湘中以南地區(qū)一次颮線過程雷達回波分析

朱家亮，賀 科，肖 蘭，陳德橋

(湖南省衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001)

1 引言

冰雹常產(chǎn)生于超級單體或颮線中，出現(xiàn)時常伴有陣性強降水和大風(fēng)，給人民的生命財產(chǎn)造成嚴重損失。隨著新一代天氣雷達用于災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警，很多學(xué)者針對不同地區(qū)的冰雹過程進行了研究分析。俞小鼎［1］等分析了華東地區(qū)一次伴有強降雹的系列下?lián)舯┝?。鄭媛媛?］等利用多普勒雷達資料對安徽一次典型超級單體結(jié)構(gòu)及其演變進行了詳細分析。針對湖南的冰雹天氣過程，廖玉芳［3］等統(tǒng)計強雹暴的雷達三體散射特征，并分析了一次發(fā)生在永州市的冰雹大風(fēng)天氣過程。這些研究得出了一些對冰雹天氣進行有效預(yù)報預(yù)警的指標，為了解冰雹天氣的形成和發(fā)展機制提供了很好的理論依據(jù)。

2013年3月19 日20 時—20日08 時，一次強烈颮線自西向東襲擊湘中以南地區(qū)，造成經(jīng)過之處102 鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨，12 縣市出現(xiàn)冰雹，冰雹最大直徑達50 mm，16 縣市出現(xiàn)雷雨大風(fēng)，湘西南道縣瞬時最大風(fēng)速達30.7 m·s－1。共造成81.3 萬人受災(zāi)，因災(zāi)死亡3 人，67.7 千hm2農(nóng)作物受災(zāi)，多間房屋倒塌，直接經(jīng)濟損失達7.2 億元。本文利用常規(guī)氣象資料和新一代雷達資料著重分析強對流發(fā)展演變過程中的雷達回波特征，以加深對冰雹天氣的發(fā)生機制和對流演變特征的認識，為今后的強對流天氣的監(jiān)測預(yù)警提供參考。

2 天氣形勢

2.1 前期天氣形勢

2013年19日08 時(圖略)，500 hPa 上，中高緯地區(qū)為兩槽一脊型環(huán)流，東北低渦中心位于50°N，132°E 附近，70～110°N 為寬廣的脊區(qū)控制，環(huán)流經(jīng)向度大，有利于引導(dǎo)北方冷空氣南下，中低緯地區(qū)南支槽位于川東—黔西—滇北一線，湖南處于槽前旺盛的西南暖濕氣流中，700 hPa 切變線位于鄂西北—川西南一線，四川東部有西南低渦發(fā)展，百色—桂林—長沙一線西南急流建立，急流中心風(fēng)速達24 m·s－1以上，850 hPa 切變位于渝黔交界處，西南急流與700 hPa 近乎重合，長沙站風(fēng)速達20 m·s－1。19日20 時(圖略)，500 hPa 上，東北低渦穩(wěn)定少動，東亞大槽略有東移，帶動南支槽東出，700 hPa切變線移至湘西北地區(qū)，西南急流維持，850 hPa 切變線南壓至湘中地區(qū)，西南急流強度有所減弱，郴州站風(fēng)速18 m·s－1。從圖1 可以看出，19日08—20 時，高空影響系統(tǒng)東移南壓，切變輻合增強。19日17 時—20 時地面圖上(圖略)，西南倒槽發(fā)展，湘中以南地區(qū)處于倒槽暖區(qū)內(nèi)，增溫增濕明顯，23 時(圖略)，冷空氣侵入倒槽，觸發(fā)對流發(fā)展。由此可知，此次強對流天氣是發(fā)生在500 hPa 高空槽前，中低層切變線以南、低層西南急流軸的左側(cè)。

