寧波機場附近一次孤立強雷暴大風(fēng)事件分析

吳福浪，楊琦堡，沈欣，蔣迪

(中國民用航空寧波空中交通管理站，浙江 寧波 315154)

引言

雷暴大風(fēng)指的是由雷暴帶來的瞬時風(fēng)速大于等于17 m·s-1的災(zāi)害性強陣風(fēng)[1-2]。在對流風(fēng)暴產(chǎn)生的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象中，雷暴大風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，也最易漏報。雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)境條件、觸發(fā)機制和多普勒雷達產(chǎn)品特征是災(zāi)害性強對流天氣預(yù)報研究的重要內(nèi)容。王福俠等[3]研究了河北省262個站點雷暴大風(fēng)的雷達回波特征后指出，徑向速度大值區(qū)一般在弓形回波和陣風(fēng)鋒回波之前，依據(jù)徑向速度大值區(qū)可更早發(fā)布雷暴大風(fēng)預(yù)警。萬夫敬等[4]分析了山東東部地區(qū)一次罕見的極大風(fēng)力達到12～13級的雷暴大風(fēng)事件，并總結(jié)此次過程10級以上雷暴大風(fēng)在雷達圖上的主要特征。楊曉霞等[5]利用1971—2008年山東省122個氣象站觀測資料，對山東省雷暴大風(fēng)等強對流的氣候特征進行了分析與總結(jié)，并與冰雹的氣候特征進行了對比。方翀等[6]研究湖南和廣東的一次區(qū)域性雷暴大風(fēng)指出，底層大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)幅度的躍升通常在雷暴大風(fēng)發(fā)生前10～15 min出現(xiàn)，其對雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)可能具有一定的指示意義。近年來，多名學(xué)者[7-10]對雷暴大風(fēng)環(huán)境條件和雷達回波特征進行了對比分析和數(shù)值模擬，并提煉出多個雷暴大風(fēng)預(yù)警指標，對業(yè)務(wù)預(yù)報工作有較好的指導(dǎo)意義。

然而，由于引起雷暴大風(fēng)的強對流系統(tǒng)存在時空分布的多樣性與演變的復(fù)雜性，以及受探測技術(shù)和設(shè)備等條件的限制，致使人們對雷暴大風(fēng)過程及其實時預(yù)報還缺乏有效手段。本文利用區(qū)域自動氣象站資料、天氣雷達資料、寧波機場AWOS(automated weather observation system)資料和NCEP再分析資料等對2017年7月22日發(fā)生在寧波機場附近的一次孤立強雷暴大風(fēng)環(huán)境條件和雷達回波特征進行分析，以期為以后相似天氣背景下雷暴大風(fēng)臨近預(yù)報、預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 資料來源

區(qū)域自動氣象站資料為浙江省自動氣象站逐5 min加密資料，其中還包含交通站、水文站、電力站、水文流域站等數(shù)據(jù)，天氣要素涵蓋風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、降水量等。雷達資料為寧波新一代多普勒天氣雷達(S波段)，約6 min一次的體掃基數(shù)據(jù)。寧波機場AWOS資料為逐1 min自動觀測資料，包括風(fēng)場、氣壓、氣溫、降水量等氣象要素。NCEP再分析資料為NCEP FNL 1°×1°逐6 h資料。

2 實況與天氣形勢分析

2017年7月22日午后，受強雷暴天氣影響，寧波多個站點出現(xiàn)強降水和雷暴大風(fēng)。12—16時(北京時，下同)降水中心位于鄞州站附近，有10個站點小時雨量超過30 mm，最大為余姚龍?zhí)端畮?，小時雨量為39.5 mm(圖1a)。多個站點極大風(fēng)力達到5～6級，其中鄞州、鐘公廟、寧波機場、余姚、余姚芝山、日湖6個站點出現(xiàn)雷暴大風(fēng)(瞬時風(fēng)速v≥17 m·s-1)，鄞州站最大，達25.6 m·s-1(圖1b)。此次雷暴大風(fēng)和強降水造成寧波市中北部地區(qū)城市內(nèi)澇和經(jīng)濟作物受損，寧波機場有一個航班因為風(fēng)切變復(fù)飛，多個航班因強降水和雷暴大風(fēng)備降。

