山東半島秋季一次脈沖風暴下?lián)舯┝饔^測分析

梅嬋娟，張燦，許可，王佳明

(1. 威海市氣象局，山東 威海 264200；2. 空軍94595部隊氣象臺，山東 濰坊 261500)

引言

脈沖風暴是發(fā)生在弱垂直風切變下的對流風暴，與脈沖風暴相伴隨的最常見的強對流天氣是下?lián)舯┝?。FUJITA and BYERS[1]，F(xiàn)UJITA[2]把下?lián)舯┝鞫x為地面上水平風速大于17.9 m·s-1、中空氣流向下、地面氣流為輻散或直線型的災害性大風，并根據(jù)外流的災害性范圍大小，把下?lián)舯┝鞣譃楹晗聯(lián)舯┝?尺度大于4 km，持續(xù)時間大于10 min)和微下?lián)舯┝?尺度小于4 km，持續(xù)時間小于10 min)。脈沖風暴微下?lián)舯┝鱗3-4]既可發(fā)生在濕的也可發(fā)生在相對干的大氣環(huán)境下，分別稱為濕微下?lián)舯┝骱透晌⑾聯(lián)舯┝?。干微下?lián)舯┝魇侵冈趶婏L階段不伴隨(或很少)降水的下?lián)舯┝鳎睦走_回波一般較弱，因而不會引起人們的注意，假如這種情況發(fā)生在機場附近，則可能對飛機起飛和降落影響極大，有時會造成嚴重的災害性后果。FUJITA[5]，PRZYBYLINSKI and GERY[6],PRZYBYLINSKI and DE CAIRE[7]研究認為弓狀回波是下?lián)舯┝魇录l(fā)生的主要特征之一。ROBERTS and WILSON[8]在研究了31個發(fā)生在美國科羅拉多州的下?lián)舯┝骷捌湎鄳娘L暴單體后，發(fā)現(xiàn)下降的反射率因子核同時伴隨雷暴云中某一高度處(3～7 km)或云底附近不斷增加的徑向輻合是重要的下?lián)舯┝黝A報線索；若同時伴有雷暴云的旋轉(zhuǎn)和側(cè)向入流槽口，則可以更加肯定地預報有下?lián)舯┝鞯漠a(chǎn)生，預報提前時間為0～10 min。受到 ROBERTS and WILSON[8]的啟發(fā)，SMITH et al.[9]做了類似的工作，得到的下?lián)舯┝黝A兆與ROBERTS和WILSON的發(fā)現(xiàn)類似，并指出中層旋轉(zhuǎn)和強烈的風暴頂輻散也是下?lián)舯┝鞯念A兆。近年來，氣象研究人員利用新一代天氣雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)，對山東各類強風暴天氣進行了大量的個例研究，認為弓狀回波中的γ中尺度渦旋會造成局地強風，雷暴大風由后側(cè)入流急流與中渦旋的線性疊加造成[10-15]。下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的直接原因是降水的重力拖曳作用，其次是冰雹的融化和雨水蒸發(fā)的冷卻作用[16-17]；多普勒雷達回波反射率因子核心逐漸降低并伴隨云底以上出現(xiàn)速度輻合是下?lián)舯┝骼走_回波的重要特征[18-21]。

雖然對強風暴發(fā)生的下?lián)舯┝鱾€例研究較多，包括產(chǎn)生下?lián)舯┝鞯某墕误w風暴、多單體風暴和颮線等[22-28]，但對尺度較小特別是孤立的脈沖風暴產(chǎn)生的微下?lián)舯┝餮芯枯^少，而這種下?lián)舯┝鞒叨刃?，生命史短，致使提前預警難度較大。本文利用威海新一代天氣雷達資料，對2018年9月8日發(fā)生在文登大水泊機場附近的一次微下?lián)舯┝魇录M行了細致分析，旨在為今后類似天氣過程的臨近預警提供參考。

