2009年6月3日中国丘陵地区强线形成机制

2009年6月3日中国丘陵地区强线形成机制

0中尺度对流系统这种常见的对称风暴通常发生在春夏之交。它经常出现在高空沟后的西北气流中。它是一个由许多雷暴个体组成的带状流域系统。一般来说，规模为20.50km，长度为70.230km，持续时间为4.18h。线穿越时，风速加快，风速增大，气气急剧下升，气温突然下降，通常伴随着雷暴、风暴、大风、冰雹和龙卷等严重的天气现象。2009年6月3日下午到夜里,河南发生了强飑线过程,19个县市出现≥17m·s1风速变化的变化此次过程具有典型的飑线特征,最大瞬时风速出现在夏邑、永城站。图1给出两站逐分钟平均气压、温度和风向风速的变化曲线。从图1可见:(1)飑线过境时气压涌升、温度下降、风向突变、风速加大等现象明显。(2)夏邑大风时段在22:05—22:39,1min平均风速最大值(18.8m·s可见,强飑线过境时各要素变化很大,大风时段出现在气压跃变、气温下降阶段。这与龙卷出现时气压降低有明显区别。2大面积环境分析2.1热力条件分析强对流天气一般发生在有利的环境条件下。6月3日08时(图2a),500hPa我国东北地区有一-20℃、544dagpm的冷低涡中心,低涡后部有横槽;700hPa分别有一低槽和切变线由河套向南伸到陕西、向东伸到山东,伴随有24h的-5~-1℃的降温区;850hPa东西向辐合线自河套底部伸向河南北部,河南处于20℃以上暖区内,为强对流发生发展提供了有利的热力条件;925hPa河南中部有东西向辐合线,商丘处在850hPa与925hPa辐合线之间、700hPa24h降温区与850hPa≥20℃的暖区交界处。20时(图2b),500hPa横槽转竖携带冷空气沿西北气流南下,700hPa低槽和切变线东移到河南西部,24小时-7~-1℃降温区(700hPa)南压到河南省沿黄河一线,850hPa辐合线南压到河南中部,925hPa辐合线发展加强为人字型,郑州偏北风达16m·s同时,由3日08时和20时高空中尺度分析知(图略):商丘一直处于850hPa和500hPa温差>33℃的大值区,正是这一强的温度直减率维持的负浮力作用,使得商丘出现如此剧烈的地面大风地面图上(图略),3日17—23时郑州到商丘有中尺度辐合线维持,为此次强飑线过程提供抬升和触发机制。加之前期高温,特别是6月2、3日商丘日最高气温分别达33.0、34.1℃,为此次强飑线天气过程提供了有利的热力条件。2.2探空文献显示商丘处于郑州、徐州和阜阳三探空站之间,选取三站探空资料进行分析知(图略):6月3日08时郑州和阜阳1000—925hPa、徐州925—850hPa有逆温存在,利于有效不稳定能量积聚,且中低空均较干,呈“干”性特征。探空物理量显示(图略):郑州和徐州强天气威胁指数Sweat分别由08时的39.4、231.0增大到20时的224.5和509.2,徐州总指数TT也由08时的54℃增至20时的64℃;徐州、阜阳的CAPE值由08时的0.0、305.2J·kg从郑州、徐州两探空站风随高度变化知(图3a):(1)3日08时,500hPa以下郑州、徐州两站风随高度顺转有暖平流,500hPa以上风随高度逆转有冷平流,大气不稳定层结特征明显;200hPa郑州、徐州分别为32m·s从商丘雷达风廓线图上(图略)可见:6月3日20—21时,1.2—6km高度基本为8~14m·s由徐州08时探空和商丘14时地面温度、露点温度构建的商丘14时探空订正曲线3变压场结果分析此次强飑线过程具有典型的中尺度特征。分析逐小时自动站风场资料可见,3日18时(图略)在长垣、开封到郑州有辐合线生成,其后侧有6~8m·s干线(露点锋)是水平方向上的湿度不连续线,干冷与暖湿空气交界面,并不经常和地面辐合线(指风向风速辐合处)一致,是飑线形成和发展的触发机制分析6月3日河南省自动站逐时气压和温度分布可知(图5):对应地面风场上的人字型辐合线后侧一直有雷暴高压和冷中心存在,特别是21—23时由于受强风暴内下沉气流的影响,辐合线后侧出现明显的雷暴高压和冷温度中心。