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  暴雨灾害   2019, Vol. 38 Issue (2): 135-143.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2019.02.005

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2019.02.005

资助项目

气象预报业务关键技术发展专项(YBGJXM(2018)02-12);江西省预报员专项(17302005151765)

第一作者

张弛, 主要从事短时天气预报工作。E-mail:sunnyzhangchi@163.com

通信作者

支树林, 主要从事短时临近天气预报业务。E-mail:zhisl00@126.com

文章历史

收稿日期:2018-08-17
定稿日期:2019-01-10
一次罕见强飑线10级大风的雷达回波特征分析
张弛 , 支树林 , 许爱华     
江西省气象台, 南昌 330096
摘要:利用宜春、南昌、景德镇等地多普勒天气雷达资料以及常规观测与加密自动站等资料,分析2018年3月4日江西罕见强飑线过程及其伴随的区域性10级以上雷暴大风的成因与雷达回波特征。结果表明:(1)该过程飑线系统发生在槽前暖区,低层强西南暖湿平流、中层干冷空气、强中低空垂直风切变维持为飑线系统提供了有利的环境条件。(2)飑线后侧入流急流的动量下传和干空气卷入风暴的蒸发作用共同导致强烈下沉气流造成快速移动的冷池并引起地面大风。(3)区域性10级雷暴大风的雷达回波特征突出:弓形回波尺度大(200~450 km)、中心强度强(55~60 dBz)、移速快(100~120 km·h-1);低层径向速度异常大并出现速度模糊;边界层内大风速核前侧径向辐合强,低层最大径向速度切变大;强回波中心、径向风大风速核和径向辐合带均存在前倾特征。(4)低仰角径向速度图上31 m·s-1以上大风速核和30 m·s-1·(10km)-1以上径向速度切变,反射率因子图上移速大于100 km·h-1的弓形回波,以及风廓线(VWP)图上20 m·s-1大风速核高度下降,都可作为10级大风临近预警的参考指标。
关键词飑线    10级大风    大风速核    径向辐合    
Analysis of radar echo characteristics of rare force 10 gale with a strong squall line event in Jiangxi
ZHANG Chi , ZHI Shulin , XU Aihua     
Jiangxi Meteorological Observatory, Nanchang 330096
Abstract: Using the products from Doppler weather radars at Yichun, Nanchang, Jingdezhen and other places, as well as conventional observations and observational data from regional automatic weather stations, we have conducted an analysis of the cause and radar echo characteristics of the rare regional force 10 gale during a strong squall line event in Jiangxi on 4 March 2018. Results are as follows. (1) The squall lines in this event occur in the warm zone in front of a trough, and strong southwest warm and wet airflow in the low-level, dry and cold air in the middle level, and the maintenance of strong vertical wind shear between middle and low-level provide the favorable environmental conditions for the stability and continuance of squall lines. (2) The downward transport of momentum by the inflow jet on the rear side of the squall lines and the evaporation of the dry air wrapping up storm result in the strong descending airflow, then lead to the cold pool moving rapidly and cause surface gale. (3) The radar echo of regional force 10 thunderstorm gale is characterized by bow-shaped echo being 200-450 km in scale, 55-60 dBz in centre intensity and 100-120 km·h-1 in moving speed. Its low-level radial velocity is much large and appears aliasing. The radial convergence at front side of high wind core is strong. The maximum radial velocity shear value at the lower level is large, and strong echo centre, high radial velocity core and radial convergence zone all have a forward tilting feature. (4) High velocity cores above 31 m·s-1 and radial velocity shears above 30 m·s-1·(10 km)-1 in the radial velocities of low elevation angles, bow-shaped echoes with moving speed more than 100 km·h-1 in the reflectivity factor chart, and the descending of high velocity cores of 20 m·s-1 in the VWP production can be used as the reference indicators for early warning of the force 10 gale.
Key words: squall line    force 10 gale    high wind core    radial convergence    
引言

