張　超，周　艷，楊　帆，韋　波

(貴州省黔東南自治州氣象局，貴州　凱里　556000)

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黔東南山區(qū)兩次雷暴大風(fēng)過程對比分析

張超，周艷，楊帆，韋波

(貴州省黔東南自治州氣象局，貴州凱里556000)

對2013年4月17日和2015年5月10日貴州省黔東南地區(qū)兩次雷暴大風(fēng)天氣過程的物理環(huán)境場和多普勒雷達(dá)回波特征進(jìn)行對比分析，表明雷暴大風(fēng)的發(fā)生需要一定的環(huán)境條件，抬升指數(shù)LI、下沉對流有效位能DCAPE、總指數(shù)TT、深對流指數(shù)DCI等對黔東南雷暴大風(fēng)有較好的指示意義。通過對多普勒雷達(dá)回波產(chǎn)品的分析，表明這兩次雷暴大風(fēng)均為典型的下?lián)舯┝鳎妆﹩误w反射率因子核的突然升高和持續(xù)下降可用于短時臨近預(yù)報。

雷暴大風(fēng);雷達(dá)回波;對比分析

1　引言

貴州東南部山區(qū)地形復(fù)雜，強對流天氣頻發(fā)，給人民的生命財產(chǎn)帶來了嚴(yán)重威脅。強對流造成的雷暴大風(fēng)因其局地性、突發(fā)性、強度大、破壞力強等特點，是預(yù)報預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)的難點和重點。當(dāng)對流風(fēng)暴強烈下沉氣流在地面產(chǎn)生>17.9 m·s-1的大風(fēng)時，F(xiàn)ujita將它們定義為下?lián)舯┝鱗1-3]。俞小鼎[4]等首次利用我國新一代天氣雷達(dá)資料對一次系列下?lián)舯┝鬟^程進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出反射率因子核心的逐漸降低并伴隨云底以上的速度輻合的多普勒雷達(dá)回波特征，可以用來提前數(shù)分鐘預(yù)警下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生。而強對流的天氣通常需要具備一定的大氣環(huán)境條件，秦麗、廖曉農(nóng)[5-7]等分別統(tǒng)計了北京地區(qū)雷暴大風(fēng)的天氣—氣候?qū)W特征，得到有利于雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的探空結(jié)構(gòu)和一些有指示意義的對流參數(shù)。李路長[8-10]等利用三穗多普勒雷達(dá)資料對該地區(qū)的冰雹預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行了研究，但是該區(qū)域雷暴大風(fēng)的研究還需要不斷深入。

利用常規(guī)探空資料及多普勒雷達(dá)資料，從雷暴大風(fēng)發(fā)生的環(huán)流形勢、探空結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)特征、雷達(dá)回波特征等方面入手進(jìn)行對比分析，旨在為分析研究和預(yù)報該地區(qū)該類天氣提供參考。

2　兩次雷暴大風(fēng)的環(huán)境場特征對比

2.1天氣背景

2013年4月17日21時，黔東南鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣出現(xiàn)瞬時極大風(fēng)速達(dá)38.3 m·s-1的大風(fēng)(以下簡稱“4.17”)。當(dāng)天20時500 hPa高空圖(圖略)上，亞洲中高緯為兩槽一脊，四川東南部—貴州北部之間有短波槽，鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣受槽前偏西南氣流影響；850 hPa上空貴州主要受偏南暖濕氣流影響，在貴州東南部有風(fēng)速輻合。850 hPa與500 hPa比濕差Q850 hPa-Q500hPa>9 g·kg-1，溫度差T850 hPa-T500 hPa>28 ℃。為上干冷下暖濕的結(jié)構(gòu)，利于強對流的發(fā)生。

2015年5月10日16時，黔東南天柱縣坌處鄉(xiāng)經(jīng)歷31.1 m·s-1的大風(fēng)(以下簡稱“5.10”)。通過當(dāng)天08—20時的天氣資料可以看出，08時500 hPa高空貴州受槽前西南氣流影響，槽線在川東—貴州西部一線，溫度槽在青?！ㄎ鞲咴?，落后于高度槽，未來槽加深發(fā)展；20時槽線移至湘黔之間，貴州處于槽后西北氣流中。700 hPa、850 hPa貴州受偏南氣流影響，08—20時850 hPa偏南風(fēng)由6～8 m·s-1增強為8～10 m·s-1，在貴州中部有切變線生成。比濕差Q850 hPa-Q500 hPa>11 g·kg-1，溫度差T850 hPa-T500 hPa>27 ℃。同樣為上干冷下暖濕的結(jié)構(gòu)。

