2018年8月23日北京市一次雙單體下?lián)舯┝魈卣鞣治?/h1>
2018-02-11 07:26:59楊浩麗
江西農業(yè) 2018年23期
劉 洋 呂 麗 楊浩麗 翟 亮
（1.北京市平谷區(qū)氣象局，北京 101200；2.北京市氣象臺，北京 100089）
下?lián)舯┝饔蒄ujita等[1]定義，即把地面上水平風速超過17.9m/s、中空氣流向下、地面氣流為輻散或直線型的災害性大風定義為下?lián)舯┝?，并根?jù)災害性范圍和時間分為宏下?lián)舯┝骱臀⑾聯(lián)舯┝?。宏下?lián)舯┝鞯目臻g尺度大于4km，持續(xù)時間大于10min，而微下?lián)舯┝鞯目臻g尺度小于4km，持續(xù)時間小于10min。下?lián)舯┝魇且环N低空風切變的表現(xiàn)形式，隨之而來的常常是破壞性地引起樹木、農作物倒伏和房屋倒塌，局地造成機毀人亡等巨大損失。
目前，關于下?lián)舯┝鞅O(jiān)的研究成果很多。隨著多普勒天氣雷達的使用越來越廣泛，基于雷達高分辨率產品能夠精準識別出下?lián)舯┝?。在下?lián)舯┝鞯膹娖刃纬蓹C制理論方面，Parsons等[2]對下?lián)舯┝鞯男D性進行數(shù)值模擬，認為負浮力由降水引起，降水導致上升氣流崩塌被下沉切變所代替；許煥斌等[3]曾指出水凝結物粒子影響下?lián)舯┝鞯闹饕蜃?，且下沉氣流輸使下?lián)舯┝髅黠@增強。另外，從動力學角度出發(fā)，認為下?lián)舯┝髌鹱饔玫?個因子為氣壓梯度力項、浮力項、液態(tài)降水拖曳項、固態(tài)降水拖曳項[4]。在下?lián)舯┝鳟a生前，風暴中的旋轉不明顯，并不能判斷垂直氣壓梯度力的作用，其作用較其他3項明顯偏小[4]。有些下?lián)舯┝鞯谋l(fā)以風暴反射率因子核的下降為前兆，因此可以判斷降水（冰雹和雨滴）的拖曳作用是下?lián)舯┝鳟a生的初始動力，冰雹融化和雨水蒸發(fā)冷卻作用是次要作用[5]。
盡管關于下?lián)舯┝鞯难芯恳讶〉煤芏噙M展[6-10]，但是由于其時空尺度小、形成機理復雜，加之觀測資料空間密度的局限，下?lián)舯┝鱾€例及其成因認知的制約、受數(shù)值模式模擬性能的限制等問題依然無法得到合理解釋。本文根據(jù)多種觀測資料，針對2018年8月23日發(fā)生在北京市平谷區(qū)的一次雙單體下?lián)舯┝魈鞖獾倪^程，尋找下?lián)舯┝魈鞖獾某梢蛞约半p單體強對流單體間可能的相互作用。
1 資料
該文所采用的數(shù)據(jù)資料包括北京南郊觀象臺的S波段多普勒雷達資料（空間分辨率為1°×1km，時間分辨率是6min， 時 間 段 為 2018年 8月 23日 13：00—17：00）、NECP再分析資料（空間分辨率為2.5°×2.5°，時間分辨率為6h）、北京市平谷區(qū)地面區(qū)域站觀測資料[探測器型號為中環(huán)天儀的EL15-1C和EL15-1C（風向風速）、華云升達的HMP155A（溫濕度），資料時間為2018年8月23日13：00—17：00]。
2 天氣實況及災情
2018年8月23日12：36，北京市平谷區(qū)東北部局地生成回波，13：06進入平谷境內后開始加強。13：50，平谷區(qū)北水峪、黑水灣等站陸續(xù)出現(xiàn)降水；金海湖站風力迅速增大，14：00陣風達6級；14：12北寨出現(xiàn)玉米粒大小冰雹，但落地即化。16：00左右，平谷區(qū)天氣過程結束。此次天氣過程共持續(xù)近3h，全區(qū)平均降雨量5.6mm，降雨量最大點出現(xiàn)在東高村（25.4mm），最大小時雨強出現(xiàn)在黑豆峪（22.8mm，15：00），西部、北部共13個站點無降水。全區(qū)共12個站點陣風達6級以上，其中東高村極大風達21.2m/s（9級，15：00），金海湖極大風達18.6m/s（8級，14：05）。
