2007年8月13日天津多普勒天氣雷達(dá)觀測分析

2007年8月13日天津多普勒天氣雷達(dá)觀測分析

0邊界層結(jié)構(gòu)特征和雷暴天氣的研究利用多普勒時間雷達(dá)數(shù)據(jù)研究了邊界層輻射源觸發(fā)的雷洼天氣機(jī)制，取得了一些成果。WilsonandSchreiber(1986)、WilsonandMegenhardt(1997)提出雷暴天氣的形成與邊界層輻合線密切相關(guān),研究表明邊界層輻合線的監(jiān)測和特征識別是雷暴形成、發(fā)展和消亡的關(guān)鍵所在,如果大氣垂直層結(jié)有利于對流的發(fā)展,在兩條邊界層輻合線的碰撞相交處,一般會觸發(fā)形成雷暴,如果邊界層輻合線相交處本來就有雷暴,則該雷暴會迅速發(fā)展。國內(nèi)關(guān)于雷暴天氣形成的新型觀測資料特征及其觸發(fā)強(qiáng)對流天氣的邊界層結(jié)構(gòu)特征開展了許多相關(guān)的研究。王楠和劉黎平(2007)給出了應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)資料識別邊界層輻合線的方法。高留喜等(2011)、李慶寶等(2010)應(yīng)用多種觀測資料,分析了邊界層結(jié)構(gòu)特征觸發(fā)強(qiáng)對流的演變機(jī)制。俞小鼎(2005)應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)資料對雷暴天氣形成的環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)特征做了大量的研究工作。盧煥珍等(2007)、吳息等(2014)、尹東屏等(2010)應(yīng)用新型探測資料分析海陸風(fēng)輻合線特征及其觸發(fā)典型強(qiáng)對流天氣的規(guī)律。王彥等(2006a,2006b)研究渤海灣典型海風(fēng)鋒觸發(fā)形成強(qiáng)對流天氣的作用,提出雷暴大風(fēng)的強(qiáng)弱與海風(fēng)鋒與其他邊界層碰撞有關(guān),碰撞的交叉處一般使雷暴加強(qiáng),也應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)和氣象鐵塔資料分析了雷暴大風(fēng)的中尺度結(jié)構(gòu)特征,并分類分析了雷暴大風(fēng)天氣的多普勒雷達(dá)特征。王彥等(2011a,2011b)應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)并結(jié)合氣象鐵塔資料進(jìn)一步分析渤海灣海風(fēng)鋒的天氣氣候特征以及它與雷暴形成并加強(qiáng)的演變關(guān)系,同時也分析了邊界層輻合線對強(qiáng)對流天氣觸發(fā)和形成的作用。黃利萍等(2012,2013)、苗峻峰(2014)、董良鵬等(2014)應(yīng)用常規(guī)資料分析了城市熱島效應(yīng)的時空分布特征,以及天津地區(qū)夏季海陸風(fēng)對城市熱島日變化特征的影響,針對城市熱島環(huán)流和海風(fēng)環(huán)流的耦合效應(yīng),提出需要深入解決這種耦合效應(yīng)觸發(fā)強(qiáng)對流天氣的演變機(jī)制。但是,目前國內(nèi)很少有學(xué)者分析海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒碰撞形成雷暴天氣的診斷特征。隨著渤海灣海風(fēng)鋒觸發(fā)形成雷暴天氣個例的增多,針對渤海灣海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒碰撞形成的雷暴天氣,應(yīng)用天津地面自動氣象站資料結(jié)合850hPa以上的北京探空資料,組合成新的探空資料,對這類雷暴天氣的形成做診斷分析。1地面雷暴診斷資料本文資料選自2007年8月13日天津多普勒天氣雷達(dá)(CINRADWSR/98D)探測到的渤海灣海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒碰撞形成雷暴的天氣個例,以及相關(guān)典型的海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒碰撞形成雷暴的天氣個例。