陳 卓,高正南,郭曉梅,徐八林

(1.云南省普洱市氣象局,云南 普洱 665000;2.云南省氣象臺,云南 昆明 650034;3.云南省大氣探測技術(shù)保障中心,云南 昆明 650034)

0 引言

颮線是由對流單體側(cè)向排列而成的中尺度帶狀對流系統(tǒng),常導(dǎo)致雷暴、強風(fēng),甚至短時暴雨、下?lián)舯┝?、冰雹等?zāi)害性天氣,破壞力巨大,因此加強颮線的研究對預(yù)報預(yù)警具有重要指導(dǎo)作用和現(xiàn)實意義。國內(nèi)氣象學(xué)者對其發(fā)生條件、組織方式、生命史演變、雷達(dá)回波特征、中尺度結(jié)構(gòu)、數(shù)值模擬等[1-5]已經(jīng)有了很多研究結(jié)果,如丁一匯等[6]根據(jù)颮線發(fā)生前后的環(huán)流特征及天氣系統(tǒng)的差異,將颮線的觸發(fā)機制分為槽后型、槽前型、高后型以及東風(fēng)波型4種;張云濟(jì)等[7]將在熱帶氣旋(tropical cyclone,TC)移動路徑的前方數(shù)百千米處,因TC靠近而觸發(fā)的颮線稱為臺前颮線。臺前颮線一般發(fā)生于西行臺風(fēng)或熱帶低壓前側(cè)的偏東氣流里。由于副高邊緣大氣不穩(wěn)定且高溫高濕,當(dāng)臺風(fēng)外圍的螺旋云帶與其相遇時會得到發(fā)展,呈線狀或帶狀排列,且在時間上具有連續(xù)性[8]。臺前颮線往往在TC主體抵達(dá)前就造成較大影響,如2008年第9號強熱帶風(fēng)暴“北冕”、2014年第9號臺風(fēng)“威馬遜”、2019年第19號臺風(fēng)“楊柳”在登陸前分別在廣東、湖南、海南出現(xiàn)明顯颮線天氣過程,所經(jīng)之處出現(xiàn)大范圍雷雨大風(fēng)、局地短時強降水等強對流天氣,災(zāi)情較重。相對于西風(fēng)帶中的颮線,臺前颮線致災(zāi)強度更強范圍更廣,持續(xù)時間通常更長。目前氣象工作者對臺前颮線的研究[9-10]還較少,加之深入云貴高原造成影響的臺前颮線更因個例極少,對其發(fā)生發(fā)展的物理機制研究還不夠多,特別是在短期預(yù)報中可借鑒的經(jīng)驗有限。

2017年8月23日,第13號臺風(fēng)“天鴿”在西行過程中在云南中部觸發(fā)颮線,在系統(tǒng)移動過程中普洱市受其影響最大,出現(xiàn)大范圍強對流天氣。由“天鴿”造成的強對流災(zāi)害、暴雨洪澇及暴雨誘發(fā)的中小河流洪水、山洪地質(zhì)災(zāi)害共造成普洱市57 204人受災(zāi),農(nóng)作物受災(zāi)1594.02 hm2,共造成直接經(jīng)濟(jì)損失11 526.93萬元。本文對地面氣象要素、高空環(huán)流形勢及物理量場、雷達(dá)回波特征進(jìn)行分析,以期提高對臺風(fēng)外圍系統(tǒng)性強對流天氣的預(yù)報預(yù)警能力。

1 天氣概況及颮線過境時地面氣象要素變化特征

“天鴿”于2017年8月23日13時前后在廣東臺山市登陸,在西行過程中在云南中部觸發(fā)颮線(圖1)。云南省125站次出現(xiàn)短時強降水(小時雨量≥20 mm),16站次遭受雷暴大風(fēng)(風(fēng)速>17 m·s-1)襲擊,嵩明、玉溪、通海、劍川等地出現(xiàn)冰雹。普洱市受成熟的颮線系統(tǒng)影響出現(xiàn)強雷電、短時強降水、大風(fēng)天氣,國家氣象觀測站監(jiān)測到最大瞬時風(fēng)速20.9 m·s-1(孟連),景東縣菠蘿村35 min降水達(dá)60.3 mm。此次臺前颮線天氣造成的強對流天氣范圍廣、強度強、造成的災(zāi)害重,是云南2017年秋季較典型的一次強對流天氣過程。

