2. 天津市气象台, 天津 300074;
3. 天津市海洋中心气象台, 天津 300074
2. Tianjin Meteorological Observatory, Tianjin 300074;
3. Tianjin Marine Meteorological Centre, Tianjin 300074
强对流天气包括雷电、雷暴大风、冰雹、龙卷、短时强降水等,常对人民的生命财产安全造成严重威胁。其中,短时强降水是指1 h降水量大于等于20 mm或3 h大于等于50 mm的降水过程(俞小鼎,2013),可能会造成城市内涝、山体滑坡、泥石流等灾害。超级单体是造成短时强降水的重要中尺度天气系统之一,一直受到众多气象学家的关注,对超级单体的研究从20世纪50年代持续至今。Donaldson (1970)首次用多普勒雷达观测到超级单体的中气旋。之后,雷达气象学界判断是否有超级单体活动,依据是CIN⁃RAD/SA雷达是否监测到中气旋,采用美国天气局划定的中气旋标准,即满足以下判据(俞小鼎等,2006):1)核区直径小于等于10 km,转动速度超过相应的阈值;2)垂直伸展厚度大于等于风暴垂直尺度的三分之一;3)上述两类指标均满足持续时间至少为两个体扫。根据对流性降水强度和空间分布特征,把超级单体分为经典超级单体、强降水超级单体和弱降水超级单体(Moller et al., 1994)。
强降水超级单体的发生发展环境与不稳定条件、垂直风切变及水汽密不可分。俞小鼎等(2008)研究的2005年7月30日安徽一次伴随强烈龙卷的强降水超级单体,对应小时雨强为52 mm·h-1,对流有效位能为1 200 J·kg-1,0—6 km垂直风切变为16 m·s-1;潘玉洁等(2008)分析的2003年4月12日福建建阳的强降水超级单体,发生在中等对流不稳定(1 601 J·kg-1)、强垂直风切变(0—5 km,22 m·s-1)和低层高湿的环境中,这两次强降水超级单体的环境条件和结构特征与国外的研究非常相似,只是演变过程和回波形态不尽相同。陶祖钰等(2016)研究指出,露点温度的显著变化可以反映局地气团性质的变化,当地面露点温度达到20 ℃或更高,就有可能出现强雷暴并产生短时强降水。强降水超级单体触发、维持和加强的机制主要有中尺度地面辐合线(王啸华等,2012)、冷池出流与低层暖湿气流产生的扰动(牛奔等,2016;周后福等,2019)。王福侠等(2011)研究表明,出流边界前侧垂直风切变加大及其后侧冷池的加强是促进中气旋迅速形成的重要原因。陈明轩等(2017)进一步分析了出流边界对京津冀地区强对流局地新生及快速增强的动力效应。戴建华等(2012)研究表明,热岛效应和海陆风共同形成的低空辐合线对超级单体有加强作用。就东部沿海地区而言,近地面东风与沿岸对流活动关系密切,由海陆温差引起的海风触发沿岸对流的较多(易笑园等,2012;东高红等,2013),张文龙等(2013)研究了由次天气尺度低涡引起的浅薄偏东风(500 m以下)对渤海西岸强对流的影响,提出浅薄偏东风有利于形成局地强辐合,易造成突发性局地暴雨。
由于超级单体尺度小、突发性和局地性强、生消过程快、结构演变复杂,对其进行准确预报难度很大,因此深入了解超级单体的发生发展机理,对减轻极端强对流天气造成的生命财产损失是极为有意义的。目前,对于强降水超级单体的研究已取得一些成果,但主要侧重在定性方面,对其生成环境和结构的定量分析明显不足。2016年7月24日(北京时,下同)下午,天津大港地区出现极端强降水,预报员的主观预报和多家数值模式预报结果均漏报了这次强降水过程。为了研究强降水的影响系统及其发生、发展、维持的环境,本文利用多种高时空分辨率观测资料,对天气背景、环境条件及水汽的垂直分布进行精细化定性和定量分析,采用雷达回波参数量化描述强降水超级单体的结构演变,以期积累多种探测资料在局地强降水分析中的应用经验,提高渤海西岸局地强降水发生发展规律的认识。
