2021年吉林中部一次极端雷暴大风的中尺度成因分析*

王婷婷 朱文剑 姚 凯 全思航 毕潇潇 姚 瑶

1 吉林省气象台,长春 130062 2 国家气象中心,北京 100081

提 要：基于常规观测资料、地面加密自动气象观测站、多普勒天气雷达和ERA5再分析资料等,对2021年9月9日上午发生在吉林省中部一次罕见的极端雷暴大风的中尺度成因进行了详细分析。结果表明:产生雷暴大风的飑线系统是在深厚的东北冷涡配合大尺度锋生作用在冷锋尾部激发形成的。中层较强干空气和逆温层以下接近干绝热的温度递减率有利于极端雷暴大风产生。干暖盖的存在导致低层暖湿空气迅速增强,临近时刻CAPE值超过1600 J·kg-1,层结在短时间内变为极不稳定结构,夹卷层平均风达到20 m·s-1以上,动量下传有利于地面风速增强,极端雷暴大风发生在断裂后飑线尾部前沿γ中尺度涡旋附近,但涡旋附近2个站点极端雷暴大风形成原因明显不同,其中农大站极端雷暴大风发生时气压陡降,气温陡升且分钟降水量弱,是由飑线前侧强下沉辐散气流(冷池出流)在较强的偏南风气流作用下加速流入涡旋内部、辐合上升气流迅速增强导致,与其附近农博园站和长春站由降水粒子拖曳作用形成的强下沉辐散气流导致的极端雷暴大风明显不同。

引 言

极端雷暴大风是指阵风风速≥10级(≥25 m·s-1)且伴有雷电的强对流天气,往往造成与龙卷天气破坏程度相当或高于弱龙卷天气危害程度的灾情,如2015年湖北监利“东方之星”翻沉事件(郑永光等,2016),2019年3月21日广西桂林临桂县17级极端雷暴大风(李彩玲等,2021)等。由于该类型天气往往具有局地性和突发性强、生命史短等特点,产生大风的对流风暴常出现在比普通雷暴更干的环境下,雷暴大风尤其是致灾大风的可预报性更低,预报预警难度极大。

2021年9月9日白天,吉林省中东部地区遭遇当年入汛以来最强一次飑线过程。飑线由内蒙古通辽地区进入四平西部后,快速向东移动并发展,11时(北京时,下同)经过长春市上空时风速突然加大,有2个站风力超过11级,达到极端雷暴大风强度,致使多人受伤并一人伤亡。极端雷暴大风发生在飑线前沿γ中尺度涡旋附近,且邻近2个测站极端雷暴大风发生时气象要素变化和形成机理明显不同。关于极端雷暴大风,王秀明等(2012;2023)详细分析了下击暴流形成机理,认为风暴强下沉辐散气流、强冷池造成的冷池密度流、降水粒子的蒸发效应等因素的共同作用造成了地面极端雷暴大风产生,且对地面极端雷暴大风的增幅作用几乎相当;康岚等(2018)对四川盆地一次极端雷暴大风成因进行详细分析后指出中空干层、大的温度直减率、高低空急流耦合区、低层温度脊附近是利于极端雷暴大风出现的潜势区域;沈杭锋等(2019)指出飑线经过时气压涌升所形成的雷暴高压、强气压梯度以及飑线的快速移动均有利于地面极端雷暴大风的出现;盛杰等(2019)发现飑线后侧中层干后向入流促使降水粒子相变,剧烈降温形成的强下沉运动是导致极端大风产生的主要原因;侯淑梅等(2022)指出阵风锋移动速度快、持续时间长,是造成山东近海一次10级以上雷暴大风的直接原因,冷池与日照暖温度脊之间产生的密度流与变压风叠加造成地面大风强度增强。关于中尺度涡旋,Zhang et al(1991)指出中尺度涡旋在多普勒天气雷达速度图上的典型标志是一对距离近、符号相反且闭合的速度等值线;Wakimoto et al(2006)基于机载多普勒雷达观测资料结合地面灾害调查结果,发现中涡旋的涡旋流与强环境背景流叠加能够产生F0～F1级强度的地表灾害性大风;Wheatley et al(2006)借助观测证实了中涡旋与地表灾害性直线大风存在密切关联。目前,国内学者对于中涡旋研究大多集中于中涡旋结构及引起暴雨或冰雹成因(张京英和漆梁波,2008;方纯纯和关春玲,2014;焦宝峰等,2022),涡旋的时空分布特征和大小、位置、强度等(Tang et al,2020;居圆圆等,2022),对于中涡旋的形成机制和涡旋对极端雷暴大风形成的作用等研究较少。

