冷渦影響下杭州灣一次區(qū)域性極端大風(fēng)的演變和機(jī)制分析*

黎玥君 馬 昊 勾亞彬 戴祥霖 余貞壽

1 浙江省氣象科學(xué)研究所,杭州 310051 2 浙江省氣象臺(tái),杭州 310051 3 中國(guó)氣象局水文氣象重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081 4 杭州市氣象局,杭州 310051

提 要：利用常規(guī)氣象探空觀測(cè)、地面自動(dòng)氣象站逐分鐘觀測(cè)、風(fēng)廓線雷達(dá)以及多普勒天氣雷達(dá)等多源觀測(cè)資料,分析了2021年4月30日傍晚到夜間浙江北部和杭州灣沿海地區(qū)一次區(qū)域性極端大風(fēng)的天氣特征,重點(diǎn)探討了對(duì)流系統(tǒng)移入杭州灣后的中尺度演變特征和大風(fēng)增強(qiáng)的原因。結(jié)果表明,此次過(guò)程是典型的多尺度相互作用的結(jié)果,在高空深厚的東北冷渦影響下,配合中層西北急流和較強(qiáng)的地面暖低壓促使颮線后部對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展,形成雷暴大風(fēng)天氣。對(duì)流單體在經(jīng)過(guò)杭州灣水系后明顯增強(qiáng),其陣風(fēng)鋒前側(cè)有西南暖濕入流,后部冷池發(fā)展強(qiáng)盛,氣壓涌升,疊加地面環(huán)境風(fēng)場(chǎng)和杭州灣水面的熱動(dòng)力條件,從而觸發(fā)不穩(wěn)定能量促使單體發(fā)展。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)杭州灣后輻散下沉出流明顯增強(qiáng),將中高層的動(dòng)量更快地下傳至地面,對(duì)于杭州灣南部風(fēng)力增強(qiáng)效應(yīng)顯著。杭州灣光滑下墊面、喇叭口等特殊地形也是造成極端大風(fēng)出現(xiàn)的原因之一。同時(shí),逐分鐘變溫相比于極大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)間提前了約7～10 min,對(duì)于局地極端大風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警有一定的指示意義。

引 言

浙江省處于長(zhǎng)江中下游地區(qū),該地區(qū)是春夏季節(jié)受冷渦環(huán)流和季風(fēng)槽共同影響下的交匯區(qū),強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā),其伴隨的雷暴大風(fēng)、局地冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成不同程度的損失,研究強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理,對(duì)于防災(zāi)、減災(zāi)意義重大。在主要的三種強(qiáng)對(duì)流天氣類(lèi)型中,強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)出現(xiàn)的頻率較高,也最容易漏報(bào)。對(duì)于強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)的定義,業(yè)務(wù)系統(tǒng)科研人員達(dá)成的共識(shí)是:陣風(fēng)超過(guò)17 m·s-1的對(duì)流性大風(fēng)以及發(fā)生在陸地上所有級(jí)別的龍卷。強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)主要有三類(lèi):下?lián)舯┝?、雷暴大風(fēng)和龍卷。歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明:強(qiáng)雷暴大風(fēng)高頻區(qū)位于中國(guó)中東部地區(qū),強(qiáng)雷暴大風(fēng)從3 月開(kāi)始在華南和江南地區(qū)出現(xiàn),4 月進(jìn)入華中、華東地區(qū),5 月北進(jìn)到華北、東北和西北地區(qū)(費(fèi)海燕等,2016);春末夏初北方冷渦影響下發(fā)展起來(lái)的對(duì)流系統(tǒng)是造成浙江省極端大風(fēng)災(zāi)害性天氣的主要天氣形勢(shì)(彭霞云等,2022)。根據(jù)浙江省所處的冷渦位置,結(jié)合Meng et al(2013)的天氣分型,造成浙江省強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)的天氣型為冷渦類(lèi)西北氣流型,主要是由上游蘇皖地區(qū)觸發(fā)的對(duì)流單體,經(jīng)過(guò)合并發(fā)展演變成新的對(duì)流系統(tǒng),隨槽后冷空氣南下影響浙江。