江西省位于我国东南部,人口众多,地形复杂,灾害性天气种类多。春季江西受冷暖气流影响,强雷电、短时强降水、冰雹、雷暴大风等强对流天气频发,特别是区域性雷暴大风发生频率较高,往往给人民群众生命财产造成重大损失,如导致农作物倒伏、房屋受损或倒塌等。因此,加强雷暴大风研究,对江西气象防灾减灾工作具有重要意义。雷暴大风过程多伴有飑线,其致灾性极强;飑线过境时,随着风向突变、风速陡增、气温骤降、气压骤升等气象要素变化,常发生短时强降水、雷暴、大风、冰雹等强对流天气[1-2]。对于各地出现的飑线过程的成因,我国气象工作者做了大量诊断分析与数值模拟研究[3-9]。还有学者或专家将基于多飑线样本总结的天气系统概念模型分类法和飑线环境场特征统计分析方法应用于相关研究中。丁一汇等[10]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。方翀等[11]将华南地区20次典型飑线分为西风带和台风飑线两类,对比分析其环境场特征表明,西风带飑线更遵循经典的雷暴大风发生机制,低层极强暖湿气流导致层结不稳定层结可能多与700 hPa冷平流有关,对流的线状组织化可能与底层台风倒槽的气旋性切变、等压线锋区、冷池及台风外围水汽输送带有关。费海燕等[12]指出,中层干空气是强雷暴大风发生的一个重要环境特征,华东地区中层400—500 hPa干空气在全国最为明显,温度露点差均值大于15 ℃。对于发生在江西地区的飑线个例也有较多研究。马中元等[13]研究指出,飑线或超级单体引起的雷雨大风是造成江西灾害性大风天气的三种类型之一。支树林等[14]分析江西一次致灾性飑线天气过程表明,地面中尺度辐合线和温度锋区的长时间维持有利于持续加强飑线上的超级单体风暴。另外,有人针对飑线大风明显的中尺度特征,基于多普勒天气雷达对伴随飑线的对流风暴结构进行了研究。周昆等[15]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。马中元等[16]研究表明,飑线系统临近时,其移动前方具有较强的上升运动,其伸展高度可达到6 km,但垂直速度、信噪比和大气折射常数都较小;当飑线过境时,受风切变和降水的拖曳作用,上述三项指标明显增大。叶朗明等[17]对比分析华南相同季节和相似区域的两次飑线大风过程指出,两次过程强回波质心高度不同,低质心导致雨滴重力拖曳作用较小,使得地面雷暴大风强度相对较弱。上述研究成果对提高强对流天气认识、指导大风实时业务预报具有重要意义。然而,目前较少对飑线造成的地面雷暴大风等级与雷达回波特征进行定量研究,尤其是区域性10级以上强雷暴大风个例,因其十分罕见,以致其短时预警指标判据少,给预警带来较大技术难度。

2018年3月4日江西中北部地区发生一次罕见强飑线过程(以下简称“3·4”江西飑线过程),其影响范围大、致灾性强,为当地有气象记录以来所罕见。为探究“3·4”江西飑线过程的影响过程、致灾特征与成因,本文利用宜春、南昌、景德镇等地多普勒天气雷达资料以及常规地面和高空资料与区域自动站资料,重点分析了该过程伴随的区域性10级以上雷暴大风的成因与雷达回波特征,期望加深对强飑线带来的强雷暴大风的理解,总结预报着眼点,为飑线短临预报预警提供参考依据。

1 强天气实况与灾情

3月4日凌晨强对流回波在广西北部生成,之后向东偏北移动并发展成飑线回波带,强回波前沿于当日12:36 (北京时,下同)开始影响江西,并在江西境内加强成为典型强飑线,直到其18:00移出江西,历时超过5 h,造成赣北赣中大范围大风天气。该时段内,全省出现74站次雷暴和1站冰雹天气,分别有60个、20个国家级气象站发生8级、10级大风,其中庐山(原星子县站)、进贤等站出现12级以上强风,瞬时最大风速(37.3 m·s-1)出现在庐山站,达13级。区域自动气象站监测数据显示,当天午后12:00—18:00江西全省有521站出现8级以上大风(图 1),其中172站在10级以上,瞬时最大风速(40.8 m·s-1,13级)出现在乐平塔山工业园站。受其影响,江西省9市26.7万人受灾,因灾死亡14人(其中2人死于雷击、12人死于风灾),2.8万间房屋受到不同程度损坏(其中倒塌400余间),农作物受灾面积1.1×104 hm2,直接经济损失达4.1亿元。

图 1 2018年3月4日12:00—18:00江西省8级以上大风实况(填色区风速大于等于17.2 m·s-1) Fig. 1 Observations for gale of greater than with equal to force 8 in Jiangxi from 12:00 BT to 18:00 BT on 4 March 2018. Color-filled areas show where wind speed is above 17.2 m·s-1.
2 环流背景与环境条件

