2018, Vol. 76
中国气象学会主办。
文章信息
- 符式红, 王秀明, 俞小鼎. 2018.
- FU Shihong, WANG Xiuming, YU Xiaoding. 2018.
- 相似环流背景下海南两次不同类型强对流天气对比研究
- A comparative study on two consecutive severe convective weather events in Hainan under similar background
- 气象学报, 76(5): 742-754.
- Acta Meteorologica Sinica, 76(5): 742-754.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2018.032
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文章历史
- 2017-10-20 收稿
- 2018-04-18 改回
2. 中国气象局气象干部培训学院, 北京, 100081
2. China Meteorological Administration Training Centre, Beijing 100081, China
一般来说, 不同的环流型下产生的灾害性强对流类型不同, 如冷涡西北气流或冷涡横槽下摆的环流形势下多出现风雹类天气, 而高空槽前西南气流型多出现雷雨大风(郑媛媛等, 2011; 冯晋勤等, 2017; 许爱华等, 2014), 但相似的环流型下也可能出现不同强度的对流天气。因此, 分类强对流预报需在流型基础上进一步分析其物理量参数(王秀明等, 2014)。俞小鼎等(2012)对冰雹、龙卷、短时强降水及地面大风等产生的环境条件及风暴结构特征进行了全面综述。通常地面直线型风害大多与水凝粒子相变冷却(蒸发、融化及升华)产生的负浮力及载水导致的强下沉出流有关(Doswell Ⅲ, 1982)。从热力条件看, 雷暴强下沉气流产生的环境条件目前公认的有两点:(1)对流层中下层环境温度垂直递减率大, 越接近干绝热递减率越有利(Srivastava, 1985); (2)融化层附近相对干的环境气层和低层高湿(Atkins, et al, 1991)。中等至强的环境风垂直切变下风暴阵风出流再次抬升, 新的上升气流形成有组织、长生命史的风暴, 如超级单体、弓形回波等, 大部分雷暴致灾大风由其产生(Johns, et al, 1992)。Weisman(1993)数值模拟研究表明, 2000 J/kg以上的对流有效位能(CAPE)和15 m/s以上的低层风垂直切变能产生35 m/s以上地面致灾强风。龙卷分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷, 超级单体龙卷发生在深厚持久中气旋内部, 目前中国龙卷相关研究多为超级单体龙卷或者台风外围超级单体龙卷(俞小鼎等, 2008; 郑媛媛等, 2009; 姚叶青等, 2012; 张一平等, 2012; 李云艳等, 2014; 吴俞等, 2015), 超级单体龙卷一般发生在强的深层风垂直切变、大的对流有效位能以及低层高的相对湿度(对应低的抬升凝结高度)和强的低层风垂直切变下(Craven, et al, 2004)。以上条件下也常常不产生龙卷, Rasmussen等(2000)研究表明, 产生F2级以上的强龙卷的环境涡度和对流有效位能等物理量常常不是单由大尺度环境提供, 产生龙卷的涡度或者风暴相对螺旋度的增幅常常来自β中尺度的斜压性边界。非中气旋龙卷低层小尺度涡旋的来源主要为气团边界的强水平风切变不稳定产生的垂直小涡旋(Lee, et al, 1997), 主要由风暴阵风出流、海风锋等边界层中尺度边界产生。短时强降水产生的环境条件及风暴结构有多种可能性, 本质上是强回波持续较长时间(Doswell Ⅲ, et al, 1996)。一次强对流过程常常可以出现多种强对流天气, 不同地区物理量的阈值也往往不同, 这给分类强对流预报带来了困难。海南岛上对流天气多发, 冰雹天气一般出现在春季, 发生频率低且多为小冰雹(郑艳等, 2015), 夏季雷雨大风出现频率最高, 但极少区分以大风天气为主还是以强降水为主。龙卷主要分布在海南东北部, 2004—2016年海南共出现过4次EF2级以上龙卷, 郑艳等(2017)研究表明, 2016年6月5日海南龙卷为EF2级超级单体龙卷。实际上2016年6月5日和6日连续两日海南均出现了大范围雷暴天气, 其中5日出现了大范围雷暴大风并伴有EF2级强龙卷, 而6日以短时强降水为主(图 1)。5日海南有7个站点出现9级以上大风, 最大风速出现在海口的龙桥镇(29.4 m/s), 当天15时12—30分(北京时, 下同), 海南东北部的文昌锦山镇、冯坡镇遭受龙卷风袭击, 造成1人死亡、11人受伤, 多处房屋损毁, 倒塌44间, 掀顶250间, 6日仅1站次出现了9级以上的大风, 但有63个自动站出现短时强降水。
