紀(jì)曉玲,馮建民,穆建華,辛堯勝,馬篩艷,聶晶鑫

(1.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏銀川 750002;2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;3.寧夏氣象臺(tái),寧夏銀川 750002;4.寧夏氣象服務(wù)中心,寧夏銀川 750002)

寧夏北部一次短時(shí)暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)的特征分析

紀(jì)曉玲1,2,3,馮建民1,穆建華3,辛堯勝3,馬篩艷4,聶晶鑫3

(1.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏銀川 750002;2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;3.寧夏氣象臺(tái),寧夏銀川 750002;4.寧夏氣象服務(wù)中心,寧夏銀川 750002)

利用自動(dòng)站、閃電定位信息、多普勒雷達(dá)、衛(wèi)星黑體亮溫等氣象資料,對(duì)2008年7月18日夜間寧夏石炭井的短時(shí)暴雨天氣進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:此次單站短時(shí)暴雨是在“西高東低”的環(huán)流背景下,受東北冷渦后部橫槽和低值系統(tǒng)影響,由兩個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的對(duì)流單體先后影響而后合并維持造成的。中尺度對(duì)流系統(tǒng)在寧夏北部持續(xù)時(shí)間近6 h,云頂亮溫梯度最大值維持在石炭井一帶;對(duì)應(yīng)3次強(qiáng)降水時(shí)段,雷達(dá)回波強(qiáng)度、回波頂高、V IL出現(xiàn)了3次峰值,徑向速度出現(xiàn)了氣旋式輻合和逆風(fēng)區(qū)結(jié)構(gòu),逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)時(shí)間較強(qiáng)降水出現(xiàn)提前了20～30 min,與強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展和減弱有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;閃電發(fā)生高密度區(qū)位于降水中心前緣,閃電頻率突然增大時(shí)間較強(qiáng)降水出現(xiàn)超前1 h。

短時(shí)暴雨;中尺度對(duì)流系統(tǒng);黑體亮溫;雷達(dá)圖像特征;逆風(fēng)區(qū);閃電

0 引言

暴雨是中小尺度系統(tǒng)的直接產(chǎn)物。研究表明:西北地區(qū)東部處于我國(guó)季風(fēng)降雨向內(nèi)陸急劇減少的過(guò)渡帶,冷暖空氣經(jīng)常在此交匯,是西北地區(qū)暴雨最多的地區(qū)[1],而寧夏正好位于西北地區(qū)東部,區(qū)內(nèi)多局部暴雨洪澇災(zāi)害。多年來(lái),寧夏氣象工作者對(duì)境內(nèi)發(fā)生的區(qū)域性降水過(guò)程中出現(xiàn)的暴雨天氣過(guò)程、預(yù)報(bào)方法等進(jìn)行了大量的分析研究[2-13]。馮建民等[3]利用回歸概率法和1983—1997年銀川713雷達(dá)回波及天氣資料對(duì)寧夏川區(qū)冰雹、雷雨、陣雨和混合型強(qiáng)降水進(jìn)行了系統(tǒng)分析與檢驗(yàn),總結(jié)出了各類(lèi)天氣的雷達(dá)預(yù)報(bào)指標(biāo)。胡文東等[4]利用銀川新一代天氣雷達(dá)資料對(duì)2004—2005年寧夏強(qiáng)對(duì)流降水過(guò)程雷達(dá)回波圖像特征進(jìn)行了分析,表明寧夏中北部強(qiáng)對(duì)流降水雷達(dá)組合反射率圖像與南方之間有明顯的差異。趙光平等[5]利用動(dòng)力相似過(guò)濾預(yù)報(bào)方法建立了寧夏暴雨動(dòng)力相似過(guò)濾預(yù)報(bào)系統(tǒng)。姚宗國(guó)等[6]分析了西北太平洋臺(tái)風(fēng)對(duì)西北地區(qū)東部降水的影響。桑建人等[7]對(duì)1981—2000年賀蘭山沿山山洪流量及降水量進(jìn)行了相關(guān)分析。紀(jì)曉玲等[8]通過(guò)普查分析近十年賀蘭山東麓暴雨天氣過(guò)程,總結(jié)出了賀蘭山東麓暴雨統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型。胡文東等[9-10]、紀(jì)曉玲等[11-12]、肖云清等[13]利用衛(wèi)星云圖、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品等多源氣象資料分析了近幾年發(fā)生在寧夏境內(nèi)的典型區(qū)域性暴雨過(guò)程,得出了一些有益的結(jié)論。而單站短時(shí)暴雨,由于其局地性、突發(fā)性強(qiáng)、時(shí)間短,給預(yù)報(bào)防災(zāi)帶來(lái)了更大的困難,研究的也相對(duì)較少。

