雷暴大风是对流风暴产生的一种灾害性天气,一般由对流风暴的强下沉气流造成,有时还有冷池密度流和高空水平动量下传的作用;它因具有突发性强、发生频率高、持续时间短、致灾性强等特点,往往造成重大人员伤亡和财产损失,一直是强对流预报预警工作的重点和难点。区域性雷暴大风常产生在极端不稳定和低层高湿环境下,同时中低层水平风垂直切变大,大多由沿着飑线的弓形回波造成[1-2]。对以往我国各地出现的飑线天气过程,不少专家学者从其形成的环境条件、中尺度特征等方面进行了较多有益研究。如王秀明等[3]、梁建宇等[4]、孙虎林等[5]深入分析了2009年6月3—4日黄淮地区强飑线大风过程,认为高层冷空气侵入、低层增暖是其大尺度条件,低层和地面辐合、干线是其触发条件,大风由高空水平风动量下传、强下沉气流辐散和冷池密度流造成;飑线系统在地面存在明显的雷暴高压、冷池、出流边界、尾流低压等特征。戴建华等[6]研究指出,飑线发生在高空强冷平流与低空暖平流形成的强不稳定层结背景下,飑前超级单体能指示飑线的主体移动和演变。杨芳园等[7]分析云南一次飑线大风过程的中尺度特征指出,雷暴大风通过高低空急流耦合及高空动量下传产生,地面辐合线可提前1 h左右预警飑线。谢健标等[8]、罗建英等[9]对2005年华南同一次飑线大风过程的分析均表明,飑线系统在低空增温增湿与对流层中层干侵入的相互作用下形成。还有不少研究[10-13]也表明,地面风场辐合线或干线是飑线产生的重要触发条件,锋面、中空急流等中尺度扰动及地形因素与对流组织化关系密切。
上述研究对指导飑线大风预报预警无疑具有重要参考价值。然而,各地飑线大风特征、影响系统和成因不尽相同,仍有必要继续深入研究,特别是一些极端大风天气过程更值得关注。2018年3月4日下午江西省出现一次由飑线产生的极端雷暴大风天气过程(以下简称“3·4”江西大风过程),大风范围位居江西自1959年有完整气象记录以来第一大,且其强度强、影响大、造成多人死亡和重大财产损失。江西地理位置特殊,10级以上强雷暴大风天气一般始于4月[14, 15]。“3·4”江西大风过程发生在3月初,其发生时间之早为当地有气象记录以来罕见,这给实际预报带来较大难度。为揭示此类极端大风天气过程的特征和发生发展规律、提高其预报预警能力,本文在前人研究的基础上,应用常规观测资料、区域自动站资料、多普勒天气雷达产品、风廓线雷达数据和GFS 0.5°×0.5°再分析资料,对“3·4”江西大风过程的特征、成因进行细致分析,并探讨了其极端性,以期进一步认识此类雷暴大风天气的形成原因,为预报预警提供参考依据。
1 过程实况与灾情2018年3月4日13:00 (北京时,下同)—18:00,江西中北部出现罕见飑线天气,大部地区出现8级以上雷暴大风(图 1),降水较弱,普遍为小到中雨,局地出现短时强降水和冰雹。图 1显示,13:00—18:00江西中北部60个县(市)国家气象站出现8级以上雷暴大风,其中安义、都昌等20个县(市)站阵风达10级以上,庐山、湖口、进贤站出现12级以上阵风,其中庐山站16:08瞬时极端风速达37.3 m·s-1 (13级),进贤站次之为34.8 m·s-1。该过程雷暴大风范围、强度均居江西有完整气象记录以来第一位。观测实况表明: 13:00大风首先在萍乡和吉安市北部出现,大风区自西南向东北方向移动,15:00—17:00移至鄱阳湖区时其范围、强度加大,10级以上大风主要出现在该时段。
“3·4”江西大风过程出现时间早、范围广、强度大、致灾严重。据“应急中国网” (http://www.cett.net.cn)报道,受雷暴大风影响,该过程造成江西省9市26.7万人受灾,因灾死亡14人(2人死于雷击,12人死于风灾);2.8万间房屋不同程度受损,其中倒塌400余间,同时11×103 hm2农作物受灾,直接经济损失4.1亿元。
