MCC中連續(xù)多單體演變預(yù)報對農(nóng)林業(yè)減災(zāi)作用

徐小偉，葉海龍

(衢州市氣象局，浙江 衢州 324000)

強(qiáng)對流天氣是浙江春夏季節(jié)多發(fā)的天氣系統(tǒng)，中尺度對流復(fù)合體(Mesoscale Convective Complex，MCC)是對流天氣發(fā)展到一定強(qiáng)度后出現(xiàn)的系統(tǒng)，當(dāng)MCC發(fā)展到比較強(qiáng)時，會有連續(xù)的單體產(chǎn)生，單體中出現(xiàn)持久深厚的中氣旋，標(biāo)志著單體加強(qiáng)成超級單體。馮晉勤等[1]認(rèn)為，大部分超級單體風(fēng)暴的中氣旋出現(xiàn)在4—5月，生成在12:00—20:00及30～110 km高度處，維持時間大于3個體掃，93.8%的超級單體中尺度氣旋總是與冰雹、雷雨大風(fēng)、短時強(qiáng)降水等強(qiáng)天氣相聯(lián)系。陳明軒等[2]認(rèn)為，大氣熱力不穩(wěn)定度(包括CAPE、熱力不穩(wěn)定度、抬升凝結(jié)高度等)是影響對流風(fēng)暴組織類型最重要的熱力因子。此外，超級單體風(fēng)暴出現(xiàn)的典型動力環(huán)境是大氣存在強(qiáng)垂直風(fēng)切變環(huán)境，強(qiáng)垂直風(fēng)切變對超級單體的形成和發(fā)展有重要作用[3-8]。刁秀廣等[9]指出，連續(xù)5個以上體掃出現(xiàn)中氣旋的超級單體壽命明顯較長，說明持續(xù)深厚的上升氣流對風(fēng)暴維持起到重要作用，極易造成極端性強(qiáng)災(zāi)害天氣。中氣旋、鉤狀回波、陣風(fēng)鋒、弓形回波和中低層徑向速度輻合等雷達(dá)回波特征對雷暴大風(fēng)預(yù)警具有較好的指示意義[10-11]。吳迎旭等[12]認(rèn)為，水汽和熱力條件是產(chǎn)生強(qiáng)降水的基礎(chǔ)，動力抬升條件是降水強(qiáng)度的決定因素。超強(qiáng)的低層急流和水汽輻合與中層的干冷空氣疊置，使上升運(yùn)動加強(qiáng)，低層輻合的水汽被抬升至對流層高層，有利于強(qiáng)降水的產(chǎn)生。強(qiáng)降水超級單體風(fēng)暴具有熱動力場結(jié)構(gòu)、水汽輸送和冷干侵入三方面的特征[13-16]。吳海英等[17]研究了長生命史超級單體內(nèi)部結(jié)構(gòu)演變特征，形成維持機(jī)制，得出超級單體風(fēng)暴能夠較長時間維持，一方面取決于未來移經(jīng)的熱力動力環(huán)境，另一方面也與風(fēng)暴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變緊密相關(guān)。此外，后側(cè)入流急流對超級單體風(fēng)暴維持有明顯作用[18-20]。張琴等[21]認(rèn)為，高低空的溫度平流配置與冰雹落區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系。郭鴻鳴等[22]認(rèn)為，超級單體的傳播和多單體風(fēng)暴的后向傳播均滿足一定矢量運(yùn)算，通過估算可以提前預(yù)判超級單體的偏移方向和風(fēng)暴單體后向傳播的區(qū)域，從而提前風(fēng)雹強(qiáng)對流天氣的預(yù)警發(fā)布時間。

