吳姍姍,龔?,傅娜,俞宏耀
(1.舟山市氣象局,浙江 舟山 316000;2.寧波市海曙區(qū)氣象局,浙江 寧波 315000)
冷渦是我國(guó)重要的天氣尺度系統(tǒng)之一,能夠?yàn)橹谐叨葘?duì)流系統(tǒng)的發(fā)展提供有利的天氣背景和物理?xiàng)l件[1]。冷渦背景下的對(duì)流系統(tǒng)空間尺度較小且演變迅速,會(huì)帶來(lái)雷電、大風(fēng)或暴雨等災(zāi)害性天氣,可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)和工業(yè)等方面的經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活。冷渦通常發(fā)生于中高緯度地區(qū),我國(guó)常見(jiàn)的冷渦包括東北冷渦、華北冷渦和蒙古冷渦等[2-3]。Zhang 等[4]通過(guò)對(duì)1979—2005 年?yáng)|亞冷渦的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),我國(guó)東北-西伯利亞-西北太平洋一帶是冷渦出現(xiàn)的高頻區(qū),我國(guó)東北及其附近區(qū)域每年發(fā)生4~7 個(gè)冷渦,5—6 月為冷渦最活躍的時(shí)候,61%的冷渦維持在2~3 d。夏季,當(dāng)東北冷渦位置偏南且移動(dòng)緩慢時(shí),冷渦西南側(cè)有冷空氣向南擴(kuò)散,會(huì)誘發(fā)突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流天氣[5]。許愛(ài)華等[6]認(rèn)為對(duì)流層中高層存在強(qiáng)烈發(fā)展的干冷平流易觸發(fā)高空冷平流強(qiáng)迫類強(qiáng)對(duì)流,冷渦是表現(xiàn)形式之一。羅玲等[7]對(duì)比了2009 年6 月浙江地區(qū)的兩次天氣過(guò)程,認(rèn)為冷渦背景下可導(dǎo)致區(qū)域性暴雨和局地性暴雨,前者的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)為高層輻散、低層輻合結(jié)構(gòu)和低空西南急流,后者的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)為大氣的不穩(wěn)定度與冷渦后部冷空氣的干侵入。海上大風(fēng)是引起海洋災(zāi)害的重要原因,已有研究學(xué)者對(duì)冷空氣、低壓和熱帶氣旋等引起的海上大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行分析[8-11],但是目前對(duì)于冷渦在華東地區(qū)引起的雷雨大風(fēng)尤其是海上大風(fēng)過(guò)程的研究較少。
2020 年4 月12 日一次位置偏南且移速較快的海上冷渦引起的雷雨大風(fēng)過(guò)程先后影響了江蘇、上海和浙江三地,并在浙江舟山地區(qū)風(fēng)力加強(qiáng)至13級(jí)。本文將利用常規(guī)觀測(cè)資料、雷達(dá)資料和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)6 h 一次的再分析資料,對(duì)這次過(guò)程進(jìn)行分析并重點(diǎn)探討風(fēng)力在舟山沿海地區(qū)增強(qiáng)的原因。舟山四面環(huán)海,港口眾多,有大量石油儲(chǔ)運(yùn)基地,因此對(duì)海上大風(fēng)和雷電的預(yù)報(bào)有較大需求。本次過(guò)程的研究不僅能豐富我們對(duì)華東地區(qū)尤其是舟山沿海冷渦背景下雷雨大風(fēng)過(guò)程的認(rèn)識(shí),也對(duì)提高冷渦背景下雷雨大風(fēng)的預(yù)報(bào)水平和氣象防災(zāi)減災(zāi)能力具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