圖1 高空系統(tǒng)配置綜合圖

2.2 探空資料分析

19日20 時郴州站探空資料顯示(圖2)，測站對流有效位能CAPE 值為1 269 J·kg－1，SI 為－1.32，表明有對流不穩(wěn)定。從溫度曲線和露點曲線的差值可以看出，700 hPa 以下大氣濕暖，700 hPa 以上明顯變干，表現(xiàn)為上干下濕的對流不穩(wěn)定層結(jié)。低層風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流，中層風(fēng)向隨高度逆轉(zhuǎn)，有冷平流，表明中層有冷平流侵入，這種低層暖平流、中層冷平流的垂直結(jié)構(gòu)增加了氣層不穩(wěn)定性，是強對流發(fā)生發(fā)展的重要特征。中低層有強的垂直風(fēng)切變，從地面到500 hPa 風(fēng)向由180°順轉(zhuǎn)到255°，風(fēng)速由4 m·s－1增大到34 m·s－1，垂直風(fēng)切變達5.7×10－3m·s－1，這種強的垂直風(fēng)切變有利于有組織的強對流風(fēng)暴產(chǎn)生和發(fā)展。因此，對流發(fā)生于上干冷、下濕暖的不穩(wěn)定大氣層結(jié)中，中層有冷平流侵入與強烈的垂直風(fēng)切變?yōu)閷α鞯陌l(fā)生發(fā)展提供了有利條件。

圖2 2013年3月19日20 時郴州T－lnP 圖

3 雷達回波分析

3.1 反射率因子特征分析

颮線是呈線狀排列的對流單體族，此次颮線過程的發(fā)展形成主要經(jīng)歷了3個階段。對流單體的形成發(fā)展階段(圖3a)，19日21 時45 分在雷達站西南部有3個呈東北西南向排列的對流單體A、B、C，C處于發(fā)展階段，A、B 早于C 生成，在東移過程中表現(xiàn)出超級單體的鉤狀回波、三體散射特征，先后經(jīng)過靖州，造成靖州的兩次降雹;單體的合并發(fā)展階段(圖3b～3c)，19日22 時59 分，B、C 合并為對流云團D，強回波范圍持續(xù)擴大，20日00 時08 分，D發(fā)展成為一塊南北向的長70 km，寬30 km 的強對流云團，云團中心強度由55 dBz 迅速上升至69 dBz，回波頂高由12 km 迅速發(fā)展到16 km，對流發(fā)展旺盛，地面開始降雹;A 在移動過程中有新的單體并入，范圍擴大;帶狀對流云團E 進入雷達探測區(qū)。發(fā)展成熟階段，D 中心回波強度升至70 dBz 以上，回波頂高超過16 km，20日00 時27 分在雷達基本反射率PPI 圖上探測到三體散射(圖4a)，地面將雹范圍擴大;E 在向東南方向移動過程中經(jīng)歷了強度先增后減，范圍擴大的變化，20日00 時前后形成“弓”型颮線結(jié)構(gòu)，E 掃過邵陽市南部和永州市北部地區(qū)，造成該地區(qū)的短時暴雨、大風(fēng)天氣，道縣極大風(fēng)速達30.7 m·s－1;20日01 時10 分(圖3d)，在雷達探測范圍內(nèi)形成一條東北西南向，長達300 km 的颮線回波帶。分析發(fā)現(xiàn)，云團D 于20日01 時前后發(fā)展最為旺盛，此后逐漸減弱，從A、B 合并為D 至其消散歷時長達5h，長時間維持高值回波中心，是造成此次湘南地區(qū)大范圍冰雹天氣的主要影響云團。

圖3 對流云團發(fā)展演變圖

簡單有效判斷有無大冰雹的方法［4］是比較強回波區(qū)相對0℃和－20℃等溫線高度的位置，如果－20℃等溫線對應(yīng)高度上反射率因子超過50 dBz ，同時0℃層距離地面的高度不超過4.5 km 時，則有可能產(chǎn)生大冰雹。Witt［5］等在研究中指出，相應(yīng)反射率因子的值越大，對應(yīng)高度越高，產(chǎn)生大冰雹的可能性和嚴重程度越大。對出現(xiàn)三體散射時刻的對流云團D 作垂直剖面(圖4b)，發(fā)現(xiàn)云團高層為高懸的穹窿結(jié)構(gòu)，低層為有界弱回波區(qū)BWER，強回波中心結(jié)構(gòu)密實，穹窿下方反射率因子梯度很大，表明此處有強烈的上升氣流。云團D 的強回波水平距離超過30 km，60 dBz 強回波擴展到9 km 以上。19日20 時最近探空站郴州站0℃層高度為4 435 m，－20℃層高度為7 201 m。由此可知，當日湘南地區(qū)0℃等溫層高度低于4.5 km，有利于降雹，對流云團中50 dBz 回波伸展至－20℃等溫層以上，表明上述標準適用于本次降雹過程。

