2021年5月15日景德鎮(zhèn)地區(qū)一次強(qiáng)對流過程分析

付 晶，計(jì)桂平，黃龍飛

(景德鎮(zhèn)市氣象局，333000，江西，景德鎮(zhèn))

0 引言

景德鎮(zhèn)地處贛東北，春夏之交強(qiáng)對流天氣多發(fā)頻發(fā)。國內(nèi)諸多學(xué)者對強(qiáng)對流天氣的形成機(jī)制、中尺度特點(diǎn)、雷達(dá)回波特征等開展了大量研究。鄭永光等對強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)的一些基本問題進(jìn)行了綜述闡釋，分析了常用對流物理量參數(shù)之間的關(guān)系和意義，給出了強(qiáng)對流天氣時(shí)空分布的一些規(guī)律、極端強(qiáng)降水與地面露點(diǎn)的關(guān)系、雷暴大風(fēng)產(chǎn)生機(jī)制、冰雹融化層高度與濕球溫度之間的物理聯(lián)系等[1]。王黌等梳理了我國氣象觀測和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)關(guān)于大風(fēng)定義、大風(fēng)分布特征及雷暴、臺風(fēng)等主要災(zāi)害性系統(tǒng)大風(fēng)分布情況。簡述了雷暴、臺風(fēng)、冷空氣等系統(tǒng)產(chǎn)生大風(fēng)的機(jī)理，以及復(fù)雜地形下墊面的熱力和動力作用對局地大風(fēng)的影響，概括了不同系統(tǒng)大風(fēng)預(yù)報(bào)技術(shù)的研究進(jìn)展[2]。許愛華等提出中國強(qiáng)對流天氣5種基本類別：冷平流強(qiáng)迫類、暖平流強(qiáng)迫類、斜壓鋒生類、準(zhǔn)正壓類、高架對流類，并給出了基本解釋[3]。此外還有不少學(xué)者對極端天氣個例開展了分析。陳云輝[4]、許彬[5]、張弛[6]等對2018年3月4日江西極端大風(fēng)開展研究，從中尺度特征、概念模型應(yīng)用和預(yù)報(bào)檢驗(yàn)分析、雷達(dá)回波特征等不同方面對大風(fēng)形成的機(jī)理、可預(yù)報(bào)性、短臨預(yù)警特征進(jìn)行了深入分析，得出了不少有益結(jié)論。

2021年5月15日江西北部出現(xiàn)明顯強(qiáng)對流過程，景德鎮(zhèn)國家觀測站出現(xiàn)十級雷暴大風(fēng)和小冰雹，其中極大風(fēng)速創(chuàng)建站以來新紀(jì)錄。本文擬對此次過程開展分析研究，以期為今后該地區(qū)強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考。

1 天氣實(shí)況和資料說明

2021年5月15日，受高空低槽、切變共同影響，景德鎮(zhèn)自北向南出現(xiàn)一次明顯強(qiáng)對流過程，并伴有短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹等劇烈天氣。全市最大雨量站點(diǎn)出現(xiàn)在浮梁縣誥峰村，達(dá)136 mm。多地出現(xiàn)八級以上雷暴大風(fēng)，其中景德鎮(zhèn)國家氣象觀測錄得最大風(fēng)力達(dá)26.9 m/s(十級)，出現(xiàn)在19:28，該記錄也創(chuàng)景德鎮(zhèn)國家氣象站歷史新高(表1)。

表1 景德鎮(zhèn)國家氣象觀測站歷史極大風(fēng)速

本文所用資料為常規(guī)高空、地面觀測資料、風(fēng)廓線產(chǎn)品、江西雷達(dá)拼圖產(chǎn)品等。

2 氣象要素變化特征

雷暴過境前后，景德鎮(zhèn)站氣象要素出現(xiàn)顯著變化。從觀測站19:00—19:40逐分鐘數(shù)據(jù)顯示，19:20氣溫開始緩慢下降，19:28—19:29氣溫由29.1 ℃驟降至25.8 ℃；本站氣壓從19:17開始逐漸上升，19:27達(dá)到991.1 hPa，10 min內(nèi)氣壓飆升1.2 hPa，但隨后4 min氣壓又出現(xiàn)劇烈起伏，變壓達(dá)-1.4 hPa。極大風(fēng)即出現(xiàn)在氣壓驟升驟降和氣溫驟降時(shí)段內(nèi)。

