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        2023年5月滄州一次極端風(fēng)雹天氣過程及成因分析

        2024-10-27 00:00:00王楠王明明
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2024年8期

        摘 要:2023年5月12日傍晚至夜間,河北滄州出現(xiàn)一次以風(fēng)雹為主、高空冷平流強(qiáng)迫類對流過程,過程第一階段風(fēng)力最大達(dá)到11~12級,以<2 cm小冰雹為主,第二階段風(fēng)力減弱,最大9級,滄州南部出現(xiàn)2~5 cm大冰雹。前期冷池出流作用利于對流觸發(fā)。水汽、不穩(wěn)定能量及垂直風(fēng)切變條件增強(qiáng),配合地面輻合線發(fā)展有利于對流的再次觸發(fā)和加強(qiáng)。中氣旋風(fēng)場后向傾斜加強(qiáng)氣壓梯度、降水粒子的拖拽、干空氣夾卷導(dǎo)致負(fù)浮力加強(qiáng)下沉氣流共同作用,有利于極端雷暴大風(fēng)出現(xiàn)。濕層厚度增加,VIL明顯躍增、風(fēng)暴頂高和強(qiáng)回波高度較高,雷暴質(zhì)心下降較慢;存在典型ZDR柱,CC 0.8 dB高度超過5 km、KDP顯示空洞,預(yù)示大冰雹出現(xiàn)。

        關(guān)鍵詞:雷暴大風(fēng);冰雹;雙偏振雷達(dá);觸發(fā)機(jī)制;不穩(wěn)定能量

        中圖分類號(hào):P458.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):2095–3305(2024)08–0-03

        強(qiáng)對流天氣由于其具有突發(fā)性強(qiáng)、尺度小、災(zāi)害大等特征,一直是短臨預(yù)報(bào)領(lǐng)域研究的重難點(diǎn)[1-7]。2023年5月12日16:00~23:00河北東南部滄州地區(qū)95個(gè)站出現(xiàn)8級以上的短時(shí)大風(fēng),青縣國家站風(fēng)速最大達(dá)35.9 m/s(12級)(圖1a)。據(jù)地面自動(dòng)觀測站及人工觀測統(tǒng)計(jì),滄州中西部及南部多地出現(xiàn)冰雹(圖1b),過程未出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水,是一次以風(fēng)雹天氣為主的強(qiáng)對流天氣過程。從組合反射率和災(zāi)情實(shí)況來看,過程分16:00~20:00和20:00 24:00兩階段,第一階段風(fēng)力最大達(dá)到11~12級,以<2 cm小冰雹為主,第二階段風(fēng)力減弱,最大9級,滄州南部出現(xiàn)2~5 cm大冰雹。

        極端性風(fēng)雹天氣的出現(xiàn)給滄州地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大影響,并且在大量不穩(wěn)定能量釋放后夜間對流再次發(fā)展,對短臨預(yù)報(bào)產(chǎn)生一定難度,因此,使用來自常規(guī)觀測和自動(dòng)站資料、空間分辨率為0.25×0.25°ERA5再分析格點(diǎn)資料、雙偏振雷達(dá)資料,對此次風(fēng)雹天氣進(jìn)行分析,提高未來對此類對流天氣的預(yù)報(bào)能力,促進(jìn)滄州地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。

        1 極端風(fēng)雹天氣過程概況

        從08:00環(huán)流形勢和綜合配置圖上來看,此次天氣為一次典型高空冷平流強(qiáng)迫型對流過程(圖2)。滄州地區(qū)位于500 hPa高空槽后西北氣流處,850 hPa轉(zhuǎn)為短波槽前西南氣流,為前傾槽配置,500 hPa冷舌疊加在850 hPa暖脊上方,850~ 500 hPa溫差32 ℃以上,并且中層500 hPa存在明顯干區(qū),上干冷,下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)有利于前期大量不穩(wěn)定能量積累。

        從17:00訂正探空來看,CAPE為1834 J/kg,K=24.5,850 hPa以下存在假相當(dāng)位溫且隨高度減少,存在不穩(wěn)定條件,不穩(wěn)定能量條件較好,-20 ℃高度5.6 km,WBZ高度2.6 km,融化層高度較低,有利于冰雹出現(xiàn);整層較干,0~6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?8 m/s,達(dá)中等強(qiáng)度,850 hPa以下位溫線和干絕熱線幾乎平行,有利于雷暴大風(fēng)出現(xiàn);T-Td較大,濕層淺薄,不利于短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)。