通過對比，發(fā)現(xiàn)兩次雷暴大風(fēng)發(fā)生前，具有類似的環(huán)流背景：500 hPa高空有槽影響，中低層為偏南暖濕氣流，850 hPa有風(fēng)向或風(fēng)速的輻合，500 hPa和850 hPa之間存在較大的濕度差和溫度差。

2.2環(huán)境物理量場參數(shù)

雷暴大風(fēng)是典型的強對流天氣，大氣層結(jié)的不穩(wěn)定是其發(fā)生的必要條件，各種穩(wěn)定度指數(shù)、動力參數(shù)、熱力參數(shù)能從不同的角度反映出雷暴大風(fēng)發(fā)生前的大氣環(huán)境狀態(tài)和條件。鎮(zhèn)遠(yuǎn)位于貴陽和懷化兩個探空站連線的中點上，因此“4.17”大風(fēng)以兩站探空資料作為參考；天柱距離懷化探空站約100 km，因此“5.10”大風(fēng)以懷化站探空資料為參考。前人在對流參數(shù)的選取上做了許多工作，本文根據(jù)前人研究成果[5-7]，選取比較有指示意義的抬升指數(shù)LI、總指數(shù)TT、對流有效位能CAPE等6個對流參數(shù)(表1)，對兩次過程進(jìn)行對比分析。

表1　表征環(huán)境物理量場的參數(shù)

2.2.1熱力穩(wěn)定度參數(shù)抬升指數(shù)LI定義為[11]：氣塊自地面沿干絕熱線抬升，到達(dá)抬升凝結(jié)高度后再沿著濕絕熱線上升至 500 hPa具有的氣塊溫度與 500 hPa環(huán)境溫度之差:LI=T850-T。當(dāng)LI<0時表示大氣層結(jié)不穩(wěn)定，可以看到兩次大風(fēng)過程，LI指數(shù)均小于-3 ℃，環(huán)境大氣具有很強的不穩(wěn)定性。

總指數(shù)：TT=T850+Td 850-2T500，其中T850-T500表征環(huán)境的垂直溫度直減率，值越大，則高層冷，低層暖；Td850-T500表征濕度條件，值越大，低層濕度越大。兩次過程TT均大于50 ℃，表明環(huán)境場高層干冷、低層暖濕。

2.2.2能量參數(shù)對流有效位能(CAPE)表示可以轉(zhuǎn)化為氣塊垂直上升運動(對流)動能的能量,從理論上反映出對流上升運動可能發(fā)展的最大強度。即環(huán)境正浮力對氣塊做功所產(chǎn)生的動能。而下沉對流有效位能( DCAPE)從理論上反映對流云體中下沉氣流到達(dá)地面時可能具有的最大動能(下?lián)舯┝鞯膹姸?，即環(huán)境負(fù)浮力對氣塊做功所產(chǎn)生的動能。秦麗(2006)的研究表明：強的下沉有效位能，利于北京地區(qū)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)，所統(tǒng)計最大風(fēng)速>26 m·s-1的個例中有80%>700 J·kg-1。兩次大風(fēng)過程中CAPE均>600 J·kg-1,下沉對流有效位能>800 J·kg-1，風(fēng)速也都>30 m·s-1。在“4.17”大風(fēng)爆發(fā)前DCAPE超過了900 J·kg-1，其風(fēng)速也比“5.10”要大?？梢姰?dāng)存在一定的CAPE值時DCAPE的增大對雷暴大風(fēng)有較強的指示意義[10]。

2.2.3其他參數(shù)深對流指數(shù)DCI=(T850+Td850)-LI，綜合反映低層(850 hPa)溫濕特性及中低層條件穩(wěn)定度的參數(shù)[10]。秦麗(2006)的研究表明其統(tǒng)計中有85%的個例DCI>25 ℃；本文兩個個例DCI均>30 ℃。說明這兩次雷暴大風(fēng)日在對流層低層有較厚的濕層(與當(dāng)日中低層的偏南氣流對應(yīng))；且500 hPa條件不穩(wěn)定(對應(yīng)500 hPa的槽線影響)滿足深厚對流發(fā)展的條件。