本文主要從大氣動力配置的角度研究了連續(xù)單體的發(fā)展演變，首先簡要分析環(huán)流背景，結(jié)合探空曲線、對流指數(shù)、不穩(wěn)度條件、熱力不穩(wěn)定條件對MCC發(fā)生發(fā)展的作用，由實(shí)況天氣分析得出本次對流性天氣過程是MCC中的連續(xù)2次單體(以下稱單體A，B)過程，文中主要分析了大氣動力演變對2次單體內(nèi)部中尺度環(huán)流型式發(fā)展的影響，并通過動力因子(渦旋度、水汽散度等)的垂直積分時空變化，分析2次單體過程垂直運(yùn)動條件變化，得出大氣層垂直動力對MCC中連續(xù)單體結(jié)構(gòu)特征的影響，根據(jù)雷達(dá)回波的產(chǎn)品分析可以驗(yàn)證單體內(nèi)中尺度結(jié)構(gòu)環(huán)流與環(huán)境垂直大氣動力場有較好適應(yīng)關(guān)系，區(qū)域自動站氣象動力可以驗(yàn)證大風(fēng)和強(qiáng)降水的分布與單體結(jié)構(gòu)類型吻合，并由此得出在農(nóng)業(yè)氣象短時臨近預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)中，大氣動力配置對MCC中判斷對流單體的結(jié)構(gòu)特征變化有較好作用，結(jié)合雷達(dá)風(fēng)暴結(jié)構(gòu)(SS)和單體液體水含量C-VIL可以細(xì)化強(qiáng)對流單體的農(nóng)林業(yè)致災(zāi)氣象動力的預(yù)報預(yù)警。

1 天氣實(shí)況

2018年3月4日，衢州最高氣溫30.5 ℃，突破近50年的歷史同期極值。除了西北部和東南部海拔較高的山地外，盆地及大部分山地區(qū)域自動站最高氣溫達(dá)到30 ℃以上。熱力條件較好，受中高層冷空氣侵入和低層西南暖濕氣流共同影響，2018年3月4日17：00 —22：00，湘、贛、晥、浙等南方省份出現(xiàn)了大范圍的強(qiáng)對流性天氣，其中浙西上游有多個MCC連續(xù)發(fā)展，18：00前后對流復(fù)合體開始影響浙西。根據(jù)浙西地區(qū)5個國家基本氣象站觀測到的整點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)，單體A、B生成前后各氣象動力變化主要特征見圖1。

圖1 3月4日MCC過程國家基本站風(fēng)速和溫度變化曲線

風(fēng)力有2次急增。由圖1可知，第一次單體A過程衢州站(58633)、江山站(58632)、常山站(58631)、龍游站(58547)瞬間極大風(fēng)速分別達(dá)26.1、20.1、24.0、20.9 m·s-1；第二次單體B過程風(fēng)力明顯減弱，僅衢州(58633)站達(dá)到18.9 m·s-1(8級大風(fēng))。

第一次單體A過程溫度先升高后驟降，第二次單體B溫度下降不明顯。

從天氣災(zāi)害的變化可以看出，本次影響浙西的MCC中，2次單體(A，B)天氣過程特點(diǎn)不同。第一次強(qiáng)單體過程主要集中在18:00—19:00，2018年3月4日17：00開始，浙西地區(qū)自西向東出現(xiàn)強(qiáng)雷電、短時強(qiáng)降水、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣，單體A過程出現(xiàn)了比較大的風(fēng)災(zāi)，出現(xiàn)10級以上大風(fēng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部集中在浙西中北部，其中又以浙西中部常山縣，柯城區(qū)最為明顯，最大衢江區(qū)周家鄉(xiāng)28.9 m·s-1，而浙西東南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)較中北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)風(fēng)力則明顯偏小。19：00第一次單體A過程結(jié)束，第二次單體B過程出現(xiàn)在20:00—22:00，單體B過程天氣過程范圍較小，地面風(fēng)力略有減小但強(qiáng)度更大，并出現(xiàn)強(qiáng)雷電、短時強(qiáng)降水、大風(fēng)，常山縣東南部、衢州中南部、江山市北部個別地區(qū)出現(xiàn)冰雹，直徑2 cm左右。23：00之后MCC減弱，后期風(fēng)雨主要是受北部冷空氣影響。本次MCC過程造成道路綠化帶及車站等處樹木被大風(fēng)吹斷，農(nóng)田設(shè)施大棚損毀嚴(yán)重，由于未采取適當(dāng)防護(hù)，部分農(nóng)田蔬菜遭冰雹損壞嚴(yán)重。

