弱垂直風切變條件下一次颮線大風的特征分析

周宗圣,羅秀明,華 華,楊 偉

(宣城市氣象局,242000,安徽,宣城)

1 引言

宣城地區處于長江中下游,安徽省東南部,地形復雜,災害性天氣種類多。春、夏兩季容易出現強對流天氣,主要包括短時強降水、雷暴大風、冰雹等。而雷暴大風天氣發生頻率較高,往往會給人民生命財產造成重大損失,如房屋損毀,農作物倒伏。颮線是由很多個對流單體側向線狀排列的中尺度對流系統,過境時常伴有雷暴、暴雨、大風、冰雹和龍卷等災害性天氣[1-4]。我國氣象工作者做了大量分析和研究[5-11]。丁一匯等[12]研究指出,按天氣背景,我國颮線可分為槽后型、槽前型、高后型和臺風倒槽或東風波型四種類型,其中發生在槽后或冷渦西南部和高空槽前的最多;冷鋒、切變線、低渦、高空急流、露點鋒和低空風場不連續等,都能觸發颮線系統。吳瑞姣等[13]也參照丁一匯等的做法,根據颮線發生12 h內高、低空環流特征以及天氣系統的差異,將颮線大致分為淺槽、深槽、高壓邊緣、槽后、冷渦五種類型。周昆等[14]通過對淮河流域一次颮線結構的剖析和生消過程的分析發現,地面大風與對流層高層下沉卷入颮線后部的較弱干冷氣流使得颮線后側入流更加明顯這一特征相伴出現。Droegemeier等[15]通過數值模擬也發現,如果存在低層風垂直切變,冷池能夠觸發其前沿空氣產生強上升運動,有利于觸發新的風暴單體。徐小萍等[16-17]分析浙江北部一次災害性大風發現,大風的出現與陣風鋒有緊密的聯系。然而,由于在弱切邊環境下,颮線造成區域性10級以上的雷暴大風天氣過程較少,對其進行短臨預報的經驗及預警指標判據缺少,因此,給實際預警業務造成較大的技術難度。本文針對2022年7月26日颮線過程,對探空環境、衛星資料、雷達資料等進行分析,以期提高宣城地區災害性大風預報及氣象服務水平,為公共氣象服務提供支持和參考。

2 天氣實況及災情

2022年7月26日上午,強對流回波移至安徽省大別山,并在向東移動的過程中逐漸有組織地排列形成颮線。颮線在11時許開始影響宣城地區,并在宣城境內再次加強,直到14時左右強回波帶移出宣城,總共歷時約3小時,期間造成了宣城大范圍的雷暴大風天氣。過程期間,宣城主要以雷暴和大風為主要災害性天氣,全市141站次出現8級以上大風(圖1),占區域站總數的60%以上;25站次風力超過10級,其中郎溪國家站出現12級大風,瞬時風速達到33.5 m/s。受其影響,全市119人受災,1人受傷,房屋損壞13間24戶,直接經濟損失271.62萬元。

圖1 2022年7月26日11—15時宣城市極大風速實況

3 環流背景

本次過程主要發生在500 hPa高空槽東移過境(圖2(a))、副高邊緣,貝湖附近有低壓中心,槽線后側有弱冷空氣南下。過程開始前,宣城位于高空槽前正渦度區,抬升條件較好,低層的西南氣流在中午也有所加強,宣城局地增溫很明顯,熱力條件好;隨著對流開始發展,高空槽東移,宣城逐漸轉為槽后西北氣流控制,干冷空氣隨之注入,850 hPa上有西北和西南氣流的切變線(圖2(b)),對流通過暖區的熱力觸發開始發展新生,再由上層干冷空氣加入后使冷池得到發展維持,對流因此進一步增強。

700～850 hPa圖上受暖脊控制,500 hPa上有冷槽東移,在皖南一帶形成上冷下暖的對流不穩定,T850-T500≥25 ℃,T700-T500≥15 ℃,表示宣城地區層結不穩定。12時30分到50分之間宣城一直存在明顯的地面輻合線(圖3),低層有明顯的氣旋式輻合,在颮線前進方向上有快速移動的陣風鋒,這些中尺度輻合系統對對流的觸發和加強有重要作用,為颮線發展維持提供動力條件。

