吉安春季一次飑线天气过程分析

2020-12-21 11:25:18王文娟张晓露郭丹
农业灾害研究 2020年9期
关键词:不稳定

王文娟 张晓露 郭丹

关键词低空急流;辐合线;不稳定;弓形回波;逗点云系

吉安市地处长江以南,位于江西省中西部,境内地形条件复杂,山脉、丘陵和平原交错,水系发达,赣江穿城而过。每年春季江南地区进入强对流天气高发时段,常常给经济社会发展和人民群众生命安全带来严重威胁。为探究强对流天气的发生发展机理,不少气象专家学者开展了相关研究,也取得了很多科研成果。许爱华等通过分析中国中东部强对流天气的天气形势分类和基本要素配置特征,提出了强对流天气5种基本类别:冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类、高架对流类:叶爱芬等指出中高层强冷空气入侵配合地面中尺度低压的发展,导致不稳定能量突增:下湿上干的不稳定层结、合适的0℃层与-20℃层高度利于大冰雹的形成;强有力的中尺度抬升系统和强垂直风切变直接导致强对流的发生,并使强对流长时间维持:陈梓浩等指出冷锋、切变线南压为触发飑线的主要机制,各层急流出现相交,且明显的上干下湿和上冷下暖的垂直结构有利于飑线进一步发展与维持。

本文利用NCEP再分析資料和多源气象观测资料,对2020年5月15日吉安出现的一次飑线天气过程进行天气学诊断分析,总结其中的发生发展成因及机理,找出识别判据,以期为今后预报此类天气提供一些经验参考。

1天气实况

2020年5月15日午后至上半夜,吉安出现一次区域性强对流天气,具备典型的飑线天气系统特征,所经之处伴随明显大风、短时强降水和局地冰雹天气。据气象观测资料统计,共有14个站出现短时8级以上雷雨大风,以永丰高山站26.3m/s(10级)大风为最大,吉水盘谷、永丰古田出现小冰雹天气,吉安中东部部分乡镇出现暴雨天气,15日08:00~16日08:00全市平均雨量18.4mm,以青原区37.1mm为最大,永丰县30mm次之,共有27个站超过50mm,以青原区东固站84.5mm为最大。

2环流背景分析

2.1500 hPa分析

5月15日08:00 500 hPa欧亚中高纬为“两槽一脊”,乌拉尔山为一高压脊,脊前不断有冷空气沿新疆经河套影响黄河以北地区,贝加尔湖地区为一低槽,华北至东北地区有低槽活动,槽后弱冷空气扩散南下影响长江中下游一带。中低纬位于四川东部和广西境内,分别有高原和南支槽逐渐东移,南北槽经向度较大,西太平洋副高位置偏南,主体位居海上,吉安处在槽前强盛的西南暖湿气流控制之下,暖平流特征非常明显,高空槽前正涡度平流加强了低层上升运动的发展,随着高空槽逐渐东移,南支槽前暖平流与北支槽后弱冷平流叠加于江南上空触发强对流天气;14:00高原槽与南支槽合并东移,槽前正涡度平流明显加强,强对流天气强烈发展;20:00随着槽前正涡度平流东移减弱,强对流天气也趋于结束(图1)。

2.2 700 hPa、850 hPa分析

通过分析5月15日08:00中低层700 hPa、850 hPa高空图可知,江西中北部中低层均处明显高湿区中(T-Td≤3℃),同时850 hPa比湿为(11-12)g/kg,位于两广北部有明显的低空急流大风速轴伸向我省,吉安处于850 hPa低空急流出口区和西南风速辐合区中,具备良好的水汽、动力辐合拾升条件,对流不稳定性明显增强,对当日午后强对流天气发展极为有利。

2.3 925 hPa分析

从15日08:00 925 hPa实况分析可知,南昌、赣州站西南风速分别为(8-10)m/s,尤其位于两广北部至江西中南部有明显的超低空急流存在,赣中位于风速辐合区,且江西中北部T-Td≤1℃,比湿值接近15 g/kg,近地层接近饱和状态,同时江西境内处于20cc暖脊控制之下,具备显著的高温、高湿热力不稳定特征,这也为强对流天气发生发展创造了有利的不稳定条件。