21时雷暴高压中心1005hPa位于睢县,对应有16℃的冷中心,且睢县与商丘气压差达5hPa,睢县与宁陵、商丘温度差分别为6℃和12℃;22时雷暴高压中心东移到虞城,中心值为1007hPa,对应的18℃冷中心也位于睢县和虞城,且虞城与其东边的夏邑有8℃的温差、7hPa的气压差;23时雷暴高压和冷中心东移到夏邑,其中心值分别为1007hPa、17℃,此时永城温度18℃,自动站风速16m·s分析3日河南省地面自动站逐时变压、变温演变可见,16时山西南部有1.5hPa和-3℃的1h变压、变温中心,与风场上的辐合中心对应,辐合线南侧的安阳、新乡到焦作1h变温变压梯度明显,有53dBz的强对流回波与之对应;17时辐合线前侧的变压梯度有所减弱,但由于地形作用在郑州北部附近有风速辐合生成,18时有正变压和负变温自北向南伸展到郑州以北,说明有冷空气已扩散南下,18:30对流回波在风速辐合处新生并迅速发展;19时在开封形成-3.4℃的变温中心和+2hPa的变压中心,20时变压场变化不大,但变温场有所加强,变温中心增强到-6.2℃(仍位于开封),同时在山东境内定陶新生-4.9℃变温中心;21—23时逐时变压变温场变化明显(图6a、b),分别在开封与商丘有一对正负变压变温中心,其中21时1h变压场上,在开封与长垣之间有-1.8hPa的负变压中心,商丘民权有+7hPa的变压中心,二者之间1h变压差达8.8hPa;而在1h变温场上同样对应有一对正负变温中心,正变温中心在开封,变温中心为1.0℃,负变温中心在商丘,其中心值-12.3℃,两者1h变温差高达13.3℃。可见20—21时开封到商丘之间气压和温度变化最大;22时变压场上,负变压中心(-3.6hPa)位于睢县,正变压中心(8hPa)位于虞城,二者之间变压差达11.6hPa,对应变温场上,正变温中心(+4℃)在开封东部,负变温中心(-9.7℃)位于商丘,二者之间变温差达13.7℃;23时变压场上负变压中心(-0.6hPa)位于虞城,正变压中心(6hPa)位于砀山,二者之间变压差为6.6hPa,对应变温场上,正变温中心(+2℃)位于商丘,负变温中心(-9.4℃)位于永城,二者之间1h变温差达11.4℃。可见,自当日16时后,逐时变压变温场上就有明显的正负变压变温中心对存在,且变压变温梯度逐渐加大,在商丘出现强飑线的21—23时期间,逐时变压变温和逐时变压变温梯度均达到最强,说明商丘有明显的锋生存在,为强对流特别是灾害性大风提供了动力抬升机制和强烈不稳定条件。综上所述,此次过程中地面雷暴高压之强、温度之低、气压梯度和温度梯度之大与逐时变压变温(1h变压最大达8hPa,变温最大达-9.7℃)及其梯度之大均属罕见。可见,除强垂直温度梯度不稳定层结、水汽、辐合抬升条件外,强雷暴高压及其前侧的强气压、温度梯度和强飑线的快速移动,是宁陵、夏邑和永城等出现罕见极端最大瞬时风速的直接原因。4dbz强对流风暴实例此次强飑线经历了初生(18:06—19:07)和发展成熟(19:07—23:00)两个阶段。初生阶段:3日18:06新乡原阳有23dBz对流回波单体生成,其前侧25km处伴随有弱边界辐合线,30min后该对流回波在原地迅速加强为63dBz强回波,且伴随有中气旋存在,到19:07加强为65dBz的强对流风暴。发展成熟阶段:3日19:32该强对流风暴与山东南部发展起来的强回波连成带状,此时该强对流风暴发展为具有超级单体风暴特征,即前侧有宽阔的入流槽口,中气旋正好位于入流槽口处,其前侧的风暴出流边界与边界辐合线连在一起。正是这一超级单体强对流风暴随后一直维持并迅速向东南移动,19:30后自西向东南影响商丘及以西地区,到22时飑线南端强对流回波发展演变成弓状回波,随后影响商丘地区东南部,直至23:00移出商丘。此次商丘地区强灾害性大风正是飑线回波带上前期发展成的超级单体风暴和后期发展成的弓状回波所造成,在基本反射率因子、径向速度和谱宽等雷达产品上具有明显的演变特征。