分析22日08時天氣形勢可知，副熱帶高壓中心592 dagpm線北側(cè)伸展至山東北部，寧波處在副熱帶高壓中心附近，西北風(fēng)和偏東風(fēng)之間，500 hPa引導(dǎo)氣流較弱(圖1c)。中低層700～850 hPa，寧波受高壓控制(圖略)。由08時高空三層天氣圖分析可以看出，寧波受強大穩(wěn)定的副熱帶高壓控制，沒有明顯槽或切變線等系統(tǒng)影響，雷雨發(fā)生的大氣環(huán)流條件不充分。WILSON and MEGENHARDT[11]、FORVELL[12]、吳福浪等[13]研究指出，邊界層輻合線與沿海地區(qū)雷暴的產(chǎn)生、組織和發(fā)展關(guān)系密切。進一步分析08時低層925 hPa環(huán)流形勢(圖1d)可知，在杭州灣南側(cè)存在一條邊界層輻合線(圖1d黑色虛線)。14時寧波仍處在強大穩(wěn)定的副熱帶高壓控制之下，低層925 hPa輻合線維持，輻合線的維持有利于對流的發(fā)生發(fā)展。

3 環(huán)境條件分析

分析自動氣象站的溫度與風(fēng)場變化可知，受太陽輻射影響，午后陸地快速升溫，12時寧波多個站點氣溫高達40 ℃(圖略)；相比而言海洋為冷中心，海陸間較強的溫度梯度使得大氣低層吹海風(fēng)。分析圖1d可知，寧波白天低層處在海上高壓后部，吹東南風(fēng)。12時海風(fēng)(東北風(fēng))向陸地推進過程中與環(huán)境風(fēng)(東南風(fēng))形成邊界層輻合線(圖2a黑色虛線)。由于海風(fēng)帶來的水汽補充，輻合線附近的露點溫度升高至27 ℃以上(圖2a散點)，有利于產(chǎn)生對流天氣。王彥等[14]統(tǒng)計分析雷達監(jiān)測到的4次渤海灣海風(fēng)鋒的特點指出，海風(fēng)鋒在低仰角(0.5°或1.5°)雷達回波反射率產(chǎn)品中表現(xiàn)為平行于海岸線的弱窄帶回波，強度一般維持在15～25 dBZ，移動速度緩慢。12時寧波多普勒雷達0.5°仰角反射率因子回波上，鎮(zhèn)?！认妊睾？梢杂^測到一條平行于海岸線的強度15～20 dBZ的海風(fēng)鋒(圖2b黑色虛線)，對應(yīng)于圖2a的邊界層輻合線。苗峻峰[15]、東高紅等[16]、吳福浪等[17]研究發(fā)現(xiàn)，受城市熱島效應(yīng)和地形抬升等共同作用，海風(fēng)鋒在向內(nèi)陸推進過程中可以激發(fā)出對流單體并逐漸加強為強對流，帶來局地強降水和雷暴大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。

圖1 2017年7月22日12—16 時累計降水量(a；填色，單位：mm)和雷暴大風(fēng)分布(b；填色，單位：m·s-1)以及08時高度場(等值線，單位：dagpm)和風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)(c. 500 hPa, d. 925 hPa；黑色三角形為寧波市位置)Fig.1 Accumulated precipitation (a; colored area, units: mm) and distribution of thunderstorm gale (b; colored area, units: m·s-1) from 12:00 BST to 16:00 BST & geopotential height field (isoline, units: dagpm) and wind field (wind barb, units: m·s-1) at 08:00 BST 22 July 2017 (c. 500 hPa, d. 925 hPa; black triangle for location of Ningbo)

