2017, Vol. 36
2. 中国气象局气象探测中心, 北京 100081;
3. 山东省气象台, 济南 250031
对流风暴中的冷性下沉气流到达低空并向外扩散, 与低层暖湿空气交汇而形成的中尺度边界, 即阵风锋或者出流边界, 当它过境时, 常伴有气压增高、气温降低和风向突变及风速急变等特征, 锋后有明显的地面辐散, 在天气雷达探测中, 阵风锋是飑线常见的特征(Biggerstaff and Jr Houze, 1993; Jr Houze et al, 1989; Quan et al, 2014)。阵风锋还表现为雷暴前沿的出流边界、弓形回波前沿的一条或多条呈弧形窄带回波, 阵风锋带来的强风切变及湍流都会对低空飞行的飞机造成毁灭性的灾害; 阵风锋的出现也易触发新风暴的发展, 如果与现存对流系统交汇, 则会促进对流系统的发展, 并可能引发破坏力更强的灾害(张培昌等, 2002; 李柏, 2011)。胡文东等(2015)研究雷达资料中阵风锋初生、发展、运动情况, 认为可提前1 h左右发现触发新生对流征兆。美国在20世纪80年代提出了基于天气雷达的阵风锋识别算法(Delanoy and Troxel, 1993), 中国学者也对阵风锋开展了相关研究, 阐明了阵风锋的空间结构、类型及其特征, 探讨了阵风锋窄带回波的形成机制, 提出了阵风锋的主观识别方法(席宝珠等, 2015; 夏文梅等, 2009; 袁子鹏等, 2011; 徐芬等, 2015)。郑佳锋等(2013)利用较低仰角的雷达资料识别出阵风锋, 并进行外推做出了对大风的预报。张涛等(2013)研究发现阵风锋产生的瞬时大风与窄带回波的强度值不一定成正比。中层径向辐合(MARC)对阵风锋的产生有提前预示作用, 提前量为30 min左右, 辐合持续时间越长, 阵风锋生命史越长。在3~7 km的范围内速度差达到25~50 m·s-1, 则MARC特征被认为是显著的(李柏, 2011)。姚叶青等(2008)研究飑线系统中的阵风锋发现, 如果阵风锋与雷暴间的距离基本保持不变时, 雷暴强度变化不大, 如果远离雷暴, 雷暴将迅速减弱。刘勇等(2007)研究表明阵风锋可以由单个或多个雷暴单体产生, 雷暴群所产生的阵风锋持续时间长, 但强度不一定强。当地面水平风速大于17. 9 m·s-1、中空气流向下、地面气流为辐散或直线型的灾害大风定义为下击暴流, 在多普勒径向速度图上有明显的辐散特征, 而阵风锋没有, 阵风锋锋前有明显辐合特征(李柏, 2011; 刁秀广等, 2011)。
目前, 我国的阵风锋研究分析中, 山东地区的阵风锋分析研究较少。本文利用济南多普勒天气雷达资料和山东高时空分辨率的自动站资料, 对2015年7月14日发生在山东的一次阵风锋的演变特征进行分析, 从而加深对阵风锋引发大风的认识, 提高对阵风锋引发大风的预报预警能力。
2 天气形势与实况受500 hPa西南气流和低空切变线共同影响, 2015年7月14日13:00(北京时, 下同)-16:00, 山东中西部地区出现强对流天气, 德州、聊城、济宁、济南、菏泽等地出现冰雹、雷暴大风天气, 风力一般7~8级, 最大风力达到10级; 2个大监站出现10级大风, 德州市武城县观测站极大风速为24. 7 m·s-1, 出现在13:11, 德州市陵县观测站极大风速为25. 9 m·s-1, 出现在13:25;去掉可疑的站点, 共有6个中尺度站出现10级大风, 分别是平原的王杲铺观测站极大风速为27. 4 m·s-1, 大蔡观测站极大风速为27. 9 m·s-1, 高唐的琉璃寺镇观测站极大风速为27. 6 m·s-1, 德州的黄河涯观测站极大风速为25. 7 m·s-1, 德州市禹城县的梁家、齐河的刘桥两个观测站极大风速都为28. 4 m·s-1。