多普勒天氣雷達(dá)作為探測(cè)中尺度系統(tǒng)非常有效的遙感工具,可對(duì)中小尺度對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展機(jī)制和演變特征表現(xiàn)得更為精細(xì)[14],衛(wèi)星云圖黑體亮溫TBB可清楚地分析云頂亮溫演變情況,二者結(jié)合使用,可以更好地反映中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變情況,為局地性、突發(fā)性暴雨天氣的研究提供了可能。杜秉玉等[15]利用多普勒雷達(dá)資料分析了梅雨鋒暴雨的邊界層中尺度渦旋系統(tǒng)和中尺度對(duì)流回波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。劉洪恩[16]利用單多普勒雷達(dá)資料分析了暴雨過(guò)程中的中尺度系統(tǒng):低空急流、暖平流、冷暖切變等。張沛源和陳榮林[17]研究了多普勒速度圖上的暴雨判據(jù)和逆風(fēng)區(qū)結(jié)構(gòu)。黃小玉等[18]分析了湖南地區(qū)暴雨的雷達(dá)回波特征,表明不同類(lèi)型暴雨的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)和特征具有明顯的區(qū)別。程麟生和馮伍虎[19]分析了中緯度中尺度對(duì)流系統(tǒng)研究的若干進(jìn)展。廖勝石和壽紹文[20]、公穎等[21]、毛冬艷等[22]對(duì)南方暴雨中尺度系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析,以及張玉玲[23]的中尺度大氣動(dòng)力學(xué)引論等為暴雨雷達(dá)回波特征和中尺度系統(tǒng)分析提供了參考依據(jù)。

2008年7月18日夜間寧夏石炭井出現(xiàn)了短時(shí)暴雨,伴有強(qiáng)烈的雷電天氣。本文利用銀川新一代天氣雷達(dá)探測(cè)資料,結(jié)合自動(dòng)站、閃電定位信息、衛(wèi)星云圖等氣象資料,對(duì)這次單站短時(shí)暴雨天氣過(guò)程進(jìn)行分析。旨在通過(guò)對(duì)此類(lèi)單站短時(shí)暴雨過(guò)程分析,總結(jié)出寧夏單站暴雨天氣易發(fā)環(huán)流背景、雷達(dá)回波特征等,提高單站短時(shí)暴雨天氣的可預(yù)報(bào)性和監(jiān)測(cè)能力,最大限度降低此類(lèi)氣象災(zāi)害造成的損失。

1 天氣實(shí)況分析

1.1 空間分布

7月18日夜間寧夏的中北部地區(qū)及其周邊的內(nèi)蒙古部分地區(qū)出現(xiàn)了雷陣雨天氣(圖1a),其中,寧夏石炭井出現(xiàn)了短時(shí)暴雨,18日23時(shí)(北京時(shí),下同)到19日05時(shí)6 h降水量達(dá)48.8 mm,而緊鄰其東部的惠農(nóng)站降水為22.8 mm。

伴隨雷陣雨,上述地區(qū)出現(xiàn)了雷電天氣,閃電高密度中心沒(méi)有分布在強(qiáng)降水中心區(qū)域,而是分布在強(qiáng)降水落區(qū)的前緣(圖1b)。這一事實(shí),與W illiams(1985)觀(guān)測(cè)報(bào)告中“大多數(shù)情況下強(qiáng)降水區(qū)并不是空間電荷密度梯度最大的區(qū)域”的結(jié)論[24]相符合,但與Krehbiel等(1983)觀(guān)測(cè)報(bào)告中“閃電放電形成于風(fēng)暴的整個(gè)降水區(qū),閃電主要集中于降水最強(qiáng)的區(qū)域”的結(jié)論[24]相矛盾,因此,需要不斷積累大量的寧夏本地的觀(guān)測(cè)資料,分析總結(jié)當(dāng)?shù)氐拈W電與降水間的關(guān)系特征。

