仙居縣雷暴大風時空分布及雷達回波特征研究

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 臺州 317300)

0 引 言

雷暴大風是指由雷暴云引起的瞬時風力達到或超過8級(≥17.2 m/s)的強對流天氣,常發生在不穩定層結環境中,其生命史短暫,時間尺度僅為幾十分鐘到幾小時,具有明顯的突發性、局地性和強致災性[1-3]。

國內有不少氣象學者開展過對雷暴大風的研究,在改善雷暴大風的預報預警中起到較好的指示意義。楊德江[4]指出，當氣流由開闊地帶流入峽谷地形時,受狹管效應風速增大,常造成多種氣象災害。俞小鼎等[5]指出，雷暴大風臨近預報主要基于雷達回波特征,中層徑向輻合和弓形回波對雷暴大風預報有很好的指示意義。許愛華等[6]研究指出，雷達回波上的回波合并、高層強回波區以及雷達回波速度場上的“零值線”等特征是判斷雷電發生和強對流天氣的重要依據。吳才明等[7]認為，副熱帶高壓邊緣雷達回波特征主要表現為兩類:一是南北向短帶狀回波,有時會發展為弓狀回波結構;二是強回波單體結構或超級單體回波結構。

雷暴大風的預報難點在于發生條件復雜、受下墊面影響明顯,短臨預報時效有限。本文研究了仙居縣雷暴大風的時空分布和雷達回波特征,以期增進預報員對雷暴大風物理機制的了解,歸納總結當地預報經驗,為展開強對流預報預警工作提供更好的科學技術支撐。

1 資料說明

本文利用全球探空氣球實測資料、浙江省地面自動站資料、浙江省雷達拼圖,結合臺州市雷達基數據、地閃資料,并利用臺風、雷暴資料對大風數據進行質量控制[8-10],剔除60站次冷空氣大風和438站次臺風大風,篩選得到2005—2020年仙居縣共107例雷暴大風過程資料,包含224站次雷暴大風。

2 仙居縣雷暴大風時間分布

2.1 雷暴大風年際分布

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

16 a中仙居縣共發生雷暴大風224站次,平均每年出現大風事件約14站次,其中2017年雷暴大風發生站次最多,2018年次之,分別為34、27站次。仙居縣境內對風向風速進行監測的區域自動站數量逐年增長,由2005年的4個站(包括仙居國家基本站)不斷增長到2020年的39個自動站。較早年份存在雷暴大風發生、但由于自動站密度小導致未能觀測到大風數據的情況。自2005年起，共有4次明顯的震蕩過程,呈現4～6 a的周期性規律變化。2005年雷暴大風站次/自動站數值最大,為1.75站次。2006、2017年次之,分別為1.18、1.17站次。雷暴大風站次與自動站總站數之比年際波動大,與雷暴大風日的年際波動存在較明顯的相似程度。

2.2 雷暴大風月際分布

2005—2020年仙居縣雷暴大風日的月際分布如圖1所示,圖1中實線表示全年雷暴大風平均線。雷暴大風主要集中在3—11月,呈現明顯的單峰分布,7月雷暴大風日共有39日,占總日數的36%。5—8月的雷暴大風日超過全年雷暴大風日平均值。根據氣候季節劃分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。雷暴大風可出現在春、夏和秋3個季節,其中以夏季最多,共76日,占雷暴大風總日數的71%;春季、秋季次之。冬季未發生雷暴大風。

圖1 2005—2020仙居縣雷暴大風日的月際分布

雷暴大風季節特征顯著,夏季仙居受副熱帶高壓影響,熱力條件增強,易導致層結不穩定,產生的中尺度對流系統相對較多,更易產生雷暴云。對夏季發生的雷暴大風過程的極大風速、日最高氣溫進行統計可知，在夏季雷暴大風最大風速達到28.4 m/s,中位數為18.8 m/s;日最高氣溫區間為21.5～39.1 ℃,中位數為30.7 ℃,平均值達到30.8 ℃。由降水量的統計資料可知,夏季近85%的雷暴大風過程伴有降水。濕微下擊暴流是仙居縣雷暴大風最主要的形式,而干微下擊暴流占所有過程的15%。