2 中尺度系统特征 2.1 雷达回波演变以往造成江西大范围雷暴大风的飑线回波多数产生于邻近省份,且呈点状或带状有规律地移入并影响江西。早在2018年3月3日20:00,云南省东部就有对流风暴触发生成(图略),其进入广西和湖南南部一带后形成多个线状回波并逐渐演变成西南—东北向弓状回波,其东移过程中形状、强度少变,移速约60 km·h-1,造成桂东和湘南多站8~9级、局地10级雷暴大风。当日12:00—18:00雷达回波显示(图 2),上述弓状回波进入江西前,12:00强回波主体与其前沿对流单体合并逐渐演变为南北向飑线。其进入江西后,13:00—14:00飑线弓型特征更为明显,其尺度增大并逐渐转为东南—西北向,其中镶嵌有多个小的弓状回波,强回波面积增大,其强度维持在45 dBz以上,强中心超过55 dBz,并向东北方向移动,移速加快(达80 km·h-1),飑线所经之地出现大范围8~10级雷暴大风。15:00飑线发展成熟,呈东南—西北向大弓形,从九江一直延伸到抚州北部,尺度达300 km,并向东北方向移动,移速超过100 km·h-1,回波呈大弓形且强度此后长时间维持到17:30移出江西,从而致使江西中北部出现大范围8~10级强风(其中局部达到10~13级)。
“3·4”江西大风过程中,江西宜春站(13:33)和景德镇站(16:50)都出现了雷暴大风(两站均布设有风廓线雷达)。景德镇逐5 min风廓线雷达产品显示(图 3a),16:20景德镇在0.3—1 km高度上风速急剧增加,0.3 km风速都超过28 m·s-1,之后大风速区分别向上向下扩展,风速增大在0.8 km高度超过40 m·s-1,大风速区向下扩展到最低层0.1 km。16:40景德镇开始出现降水,风廓线雷达风场变得杂乱,降水出现5~10 min内雷暴大风发生。可见,风廓线产品1.0 km以下大风速区对雷暴大风有一定的指示意义,提前约30 min。该过程宜春站风廓线雷达产品具有与景德镇站类似的特征。
对流层大气湍流明显,湍流导致的折射率随机不均匀分布是风廓线雷达探测的主要机制。风廓线探测的折射率结构常数Cn2依赖于大气的温、压、湿状况[16]。本文利用宜春和景德镇风廓线雷达的Cn2数据变化,期望找寻有利于指示雷暴大风的规律。为此,选取宜春和景德镇两站出现雷暴大风之前2 h和之后1 h的Cn2数据(风廓线数据时间间隔为5 min),由后5 min数据减前5 min数据再用其差值除之前5 min的值作为该层次该时段Cn2变化幅度(以下简称Cn 2变幅)。因风廓线雷达探测层数多,从低层100 m到最高层5 380 m总共88层,本文从100 m低层往上每8层计算平均的Cn2变幅,得到从低到高共11层的平均数据。由于风廓线雷达探测所限,第11层数据质量较差,故以第10平均层作为最高层。
分析景德镇站各平均层Cn2变幅(图 3b、c、d)可知,景德镇雷暴大风发生前约20 min,从16:25—16:30最高层的Cn2有极大幅度跃升,在第四层紧邻的后5 min时段也出现Cn2大幅度跃升,且在雷暴大风发生后出现小幅度跃升。最低层在雷暴发生前10 min的16:35— 16:40时段发生极大幅度跃升。各层在雷暴大风发生前均有大幅度跃升,高层早于低层,其指示意义更明显。宜春风廓线雷达也表现出相似特征,以最低层为例(图 4e),在雷暴大风发生前10 min的13:25—13:30时段就出现Cn2大幅度跃升,这表明各层Cn2变幅对于雷暴大风出现具有指示意义,大幅跃升通常发生在雷暴大风出现前10~20 min。可见,对Cn2跃升的关注,能提前对大风进行预警。不过,此结论由个例分析得到,还需通过更多个例数据来验证。