本文主要基于地面加密自动气象观测站、多普勒天气雷达、探空等多源实况观测资料和欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析资料(空间分辨率为0.25°×0.25°,时间分辨率为1 h)等,从γ中尺度涡旋演变特征和有利于雷暴大风形成的关键要素(动量下传、冷池出流、辐合上升气流等)对此次极端雷暴大风的形成机制进行详细分析和探讨。

1 强对流实况

2021年9月9日08时开始,一条东北—西南向的飑线由内蒙古通辽进入到吉林省四平地区并继续东移发展,造成吉林省中东部先后出现短时强降水、雷暴大风和冰雹等强对流天气(图1a)。强降水主要集中在长春南部、四平东部和辽源地区部分乡镇,最大小时降水量达41 mm(九台区常家村)。3个国家级气象观测站和48个自动气象站记录了8级以上雷暴大风,其中长春市区东南部净月吉林农大站(简称农大站)和净月农博园站(简称农博园站)先后于11:07和11:12出现12级(瞬时极大风速达35.8 m·s-1)和11级(瞬时极大风速达31.9 m·s-1)极端雷暴大风,大风造成长春市区多个工地彩钢房倾斜,写字楼广告牌掉落等,并致使多人受伤。2015年以来吉林省雷暴大风统计表明,雷暴大风多发生于6—7月,总占比约为79.2%,其中9月最少,仅发生过3次,占比仅为3.0%,且风力不超过9级。因此,此次对流过程发生时间明显偏晚,强度显著偏强。

图1 (a)2021年9月9日08—20时吉林省强对流实况监测和(b)长春市部分气象站地理位置示意图Fig.1 (a) The monitoring map of severe convection in Jilin Province from 08:00 BT to 20:00 BT 9 September 2021 and (b) the geographical location diagram of some meteorological stations in Changchun City

从农大站和农博园站地理位置来看(图1b),2个站位于长春站东南侧18 km处,其直线距离为1.3 km。当飑线自西向东移动先后经过长春站、农大站和农博园站时,3个站均出现风向突变(偏东风转为偏西风),风速递增,气压涌升,气温下降和降水量增大等飑线过境特征(图2),但农大站和农博园站2 min平均风速明显比长春站更强,且在飑线过境前(11:07左右)出现气压下降,气温上升或变化不大,降水量下降等与飑线过境完全相反的特征,风向由偏东风转为偏南风,强风的产生可能有与强上升气流有关,其形成原因值得探寻。此外,农大站在该时段气象要素变化更剧烈,5 min内气温升高8.9℃,4 min内气压下降5 hPa,风速更强,在11:07达到极值(2 min平均风速为22.2 m·s-1,瞬时极大风速达35.8 m·s-1),而农博园站在11:12飑线过境时风速达到极值(2 min平均风速为18.9 m·s-1,瞬时极大风速达31.9 m·s-1)。

图2 2021年9月9日(a)长春站,(b)农大站和(c)农博园站分钟级地面气象要素变化Fig.2 Minute-level changes of ground meteorological elements at (a) Changchun Station, (b) Nongda Station and (c) Nongboyuan Station on 9 September 2021

2 天气背景和环境条件分析

2.1 环流背景

9月9日08:00(图3a),贝加尔湖东侧有一深厚东北冷涡缓慢东移南压,后部有明显干冷空气侵入,925 hPa切变线位于500 hPa槽前,大气斜压性较强,易产生锋生作用,500 hPa急流出口区右侧风速辐合线叠加在925 hPa切变线之上,为飑线形成提供了较强的动力抬升条件。长春站位于冷涡东南象限,低层暖舌伸至该地区上空,850 hPa和500 hPa温差达28℃,热力条件好,925 hPa露点温度不足8℃,但湿舌随低空西南风急流增强显著北伸(图3b),至11:00长春站位于急流出口区湿舌附近,提供了有利的动力抬升和水汽输送(925 hPa比湿值达10 g·kg-1)。

