浙江“3·4”暖区飑线环境场和雷达回波特征分析

吴福浪 赵成华 陶俞锋

(中国民航宁波空中交通管理站,浙江 宁波 315154)

0 引 言

飑线是由多个排列成线状或带状、组织性较强的对流单体所组成的中尺度对流系统[1]。飑线过境时常伴随有短时强降水、地面大风和冰雹，甚至龙卷等灾害性天气,具有发展快、强度大、生命周期短等特点,预报难度很大。

我国新一代多普勒天气雷达网和自动站观测网的布设,为深层次分析飑线等中小尺度天气系统的演变及预警提供了有利条件[2]。近年来,国内学者从飑线的环流背景、雷达回波特征等方面开展了研究。何齐强等[3]研究了江淮地区一次暖区飑线指出,暖区飑线的环境场与经典飑线有所差异。丁一汇等[4]研究指出,锋前暖区的地面或低空最大风速中心可以触发飑线生成。李文娟等[5]利用天气雷达、卫星云图等详细对比分析了2005年浙江两次飑线发生发展的环境条件、云图及雷达回波特征,指出了此类飑线发生发展的物理机制及可预报性。田荟君等[6]对合肥的一次暖区飑线过程进行分析指出,飑线发生在较弱的对流不稳定和弱风切变环境中,雷达图上飑线呈弓状,具有明显的对流区、层云区和过渡带。曹倩等[7]利用美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料和探空资料分析湖北的一次飑线过程,结合雷达回波资料着重探讨了飑线的时空演化特征。

不同区域飑线系统的形成方式、组织结构、形成机理等有明显的不同,即使在相似的环流背景下，不同的流型配置,其飑线的组织结构、形成机理和维持机制仍存在较大差异。本文利用区域自动站数据、NCEP再分析资料及雷达监测产品,对2018年3月4日发生在浙江省的一次飑线天气过程的环境场和雷达回波特征进行分析,以期为以后相似天气背景下飑线临近预报、预警提供参考依据。

1 资 料

本文采用的资料有浙江省自动站数据、NCEP再分析资料和雷达监测产品。浙江省自动站数据为逐5 min资料,包含气象自动站、交通站、水文站、电力站、水文流域站等站点的数据,天气要素涵盖风向、风速、温度、降水量等;雷达监测产品采用杭州市新一代多普勒天气雷达(S波段)约6 min一次的体扫基数据;NCEP再分析资料为NCEP/FNL 1°×1°逐6 h再分析资料。

2 环境特征分析

2.1 天气实况

2018年3月4日18—22时,受对流云团影响,浙江省自西南向东北出现大范围雷雨大风、局地短时强降雨等恶劣天气,共有14个站点雨量超过50 mm,达到短时大雨到暴雨级别。233个乡(镇、街道)出现8级以上雷雨大风,66个乡(镇、街道)出现10级以上雷雨大风。此次强对流天气给浙江省的农业、电力设施、通信、市政、建筑、交通及旅游等带来了严重影响。丽水、嘉兴和衢州遭遇房屋倒塌、道路中断、冰雹袭击等,受灾严重,直接经济损失达9165万元以上,受灾人口超过1.8万人。

2.2 天气形势

3月4日08时飑线发生前,500 hPa中纬度西风气流越过青藏高原,在河套南部至云南贵州地区与低纬度西南偏西气流形成深厚的南支槽,槽前为较强盛的西南急流。850 hPa我国西南地区有低涡生成,低涡切变南侧为大范围的低空急流区,西南急流引导孟加拉湾暖湿水汽北上,为强对流的发生发展提供了充足的水汽条件。低空西南急流大值区位于南岭附近,移动至华东西南侧时风速减小至12～16 m/s,表明华东西南侧存在风速辐合,利于低层急流左前侧形成强烈的上升运动,为强对流的发生发展提供有利的动力条件。中低层低涡的存在延缓了北方冷空气南下的速度,飑线发生时地面锋面处在苏皖中北部至赣鄂交界一带,浙江省处在地面冷锋前暖区中。3月4日温度监测显示,浙江省最高气温27.5 ℃,露点温度为16～18 ℃,温度高、湿度较大,“返潮”明显,近地面高能高湿的累积过程,使得大气层结具备发生强烈天气的潜势,当有高空槽、切变线等天气扰动系统靠近时,极易造成大气层结的不稳定,有利于对流层低层暖湿气流的强迫抬升和强烈天气的发生发展[8-10]。综上分析可知,此次飑线发生在高空槽前以及中低层低涡切变前侧暖区之中,低层暖湿气流的强迫抬升是主要的触发机制。

