海南北部一次雷暴大風(fēng)過程的天氣學(xué)特征分析

海南北部一次雷暴大風(fēng)過程的天氣學(xué)特征分析

1雷暴大風(fēng)的環(huán)境、條件及防治建議在對(duì)抗風(fēng)災(zāi)的災(zāi)害田氣現(xiàn)象中，雷雷風(fēng)具有突發(fā)性、地方性、強(qiáng)度強(qiáng)大、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。雷雷風(fēng)通常會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)事故，極端風(fēng)暴會(huì)導(dǎo)致船艙事故、財(cái)產(chǎn)損失和人員損失。雷暴大風(fēng)出現(xiàn)頻率高,但預(yù)報(bào)、預(yù)警難度較大,目前基層氣象臺(tái)站主要基于多普勒雷達(dá)和區(qū)域加密自動(dòng)站進(jìn)行監(jiān)測(cè)。雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)境條件、觸發(fā)機(jī)制和多普勒雷達(dá)產(chǎn)品特征是災(zāi)害性強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)研究的重要內(nèi)容。美國區(qū)域性雷暴大風(fēng)多由鑲嵌著弓形回波的颮線造成2雷霆風(fēng)暴及受害者受海南島西北部近海的雷暴大風(fēng)和冰雹的影響,造成儋州市的北部附近海域的人員傷亡和木棠鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)作物受損。3由于時(shí)間和環(huán)境條件3.1立法的風(fēng)速輻合線2016年4月10日20時(shí),500hPa西風(fēng)槽位于湖南西部至廣西南部,未來緩慢東移過110°E,副熱帶高壓控制南海中部和南部海域;850hPa和925hPa切變線西段南壓至廣西南部及其沿海地區(qū),850hPa海南島北部為西南風(fēng)的風(fēng)速輻合區(qū);地面鋒面到達(dá)福建西部至廣西南部地區(qū)后靜止少動(dòng),近地層弱冷平流向南擴(kuò)散,北部灣北部海面形成東北風(fēng)和偏東風(fēng)的地面中尺度切變線,由于海陸風(fēng)效應(yīng),海南島中北部地區(qū)也存在一條中尺度輻合切變線(海風(fēng)鋒),為東北風(fēng)和偏南風(fēng)的輻合;200hPa副熱帶西風(fēng)急流軸在25°N附近,急流中心風(fēng)速達(dá)到56m/s,海南島處于高空急流分流區(qū)下方(圖2)。海南島北部和華南沿海位于500hPa槽前、低空急流左前側(cè)、低層切變線南側(cè)、高空急流分流區(qū)下方和地面靜止鋒南側(cè),處于低層輻合和高層輻散的有利于對(duì)流發(fā)展的較大范圍上升氣流區(qū)。3.2對(duì)流系統(tǒng)調(diào)查分析10日20時(shí),?？谡綯-lnP圖顯示(圖略),溫度和露點(diǎn)層結(jié)曲線呈現(xiàn)喇叭口型,500hPa存在明顯干層,850hPa接近飽和;850hPa和500hPa的溫度差為29℃,SI指數(shù)為-3.6℃;海南島北部地區(qū)大氣層結(jié)具有較強(qiáng)的條件不穩(wěn)定性。通過衛(wèi)星云圖和多普勒雷達(dá)回波分析,造成這次海南島雷暴大風(fēng)的對(duì)流系統(tǒng)是在北部灣北部海面生成,然后在自西向東移動(dòng)的過程中加強(qiáng);10日20時(shí),廣東、廣西的中南部SI指數(shù)均為負(fù)值,大部分地區(qū)SI≤-3℃;對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)路徑上的大氣層結(jié)均為條件不穩(wěn)定,有利于對(duì)流系統(tǒng)持續(xù)加強(qiáng)。判斷強(qiáng)對(duì)流潛勢(shì)的兩個(gè)重要對(duì)流參數(shù)分別是對(duì)流有效位能CAPE和水平風(fēng)的深層垂直切變。為了判斷造成此次海南島雷暴大風(fēng)的對(duì)流系統(tǒng)的強(qiáng)對(duì)流潛勢(shì)是否有利,我們選取最具有代表性的廣西北海探空站的資料進(jìn)行分析,該探空站位于靜止鋒前、雷暴初始出現(xiàn)位置的上游。