2. 湖南省怀化市气象局, 怀化 419599;
3. 湖南省娄底市气象局, 娄底 417000
2. Huaihua Meteorological Observatory of Hunan Province, Huaihua 419599;
3. Loudi Meteorological Observatory of Hunan Province, Loudi 417000
风雹是以雷雨大风和冰雹为主的剧烈强对流天气,往往伴随灾害发生,因此又称为风雹灾害,其具有突发性强、空间尺度小、生命史短、破坏力大等特点,一直以来风雹的预报预警都是气象预报预警业务中的重点和难题(赵玉春和王仁乔,2008;孙继松和陶祖钰,2012;徐双柱和韦惠红,2016;郑永光等,2017)。其中冰雹主要与对流风暴中强烈的上升气流有关,而雷暴大风主要由强对流风暴(超级单体或多单体风暴),或与飑线、强锋面有关的带状对流中处于成熟阶段单体中的下沉气流,在近地面处向水平方向扩散,形成的辐散性阵风而产生(俞小鼎等,2006),特别是在适宜的温度层结条件下,两者一般相伴而生。国内学者已开展的强对流分型研究指出风雹天气与大气环流形势密切相关。许爱华等(2014)根据强天气发生的三要素将中国中东部强对流分为“冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类、高架对流类”等五种类型,并指出“冷平流强迫类”以冰雹、大风为主,“暖平流强迫类”以雷雨大风、短时强降水、冰雹等混合性对流天气为主,“斜压锋生类”以混合性大风为主,“准正压类”以雷雨大风、短时强降水为主,“高架对流类”以冰雹为主。郑媛媛等(2011)根据天气形势将安徽强对流天气分为冷涡槽后类和槽前类,并指出冷涡槽后类主要导致雷雨大风和冰雹天气,而槽前类主要导致雷雨大风、短时强降水及龙卷天气。
春季是湖南风雹天气发生频率最高的季节,其中3—5月大风日数占全年的47.9%,2—4月冰雹日数占全年的88.2%(郭凌曜等,2018)。这与副热带急流、极锋急流及其锋系位置的季节变化密切相关,春季锋系位于长江流域附近,冷暖气团在湖南频繁交汇,加之特殊的地形使得该地风雹天气多发(潘志祥等,2015)。风雹天气与其他强对流天气一样,具有一定的区域特征,各地的大气对流参数也有差异,因此针对本区域的分析对于预报预警的意义更大。对于近几年湖南省春季发生的伴随风雹天气的强对流,本地预报专家做了相关分析:叶成志等(2013)分析了2013年3月19日湖南首场致灾性强对流天气的潜势条件、天气背景及触发机制,从雷达监测方面提出了该次过程的风雹预警的着眼点;姚蓉等(2017)从中尺度环境条件及中尺度触发条件角度出发分析了2015年4月3日的混合性强对流天气,高架雷暴及冷暖空气交汇均产生了冰雹,中层干冷空气卷入及强垂直风切变和强热力不稳定产生了风雹天气。唐佳等(2017)则对比了2015年“4.3”和“4.19”两类不同类型,二者均伴随风雹的混合性强对流过程,指出前者为暖平流强迫类,雷暴大风由线状对流引起;后者为斜压锋生类,风雹由超级单体风暴引起。
以上的研究大多是单一天气背景下的个例分析,而2018年3月4日湖南短时间内先后出现了两个不同阶段的风雹天气,其本质是两类不同天气环流背景下的过程,两个阶段间隔极短,在灾害性类型、天气形势及回波特征方面均有较大差异,具有过程的特殊性。根据湖南风雹过程统计标准,该次过程是2018年湖南的首次风雹过程。在实际工作中,该次过程无论是短期预报还是短临预警均存在一定难度,特别是两个阶段接踵而至,预报员对于前后两阶段风雹发生发展的条件、影响区域及强度均难以把握。因此本文将利用常规观测资料、逐时FY-2G卫星TBB资料、逐6 h NCEP 1°×1°再分析资料及永州、郴州多普勒天气雷达产品对其不同阶段的环流背景、物理量条件、雷达回波特征进行分析,以加深对湖南风雹过程的了解,探讨该次风雹天气过程的成因及临近预警着眼点,提高预报预警能力。