采用飑线系统移动方向前侧的探空观测资料，进一步分析飑线发生时的环境特征可知，对流于3月4日18时左右在衢州至丽水一带发展,然后自西南向东北移动,经过金华、杭州、绍兴、宁波、湖州、嘉兴等地,最后于22时移入东海海域后减弱。分析飑线发生前的14时探空曲线可知,衢州站对流有效位能(CAPE)为714 J·kg-1,对流抑制能(CIN)为0,如有一定的触发条件就易触发对流发生发展(图1a)。地面至200 hPa为西南气流,0～3 km(700 hPa)垂直风切变较弱,切变<10 m/s。700～400 hPa露点温度曲线与层结曲线间隔较大,探空图分布呈现倒“喇叭口”形,表明对流层中层有干区生成,而低层湿度相对较大,“上干下湿”的大气层结配置有利于雷暴大风和冰雹的发生[11-13]。14时杭州站的探空图分布和衢州站的类似(图1b)。飑线经过后的20时探空曲线显示,衢州站对流层中层干区维持,由于强对流的发生,不稳定能量被释放,对流有效位能降低至265 J·kg-1,对流抑制能上升至166 J·kg-1,对流在衢州地区迅速减弱。20时杭州站对流有效位能降低至325 J·kg-1,对流抑制能上升至152 J·kg-1,对流在杭州地区迅速减弱。

图1 2018年3月4日14时飑线发生前的探空曲线分布(a.衢州、b.杭州)

3 雷达回波特征分析

3.1 飑线水平演变

组合反射率因子表示的是在一个体扫中,将常定仰角方位扫描中发现的最大反射率因子投影到笛卡尔格点上的产品,常常用于分析强对流系统水平演变特征,它的缺点是无法辨别出在某个仰角上有意义的低层特征,如钩状回波、弱V形缺口等。以下用基本反射率因子来分析此次飑线系统的演变过程。

3月4日18时45分左右飑线在浙江省杭州—金华一带生成,随后向东北方向移动和发展,移速约为25 m/s,21时33分左右入海后消亡,整个飑线过程维持了近3 h。此次飑线过程的生消演变可以分为4个阶段:初生阶段(18—19时),发展阶段(19时—19时50分),成熟阶段(19时50分—21时),消亡阶段(21时—21时33分)。分析各个阶段飑线的雷达回波特征如下。

3月4日18—19时为飑线初生阶段。18时在浙西部衢州—丽水之间(相对应的雷达位置方位角为238°、距离为192 km)开始有多个对流单体生成,在引导气流作用下向东北方向移动,回波不断加强。18时45分该风暴系统移动至杭州—金华地区,风暴系统发展成由多个对流风暴侧向排列形成的线状对流系统,即飑线(图2a黑色虚线),回波强度超过45 dBZ,尺度约为130 km。

19时—19时50分为飑线发展阶段。飑线生成后沿着引导气流向东北移动,19时24分飑线移动至杭州北部—绍兴西南一带(图2b黑色虚线),飑线北部呈现弓形回波,在弓形回波后侧出现V形缺口,表明具有较强的下沉气流进入飑线,使飑线得以维持和发展。飑线南部绍兴西南侧对流单体后侧呈现突起状,在相应的雷达回波图上低层为弱回波区(图略),呈现超级单体特征。此时飑线发展旺盛,对流单体组织化程度不断加强。新单体在飑线前进方向左前侧生成,而旧单体逐渐减弱消亡。

图2 2018年3月4日1.5°仰角基本反射率[a.18时45分、b.19时24分、c.19时58分、d.21时33分(单位:dBZ)]