飑线是多个雷暴单体侧向排列而形成的强对流云带,其过境时气象要素会发生剧烈变化。3月4日15:30江西进贤站瞬时风速高达34.8 m·s-1。以之为例,分析该站前1 h和后0.5 h逐分钟气压、气温、风速(图 4a)显示,15:06以前气压缓慢下降至994.9 hPa;随着飑线移入,15:08—15:15开始逐渐上升,15:16—15:27气压猛升,11 min上升了2.3 hPa;15:28—15:46受雷暴高压影响,气压一直维持在997.7~997.9 hPa的高值。风速在15:17以前小于4 m ·s-1,15:18后迅速增大,特别是15:24—15:30由10.3 m·s-1增至30 m·s-1,风向由西北转为西南,8级以上风速持续15 min后逐渐下降,15:47降至10.2 m · s-1。气温在15:15前有小幅下降,随着飑线过境而迅速下降,到15:35降至19 ℃,15:30前后降幅达1 ℃ ·min-1。
以上分析表明,飑线过境时气压11 min上升2.3 hPa,气温20 min下降8 ℃,风力6 min增大近20 m·s-1,表现为风向突变、风力急增、气压猛升、气温骤降的典型飑线过境特征。
2.4 中尺度海平面气压特征沿飑线移动方向,以飑线移入江西处(113.5°E、27.5°N)到移出江西处(117°E、29.75°N)、近乎垂直于飑线作海平面气压的时间变化图(图 4b)。从中看到,3月4日09:00—12:00江西地面低压倒槽发展,气压持续下降,低压倒槽发展为飑线进入江西增强提供了有利的辐合抬升条件;13:00雷暴高压进入江西,13:00—18:00自西南向东北方向移动,快速扫过江西;先后受飑前低压、雷暴高压、尾流低压影响,地面气压先降后升、再降再升,同飑线过境气压表现一致。飑线在进入江西时只有飑前低压和雷暴高压,其进入江西后迅速发展,雷暴高压快速移动时在其后部产生小尺度低压,14:00发展形成尾流低压(图 4c)。雷暴高压增强,飑前低压下降,飑锋气压梯度加大,14:00达6 hPa·(50 km)-1,水平尺度增至200 km,中尺度强气压梯度是“3·4”江西大风过程出现的重要原因。经分析发现,雷暴高压与飑前低压之间的梯度方向指向东北,飑线移动也是东北方向,两者基本重合,与动量下传导致的大风方向相近,两者相叠加可能是导致极端地面大风的重要机制之一[17]。
3 飑线的环境条件从3月4日08:00环流形势图上看到,“3·4”江西大风过程飑线发生发展的有利环境条件如下: (1)青藏高原东侧有大经向度的南支槽东移(图 5a),槽前有强盛西南气流,急流核达到20 m·s-1以上,与南支槽对应有明显的槽前负变高和负变温,有利于槽前大气对流不稳定建立;(2) 500 hPa温度槽从湖北伸向湖南、江西西北部与广西北部并向东移动,叠加在850 hPa温度脊上(图 5b),南昌850 hPa与500 hPa温差T850-500≥28 ℃,700 hPa与500 hPa温差T700-500为22 ℃,表明江西中北部地区层结极不稳定;(3)江南华南北部500 hPa温度露点差(T-Td)大于等于15 ℃ (图 5a),江西中北部、浙江西部和福建北部700 hPa T-Td为26~30 ℃,形成下湿上干不稳定层结,加强了不稳定,同时在对流风暴发生时有利于中层干空气夹卷进入风暴,使蒸发加剧、下沉气流增强,形成雷暴大风天气;(4)江西中北部处于850、925 