圖2 2017年7月22日12時地面加密自動氣象站風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)和露點溫度(數(shù)值，單位：℃)(a；黑色虛線為邊界層輻合線)及0.5°仰角雷達反射率因子(b；填色，單位：dBZ，黑色虛線為海風(fēng)鋒)Fig.2 Wind field (wind barb, units: m·s-1) and dew-point temperature (numerical value, units: ℃) at densified surface automatic meteorological station (a; black dashed line for boundary layer convergence) & radar reflectivity (b; colored area, units: dBZ, black dashed line for sea breeze front) at 0.5° elevation at 12:00 BST 22 July 2017

在強對流的研究中，常采用探空資料分析環(huán)境參數(shù)特征[18]。分析寧波機場站點的t-lnp圖(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，08時該站點的抬升凝結(jié)高度(lifting condensation level,LCL)位于900 hPa附近，對流凝結(jié)高度(convective condensation level,CCL)在850 hPa附近，自由對流高度(level of free convection,LFC)位于CCL的下方(圖3a)。近地面存在淺薄的逆溫層，阻礙了空氣垂直運動的發(fā)展，使得不穩(wěn)定能量得以積聚，為強對流發(fā)生發(fā)展儲備了充足的能量。此時寧波機場站點CAPE值為2 470 J·kg-1，CIN值為 82 J·kg-1，不穩(wěn)定能量充足，抑制對流條件較弱，有一定的抬升條件就可能觸發(fā)較明顯的對流天氣。從寧波機場站點風(fēng)場垂直配置可以看出，700 hPa以下為弱的西北偏西氣流，500 hPa之上為一致的偏東氣流，中低層與高層之間存在弱的垂直風(fēng)切變(圖3a)。牛淑貞等[19]、黃榮等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在較強的不穩(wěn)定能量、高溫和高濕等條件下，弱的垂直風(fēng)切變環(huán)境中也可以產(chǎn)生強對流天氣。

圖3 2017年7月22日寧波機場(121.45°E，29.82°N)t-lnp圖(a.08時，b.14時；綠色為露點曲線，黑色為層結(jié)曲線，紅色為狀態(tài)曲線)Fig.3 The t-lnp diagram of Ningbo Airport (121.45°E, 29.82°N) (a. 08:00 BST, b. 14:00 BST; green, black, and red lines for dew-point temperature, stratification, and state curves, respectively) on 22 July 2017

隨著太陽輻射增強，地面迅速增溫，逆溫層被破壞，14時的t-lnp圖(圖3b)上LCL的位置抬升至800 hPa附近，在LCL以下氣團是干絕熱上升過程，探空曲線配置類似絕對不穩(wěn)定型。CCL的高度下降至850 hPa附近，CAPE值降低至1 667 J·kg-1。中低層與高層之間弱的垂直風(fēng)切變維持，配合較強的不穩(wěn)定能量，有利于強對流的發(fā)生和發(fā)展，實況寧波鄞州區(qū)開始有對流單體發(fā)展。

多名學(xué)者研究[21-23]發(fā)現(xiàn)，雷暴大風(fēng)多發(fā)生在上干下濕的大氣層結(jié)中，t-lnp圖上表現(xiàn)為倒“喇叭口”形態(tài)的探空曲線分布。但分析此次08時和14時寧波機場的t-lnp圖(圖3)發(fā)現(xiàn)，露點溫度曲線和狀態(tài)曲線間隔較大，中高層為較深厚的干空氣層，1 000 hPa至低層濕度也較差，沒有出現(xiàn)上干下濕的層結(jié)配置。但通過前文對圖2a的分析可知，此次強對流的主要觸發(fā)系統(tǒng)為邊界層輻合線海風(fēng)鋒，海風(fēng)鋒在向內(nèi)陸推進過程中給經(jīng)過地區(qū)帶來降溫和增濕。因此結(jié)合t-lnp圖和自動氣象站加密資料分析可以推斷，此次雷暴大風(fēng)發(fā)生在“上干”近地面濕的大氣層結(jié)中。