圖1 臺風(fēng)“天鴿”移動路徑圖(數(shù)據(jù)來源于中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng))

由于颮線是狹窄的中小尺度系統(tǒng),當(dāng)颮線過境時附近的氣象要素水平梯度很大。此次颮線于2017年8月23日11時在滇東一帶形成(圖1黑色實線所示),隨后在向西南方向移動過程中結(jié)構(gòu)高度組織化,于16時30分左右進(jìn)入普洱境內(nèi)并繼續(xù)發(fā)展加強。其中墨江國家氣象觀測站氣象要素在颮線過境前后變化明顯(圖2),該站逐5 min地面氣象要素場變化如下:

圖2 2017年8月23日16時20時—17時25分墨江站逐5 min地面溫度(紅線)、相對濕度(綠線)、氣壓(黑線)、累積雨量(柱狀)及2 min平均水平風(fēng)向風(fēng)速的時間演變圖

(1)氣壓涌升。當(dāng)日隨著強臺風(fēng)“天鴿”向粵西地區(qū)靠近,墨江站氣壓一直在緩慢下降,16時18分本站氣壓降到當(dāng)日最低值859.6 hPa,之后氣壓緩慢上升;16時35分開始?xì)鈮河可?15 min內(nèi)氣壓從860.5 hPa突增至863.2 hPa(△P=2.7 hPa),系統(tǒng)移出后氣壓緩慢下降。

(2)氣溫驟降。14時“天鴿”中心位于廣東,其外圍云系并未對云南造成直接影響,普洱市當(dāng)日晴熱高溫,最高氣溫>30 ℃。當(dāng)颮線天氣發(fā)生時,墨江站于16時07分從當(dāng)日的最高氣溫32.3 ℃迅速下降,16時54分下降到當(dāng)日最低氣溫19.5 ℃,47 min內(nèi)降幅達(dá)12.8 ℃。

(3)風(fēng)速劇增,出現(xiàn)9級大風(fēng)。墨江站8月23日16時50分最大10 min平均風(fēng)速為18.6 m·s-1,16—20時全市共有31個自動站出現(xiàn)8級(17 m·s-1)以上偏東大風(fēng),墨江縣福永自動觀測站于17時45分記錄到瞬時9級(24.1 m·s-1)狂風(fēng)。與系統(tǒng)移向一致,本次颮線造成的大風(fēng)區(qū)自東向西傳播。

(4)濕度明顯增大。當(dāng)天清晨至白天本站相對濕度緩慢下降,16時40分下降到當(dāng)日最低值52%。颮線系統(tǒng)過境時相對濕度28 min激增至94%,之后出現(xiàn)降雨。

(5)強烈降水。颮線天氣發(fā)生前,墨江站晴熱無雨,當(dāng)颮線過境時,盡管強降雨中心不在本站,但從16時36分出現(xiàn)驟雨,15 min內(nèi)累計降水21.8 mm,其中16時45—55分雨勢最大,平均分鐘降雨量1.6 mm。颮線過境后雨強快速減弱。

分析受臺前颮線影響的自動氣象站資料發(fā)現(xiàn),颮線過境時首先發(fā)生突變的地面要素是氣壓,其次是風(fēng)速劇增形成大風(fēng),溫度和濕度的突變,最后才出現(xiàn)強降水。主要原因是颮線初生時首先在系統(tǒng)前方出現(xiàn)小尺度雷暴高壓,由于氣壓梯度的加大造成風(fēng)速劇增,伴隨溫度驟降的同時,大氣中水汽凝結(jié)使?jié)穸妊杆僭黾?最后才造成驟雨。由于颮線系統(tǒng)在移動過程中結(jié)構(gòu)完整清晰,因此上游站氣象要素的變化情況可作為下游站強天氣預(yù)報的重要參考。

