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  气象   2016, Vol. 42 Issue (6): 696-708.  DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2016.06.005

论文

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黄晓龙, 高丽, 2016. 2014年3.19台州冰雹过程中尺度分析[J]. 气象, 42(6): 696-708. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2016.06.005.
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HUANG Xiaolong, GAO Li, 2016. Mesoanalysis of a Hail Process in Taizhou on 19 March 2014[J]. Meteorological Monthly, 42(6): 696-708. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2016.06.005.
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资助项目

浙江省气象科技计划项目青年项目(2012QN09) 资助

第一作者

黄晓龙, 主要从事雷达资料应用研究.Email:huangxiaolong_5@163.com

文章历史

2015年6月09日收稿
2015年11月05日收修定稿
2014年3.19台州冰雹过程中尺度分析
黄晓龙 , 高丽     
浙江省台州气象局,台州 318000
摘要:利用常规观测资料、中尺度自动站数据、新一代单站雷达资料及组网拼图产品、FY-2C红外云图产品及逐6 h NCEP再分析资料,对2014年3月19日发生在浙江台州地区的一次大范围冰雹过程进行了中尺度过程分析。研究表明:(1) 通过环境场条件分析和订正后的探空资料诊断发现:台州地区处于下湿上干层结不稳定,在午后地面温度升高、对流有效位能增加、且0~3和0~6 km垂直风切变较大的情况下有利于出现风雹类强对流天气。(2) 根据触发天气尺度对流系统活动的冷锋移动和演变情况,可以将整个过程分为四个阶段,台州雷雨大风和大范围冰雹过程主要产生于第三阶段。(3) 成熟期根据系统的回波形态可以分为飑线形成、弓形回波、雹暴单体爆发三个阶段,在各时段的自动站要素和雷达产品上均表现出与其他时段显著不同的要素特征。(4) 近地层充沛的水汽、较低的抬升凝结高度,南支槽、北方横槽南摆及高空急流出口区左侧造成的系统性抬升,地面冷锋、中尺度辐合线及地形的触发作用,是飑中系统台州地区爆发加强,从而造成冰雹大风天气的主要原因。(5) 地市级预报员充分利用本地自动站传输的时效性优势,开展中分析补充订正业务能有效提升临近预报的质量。
关键词中分析    冰雹    雷雨大风    飑线    弓形回波    超级单体    
Mesoanalysis of a Hail Process in Taizhou on 19 March 2014
HUANG Xiaolong, GAO Li    
Taizhou Meteorological Office of Zhejiang, Taizhou 318000
Abstract: Using the data of conventional observation, mesoscale automatic station and new generation monostation radar, and networking and mosaic products, FY-2C infrared images and 6 h NCEP reanalysis data, mesoanalysis was taken on the process of widespread hail in Taizhou of Zhejiang on 19 March 2014. The results show that: (1) According to the analysis of environmental field conditions and the corrected sounding data, the lower wet and upper dry structure in Taizhou was unstable. In the situation of increased ground temperature and convective available potential energy and relatively large vertical wind shear at 0-3 km and 0-6 km after noon, wetness was conductive to the formation of severe convective weather such as the gale and hail. (2) According to the movement and evolution of cold front that triggered the movement of synoptic-scale convective system, the whole process could be divided into four stages, and the thunderstorm, gale and widespread hail appeared in the third stage. (3) The mature stage could be divided into three stages of squall line formation, bow echo and outbreak of hailstorm cells due to the echo forms of the system, which revealed the significantly different element characteristics in the automatic station elements and radar products compared to other stages. (4) The abundant vapor in the near-surface layer, lower lifting condensation level, southern oscillation of southern branch trough and northern transverse trough, systematic lifting on the left of upper-level jet stream exit area, and triggering of cold front near surface, mesoscale convergence line and landform were the main causes for the enhanced outbreak of squall system in Taizhou, leading to hail weather with gale. (5) Forecasters make full use of timeliness advantages of automatic stations, carrying out the correction of mesoanalysis work can effectively improve the quality of nowcasting.
Key words: mesoanalysis    hail    thunderstorms    squall line    bow echo    supercell    
引言

随着气象探测仪器精度的提高、中尺度模式的不断进步、预报手段的丰富,我国短时临近预报预警水平较以前明显提高(李泽椿等,2014)。但由于中小尺度系统与环境场存在复杂的相互作用(丁一汇,2005),强对流天气的预报水平仍然不高,和社会需求存在差距。近年来国内较典型的过程如2011年“4.17华南强对流”(张涛等,2012)、2012年4月南方地区大范围冰雹雷雨大风(马中元等,2014)、2013年“3.28华南飑线”等(吴晓宏等,2013农孟松等,2013),2015年“6.1湖北监利龙卷天气事件”(郑永光等,2016),均造成了人员伤亡和重大财产损失。2014年3月19日下午起浙江多地出现强对流天气。杭州、金华、台州和温州相继出现冰雹,其中以台州受灾最为严重,全市6县3区除三门、温岭、玉环外均不同程度遭受冰雹袭击,洪家国家气象站测得冰雹最大直径3.3 cm,此外多地还出现了雷雨大风记录。图 1a1b分别为记录或报告的冰雹和雷雨大风受灾地点分布图,数字为灾情发生时间。这次冰雹及雷雨大风过程共造成农作物受灾面积3107.3 hm2;倒塌房屋36间,直接经济损失7159.5万元。对于这次过程,各级台站从短期到短临、预警均出现不同程度漏报。天气过程本身的复杂性固然是重要原因,然而主观上中分析是否到位、预报流程是否合理更是值得探讨的重要环节。