此次天氣過程造成金海湖鎮(zhèn)胡莊村部分村民房屋受損，農作物出現(xiàn)倒伏，電線桿受損。
3 天氣成因
3.1 環(huán)流背景任何中小尺度天氣的發(fā)生都有一定的大尺度環(huán)流背景場相配合。這次災害天氣出現(xiàn)前，高空500hPa北京市處于槽后脊前西北氣流控制；700hPa北京市處于臺風后部東北氣流控制；850hPa存在東北風和偏東風的弱切變。
3.2 水汽條件根據(jù)NCEP相對濕度和比濕的垂直廓線，可以看出底層相對濕度在14：00左右高層飽和度較低的空氣開始有向中低層飽和度較高的氣層滲透，低層水汽條件開始轉好。從14：00T-logp圖可以看出，地面至850hPa存在逆溫層，并且溫度露點差逐漸減小，濕度逐漸增大，相應500hPa的濕度明顯下降，說明高層有干空氣。700hPa以下有明顯的風向隨高度順時針旋轉，說明中低層有暖平流，高空反之，有冷平流，這種高低空的溫濕及溫度平流的分布特征非常有利于強對流天氣的發(fā)展。
3.3 能量條件從假相當位溫廓線圖可以看出，平谷地區(qū)低層超過335K，并且在14：00，850hPa到700hPa快速降低，說明低層有強烈不穩(wěn)定。
綜上所述，本次過程高層有干冷空氣擴散南下，中低層有暖平流，這種上層干冷、底層暖濕的大氣層結特征，并且在近地層有倒“喇叭口”探空廓線特征，符合強對流天氣，尤其是雷暴大風、下?lián)舯┝鞯鹊男纬桑ǔ＿@種強對流天氣伴有大風、冰雹，有時伴有局地短時強降水，但往往過程降水量較小。
4 雷達資料分析
從雷達0.5°仰角回波反射率因子上可以看到：13：00，北京南郊觀象臺雷達站東北方向有20～35dBz的回波，從速度圖上可以看出此處弱的風速輻合。
13：12，在風速輻合區(qū)域有小的對流回波單體生成，中心強度50dBz左右，隨后回波向南移動并逐漸減弱，但在回波的南側新生一條窄帶回波，強度30dBz左右。
13：53，一個發(fā)展成熟的雷暴（代號S-1），該雷暴的出流步激發(fā)了其西北方向的雷暴新生。
14：00，S-1回波發(fā)展加強，強度在50dBz左右，而同時西北方向的雷暴（S-2）開始發(fā)展。此時在速度圖上可以明顯看出風速輻合區(qū)，且輻合區(qū)在中層更明顯。
14：00—14：06，S-1強回波中心開始快速下降（7～8km下降至3～4km），而位于回波西側的金海湖站點降雨14：04開始加強（1.6mm/min），風力明顯加大（8級），風向轉變?yōu)槠珫|風，形成下?lián)舯┝?。由于S-1底層產生強烈的輻散，致使S-2底層氣流輻合劇烈，上升運動更加明顯，S-2得到迅速發(fā)展（最大回波強度發(fā)展至60dBz左右，強回波中心發(fā)展至8km左右）。另外，雷暴的下沉氣流強烈，因為其本身溫度較低周圍大氣更低，地面形成強的冷池。而且擾動溫度梯度的大值區(qū)位于冷池的西南方向，有利于引導雷暴向西偏南方向傳播。同樣，地面溫度梯度大也有利于梯度風加強，進一步為地面的災害性大風創(chuàng)造有利條件。
14：18，S-2已經發(fā)展成熟，而此時的S-1已經減弱。雙強對流單體此消彼長，交替發(fā)展并不斷完成雷暴的“新城代謝”。雙單體之間相互影響、相互作用，共同造成此次災害性大風天氣。
14：24，S-2中心最大回波強度60dBz左右；有明顯的懸垂結構和有界弱回波區(qū)；強回波核心高度降低至4～5km。從速度上可以看到，此時中層存在強烈的輻合，低層強輻散場并伴有小冰雹（實況：黑豆峪等5min雨量大于5mm）。
14：24—14：30：由于冰雹下降的融化和拖拽作用，致使S-1懸垂結構再次下，雷暴中的下沉氣流強烈。而位于S-1北部金海湖鎮(zhèn)胡莊村在14：29左右風力驟然加大，大風持續(xù)5min左右，以致當?shù)厥転摹?/p>
