBz的回波，14.6°仰角(高度10.6 km)上最大反射率因子持續(xù)增大，出現(xiàn)≥40 dBz的反射率因子。16:21合并的對(duì)流體逐漸減弱，在其北側(cè)，新生的單體2中反射率因子迅速增大，單體2中最大反射率因子≥55 dBz(表2)。

表2 2017-07-22不同時(shí)刻單體2各仰角最大反射率因子 單位：dBz

16：32單體2(圖5中白色雙箭頭所指，圖5見(jiàn)第5頁(yè))中，各仰角反射率因子大值區(qū)面積持續(xù)增加，14.6°仰角上有“三體”散射回波(圖6h中白色箭頭所指，白色雙箭頭位于灞橋區(qū))。

圖5 2017-07-22T 16:32西安多普勒雷達(dá)0.5°～19.5°反射率因子圖(白色雙箭頭位于灞橋區(qū))

單體2(表2)中，16:38 4.3°仰角上出現(xiàn)≥60 dBz的回波，14.6°仰角上出現(xiàn)“三體”散射，19.5°仰角上出現(xiàn)≥55 dBz回波，對(duì)流增強(qiáng)。16:43 1.5°～3.4°仰角最大反射率因子≥60 dBz，14.6°仰角上三體散射回波消失。16:49 2.4～4.3°仰角上反射率因子≥60 dBz的回波消失，6.0°、14.6°仰角最大反射率因子較16:43相同仰角的增大；17:00以后各仰角最大反射率因子持續(xù)減小，單體2對(duì)流減弱。

3.2 徑向速度圖特征

3.2.1 2017年7月10日過(guò)程 10日17:01，單體A位于西安市閻良區(qū)以北地區(qū)，單體A中0.5°、1.5°、2.4°仰角為明顯輻散；3.4°仰角無(wú)明顯輻合輻散；4.3°、6.0°仰角存在明顯徑向速度輻合，0.5°仰角最小徑向速度為-20 m/s，表明單體A中已經(jīng)有下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生。17:06，單體A中0.5°、1.5°仰角輻散，2.4°仰角輻合輻散并存，3.4°～6.0°仰角輻合較17:01相同仰角的輻合明顯增強(qiáng)，0.5°仰角最大徑向速度為-20 m/s。17:12，單體A中0.5、1.5°仰角為輻散，2.4°仰角輻合輻散并存，3.4°～6.0°仰角為輻合，0.5°仰角最大徑向速度為-27 m/s，表明單體A中有新的下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生。17:18，單體A中0.5°～2.4°仰角上為輻散，3.4°～6.0°仰角上為輻合，0.5°仰角最大徑向速度為-27 m/s。17:23，單體A中0.5°～2.4°仰角上為輻散，3.4°～4.3°上為輻合，0.5°仰角下沉氣流區(qū)中最大徑向速度為-27 m/s。17:29(圖6)，單體A中0.5°、1.5°仰角上均為輻散，2.4°、3.4°上為輻合輻散并存，4.3°、6.0°上為輻合，0.5°仰角出現(xiàn)了速度模糊區(qū)，最大徑向速度<-27 m/s，表明單體A中再次有新的下?lián)舯┝魃伞?7:35，單體A中0.5°～2.4°仰角上為輻散，3.4°～6.0°仰角遠(yuǎn)離雷達(dá)一側(cè)為明顯輻合，0.5°下沉氣流區(qū)中最大徑向速度為-20 m/s。

圖6 2017-07-10T17:29西安多普勒雷達(dá)0.5°～19.5°仰角徑向速度圖(白色雙箭頭位置為閻良區(qū))

3.2.2 2017年7月22日過(guò)程 22日15:58合并前的弓形回波中，0.5°仰角上出現(xiàn)輻散，其余各仰角維持明顯輻合。單體1中，0.5°仰角上有明顯輻散(圖7a，圖7中所有白色雙箭頭為單體1)，最大徑向負(fù)速度≤-10 m/s；1.5°～9.9°仰角上為輻合，表明弓形回波和單體1底層有下沉氣流產(chǎn)生。合并的對(duì)流體中(圖7中白色雙箭頭周邊區(qū)域)，16:03—16:21 0.5°仰角上輻散，最大徑向負(fù)速度均≤-20 m/s；16:26， 0.5°仰角上輻散，出現(xiàn)-27 m/s的徑向速度(圖7f)，下沉氣流增強(qiáng)，表明此時(shí)合并的對(duì)流體中有下?lián)舯┝靼l(fā)生。

圖7 2017-07-22T15:58—16:26西安多普勒雷達(dá)0.5°仰角徑向速度圖(白色雙箭頭位置為單體1)

單體2中，16：32—16:38 0.5°仰角為輻散，最大徑向負(fù)速度為-15 m/s，3.4°～14.6°為輻合。16:43(圖8，圖8中白色雙箭頭位于灞橋區(qū))，0.5°仰角輻散，1.5°～14.6°仰角有中層徑向輻合，0.5°仰角最大徑向速度≤-27 m/s，表明單體2中產(chǎn)生了下?lián)舯┝鳌?6:49，0.5°仰角上出現(xiàn)純輻散區(qū)域，輻散區(qū)域最大徑向負(fù)速度≤-27 m/s，1.5°、2.4°上為弱輻散，3.4°仰角上輻散輻合特征不明顯，4.3°～19.5°(海拔高度為10.3 km)上為輻合。16:55，0.5°仰角上為輻散，最大徑向負(fù)速度≤-27 m/s，1.5°～3.4°上為輻散，4.3°～14.6°為輻合。