4 多普勒雷達回波特征分析

4.1 PPI產(chǎn)品特征

連續(xù)跟蹤分析寧波多普勒天氣雷達回波演變可知，此次雷暴過程經(jīng)歷了普通對流單體雷暴(13:52—14:25)和多單體雷暴(14:25—15:15)階段，15:15之后多單體減弱為一般降水回波，但是仍然能觀測到陣風(fēng)鋒。7月22日13:52，圖2a中海風(fēng)鋒上的東南側(cè)，多普勒雷達觀測到有對流單體A生成，對流單體向偏西方向發(fā)展(圖略)。14:03海風(fēng)鋒(圖4a黑色虛線)附近的對流單體A在向西移動發(fā)展過程中迅速發(fā)展加強，強度超過50 dBZ，同時寧波機場附近激發(fā)出新的對流單體B(圖4a)。兩個對流單體在14:25合并加強發(fā)展(圖4b)，回波強度超過55 dBZ，移動速度緩慢。實況測得寧波機場14:23瞬時風(fēng)速突然增大至12 m·s-1并維持(圖5a)。由于高空引導(dǎo)氣流為偏東風(fēng)，強回波緩慢向西側(cè)(寧波機場)移動和發(fā)展，14:25寧波機場被強回波覆蓋并出現(xiàn)強雷雨天氣，14:41寧波機場瞬時風(fēng)速達19 m·s-1，達到下?lián)舯┝鲝姸取Ｊ芾妆┯绊?，鄞州?4:25開始瞬時風(fēng)速不斷增大，14:35瞬時風(fēng)速達16 m·s-1，接近雷暴大風(fēng)強度，14:45—14:55鄞州站瞬時風(fēng)速超過18 m·s-1(圖5b)。14:53多單體結(jié)構(gòu)變得松散，陣風(fēng)鋒位于多單體北側(cè)21 km左右，強度5～10 dBZ(圖4c)。14:52區(qū)域自動氣象站測得鄞州瞬時風(fēng)速達25.6 m·s-1，達到強下?lián)舯┝鲝姸?圖5b)，這是由降水粒子的蒸發(fā)和強降水的重力拖曳作用等引起的。15:15之后風(fēng)暴減弱為一般降水回波，在其北側(cè)30 km左右仍然能觀測到陣風(fēng)鋒，但是結(jié)構(gòu)較為松散，對應(yīng)的地面風(fēng)力減小，雷暴大風(fēng)影響過程結(jié)束(圖4d)。

圖4 2017年7月22日寧波多普勒雷達0.5°仰角反射率因子(a. 14:03，b. 14:25，c. 14:53，d. 15:15；填色，單位：dBZ)Fig.4 Reflectivity at 0.5° elevation from Ningbo doppler radar (a. 14:03 BST, b. 14:25 BST, c. 14:53 BST, d. 15:15 BST; colored area, units: dBZ) on 22 July 2017

圖5 2017年7月22日瞬時風(fēng)速隨時間變化分布(a.寧波機場，b.鄞州；單位：m·s-1)和0.5°仰角徑向速度(c.14:31，d.14:36；填色，單位：m·s-1；白色三角形為寧波機場，白色五角星為鄞州站)Fig.5 Temporal distribution of instantaneous wind speed (a. Ningbo Airport, b. Yinzhou; units: m·s-1) and radial velocity at 0.5° elevation (c. 14:31 BST, d. 14:36 BST; colored area, units: m·s-1; white triangle and white five-pointed star for locations of Ningbo Airport and Yinzhou Station, respectively) on 22 July 2017