4 對流條件

7月26日這次過程熱力條件的分析表明,此次過程500 hPa冷槽與700 hPa暖脊及850 hPa暖中心配合,皖南地區呈現“上冷下暖”的層結特征。26日08時安慶探空站(圖4(a))和南京探空站的T-lnP圖顯示(圖4(b)),850 hPa和500 hPa間的溫差為26 ℃左右,700 hPa與500 hPa之間溫差也大于15 ℃;850 hPa以下水汽條件好,而中層都具有干層,這種“上干冷,下暖濕”的配置使江南地區熱力不穩定增強,有利于雷暴大風發生,且使對流在該地區內得到加強發展。

850 hPa上有較明顯的西南急流,風速在15 m/s左右,溫度露點差只有4 ℃,為颮線系統發展提供了充足水汽,而500 hPa溫度露點差達到16 ℃,“上干下濕”也提供了對流發展所需的位勢不穩定。另外,可以看到安慶和南京站的對流有效位能均在1 000 J/kg以上,上午大別山地區已經開始出現對流,能量條件已逐漸釋放,因此08時安慶站CAPE只有1 577.3 J/kg,而宣城地區上午天氣晴好,地面增溫快,11時左右氣溫已超過35 ℃,熱力條件充足,有足夠時間積累能量,所以利用宣城11時地面觀測資料訂正后,CAPE可以達到4 000 J/kg左右,K指數也超過35 ℃且在近地層有逆溫層,配合低的自由對流高度,此時大氣處于極不穩定狀態。0～3 km、0～6 km風垂直切變分別為10 m/s、14 m/s,屬于弱風切變。一般而言,強的風切變有利于風暴的組織化和颮線的長時間維持,而這次過程是在強熱力不穩定、偏弱動力不穩定的環境背景中觸發的。

5 衛星資料分析

根據風云4號衛星的可見光云圖能看到10時45分(圖5(a))左右,在宣城西側有線狀對流云團東移,其中部分對流單體云頂突出,發展高度較高,對流云的前進方向上還有一些新生的對流云團在發展;11時45分(圖5(b))在颮線云系的前沿由于強的輻合抬升,形成了很多向上發展、云頂突起的對流單體,且在颮線前部有陣風鋒云系出現;12時34分(圖5(c))颮線系統主體開始進入宣城地區,前部的陣風鋒云系也逐漸明顯,而颮線后側的入流急流使云系輻散下沉,在颮線后部形成了大片的速度大值區,從而造成地面大風。

6 雷達資料分析

6.1 颮線發展過程

10時左右在宣城西面有多單體風暴排列成線狀對流形成颮線(圖6(a)),快速東移,并形成弓狀彎曲;11時09分(圖6(b))颮線在東移過程中對流單體逐漸分散,有減弱趨勢;之后進入南陵、涇縣境內后新生對流單體重新排列并且加強,涇縣境內出現8～10級大風,此時可以看到颮線前部有陣風鋒出現(圖6(c)),宣州區也自西向北出現8級以上大風天氣;11時51分(圖6(d))颮線北部又出現一條陣風鋒,與之前的陣風鋒相遇觸發對流加強;12時20分(圖6(e))兩條陣風鋒在宣州區相遇合并對流迅速加強,此時宣州區大部分地區出現雷暴大風天氣,宣桐K0和華陽站出現11級大風,之后向郎溪、廣德方向快速移動,造成郎溪國家站出現12級大風(33.5 m/s)。通過風暴分析(圖6(f)),颮線在發展過程中強回波中心一直保持在55～60 dBZ,強回波發展高度大約維持在6 km附近,在11時30分過后可看到回波中心的高度在不斷降低,VIL也有快速下降過程,主要考慮此時颮線后部動量下傳以及干空氣卷入后蒸發產生強烈的下沉氣流,從而使冷池快速移動形成地面大風。

6.2 速度模糊

徑向速度圖上可看到11時45分(圖7(a))0.5°仰角涇縣到青陽一帶都為速度大值區,且已出現速度模糊,速度為30 m/s左右;12時15分(圖7(b))宣州區西部存在30 m/s以上的徑向速度;13時02分(圖7(c))郎溪、廣德出現大片速度模糊區,最大速度達到35 m/s左右。整個過程中0.5°仰角一直存在徑向速度大值區,并且在颮線系統到達宣城前,颮線后部就已出現大片的入流急流區,徑向速度也出現模糊現象,對宣城市出現大風有很好的指示作用,而宣城各縣市區雖然都提前發布了雷雨大風預警,但通過雷達分析仍可進一步提高預警提前量以及預警等級。

