秦皇岛一次强对流天气过程中风暴的生成与发展

秦皇岛一次强对流天气过程中风暴的生成与发展

月8日麻黄城市地区例如，来自偏远天气的灾害天气的正确报警不仅与风的强度和结构的发展和变化密切相关，而且与风的运动密切相关。风暴运动是平流运动和传播运动的合成,平流运动是指风暴单体随着风暴承载层平均气流的方向移动,在风暴某侧由新生单体引发的风暴运动称为传播,由于传播效应,使风暴整体运动偏离风暴单体的运动方向2016年6月8日下午秦皇岛市大部地区出现雷雨天气,局部伴有强降雨、大风及历史罕见的大冰雹等强对流天气。冰雹过程持续时间较长,冰雹直径一般为1—2cm,其中抚宁留守营乡冰雹直径最大达3cm(据灾情调查中村民描述最大冰雹有乒乓球大小,直径约为4cm),段店区域自动气象站(距抚宁留守营10.0km左右)30min内监测到53.3mm的降雨量及26.3m·s本文通过雷达资料及地面、高空和自动气象站等观测资料,利用四维变分(TheFour-DimensionaVariation,4DVAR)方法对此次河北省东北部地区产生降雹的多单体风暴的发展、移动和传播进行了深入研究,总结了此次强对流天气发生的背景和触发机制,分析了超级单体的结构特征,剖析了影响风暴单体后向传播和右移的原因,探讨此次强对流天气过程中冰雹预警的合理性,为今后此类强对流天气的预警提供参考。1数据和方法1.1天气背景及应对难点2016年6月8日08:00(北京时间,下同)500hPa高空(图1a),深厚的东北冷涡位于黑龙江省北部地区,华北地区受冷涡后部的西北气流控制,河北省东北部地区处于冷温槽中,低层925—850hPa河北省东北部地区则处于自河套向东伸展的暖脊中,850hPa与500hPa的温差为29℃。1000—925hPa比湿达8—10g·kg基于以上天气背景、环境对流参数及本地强对流天气概念模型,可以判断河北省东北部地区午后有冰雹、大风及短时强降水等强对流天气发生的潜势。但由于抬升触发机制不能确定,同时各种数值模式均未预报出降水,因此强对流的具体落区和对流类别预报难度较大,午后需密切监视雷达,同时结合地面中尺度温、压、湿、风场的变化,做出较准确的临近预警。实况表明,8日下午14:00,零散的对流云团在北京市东部地区、河北省北部地区、河北省与辽宁省交界处出现,并沿着高空西北气流向东南方向移动,沿途有雷暴和零星降水出现,在8日15:00—18:00造成秦皇岛地区出现短时强降水、冰雹及大风等强对流天气,局地性非常强。雷达监测显示,对流单体生成后,沿着西北气流向东南方向移动,但到达秦皇岛附近时开始向西南方向移动,出现后向传播,导致外推预警失误。以下应用加密自动气象站观测资料和四维变分方法对多单体风暴的生消演变过程进行详细分析。1.2分散4d方法的精髓采用Sun和Crook2结果分析2.1对流天气过程在秦皇岛地区此次强对流天气过程初始阶段,地面辐合线位于承德市东南部、秦皇岛市东部和辽宁省西南部3个地区的交界处,风暴单体在交界处附近生成,然后随着风暴承载层(700—500hPa)的平均气流方向(东南方向移动)平流移动。平流过程中,地面辐合线向南移动,又有多个对流单体生成,并连成尺度为100.0km左右的中尺度对流系统,个别风暴单体加强演变为超级单体,移动路径出现向右偏移。后期超级单体逐渐减弱,多个风暴单体生成,后向下沉气流连续向后传播触发出新的风暴单体。最后辐合线减弱消失,对流天气过程结束。此次强对流天气过程雷达共自动识别出100多个风暴单体,通过人工分析雷达回波演变,剔除雷达识别有误的风暴单体,最终选取21个持续时间大于30min,中心回波强度大于45dBz,并对秦皇岛地区有影响的相对较明显的风暴单体(表1),其中Q0、K0和P0等3个超级单体出现明显的右移特征,有12个单体是通过后向传播方式生成发展的。以下根据此次强对流天气过程21个对流单体的生成原因、发展强弱、移动路径分为3个阶段分析讨论。2.1.1对流触发区域识别由2016年6月8日上午的高空和地面天气形势可知(图2),河北省东部地区已建立了不稳定层结,低层水汽条件也好于周边地区;8日12:00—14:00辽宁省和河北省交界处的地面风场存在非常明显的地面辐合线,同时与辐合线相配合的还有露点锋,叠加高温区域后,综合显示河北省东部地区为对流触发区域。