江西省飑线天气多见于3—4月,常由冷空气南下与暖湿气流交汇引起;另外,夏季台风前部也有飑线形成,多给江西带来强风和强降水。相比以往同期江西的飑线过程,“3·4”江西飑线过程形成于强西南气流中,且从西南方向移入江西,而非以往自西北方向移入,这种发生在早春并在暖区中形成、加强的强飑线过程在江西极为罕见,要对其伴随的致灾性大风天气提前预警难度很大。因此,分析该飑线发生前有利的环流背景与环境条件非常重要。

2.1 环流背景

“3·4”江西飑线过程发生前的3月4日08:00中尺度综合分析图(图 2a)显示,500 hPa西风槽位于四川至贵州地区,槽前西南气流强盛,西南急流经过湖南中部至湖北东部,江西及其上游地区存在温度露点差(TTd)大于等于15 ℃的干区,湖南中部地区存在冷温槽。700—850 hPa云贵到江南地区均处在强盛的西南急流之中,急流核风速达到26 m·s-1,湘、赣及浙闽西部地区也存在明显的干区,其中心位于浙江衢州至福建邵武一带,TTd达到30 ℃;南昌站位于西南急流中及温度为10 ℃的暖区中心。850 hPa急流中心位于湖南境内,伴随着急流轴存在一条暖脊和湿舌。地面低压中心位于安徽中部,其中冷锋前沿位于湖北中东部,广西北部至湖南、江西中部存在明显的地面辐合线。

图 2 2018年3月4日08时中尺度综合分析图(a)与南昌探空站T-logp图(b) Fig. 2 (a) Mesoscale comprehensive analysis diagram and (b)T-logp chart at Nanchang sounding station at 08:00 BT on 4 March 2018.

综上可知,“3·4”江西飑线过程发生在700 hPa和850 hPa强盛急流带来的暖湿平流以及配合地面辐合线、低层暖区湿舌维持的有利环流背景下。已有研究表明[18],发生在低层700 hPa以下强烈发展的暖湿平流中并叠加动力扰动的强对流天气,按其环流特征,可归类为低层暖平流强迫类。“3 · 4”江西飑线过程属于低层暖平流强迫类强对流天气。

2.2 环境条件

分析“3 · 4”江西飑线过程的热力条件表明,500 hPa冷槽配合700 hPa暖中心与850 hPa暖脊,湖南东部至江西存在明显的“上冷下暖”层结。3月4日08时南昌探空站T-logp图显示(图 2b),850 hPa与500 hPa温度差(T850-500)为28 ℃,该温差达到江西发生强对流天气的阈值[19-20],700 hPa与500 hPa温度差(T700-500)为22 ℃。极端温差造成的“上冷下暖”使得江西北部热力不稳定达到异常程度,导致雷达回波东移进入江西后迅速发展。

分析水汽条件可知,低层西南急流强盛,南昌站850 hPa西南风和925 hPa南偏西风均达到16 m · s-1,且TTd均小于4 ℃,低层急流给飑线系统提供了充足水汽。500 hPa和700 hPa两层TTd≥15 ℃,“上干下湿”的水汽分布造成位势不稳定。同时,经14时地面温度订正后的南昌对流有效位能(CAPE)为1 084 J·kg-1,达到江西3月上旬发生对流性天气的阈值[19-20],有利于飑线发展与维持。4日08时下沉对流有效位能(DCAPE)高达1 301.3 J·kg-1,这一DCAPE极端值表明江西具备出现区域性极端大风的能量条件。

该过程飑线之所以能在江西维持超过5 h,是因为其环境条件极为有利。南昌站925—1 000 hPa垂直风切变达到16 m·s-1,0—2 km、0—6 km垂直风切变分别为15 m·s-1和24 m·s-1,强烈的风切变使飑线组织化发展长时间维持。另外,陈云辉等[21]在分析“3·4”江西飑线过程中的极端雷暴大风时,对比江西历史同期环境场有关物理量指数显示,有些指数位居江西历史同期前列,特别是T700-500DCAPE、最佳抬升指数(BLI)均达到1999年以来第一位,925—1 000 hPa垂直风切变突破其自1992有925 hPa探空记录以来3月上旬历史极值。

综上表明,高空槽、低空急流、地面辐合线是这次江西中北部罕见强对流天气过程的主要影响系统,罕见“上干下湿”和“上冷下暖”形成的强烈不稳定层结、极端DCAPE值为强对流和极端大风发生发展提供了必要的能量条件,以及配合强垂直风切变和对流风暴的组织化发展,为超级单体风暴或飑线的发生发展提供了有利的环境条件。