1 实况及灾情本文使用的强对流实况资料中短时强降水取自区域自动站,雷暴大风实况取自国家站特殊天气报,冰雹实况涵盖了国家站特殊天气报及网络报道。
2018年3月4日湖南出现明显风雹天气,从风雹类型和强度来看,有明显阶段性。图 1a给出了第一阶段(4日08—14时,下同)湖南省雷暴大风、冰雹及短时强降水空间分布图,可见湘中以南地区出现了成片的雷暴大风(19站次),其中7站次风速超过9级,最大风速达到24 m·s-1,伴随局地小冰雹(2站次)和短时强降水,该阶段雷暴大风是最主要的强对流天气。14—16时,湖南强对流天气短暂间歇。16时之后(图 1b),进入过程的第二阶段(4日16时—5日08时,下同),该阶段以冰雹天气为主,湘南为冰雹相对集中区,并伴随局地的雷暴大风和短时强降水。根据湖南风雹过程统计标准,该次过程是湖南2018年首场风雹天气过程。分析总结发现,该过程有3个特点:1)过程具有明显阶段性,从灾害性天气类型及强度差异来看,第一阶段雷暴大风区域更集中,强度更大,整个过程中90%的9级及以上大风出现在该时段,第二阶段冰雹范围明显增大,最大冰雹尺寸达18 mm;2)过程伴随局地短时强降水,但强度不强。共有166个区域站出现短时强降水,其中82%集中在20~30 mm之间,仅有1站最大小时雨强超过50 mm·h-1;3)两阶段风雹天气影响区域在湘南叠加性明显,使该区域反复受灾。该次过程造成永州、株洲、衡阳等6市17个县(市、区)17.3万人受灾,直接经济损失1亿元(来源民政部门)。
因此,本次过程灾害性天气实况有明显的阶段性,不同阶段占主导的灾害性天气类型不同,这样的阶段性特征与大气环流背景有何联系?各阶段的天气系统配置、潜势、各项对流物理指数及临近预警着眼点有何异同?下文将分别从环流背景、物理量条件及中小尺度特征来进行深入分析。
2 大尺度环流背景及对流潜势差异 2.1 天气系统配置及环境条件分析根据强对流实况发现, 该次过程阶段性明显,因而分别选取与风雹实况发生时间接近的08时及20时高空、地面资料来对比分析两个阶段的大尺度环流背景差异。图 2给出了2018年3月4日08时和20时天气系统配置及环境条件分析图。08时(图 2a)湖南位于南支槽前,500 hPa有中空急流建立,风速达34 m·s-1,加剧了中低层垂直风切变的发展;925 hPa切变线位于湘西北一带且切变线南侧西南急流发展旺盛,最强中心达28 m·s-1,地面冷锋位于江淮地区,湖南在倒槽南侧的暖区中。500 hPa冷槽叠置于850 hPa暖脊之上,上干冷下暖湿特征明显,湘南有中尺度辐合线存在。对流在广西东北部触发,强盛的西南风引导其东移北上,有利的环境条件使得对流在湘南加强,导致了风雹的产生。该阶段的天气系统配置及环境条件属于“低层暖平流强迫类”。
14时之后对流风暴移出湖南影响江西、湖北,地面倒槽在湘南再次得到发展,回温明显使不稳定能量再度积累。16时开始湖南受冷空气扩散南下影响,对流在冷锋前沿被触发,湖南进入风雹过程的第二阶段。
20时(图 2b)500 hPa高空槽分裂东移,西南地区低涡东移南落,850 hPa、925 hPa冷切变线压至湘中一带,其南侧的西南急流依然维持;且北支急流开始建立,850 hPa锋区明显,冷暖气流强烈交汇,在锋面的触发下导致风雹在湘南地区再次发生。天气系统配置及环境条件属于典型的“斜压锋生类”。
综上分析,从风雹类型、强度及其对应的天气系统、环境场配置来看,本次风雹过程可分为两阶段:第一阶段(4日08—14时)为暖平流主导的“低层暖平流强迫类”阶段,风雹东移北上;第二阶段(4日16时—5日08时)随着冷空气南压,冷暖气流剧烈交汇,为典型的“斜压锋生类”阶段,风雹东移南压。
