弱垂直风切变条件下一次飑线大风的特征分析

周宗圣,罗秀明,华 华,杨 伟

(宣城市气象局,242000,安徽,宣城)

1 引言

宣城地区处于长江中下游,安徽省东南部,地形复杂,灾害性天气种类多。春、夏两季容易出现强对流天气,主要包括短时强降水、雷暴大风、冰雹等。而雷暴大风天气发生频率较高,往往会给人民生命财产造成重大损失,如房屋损毁,农作物倒伏。飑线是由很多个对流单体侧向线状排列的中尺度对流系统,过境时常伴有雷暴、暴雨、大风、冰雹和龙卷等灾害性天气[1-4]。我国气象工作者做了大量分析和研究[5-11]。丁一汇等[12]研究指出,按天气背景,我国飑线可分为槽后型、槽前型、高后型和台风倒槽或东风波型四种类型,其中发生在槽后或冷涡西南部和高空槽前的最多;冷锋、切变线、低涡、高空急流、露点锋和低空风场不连续等,都能触发飑线系统。吴瑞姣等[13]也参照丁一汇等的做法,根据飑线发生12 h内高、低空环流特征以及天气系统的差异,将飑线大致分为浅槽、深槽、高压边缘、槽后、冷涡五种类型。周昆等[14]通过对淮河流域一次飑线结构的剖析和生消过程的分析发现,地面大风与对流层高层下沉卷入飑线后部的较弱干冷气流使得飑线后侧入流更加明显这一特征相伴出现。Droegemeier等[15]通过数值模拟也发现,如果存在低层风垂直切变,冷池能够触发其前沿空气产生强上升运动,有利于触发新的风暴单体。徐小萍等[16-17]分析浙江北部一次灾害性大风发现,大风的出现与阵风锋有紧密的联系。然而,由于在弱切边环境下,飑线造成区域性10级以上的雷暴大风天气过程较少,对其进行短临预报的经验及预警指标判据缺少,因此,给实际预警业务造成较大的技术难度。本文针对2022年7月26日飑线过程,对探空环境、卫星资料、雷达资料等进行分析,以期提高宣城地区灾害性大风预报及气象服务水平,为公共气象服务提供支持和参考。

2 天气实况及灾情

2022年7月26日上午,强对流回波移至安徽省大别山,并在向东移动的过程中逐渐有组织地排列形成飑线。飑线在11时许开始影响宣城地区,并在宣城境内再次加强,直到14时左右强回波带移出宣城,总共历时约3小时,期间造成了宣城大范围的雷暴大风天气。过程期间,宣城主要以雷暴和大风为主要灾害性天气,全市141站次出现8级以上大风(图1),占区域站总数的60%以上;25站次风力超过10级,其中郎溪国家站出现12级大风,瞬时风速达到33.5 m/s。受其影响,全市119人受灾,1人受伤,房屋损坏13间24户,直接经济损失271.62万元。

图1 2022年7月26日11—15时宣城市极大风速实况

3 环流背景

本次过程主要发生在500 hPa高空槽东移过境(图2(a))、副高边缘,贝湖附近有低压中心,槽线后侧有弱冷空气南下。过程开始前,宣城位于高空槽前正涡度区,抬升条件较好,低层的西南气流在中午也有所加强,宣城局地增温很明显,热力条件好;随着对流开始发展,高空槽东移,宣城逐渐转为槽后西北气流控制,干冷空气随之注入,850 hPa上有西北和西南气流的切变线(图2(b)),对流通过暖区的热力触发开始发展新生,再由上层干冷空气加入后使冷池得到发展维持,对流因此进一步增强。

700～850 hPa图上受暖脊控制,500 hPa上有冷槽东移,在皖南一带形成上冷下暖的对流不稳定,T850-T500≥25 ℃,T700-T500≥15 ℃,表示宣城地区层结不稳定。12时30分到50分之间宣城一直存在明显的地面辐合线(图3),低层有明显的气旋式辐合,在飑线前进方向上有快速移动的阵风锋,这些中尺度辐合系统对对流的触发和加强有重要作用,为飑线发展维持提供动力条件。

