廈門地區(qū)一次午后熱對流的中尺度特征分析*

孫瓊博 胡雅君 張玉軒 張煒月

(1.海峽氣象開放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象臺，福建 廈門 361012；3.閩侯縣氣象局，福建 福州 350100)

1 概述

強(qiáng)對流天氣是由對流引起的冰雹、雷雨大風(fēng)和強(qiáng)降水天氣的統(tǒng)稱。強(qiáng)對流天氣與中小尺度系統(tǒng)有關(guān)，一般具有時間和空間尺度小、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，一直是預(yù)報的難點(diǎn)。由于常規(guī)資料時空分辨率低，新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)在監(jiān)測局地強(qiáng)對流天氣過程中發(fā)揮了重要作用。鄭祚芳等分析了北京地區(qū)一次夜間局地強(qiáng)對流天氣，發(fā)現(xiàn)地面中尺度輻合線是降水主要的觸發(fā)機(jī)制之一[1]。張德林和馬雷鳴分析發(fā)現(xiàn)，邊界層中尺度輻合線和擾動能在弱冷空氣南下和局地中小尺度斜壓不穩(wěn)定的背景下產(chǎn)生，中尺度擾動不穩(wěn)定隨垂直運(yùn)動上傳并觸發(fā)對流[2]。馮晉勤等利用新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品開展了強(qiáng)對流天氣臨近預(yù)報預(yù)警方法研究，提高了冰雹和雷雨大風(fēng)的預(yù)報準(zhǔn)確率[3]。王曉峰等分析了城市熱島、海陸風(fēng)、湖陸風(fēng)在“0731”局地強(qiáng)對流中的作用[4]。馮晉勤等利用廈門雙偏振雷達(dá)資料對比分析了冬季冰雹和短時強(qiáng)降水的雙偏振參量特征，為冬季強(qiáng)對流天氣的短期和短時預(yù)報提供了預(yù)報著眼點(diǎn)[5]。

本文針對2019年7月20日廈門同安局地?zé)釋α鬟^程，利用雙偏振多普勒雷達(dá)和雨滴譜儀等新型探測資料，分析了其環(huán)流特征、中尺度特征以及微物理特征，以期為雷達(dá)定量降水估測、強(qiáng)對流預(yù)報等提供參考。

2 資料來源

分析使用了2019年7月20日NCEP提供的FNL再分析資料，分辨率為1°×1°；2019年7月20日常規(guī)探空資料、地面自動站觀測資料、廈門海滄新一代雙偏振雷達(dá)資料以及同安降水現(xiàn)象儀的雨滴譜資料。儀器分布見圖1。

圖1 觀測儀器分布圖

3 過程概況

2019年7月20日，受中低層切變及西南暖濕氣流影響，福建省沿海部分市縣出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水，廈門市同安區(qū)局部地區(qū)出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水過程。同安區(qū)降水過程范圍小，局地性比較強(qiáng)，雨強(qiáng)較強(qiáng)，穩(wěn)定少動，但本次雨量歷時不長，整體強(qiáng)度弱，沒有造成明顯的災(zāi)害損失。全市共16個站日降水量超過50 mm，其中三個站超過100 mm，達(dá)大暴雨量級，最大日雨量為138.4 mm，出現(xiàn)在同安區(qū)溪林村，同安站當(dāng)日降水量為61.7 mm。本次降水過程主要集中在20日12～16時，統(tǒng)計該時段3小時、1小時以及半小時降水強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在同安區(qū)新民鎮(zhèn)溪林村，分別為138.4 mm、130.1 mm、89.8 mm，同時本次過程泉州、莆田、福州、寧德的部分縣市也出現(xiàn)了大于50 mm的暴雨。另外本次過程全省范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)雷電(圖2)以及7～9級雷雨大風(fēng)(圖2)，廈門市最大陣風(fēng)出現(xiàn)在同安區(qū)城南BRT站，風(fēng)速19.5 m/s(8級)。

圖2 2019年7月20日過程累計降水、3小時累計降水、極大風(fēng)和雷電監(jiān)測

4 環(huán)流形勢

從7月20日08時形勢場分析來看(圖3)，副高相比于前一天加強(qiáng)西伸，并且比預(yù)報的更加深入內(nèi)陸一些，福建省處于副熱帶高壓邊緣的不穩(wěn)定區(qū)域，受明顯的偏北氣流影響；700hPa和850hPa是一致的西南風(fēng)，閩中和閩南有弱的西風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，風(fēng)速約為4m·s-1，低層無明顯系統(tǒng)影響；從中尺度分析也可以看到，切變主要集中在江淮一帶；在這種中層北風(fēng)低層南風(fēng)的形勢下，回波更加容易穩(wěn)定少動。從濕度條件看，700hPa以及850hPa福建省均處于顯著濕區(qū)，特別是閩南地區(qū)，低層的T-Td基本在1℃左右，比濕在12g·kg-1以上。

