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貴州“5.15”極端風(fēng)雹天氣過程的環(huán)境場(chǎng)和雷達(dá)回波特征

2022-04-19 01:40周明飛杜小玲羅敬齊大鵬周文鈺
暴雨災(zāi)害 2022年2期
關(guān)鍵詞:風(fēng)雹反射率雷暴

周明飛,杜小玲,羅敬,齊大鵬,周文鈺

(貴州省氣象臺(tái),貴陽(yáng) 550002)

引 言

風(fēng)雹天氣是指以雷暴大風(fēng)和冰雹為主的劇烈強(qiáng)對(duì)流天氣,具有突發(fā)性和局地性強(qiáng)、空間尺度小、生命史短等特點(diǎn),是我國(guó)主要的氣象災(zāi)害之一。冰雹的產(chǎn)生主要與風(fēng)暴中強(qiáng)烈的上升氣流有關(guān),而雷暴大風(fēng)主要由強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴(超級(jí)單體或多單體風(fēng)暴)或與颮線、強(qiáng)鋒面有關(guān)的帶狀對(duì)流中處于成熟階段單體的下沉氣流在近地面處向水平方向擴(kuò)散形成的輻散性陣風(fēng)而產(chǎn)生(俞小鼎等,2006)。在適宜溫度層結(jié)條件下,冰雹和雷暴大風(fēng)兩者可相伴而生。國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者對(duì)風(fēng)雹天氣從多方面進(jìn)行了大量研究,取得較多有業(yè)務(wù)指導(dǎo)意義的科研成果。Johns和Doswell(1992)、Waki?moto(2001)、朱乾根等(2003)、廖曉農(nóng)等(2008)、姚葉青等(2008)、朱 君 鑒 等(2008)、Markowski和Richardson(2010)、葉東(2020)對(duì)風(fēng)雹天氣的形成機(jī)制進(jìn)行了研究。為了提高對(duì)風(fēng)雹天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力,孫繼松和陶祖鈺(2012)、曾明劍等(2015)、王福俠等(2016)做了大量的預(yù)報(bào)和診斷分析工作。俞小鼎等(2006)總結(jié)了有利于雷暴天氣發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件和雷達(dá)回波特征,可為雷暴天氣預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考和思路。針對(duì)2018年3月4日江西一次罕見強(qiáng)颮線過程,陳云輝等(2019)、許彬等(2019)、張弛等(2019)分別對(duì)其中尺度特征與成因、強(qiáng)對(duì)流天氣概念模型、雷達(dá)回波特征等作了分析。

天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)風(fēng)雹天氣的重要手段。貴州地處我國(guó)西南山區(qū),隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速發(fā)展,貴州布點(diǎn)的雷達(dá)(均為C波段)不斷增加,但由于貴州山地較多,各雷達(dá)的探測(cè)能力和相互之間有效距離均不一樣。近幾年,貴州氣象工作者采用天氣雷達(dá)資料對(duì)各類強(qiáng)對(duì)流天氣也做了大量的分析工作。許可等(2021)分析了貴州一次暖區(qū)颮線過程的雷達(dá)回波特征,指出其大冰雹特征突出,具有強(qiáng)回波懸垂、有界弱回波區(qū),中心強(qiáng)度強(qiáng),且50 dBz強(qiáng)回波伸展超過-20℃高度達(dá)9 km以上。李麗麗等(2018)分析指出,單體回波在發(fā)展和降雹階段均可見明顯的回波懸垂,在強(qiáng)雷暴單體的BBI圖上還可見“V”型缺口和鉤狀回波特征。蒙軍等(2017)分析表明,貴州短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí),相應(yīng)的回波頂高達(dá)10~12 km,垂直液態(tài)水含量大于1.8 kg·m-2,伴隨超低空急流形成大面積強(qiáng)度40~45 dBz強(qiáng)回波。盡管國(guó)內(nèi)目前對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣成因及觸發(fā)機(jī)制研究較多,但因其復(fù)雜性及受限于常規(guī)資料時(shí)空分辨率較低,實(shí)際業(yè)務(wù)中強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)效果并不理想,尤其是在貴州山地,加密觀測(cè)及衛(wèi)星、雷達(dá)等高時(shí)空分辨率非常規(guī)資料在強(qiáng)對(duì)流天氣中的應(yīng)用和分析較少。2021年5月15日貴州東北部發(fā)生一次強(qiáng)風(fēng)雹天氣過程(以下簡(jiǎn)稱貴州“5.15”極端風(fēng)雹天氣),期間出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、大冰雹及短時(shí)強(qiáng)降水,且有一個(gè)區(qū)域自動(dòng)觀測(cè)站瞬時(shí)極端大風(fēng)高達(dá)44.5 m·s-1(超過貴州有氣象記錄以來最大風(fēng)速,極端性突出),引起公眾和媒體高度關(guān)注,央廣網(wǎng)、中國(guó)新聞網(wǎng)等媒體均對(duì)該過程有相關(guān)報(bào)道。本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、風(fēng)云4A衛(wèi)星云圖、多普勒天氣雷達(dá)資料和地面加密觀測(cè)站資料等,分析了貴州“5.15”極端風(fēng)雹天氣的環(huán)境場(chǎng)及其雷達(dá)回波特征,期望為今后預(yù)報(bào)此類強(qiáng)天氣并及時(shí)發(fā)布相關(guān)預(yù)警信息提供參考。