2 環(huán)流分析與不穩(wěn)定條件概述

由圖2可知，2018年3月4日14：00 200 hPa，我國華北和東南部出現(xiàn)大片70 m·s-1強(qiáng)風(fēng)速區(qū)，南方西南急流核位于浙閩贛三省，20：00高空急流略有北抬，但強(qiáng)度基本維持，浙西位于200 hPa急流入口區(qū)右側(cè)，具有較好的高空輻散和抽吸作用。20：00副高588線略有西伸北抬，500 hPa浙西處于槽前西南氣流，風(fēng)力較大，850切變線位于長江一線，浙西處在切變南側(cè)西南暖濕氣流中，低空急流由粵閩沿海北上，將切變南側(cè)暖濕氣流輸送到浙西，給MCC提供了水汽和熱力條件。中高層干冷，典型的下暖濕上干冷的大氣層結(jié)條件，有利于強(qiáng)對流天氣的出現(xiàn)。

圖a中下標(biāo)箭頭為70 m·s-1風(fēng)矢；虛線為急流等值線(m·s-1)。圖b中填色區(qū)域?yàn)榧绷鲄^(qū)：一個三角為20 m·s-1，一個風(fēng)向桿為4 m·s-1，半個風(fēng)向桿為2 m·s-1；灰色等值線為等高線(dagpm)，黑色實(shí)線為588線(dagpm)。圖2 200 hPa急流(a)與500 hPa高度場及850 hPa風(fēng)場(b)變化

3 大氣動力分析

3.1 大氣渦旋度垂直積分

張培昌等[20]認(rèn)為，大氣對流層渦度的形成機(jī)制可以通過渦度方程來討論。由于主要考慮中尺度對流風(fēng)暴所在大氣環(huán)境垂直渦度的形成機(jī)制，準(zhǔn)地轉(zhuǎn)作用很小，故略去地轉(zhuǎn)渦度項的大氣垂直渦度方程為：

(1)

對流復(fù)合體是從地面發(fā)展到大氣頂(甚至超過大氣頂)的三維空間結(jié)構(gòu)，在由于某一層渦旋度表達(dá)式不能表示對流層中大氣風(fēng)場的旋轉(zhuǎn)程度輸入到對流單體內(nèi)的大氣渦度，本文定義了渦度散度項的垂直質(zhì)量加權(quán)積分(hPa·m·s-2)：

(2)

式(1)中，右側(cè)第二項可以寫成矢量形式：ω×s·k，稱為渦度傾側(cè)項，表示水平渦度在有垂直風(fēng)切變存在的條件下，同時又有垂直運(yùn)動在水平方向不均勻分布時所引起的渦旋度變化，這里引入水平渦度傾側(cè)項垂直質(zhì)量加權(quán)積分(m2·s-2)：

(3)