在雷暴大風(fēng)發(fā)生、發(fā)展和極端大風(fēng)形成的機(jī)理方面,國(guó)內(nèi)學(xué)者做過(guò)大量研究,程月星等(2018)發(fā)現(xiàn),在上游雷暴的冷池出流作用下,地面輻合抬升最強(qiáng)處將觸發(fā)出新生單體并迅速發(fā)展。何娜等(2020)發(fā)現(xiàn)觸發(fā)對(duì)流系統(tǒng)中67%的對(duì)流由陣風(fēng)鋒過(guò)程觸發(fā),并發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)鋒的抬升作用是新生單體迅速發(fā)展的關(guān)鍵。盛杰等(2019)研究了一次早春冷渦底部的颮線大風(fēng)過(guò)程,認(rèn)為低層高溫高濕、中層干冷、高空大的溫度垂直遞減率是雷暴大風(fēng)發(fā)生的有利條件;梁建宇和孫建華(2012)模擬了商丘一次風(fēng)暴的大風(fēng)生成機(jī)制和結(jié)構(gòu)特征,認(rèn)為線性風(fēng)暴的中層入流加強(qiáng)了對(duì)流區(qū)的下沉氣流,是形成極端大風(fēng)的重要成因之一;張怡和趙志宇(2012)指出高空動(dòng)量下傳使得對(duì)流發(fā)展、維持和傳播,是造成低空及地面風(fēng)速增大的重要因素之一。張弛等(2019)發(fā)現(xiàn)颮線后側(cè)入流急流的動(dòng)量下傳和蒸發(fā)作用共同引發(fā)下沉氣流,從而影響冷池的移速,引起了地面大風(fēng);王秀明等(2013)認(rèn)為,地面直線型風(fēng)害主要由冷池密度流與動(dòng)量下傳引起。冷池在陣風(fēng)鋒形成過(guò)程和強(qiáng)度維持上一定程度起到了主導(dǎo)作用(岳彩軍等,2016;雷蕾等,2021)。同時(shí),下墊面條件也是影響對(duì)流強(qiáng)度和引起極端大風(fēng)的作用之一。一些國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),水體具有高比熱容、低反照率、低的表面粗糙度等特性(Notaro et al,2013;Wen et al,2015;Wu et al,2019),與其他陸面覆蓋類(lèi)型不同,摩擦力更小有利于風(fēng)速增強(qiáng);白天水體吸收了太陽(yáng)輻射,在夏季夜間,水體會(huì)加熱表層大氣并且增加感熱潛熱通量的釋放,從而激發(fā)或加強(qiáng)對(duì)流(Xu and Liu,2015;Xu et al,2014);陳淑琴等(2017)指出東部沿海地區(qū)受海陸下墊面的影響存在加熱和表面摩擦的差異,對(duì)對(duì)流系統(tǒng)的演變起到關(guān)鍵作用,但是,浙江東部沿海地區(qū)處于杭州灣的海陸交界處,下墊面條件復(fù)雜,對(duì)于移入杭州灣后雷暴大風(fēng)強(qiáng)度變化的研究較少。

2021年4月30日晚上,浙江北部(以下簡(jiǎn)稱(chēng)浙北)及杭州灣沿海一帶出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)對(duì)流天氣,其系統(tǒng)在30日23時(shí)前后經(jīng)過(guò)杭州灣后快速增強(qiáng),并在寧波部分地區(qū)造成了10級(jí)以上的雷暴大風(fēng),其中余姚和象山的瞬時(shí)風(fēng)速分別達(dá)到35.7 m·s-1和34.1 m·s-1,造成了“五一”長(zhǎng)假出行期間沿海高速公路嚴(yán)重堵車(chē)及事故。這次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程發(fā)生在強(qiáng)冷渦背景下,并且系統(tǒng)移動(dòng)過(guò)程中下墊面條件復(fù)雜,對(duì)單體發(fā)展趨勢(shì)以及極端大風(fēng)的預(yù)報(bào)有較大難度。本文利用再分析資料、逐分鐘氣象觀測(cè)、風(fēng)廓線雷達(dá)、多普勒天氣雷達(dá)等資料,分析本次雷暴大風(fēng)過(guò)程的系統(tǒng)演變、中尺度環(huán)境條件和雷達(dá)回波特征,重點(diǎn)揭示風(fēng)暴在經(jīng)過(guò)杭州灣后明顯增強(qiáng)并造成寧波局地極端大風(fēng)的形成機(jī)制,同時(shí),伴隨著逐分鐘觀測(cè)資料在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的廣泛應(yīng)用,本文還探索了逐分鐘觀測(cè)在極端大風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警中的指示意義。

1 資料與方法

本文所用的資料包括:常規(guī)探空、逐分鐘地面自動(dòng)氣象站、風(fēng)廓線雷達(dá)以及多普勒天氣雷達(dá)等多源觀測(cè)資料;美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)一日四次、分辨率為1°×1°的FNL 再分析資料。

由于此次過(guò)程存在明顯的陣風(fēng)鋒,主要出現(xiàn)在大氣低層,基于寧波多普勒雷達(dá)的0.5°仰角,采用最近鄰近法處理單部雷達(dá)資料,并進(jìn)行笛卡爾等經(jīng)緯度坐標(biāo)投影,然后根據(jù)垂直反距離加權(quán)內(nèi)插法拼接單部雷達(dá)0.5°的PPI數(shù)據(jù),分析此次極端大風(fēng)過(guò)程中陣風(fēng)峰的演變特征。雷達(dá)組合反射率因子由寧波、南匯、嵊泗、舟山四部雷達(dá)基數(shù)據(jù)組合而成。

利用cressman插值方法,將不規(guī)則的區(qū)域自動(dòng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到規(guī)則的網(wǎng)格上,得到區(qū)域自動(dòng)站地面要素的客觀分析資料,其空間分辨率為0.1°×0.1°,時(shí)間分辨率為5 min,以分析此次過(guò)程中杭州灣區(qū)域的熱動(dòng)力特征。

