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(tái),北京 100089)
下?lián)舯┝饔蒄ujita等[1]定義,即把地面上水平風(fēng)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(zāi)害性大風(fēng)定義為下?lián)舯┝?,并根?jù)災(zāi)害性范圍和時(shí)間分為宏下?lián)舯┝骱臀⑾聯(lián)舯┝鳌:晗聯(lián)舯┝鞯目臻g尺度大于4km,持續(xù)時(shí)間大于10min,而微下?lián)舯┝鞯目臻g尺度小于4km,持續(xù)時(shí)間小于10min。下?lián)舯┝魇且环N低空風(fēng)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(nóng)作物倒伏和房屋倒塌,局地造成機(jī)毀人亡等巨大損失。
目前,關(guān)于下?lián)舯┝鞅O(jiān)的研究成果很多。隨著多普勒天氣雷達(dá)的使用越來越廣泛,基于雷達(dá)高分辨率產(chǎn)品能夠精準(zhǔn)識別出下?lián)舯┝?。在下?lián)舯┝鞯膹?qiáng)迫形成機(jī)制理論方面,Parsons等[2]對下?lián)舯┝鞯男D(zhuǎn)性進(jìn)行數(shù)值模擬,認(rèn)為負(fù)浮力由降水引起,降水導(dǎo)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(jié)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(qiáng)。另外,從動(dòng)力學(xué)角度出發(fā),認(rèn)為下?lián)舯┝髌鹱饔玫?個(gè)因子為氣壓梯度力項(xiàng)、浮力項(xiàng)、液態(tài)降水拖曳項(xiàng)、固態(tài)降水拖曳項(xiàng)[4]。在下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生前,風(fēng)暴中的旋轉(zhuǎn)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(xiàng)明顯偏小[4]。有些下?lián)舯┝鞯谋l(fā)以風(fēng)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(chǎn)生的初始動(dòng)力,冰雹融化和雨水蒸發(fā)冷卻作用是次要作用[5]。
盡管關(guān)于下?lián)舯┝鞯难芯恳讶〉煤芏噙M(jìn)展[6-10],但是由于其時(shí)空尺度小、形成機(jī)理復(fù)雜,加之觀測資料空間密度的局限,下?lián)舯┝鱾€(gè)例及其成因認(rèn)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(qiáng)對流單體間可能的相互作用。
該文所采用的數(shù)據(jù)資料包括北京南郊觀象臺(tái)的S波段多普勒雷達(dá)資料(空間分辨率為1°×1km,時(shí)間分辨率是6min, 時(shí) 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(shí)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(fēng)向風(fēng)速)、華云升達(dá)的HMP155A(溫濕度),資料時(shí)間為2018年8月23日13:00—17:00]。
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(jìn)入平谷境內(nèi)后開始加強(qiáng)。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(fēng)力迅速增大,14:00陣風(fēng)達(dá)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(jié)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(diǎn)出現(xiàn)在東高村(25.4mm),最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在黑豆峪(22.8mm,15:00),西部、北部共13個(gè)站點(diǎn)無降水。全區(qū)共12個(gè)站點(diǎn)陣風(fēng)達(dá)6級以上,其中東高村極大風(fēng)達(dá)21.2m/s(9級,15:00),金海湖極大風(fēng)達(dá)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(nóng)作物出現(xiàn)倒伏,電線桿受損。
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(zāi)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(tái)風(fēng)后部東北氣流控制;850hPa存在東北風(fēng)和偏東風(fēng)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(zhuǎn)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(diǎn)差逐漸減小,濕度逐漸增大,相應(yīng)500hPa的濕度明顯下降,說明高層有干空氣。700hPa以下有明顯的風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn),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(qiáng)對流天氣的發(fā)展。
3.3 能量條件從假相當(dāng)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(qiáng)烈不穩(wěn)定。