1 资料与参量资料主要有:1)地面、高空观测资料,其中天津地面加密自动站降水、气温、风向、风速为逐分钟间隔,区域站滨海水厂(A2604)为极端强降水发生地,露点温度来源于国家站大港站(54645),静海位于大港站西侧。2)水汽密度(V)来源于MP3000型微波辐射计(位于天津西青站,可以较好地代表站点上空200 km范围大气的温湿变化)的观测值,单位为g·m-3,垂直0—10 km共58层,分辨率为:0.5 km以下50 m,0.5—1 km为100 m,1 km以上为250 m。3)雷达探测资料源于天津塘沽(117.72°E,39.04°N),雷达三维拼图资料为直角坐标系数据,水平分辨率0.01°×0.01°,即一个格点,垂直方向22层。0.5—5.5 km分为11层,间隔0.5 km;6—12 km分为7层,间隔1 km;14—20 km分为4层,间隔2 km。所有观测资料的时间段为2016年7月24日08:00—20:00。
表征水汽条件的水汽密度垂直递减率用FV表示,单位为g·m-4。此外,本文还使用了描述超级单体结构变化的4个参量,其中,单体有效厚度(H)和有效面积(D)取自天津大学与天津市气象局联合开发的强天气分类识别系统(杨忠山,2012),V50-up(down)4和FV50-up(down)4参照易笑园等(2013, 2017)构建回波参数的方法,变率是前后6 min间隔的变化量。4个参量分别表示的物理含义为:1)有效厚度(H)为雷暴单体45 dBz回波顶高与-20 ℃层高度的差值,单位为103 m;2)有效面积(D)为雷暴单体40 dBz回波围成的面积,单位为106 m2;3) V50-up(down)4为雷暴单体4 km高度以上(以下)大于50 dBz回波体积,单位为109· m3,反映某一时刻强回波核的大小和所在高度;4) FV50-up(down)4为雷暴单体4 km高度以上(以下)大于50 dBz回波体积的变率,单位为109 m3·6 min,反映单位时间V50-up(down)4的增减幅度,其正值反映V50-up(down)4是发展增强的趋势,其数值减小反映V50-up(down)4虽然有发展但势头减弱;其负值说明不在发展。
2 实况简介 2.1 降水实况2016年7月24日下午,华北中部发生局地强降水天气。图 1给出2016年7月24日13:00—17:00(北京时,下同)华北中部降水量分布和滨海水厂14:00—15:00逐6 min降水量。分析可知,雨带呈东北-西南方向,位于河北中部至天津南部,各地降水量分布不均,强降水集中时段为13:00—17:00,天津地区有3站的4 h降水量超过100 mm (图 1a)。14:00—15:00,最大小时雨强为95.0 mm·h-1 (图略),突破了当地自2006年以来的历史极值。14:18最大6 min降水量为16.6 mm,14:06—14:24的6 min降水量均超过10 mm (图 1b)。以上特征表明,此次强降水历时短、雨强大、局地性强。
从图 2给出的2016年7月24日13:00—14:24的3.4°反射率因子分布变化可以看出,13:00滨海水厂西侧出现降水回波,最强为50 dBz;13:24回波不断向北扩展,50 dBz较强回波范围有所扩大;14:00回波快速东移发展,滨海水厂和大港站均出现50 dBz较强回波;14:24滨海水厂最强回波达55 dBz。以上分析表明,强降水回波影响天津大港地区的时间为1—2 h。下面将从大尺度环流背景、中尺度触发机制及雷达回波定性定量特征等方面,详细探究导致降水回波快速发生发展的原因。