2015年7月14日天气背景见图 1。08:00, 500 hPa图(图 1a)上, 华北南部上空处在西南气流区, 850 hPa图(图 1a)上, 华北中部存在东南风与偏北风的切变线, 湿舌由海上伸到华北南部区域。从济南章丘探空站08:00的温度对数压力图(T-logP)(图 1b)来看, 上层较干, 低层湿度较大; 400 hPa高度以下风速较小, 垂直风切变也较小, 根据08:00时探空资料, 0~2 km垂直风切变为2. 9 m·s-1, 0~6 km垂直风切变为3. 2 m·s-1, 不利于组织性较强的风暴产生; K指数较小(25 ℃), 不利于强降水形成; 沙氏指数SI=-5. 13 ℃, 对流有效位能CAPE=914 J·kg-1; 850 hPa与500 hPa温差ΔT=30 ℃, 有利于对流风暴的形成。分析地面资料可知, 08:00(图 1c)在冀、鲁、豫三省交界地区有中尺度辐合区, 12:00(图 1d)演变为西南东北向的中尺度辐合线, 地面中尺度辐合触发了该次强对流天气。
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图 1 2015年7月14日天气背景 (a) 08:00中尺度分析, (b) 08:00济南章丘探空站的温度对数压力图(T-logP), (c) 08:00地面风场, (d) 12:00地面风场 Figure 1 The weather background on 14 July 2015. (a) mesoscale analysis at 08:00, (b) T-logP plot over Zhangqiu station, Jinan at 08:00, (c) the ground wind field at 08:00, (d) the ground wind field at 12:00 |
分析阵风锋上对应的自动气象站所测极大风速发现, 在13:00之前极大风速小于16 m·s-1, 13:00-14:10极大风速大于16 m·s-1, 最大风速接近24 m·s-1, 14:20之后极大风速小于16 m·s-1。因此将阵风锋风暴分为三个阶段进行分析, 13:00之前为形成发展阶段, 13:00-14:10为阵风锋强盛阶段, 14:10之后为阵风锋减弱阶段。
3.1 阵风锋形成发展阶段图 2是济南雷达产品图, 图 2a是12:01组合反射率因子, 图 2b是图 2a中最强风暴的演变趋势, 图 2c是12:13时次0. 5°仰角反射率因子叠加12:00-12:20之间的极大风速, 图 2d是13:00 0. 5°仰角反射率因子叠加12:00-13:00之间的极大风速。济南雷达探测资料表明, 11:38在河北南部枣强至武邑一带有对流回波生成并快速发展, 12:01发展成西南东北向、长度约80 km的回波带, 向东南方向移动, 逐渐靠近山东(图 2a), 此时强单体最大反射率因子(DBZM)达62 dBZ(图 2b), 强中心高度(HT)为6. 0 km, 顶高(TOP)达13. 1 km, 基于单体的液态含水量(C-VIL)为55 kg·m-2。在12:13, 济南雷达0. 5°仰角反射率因子出现弧状窄带回波即阵风锋, 已影响到山东(图 2c), 位于德州和成武北部, 窄带回波所处高度1. 2~1. 4 km, 此时中尺度站监测到的极大风速12 m·s-1。之后阵风锋向东南方向移动, 同时沿阵风锋一带的极大风速也逐渐增大, 13:00阵风锋极大风速达到16 m·s-1左右(图 2d), 还没有出现17. 2 m·s-1以上极大风速, 同时还可以看出, 阵风锋向前明显凸出区域风力最大。阵风锋影响武城大监站时间约在12:20, 12:23实测极大风速为15. 8 m·s-1。阵风锋影响夏津大监站时间约在12:50, 12:50和12:51实测极大风速分别为13. 3和15. 9 m·s-1。12:13-12:54阵风锋移动距离约30 km, 由此推算其移动速度约45 km·h-1。风暴生成后迅速发展, 并在其移动方向的左侧有新单体生成发展, 在12:00前后发展成带状回波, 12:25之后带状回波右侧迅速减弱, 左侧发展成团状回波(图 2d), 12:07-13:00风暴最大反射率因子呈缓慢增大趋势, 由57 dBZ逐渐增大到61 dBZ, 单体顶高呈降低趋势, 而强中心高度维持在5 km左右高度, C-VIL呈下降趋势。