hPa湿轴中(图略),比湿达12~14 g·kg-1,为飑线发生提供了丰沛水汽;(5)高空、地面多个系统相互作用,500 hPa南支槽东移,槽前正涡度平流区对应700、850、925 hPa有强盛西南急流(急流核风速超过20 m·s-1),高空急流轴穿过江西,地面锋面位于长江北岸,西南到江南地区低压倒槽发展(图 5c),天气尺度抬升强;(6)江西中北部地面辐合线为飑线发展和单体新生提供了中尺度抬升条件。
另外,分析3月4日08:00南昌站探空图(图 5d)可知,925 hPa至地面有逆温层,近地面逆温层的存在使得水汽和不稳定能量在边界层积聚,更有利强对流天气发生;1 000—500 hPa风垂直切变在24 m · s-1以上,该过程风垂直切变集中在1 000—925 hPa,达16 m·s-1。由于强风垂直切变存在较大水平涡度,风暴发生时垂直速度差异使涡管扭曲,产生垂直涡度[18],从而有利于风暴加强及其组织结构长时间维持。层结和露点曲线构成“上干下湿”喇叭状开口,不利于出现短时强降水但有利于产生雷暴大风。
以上分析显示的中尺度环境条件与许爱华等[19]研究的低层暖平流强迫类环境条件相似,低空急流形成的强暖湿平流与中层干区共同建立的强热力不稳定,配合中层低槽、低空急流和地面辐合线共同作用触发了强对流,低层强的风垂直切变有利于产生长生命史弓形回波和区域性雷暴大风。
4 对流风暴进入江西后持续加强的原因“3·4”江西大风过程中的对流风暴3月3日20:00在云南触发生成,4日02:00在广西北部发展加强。由于广西到江西空间距离数百公里,分析风暴移动过程中其如何发展加强,对相关预报预警业务很有意义。因此,下文对对流风暴进入江西后持续加强的原因初步分析如下。
4.1 异常不稳定相关统计研究[20, 21]表明,江西境内T850-500≥27 ℃时发生强对流天气的概率达到85%以上。对比分析“3 · 4”江西大风过程风暴上游的河池、桂林、郴州和南昌当日08时探空资料(图略)发现,南昌下湿上干的层结结构更明显,层结曲线和露点曲线呈明显的喇叭状开口。南昌T850-500、T700-500分别达28 ℃和22 ℃,上游广西和湖南南部的T700-500为17~18 ℃,江西大气层结极不稳定,风暴移入江西将会加强。只有南昌近地面存在逆温层,正如前文分析所述,这有利于江西北部午后出现超强对流天气。
地面温度和露点温度对于对流有效位能(CAPE)影响非常大,CAPE对于露点的敏感程度是温度的2倍[22]。因此,用能同时表征温度和水汽的综合参数假相当位温(θse)来反映江西风暴开始影响(13:00)前地面过去6 h的变化情况。图 6a显示,江西中北部θse大幅上升,升幅达18~22 ℃,特别是环鄱阳湖附近的θse升幅中心,升幅高达22 ℃。究其原因,江西上空上午为晴天,随着太阳短波辐射增强,气温迅速上升,其升幅普遍超过12 ℃,最高气温普遍达到30 ℃;另外,由于超低空急流的存在(925 hPa西南风大于等于16 m·s-1),边界层有强暖湿平流,使温度、露点温度升高;同时,鄱阳湖周围水系发达,赣江、鄱阳湖等大江大湖水汽蒸发形成中尺度湿区,露点温度升幅更大,使得环鄱阳湖附近成为θse升幅中心,这也是出现雷暴大风最强的地区。用当日13时南昌地面温度和露点温度订正08时探空要素值发现,CAPE达到1 839 J·kg-1。江西大气层结异常不稳定,且强于风暴经过上游的广西、湖南等地,再配合强垂直风切变和中层干层,是导致飑线进入江西后能够持续发展的重要原因。
