楊玲玲 朱壽燕 李知何 王 亮 金郁淇

(浙江省仙居縣氣象局,浙江 臺(tái)州 317300)

0 引 言

雷暴大風(fēng)是指由雷暴云引起的瞬時(shí)風(fēng)力達(dá)到或超過8級(jí)(≥17.2 m/s)的強(qiáng)對(duì)流天氣,常發(fā)生在不穩(wěn)定層結(jié)環(huán)境中,其生命史短暫,時(shí)間尺度僅為幾十分鐘到幾小時(shí),具有明顯的突發(fā)性、局地性和強(qiáng)致災(zāi)性[1-3]。

國內(nèi)有不少氣象學(xué)者開展過對(duì)雷暴大風(fēng)的研究,在改善雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)預(yù)警中起到較好的指示意義。楊德江[4]指出，當(dāng)氣流由開闊地帶流入峽谷地形時(shí),受狹管效應(yīng)風(fēng)速增大,常造成多種氣象災(zāi)害。俞小鼎等[5]指出，雷暴大風(fēng)臨近預(yù)報(bào)主要基于雷達(dá)回波特征,中層徑向輻合和弓形回波對(duì)雷暴大風(fēng)預(yù)報(bào)有很好的指示意義。許愛華等[6]研究指出，雷達(dá)回波上的回波合并、高層強(qiáng)回波區(qū)以及雷達(dá)回波速度場(chǎng)上的“零值線”等特征是判斷雷電發(fā)生和強(qiáng)對(duì)流天氣的重要依據(jù)。吳才明等[7]認(rèn)為，副熱帶高壓邊緣雷達(dá)回波特征主要表現(xiàn)為兩類:一是南北向短帶狀回波,有時(shí)會(huì)發(fā)展為弓狀回波結(jié)構(gòu);二是強(qiáng)回波單體結(jié)構(gòu)或超級(jí)單體回波結(jié)構(gòu)。

雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)難點(diǎn)在于發(fā)生條件復(fù)雜、受下墊面影響明顯,短臨預(yù)報(bào)時(shí)效有限。本文研究了仙居縣雷暴大風(fēng)的時(shí)空分布和雷達(dá)回波特征,以期增進(jìn)預(yù)報(bào)員對(duì)雷暴大風(fēng)物理機(jī)制的了解,歸納總結(jié)當(dāng)?shù)仡A(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn),為展開強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警工作提供更好的科學(xué)技術(shù)支撐。

1 資料說明

本文利用全球探空氣球?qū)崪y(cè)資料、浙江省地面自動(dòng)站資料、浙江省雷達(dá)拼圖,結(jié)合臺(tái)州市雷達(dá)基數(shù)據(jù)、地閃資料,并利用臺(tái)風(fēng)、雷暴資料對(duì)大風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制[8-10],剔除60站次冷空氣大風(fēng)和438站次臺(tái)風(fēng)大風(fēng),篩選得到2005—2020年仙居縣共107例雷暴大風(fēng)過程資料,包含224站次雷暴大風(fēng)。

2 仙居縣雷暴大風(fēng)時(shí)間分布

2.1 雷暴大風(fēng)年際分布

由2005—2020年仙居縣雷暴大風(fēng)的年際分布可知，16 a中仙居縣雷暴大風(fēng)過程共計(jì)107例,平均每年出現(xiàn)雷暴大風(fēng)約6.7例。雷暴大風(fēng)過程年際變化明顯,呈波動(dòng)性增長,共有4次較明顯的震蕩過程。個(gè)別年份雷暴大風(fēng)過程較臨近年份驟增,例如2013、2017年。2016年未發(fā)生雷暴大風(fēng),但次年2017年雷暴大風(fēng)過程急速增長為13例,為16 a中雷暴大風(fēng)最大值。