2.2 探空潜势分析本次风雹过程初始对流触发在广西地区,3日夜间对流集中在广西东北部,从桂林3日20时探空来看(表 1),SI指数小于-4 ℃,CAPE值达到1 269 J·kg-1,说明该地区层结极不稳定,此外0—6 km和0—2 km垂直风切变分别为24 m·s-1和12 m·s-1,有利对流增强,这也是此次对流得以长时间维持的主要原因,此外,桂林的探空曲线上干下湿特征明显,0 ℃层和-20 ℃层高度适宜,总体来看,有利于风雹天气的发生。
4日对流中心移至湖南地区,在影响湖南期间的两个阶段均影响湘南地区,故选取郴州站2018年3月4日08时和20时探空资料来分析两阶段对流潜势差异,并探讨其灾害性天气强度及类型差异原因,从表 2的2018年3月4日08时、20时郴州站探空参数分析可得: 1)两阶段垂直风切变异常偏大,0—6 km垂直风切变超过30 m·s-1,0—2 km垂直风切变也达10 m·s-1及以上,这与中空急流的建立密切相关,强的垂直风切变有利于强对流加强和维持(王秀明等,2014);也正因为垂直风切变大,风暴移动速度相对较快,导致本次过程两阶段的小时雨强均相对偏弱,最大仅49 mm·h-1。2)两阶段均有较强的层结不稳定性,SI指数明显偏低。
对比两阶段,08时K指数仅26 ℃,较典型湖南强对流阈值偏小,这是由K指数自身定义决定的,700 hPa刚好存在明显干层,其将使得K指数降低,该层的干冷空气夹卷作用能一定程度上加强下沉气流,进而使得地面风力加大;而20时湿层向上扩展至700 hPa,K指数随之增大;此外,仅从0 ℃和-20 ℃层高度分析,第一阶段高度更有利冰雹生长,但实况却是第二阶段冰雹特征更明显,细致分析认为,20时地面锋面还未影响到郴州,但随着冷锋南压,郴州站0 ℃层和-20 ℃层均将有所下降,有利于冰雹碰并增长,使得后阶段冰雹区域扩大、强度增强。
以上分析可知,强不稳定层结、强垂直风切变及适宜的0 ℃层和-20 ℃层高度等均有利于本次风雹过程发生,且第一阶段雷暴大风的对流潜势更明显,而第二阶段冰雹的对流潜势更明显。那么,各物理量因子在不同阶段又有何异同?下面将选取2018年3月4日08时、20时NCEP再分析资料对两阶段的水汽、不稳定条件及抬升触发做详细分析。
3 不同阶段物理量条件 3.1 水汽条件水汽是雷暴的燃料,必须保证“足够”,但不同类型强对流对其的需求是有一定差异的,短时强降水最高,冰雹次之,雷暴大风最弱(王秀明等,2014)。图 3给出2018年3月4日08时、20时850 hPa水汽通量和水汽通量散度分布图。分析发现:08时(图 3a)在强西南急流的引导下,水汽源源不断自孟加拉湾向湖南地区输送,水汽输送带建立,并在急流出口区(江淮地区)和强风速脉动区(湘赣交界处)辐合,其中广西东北部也存在弱水汽辐合区,其位置与初始对流位置对应。20时(图 3b)冷锋南压至湘中地区,水汽输送带和水汽辐合中心均南移至湘中及以南地区,最强水汽辐合达-6×10-7 g·cm-2· hPa-1· s-1,强度较前一阶段增强。
图 4给出2018年3月3日08时—5日08时湘南(110°—114°E,24°—26°N)区域平均相对湿度的垂直剖面随时间的演变图。图中显示,5日02时之前,中层(700—400 hPa)干层明显,700 hPa以下为显著湿层,这与“典型短时强降水深厚湿层特征”明显不同(郝莹等,2012),这也与本次风雹过程虽有短时强降水发生但短历时性不强(相对湖南本地而言)的实况相符;对比前后两阶段发现,4日08时干层更明显,有利于雷暴大风发生,4日20时湘南湿度有所增加,湿层厚度向上扩展,为雹胚“湿增长”创造更多碰并发展机会,使冰雹发生概率增加(Emanuel K A and Hide R, 1970)。这与孙继松等(2014)有关“斜压锋生类”形势下,中层湿度增加有利于冰雹出现的结论是一致的。