1 強(qiáng)天氣實(shí)況與災(zāi)情

受高空槽和冷鋒南下的共同影響,2021年5月15日下午至夜間,貴州東北部出現(xiàn)一次風(fēng)雹天氣過程(圖1),其中12縣(市、區(qū))的27個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雹,有記錄的最大冰雹直徑40 mm(甕安縣珠藏鎮(zhèn));47個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)8級(jí)以上瞬時(shí)大風(fēng),其中19時(shí)11分21秒(北京時(shí),下同)開陽(yáng)縣宅吉鎮(zhèn)觀測(cè)到瞬時(shí)最大風(fēng)速高達(dá)44.5 m·s-1(14級(jí)),突破貴州有氣象記錄以來風(fēng)速歷史極值;104個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)暴雨,24 h降水量最大為103.4 mm(岑鞏縣龍?zhí)镟l(xiāng))。本次過程造成嚴(yán)重人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失,其中死亡1人、傷12人,倒塌房屋25間,直接經(jīng)濟(jì)損失近1億元。

圖1 2021年5月15日08時(shí)—16日08時(shí)貴州省雷暴大風(fēng)(藍(lán)色陰影為風(fēng)速,單位:m·s-1)與冰雹(紅色大三角表示直徑≥20 mm,紅色小三角表示直徑<20 mm)分布Fig.1 Observations for thunderstorm gale(blue shaded areas,unit:m·s-1)and hail(red triangle)in Guizhou from 08∶00 BT 15 to 08∶00 BT 16 May 2021.Big red triangles show where hail diameter is greater than or equal to 20 mm,and small red triangles show where hail diameter is less than 20 mm.

綜上可知,貴州“5.15”風(fēng)雹天氣過程的特點(diǎn)是局地性強(qiáng),有一定的極端性,風(fēng)力大,冰雹落區(qū)集中。其災(zāi)害性天氣落區(qū)集中在兩地:一是位于貴州東北部的銅仁市境內(nèi),此地只出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣;二是位于貴州中部的遵義市南部、畢節(jié)市北部、貴陽(yáng)市北部、黔東南州北部,此地出現(xiàn)雷暴大風(fēng)伴冰雹的風(fēng)雹天氣。

2 環(huán)流形勢(shì)與環(huán)境場(chǎng)條件

2.1 環(huán)流形勢(shì)演變

從2021年5月15日08時(shí)200 hBa圖上(圖略)可見,南亞高壓中心位于孟加拉灣地區(qū),貴州位于南亞高壓東北側(cè)的西北氣流中,為高空輻散區(qū)。同時(shí),500 hBa上(圖2a),副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)588 dagpm線位于華南沿海,四川東南部有一高空槽,貴州處于高空槽前的西南氣流中,西南風(fēng)速達(dá)20~24 m·s-1,高空槽前有暖平流,槽后有溫度槽相伴。700 hBa上(圖2b),四川中部存在一切變線,其北側(cè)為一支12~16 m·s-1的強(qiáng)偏北氣流,配合有-0.4℃的強(qiáng)冷中心;其南側(cè)為強(qiáng)的西南暖濕氣流,貴州境內(nèi)風(fēng)速達(dá)20~24 m·s-1,溫度為10~12℃。850 hBa上(圖2c),對(duì)應(yīng)700 hBa四川中部切變線,川渝之間形成一條切變線,其南側(cè)有強(qiáng)的西南低空急流,貴州東北部位于切變線南側(cè)、低空急流前端,溫度脊由云南南部延伸至貴州東北部。15日白天,中低層系統(tǒng)向東南方向移動(dòng),高空槽和低層切變線逐漸影響貴州東北部。位于貴州西北部的威寧和靠近貴州東北部的懷化探空站資料顯示,兩站500 hBa氣溫由15日08時(shí)的-3℃分別降為20時(shí)的-8℃和-4℃,表明500 hBa當(dāng)?shù)厥芾淦搅饔绊?;低?50 hBa貴陽(yáng)站和懷化站溫度由08時(shí)的20℃分別升至20時(shí)的26℃和23℃,露點(diǎn)溫度分別由08時(shí)的14、16℃升至20時(shí)的16℃和17℃,表明大氣低層有明顯的暖濕平流輸送??梢?,從15日08—20時(shí)貴州東北部對(duì)流不穩(wěn)定呈不斷加強(qiáng)之勢(shì)。