16 a中仙居縣共發(fā)生雷暴大風(fēng)224站次,平均每年出現(xiàn)大風(fēng)事件約14站次,其中2017年雷暴大風(fēng)發(fā)生站次最多,2018年次之,分別為34、27站次。仙居縣境內(nèi)對(duì)風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)的區(qū)域自動(dòng)站數(shù)量逐年增長,由2005年的4個(gè)站(包括仙居國家基本站)不斷增長到2020年的39個(gè)自動(dòng)站。較早年份存在雷暴大風(fēng)發(fā)生、但由于自動(dòng)站密度小導(dǎo)致未能觀測(cè)到大風(fēng)數(shù)據(jù)的情況。自2005年起，共有4次明顯的震蕩過程,呈現(xiàn)4～6 a的周期性規(guī)律變化。2005年雷暴大風(fēng)站次/自動(dòng)站數(shù)值最大,為1.75站次。2006、2017年次之,分別為1.18、1.17站次。雷暴大風(fēng)站次與自動(dòng)站總站數(shù)之比年際波動(dòng)大,與雷暴大風(fēng)日的年際波動(dòng)存在較明顯的相似程度。

2.2 雷暴大風(fēng)月際分布

2005—2020年仙居縣雷暴大風(fēng)日的月際分布如圖1所示,圖1中實(shí)線表示全年雷暴大風(fēng)平均線。雷暴大風(fēng)主要集中在3—11月,呈現(xiàn)明顯的單峰分布,7月雷暴大風(fēng)日共有39日,占總?cè)諗?shù)的36%。5—8月的雷暴大風(fēng)日超過全年雷暴大風(fēng)日平均值。根據(jù)氣候季節(jié)劃分3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12有、次年1—2月為冬季。雷暴大風(fēng)可出現(xiàn)在春、夏和秋3個(gè)季節(jié),其中以夏季最多,共76日,占雷暴大風(fēng)總?cè)諗?shù)的71%;春季、秋季次之。冬季未發(fā)生雷暴大風(fēng)。

圖1 2005—2020仙居縣雷暴大風(fēng)日的月際分布

雷暴大風(fēng)季節(jié)特征顯著,夏季仙居受副熱帶高壓影響,熱力條件增強(qiáng),易導(dǎo)致層結(jié)不穩(wěn)定,產(chǎn)生的中尺度對(duì)流系統(tǒng)相對(duì)較多,更易產(chǎn)生雷暴云。對(duì)夏季發(fā)生的雷暴大風(fēng)過程的極大風(fēng)速、日最高氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，在夏季雷暴大風(fēng)最大風(fēng)速達(dá)到28.4 m/s,中位數(shù)為18.8 m/s;日最高氣溫區(qū)間為21.5～39.1 ℃,中位數(shù)為30.7 ℃,平均值達(dá)到30.8 ℃。由降水量的統(tǒng)計(jì)資料可知,夏季近85%的雷暴大風(fēng)過程伴有降水。濕微下?lián)舯┝魇窍删涌h雷暴大風(fēng)最主要的形式,而干微下?lián)舯┝髡妓羞^程的15%。

2.3 雷暴大風(fēng)日分布

根據(jù)雷暴大風(fēng)過程中最大陣風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間,統(tǒng)計(jì)雷暴大風(fēng)在05—08時(shí)、09—11時(shí)、12—14時(shí)、15—17時(shí)、18—20時(shí)、21—24時(shí)和01—04時(shí)各時(shí)段內(nèi)的分布情況可知,雷暴大風(fēng)日變化特征明顯,呈現(xiàn)明顯的單峰型,高頻時(shí)段為下午和傍晚,峰值出現(xiàn)在下午。夜間和上午為雷暴大風(fēng)發(fā)生的低頻時(shí)段。

雷暴活動(dòng)和太陽總輻射存在密切的關(guān)系[11]。太陽輻射在中午前后達(dá)到最強(qiáng),地面升溫明顯,在午后氣溫達(dá)到最高,對(duì)流抑制減少,低層熱量不斷上傳,加劇大氣層結(jié)不穩(wěn)定,有利于雷暴大風(fēng)的發(fā)生發(fā)展。夜間到上午時(shí)段,太陽輻射銳減,地面氣溫相對(duì)較低,對(duì)對(duì)流的發(fā)展有一定抑制作用,不利于雷暴大風(fēng)發(fā)生。

