吳福浪 趙成華 陶俞鋒

(中國民航寧波空中交通管理站,浙江 寧波 315154)

0 引 言

颮線是由多個排列成線狀或帶狀、組織性較強的對流單體所組成的中尺度對流系統(tǒng)[1]。颮線過境時常伴隨有短時強降水、地面大風和冰雹，甚至龍卷等災害性天氣,具有發(fā)展快、強度大、生命周期短等特點,預報難度很大。

我國新一代多普勒天氣雷達網和自動站觀測網的布設,為深層次分析颮線等中小尺度天氣系統(tǒng)的演變及預警提供了有利條件[2]。近年來,國內學者從颮線的環(huán)流背景、雷達回波特征等方面開展了研究。何齊強等[3]研究了江淮地區(qū)一次暖區(qū)颮線指出,暖區(qū)颮線的環(huán)境場與經典颮線有所差異。丁一匯等[4]研究指出,鋒前暖區(qū)的地面或低空最大風速中心可以觸發(fā)颮線生成。李文娟等[5]利用天氣雷達、衛(wèi)星云圖等詳細對比分析了2005年浙江兩次颮線發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件、云圖及雷達回波特征,指出了此類颮線發(fā)生發(fā)展的物理機制及可預報性。田薈君等[6]對合肥的一次暖區(qū)颮線過程進行分析指出,颮線發(fā)生在較弱的對流不穩(wěn)定和弱風切變環(huán)境中,雷達圖上颮線呈弓狀,具有明顯的對流區(qū)、層云區(qū)和過渡帶。曹倩等[7]利用美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)再分析資料和探空資料分析湖北的一次颮線過程,結合雷達回波資料著重探討了颮線的時空演化特征。

不同區(qū)域颮線系統(tǒng)的形成方式、組織結構、形成機理等有明顯的不同,即使在相似的環(huán)流背景下，不同的流型配置,其颮線的組織結構、形成機理和維持機制仍存在較大差異。本文利用區(qū)域自動站數據、NCEP再分析資料及雷達監(jiān)測產品,對2018年3月4日發(fā)生在浙江省的一次颮線天氣過程的環(huán)境場和雷達回波特征進行分析,以期為以后相似天氣背景下颮線臨近預報、預警提供參考依據。

1 資 料

本文采用的資料有浙江省自動站數據、NCEP再分析資料和雷達監(jiān)測產品。浙江省自動站數據為逐5 min資料,包含氣象自動站、交通站、水文站、電力站、水文流域站等站點的數據,天氣要素涵蓋風向、風速、溫度、降水量等;雷達監(jiān)測產品采用杭州市新一代多普勒天氣雷達(S波段)約6 min一次的體掃基數據;NCEP再分析資料為NCEP/FNL 1°×1°逐6 h再分析資料。

2 環(huán)境特征分析

2.1 天氣實況

2018年3月4日18—22時,受對流云團影響,浙江省自西南向東北出現大范圍雷雨大風、局地短時強降雨等惡劣天氣,共有14個站點雨量超過50 mm,達到短時大雨到暴雨級別。233個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)出現8級以上雷雨大風,66個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)出現10級以上雷雨大風。此次強對流天氣給浙江省的農業(yè)、電力設施、通信、市政、建筑、交通及旅游等帶來了嚴重影響。麗水、嘉興和衢州遭遇房屋倒塌、道路中斷、冰雹襲擊等,受災嚴重,直接經濟損失達9165萬元以上,受災人口超過1.8萬人。

2.2 天氣形勢

3月4日08時颮線發(fā)生前,500 hPa中緯度西風氣流越過青藏高原,在河套南部至云南貴州地區(qū)與低緯度西南偏西氣流形成深厚的南支槽,槽前為較強盛的西南急流。850 hPa我國西南地區(qū)有低渦生成,低渦切變南側為大范圍的低空急流區(qū),西南急流引導孟加拉灣暖濕水汽北上,為強對流的發(fā)生發(fā)展提供了充足的水汽條件。低空西南急流大值區(qū)位于南嶺附近,移動至華東西南側時風速減小至12～16 m/s,表明華東西南側存在風速輻合,利于低層急流左前側形成強烈的上升運動,為強對流的發(fā)生發(fā)展提供有利的動力條件。中低層低渦的存在延緩了北方冷空氣南下的速度,颮線發(fā)生時地面鋒面處在蘇皖中北部至贛鄂交界一帶,浙江省處在地面冷鋒前暖區(qū)中。3月4日溫度監(jiān)測顯示,浙江省最高氣溫27.5 ℃,露點溫度為16～18 ℃,溫度高、濕度較大,“返潮”明顯,近地面高能高濕的累積過程,使得大氣層結具備發(fā)生強烈天氣的潛勢,當有高空槽、切變線等天氣擾動系統(tǒng)靠近時,極易造成大氣層結的不穩(wěn)定,有利于對流層低層暖濕氣流的強迫抬升和強烈天氣的發(fā)生發(fā)展[8-10]。綜上分析可知,此次颮線發(fā)生在高空槽前以及中低層低渦切變前側暖區(qū)之中,低層暖濕氣流的強迫抬升是主要的觸發(fā)機制。