图 1 2014年3月19日浙江台州地区冰雹落区(a)和过程极大风分布(b) Fig. 1 Distribution of hail area (a) and extremely strong wind (b) in Taizhou of Zhejiang on 19 March 2014

中分析概念最早由藤田哲野提出(Fujita,1955; 1956)。20世纪70年代美国人米勒(Miller,1972Crisp,1979)通过对环境场条件的中尺度分析总结出“天气型识别法”(流型识别法)。20世纪90年代初,美国天气局开始推行地面天气统一分析过程,强调对干线、边界线等与中尺度系统发生发展相关的分析(Uccellini,1991)。在我国,流型识别法是应用较广的一种中分析技术(丁一汇等,1982郑媛媛等,20112004郝莹等,20072012);最近,许爱华对我国中东部所有强对流进行了总结,通过100个过程将强对流天气形势分成5类配置(许爱华等,2014)。然而,也有文献指出该方法对局地强天气容易漏报(王秀明等,2014),易出现实际天气形势难以归类、流型似是而非(俞小鼎,2011)、暖区影响系统分析困难(包澄澜,1986)等问题。国家气象中心2009年以来制定《中尺度天气分析业务技术规范》(以下简称《规范》)后多次修订,其中2011—2012年作了重大修订。新《规范》较老版分析项目更精简,流程更合理,且对分类强对流的分析预报具有较好的指导。《规范》的一大特色是在对流环境场分析中的天气图分析、物理量场诊断, 以及中尺度过程的MCS环境条件场分析中均突出了雷暴三要素加垂直风切变分析的配料法基本思路。“配料法”思想由来已久(陶诗言,1980),是一种基于强对流产生基本条件而形成的预报思路(Doswell et al,1996俞小鼎,2011),具备较好的动力学基础。随着观测资料的丰富,基于配料法的强对流分析业务日趋成熟(张小玲等,2012张涛等,2013)。尽管存在复杂系统下分类预报难、配料指标定量化不好把握等困难,仍然具有很高的业务使用价值。我国的中分析业务起步较晚(张涛,2014)。早期的一些中分析与有限的中小尺度观测和预报试验相关(章淹,1965杨国祥等,1977寿绍文等,1993陶诗言等, 1999)。

近年来,中分析在暴雨、强对流预报中越来越受重视(漆梁波等,2009),分析个例也日趋增多(陈永仁等,2013崔春光等,2013李改琴等,2014张一平等,2014蔡淼等,2014)。分析资料也由实况观测数据向模式同化资料延伸(漆梁波,2015)。然而,受规范完善性和平台的局限,在内容、流程及环节上仍不尽统一、合理。目前,尽管中分析个例越来越多,基于新《规范》的中分析过程相对较少。本文将利用常规观测数据、中尺度自动站数据及温州、台州新一代雷达资料和长江流域及华东雷达组网拼图产品从环境条件分析和中尺度过程分析两个角度、严格遵循《规范》(2013版)思路,对这次冰雹过程进行中分析,探讨过程原因,以期强化中分析思路、完善中分析流程,提高强对流的预报预警水平。

1 环境场条件分析

对流天气环境场分析主要基于“配料法”思路针对产生对流天气发生发展的必要条件(水汽、稳定度和抬升)和增强条件(垂直风切变条件)等,从等压面分析和局地探空分析两方面对大气环境场的相关气象要素进行分析,形成反映对流性天气发生发展的6 h以外的短时和短期预报综合分析。

1.1 天气图分析

从08时的常规资料形势场上分析(图 2),长江流域及我国南方大部分地区为显著湿区,具备对流天气发展的基本水汽条件。同时500 hPa上在湖北地区及安徽、浙江一线存在温度露点差>15℃的干舌区,表明上述区域存在“下湿上干”的不稳定层结。另外,500 hPa上我国东部沿海地区为12 h显著降温区控制,其中从山东到广东东部地区有一宽广的温度槽。从配置细节上看,浙中南沿海地区为上述三种不稳定系统配置叠加地区,因此相对来说不稳定条件最为理想。抬升及垂直风场条件方面,中纬度地区为横槽,槽前为西北偏西气流,南支槽位于湖北广西一线。在冷暖气流交汇下,850 hPa切变位于苏北、安徽、湖北一线,地面长江以南一线为静止锋。随着横槽东移南下,850 hPa切变和地面静止锋有快速南压的趋势,天气尺度的抬升运动为中尺度系统的发展创造了有利的条件。从垂直风切变条件上来看,700 hPa上从广西到浙江一线有一条西南气流大风速带,和500 hPa的南支槽前的西南急流几乎重叠,特别地在闽北和浙中南一带,上述区域和200 hPa的高空急流重叠,表明该地区存在深厚垂直风切变,在不稳定层结和水汽具备的条件下有利于对流系统的维持和增强。综合上述条件来看,湖北中东部、安徽及浙江地区相比其他地区处于最有利于强风暴发展的形势下(图 2d上紫色虚线所围区域)。