3 仙居縣雷暴大風(fēng)空間分布

仙居縣地處浙江東南丘陵,地形由外向內(nèi)傾斜,主要由平原、丘陵和山地3種地形共同構(gòu)成。永安溪自西向東橫貫仙居全境,境內(nèi)38條支流成樹枝分散型從南北兩個(gè)方向匯入干流。括蒼山脈的分支從麗水延伸入仙居縣后分為南北中3支分脈,呈現(xiàn)南北羽翼狀山丘地帶。

2011—2020年仙居縣雷暴大風(fēng)空間分布不均勻，其中雷暴大風(fēng)高頻發(fā)生站點(diǎn)為仙居國家基本站(丘陵)、蓄能站(山地)、安嶺站(山地)和山岙站(山地),分別發(fā)生雷暴大風(fēng)過程19、18、12和12例。仙居境內(nèi)3種地形中海拔較高的山地地區(qū)發(fā)生雷暴大風(fēng)的頻率更高。全境范圍內(nèi)自西向東有多個(gè)雷暴大風(fēng)高頻區(qū),主要分布在永安溪兩側(cè)較為開闊的河谷地區(qū),與南北側(cè)的山地存在較明顯的海拔梯度,共同形成喇叭口或峽谷地形,可使氣流迅速產(chǎn)生匯流和輻合,有利于形成風(fēng)速輻合中心。

地形的迎風(fēng)坡和背風(fēng)波效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫抬升作用,有利于觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣。仙居南北兩側(cè)羽翼狀山地地形具有迎風(fēng)坡的動(dòng)力抬升作用,有利于激發(fā)和加強(qiáng)中尺度渦旋的發(fā)展。氣流越過山脊后可激發(fā)背風(fēng)波,有利于在山區(qū)與平原的交界區(qū)域激發(fā)新的對(duì)流,使得開闊的河谷兩側(cè)地區(qū)發(fā)生雷暴大風(fēng)。

山地與平原之間的海拔梯度可為雷暴大風(fēng)的發(fā)展提供層結(jié)不穩(wěn)定和熱力作用。太陽的輻射加熱作用使山地和其他地形間形成較明顯的水平溫度梯度。地形對(duì)于水汽也存在阻擋和積累作用,使山前水汽垂直梯度強(qiáng)于遠(yuǎn)離山區(qū)的平原地區(qū),使大氣層結(jié)更加不穩(wěn)定。

4 仙居縣雷暴大風(fēng)的雷達(dá)回波特征分析

雷暴大風(fēng)的短臨監(jiān)測(cè)和臨近預(yù)警主要依賴新一代天氣雷達(dá)網(wǎng),對(duì)雷暴生成后幾分鐘至3 h的演變趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤,并通過預(yù)測(cè)雷達(dá)回波的強(qiáng)度變化、形狀以及移動(dòng)方向,進(jìn)行大風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警的發(fā)布。對(duì)仙居縣雷暴大風(fēng)過程的雷達(dá)回波特征進(jìn)行歸納,對(duì)大風(fēng)預(yù)報(bào)有著非常重要的參考價(jià)值。

4.1 雷達(dá)回波的移動(dòng)方向

利用2010—2020年的臺(tái)州雷達(dá)基數(shù)據(jù),對(duì)仙居縣境內(nèi)發(fā)生的77次雷暴大風(fēng)過程的雷達(dá)回波進(jìn)行分析。如表1所示,回波自西向東影響仙居縣造成雷暴大風(fēng)的過程最多(C表示回波在仙居邊界生成并呈環(huán)狀向內(nèi)發(fā)展),達(dá)到24次,占所有雷暴大風(fēng)總過程的31%;西北—東南向移動(dòng)的過程有19次,占所有雷暴大風(fēng)總過程的25%;西南—東北向移動(dòng)以及由仙居縣境外呈環(huán)狀、以仙居縣為中心發(fā)展靠近的過程均為7次;自南向北、自北向南、自東向西影響仙居的過程分別為5、2和2次。