6.3 風暴結構分析

12時15分沿白線方向(圖8(a))做剖面,可看到徑向速度剖面上(圖8(b))颮線系統低層為大片的負速度大值區,出現了徑向速度的模糊,最大速度在-35 m/s以上,系統前端是強的輻合上升區,水汽抬升和能量的觸發釋放形成大量降水粒子的下沉與蒸發,在風暴后側由于拖拽作用,產生動量下傳,此時宣城地區地面氣溫下降近10 ℃,并配合干冷空氣的入侵,從而使下沉氣流加強,強烈的下沉空氣使颮線前部的冷池快速移動,在風暴區域形成了大范圍的地面大風區;而前側的入流急流經過冷池的抬升后,形成新對流單體并切斷后側上升入流,使新老單體不斷迭代,從而造成颮線系統的快速東移。

在風廓線產品中(圖8(c))能看到在颮線到達宣城時,0～6 km的垂直風切變有增強趨勢,12時左右0～6 km的垂直風切變上升至20 m/s左右,前期雖然動力條件偏弱,但在超強的能量條件下激發對流產生,且在對流發展過程中動力條件逐漸增強,對冷池能夠持續維持起到關鍵作用,因而也使颮線系統能夠長時間存在影響宣城大部分地區。12時過后中上層的大風核迅速下降也對應了下沉氣流的增強,預示地面大風的發生。

11時57分4.3°仰角大約3.3 km高度可以看到在宣城西南側出現了中層徑向輻合(圖8 (d)),相對速度達到40 m/s左右,屬于強的徑向輻合,且有中氣旋特征,說明此時對流風暴快速發展,大風速核在逐漸增強變厚,隨后宣州區大量站點出現10級雷暴大風。抬高仰角,可以看到對流風暴頂具有強烈輻散(圖8(e)),相對速度超過50 m/s,強烈的風暴頂輻散使下沉作用加強,也增加了對流上下層間能量的交換,有利于下擊暴流的產生。

6.4 雷暴大風報警產品分析

在這次颮線過程發展東移前,rose2.0中雷暴大風的預警產品在11時09分(圖9(a))左右就已經預報出宣州區周邊將會有雷暴大風天氣,而在整個過程期間一直持續到13時左右(圖9(b)),預警產品一直顯示宣城市大部分地區都有雷暴大風,整個過程預警提前20分鐘左右,預警范圍也與實況大致相當,對實際預報預警業務起到了一定的指導作用。

7 結論

1)過程發生在500 hPa高空槽東移過境,副高邊緣,貝湖附近低壓后側弱冷空氣南下的背景中。500 hPa冷槽配合700、850 hPa的暖脊和地面輻合線有利于對流不穩定能量的積累和觸發。

2)探空資料顯示皖南地區呈現“上冷下暖”的層結特征;850 hPa和500 hPa間的溫差為26 ℃左右,700 hPa與500 hPa之間溫差也大于15 ℃,這種“上干冷,下暖濕”的配置使皖南地區熱力不穩定增強,有利于雷暴大風發生。另外,大的對流有效位能、近地層的逆溫層、低的自由對流高度都有利于不穩定能量的觸發。0～3 km、0～6 km風垂直切變偏弱,因此,這次過程是在強熱力不穩定、偏弱動力不穩定的環境背景中發生的。

3)雷達資料對強對流的短臨預報有很好的指導作用?；夭ǖ木€性組織化、颮線的弓形彎曲及颮線前快速移動的陣風鋒都在風暴未達到宣城前就對雷暴大風的出現有指示作用;而低仰角的入流急流產生的大風區和速度模糊都能讓預報員提前做出判斷并發布預警。颮線發展移動過程中,中層的徑向輻合、中氣旋特征以及垂直風切變的增強都預示著風暴繼續發展維持,風暴頂的強烈輻散、大風核的快速下降都對下擊暴流有一定指示。另外,雷暴大風的報警產品可在一定程度上指導預報員提前發布預警,達到預警時效的提前。