1.2 時(shí)間分布

從降水時(shí)序分布(圖1c)看,降水主要發(fā)生在18日23時(shí)到19日08時(shí),強(qiáng)降水時(shí)段在18日23時(shí)到19日02時(shí),3 h降雨量達(dá)到了38.5 mm,最大1 h雨量為15.6 mm。而閃電頻度時(shí)序演變(圖1d),18日20時(shí)開(kāi)始有閃電,19日05時(shí)基本結(jié)束,閃電發(fā)生高頻期集中在18日22時(shí)到19日04時(shí),最大閃電頻度為285個(gè)/h。其發(fā)生頻率突然增大時(shí)間較強(qiáng)降水出現(xiàn)提前1 h左右,但最大閃電頻度與最強(qiáng)降水時(shí)段一致。

1.3 單站氣象要素演變

圖1 7月18日08時(shí)到19日08時(shí)累積降水(a)、閃電(b)、逐時(shí)降水(c)、閃電頻度(d)分布及石炭井逐10 min氣象要素演變(e)Fig.1 Distributions of(a)accumulated precipitation and(b)lightning from 08:00BST18 to 08:00BST19 July;and(c)hourly rainfall and(d)lightning frequency;and(e)evolutions of meteorological elements at Shitanjing at interval of ten minutes

從石炭井逐10 min降水量演變(圖1e)來(lái)看,18日23時(shí)30分—23時(shí)50分、19日00時(shí)20分—00時(shí)40分、19日01時(shí)50分—02時(shí)10分分別出現(xiàn)了3個(gè)明顯的降水峰值,雨量分別達(dá)到了11.2、10.6、6.3 mm/(20 mm)。

對(duì)應(yīng)降水時(shí)段,18日22時(shí)開(kāi)始,氣壓、相對(duì)濕度逐漸增大,氣溫逐漸降低;19日00時(shí)開(kāi)始,氣壓、相對(duì)濕度突然增大,00時(shí)00分—00時(shí)30分相對(duì)濕度從50%快速增長(zhǎng)到87%,氣壓從848.8 hPa上升到849.7 hPa,而氣溫則急劇下降,從21.9℃迅速下降至16.7℃,說(shuō)明地面有冷空氣侵入,此時(shí)第一個(gè)、第二個(gè)降水峰值均已出現(xiàn);隨后,壓、溫、濕在最高、最低水平附近擺動(dòng),向反位相有所調(diào)整,降水強(qiáng)度有所減弱;但在01時(shí)40分到01時(shí)50分,相對(duì)濕度再次從67%迅速上升到82%,氣溫從16.8℃下降到15.6℃,氣壓則在波動(dòng)中上升,說(shuō)明仍有弱冷空氣補(bǔ)充,此時(shí),第3個(gè)降水峰值來(lái)臨,但明顯偏弱于前兩個(gè)降水峰值;而后,氣壓在波動(dòng)中上升,到02時(shí)40分本站氣壓達(dá)到最高值即850.2 hPa后開(kāi)始緩慢下降,氣溫在14.5℃到15.2℃之間擺動(dòng),而相對(duì)濕度仍緩慢上升到最高值90%后開(kāi)始降低,此時(shí),降水強(qiáng)度已明顯減弱。

降水閃電時(shí)空分布特征及石炭井氣象要素演變表明,這次降水具有明顯的中尺度系統(tǒng)特征。因此,下面在簡(jiǎn)要分析環(huán)流背景和影響系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,利用衛(wèi)星云圖TBB資料和雷達(dá)回波資料來(lái)深入分析此次短時(shí)暴雨雷電天氣的中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS特征。

2 環(huán)流背景及影響系統(tǒng)

18日08時(shí),500 hPa(圖略)歐亞中高緯為兩槽一脊型,巴爾喀什湖(以下簡(jiǎn)稱(chēng)巴湖)及我國(guó)東北部各為一冷槽,貝加爾湖到蒙古國(guó)一帶為阻塞高壓控制,青藏高壓相對(duì)穩(wěn)定,“0807”臺(tái)風(fēng)在臺(tái)灣登陸后于18日傍晚在福建第二次登陸,副熱帶高壓偏東位于東海洋面上,環(huán)流形勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。此時(shí),巴湖槽底不斷有冷空氣沿新疆到河套一帶西北氣流下滑,與東北冷槽后部倒灌冷空氣在寧夏北部匯聚,形成低值系統(tǒng)和橫切變,構(gòu)成了寧夏典型的雷陣雨天氣環(huán)流形勢(shì)即“西高東低”。對(duì)應(yīng)700 hPa,東北冷槽后部冷空氣沿蒙古反氣旋底部偏東氣流向河套擴(kuò)散,在寧夏東北部形成橫槽形勢(shì),100°E、41°N附近有一低值系統(tǒng)形成并有切變配合,在高空西北氣流引導(dǎo)下,低值系統(tǒng)與切變東南下嵌入橫槽,寧夏北部處于橫槽后部。18日20時(shí)(圖2a),銀川站吹西北風(fēng),其東北部的內(nèi)蒙古磴口站吹西南風(fēng),在寧夏北部構(gòu)成了一個(gè)氣旋性環(huán)流,即低值系統(tǒng),其東部有橫切變,受其影響石炭井出現(xiàn)了短時(shí)暴雨及雷電天氣。19日08時(shí)(圖2b),低值系統(tǒng)東移至寧夏東北部,雷陣雨天氣結(jié)束。