表1 仙居縣雷暴大風(fēng)雷達(dá)回波移向及占比

如表2所示,回波在仙居縣境內(nèi)局地發(fā)展引起雷暴大風(fēng)的過程共11次。其中局地發(fā)展增強(qiáng)后向北移的過程居多,達(dá)到4次;局地增強(qiáng)后又在仙居縣境內(nèi)減弱消散的過程次之,為3次;局地發(fā)展后向東、向西以及向南的過程分別為2、1和1次。

表2 仙居縣雷暴大風(fēng)局地發(fā)展的雷達(dá)回波移向及占比

4.2 雷達(dá)回波的形狀

對(duì)雷達(dá)回波形狀按塊狀回波、弓狀回波、片狀回波、帶狀回波以及以上4種回波的相互轉(zhuǎn)換的形態(tài)進(jìn)行分類。

如圖2所示,仙居縣境內(nèi)由塊狀回波發(fā)展增強(qiáng)導(dǎo)致雷暴大風(fēng)生成的次數(shù)最多,達(dá)到37次,占比為48%。該37次過程中,20次塊狀回波是局地發(fā)展起來的,其中有14次塊狀回波是在仙居境內(nèi)局地發(fā)展增強(qiáng),有6次塊狀回波是在仙居與縉云、磐安、臨海的交界處局地發(fā)展并增強(qiáng),呈環(huán)狀向仙居境內(nèi)發(fā)展。該類局地發(fā)展起來的雷達(dá)回波發(fā)生在5—9月,以7、8月頻次最高,達(dá)到總次數(shù)的80%。在強(qiáng)度方面,局地發(fā)展起來的塊狀回波在進(jìn)入仙居境內(nèi)后強(qiáng)度發(fā)展增強(qiáng)的概率達(dá)到90%,并且離境后強(qiáng)度迅速減弱,只有極個(gè)別離境后強(qiáng)度維持或增強(qiáng)。

圖2 雷暴大風(fēng)回波類型分類及占比

塊狀回波引起雷暴大風(fēng)的過程發(fā)生在3—9月,主要集中在夏季(6—8月),共30次,達(dá)到81%。7月最多,為13次,8月次之,為10次。

7—8月為仙居縣常年極端最高氣溫發(fā)生的主要月份。2005—2020年極端最高氣溫范圍為38.1～42.0℃,其中有11 a的極端最高氣溫發(fā)生在7月;3 a極端最高氣溫發(fā)生在8月。對(duì)于塊狀回波引起的雷暴大風(fēng)過程,均發(fā)生在12—20時(shí),其中24次發(fā)生在15—18時(shí)。對(duì)由塊狀回波引起的雷暴大風(fēng)過程日最高氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到日最高氣溫中位數(shù)為28.9℃,日最高氣溫平均值為29.2℃。對(duì)當(dāng)天日最高氣溫大于29℃的22次雷暴大風(fēng)過程的日最高氣溫與極大風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析,得到相關(guān)系數(shù)為0.42。

雷暴大風(fēng)過程中由明顯的弓狀回波引起的過程數(shù)量達(dá)到19次,占比為25%。弓狀回波引起的雷暴大風(fēng)過程,雷達(dá)強(qiáng)度較帶狀、片狀回波普遍更強(qiáng),達(dá)到55～65 dBZ;影響范圍更廣。如表3所示,18次弓狀回波來自仙居西側(cè)的區(qū)域,向東和東南方向移動(dòng),分別為12次和6次;僅1次雷暴大風(fēng)過程是在仙居邊界回波局地發(fā)展增強(qiáng)連結(jié)形成弓狀回波。

表3 仙居縣雷暴大風(fēng)弓形回波的移動(dòng)方向及占比

在強(qiáng)度方面,雷暴大風(fēng)14次在進(jìn)入仙居境內(nèi)后強(qiáng)度增強(qiáng),離開仙居后強(qiáng)度維持或迅速減弱;2次進(jìn)入仙居境內(nèi)后強(qiáng)度維持,離境后強(qiáng)度維持或減弱;2次進(jìn)入仙居境內(nèi)強(qiáng)度減弱,離境后繼續(xù)減弱;1次在仙居的西邊界減弱后,東移至仙居的東邊界增強(qiáng)。