14：42，由于S-2的強烈發(fā)展，雷暴的出流再次給S-1提供了動力輻合抬升，S-1再次發(fā)展起來，由于強對流單體本身的下沉氣流與地面猛烈“撞擊”，在東高村再次有8級以上大風。S-1和S-2同時成為發(fā)展旺盛的雷暴，而下沉氣流隨著對流的加強而加強。
14：54，回波核心高度繼續(xù)下降，回波強度繼續(xù)減弱，但由于強下沉氣流的影響，低層輻散場速度大于33m/s，正負速度對差值50m/s，形成下?lián)舯┝鳌?/p>
15：00—15：24，風速輻散范圍不斷擴大，輻散風切變不斷減小，回波強度不斷減弱南移，速度剖面中層輻合變弱，至16：00左右，整層變?yōu)槿醯南鲁翚饬?，過程接近結束。
5 結論
通過對2018年8月23日發(fā)生在北京市平谷地區(qū)的強對流天氣進行NCEP資料及實況分析，得出如下結果。
（1）此次天氣過程，高空槽后側的下滑冷空氣影響明顯，中低空配合暖平流，形成了強烈不穩(wěn)定氣層；邊界層輻合線觸發(fā)了這次強對流發(fā)展，從而產生降水天氣，使雷暴單體核心快速下降，最終產生下?lián)舯┝魈鞖狻?/p>
（2）首輪下?lián)舯┝魇嵌鄠€單體中首先發(fā)展起來的第1個單體發(fā)動的，隨著第一個單體反射率因子核心快速下降，第2個單體會變得更加強大。一個單體形成下?lián)舯┝骺梢约訌娖渌麊误w的強度，從而產生一系列下?lián)舯┝鳌?/p>
（3）從多普勒雷達產品上可以看出，風暴初始回波形成于雷達站周圍大范圍的層狀晴空回波中的一條回波強度小于20dBz的回波窄帶上，小塊回波通過增長，帶動周圍環(huán)境變化，最后發(fā)展為孤立的強烈的多單體風暴，造成了持續(xù)的下?lián)舯┝魈鞖夂捅⒓熬值囟虝r強降水。所以，短時臨近需及時關注晴空回波上小于20dBz的回波窄帶上弱小回波的發(fā)展。
劉 洋 呂 麗 楊浩麗 翟 亮
（1.北京市平谷區(qū)氣象局，北京 101200；2.北京市氣象臺，北京 100089）
下?lián)舯┝饔蒄ujita等[1]定義，即把地面上水平風速超過17.9m/s、中空氣流向下、地面氣流為輻散或直線型的災害性大風定義為下?lián)舯┝?，并根?jù)災害性范圍和時間分為宏下?lián)舯┝骱臀⑾聯(lián)舯┝?。宏下?lián)舯┝鞯目臻g尺度大于4km，持續(xù)時間大于10min，而微下?lián)舯┝鞯目臻g尺度小于4km，持續(xù)時間小于10min。下?lián)舯┝魇且环N低空風切變的表現(xiàn)形式，隨之而來的常常是破壞性地引起樹木、農作物倒伏和房屋倒塌，局地造成機毀人亡等巨大損失。
目前，關于下?lián)舯┝鞅O(jiān)的研究成果很多。隨著多普勒天氣雷達的使用越來越廣泛，基于雷達高分辨率產品能夠精準識別出下?lián)舯┝?。在下?lián)舯┝鞯膹娖刃纬蓹C制理論方面，Parsons等[2]對下?lián)舯┝鞯男D性進行數(shù)值模擬，認為負浮力由降水引起，降水導致上升氣流崩塌被下沉切變所代替；許煥斌等[3]曾指出水凝結物粒子影響下?lián)舯┝鞯闹饕蜃?，且下沉氣流輸使下?lián)舯┝髅黠@增強。另外，從動力學角度出發(fā)，認為下?lián)舯┝髌鹱饔玫?個因子為氣壓梯度力項、浮力項、液態(tài)降水拖曳項、固態(tài)降水拖曳項[4]。在下?lián)舯┝鳟a生前，風暴中的旋轉不明顯，并不能判斷垂直氣壓梯度力的作用，其作用較其他3項明顯偏小[4]。有些下?lián)舯┝鞯谋l(fā)以風暴反射率因子核的下降為前兆，因此可以判斷降水（冰雹和雨滴）的拖曳作用是下?lián)舯┝鳟a生的初始動力，冰雹融化和雨水蒸發(fā)冷卻作用是次要作用[5]。