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图 2 2015年7月14日12:01济南雷达组合反射率因子(a), 最强风暴的演变趋势(b), 12:13 0. 5°仰角反射率因子叠加12:00-12:20之间的极大风速(c)及13:00 0. 5°仰角反射率因子叠加12:00-13:00之间的极大风速(d) Figure 2 The combination reflectivity factor at 12:01 (a), the evolution trend of the strongest storm (b), 0. 5° elevation reflectivity factor at 12:13 and the maximum wind speed during 12:00-12:20 (c), and 0. 5° elevation reflectivity factor at 13:00 and the maximum wind speed during 12:00-13:00 (d) detected by Jinan radar on 14 July 2015 |
从叠加了13:00-13:20极大风速的济南雷达13:11 0. 5°仰角反射率因子(图 3)可以看出, 此时阵风锋经过陵县至高唐一带, 阵风锋前沿出现17. 2 m·s-1以上的极大风速, 风速达22 m·s-1左右, 达到9级风力。平原县张华站13:11风速为19. 2 m·s-1, 腰站在13:12风速为21. 7 m·s-1, 三唐站在13:14风速为22. 5 m·s-1。13:19, 阵风锋到达陵县, 陵县自动站测得24. 0 m·s-1的地面大风, 13:23阵风锋到达高唐县固河镇等地, 造成固河镇19. 5 m·s-1的8级大风, 13:29阵风锋到达新店等地, 造成新店19. 1 m·s-1的8级大风。13:11反射率因子显示, 风暴前进方向的右侧、出流边界的后侧, 有新生单体开始迅速生成、发展, 出现右向传播, 形成左右两个风暴群(图 3b), 旺盛阶段两者从强度、强中心高度和顶高上没有明显差异, 而实况是左侧风暴群前方阵风锋上的极大风速明显大于右侧风暴群前方阵风锋上的风速。13:35-14:00左侧阵风锋经过德州临邑和禹城部分地区, 先后在临邑县临盘站、林子站和临南站造成23. 5 m·s-1、20. 2 m·s-1和20. 4 m·s-1大风天气, 而右侧阵风锋经过高唐、齐河一带, 极大风速基本小于16 m·s-1。叠加了14:00-14:10极大风速的济南雷达14:10 0. 5°仰角反射率因子(图 3c)显示, 此时阵风锋前沿风力已减弱, 仅有1个站出现18. 7 m·s-1左右的极大风速。此阶段阵风锋移动距离约50 km, 移动速度约为50 km·h-1, 大的风速基本出现在阵风锋中心左侧。从图 3d~f是低仰角平均径向速度产品可以看出, 左侧风暴群中强风暴W2在其演变过程中, 其后部低层下沉气流出现由弱变强、再由强变弱的变化, 12:48单体W2后部3. 0 km左右高度上出现≤-20 m·s-1的径向速度, 13:17后部径向速度出现速度模糊, 实际径向速度≤-28 m·s-1, 13:47后部径向速度迅速减小, 实际径向速度≥-10 m·s-1。左侧风暴后部低层径向速度绝对值的增大, 说明后部入流加强, 造成左侧风暴群下沉气流更加强烈, 同时使得阵风锋风力也明显增大, 而右侧风暴群则没有出现后部径向速度明显增大的现象。此阶段左侧风暴群中单体W2生命史最长, 达60 min左右, 强度也维持较强的状态。
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图 3 2015年7月14日济南雷达反射率因子与径向速度 (a) 13:11 0. 5°仰角反射率因子叠加13:00-13:20极大风速, (b) 13:47 0. 5°仰角反射率因子叠加13:00-14:50极大风速, (c) 14:04 0. 5°仰角反射率因子叠加14:00-14:10极大风速, (d) 12:48 1. 5°仰角径向速度, (e) 13:17 1. 5°仰角径向速度, (f) 13:47 2. 4°仰角径向速度, (g) 14:16 0. 