雷雨大風(fēng)指出現(xiàn)在雷雨天氣現(xiàn)象時(shí),風(fēng)力達(dá)到或超過(guò)8 級(jí)(17.2 m/s)的天氣現(xiàn)象。2020 年4 月12日導(dǎo)致雷雨大風(fēng)過(guò)程的冷渦早于常年活躍,冷渦的影響和路徑偏南且移速較快。冷渦引起的中尺度對(duì)流系統(tǒng)自西北向東南移動(dòng),主要影響了江蘇、上海和浙江三地。14時(shí)(北京時(shí),下同)在江蘇中北部上空已有局部對(duì)流發(fā)生,對(duì)流云團(tuán)向東南方向移動(dòng),17 時(shí)有明顯的合并發(fā)展,對(duì)流云團(tuán)東側(cè)發(fā)展旺盛而西側(cè)較弱,20時(shí)對(duì)流云團(tuán)主體在舟山附近,21時(shí)對(duì)流云團(tuán)主體大部分移入東海上空并遠(yuǎn)離,對(duì)華東地區(qū)的風(fēng)雨影響顯著減弱。圖1是2020年4月12日累計(jì)降水量和正負(fù)地閃分布實(shí)況示意圖。由于沒(méi)有濕區(qū)配合,本次冷渦帶來(lái)的降水量不大,大多數(shù)地區(qū)降水量在5 mm以下。14—15時(shí)雨區(qū)在江蘇北部,之后向東南方向移動(dòng),23時(shí)之后各地僅分布1 mm以下零星降水。圖1a中過(guò)程累計(jì)降水量的極大值位于江蘇、上海和浙江三地的交界處。圖1b和圖1c分表代表正地閃和負(fù)地閃的分布和強(qiáng)度情況,標(biāo)記的大小代表地閃的強(qiáng)度。江蘇北部正地閃頻數(shù)明顯高于負(fù)地閃,江蘇南部以及上海地區(qū)負(fù)地閃頻數(shù)高于正地閃頻數(shù),海面上正地閃頻數(shù)再次超過(guò)負(fù)地閃。正地閃的強(qiáng)度總體上大于負(fù)地閃強(qiáng)度。降水量極大值與負(fù)地閃的分布對(duì)應(yīng)較好。前人研究也表明,冷渦天氣中的負(fù)地閃和對(duì)流強(qiáng)弱無(wú)明顯關(guān)系,與降水強(qiáng)度存在一定關(guān)系[11],大風(fēng)類天氣以正地閃為主[12]。
圖1 2020年4月12日累計(jì)降水量和正負(fù)地閃分布Fig.1 Cumulative precipitation and positive and negative cloud-to-ground lightning flashes distribution on April 12,2020
本文以出現(xiàn)8級(jí)風(fēng)表示對(duì)流系統(tǒng)對(duì)某區(qū)域的風(fēng)力產(chǎn)生影響。13—14 時(shí)江蘇北部宿遷地區(qū)風(fēng)力增強(qiáng),開(kāi)始出現(xiàn)8 級(jí)風(fēng),17—18 時(shí)逐漸影響上海和浙江。圖2 是19—20 時(shí)和20—21 時(shí)地面觀測(cè)站測(cè)得的10級(jí)及以上的極大風(fēng)分布情況。18—19時(shí)江蘇、上海和浙江三地?zé)o10 級(jí)風(fēng)出現(xiàn)。對(duì)流系統(tǒng)在19—20 時(shí)加強(qiáng),浙北地區(qū)(浙北內(nèi)陸和舟山地區(qū))同時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)10 級(jí)風(fēng),內(nèi)陸以10 級(jí)風(fēng)為主。舟山地區(qū)以11~12 級(jí)風(fēng)為主,其中杭州灣入??诘臑G站點(diǎn)在19:04 首先出現(xiàn)28.7 m/s(11 級(jí))陣風(fēng),大白山在19:06 出現(xiàn)34.9 m/s(12 級(jí))陣風(fēng)。由于海洋的光滑下墊面會(huì)對(duì)海上大風(fēng)起到增強(qiáng)作用[13],風(fēng)速越大海面對(duì)大風(fēng)的增強(qiáng)作用越明顯,并且島嶼之間容易產(chǎn)生狹管效應(yīng)[14],因此舟山比內(nèi)陸風(fēng)力增強(qiáng)更明顯。舟山群島上的站點(diǎn)風(fēng)力普遍比內(nèi)陸大1~2級(jí),個(gè)別站點(diǎn)大3 級(jí)。20—21 時(shí)10 級(jí)及以上大風(fēng)主要集中在舟山地區(qū),并且仍然分布著大量10~11 級(jí)風(fēng)力的站點(diǎn),風(fēng)力還未明顯減弱。