由圖3可知，2018年3月4日上午浙西渦度散度項的垂直積分為負(fù)值，14：00浙西垂直大氣渦旋度垂直積分較小中心值達(dá)20 hPa·m·s-2，單體A處在弱的大氣渦旋度中，對流單體強(qiáng)度較弱，上升運(yùn)動不明顯，發(fā)展主要集中在低層，以地面大風(fēng)災(zāi)害為主，未出現(xiàn)中氣旋和冰雹。20：00江西中北部地區(qū)的大氣渦旋度開始增強(qiáng)，大氣渦旋度強(qiáng)中心位于浙西中北部，和單體B強(qiáng)降水冰雹實(shí)況基本一致，江西北部也有一定的垂直上升運(yùn)動和中尺度渦旋運(yùn)動，20：00后發(fā)展為贛東北強(qiáng)渦旋度中心，單體B處在大氣渦旋度大值區(qū)，中心數(shù)值達(dá)到80 hPa·m·s-2。大氣渦旋度也有顯著增大，強(qiáng)渦旋中心主要位于贛東北地區(qū)，晥南地區(qū)也有較高的渦旋度，表明單體B過程初始階段就有較高大氣渦旋度背景場，在單體B的發(fā)展過程中大氣渦旋度明顯加強(qiáng)，上升運(yùn)動明顯，單體B發(fā)展為更強(qiáng)的對流單體，實(shí)況單體B產(chǎn)生了標(biāo)志超級單體的中氣旋，并出現(xiàn)了降雹?？芍獙α鲉误w結(jié)構(gòu)類型與大氣渦旋度質(zhì)量垂直積分的強(qiáng)度有顯著關(guān)系。

等值線為垂直風(fēng)暴渦旋度積分(hPa·m·s-2)，正值表示對流層大氣正渦旋度積分，負(fù)值表示對流層大氣負(fù)渦旋度積分圖3 垂直風(fēng)暴渦旋度積分分布

3.2 水汽散度作用

3.2.1 水汽散度垂直剖面

暖濕氣流輸送體現(xiàn)了水汽平流條件，水汽散度表達(dá)式為：

(4)

由圖4可知，用衢州單點(diǎn)(119°E，27°N)水汽散度垂直時間剖面分析高低層水汽散度配置，20：00前，中高層以水汽輻合，低層水汽輻散，有較明顯的下沉運(yùn)動，單體A處在水汽輻散下沉的大氣層中；20：00后，低層水汽輻合明顯加強(qiáng)，高層以水汽輻散為主，水汽輻合上升條件明顯增強(qiáng)。由此證實(shí)，單體B的水汽垂直輸送條件更顯著。

3.2.2 整層水汽散度積分

考慮MCC所在的整個大氣層的水汽散度條件可以更好的反應(yīng)大氣的水汽散合項對流單體發(fā)展的作用，定義水汽散度的垂直積分，表達(dá)式為：

(5)

從水汽散度的垂直積分來看，大氣整層水汽散度分布更具連續(xù)性，大氣動力的空間分布與實(shí)際MCC的發(fā)生發(fā)展更為接近。圖4表明，單體A處在水汽通量散度較弱的環(huán)境場中出現(xiàn)了分散性的降水中心，且強(qiáng)度較弱；單體B發(fā)生發(fā)展時處于上游水汽散度強(qiáng)中心區(qū)，其降水更集中，且強(qiáng)度明顯超過單體A。20：00后，浙西強(qiáng)水汽中心位于浙西中部地區(qū)，強(qiáng)水汽輻合帶與MCC的分布趨同，與單體B的降水落區(qū)基本一致。

4 對流單體結(jié)構(gòu)特征驗(yàn)證

4.1 雷達(dá)資料分析

單體A、B雷達(dá)風(fēng)暴結(jié)構(gòu)(SS)產(chǎn)品的時間曲線從單體內(nèi)部強(qiáng)反射率中心位置說明了大氣層垂直動力作用對單體發(fā)展的影響。

由圖5、6可知，在大氣下沉運(yùn)動作用下，A在浙西發(fā)展過程中回波頂高存在下降的趨勢，C-VIL和強(qiáng)中心高度同步下降。強(qiáng)中心高度下降2 km附近，C-VIL至少減少10 kg·m-2。預(yù)測大風(fēng)的時間提前量在0～30 min。

a陰影為水汽散度(g·m·s-1)，正負(fù)值分別表示水汽輻散和輻合；b陰影為水汽散度積分(hPa·g·m·s-1)，正負(fù)值分別表示水汽輻散和輻合。圖4 3月4日08：00至3月5日08：00(119°E，27°N)水汽散度垂直時間剖面和3月4日20：00水汽散度積分分布