圖2 2021年5月15日08時(shí)500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)與地面(d)天氣形勢(shì)Fig.2 The synoptic situation and major weather influencing systems at(a)500 hPa,(b)700 hPa,(c)850 hPa and(d)surface at 08∶00 BT on 15 May 2021.

5月15日08時(shí),地面圖上(圖2d),在四川中部形成的冷鋒之后有較強(qiáng)的冷高壓,四川南部至貴州受熱低壓控制,貴州境內(nèi)大部為偏南風(fēng),地面輻合線位于貴州與四川、重慶一帶。午后,冷空氣繼續(xù)南下,17時(shí)貴州北部的道真、正安站轉(zhuǎn)為北風(fēng),地面輻合線南壓,同時(shí)隨地面熱低壓發(fā)展,輻合線附近地面氣溫接近30℃,小尺度雷暴單體開始沿輻合線生成發(fā)展。

2.2 環(huán)境場(chǎng)分析

考慮到貴州“5.15”極端風(fēng)雹天氣出現(xiàn)的區(qū)域位于貴州東北部(無(wú)探空站),選取與之相對(duì)較近且位于貴州中部的貴陽(yáng)探空站資料分析環(huán)境場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)和對(duì)流條件。貴陽(yáng)站15日08時(shí)探空?qǐng)D(圖3a)顯示,大氣濕層淺薄,并集中在700 hBa以下,地面露點(diǎn)溫度為17℃,低層濕度條件較好;500 hBa和850 hBa溫差為24.5℃,20時(shí)其溫差增至28.9℃,表明其溫度遞減率較大;0—3 km垂直風(fēng)切變?yōu)?6~18 m·s-1,0—6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?8~20 m·s-1,垂直風(fēng)切變較大。對(duì)流有效位能(CABE)為426.2 J·kg-1,經(jīng)14時(shí)地面溫度訂正后可達(dá)1 443 J·kg-1,較大不穩(wěn)定能量有利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展;700—400 hBa平均溫度露點(diǎn)差為11.8℃,其最大達(dá)22.1℃,存在明顯干層;0℃層高度為5 006.0 m、-20℃層高度為8 096.6 m,0℃層和-20℃之間厚度為3 090 m,同時(shí)融化層(濕球溫度0℃層)高度為2 890 m,其高度明顯低于干球溫度0℃層高度,有利于冰雹生長(zhǎng)和降雹;抬升凝結(jié)高度(LCL)為814.3 hBa、自由對(duì)流高度(LFC)為766.3 hBa。上述探空參數(shù)顯示,大氣低層濕度條件較好,中層存在明顯干層,具有較大溫度遞減率和對(duì)流有效位能,垂直風(fēng)切變較強(qiáng),自由對(duì)流高度較低,有利于冰雹和雷暴大風(fēng)天氣出現(xiàn)(俞小鼎等,2020)。至20時(shí)(圖3b),探空?qǐng)D呈“X”形分布,其形態(tài)類似于康嵐等(2018)和王秀明等(2014)分析得到的濕下?lián)舯┝鱾€(gè)例的探空形態(tài)。

圖3 2021年5月15日08時(shí)(a)與20時(shí)(b)貴陽(yáng)站T-log p圖Fig.3 T-log p chart at Guiyang sounding station at(a)08∶00 BT and(b)20∶00 BT on 15 May 2021.