造成强对流天气的中尺度系统与大尺度环流形势有密切关系。图 3a给出2016年7月24日08:00环境条件配置图,从中可见,降水发生前,500 hPa天津位于冷涡前部、副热带高压外围西南暖湿气流中,700 hPa切变线略偏东,850—925 hPa切变线近乎重叠,呈前倾槽结构,西南气流显著,水汽输送、充足,有利于水汽堆积和能量积累,地面气压场显示,天津位于低压顶部,有利于垂直上升运动。图 3b给出同时刻700 hPa水汽通量散度与风场的叠加图,可见西南气流风速在天津至河北南部明显辐合,对应水汽辐合大值区,辐合中心为-1.5·10-6· g·cm-2· hPa-1· s-1。综上,前倾槽结构、地面低压及西南气流风速的辐合,为中尺度系统的发展和强降水的发生提供了良好的水汽辐合及动力抬升条件。
不稳定是对流形成的三个基本条件之一,也是对流触发、发展和维持的基础。为了更好地表征极端强降水发生前高空大气状态,使用上海中心气象台的探空资料显示系统SANDS1.0,利用2016年7月24日08:00北京站探空资料,以滨海水厂13:00温度(33.4 ℃)和露点温度(30.3 ℃)对强对流参数值进行订正(图略)。结果显示,对流有效位能为6 791 J·kg-1,不稳定能量极大。对流抑制能量为0,抬升凝结高度为951 hPa,自由对流高度为1 001 hPa,均低于Parker (2000)的统计结果,不需要较强的抬升机制就可以触发对流。0—6 km垂直风切变为10.9 m·s-1,表明对流层低层环境场垂直风切变较弱。大气可降水量为51.8 mm,有利于高降水效率的发生(陈元昭等,2016)。以上分析表明滨海水厂存在较为有利的对流条件。
3.3 水汽条件水汽条件对短时强降水的形成尤为重要。微波辐射计资料中08:00温度随高度的变化趋势与北京站探空资料中温度垂直变化一致(图略),图 4给出2016年7月24日微波辐射计资料中13:00—15:00 FV的垂直变化和逐6 min FV最大值与降水量随时间变化。从图 4a—c可见,13:00—14:00 FV最大值均位于0.5 km左右,其中13:00为0.29 g·m-4,14:00略有减小,为0.28 g·m-4;15:00 0.5 km附近FV转为负值,说明最大强降水已经结束,0.45—1.1 km FV随高度增加,表明降水云底已经抬高到1.1 km以上,而接近地面(0.4 km以下)则相反,是因为降水过后地面蒸发,造成贴地层FV更大。仔细分析13:00—15:00逐6 min FV最大值与降水量随时间变化(图 4d),13:00—14:00,FV最大值维持在0.28—0.31 g·m-4,6 min降水量最大为7.8 mm;14:06—14:18,FV最大值由0.28 g·m-4快速减至0.1 g·m-4,6 min降水量由11.7 mm快速增加至16.6 mm;14:24—14:42,FV最大值略有增加,6 min降水量逐渐减少;14:48—15:00,FV最大值又开始减少,对应6 min降水量又出现极值,为10.4 mm。通过计算得出1.1 km以下FV与滞后6 min降水量之间的相关系数为0.86。可见,低层FV与降水强度对应较好,孙继松(2017)在分析短时强降水和暴雨的关系时指出“不考虑蒸发过程的对流过程,瞬时降水强度主要决定于水汽垂直递减率和低层大气对流有效位能”,上述分析结论进一步证实了这一观点。
由大尺度环流引起的风称为系统风,与热力温度差异引起的风不同。海风是沿海地区由下垫面加热不均匀产生的由海洋吹向陆地的风,属于中尺度环流。对沿海地区而言,实际风为系统风和海风的叠加。以往研究表明,海风经常出现在午后,08:00—20:00大尺度环流形势变化不大(图略),08:00海陆下垫面差别不大,实际风基本近似于系统风,午后随着海陆热力差异加大,逐渐受海风影响,实际风减去系统风近似认为是由于海陆热力差异引起的海风(易笑园等,2014)。