2.4地面形势

5月15日08:00吉安处于地面暖低压倒槽控制下,大气中不稳定能量较高,08:00前强对流区域主要位于我省北部,吉安位于强对流区域南缘,其中新干-峡江-安福-线有一条东北-西南向的辐合线逐渐发展,境内存在明显的温度锋区:11:00峡江一带有一中小尺度低压环流中心发展,且存在明显的气旋式切变,上升运动发展强烈,受此小尺度低压中心东南移影响,位于宜春至萍乡一带的飑线系统快速向东南方向移动;受飑线前侧中小尺度辐合系统的影响,12:OO-13:00地面辐合线南北温差高达12℃,对流不稳定特征显著增强:随着飑线系统的快速发展东南移,吉安中东部部分出现明显的大风和短时强降水天气:14:00受辐合线影响,南部部分乡镇先后出现强雷电、短时强降水和雷暴大风等强对流天气。

综上分析表明,“5.15”飑线天气过程是一次由低层暖平流强迫触发形成的中小尺度天气系统,高空低槽、低空急流、地面辐合线和中小尺度低压是主要影响系统。

3物理量诊断分析

3.1水汽条件

通过对15日中低层700 hPa、850hPa比湿、水汽通量散度场分析发现(图略):15日强对流天气区域的移动变化与比湿、水汽通量负散度中心大值区呈较好的对应关系:当日08:00、14:00700 hPa、850 hPa比湿大值区12-14/(g/kg)位于湘赣中、南部,850 hPa水汽通量散度负值中心位于湘赣中、南部,变化与之类似,表明水汽辐合条件自西向东逐渐增加:20:00比湿逐渐减小,比湿的减弱也意味着对流系统的逐渐减弱。

综上分析表明,700 hPa、850 hPa比湿强度的变化整体较好地反映了强对流系统强度及落区的变化,水汽通量负散度中心的减弱也同样标志着对流系统的减弱与结束。

3.2动力条件

通过对当日涡度、散度及垂直速度场分析可知(图2):15日08:00、14:00涡度、散度场呈现明显增强趋势:20:00逐渐减弱,这与强对流天气发展东移存在较好的对应关系。分别沿27°N做涡度、散度与垂直速度的垂直剖面图分析发现:5月15日08:00吉安中低层850-200 hPa为正涡度区,且位于高层200 hPa存在一正涡度中心,表明上升运动发展明显,850 hPa、200 hPa正涡度中心快速增大,表明14:00上升运动明显加强,08:00低层700N850 hPa处于负散度区中,300 hPa为正散度区;14:00吉安850 hPa处于负散度大值中心,中心值≤4×10-,高层200 hPa为正散度区,存在低层辐合、高层辐散特征:同时,当日14:00垂直速度剖面图上中低层也呈现明显的上升运动特征,600 hPa以下均为上升运动区,600 hPa上升速度达0.6 hPa/s以上。上述分析表明,15日08:00~14:00吉安境内的动力辐合抬升条件呈明显增强趋势。

3.3热力条件

通过对吉安当日14:00 ese、CAPE垂直剖面图分析可知(图略):850 hPa以下处于e se高能量锋区中,e se中心值为≥348 K(750c),表明近地层大气不稳定度很高,CAPE值吉安境内≥1200J/kg,以上对流不稳定指数均表明14:00前后吉安大气不稳定能量高,具备良好的热力条件,对强对流天气发展有利。

3.4不稳定抬升条件

通过分析5月15日08:00赣州站探空图可发现(图3):整层大气均为上下一致的西南气流,表明暖湿气流非常活跃,尤其低层暖平流特征明显,中低层0~6km存在较强的垂直风切变达16m/s,具备充足的水汽、动力抬升条件,探空露压曲线呈明显的“上干下湿”喇叭口结构特征,中上层干冷,低层暖湿的大气层结对短时雷暴大风出现非常有利,且对流有效位能CAPE值821.1J/kg,下沉对流有效位能DCAPE值753.9J/kg,S1为-0.92℃,K指数为32.5℃,0℃层高度4.6km,-20℃层高度8km,有利于大气不稳定能量的积聚,满足了强对流天气发生的潜势。

对15日14:00吉安站探空资料进行分析可知,CAPE值达1292J/kg,0℃层高度为4.5 km,-20℃层为7.5 km,一般0℃高度在4km左右,-20℃层高度在6~7km左右,对冰雹天气发生有利,另外中低层环境风垂直切变为18m/s,有利于风雹天气的进一步发展与维持。