采用颮線系統(tǒng)移動方向前側的探空觀測資料，進一步分析颮線發(fā)生時的環(huán)境特征可知，對流于3月4日18時左右在衢州至麗水一帶發(fā)展,然后自西南向東北移動,經過金華、杭州、紹興、寧波、湖州、嘉興等地,最后于22時移入東海海域后減弱。分析颮線發(fā)生前的14時探空曲線可知,衢州站對流有效位能(CAPE)為714 J·kg-1,對流抑制能(CIN)為0,如有一定的觸發(fā)條件就易觸發(fā)對流發(fā)生發(fā)展(圖1a)。地面至200 hPa為西南氣流,0～3 km(700 hPa)垂直風切變較弱,切變<10 m/s。700～400 hPa露點溫度曲線與層結曲線間隔較大,探空圖分布呈現倒“喇叭口”形,表明對流層中層有干區(qū)生成,而低層濕度相對較大,“上干下濕”的大氣層結配置有利于雷暴大風和冰雹的發(fā)生[11-13]。14時杭州站的探空圖分布和衢州站的類似(圖1b)。颮線經過后的20時探空曲線顯示,衢州站對流層中層干區(qū)維持,由于強對流的發(fā)生,不穩(wěn)定能量被釋放,對流有效位能降低至265 J·kg-1,對流抑制能上升至166 J·kg-1,對流在衢州地區(qū)迅速減弱。20時杭州站對流有效位能降低至325 J·kg-1,對流抑制能上升至152 J·kg-1,對流在杭州地區(qū)迅速減弱。

圖1 2018年3月4日14時颮線發(fā)生前的探空曲線分布(a.衢州、b.杭州)

3 雷達回波特征分析

3.1 颮線水平演變

組合反射率因子表示的是在一個體掃中,將常定仰角方位掃描中發(fā)現的最大反射率因子投影到笛卡爾格點上的產品,常常用于分析強對流系統(tǒng)水平演變特征,它的缺點是無法辨別出在某個仰角上有意義的低層特征,如鉤狀回波、弱V形缺口等。以下用基本反射率因子來分析此次颮線系統(tǒng)的演變過程。

3月4日18時45分左右颮線在浙江省杭州—金華一帶生成,隨后向東北方向移動和發(fā)展,移速約為25 m/s,21時33分左右入海后消亡,整個颮線過程維持了近3 h。此次颮線過程的生消演變可以分為4個階段:初生階段(18—19時),發(fā)展階段(19時—19時50分),成熟階段(19時50分—21時),消亡階段(21時—21時33分)。分析各個階段颮線的雷達回波特征如下。

3月4日18—19時為颮線初生階段。18時在浙西部衢州—麗水之間(相對應的雷達位置方位角為238°、距離為192 km)開始有多個對流單體生成,在引導氣流作用下向東北方向移動,回波不斷加強。18時45分該風暴系統(tǒng)移動至杭州—金華地區(qū),風暴系統(tǒng)發(fā)展成由多個對流風暴側向排列形成的線狀對流系統(tǒng),即颮線(圖2a黑色虛線),回波強度超過45 dBZ,尺度約為130 km。

19時—19時50分為颮線發(fā)展階段。颮線生成后沿著引導氣流向東北移動,19時24分颮線移動至杭州北部—紹興西南一帶(圖2b黑色虛線),颮線北部呈現弓形回波,在弓形回波后側出現V形缺口,表明具有較強的下沉氣流進入颮線,使颮線得以維持和發(fā)展。颮線南部紹興西南側對流單體后側呈現突起狀,在相應的雷達回波圖上低層為弱回波區(qū)(圖略),呈現超級單體特征。此時颮線發(fā)展旺盛,對流單體組織化程度不斷加強。新單體在颮線前進方向左前側生成,而舊單體逐漸減弱消亡。

圖2 2018年3月4日1.5°仰角基本反射率[a.18時45分、b.19時24分、c.19時58分、d.21時33分(單位:dBZ)]