注:红色圆点为长春站;蓝色和黑色等值线分别为500 hPa高度场(单位:dagpm)和海平面气压场(单位:hPa);黑色风羽为925 hPa或地面风场,超过12 m·s-1风速标记为红色;填色表示地面温度。图a中红色虚线为850 hPa温度场(单位:℃),加粗箭头和虚线分别为500 hPa急流轴和风速辐合线,灰色实线为925 hPa切变线,橙色数字为850 hPa和500 hPa温差(单位:℃);图b中绿色实线为925 hPa露点温度(单位:℃);图c中蓝色实线为冷锋;图d中红色和黑色数字分别为3 h负、正变压(单位:10-1 hPa)。11:00高空图来自于ERA5再分析资料,其余均为实况资料。图3 2021年9月9日(a,c)08:00,(b,d)11:00的(a,b)高空和(c,d)地面形势场Fig.3 (a, b) High-altitude and (c, d) surface situation fields at (a, c) 08:00 BT and (b, d) 11:00 BT 9 September 2021

地面图中(图3c,3d),08:00在天气尺度锋生作用下冷锋尾部位于高空风速辐合区和近地面层温度梯度大值区附近,多尺度叠加作用下对流云团激发并形成飑线,在低层暖舌和地面增温作用下飑线前侧入流即偏南风气流显著增强,有利于飑线东移过程中维持和发展,至11:00,长春站北侧正变压增强并构成小尺度雷暴高压,偏北风与偏南风在长春站附近形成较强辐合,为产生极端雷暴大风的对流发展提供了局地强上升运动。

2.2 对流环境条件

9日08:00长春站探空图(图4a)和物理要素值(表1)显示,对流不稳定能量CAPE值较小,仅为10.8 J·kg-1,但925 hPa以下有明显逆温层,有利于不稳定能量累积,且850～500 hPa温度差(ΔT85～50)达28.6℃;1 km以下有湿层,925 hPa比湿为8.76 g·kg-1,叠加在中层较强干空气(700～400 hPa平均温度露点差,即干层强度达16.7℃)之下,层结不稳定,且逆温层以下温度直减率接近干绝热递减率(8.21 ℃·km-1),环境条件有利于雷暴大风产生。利用农博园站对流发生前10:10的地面气温(20.2℃)和露点温度(16.8℃)对探空层结进行订正(图4b),结果显示订正后CAPE值超过1600 J·kg-1,对流抑制能CIN降至0.4 J·kg-1,层结不稳定性在短时间内迅速增强,为极端雷暴大风的产生提供了强有利的不稳定条件。此外,大风指数达23.8(吉林省雷暴大风阈值为20),DCAPE超过670 J·kg-1,对雷暴大风的潜势预报有一定指示作用;429～400 hPa夹卷层平均风风速超过20 m·s-1,在不稳定层结下高层动量下传有利于地面风速增大;整层大气水汽含量达22.0 mm,有利于湿下击暴流产生;0～3 km垂直风切变和0～6 km垂直风切变达到或接近中等强度(≥11 m·s-1),有利于对流风暴即飑线的组织和发展。

表1 2021年9月9日08:00长春站探空物理量Table 1 Sounding physical quantities at Changchun Station at 08:00 BT 9 September 2021

3 飑线系统演变特征

从松辽流域雷达回波拼图可见(图5),9日08:00 起,先后有2个飑线经过并影响吉林省中东部地区。其中第一条飑线强度较强,移速较快且维持时间较长,东移进入吉林省后移速约为75 km·h-1,结构较均匀,产生的雷暴大风较分散且风力较小(共计9个测站风力达8～10级),10:30开始,飑线断裂成两段,其北段飑线前沿有γ中尺度涡旋生成并发展,11:00经过长春市区南部时农大站和农博园站瞬时风力超过11级,随后飑线东移进入高压区外围辐散区,强度减弱并逐渐解体;第二条飑线形成于冷涡槽线尾部附近,13:00开始进入吉林省中南部地区后受不利的环境条件和地形摩擦影响强度减弱较快,持续时间较短,至15:30线状结构解体。

图5 2021年9月9日(a)08:00,(b)11:00,(c)13:00,(d)15:30东北松辽流域组合反射率因子拼图Fig.5 Radar composite reflectivity factor mosaic of Songliao Basin in Northeast China at (a) 08:00 BT, (b) 11:00 BT, (c) 13:00 BT, (d) 15:30 BT 9 September 2021

4 极端雷暴大风成因分析

飑线前沿γ中尺度涡旋经过长春市区南部时,有2个测站(农大站和农博园站)出现并达到极端雷暴大风强度。因此主要基于γ中尺度涡旋的演变特征,结合地面加密自动站和ERA5等资料重点分析并探讨2个测站,特别是农大站极端雷暴大风产生的根本原因。