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| 图 1 2016年6月5日(a)和6日(b)08—16时海南出现的极大风和短时强降水 (海南东北角红色龙卷符号标记龙卷发生地) Figure 1 Gust wind and one hour precipitation from 08:00 to 16:00 BT on 5 June (a) and 6 June (b) 2016 (the tornado symbol sign where tornado occured) |
这两日海南均位于高空槽底南部暖湿气团中, 背景环流形势相似。在类似环流形势下为何产生了不同类型灾害性强对流天气？环境参数对龙卷发生是否有指示意义？为了分析产生不同类型强对流天气的原因, 本研究首先给出两日相似的环流形势下环境参数的差异, 对热力参数、风垂直切变参数和抬升触发机制的差异进行了比较, 然后给出风暴结构特征差异, 并重点讨论了环境参数的差异对风暴结构进而对其产生的天气现象的影响。
2 资料与方法龙卷环境分析采用的资料包括常规地面、高空观测, 海南地面加密观测, 海口多普勒雷达观测, NCEP-GFS(The National Centers for Environmental Prediction-Global Forecast System) 0.5°×0.5°分析资料。雷暴发生的临近探空基于海口08时探空结合雷暴发生前海口站地面观测对资料进行订正, 同时考虑到边界层湍流混合作用, 抬升气块取地面—925 hPa平均温度和比湿(地面温、湿度为雷暴发生前海口地面温、湿度观测, 925 hPa比湿取08时比湿, 925 hPa温度取地面温度干绝热递减至925 hPa的温度)。采用观测探空和NCEP-GFS分析资料分别计算了0—1、0—3和0—6 km水平风垂直切变, 为上、下层风矢量差值除以高度, 其中上层分别用850、700和500 hPa, 下层探空观测用地面10 m风, 分析场用2 m风。两日回波结构特征对比分析时, 风暴单体的回波强度和反射率因子高度均用最强时刻值; 阵风出流强度为0.5°仰角雷达径向速度观测; 冷池强度基于海南逐10 min一次的自动气象站温度资料, 计算对流风暴影响前后的温度差并取6个最强风暴的冷池平均强度。将海南省自动气象站的风用Cressman插值法插值到0.1°×0.1°的格点上计算地面散度。
3 环境参数及其对风暴结构的影响分析2016年6月5、6日海南同处在低槽底部的西南气流中(图 2), 低层大气高温、高湿, 大气层结极不稳定(表 1); 整层风均在10 m/s以下, 大尺度系统强迫较弱(图 2、3), 可见环流形势及热动力条件无明显差异。由图 2可分析两日环流上的细微差异:5日华南500 hPa低槽底位于海南岛以西的广西沿海, 海南西南风速8—10 m/s; 而6日槽线底部位于海南以东的广东福建沿海, 海南西南风仅4—8 m/s。从500 hPa的12 m/s以上的风的分布亦可看出, 5日12 m/s以上大风区可以影响到海南北部沿海, 而6日已明显东移北抬。
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| 图 2 NCEP-GFS分析场500 hPa高度场(蓝色粗实线, 间隔2 dagpm)、500 hPa风场(色阶, 大于12 m/s)和850 hPa假相当位温场(红色细实线, 间隔4 K) (a.2016年6月5日14时, b.6日14时) 500 hPa potential height (blue bold solid line), wind (over 12 m/s area is shaded) and 850 hPa potential pseudo-equivalent temperature (red solid line) at 14:00 BT 5 June (a) and at 14:00 BT 6 June (b) 2016 from NCEP-GFS analysis |