2 臺前颮線發(fā)生的環(huán)流背景和環(huán)境場特征分析

2.1 高空環(huán)流背景分析

生成于西太平洋的2017年13號臺風(fēng)“天鴿”于8月23日13時前后在廣東臺山市登陸,登陸時中心氣壓955 hPa,最大風(fēng)力14級,為強臺風(fēng)級別,登陸后繼續(xù)以30 km·h-1的速度向西北偏西方向移動。從500 hPa位勢高度場和風(fēng)場分布可見(圖3),西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)西伸至95°附近,在南側(cè)強盛的偏東氣流引導(dǎo)下“天鴿”快速向西移動。14時廣西西部至文山存在明顯風(fēng)速輻合區(qū),隨著“天鴿”向云南靠近,20時風(fēng)速輻合區(qū)移至滇西地區(qū)。與此同時,700 hPa風(fēng)速輻合帶自滇中向西推進(jìn),20時輻合帶兩側(cè)風(fēng)速差>10 m·s-1(圖略)。中低層強烈的風(fēng)速輻合導(dǎo)致空氣質(zhì)量快速堆積,在垂直方向上強迫氣流向上運動,加之副高外圍不穩(wěn)定、高能高濕的大氣環(huán)境,為臺前颮線的形成創(chuàng)造了動力和熱力條件。

2.2 能量條件分析

颮線作為組織性強的深對流天氣系統(tǒng),其發(fā)生發(fā)展伴隨著大量不穩(wěn)定能量的積累、觸發(fā)和釋放[8、11]。23日14時(圖4a)和20時(圖4b)颮線附近CAPE值均高達(dá)2000 J·kg-1以上,說明颮線形成前大氣具備極好的能量條件,保證了颮線系統(tǒng)在觸發(fā)后的能量補充,進(jìn)而維持較長的生命周期。隨著“天鴿”中心逐漸移近,颮線前沿的CAPE大值帶隨即向西南方向轉(zhuǎn)移,颮線過境后迅速降低至500 J·kg-1,CAPE大值區(qū)在系統(tǒng)上下游差異較大,說明過程伴隨明顯的能量釋放[12]。

圖4 2017年8月23日14時(a)、20時(b)CAPE值分布(單位:J·kg-1)

假相當(dāng)位溫(θse)與空氣質(zhì)塊的溫度和濕度均有關(guān),能較好地反映一個地區(qū)大氣的熱力學(xué)性質(zhì)[13-14]。從墨江站θse時間—垂直剖面可以看出(圖5a),500 hPa以下假相當(dāng)位溫隨高度減小,△θse500-850<-22 ℃,說明低層大氣暖濕特性明顯,層結(jié)對流不穩(wěn)定性較大。由于颮線前沿天氣晴好,16時地面最高氣溫>31 ℃,與系統(tǒng)后部溫差最大達(dá)20.3 ℃(圖5b)。可見颮線系統(tǒng)初生時對流層低層大氣暖濕不穩(wěn)定,CAPE值非常高,能量條件充足;颮線形成后在向西南方向移動的過程中,前沿高溫高濕的近地層大氣被颮線系統(tǒng)前部相對冷的出流劇烈抬升,不穩(wěn)定能量得到釋放和補充,颮線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組織性得以長時間維持。從實況來看,臺前颮線正是從熱力和條件不穩(wěn)定有利的區(qū)域首先發(fā)展起來。

圖5 墨江站θse時間—垂直剖面圖(a)、2017年8月23日16時地面最高氣溫分布圖(b,單位:℃;黑色實線為颮線系統(tǒng)位置)

