2009年6月3日中國丘陵地區(qū)強線形成機制

2009年6月3日中國丘陵地區(qū)強線形成機制

0中尺度對流系統(tǒng)這種常見的對稱風(fēng)暴通常發(fā)生在春夏之交。它經(jīng)常出現(xiàn)在高空溝后的西北氣流中。它是一個由許多雷暴個體組成的帶狀流域系統(tǒng)。一般來說，規(guī)模為20.50km，長度為70.230km，持續(xù)時間為4.18h。線穿越時，風(fēng)速加快，風(fēng)速增大，氣氣急劇下升，氣溫突然下降，通常伴隨著雷暴、風(fēng)暴、大風(fēng)、冰雹和龍卷等嚴(yán)重的天氣現(xiàn)象。2009年6月3日下午到夜里,河南發(fā)生了強颮線過程,19個縣市出現(xiàn)≥17m·s1風(fēng)速變化的變化此次過程具有典型的颮線特征,最大瞬時風(fēng)速出現(xiàn)在夏邑、永城站。圖1給出兩站逐分鐘平均氣壓、溫度和風(fēng)向風(fēng)速的變化曲線。從圖1可見:(1)颮線過境時氣壓涌升、溫度下降、風(fēng)向突變、風(fēng)速加大等現(xiàn)象明顯。(2)夏邑大風(fēng)時段在22:05—22:39,1min平均風(fēng)速最大值(18.8m·s可見,強颮線過境時各要素變化很大,大風(fēng)時段出現(xiàn)在氣壓躍變、氣溫下降階段。這與龍卷出現(xiàn)時氣壓降低有明顯區(qū)別。2大面積環(huán)境分析2.1熱力條件分析強對流天氣一般發(fā)生在有利的環(huán)境條件下。6月3日08時(圖2a),500hPa我國東北地區(qū)有一-20℃、544dagpm的冷低渦中心,低渦后部有橫槽;700hPa分別有一低槽和切變線由河套向南伸到陜西、向東伸到山東,伴隨有24h的-5~-1℃的降溫區(qū);850hPa東西向輻合線自河套底部伸向河南北部,河南處于20℃以上暖區(qū)內(nèi),為強對流發(fā)生發(fā)展提供了有利的熱力條件;925hPa河南中部有東西向輻合線,商丘處在850hPa與925hPa輻合線之間、700hPa24h降溫區(qū)與850hPa≥20℃的暖區(qū)交界處。20時(圖2b),500hPa橫槽轉(zhuǎn)豎攜帶冷空氣沿西北氣流南下,700hPa低槽和切變線東移到河南西部,24小時-7~-1℃降溫區(qū)(700hPa)南壓到河南省沿黃河一線,850hPa輻合線南壓到河南中部,925hPa輻合線發(fā)展加強為人字型,鄭州偏北風(fēng)達16m·s同時,由3日08時和20時高空中尺度分析知(圖略):商丘一直處于850hPa和500hPa溫差>33℃的大值區(qū),正是這一強的溫度直減率維持的負(fù)浮力作用,使得商丘出現(xiàn)如此劇烈的地面大風(fēng)地面圖上(圖略),3日17—23時鄭州到商丘有中尺度輻合線維持,為此次強颮線過程提供抬升和觸發(fā)機制。加之前期高溫,特別是6月2、3日商丘日最高氣溫分別達33.0、34.1℃,為此次強颮線天氣過程提供了有利的熱力條件。2.2探空文獻顯示商丘處于鄭州、徐州和阜陽三探空站之間,選取三站探空資料進行分析知(圖略):6月3日08時鄭州和阜陽1000—925hPa、徐州925—850hPa有逆溫存在,利于有效不穩(wěn)定能量積聚,且中低空均較干,呈“干”性特征。探空物理量顯示(圖略):鄭州和徐州強天氣威脅指數(shù)Sweat分別由08時的39.4、231.0增大到20時的224.5和509.2,徐州總指數(shù)TT也由08時的54℃增至20時的64℃;徐州、阜陽的CAPE值由08時的0.0、305.2J·kg從鄭州、徐州兩探空站風(fēng)隨高度變化知(圖3a):(1)3日08時,500hPa以下鄭州、徐州兩站風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有暖平流,500hPa以上風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流,大氣不穩(wěn)定層結(jié)特征明顯;200hPa鄭州、徐州分別為32m·s從商丘雷達風(fēng)廓線圖上(圖略)可見:6月3日20—21時,1.2—6km高度基本為8~14m·s由徐州08時探空和商丘14時地面溫度、露點溫度構(gòu)建的商丘14時探空訂正曲線3變壓場結(jié)果分析此次強颮線過程具有典型的中尺度特征。