2.3 雷暴大風日分布

根據雷暴大風過程中最大陣風出現的時間,統計雷暴大風在05—08時、09—11時、12—14時、15—17時、18—20時、21—24時和01—04時各時段內的分布情況可知,雷暴大風日變化特征明顯,呈現明顯的單峰型,高頻時段為下午和傍晚,峰值出現在下午。夜間和上午為雷暴大風發生的低頻時段。

雷暴活動和太陽總輻射存在密切的關系[11]。太陽輻射在中午前后達到最強,地面升溫明顯,在午后氣溫達到最高,對流抑制減少,低層熱量不斷上傳,加劇大氣層結不穩定,有利于雷暴大風的發生發展。夜間到上午時段,太陽輻射銳減,地面氣溫相對較低,對對流的發展有一定抑制作用,不利于雷暴大風發生。

3 仙居縣雷暴大風空間分布

仙居縣地處浙江東南丘陵,地形由外向內傾斜,主要由平原、丘陵和山地3種地形共同構成。永安溪自西向東橫貫仙居全境,境內38條支流成樹枝分散型從南北兩個方向匯入干流。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,呈現南北羽翼狀山丘地帶。

2011—2020年仙居縣雷暴大風空間分布不均勻，其中雷暴大風高頻發生站點為仙居國家基本站(丘陵)、蓄能站(山地)、安嶺站(山地)和山岙站(山地),分別發生雷暴大風過程19、18、12和12例。仙居境內3種地形中海拔較高的山地地區發生雷暴大風的頻率更高。全境范圍內自西向東有多個雷暴大風高頻區,主要分布在永安溪兩側較為開闊的河谷地區,與南北側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,可使氣流迅速產生匯流和輻合,有利于形成風速輻合中心。

地形的迎風坡和背風波效應會產生強迫抬升作用,有利于觸發強對流天氣。仙居南北兩側羽翼狀山地地形具有迎風坡的動力抬升作用,有利于激發和加強中尺度渦旋的發展。氣流越過山脊后可激發背風波,有利于在山區與平原的交界區域激發新的對流,使得開闊的河谷兩側地區發生雷暴大風。

山地與平原之間的海拔梯度可為雷暴大風的發展提供層結不穩定和熱力作用。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。地形對于水汽也存在阻擋和積累作用,使山前水汽垂直梯度強于遠離山區的平原地區,使大氣層結更加不穩定。

4 仙居縣雷暴大風的雷達回波特征分析

雷暴大風的短臨監測和臨近預警主要依賴新一代天氣雷達網,對雷暴生成后幾分鐘至3 h的演變趨勢進行實時追蹤,并通過預測雷達回波的強度變化、形狀以及移動方向,進行大風預報預警的發布。對仙居縣雷暴大風過程的雷達回波特征進行歸納,對大風預報有著非常重要的參考價值。

4.1 雷達回波的移動方向

利用2010—2020年的臺州雷達基數據,對仙居縣境內發生的77次雷暴大風過程的雷達回波進行分析。如表1所示,回波自西向東影響仙居縣造成雷暴大風的過程最多(C表示回波在仙居邊界生成并呈環狀向內發展),達到24次,占所有雷暴大風總過程的31%;西北—東南向移動的過程有19次,占所有雷暴大風總過程的25%;西南—東北向移動以及由仙居縣境外呈環狀、以仙居縣為中心發展靠近的過程均為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 仙居縣雷暴大風雷達回波移向及占比