3 区域性10级以上雷暴大风的成因

在有利强对流系统发展的环境条件下,飑线系统的形态、移动、演变往往有所不同。研究表明:飑线后方入流与飑线前中尺度辐合线有很好的对应关系[22];飑线对流产生的冷池诱生阵风锋迫使其前侧产生新的对流单体,新对流单体加强后又在其前侧形成阵风锋,飑线典型的弓形特征就是通过多次这种对流系统的传播而形成[23]。由此可见,不同环境条件下形成的飑线系统特征不同。利用不同时刻雷达组合反射率因子拼图对此次飑线过程出现的10级以上雷暴大风成因进行分析。

3月4日凌晨(图略),强对流回波已经开始在广西形成并东移发展。12:30 (图 3a),位于湖南东部的对流回波为层积混合强对流回波,其中嵌有尺度在100 km左右的线状对流,其东侧的强回波区位于赣湘两省交界处,最大反射率因子大于55 dBz,回波移动速度约为60 km·h-1。上述强回波区南侧有一条短带状、南北向飑线回波,此时江西地面已出现区域性8~9级雷暴大风和局地短时强降水、雷电。12:36 (图略),北侧强回波进入江西萍乡(系丘陵山区),南侧短飑线开始减弱,但其前侧有新生回波逐渐发展。13:18 (图略),北侧强回波与新生强回波连成带状,形成新的飑线回波带,此时飑线最强回波达到55 dBz,水平尺度达到200 km。13:30 (图 3b),位于宜春市的最强回波中心达到60 dBz,飑线呈西北—东南向、近直线型带状,其移速增至100 km·h-1。分析对应的环境场可知,850— 500 hPa江西江南地区为一致的强西南风,此时回波走向与各层风向约呈90°夹角,飑线移速明显加快,此时萍乡、新余、宜春三市与吉安北部出现区域性8~9级大风,局地达10级。14:18(图略),飑线北部和南部均有对流回波新生,飑线水平尺度发展至300 km,并开始呈现弓形特征,飑线前沿开始影响赣北平原,该地区随之出现一定范围10级以上雷暴大风。15:30 (图 3c),飑线主体呈多个强回波单体排列,其最大反射率因子超过55 dBz,强回波主要位于南昌市,其形态保持西北—东南向,弓形特征更加明显,水平尺度维持在300 km,并继续向东北方向移动,移速维持约100 km · h-1。14:30—15:30飑线快速向东北方向移动,其顶端经过进贤附近时导致南昌、九江两市东部和抚州市北部8级以上雷暴大风、区域性10级以上雷暴大风,15:29进贤站出现34.8 m·s-1 (12级)大风。16:30 (图 3d),飑线仍呈西北—东南向,>55 dBz的多个强回波单体位于景德镇和上饶两市境内,>35 dBz的强回波面积增大,其移速加快至120 km·h-1,弓形特征维持。飑线南部有新生回波与主体回波结合,水平尺度增至450 km,造成赣东北区域性8~10级大风。18:00,飑线移出江西。综上所述,“3·4”江西飑线过程前广西、湖南已形成层积混合强对流回波,其中嵌有小尺度线状对流,并于当日午后能量条件较好时进入江西,逐渐形成飑线并向东北方向移动,移速从60 km·h-1增至100~ 120 km·h-1。飑线最强回波维持在55~60 dBz之间,水平尺度由200 km发展到450 km,飑线形态由刚形成时的近直线型带状发展为典型弓形回波。飑线进入江西后对流明显加强,强回波造成湖南东部区域性8~9级雷暴大风和江西中北部大范围8~10级、局部12级致灾性雷暴大风。

图 3 2018年3月4日12:30 (a)、13:30 (b)、15:30 (c)、16:30 (d)江西及其周边省份20部雷达组合反射率因子(单位: dBz)拼图 Fig. 3 Mosaic of composite reflectivity factor (unit: dBz) from 20 radars over Jiangxi and its surrounding provinces at (a) 12:30, (b) 13:30, (c) 15:30 and (d) 16:30 BT on 4 March 2018.
4 10级以上雷暴大风的雷达回波特征分析

根据我国2012年6月发布的《风力等级》 (GB/T 28591—2012),10级风的风速范围为24.5~28.4 m·s-1。10级或以上大风具有极强的致灾性,除损毁农作物、林木外,还可能对工程设施造成不同程度的破坏,并严重威胁户外人员生命安全。“3·4”江西飑线过程出现了大范围10级以上大风,不仅造成重大经济损失,还造成14人死亡。考虑到如果能提前对其进行预警,无疑可大大减轻灾害损失。因此,对该过程带来的10级以上雷暴大风,重点通过对其雷达回波特征的分析,总结出临近预报着眼点。