圖5 3月4日單體A和B回波中心高度變化

20:00之前為單體A的變化曲線；20:00后為單體B的變化曲線。圖6 3月4日單體液態(tài)水含量和單體厚度的變化

相反，由于單體B所在大氣動力配置主要為抬升運(yùn)動，對流單體B強(qiáng)回波中心隨時間上升。C-VIL和強(qiáng)中心高度同步增長。強(qiáng)中心高度增長到6 km以上，C-VIL至少增加18 kg·m-2。預(yù)測冰雹的時間提前量在7～11 min。單體厚度升高，產(chǎn)生大冰雹的概率增大，21：00后單體厚度下降，降雹過程結(jié)束，預(yù)測冰雹時間的提前量在10～15 min之間(圖7)。

18:30之前單體A厚度沒有明顯變化趨勢(圖6)，而18:00—19：00產(chǎn)生了地面大風(fēng)，所以單體厚度減小，大風(fēng)發(fā)生概率增大。C-VIL在大風(fēng)發(fā)生前有明顯的下降，在單體A強(qiáng)中心高度降至2 km(圖5)以下后產(chǎn)生了大風(fēng)(31 m·s-1)。大風(fēng)結(jié)束后C-VIL明顯升高(圖6)，在單體B強(qiáng)中心高度增長到6 km(圖5)以上時，產(chǎn)生了降雹。綜合分析單體中心高度和C-VIL的變化對大風(fēng)和冰雹的預(yù)報提前量有較好的提升作用。

圖中數(shù)值為瞬時極大風(fēng)速(m·s-1)；灰度等值線為降水量(mm)，強(qiáng)降水量中心有分散冰雹落點(diǎn)。圖7 2018年3月4日17：00—22：00單體A、B過程降水量和極大風(fēng)速分布

4.2 自動站實(shí)況驗(yàn)證

圖7表明，單體A降水分散且強(qiáng)度較弱，但地面極大風(fēng)速明顯大于單體B，單體B有標(biāo)志超級單體的中氣旋產(chǎn)生并降雹，而地面極大風(fēng)速較小。圖中區(qū)域自動站數(shù)據(jù)表明單體A過程浙西中北部極大風(fēng)速普遍達(dá)到10～11級，個別站點(diǎn)達(dá)到31 m·s-1(暴風(fēng))，而單體B的過程極大風(fēng)速主要為7～10級，但單體B降水集中且強(qiáng)度大，落區(qū)主要分布在中南部地區(qū)。天氣災(zāi)害動力變化表明對流單體動力結(jié)構(gòu)特征的變化，從天氣實(shí)況角度反映了大氣動力配置對MCC中連續(xù)單體結(jié)構(gòu)特征的影響。

5 小結(jié)與討論

本次MCC過程產(chǎn)生于近地層充沛水汽條件，熱力不穩(wěn)定能量高的大氣層中，底層暖濕中高層干冷的不穩(wěn)定層結(jié)，有利于產(chǎn)生中尺度對流復(fù)合體MCC，急流和垂直風(fēng)切變有利于對流單體的發(fā)展加強(qiáng)。