雷达监测显示8日12:30河北省东部地区有对流单体生成,随后2h内B0、C0、G0、F0、K0、P0和Q0风暴单体在辐合线附近先后生成,且多单体雷暴群的移动方向为西北—东南方向(图3a和3b)。根据8日08:00和20:00乐亭站500hPa与700hPa探空资料可知(图1b),风暴承载层的平均气流(引导气流)为西北风(风向315°),风速为11.0m·s2.1.2日16:188日14:36—15:12,Q0、K0、P0等3个单体周边基本没有较明显的对流单体生成,且3个单体基本沿着引导气流做平流运动。但8日15:12开始(图3c),K0、P0和Q0单体先后出现向右偏转的移动路径(图4),运动路径明显出现风暴右移特征(表1),15:30均出现中气旋并发展成为超级单体,且中气旋特征伴随较长时间(间断性出现在17个体扫)。雷暴云移动规律之一是在原来云体前部增生新云,而后部消散,结果显示是云在前进2.1.2.k0和p0的上升和传播方向一般情况下,超级单体的上升运动多发生在入流一侧,通过4DVAR反演可见,8日15:24在K0单体的右前侧和左前侧均有风向的辐合(图5a),由图可知,K0单体右前侧和左前侧也均存在上升运动(图5b红色矩形框),K0单体右侧的上升运动是偏西入流和出流辐合形成的(图5b的n1侧),但由于K0和P0单体距离较近,二者风场结构组合成了一个中β尺度的低压,中心位于P0单体的右侧和K0单体的前侧;受此影响,在K0单体左前侧(与P0单体连接的区域)也存在上升运动(图5b的n2侧),但强度小于其右前侧,因此K0单体新云发展区域主要为其移动方向的右前侧,因此整体向右偏移,但受到左侧上升运动的影响,整体向右偏移的程度略有减小。此时P0单体入流气流转为西南略偏南,上升区域位于P0单体的右侧(图5c中的红色矩形框),其新云发展区域在右侧,即传播方向为西南向,因此P0单体的合成运动为偏南方向。与此同时,K0和P0单体的风场相互作用,为单体后续的合并提供了基础条件,8日16:12,K0和P0单体合并,并再次加强(图3d)。2.1.2.单体q0的传播—2单体Q0的偏移和传播Q0单体从8日15:24前后出现偏移后,随后经历了向右偏移和接近平流运动的多次变换,根据移动偏移程度将Q0单体移动过程分为5个阶段(图4中Q0的移动路径),对Q0单体的入流和上升气流进行剖面分析。选取8日14:48、15:36、16:06、16:36和17:12共5个时刻分别代表5个阶段(图4中Q0的移动路径上的黑色圆点),通过4DVAR反演对比分析5个时刻的入流和单体右侧0.5—5.0km的上升气流表明,15:36和16:36(图6f和6h)两个时刻的上升速度相对较明显,而这两个时刻也是Q0单体传播运动和右移特征明显的时刻。由于第5阶段是Q0单体逐渐减弱的阶段,其入流气流变为东南风,上升运动主要位于其运动方向的正前部,因此第5阶段上升运动的发展没有造成Q0单体右移运动。通过对K0、P0、Q0单体的上升运动、路径偏移和传播运动的分析发现,超级单体右侧上升运动的强弱与其传播运动和右移偏差紧密关联,当超级单体右前侧的上升气流发展较明显时即会出现传播运动,传播运动与平流运动合成后,导致实际运动出现向平流运动的右侧偏移,其传播示意见图7a。对上升运动的位置进行分析发现,当风暴加强为超级单体时,其阵风锋靠近超级单体,在超级单体的中低层(0.5—5.0km),出流与入流形成的辐合上升运动主要位于回波强度为15—30dBz的边缘区域,而低层较强回波区域多为下沉气流。适当的阵风锋位置及上升和下沉运动的分离确保了超级单体可以维持长时间的发展,出现传播运动。2.1.3布署后向传播大力推行风暴单体—多单体风暴后向传播(8日16:24—18:36)8日16:10前后Q0单体出现明显的下沉气流,其附近的地面区域自动站15min内气温下降了11.3℃,并出现17.0m·s随后的8日17:00—18:00,在秦皇岛西北部和西南部地区存在风向的辐合,Q2和M2单体生成并产生下沉气流,并以后向传播方式在各自的后侧和右后侧触发生成两组后向传播(图3g和3h),分别为:Q2-T2-W2、M2-Q3-W3。