4雷达回波和闪电特征分析

利用江西省雷达拼图、闪电和吉安双偏振雷达资料对“5.15”飑线天气过程进行了回顾(图4),主要分为两个时段:一个时段为15日12:00~15:00,为典型的飑线窄带回波过境;另一个时段为17:00~20:00,由暖区块状对流单体回波合并增强造成。第一时段:15日11:30,宜春至莲花一带有一强的飑线带状回波发展东移,反射率因子梯度较大,回波强中心最大反射率因子≥55dBz,强回波中心及前沿伴随密集的负地闪发生;12:00飑线南段强回波进入安福、永新境内,正、负地闪频数急剧增加,且以负地闪居多;12:30强回波快速东移,反射率因子梯度进一步增强,且前沿呈明显弓形回波特征,最大反射率因子高达65dBz,伸展高度达10km左右,负闪密集区处于弓形回波顶端,安福东南部、吉安县西部部分乡镇出现短时大风和强降水天气;13:00-15:00,≥60 dBZ强回波中心进入吉安中部,正、负闪密集区随之东南移动,吉安市、吉水、永丰部分乡镇先后出现短时强降水、短时8级雷暴大风和局地冰雹天气,其中吉州区白塘站1h雨量达51.3mm,吉水盘谷、永丰谷田出现了小冰雹天气。由于此次过程降雹时段较短,且为小冰雹(不排除雨夹雹的可能性),吉安双偏振雷达可更好地帮助了识别冰雹。通过分析14:03永丰降雹时段双偏振参量可以发现:永丰境内最大反射率因子Zr≥65dBz,差分反射率因子zdr值在0附近,相关系数phv为0.98-0.99,差分传播相移率KdD接近0-0.50,这也进一步印证了14:00前后永丰境内出现了降雹的可能性。第二时段:16:00-17:00,受南部地面辐合线的影响,泰和、万安、遂川境内有≥60 dBz积状对流回波发展并范围逐渐扩大,回波结构密实,降水效率较高,负地闪密集区域对应于强回波中心区域:18:00-19:00为鼎盛时段,强回波中心向东南方向移动,之后随着不稳定能量逐渐释放,闪电明显减弱:20:00~21:00整体趋于减弱并进入赣州、抚州境内,第二阶段强对流宣告结束。

5红外云图特征分析

5月15日飑线天气过程从红外云图特征分析来看大概可分为两个影响时段(图5):一个时段为12:00~15:00:另一个时段为17:00~20:00。其中第一时段是影响最剧烈的时段,从西北部向东南方向发展移动,影响吉安中东部。15日10:00,吉安处于高空500 hPa槽前西南暖湿气流控制,中南部晴空区增温明显,位于湖南东部至赣西北一带有中尺度对流云团发展东移,随着槽前正涡度平流辐合上升运动的发展加强,形成了明显的中尺度对流系统(HCS);12:00~13:00,HCS整体进入江西境内,并呈现出明显的逗点云系特征,吉安西北部正处于逗点云系尾部,飑线天气系统正是由此逗点云系南段的对流云团激发造成的,随着逗点云系东移,吉安中东部部分地方出现明显的短时大风、强降水和局地冰雹天气;14:00~15:00逗点云系消失,对流云团整体向赣东北方向移动,吉安中东部风暴也逐渐趋于减弱。上述分析可知,逗點云系的发展消亡对预判强对流天气发生发展具有一定的指示意义。第二时段对流系统从西南部向东北方向发展移动,影响吉安东南部。16:00湖南东南部有一对流云团发展,受强盛的西南气流影响,该对流云团迅速发展加强并向东北方向发展;17:00~19:00对流云团进入吉安西南部,并逐渐与泰和、万安境内的对流云团合并增强,受其影响,吉安东南部局地出现明显雷电和短时强降水天气;20:00强对流天气逐渐减弱消亡。

6结论

(1)“5.15”飑线天气过程是一次由低层暖平流强迫触发形成,“上干下湿”的大气不稳定层结,地面辐合线、中小尺度低压和925 hPa辐合线、0~6 km较强的垂直风切变此次过程的主要触发机制。

(2)此次过程中水汽、热力、动力不稳定拾升条件均有利于强对流天气发生发展。

(3)此次强对流天气发生时负地闪密集中心区域与强回波中心相对应,弓形回波的发展可提前预示地面雷暴大风出现,双偏振雷达参量对监测识别冰雹具有较好的效果,逗点云系的发展与消亡对预判强对流天气发生发展具有一定指示意义。

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