层结不稳定条件是雷暴的必要非充分条件之一。图 5给出了2018年3月4日08时、20时沿112°E假相当位温、垂直速度及全风速经向垂直剖面图。08时(图 5a)地面锋区位于30°N以北,湘北已受渗透弱冷空气影响,湘南则仍处于强盛西南风控制下;30°N上空,锋区之上900—700 hPa有-0.4 Pa·s-1以上的上升运动与之配合;20时(图 5b)锋区南压,冷空气强度增强、在湘北向高空层伸展,925 hPa以下转为偏北风,地面锋区南压至湘中地区(27°—28°N),锋区之上上升运动强度增强,中心超过-1.4 Pa·s-1,伸展高度增加,-0.4 Pa·s-1以上上升运动一直伸展到500 hPa。通过对比可以发现,后阶段湘南地区有地面冷锋和强上升运动中心配合,动力不稳定条件更强。
而两个阶段的热力不稳定条件又有何异同?下文将分别从垂直温差、SI指数、K指数及CAPE值等因子来探讨。图 6给出2018年3月4日08时(a)、20时(b)850 hPa与500 hPa温差、CAPE值、沙氏指数、K指数、0—6 km垂直风切变及DCAPE值的空间分布。从图 6a, b看出,两阶段湘南地区850 hPa与500 hPa温差均达28 ℃,且CAPE超过1 000 J·kg-1。从图 6c, d湘南的SI指数也达到-4 ℃,极端性明显,其位置与风雹影响区域近乎重合,而两阶段湘南地区的K指数则存在一定差异,08时湘南K指数相对较小(K≤28 ℃),尤其是湘东南地区仅有24 ℃,20时明显增大,整个湘南地区K指数均超过32 ℃,其中风雹发展最集中的湘东南地区K指数更是超过36 ℃。从图 6e, f可以发现08时0—6 km垂直风切变在20~25 m·s-1,属中等强度,20时湘南地区垂直风切变增加至40 m·s-1,其中湘东南超过50 m·s-1,属于强的垂直风切变,具有明显的极端性,已有研究表明,垂直风切变增强有利于上升和下沉气流在相当长时间内共存,使得风暴有组织化和长时间维持,利于超级单体风暴的发展(俞小鼎等,2006), 结合回波实况发现第二阶段确实出现了多个超级单体风暴。此外,DCAPE是表征雷暴大风潜势的重要因子(Emanuel and Hide, 1970),从图 6e, f中看到两阶段湘南DCAPE值均达到了1 000 J·kg-1以上,且第一阶段DCAPE的强度及范围均强于第二阶段,这也可以解释为什么前一阶段出现的雷暴大风更集中,强度更强。中低空垂直风切变、DCAPE、850 hPa与500 hPa温度差的极端性与极端性雷暴大风的出现密切相关,这与张弛等(2019)、陈云辉等(2019)对江西极端雷暴大风的研究结论基本一致。
下面再从抬升触发机制方面来分析两个阶段的异同。图 7为2018年3月4日08时—5日08时湘南(110°— 114°E, 24°—26°N)区域平均的散度和涡度的时间剖面演变图。从散度来看(图 7a),4日08时300 hPa以下为辐合区,最强辐合中心位于500 hPa附近;其上为辐散区,最强辐散中心位于300 hPa附近,强度为4×10-5 s-1,该阶段高层辐散更显著;4日20时辐合中心在850 hPa附近,辐合集中在低层,且强度加强(-4×10-5 s-1),中高层整体转为辐散形势,辐散强度较前一阶段减弱。从涡度来看(图 7b),4日08时正涡度中心位于200 hPa,低层为负涡度区,随着时间演变,200 hPa的正涡度逐渐下传,4日20时左右整层转为正涡度区。可见,前一阶段高层辐散占主导,后一阶段低层辐合占主导;涡度条件后一阶段较前一阶段整体增强;总体而言,后一阶段动力抬升条件更有利。
从低层触发机制来看,两个阶段有显著差别。前一阶段地面锋面位于江淮地区,湘南处于地面倒槽南侧暖区中,地面中尺度辐合线是该阶段的主要触发机制;后一阶段伴随冷空气扩散南下,锋面成为该阶段的主要触发机制。因在前文天气系统配置部分有所分析,此处不再赘述。