盡管關于下?lián)舯┝鞯难芯恳讶〉煤芏噙M展[6-10]，但是由于其時空尺度小、形成機理復雜，加之觀測資料空間密度的局限，下?lián)舯┝鱾€例及其成因認知的制約、受數(shù)值模式模擬性能的限制等問題依然無法得到合理解釋。本文根據(jù)多種觀測資料，針對2018年8月23日發(fā)生在北京市平谷區(qū)的一次雙單體下?lián)舯┝魈鞖獾倪^程，尋找下?lián)舯┝魈鞖獾某梢蛞约半p單體強對流單體間可能的相互作用。
1 資料
該文所采用的數(shù)據(jù)資料包括北京南郊觀象臺的S波段多普勒雷達資料（空間分辨率為1°×1km，時間分辨率是6min， 時 間 段 為 2018年 8月 23日 13：00—17：00）、NECP再分析資料（空間分辨率為2.5°×2.5°，時間分辨率為6h）、北京市平谷區(qū)地面區(qū)域站觀測資料[探測器型號為中環(huán)天儀的EL15-1C和EL15-1C（風向風速）、華云升達的HMP155A（溫濕度），資料時間為2018年8月23日13：00—17：00]。
2 天氣實況及災情
2018年8月23日12：36，北京市平谷區(qū)東北部局地生成回波，13：06進入平谷境內后開始加強。13：50，平谷區(qū)北水峪、黑水灣等站陸續(xù)出現(xiàn)降水；金海湖站風力迅速增大，14：00陣風達6級；14：12北寨出現(xiàn)玉米粒大小冰雹，但落地即化。16：00左右，平谷區(qū)天氣過程結束。此次天氣過程共持續(xù)近3h，全區(qū)平均降雨量5.6mm，降雨量最大點出現(xiàn)在東高村（25.4mm），最大小時雨強出現(xiàn)在黑豆峪（22.8mm，15：00），西部、北部共13個站點無降水。全區(qū)共12個站點陣風達6級以上，其中東高村極大風達21.2m/s（9級，15：00），金海湖極大風達18.6m/s（8級，14：05）。
此次天氣過程造成金海湖鎮(zhèn)胡莊村部分村民房屋受損，農作物出現(xiàn)倒伏，電線桿受損。
3 天氣成因
3.1 環(huán)流背景任何中小尺度天氣的發(fā)生都有一定的大尺度環(huán)流背景場相配合。這次災害天氣出現(xiàn)前，高空500hPa北京市處于槽后脊前西北氣流控制；700hPa北京市處于臺風后部東北氣流控制；850hPa存在東北風和偏東風的弱切變。
3.2 水汽條件根據(jù)NCEP相對濕度和比濕的垂直廓線，可以看出底層相對濕度在14：00左右高層飽和度較低的空氣開始有向中低層飽和度較高的氣層滲透，低層水汽條件開始轉好。從14：00T-logp圖可以看出，地面至850hPa存在逆溫層，并且溫度露點差逐漸減小，濕度逐漸增大，相應500hPa的濕度明顯下降，說明高層有干空氣。700hPa以下有明顯的風向隨高度順時針旋轉，說明中低層有暖平流，高空反之，有冷平流，這種高低空的溫濕及溫度平流的分布特征非常有利于強對流天氣的發(fā)展。
3.3 能量條件從假相當位溫廓線圖可以看出，平谷地區(qū)低層超過335K，并且在14：00，850hPa到700hPa快速降低，說明低層有強烈不穩(wěn)定。
綜上所述，本次過程高層有干冷空氣擴散南下，中低層有暖平流，這種上層干冷、底層暖濕的大氣層結特征，并且在近地層有倒“喇叭口”探空廓線特征，符合強對流天氣，尤其是雷暴大風、下?lián)舯┝鞯鹊男纬桑ǔ＿@種強對流天氣伴有大風、冰雹，有時伴有局地短時強降水，但往往過程降水量較小。
4 雷達資料分析
從雷達0.5°仰角回波反射率因子上可以看到：13：00，北京南郊觀象臺雷達站東北方向有20～35dBz的回波，從速度圖上可以看出此處弱的風速輻合。
13：12，在風速輻合區(qū)域有小的對流回波單體生成，中心強度50dBz左右，隨后回波向南移動并逐漸減弱，但在回波的南側新生一條窄帶回波，強度30dBz左右。