7月20日08時廈門探空為明顯上干下濕的結(jié)構(gòu)。抬升凝結(jié)高度低(接近1000hPa)，自由對流高度約在925hPa高度，濕層較為深厚。K指數(shù)為39，SI指數(shù)為-2.06，CAPE超過了3000，層結(jié)不穩(wěn)定條件好。整體探空條件有利于強(qiáng)對流天氣的產(chǎn)生，尤其是短時強(qiáng)降水以及雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生。

圖3 2019年7月20日08時500hPa、700hPa、850hPa以及中尺度分析

圖4 2019年7月20日08時廈門站探空

5 雷達(dá)回波分析

5.1 反射率因子

本次過程主要從20日12時左右開始?；夭ㄊ紫葟膹B門以北沿山一帶發(fā)展，呈分散的塊狀，移動緩慢(圖5a)。隨著時間的推移，分散的回波逐漸合并，強(qiáng)度增強(qiáng)，由于環(huán)境風(fēng)場較弱，緩慢向西南方向移動，同時在廈門西南部(海滄、龍海一帶)有回波生成并快速發(fā)展(圖5b)。13時以后，廈門北部山區(qū)的回波受其西南側(cè)的新生單體影響，進(jìn)一步向西南方向移動(圖5c)。接近14時，北部的強(qiáng)回波與廈門西南部的回波再次合并，強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，達(dá)到成熟階段，維持了大約半小時，且移動緩慢，造成了局地的短時強(qiáng)降水(圖5d)。14時30分以后，回波強(qiáng)度逐漸減慢，并開始緩慢向西南方向移動(圖5e)。16時左右，強(qiáng)回波已經(jīng)移到海滄地區(qū)，強(qiáng)度明顯減弱(圖5f)。

圖5 廈門海滄雙偏振雷達(dá)組合反射率演變

根據(jù)以上分析，將本次強(qiáng)對流過程分為3個階段，12～13時為合并發(fā)展階段，13～15時為成熟階段，15～16時為減弱階段。

沿強(qiáng)對流回波移動方向所作的雷達(dá)反射率因子垂直剖面(圖6)顯示，強(qiáng)回波首先在同安以北地區(qū)生成，回波中心不斷向西南方向移動(圖6b)。緊接著在海滄、龍海一帶也有強(qiáng)回波生成，而后向東北方向移動(圖6c)。接近14時，兩股強(qiáng)回波合并(圖6d)，強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，一直維持在同安地區(qū)，直到15時左右才趨于減弱并向西南方向移動(圖6e)。另外，由廈門探空計算的大氣0 ℃層高度為5.5 km，在降水最強(qiáng)時刻(14時)強(qiáng)回波(45 dBz以上)發(fā)展高度超過0 ℃層(黑色實(shí)線)，最高在10 km以上，且向下一直擴(kuò)展到近地面。

圖6 廈門海滄雙偏振雷達(dá)反射率因子垂直剖面(剖面沿圖5中黑色實(shí)線，西南到東北方向)

5.2 雙偏振參量

由于在降水最強(qiáng)時刻(14時)，強(qiáng)回波(45 dBz以上)發(fā)展高度超過0 ℃層，所以此次暴雨過程與2018年5月7日的暖區(qū)暴雨不同，并非低質(zhì)心暖云降水。為了研究其中的微物理過程，需要弄清楚0 ℃層以上的強(qiáng)回波是過冷水還是冰相粒子造成。

雙偏振參量能獲得粒子相態(tài)信息。ZDR反映粒子的扁平度，而雨滴粒徑越大，形狀越扁平，對于冰相粒子，由于翻轉(zhuǎn)作用，總體效果接近球形，ZDR值在0附近，可以是小的負(fù)值或者小的正值。KDP可以反映液態(tài)水含量，對于冰相粒子，KDP值也比較小。圖7和圖8給出了沿強(qiáng)對流回波移動方向所作的ZDR和KDP垂直剖面，12～16時，ZDR大值區(qū)(ZDR>1.2)和KDP大值區(qū)(KDP>1.1)基本都位于0 ℃層以下，與0 ℃層以下的反射率因子大值區(qū)能很好的對應(yīng)。但在降水最強(qiáng)時刻(14時)，0 ℃層以上的反射率因子大值區(qū)的ZDR很小，接近于0，同時KDP的值也比較小，這說明在降水最強(qiáng)的時刻，存在復(fù)雜的冰相過程。

圖7 廈門海滄雙偏振雷達(dá)ZDR垂直剖面(剖面沿圖5中黑色實(shí)線)

圖8 廈門海滄雙偏振雷達(dá)KDP垂直剖面(剖面沿圖5中黑色實(shí)線)

6 強(qiáng)對流三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)