| CAPE (J/kg) | CIN (J/kg) | θse850 (K) | γ925-700 (℃) | 可降水量(mm) | q850 hPa (g/kg) | q925 hPa (g/kg) | RH700-500 hPa (%) | RH554 hPa (%) | |
| 5日 | 1455 | 30 | 340 | 7.25 | 49 | 13 | 18 | 41 | 39 |
| 6日 | 2847 | 3 | 350 | 6.8 | 60 | 17 | 21 | 76 | 85 |
| 注:CAPE、CIN抬升气块为雷暴影响前0—1 km湍流混合气块的对流有效位能、对流抑制能量; RH700-500 hPa为700—500 hPa平均相对湿度。 | |||||||||
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| 图 3 海口探空订正 (a.2016年6月5日14时, b.6日11时) Figure 3 The modified sounding of Haikou at 14:00 BT 5 June (a) and 11:00 BT 6 June (b) 2016 |
由于两日出现的主要灾害性天气不同, 下面结合观测与数值模式产品细致对比分析两日动力(与风有关的参量)、热力(温、湿度廓线)参数差异。在大气层结极不稳定的情况下, 低层中尺度边界是雷暴抬升触发及组织重要系统, 本节基于地面加密资料结合雷达资料进行对比分析。
3.1 热力参数分析雷暴出现前考虑边界层湍流混合的海口订正探空图上两日对流有效位能均大于2500 J/kg, 大气层结极不稳定, 6日对流抑制能量(CIN)近乎为0, 比5日小, 表明雷暴更容易触发。要素对比表明, 更为关键的差异在于水汽(表 1):5日水汽含量比6日低, 5日整层大气可降水量为49 mm, 而6日为60 mm; 5日850 hPa比湿为13 g/kg, 而6日为17 g/kg, 925 hPa情况类似; 6日对流层中下层较湿, 5 km高度以下相对湿度均大于80%, 且500 hPa干层不明显, 而5日整层大气相对较干, 尤其是700 hPa以上为显著的干层, 700—500 hPa平均相对湿度41%, 500 hPa相对湿度28%。另一个细微差异为925—700 hPa温度垂直递减率:5日为7.25℃/km, 而6日为6.8℃/km, 5日比6日大0.45℃/km。中层环境相对较干和温度直减率较大均为有利于强下沉气流发展的环境因素。由于对流有效位能和对流抑制能量对抬升气块敏感, 表 2给出了不同时刻抬升不同高度气块的订正值。由于6日低层水汽含量充沛, 不管是当日08时还是雷暴发生前, 也不管是否考虑边界层湍流混合, 6日对流有效位能均比5日大且对流抑制能量小。
| CAPE08 | CIN08 | CAPE08MAX | CIN08MAX | CAPET | CINT | CAPENT | CINNT | |
| 5日 | 923 | 218 | 983 | 112 | 1455 | 30 | 2878 | 13 |
| 6日 | 1040 | 123 | 1656 | 30 | 2847 | 3 | 4132 | 0 |
| 注:CAPE08抬升为08时地面气块对流有效位能, CAPE08MAX抬升为08时逆温层顶气块的对流有效位能, CAPET抬升为雷暴影响前0—1 km湍流混合气块的对流有效位能, CAPENT抬升为雷暴影响前地面气块的对流有效位能。 | ||||||||
由此可见, 水汽(包括整层含量及其垂直分布)是关键因素。模式低层水汽含量一般存在较大偏差, 这两次过程NCEP分析资料给出的低层水汽与观测差异较大, 实况两日低层水汽差异明显而NCEP分析资料给出的两日925 hPa上08时露点均约为20℃, 700—500 hPa平均相对湿度差异亦不大。因此, 基于数值预报产品预报两日对流性天气的差异是有困难的。