4 对流条件

7月26日这次过程热力条件的分析表明,此次过程500 hPa冷槽与700 hPa暖脊及850 hPa暖中心配合,皖南地区呈现“上冷下暖”的层结特征。26日08时安庆探空站(图4(a))和南京探空站的T-lnP图显示(图4(b)),850 hPa和500 hPa间的温差为26 ℃左右,700 hPa与500 hPa之间温差也大于15 ℃;850 hPa以下水汽条件好,而中层都具有干层,这种“上干冷,下暖湿”的配置使江南地区热力不稳定增强,有利于雷暴大风发生,且使对流在该地区内得到加强发展。

850 hPa上有较明显的西南急流,风速在15 m/s左右,温度露点差只有4 ℃,为飑线系统发展提供了充足水汽,而500 hPa温度露点差达到16 ℃,“上干下湿”也提供了对流发展所需的位势不稳定。另外,可以看到安庆和南京站的对流有效位能均在1 000 J/kg以上,上午大别山地区已经开始出现对流,能量条件已逐渐释放,因此08时安庆站CAPE只有1 577.3 J/kg,而宣城地区上午天气晴好,地面增温快,11时左右气温已超过35 ℃,热力条件充足,有足够时间积累能量,所以利用宣城11时地面观测资料订正后,CAPE可以达到4 000 J/kg左右,K指数也超过35 ℃且在近地层有逆温层,配合低的自由对流高度,此时大气处于极不稳定状态。0～3 km、0～6 km风垂直切变分别为10 m/s、14 m/s,属于弱风切变。一般而言,强的风切变有利于风暴的组织化和飑线的长时间维持,而这次过程是在强热力不稳定、偏弱动力不稳定的环境背景中触发的。

5 卫星资料分析

根据风云4号卫星的可见光云图能看到10时45分(图5(a))左右,在宣城西侧有线状对流云团东移,其中部分对流单体云顶突出,发展高度较高,对流云的前进方向上还有一些新生的对流云团在发展;11时45分(图5(b))在飑线云系的前沿由于强的辐合抬升,形成了很多向上发展、云顶突起的对流单体,且在飑线前部有阵风锋云系出现;12时34分(图5(c))飑线系统主体开始进入宣城地区,前部的阵风锋云系也逐渐明显,而飑线后侧的入流急流使云系辐散下沉,在飑线后部形成了大片的速度大值区,从而造成地面大风。

6 雷达资料分析

6.1 飑线发展过程

10时左右在宣城西面有多单体风暴排列成线状对流形成飑线(图6(a)),快速东移,并形成弓状弯曲;11时09分(图6(b))飑线在东移过程中对流单体逐渐分散,有减弱趋势;之后进入南陵、泾县境内后新生对流单体重新排列并且加强,泾县境内出现8～10级大风,此时可以看到飑线前部有阵风锋出现(图6(c)),宣州区也自西向北出现8级以上大风天气;11时51分(图6(d))飑线北部又出现一条阵风锋,与之前的阵风锋相遇触发对流加强;12时20分(图6(e))两条阵风锋在宣州区相遇合并对流迅速加强,此时宣州区大部分地区出现雷暴大风天气,宣桐K0和华阳站出现11级大风,之后向郎溪、广德方向快速移动,造成郎溪国家站出现12级大风(33.5 m/s)。通过风暴分析(图6(f)),飑线在发展过程中强回波中心一直保持在55～60 dBZ,强回波发展高度大约维持在6 km附近,在11时30分过后可看到回波中心的高度在不断降低,VIL也有快速下降过程,主要考虑此时飑线后部动量下传以及干空气卷入后蒸发产生强烈的下沉气流,从而使冷池快速移动形成地面大风。

6.2 速度模糊

径向速度图上可看到11时45分(图7(a))0.5°仰角泾县到青阳一带都为速度大值区,且已出现速度模糊,速度为30 m/s左右;12时15分(图7(b))宣州区西部存在30 m/s以上的径向速度;13时02分(图7(c))郎溪、广德出现大片速度模糊区,最大速度达到35 m/s左右。整个过程中0.5°仰角一直存在径向速度大值区,并且在飑线系统到达宣城前,飑线后部就已出现大片的入流急流区,径向速度也出现模糊现象,对宣城市出现大风有很好的指示作用,而宣城各县市区虽然都提前发布了雷雨大风预警,但通过雷达分析仍可进一步提高预警提前量以及预警等级。