圖4 三體散射和剖面圖

3.2 徑向速度分析

3.2.1 中尺度輻合線 對流發(fā)展階段，低層有氣流的輻合，在徑向速度圖上常表現(xiàn)為一條中尺度輻合線。圖5b 為對流云團D 經(jīng)過測站后的徑向速度圖，在測站東部有一條南北向的中尺度輻合線，輻合線左邊為遠離雷達的正速度區(qū)，右邊為趨向雷達的負速度區(qū)，氣流在輻合線附近輻合抬升，為強對流的發(fā)生、發(fā)展提供有利的動力條件。輻合線左邊的正速度達27 m·s－1，右邊的負速度為－12 m·s－1，最大正負速度差達39 m·s－1，低層氣流輻合強烈，此時的雷達反射率因子圖上(圖5a)一塊狀強回波與之對應(yīng)，最大回波強度達69 dBz，回波頂高16 km。在對流云團E 發(fā)展旺盛期間(圖略)，徑向速度圖上兩條零速度線近于平行排列，迎風(fēng)方向上的為中尺度輻合線，渦旋運動和對流單體在此生成。

圖5 速度輻合線

3.2.2 中氣旋與“逆風(fēng)區(qū)” 20日00 時45 分(圖6)，徑向速度圖上探測到氣旋式切變速度對，即中氣旋。將仰角從2.4°抬高至4.3°仍可清楚探測到中尺度速度對，表明此處有很強的旋轉(zhuǎn)上升運動，此時的雷達反射率因子圖上，強回波區(qū)前沿出現(xiàn)入流缺口，最大回波強度達72 dBz，回波頂高18 km。沿圖中斜線作徑向速度剖面圖(圖7b)，可以看到，低層是一個輻合式正負速度對，高層表現(xiàn)為氣流的輻散，形成低層輻合高層輻散的抽吸式上升運動。該時刻的徑向速度圖上小塊負速度塊鑲嵌于正速度區(qū)中，形成“逆風(fēng)區(qū)”，“逆風(fēng)區(qū)”反應(yīng)了大氣流場中的一種不均勻性，云體運動的下風(fēng)方是低層輻合，高層輻散，使整個對流得以維持發(fā)展［6］。

圖6(a 為20日00 時45 分雷達1.5°仰角基本反射率圖;b 為20日00 時45 分雷達2.4°仰角徑向速度圖;c 為20日00 時45 分雷達3.4°仰角徑向速度圖;d 為20日00 時45分雷達4.3°仰角徑向速度圖)

圖7(a 為20日00 時45 分雷達2.4°仰角徑向速度圖;b為沿a 中斜線的徑向速度剖面圖)

3.2.3 速度模糊 多普勒天氣雷達的速度初猜值是以脈沖對相移小于180°為基礎(chǔ)的，當降水顆粒速度較大，使得脈沖對相移等于或大于180°時，則雷達的初值猜想將是錯誤的，從而產(chǎn)生速度模糊［4］。出現(xiàn)速度模糊，表明云內(nèi)部風(fēng)速很大，低層出現(xiàn)速度模糊時，可作為預(yù)報大風(fēng)的指標。圖8 是20日01 時30 分前后雷達2.4°仰角的連續(xù)3個體掃徑向速度圖，20日01 時23 分(圖8a)零徑向速度線兩邊分別為風(fēng)向一致的正負速度區(qū)，01 時29 分(圖8b)正負速度正速度大值區(qū)中突然出現(xiàn)一小塊大值負速度塊，出現(xiàn)速度模糊，01 時35 分(圖8c)大值負速度塊消失。該時刻的長沙雷達基本反射率因子圖上相應(yīng)位置出現(xiàn)入流缺口(圖略)，對流云團D 移至衡陽市區(qū)，造成劇烈的冰雹、大風(fēng)天氣。

圖8 速度模糊(a 為20日01 時23 分雷達2.4°仰角徑向速度圖;b 為20日01 時29 分雷達2.4°仰角徑向速度圖;c 為20日01 時35 分雷達2.4°仰角徑向速度圖)