13：53，一個發(fā)展成熟的雷暴（代號S-1），該雷暴的出流步激發(fā)了其西北方向的雷暴新生。
14：00，S-1回波發(fā)展加強，強度在50dBz左右，而同時西北方向的雷暴（S-2）開始發(fā)展。此時在速度圖上可以明顯看出風速輻合區(qū)，且輻合區(qū)在中層更明顯。
14：00—14：06，S-1強回波中心開始快速下降（7～8km下降至3～4km），而位于回波西側的金海湖站點降雨14：04開始加強（1.6mm/min），風力明顯加大（8級），風向轉變?yōu)槠珫|風，形成下?lián)舯┝?。由于S-1底層產生強烈的輻散，致使S-2底層氣流輻合劇烈，上升運動更加明顯，S-2得到迅速發(fā)展（最大回波強度發(fā)展至60dBz左右，強回波中心發(fā)展至8km左右）。另外，雷暴的下沉氣流強烈，因為其本身溫度較低周圍大氣更低，地面形成強的冷池。而且擾動溫度梯度的大值區(qū)位于冷池的西南方向，有利于引導雷暴向西偏南方向傳播。同樣，地面溫度梯度大也有利于梯度風加強，進一步為地面的災害性大風創(chuàng)造有利條件。
14：18，S-2已經發(fā)展成熟，而此時的S-1已經減弱。雙強對流單體此消彼長，交替發(fā)展并不斷完成雷暴的“新城代謝”。雙單體之間相互影響、相互作用，共同造成此次災害性大風天氣。
14：24，S-2中心最大回波強度60dBz左右；有明顯的懸垂結構和有界弱回波區(qū)；強回波核心高度降低至4～5km。從速度上可以看到，此時中層存在強烈的輻合，低層強輻散場并伴有小冰雹（實況：黑豆峪等5min雨量大于5mm）。
14：24—14：30：由于冰雹下降的融化和拖拽作用，致使S-1懸垂結構再次下，雷暴中的下沉氣流強烈。而位于S-1北部金海湖鎮(zhèn)胡莊村在14：29左右風力驟然加大，大風持續(xù)5min左右，以致當?shù)厥転摹?/p>
14：42，由于S-2的強烈發(fā)展，雷暴的出流再次給S-1提供了動力輻合抬升，S-1再次發(fā)展起來，由于強對流單體本身的下沉氣流與地面猛烈“撞擊”，在東高村再次有8級以上大風。S-1和S-2同時成為發(fā)展旺盛的雷暴，而下沉氣流隨著對流的加強而加強。
14：54，回波核心高度繼續(xù)下降，回波強度繼續(xù)減弱，但由于強下沉氣流的影響，低層輻散場速度大于33m/s，正負速度對差值50m/s，形成下?lián)舯┝鳌?/p>
15：00—15：24，風速輻散范圍不斷擴大，輻散風切變不斷減小，回波強度不斷減弱南移，速度剖面中層輻合變弱，至16：00左右，整層變?yōu)槿醯南鲁翚饬?，過程接近結束。
5 結論
通過對2018年8月23日發(fā)生在北京市平谷地區(qū)的強對流天氣進行NCEP資料及實況分析，得出如下結果。
（1）此次天氣過程，高空槽后側的下滑冷空氣影響明顯，中低空配合暖平流，形成了強烈不穩(wěn)定氣層；邊界層輻合線觸發(fā)了這次強對流發(fā)展，從而產生降水天氣，使雷暴單體核心快速下降，最終產生下?lián)舯┝魈鞖狻?/p>
（2）首輪下?lián)舯┝魇嵌鄠€單體中首先發(fā)展起來的第1個單體發(fā)動的，隨著第一個單體反射率因子核心快速下降，第2個單體會變得更加強大。一個單體形成下?lián)舯┝骺梢约訌娖渌麊误w的強度，從而產生一系列下?lián)舯┝鳌?/p>
（3）從多普勒雷達產品上可以看出，風暴初始回波形成于雷達站周圍大范圍的層狀晴空回波中的一條回波強度小于20dBz的回波窄帶上，小塊回波通過增長，帶動周圍環(huán)境變化，最后發(fā)展為孤立的強烈的多單體風暴，造成了持續(xù)的下?lián)舯┝魈鞖夂捅⒓熬值囟虝r強降水。所以，短時臨近需及時關注晴空回波上小于20dBz的回波窄帶上弱小回波的發(fā)展。