图 5给出2016年7月24日08:00—17:00滨海水厂和大港站气象要素演变。从地面风场可见,08:00— 13:00,滨海水厂为东南风,大港站除09:00—11:00为西南风以外,其余时段均为东南风,且越临近极端强降水的发生时段,两站的偏东分量越大。11:00—13:00为由于热力作用形成的海风主要影响时段。通过计算得出,12:10最大风速值为1.9 m·s-1;13:40滨海水厂和大港站均转为偏北风;14:00两站极大风分别为西北风9.0 m·s-1、北风5.7 m·s-1。从图 5a的温度可见,08:00— 13:30滨海水厂温度逐步攀升,最高气温为35.2 ℃;13:40温度开始下降;14:00的1 h变温达-6.5 ℃。从图 5b的露点温度可见,08:00—13:30大港站露点温度缓慢增加,最大值为30.3 ℃;13:40露点温度也开始陡降;14:00露点温度下降为23.9 ℃。以上分析表明,极端强降水发生之前3 h,天津大港地区受东南海风影响,从时间顺序来看,气温、露点温度开始下降的过程对应风向转折,气温、露点温度达到最低点时风速最大,这实质上是阵风(密度流)的表现。
为了进一步分析东南海风气流对滨海水厂极端短时强降水发生所起的作用,图 6a给出2016年7月24日13:00比湿和温度水平分布,从中可见,大港地区出现明显由沿海伸向内陆的冷湿舌,其中冷舌起冷垫作用,有利于雷暴单体的产生。这一结论与易笑园等(2014)利用VDRAS资料分析海风辐合线触发雷暴系统生成时得出的“雷暴单体在海风辐合线附近产生,这与倾斜海风锋锋面(向海洋一侧倾斜)上的中尺度垂直环流相对应”一致。湿舌有利于来自渤海的水汽不断在天津东南部辐合,为雷暴的发生发展提供水汽条件。结合图 2a给出的2016年7月24日13:00加密自动站风场分布可知,由这支东南气流与北京冷空气过境带来的东北风组织成的东北-西南向地面辐合线位于天津东南部,滨海水厂处于地面辐合线暖区一侧,受东南海风控制,反射率因子分布显示滨海水厂西侧出现50 dBz的降水回波,说明地面辐合线触发了雷暴生成。
从图 2c给出的2016年7月24日14:00加密自动站风场分布可见,地面辐合线横跨天津南部,呈东东北-西西南走向,大港地区出现小范围偏北风,高空图无任何迹象,滨海水厂极大风为西北风9.0 m·s-1,500 hPa维持西南风10 m·s-1,地面到500 hPa风矢量差为13.5 m·s-1,强度达中等以上垂直风切变。从图 6b给出的2016年7月24日14:00温度水平分布可知,西北风影响区域平均温度为27 ℃,与环境平均温度34 ℃存在明显温差,且该温度低值区出现于前一时次降水回波之后。显然这是由于雷暴内部降水粒子在下降过程中的融化、蒸发等作用导致降温,从而在近地层扩散形成冷池,冷池所在区域对应雷暴高压,其中大港站气压升至1 004.0 hPa,与冷池外部大港西侧形成气压差,冷池出流边界向四周散开,辐合增强导致雷暴进一步加强,有利于超级单体生成。从图 2c给出的2016年7月24日14:00反射率因子分布可见,冷池所在区域降水回波强度大于50 dBz。
综上可知,极端强降水发生之前3 h,来自渤海的海风具有冷湿性质,它起到“冷垫”和输送水汽的作用。地面辐合线触发了雷暴生成,雷暴下沉气流形成的冷池出流边界加大了低层辐合,促使新雷暴进一步发展为超级单体。
5 强降水超级单体演变特征定量分析中尺度系统的结构是建立预报思路的关键,雷达是目前研究对流系统结构最有效的工具之一,因此对雷达资料的合理应用是掌握强对流天气系统及其演变的基础。以下将根据雷达回波对强降水超级单体的演变特征进行分析,同时引入4个雷达回波参量,以实现量化描述雷暴结构的目的。