圖6為自動氣象站1 h變溫和風(fēng)場分布圖。在普通對流單體發(fā)展階段(13:52—14:25)，寧波地區(qū)低層環(huán)境風(fēng)場以東北偏東的海風(fēng)為主，14:00鄞州、寧波機場等站點近地面已形成冷池，中心最低變溫為-6～-2 ℃(圖6a)，但14:00對流單體前沿風(fēng)場還未出現(xiàn)出流特征(圖略)。14:30風(fēng)場分布上雷暴中心近地面開始出現(xiàn)輻散氣流(圖6a風(fēng)場)，14:31雷達0.5°仰角徑向速度分布圖(圖5c)上也觀測到輻散氣流，與自動氣象站風(fēng)場分布有較好對應(yīng)關(guān)系。冷的輻散氣流向四周擴散，與海風(fēng)形成陣風(fēng)鋒(圖6a黑色虛線)。自動氣象站風(fēng)場觀測到的陣風(fēng)鋒時刻與雷達回波上觀測到的時刻(14:36)相比提早了6 min左右。陣風(fēng)鋒剛形成時，由于雷暴出流的強度較弱，因此其運動速度也較慢，陣風(fēng)鋒隨著輻散氣流擴散緩慢向北移動遠離雷暴母體。15時變溫分布圖(圖6b)上，冷池范圍擴大，強度增加，中心最低變溫超過-12 ℃，雷暴中心附近1 h正變壓達1.2～1.7 hPa，出現(xiàn)中尺度雷暴高壓，風(fēng)暴出流加強，陣風(fēng)鋒繼續(xù)向北移動遠離雷暴主體。

圖6 2017年7月22日13—14時自動氣象站變溫(填色，單位：℃)和14：30的風(fēng)場(箭頭線，單位：m·s-1)(a)以及14—15時變溫(填色，單位：℃)變壓(數(shù)值，單位：hPa)和15時風(fēng)場(風(fēng)矢，單位：m·s-1)(b)(黑色虛線為陣風(fēng)鋒)Fig.6 Temperature change (colored area, units: ℃) of automatic meteorological station from 13:00 BST to 14:00 BST and wind field (wind barb, units: m·s-1) at 14:30 BST (a) & temperature change (colored, units: ℃), allobaric field (numerical value, units: hPa) from 14:00 BST to 15:00 BST, and wind field (wind barb, units: m·s-1) at 15:00 BST (b) on 22 July 2017 (black dashed line for gust front)

4.2 垂直剖面特征

圖7為過圖4b的線段AB和CD分別做反射率因子和徑向速度的垂直剖面分布圖。7月22日14:25，兩個普通對流單體結(jié)合發(fā)展為多單體，距離雷達約25 km，最大反射率因子超過55 dBZ(圖4b)，同時刻反射率因子垂直剖面圖(圖7a)顯示，多單體大于50 dBZ的強回波伸展到8 km以上，出現(xiàn)明顯的中高層回波懸垂和低層弱回波區(qū)。14:31超過50 dBZ的強反射率因子頂部自8 km高度快速下降至6 km以下(圖7b)。研究[24-25]表明，風(fēng)暴頂高度從高空的快速下降，使得雷暴單體中層下沉氣流加強，強降水的拖曳作用進一步加速中層下沉氣流，下沉氣流隨強降水沖擊地面從而引發(fā)雷暴大風(fēng)。此時雷暴單體中層下沉氣流加強，在低層速度圖上出現(xiàn)了逆風(fēng)區(qū)，在逆風(fēng)區(qū)北側(cè)沿著180°徑向線的西側(cè)寧波機場附近(圖5c白色三角形)和東側(cè)鄞州站附近(圖5c白色五角星)各有一個速度輻散中心，輻散區(qū)所在高度為0.6～0.7 km(寧波雷達站高度約0.4 km)，徑向正負速度差絕對值最大達 16 m·s-1。俞小鼎等[26]討論了基于多普勒天氣雷達觀測數(shù)據(jù)對雷暴生成、發(fā)展和衰減的臨近預(yù)報技術(shù)后指出，中層徑向輻合的出現(xiàn)對雷暴大風(fēng)的預(yù)警有很好的指示作用。14：31徑向速度垂直剖面圖上，中層4～8 km觀測到較為明顯的徑向輻合區(qū)(圖7e白色虛線圓)，徑向正負速度差絕對值接近18 m·s-1。但是由于風(fēng)暴移動與雷達徑向交角超過70°，沿徑向速度剖面得出的中層徑向輻合值明顯小于實際值，不能很好地反映出真實的徑向輻合。14:36超過50 dBZ的強反射率因子頂高度繼續(xù)下降，基本分布在4 km以下(圖7c)，由于雷暴大風(fēng)在近地面表現(xiàn)為沿著中心向四周擴散的強輻散氣流，因此雷暴大風(fēng)在速度場上最明顯的特征就是低層強烈的速度輻散(圖5d白色虛線區(qū)域)，徑向正負速度差絕對值超過25 m·s-1，與POTTS[27]利用多普勒雷達觀測到的微下?lián)舯┝骰夭ㄌ卣饕恢隆?4:36徑向速度垂直剖面圖上低層也出現(xiàn)強烈的局地速度輻散(圖7f白色虛線圓)，徑向正負速度差絕對值也超過25 m·s-1，這是強降水的拖曳作用加速了中層下沉氣流，下沉氣流隨強降水沖擊地面形成的輻散風(fēng)場。14:45—14:55鄞州站持續(xù)出現(xiàn)下?lián)舯┝?圖5b)，14:52瞬時風(fēng)速達25.6 m·s-1，下?lián)舯┝靼l(fā)展至最強。寧波機場在14:41出現(xiàn)下?lián)舯┝?，但持續(xù)時間和強度明顯小于鄞州站，主要原因是寧波機場離風(fēng)暴中心相對較遠。