2.3 雷暴云團(tuán)過境的氣象要素變化

強(qiáng)雷暴系統(tǒng)過境時(shí),氣象要素往往會(huì)發(fā)生劇烈變化。貴州“5.15”極端風(fēng)雹天氣過程中,開陽(yáng)縣宅吉鎮(zhèn)出現(xiàn)極端雷暴大風(fēng),故以此站為例,分析雷暴過境時(shí)氣象要素的變化。表1給出5月15日宅吉區(qū)域站逐5 min氣象要素變化。當(dāng)日19∶10前,該站氣溫基本維持在29.5~29.0℃之間,氣溫偏高,氣壓低于996.4 hBa,風(fēng)速較小,未超過4 m·s-1。19∶10—19∶25各氣象要素變化劇烈,氣溫由29.0℃降至19.3℃,15 min內(nèi)驟降9.7℃;風(fēng)速急增,5 min風(fēng)速增加10 m·s-1,19∶25達(dá)到24 m·s-1(期間瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)44.5 m·s-1);氣壓由996.4 hBa升至998.5 hBa,15 min內(nèi)上升2.1 hBa。該站15 min內(nèi)各氣象要素均出現(xiàn)劇烈變化,氣溫下降9.7℃、氣壓上升2.1 hBa、瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)14級(jí),反映了雷暴系統(tǒng)過境時(shí)風(fēng)力急增、氣壓猛升、氣溫驟降的典型雷暴大風(fēng)特征。

表1 2021年5月15日18∶50—19∶30貴州宅吉區(qū)域站逐5 min氣象要素變化Table 1 Variation of 5-minute meteorological variables at Zhaiji regional automatic weather station in Guizhou from 18∶50 BT to 19∶30 BT on 15 May 2021.

3 中尺度風(fēng)暴系統(tǒng)及其演變

3.1 對(duì)流云團(tuán)演變特征

正是在上述有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)與環(huán)境場(chǎng)條件下,5月15日15時(shí)左右(圖4a),貴州北部開始出現(xiàn)多個(gè)小尺度對(duì)流云團(tuán)并發(fā)展,云團(tuán)呈線狀排列,逐漸形成對(duì)流云帶。云帶后的四川至重慶一帶受冷空氣影響,為寬闊的鋒后低云區(qū),對(duì)流云帶位于鋒面云區(qū)前側(cè),兩者相距幾十公里。17時(shí)(圖4b),對(duì)流云團(tuán)發(fā)展增強(qiáng),云團(tuán)范圍擴(kuò)大,仍呈線狀排列,自東向西存在3個(gè)較大的雷暴云團(tuán)A、B、C。18時(shí)(圖4c),云團(tuán)A東移出貴州,云團(tuán)C與云團(tuán)B進(jìn)一步發(fā)展并趨于合并,此期間已造成貴州北部2站雷暴大風(fēng)和5站冰雹。19時(shí)(圖4d),云團(tuán)B、C合并為云團(tuán)D,同時(shí)在其北面有新的對(duì)流云團(tuán)E發(fā)展。隨后,云團(tuán)D、E分別加強(qiáng)發(fā)展,云頂亮溫降低、范圍擴(kuò)大,云團(tuán)D面積較大。15日21時(shí)(圖4e),對(duì)流云團(tuán)發(fā)展到最強(qiáng)盛階段,云團(tuán)D云頂最低亮溫達(dá)-70℃,云團(tuán)E云頂最低亮溫為-60℃。云團(tuán)D所經(jīng)之地出現(xiàn)強(qiáng)烈雷暴大風(fēng)和降雹,云團(tuán)E移動(dòng)造成各地雷暴大風(fēng)。22時(shí)后(圖4f),對(duì)流云團(tuán)D和E逐漸東移進(jìn)入湖南,貴州強(qiáng)對(duì)流天氣趨于結(jié)束。

圖4 2021年5月15日15時(shí)(a)、17時(shí)(b)、18時(shí)(c)、19時(shí)(d)、21時(shí)(e)、22時(shí)(f)的FY-4A氣象衛(wèi)星TBB(陰影,單位:℃)分布(A、B、C、D、E表示對(duì)流云團(tuán))Fig.4 FY-4A infrared cloud images at(a)15∶00 BT,(b)17∶00 BT,(c)18∶00 BT,(d)19∶00 BT,(e)21∶00 BT and(f)22∶00 BT on 15 May 2021.Shaded denote brightness temperature(TBB,unit:℃),and symbols“A”,“B”,“C”,“D”and“E”denote convective cloud clusters.