19時50分—21時為颮線成熟階段。19時58分颮線移動至湖州—紹興東北一帶(圖2c黑色虛線),颮線發(fā)展成熟,最強回波達58 dBZ。颮線北部弓形回波更明顯,弓形回波后側V形缺口維持。颮線對流區(qū)后側有約50 km的層云降水區(qū),回波強度為30～35 dBZ。在弓形回波層云區(qū)和對流區(qū)之間,存在寬度約為20 km的弱回波(15～25 dBZ)過渡帶。

21時颮線移入東海后結構變得松散,強度逐漸減弱,21時33分后線狀對流進一步減弱(圖2d),后側為70～100 km的層云降水區(qū),颮線過程結束。

此次颮線包含對流區(qū)和層云區(qū)兩部分,其中對流區(qū)是由排列成帶狀、發(fā)展旺盛的強對流單體組成,在對流云帶前方北側不斷有新對流單體生成,而其后方舊的對流云消亡,形成較為寬闊的尾隨層云區(qū),范圍為50～100 km,層云區(qū)中回波強度為25～35 dBZ,降水較為均勻。

3.2 颮線垂直結構特征

圖3為2018年3月4日回波基本反射率垂直剖面圖及對應的基本徑向速度垂直剖面圖。

圖3 2018年3月4日回波基本反射率垂直剖面圖[a.18時45分、b.19時24分、c.19時58分、d.21時33分(單位:dBZ)]及對應的基本徑向速度垂直剖面圖[e.19時24分、f.19時58分(單位:m/s)]

在颮線初生階段,18時45分回波垂直結構表現為大片較強回波區(qū)域,對流區(qū)域回波中心強度超過45 dBZ(圖3a),頂高發(fā)展至6 km左右,對應的中低層基本徑向速度圖上出現了速度模糊(圖略)。在颮線發(fā)展階段,19時24分颮線發(fā)展旺盛,對流區(qū)范圍增大,高度伸展至10 km左右,45 dBZ的強回波伸展至7 km左右,出現明顯的中層懸垂回波和低層有界弱回波區(qū)(圖3b白色箭頭),颮線前側約10 km處有新的對流單體生成,有利于颮線發(fā)展和維持;颮線后側舊單體逐漸消亡,轉變?yōu)榇蠓秶鷮釉平邓畢^(qū),高度在5 km以下。19時24分對應的基本徑向速度圖上,颮線后側低層出現速度輻散(圖3e白色箭頭),這是雷暴大風在徑向速度圖上的明顯特征[14],浙江省自動站資料顯示有233個站點出現8級以上雷暴大風。19時58分在颮線成熟階段(圖3c),低層有界弱回波區(qū)和中層懸垂回波維持,颮線后側舊單體消亡形成層云區(qū),在層云區(qū)和對流區(qū)之間低層存在寬度約20 km的弱回波(15～25 dBZ)過渡帶,在對應的基本徑向速度圖上,颮線附近低層出現徑向速度輻散(圖3f白色箭頭),中層有明顯的徑向速度輻合(圖3f白色圓圈)。21時33分對流單體結構松散(圖3d),颮線入海后逐漸消亡。

4 結 語

本文利用區(qū)域自動站數據、NCEP再分析資料及雷達監(jiān)測產品,對2018年3月4日發(fā)生在浙江省的一次暖區(qū)颮線天氣過程的環(huán)境場和雷達回波特征進行分析,主要結論如下。

(1)此次颮線過程發(fā)生在500 hPa南支槽以及700～850 hPa低渦前側暖區(qū)中,低層暖濕氣流的強迫抬升是主要的觸發(fā)機制。颮線發(fā)生前,對流有效位能較強,垂直風切變較弱,大氣呈現“上干下濕”的層結配置,有利于雷暴大風和冰雹的生成。

(2)基本反射率顯示,發(fā)展期和成熟期颮線呈弓形,弓形回波后側有V形缺口,表明具有強烈的下沉氣流進入颮線,使颮線得以維持和發(fā)展。颮線包含對流區(qū)和層云區(qū)兩部分,對流區(qū)由排列成帶狀、發(fā)展旺盛的強對流單體組成,在對流云帶前進方向的左前側不斷有新的對流單體生成,颮線后側舊的對流云消亡,形成較為寬闊的尾隨層云區(qū)。

(3)垂直剖面顯示,颮線在發(fā)展和成熟階段出現明顯的中層懸垂回波和低層有界弱回波區(qū)。颮線前側不斷有新的對流單體生成,有利于颮線發(fā)展和維持;颮線后側舊的對流單體逐漸消亡,形成大范圍層云降水區(qū)。在基本徑向速度圖上,颮線附近低層出現徑向速度輻散,中層有明顯的徑向速度輻合。