2 天氣過(guò)程概述

2.1 局地強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)況

這次強(qiáng)對(duì)流雷暴大風(fēng)過(guò)程初始發(fā)生于江蘇境內(nèi),颮線自北向南移動(dòng),其主體后半段于4月30日22:00(北京時(shí),下同)左右移入浙北境內(nèi),30日半夜浙北地區(qū)出現(xiàn)大范圍的雷雨大風(fēng)天氣,在嘉善、嘉興城區(qū)、海鹽、慈溪等地局部出現(xiàn)直徑為 1～2 cm的小冰雹。此次過(guò)程從30日21:00起,自西北向東南先后在浙北及杭州灣一帶地區(qū),出現(xiàn)了大范圍8～10級(jí)、局地11～12級(jí)的雷雨大風(fēng)天氣,從極大風(fēng)分布(圖1a)和演變過(guò)程可以發(fā)現(xiàn),10級(jí)以上的極端大風(fēng)主要集中在杭州灣兩岸及寧波沿海、山區(qū)一帶地區(qū),最大出現(xiàn)在余姚站(35.7 m·s-1,12級(jí)),出現(xiàn)時(shí)間為5月1日00:42。湖州、嘉興及寧波北部地區(qū)雖然出現(xiàn)了降水(圖1b),但是降水整體偏弱,湖州、嘉興地區(qū)單站最大降水量分別為8.1 mm和4.9 mm,降水量單站最大為慈溪新浦(11.7 mm)。

圖1 2021年4月30日21:00至5月1日02:00浙北及沿海地區(qū)(a)極大風(fēng)速等級(jí)和(b)總降水量分布

2.2 雷暴發(fā)展演變過(guò)程

圖2為寧波、南匯、嵊泗、舟山四部多普勒雷達(dá)0.5°仰角組合反射率因子監(jiān)測(cè)到的本次雷暴發(fā)生的移動(dòng)演變過(guò)程。4月30日21:00之前江蘇境內(nèi)有西南—東北走向颮線向東南方向移動(dòng)進(jìn)入東海海域,颮線西段有一條明顯的東西走向的陣風(fēng)鋒(陳圣劼等,2022)。從圖2可以看到,21:42,颮線后部太湖流域有局地新對(duì)流單體生成,對(duì)流單體向東南方向移動(dòng)并緩慢發(fā)展,在22:30對(duì)流單體經(jīng)過(guò)太湖流域后明顯增強(qiáng),發(fā)展為風(fēng)暴單體(Chen et al,2014),中心反射率因子達(dá)到45 dBz以上,此時(shí)在湖州北部等地出現(xiàn)了7級(jí)以上大風(fēng)。22:30后風(fēng)暴單體逐步發(fā)展組織化,中心最大反射率因子達(dá)到55 dBz,并向東南方向移動(dòng),自西北向東南對(duì)湖州、嘉興等地造成了8～9級(jí)大風(fēng)。23:50左右強(qiáng)風(fēng)暴單體開(kāi)始移入杭州灣,此時(shí)陸地上最大反射率因子為55 dBz,之后移速明顯增快,強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。5月1日00:30強(qiáng)風(fēng)暴單體開(kāi)始影響寧波北部,此時(shí)陸地上最大反射率因子達(dá)60 dBz以上,寧波、舟山部分地區(qū)隨后出現(xiàn)了10級(jí)以上大風(fēng)和冰雹天氣,最大風(fēng)力出現(xiàn)在余姚地區(qū)(35.7 m·s-1,12級(jí))。之后系統(tǒng)不斷東移,01:50后,對(duì)流主體基本入海并逐步消散,對(duì)浙江影響趨于結(jié)束。

注:04-30-21-00表示4月30日21:00。

3 大氣環(huán)流形勢(shì)

30日20:00,高空500 hPa(圖3a)上冷渦中心位于45°N,后部有一支30 m·s-1以上的偏北風(fēng)急流,500 hPa西北急流中心風(fēng)速超過(guò)40 m·s-1,浙北地區(qū)上部為高空冷平流(圖3a紅色虛線),高空槽后冷平流引導(dǎo)冷空氣南下,華北地區(qū)的地面低渦系統(tǒng)快速向東南方向移動(dòng)。700 hPa和850 hPa可以發(fā)現(xiàn)浙北上空均有24 m·s-1的西風(fēng)急流(圖3b和3c),低層850 hPa上,32°N以南屬于槽前西南氣流控制下,為西南低空暖濕平流(圖3c紅色虛線),持續(xù)向北輸送暖濕氣流,對(duì)流系統(tǒng)位于低空急流左側(cè)輻合區(qū)內(nèi),同時(shí),地面上(32°N、121.5°E)附近有一個(gè)低壓中心,在該大尺度環(huán)流結(jié)構(gòu)下,高層的急流增強(qiáng)了中低層垂直風(fēng)切變,強(qiáng)化了對(duì)流組織化的發(fā)展。從各層水汽分布可以看出,500 hPa和700 hPa上杭州灣及周邊地區(qū)水汽含量較低,比濕均低于5 g·kg-1(圖3a,3b),從850 hPa比濕分布可以看出(圖3c),浙北地區(qū)低層水汽含量較好,比濕達(dá)到6 g·kg-1以上,說(shuō)明大氣中層較干,低層比較濕,從天氣尺度環(huán)流背景來(lái)看,“上干冷下暖濕”的天氣配置有利于形成雷暴大風(fēng)發(fā)生發(fā)展所需要的環(huán)境條件。

