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        2022年5月14日黑龍江五常龍卷天氣分析

        2024-06-28 12:57:18付洪泰王一達(dá)趙廣娜劉宇飛袁穎穎曹蕾
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2024年3期
        關(guān)鍵詞:特征

        付洪泰 王一達(dá) 趙廣娜 劉宇飛 袁穎穎 曹蕾

        收稿日期:2023-12-10

        基金項(xiàng)目:哈爾濱市雷暴大風(fēng)天氣特征分析及應(yīng)用資助項(xiàng)目(HQ2020017)。

        作者簡介:付洪泰(1990—),男,黑龍江哈爾濱人,工程師,主要研究方向?yàn)橹行〕叨葰庀髮W(xué)。#通信作者:趙廣娜,女,黑龍江佳木斯人,主要研究方向?yàn)闉?zāi)害性天氣預(yù)報(bào),E-mail:zsjytt@163.com。

        摘 要:采用多種觀測資料,分析了2022年5月14日黑龍江五常EF1級(jí)龍卷發(fā)生的天氣形勢、環(huán)境條件及生成機(jī)制。結(jié)果表明:五常龍卷發(fā)生在東北冷渦中心環(huán)流的東北側(cè),上空均為偏北或西北氣流,低層濕度低,垂直風(fēng)切變小。但在大的CAPE值環(huán)境下,對(duì)流風(fēng)暴首先在濕的下墊面產(chǎn)生,經(jīng)過下山和地面輻合線的加強(qiáng),移至干線露點(diǎn)梯度最強(qiáng)處,在其上空強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的作用下,近地面的垂直渦度強(qiáng)烈加強(qiáng),形成龍卷。

        關(guān)鍵詞:非超級(jí)單體龍卷;干線;地面輻合線

        中圖分類號(hào):P445 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):2095–3305(2024)03–0-03

        龍卷是由雷暴云伸展至地面的漏斗狀云產(chǎn)生的強(qiáng)烈旋風(fēng),是對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的最猛烈的天氣現(xiàn)象,其最大風(fēng)速可超過140 m/s。龍卷生消迅速,常與其他強(qiáng)對(duì)流天氣相伴出現(xiàn),可造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)

        損失[1-2]。

        在龍卷的監(jiān)測和預(yù)警方面,先后發(fā)現(xiàn)了中氣旋、龍卷渦旋特征,并將龍卷分類為中氣旋龍卷和非中氣旋龍卷。非中氣旋龍卷通常分為兩類:一類出現(xiàn)在弓形回波前部或者颮線的γ中尺度渦旋內(nèi);另一類通常出現(xiàn)在邊界層輻合切變線上。目前,關(guān)于龍卷的研究多集中于臺(tái)風(fēng)龍卷、梅雨期龍卷、強(qiáng)中氣旋龍卷等,對(duì)于東北冷渦背景下“強(qiáng)”級(jí)以下的龍卷少有關(guān)注。

        此次五常龍卷正是發(fā)生在東北冷渦背景下的非超級(jí)單體龍卷。從大尺度環(huán)流背景、環(huán)境特征及龍卷生成機(jī)制等方面對(duì)“5·14”龍卷進(jìn)行分析,為此類天氣的預(yù)報(bào)提供參考。

        1 資料來源與天氣實(shí)況

        采用的數(shù)據(jù)包括高空觀測資料、地面加密觀測資料、風(fēng)云4A衛(wèi)星資料及多普勒雷達(dá)資料。由于“5·14”龍卷過程發(fā)生在午后,無法直接采用常規(guī)時(shí)次的探空資料,因此以上游哈爾濱站08:00探空資料為基礎(chǔ),以龍卷發(fā)生前13:00五常站的地面氣溫和露點(diǎn)訂正。

        2022年5月14日13:45,五常市衛(wèi)國鄉(xiāng)保家村十二戶屯、福利屯遭遇龍卷風(fēng),大風(fēng)持續(xù)約十幾分鐘,龍卷自北向南移動(dòng),接地路徑長度約2.0 km(圖1),經(jīng)過之處多數(shù)房屋屋頂被掀去,2棵大樹被連根拔起,受災(zāi)人口47人,損壞房屋35戶37間,育秧大棚10棟,共造成經(jīng)濟(jì)損失約77.8萬元。經(jīng)實(shí)地調(diào)查和分析,確定該龍卷強(qiáng)度達(dá)到我國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)二級(jí),屬于弱到中等強(qiáng)度龍卷,相當(dāng)于美國的EF1級(jí)(以下簡稱“5·14”龍卷)。