3.2 多單體風(fēng)暴系統(tǒng)演變分析

由上述分析可知,貴州“5.15”極端風(fēng)雹天氣過程中地面輻合線與中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切。結(jié)合地面風(fēng)場(chǎng)和雷達(dá)反射率因子拼圖對(duì)風(fēng)暴系統(tǒng)的生成和發(fā)展分析如下。

15日15∶00(圖略),貴州北部的道真、桐梓、仁懷等站已轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),形成準(zhǔn)東西向輻合線,其間存在多個(gè)小尺度輻合中心,雷暴回波單體新生時(shí)其強(qiáng)度較弱,并逐漸形成沿地面輻合線發(fā)展的線狀多單體風(fēng)暴系統(tǒng)。16∶00(圖5a),隨著地面輻合線南壓,伴隨的雷暴單體強(qiáng)度加強(qiáng),強(qiáng)回波中心高度位于5~6 km,其主要在中空發(fā)展,中心強(qiáng)度達(dá)50 dBz以上,回波移動(dòng)緩慢。受其影響,隨后1 h內(nèi)播州區(qū)2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)雷暴大風(fēng),最大風(fēng)速達(dá)34.4 m·s-1,3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹,其最大直徑為5 mm。17∶00(圖5b),午后位于貴州西部的熱帶壓發(fā)展,貴州境內(nèi)南風(fēng)加強(qiáng),同時(shí)位于重慶境內(nèi)的冷空氣進(jìn)一步南下,使得貴州東北部地面輻合線兩側(cè)風(fēng)力加大、輻合加強(qiáng)、位置維持少動(dòng),導(dǎo)致雷暴系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng),遵義附近雷暴單體范圍擴(kuò)大,隨后1 h內(nèi)金沙縣3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)雷暴大風(fēng),最大風(fēng)速為22.9 m·s-1,同時(shí)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹,冰雹最大直徑5 mm。18∶00(圖5c),地面輻合線繼續(xù)加強(qiáng)并維持少動(dòng),回波中心增強(qiáng),達(dá)60 dBz以上,強(qiáng)回波范圍擴(kuò)大。隨后1 h內(nèi)湄潭縣、播州區(qū)、息烽縣和金沙縣的7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大風(fēng),最大風(fēng)速33.4 m·s-1,同時(shí)8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹,冰雹最大直徑40 mm。19∶00(圖5d),地面輻合線南壓,其西段水汽條件較差,系統(tǒng)減弱,而其東段加強(qiáng),此前沿地面輻合線呈線狀發(fā)展的多單體風(fēng)暴變?yōu)椴灰?guī)則分布,其中位于輻合線附近及其南側(cè)的雷暴單體強(qiáng)度更大,造成6縣9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雷暴大風(fēng),最大風(fēng)速達(dá)44.5 m·s-1(開陽(yáng)縣宅吉站),以及6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)冰雹,冰雹最大直徑25 mm;位于輻合線北側(cè)的雷暴單體強(qiáng)度較弱,僅造成1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。20—21時(shí)(圖5e、f),多單體風(fēng)暴系統(tǒng)逐漸東南移并發(fā)展為最強(qiáng),雷暴單體增多,中心強(qiáng)度均在60 dBz以上,輻合線附近及其南側(cè)雷暴單體造成9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雷暴大風(fēng),最大風(fēng)速為27.4 m·s-1,以及8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)冰雹,冰雹最大直徑20 mm;輻合線北側(cè)的銅仁市區(qū)域內(nèi)雷暴單體造成16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)雷暴大風(fēng),最大風(fēng)速為30 m·s-1。22時(shí)后(圖略),雷暴系統(tǒng)東南移進(jìn)入湖南。

圖5 2021年5月15日16∶00(a)、17∶00(b)、18∶00(c)、19∶00(d)、20:00(e)、21∶00(f)貴州省8部雷達(dá)反射率因子拼圖(陰影,單位:dBz)與地面風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿,單位:m·s-1)疊加圖(黑色虛線表示地面輻合線)Fig.5 Mosaic of composite reflectivity factor(shaded,unit:dBz)from the 8 radars over Guizhou and surface wind(barbs,unit:m·s-1)at(a)16∶00 BT,(b)17∶00 BT,(c)18∶00 BT,(d)19∶00 BT,(e)20∶00 BT and(f)21∶00 BT on 15 May 2021.Black dashed lines with cross denote surface convergence lines.

