浙江“3·4”暖區(qū)颮線環(huán)境場(chǎng)和雷達(dá)回波特征分析

吳福浪 趙成華 陶俞鋒

(中國(guó)民航寧波空中交通管理站,浙江 寧波 315154)

0 引 言

颮線是由多個(gè)排列成線狀或帶狀、組織性較強(qiáng)的對(duì)流單體所組成的中尺度對(duì)流系統(tǒng)[1]。颮線過(guò)境時(shí)常伴隨有短時(shí)強(qiáng)降水、地面大風(fēng)和冰雹，甚至龍卷等災(zāi)害性天氣,具有發(fā)展快、強(qiáng)度大、生命周期短等特點(diǎn),預(yù)報(bào)難度很大。

我國(guó)新一代多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)和自動(dòng)站觀測(cè)網(wǎng)的布設(shè),為深層次分析颮線等中小尺度天氣系統(tǒng)的演變及預(yù)警提供了有利條件[2]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者從颮線的環(huán)流背景、雷達(dá)回波特征等方面開展了研究。何齊強(qiáng)等[3]研究了江淮地區(qū)一次暖區(qū)颮線指出,暖區(qū)颮線的環(huán)境場(chǎng)與經(jīng)典颮線有所差異。丁一匯等[4]研究指出,鋒前暖區(qū)的地面或低空最大風(fēng)速中心可以觸發(fā)颮線生成。李文娟等[5]利用天氣雷達(dá)、衛(wèi)星云圖等詳細(xì)對(duì)比分析了2005年浙江兩次颮線發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件、云圖及雷達(dá)回波特征,指出了此類颮線發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制及可預(yù)報(bào)性。田薈君等[6]對(duì)合肥的一次暖區(qū)颮線過(guò)程進(jìn)行分析指出,颮線發(fā)生在較弱的對(duì)流不穩(wěn)定和弱風(fēng)切變環(huán)境中,雷達(dá)圖上颮線呈弓狀,具有明顯的對(duì)流區(qū)、層云區(qū)和過(guò)渡帶。曹倩等[7]利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)再分析資料和探空資料分析湖北的一次颮線過(guò)程,結(jié)合雷達(dá)回波資料著重探討了颮線的時(shí)空演化特征。

不同區(qū)域颮線系統(tǒng)的形成方式、組織結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理等有明顯的不同,即使在相似的環(huán)流背景下，不同的流型配置,其颮線的組織結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理和維持機(jī)制仍存在較大差異。本文利用區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)、NCEP再分析資料及雷達(dá)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品,對(duì)2018年3月4日發(fā)生在浙江省的一次颮線天氣過(guò)程的環(huán)境場(chǎng)和雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析,以期為以后相似天氣背景下颮線臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 資 料

本文采用的資料有浙江省自動(dòng)站數(shù)據(jù)、NCEP再分析資料和雷達(dá)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。浙江省自動(dòng)站數(shù)據(jù)為逐5 min資料,包含氣象自動(dòng)站、交通站、水文站、電力站、水文流域站等站點(diǎn)的數(shù)據(jù),天氣要素涵蓋風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、降水量等;雷達(dá)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品采用杭州市新一代多普勒天氣雷達(dá)(S波段)約6 min一次的體掃基數(shù)據(jù);NCEP再分析資料為NCEP/FNL 1°×1°逐6 h再分析資料。

2 環(huán)境特征分析

2.1 天氣實(shí)況

2018年3月4日18—22時(shí),受對(duì)流云團(tuán)影響,浙江省自西南向東北出現(xiàn)大范圍雷雨大風(fēng)、局地短時(shí)強(qiáng)降雨等惡劣天氣,共有14個(gè)站點(diǎn)雨量超過(guò)50 mm,達(dá)到短時(shí)大雨到暴雨級(jí)別。233個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)出現(xiàn)8級(jí)以上雷雨大風(fēng),66個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)出現(xiàn)10級(jí)以上雷雨大風(fēng)。此次強(qiáng)對(duì)流天氣給浙江省的農(nóng)業(yè)、電力設(shè)施、通信、市政、建筑、交通及旅游等帶來(lái)了嚴(yán)重影響。麗水、嘉興和衢州遭遇房屋倒塌、道路中斷、冰雹襲擊等,受災(zāi)嚴(yán)重,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9165萬(wàn)元以上,受災(zāi)人口超過(guò)1.8萬(wàn)人。