5.1 回波演变定性特征图 7给出2016年7月24日14:12强降水单体6.0°仰角的基本反射率和径向速度及沿白线的垂直剖面。从图 7a可知,强降水单体6.0°仰角最强回波为55 dBz,可见“钩状”回波及后侧入流缺口。对比其他仰角发现,0.5°—4.3°仰角最强回波为50 dBz,9.8°仰角最强回波为60 dBz (图略),说明反射率因子强度随高度是一个由弱到强过程,且强回波核随高度增加向右侧偏移。从图 7b可知,中层4—8 km出现55 dBz强回波,回波悬垂结构显著。14:18强降水单体最强回波为61 dBz,钩状更加明显,后侧入流缺口维持,3—6 km出现较大范围55 dBz强回波,有界弱回波区体积发展到最大,回波悬垂最显著;14:30强回波(55 dBz)较为分散,悬垂结构不太明显;14:42静海附近单体又开始与强降水单体相连合并,7—9 km再一次出现55 dBz以上强回波,悬垂结构重现;15:00强降水单体逐渐移至海上(图略)。强降水单体6.0°仰角识别出气旋式速度对,旋转速度为13 m·s-1,核区直径为30 km (图 7c)。对比其他仰角发现,0.5°—9.8°仰角均识别出气旋式速度对,其中2.4°、3.4°、4.3°仰角速度对最强、范围最大,旋转速度为16 m·s-1,核区直径为40 km (图略),均达到弱中气旋标准(俞小鼎等,2006)。弱中气旋垂直方向伸展至13 km,说明此中气旋发展非常深厚(图 7d)。
表 1给出2016年7月24日强降水单体14:06—14:24强回波及中气旋特征值,从中可见,弱中气旋维持4个体扫,自始至终处在强反射率因子区域中(图略)。14:12单体回波增强,弱中气旋发展到最旺盛阶段,伸展高度达13 km,旋转速度达16 m·s-1,核区直径为40 km;14:18最大回波强度达61 dBz,弱中气旋旋转速度为15 m·s-1,伸展高度和核区直径维持不变;14: 24回波减弱,弱中气旋伸展高度下降至6 km,旋转速度和核区直径维持不变;14:30弱中气旋减弱为弱切变。
强降水单体50 dBz以上回波高度超过-20 ℃环境温度所在高度(据当天探空判断该高度在9.0 km左右),因此属于高质心典型大陆型强对流,进一步证实了王从梅等(2015)指出的“产生极端降水的对流系统属于高质心发展强烈的大陆强对流型”这一观点。
5.2 各阶段结构定量特征参量的变化特征可以定量反映强降水超级单体的结构发展状况,引用4个雷达回波参量:单体有效厚度和有效面积、V50-up(down)4和FV50-up(down)4,追踪各时次选区内(图 7蓝色方框)单体的变化。以下逐项分析回波参量五个阶段的演变。
5.2.1 单体有效厚度和有效面积有效厚度和有效面积可以表征单体在水平和垂直上的发展程度,图 8a、b给出2016年7月24日13: 42—14:48强降水超级单体有效厚度和有效面积及6 min降水量随时间的变化,从中可见:1)第一次组织阶段(13:42—13:54),有效厚度与有效面积均先增大后减小。13:48有效厚度极大值为1.5 km,45 dBz回波顶高突破了-20 ℃层;有效面积极大值为411×106 m2,大于40 dBz回波范围不断扩大,说明单体垂直、水平方向均强烈发展,并逐渐组织化。2)第一次增强阶段(14:00— 14:18),有效厚度和有效面积均逐渐增大,说明单体不断增强。14:18单体发展到最高,45 dBz回波顶高位于-20 ℃层以上5.8 km;有效面积最大值为904×106 m2,大于40 dBz回波范围最大,对应6 min降水量最大为16.6 mm。3)第一次消散阶段(14:24—14:30),有效厚度和有效面积均先呈减小趋势,单体垂直、水平方向均减弱。4)第二次组织阶段(14:36—14:42),有效厚度和有效面积略有增大,单体再次发展。5)第二次增强阶段(14:48),有效厚度和有效面积基本维持不变,单体垂直、水平方向变化不大。