2.3 水汽條件分析

強風(fēng)暴的形成要求低層有比普通雷暴更豐富的水汽含量[15]。在副高外圍的氣流引導(dǎo)下,“天鴿”快速西行中在中心北側(cè)形成偏東急流,自南海熱帶洋面向云南上空的水汽通道隨即建立。23日08—20時,墨江站上空至400 hPa出現(xiàn)明顯水汽通量輻合(圖6c),14時輻合程度達(dá)到最強,其中心位于500 hPa附近,達(dá)-12×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。水汽在中低層輻合、高層輻散,抽吸作用有利于維持水汽向上輸送的強度,進(jìn)而保證了短時強降水發(fā)生時高效的水汽供應(yīng)。此外,850 hPa云南滇中以東相對濕度>80%(圖6a),而500 hPa相對濕度<50%(圖6b),大氣層結(jié)上干下濕且水平方向上差值較大,是形成強對流天氣的有利形勢。結(jié)合實況分析,颮線正是從滇中發(fā)展起來的,這種水汽場分布特點與大范圍強降水過程的差異,導(dǎo)致颮線過程所伴隨的降水歷時短但強度大。

圖6 2017年8月23日14時云南省850 hPa(a)、500 hPa(b)相對濕度及墨江站上空水汽通量散度垂直分布(c,單位:10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1)

2.4 觸發(fā)機制分析

高能高濕的大氣狀態(tài)下,邊界層的中尺度輻合線可以直接觸發(fā)強對流天氣[16]。23日10時地面風(fēng)場存在東北風(fēng)與偏西風(fēng)的輻合(圖7a),輻合線兩側(cè)風(fēng)向較一致且偏東北風(fēng)速>4 m·s-1,此時輻合線附近已有分散的對流云團(tuán)生成并發(fā)展;12—16時云南東部的主導(dǎo)風(fēng)向由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)(圖7b),地面輻合線西推至哀牢山沿線(普洱東部),且100°E附近的西風(fēng)也明顯增強,輻合區(qū)域趨于狹窄,加之兩側(cè)風(fēng)速增強,為颮線系統(tǒng)的形成提供了更有力的動力觸發(fā)條件[17]。分散的對流云團(tuán)快速合并成高度組織性的線狀對流系統(tǒng),隨著輻合線的西推而向西移動,在16時前后影響普洱,此時地面風(fēng)向輻合最明顯(圖7c),對應(yīng)颮線結(jié)構(gòu)更清晰,所影響測站出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、短時強降水、冰雹天氣。隨著颮線進(jìn)一步向西移動,20時地面風(fēng)速減弱(圖7d),輻合帶主要位于普洱西部且尺度減小,颮線后側(cè)開始出現(xiàn)層狀云回波,說明后側(cè)入流組織性減弱,預(yù)示著颮線強度減弱。從雷達(dá)圖上颮線的移動路徑(圖7e)可知,地面對流單體在地面輻合線附近觸發(fā)并迅速發(fā)展成為高度組織化的颮線,其強度、移向與地面風(fēng)的輻合強弱與位置高度一致。

圖7 2017年8月23日10時(a)、14時(b)、16時(c)、20時(d)地面風(fēng)場,臺前颮線移動示意圖(e)

綜上,此次臺前颮線是出現(xiàn)在副高邊沿,近地面顯著升溫、低層大氣暖濕不穩(wěn)定及CAPE>2000 J·kg-1的背景下,由地面輻合線和700 hPa風(fēng)速輻合共同觸發(fā)。

3 多普勒天氣雷達(dá)回波演變分析

在短臨預(yù)報中,雷達(dá)資料中組合反射率的值能直觀體現(xiàn)對流風(fēng)暴強度。此次颮線系統(tǒng)在雷達(dá)圖上結(jié)構(gòu)完整清晰,持續(xù)時間約6 h,生命史包含多次雷暴單體族的合并和分裂,圖8為成熟的颮線系統(tǒng)影響普洱市的主要過程。本節(jié)對颮線生命史中各個階段的回波演變特征進(jìn)行分析。

圖8 2017年8月23日普洱雷達(dá)組合反射率和徑向速度

初始階段:10時起滇中一帶逐漸有獨立對流單體生成并迅速向西南方向擴展(圖略),12時左右單體強度>50 dBz,在移動過程中逐漸合并排列成線狀,移速約為43 km·h-1,地面天氣以雷雨、冰雹為主。