10日20時(shí)北海探空顯示(圖3),CAPE值為1100J/kg,0~6km(地面~500hPa)風(fēng)矢量差為28m/s,對(duì)應(yīng)的垂直風(fēng)切變?yōu)?.8×10北部灣的北部海面生成的相對(duì)較弱的對(duì)流風(fēng)暴在自西向東移動(dòng)的過程中,經(jīng)過中等強(qiáng)度的熱力垂直層結(jié)不穩(wěn)定、上干冷下暖濕的溫-濕廓線垂直結(jié)構(gòu)、強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變區(qū)域,非常有利于伴有雷暴大風(fēng)、強(qiáng)冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水天氣的強(qiáng)風(fēng)暴(包括超級(jí)單體風(fēng)暴)的組織化發(fā)展,并長(zhǎng)時(shí)間維持。4多單體、弓形回波4月10日21:09,海口多普勒雷達(dá)探測(cè)到北部灣北部海面不斷有對(duì)流單體生成,沿著2.1小節(jié)中提到的北部灣北部海面的中尺度切變線逐漸排列成東北-西南向的回波帶向偏東方向移動(dòng);11日00:21,當(dāng)帶狀回波移至海南島西北部海面時(shí),與海面上的新生單體合并加強(qiáng),繼續(xù)發(fā)展東移。這次雷暴大風(fēng)過程經(jīng)歷了多單體帶狀回波階段(01:24—02:32)和弓形回波階段(02:38—04:11);04:11以后,弓形回波主體從海南文昌東移出海后,在海口多普勒雷達(dá)有效探測(cè)距離內(nèi)強(qiáng)度仍然維持。4.1弓形回波演變特征11日00:21,在帶狀回波向海南島西北部海面移動(dòng)的過程中,各個(gè)單體分別得到不同程度的發(fā)展。01:24,由3個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴東北-西南向排列成的多單體帶狀回波在距離儋州沿海陸地約25km的西北部近海海面上;多單體帶狀回波繼續(xù)東移時(shí)造成了海南島西北部近海和陸地的雷暴大風(fēng)。圖4是11日?？诙嗥绽绽走_(dá)1.5°仰角01:24—02:38期間4個(gè)時(shí)刻的反射率因子和對(duì)應(yīng)的平均徑向速度演變圖,反映了多單體帶狀回波上A、B、C的3個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴的演變過程以及弓形回波的最終形成。11日01:24,強(qiáng)風(fēng)暴A已發(fā)展為超級(jí)單體由圖5a、5c可知,01:36,強(qiáng)風(fēng)暴B也發(fā)展為超級(jí)單體01:36,強(qiáng)風(fēng)暴C也出現(xiàn)中高層回波懸垂和低層弱回波區(qū),弱回波區(qū)的反射率因子梯度偏小,平均徑向速度產(chǎn)品(圖5b)表現(xiàn)為徑向速度輻合,剖面圖上存在風(fēng)暴前側(cè)的入流和后側(cè)較強(qiáng)的下沉氣流以及7km以上向著雷達(dá)的強(qiáng)速度區(qū)(圖5d)。01:48(圖4),平均徑向速度圖上出現(xiàn)正、負(fù)速度對(duì),但旋轉(zhuǎn)速度沒有達(dá)到中氣旋標(biāo)準(zhǔn),僅體現(xiàn)為弱切變。01:55—02:07,強(qiáng)風(fēng)暴C進(jìn)一步加強(qiáng)為超級(jí)單體,其中氣旋旋轉(zhuǎn)速度明顯增大,其中02:01達(dá)到中等強(qiáng)度中氣旋的標(biāo)準(zhǔn),此時(shí)超級(jí)單體C距離雷達(dá)56.5km,旋轉(zhuǎn)速度為21m/s(該中氣旋最大正、負(fù)速度分別為17m/s、-24m/s)。02:13—02:38,超級(jí)單體A衰減,其位于最初形成的弓形回波西南端,中氣旋演變?yōu)橹蟹礆庑?而超級(jí)單體B和C合并最終形成弓形回波,其北端和南端分別具有氣旋式和反氣旋式中尺度渦旋,通常稱為“bookendvortex”,或“Lineendvortex”,其形成機(jī)理與中氣旋明顯不同另外,?？