2.2 天氣形勢(shì)

3月4日08時(shí)颮線發(fā)生前,500 hPa中緯度西風(fēng)氣流越過(guò)青藏高原,在河套南部至云南貴州地區(qū)與低緯度西南偏西氣流形成深厚的南支槽,槽前為較強(qiáng)盛的西南急流。850 hPa我國(guó)西南地區(qū)有低渦生成,低渦切變南側(cè)為大范圍的低空急流區(qū),西南急流引導(dǎo)孟加拉灣暖濕水汽北上,為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展提供了充足的水汽條件。低空西南急流大值區(qū)位于南嶺附近,移動(dòng)至華東西南側(cè)時(shí)風(fēng)速減小至12～16 m/s,表明華東西南側(cè)存在風(fēng)速輻合,利于低層急流左前側(cè)形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展提供有利的動(dòng)力條件。中低層低渦的存在延緩了北方冷空氣南下的速度,颮線發(fā)生時(shí)地面鋒面處在蘇皖中北部至贛鄂交界一帶,浙江省處在地面冷鋒前暖區(qū)中。3月4日溫度監(jiān)測(cè)顯示,浙江省最高氣溫27.5 ℃,露點(diǎn)溫度為16～18 ℃,溫度高、濕度較大,“返潮”明顯,近地面高能高濕的累積過(guò)程,使得大氣層結(jié)具備發(fā)生強(qiáng)烈天氣的潛勢(shì),當(dāng)有高空槽、切變線等天氣擾動(dòng)系統(tǒng)靠近時(shí),極易造成大氣層結(jié)的不穩(wěn)定,有利于對(duì)流層低層暖濕氣流的強(qiáng)迫抬升和強(qiáng)烈天氣的發(fā)生發(fā)展[8-10]。綜上分析可知,此次颮線發(fā)生在高空槽前以及中低層低渦切變前側(cè)暖區(qū)之中,低層暖濕氣流的強(qiáng)迫抬升是主要的觸發(fā)機(jī)制。

采用颮線系統(tǒng)移動(dòng)方向前側(cè)的探空觀測(cè)資料，進(jìn)一步分析颮線發(fā)生時(shí)的環(huán)境特征可知，對(duì)流于3月4日18時(shí)左右在衢州至麗水一帶發(fā)展,然后自西南向東北移動(dòng),經(jīng)過(guò)金華、杭州、紹興、寧波、湖州、嘉興等地,最后于22時(shí)移入東海海域后減弱。分析颮線發(fā)生前的14時(shí)探空曲線可知,衢州站對(duì)流有效位能(CAPE)為714 J·kg-1,對(duì)流抑制能(CIN)為0,如有一定的觸發(fā)條件就易觸發(fā)對(duì)流發(fā)生發(fā)展(圖1a)。地面至200 hPa為西南氣流,0～3 km(700 hPa)垂直風(fēng)切變較弱,切變<10 m/s。700～400 hPa露點(diǎn)溫度曲線與層結(jié)曲線間隔較大,探空?qǐng)D分布呈現(xiàn)倒“喇叭口”形,表明對(duì)流層中層有干區(qū)生成,而低層濕度相對(duì)較大,“上干下濕”的大氣層結(jié)配置有利于雷暴大風(fēng)和冰雹的發(fā)生[11-13]。14時(shí)杭州站的探空?qǐng)D分布和衢州站的類似(圖1b)。颮線經(jīng)過(guò)后的20時(shí)探空曲線顯示,衢州站對(duì)流層中層干區(qū)維持,由于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生,不穩(wěn)定能量被釋放,對(duì)流有效位能降低至265 J·kg-1,對(duì)流抑制能上升至166 J·kg-1,對(duì)流在衢州地區(qū)迅速減弱。20時(shí)杭州站對(duì)流有效位能降低至325 J·kg-1,對(duì)流抑制能上升至152 J·kg-1,對(duì)流在杭州地區(qū)迅速減弱。

圖1 2018年3月4日14時(shí)颮線發(fā)生前的探空曲線分布(a.衢州、b.杭州)