3月4日12:36,上述飑线进入江西并逐渐发展。图 4给出江西当日12—18时6 h内所有出现10级以上阵风的国家站和区域站分布图。根据10级大风出现时间的集中程度,结合江西北部的地形特点,将飑线对江西的影响过程依次分为三个阶段,即发展阶段(Ⅰ)、强盛阶段(Ⅱ)和维持阶段(Ⅲ):第Ⅰ阶段(12:30—14:00),强回波从湖南移入江西后逐渐形成飑线,移速达100 km · h-1,萍乡,吉安和宜春西部主要以8~9级大风为主,局地出现10级大风;第Ⅱ阶段(14:00—16:12),强回波东移影响江西中北部平原,飑线弓形特征更明显,其走向与引导气流约呈90°夹角,移速维持在100 km·h-1,江西中北部平原出现区域性10级大风,庐山站观测到12级最强阵风(37 m·s-1);第Ⅲ阶段(16:12—18:00),飑线继续向东北方向移动,从江西中北部平原移出后进入赣东北丘陵地区,维持其弓形特征,移速增至120 km·h-1,赣东北部分地区仍出现了10级大风。对上述三个阶段飑线的雷达回波特征具体分析如下。

图 4 2018年3月4日12—18时江西10级以上雷暴大风自动气象站点分布 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示飑线(红线所示)影响江西的三个阶段;红、绿、蓝色圆点分别表示三个阶段出现10级以上大风的自动站 Fig. 4 Distribution of automatic weather stations (AWSs) where gale with greater than or equal to force 10 occurred in Jiangxi from 12:00 BT to 18:00 BT on 4 arch 2018. Symbols Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ indicate the three periods affected Jiangxi by the squall line. Red, green and blue dots represent AWSs with the gale with greater than or equal to force 10 in the three periods, respectively.
4.1 发展阶段(Ⅰ)

此阶段,飑线位于江西中部以西地区,地面出现局地10级以上雷暴大风。选取位于该地区的宜春雷达站相关产品分析此阶段飑线回波特征。3月4日13:19 (图略),线状回波初生,呈北西北—南东南走向,水平尺度约200 km,最强回波大于50 dBz。13:36,宜春雷达组合反射率因子图(图 5a)显示,飑线回波前沿位于宜春市中部和新余市(图中白色双箭头所示),弓形回波已形成,多个强回波单体呈线状分布,该飑线前沿最强回波中心达60 dBz。对应的风廓线产品显示(图 5b),3 km以上12:45—13:42西南风达20 m·s-1以上,其中12:56—13:25可见明显的大风速核下降(图中虚线所示),即20 m·s-1大风速核从3 km高度下降至2 km高度,飑线于13:13—13:36经过雷达站,13:33宜春出现该过程最大阵风(21.1 m·s-1),大风速核的下降提前于地面大风约20~30 min出现。

图 5 2018年3月4日13:36宜春雷达组合反射率因子图(a,单位: dBz)和风廓线产品(b),以及0.5° (c)、1.5° (d)仰角径向速度图与沿图a中红线的反射率因子(e,单位: dBz)、径向速度(f,单位: m ·s-1)垂直剖面图(图a、c、d中白色双箭头均表示同一位置;图b中白色虚线表示大风核随时间下降,单位: m ·s-1。下同) Fig. 5 (a) Composite reflectivity factor (unit: dBz), (b) VWP and the radial velocities (unit: m·s-1) at (c) 0.5° and (d) 1.5° elevation angle from Yichun Doppler weather radar at 13:36 BT on 4 March 2018. Vertical cross sections of (e) reflectivity factor (unit: dBz) and (f) radial velocity (unit: m·s-1) along the red line in (a). The white double arrows in (a), (c) and (d) indicate the same position. The white dashed line in (b) indicates high wind speed core (unit: m·s-1) decrease with time, and the same hereafter.