图 2 2014年3月19日08时(北京时,下同)台州地区环境场条件中分析(a)水汽条件,(b)热力不稳定条件,(c)抬升条件,(d)综合分析 Fig. 2 Mesoanalysis about ambient field in Taizhou at 08:00 BT 19 March 2014 (a) vapor condition, (b) thermal instability, (c) lifting condition, (d) comprehensive analysis
1.2 探空综合分析

图 3a为2014年3月19日08时台州站探空图。探空热力学参数为:沙氏指数(SI)-3.75℃,抬升指数(LI)5.27℃,有利于强雷暴,但湿层低于850 hPa,近地面层存在逆温,因而SILI指数可能失去代表性;K指数为23,分析贡献因子:T850-T500为28℃,显示中低层大气温度直减率非常大,850 hPa露点温度为12℃,基本满足强对流的水汽条件,但700 hPa温度露点差为17℃,显示中层明显偏干。这部分贡献使得K指数数值较低,但不能因此而认为850~500 hPa层结稳定。从湿层上看,2.5 km以下为湿层,以上为干区,但在4 km处有一较薄湿区。总的来看,层结条件为下湿上干的配置,是有利于强对流发展的。从能量条件来看,对流抑制能量为0,但CAPE值也为0,但这是08时的资料,如果用台州地区午后地面温度上升后的气温(19日20时最高温度)和露点作探空订正的话,可以得出订正后的CAPE值接近1300 J·kg-1(图 3b),因此是适合对流发展的。另外,从该探空订正图上可以看到,CAPE多集中于0℃层甚至-20℃层之上,0℃层位于4 km左右,这对大冰雹的形成是有利的。

图 3 2014年3月19日台州地区探空分析(a)08时洪家站(58665) 探空,(b)洪家站(58665) 经过台州午后14时地面订正后的探空 Fig. 3 Sounding analysis in Taizhou on 19 March 2014 (a) sounding of Hongjia (58665) at 08:00 BT, (b) sounding of Hongjia (58665) revised by surface temperature of Taizhou at 14:00 BT

探空动力学分析:近地层风速较小而中高层风速较大且均存在急流,说明0~3和0~6 km垂直风切变均很强(22和22.51 m·s-1),在具备较强的不稳定能量的条件下十分有利于风雹类强对流天气的产生。但考虑低层的湿度条件不是特别显著,因此出现强降水类超级单体的可能性不会太大。

综合以上分析:可以得出台州地区下湿上干层结不稳定的情况下在午后地面温度升高、对流有效位能增加、且0~3和0~6 km垂直风切变较大的情况下是有利于出现风雹类强对流天气的。

2 对流天气中尺度过程分析 2.1 对流系统演变分析

图 4a~4e是19日08—20时逐3 h华东地区雷达组网和地面分析的叠加图。从图 4a可以看出,冷空气尚未向南爆发,主要地面影响系统为长江流域以南的静止锋,雷达回波上静止锋雨带在静止锋前部风速辐合较大处发展得较为旺盛。11时(图 4b),系统东移并逐渐减弱,在回波上对应静止锋雨带发展到一定程度以后开始减弱;西侧冷空气开始南下,11时地面图上安徽铜陵到湖南浏阳一线以北为3 h正变压区(图略),在回波上对应于一条冷锋雨带逐渐由弱(图 4b)变强(图 4c)。与此同时这段时间在浙江东部(台州)地区午后气温升高,负变压明显,湿度很大,并且一直维持一条东西向的静止锋辐合线存在,该系统的存在使该地区的水汽辐合加强,湿度继续增大。16:30前后回波带呈现出后侧入流缺口(RIN)、前侧强反射率因子梯度区等弓形回波特征。表明这期间在发生冰雹的同时伴有雷暴大风过程存在,17时(图 4d),冷空气爆发南下,对应冷锋雨带大范围南压东移,其中东端回波进入浙江境内中西部地区时,在层结不稳定增加、垂直风切变增强的条件下对流活动明显增强;从14时的云图与200 hPa流线的叠加图(图略)上也可以看到,200 hPa上浙江地区为分流区,冷锋与之前减弱的静止锋在高空云系上结合在了一起,其北侧呈现出明显的辐辏状发散特征。冷锋雨带在继续经过台州地区高温高湿的环境条件和边界层辐合线的触发作用下继续加强,呈现有组织的飑线形态(图 4d)。20时,爆发的飑线入海维持一段时间后减弱,冷锋继续南压,在移出有利的环境条件场之后强度逐渐减弱。