圖3 2021年4月30日20:00(a)500 hPa,(b)700 hPa,(c)850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線,單位:dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)、比濕(填色)和溫度場(chǎng)(紅色虛線,單位:℃),(d)海平面氣壓場(chǎng)(單位:hPa)

4 中尺度環(huán)境特征

上文分析了天氣尺度系統(tǒng)的高低空配置以及溫濕度配置,500 hPa槽后存在較強(qiáng)烈的冷平流,而對(duì)流層低層850 hPa仍然處于暖濕平流下,在平流過(guò)程的作用下,“上冷下暖濕”的層結(jié)有利于不穩(wěn)定能量的增長(zhǎng),導(dǎo)致浙北地區(qū)具有大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件。從南京、杭州20:00的探空?qǐng)D可以看出(圖4,表1),對(duì)流有效位能分別約為2005 J·kg-1和550 J·kg-1(表1),高于江浙春季氣候態(tài)的對(duì)流能量值(陳圣劼等,2022),有利于不穩(wěn)定對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展,并且中高層的風(fēng)切變很強(qiáng),850 hPa以下均為西南風(fēng),0～3 km單站垂直風(fēng)切變?yōu)?0 m·s-1左右,0～6 km的垂直風(fēng)切變超過(guò)30 m·s-1,屬于較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變(Weisman and Davis,1998),遠(yuǎn)超了常年春季對(duì)流發(fā)生的經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)值,表現(xiàn)出較強(qiáng)的極端性;從杭州站探空曲線可以看到(圖4b),1000～925 hPa有一定的逆溫存在和蒸發(fā)條件,利于下沉氣流的發(fā)展。

表1 2021年4月30日20:00南京、杭州站主要的探空參數(shù)

注:藍(lán)色實(shí)線為溫度層結(jié)曲線,紅棕色實(shí)線為狀態(tài)曲線,綠色實(shí)線為露點(diǎn)溫度曲線,綠色點(diǎn)虛線為等比濕線,紅色點(diǎn)虛線為干絕熱線。

5 風(fēng)暴入海加強(qiáng)及造成極端大風(fēng)成因分析

5.1 雷暴系統(tǒng)與環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的相互作用

此次浙北及沿海區(qū)域的雷暴大風(fēng)主要是太湖流域新生孤立雷暴單體發(fā)展東移,隨后經(jīng)過(guò)杭州灣洋面后迅速增強(qiáng)的一次天氣過(guò)程。圖5是浙北、蘇南、上海區(qū)域自動(dòng)氣象站各氣象地面要素的格點(diǎn)化實(shí)況場(chǎng)。通過(guò)分析加密的觀測(cè)再分析資料可知,4月30日22:00至5月1日01:00為強(qiáng)對(duì)流發(fā)展增強(qiáng)時(shí)段?？梢钥吹降孛孑椇暇€及低渦的中小尺度發(fā)展,在回波主體增強(qiáng)東移南下過(guò)程中,30日22:30強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生的冷池高壓前部出流的偏北風(fēng)增強(qiáng),與環(huán)境場(chǎng)的偏南風(fēng)在上海以北出現(xiàn)風(fēng)向輻合,即回波主體的輻合線(圖5a中紅色曲線),同時(shí)對(duì)應(yīng)圖5b的等溫線密集帶,經(jīng)過(guò)太湖流域的新生孤立雷暴單體進(jìn)入浙北德清縣附近,在單體的前沿地面有偏北風(fēng)和環(huán)境風(fēng)場(chǎng)西南風(fēng)的風(fēng)向輻合(圖5a中紅色曲線)。00:30 左右,在強(qiáng)烈發(fā)展的回波主體左后方的末端,有偏北風(fēng)和偏西風(fēng)風(fēng)向的輻合(圖5c中紅色曲線),新生的雷暴單體迅速加強(qiáng)。