3 中尺度對(duì)流系統(tǒng)分析

暴雨和強(qiáng)對(duì)流是在幾種尺度系統(tǒng)相互作用的情況下發(fā)生發(fā)展的,是在一定的大尺度環(huán)流形勢(shì)下,由嵌入天氣尺度系統(tǒng)中的中小尺度系統(tǒng)直接造成的[23],中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCS)是在生命期中包含至少一個(gè)對(duì)流單體的云和降水系統(tǒng),生命期較短,河套地區(qū)每年出現(xiàn)2次左右[19]。為了清楚地了解中尺度對(duì)流系統(tǒng)演變特征,下面利用黑體亮溫和多普勒雷達(dá)圖像資料分析中尺度系統(tǒng)云頂亮溫演變和雷達(dá)回波特征。

3.1 黑體亮溫TBB分析

對(duì)應(yīng)500 hPa、700 hPa低值系統(tǒng),衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為一明顯的中尺度對(duì)流云團(tuán)(圖2c,d)。18日23時(shí),當(dāng)渦旋切變?cè)葡狄苿?dòng)到寧夏西部時(shí),在賀蘭山與桌子山大地形阻擋作用下,主體云系旋轉(zhuǎn)向東北方向移動(dòng)至石嘴山西北部停滯,由于地形動(dòng)力抬升與對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的存在,對(duì)流云系開(kāi)始發(fā)展,表現(xiàn)為大小不一且分離的小對(duì)流云團(tuán),這一帶開(kāi)始出現(xiàn)雷陣雨天氣,此時(shí)對(duì)流云團(tuán)云頂亮溫TBB大于-32℃。在高空西北氣流引導(dǎo)下,19日00時(shí),石嘴山西北部新生對(duì)流云團(tuán)東移,與前部對(duì)流云團(tuán)單體逐漸合并為中尺度對(duì)流系統(tǒng),在石嘴山北部地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)范圍云頂亮溫TBB小于-32℃的區(qū)域,最亮處TBB為-46℃,與之相應(yīng),寧夏北部及其周邊的內(nèi)蒙古部分地區(qū)出現(xiàn)雷陣雨天氣。19日01時(shí),中尺度對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展,高度進(jìn)一步伸展,云頂亮溫TBB小于-32℃的區(qū)域發(fā)展成為一塊完整的、邊緣較為光滑密實(shí)的橢圓形的白亮對(duì)流云團(tuán),水平尺度近200 km,最亮處TBB降為-47℃,中尺度對(duì)流云團(tuán)發(fā)展為最強(qiáng)盛時(shí)期。02—04時(shí),該中尺度對(duì)流云團(tuán)繼續(xù)發(fā)展并維持,其中,03時(shí)云頂亮溫TBB小于-32℃的區(qū)域范圍達(dá)到最大。05時(shí),中尺度對(duì)流云團(tuán)逐漸變松散并開(kāi)始解體分離,降水減弱;07時(shí),云頂亮溫TBB小于-32℃的區(qū)域已完全消失,降水基本停止。

圖2 7月18日20時(shí)(a)、19日08時(shí)(b)500 hPa高度場(chǎng)及7月18日23時(shí)到19日06時(shí)云頂亮溫小于-32℃區(qū)域的逐時(shí)演變(c,d)Fig.2 The 500 hPa height fields at(a)20:00 BST 18 and(b)08:00 BST 19 July,and(c,d)the hourly evolution of TBB lower than-32℃from 23:00 BST 18 to 06:00 BST 19 July