图 4 2014年3月19日08—20时逐3 h华东地区雷达组网和地面分析叠加图(a)08时,(b)11时,(c)14时,(d)17时,(e)20时 Fig. 4 The 3 h radar Mosaic and surface analysis in 08:00-20:00 BT 19 March 2014 (a) 08:00 BT, (b) 11:00 BT, (c) 14:00 BT, (d) 17:00 BT, (e) 20:00 BT
2.2 对流系统成熟阶段特征对比

整个回波带在浙江境内东移南压过程中,一共经历了三段比较明显的成熟特征的时间段(图略)。第一段是在15时前后系统经过金华城区之后,松散的回波发展起来,组织成有序的飑线形态,强度在55~60 dBz。之后回波带分裂成几个单体;第二段是在经过台州境内后,回波带重新组织,16:20之后呈现出明显弓形回波特征的后侧入流缺口,其中在仙居境内的单体强度达到65~70 dBz,临海永丰自动站出现12级大风(下文简称为飑线型弓形回波阶段);之后回波带分裂,两侧回波减弱,中间单体爆发增强到65~70 dBz,并开始超前于整个飑线回波带,17:15之后经过台州主城三区(第三段),黄岩、椒江等地先后出现大范围冰雹(下文简称为雹暴单体爆发阶段),后此单体略减弱,入海维持一定强度;18:30后减弱消散。接下来,运用地面观测数据对在台州境内后两个阶段的特征做一分析,并对这两个阶段的观测特征进行简要的对比。

2.2.1 自动站特征对比分析

图 5是15—20时地面瞬时风向风速、气温和海平面气压的观测要素演变图。其中弓形回波阶段选取临海本站和永丰站为代表站;雹暴单体爆发阶段选取洪家基本站为代表站。永丰、临海和洪家的影响时段分别用黑色、蓝色和红色虚线间隔来表示。从两个阶段各站要素的变化可以看出如下一些对比特征:首先,从影响时段的瞬时风速来看,第二阶段风力明显大于第三阶段,这显示出弓形回波阶段的主要特征是地面大风。从洪家站风力演变还可以看出影响时段具有前低后高的不对称双峰分布的特征,这是因为雹暴单体爆发后超前于飑线回波后先后经过洪家站所造成的。这一点在之后成熟阶段的雷达回波特征上也可以看出来。其次,从温度变化看,影响时段永丰站温度降幅较洪家站要大,而基础温度较洪家站高。值得一提的是雹暴单体爆发阶段洪家站温度呈现出先升后降的特征。这也是和飑线大风阶段所不同的一个特色。再次,由于永丰自动站要素缺少气压,因此只能选取附近的临海一般站做对比。从气压变化情况来看,洪家站影响阶段气压呈典型的先升后降的雷暴高压特征。而临海站的气压变化以升高为主,波动不太明显。但弓形回波经过临海站时强度已较之前有所减弱,在飑线成熟阶段由于中高压和尾流低压的出现气压呈现明显波动虽然已经得到普遍证实和肯定,但本次飑线型弓形回波过程的实际气压场细致特征还有待进一步的证实和探讨。

图 5 2014年3月19日15—20时逐5 min自动站要素时间序列对比(a)洪家站(58665) 风向风速,(b)永丰站(K8618) 风向风速, (c)永丰站和洪家站气温,(d)临海(58660) 和洪家站气压 Fig. 5 Comparison of time series of automatic weather stations every 5 min in 15:00-20:00 19 March 2014 (a, b) wind direction and speed at Hongjia (58665) and Yongfeng (K8618), (c) temperature at Hongjia and Yongfeng, (d) pressure of Linhai (58660) and Hongjia
2.2.2 飑线不同成熟阶段雷达产品特征对比分析

(1) 弓形回波阶段

弓形回波(Fujita, 1978)是产生地面非龙卷风灾害的典型回波结构(Johns et al,1987陶岚等,2014)。弓形回波具有各种不同尺度,单体可以呈现弓形回波形态,多单体对流带可以形成普通经典弓形回波,飑线回波也可以呈现弓形形态(Klimowski et al,2004)。另外,其来源也分几种,可以是松散的单体、飑线,也可以是超级单体(Klimowski et al,2004)。本次过程中台州第一阶段造成雷暴大风过程的弓形回波是在更大背景尺度上的冷锋飑线的一个部位上发展而成的。从弓形回波发展成熟前的回波动画上看(图略),该回波进入台州后移速明显加快,超过了50 km·h-1图 6a是弓形回波发展到成熟阶段前一个体扫时刻(16:29) 的台州雷达1.5°仰角反射率因子图,图 6b是相应时刻沿图 6a中AB方向作的速度剖面。从反射率因子图可以看出以下一些“显著弓形回波”特征:(1) 距离雷达75 km处方位角300°附近有一高反射率因子梯度区;(2) 及其后侧表明强下沉后侧入流的弱回波通道和中层径向辐合,这在速度剖面图上得到了很好的印证:中层入流辐合强度和低层出流强度均超过了27 m·s-1;(3) 同时,高悬前倾的形态特征表明了弱回波区的存在;(4) 根据径向速度场的符号,还可以在速度剖面上推测出该弓形回波前侧入流气流运动轨迹,前部辐合及后部辐散出流的位置。