19时50分—21时为飑线成熟阶段。19时58分飑线移动至湖州—绍兴东北一带(图2c黑色虚线),飑线发展成熟,最强回波达58 dBZ。飑线北部弓形回波更明显,弓形回波后侧V形缺口维持。飑线对流区后侧有约50 km的层云降水区,回波强度为30～35 dBZ。在弓形回波层云区和对流区之间,存在宽度约为20 km的弱回波(15～25 dBZ)过渡带。

21时飑线移入东海后结构变得松散,强度逐渐减弱,21时33分后线状对流进一步减弱(图2d),后侧为70～100 km的层云降水区,飑线过程结束。

此次飑线包含对流区和层云区两部分,其中对流区是由排列成带状、发展旺盛的强对流单体组成,在对流云带前方北侧不断有新对流单体生成,而其后方旧的对流云消亡,形成较为宽阔的尾随层云区,范围为50～100 km,层云区中回波强度为25～35 dBZ,降水较为均匀。

3.2 飑线垂直结构特征

图3为2018年3月4日回波基本反射率垂直剖面图及对应的基本径向速度垂直剖面图。

图3 2018年3月4日回波基本反射率垂直剖面图[a.18时45分、b.19时24分、c.19时58分、d.21时33分(单位:dBZ)]及对应的基本径向速度垂直剖面图[e.19时24分、f.19时58分(单位:m/s)]

在飑线初生阶段,18时45分回波垂直结构表现为大片较强回波区域,对流区域回波中心强度超过45 dBZ(图3a),顶高发展至6 km左右,对应的中低层基本径向速度图上出现了速度模糊(图略)。在飑线发展阶段,19时24分飑线发展旺盛,对流区范围增大,高度伸展至10 km左右,45 dBZ的强回波伸展至7 km左右,出现明显的中层悬垂回波和低层有界弱回波区(图3b白色箭头),飑线前侧约10 km处有新的对流单体生成,有利于飑线发展和维持;飑线后侧旧单体逐渐消亡,转变为大范围层云降水区,高度在5 km以下。19时24分对应的基本径向速度图上,飑线后侧低层出现速度辐散(图3e白色箭头),这是雷暴大风在径向速度图上的明显特征[14],浙江省自动站资料显示有233个站点出现8级以上雷暴大风。19时58分在飑线成熟阶段(图3c),低层有界弱回波区和中层悬垂回波维持,飑线后侧旧单体消亡形成层云区,在层云区和对流区之间低层存在宽度约20 km的弱回波(15～25 dBZ)过渡带,在对应的基本径向速度图上,飑线附近低层出现径向速度辐散(图3f白色箭头),中层有明显的径向速度辐合(图3f白色圆圈)。21时33分对流单体结构松散(图3d),飑线入海后逐渐消亡。

4 结 语

本文利用区域自动站数据、NCEP再分析资料及雷达监测产品,对2018年3月4日发生在浙江省的一次暖区飑线天气过程的环境场和雷达回波特征进行分析,主要结论如下。

(1)此次飑线过程发生在500 hPa南支槽以及700～850 hPa低涡前侧暖区中,低层暖湿气流的强迫抬升是主要的触发机制。飑线发生前,对流有效位能较强,垂直风切变较弱,大气呈现“上干下湿”的层结配置,有利于雷暴大风和冰雹的生成。

(2)基本反射率显示,发展期和成熟期飑线呈弓形,弓形回波后侧有V形缺口,表明具有强烈的下沉气流进入飑线,使飑线得以维持和发展。飑线包含对流区和层云区两部分,对流区由排列成带状、发展旺盛的强对流单体组成,在对流云带前进方向的左前侧不断有新的对流单体生成,飑线后侧旧的对流云消亡,形成较为宽阔的尾随层云区。

(3)垂直剖面显示,飑线在发展和成熟阶段出现明显的中层悬垂回波和低层有界弱回波区。飑线前侧不断有新的对流单体生成,有利于飑线发展和维持;飑线后侧旧的对流单体逐渐消亡,形成大范围层云降水区。在基本径向速度图上,飑线附近低层出现径向速度辐散,中层有明显的径向速度辐合。