綜上所述,本次過程高層有干冷空氣擴(kuò)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(jié)特征,并且在近地層有倒“喇叭口”探空廓線特征,符合強(qiáng)對流天氣,尤其是雷暴大風(fēng)、下?lián)舯┝鞯鹊男纬?,通常這種強(qiáng)對流天氣伴有大風(fēng)、冰雹,有時(shí)伴有局地短時(shí)強(qiáng)降水,但往往過程降水量較小。
從雷達(dá)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(tái)雷達(dá)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(fēng)速輻合。
13:12,在風(fēng)速輻合區(qū)域有小的對流回波單體生成,中心強(qiáng)度50dBz左右,隨后回波向南移動(dòng)并逐漸減弱,但在回波的南側(cè)新生一條窄帶回波,強(qiáng)度30dBz左右。
13:53,一個(gè)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(qiáng),強(qiáng)度在50dBz左右,而同時(shí)西北方向的雷暴(S-2)開始發(fā)展。此時(shí)在速度圖上可以明顯看出風(fēng)速輻合區(qū),且輻合區(qū)在中層更明顯。
14:00—14:06,S-1強(qiáng)回波中心開始快速下降(7~8km下降至3~4km),而位于回波西側(cè)的金海湖站點(diǎn)降雨14:04開始加強(qiáng)(1.6mm/min),風(fēng)力明顯加大(8級),風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|風(fēng),形成下?lián)舯┝鳌S捎赟-1底層產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻散,致使S-2底層氣流輻合劇烈,上升運(yùn)動(dòng)更加明顯,S-2得到迅速發(fā)展(最大回波強(qiáng)度發(fā)展至60dBz左右,強(qiáng)回波中心發(fā)展至8km左右)。另外,雷暴的下沉氣流強(qiáng)烈,因?yàn)槠浔旧頊囟容^低周圍大氣更低,地面形成強(qiáng)的冷池。而且擾動(dòng)溫度梯度的大值區(qū)位于冷池的西南方向,有利于引導(dǎo)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(fēng)加強(qiáng),進(jìn)一步為地面的災(zāi)害性大風(fēng)創(chuàng)造有利條件。
14:18,S-2已經(jīng)發(fā)展成熟,而此時(shí)的S-1已經(jīng)減弱。雙強(qiáng)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(zāi)害性大風(fēng)天氣。
14:24,S-2中心最大回波強(qiáng)度60dBz左右;有明顯的懸垂結(jié)構(gòu)和有界弱回波區(qū);強(qiáng)回波核心高度降低至4~5km。從速度上可以看到,此時(shí)中層存在強(qiáng)烈的輻合,低層強(qiáng)輻散場并伴有小冰雹(實(shí)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(jié)構(gòu)再次下,雷暴中的下沉氣流強(qiáng)烈。而位于S-1北部金海湖鎮(zhèn)胡莊村在14:29左右風(fēng)力驟然加大,大風(fēng)持續(xù)5min左右,以致當(dāng)?shù)厥転?zāi)。
14:42,由于S-2的強(qiáng)烈發(fā)展,雷暴的出流再次給S-1提供了動(dòng)力輻合抬升,S-1再次發(fā)展起來,由于強(qiáng)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(fēng)。S-1和S-2同時(shí)成為發(fā)展旺盛的雷暴,而下沉氣流隨著對流的加強(qiáng)而加強(qiáng)。
14:54,回波核心高度繼續(xù)下降,回波強(qiáng)度繼續(xù)減弱,但由于強(qiáng)下沉氣流的影響,低層輻散場速度大于33m/s,正負(fù)速度對差值50m/s,形成下?lián)舯┝鳌?/p>
15:00—15:24,風(fēng)速輻散范圍不斷擴(kuò)大,輻散風(fēng)切變不斷減小,回波強(qiáng)度不斷減弱南移,速度剖面中層輻合變?nèi)酰?6:00左右,整層變?yōu)槿醯南鲁翚饬?,過程接近結(jié)束。
通過對2018年8月23日發(fā)生在北京市平谷地區(qū)的強(qiáng)對流天氣進(jìn)行NCEP資料及實(shí)況分析,得出如下結(jié)果。
(1)此次天氣過程,高空槽后側(cè)的下滑冷空氣影響明顯,中低空配合暖平流,形成了強(qiáng)烈不穩(wěn)定氣層;邊界層輻合線觸發(fā)了這次強(qiáng)對流發(fā)展,從而產(chǎn)生降水天氣,使雷暴單體核心快速下降,最終產(chǎn)生下?lián)舯┝魈鞖狻?/p>
(2)首輪下?lián)舯┝魇嵌鄠€(gè)單體中首先發(fā)展起來的第1個(gè)單體發(fā)動(dòng)的,隨著第一個(gè)單體反射率因子核心快速下降,第2個(gè)單體會(huì)變得更加強(qiáng)大。一個(gè)單體形成下?lián)舯┝骺梢约訌?qiáng)其他單體的強(qiáng)度,從而產(chǎn)生一系列下?lián)舯┝鳌?/p>
(3)從多普勒雷達(dá)產(chǎn)品上可以看出,風(fēng)暴初始回波形成于雷達(dá)站周圍大范圍的層狀晴空回波中的一條回波強(qiáng)度小于20dBz的回波窄帶上,小塊回波通過增長,帶動(dòng)周圍環(huán)境變化,最后發(fā)展為孤立的強(qiáng)烈的多單體風(fēng)暴,造成了持續(xù)的下?lián)舯┝魈鞖夂捅⒓熬值囟虝r(shí)強(qiáng)降水。所以,短時(shí)臨近需及時(shí)關(guān)注晴空回波上小于20dBz的回波窄帶上弱小回波的發(fā)展。