4 風(fēng)雹的多普勒雷達(dá)回波特征

4.1 弓形回波與下?lián)舯┝?/h3>

由于多單體風(fēng)暴是由多個(gè)孤立強(qiáng)雷暴單體組成,本文以影響宅吉鎮(zhèn)的雷暴單體為例(貴陽(yáng)雷達(dá)站位于其西南方向),對(duì)其雷達(dá)回波和徑向速度特征進(jìn)行分析。

15日17時(shí)左右(圖略),雷暴單體在貴州西北部的金沙縣附近生成,生成時(shí)其范圍小、呈團(tuán)狀,回波中心強(qiáng)度45~50 dBz,其中心高度在5 km左右,強(qiáng)中心上下位置一致。隨后,該雷暴單體東南移,且不斷增強(qiáng)。18時(shí)56分,貴陽(yáng)雷達(dá)0.5°仰角反射率因子圖上(圖6a),回波呈長(zhǎng)團(tuán)狀,中心強(qiáng)度達(dá)50 dBz;仰角抬高至4.3°(圖6e),回波也呈長(zhǎng)團(tuán)狀,中心強(qiáng)度超過60 dBz,強(qiáng)反射率因子中心位置與0.5°仰角相比更偏東。此時(shí),風(fēng)暴移動(dòng)前側(cè)(東南方向)已出現(xiàn)強(qiáng)的反射率因子梯度,并伴隨低層弱回波區(qū)、前側(cè)入流缺口和回波懸垂,最強(qiáng)回波中心在7~9 km。19時(shí)01分(圖6b、f),雷暴單體回波形態(tài)發(fā)生變化,長(zhǎng)團(tuán)狀回波南端呈弓形,風(fēng)暴分別出現(xiàn)明顯的前側(cè)入流缺口和后側(cè)“V”型缺口,說明風(fēng)暴前側(cè)有低層偏南風(fēng)帶來的暖濕入流,后側(cè)有中高空槽后西北氣流的干冷空氣侵入,回波前側(cè)的低層弱回波區(qū)更明顯,強(qiáng)回波中心高度開始下降(降至6~7 km),且位于低層弱回波區(qū)上。19時(shí)07分(圖6c、g),弓形回波特征更加明顯,繼而演變?yōu)榈湫偷墓位夭?,宅吉鄉(xiāng)正好處于弓形折角的頂端,強(qiáng)回波中心繼續(xù)降至3 km附近,預(yù)示有強(qiáng)烈的下沉氣流。19時(shí)12分(圖6d、h),雷暴大風(fēng)已影響宅吉鄉(xiāng),該鄉(xiāng)位于低層強(qiáng)回波前沿的弱回波區(qū)和高層回波懸垂區(qū)。對(duì)應(yīng)的反射率因子剖面圖(圖7a、b)顯示,>60 dBz的強(qiáng)回波中心,一個(gè)仍位于空中5~9 km,另一個(gè)位于雷達(dá)可探測(cè)的最底層,顯示下沉氣流已接地,宅吉鄉(xiāng)位于下沉強(qiáng)回波前沿,導(dǎo)致地面直線大風(fēng)(下?lián)舯┝?。由徑向速度剖面圖(圖7c、d)可見,雷暴單體附近大氣中層4~8 km出現(xiàn)明顯的徑向氣流輻合(MARC)(正速度15 m·s-1,負(fù)速度-20 m·s-1)。在較大垂直風(fēng)切變條件下,產(chǎn)生地面直線大風(fēng)的一個(gè)標(biāo)志性指標(biāo)就是出現(xiàn)中層氣流輻合(俞小鼎等,2006)。

圖6 2021年5月15日18∶56(a,e)、19∶01(b,f)、19∶07(c,g)、19∶12(d,h)貴陽(yáng)雷達(dá)4.3°仰角(a—d)和0.5°仰角(e—h)反射率因子(單位:dBz)紅色箭頭指示前側(cè)入流缺口;黑色箭頭指向后側(cè)V型缺口;黃色箭頭指向貴陽(yáng)雷達(dá)方向Fig.6 Reflectivity factor(unit:dBz)at(a-d)4.3°and(e-h)0.5°elevation angles from the Guiyang Doppler weather radar at(a,e)18∶56 BT,(b,f)19:01 BT,(c,g)19∶07 BT and(d,h)19∶12 BT on 15 May 2021.Red arrow points to the front notch of inflow,and black arrow points to the rear V-notch.Yellow arrow points to the position of the Guiyang Doppler weather radar.

圖7 2021年5月15日19:12貴陽(yáng)雷達(dá)0.5°仰角的反射率因子(a,單位:dBz)和徑向速度(c,單位:m·s-1),以及沿圖a中白線的反射率因子垂直剖面(b)和沿圖c中白線的徑向速度垂直剖面(d,黑色矩形表示中層徑向輻合)Fig.7(a)Reflectivity factor(unit:dBz)and(c)radial velocity(unit:m·s-1)at 0.5°elevation angle from the Guiyang Doppler weather radar at 19∶12 BT on 15 May 2021,and vertical cross sections of(b)reflectivity factor along the white line in(a)and(d)radial velocity along the white line in(c).In(d),black rectangle indicates MARC.