3.3 風(fēng)廓線分析

VWP 產(chǎn)品可實時提供測站上空不同時刻、不同高度上的風(fēng)向風(fēng)速，可用于探測測站上空風(fēng)場的垂直切變。統(tǒng)計分析表明，環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速的垂直切變大小往往和形成風(fēng)暴的強弱密切相關(guān)［4］。在一定的熱力不穩(wěn)定條件下，垂直風(fēng)切變的增強將導(dǎo)致對流進一步加強和發(fā)展［4］。分析風(fēng)廓線變化發(fā)現(xiàn)，垂直風(fēng)切變先于對流發(fā)展加強，對流云團發(fā)展旺盛時期，垂直風(fēng)切變大，20日03 時前后中層由西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，垂直切變減弱，對流隨之減弱。從圖9 可以看出，在3.2 km 高度上下風(fēng)場存在明顯切變，曲線上方為暖濕的西南氣流，曲線下方為偏北氣流，低層有冷空氣侵入;另外垂直方向上風(fēng)速從8 m·s－1增至20 m·s－1，風(fēng)速切變明顯?？梢姶怪憋L(fēng)切變對此次對流的發(fā)展和維持具有很強的促進作用。

圖9 20日01 時23 分風(fēng)廓線圖

3.4 垂直液態(tài)含水量分析

垂直液態(tài)水含量VIL 定義為液態(tài)水混合的垂直積分，VIL 是判斷強雷暴中是否會降雹的一個有效判據(jù)。對流云中含有固態(tài)的冰雹等大粒子，其散射往往不滿足雷利散射的條件，由其反演的VIL 遠遠大于云中實際具有的垂直累積液態(tài)水含量，因而偏大的VIL恰好反映了云中含有較大的冰晶。Amburn 和Wolf定義VIL 和風(fēng)暴頂高度之比為VIL 密度［7］。研究表明［7］，如果VIL 密度超過4 g·m－3，則風(fēng)暴幾乎肯定會產(chǎn)生直徑超過20 mm 的大冰雹。由圖10 中可以看出，19日23 時55 分—20日00 時08 分，垂直液態(tài)含水量從53 kg·m－2躍升至73 kg·m－2，VIL 密度也由3.9 kg·m－3上升至4.9 kg·m－3，明顯大于4 g·m－3，此時地面開始降雹;20日00 時08 分—統(tǒng)計時段內(nèi)，垂直液態(tài)含水量維持在70 kg·m－2左右，最大時達到80 kg·m－2，VIL 密度也在4 g·m－3以上，對流云團D內(nèi)垂直液態(tài)含水量長時間處于高值狀態(tài)，使得降雹得以維持;雷達反射率因子也有明顯上升，上升開始時間滯后于垂直液態(tài)含水量;雷達回波頂高在降雹期間也有所上升。另外分析對流云團E 內(nèi)垂直液態(tài)含水量變化發(fā)現(xiàn)，E 在經(jīng)過綏寧、城步降雹期間垂直液態(tài)含水量處于較高水平，之后VIL 迅速減小，E 逐漸演變?yōu)轱R線結(jié)構(gòu)，所掃過區(qū)域出現(xiàn)了大風(fēng)、短時強降水，不再降雹。

圖10 垂直液態(tài)含水量、回波強度、回波頂高演變圖(圓點線為垂直液態(tài)含水量;方點線為回波強度;三角線為回波頂高)

4 小結(jié)

①此次強對流天氣是高空南支槽、低層西南急流、地面冷空氣和地面倒槽共同作用的結(jié)果。

②強對流發(fā)展的前期，干冷空氣疊加于濕暖空氣之上，大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，環(huán)境風(fēng)場具有強烈的垂直風(fēng)切變，低層有暖平流，高層有冷平流，具有產(chǎn)生深厚對流的潛勢。

③颮線由對流單體經(jīng)過合并、發(fā)展形成，在雷達反射率因子圖上表現(xiàn)出鉤狀回波，三體散射、有界弱回波區(qū)BWER，高懸穹窿等特征;徑向速度圖上中尺度輻合線與強回波區(qū)相對應(yīng)，在對流云團發(fā)展旺盛階段出現(xiàn)了中氣旋、“逆風(fēng)區(qū)”、速度模糊;垂直風(fēng)切變對對流的發(fā)展和維持有很大的促進作用;在降雹前垂直液態(tài)含水量出現(xiàn)躍升，并且長時間處于高值狀態(tài)。

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