注:紅色曲線代表風(fēng)向輻合,★代表加強(qiáng)雷暴單體位置。

從圖5e～5h分析變壓場(chǎng)、變溫場(chǎng)與地面輻合線的對(duì)應(yīng)關(guān)系,由23:30的1 h變壓場(chǎng)和變溫場(chǎng)中可以看到,在湖州北部地區(qū)有偏北風(fēng)和西南風(fēng)的風(fēng)向輻合(圖5e,5f中紅色曲線),對(duì)應(yīng)于雷達(dá)回波圖23:30 上(圖2),有45 dBz以上的回波中心,輻合線空間位置與實(shí)況的位置較為吻合。輻合線后側(cè)有正變壓中心,其中心強(qiáng)度分別為+4.6 hPa,輻合線前側(cè)嘉興地區(qū)有負(fù)變溫中心,其中心強(qiáng)度達(dá)-6.0℃;回波主體23:30之后進(jìn)入杭州灣水面,1 h后到達(dá)寧波地區(qū)(圖5g,5h中紅色曲線),對(duì)比回波在杭州灣前后的1 h變壓場(chǎng)(圖5e,5g)和1 h變溫場(chǎng)(圖5f,5h)強(qiáng)度變化,對(duì)比發(fā)現(xiàn),次日01:00正變壓中心強(qiáng)度由+4.6 hPa增強(qiáng)至+7.2 hPa,負(fù)變溫中心由-6.0℃ 增強(qiáng)至-9.04℃,可以看到加強(qiáng)的雷暴單體位于變溫梯度密集帶和變壓梯度密集帶的附近(圖5g,5h標(biāo)記處),冷池強(qiáng)度增強(qiáng),說(shuō)明雷暴主體在經(jīng)過(guò)杭州灣水面過(guò)程中,強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

5.2 陣風(fēng)鋒及強(qiáng)冷池作用

陣風(fēng)鋒和冷池是影響雷暴單體強(qiáng)度的一個(gè)重要因素(陶嵐等,2016;岳彩軍等,2016;Browning et al,2007;Quan et al,2014)。此次過(guò)程前后在強(qiáng)風(fēng)暴單體東側(cè)的杭州灣地區(qū)能夠清楚觀測(cè)到有一條東西走向的陣風(fēng)鋒(圖6),移速較快,陣風(fēng)鋒在越過(guò)長(zhǎng)江后4月30日22:00左右經(jīng)啟東到達(dá)上海以北,次日00:30(圖6e)經(jīng)過(guò)杭州灣后到達(dá)寧波地界,平均移速為20.7 m·s-1,該過(guò)程的下墊面分為陸地和杭州灣兩個(gè)部分。第一階段未經(jīng)過(guò)杭州灣:30日22:00—23:00,此時(shí)冷池前部暖濕入流造成的負(fù)變壓區(qū)最大為-8.1 hPa,變溫梯度為0.6℃·(10 km)-1,變壓梯度為1.4 hPa·(10 km)-1,陸地上移速為13.8 m·s-1,伴隨輻合線南下(圖6a,6b),00:00的1 h負(fù)變溫和正變壓大值區(qū)位于浙北地區(qū)(圖7a),小時(shí)變溫大(-7.55℃),小時(shí)變壓中心值達(dá)到+13.1 hPa,可以看到浙北大風(fēng)區(qū)的東移南下,主要位于地面輻合線偏冷空氣一側(cè),且前沿與變壓梯度的密集帶相配合;第二階段經(jīng)過(guò)杭州灣后:30日23:00 至次日02:00,此時(shí)冷池前部暖濕入流造成的負(fù)變壓區(qū)最大為-2.5 hPa,變溫梯度為1.63℃·(10 km)-1,變壓梯度為1.74 hPa·(10 km)-1,陣風(fēng)鋒經(jīng)杭州灣時(shí)段為22:30 至次日00:30(圖6a～6e),移速為21.9 m·s-1,23:00對(duì)流主體開(kāi)始進(jìn)入杭州灣地區(qū)(圖2),01:00(圖7b),對(duì)流主體位于舟山群島(圖2),負(fù)變溫和正變壓大值區(qū)也移至寧波市,小時(shí)變溫中心值達(dá)-9.04℃(圖7b)。次日00:00—01:00,冷池的變溫梯度指向東南方向,表明冷池最強(qiáng)出流為西北風(fēng)?？梢园l(fā)現(xiàn),不同下墊面的地表粗糙度不同,從而影響風(fēng)暴系統(tǒng)的移速,杭州灣水系表面光滑,海面摩擦作用小,因而陣風(fēng)鋒在海面上的移速明顯快于陸地。同時(shí),冷池強(qiáng)度對(duì)于陣風(fēng)鋒起到了重要作用,在系統(tǒng)南下經(jīng)過(guò)杭州灣后冷池發(fā)展強(qiáng)盛,促使雷暴單體內(nèi)上升氣流將低層暖濕空氣經(jīng)陣風(fēng)鋒抬升并進(jìn)入雷暴單體內(nèi),從而使得雷暴母體組織化發(fā)展,雷暴母體加強(qiáng)并且移速加快,并逐漸接近陣風(fēng)鋒。而冷池前后增強(qiáng)的變壓梯度和變溫梯度也是影響陣風(fēng)鋒移速的一個(gè)原因(李強(qiáng)等,2019;許長(zhǎng)義等,2022)。