诙嗥绽绽走_(dá)2.4°仰角反射率因子顯示(圖略),4月11日01:24—01:48,超級(jí)單體A持續(xù)探測(cè)到三體散射和旁瓣回波特征,VIL維持在58~70kg/m4.2弓形回波東移后形成大風(fēng)期由4.1小節(jié)分析可知,4月11日02:38,強(qiáng)風(fēng)暴B和C合并最終形成這次雷暴大風(fēng)過程的弓形回波。圖4中的海口多普勒雷達(dá)1.5°仰角02:38平均徑向速度顯示,強(qiáng)風(fēng)暴B和C均出現(xiàn)了速度模糊,各自具有強(qiáng)勁的后側(cè)入流急流,分別為34m/s和39m/s。02:44,強(qiáng)風(fēng)暴B和C強(qiáng)勁的后側(cè)入流合并為一支入流急流,直至04:11,弓形回波主體從海南文昌東移出海,其后側(cè)入流急流在0.2~2.0km高度上始終維持39m/s。對(duì)比1.5°仰角反射率因子,02:38(圖4),強(qiáng)風(fēng)暴B和C合并,初步具有弓形回波特征。03:15—04:11(圖6左),回波經(jīng)過?？诶^續(xù)東移的過程中,弓形回波特征更加明顯;弓形回波東移先后造成瓊州海峽、?？诒辈康貐^(qū)出現(xiàn)11級(jí)(32.6m/s、31.3m/s)大風(fēng)和文昌北部地區(qū)出現(xiàn)10級(jí)(27.6m/s)大風(fēng)。另外,02:38—04:11,在強(qiáng)風(fēng)暴B和C合并為弓形回波而后東移過程中,強(qiáng)風(fēng)暴A始終位于弓形回波的西南側(cè),與弓形回波一起向偏東方向移動(dòng),強(qiáng)度維持在50~55dBz,在03:52造成定安縣定城鎮(zhèn)發(fā)生8級(jí)(17.9m/s)大風(fēng)?？傮w而言,4月11日海南島致災(zāi)雷暴大風(fēng)過程伴有大冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水,在此次大風(fēng)形成過程中,雷暴周邊相對(duì)干的空氣被夾卷進(jìn)入雷暴,導(dǎo)致雷暴下沉氣流內(nèi)冰雹升華和雨水迅速蒸發(fā)冷卻使得下沉氣流降溫,從而導(dǎo)致向下的加速度,對(duì)下沉氣流起到了加速作用5多組扭轉(zhuǎn)和弓后旋轉(zhuǎn)的保存原因5.1不穩(wěn)定因素引起風(fēng)暴風(fēng)動(dòng)力強(qiáng)風(fēng)暴的長(zhǎng)期維持機(jī)理11日海南省區(qū)域性雷暴大風(fēng)過程,01:24—04:11以后,多單體帶狀回波中的A、B、C三個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴生命史長(zhǎng)達(dá)1h,弓形回波維持超過2h,這兩種回波的結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境的相互作用,即強(qiáng)的低層環(huán)境風(fēng)垂直切變和雷暴內(nèi)部的正反饋機(jī)制是風(fēng)暴系統(tǒng)得以長(zhǎng)時(shí)間維持的主要原因。多單體帶狀回波和弓形回波在垂直結(jié)構(gòu)上均表現(xiàn)為風(fēng)暴前側(cè)的主入流和后側(cè)的主出流錯(cuò)開,風(fēng)暴前側(cè)的偏東或東南暖濕入流與風(fēng)暴后側(cè)的冷池出流形成強(qiáng)輻合或中層徑向輻合,上升發(fā)展區(qū)和下沉出流區(qū)傾斜依存的自組織結(jié)構(gòu)有利于強(qiáng)風(fēng)暴長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展維持陣風(fēng)鋒與雷暴母體的相對(duì)速度或相對(duì)距離不同,對(duì)其具有不同的正、負(fù)反饋?zhàn)饔?。席寶珠等海口多普勒雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品顯示(圖略),10日下午—11日早晨,1.5km高度上維持12~16m/s的西南風(fēng)急流,2~3km高度上的西南風(fēng)大于20m/s,0~1.5km和0~2km的低層垂直風(fēng)切變約為10×105.2中尺度輻合線10日(圖8a),近地層海南受西南熱低壓控制,以偏南風(fēng)為主;午后隨著地面氣溫快速升高,受海陸風(fēng)效應(yīng)影響,海南島北部地區(qū)維持一條東北風(fēng)和偏南風(fēng)的β中尺度輻合切變線(海風(fēng)鋒);夜間開始弱冷平流向南擴(kuò)散,地面β中尺度輻合切變線繼續(xù)維持。