考虑到我国各地只在08:00、20:00时有探空数据,本文用GFS 0.5°×0.5°再分析资料分析南昌上空温度平流的时间演变。图 6b显示,4日14时前,700 hPa以下对流层低层有强、弱两个暖平流中心,弱中心在800 hPa对应低空急流,强中心在925 hPa附近对应超低空急流,温度平流最强时段在对流发生前的12 h即4日02:00—14:00,高空600 hPa以上为冷平流,其最强时段在4日08:00—14:00,此时段冷平流中心从300— 400 hPa层下降到500 hPa,低层强暖平流和高层强冷平流使得低层增温、高层降温,加剧了对流不稳定。
4.2 引导气流本文以700—500 hPa平均气流作为引导气流,图 7给出3月4日14时700—500 hPa平均风场并叠加15时南昌雷达反射率因子。经分析发现,4日14:00,华南、江南平均气流风速为24~28 m·s-1,方向呈西南向,对流风暴在此区域产生后受引导气流的平流作用,其移速达80~100 km·h-1,极易产生大风。飑线整体平流速度既与引导气流的强度有关,也与飑线整体与引导气流的夹角有关。分析当日03:00—14:00全国雷达拼图发现(图略),广西境内呈西南—东北向的回波,到湖南境内后转为南北向,进入江西后又逐渐转为东南—西北向,飑线回波进入江西后和引导气流的交角逐渐增大,到15:00后两者基本垂直,引导气流与飑线移动方向一致,飑线移速加快,正是飑线进入江西后其移速明显加快(超过100 km·h-1)才导致了10级以上区域性大风。
从“3·4”江西大风过程地面极大风与江西地形高度的叠加图上(图 8)看到,江西中北部的东面和西面都是高海拔山区,而中间对应的是低海拔环鄱阳湖平原,赣江、抚河、昌江等大江和鄱阳湖均在该地区,水系发达。风场分布显示,江西东西两侧海拔200 m以上山区大风分布分散,风力在10级以下。飑线自西向东影响低海拔环鄱阳湖地区带来10级以上大风,大风站数随之增多,鄱阳湖附近大风站点集中,而其东面山区10级以上大风站数明显减少。15:00—18:00飑线自西向东扫过江西,其强度维持,位于江西东北部的景德镇16:30—16:50短时间全市出现大风。大风分布显示,景德镇市上游的鄱阳湖区普遍出现10级以上大风,该市北部普遍为8—10级大风(个别站超过10级),而该市南部各站风速大多超过10级。景德镇市北部位于黄山余脉(海拔高度200~600 m)、南部位于鄱阳湖平原(海拔高度低于50 m),其南部大风强度和范围均比北部大,这表明大风与地形存在一定关系。究其原因,相比东西两侧多山地形,环鄱阳湖地区地势平坦,海拔在50 m以下,飑线回波影响该地区时因无山地阻挡,其移速加快,有利于地面出现大风。加上地面水系众多、水面范围大,水面相较于陆地摩擦力小,有利地面大风增强,使得12级大风均出现在紧邻鄱阳湖的区域。此外,鄱阳湖、赣江水系水面广、蒸发强烈,水汽更充足,14:00露点温度(达20 ℃以上)高于周边1~2 ℃,水汽及不稳定能量高于其周边地区,飑线回波在此发展更强烈,使得雷暴大风更强。
“3·4”江西大风过程,无论8级或10级以上大风范围均突破江西强风范围的历史记录。对此雷暴大风天气过程,从潜势预报角度看,表现为较多极端性,对其具体分析如下。
5.1 地面气压异常低多年统计结果表明,江西春季强对流往往发生在地面低压槽中,强烈发展的倒槽与高空暖湿平流及地面升温有关。地面气压高低一定程度上反映了地面倒槽发展的程度,“3·4”江西大风过程中南昌站3月4日14时气压为1 003.9 hPa (旬平均值1 020.5 hPa),为1959年其建站以来3月上旬气压第4低值(也为2000年以来第一低值);第1低值(1 001.7 hPa)出现在1999年3月6日14时,当日江西也出现了雷暴大风天气。与其旬平均值之差超过3σ (σ为标准差),为异常低值。