發(fā)展成熟階段:在16時31分普洱氈帽山回波圖上(圖8a)可識別出清晰的窄帶回波且強單體組合反射率明顯加強,颮線主體強度維持在55 dBz以上,回波結(jié)構(gòu)更加密實且排列有序?；夭ù嬖诟叻瓷渎室蜃犹荻?且對流單體不斷合并呈線狀排列,21時長度向兩端擴展(圖8b),說明存在有利于系統(tǒng)發(fā)展的環(huán)境條件。0.5°仰角徑向速度圖上出現(xiàn)中尺度輻合帶(黑色實線),后側(cè)入流達(dá)23.5 m·s-1(RIJ)(圖8c),大大加強了由降水拖曳導(dǎo)致的初始下沉氣流,進(jìn)而增加地面出流的強度,導(dǎo)致地面大風(fēng)天氣的出現(xiàn)[18]。21時起中尺度輻合線特征減弱(圖8d)。該時段內(nèi)主要出現(xiàn)雷雨大風(fēng)、短時強降水和局地冰雹。

減弱階段:成熟的颮線維持至21時22分后逐漸減弱(圖略),帶狀結(jié)構(gòu)斷裂,獨立對流單體強度減弱為<30 dBz的層狀云回波,對應(yīng)的速度圖上輻合特征消失,后側(cè)最大入流風(fēng)速降至12.3 m·s-1。天氣轉(zhuǎn)為降水為主,實測地面極大風(fēng)速有所減弱。

4 結(jié)論

(1)臺前颮線過境時地面氣象要素變化明顯。受影響的測站首先是出現(xiàn)雷暴高壓,隨后風(fēng)速劇增、溫度驟降、濕度迅速加大,最后才出現(xiàn)驟雨。颮線系統(tǒng)在移動過程中結(jié)構(gòu)完整清晰,因此上游氣象要素的劇烈變化情況,可為下游臺站強天氣預(yù)報提供參考。

(2)副高南側(cè)和西行強臺風(fēng)外圍的偏東風(fēng)在滇中一帶輻合,中低層強烈的風(fēng)速輻合導(dǎo)致空氣質(zhì)量快速堆積,在垂直方向上強迫氣流向上運動,加之副高外圍不穩(wěn)定、高能高濕的大氣環(huán)境,為臺前颮線的形成創(chuàng)造了大尺度動力和熱力條件。

(3)臺前颮線附近CAPE值高達(dá)2000 J·kg-1以上,前沿地面最高氣溫>31 ℃,說明颮線形成前大氣具備極好的能量條件,保證了颮線系統(tǒng)在觸發(fā)后的能量補充,進(jìn)而維持較長的生命周期。颮線過境后CAPE值迅速降低至500 J·kg-1,說明過程伴隨明顯的能量釋放。

(4)臺前颮線初生時△θse500～850<-22 ℃,說明低層大氣暖濕不穩(wěn)定;颮線形成后在向西南方向移動的過程中,前沿高溫高濕的近地層大氣被颮線系統(tǒng)前部相對冷的出流劇烈抬升,不穩(wěn)定能量得到釋放和補充,颮線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組織性得以長時間維持,臺前颮線正是從熱力和條件不穩(wěn)定有利的區(qū)域首先發(fā)展起來的。

(5)水汽通量中低層輻合,高層輻散的配置有利于在動力抽吸作用下維持水汽向上輸送的強度,進(jìn)而保證短時強降水發(fā)生時高效的水汽供應(yīng)。

(6)對流單體在地面輻合線附近觸發(fā)并迅速發(fā)展成為高度組織化的颮線,其強度與移向與地面風(fēng)的輻合強弱與位置高度一致。

(7)雷達(dá)圖上颮線生命史包含多次雷暴單體族的合并和分裂,發(fā)展旺盛階段中尺度輻合帶特征最明顯,出現(xiàn)多個55 dBz以上強中心及RIJ特征;當(dāng)颮線兩側(cè)的風(fēng)向輻合特征減弱時,其帶狀結(jié)構(gòu)快速斷裂且強度減弱,伴隨著強對流天氣消失。