本次過(guò)程中舟山全市21 個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)11 級(jí)大風(fēng),10 個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)12 級(jí)大風(fēng),4 個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)13 級(jí)大風(fēng),最大陣風(fēng)達(dá)40.8 m/s(下三星站點(diǎn))。
圖2 2020年4月12日地面觀測(cè)站測(cè)得的10級(jí)及以上的極大風(fēng)分布Fig.2 Distribution of maximum wind velocity above magnitude 10 measured by ground stations on April 12,2020
本次冷渦引起的雷雨大風(fēng)過(guò)程前期有阻塞高壓和橫槽的發(fā)展。4 月7 日08 時(shí)貝加爾湖以北有暖脊,阻塞高壓西側(cè)和東側(cè)分別為蒙古小槽和東北冷渦;8 日08 時(shí)阻塞高壓東側(cè)的蒙古小槽正逐漸與東北冷渦打通;9 日08 時(shí)橫槽已基本形成;12 日08 時(shí)黃海海面上從西風(fēng)槽切斷出冷渦。
圖3 是500 hPa 高度場(chǎng)上冷渦在橫槽背景下的移動(dòng)和演變。Nieto 等[15]對(duì)北半球切斷低壓進(jìn)行氣候統(tǒng)計(jì)分析,定義了典型切斷低壓生命周期的4 個(gè)階段。12 日雷雨大風(fēng)發(fā)生時(shí)處于冷渦的成熟階段,高層冷中心逐漸發(fā)展成熟,對(duì)流層內(nèi)形成成熟的閉合環(huán)流。渦旋系統(tǒng)移動(dòng)性較強(qiáng),14日08時(shí)冷渦移出145°E 以東,并失去冷中心。12 日08 時(shí)在500 hPa上有冷渦位于黃海北部上空,有低壓中心和閉合冷中心存在,低壓中心強(qiáng)度為5440 gpm,冷中心強(qiáng)度為-32 ℃;08—20 時(shí)冷渦一邊加強(qiáng)(低壓中心強(qiáng)度5440 gpm 范圍擴(kuò)大)一邊南壓(37°~35°N);20 時(shí)—次日02 時(shí)一邊加強(qiáng)(5440 ~5400 gpm)一邊東移(128°~131°E)。發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的華東地區(qū)位于冷渦西南方向和500 hPa冷槽下方。斯公望[16]指出,冷渦云系附近或者后部都有可能出現(xiàn)不同程度的對(duì)流云發(fā)展,尤其是冷渦后部常為晴空區(qū),并伴有高空冷平流與低空暖平流疊加,低層地面白天輻射增溫,在這一區(qū)域容易形成不穩(wěn)定層結(jié),有利于對(duì)流發(fā)展。
圖3 4月12—13日500 hPa高度場(chǎng)上冷渦的移動(dòng)和演變(等高線單位:位勢(shì)什米)Fig.3 Movement and evolution of the cold vortex over 500 hPa from April 12 to 13(Geopotential height unit:dagpm)
700 hPa 及以下形勢(shì)場(chǎng)與500 hPa 一致,均處于西北氣流中,且500 hPa、700 hPa 和850 hPa 都存在急流帶。500 hPa及以下各層均可見(jiàn)低壓環(huán)流存在,低壓中心隨著高度下降向東南方向偏移,槽線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從低層到高層接近垂直,略呈后傾槽形態(tài)。從海平面氣壓場(chǎng)看(圖略),華東沿海處于陸地高壓和東海低壓的梯度中,是導(dǎo)致大風(fēng)的成因之一。14時(shí)地面冷高壓中心為1025 hPa,東海低壓中心為1000 hPa;20時(shí)冷高壓中心減弱為1022.5 hPa,東海低壓增強(qiáng)至997.5 hPa,氣壓差變化不明顯。