圖8 2017-07-22T16：43西安多普勒雷達(dá)0.5°～19.5°仰角徑向速度圖(白色雙箭頭位于灞橋區(qū))

3.3 回波頂高

3.3.1 2017年7月10日過(guò)程 如表3所示，10日16:55—17:23，單體A回波頂高維持在8 km左右，17:29—17:35維持在7 km左右，表明單體A中對(duì)流不是特別深厚。

表3 2017-07-10不同時(shí)刻西安多普勒雷達(dá)單體A最大回波頂高

3.3.2 2017年7月22日過(guò)程 如表4所示，22日16:21—16:32，單體2中雷達(dá)回波頂高數(shù)值增大，16:32—16:38維持，之后回波頂高數(shù)值減小，表明單體2中16:32以前對(duì)流迅速增強(qiáng)，16:43以后對(duì)流減弱。

表4 2017-07-22不同時(shí)刻西安多普勒雷達(dá)單體最大回波頂高

3.4 雷達(dá)資料綜合分析

3.4.1 2017年7月10日過(guò)程 10日16：55之前，在回波帶整體持續(xù)減弱過(guò)程中，單體A繼續(xù)維持較強(qiáng)的對(duì)流。17:01以后單體A反射率因子核心下降，有下?lián)舯┝靼l(fā)生。17:12以后各仰角反射率因子最大值持續(xù)下降。單體A中0.5°仰角徑向速度圖上，17:01—17:06最大徑向負(fù)速度為-20 m/s，17：12—17:23最大徑向負(fù)速度≤-27 m/s，17:29出現(xiàn)速度模糊，最大徑向負(fù)速度超過(guò)了-27 m/s，17:35—17：40最大徑向負(fù)速度在(-15～-20) m/s，說(shuō)明17:01、17:12、17:23前后有3次下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生?？梢钥闯?，在前期產(chǎn)生強(qiáng)下沉氣流后，單體A維持較長(zhǎng)時(shí)間，后期產(chǎn)生兩次較強(qiáng)的下?lián)舯┝鳎瑸榈孛鏋?zāi)害性大風(fēng)的形成及長(zhǎng)時(shí)間維持提供了必要的動(dòng)力補(bǔ)充，多次下?lián)舯┝餍纬傻南鲁翚饬魍幌虔B加，形成了更加有破壞性的災(zāi)害性大風(fēng)。

分析17:12 6.0°仰角最大反射率因子較17:06增大的原因，可能是17:06前后反射率因子核心下降，中層徑向輻合產(chǎn)生，中層徑向輻合產(chǎn)生的補(bǔ)償作用導(dǎo)致中層徑向輻合區(qū)上部對(duì)流在短時(shí)內(nèi)加強(qiáng)，從而造成反射率因子增大。

3.4.2 2017年7月22日過(guò)程 分析各仰角反射率因子(表2)，單體2中16:38 6.0°～14.6°仰角最大反射率因子≥65 dBz，19.5°最大反射率因子為58 dBz。16:43 6.0°～19.5°仰角最大反射率因子均比16:38時(shí)偏小，16:49—16:55 6.0°～19.5°仰角最大反射率因再次增大。對(duì)應(yīng)16:43徑向速度圖單體2中產(chǎn)生的下?lián)舯┝鳎砻鲉误w2中下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生時(shí)，由于較強(qiáng)的下沉氣流導(dǎo)致中高層最大反射率因子減小，并產(chǎn)生了中層徑向輻合。中層輻合增強(qiáng)后，中高層最大反射率因子再次增大，同樣說(shuō)明中層輻合的加強(qiáng)起到補(bǔ)償作用，有效抑制了中高層對(duì)流的減弱，使得中層徑向輻合區(qū)上部的對(duì)流繼續(xù)維持甚至再次增強(qiáng)，同時(shí)使得低層的下沉氣流繼續(xù)維持。

4 結(jié)論與討論

(1)2017年7月10日閻良區(qū)下?lián)舯┝靼l(fā)生在高空槽影響系統(tǒng)中，700 hPa以上高空有冷空氣侵入，0～6 km風(fēng)切變較弱，潛在不穩(wěn)定能量小。2017年7月22日灞橋區(qū)下?lián)舯┝靼l(fā)生在副熱帶高壓影響系統(tǒng)中，沒(méi)有冷空氣侵入，0～6 km風(fēng)切變?nèi)?，有中等?qiáng)度的潛在不穩(wěn)定能量，地面為熱低壓，局地?zé)釋?duì)流為觸發(fā)機(jī)制。

(2) 兩次災(zāi)害性大風(fēng)均是前期產(chǎn)生下?lián)舯┝骰蛘呦鲁翚饬骱?，后期再次產(chǎn)生下?lián)舯┝骱笙鲁翚饬魍幌喁B加，從而為地面產(chǎn)生更加有破壞性的災(zāi)害性大風(fēng)提供了有利的物質(zhì)和能量補(bǔ)充。下?lián)舯┝鞯耐幌喁B加會(huì)形成更加有破壞性的大風(fēng)。

(3)下?lián)舯┝鞒醍a(chǎn)生時(shí)，下沉氣流導(dǎo)致對(duì)流體中高層整體對(duì)流減弱，反射率因子減小。當(dāng)下沉氣流產(chǎn)生導(dǎo)致中層徑向輻合出現(xiàn)后，中層輻合增強(qiáng)后產(chǎn)生的補(bǔ)償作用，使得對(duì)流體中徑向輻合區(qū)上部的對(duì)流得以再次增強(qiáng)，反射率因子有短時(shí)的增大，同時(shí)補(bǔ)充維持了底層輻散下沉氣流。