圖7 2017年7月22日沿圖4b線段AB的雷達反射率因子垂直剖面(a.14:25，b.14:31，c.14:36，d.14:53；色標，單位：dBZ)和沿圖4b線段CD的徑向速度垂直剖面(e.14:31，f.14:36；色標，單位：m·s-1)Fig.7 Vertical profile of radar reflectivity along line AB of Fig.4b (a. 14:25 BST, b. 14:31 BST, c. 14:36 BST, d. 14:53 BST; colored area, units: dBZ) and vertical profile of radial velocity along line CD of Fig.4b (e. 14:31 BST, f. 14:36 BST; colored area, units: m·s-1) on 22 July 2017

5 結(jié)論

本文利用自動氣象站資料、天氣雷達資料和NCEP再分析資料等對2017年7月22日發(fā)生在寧波地區(qū)的一次雷暴大風(fēng)過程環(huán)境條件和雷達回波特征進行分析，主要結(jié)論如下：

1)雷暴大風(fēng)發(fā)生在較強的對流有效位能、弱的垂直風(fēng)切變和上干近地面暖濕的大氣層結(jié)配置下。受城市熱島效應(yīng)和地形抬升等共同作用，低層雷達反射率因子回波上的海風(fēng)鋒在向內(nèi)陸推進過程中激發(fā)出強對流，造成了此次雷暴大風(fēng)過程。

2)此次雷暴過程經(jīng)歷了普通對流單體和多單體雷暴階段。多單體雷暴北側(cè)出現(xiàn)陣風(fēng)鋒，近地面冷池變溫超過-12 ℃，1 h正變壓達1.2～1.7 hPa，出現(xiàn)中尺度雷暴高壓。

3)14:31—14:36期間，超過50 dBZ的強反射率頂部由8 km高度快速下降至4 km以下，中層4～8 km有較為明顯徑向輻合區(qū)，正負速度差絕對值接近18 m·s-1。低層PPI徑向速度出現(xiàn)強烈的局地速度輻散，徑向正負速度差絕對值超過25 m·s-1，近地面RHI徑向速度輻散也超過25 m·s-1。實況14:41—14:55寧波機場和鄞州站先后出現(xiàn)下?lián)舯┝?。由此可見，超過50 dBZ的強反射率頂高度快速下降、中層徑向輻合達18 m·s-1、低層速度輻散超過25 m·s-1等與雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)有較好對應(yīng)關(guān)系，在實際業(yè)務(wù)工作中可以用于雷暴大風(fēng)預(yù)警分析。