另外,13:36宜春雷达不同仰角径向速度图(图 5cd)显示,雷达站位于强回波西南方向,引导气流为西南风,因此所观测到的径向风速接近于真实风速;各仰角径向风均出现不同程度的速度模糊,退模糊计算后得到最大风速(31 m ·s-1)位于1.5°—4.3°仰角(0.5—1.2 km)范围,24 m·s-1·(10 km)-1的径向辐合带最大风速切变(即某一仰角径向速度在10 km径向范围内风向风速不连续最大值)也相应出现在这一高度上,径向辐合带移速约100 km·h-1。0.5°仰角径向速度图上0.3 km高度出现的最大风速为27 m·s-1,最大径向辐合为20 m·s-1·(10 km)-1。从大风区位置(图中白色双箭头所示)看,大风速核和径向辐合带随高度上升表现出一定的倾斜特征。沿图 5a中红色实线的反射率因子(即强回波,白色双箭头所示,下同)垂直剖面(图 5e)和径向速度垂直剖面(图 5f)显示,50 dBz以上强回波发展到6 km高度上,强中心高度约为4 km,近地面出现弱回波区,强回波中心具有倾斜特征,这些现象与经典飑线回波特征相吻合。对应径向速度剖面图中(由于出现速度模糊,在正负速度最大色标跳转之间有虚假的垂直方向上插值导致的弱回波带),飑线后侧入流中心位于3—5 km高度上,最大径向风速为42 m · s-1,位于横坐标0~37 km范围内,此时飑线约位于140 km处,从后侧入流中心至飑线前沿之间约100 km范围内,在1—3 km高度范围内存在一支速度为31 m · s-1的大风速核,可见后侧入流急流的动量下传特征较为明显。从风暴相对径向速度图(图略)中可看到环境风为19 m·s-1的西南风,在飑线前沿弱回波区内所探测到的径向速度为1 m · s-1,应存在一支较强飑线低层入流急流,低层强入流是导致强风暴出现弱回波区和回波倾斜的重要原因。

刁秀广[24]在分析山东发生的10级以上雷暴大风个例时指出,10级或以上雷暴大风的低层径向速度通常大于等于35 m·s-1。宜春雷达13:36观测到的最大速度为31 m·s-1,最低层最大速度为27 m·s-1,尚未达到文献[24]中给出的10级以上雷暴大风出现的标准,这与该时刻强回波对应地区未出现10级大风相互印证。从13:42开始至14:44,此过程飑线逐渐移出宜春雷达高精度探测范围,0.5°仰角速度图上均出现31 m·s-1的大风速核,但其进入上高、宜丰两县平原地区(更低海拔地区)后,31 m·s-1 (0.9 km)的大风速核对应地面开始出现10级雷暴大风,此次飑线过程最低层出现31 m·s-1的大风速核在平原地区导致10级以上雷暴大风,但在山地则几乎未出现。

4.2 强盛阶段(Ⅱ)

飑线经过南昌站附近时发展到强盛阶段。飑线在经过新余、宜春的丘陵山地后约在当日14:12移入江西中北部平原进入强盛阶段,此时其弓形特征较之前更为明显,15:03飑线前沿进入南昌市(图 6a),其前侧多个强回波单体最强回波均为55 dBz。14:51—15:20雷达风廓线图上(图 6b)可见大于20 m·s-1的大风速核从2.7 km高度开始下降,一直降至最低高度0.6 km,即使在0.3 km高度上风速也达到了18 m·s-1,15:21南昌站出现19.7 m·s-1大风,大风速核下降时间比地面大风出现时间提前20~30 min。径向风(图 6c)退模糊计算后,得到径向辐合带上最大风速切变达30 m·s-1· (10 km)-1,最大风速为42 m·s-1,两者均在0.4—1.7 km高度(仰角0.5°—4.3°)范围内。仅在15:09的0.5°仰角径向速度图上(图 6d),0.3 km高度上出现此次飑线过程最大径向速度(47 m·s-1)和最大风速切变(35 m·s-1· (10 km)-1)。从沿图 6a中红色实线的反射率因子垂直剖面图上(图 6e)可见弱回波区、高度在3 km以下的强回波中心和回波前倾特征。径向速度垂直剖面图(图 6f)上,19—56 km范围内3—6 km高度上有一支最大径向速度达到37 m·s-1的后侧入流急流,56 km至飑线前沿的后侧入流相较其强度略有减弱并向低层传播,并在93 km附近出现极强近地面大风速核。结合对上述两张垂直剖面图的分析发现,约在80 km (后侧)和93 km (前侧)处(图 6e)分别存在一风暴中心,后侧的强回波已经接地,前侧的强回波低层出现弱回波区,呈现出强回波前倾特征,后侧入流急流的干冷空气进入风暴后,强烈蒸发降温作用使得下沉气流强度增大,对应地面观测实况显示南昌附近地区气温从29 ℃降到约20 ℃,强烈的下沉冷空气造成飑线前侧所形成的1 km厚度冷池快速移动,前侧入流急流经过冷池抬升后在其上部形成新的对流单体,后侧强回波的上升入流被新的对流单体切断后减弱,这种新老风暴单体的快速生消迭代机制使得飑线更快移动,下沉辐散气流叠加在冷池密度流上导致飑线快速移动与传播是此次飑线移速能够达到100 km·h-1的重要原因。当强风暴的雷达反射率因子图中出现弱回波区或有界弱回波区时,通常表征近地面层存在强烈的上升气流,并导致出现入流缺口,有界弱回波区往往出现在超级单体中,极强的上升气流使得所凝结的水粒子无法聚集而被雷达所探测到。此过程中,弱回波区的出现应当是较为深厚的冷池与较强的上升气流共同作用造成的。