4.1 γ中尺度涡旋演变特征

形成发展阶段:10:35(图6a1),飑线断裂成两段,断裂处公主岭尖山站附近前侧下沉辐散气流(偏西风,负速度,10:30瞬时极大风速达21.8 m·s-1)与飑线前沿偏东风(正速度)在近地面层强烈辐合,400 m以下正负径向速度差值(辐合强度)达到27 m·s-1,距离接近2.5 km,辐合高度接近2.5 km(图6d1距起始点A水平距离11 km处),多个新生单体在尖山站附近迅速发展并构成了γ中尺度涡旋,超过50 dBz回波发展至6 km附近(图6c1)。随后涡旋随中层西南风引导气流向东北方向移动,925 hPa西南风急流北伸,偏南风迅速增强,10:45左右0.5°仰角速度图中负速度区出现速度模糊(图6b2),退模糊后速度值为-32.5 m·s-1,近地面层正负速度中心距离增加至4 km,辐合强度超过34 m·s-1,辐合高度超过5 km(图6d2距起始点A水平距离6～10 km 附近)。

成熟阶段:11:01左右飑线主体移入长春市上空,涡旋尺度小移速快,与飑线尾部脱离并移入到长春站东南部,2个测站(农大站和农博园站)位于涡旋右侧,风向由偏东风转为偏南风。此时涡旋辐合范围和强度明显扩大或增强,近地面层正负速度中心距离超过7 km,辐合强度超过40 m·s-1,辐合区发展至5 km以上(图7d1),涡旋发展至成熟阶段,但涡旋内50 dBz以上回波下降至2 km附近(图7c1)。下一时刻(11:07),涡旋继续东移,2个测站位于涡旋左侧入流区附近(图7a2),涡旋辐合强度和范围进一步扩大,近地面层正负速度中心距离超过10 km,1.2 km附近辐合强度超过54 m·s-1。涡旋辐合增强主要与涡旋左侧正速度(流入速度)迅速增加有关。受飑线过境影响,涡旋西北侧0.5°仰角正速度接近25 m·s-1(图7b2),强下沉辐散气流在涡旋强辐合作用下加速流入涡旋内部,2个测站地面风速迅速增加并出现速度模糊,退模糊后速度值超过32 m·s-1,明显高于飑线主体附近风速值,此时农大站瞬时极大风速达到35.8 m·s-1(12级)并伴有气温陡升、气压下降等特征,且风速明显强于农博园站。

减弱消散阶段:随后,涡旋移出测站上空,强下沉辐散气流流入涡旋内部并阻碍涡旋前侧暖湿气流的流入,涡旋回波强度继续减弱,结构迅速解体并进入减弱消散阶段(图略)。此时2个测站主要受飑线过境影响出现第二阶段强风,其中农博园站风速更大,瞬时极大风速达到31.9 m·s-1(11级),同时伴有气温下降,气压涌升等特征。

4.2 农大站极端雷暴大风成因

4.2.1 层结不稳定和动量下传

从农大站假相当位温、比湿和风场沿43.8°N垂直剖面可以清楚看到(图8a),08:00 123°E附近低层受冷锋(假相当位温梯度大值区)强迫动力抬升作用明显加强,有利于上游线状对流移至该处时继续发展并形成飑线,至11:00(图8b)锋区随高空槽略向东移动,在其前方形成次级环流,农大站附近上升运动明显增强。此外受低空急流北伸影响,低层假相当位温显著增加,近地面层最大值超过326 K,增幅在20 K左右,比湿值超过10 g·kg-1,低层迅速增强的暖湿空气叠加在高层干冷空气之下,层结在短时间内变为极不稳定结构进而产生极端天气。在不稳定层结下,中高层动量(20 m·s-1以上)逐渐减小,低层动量逐渐增强,11:00农大站上空800 hPa附近风速增至22 m·s-1,大风速轴明显下移,有明显动量下传现象。

图8 2021年9月9日(a)08:00, (b)11:00沿43.8°N假相当位温(黑色等值线,单位:K)、比湿(填色)和风场(风羽)垂直剖面Fig.8 Vertical profiles of pseudo-equivalent potential temperature (black isoline, unit: K), specific humidity (colored) and wind field (barb) along 43.8°N at (a) 08:00 BT, (b) 11:00 BT 9 September 2019