注:╋代表寧波觀象臺(tái)位置,┅代表陣風(fēng)鋒。

圖7 2021年5月1日(a)00:00,(b)01:00的地面1 h變溫(填色和等值線)和1 h變壓(紅虛線,單位:hPa);4月30日23:00至5月1日02:00(c)余姚站和(d)嘉興站氣壓、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)序圖

為進(jìn)一步研究對(duì)流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)杭州灣前后的氣象要素變化特征,選取風(fēng)暴移動(dòng)路徑上的嘉興站和余姚站逐5 min觀測(cè)資料,分析系統(tǒng)變化前后的氣象要素演變特征。嘉興站位于杭州灣北側(cè),30日00:00 之前系統(tǒng)影響嘉興市,小時(shí)變溫、變壓分別達(dá)到-6℃、+2.5 hPa。系統(tǒng)移過(guò)杭州灣后明顯增強(qiáng),余姚站的降溫和升壓的梯度明顯強(qiáng)于嘉興站,小時(shí)變溫、變壓分別達(dá)到-9℃、+8 hPa,半個(gè)小時(shí)內(nèi)風(fēng)速增強(qiáng)到35.7 m·s-1,系統(tǒng)過(guò)境后,氣壓驟升、氣溫驟降,雷暴“高壓鼻”特征顯著,并且西南風(fēng)在20 min 內(nèi)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。通過(guò)兩個(gè)站氣象要素演變特征分析表明,系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)杭州灣后明顯增強(qiáng),體現(xiàn)在變溫、變壓以及風(fēng)力變化的時(shí)間梯度上變快。

5.3 動(dòng)量下傳作用

高曉梅等(2018)、李彩鈴等(2021)、高麗等(2021)研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)暴承載層平均風(fēng)向、風(fēng)速與風(fēng)暴的維持有著關(guān)系,當(dāng)雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí),存在中層干冷空氣的夾卷過(guò)程,如果風(fēng)暴承載層風(fēng)速越大,動(dòng)量下傳對(duì)于地面大風(fēng)貢獻(xiàn)也越大。風(fēng)暴層平均風(fēng)速能夠代表動(dòng)量下傳的潛勢(shì)大小,通常采用850、700、500、300 hPa這四層的平均風(fēng)向風(fēng)速代表風(fēng)暴承載層的風(fēng)向、風(fēng)速。4月30日20:00杭州探空站風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速為28.74 m·s-1,平均風(fēng)向?yàn)?76.25°,而雷暴單體的平均移速為20.7 m·s-1,方向?yàn)?82°,相當(dāng)于風(fēng)暴承載層平均風(fēng)的72.03%,偏向風(fēng)暴承載層右側(cè)約6°。同時(shí),風(fēng)暴承載層風(fēng)速明顯大于2002—2017年我國(guó)95個(gè)極端雷暴大風(fēng)個(gè)例(馬淑萍等,2019)統(tǒng)計(jì)的均值(14 m·s-1)和75%分位數(shù)(20 m·s-1)以上,表明此次過(guò)程中異常偏大的風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速和與對(duì)流系統(tǒng)移向接近的平均風(fēng)向,對(duì)于風(fēng)暴的移動(dòng)、發(fā)展均起到了明顯的正反饋?zhàn)饔?黃美金,2022),較大的風(fēng)速更加有利于中層干冷空氣的夾卷,從而增強(qiáng)下沉氣流的動(dòng)量下傳作用,對(duì)下游地區(qū)地面大風(fēng)的出現(xiàn)有明顯的貢獻(xiàn)。

5.4 下墊面作用

盛春巖等(2014)研究表明極端大風(fēng)的出現(xiàn)與下墊面條件也密不可分,特殊地形能夠?qū)︼L(fēng)速有增強(qiáng)作用。海洋下墊面較光滑,會(huì)對(duì)海上大風(fēng)起到增強(qiáng)作用,引起“向岸風(fēng)”效應(yīng);同時(shí),喇叭口地形的存在使喇叭口東北部風(fēng)速增大,而喇叭口西南側(cè)及渤海海面風(fēng)速減小(沈杭鋒等,2019)。此次過(guò)程中風(fēng)暴自西北向東南先后影響了浙江東北部地區(qū),并且對(duì)寧波地區(qū)造成了極端的雷暴大風(fēng)天氣(圖8)。一方面杭州灣水面下墊面光滑,摩擦力小,一定程度有利于系統(tǒng)增強(qiáng)(彭霞云等,2022);另一方面,從寧波地區(qū)過(guò)程極大風(fēng)與地形的分布,可以發(fā)現(xiàn),寧波北部地區(qū)越接近于杭州灣水面的區(qū)域,風(fēng)力高于內(nèi)陸地區(qū),這主要由于海洋下墊面的摩擦較小,從而引起“向岸大風(fēng)”增強(qiáng)效應(yīng)(盛春巖等,2014)。另外,此次過(guò)程在余姚西部北部、寧波東南部出現(xiàn)了10級(jí)以上的大風(fēng)分布區(qū)域,最大出現(xiàn)在余姚(35.7 m·s-1,12級(jí),海拔高度為38 m),結(jié)合地形分布可以發(fā)現(xiàn),極端大風(fēng)區(qū)一部分位于四明山和會(huì)稽山山脈之間,另一部分位于天臺(tái)山與四明山兩個(gè)山脈之間,這兩個(gè)區(qū)域特殊地形所產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”和喇叭口效應(yīng),使得風(fēng)力也有一定的增強(qiáng)。