11日(圖8b),海南島大范圍的雷暴大風(fēng)集中出現(xiàn)在地面β中尺度輻合切變線的北側(cè),即冷區(qū)一側(cè)。當(dāng)多單體帶狀回波和弓形回波前沿的陣風(fēng)鋒與地面中尺度輻合切變線相遇時(shí)加劇了對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展6多單體抗暴能力強(qiáng)的陣風(fēng)鋒在雷暴大風(fēng)中的表現(xiàn)本文對(duì)2016年4月11日凌晨發(fā)生在海南島北部近海和陸地的大范圍雷暴大風(fēng)天氣過程的多普勒雷達(dá)、區(qū)域加密自動(dòng)站和常規(guī)資料進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下。(1)這次雷暴大風(fēng)過程發(fā)生在500hPa槽前、低空急流左前側(cè)、低層切變線南側(cè)、高空急流分流區(qū)以下和地面靜止鋒南側(cè),處于低層輻合和高層輻散的有利于對(duì)流發(fā)展的較大范圍上升氣流區(qū);對(duì)流風(fēng)暴經(jīng)過中等程度的條件不穩(wěn)定和對(duì)流有效位能CAPE、上干冷下暖濕的溫-濕廓線垂直結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變區(qū)域,最終組織發(fā)展成產(chǎn)生雷暴大風(fēng)、大冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴系統(tǒng)。(2)這次雷暴大風(fēng)過程經(jīng)歷了多單體帶狀回波階段和弓形回波階段。對(duì)流風(fēng)暴移動(dòng)路徑上的大氣環(huán)境均具有條件不穩(wěn)定和強(qiáng)的垂直風(fēng)切變,多單體帶狀回波中鑲嵌的A、B、C三個(gè)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴中的A和B先后各自發(fā)展為超級(jí)單體,具有中氣旋和有利于雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的中層徑向輻合特征;弓形回波是由強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴B和C合并加強(qiáng)而成,其中風(fēng)暴C中發(fā)展的中氣旋加強(qiáng)成為弓形回波北部的氣旋式中尺度渦旋;這次雷暴大風(fēng)過程伴有冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水,干空氣的夾卷導(dǎo)致冰雹升華和雨水迅速蒸發(fā)冷卻對(duì)下沉氣流起到了加速作用,使得弓形回波后側(cè)的下沉氣流急流在0.2~2km高度上始終維持39m/s。(3)多單體帶狀回波和弓形回波自西向東移動(dòng)造成了這次大范圍雷暴大風(fēng)過程,其長(zhǎng)時(shí)間維持的主要原因有:強(qiáng)的低層環(huán)境風(fēng)垂直切變一方面使得對(duì)流風(fēng)暴前側(cè)強(qiáng)勁的暖濕入流與風(fēng)暴后側(cè)徑向風(fēng)速相當(dāng)?shù)睦涑爻隽鏖L(zhǎng)時(shí)間傾斜依存,另一方面使得風(fēng)暴前沿的新生單體向垂直方向發(fā)展,從而有利于對(duì)流風(fēng)暴系統(tǒng)的發(fā)展傳播;在雷暴大風(fēng)過程中(01:24—04:11)伴隨著多單體帶狀回波和弓形回波移動(dòng)的陣風(fēng)鋒與對(duì)流風(fēng)暴的最短距離始終維持在10km左右,陣風(fēng)鋒對(duì)對(duì)流風(fēng)暴具有正反饋?zhàn)饔?地面原來存在的β中尺度輻合切變線與陣風(fēng)鋒相遇時(shí)加劇對(duì)流風(fēng)暴發(fā)展;對(duì)流風(fēng)暴主體回波沿著海南島北部近海東移,摩擦耗散較小,水汽充沛。2016年4月11日01—05時(shí)(北京時(shí),下同)