分析逐小時自動站風(fēng)場資料可見,3日18時(圖略)在長垣、開封到鄭州有輻合線生成,其后側(cè)有6~8m·s干線(露點鋒)是水平方向上的濕度不連續(xù)線,干冷與暖濕空氣交界面,并不經(jīng)常和地面輻合線(指風(fēng)向風(fēng)速輻合處)一致,是颮線形成和發(fā)展的觸發(fā)機制分析6月3日河南省自動站逐時氣壓和溫度分布可知(圖5):對應(yīng)地面風(fēng)場上的人字型輻合線后側(cè)一直有雷暴高壓和冷中心存在,特別是21—23時由于受強風(fēng)暴內(nèi)下沉氣流的影響,輻合線后側(cè)出現(xiàn)明顯的雷暴高壓和冷溫度中心。21時雷暴高壓中心1005hPa位于睢縣,對應(yīng)有16℃的冷中心,且睢縣與商丘氣壓差達5hPa,睢縣與寧陵、商丘溫度差分別為6℃和12℃;22時雷暴高壓中心東移到虞城,中心值為1007hPa,對應(yīng)的18℃冷中心也位于睢縣和虞城,且虞城與其東邊的夏邑有8℃的溫差、7hPa的氣壓差;23時雷暴高壓和冷中心東移到夏邑,其中心值分別為1007hPa、17℃,此時永城溫度18℃,自動站風(fēng)速16m·s分析3日河南省地面自動站逐時變壓、變溫演變可見,16時山西南部有1.5hPa和-3℃的1h變壓、變溫中心,與風(fēng)場上的輻合中心對應(yīng),輻合線南側(cè)的安陽、新鄉(xiāng)到焦作1h變溫變壓梯度明顯,有53dBz的強對流回波與之對應(yīng);17時輻合線前側(cè)的變壓梯度有所減弱,但由于地形作用在鄭州北部附近有風(fēng)速輻合生成,18時有正變壓和負(fù)變溫自北向南伸展到鄭州以北,說明有冷空氣已擴散南下,18:30對流回波在風(fēng)速輻合處新生并迅速發(fā)展;19時在開封形成-3.4℃的變溫中心和+2hPa的變壓中心,20時變壓場變化不大,但變溫場有所加強,變溫中心增強到-6.2℃(仍位于開封),同時在山東境內(nèi)定陶新生-4.9℃變溫中心;21—23時逐時變壓變溫場變化明顯(圖6a、b),分別在開封與商丘有一對正負(fù)變壓變溫中心,其中21時1h變壓場上,在開封與長垣之間有-1.8hPa的負(fù)變壓中心,商丘民權(quán)有+7hPa的變壓中心,二者之間1h變壓差達8.8hPa;而在1h變溫場上同樣對應(yīng)有一對正負(fù)變溫中心,正變溫中心在開封,變溫中心為1.0℃,負(fù)變溫中心在商丘,其中心值-12.3℃,兩者1h變溫差高達13.3℃?？梢?0—21時開封到商丘之間氣壓和溫度變化最大;22時變壓場上,負(fù)變壓中心(-3.6hPa)位于睢縣,正變壓中心(8hPa)位于虞城,二者之間變壓差達11.6hPa,對應(yīng)變溫場上,正變溫中心(+4℃)在開封東部,負(fù)變溫中心(-9.7℃)位于商丘,二者之間變溫差達13.7℃;23時變壓場上負(fù)變壓中心(-0.6hPa)位于虞城,正變壓中心(6hPa)位于碭山,二者之間變壓差為6.6hPa,對應(yīng)變溫場上,正變溫中心(+2℃)位于商丘,負(fù)變溫中心(-9.4℃)位于永城,二者之間1h變溫差達11.4℃。可見,自當(dāng)日16時后,逐時變壓變溫場上就有明顯的正負(fù)變壓變溫中心對存在,且變壓變溫梯度逐漸加大,在商丘出現(xiàn)強颮線的21—23時期間,逐時變壓變溫和逐時變壓變溫梯度均達到最強,說明商丘有明顯的鋒生存在,為強對流特別是災(zāi)害性大風(fēng)提供了動力抬升機制和強烈不穩(wěn)定條件。