圖1 景德鎮(zhèn)國家觀測站強(qiáng)天氣前后氣象要素變化

影響景德鎮(zhèn)本站的雷暴單體自鄱陽進(jìn)入市區(qū)，并在19:30左右發(fā)展至最強(qiáng)，最大反射率因子達(dá)到65～70 dBz左右，雷暴過境使得地面氣壓涌升、氣溫驟降，氣象要素梯度明顯加大。雷暴南側(cè)J3044距離景德鎮(zhèn)國家氣象觀測站僅5 km，對流單體影響前，二者溫差僅0.3～0.4 ℃，19:30迅速飆升到4.1 ℃。氣壓變化也表現(xiàn)出類似特征，由于景德鎮(zhèn)國家站海拔高93.5 m，而J3044海拔37 m，因此需要通過壓高公式進(jìn)行訂正。

對訂正后的海平面氣壓后進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，19:30前壓差普遍在0.3～0.4 hPa左右，19:30由于景德鎮(zhèn)國家站氣壓出現(xiàn)短暫負(fù)變壓驟降，使得壓差迅速升至1.2 hPa。類似的，2021年4月30日江蘇南通29001站點(diǎn)出現(xiàn)47.9 m/s、M8036出現(xiàn)38.2 m/s極大風(fēng)，2站點(diǎn)相距僅7 km，溫差由颮線影響前0～2 ℃飆升到7 ℃左右，壓差由-1～0 hPa飆升到2.5 hPa左右，該過程表現(xiàn)出更為極端的溫壓梯度區(qū)。對此一種可能的解釋是，極端大風(fēng)處于下沉氣流下方，同時(shí)具備一定的低層蒸發(fā)冷卻，使得氣溫下降；冷池前沿的斜壓水平渦管受下沉氣流傾斜，可能形成近地面的中γ尺度渦旋，從而產(chǎn)生局地負(fù)氣壓擾動，從而增加了水平氣壓梯度(Markowski & Richardson[7])，這與景德鎮(zhèn)國家站觀測到的負(fù)變壓現(xiàn)象相吻合。

圖2 58527(景德鎮(zhèn)國家站)與J3044(官莊區(qū)域站)站點(diǎn)示意圖(a)及2站氣壓、溫度差變化情況(b)

3 天氣形勢特征

通過中尺度天氣分析技術(shù)，可以提煉天氣系統(tǒng)配置和天氣概念模型，以判斷大氣環(huán)境條件是否有利于強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生。此次發(fā)生在景德鎮(zhèn)的強(qiáng)對流天氣總體符合許愛華[3]等提出的低空暖平流強(qiáng)迫類，低層的強(qiáng)烈暖濕平流對對流不穩(wěn)定建立起到了主導(dǎo)作用。

15日08:00時(shí)，江西上空為一致強(qiáng)盛西南氣流。500 hPa上副高北界位于福建廣東上空，低槽位于四川、云南，槽前正渦度平流輸送強(qiáng)烈，有利于贛北地區(qū)低值系統(tǒng)發(fā)展。20:00時(shí)，副高北界位置基本不變，但高原東側(cè)低槽有所東移，江西仍處西南氣流控制中，但安慶、南京由08:00時(shí)西南風(fēng)轉(zhuǎn)為正西風(fēng)，表明槽前西南氣流中也有弱波動偏北影響。08:00時(shí)，700～925 hPa均建立起強(qiáng)盛西南急流，850 hPa湖南-江西急流強(qiáng)度普遍超過20 m/s，925 hPa急流普遍達(dá)到18 m/s，異常強(qiáng)盛的西南急流使得暖脊強(qiáng)烈發(fā)展，并將水汽不斷向北輸送，急流頂端浙江暖中心達(dá)到26 ℃，南昌站比濕達(dá)15 g/kg。由于低層強(qiáng)烈增溫，武漢、南昌、安慶T850-500由08:00時(shí)22～24 ℃普遍增加到26～27 ℃，大氣不穩(wěn)定明顯增加，而研究表明，江西T850-500超過27 ℃時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣概率為85%，此時(shí)高低空環(huán)境非常有利于暖區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣。

地面氣壓場上，白天倒槽位于貴州-湖南-安徽一帶，并強(qiáng)烈發(fā)展，倒槽北側(cè)有冷空氣向南侵襲。20:00時(shí)左右江北受冷空氣滲透和降水影響，氣溫度普遍降至24～25 ℃左右，而南昌-景德鎮(zhèn)一帶氣溫仍高達(dá)32～33 ℃，二者之間形成明顯溫度鋒區(qū)。同時(shí)在景德鎮(zhèn)附近還有地面輻合帶維持，有利于強(qiáng)對流天氣觸發(fā)和維持。

圖3 2021年5月15日20:00時(shí)中分析(a)及南昌探空(b)

南昌探空顯示，20:00時(shí)該站呈X狀層結(jié)結(jié)構(gòu)，特別是850 hPa以下層結(jié)曲線和等露點(diǎn)線呈喇叭口狀分布，表明低層較干，同時(shí)層結(jié)曲線溫度遞減率接近干絕熱，有利于加劇濕空氣下沉蒸發(fā)冷卻，形成負(fù)浮力，從而加速空氣下沉。多個對流參數(shù)異常，其中Cape達(dá)1 831 J/kg，K指數(shù)達(dá)43.5 ℃，SI達(dá)-3.47 ℃，0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)20 m/s，均表明此時(shí)大氣處于高溫高濕和高不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 風(fēng)廓線雷達(dá)特征