3.2 水平风垂直切变08时海口探空两日0—6 km水平风垂直切变均为2×10-3 s-1以下的弱切变(表 3)。由模式分析场可知, 5日08—14时低层风由西南风转为偏东风, 同时700 hPa以上风速增大, 0—6 km风垂直切变有所增强, 海口站为2.6×10-3 s-1, 而6日午后深层风垂直切变仍小于2×10-3 s-1。中纬度F2级以上的超级单体龙卷深层风垂直切变为(3.0—4.0)×10-3 s-1(俞小鼎等, 2006, 2008; 姚叶青等, 2012)。东北龙卷0—6 km风垂直切变大于4.0×10-3 s-1(王秀明等, 2015), 可见5日环境深层风垂直切变相对于中高纬度超级单体龙卷深层风垂直切变而言显著偏小。5日深层风垂直切变较6日强, 为弱到中等强度的风垂直切变, 一般出现组织结构较差的普通单体风暴或多单体强风暴, 难以出现超级单体。08时探空两日海口站0—1 km风垂直切变均不大, 为5×10-3 s-1, 08时NCEP-GFS分析资料得到的0—1 km风垂直切变比实况明显偏弱, 在3×10-3 s-1以下(表 3), 5日14时海口NCEP-GFS分析资料得到的龙卷发生地附近为6.7×10-3 s-1, 而6日为3.1×10-3 s-1(图 4), 中国超级单体龙卷个例0—1 km风垂直切变多在11×10-3 s-1以上(郑媛媛等, 2009; 王秀明等, 2015), 非超级单体龙卷可低至6.7×10-3 s-1(刁秀广等, 2014)。
| 可降水量(mm) | q850 hPa (g/kg) | 0—1 km风切变(10-3 s-1) | 0—3 km风切变(10-3 s-1) | 0—6 km风切变(10-3 s-1) | ||||||||||
| 5日 | 6日 | 5日 | 6日 | 5日 | 6日 | 5日 | 6日 | 5日 | 6日 | |||||
| 探空 | 49 | 60 | 13 | 17 | 5.0 | 5.0 | 2.4 | 2.6 | 1.50 | 0.84 | ||||
| 分析 | 59 | 61 | 14 | 13 | 2.0 | 2.7 | 1.2 | 1.7 | 0.76 | 0.50 | ||||
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| 图 4 0—1 km风切变(色阶, 单位:10-3 s-1)和925 hPa风场(风矢) (a.5日14时, b.6日14时) Figure 4 The wind shear of 0-1 km (shaded, unit:10-3 s-1) and 925 hPa wind field (barbed arrow) (a.14:00 BT 5 June, b.14:00 BT 6 June) |
根据模式分析场, 5日14时海南东北部地区0—3 km风垂直切变比6日大(图 5), 5日为4×10-3 s-1, 6日为2×10-3 s-1, 相对而言, 5日有利于飑线产生。相较于美国及中国其他地区弓形回波而言(Johns et al, 1987, 1990; 王秀明等, 2012; 费海燕等, 2016)仍偏小。
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| 图 5 0—3 km风切变(色阶, 单位:10-3 s-1)和700 hPa风场(风矢) (a.5日14时, b.6日14时) Figure 5 The vertical wind shear of 0—3 km (shaded, unit:10-3 s-1) and 700 hPa wind field (barbed arrow) (a.14:00 BT 5 June, b.14:00 BT 6 June) |
由3.1节分析可知, 6日低层环境高湿, 11时即使考虑湍流混合对流抑制能量亦近乎为0, 11时后随着地面温度继续升高, 可出现大范围热雷暴。6日的雷暴触发较5日早, 6日13时海南岛中北部已有大范围雷暴, 呈“遍地开花”状, 而5日13时回波仅限于中南部山区2处快速消散的孤立一般单体对流(图 6a)。6日13时雷暴水平尺度约为10 km, 强回波中心50 dBz左右, 位于4 km高度, 为典型的一般单体风暴(图 6b), 相对强的回波在海风锋辐合线(图 7b黑色粗实线)上触发。辐合线南侧热雷暴在西南气流引导下向东北方向移动, 并与辐合线附近触发的雷暴合并加强发展, 尽管单个雷暴持续时间不长, 但由于此消彼长, 不断有雷暴被触发, 对流降水从13时持续至16时。5日对流抑制能量较6日大, 08时逆温层顶抬升气块的对流抑制能量为112 J/kg (表 2), 14时抬升混合层气块的对流抑制能量仍有30 J/kg, 且自由对流高度在2 km以上(图 3), 因而雷暴大多在海风锋辐合线上辐合最强处抬升触发, 5日12时30分最强辐合(散度20×10-5 s-1)位于海南西北角海风锋辐合线附近(图 7a), 半小时后(13时)雷暴在强辐合区触发。而6日同一时间最强海风锋辐合(散度10×10-5 s-1)显著弱于5日, 由于对流抑制能量近乎为0, 13时已经形成大范围雷暴区, 包括沿海弱的海风锋触发的雷暴和内陆热雷暴。5日偏南环境风比6日大, 5日约为6 m/s, 6日约为3 m/s (基于925 hPa模式分析场), 5日13时海南西北部沿海海风辐合线位置比6日偏北(图 7), 海风锋开始时间较6日晚。5日对流温度高达37—38℃, 6日仅33—34℃, 因而尽管5日午后地面温度明显比6日高(图 7), 但热雷暴不多。