6.3 风暴结构分析

12时15分沿白线方向(图8(a))做剖面,可看到径向速度剖面上(图8(b))飑线系统低层为大片的负速度大值区,出现了径向速度的模糊,最大速度在-35 m/s以上,系统前端是强的辐合上升区,水汽抬升和能量的触发释放形成大量降水粒子的下沉与蒸发,在风暴后侧由于拖拽作用,产生动量下传,此时宣城地区地面气温下降近10 ℃,并配合干冷空气的入侵,从而使下沉气流加强,强烈的下沉空气使飑线前部的冷池快速移动,在风暴区域形成了大范围的地面大风区;而前侧的入流急流经过冷池的抬升后,形成新对流单体并切断后侧上升入流,使新老单体不断迭代,从而造成飑线系统的快速东移。

在风廓线产品中(图8(c))能看到在飑线到达宣城时,0～6 km的垂直风切变有增强趋势,12时左右0～6 km的垂直风切变上升至20 m/s左右,前期虽然动力条件偏弱,但在超强的能量条件下激发对流产生,且在对流发展过程中动力条件逐渐增强,对冷池能够持续维持起到关键作用,因而也使飑线系统能够长时间存在影响宣城大部分地区。12时过后中上层的大风核迅速下降也对应了下沉气流的增强,预示地面大风的发生。

11时57分4.3°仰角大约3.3 km高度可以看到在宣城西南侧出现了中层径向辐合(图8 (d)),相对速度达到40 m/s左右,属于强的径向辐合,且有中气旋特征,说明此时对流风暴快速发展,大风速核在逐渐增强变厚,随后宣州区大量站点出现10级雷暴大风。抬高仰角,可以看到对流风暴顶具有强烈辐散(图8(e)),相对速度超过50 m/s,强烈的风暴顶辐散使下沉作用加强,也增加了对流上下层间能量的交换,有利于下击暴流的产生。

6.4 雷暴大风报警产品分析

在这次飑线过程发展东移前,rose2.0中雷暴大风的预警产品在11时09分(图9(a))左右就已经预报出宣州区周边将会有雷暴大风天气,而在整个过程期间一直持续到13时左右(图9(b)),预警产品一直显示宣城市大部分地区都有雷暴大风,整个过程预警提前20分钟左右,预警范围也与实况大致相当,对实际预报预警业务起到了一定的指导作用。

7 结论

1)过程发生在500 hPa高空槽东移过境,副高边缘,贝湖附近低压后侧弱冷空气南下的背景中。500 hPa冷槽配合700、850 hPa的暖脊和地面辐合线有利于对流不稳定能量的积累和触发。

2)探空资料显示皖南地区呈现“上冷下暖”的层结特征;850 hPa和500 hPa间的温差为26 ℃左右,700 hPa与500 hPa之间温差也大于15 ℃,这种“上干冷,下暖湿”的配置使皖南地区热力不稳定增强,有利于雷暴大风发生。另外,大的对流有效位能、近地层的逆温层、低的自由对流高度都有利于不稳定能量的触发。0～3 km、0～6 km风垂直切变偏弱,因此,这次过程是在强热力不稳定、偏弱动力不稳定的环境背景中发生的。

3)雷达资料对强对流的短临预报有很好的指导作用。回波的线性组织化、飑线的弓形弯曲及飑线前快速移动的阵风锋都在风暴未达到宣城前就对雷暴大风的出现有指示作用;而低仰角的入流急流产生的大风区和速度模糊都能让预报员提前做出判断并发布预警。飑线发展移动过程中,中层的径向辐合、中气旋特征以及垂直风切变的增强都预示着风暴继续发展维持,风暴顶的强烈辐散、大风核的快速下降都对下击暴流有一定指示。另外,雷暴大风的报警产品可在一定程度上指导预报员提前发布预警,达到预警时效的提前。