分析表明:造成寧夏北部短時(shí)強(qiáng)降水的大氣環(huán)流形勢(shì)比較穩(wěn)定,在有利的環(huán)境場(chǎng)和層結(jié)不穩(wěn)定條件下,小的對(duì)流云團(tuán)逐漸合并加強(qiáng)為中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS且移速緩慢,中尺度對(duì)流系統(tǒng)從生成、發(fā)展到減弱持續(xù)了近6 h,云頂亮溫最強(qiáng)時(shí)TBB為-47℃,尤其值得注意的是,中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS持續(xù)期間,云頂亮溫梯度最大值主要維持在石炭井一帶,造成石炭井出現(xiàn)短時(shí)暴雨雷電天氣。

3.2 雷達(dá)觀(guān)測(cè)事實(shí)分析

銀川新一代天氣雷達(dá)自從投入業(yè)使用以來(lái),在強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警方面發(fā)揮了重要作用。在過(guò)去5 a的應(yīng)用中,總結(jié)得到了雷陣雨、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣一些監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)[25]:當(dāng)回波強(qiáng)度達(dá)到35 dBZ以上,回波頂高達(dá)到8 km以上時(shí),V IL值一般在10 kg/m2左右,即可判定有雷陣雨天氣。

3.2.1 基本反射率、回波頂高與垂直累積液態(tài)含水量綜合分析

從7月18日20時(shí)—19日05時(shí)石炭井雷達(dá)產(chǎn)品時(shí)序演變來(lái)看,大于35 dBZ的降水回波在石炭井附近滯留3 h左右,對(duì)應(yīng)3次降水峰值,組合反射率值(圖3a)、回波頂高(圖3b)、基本反射率值(圖3c)和垂直累積液態(tài)水含量(圖3d)分別出現(xiàn)了3個(gè)峰值。強(qiáng)降水時(shí)段,反射率強(qiáng)度達(dá)到40～50 dBZ,回波頂高達(dá)到11 km左右,垂直累積液態(tài)含水量在8～11 kg/m2,強(qiáng)回波維持時(shí)間一般為20～30 min。

從雷達(dá)圖像整體演變特征(圖4)來(lái)看,對(duì)應(yīng)中尺度對(duì)流云團(tuán),石炭井西北部不斷有新生對(duì)流單體沿引導(dǎo)氣流向東南方向緩慢移動(dòng),短時(shí)強(qiáng)降水是由兩個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的對(duì)流單體先后影響而后合并、維持造成的,這一點(diǎn)從垂直剖面變化可清晰地看到這一演變過(guò)程:先后生成的兩個(gè)對(duì)流單體中心相互獨(dú)立,當(dāng)后一對(duì)流單體快速移入正在減弱的前一對(duì)流單體時(shí),兩個(gè)對(duì)流單體中心逐漸合并加強(qiáng)并在石炭井附近維持。

圖3 7月18日23時(shí)到19日04時(shí)石炭井站雷達(dá)產(chǎn)品時(shí)序演變 a.組合反射率;b.回波頂高;c.基本反射率;d.垂直累積液態(tài)水含量Fig.3 The evolvement of radar products at Shitanjing from 23:00 BST 18 July to 04:00 BST 19 July a.combined reflectivity;b.echo tops;c.base reflectivity;d.vertical integrated liquid

圖4 7月18日23時(shí)到19日07時(shí)銀川雷達(dá)回波基本反射率因子(a-j)及對(duì)流單體合并過(guò)程垂直剖面演變(k-q)(銀川多普勒雷達(dá)波長(zhǎng)為5 cm,距離圈為125 km,每圈為25 km)Fig.4 (a-j)The evolvement of radar reflectivity,and(k-q)cross sections during the combining process of two cells from 23:00 BST 18 to 07:00 BST 19 July(The wavelength ofDoppler Radar at Yinchuan is 5 cm,the range is 125 km,and each single circle range is 25 km)

7月18日22時(shí)03分,石炭井西北部有零散的對(duì)流塊生成并緩慢東移,結(jié)構(gòu)松散,中心強(qiáng)度為30～35 dBZ;23時(shí),對(duì)流塊移至石炭井附近并逐漸合并成多單體回波A,結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí),整體強(qiáng)度為30～35 dBZ,回波中心已逼近石炭井,強(qiáng)度為40 dBZ,頂高為6 km,降水開(kāi)始;23時(shí)52分,在高空引導(dǎo)氣流作用下,石炭井西部不斷新生對(duì)流塊東南移入,對(duì)流單體A面積繼續(xù)增大,回波中心增強(qiáng)至45～50 dBZ,頂高達(dá)到11 km左右,對(duì)流發(fā)展旺盛,降水已進(jìn)入強(qiáng)盛階段;23時(shí)58分,回波強(qiáng)度、范圍及回波頂高維持少變,第一次降水峰值出現(xiàn)。