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| 图 6 2016年6月5日12时58分(a)和6日13时02分(b)1.5°仰角反射率因子及过红色直线的垂直剖面 Figure 6 The reflectivity of 1.5° elevation and cross section at 12:58 BT 5 June (a) and 13:02 BT 6 June (b) 2016 |
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| 图 7 2016年6月5日(a)和6日(b)13时地面加密资料分析 (色阶为温度, 单位:℃; 红色虚线为1 h变温, 间隔2℃; 黑色虚线为12时30分散度, 单位:10-5 s-1) Figure 7 The analysis of AWS at 13:00 BT 5 June (a) and 6 June (b) 2016 (shading indicates temperature, unit:℃; red dashed line contour 1 h temperature departure, contour interval is 2℃; black dashed line indicates divergence at 12:30 BT, unit:10-5 s-1) |
5日雷暴在海南西北部沿海新生, 东移过程中逐渐加强, 其显著特征是风暴伴有明显阵风出流, 图 8显示5日14时38分从左至右4个位于对流风暴前沿的阵风出流中心强度分别为20、27、20和21 m/s (图 8a、b中白色圆圈标记), 水平尺度10 km以下的一般单体亦产生了20 m/s以上的阵风出流。由于单体阵风出流较强, 15时02分呈线状排列的多个对流单体形成了统一的阵风出流, 回波整体呈“弓”形。15时02分弓形回波的垂直剖面可见55 dBz强回波中心高度约6 km, 强回波随高度倾斜, 呈明显的多单体结构, 阵风出流前沿有强而深厚的辐合抬升不断触发新的对流单体(图 8d), 使得弓形回波持续了1.5 h, 扫过海南岛东北部大部分地区, 海口雷达0.5°仰角径向速度图上22 m/s以上的强阵风出流持续1 h以上, 最强阵风出流28—30 m/s。
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| 图 8 海口雷达0.5°仰角反射率(a、c)和径向速度(b、d)及过白色实线的垂直剖面 (a、b.2016年6月5日14时38分, c、d.15时02分) Figure 8 Haikou radar reflectivity (a, c) and radial velocity (b, d) of 0.5°elevation and cross section along white line at 14:38 BT (a, b) and 15:02 BT (c, d) 5 June 2016 |
6日海南中北部大部分地区先出现的是典型的一般单体风暴, 尺度10—20 km, 回波中心强度约50 dBz, 单体阵风出流和冷池不明显(图 6b、7b)。随着风暴合并发展, 13时58分最强的4股风暴阵风出流(图 9a、b, 白色圆圈标记)中心强度分别为15、7、18和13 m/s, 明显比5日弱。14时23分多个回波合并发展成尺度上百千米的准线性对流系统(Quasi-linear convective system, QLCSs), 由过准线性对流系统的单体剖面可见(图 9c), 单体中心强回波强度50 dBz, 质心高度约4 km, 仍为一般单体。对流回波后侧4 km高度有20 m/s的后侧入流, 未明显下降, 是高架后侧入流(elevated rear-inflow, Weisman, 1992)。由于后侧入流未及地, 因而准线性对流系统东侧径向速度图上无明显辐合抬升持续触发新单体, 准线性对流系统仅维持了30 min就快速减弱。之后, 大范围积层混合云维持了约1 h。