图 6 2018年3月4日15:03南昌雷达组合反射率因子图(a,单位: dBz)和风廓线产品(b),15:03 (c)和15:09 (d) 0.5°仰角径向速度图(单位: m ·s-1),以及沿图a中红线的反射率因子(e,单位: dBz)和径向速度(f,单位: m ·s-1)垂直剖面图 Fig. 6 (a) Composite reflectivity factor (unit: dBz) and (b) VWP at 15:03 BT, and the radial velocities (unit: m·s-1) at 0.5° elevation angle from Nanchang Doppler weather radar at (c) 15:03 BT and (d) 15:09 BT on 4 March 2018. Vertical cross sections of (e) reflectivity factor (unit: dBz) and (f) radial velocity (unit: m·s-1) along the red line in (a).

此阶段南昌20 m·s-1的大风速核下降至0.6 km高度,对比宜春雷达风廓线图,宜春20 m·s-1的大风速核只下降到了2.0 km高度,0.3 km高度上南昌18 m ·s-1的风速也比宜春站12 m·s-1的更大。对比反射率因子剖面图可知,此阶段强回波中心较第Ⅰ阶段更低,弱回波区域更大。强回波区和大风速核、径向辐合带均有前倾特征。对比径向速度表明,第Ⅰ阶段宜春站31 m·s-1的最大风速核在0.5—1.2 km高度范围内,而此阶段南昌站42 m·s-1的飑线大风速核在0.4—1.7 km高度范围内,飑线大风速核较之第Ⅰ阶段明显加强、增厚。对应于最大风速核,径向辐合带上最大风速切变也由第Ⅰ阶段宜春站的24 m·s-1·(10 km)-1 (厚度0.5~1.2 km)发展至此阶段南昌站的30 m · s-1· (10 km)-1 (厚度0.4~1.7 km),表明随着大风速核加强和增厚,径向辐合带随之变化。0.5°仰角径向速度图显示,此阶段南昌站42 m·s-1的最大风速和30 m · s-1· (10 km)-1的最大风速切变也明显比第Ⅰ阶段宜春站的27 m·s-1和20 m·s-1· (10 km)-1要大,42 m · s-1的最大风速也显著超过刁秀广[24]研究得出的低层最大风速35 m · s-1的10级大风指征,第Ⅱ阶段雷暴大风强度较第Ⅰ阶段明显增大,强回波区和大风速核对应地面出现的区域性10级以上雷暴大风。

综合对比可知,此过程飑线移至南昌站附近区域相比宜春站附近区域时,雷达风廓线图显示南昌站大风速核比宜春站大风速核下降更显著。对比径向风速图表明,大风速核和径向辐合带的最大风速切变有一定加强、增厚,且0.5°仰角径向速度图上这两项指标南昌站都要显著高于宜春站。实况显示,飑线在强盛阶段出现的10级风站点明显多于发展阶段。由此可知,近地面大风速核下降以及大风速核、径向辐合带风速切变的强度、高度与地面10级雷暴大风出现的站数和强度存在较大关系。

4.3 维持阶段(Ⅲ)