19日00時(shí)03分,造成石炭井第一次強(qiáng)降水回波仍在原地維持,其西側(cè)5～10 km處新生對(duì)流單體B形成;00時(shí)15—26分,對(duì)流單體B快速東移,其前緣逐漸并入對(duì)流單體A回波中,兩個(gè)對(duì)流單體中心相互獨(dú)立;00時(shí)38—44分,對(duì)流單體A維持少動(dòng),但中心高度持續(xù)降低,強(qiáng)度有所減弱,此時(shí),對(duì)流單體B中心逐漸移入對(duì)流單體A,促使對(duì)流單體A中心發(fā)展,00時(shí)49分—01時(shí)01分,A、B單體中心已完全融合,中心強(qiáng)度達(dá)到45～50 dBZ,頂高達(dá)到9～11 km,回波結(jié)構(gòu)緊密,邊緣清晰,云體內(nèi)泡體活動(dòng)明顯,對(duì)流達(dá)到鼎盛階段,最強(qiáng)(第二次)降水峰值出現(xiàn)。01時(shí)01分,合并的回波單體緩慢東移南壓,石炭井附近的回波強(qiáng)度減弱至35～40 dBZ,頂高降至9 km;01時(shí)34分,整體回波面積擴(kuò)大,石炭井回波繼續(xù)減弱;02時(shí)03—15分,由于冷空氣補(bǔ)充使石炭井附近回波再度加強(qiáng),最強(qiáng)為40 dBZ,第三次強(qiáng)降水出現(xiàn),但明顯較前兩次弱。03時(shí)40分,隨著低值系統(tǒng)東移,覆蓋石炭井—惠農(nóng)一帶的回波已完全減弱,強(qiáng)度普遍降到15～30 dBZ;07時(shí)19分石嘴山市一帶無(wú)降水回波。

3.2.2 徑向速度

逆風(fēng)區(qū)是雷達(dá)速度回波中的一個(gè)普遍現(xiàn)象,也是一個(gè)很好的暴雨判據(jù)。張沛源和陳榮林[17]認(rèn)為在逆風(fēng)區(qū)附近存在有明顯的水平風(fēng)向的垂直切變,在逆風(fēng)區(qū)附近及其移動(dòng)路徑上將出現(xiàn)和正在出現(xiàn)暴雨。因此,分析了此次短時(shí)暴雨發(fā)生前后雷達(dá)徑向速度演變特征,發(fā)現(xiàn)暴雨發(fā)生時(shí)不僅有逆風(fēng)區(qū)的存在,而且逆風(fēng)區(qū)形成的位置、時(shí)間與暴雨落區(qū)及發(fā)生時(shí)間基本一致。

2.4°仰角徑向速度圖(圖5a)中,18日22時(shí)54分,石炭井西北部出現(xiàn)了正負(fù)相間的小范圍速度區(qū),23時(shí)17—29分,移至石炭井附近的正速度區(qū)周?chē)鸀樨?fù)速度區(qū)所包圍,正速度區(qū)最大速度為20 m/s,外圍的負(fù)速度為-5～-20 m/s,沒(méi)有出現(xiàn)速度模糊,這塊正速度區(qū)即為逆風(fēng)區(qū),說(shuō)明測(cè)站附近有強(qiáng)烈的氣流輻合輻散,這是造成強(qiáng)降水的動(dòng)力因素。23時(shí)46分,正速度區(qū)逐漸被負(fù)速度區(qū)所取代,逆風(fēng)區(qū)減弱消失。

而在0.5°仰角各時(shí)次速度圖(圖5b-e)上,對(duì)應(yīng)三次強(qiáng)降水時(shí)段,出現(xiàn)了三次逆風(fēng)區(qū)結(jié)構(gòu),而且逆風(fēng)區(qū)形成的位置與暴雨落區(qū)基本一致,形成時(shí)間較暴雨提前了20～30 min。