        由于發(fā)生地距離測站較遠(yuǎn),沒有觀測到中尺度系統(tǒng)造成的氣象要素劇烈變化等特征,僅志廣站(距離龍卷發(fā)生地東南方向約10 km)風(fēng)向有90°偏轉(zhuǎn)。龍卷發(fā)生前有降水產(chǎn)生,雨量最大為五常龍鳳山鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量站(距離龍卷發(fā)生地東南方向約25 km)6.2 mm。

        2 天氣背景分析

        2.1 環(huán)流背景

        此次“5·14”龍卷發(fā)生在冷渦東北側(cè),冷渦處于減弱階段。14日08:00 500 hPa上西伯利亞大陸為寬廣深厚的脊,引導(dǎo)冷空氣南下,北太平洋到鄂海為強(qiáng)大的暖脊,形成東阻。黑龍江省位于冷渦后部。

        同時(shí),“5·14”龍卷過程發(fā)生前后均無急流存在,僅在500 hPa上12 h的風(fēng)速增幅達(dá)到了12 m/s,低空風(fēng)速變化不大。上空均為偏北或西北氣流,500 hPa、700 hPa在黑龍江西南部有冷空氣中心,中低層有暖脊從黑龍江東部伸向中南部,形成了上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)。上游齊齊哈爾和索倫探空站500 hPa上溫度露點(diǎn)差達(dá)到了12 ℃,存在干區(qū)。

        地面上的龍卷發(fā)生地處于高低壓過渡帶,09:45從方正東部至五常就有輻合線存在,12:00輻合線上的西南風(fēng)風(fēng)速有明顯增大,衛(wèi)國站的風(fēng)速由11:00的6 m/s增大至10 m/s,代表本地低空暖濕氣流的增強(qiáng),這股氣流一方面加強(qiáng)了地面輻合線的強(qiáng)度,另一方面輸送了水汽和暖空氣,同時(shí)也加大了低層垂直風(fēng)切變。

        13:35地面風(fēng)場形成了明顯的中尺度渦旋,龍卷發(fā)生地上游的平山(H0283)和玉泉(H0284)氣壓為980 hPa,

        比周圍測站低5 hPa左右,可確定該地有一個(gè)中尺度氣旋存在,龍卷發(fā)生地位于地面中尺度氣旋的西南側(cè)。

        2.2 探空特征

        一般龍卷發(fā)生需要較大的CAPE和強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變,還需要較高的0~1 km的相對(duì)濕度、較低的LCL和較大的低層垂直風(fēng)切變[3]。

        08:00哈爾濱探空曲線顯示,哈爾濱上空大氣無明顯的濕層,CAPE為24.6 J/kg,CIN為0,LCL為989.8 m,

        露點(diǎn)為3 ℃,低層至中層有淺薄的不穩(wěn)定層結(jié),0~1 km風(fēng)垂直切變?yōu)?.7 m/s,0~6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?.2 m/s。隨著高空冷渦的東移,20:00探空曲線為下開口狀,CAPE升至54 J/kg,CIN升至142.5 J/kg,中層的淺薄不穩(wěn)定層結(jié)消失,LCL抬升至1 598.7 m,露點(diǎn)為1 ℃,0~1 km風(fēng)垂直切變?yōu)?.5 m/s,0~6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?7.7 m/s,深層垂直風(fēng)切變有明顯增大。

        利用未受對(duì)流風(fēng)暴影響的下游五常站13:00的地面資料來訂正哈爾濱站08:00探空,五常站CAPE和LCL分別為1 248.5 J/kg和1 539.27 m,0~1 km垂直風(fēng)切變?yōu)? m/s。有研究表明,對(duì)于非龍卷超級(jí)單體的CAPE峰值頻率區(qū)間位于1 500~2 500 J/kg;LCL峰值頻率區(qū)間為1 250~1 500 m;0~6 km垂直風(fēng)切變主要位于15~30 m/s,低層風(fēng)垂直切變多在10 m/s以上。這也是“5·14”龍卷特征不典型的特征之一,低層和深層垂直風(fēng)切變小,但其CAPE和LCL滿足生成條件。

        2.3 地面干線

        從地面露點(diǎn)的變化趨勢上看(圖3),從早上08:00開始,500 hPa下沉的干空氣向西延伸,同時(shí)吉林省有大面積的降水,干空氣與來自吉林的暖濕氣流之間逐漸形成干線,10:00五常站與雙城站之間的露點(diǎn)差異已經(jīng)達(dá)到了6.7 ℃,之后干線向東北方向延伸,14:00用未受降水影響的榆樹大嶺站E1322和五常站54080的露點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,梯度達(dá)到了25 ℃/100 km,干線長度達(dá)到了118 km左右。龍卷發(fā)生時(shí)的露點(diǎn)無法獲得,但13:00地面加密觀測站兩站之間的露點(diǎn)梯度是