許多研究表明,水汽、不穩(wěn)定和抬升是形成強(qiáng)對(duì)流的3 個(gè)有利條件[17-18]。當(dāng)本地有足夠多的水分且有水汽源源不斷地輸入時(shí)才可能形成暴雨。12日強(qiáng)對(duì)流過(guò)程發(fā)生時(shí),江蘇、上海和浙江三地上空為整層的西北氣流,水汽條件較差。從圖4 可以看出,14 時(shí)水汽通量中心值位于江蘇沿海,在4 g/(s·hPa·cm)以下,江蘇上空有弱的水汽輻合。20時(shí)水汽通量中心值南移并增強(qiáng)至6~7 g/(s·hPa·cm),水汽輻合中心在舟山上空,輻合中心的水汽通量散度為-2.4×10-8g/(s·hPa·cm2),這與以往文獻(xiàn)中暴雨發(fā)生時(shí)的水汽通量散度值相比明顯偏小[17]。夜里舟山上空的各項(xiàng)水汽條件與14 時(shí)江蘇上空的水汽條件相比均增強(qiáng),更有利于雷暴發(fā)展,這可能也是本次雷暴系統(tǒng)入海發(fā)展的原因之一。
圖4 4月12日14時(shí)和20時(shí)700 hPa水汽通量和水汽通量散度Fig.4 Water vapor flux and water vapor flux divergence over 700 hPa at 14:00 and 20:00 on April 12
對(duì)流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE)、抬升指數(shù)(Lift Index,LI)和850 hPa與500 hPa之間的溫差(T850-T500)是天氣預(yù)報(bào)中常用的熱力不穩(wěn)定指數(shù)。圖5 是3 個(gè)指數(shù)在14 時(shí)和20時(shí)的分布情況,其中圖5a和5b分別是CAPE值和LI(LI<0)的分布。本次過(guò)程CAPE 值低于600 J/kg,CAPE 值較小,但也為雷電的發(fā)生提供了能量條件。當(dāng)LI<0 時(shí),大氣層結(jié)不穩(wěn)定,負(fù)值越大則不穩(wěn)定程度越大,反之則表示大氣層是穩(wěn)定的。14時(shí)LI最大負(fù)值達(dá)到-3.99 ℃,20 時(shí)LI 最大負(fù)值為-2.2 ℃。圖5c 和5 d 是12 日14 時(shí)和20 時(shí)T850-T500值 的 分 布 情況,上冷下暖結(jié)構(gòu)非常明顯,發(fā)生對(duì)流時(shí)850 hPa和500 hPa 溫差中心值超過(guò)30 ℃。對(duì)比以上3 個(gè)指數(shù),14時(shí)的熱力條件與20時(shí)相比更好。這與許愛(ài)華等[6]總結(jié)的中國(guó)中東部強(qiáng)對(duì)流天氣的特點(diǎn)較為一致,中高層較強(qiáng)干冷空氣疊加在低層相對(duì)暖(濕)氣流上,使得大氣溫度垂直遞減率大,T850-T500對(duì)本次過(guò)程的預(yù)報(bào)更具有指示意義。
圖5 4月12日14時(shí)和20時(shí)熱力條件Fig.5 Thermal condition at 14:00 and 20:00 on April 12
在中小尺度中,垂直運(yùn)動(dòng)是云的形成和降水發(fā)生的必要條件之一,垂直運(yùn)動(dòng)與大氣熱量、動(dòng)量的垂直輸送以及大氣中位能和動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)換有密切關(guān)系。俞小鼎等[19]研究認(rèn)為,雷雨大風(fēng)是由強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴中處于成熟階段單體中的下沉氣流,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)生的。王雷[20]也指出大風(fēng)過(guò)程中,風(fēng)力大小除了取決于地面氣壓梯度外,還與垂直下沉速度密切相關(guān)。圖6 是14 時(shí)和20 時(shí)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)相應(yīng)緯度處的垂直速度和緯向風(fēng)合成剖面圖。