        2 物理量場

        從850 hPa以下水汽通量積分疊加925 hPa風(fēng)場圖(圖略)可以看到,17:00~20:00 925 hPa超低空西南急流建立并加強(qiáng),引導(dǎo)水汽源源不斷自南部地區(qū)不斷向河北東南部輸送,水汽輸送帶隨之建立,水汽輸送有所增強(qiáng)。同時(shí),滄州地區(qū)處于急流出口區(qū)和強(qiáng)風(fēng)速脈動(dòng)區(qū),從水汽通量和水汽通量散度圖(圖略)可以看到,17:00滄州西北部有弱的水汽通量輻合,其位置與初始對流位置對應(yīng),20:00滄州東南部地區(qū)出現(xiàn)水汽輸送帶和水汽輻合大值區(qū),最強(qiáng)水汽輻合達(dá)-6×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1,強(qiáng)度較前一階段明顯加強(qiáng)。

        從相對濕度垂直剖面時(shí)序圖(圖略)來看,與“典型短時(shí)強(qiáng)降水深厚濕層特征”明顯不同,此次風(fēng)雹過程對比前后兩階段發(fā)現(xiàn),12日20:00前700~850 hPa干空氣夾卷明顯,進(jìn)一步促進(jìn)雷暴大風(fēng)發(fā)生,而20:00后,低層濕度有所加強(qiáng),濕層厚度不斷向上增厚,有效為雹胚“濕增長”提供機(jī)會(huì),有利于大冰雹的出現(xiàn)。

        由于850 hPa以下受暖濕氣流控制,中層有干冷空氣侵入,θse在低層密集并隨高度減小,存在對流不穩(wěn)定性,并在17:00近地面層θse達(dá)到324 K以上,低層暖濕氣流進(jìn)一步加強(qiáng),使得滄州地區(qū)一直處于強(qiáng)的不穩(wěn)定狀態(tài);第一階段結(jié)束后,20:00可以看到低層風(fēng)將對流不穩(wěn)定能量持續(xù)向上輸送,對后期對流發(fā)生熱力環(huán)境十分有利。

        從K指數(shù)分布來看,兩階段K指數(shù)大值區(qū)位置與過程風(fēng)雹影響區(qū)域近乎重合,17:00滄州西北部K指數(shù)較大,達(dá)到36 ℃,隨后此區(qū)域出現(xiàn)10級以上大風(fēng)和小冰雹,至20:00由于850 hPa暖平流加強(qiáng)和低層水汽條件轉(zhuǎn)好,有利于不穩(wěn)定能量的加強(qiáng),導(dǎo)致整個(gè)滄州地區(qū)K指數(shù)大范圍增大均超過32 ℃,并且第二階段滄州中南部降雹集中區(qū)K指數(shù)最大達(dá)到38 ℃,3 h增量達(dá)10 ℃(圖3a、圖3b)。

        從17:00、20:00 0~6 km垂直風(fēng)切變分布可以看到,夜間垂直前邊大值中心不斷向滄州地區(qū)擴(kuò)展,強(qiáng)度達(dá)到30 m/s以上,屬于強(qiáng)的垂直風(fēng)切變,具有明顯的極端性。垂直風(fēng)切變增強(qiáng)有利于上升和下沉氣流長時(shí)間共存,使得風(fēng)暴有組織化和長時(shí)間維持,有利于超級單體風(fēng)暴的發(fā)展。結(jié)合回波實(shí)況發(fā)現(xiàn),第一、第二階段確實(shí)均有超級單體出現(xiàn),并且由于垂直風(fēng)切加強(qiáng),第二階段超級單體更強(qiáng)(圖4)。