3 雷達(dá)回波特征分析

3.1 颮線水平演變

組合反射率因子表示的是在一個(gè)體掃中,將常定仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點(diǎn)上的產(chǎn)品,常常用于分析強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)水平演變特征,它的缺點(diǎn)是無(wú)法辨別出在某個(gè)仰角上有意義的低層特征,如鉤狀回波、弱V形缺口等。以下用基本反射率因子來(lái)分析此次颮線系統(tǒng)的演變過(guò)程。

3月4日18時(shí)45分左右颮線在浙江省杭州—金華一帶生成,隨后向東北方向移動(dòng)和發(fā)展,移速約為25 m/s,21時(shí)33分左右入海后消亡,整個(gè)颮線過(guò)程維持了近3 h。此次颮線過(guò)程的生消演變可以分為4個(gè)階段:初生階段(18—19時(shí)),發(fā)展階段(19時(shí)—19時(shí)50分),成熟階段(19時(shí)50分—21時(shí)),消亡階段(21時(shí)—21時(shí)33分)。分析各個(gè)階段颮線的雷達(dá)回波特征如下。

3月4日18—19時(shí)為颮線初生階段。18時(shí)在浙西部衢州—麗水之間(相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)位置方位角為238°、距離為192 km)開始有多個(gè)對(duì)流單體生成,在引導(dǎo)氣流作用下向東北方向移動(dòng),回波不斷加強(qiáng)。18時(shí)45分該風(fēng)暴系統(tǒng)移動(dòng)至杭州—金華地區(qū),風(fēng)暴系統(tǒng)發(fā)展成由多個(gè)對(duì)流風(fēng)暴側(cè)向排列形成的線狀對(duì)流系統(tǒng),即颮線(圖2a黑色虛線),回波強(qiáng)度超過(guò)45 dBZ,尺度約為130 km。

19時(shí)—19時(shí)50分為颮線發(fā)展階段。颮線生成后沿著引導(dǎo)氣流向東北移動(dòng),19時(shí)24分颮線移動(dòng)至杭州北部—紹興西南一帶(圖2b黑色虛線),颮線北部呈現(xiàn)弓形回波,在弓形回波后側(cè)出現(xiàn)V形缺口,表明具有較強(qiáng)的下沉氣流進(jìn)入颮線,使颮線得以維持和發(fā)展。颮線南部紹興西南側(cè)對(duì)流單體后側(cè)呈現(xiàn)突起狀,在相應(yīng)的雷達(dá)回波圖上低層為弱回波區(qū)(圖略),呈現(xiàn)超級(jí)單體特征。此時(shí)颮線發(fā)展旺盛,對(duì)流單體組織化程度不斷加強(qiáng)。新單體在颮線前進(jìn)方向左前側(cè)生成,而舊單體逐漸減弱消亡。

圖2 2018年3月4日1.5°仰角基本反射率[a.18時(shí)45分、b.19時(shí)24分、c.19時(shí)58分、d.21時(shí)33分(單位:dBZ)]

19時(shí)50分—21時(shí)為颮線成熟階段。19時(shí)58分颮線移動(dòng)至湖州—紹興東北一帶(圖2c黑色虛線),颮線發(fā)展成熟,最強(qiáng)回波達(dá)58 dBZ。颮線北部弓形回波更明顯,弓形回波后側(cè)V形缺口維持。颮線對(duì)流區(qū)后側(cè)有約50 km的層云降水區(qū),回波強(qiáng)度為30～35 dBZ。在弓形回波層云區(qū)和對(duì)流區(qū)之間,存在寬度約為20 km的弱回波(15～25 dBZ)過(guò)渡帶。

21時(shí)颮線移入東海后結(jié)構(gòu)變得松散,強(qiáng)度逐漸減弱,21時(shí)33分后線狀對(duì)流進(jìn)一步減弱(圖2d),后側(cè)為70～100 km的層云降水區(qū),颮線過(guò)程結(jié)束。

此次颮線包含對(duì)流區(qū)和層云區(qū)兩部分,其中對(duì)流區(qū)是由排列成帶狀、發(fā)展旺盛的強(qiáng)對(duì)流單體組成,在對(duì)流云帶前方北側(cè)不斷有新對(duì)流單體生成,而其后方舊的對(duì)流云消亡,形成較為寬闊的尾隨層云區(qū),范圍為50～100 km,層云區(qū)中回波強(qiáng)度為25～35 dBZ,降水較為均勻。