4 不同阶段中小尺度系统特征 4.1 红外云图黑体亮温(TBB)演变特征分析利用FY-2G卫星TBB资料对此次风雹天气过程的中小尺度对流系统演变特征进行分析。图 8给出2018年3月4日06—23时的TBB演变图,4日04时(图略)对流云团在贵州和广西交界处被触发,受西南气流引导,逐渐向东北方向移动,06时逐渐靠近湖南(图 8a)。07时(图 8b)对流云团开始进入湘西南地区,随后云团范围快速增大,覆盖湘中及以南的大部分地区,强度增强(TBB≤-50 ℃),发展为中尺度对流系统(MCS),在其西北部有一对流云带发展(图 8c),12时(图 8d)TBB低值中心移至湘东南,14时(图 8e)之后,TBB低值区移出湖南,第一阶段风雹天气随之结束。该阶段卫星云图表现为结构相对密实的MCS云团,覆盖范围大,云顶发展高度高,在西南风引导下快速向东北方向移动。
16时(图 8f)开始,随着北方冷空气渗透南下,冷空气前沿有分散性的对流云团被触发,湖南的风雹天气进入第二阶段。18时(图 8g)分散性对流云团自湘西向东发展,对比前一阶段,其强度和尺度均较弱,出现TBB≤-40 ℃的区域,但范围较小;20—23时(图 8h-i)对流区域有所扩大,强度增强(TBB≤-50 ℃),特别是湘东南有V型雹暴云团生成,对比实况发现该地区确有冰雹发生;5日03时之后(图略),湘南地区对流云团逐渐合并成片,在该区域长时间维持,出现了较集中的短时强降水的天气,这与前面分析得到的湘南后一阶段水汽增加密切相关。
4.2 风雹天气雷达特征分析图 9给出2018年3月4日两阶段郴州雷达组合反射率因子的变化图,从图中可以看出在第一阶段,09:30已有中等偏强回波自广西东北部移入湘南的永州地区,此时回波范围较小,以宽广的积-层混合回波为主(图 9a),随后回波在环境风的引导下东移北上,强回波范围也逐渐扩大,11:29(图 9b)积层混合回波已覆盖湘南的大部分地区,且前侧不断有新回波单体生成,出现线风暴,并逐渐组织发展成为飑线,但其维持长飑线时间有限,更多表现出“小弓型”特征,飑线后侧则为大范围的层状云回波相随。第二阶段自18:00左右开始,以积状云回波为主,强回波范围相对较小,表现为孤立的强雷暴单体(图 9c);随着冷空气向南渗透,其前沿不断有强回波新生,20:02 (图 9d)左右,湘南地区有多个相对孤立的强雷暴单体生成,回波东移并缓慢南压。
图 10给出2018年3月4日11:29、20:02郴州雷达1.5°仰角的径向速度图,第一阶段(图 10a),速度零线基本呈直线,为一致的西南急流,其强度最强超过27 m·s-1;第二阶段(图 10b), 正负相嵌的区域较前一阶段明显,并伴有多个中气旋发展,湘南地区受多个超级单体先后影响,出现区域性冰雹、局地雷暴大风天气。
图 11给出2018年3月4日11:29、5日2:30郴州雷达风廓线VWP图,第一阶段(图 11a)随着强回波的移近,湿层厚度扩展至10 km,高低空均为强盛的西南风,最强达33 m·s-1。5日02时(图 11b)风随高度由低层东北风逆转为中层西南风,低层冷平流发展,04时之后偏北风扩展到3 km以上,风速加大,使得回波南压的速度加快。
2018年3月4日08—14时湘南地区主要出现了以雷暴大风为主的强对流天气,其最明显特征表现为低仰角速度大值区。图 12给出了2018年3月4日09:10、10:04永州雷达0.5°仰角径向速度图。从图 12a可以看出,9:10永州西南部1 km以下已有超过20 m·s-1的低仰角速度大值区发展(图 12a中白圈所示),该速度大值区东移北上扫过永州,9:27造成了永州24 m·s-1的大风天气;结合图 12b 10:04的速度图来看,大致估算,此速度大值区,移动速度快,约为80 km·h-1,过程中给祁阳地区也带来17 m·s-1大风天气(10:02)。从造成永州、祁阳雷暴大风的雷暴单体移动速度(MVT)来看,09:16— 10:04,其MVT均超过19 m·s-1,其中最大达21 m·s-1, 大风出现的区域正好是低层速度大值区通过的区域,这是雷暴大风预警中最重要的预警指标。