图 6 2014年3月19日弓形回波阶段雷达产品特征(a)16:29台州雷达1.5°仰角反射率因子产品(R19),(b)沿(a)中AB作的速度垂直剖面(蓝色箭头为气流流向),(c)温州雷达16:29垂直累积液态水产品(VIL),(d)同(c),但为16:34,(e)同(c),但为16:40,(白色箭头指示系统演变情况),(f, g, h)沿AB作的反射率因子垂直剖面,时间同(c,d,e) Fig. 6 Characteristics of radar products in the bow echo phase on 19 March 2014 (a) reflectivity at 1.5° at 16:29, (b) VCS section along AB in (a) (the blue arrow is for airflow), (c) VIL of Wenzhou Radar at 16:29, (d) same as (c), but at 16:34, (e) same as (c), but at 16:40 (the white arrow indicates the system evolution), (f, g, h) RCS sections along AB, the time is the same as in (c, d, e)

垂直累计液态含水量(VIL)及其演变情况是分类识别强对流天气类型的有利手段。研究表明(张涛等,2013),对于冰雹或大冰雹,VIL一个体扫激增10 kg·m-2,达到40 kg·m-2。而对于雷暴大风,VIL一个体扫激减10 kg·m-2,本次过程中弓形回波成熟阶段前的一个体扫内(图 6d6e),入流气流最强一侧的区域对应的VIL,从60~65 kg·m-2降低到了50~55 kg·m-2,在接下来的一个体扫时间内该VIL下降区域(临海永丰)出现了35.3 m·s-1的瞬时极大风,时间上相当对应。与此相反的是,前一个体扫内弓形回波南侧的对流反射率因子出现了加强,VIL在一个体扫内出现了5 kg·m-2左右的增加,从观测实况看,弓形回波南侧仙居境内的冰雹尺寸和影响范围也分别较同一时间段内临海地区的要大一些和广一些。

雷暴大风的另外一个明显特征是强回波质心的下降。从极大风观测记录前连续三个体扫的反射率因子垂直剖面(图 6f6g6h)可以看出,强回波质心的高度在两个体扫的时间内下降了3.5 km,从16:29的接近5 km左右下降到了16:41的1.5 km,这反映出该区域强盛的下沉气流,预示着近地层下击暴流或雷暴大风的出现。

(2) 雹暴单体爆发阶段

弓形回波成熟阶段之后,系统组织程度开始减弱,弓形特征逐渐消散,整个系统逐渐分裂成三个单体,其中北面单体向东移动,逐渐消亡。而右侧单体逐渐向中间单体靠拢,合并后明显爆发加强,VIL激增,从17:15的60~65 kg·m-2增加到17:21的70~75 kg·m-2(图 7k7l)。图 7a是中间和右侧单体合并后发展到成熟阶段(17:27) 叠加风暴产品和风暴属性表后的组合反射率因子图。由图 7a可见,椒江、黄岩地区回波发展旺盛,最大反射率因子达到74 dBz,VIL为74 kg·m-2(本地冰雹阈值55 kg·m-2),均明显超过冰雹的雷达产品特征值范围(胡胜等,2015鲁德金等,2015)。回波顶高在14 km以上(图 7b)。从低层到高层各仰角的反射率因子图对比来看(图 7c7e7g7i),从下往上回波明显前倾,0.5°~4.5°位置大约在8~10 km左右。另外,图中最明显的特征是PUP识别出的位于黄岩和椒江之间的一个尺度较大的中气旋。从成熟阶段各仰角的速度图上观察,0.5°风暴前侧为一左侧流入、右侧流出的正负速度对,为气旋式流场,但正负速度对连线较纯气旋模式明显顺偏,呈现气旋式辐合速度场形式;同时在其后侧有一左侧流入、右侧流出的反气旋式流场。随着仰角的增加,速度对连线逐渐逆时针偏转,反映出辐合的程度逐渐减弱,在4.3°仰角(9 km高度)处,正负速度对连线基本平行于雷达径向,为纯气旋式旋转。可以看出,该风暴单体的辐合相当深厚。由于风暴移向和雷达径向交角较大,因此径向速度大小和相对风暴径向速度的大小相差不大。在6°仰角(12 km高度)(图略)上,正负速度连线进一步逆转。表明高层有气旋式辐散。根据成熟中气旋概念模型,在近地层附近,中气旋的径向速度特征为辐合式气旋性辐散,到中层为纯粹的气旋式旋转,到高层则为纯粹辐散。可以看出,该风暴单体的结构同成熟的中气旋结构基本一致。