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| 图 9 海口雷达0.5°仰角反射率(a、c)和径向速度(b、d)及过白色实线的垂直剖面 (a、b.2016年6月6日13时57分, c、d.2016年6月6日14时23分) Figure 9 Haikou radar reflectivity (a, c) and radial velocity (b, d) of 0.5° elevation and cross section along white line at 13:37 BT (a, b) and 14:23 BT (c, d) 6 June 2016 |
5日冷池比6日强, 13时海南岛中部两处快速消亡的孤立雷暴产生了明显冷池(图 7a), 1 h变温6—8℃, 冷池中心温度与周围地区温差10℃, 而6日尽管13时已出现大范围雷暴却无明显冷池。14时冷池对比更明显(图 10、11):5日3处风暴附近均出现了大范围显著冷池, 而6日仅在海南岛东北部雷暴范围最大、发展最强烈处出现了一处冷池。统计显示(表 5), 5日冷池平均强度及最强冷池均强于6日。冷池偏西风出流与风暴前方环境西南风形成强辐合抬升, 从而使得5日形成了持续较长时间的飑线和弓形回波。两次冷池出流强度与其环境的差异有关, 由3.1节可知, 5日融化层附近存在明显的干层, 融化层以下环境温度垂直递减率比6日略大, 有利于冷池发展。
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| 图 10 2016年6月5日14时(a)和6日13时57分(b)0.5°仰角组合反射率因子 Figure 10 The composite reflectivity at 0.5° elevation at 14:00 BT 5 June (a) and 13:57 BT 6 June (b) 2016 |
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| 图 11 2016年6月5日14时(a)和6日14时(b)地面加密资料分析 (色阶为温度, 单位:℃; 红色虚线为14时1 h变温) Figure 11 The analysis of intensive surface observation data at 14:00 BT 5 June (a) and 14:00 BT 6 June (b) 2016 (shaded area stands for the temperature, unit:℃; red dashed line stands for 1 h varying temperature at 14:00 BT) |
| 风暴类型 | 回波强度(dBz) | 反射率因子核高度(km) | 阵风出流(m/s) | 单体涡旋(m/s) | 冷池强度(℃) | |
| 5日 | 超级单体 | 67 | 9 | 18 | 15—20 | 12.8 |
| 6日 | 多单体 | 60 | 6 | 16 | 10—13 | 10 |
表 4总结了两日海南中北部风暴结构对比:6日为多个低质心的一般单体合并成30 min内衰亡的准线性对流系统, 5日为多个相对孤立的一般单体演变成持续约1.5 h的飑线、弓形回波。最显著的特征为5日风暴的阵风出流强度显著强于6日, 多个单体的小尺度阵风出流合并成27 m/s以上强的中尺度阵风锋, 一方面产生大范围的地面强风, 同时阵风出流前沿强辐合抬升使得弓形回波维持, 出现了致灾强风暴。3.1节分析表明, 两日大气层结均不稳定, 风暴移动前方的对流有效位能超过2000 J/kg, 一般而言, 在大气层结极不稳定的环境下, 影响风暴组织程度的关键因素是风垂直切变。3.2节分析表明, 基于模式分析场5日14时0—6 km风垂直切变中等偏弱, 一般出现多单体风暴而不太可能出现超级单体风暴, 0—1 km风垂直切变显著小于超级单体龙卷阈值, 可见5日环境与超级单体龙卷环境差异显著, 属于弱的环境背景下的龙卷。Sills等(2004)分析一次弱环境气流背景下的超级单体龙卷表明, 弱环境气流下的热带龙卷形成过程中, 风暴阵风出流、海风锋等中尺度边界的作用更为关键。5日0—3 km风垂直切变强度接近飑线环境切变的下限, 由于环境中层显著干, 大气整层相对干, 加之环境温度垂直递减率较大, 利于产生较强下沉出流和冷池形成, 因而风暴阵风出流强, 多个风暴的阵风出流的合并抬升触发出尺度更大持续时间更长的飑线, 飑线持续了1.5 h并出现了有组织的弓形回波, 产生大范围地面强风。6日不论是基于探空还是基于模式分析资料, 其各层风垂直切变均为弱切变, 大尺度系统强迫较5日更弱, 水汽含量高, 大气层结更不稳定, 对流抑制能量小, 因此雷暴易触发。由于大气各层风垂直切变弱, 6日出现的对流单体均为团状、尺度较小的一般单体风暴, 即使由于多个单体合并形成准线性风暴, 其持续时间也短, 仅为30 min, 与一般单体生命史相当。由于引导气流弱, 阵风出流亦不强, 风暴移动速度慢, 因而产生了强降水。