第1次逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在18日22時(shí)54分,石炭井西側(cè)負(fù)速度區(qū)內(nèi)出現(xiàn)正速度區(qū),逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn);23時(shí)06分,石炭井附近出現(xiàn)速度大小相同的正負(fù)速度對(duì),說(shuō)明其間存在有輻合輻散中小尺度結(jié)構(gòu);23時(shí)36分,負(fù)徑向速度區(qū)移至石炭井一帶,負(fù)速度區(qū)的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正速度區(qū),表明流入氣流量大于流出氣流量,徑向速度值平均為-1～-10 m/s,最大負(fù)徑向速度為-20 m/s,此時(shí)在負(fù)速度區(qū)中有多個(gè)徑向速度為20 m/s的速度塊;23時(shí)46分,正負(fù)徑向速度間有零速度線(xiàn)出現(xiàn),逆風(fēng)區(qū)結(jié)構(gòu)開(kāi)始松散消失。

第2次逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在19日00時(shí)03分,滯留在石炭井一帶的松散正速度區(qū)間有小范圍的負(fù)徑向速度區(qū),逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn);00時(shí)26分,正徑向速度區(qū)中負(fù)速度區(qū)范圍有所擴(kuò)大,強(qiáng)度加強(qiáng),負(fù)徑向速度最大值達(dá)到-20 m/s;00時(shí)32分至44分,石炭井西北部為負(fù)速度區(qū),東南部為正速度區(qū),正速度區(qū)面積較大,存在較明顯的氣旋式輻合,同時(shí)在正速度區(qū)內(nèi)仍存在多個(gè)徑向速度為-20 m/s的負(fù)速度塊。01時(shí)01分,靠近石炭井測(cè)站處負(fù)速度區(qū)范圍擴(kuò)大,流入的氣流量大于流出氣流量;01時(shí)06分,負(fù)速度區(qū)強(qiáng)度減弱,此時(shí)正徑向速度區(qū)結(jié)構(gòu)松散,逆風(fēng)區(qū)消失。

第3次逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在19日01時(shí)46分,正徑向速度再次移入石炭井有所發(fā)展,其中心為-1～-10 m/s的負(fù)徑向速度區(qū),逆風(fēng)區(qū)第3次形成;02時(shí)08分,負(fù)徑向速度區(qū)縮小,逆風(fēng)區(qū)減弱,02時(shí)20分,負(fù)徑向速度區(qū)范圍被正徑向速度區(qū)所取代,逆風(fēng)區(qū)消失。

上述分析表明,3次強(qiáng)降水時(shí)段低層均出現(xiàn)了逆風(fēng)區(qū)結(jié)構(gòu),尤其第1次高層也出現(xiàn)了明顯的逆風(fēng)區(qū),說(shuō)明測(cè)站周?chē)蛯佑忻黠@的輻合和輻散,對(duì)流云發(fā)展旺盛且深厚,而輻合輻散的中小尺度結(jié)構(gòu)的發(fā)生發(fā)展,為短時(shí)暴雨的出現(xiàn)提供了動(dòng)力條件;逆風(fēng)區(qū)的出現(xiàn)與消失,與強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展與減弱吻合較好,逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間較強(qiáng)降水發(fā)生要提前。暴雨落區(qū)與逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)的位置有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 小結(jié)

圖5 三次強(qiáng)降水時(shí)段雷達(dá)徑向速度演變特征(小圈為石炭井所在位置;a-c為第一次,d為第二次,e為第三次) a.18日23時(shí)29分2.4°仰角;b.18日23時(shí)29分0.5°仰角;c.18日23時(shí)40分0.5°仰角;d.19日00時(shí)32分0.5°仰角;e.19日01時(shí)57分0.5°仰角Fig.5 The evolution characteristicsv of radar radial velocity at three precipitation stages(The little ring area in Fig.5 is Shitanjing.a-c:the first stage;d:the second stage;e:the third stages) a.23:29 BST 18 July at 2.4°elevation angle;b.23:29 B ST 18 July at 0.5°elevation angle;c.23:40 BST 18 July at 0.5°elevation angle;d.00:32 BST 19 July at 0.5°elevation angle;e.01:57 BST 19 July at 0.5°elevation angle

1)此次短時(shí)暴雨雷電天氣是“0807”臺(tái)風(fēng)在福建二次登陸后、在寧夏典型的雷陣雨天氣“西高東低”的環(huán)流背景下、沿西北氣流下滑橫槽影響所致。主要影響系統(tǒng)是蒙古高壓與大陸高壓之間的低值系統(tǒng),低值系統(tǒng)與橫切變的輻合抬升作用使大量不穩(wěn)定能量得以積累并向上輸送;隨著冷空氣入侵,觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放,從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng),出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)雷雨天氣。