首先分析此次強(qiáng)對流的中尺度水平風(fēng)場演變特征，圖9給出了7月20日12∶36-15∶24同安及其周邊地區(qū)1500 m高度雙雷達(dá)反演風(fēng)場和回波強(qiáng)度。從中看到，在合并發(fā)展階段(圖9a、b)，強(qiáng)回波所在位置受西南氣流影響，高溫高濕，有利于觸發(fā)對流。在成熟階段(圖9c、d)，強(qiáng)回波所在位置有明顯的輻合，有利于強(qiáng)對流發(fā)展和維持。在減弱階段(圖9e、f)，輻合消失，變?yōu)橐恢碌奈黠L(fēng)，且風(fēng)速逐漸減小，導(dǎo)致回波逐漸減弱。這與2018年5月7日閩南沿海暖區(qū)特大暴雨中的風(fēng)場水平結(jié)構(gòu)特征一致，強(qiáng)回波伴隨著輻合區(qū)的發(fā)展，風(fēng)場的變化和輻合區(qū)的形成也可能是由于強(qiáng)降水粒子對低層水平風(fēng)的削弱阻擋作用而造成的。

圖9 2019年7月20日1500 m回波強(qiáng)度(著色，單位dBz)和反演水平風(fēng)場(箭頭)演變

圖10給出了沿回波傳播方向(圖9d中黑色實(shí)線)所作的垂直剖面，可以看到，與2018年5月7日過程明顯不同，此次強(qiáng)對流過程的上層和下層風(fēng)向幾乎完全相反，上層主要是東北風(fēng)，下層主要是西南風(fēng)，而后者的上下層風(fēng)向是一致的。另外，沿著回波傳播方向，在強(qiáng)回波所在位置有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，與上層?xùn)|北風(fēng)構(gòu)成次級環(huán)流，在強(qiáng)回波的西南方有下沉出流，與環(huán)境的西南風(fēng)形成輻合，但由于風(fēng)速較小，使得強(qiáng)回波緩慢向西南方向移動，造成局地強(qiáng)降水(圖10a、d)。到了減弱階段(圖10e、f)，風(fēng)速進(jìn)一步減小，輻合減弱，上升運(yùn)動也隨之減弱，回波逐漸減弱，降水過程結(jié)束。

圖10 圖9d中黑色實(shí)線的徑向剖面回波強(qiáng)度(著色，單位：dBz)和反演風(fēng)場(箭頭，單位：m·s-1，垂直速度擴(kuò)大為原來的2倍)

7 雨滴譜分布

圖11a給出了同安降水現(xiàn)象儀所探測的強(qiáng)對流過程中雨滴譜時間變化。

(a)2019年7月20日同安降水現(xiàn)象儀探測的13—18時的雨滴譜時間變化，(b)同安雨量筒實(shí)測(紅色)和雨滴譜反演(藍(lán)色)所得逐5 min雨量(柱狀圖，對應(yīng)左縱坐標(biāo)，單位:mm)和滑動1 h累計雨量(折線，對應(yīng)右縱坐標(biāo)，單位:mm)

從圖11可見，整個降水過程中，小雨滴的濃度(N(D))都比大雨滴大，1 mm以下的小雨滴濃度最大，接近104 mm-1·m-3；雨滴粒徑分布廣，最大雨滴粒徑接近6 mm。對比同安雨量筒實(shí)測雨量和雨滴譜反演雨量(圖11b)可知，降水現(xiàn)象儀會稍微低估降水，但兩者基本吻合，不論是滑動1 h累計雨量還是逐5 min雨量，兩者相關(guān)系數(shù)都高達(dá)0.999，都通過了0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。

8 結(jié)論

(1)本次局地?zé)釋α靼l(fā)生在副熱帶高壓邊緣的不穩(wěn)定區(qū)域，同安地區(qū)受明顯的偏北氣流影響；低層是一致的西南風(fēng)，閩中和閩南有弱的西風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，無明顯系統(tǒng)影響，濕度條件較好。

(2)廈門探空為明顯上干下濕的結(jié)構(gòu)。抬升凝結(jié)高度和自由對流高度都很低，濕層深厚，層結(jié)不穩(wěn)定條件好。

(3)本次過程屬于冷云降水，強(qiáng)回波發(fā)展高度超過0 ℃層，ZDR和KDP的分布表明在成熟階段存在復(fù)雜冰相過程。

(4)強(qiáng)回波所在位置受西南氣流影響，高溫高濕，有利于對流發(fā)展維持，強(qiáng)回波伴隨著輻合區(qū)的發(fā)展，風(fēng)場的變化和輻合區(qū)的形成可能是由于強(qiáng)降水粒子對低層水平風(fēng)的削弱阻擋作用而造成的。沿著回波傳播方向，上層和下層風(fēng)向幾乎完全相反，構(gòu)成次級環(huán)流，強(qiáng)回波向出流方向緩慢移動。