這些資料主要是來自天津多普勒天氣雷達(dá)。同時選取同期天津36個6要素的自動氣象站逐時觀測資料,采用氣溫、風(fēng)向和風(fēng)速、氣壓和降水等要素的變化特征,并結(jié)合北京850hPa以上探空資料組合稱為新的診斷資料。另外還使用Micaps3系統(tǒng)中的500hPa、700hPa、850hPa和地面常規(guī)探測資料。2天津地區(qū)雷暴天氣概況2007年8月13日11—18時(北京時間,下同)天津地區(qū)自東北向西南陸續(xù)出現(xiàn)雷暴天氣。這次雷暴天氣是海風(fēng)鋒和陣風(fēng)鋒之間相互碰撞,在碰撞周圍約20km處,形成了雷暴天氣。2.1天氣形勢對比2007年8月10日08時500hPa上有一東北冷渦,其中心位于126.61°E、48.58°N,天津處于東北冷渦底部的平直西風(fēng)氣流里,此時西風(fēng)風(fēng)速8m/s,氣溫為-10℃,但是溫度平流明顯落后于高度平流,11日形成了深厚的高空槽,受其影響,天津出現(xiàn)了一次明顯的強(qiáng)降水。環(huán)流背景形勢仍舊在調(diào)整過程中,8月12日08時500hPa東北冷渦主要影響系統(tǒng)已減弱移出影響天津地區(qū)的關(guān)鍵區(qū)域,天津還繼續(xù)維持著10m/s的風(fēng)速,氣溫基本維持-11℃,但是850hPa氣溫回暖速度非常快,由11日的4℃增至12日的14℃;配合地面形勢天津處于弱氣壓場形勢中,同時伴有輕霧出現(xiàn)。但是,500hPa與850hPa的氣溫差由11日08時的-25℃增加到了12日的-39℃。事實上,由于時間分辨率和空間分辨率的限制,應(yīng)用這種常規(guī)資料很難準(zhǔn)確地預(yù)報這種局地形成的雷暴天氣。但是,應(yīng)用新型的探測資料彌補(bǔ)了常規(guī)資料的不足,能夠清晰的捕獲這種中小尺度雷暴天氣的發(fā)生發(fā)展。2.2和風(fēng)鋒和陣風(fēng)鋒碰撞形成雷暴天氣的機(jī)制多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品演變特征(圖1)。12時海風(fēng)鋒已形成并向西北方向推進(jìn);至15時,海風(fēng)鋒已移到圖1a紅色箭頭所示位置,此時海風(fēng)鋒的強(qiáng)度約為25dBz,寬度不足10km,高度不足2km。它繼續(xù)向西北方向推進(jìn)。同時,自東北方向有對流回波形成的陣風(fēng)鋒(圖1b,黑色箭頭所示),陣風(fēng)鋒的強(qiáng)度約為25dBz,寬度也不足8km,正向西南方向移動。16時,向西北方向移動的海風(fēng)鋒和向西南移動的陣風(fēng)鋒相互碰撞,碰撞后(圖1b中紅色方框內(nèi)所示),在海風(fēng)鋒前端,陣風(fēng)鋒的前方有新的雷暴單體形成;同時陣風(fēng)鋒后部對流回波加強(qiáng)。這個新的回波單體6min內(nèi)強(qiáng)度由30dBz迅速增至50dBz,回波最強(qiáng)達(dá)到了55dBz,回波高度約為8km,回波面積也快速增大。對于陣風(fēng)鋒后部的對流回波單體,回波形態(tài)發(fā)生了顯著變化,由橢圓形變?yōu)轱@著的弓型回波,最強(qiáng)回波達(dá)到了55dBz,同時高度在8km的面積范圍顯著增大。它在繼續(xù)向西南方向移動,回波單體逐漸合并減弱后維持2h后消散了。自動氣象站資料的演變特征(圖略)。12時海風(fēng)鋒已經(jīng)形成,并逐漸向西北方向推進(jìn),至14時,海風(fēng)鋒向西北方向推至東麗,此時,東麗顯示氣溫為30℃,風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南風(fēng)4m/s,濕度明顯增加。15時,海風(fēng)鋒已到達(dá)天津市區(qū),并繼續(xù)向西北方向推進(jìn)。16時,海風(fēng)鋒在向西北方向移動的過程中,自東北方向也有對流云團(tuán)活動,其中對流云團(tuán)前部形成了陣風(fēng)鋒,陣風(fēng)鋒先后自東北向西南依次經(jīng)過寶坻、武清等,當(dāng)陣風(fēng)鋒通過寶坻時,氣象要素變化最為劇烈,氣溫降低的幅度最大,為8℃。