2)在有利的環(huán)境場(chǎng)和層結(jié)不穩(wěn)定條件下,石嘴山西北部不斷有對(duì)流單體生成、合并、發(fā)展為中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS,中尺度對(duì)流系統(tǒng)MCS經(jīng)歷了生成、發(fā)展、減弱3個(gè)過(guò)程,持續(xù)時(shí)間近6 h,云頂亮溫最亮?xí)rTBB為-47℃,云頂亮溫梯度最大值主要維持在石炭井一帶。

3)影響寧夏北部短時(shí)強(qiáng)降水回波是由兩個(gè)對(duì)流單體先后影響,而后合并維持造成的;降水期間回波強(qiáng)度強(qiáng),結(jié)構(gòu)密實(shí),35 dBZ以上有效降水回波滯留超過(guò)3 h,強(qiáng)降水階段,石炭井附近回波強(qiáng)度達(dá)到40～50 dBZ,頂高達(dá)到11 km,強(qiáng)回波維持時(shí)間一般在20～30 min,V IL值達(dá)到了8～11 kg/m2。對(duì)應(yīng)三次強(qiáng)降水時(shí)段,回波強(qiáng)度、頂高、V IL出現(xiàn)了3次峰值,徑向速度出現(xiàn)了3次明顯的“逆風(fēng)區(qū)”結(jié)構(gòu);逆風(fēng)區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間較強(qiáng)降水發(fā)生提前了20～30 min,與強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展和減弱吻合較好。

4)閃電高密度中心位于強(qiáng)降水中心區(qū)前緣,強(qiáng)降水時(shí)段與閃電高頻發(fā)期對(duì)應(yīng)得較好,雷電發(fā)生頻率突然增大時(shí)間較強(qiáng)降水超前1 h左右。

致謝:國(guó)家衛(wèi)星氣象中心李曉靜副研究員幫助獲取黑體亮溫衛(wèi)星資料,在此表示感謝!

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Analysis on Characteristics of Mesoscale Convective System during a Short-term Rainstorm Process in North of Ningxia

J IXiao-ling1,2,3,FENG Jian-min1,MU Jian-hua3,XIN Yao-sheng3,MA Shai-yan4,NIE Jing-xing3

(1.Key Laboratory of Preventing and Reducing Meteorological Disaster of Ningxia,Yinchuan 750002,China;2.State Key Laboratory of Severe Weather of CAMS,Beijing 100081,China;3.Ningxia Meteorological Observatory,Yinchuan 750002,China;4.Meteorological Service Centre of Ningxia,Yinchuan 750002,China)

By using the data of automatic weather station,lightning location system,Doppler radar and satellite,the short-term rainstorm process occurred at Shitanjing on 18 July 2008 is analyzed.Result shows that the short-ter m rainstor m occurred under the circulation of“pressure ridge at west and trough at east”,and was affected by the transversal trough at the back of northeast cold vortex and the low pressure system.There are two strong convective cells,which influenced Shitanjing successively,and then combined and sustained.The MCS(mesoscale convective system)maintained in the north of Ningxia for almost 6 hours,and the highest cloud top TBB(blackbody brightness temperature)gradient located at Shitanjing.Correspondingwith the three precipitation stages,there are three peaksof echo intensity,echo tops and V IL during the rainstor m process.There are cyclonic convergence and adverse wind area in radial velocity graphs.The appearing of adversewind area is20—30 minutes earlier than thatof the strong precipitation,and its echo evolution has better relationship with the evolution of precipitation.The high density lightning area locates in the front of precipitation center,and the sudden increasing of lightning frequency occurs one hour earlier than the heavy rain.

short-ter mrainstorm;mesoscale convectivesystem;TBB;echo feature;adverse wind area;lightning

P458.2

A

1674-7097(2010)06-0711-08

2009-07-24;改回日期:2010-09-28

寧夏科技攻關(guān)項(xiàng)目(KGX-12-09-02);中國(guó)氣象局氣象新技術(shù)推廣預(yù)報(bào)員專(zhuān)項(xiàng)(CMATG2008Y11)

紀(jì)曉玲(1967—),女,陜西富平人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)槎唐诙虝r(shí)天氣預(yù)報(bào)及災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)方法,jixlingyc@163.com.

紀(jì)曉玲,馮建民,穆建華,等.寧夏北部一次短時(shí)暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)的特征分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(6):711-718.Ji Xiao-ling,Feng Jian-min,Mu Jian-hua,et al.Analysis on characteristics of mesoscale convective system during a short-term rainstorm process in north of Ningxia[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):711-718.

(責(zé)任編輯:倪東鴻)