2018年3月4日18:30—20:30是此次过程冰雹集中发生时段,期间共监测到9站次冰雹(含网络报道),主要出现在永州东北部、衡阳北部、株洲中部等湘南地区,以下将选取最强阶段特征从临近预报预警着眼点进行探讨。
湘南的区域性冰雹和超级单体发展密切相关,图 13给出郴州雷达监测到的造成湘南区域性冰雹的超级单体K1的中气旋顶、中气旋底及VIL的时间演变图。图中显示,18:09中气旋首次生成,持续时间长达2 h,其间中气旋顶伸展高度较高(19个体扫,≥6 km),最高达8 km;而中气旋底则偏低(16个体扫,1 km左右),深厚中气旋的发展,有利超级单体风暴维持。此外垂直积分液态水含量(VIL)前期有明显跃增,随后VIL≥60 kg·m-217个体扫维持,是强冰雹出现的重要指标。结合K1的风暴趋势(图略)来看,整个过程中,风暴质心高度没有明显下降,而最大反射率因子的两次下降分别对应两次降雹过程。识别出中气旋后,若短临预警人员能提前预判其在有利的环境条件下会维持并加强,对下游地区提前发布冰雹预警,那么衡阳(19:11)、衡南(19:25)冰雹预警提前量为20 min,常宁(19:40)、安仁(19:54)、茶陵(20:02)冰雹预警提前量可达30 min。
图 14给出了郴州雷达2018年3月4日19:44、20:02的反射率因子、径向速度及垂直剖面图,选取引起茶陵强冰雹的超级单体进行分析。从图 14a中看出4日19:44低仰角出现了明显钩状回波(强度大于等于65 dBz),前侧V型缺口说明上升气流强盛;结合同时刻径向速度图(图 14b)分析发现在低层弱回波区之上有中等强度中气旋发展,旋转速度达17 m·s-1,切变值达35×10-3 s-1。19:56出现首个旁瓣回波,20:02旁瓣回波更加明显(图 14c);从图 14d反射率因子垂直剖面图来看,≥50 dBz强回波扩展到10 km,明显高于-20 ℃层高度,适宜的高度有利于冰雹生成, 且强回波(大于等于60 dBz)已着地,说明此时已有冰雹落地,但上述分析的有利环境条件为该超级单体风暴维持提供了持续的水汽、能量及强的上升运动,使得新的雹胚不断新生发展,导致在风暴移动方向上出现“雹打一条线”的特征。
本文分析了2018年3月4日湖南的首次风雹天气过程,从天气系统配置、对流潜势、物理量条件及中小尺度特征等方面进行深入探讨,得到如下结论:
(1) 综合强对流实况和天气系统配置,湖南2018年首次风雹过程可分为“低层暖平流强迫”和“斜压锋生”两阶段。
(2)“低层暖平流强迫”阶段:湖南受强烈发展的暖湿气流影响,对流由地面中尺度辐合线触发,以层积混合型回波为主,东移北上,前侧有线风暴发展,雷暴大风是该阶段典型的强对流天气。
(3)“斜压锋生”阶段:对流由冷空气前沿的锋面触发,以积状云降水回波为主,东移南下,多超级单体风暴发展,冰雹是该阶段典型的强对流天气。
(4) 该过程SI指数明显偏低、CAPE、DCAPE及垂直风切变明显偏高,使得该次风雹过程具有一定极端性;第一阶段表征雷暴大风的DCAPE的范围更广、强度更强,且中层干层明显,有利于成片雷暴大风的出现;第二阶段湘南的水汽、动力因子较第一阶段增强,但范围相对集中,随冷锋南下,0 ℃和-20 ℃层高度下降有利于冰雹的出现。
(5) 短临预警方面,低仰角速度大值区、大的风暴移动速度、持续多个体扫的中气旋是本次风雹过程最关键的预警着眼点。
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