片狀、帶狀回波引起的雷暴大風(fēng)過程分別為7、4次。片狀回波的范圍更廣,但回波強(qiáng)度較塊狀和弓狀回波弱,其中5次自西北向東南移動(dòng),2次自西向東移動(dòng);進(jìn)入仙居后強(qiáng)度普遍增強(qiáng)或維持,離境后強(qiáng)度減弱或維持。在帶狀回波引起雷暴大風(fēng)的過程中,3次進(jìn)入仙居境內(nèi)后強(qiáng)度增強(qiáng),離境后強(qiáng)度減弱;有1次在入境和離境過程中均減弱。

上述4類回波在移動(dòng)進(jìn)入仙居境內(nèi)強(qiáng)度普遍增強(qiáng)或維持,離境后減弱或維持。在回波移動(dòng)過程中,受到下墊面地形和溫度影響,強(qiáng)度和形狀會(huì)發(fā)生變化,4類回波形態(tài)存在相互轉(zhuǎn)換。以塊狀回波發(fā)展成弓狀回波引起雷暴大風(fēng)的次數(shù)居多,為5次。塊狀回波轉(zhuǎn)變?yōu)閹?、片狀均?次。片狀回波轉(zhuǎn)變?yōu)楣瓲睢K狀的過程分別為2、1次。

5 結(jié) 語

本文利用2005—2020年浙江省地面自動(dòng)站資料大風(fēng)數(shù)據(jù)和浙江省雷達(dá)拼圖,對(duì)仙居縣雷暴大風(fēng)進(jìn)行時(shí)空分布特征、地形對(duì)大風(fēng)的影響以及雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下。

(1)16 a中仙居縣雷暴大風(fēng)日年際變化明顯,呈現(xiàn)波動(dòng)性增長。雷暴大風(fēng)年站次與自動(dòng)站總站數(shù)自2005年起共有4次震蕩起伏過程,呈現(xiàn)4～6 a的周期性規(guī)律變化。在月際變化上,雷暴大風(fēng)可出現(xiàn)在春、夏和秋3個(gè)季節(jié),呈現(xiàn)明顯的單峰型,夏季雷暴大風(fēng)過程最多,春季、秋季次之。在日分布上,仙居縣雷暴大風(fēng)日變化特征明顯,呈現(xiàn)明顯的單峰型,高頻時(shí)段為14—20時(shí),峰值出現(xiàn)在下午,傍晚次之。夜間和上午為雷暴大風(fēng)發(fā)生的低頻時(shí)段。

(2)仙居縣多地具有峽谷和喇叭口地形,可使氣流迅速產(chǎn)生匯流和輻合,有利于形成風(fēng)速輻合中心。海拔較高的山地地形較丘陵、平原地形更易發(fā)生雷暴大風(fēng)。雷暴大風(fēng)高頻區(qū)主要分布在永安溪兩側(cè)較為開闊的河谷區(qū)域,與南北部的山地存在較明顯的海拔梯度。

(3)在雷達(dá)回波移向上,自西向東影響仙居縣造成雷暴大風(fēng)的過程最多,自西北向東南方向移動(dòng)的過程次之。回波從仙居西側(cè)以偏東分量移動(dòng)的過程占比共達(dá)到68%,是造成雷暴大風(fēng)最主要的移向。在回波形態(tài)上,由塊狀回波發(fā)展增強(qiáng)導(dǎo)致雷暴大風(fēng)生成的次數(shù)最多,弓狀回波次之。但弓狀回波過程雷達(dá)回波強(qiáng)度普遍較強(qiáng),范圍更廣。在強(qiáng)度變化上,各類雷達(dá)回波進(jìn)入仙居境內(nèi)強(qiáng)度普遍增強(qiáng)或維持,離境后減弱或維持。