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、強度強大、持續(xù)時間短等特點。雷雷風(fēng)通常會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)事故，極端風(fēng)暴會導(dǎo)致船艙事故、財產(chǎn)損失和人員損失。雷暴大風(fēng)出現(xiàn)頻率高,但預(yù)報、預(yù)警難度較大,目前基層氣象臺站主要基于多普勒雷達和區(qū)域加密自動站進行監(jiān)測。雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)境條件、觸發(fā)機制和多普勒雷達產(chǎn)品特征是災(zāi)害性強對流天氣預(yù)報研究的重要內(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)濟作物受損。3由于時間和環(huán)境條件3.1立法的風(fēng)速輻合線2016年4月10日20時,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);地面鋒面到達福建西部至廣西南部地區(qū)后靜止少動,近地層弱冷平流向南擴散,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流發(fā)展的較大范圍上升氣流區(qū)。3.2對流系統(tǒng)調(diào)查分析10日20時,?？谡綯-lnP圖顯示(圖略),溫度和露點層結(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)具有較強的條件不穩(wěn)定性。通過衛(wèi)星云圖和多普勒雷達回波分析,造成這次海南島雷暴大風(fēng)的對流系統(tǒng)是在北部灣北部海面生成,然后在自西向東移動的過程中加強;10日20時,廣東、廣西的中南部SI指數(shù)均為負值,大部分地區(qū)SI≤-3℃;對流系統(tǒng)移動路徑上的大氣層結(jié)均為條件不穩(wěn)定,有利于對流系統(tǒng)持續(xù)加強。判斷強對流潛勢的兩個重要對流參數(shù)分別是對流有效位能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)的對流系統(tǒng)的強對流潛勢是否有利,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較弱的對流風(fēng)暴在自西向東移動的過程中,經(jīng)過中等強度的熱力垂直層結(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)、強冰雹和短時強降水天氣的強風(fēng)暴(包括超級單體風(fēng)暴)的組織化發(fā)展,并長時間維持。4多單體、弓形回波4月10日21:09,?？诙嗥绽绽走_探測到北部灣北部海面不斷有對流單體生成,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;11日00:21,當(dāng)帶狀回波移至海南島西北部海面時,與海面上的新生單體合并加強,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,在海口多普勒雷達有效探測距離內(nèi)強度仍然維持。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的過程中,各個單體分別得到不同程度的發(fā)展。01:24,由3個強風(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_1.5°仰角01:24—02:38期間4個時刻的反射率因子和對應(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個強風(fēng)暴的演變過程以及弓形回波的最終形成。11日01:24,強風(fēng)暴A已發(fā)展為超級單體由圖5a、5c可知,01:36,強風(fēng)暴B也發(fā)展為超級單體01:36,強風(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)較強的下沉氣流以及7km以上向著雷達的強速度區(qū)(圖5d)。01:48(圖4),平均徑向速度圖上出現(xiàn)正、負速度對,但旋轉(zhuǎn)速度沒有達到中氣旋標準,僅體現(xiàn)為弱切變。01:55—02:07,強風(fēng)暴C進一步加強為超級單體,其中氣旋旋轉(zhuǎn)速度明顯增大,其中02:01達到中等強度中氣旋的標準,此時超級單體C距離雷達56.5km,旋轉(zhuǎn)速度為21m/s(該中氣旋最大正、負速度分別為17m/s、-24m/s)。02:13—02:38,超級單體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”,其形成機理與中氣旋明顯不同另外,海口多普勒雷達2.4°仰角反射率因子顯示(圖略),4月11日01:24—01:48,超級單體A持續(xù)探測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?？诙嗥绽绽走_1.5°仰角02:38平均徑向速度顯示,強風(fēng)暴B和C均出現(xiàn)了速度模糊,各自具有強勁的后側(cè)入流急流,分別為34m/s和39m/s。02:44,強風(fēng)暴B和C強勁的后側(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。對比1.5°仰角反射率因子,02:38(圖4),強風(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)過海口繼續(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(32.6m/s、31.3m/s)大風(fēng)和文昌北部地區(qū)出現(xiàn)10級(27.6m/s)大風(fēng)。另外,02:38—04:11,在強風(fēng)暴B和C合并為弓形回波而后東移過程中,強風(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,強度維持在50~55dBz,在03:52造成定安縣定城鎮(zhèn)發(fā)生8級(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強降水,在此次大風(fēng)形成過程中,雷暴周邊相對干的空氣被夾卷進入雷暴,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)動力強風(fēng)暴的長期維持機理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三個強風(fēng)暴生命史長達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,即強的低層環(huán)境風(fēng)垂直切變和雷暴內(nèi)部的正反饋機制是風(fēng)暴系統(tǒng)得以長時間維持的主要原因。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)有利于強風(fēng)暴長時間發(fā)展維持陣風(fēng)鋒與雷暴母體的相對速度或相對距離不同,對其具有不同的正、負反饋作用。席寶珠等海口多普勒雷達風(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加劇了對流風(fēng)暴的發(fā)展6多單體抗暴能力強的陣風(fēng)鋒在雷暴大風(fēng)中的表現(xiàn)本文對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、區(qū)域加密自動站和常規(guī)資料進行分析,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流發(fā)展的較大范圍上升氣流區(qū);對流風(fēng)暴經(jīng)過中等程度的條件不穩(wěn)定和對流有效位能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)、大冰雹和短時強降水的強對流風(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。對流風(fēng)暴移動路徑上的大氣環(huán)境均具有條件不穩(wěn)定和強的垂直風(fēng)切變,多單體帶狀回波中鑲嵌的A、B、C三個強對流風(fēng)暴中的A和B先后各自發(fā)展為超級單體,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;弓形回波是由強對流風(fēng)暴B和C合并加強而成,其中風(fēng)暴C中發(fā)展的中氣旋加強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強降水,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造成了這次大范圍雷暴大風(fēng)過程,其長時間維持的主要原因有:強的低層環(huán)境風(fēng)垂直切變一方面使得對流風(fēng)暴前側(cè)強勁的暖濕入流與風(fēng)暴后側(cè)徑向風(fēng)速相當(dāng)?shù)睦涑爻隽鏖L時間傾斜依存,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的陣風(fēng)鋒與對流風(fēng)暴的最短距離始終維持在10km左右,陣風(fēng)鋒對對流風(fēng)暴具有正反饋作用;地面原來存在的β中尺度輻合切變線與陣風(fēng)鋒相遇時加劇對流風(fēng)暴發(fā)展;對流風(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(北京時,下同)