综上可见,后向传播发生时的基本特征为:风暴单体强度比超级单体略弱,但强于普通单体,由于只有较强的风暴单体才能产生明显出流阵风锋;风暴单体的移动方向与风暴承载层的平均气流(引导气流)方向基本相同或偏移较小,且风暴单体移动速度小于平均气流速度;后侧传播触发区域存在风向的辐合,出流阵风锋是其触发机制。通过对三组后向传播运动的矢量分析,在发生后向传播的过程中,平均气流运动、传播运动和风暴运动三者同样满足矢量运算,如图7b所示。与超级单体出流和入流形成的上升运动比较可知,在多单体后向传播的过程中,成熟风暴单体后侧的出流阵风锋远离该单体,并在15.0—20.0km处触发生成新的独立对流单体,而成熟风暴单体逐渐减弱消失。2.2回波单单体风暴和超级单体右移关系在此次秦皇岛地区强对流天气过程中有3个超级单体生成(Q0、K0和P0),具有长时间的中气旋特征,其回波强度ET(EchoTops)、垂直累积液态水含量(VerticallyIntegratedLiquid,VIL)的最大值也均高于其他风暴单体,尤其持续时间达4h的Q0单体,出现了有界弱回波区、前侧V型缺口、旁瓣回波及三体散射等冰雹雷达回波的特征。除3个超级单体外,B2、K2、L2、T2、W2和D3单体虽然未出现中气旋,其移动路径也均偏离了平流运动方向的右侧,出现了右移特征,进一步分析这些单体的雷达回波结构,发现均有弱回波区,且VIL和ET等参数也表明这些单体为相对较强的风暴单体。因此,较强的风暴单体和超级单体均可以出现右移特征,但超级单体的右移更明显。由表1可见,当回波强度≥60dBz、ET≥11.0km及垂直累积液态水含量的密度(VerticallyIntegratedLiquiddensity,VILd)(VIL与ET的比值)≥3.6g·m此次强对流天气过程中风暴单体的移动路径变化复杂,结合此次过程预警发布的合理性和及时性及此类强对流天气的预警关键点进行探讨。在此次强对流过程的初始阶段,对流单体局地生成后,基本沿着西北—东南方向移动,随后多单体风暴发展为3个独立单体。按照外推方法,8日14:00—14:20发布秦皇岛东部和东北部地区的冰雹强对流预警较合理,此阶段预警发布的依据是风暴单体强度还未达到强风暴单体或超级单体,以平流运动为主。当普通单体演变为超级单体,其垂直风场强于对流层环境风场,传播运动开始起主导作用,8日15:20前后K0、P0、Q0单体出现明显的右移转向,且3个单体发展成为超级单体,此时应更新预警范围,包含超级单体转向影响的区域。此阶段预警发布的关键点为中气旋的出现,在超级单体形成后,要及时根据上升气流的位置和强弱考虑其移动路径向右偏移的程度,对预警区域补充更新。后期,8日16:30由成熟风暴单体后侧下沉气流造成的阵风锋向后运动,在辐合区域触发新的对流单体,出现明显的后向传播,预警区域需再次更新和扩大。此阶段预警发布的关键点为风暴单体后侧阵风锋的出现,要根据自动气象站的气温和风向的突变确定后向传播的发生区域。针对以上3次预警的发布,如能及时发现超级单体的右移和多单体的后向传播运动,根据传播运动的矢量估算,8日15:20和16:30的冰雹强对流预警更新时间可以提前20—30min,但在对流初期,第一次发布冰雹强对流预警的时候即可以预测全区域的范围难度较大。3风暴单体出流结果及回波后向传播分析(1)秦皇岛地区此次强对流天气过程中多单体风暴天气过程是在上干冷、下暖湿的层结条件下发生的,订正后的临近探空站数据对午后强对流天气的预报具有一定的指示意义。地面辐合线和露点锋为此次强对流天气的触发机制,地面要素综合分析表明辐合线、露点锋和30℃范围的叠加区域是发生强对流天气的潜势区。(2)区域自动气象站气温的骤降和风向的突变是确定风暴单体出流阵风锋的有效方法。(3)4DVAR方法有效弥补了雷达径向速度产品的不直观问题。当风暴加强为超级单体时,其阵风锋靠近超级单体,强回波中心区域为下沉运动,辐合上升运动主要位于超级单体边缘的15—30dBz回波强度区域内,上升运动的位置有利于超