圖8 2021年5月1日00:00—02:00地面8級(jí)以上大風(fēng)(風(fēng)羽)分布及地形高度(陰影)

5.5 風(fēng)廓線及逐分鐘觀測(cè)特征

通過(guò)前文的分析可以看出,此次強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生前,環(huán)境風(fēng)場(chǎng)在江蘇浙江一帶的西北風(fēng)強(qiáng)且深厚(圖3a～3c,圖4),中層存在明顯的西北風(fēng)急流,其后側(cè)入流有利于發(fā)展組織性的對(duì)流系統(tǒng),杭州和南京觀象臺(tái)站點(diǎn)0～6 km垂直風(fēng)切變達(dá)到30 m·s-1以上(表1),說(shuō)明風(fēng)暴發(fā)生前,環(huán)境風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出強(qiáng)的垂直風(fēng)切變特點(diǎn)。低時(shí)空分辨率的常規(guī)觀測(cè)資料無(wú)法揭示強(qiáng)風(fēng)暴天氣快速變化的特征,因此本文利用高時(shí)空分辨率的風(fēng)廓線雷達(dá)資料和逐分鐘自動(dòng)站觀測(cè)資料,分析風(fēng)暴發(fā)生前后其內(nèi)部垂直剖面的風(fēng)場(chǎng)特征及變化。下文選取風(fēng)暴移動(dòng)路徑上且離杭州灣較近、資料較為完整的嘉興站和余姚站風(fēng)廓線資料進(jìn)行分析(圖9a,9b),代表了風(fēng)暴穿過(guò)杭州灣前后的垂直特征。

圖9 2021年4月30日(a,c)嘉興站和(b,d)余姚站(a,b)風(fēng)廓線雷達(dá)和逐分鐘地面自動(dòng)站觀測(cè)水平風(fēng)演變(風(fēng)羽)、垂直速度(紅色實(shí)線,單位:m·s-1),(c,d)逐分鐘地面10 m瞬時(shí)風(fēng)速(黃色實(shí)線)、地面降水量(綠色柱)、逐分鐘變溫(藍(lán)色柱)

嘉興站從23:01起地面風(fēng)速明顯增強(qiáng),并且伴隨出現(xiàn)持續(xù)的0.2～0.3 ℃·min-1的負(fù)變溫,風(fēng)速于23:18達(dá)到最大(13.3 m·s-1,6級(jí))。在23:00—00:00嘉興站出現(xiàn)五次明顯的風(fēng)速波動(dòng),而逐分鐘變溫也對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了五次明顯的負(fù)值波動(dòng)。同時(shí),在地面風(fēng)速首次達(dá)到峰值前后,嘉興站1 km以下風(fēng)速相對(duì)較小(約為4 m·s-1),而之后1 km左右風(fēng)速逐漸增強(qiáng)至12 m·s-1的偏北氣流,伴隨地面開(kāi)始出現(xiàn)弱的降水。時(shí)間序列圖也能夠體現(xiàn)出沿著風(fēng)暴移動(dòng)路徑上系統(tǒng)的垂直空間分布特征,其中出現(xiàn)降水的時(shí)段作為風(fēng)暴單體的位置,可以發(fā)現(xiàn)地面大風(fēng)基本出現(xiàn)在風(fēng)暴的前沿,而風(fēng)暴后側(cè)則為明顯的后側(cè)入流(約為10 m·s-1),引導(dǎo)中層動(dòng)量不斷向下、向前傳播,同時(shí),從變溫演變發(fā)現(xiàn),地面冷池的傳播速度早于風(fēng)速的下傳。

余姚站位于風(fēng)暴穿過(guò)杭州灣后的影響區(qū)域,從風(fēng)廓線圖上,同樣可以看到風(fēng)暴系統(tǒng)后部存在明顯的下沉入流區(qū),不論水平速度還是垂直速度都明顯強(qiáng)于嘉興站,并且風(fēng)暴系統(tǒng)后部的強(qiáng)西北風(fēng)急流的厚度也明顯高于嘉興站,這一定程度表明系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)杭州灣之后得到了明顯的增強(qiáng),從逐分鐘要素演變可以發(fā)現(xiàn),余姚站的逐分鐘負(fù)變溫更為明顯,達(dá)到了0.7 ℃·min-1,相比于極大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)間提前了7～10 min。