以后陣風(fēng)鋒逐漸遠(yuǎn)離主體回波,陣風(fēng)鋒也在減弱,降溫幅度也依次在減小。陣風(fēng)鋒繼續(xù)向前移動,與海風(fēng)鋒在寶坻武清相遇后,在相互碰撞的地方形成了雷暴天氣。自動氣象站資料和多普勒天氣雷達(dá)探測的信息相互吻合。2.3垂直風(fēng)切變與陣風(fēng)鋒碰撞形成階段利用天津36個自動氣象站逐時觀測資料,使用氣溫、風(fēng)向和風(fēng)速、氣壓和降水等要素的變化特征,結(jié)合北京850hPa以上探空資料組合成新的診斷資料,對2007年8月13日渤海灣海風(fēng)鋒的形成演變特征做診斷分析(圖2)。這次過程根據(jù)海風(fēng)鋒特征分為三階段:形成階段、發(fā)展成熟階段和消散階段。形成階段,海風(fēng)鋒形成之前,天津無明顯的垂直風(fēng)切變特征。11時(圖2a),近渤海沿海形成了弱垂直風(fēng)切變梯度,垂直風(fēng)切變總體呈現(xiàn)為東部高西邊低的形勢,垂直風(fēng)切變梯度在向西緩慢移動過程中逐漸加強(qiáng)。垂直風(fēng)切變密集區(qū)與海風(fēng)鋒前沿的移動路徑基本重合,11時垂直風(fēng)切變值由前期的2.0m/s增大到2.5m/s。同時溫度梯度也已形成。不穩(wěn)定能量正在積累,CAPE(convectiveavailablepotentialenergy,對流有效位能)值也有明顯變化,從08時1510J/kg到11時增加到了2015J/kg。發(fā)展成熟階段,診斷分析表明垂直風(fēng)切變梯度繼續(xù)向西推進(jìn),14時,垂直風(fēng)切變繼續(xù)維持東部高,西部低的形勢,并加強(qiáng)到3m/s。16時,垂直風(fēng)切變密集區(qū)向西推進(jìn)(圖2b,粗實線位置),強(qiáng)度維持在3m/s。垂直風(fēng)切變密集區(qū)始終與雷達(dá)探測的海風(fēng)鋒前沿位置基本重合。此時,自北方路徑有對流云團(tuán)前端形成的陣風(fēng)鋒在活動(圖2b,粗點線),16時前后海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒在寶坻(圖2b△位置)相互碰撞,寶坻附近有新的雷暴形成。從寶坻觀測站垂直風(fēng)切變逐時演變(圖3)來看,自08時開始其值在2m/s波動,到15時開始增大到2.5m/s,16時為2.8m/s,此時雷暴天氣形成,垂著風(fēng)切變繼續(xù)增加到3.0m/s。隨后,雷暴天氣也隨之減弱,垂直風(fēng)切變也在減弱。從CAPE值演變情況來看,從08時其值約為1500J/kg,在隨后5h內(nèi)逐步增大,到15時增大到了約2000J/kg,1h以后其值快速增加,增加到了2500J/kg,雷暴天氣形成后迅速減小。消散階段,隨著海風(fēng)鋒逐漸向西移動,海風(fēng)鋒垂直風(fēng)切變梯度逐漸減弱,與之對應(yīng)雷暴天氣也在減弱。上述分析表明,海風(fēng)鋒前沿與0~3km垂直風(fēng)切變梯度密集區(qū)相互對應(yīng),同時也與露點溫度梯度變化較快的區(qū)域大體吻合。海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒相互碰撞時,0~3km垂直風(fēng)切變在2h內(nèi)變化較快,并且有明顯增加趨勢,CAPE值在雷暴形成前也有較明顯的增加。隨著雷暴天氣的結(jié)束,上述特征也隨之消失。應(yīng)用同樣方法隨機(jī)對天津多普勒天氣雷達(dá)監(jiān)測到的8次海風(fēng)鋒天氣進(jìn)行診斷分析,其中有6次海風(fēng)鋒前沿與0~3km垂直風(fēng)切變梯度密集區(qū)基本對應(yīng),但是,垂直風(fēng)切變強(qiáng)度隨著海風(fēng)鋒的強(qiáng)度變化而變化。同時也與露點溫度梯度密集區(qū)大致吻合。這表明渤海灣海風(fēng)鋒前沿具有垂直風(fēng)切變變化較快的特點,同時也是露點溫度變化較快的區(qū)域。3陣風(fēng)鋒前后對流回波特征1)這次雷暴天氣是由渤海灣海風(fēng)鋒與陣風(fēng)鋒碰撞形成雷暴天氣