14 時(shí)對(duì)流發(fā)展不明顯,對(duì)流系統(tǒng)處(34°N,120°E)下沉氣流中心高度較高,下沉速度中心值為1.10 Pa/s。20 時(shí)對(duì)流發(fā)展旺盛,上升氣流和下沉氣流均顯著增強(qiáng),對(duì)流系統(tǒng)處(31°N,122°E)下沉氣流中心高度較低,下沉速度中心值為2.48 Pa/s。王雷對(duì)比了兩次地面氣壓梯度接近(強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)時(shí)地面5個(gè)經(jīng)距120°~125°E大約有5 條等壓線)的大風(fēng)過(guò)程,925 hPa 的下沉速度分別為0.44 Pa/s 和0.12 Pa/s,分別產(chǎn)生了10~11 級(jí)和9~10 級(jí)的大風(fēng)過(guò)程,前者由于較大的下沉速度導(dǎo)致了更大的過(guò)程風(fēng)力。此次雷雨大風(fēng)過(guò)程地面梯度較疏散,但是下沉速度更大,下沉氣流在近地面的水平方向擴(kuò)散是此次大風(fēng)產(chǎn)生的相對(duì)更重要的原因。
圖6 4月12日14時(shí)和20時(shí)34°N和31°N的垂直速度和緯向風(fēng)合成剖面圖(藍(lán)色代表上升氣流,褐色代表下沉氣流)Fig.6 Latitude-pressure cross-sections of meridional wind on 34°N and 31°N at 14:00 and 20:00 on April 12(Blue shading denotes the updraft,brown shading denotes the downdraft)
為進(jìn)一步了解強(qiáng)對(duì)流經(jīng)過(guò)時(shí)氣象要素的變化特征,我們分析了舟山地區(qū)4 個(gè)國(guó)家站(嵊泗站、岱山站、定海站和普陀站)4 月12 日18—24 時(shí)氣象要素隨時(shí)間的變化特征。圖7 中4 個(gè)國(guó)家站先后經(jīng)歷了氣壓陡升、風(fēng)速加大和溫度驟降等現(xiàn)象。由于強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)從西北向東南移動(dòng),嵊泗站的溫度、氣壓和風(fēng)速最早出現(xiàn)劇烈變化,19:40 溫度為14.5 ℃,20:00 降為10.2 ℃,降溫幅度達(dá)0.215 ℃/min。岱山、定海和普陀站也先后于4月12日20:05、20:15和20:35 發(fā)生氣溫的驟降,1 h 的降溫幅度為4~5 ℃。強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)時(shí)測(cè)站出現(xiàn)了冷池,有高速下沉的冷氣流,各測(cè)站出現(xiàn)了氣壓的陡升,各站1 h 氣壓升高3 hPa以上,其中嵊泗站的氣壓變化最明顯,1 h氣壓升高3.9 hPa。氣壓涌升形成的雷暴高壓和強(qiáng)氣壓梯度有利于地面極端大風(fēng)的出現(xiàn)。
圖7 4月12日18—24時(shí)舟山地區(qū)4個(gè)國(guó)家站的氣溫、風(fēng)速和氣壓隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Time series of air temperature,wind speed and pressure observed at four national stations in the Zhoushan area between 14:00—24:00 on April 12
雷達(dá)風(fēng)廓線資料能彌補(bǔ)常規(guī)觀測(cè)資料空間分辨率不足的問(wèn)題[21-22]。雷達(dá)垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品是應(yīng)用相繼時(shí)間的體積掃描資料將每個(gè)高度上的平均風(fēng)向風(fēng)速用風(fēng)向桿形式繪在一張圖上,可得到平均風(fēng)向風(fēng)速隨高度和時(shí)間變化的剖面圖形?!癗D”一般認(rèn)為是干區(qū)。