1 天氣實況

2018年9月8日14：00—18：00，山東半島威海文登大水泊機場附近出現(xiàn)了一次局地強對流天氣，對流風暴帶來了大風、短時強降水，并伴有冰雹，冰雹最大直徑約1 cm，騰家1 h降水量達到了25.7 mm。由風場分布發(fā)現(xiàn)，15:00(圖1a)，文登東南部地面有明顯的偏南風和偏北風的輻合線存在，此時文登區(qū)輻合線北側(cè)站點多為東北風，南部多為西南風(圖1b)，伴隨強天氣的發(fā)生，文登東部20 km范圍內(nèi)地面風場呈現(xiàn)明顯輻散狀特征，大水泊機場以東地區(qū)東南風轉(zhuǎn)為西北風，以西地區(qū)東北風轉(zhuǎn)為偏南風。由于此次對流風暴發(fā)生在文登站與大水泊機場之間，無自動氣象站數(shù)據(jù)與之對應，文中用距離最近的文登站數(shù)據(jù)(圖1c)進行分析發(fā)現(xiàn)，強天氣主要發(fā)生在15：00—17：00之間，突發(fā)性強，持續(xù)時間短，極大風速由15：00的5.3 m·s-1增大到15：53的17.1 m·s-1，隨后減小。由于本次下?lián)舯┝靼l(fā)生地距離文登站點有一定距離，實際極大風速應大于文登站監(jiān)測到的17.1 m·s-1。對應5 min的瞬時風速可見，15：00—16：00風速有兩次躍增，第一次在15：25，瞬時風速和極大風速均相對于前期有明顯的增大，達到了8.3 m·s-1，15：50后風速進一步增大，15：53極大風速達到了17.1 m·s-1，15：55瞬時風速降到了15 m·s-1，16：06極大風速略有減小，為11.6 m·s-1，之后瞬時風速明顯減小。由瞬時風向變化可見，15：00—16：00，伴隨著風速的兩次躍增，風向有兩次突變，第一次在15：25，風向由東北風轉(zhuǎn)為東南風，15：55又由東南風轉(zhuǎn)為西南風，16：00后風向逐漸轉(zhuǎn)為東南風，一直到17：00風向變化較小。同時氣溫由26.2 ℃降到了18.1 ℃，15：00—16：00平均氣溫下降了8.1 ℃。根據(jù)氣象要素變化和雷達回波特征分析，可以判斷此次過程是一次濕微下?lián)舯┝魈鞖狻?/p>

圖1 2018年9月8日威海市地面加密自動氣象站觀測圖(a.15：00，b.17：00)和文登站風速變化圖(c.瞬時風速為每5 min的風速瞬時值，極大風速為當前整點內(nèi)每5 min累計時間內(nèi)瞬時風速最大值，黑色數(shù)字為極大風出現(xiàn)時間，箭頭為風向)Fig.1 Surface observation chart from densified automatic meteorological stations (a.15:00 BST, b.17:00 BST) in Weihai and change of wind speed at Wendeng Station on 8 September 2018 (c; instantaneous wind speed is the instantaneous value of the wind speed every 5 min, extreme wind speed is the maximum instantaneous wind speed in the accumulated time of every 5 min in the current whole point, black number shows the time when extreme wind appears, arrow is the wind direction)

2 天氣形勢

2018年9月8日08時，500 hPa(圖2a)上中高緯度長波槽呈兩槽一脊型，東部槽移至125°E以東，山東半島位于槽后西北氣流的控制下，溫度槽落后于高度槽，高低空均受冷平流影響。中緯度地區(qū)有低槽東移，與北支槽并無結(jié)合，形成明顯的槽前匯合、槽后疏散的形勢，系統(tǒng)移動較慢。地面圖(圖2b)上整個山東受高壓控制，半島東部地面為一致的偏北風影響，14時受海陸風影響，半島南部沿海出現(xiàn)了明顯向岸的偏南風，偏北風與偏南風在半島中南部形成了中尺度輻合線，即半島東部常見的海風鋒。一般而言，海風鋒的形成與海、陸非絕熱加熱作用有關(guān)，多出現(xiàn)于夏秋季12—15時，且與地面靜穩(wěn)或較弱的環(huán)境風相聯(lián)系，據(jù)分析，當環(huán)境風為偏南風時，海風鋒多見于煙臺西部沿海，當環(huán)境風為偏北風時，海風鋒則多見于威海東南部沿海，低仰角雷達反射率因子圖上常表現(xiàn)為窄帶回波，是中尺度對流性天氣的觸發(fā)機制之一。

圖2 2018年9月8日08時500 hPa天氣圖(a)和14時地面圖(b)Fig.2 Synoptic chart at 500 hPa at 08:00 BST (a) and surface chart at 14:00 BST (b) on 8 September 2018