綜上分析可知,本次雷暴大風(fēng)是在較強(qiáng)垂直風(fēng)切變環(huán)境下由強(qiáng)多單體風(fēng)暴產(chǎn)生的下?lián)舯┝?,伴隨該雷暴單體出現(xiàn)了明顯的中層徑向輻合(MARC)和弓形回波等典型下?lián)舯┝骼走_(dá)回波特征。需要說明的是,由于貴州境內(nèi)布設(shè)的均為C波段雷達(dá),加上地形復(fù)雜、遮擋嚴(yán)重、雜波較多,故雷達(dá)速度圖顯示效果較差,本次出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的雷暴單體離雷達(dá)站較遠(yuǎn),未能探測(cè)到低層大風(fēng)速區(qū)。

4.2 鉤狀回波與冰雹

貴州“5.15”極端風(fēng)雹天氣過程中8站出現(xiàn)直徑大于20 mm的冰雹,其中最大40 mm(5月15日18∶58—19∶07出現(xiàn)在余慶縣敖溪鎮(zhèn))。下文以影響敖溪鎮(zhèn)的雷暴單體為例,分析其雷達(dá)回波和徑向速度特征。

當(dāng)日17時(shí)左右(圖略),雷暴單體在貴州西北部的遵義縣附近生成,其初生時(shí)尺度較小、呈圓形,中心強(qiáng)度超過60 dBz,高度位于3~6 km。隨后,雷暴單體向東南方向移動(dòng)并發(fā)展。18時(shí)51分,雷暴單體臨近敖溪鎮(zhèn),貴陽(yáng)雷達(dá)不同仰角反射率因子圖(圖8a—d)顯示,該鎮(zhèn)附近低層出現(xiàn)鉤狀回波,并可見暖濕氣流的入流缺口,與強(qiáng)烈暖濕入流伴隨的上升運(yùn)動(dòng)有助于冰雹生成和發(fā)展,入流一側(cè)出現(xiàn)大的反射率因子梯度,中低層出現(xiàn)明顯的有界弱回波區(qū);高仰角圖上,鉤狀回波以上為強(qiáng)反射率因子核心區(qū),風(fēng)暴頂位于低層強(qiáng)反射率因子梯度區(qū)和有界弱回波區(qū)之上。此時(shí)相應(yīng)的反射率因子剖面圖上(圖9a、b),雷達(dá)回波中心強(qiáng)度已達(dá)65 dBz以上,且50 dBz以上強(qiáng)回波高度已達(dá)到10 km,超過-20℃等溫線高度,并呈現(xiàn)典型的有界弱回波區(qū)。徑向速度剖面圖顯示(圖9c、d),雷暴單體頂部出現(xiàn)強(qiáng)烈的風(fēng)暴頂輻散(正速度10 m·s-1,負(fù)速度-13 m·s-1)。雷暴單體中心垂直積分液態(tài)水含量(VIL)達(dá)127 kg·m-2,垂直累積液態(tài)含水量密度(VILD)達(dá)10.9 kg·m-3(圖略);回波頂高顯示(圖略)已達(dá)20 km,雷達(dá)冰雹探測(cè)算法導(dǎo)出產(chǎn)品強(qiáng)冰雹概率(BOSH)達(dá)100%,均預(yù)示當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)大冰雹的可能性很大。同時(shí),在強(qiáng)回波的北側(cè),徑向方向上出現(xiàn)了三體散射現(xiàn)象(貴陽(yáng)雷達(dá)站位于其西南偏南方向)。風(fēng)暴頂?shù)膹?qiáng)輻散以及與氣團(tuán)有關(guān)的季節(jié)性大VIL值均是大冰雹產(chǎn)生的重要指標(biāo)(俞小鼎等,2006)。

圖8 2021年5月15日18∶51貴陽(yáng)雷達(dá)1.5°(a)、2.4°(b)、4.3°(c)、6°(d)仰角反射率因子(單位:dBz)紅色箭頭指向前側(cè)入流缺口;黑色圓圈指示三體散射;黃色箭頭指向貴陽(yáng)雷達(dá)方向;黑色三角形標(biāo)示敖溪鎮(zhèn)位置Fig.8 Reflectivity factor(unit:dBz)at(a)0.5°,(b)2.4°,(c)4.3°and(d)6°elevation angles from the Guiyang Doppler weather radar at 18∶51 BT on 15 May 2021.Red arrow points to the front notch of inflow,and black circle marks the three-body scattering.Yellow arrow points to the position of the Guiyang Doppler weather radar,and black triangle marks the Aoxi town.