綜上所述,此次過程中地面雷暴高壓之強、溫度之低、氣壓梯度和溫度梯度之大與逐時變壓變溫(1h變壓最大達8hPa,變溫最大達-9.7℃)及其梯度之大均屬罕見?？梢?除強垂直溫度梯度不穩(wěn)定層結(jié)、水汽、輻合抬升條件外,強雷暴高壓及其前側(cè)的強氣壓、溫度梯度和強颮線的快速移動,是寧陵、夏邑和永城等出現(xiàn)罕見極端最大瞬時風(fēng)速的直接原因。4dbz強對流風(fēng)暴實例此次強颮線經(jīng)歷了初生(18:06—19:07)和發(fā)展成熟(19:07—23:00)兩個階段。初生階段:3日18:06新鄉(xiāng)原陽有23dBz對流回波單體生成,其前側(cè)25km處伴隨有弱邊界輻合線,30min后該對流回波在原地迅速加強為63dBz強回波,且伴隨有中氣旋存在,到19:07加強為65dBz的強對流風(fēng)暴。發(fā)展成熟階段:3日19:32該強對流風(fēng)暴與山東南部發(fā)展起來的強回波連成帶狀,此時該強對流風(fēng)暴發(fā)展為具有超級單體風(fēng)暴特征,即前側(cè)有寬闊的入流槽口,中氣旋正好位于入流槽口處,其前側(cè)的風(fēng)暴出流邊界與邊界輻合線連在一起。正是這一超級單體強對流風(fēng)暴隨后一直維持并迅速向東南移動,19:30后自西向東南影響商丘及以西地區(qū),到22時颮線南端強對流回波發(fā)展演變成弓狀回波,隨后影響商丘地區(qū)東南部,直至23:00移出商丘。此次商丘地區(qū)強災(zāi)害性大風(fēng)正是颮線回波帶上前期發(fā)展成的超級單體風(fēng)暴和后期發(fā)展成的弓狀回波所造成,在基本反射率因子、徑向速度和譜寬等雷達產(chǎn)品上具有明顯的演變特征。使用逐6min雷達產(chǎn)品和逐分鐘自動加密站資料,對其形成機制和演變特征分析如下:4.1兩邊界輻合線初始對流回波特征從鄭州雷達基本反射率產(chǎn)品連續(xù)動畫可見,此次強對流風(fēng)暴生成前表現(xiàn)出多條邊界輻合線從太行山下來并緩慢東南移,17:24開始在淇縣和輝縣有弱的邊界輻合線生成,長垣、原陽到修武有東西向輻合線生成,17:42上述邊界輻合線變清晰并緩慢南壓;對應(yīng)兩邊界輻合線之間徑向速度加大,由初始的-12m·s從6月3日不同時刻邊界輻合線與初始對流回波演變可見(圖7a),18:12有35dBz小塊回波在兩邊界輻合線之間生成,6min后發(fā)展加強為53dBz,13min后發(fā)展加強為58dBz,18:31已發(fā)展加強為強中心63dBz的強回波,且開始出現(xiàn)中氣旋,前側(cè)已有弱的入流槽口特征,可見對流回波發(fā)展非常迅速。對應(yīng)逐分鐘自動站風(fēng)場可見(圖7b),17:36在蘭考、中牟到偃師一線存在弱風(fēng)向輻合線,其北側(cè)的長垣、封丘、原陽到武陟一線有風(fēng)速輻合線生成且一直維持,36min后于18:12在風(fēng)速輻合較強的原陽激發(fā)出對流單體,然后迅速發(fā)展,到18:25加強為53dBz的強對流風(fēng)暴。4.4陣風(fēng)鋒演變與強對流天氣對應(yīng)關(guān)系此次商丘強颮線一直有中氣旋和陣風(fēng)鋒伴隨,使得強對流風(fēng)暴具有典型的超級單體強風(fēng)暴特征,中氣旋一直位于其前側(cè)入流槽口處,其后側(cè)強下沉氣流支和前側(cè)陣風(fēng)鋒共同造成商丘強烈雷暴大風(fēng)。圖9給出6月3日17:30—22:46陣風(fēng)鋒演變與強對流天氣對應(yīng)關(guān)系,結(jié)合河南省逐分鐘加密觀測資料分析知,陣風(fēng)鋒伴隨對流風(fēng)暴生成和發(fā)展,與地面輻合線重合,以30~50km·h弓形回波是產(chǎn)生地面非龍卷風(fēng)害的典型回波結(jié)構(gòu),分經(jīng)典弓形回波(BE)、弓形復(fù)合體(BEC)、單體弓形回波(CBE)和颮線型弓形回波(SLBE)四類。