景德鎮(zhèn)風(fēng)廓線雷達(dá)位于景德鎮(zhèn)國家觀測站(58527)東北方向7 km處，可以較好反映此次強(qiáng)對流過程大氣環(huán)境變化情況。從近地面層0～1.8 km風(fēng)場演變看，19:00后存在明顯動量下傳，近地面風(fēng)速從2 m/s迅速增加到18～20 m/s；中高層3.5～4.8 km高度上出現(xiàn)多次風(fēng)場波動：19:00前后風(fēng)向出現(xiàn)突變、19:35前后3.5～4.0 km高度上有切變移過、20:00前后4.5 km以上由槽前西南風(fēng)轉(zhuǎn)為槽后西北風(fēng)控制。高時(shí)間分辨率的風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場產(chǎn)品直觀顯示了在以西南氣流為主的情況下，景德鎮(zhèn)上空仍有多個波動過境，造成對流的觸發(fā)和維持。

其他風(fēng)廓線產(chǎn)品，如信噪比、Cn2、垂直速度，在對流影響前19:00時(shí)左右就有突變，較極端大風(fēng)和冰雹出現(xiàn)提前20 min左右。在大風(fēng)和冰雹出現(xiàn)后，這些產(chǎn)品值又迅速回歸，其變化與強(qiáng)天氣時(shí)間較為一致。

(a)、(b)風(fēng)產(chǎn)品；(c)信噪比；(d)Cn2；(e)垂直速度

5 雷達(dá)拼圖回波特征

陳鮑發(fā)等[8]對江西局地冰雹的雷達(dá)回波特征開展了研究，指出在江西WebGIS雷達(dá)拼圖上短帶回波中心強(qiáng)度從55～60 dBz發(fā)展為60～65 dBz時(shí)地面開始降雹；超級單體回波由55～60 dBz發(fā)展為60～65 dBz時(shí)預(yù)示著可能出現(xiàn)冰雹等強(qiáng)天氣；冰雹的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)為：1)60～65 dBz(粉紅色)回波范圍大于10×10 km，回波形狀呈橢圓形；2)40 dBz(橘黃)回波界線與65 dBz回波界線梯度大；3)60～65 dBz回波中心有65～70 dBz(紫色)回波“核”；4)強(qiáng)回波下風(fēng)向有“前伸”回波結(jié)構(gòu)。

此次景德鎮(zhèn)出現(xiàn)的冰雹尺寸較小，但在拼圖回波特征上仍然符合上述特點(diǎn)。19:10，最南側(cè)回波單體成橢圓狀，STI密集指向東北方向預(yù)示回波將向東北移動，此時(shí)最大回波強(qiáng)度達(dá)60 dBz。19:20—19:40，該對流單體發(fā)展成超級單體風(fēng)暴，有65 dBz以上的回波“核”(紫色)，并形成回波梯度大值區(qū)，在影響景德鎮(zhèn)中部的過程中，強(qiáng)度一直維持，所經(jīng)之處景德鎮(zhèn)、浮梁均出現(xiàn)19 m/s以上大風(fēng)及小冰雹。

(a)19:10；(b)19:20；(c)19:30；(d)19:40

6 結(jié)論

本文從天氣形勢、氣象要素特征對比、風(fēng)廓線雷達(dá)、拼圖雷達(dá)產(chǎn)品特征等方面分析了2021年5月21日景德鎮(zhèn)地區(qū)一次大風(fēng)、冰雹強(qiáng)天氣，得出結(jié)論如下。

1)此次強(qiáng)對流過程強(qiáng)度大，具有一定極端性。雷暴影響前后出現(xiàn)氣壓涌升、氣溫驟降等特點(diǎn)。通過相鄰2站要素對比發(fā)現(xiàn)，極端大風(fēng)與2站溫壓差最大時(shí)刻吻合。

2)此次天氣過程出現(xiàn)在西南急流控制下的暖區(qū)中，符合低層暖平流強(qiáng)迫類概念模型特征。中低層劇烈增暖加劇了大氣不穩(wěn)定，多個對流指數(shù)異常。

3)風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品顯示，對流風(fēng)暴影響前存在動量下傳、信噪比、Cn2、垂直速度躍增等現(xiàn)象。

4)雷達(dá)拼圖產(chǎn)品特征符合江西雷暴大風(fēng)、局地冰雹識別指標(biāo)，存在65 dBz以上回波“核”、強(qiáng)回波梯度等特征，可以為冰雹預(yù)警提供支撐。