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

表2 仙居縣雷暴大風局地發展的雷達回波移向及占比

4.2 雷達回波的形狀

對雷達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種回波的相互轉換的形態進行分類。

如圖2所示,仙居縣境內由塊狀回波發展增強導致雷暴大風生成的次數最多,達到37次,占比為48%。該37次過程中,20次塊狀回波是局地發展起來的,其中有14次塊狀回波是在仙居境內局地發展增強,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展并增強,呈環狀向仙居境內發展。該類局地發展起來的雷達回波發生在5—9月,以7、8月頻次最高,達到總次數的80%。在強度方面,局地發展起來的塊狀回波在進入仙居境內后強度發展增強的概率達到90%,并且離境后強度迅速減弱,只有極個別離境后強度維持或增強。

圖2 雷暴大風回波類型分類及占比

塊狀回波引起雷暴大風的過程發生在3—9月,主要集中在夏季(6—8月),共30次,達到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的極端最高氣溫發生在7月;3 a極端最高氣溫發生在8月。對于塊狀回波引起的雷暴大風過程,均發生在12—20時,其中24次發生在15—18時。對由塊狀回波引起的雷暴大風過程日最高氣溫進行統計,得到日最高氣溫中位數為28.9℃,日最高氣溫平均值為29.2℃。對當天日最高氣溫大于29℃的22次雷暴大風過程的日最高氣溫與極大風風速進行相關性分析,得到相關系數為0.42。

雷暴大風過程中由明顯的弓狀回波引起的過程數量達到19次,占比為25%。弓狀回波引起的雷暴大風過程,雷達強度較帶狀、片狀回波普遍更強,達到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的區域,向東和東南方向移動,分別為12次和6次;僅1次雷暴大風過程是在仙居邊界回波局地發展增強連結形成弓狀回波。

表3 仙居縣雷暴大風弓形回波的移動方向及占比

在強度方面,雷暴大風14次在進入仙居境內后強度增強,離開仙居后強度維持或迅速減弱;2次進入仙居境內后強度維持,離境后強度維持或減弱;2次進入仙居境內強度減弱,離境后繼續減弱;1次在仙居的西邊界減弱后,東移至仙居的東邊界增強。

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

上述4類回波在移動進入仙居境內強度普遍增強或維持,離境后減弱或維持。在回波移動過程中,受到下墊面地形和溫度影響,強度和形狀會發生變化,4類回波形態存在相互轉換。以塊狀回波發展成弓狀回波引起雷暴大風的次數居多,為5次。塊狀回波轉變為帶狀、片狀均為1次。片狀回波轉變為弓狀、塊狀的過程分別為2、1次。

5 結 語

本文利用2005—2020年浙江省地面自動站資料大風數據和浙江省雷達拼圖,對仙居縣雷暴大風進行時空分布特征、地形對大風的影響以及雷達回波特征進行分析,主要結論如下。

(1)16 a中仙居縣雷暴大風日年際變化明顯,呈現波動性增長。雷暴大風年站次與自動站總站數自2005年起共有4次震蕩起伏過程,呈現4～6 a的周期性規律變化。在月際變化上,雷暴大風可出現在春、夏和秋3個季節,呈現明顯的單峰型,夏季雷暴大風過程最多,春季、秋季次之。在日分布上,仙居縣雷暴大風日變化特征明顯,呈現明顯的單峰型,高頻時段為14—20時,峰值出現在下午,傍晚次之。夜間和上午為雷暴大風發生的低頻時段。

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

(3)在雷達回波移向上,自西向東影響仙居縣造成雷暴大風的過程最多,自西北向東南方向移動的過程次之?；夭◤南删游鱾纫云珫|分量移動的過程占比共達到68%,是造成雷暴大風最主要的移向。在回波形態上,由塊狀回波發展增強導致雷暴大風生成的次數最多,弓狀回波次之。但弓狀回波過程雷達回波強度普遍較強,范圍更廣。在強度變化上,各類雷達回波進入仙居境內強度普遍增強或維持,離境后減弱或維持。