大風(fēng)指數(shù)：“4.17”大風(fēng)發(fā)生在21時，對應(yīng)當(dāng)日20時資料大風(fēng)指數(shù)VV>20，而“5.10”大風(fēng)發(fā)生在午后，大風(fēng)指數(shù)VV由08時的20.8下降至20時的5.2，判斷是由于雷暴大風(fēng)的爆發(fā)，消耗能量所致。但是其他參數(shù)卻是基本維持或是略有升高，因此大風(fēng)指數(shù)在本地區(qū)的應(yīng)用還需更多個例的總結(jié)。

3 多普勒雷達(dá)產(chǎn)品特征對比

“4.17”過程所產(chǎn)生的對流天氣更強烈，不僅是極端大風(fēng)，還伴隨著冰雹、雷電、短時強降水，且影響范圍較大。而“5.10”過程僅為大風(fēng)和短時強降水，影響范圍小。下面對兩次過程發(fā)生時段雷達(dá)回波特征進(jìn)行對比。

3.1基本反射率因子演變特征

“4.17”過程是在較遠(yuǎn)上游地區(qū)已有強回波生成，在逐漸移向鎮(zhèn)遠(yuǎn)的過程中維持，靠近鎮(zhèn)遠(yuǎn)時回波再度增強，最大反射率因子達(dá)到65 dBz。而“5.10”過程則是在附近生成回波，在靠近過程中突然增強。

“4.17”過程在當(dāng)天18時05分開陽和甕安交界處有45 dBz強回波存在，此后經(jīng)甕安、黃平、施秉，20時46分開始影響鎮(zhèn)遠(yuǎn)(圖1)。進(jìn)入鎮(zhèn)遠(yuǎn)后回波強度增大，達(dá)60 dBz，21時34分強回波移出鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城，強度維持，繼續(xù)影響下游地區(qū)。

圖1　“4.17”鎮(zhèn)遠(yuǎn)大風(fēng)雷達(dá)回波反射率因子演變圖Fig.1　The radar reflectivity of thunderstorm influencing Zhenyuan on April 17.

從圖2可知20時40分強回波進(jìn)入鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣境內(nèi)，一直伴隨著高懸的強回波，在低層有明顯的弱回波區(qū)，回波中心>55 dBz的強回波中心向下伸展的接地，說明在已經(jīng)發(fā)生強降水或是降冰雹。20時58分—21時04分>60 dBz的反射率因子核突然從4 km躍升至7 km左右，在下一體掃時刻21時10分回波核心開始下降，21時16分回波核心接地，21時28分核心下降，整合核心下降過程持續(xù)了2個體掃約12 min，造成長達(dá)十多分鐘的大風(fēng)災(zāi)害，21時34分后，強回波移出鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城。

“5.10”過程期間，15時13分錦屏縣境內(nèi)有零星回波生成(圖3)，并逐漸發(fā)展東北方向移動，15時24分—15時29分最大回波強度由40 dBz增加到55 dBz，16時11分回波主體進(jìn)入天柱縣境內(nèi)，最大強度達(dá)到60 dBz，16時27分強回波開始影響天柱坌處，16時59分強回波移出坌處，強度維持，17時14分回波開始減弱。

圖2　“4.17”鎮(zhèn)遠(yuǎn)大風(fēng)各時次雷達(dá)回波反射率因子剖面圖Fig.2　The vertical cross-section of radar reflectivity for a thunderstorm influencing Zhenyuan on April 17.

圖3　“5.10”天柱坌處大風(fēng)雷達(dá)回波反射率因子演變圖Fig.3　The radar reflectivity of thunderstorm influencing Benchu on May 10.

從圖4來看16時06分雷暴單體回波中心高度在3 km左右，強度為50 dBz，到16時11分回波中心升高到6 km左右，強度為55 dBz，16時22分回波中心高度維持，強度達(dá)60 dBz；16時27分回波中心接地，形成第1次大風(fēng)，影響坌處，強度仍為60 dBz。雷暴單體先是核心異常增高，然后迅速下降，為典型的下?lián)舯┝鳌?6時32分下沉氣流在其前后邊界觸發(fā)新的雷暴單體生成，在16時43分、16時48分單體核心分別落地，行成第2、第3次地面大風(fēng)。16時53分由地面大風(fēng)再次觸發(fā)新單體的生成，并在一個體掃后16時59分核心接地，形成第4次大風(fēng)。此后回波逐漸移出減弱。

圖4　“5.10”天柱坌處大風(fēng)各時次雷達(dá)回波反射率因子剖面圖Fig.4　The vertical cross-section of radar reflectivity for a thunderstorm influencing Benchu on May 10.