使用逐6min雷达产品和逐分钟自动加密站资料,对其形成机制和演变特征分析如下:4.1两边界辐合线初始对流回波特征从郑州雷达基本反射率产品连续动画可见,此次强对流风暴生成前表现出多条边界辐合线从太行山下来并缓慢东南移,17:24开始在淇县和辉县有弱的边界辐合线生成,长垣、原阳到修武有东西向辐合线生成,17:42上述边界辐合线变清晰并缓慢南压;对应两边界辐合线之间径向速度加大,由初始的-12m·s从6月3日不同时刻边界辐合线与初始对流回波演变可见(图7a),18:12有35dBz小块回波在两边界辐合线之间生成,6min后发展加强为53dBz,13min后发展加强为58dBz,18:31已发展加强为强中心63dBz的强回波,且开始出现中气旋,前侧已有弱的入流槽口特征,可见对流回波发展非常迅速。对应逐分钟自动站风场可见(图7b),17:36在兰考、中牟到偃师一线存在弱风向辐合线,其北侧的长垣、封丘、原阳到武陟一线有风速辐合线生成且一直维持,36min后于18:12在风速辐合较强的原阳激发出对流单体,然后迅速发展,到18:25加强为53dBz的强对流风暴。4.4阵风锋演变与强对流天气对应关系此次商丘强飑线一直有中气旋和阵风锋伴随,使得强对流风暴具有典型的超级单体强风暴特征,中气旋一直位于其前侧入流槽口处,其后侧强下沉气流支和前侧阵风锋共同造成商丘强烈雷暴大风。图9给出6月3日17:30—22:46阵风锋演变与强对流天气对应关系,结合河南省逐分钟加密观测资料分析知,阵风锋伴随对流风暴生成和发展,与地面辐合线重合,以30~50km·h弓形回波是产生地面非龙卷风害的典型回波结构,分经典弓形回波(BE)、弓形复合体(BEC)、单体弓形回波(CBE)和飑线型弓形回波(SLBE)四类。此次影响商丘的强飑线回波带在6月3日21:51后发展为飑线型弓形带状回波图10是22:21商丘雷达观测的基本反射率和径向速度产品,从中可清晰看到该弓形回波属于典型的飑线型弓状回波带,后侧有明显的下沉气流急流通道(也即下沉气流入流槽口(黑色箭头所指)),夏邑位于弓形回波顶端偏右,大风区(中心径向风速高达+42m·s5信号特征的分析此次飑线回波带在前期主要由一个超级单体风暴和多个多单体风暴组成,后期在商丘东北部演变成弓形带状回波。径向速度图上,飑线回波带一直伴随有中气旋、辐合系统、辐合线、低层大风区等特征。从6月3日不同时刻商丘地区各站强天气出现时对应的雷达基本反射率因子和径向速度特征可见(表1),大风出现在阵风锋附近、风暴前侧入流槽口及后侧弱回波区内,以及径向速度场上的低层大风区、辐合线后侧和中气旋附近等地;大风区离辐合线越近,风速越大,随着阵风锋离风暴主体距离的增大,造成的大风风速逐渐减小。说明利用雷达产品结合加密探测资料分析,对强飑线造成的雷暴大风具有明显的监测和预警作用。6生态和筛选特征(1)此次商丘强飑线属于河南省典型的东北低涡类强对流天气,东北冷涡后部横槽引导高空冷空气南下,加强了河南省北中部上冷下暖的对流不稳定层结,地面中尺度辐合线是该过程的触发机制。(2)此次强飑线是在强到中等以上垂直风切变环境下发生的,3日20时郑州和徐州探空站0—6km垂直风矢量差为21.6、11.8m·s(3)此次过程具有典型的中尺度特征,地面一直有中尺度辐合线和干线存在,辐合线后侧有明显的中尺度雷暴高压、中尺度低温中心、正负变压变温中心对和大的变压变温梯度等,大风发生在地面中尺度辐合线和人字形辐合线后侧,流场具有明显的辐散特征;在商丘强飑线期间,逐时变压变温及其梯度均达到最强,为灾害性大风提供了动力抬升机制和强烈不稳定条件。商丘强飑线沿干线生成发展,中层干冷空气的侵入和风暴内部强下沉气流在商丘造成非常强的冷堆,强冷堆是造成商丘地区强烈雷暴大风的直接原因。(4)风速风向的辐合和地形作用产生边界辐合线,初始回波沿边界辐合线生成、发展和加强;商丘大片超折射回波预示该地大气层结存在干暖盖,为飑线移到商丘爆发强对流天气积累了大量不稳定能量;强飑线回波带在前期主要有一个超级单体风暴和多个多单体风暴组成,后期演变成弓形带状回波;基本反射率上有阵风锋(或雷暴出流边界)、前侧入流槽口、弓形回波、后侧下沉气流入流槽口等特征,径向速度场上有中气旋、低层大风区、辐合系统和中层径向辐合等典型特征,谱宽对应有大值谱宽区,对流扰动明显。这些均是灾害性地面大风的监测预警特征。(5)风暴承载层风向由西南风转为西西北风和风速加大增强了垂直风切变,加快了飑线移动速度。强雷暴高压的形成与500、700hPa24h显著降温及高空强冷平流以及飑线后侧中层冷空气夹造成的蒸发冷