V50-up(down)4和FV50-up(down)4可以更精确的表征强降水超级单体的体积变化及悬垂结构,图 8c、d给出2016年7月24日13:42—14:48强降水超级单体V50-up(down)4、FV50-up(down)4及6 min降水量随时间的变化,从中可见:1)第一次组织阶段(13:42—13:54),V50-down4先增大后减小,V50-up4一直减小。13:48,V50-down4极大值为194×109 m3,V50-down4大于V50-up4,垂直方向呈塔状;13:54,V50-up4开始大于V50-down4,单体第一次悬垂结构开始,FV50-up4较FV50-down4提前由正值转为负值,4 km以上50 dBz回波发展势头较4 km以下提前减弱。2)第一次增强阶段(14:00—14:18),V50-up(down)4呈增大趋势,整层体积持续增大,FV50-up4值呈“正-负”变化,FV50-down4一直为正值。14:00,FV50-up(down)4均达到极大值;14:12,V50-up4极大值为451×109 m3,悬垂结构最显著,14:00—14:12,FV50-up(down)4均为正值,FV50-up4大于FV50-down4,说明单体整体发展增强;14:18,FV50-up(down)4迅速转为负(正)值,4 km以上(下)50 dBz回波发展迅速减弱(增加)。3)第一次消散阶段(14:24—14:30),14:24,V50-up4开始小于V50-down4,单体悬垂结构已经瓦解;14:30,FV50-up(down)4均为负值,单体整体不在发展。4)第二次组织阶段(14:36—14:42),V50-up4持续小于V50-down4,单体呈塔状,FV50-up(down)4为负(正)值,单体4 km以下再次开始发展。5)第二次增强阶段(14:48),V50-up4大于V50-down4,单体悬垂结构重现,FV50-up(down)4迅速转为正(负)值,4 km以上(下) 50 dBz回波发展迅速增加(减弱),这可能与静海单体并入母单体使得回波再次发展有关,对应6 min降水量短暂增加。
以上分析表明,强降水超级单体V50最大值出现前变率参量FV50出现了“突降”现象,这对单体即将发展有预警意义,这一结论与多单体雹暴回波参数演变特征类似(易笑园等,2012)。
6 结论利用多种高时空分辨率观测资料,结合雷达回波参数量化分析方法,详细分析了“7.24”天津沿海一次强降水超级单体的生成环境及结构的定性和定量特征,结果表明:
(1) 这次强降水发生在高空深厚冷涡的大尺度背景下,西南气流风速辐合、前倾槽结构及地面低压,为中尺度系统的发展和强降水的发生提供了良好的水汽辐合及动力抬升条件。
(2) 超级单体发生发展的有利环境是,对流有效位能为6 791 J·kg-1,对流抑制能量为0,抬升凝结高度为951 hPa,自由对流高度为1 001 hPa,大气可降水量为51.8 mm。
(3) 超级单体的演变过程为,地面辐合线触发了雷暴生成,雷暴形成的冷池出流边界触发新雷暴生成,新雷暴不断合并、发展、加强为超级单体。
(4) 极端强降水发生之前3 h,来自渤海的海风具有冷湿性质,它起到“冷垫”和输送水汽的作用。
(5) 超级单体表现为高质心发展,其强回波核由低到高向右侧偏移,有界弱回波区、后侧入流缺口及悬垂结构明显,弱中气旋维持4个体扫,且旋转速度为16 m·s-1,核区直径为40 km,伸展高度为13 km,始终处在强降水的包裹中。雷达回波参数V50 (反射率大于等于50 dBz的体积)达到最大值之前,回波变率参数FV50 (50 dBz回波体积6 min的变化)出现了“突降”,这对单体即将发展有预警意义。
(6) 6 min内强降水量与低层水汽密度垂直递减率、单体有效厚度和有效面积有较好的对应。
本文着重对引发强降水的超级单体环境及结构进行分析,为冷池触发的强对流天气的预报提供一些参考。但本文仅分析了一次极端个例,故所得结论有待进一步验证。如此大量级的强降水一定有水汽的快速累积过程,详细分析强降水过程中水汽的演变特征,是今后需要开展的一项研究工作。
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