3.2風(fēng)暴相對徑向速度演變

天氣發(fā)生時，徑向速度圖上可以識別出明顯的逆風(fēng)區(qū)，當(dāng)強回波中心下降接地時，可以觀察到低層有輻散，中層有徑向輻合區(qū)。

“4.17”大風(fēng)21時04分反射率因子核增強并升高，對應(yīng)徑向速度剖面圖上，低層輻合,高層輻散；21時10分強回波中心開始下沉，低層的徑向輻散清晰可見；說明地面開始有大風(fēng)，到21時16分低層輻散仍然存在，大風(fēng)維持(圖5)。

圖5　“4.17”大風(fēng)徑向速度空間剖面圖Fig.5　The vertical cross-section of radial velocity for a thunderstorm influencing on April 17.

“5.10”大風(fēng)的徑向速度剖面上(圖6)，16時16分空中有一些逆風(fēng)區(qū)，在空中有輻合輻散；16時22分低層輻合場，高空輻散，對應(yīng)該時刻反射率因子強度達(dá)到60 dBz；16時27分強回波中心開始下降，低層輻散場風(fēng)速增強，；16時53分后側(cè)基本為輻散，無輻合，表明大風(fēng)向四周散開。

4　結(jié)論

①兩次雷暴大風(fēng)均發(fā)生在高空有槽線，低層為偏南暖濕氣流的環(huán)流背景之下，表明不穩(wěn)定的環(huán)境場是雷暴大風(fēng)爆發(fā)的必要條件。

②抬升指數(shù)LI、總指數(shù)TT、對流有效位能CAPE、下沉對流有效位能DCAPE、深對流指數(shù)DCI對黔東南雷暴大風(fēng)有較好的指示意義。其中LI和DCAPE對雷暴大風(fēng)風(fēng)速的預(yù)報有參考意義，若LI值越低，DCAPE值越大，則產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)風(fēng)速越大。大風(fēng)指數(shù)VV在別的文獻(xiàn)中提及，具有很好的預(yù)警參考意義；在這兩次過程中，適用性并不強。下一步將搜集更多的個例，以期尋找到適合黔東南當(dāng)?shù)氐睦妆┐箫L(fēng)潛勢預(yù)報的對流參數(shù)閾值。

③兩次雷暴大風(fēng)過程的環(huán)境場類似，但是雷達(dá)回波特征有所不同?！?.17”為上游強回波移動增強引起，伴隨雷電、冰雹、短時強降水等。是一個超級單體分裂下沉，持續(xù)造成大風(fēng)。“5.10”是局地生成，突然增強導(dǎo)致的大風(fēng)災(zāi)害。其影響范圍小，只伴隨短時強降水。由強雷暴單體核心下沉，形成下?lián)舯┝?；向四周輻散的大風(fēng)又觸發(fā)新的雷暴單體，如此往復(fù)，共計4次強回波中心的下沉。

④兩次過程均為最大風(fēng)速>30 m·s-1的雷暴大風(fēng)災(zāi)害，由下?lián)舯┝鲗?dǎo)致，今后將在工作中關(guān)注下?lián)舯┝鞯念A(yù)報預(yù)警方法。目前從雷達(dá)回波上已有一定的監(jiān)測方法。如雷暴的反射率因子核心突然升高，反射率因子的大值區(qū)還有本文未提及的VIL的異常增高等。但是更多適用與本地的特征指標(biāo)仍需要大量個例的總結(jié)。

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A Comparative Analysis on Two Thunderstorm Wind Events in Qiandongnan

ZHANG Chao,ZHOU Yan,YANG Fan,WEI Bo

(Qiandongnan Meteorological Bureau of Guizhou Province, Kaili 556000，China)

The ambient circulation and convection parameters of the two thunderstorm wind events were analyzed by using the data from automatic weather station and sounding data. It shows that the occurrence of thunderstorm winds needs certain environmental conditions. Lifted index (LI), down draft convective available potential energy (DCAPE), deep convective index (DCI) etc. are important to the potential development of the thunderstorm wind in Qiandongnan. The Doppler weather radar data show that the suddenly rise and continuous decline of the radar echo reflectivity nucleus can be used for short-term forecasting of thunderstorm winds in Qiandongnan.

thunderstorm winds; radar echo reflectivity; comparison and analysis

1003-6598(2016)03-0037-06

2015-12-04

張超(1987—)，男，助工，主要從事短期天氣預(yù)報工作，E-mail:wjszhangchao@126.com。

黔氣科合KF[2015]06號“基于天氣學(xué)、物理量和T-LogP圖的黔東南冰雹模型研究”。

P425

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