图 7 2014年3月19日雹暴单体爆发阶段雷达产品特征(a)17:27单体成熟时期叠加中气旋和冰雹指数及风暴属性表的台州雷达组合反射率因子(CR)产品;(b)17:27回波顶高产品;(c,e,g,i)17:27雷达仰角3.5°、2.5°、1.5°、0.5°温州雷达反射率因子(R19) 产品(实线箭头为偏移距离);(d, f, h, j)速度(V27) 产品(黑色矩形框反映中气旋特征);(k,l)17:15—17:21温州雷达垂直累计液态水产品(VIL);(m,n)沿(a)中黑线作的RCS和VCS剖面 Fig. 7 Characteristic of radar products in the outbreak phase of hailstorm cells on 19 March 2014 (a) Taizhou CR products in mature time at 17:27 overlying with mesocyclone, hail index and storm attribute table, (b) ET products at 17:27; (c, e, g, i) R19 products of Wenzhou at the elevations of 3.5°, 2.5°, 1.5°, 0.5° at 17:27 (Solid arrows represent the offset distance); (d, f, h, j) V27 products (black rectangle indicates mesocyclone); (k, l) products VIL of Wenzhou from 17:15 to 17:21; (m, n) cross-sections of VCS and RCS along black line in (a)

该特征也可以从沿图 7a中黑线作的速度剖面图(图 7n)上得到印证:图中右侧长形椭圆所标,左侧负速度,右侧正速度,垂直方向延伸到10 km,反映了该风暴成熟时刻深厚的中气旋;左侧小椭圆所标为风暴后侧低层的反气旋流型。

事实上,根据温州、台州雷达中气旋产品显示和速度产品分析,从16:40起在弓形回波中部和南部形成两个中气旋环流,16:57两个中气旋环流开始合并,并向东移动发展。17:15—17:27合并后的中气旋达到成熟阶段。图 8是统计得到的16:40—17:27的逐6 min的中气旋旋转速度随高度和时间的演变,红色数字为风暴合并前北面中气旋转速,黑色折线为回波顶高度变化,最底层仰角(0.5°)由于地物及湍流污染未计入统计。但可以看出,即使不计最底层,整个统计时段内中气旋垂直延伸厚度仍相当深厚,在5~7 km,远超过风暴垂直尺度的1/3;另外,两个识别出的中气旋离雷达站观测距离在90~110 km;对于核半径由于速度极值点有时不止占据一个距离库,无法给出精确值,但过程期间两个中气旋核半径基本在7~10 km范围内。因此按传统中气旋标准,合并前A0属于弱中气旋,合并后增强为中等强度中气旋,总的维持时间接近50 min。因而造成黄岩、椒江特大冰雹的雹暴单体从其合并生成前到减弱消亡拥有深厚、持久的中气旋环流。而超级单体风暴作为组织程度最高、产生最强烈的风暴类型,其最本质的特征是具有一个称为中气旋的持久深厚的γ中尺度涡旋(Weisman et al, 1984Burgess et al,1990Doswell et al,1993俞小鼎等,20062012)。虽然从反射率剖面上(图 7m)看,该风暴单体垂直方向为弱回波结构,未形成有界弱回波结构,仍然可以认为合并后的单体为一个超级单体风暴。

图 8 2014年3月19日16:40—17:27逐6 min中气旋旋转速度垂直分布及随时间的变化 (黑线为回波顶高变化;中气旋A0用黑色表示,B0用红色表示,横轴括号中的数字表示中气旋离雷达站观测距离) Fig. 8 Vertical distribution of the rotating speed of mesocyclone and it change with time every 6 min from 16:40 to 17:27 (Black line is the top of echo, mesocyclone A0 is black and B0 is red, numbers in brackets of the horizontal axis mean the distance between mesocyclones and the radar site)
2.3 飑中系统台州地区发展及加强成因诊断 2.3.1 水汽和不稳定条件

图 9a9b是3月19日15时冰雹大风过程发生前华东中南部地区的地面温度和露点温度场。如图上所示,浙中南地区的温湿条件较北面普遍要高。温度达到20℃以上,露点超过14℃,说明从地面看,具备了对流发生的基本水汽条件;但温度场高值区不在台州,一条暖舌从温州西部伸向丽水中东部。同样,露点条件更好的地区也不在台州,分布在浙江西南部地区。3月19日14时的再分析资料和17时的区域快速更新同化模式的诊断表明:天气系统影响时段浙中南地区的不稳定指数(K指数)均在33℃以上,大气层结呈现明显的不稳定状态。在这样的不稳定层结条件下,对流系统将获得发展。这次过程系统对浙西南地区如衢州、丽水等影响不大,而在台州、金华地区却引起了冰雹大风天气。为何飑线在向东移动的过程中能够维持加强甚至爆发出超级单体呢?