4.2.2 冷池出流和辐合上升气流

从地面温压风观测场可以清楚看到,10:00开始(图9b),飑线后部(四平西部)有小尺度雷暴高压和冷池生成,冷池中心温度接近12℃并逐渐向东向南扩展,至11:00(图9d),飑线移至长春站附近,其后部雷暴高压中心强度超过1012 hPa,3 h正变压超过2.2 hPa,而飑线前部由偏南风暖湿气流构成的小尺度暖低压中心强度为1010 hPa,3 h负变压达-1.2 hPa,飑锋前后温差较大且气压梯度较强,冷池密度流加强,有利于飑锋及前沿地面风速增加,11:07的0.5°仰角速度图中退模糊后正速度值达24 m·s-1左右(图7b2)。当飑线过境时(11:12左右)2个测站风速再次加强,受风暴内部降水粒子拖曳(强风出现在降水量增加的时刻)和冷池密度流的共同作用,农博园站出现强风并达到极端雷暴大风强度。

图9 2021年9月9日08:00—11:20加密自动站风场(风羽)、温度场(填色)和逐小时气压场(白色实线)叠加图Fig.9 Superposition of wind field (barb), temperature field (colored) and hourly pressure field (white solid line) of encrypted automatic weather stations from 08:00 BT to 11:20 BT 9 September 2021

11:07,涡旋东移至农大站和农博园站上空并位于飑线前侧温度梯度区附近,离冷池中心较远,由前面分析可知此时涡旋发展至成熟阶段,涡旋西北侧强下沉辐散气流在涡旋旋转作用下加速流入涡旋内部并构成一支辐合上升气流,辐合强度达到最强,测站气压迅速下降,气温升高或保持不变,其中农大站于11:10气温迅速升高至27℃,形成小尺度暖中心(图9e),对涡旋辐合强度增强或维持有一定增幅作用。在涡旋强辐合作用下偏南风风速迅速增加并出现速度模糊,且农大站相对于农博园站更靠近涡旋边缘,气温、气压和风速等气象要素变化更剧烈,风速更强,瞬时风速达到极端雷暴大风强度。

5 结论与讨论

综合利用多源观测资料对2021年9月9日吉林省中东部一次飑线过程,特别是长春站东南部2个测站(农大站和农博园站)极端雷暴大风的形成机理进行详细分析和探讨,结论如下:

(1)飑线是在东北冷涡背景下中层急流辐散区、低空西南急流轴前端、冷涡南侧的暖区之中发展起来的,大尺度锋生作用在冷锋尾部激发对流形成飑线,低层暖舌和低空西南急流的存在或加强为长春站附近雷暴大风的产生提供了热力不稳定和水汽输送,飑线附近变压风与偏南风暖湿气流的辐合为产生极端雷暴大风的对流发展提供了局地强上升运动。

(2)环境条件有利于极端雷暴大风产生:逆温层以下温度递减率接近干绝热,临近时刻CAPE值超过1600 J·kg-1,层结在短时间内变为极不稳定结构,大风指数和DCAPE对极端雷暴大风的潜势预报有一定指示作用,接近或达到中等强度的整层和低层垂直风切变有利于飑线的组织和发展。

(3)飑线前沿γ中尺度涡旋在长春站上游生成并发展,东移至两测站上空时,涡旋后部强下沉辐散气流(冷池出流)在涡旋旋转作用下加速流入涡旋内部并构成一支辐合上升气流,涡旋辐合强度达到最强,在涡旋强辐合作用下2个测站测得偏南风风速迅速增加,且农大站更靠近涡旋左侧入流边缘,加上高层动量下传作用,气温、气压和风速等气象要素变化更剧烈,风速更强并达到极端雷暴大风强度。农博园站随后受飑线过境影响,在风暴内降水粒子拖曳和冷池密度流加强的共同作用下,地面风速再次加强并达到极端雷暴大风强度。

可见,农大站极端雷暴大风与以往雷暴大风形成原因明显不同,强风发生时气压下降,气温陡升,且发生在分钟级降水量下降时刻,主要由γ中尺度涡旋近地面层强辐合上升气流导致,十分罕见。此外,对于γ中尺度涡旋未产生龙卷的原因,仍有待后续进一步分析和探讨。

致谢：感谢俞小鼎、王秀明和赵坤教授的指导和帮助。