3 環(huán)境條件分析

由9月8日08時榮成站的探空圖(圖3)分析發(fā)現(xiàn)：受高低空一致的冷平流影響，整層大氣較干，但是溫度露點曲線仍呈現(xiàn)上干下濕的喇叭狀特征，濕層較淺薄，僅在850 hPa以下有表現(xiàn)，早晨近地面有逆溫存在，有利于不穩(wěn)定能量的存儲。用文登站14時的最高溫度26.6 ℃和露點16 ℃訂正08時的探空圖發(fā)現(xiàn)：14時的CAPE值相對于08時0 J·kg-1，明顯增大，為強對流的發(fā)生提供了能量基礎(chǔ)。由于與下?lián)舯┝饔嘘P(guān)的雷暴大風是由下曳氣流底部外流產(chǎn)生的，DOSWELL[29]認為，水負荷與由蒸發(fā)冷卻帶來的負浮力是引發(fā)和維持下曳氣流的因子，而蒸發(fā)冷卻的負浮力是當降水通過不飽和空氣層時產(chǎn)生的，因此，中低層的低濕度條件有利于降水蒸發(fā)從而形成大的負浮力。由圖3b可以看出，850 hPa以下溫度遞減率接近干絕熱線，DCAPE值較大，有利于大風的形成。同時本次自由對流高度LFC很低，接近1 000 hPa，一旦地面有弱的天氣尺度強迫，就會產(chǎn)生對流天氣，這與濕微下?lián)舯┝鞯沫h(huán)境條件相對應，而對流凝結(jié)高度接近2 km，一旦有對流發(fā)生，則云底高度較高。分析風場的垂直分布發(fā)現(xiàn)，0～2 km和0～6 km的垂直風切變分別為5.2 m·s-1和4.2 m·s-1，為弱的垂直風切變，而在弱的垂直風切變下只有一種類型的強對流風暴，即脈沖風暴[30]，脈沖風暴初始回波較高，這類風暴較難發(fā)現(xiàn)，與雷達回波特征吻合；2 km以下風隨高度順轉(zhuǎn)，2 km以上風隨高度逆轉(zhuǎn)，層結(jié)表現(xiàn)為低層暖平流和中高層冷平流的位勢不穩(wěn)定特征。同時中高空受冷平流影響，0 ℃層高度明顯下降，高度僅在3.4 km處，濕球0 ℃層高度為2 km，-20 ℃高度僅有6.7 km，對流發(fā)展高度達到-20 ℃高度以上，有利于雹塊的生成和加強，較低的0 ℃層高度使得冰雹粒子在下落過程中還來不及融化就落到地面，同時冰雹下降的融化和拖曳作用增強負浮力，也有利于下曳氣流的加強。

圖3 2018年9月8日08時榮成探空圖(a)和14時訂正探空圖(b)Fig.3 The t-lnp diagram at 08:00 BST (a) and revised t-lnp diagram at 14:00 BST (b) at Rongcheng Station on 8 September 2018

4 雷達回波特征分析

4.1 反射率因子及風暴參數(shù)演變特征

新一代天氣雷達對突發(fā)強對流天氣有很好的監(jiān)測作用，這次下?lián)舯┝魈鞖獍l(fā)生、發(fā)展、移動在榮成新一代雷達產(chǎn)品(圖4)上有很好的反映。14：04，受海風鋒影響，文登、榮成南部出現(xiàn)了午后常見的晴空窄帶回波1(圖4a)，對流單體A首先生成在文登東南部東北風與西南風輻合形成的窄帶回波1上(圖4b)，初始回波高度較高，僅在2.4°以上的仰角有表現(xiàn)，4.6°仰角回波強度達到了35 dBZ，此時回波高度在3 km(圖4c)；14：16，隨著海風鋒向內(nèi)陸的深入，威海到文登之間出現(xiàn)了一條南北向的窄帶回波2，與前文地面風場輻合線位置基本一致；14：39(圖4d-f)，兩條窄帶回波上空，對流單體B和C迅速發(fā)展，與單體A組成具有統(tǒng)一環(huán)流的多單體風暴，由于單體C位于窄帶回波1、2的交匯處，比A發(fā)展更加強盛；14：45(圖略)，單體C中空回波開始發(fā)展，6.0°仰角最大回波強度為31.5 dBZ，低層回波不到15 dBZ；14：51，單體C繼續(xù)發(fā)展，回波強度達到了35 dBZ以上，風暴追蹤信息開始識別單體，風暴結(jié)構(gòu)信息見表1，單體C初始回波高度在2.0～2.8 km之間，回波底高為2 km，與前文分析的對流凝結(jié)高度一致；14：57(圖略)，單體C向上向下發(fā)展加強，回波頂高達到了4.3 km，底高降到了1.1 km(表1)，9.9°仰角回波強度達到了49 dBZ，而低層回波仍較弱，可見降水還沒有發(fā)生，積云發(fā)展旺盛，云體仍以上升氣流占主導；15：03(圖略)，9.9°仰角回波強度繼續(xù)增強，達到了58 dBZ；15：09，強回波范圍變大，且高度第一次下降，由4.4 km降到2.6 km，同時云底高度迅速下降到0.2 km(表1)，冷池出流鋒區(qū)與原邊界層輻合線的碰撞中有新的對流單體D生成，發(fā)展并且合并入對流單體C(圖4g)，促使風暴發(fā)展加強為多單體風暴E；15：27(圖4h)，風暴E東部單體強回波高度明顯下降，但其西部回波單體向上發(fā)展，55 dBZ回波發(fā)展到5 km以上；15：33，風暴E回波繼續(xù)向上發(fā)展到6.9 km，垂直累積液態(tài)含水量(VIL)開始增大(表1)，到15：44增大至35 kg·m-2，由于風暴距離雷達站點10 km左右，受靜錐區(qū)影響，這是能觀察到的最大值，同時反射率因子增大到了63 dBZ，對應反射率因子圖中出現(xiàn)了TBSS和旁瓣回波特征(圖4i)，可判斷對流單體內(nèi)出現(xiàn)了冰雹粒子；15：50，強回波高度第二次下降，此時地面短時降水猛烈，且伴有小冰雹，伴隨著融化和蒸發(fā)作用，下沉氣流下落冷卻，冷密度流擊地，文登附近溫度迅速下降，并出現(xiàn)了輻散的風場，對應的文登站15：53出現(xiàn)了17.1 m·s-1的陣風；隨著降水的開始，上升氣流減弱以及下沉氣流的拖曳作用影響，16：20后，反射率因子強度減弱，對流風暴逐漸減弱消散。