        25 ℃/100 km,龍卷發(fā)生地很有可能會(huì)大于該數(shù)值。

        地面輻合線

        “5·14”龍卷發(fā)生當(dāng)天13:00的地面氣溫和露點(diǎn)分別只有12和6 ℃左右,干線的露點(diǎn)梯度從5月到8月呈增大趨勢,范圍為9.6~15 ℃/100 km。在5月份的黑龍江出現(xiàn)如此強(qiáng)的干線較為少見。

        對(duì)流云團(tuán)起于西泉眼水庫附近,在龍卷形成之前五常有弱降水,同時(shí)龍卷經(jīng)過寬闊水田,在一定程度上改善了低層濕度條件。下山的對(duì)流與干線處的上升運(yùn)動(dòng)疊加,垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)的一側(cè)水平渦度很容易轉(zhuǎn)換為垂直渦度,并在一定的條件下拉伸加強(qiáng),形成龍卷。

        2.3 雷達(dá)觀測特征

        回波首先在10:58產(chǎn)生于西泉眼水庫附近,向東南

        偏東方向移動(dòng),移動(dòng)速度為12~15 km/h,中心強(qiáng)度在35~40 dBz。12:16下山顯著加強(qiáng)。南下經(jīng)過牤牛河后,移至地面輻合線上繼續(xù)發(fā)展,上升氣流疊加在地面渦度之上,使渦管迅速伸長,旋轉(zhuǎn)加快,12:38對(duì)流強(qiáng)度達(dá)到50 dBz,在1.5°速度場上可識(shí)別出速度對(duì),正負(fù)速度中心分別為15和-5 m/s,轉(zhuǎn)動(dòng)速度為10 m/s。

        13:18對(duì)流發(fā)展旺盛,回波達(dá)到55 dBz以上,強(qiáng)中心高度6 km左右,回波頂高9 km,強(qiáng)回波面積增大,回波由低到高向南傾斜,低仰角可見弱回波區(qū),有一定的懸垂結(jié)構(gòu)。13:24龍卷的最高VIL值達(dá)到了30 kg/m2,13:29之后強(qiáng)中心開始下降,此時(shí)龍卷很可能已經(jīng)形成,比現(xiàn)場目擊的時(shí)間要早。

        3 結(jié)論

        2022年5月14日五常龍卷雖然屬于中等強(qiáng)度的龍卷,但是能在弱垂直風(fēng)切變和低露點(diǎn)的環(huán)境下發(fā)展,引起了廣泛關(guān)注。應(yīng)用多種資料分析了該龍卷發(fā)生發(fā)展的環(huán)流背景、環(huán)境條件和生消機(jī)制,得出以下結(jié)論。

        (1)本次龍卷發(fā)生在東北冷渦中心環(huán)流的東北側(cè),冷渦處于減弱階段,上空為偏北或西北氣流,500 hPa 12 h的風(fēng)速增幅達(dá)到了12 m/s,低層風(fēng)速變化不大,探空特征不具備龍卷天氣發(fā)生的有利條件,但經(jīng)過訂正,CAPE、LCL和CIN滿足龍卷生成條件。地面上有輻合線和干線存在,該干線露點(diǎn)梯度最強(qiáng)達(dá)到了

        25 ℃/100 km,強(qiáng)干線是本次龍卷生成的重要條件。

        (2)本次龍卷發(fā)生的不利條件是低層環(huán)境濕度低和0~1 km垂直風(fēng)切變太小,但對(duì)流云團(tuán)起于水庫附近,在龍卷形成之前有弱降水,同時(shí)龍卷經(jīng)過大面積水田,這都在一定程度上改善了低層濕度條件。地面西南風(fēng)有明顯增大,也改善了龍卷生成的風(fēng)切變環(huán)境。

        (3)形成五常龍卷的直接對(duì)流系統(tǒng)是一孤立的對(duì)流云,不具有超級(jí)單體的中氣旋等回波特征,僅觀測到弱的速度對(duì),旋轉(zhuǎn)速度大概在10 m/s。VIL值最高只有30 kg/m2。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 才奎志,姚秀萍,孫曉巍,等.冷渦背景下遼寧龍卷氣候特征和環(huán)境條件[J].氣象學(xué)報(bào),2022,80(1):82-92.

        [2] 王秀明,俞小鼎,周小剛.中國東北龍卷研究:環(huán)境特征分析[J].氣象學(xué)報(bào),2015,73(3):425-441.

        [3] 范雯杰,俞小鼎.中國龍卷的時(shí)空分布特征[J].氣象,2015, 41(7):793-805.

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