        從觸發(fā)機(jī)制來看,12日17:00河北中南部地區(qū)地面氣溫已接近日最高氣溫值,從FY4可見光云圖可知已經(jīng)有局地強(qiáng)對流云團(tuán)發(fā)展,產(chǎn)生降水導(dǎo)致近地面溫度驟降,在滄州西北地區(qū)已形成明顯冷池(圖略)。3 h變壓梯度較大,雷暴冷池出流加強(qiáng),有利于冷池東南部地面輻合線加強(qiáng),進(jìn)一步使大量不穩(wěn)定能量迅速釋放,導(dǎo)致滄州出現(xiàn)極端性大風(fēng)天氣。至20:00地面完全受冷空氣控制,但由于地面中尺度輻合線再次發(fā)展,為對流的再次觸發(fā)提供了有利條件。

        3 雷達(dá)特征

        在此天氣過程中,2個(gè)階段均識(shí)別出勾狀回波、有界弱回波區(qū)、回波懸垂、中氣旋,判斷有超級單體出現(xiàn)。第一階段超級單體在向滄州地區(qū)發(fā)展移動(dòng)的過程中,在17:18 HCL圖上(圖略)可以看到,0.5°仰角鉤狀回波顯示有冰雹和降水粒子,其重力拖曳作用使此處附近風(fēng)暴頂高和最大反射率因子高度從17:00~

        18:00迅速分別下降至8.7和2.5 km附近,形成強(qiáng)烈下沉氣流,至地面輻散產(chǎn)生大風(fēng)。從17:30多個(gè)速度仰角可以看到,氣旋風(fēng)場是向后傾斜分布的,地面下沉氣流附近高壓與低層中氣旋附近氣壓下降地區(qū)形成強(qiáng)變壓梯度,進(jìn)一步使風(fēng)暴低層輻散加強(qiáng)。在風(fēng)廓線圖上,中低層顯著干層附近風(fēng)力達(dá)到20 m/s以上,下沉氣流內(nèi)水凝物受到附近夾卷入風(fēng)暴的較干空氣影響,持續(xù)蒸發(fā)降溫,下沉氣流內(nèi)部和外界產(chǎn)生明顯溫差,致使空氣受到向下的負(fù)浮力,引起下沉氣流的加強(qiáng),有利于下?lián)舯┝骷訌?qiáng)。

        從2個(gè)階段的超級單體附近VIL值分布可以看到,在降雹發(fā)生前產(chǎn)生躍增,一個(gè)體掃增量均達(dá)到20~35 kg/m2,但風(fēng)暴頂高在第二階段最高達(dá)到14.7 km,強(qiáng)回波高度最高達(dá)到7.3 km,-20 ℃高度在5.6 km附近,雷暴質(zhì)心下降較慢,對第二階段冰雹持續(xù)增長十分有利。第一階段地面觀測到小冰雹時(shí),出現(xiàn)ZDR柱,但中心強(qiáng)度偏低,說明上升氣流較弱,KDP也沒有出現(xiàn)明顯空洞,固態(tài)水凝物較少,CC 0.8 dB高度剛剛達(dá)到5 km處。第二階段反射率因子低層弱回波區(qū)有大冰雹存在,ZDR 1.5 dB達(dá)3.4 km,0.5 dB接近5 km,強(qiáng)上升氣流將大量水凝物抬升至0 ℃層高度以上,形成典型ZDR柱;CC剖面0.8 bB高度超過5 km;KDP由于大冰雹不符合瑞利散射顯示空洞(圖5)。

        4 總結(jié)

        (1)此次天氣過程是一次以風(fēng)雹為主、高空冷平流強(qiáng)迫類對流過程,前期冷池出流作用有利于對流觸發(fā)。

        (2)水汽、能量及垂直風(fēng)切變條件轉(zhuǎn)好配合地面輻合線發(fā)展利于對流的再次觸發(fā)。

        (3)中氣旋風(fēng)場后向傾斜加強(qiáng)氣壓梯度、降水粒子的拖拽及干空氣夾卷導(dǎo)致負(fù)浮力加強(qiáng)下沉氣流共同作用有利于極端雷暴大風(fēng)出現(xiàn)。

        (4)濕層厚度增加,VIL明顯躍增、風(fēng)暴頂高和強(qiáng)回波高度較高,雷暴質(zhì)心下降較慢;存在典型ZDR柱,CC值0.8 dB高度超過5 km、KDP顯示空洞,預(yù)示大冰雹出現(xiàn)。

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