3.2 颮線垂直結(jié)構(gòu)特征

圖3為2018年3月4日回波基本反射率垂直剖面圖及對(duì)應(yīng)的基本徑向速度垂直剖面圖。

圖3 2018年3月4日回波基本反射率垂直剖面圖[a.18時(shí)45分、b.19時(shí)24分、c.19時(shí)58分、d.21時(shí)33分(單位:dBZ)]及對(duì)應(yīng)的基本徑向速度垂直剖面圖[e.19時(shí)24分、f.19時(shí)58分(單位:m/s)]

在颮線初生階段,18時(shí)45分回波垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為大片較強(qiáng)回波區(qū)域,對(duì)流區(qū)域回波中心強(qiáng)度超過(guò)45 dBZ(圖3a),頂高發(fā)展至6 km左右,對(duì)應(yīng)的中低層基本徑向速度圖上出現(xiàn)了速度模糊(圖略)。在颮線發(fā)展階段,19時(shí)24分颮線發(fā)展旺盛,對(duì)流區(qū)范圍增大,高度伸展至10 km左右,45 dBZ的強(qiáng)回波伸展至7 km左右,出現(xiàn)明顯的中層懸垂回波和低層有界弱回波區(qū)(圖3b白色箭頭),颮線前側(cè)約10 km處有新的對(duì)流單體生成,有利于颮線發(fā)展和維持;颮線后側(cè)舊單體逐漸消亡,轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠓秶鷮釉平邓畢^(qū),高度在5 km以下。19時(shí)24分對(duì)應(yīng)的基本徑向速度圖上,颮線后側(cè)低層出現(xiàn)速度輻散(圖3e白色箭頭),這是雷暴大風(fēng)在徑向速度圖上的明顯特征[14],浙江省自動(dòng)站資料顯示有233個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)8級(jí)以上雷暴大風(fēng)。19時(shí)58分在颮線成熟階段(圖3c),低層有界弱回波區(qū)和中層懸垂回波維持,颮線后側(cè)舊單體消亡形成層云區(qū),在層云區(qū)和對(duì)流區(qū)之間低層存在寬度約20 km的弱回波(15～25 dBZ)過(guò)渡帶,在對(duì)應(yīng)的基本徑向速度圖上,颮線附近低層出現(xiàn)徑向速度輻散(圖3f白色箭頭),中層有明顯的徑向速度輻合(圖3f白色圓圈)。21時(shí)33分對(duì)流單體結(jié)構(gòu)松散(圖3d),颮線入海后逐漸消亡。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)、NCEP再分析資料及雷達(dá)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品,對(duì)2018年3月4日發(fā)生在浙江省的一次暖區(qū)颮線天氣過(guò)程的環(huán)境場(chǎng)和雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下。

(1)此次颮線過(guò)程發(fā)生在500 hPa南支槽以及700～850 hPa低渦前側(cè)暖區(qū)中,低層暖濕氣流的強(qiáng)迫抬升是主要的觸發(fā)機(jī)制。颮線發(fā)生前,對(duì)流有效位能較強(qiáng),垂直風(fēng)切變較弱,大氣呈現(xiàn)“上干下濕”的層結(jié)配置,有利于雷暴大風(fēng)和冰雹的生成。

(2)基本反射率顯示,發(fā)展期和成熟期颮線呈弓形,弓形回波后側(cè)有V形缺口,表明具有強(qiáng)烈的下沉氣流進(jìn)入颮線,使颮線得以維持和發(fā)展。颮線包含對(duì)流區(qū)和層云區(qū)兩部分,對(duì)流區(qū)由排列成帶狀、發(fā)展旺盛的強(qiáng)對(duì)流單體組成,在對(duì)流云帶前進(jìn)方向的左前側(cè)不斷有新的對(duì)流單體生成,颮線后側(cè)舊的對(duì)流云消亡,形成較為寬闊的尾隨層云區(qū)。

(3)垂直剖面顯示,颮線在發(fā)展和成熟階段出現(xiàn)明顯的中層懸垂回波和低層有界弱回波區(qū)。颮線前側(cè)不斷有新的對(duì)流單體生成,有利于颮線發(fā)展和維持;颮線后側(cè)舊的對(duì)流單體逐漸消亡,形成大范圍層云降水區(qū)。在基本徑向速度圖上,颮線附近低層出現(xiàn)徑向速度輻散,中層有明顯的徑向速度輻合。