图 9 2014年3月19日15时浙江地区地面自动站水汽及热力条件等值线分布(a)温度,(b)露点,(c)温度露点差 Fig. 9 Contour distribution of (a) temperature, (b) dew point, (c) dew-point deficit in Zhejiang at 15:00 BT 19 Marth 2014

图 9c是3月19日15时的温度露点差场,图中浙西南地区是温度露点差大值区,其中浙闽交界区达到14℃以上,说明该地区虽然水汽很高,但是水汽的饱和程度很低。浙西南以丽水站为代表站,台州地区以洪家为代表站,根据08时的探空资料通过15时的地面温度露点数据订正计算了两地抬升凝结高度和自由对流高度见表 1

表 1 2014年3月19日15时浙东南和浙西南地区温度、露点、抬升凝结高度和自由对流高度情况[LFC以衢州(58633) 探空计算] Table 1 Temperature, dew point, lifting condensation height and free convection height in the southeast and southwest of Zhejiang at 15:00 BT 19 March 2014 [LFC is calculated using the sounding of Quzhou (58633)]

可以看出,虽然丽水站温湿条件均优于台州,但由于饱和度较低,因而造成了抬升凝结高度较高,推迟和削弱了水汽凝结潜热释放反馈的上升作用,因而限制了对流活动的发展。

2.3.2 抬升触发条件

(1) 天气系统抬升

多数雷暴或冰雹(朱乾根等,2000)的形成都与系统性辐合及抬升运动相联系。在对流层中,大尺度上升运动虽只有1~10 cm·s-1的量级,但持续作用时间长了就会产生强烈的抬升作用。在本次过程发生前08时天气图上(图 2c),台州上游地区武汉—桂林一线有一南支槽,北方地区从北京到西宁一线为一横槽。从形势场的过去演变和温压场的实况配置结合数值模式可以判断,未来数小时内,南支槽将快速东移经过皖、浙等地;同时,在北方横槽南摆作用下,将不断有曲率涡度向南方地区传播,造成系统性的辐合抬升。通过对每日4次的NCEP FNL 1°×1° 3月19日14时的垂直运动场的诊断发现(图略),500~700 hPa上赣中、闽北、浙南及浙东沿海地区均为大范围的上升运动;其中在700 hPa上的浙闽赣交界处有一2 Pa·s-1的峰值区域。综上所述,南支东移和北方横槽南摆造成的系统性上升运动为强对流的发生发展提供了必要条件。

(2) 边界层辐合线

以往的研究表明:锋面抬升是最为常见的一种系统抬升运动之一,锋面降雹是三种典型的降雹天气形势中的一种;对流天气往往发生在地面锋前的1~3个纬距(朱乾根,2000俞樟孝等,1985),这可能和锋面本身的抬升作用有关,也可能和冷锋前产生的重力波抬升激发有关。图 10a是根据地面中尺度加密站的要素场作的14—17时逐时主观中分析图。如图所示,分析图上东北—西南向的一条冷锋由14时逐时推进,冰雹大风天气就发生在东段冷锋前的1~3个纬距之间。同时大量观测和研究表明,边界层辐合线是触发对流天气的重要中尺度系统,对流风暴倾向于在边界层辐合线附近尤其是两条辐合线的交点附近生成(Wilson et al,1986孙继松等,2006俞小鼎等,2012)。俞樟孝等(1985)通过浙江7次冰雹天气过程的分析发现,浙江地区大范围降雹与边界层辐合有着十分密切的关系。降雹前,边界层中都有辐合线的存在;无辐合线,则无大范围冰雹天气发生。通过对19日14时NCEP地面流场客观再分析资料(图 10b)的诊断可以看出,降雹发生前浙江东南部台州到丽水东部一线有一条偏南气流和东北气流的辐合线存在。从图 10a的14—17时逐时中分析表明,降雹发生前,台州地区维持一条东西向的中尺度辐合线,并随天气形势的变化南北略有摆动。当冷锋东移南压时,锋前对流遇到中尺度辐合线,通过抬升作用和水汽辐合作用,得到了加强和爆发。

图 10 2014年3月19日14—17时冷锋及辐合线演变(a),由NCEP再分析资料计算的3月19日14时1000 hPa流场(b) Fig. 10 Evolution of cold front and convergence line in 14:00-17:00 BT 19 March 2014 (a), flow field at 1000 hPa calculated by using NCEP reanalysis data at 14:00 BT 19 March 2014 (b)

(3) 地形影响

山地迎风坡是对流抬升触发的重要因素之一。台州地处浙东南沿海,东部为温黄平原,西部山区则属于浙闽丘陵。从以往经验看,台州西部山区是对流发生的重要源地。本次过程中,飑线系统为西偏北走向,与山系形成了近于垂直的交角,这明显地增加了地形抬升的作用(图 11)。从时间上考察,飑线于16:10前后经过天台山系,受地形抬升触发,得到明显加强,出现了后侧入流的弓形回波特征(图 12a12b);16:50后移过临海、黄岩等地的浙中南山系时,由于南部山系走向和系统移动平行,受山系阻挡,因此南面对流单体向中间移动,和中间对流单体合并并得到明显加强。而北面山系海拔较低,因此系统正常移动、减弱,地形作用不是很明显(图 12c12d)。