圖4 2018年9月8日強單體不同時刻不同仰角反射率因子特征Fig.4 Characteristics of reflectivity factor of strong cells at different elevations at different times on 8 September 2018

表1 多普勒天氣雷達提供的風暴結(jié)構(gòu)信息

4.2 對流回波垂直結(jié)構(gòu)演變特征

對對流單體C對應位置的反射率因子和徑向速度進行剖面制作(圖5)，分析發(fā)現(xiàn)：14：51，對流單體C初始回波高度在2 km左右，與上文分析一致；15：03，回波強度和高度明顯發(fā)展，最強回波58 dBZ到達4 km以上，此刻徑向速度表現(xiàn)為中低空輻合、高空輻散的特征；15：09，強回波及反射率因子質(zhì)心明顯下降，60 dBZ強回波中心降到3 km以下，反射率因子質(zhì)心降到2 km以下，此時徑向速度剖面圖開始出現(xiàn)中層弱輻合的特征，低層無輻散；15：21，強回波及反射率因子質(zhì)心繼續(xù)下降，接近地面，徑向速度剖面圖中層輻合加強、低層開始出現(xiàn)輻散的特征，此時低層輻散速度和范圍較小，地面測站并未出現(xiàn)大風天氣，但是從文登站5 min瞬時風速可見，風速由6 m·s-1增大到8.3 m·s-1，同時風向由前期的東北偏北風轉(zhuǎn)為了東南風；15：27，3 km以上回波再次發(fā)展，50 dBZ強回波發(fā)展到6 km高度以上，最強回波達60 dBZ以上，高度到達5 km以上，并表現(xiàn)為低層弱回波區(qū)，中高層回波懸垂的結(jié)構(gòu)，可判斷風暴中有冰雹粒子增長，此時地面風速有所減?。?5：39，強回波高度再次下降，徑向速度表現(xiàn)為中層輻合、低層輻散的特征，且低層徑向速度正值區(qū)范圍和強度均有所增大；15：50，強回波開始及地，地面降水增強，并伴有小冰雹，且風力明顯增強，文登站瞬時風速由5.5 m·s-1增大到了8.4 m·s-1，3 min后瞬時風速達到了17.1 m·s-1，為最大極大風速。

圖5 2018年9月8日強單體C不同時刻反射率因子剖面圖(a)、不同時刻徑向速度剖面圖(b)和垂直剖面位置圖(c)Fig.5 Profile of reflectivity factor (a) and radial velocity (b) of strong cell C at different times and vertical profile diagram (c) on 8 September 2018