5.2 不稳定和垂直风切变异常强“3·4”江西大风过程中,南昌站3月4日15:21观测到19.7 m·s-1的雷暴大风,位于该过程雷暴大风发生的中心区域。应用雷暴大风发生前08:00南昌站探空数据,计算与雷暴大风发生相关的物理量要素值,并将其同1999—2018年近20 a的3月上旬值进行比较(表 1),探讨该过程的极端性。分析表 1表明: (1)层结异常不稳定,垂直温度差大,T850-500、T850-300、T700-500异常偏高,3月上旬同比均位于前3,特别是T700-500位列第1,与其旬值之差(下称差值)达2.6σ (差值超过2σ即为极端值),多个表征对流不稳定的指数如对流稳定度指数(IC)、条件对流稳定度指数(ILC)、最佳抬升指数(BLI)等同比均排第1位,差值都超过2.4σ,特别是BLI差值达-7.81σ;(2)常用表征雷雨大风的指数异常,如下沉对流有效位能(DCAPE)达1 368.3 J·kg-1,风暴强度指数(SSI)达288.1,同比均排第1位,特别是表征下沉气流强度的DCAPE,差值达5.59σ,为极端异常;(3)低层风垂直切变大,925—1 000 hPa风垂直切变达16 m·s-1,排自1992年有925 hPa探空记录以来同期(3月上旬)第1位,差值高达3.5σ以上。
通过以上分析可知,超历史记录的异常层结不稳定以及大DCAPE、强低层风垂直切变、地面异常低压为“3·4”江西大风过程产生提供了极其有利的条件,多个环境参数差值超过2σ,预示着极端天气将出现,具有一定的指示意义。
6 结论本文利用多种探测资料,对“3·4”江西大风过程的特征、飑线形成条件与加强原因以及大风呈现出的极端性进行了细致分析,得到如下结论:
(1)“ 3·4”江西大风过程由生命史超过10 h的强飑线系统造成。飑线过境时,气压猛升,11 min内上升了2.3 hPa;气温骤降,20 min内下降了8 ℃;风力猛增,风速6 min加大20 m·s-1;地面中尺度气压场飑前低压、飑锋、雷暴高压、尾流低压特征清晰。
(2)“3·4”江西大风过程发生在低层暖平流强迫背景下。有利于飑线系统发展的主要环境条件包括,低层强暖湿平流形成“上干冷、下暖湿”极不稳定层结,低层水汽充沛,中层有低槽扰动,地面辐合线提供中尺度抬升,多层急流叠加及急流(核)脉动,以及低层存在强风垂直切变。
(3) 在雷暴大风发生前,低层暖平流、地面增温、低层增湿形成的异常不稳定是风暴进入江西后能够增强的重要原因。飑线移动过程中与引导气流交角增大,移速加快,地面大风增强。环鄱阳湖地区平坦地形和丰富水汽对大风起到增强作用。
(4) 地面低压、700 hPa与500 hPa温差(T700-500)、对流稳定度指数(IC)、条件对流稳定度指数(ILC)、最佳抬升指数(BLI)、下沉对流有效位能(DCAPE)、风暴强度指数(SSI)和925 hPa与1 000 hPa垂直风切变等表征系统热力、动力条件的物理量异常,与其相应的旬差值超过2σ,对极端雷暴大风天气预报有一定的指示意义。
(5) 风廓线雷达产品1.0 km以下大风速区能提前雷暴大风30~40 min出现,各层Cn2变化幅度对雷暴大风的出现有一定的指示性,高层Cn2大幅跃升通常发生在雷暴大风出现前10~20 min,对其预警有一定的提前量。
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