| 初始回波触发时间 | 大范围雷暴出现时间 | 风暴结构演变 | 回波强度(dBz) | 反射率因子核高度(km) | 阵风锋(m/s) | 冷池强度(℃) | 最强冷池(℃) | |
| 5日 | 12时28分 | 14时30分 | 一般单体-弓形回波 | 55—60 | 5—6 | 20—27 | 11.2 | 13.4 |
| 6日 | 11时30分 | 13时 | 一般单体-准线性对流系统 | 50—55 | 4 | 15—20 | 9.3 | 10.1 |
5日龙卷发生在海南东北部, 由弓形回波前方的团状对流风暴造成。6日强降水亦集中在海南东北部, 龙卷发生地附近两日风暴结构对比表明(图 12、表 5):龙卷风暴最大反射率因子核高达9 km, 且其正下方出现了明显的有界弱回波区, 表明龙卷风暴最强上升气流强且发展高度高(Burgess, et al, 1990); 龙卷风暴具有明显的旋转; 龙卷风暴附近的阵风出流依然较强。与6日造成强降水的风暴比, 显著差异在于强烈的旋转和极强的上升气流。值得一提的是, 5日9 km高的反射率因子核及中气旋仅限于龙卷风暴, 龙卷风暴附近的其他风暴均无中气旋, 反射率因子核高度在5—6 km, 且龙卷风暴的低层中气旋发展极快, 海口雷达监测到低层中气旋的时间为15时09分, 前一体扫低层仅可识别出伴有弱切变的辐合线, 龙卷发生时间为15时12分, 提前发出龙卷预警的可能性极小。
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| 图 12 海口雷达3.4°仰角反射率及垂直剖面 (a.2016年6月5日15时15分, b.6日13时28分) Figure 12 Haikou radar reflectivity of 3.4° elevation and cross section along the purple line at 15:15 BT 5 June (a) and 13:28 BT 6 June (b) 2016 |
通过对比2016年6月5日和6日相似环流背景下海南对流风暴结构及其环境条件, 得到了如下结论:
(1) 5日环境条件有利于对流单体强下沉气流和冷池发展:环境整层较干, 特别是中层干层显著, 环境温度垂直递减率大于7℃/km, 且0—3 km风垂直切变较大; 而6日整层湿且环境风弱。因此, 5日风暴下沉出流强并出现了明显的冷池, 多个风暴的强阵风出流形成的阵风锋组织了长生命史的飑线, 飑线持续1.5 h, 且反射率因子呈现出明显的“弓”形, 导致海南东北部出现了大范围8—10级大风。而6日对流单体下沉出流不强, 阵风出流相对弱, 多个单体合并时偶尔伴有大风。由于低层高湿、对流抑制能量近乎为0, 6日雷暴多点触发且移动速度慢, 加之风暴合并对流降水持续时间较长, 因而造成了大范围短时强降水。以上对比研究给出了海南岛雷暴大风预报的着眼点:水汽含量及其垂直分布、环境温度直减率和0—3 km风垂直切变。
(2) 夏季海风锋等边界层中尺度辐合线是海南强对流发生、发展的关键因素。5日对流抑制能量大, 雷暴仅在海风锋辐合线附近触发, 热雷暴少, 且强对流天气出现比6日晚, 6日对流抑制能量小, 弱的辐合抬升及热力作用均可触发雷暴。尽管5日对流有效位能比6日小, 因其海风锋辐合抬升较6日强, 产生了更强烈的对流天气。
(3) 环境要素对比既能够给出两日分别出现雷暴大风和短时强降水的原因, 也能够解释5日出现有组织的飑线及弓形回波而6日风暴组织性差的原因, 但仅环境要素无法给出5日为何会出现超级单体龙卷。5日的龙卷不是飑线阵风出流前沿的非超级单体龙卷。此次海南龙卷的环境参量与中高纬度超级单体龙卷不同, 主要差异是环境风弱、环境风垂直切变弱。
由于此次龙卷形成机制复杂, 对边界层中尺度系统尚需进一步分析。
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