相同大氣熱力不穩(wěn)定層結(jié)下，不同MCC天氣過程的單體數(shù)目，強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)型式和演替過程都是不同的，本次MCC中出現(xiàn)的連續(xù)單體有各自不同的特點(diǎn)。除了熱力不穩(wěn)定層結(jié)的作用，大氣垂直動力配置對MCC中單體結(jié)構(gòu)類型演替起重要作用，本次MCC在20：00前后分別有兩個帶狀對流單體(單體A，B)影響浙西，通過風(fēng)暴渦旋度，水汽散度和渦旋度的質(zhì)量加權(quán)垂直積分等大氣動力的分析，表明20：00前大氣以下沉運(yùn)動層結(jié)為主，20：00后大氣垂直上升動力更強(qiáng)，通過分析大氣動力要素垂直積分變化可綜合的診斷出MCC中對流單體發(fā)展的趨勢，在同一熱力不穩(wěn)定條件下，大氣動力配置由抑制上升運(yùn)動轉(zhuǎn)為促進(jìn)上升運(yùn)動，以及整層渦旋度強(qiáng)中心向本地區(qū)發(fā)展，預(yù)示風(fēng)暴單體由直線下沉型中尺度垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)向強(qiáng)渦旋上升型結(jié)構(gòu)的演替，所以單體A中下沉氣流引起下?lián)舯┝?，造成近地面層大風(fēng)災(zāi)害，但降水較弱。單體B以強(qiáng)垂直上升運(yùn)動為主，對流發(fā)展高度更高，單體B的大氣層抬升條件更好，出現(xiàn)了中氣旋，風(fēng)力有所減弱，但降水強(qiáng)度更大，并出現(xiàn)分散性的降雹，表明MCC連續(xù)單體隨大氣動力場變化而發(fā)展為不同結(jié)構(gòu)特征對流單體的過程。

多普勒雷達(dá)產(chǎn)品和區(qū)域自動站數(shù)據(jù)具有時空分辨率高的特點(diǎn)，對MCC中單體結(jié)構(gòu)特征分析有明顯優(yōu)勢，回波結(jié)構(gòu)(SS 62)產(chǎn)品從單體內(nèi)強(qiáng)回波中心的高度，回波厚度以及回波液態(tài)水含量C-VIL變化驗(yàn)證了大氣動力配置對MCC中單體結(jié)構(gòu)類型演替起重要作用這一結(jié)論，此外，回波中心下降配合VIL減小可以增大大風(fēng)預(yù)報提前量，回波中心上升配合VIL增大可以增大冰雹預(yù)報提前量，單體厚度變化趨勢與大風(fēng)的發(fā)生概率呈反相關(guān)，單體厚度與冰雹的發(fā)生概率成正相關(guān)。此外，區(qū)域自動站實(shí)況從地面天氣災(zāi)害要素變化驗(yàn)證了單體A，B結(jié)構(gòu)特征，與多普勒雷達(dá)產(chǎn)品分析相一致。

目前天氣預(yù)報技術(shù)對短時強(qiáng)降水，大風(fēng)，冰雹等天氣的預(yù)報預(yù)警工作仍有局限性。而這些天氣動力是造成災(zāi)害的主要因子，本文中分析的個例出現(xiàn)在20：00前后，可以用整點(diǎn)模式產(chǎn)品分析大氣動力配置，預(yù)估對流單體結(jié)構(gòu)特征，可以進(jìn)一步細(xì)化強(qiáng)對流致災(zāi)因子預(yù)報預(yù)警，提高災(zāi)農(nóng)林害性天氣的預(yù)報預(yù)警的時間提前量，及時做好設(shè)施大棚，林木等的防風(fēng)加固，減少損失。而目前模式產(chǎn)品的時間分辨率主要為6 h，由于強(qiáng)對流天氣發(fā)展快持續(xù)時間短。本文的分析方法需建立在時空分辨率更高的模式產(chǎn)品上，所以目前應(yīng)用還有很多局限性，但隨著模式的改進(jìn)和預(yù)報產(chǎn)品時空分變率的提高而存在應(yīng)用前景。此外，本文對流單體結(jié)構(gòu)分析比較簡單，沒有從單體的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析大氣動力對單體內(nèi)部中尺度結(jié)構(gòu)的影響，可以通過基數(shù)據(jù)反演得到組合反射率(CR)，徑向速度(V)的產(chǎn)品的垂直剖面，進(jìn)一步分析MCC中單體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，未來將對這部分工作做更深入的研究。