圖8 是18:55—20:22 舟山雷達(dá)風(fēng)廓線圖,其中20:16 雷達(dá)站風(fēng)力出現(xiàn)過(guò)程最大風(fēng)力29.1 m/s。19:44之前,雷達(dá)站上空大氣呈“上干下濕”結(jié)構(gòu)并且干層逐漸變濕,另外,近地層風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn),逐漸由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng),說(shuō)明近地層存在暖平流加劇層結(jié)不穩(wěn)定,有利于對(duì)流發(fā)展。19:44 之后,近地層風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)出現(xiàn)冷平流,這是由于對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)的下沉氣流將高空較冷的空氣帶至低層并形成較強(qiáng)的輻散氣流產(chǎn)生的。隨著時(shí)間的推進(jìn),高空的旗幟風(fēng)(風(fēng)速≥20 m/s)向低空傳遞,大風(fēng)速軸明顯下移,出現(xiàn)動(dòng)量下傳現(xiàn)象,動(dòng)量下傳是此次大風(fēng)產(chǎn)生的加強(qiáng)因素,地面極端大風(fēng)不僅由下沉氣流造成,還與動(dòng)量下傳有關(guān)。
圖8 4月12日18:55—20:22舟山雷達(dá)風(fēng)廓線Fig.8 Radar wind profile in Zhoushan from 18:55 to 20:22 on April 12
利用常規(guī)觀測(cè)資料、NCEP 再分析資料和雷達(dá)資料分析了2020 年4 月12 日由海上冷渦引起的華東地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程并重點(diǎn)探討風(fēng)力在舟山沿海地區(qū)增強(qiáng)的原因。結(jié)果表明:
(1)此次過(guò)程具有冷渦影響位置偏南、移速快、降水量少和風(fēng)力強(qiáng)等特點(diǎn)。19—20 時(shí)浙北地區(qū)風(fēng)力增強(qiáng),其中內(nèi)陸以10 級(jí)風(fēng)為主,舟山地區(qū)以11~12 級(jí)風(fēng)為主(11級(jí)大風(fēng)有21個(gè)站點(diǎn),12級(jí)大風(fēng)有10個(gè)站點(diǎn),13級(jí)大風(fēng)有4個(gè)站點(diǎn))。
(2)這是一次高空冷平流強(qiáng)迫型強(qiáng)對(duì)流。從形勢(shì)場(chǎng)上看,貝加爾湖以北有阻塞高壓發(fā)展,橫槽轉(zhuǎn)豎的過(guò)程中冷渦中心南壓至35°N。發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的華東地區(qū)位于冷渦西南方向500 hPa 冷槽下方。槽后強(qiáng)西北氣流有利于天氣放晴,午后近地面輻射增溫是雷雨大風(fēng)發(fā)生的激發(fā)機(jī)制。T850-T500中心值超過(guò)30 ℃對(duì)本次過(guò)程的預(yù)報(bào)更具有指示意義。
(3)與14時(shí)相比,20時(shí)水汽、熱力和動(dòng)力條件均維持或增強(qiáng),有利于強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)在舟山地區(qū)的維持和加強(qiáng)。強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)時(shí)各測(cè)站出現(xiàn)了冷池,氣壓涌升形成的雷暴高壓和強(qiáng)氣壓梯度有利于地面極端大風(fēng)的出現(xiàn)。地面極端大風(fēng)不僅由下沉氣流造成,還與動(dòng)量下傳有關(guān),加上海洋的光滑下墊面和島嶼之間的狹管效應(yīng),導(dǎo)致風(fēng)力在舟山地區(qū)增強(qiáng)并普遍比浙北內(nèi)陸大1~2級(jí)。