圖9 2021年5月15日18∶51貴陽(yáng)雷達(dá)1.5°仰角反射率因子(a,單位:dBz)和徑向速度(c,單位:m·s-1),以及沿圖a中白線的反射率因子垂直剖面(b)和沿圖c中白線的徑向速度垂直剖面(d,白色矩形顯示風(fēng)暴頂輻散)Fig.9(a)Reflectivity factor(unit:dBz)and(c)radial velocity(unit:m·s-1)at 1.5°elevation angle from the Guiyang Doppler weather radar at 18∶51 BT on 15 May 2021,and vertical cross sections of(b)reflectivity factor along the white line in(a)and(d)radial velocity along the white line in(c).In(d),white rectangle indicates the divergence in the storm top.

上述分析表明,產(chǎn)生冰雹的雷暴單體具有反射率因子強(qiáng)度大(中心超過65 dBz)、回波發(fā)展高(50 dBz強(qiáng)回波擴(kuò)展至-20℃線高度以上)、有界弱回波區(qū)明顯、風(fēng)暴頂出現(xiàn)強(qiáng)烈輻散、VIL值大的特征,同時(shí)伴隨三體散射現(xiàn)象。由于當(dāng)?shù)乩走_(dá)速度圖雜波太多,其顯示效果較差,未能分析出中低層中氣旋、輻合、輻散等速度圖特征。

5 結(jié)論與討論

本文利用常規(guī)觀測(cè)資料、風(fēng)云4A衛(wèi)星資料、多普勒天氣雷達(dá)資料和地面加密觀測(cè)站資料等,主要分析了2021年5月15日貴州東北部一次極端風(fēng)雹天氣過程的環(huán)境條件及雷達(dá)回波特征。得到如下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)本次強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前,貴州地面為熱低壓控制,低層暖濕氣流活躍。隨著高空槽帶動(dòng)低層切變線和地面冷鋒南下,貴州東北部中高空干冷平流侵入,加劇了中高層干冷與低層暖濕形成的不穩(wěn)定,冷鋒前沿的輻合線為該過程提供了觸發(fā)機(jī)制。

(2)該過程發(fā)生前,貴州東北部低層暖濕、中層干冷明顯,較大的溫度遞減率和對(duì)流有效位能,強(qiáng)的垂直風(fēng)切變,較低的自由對(duì)流高度是冰雹和雷暴大風(fēng)發(fā)生的有利條件。雷暴系統(tǒng)過境使得相關(guān)測(cè)站風(fēng)速急增、氣壓猛升、氣溫驟降,表現(xiàn)為典型的強(qiáng)雷暴系統(tǒng)過境特征。

(3)雷暴系統(tǒng)初始為線狀多單體,逐漸形成分布不規(guī)則的多單體風(fēng)暴系統(tǒng)。雷暴單體反射率因子圖上呈現(xiàn)出回波強(qiáng)度較大、強(qiáng)回波中心均超過60 dBz及其南側(cè)高反射率因子梯度和中高層明顯的回波懸垂。造成下?lián)舯┝鞯睦妆﹩误w的弓形回波特征明顯,并伴有前側(cè)入流缺口、后側(cè)“V”型缺口以及中層4~8 km高度強(qiáng)徑向氣流輻合(MARC)特征;而造成冰雹的雷暴單體的鉤狀回波特征十分明顯,同時(shí)伴有較大VIL值、較高回波頂高、強(qiáng)風(fēng)暴頂輻散以及三體散射現(xiàn)象。

本文主要從環(huán)境場(chǎng)和雷達(dá)回波特征方面,對(duì)貴州“5.15”極端風(fēng)雹天氣過程進(jìn)行了分析,初步得到上述幾點(diǎn)結(jié)論,可望為貴州今后風(fēng)雹天氣預(yù)報(bào)預(yù)警提供有價(jià)值的參考。但由于貴州境內(nèi)布設(shè)的天氣雷達(dá)均為C波段,且貴州多山地,造成雷達(dá)遮擋很嚴(yán)重、雜波較多,故雷達(dá)速度產(chǎn)品的應(yīng)用效果較差,制約了對(duì)貴州強(qiáng)對(duì)流天氣尤其是其中小尺度天氣系統(tǒng)特征的深入研究,期待今后隨著其它觀測(cè)設(shè)備的增加和探測(cè)手段的完善,加強(qiáng)強(qiáng)對(duì)流天氣成因與預(yù)報(bào)的精細(xì)化研究,為提高貴州強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性提供更多幫助。

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