上述飑线在3月4日16:12后处于维持阶段,江西部分地区仍然出现了10级以上雷暴大风。16:37飑线回波位于景德镇附近。从16:27景德镇雷达各类产品图上可见,此时最强回波中心为60 dBz,且飑线的弓形特征相比第Ⅰ、Ⅱ阶段更明显(图 7a),飑线移速加快至120 km·h-1。风廓线图上(图 7b)也可看到20 m·s-1的风速核从2.0 km高度下降至0.9 km,此变化时间段为16:33—16:46,最低层(0.3 km高)最大风速为18 m · s-1。实况景德镇16:50出现20.3 m·s-1的大风,大风速核下降时间早于地面大风10 min以上。此阶段径向速度特征与之前两个阶段一样,大风速核、径向辐合带和强回波中心均表现为前倾特征。从0.5°仰角(0.5 km高度)径向速度图上可见最大风速核为42 m·s-1、风速切变为30 m·s-1·(10 km)-1,其强度维持,出现范围在0.5—2.0 km高度,其相较第Ⅱ阶段南昌站的1.7 km更高,但42 m·s-1的风速核范围较南昌站更小。景德镇雷达站反射率因子和径向速度剖面图(图 7ef)显示的特征与南昌站的剖面图类似,即最大风速达37 m·s-1的后侧入流向下传播与两个处于不同发展时期的强风暴单体中蒸发作用引起的强烈下沉气流共同形成近地面快速移动的冷池达到近2 km厚度。由于其低层大风速核的维持,此阶段仍有部分地区出现10级以上大风,但飑线从江西中北部平原移到赣东北山区后,地形作用导致地面大风站点较第Ⅱ阶段相对要少。

图 7 2018年3月4日16:27景德镇雷达组合反射率因子图(a,单位: dBz)与风廓线产品(b,单位: m ·s-1),以及0.5° (c)、1.5°(d)仰角径向速度图(单位: m ·s-1)与沿图a中红线的反射率因子(e,单位: dBz)、径向速度(f,单位: m ·s-1)垂直剖面图 Fig. 7 (a) Composite reflectivity factor (unit: dBz), (b) VWP and the radial velocities (unit: m·s-1) at (c) 0.5°and (d) 1.5°elevation angle from Jingdezhen Doppler weather radar at 16:27 BT on 4 March 2018. Vertical cross sections of (e) reflectivity factor (unit: dBz) and (f) radial velocity (unit: m·s-1) along the red line in (a).
5 结论

本文利用利用江西多地多普勒天气雷达资料以及常规资料与区域自动站资料,分析了2018年3月4日江西罕见飑线过程,重点分析了该过程伴随的区域性10级以上雷暴大风的成因与雷达回波特征。主要得到如下几点结论:

(1) 该过程飑线系统产生于槽前暖区,强盛低层急流带来的暖湿平流有利于热力不稳定增大、水汽输送和低空垂直风切变维持,同时中高层干冷空气进一步加剧了层结不稳定。多项对流指标的极端性表明此次飑线过程为江西历史同期所罕见。

(2) 此次大风的形成符合经典的飑线大风理论,对流层中层干冷空气从风暴后部进入风暴之内,干冷空气的动量下传和在风暴中的蒸发冷却作用使下沉气流得到加强,下沉气流在到达地面后强烈辐散并在风暴前沿形成1~2 km厚的快速移动的冷池,导致地面大风。冷池引起上升气流,不断诱生新的对流单体,使得雷暴快速传播而形成弓形回波。

(3) 造成该过程区域性10级雷暴大风的雷达回波特征: 1)弓形回波尺度大(200~450 km)、中心强度大(55~60 dBz)、移速快(100~120 km·h-1)。2)低层径向速度异常大,雷达径向速度图中存在明显的速度模糊,0.3—2.0 km高度范围有大风速核存在,最大径向风高达47 m·s-1,边界层内大风速核与地面大风时间和位置吻合,地面10级以上大风出现时边界层内大风速核大于等于31 m·s-1。3)大风速核前侧的径向辐合强,低层最大径向速度切变达30 m·s-1·(10 km)-1;0.5°仰角径向速度图大风速核和径向最大风速切变的强度之大、持续时间之长为历史罕见,这是导致10级以上雷暴大风的重要原因。4)强回波中心、径向风大风速核和径向辐合带均存在前倾特征。5)地面大风发生时,垂直风廓线(VWP)产品显示20 m·s-1大风速核由3 km下降至1 km以下,比地面大风出现时间早10~ 30 min不等。

(4) 低仰角径向速度图上观测到的大于等于31 m·s -1大风速核和大于等于30 m·s-1·(10 km)-1径向速度切变,反射率因子图上观测到的移速大于100 km·h-1的弓形回波,以及VWP图上观测到的20 m·s-1大风速核高度下降,都可作为地面10级以上大风临近预警的参考指标或预报着眼点。

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