图 11 地形影响示意图 (空心箭头为风暴移动方向,实心箭头指向两次触发加强期间的山系) Fig. 11 Diagram of terrain effect (Hollow arrow shows the direction of storm, solid arrow points to the mountains during the two triggering and strengthing periods)

图 12 两次经过地形抬升及引导作用后回波变化特征对比(a)16:10, (b)16:30, (c)17:00, (d)17:20 (箭头为系统移动趋势) Fig. 12 Comparison of the variation of echoes affected by uplifting and leading of terrain (a) 16:10 BT, (b) 16:30 BT, (c) 17:00 BT, (d) 17:20 BT (Arrow shows the moving trend of the system)
3 结论与讨论

本文遵循国家气象中心制定的《中尺度天气分析业务技术规范》(2013内部版)的思路,从环境条件分析和中尺度过程分析两个方面,利用温州、台州新一代雷达资料、长江流域及华东雷达组网拼图产品、中尺度自动站数据及常规观测数据,对2014年3月19日发生在浙江台州地区的一次大范围冰雹过程进行了较为详细的中分析,主要结论如下:

(1) 环境场的条件分析表明:在常规天气分析图上,按照配料法的基本思路,湖北中东部、安徽及浙江地区相比其他地区处于最有利于强风暴发展的形势之下;根据上游站和午后资料的订正表明:台州地区下湿上干层结不稳定的情况下在午后地面温度升高、对流有效位能增加、且0~3和0~6 km垂直风切变较大的情况下有利于出现风雹类强对流天气。

(2) 根据地面系统和雷达拼图演变分析,可以根据天气尺度影响系统将整个过程分为四个阶段。第一阶段为准静止锋阶段,主要特征为雷达回波上静止锋雨带在静止锋前部风速辐合较大处发展得较为旺盛;第二阶段主要特征为冷空气从江西北部到湖南东部开始南下,雷达拼图上对应的冷锋雨带开始形成发展。第三阶段冷空气南下,对应雨带东移,在浙东南地区经中尺度辐合线爆发加强,呈现出有组织的飑线型态和弓形回波特征;第四阶段爆发的飑线入海维持一段时间后减弱,冷锋继续南压,在移出有利的环境条件场之后强度逐渐减弱。台州地区的雷雨大风和大范围冰雹主要产生于第三阶段。

(3) 从系统成熟期的回波形态分可以分为飑线形成、弓形回波、及雹暴单体爆发三个阶段。从自动站要素上观察,风力上弓形回波阶段明显大于雹暴单体阶段,而雹暴单体阶段呈现双峰特征,这对应于单体的发展超前于冷锋飑线;而大风阶段的温度变换较冰雹阶段明显,这可能与整个系统的强弱有关;而气压场波动和经典飑线的气压模型有一定区别,还有待进一步分析。另外,在雷达产品上,造成大风的弓形回波是从冷锋飑线的一个部位上发展加强而成。弓形回波形成期间,反射率因子质心和垂直累积液态水含量明显下降,最旺盛阶段可以分析出弱回波通道和中层径向辐合等典型特征。而从后期的中气旋发展演变来看,爆发的雹暴单体可以看成是一个超级单体。该单体具有强的反射率因子和垂直累积液态水含量和明显的中气旋结构,正是该超级单体造成了台州黄岩、椒江地区的特大冰雹。

(4) 近地层充沛的水汽、较高的饱和程度及有利的层结条件是台州地区飑中系统爆发的水汽条件和不稳定条件,而南支槽及北方横槽南摆形势下的正涡度平流造成了系统性上升运动,高空急流出口区左侧的辐散场形成了高层300~400 hPa达-1.5×10-3 hPa·s-1的强迫抬升;地面冷锋、中尺度辐合线及地形作用,则是飑中系统台州地区爆发加强,从而造成冰雹大风天气的触发条件。

(5) 通过本次过程中各类观测资料和产品的中分析发现,利用午后地面更新资料开展本地探空站的订正分析以及对各类具有时效性的地面中尺度站资料进行加密中分析能有效提高预警的时效和临近预报的质量。因此,地市级预报员应充分利用本地自动站传输的时效性优势,开展中分析的补充订正业务。另外,在布网密集的雷达组网地区,对于地市级台站,不同PUP产品在观测重叠区域存在一个最合适的台站选择;应对本站雷达近距离盲区及不同地点不同产品的适宜观测站点进行调查总结,以便在短临预警有限的分析时间内在不同地理位置权衡考虑雷达产品的时效和可用性,选择最合适的单站产品进行诊断。

致谢:感谢俞小鼎老师的指导,蓝渝、张涛首席提供的最新规范。

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