此次影響商丘的強颮線回波帶在6月3日21:51后發(fā)展為颮線型弓形帶狀回波圖10是22:21商丘雷達觀測的基本反射率和徑向速度產(chǎn)品,從中可清晰看到該弓形回波屬于典型的颮線型弓狀回波帶,后側(cè)有明顯的下沉氣流急流通道(也即下沉氣流入流槽口(黑色箭頭所指)),夏邑位于弓形回波頂端偏右,大風(fēng)區(qū)(中心徑向風(fēng)速高達+42m·s5信號特征的分析此次颮線回波帶在前期主要由一個超級單體風(fēng)暴和多個多單體風(fēng)暴組成,后期在商丘東北部演變成弓形帶狀回波。徑向速度圖上,颮線回波帶一直伴隨有中氣旋、輻合系統(tǒng)、輻合線、低層大風(fēng)區(qū)等特征。從6月3日不同時刻商丘地區(qū)各站強天氣出現(xiàn)時對應(yīng)的雷達基本反射率因子和徑向速度特征可見(表1),大風(fēng)出現(xiàn)在陣風(fēng)鋒附近、風(fēng)暴前側(cè)入流槽口及后側(cè)弱回波區(qū)內(nèi),以及徑向速度場上的低層大風(fēng)區(qū)、輻合線后側(cè)和中氣旋附近等地;大風(fēng)區(qū)離輻合線越近,風(fēng)速越大,隨著陣風(fēng)鋒離風(fēng)暴主體距離的增大,造成的大風(fēng)風(fēng)速逐漸減小。說明利用雷達產(chǎn)品結(jié)合加密探測資料分析,對強颮線造成的雷暴大風(fēng)具有明顯的監(jiān)測和預(yù)警作用。6生態(tài)和篩選特征(1)此次商丘強颮線屬于河南省典型的東北低渦類強對流天氣,東北冷渦后部橫槽引導(dǎo)高空冷空氣南下,加強了河南省北中部上冷下暖的對流不穩(wěn)定層結(jié),地面中尺度輻合線是該過程的觸發(fā)機制。(2)此次強颮線是在強到中等以上垂直風(fēng)切變環(huán)境下發(fā)生的,3日20時鄭州和徐州探空站0—6km垂直風(fēng)矢量差為21.6、11.8m·s(3)此次過程具有典型的中尺度特征,地面一直有中尺度輻合線和干線存在,輻合線后側(cè)有明顯的中尺度雷暴高壓、中尺度低溫中心、正負(fù)變壓變溫中心對和大的變壓變溫梯度等,大風(fēng)發(fā)生在地面中尺度輻合線和人字形輻合線后側(cè),流場具有明顯的輻散特征;在商丘強颮線期間,逐時變壓變溫及其梯度均達到最強,為災(zāi)害性大風(fēng)提供了動力抬升機制和強烈不穩(wěn)定條件。商丘強颮線沿干線生成發(fā)展,中層干冷空氣的侵入和風(fēng)暴內(nèi)部強下沉氣流在商丘造成非常強的冷堆,強冷堆是造成商丘地區(qū)強烈雷暴大風(fēng)的直接原因。(4)風(fēng)速風(fēng)向的輻合和地形作用產(chǎn)生邊界輻合線,初始回波沿邊界輻合線生成、發(fā)展和加強;商丘大片超折射回波預(yù)示該地大氣層結(jié)存在干暖蓋,為颮線移到商丘爆發(fā)強對流天氣積累了大量不穩(wěn)定能量;強颮線回波帶在前期主要有一個超級單體風(fēng)暴和多個多單體風(fēng)暴組成,后期演變成弓形帶狀回波;基本反射率上有陣風(fēng)鋒(或雷暴出流邊界)、前側(cè)入流槽口、弓形回波、后側(cè)下沉氣流入流槽口等特征,徑向速度場上有中氣旋、低層大風(fēng)區(qū)、輻合系統(tǒng)和中層徑向輻合等典型特征,譜寬對應(yīng)有大值譜寬區(qū),對流擾動明顯。這些均是災(zāi)害性地面大風(fēng)的監(jiān)測預(yù)警特征。(5)風(fēng)暴承載層風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西西北風(fēng)和風(fēng)速加大增強了垂直風(fēng)切變,加快了颮線移動速度。強雷暴高壓的形成與500、700hPa24h顯著降溫及高空強冷平流以及颮線后側(cè)中層冷空氣夾造成的蒸發(fā)冷