通過(guò)對(duì)比嘉興站和余姚站風(fēng)廓線雷達(dá)和自動(dòng)站觀測(cè)資料的時(shí)間演變可以發(fā)現(xiàn),在通過(guò)杭州灣水系后,風(fēng)暴系統(tǒng)的強(qiáng)度明顯增強(qiáng),1 km以下的后側(cè)入流急流強(qiáng)度由嘉興的10 m·s-1迅速增強(qiáng)至20 m·s-1,并且垂直下沉運(yùn)動(dòng)由0.2 m·s-1增強(qiáng)至1.2 m·s-1,即后側(cè)入流10 min下降距離由原來(lái)的120 m增強(qiáng)為720 m,這樣短時(shí)間內(nèi)中層的強(qiáng)水平動(dòng)量快速傳導(dǎo)至地面,造成余姚地區(qū)風(fēng)速急劇增大。同時(shí),通過(guò)對(duì)比兩站逐分鐘觀測(cè)資料(圖9c,9d),地面大風(fēng)出現(xiàn)之前通常會(huì)提前伴有明顯的負(fù)變溫,并且出現(xiàn)時(shí)間早于大風(fēng)出現(xiàn)7～10 min,這對(duì)于極大風(fēng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警有著一定的指示意義。

6 結(jié)論與討論

2021年4月30日夜間,浙北和浙東北沿海受到自蘇南的強(qiáng)颮線末端影響,并且強(qiáng)風(fēng)暴單體在經(jīng)過(guò)杭州灣之后明顯加強(qiáng),出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)天氣,就此本文對(duì)比分析了此次過(guò)程的環(huán)境條件、中尺度特征、回波演變以及造成極端大風(fēng)分布不均的機(jī)制成因,得到以下主要結(jié)論:

(1)本次大風(fēng)天氣過(guò)程發(fā)生在高空冷渦前部,500 hPa有干冷空氣入侵,浙北上空850 hPa比濕較大且存在急流,對(duì)流系統(tǒng)位于高空急流左側(cè)的輻合區(qū)內(nèi),CAPE為550 J·kg-1,同時(shí)低層0～3 km 具有明顯風(fēng)垂直切變,強(qiáng)化了對(duì)流組織化的發(fā)展,“上干冷下暖濕”的天氣配置有利于形成強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展所需要的不穩(wěn)定能量環(huán)境條件。

(2)通過(guò)雷達(dá)回波及陣風(fēng)鋒的演變,可以清晰看到位于杭州灣上空,雷暴系統(tǒng)移動(dòng)方向前方有一條東西走向的陣風(fēng)鋒,并且與雷暴系統(tǒng)保持一定距離,在經(jīng)過(guò)杭州灣后,陣風(fēng)鋒移速明顯加快,同時(shí)由于下墊面條件不同造成陣風(fēng)鋒的移速不同,23:00之前位于陸地、移速慢,23:00之后位于海面、移速快。陣風(fēng)鋒前側(cè)有西南暖濕入流,后側(cè)輻散下沉出流明顯,造成陣風(fēng)鋒垂直環(huán)流加強(qiáng),有利于雷暴母體組織化發(fā)展,雷暴母體逐漸接近陣風(fēng)鋒。

(3)雷暴系統(tǒng)經(jīng)過(guò)杭州灣后明顯增強(qiáng),從中尺度環(huán)境特征場(chǎng)來(lái)看,浙江東北部地區(qū)具有不穩(wěn)定能量,并存在中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變,有利于海上形成有組織性的對(duì)流系統(tǒng);在經(jīng)過(guò)杭州灣后,陣風(fēng)鋒移速加快,冷池發(fā)展強(qiáng)盛,促使雷暴單體內(nèi)上升氣流將低層暖濕空氣經(jīng)陣風(fēng)鋒抬升并進(jìn)入雷暴單體內(nèi),從而使得強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴組織化快速發(fā)展。結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)資料和風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)向風(fēng)速可以發(fā)現(xiàn),強(qiáng)的中層急流增強(qiáng)了對(duì)流系統(tǒng)后部入流的強(qiáng)度和厚度,有利于風(fēng)暴系統(tǒng)組織化和長(zhǎng)時(shí)間維持,在下沉氣流影響下,中層動(dòng)量被更快地帶到地面,造成地面極端大風(fēng)出現(xiàn)。同時(shí),杭州灣作為特殊下墊面,由于水面的熱力作用及摩擦力較小,造成對(duì)流系統(tǒng)移入后加強(qiáng)或維持,寧波部分地區(qū)的喇叭口地形所產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”會(huì)使得地面風(fēng)力有所加強(qiáng)。

(4)通過(guò)逐分鐘觀測(cè)演變趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),地面大風(fēng)出現(xiàn)之前通常會(huì)提前伴有明顯的負(fù)變溫,并且出現(xiàn)時(shí)間早于大風(fēng)出現(xiàn)7～10 min,這對(duì)于極大風(fēng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警有著一定的指示意義。

伴隨著逐分鐘分辨率地面觀測(cè)業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用,各類(lèi)氣象演變特征在強(qiáng)對(duì)流預(yù)警業(yè)務(wù)中提前量及指示意義,還需要進(jìn)一步結(jié)合多個(gè)個(gè)例開(kāi)展深入的研究。