4.3 徑向速度演變特征

由徑向速度圖(圖6)可見，15:03，對流單體C迅速發(fā)展，文登站點附近0.5°仰角出現(xiàn)γ中氣旋式輻合風速對，對應的4.3°仰角為純輻合式風速對，9.9°仰角則為純輻散式風速對，表現(xiàn)為明顯的低層輻合，高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)特征，與對流單體C強烈發(fā)展時刻相對應；隨后地面開始出現(xiàn)降水，降水的拖曳作用導致的下沉氣流到達近地面。15：21，出流速度明顯增強，達到了12 m·s-1，低層風場轉(zhuǎn)為輻散場，而對應的3.4°仰角速度圖表現(xiàn)為明顯的中層輻合旋轉(zhuǎn)特征，旋轉(zhuǎn)速度達到了10 m·s-1，此時地面風速有所增強，但是未達到雷暴大風的標準；隨著風暴回波強度的加強，冰雹的發(fā)生，強反射率因子核心的再次下?lián)?，徑向入流和出流速度進一步加強，并且范圍不斷擴大。15：33低層輻散外流速度差為14 m·s-1，15：50低層輻散外流速度差增大到了20 m·s-1，對應文登站15：53出現(xiàn)了17.1 m·s-1的極大風，而此時回波質(zhì)心位置在文登西南側(cè)，實況風速更大，與前文實況分析基本一致；15：56低層輻散外流速度開始減小到了17 m·s-1，對應實況風速有所減?。?6：08(圖略)，低層輻散范圍擴大到了20 km以上，出流速度明顯減小，輻散風切變減小，下?lián)舯┝鲝姸葴p弱，由對應實況可知16：06出現(xiàn)的極大風速為11.6 m·s-1，為最大，隨后風速減??；16：44，文登站附近的低層輻散場消失，下?lián)舯┝魈鞖庥绊懡Y(jié)束。

圖6 2018年9月8日強單體不同時刻不同仰角徑向速度特征Fig.6 Characteristics of radial velocity of strong cells at different elevations at different times on 8 September 2018

綜合來看，這是一次發(fā)生在穩(wěn)定窄帶回波上的脈沖風暴，風暴在半個小時內(nèi)發(fā)展成孤立的多單體風暴。強回波在發(fā)展、移動和新舊更替過程中，有2次明顯的強反射率因子核心的中高層發(fā)展加強，而后下降，最后一次形成了下?lián)舯┝魈鞖狻Ｔ趶较蛩俣葓D上，此次下?lián)舯┝鲝妴误w回波存在明顯的中層輻合、旋轉(zhuǎn)、低層輻散的現(xiàn)象，第一次強反射率因子核心強度不到60 dBZ，高度不到3 km，徑向速度外流速度差僅14 m·s-1，并未造成地面大風，第二次強反射率因子核心強度達到了60 dBZ以上，高度到達5 km以上，伴有冰雹的發(fā)生，對應的地面實況有大風出現(xiàn)，且反射率因子核心下降時間為15：39，預報員能看到數(shù)據(jù)資料的時間為15：44，可以提前9 min預見下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生；而徑向速度低層輻散外流速度差達到20 m·s-1的時間為15：50，比大風出現(xiàn)時間提前3 min，而發(fā)現(xiàn)此特征的時候基本地面大風已經(jīng)發(fā)生。

5 結(jié)論

本文主要對山東半島一次脈沖風暴下?lián)舯┝鞔箫L過程進行了觀測分析，得到以下主要結(jié)論：

1)這是一次發(fā)生在高低空一致西北氣流背景下的濕微下?lián)舯┝魈鞖膺^程，午后太陽輻射使得低空大氣加熱顯著，形成了強烈的對流不穩(wěn)定層結(jié)，下墊面加熱不均使地面風場產(chǎn)生擾動及海陸風環(huán)流形成的地面輻合線，觸發(fā)了這次強對流天氣。

2)大氣層結(jié)特征呈喇叭狀溫濕分布，有利于降水物的蒸發(fā)從而形成負浮力，加上降水物的拖曳作用，促使下?lián)舯┝魈鞖獍l(fā)生和加強。

3)從多普勒雷達產(chǎn)品上看，風暴初始回波發(fā)生在午后海風鋒觸發(fā)的晴空窄帶回波上，通過單體間的合并加強，發(fā)展成為孤立的多單體風暴。下?lián)舯┝鞒霈F(xiàn)前，對流風暴回波強度及高度明顯發(fā)展，成熟階段的對流風暴伴有回波懸垂結(jié)構(gòu)和三體散射特征。隨著強反射率因子核心的持續(xù)下降，下?lián)舯┝餮杆俚竭_地面，徑向速度圖上存在明顯的中層輻合、旋轉(zhuǎn)、低層輻散的現(xiàn)象。根據(jù)5 km以上60 dBZ強反射率因子核心的下降，結(jié)合徑向速度中層輻合、低層輻散等特征，預報員有望提前3～9 min預警下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生。