5°仰角反射率因子叠加14:00-14:20极大风速, (h) 15:08 0. 5°仰角反射率因子叠加15:00-15:10极大风速 Figure 3 The reflectivity factor and radial velocity detected by Jinan radar on 14 July 2015. (a) 0. 5° elevation reflectivity factor at 13:11 and the maximum wind speed during 13:00-13:20, (b) 0. 5° elevation reflectivity factor at 13:47 and the maximum wind speed during 13:0014:50, (c) 0. 5° elevation reflectivity factor at 14:04 and the maximum wind speed during 14:00-14:10, (d) 1. 5° elevation radial velocity at 12:48, (e) 1. 5° elevation radial velocity at 13:17, (f) 2. 4° elevation radial velocity at 13:47, (g) 0. 5° elevation reflectivity factor at 14:16 and the maximum wind speed during 14:00-14:20, (h) 0. 5° elevation reflectivity factor at 15:08 and the maximum wind speed during 15:00-15:10 |
通过叠加了14:00-14:20极大风速的济南雷达14:16 0. 5°仰角反射率因子(图 3g)及15:00-15:10极大风速的济南雷达15:08 0. 5°仰角反射率因子(图 3h)可以看出, 14:10之后阵风锋前沿极大风速均小于17. 2 m·s-1, 之后阵风锋前沿极大风速逐渐减小, 至15:10极大风速减弱到14 m·s-1左右, 15:20之后, 阵风锋消失在泰山山区。14:11-15:08阵风锋移动距离约45 km, 移动速度约为45 km·h-1。
此次阵风锋有3 h左右的生命史, 造成阵风锋的强单体交替变化, 图 4a为最强单体的风暴参数演变及阵风锋所致大风, 图 4b为武城和夏津自动气象站实测气压和温度的变化。阵风锋上极大风速为阵风锋所在自动气象站测到的最大极大风速, 变化情况见图 4a中红色折线所示, 阵风锋上极大风速具有较明显的脉动性, 前期风速较小, 旺盛期迅速增大。图 4a显示, 在阵风锋形成发展阶段和旺盛阶段, 最强单体的风暴参数维持较大的数值, 阵风锋减弱阶段, 最大反射率因子强中心高度和风暴顶高及单体的液态含水量(C-VIL)都出现了明显下降。在强盛阶段, 最强单体的最大反射率因子基本在60 dBZ左右, 强中心高度(HT)在4 km左右, 顶高(TOP)大于9 km, 基于单体的液态含水量(C-VIL)在40~60 kg·m-2; 在减弱阶段, 最大反射率因子在56 dBZ左右, 强中心高度(HT)在3 km以下, 顶高(TOP)在9 km以下, 基于单体的液态含水量(C-VIL)在30 kg·m-2以下, 风暴强度明显减弱, 因此相对应的下沉气流及阵风锋风力也相应减弱。分析武城和夏津气象站气压、气温变化(图 4b)可知, 阵风锋过境时, 12:20-12:26武城站气压由998. 8 hPa上升到1000. 1 hPa, 而气温由36. 2 ℃下降到31. 1 ℃, 12:50-12:56夏津站气压由999. 0 hPa上升到999. 4 hPa, 而气温由36. 0 ℃下降到30. 6 ℃。所以, 阵风锋过境时两站都出现了方向突变风速骤增、气温迅速下降和气压涌升的特征, 但夏津气象站气压上升幅度较小, 说明阵风锋后部的高压随着阵风锋的移动逐渐减小。
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图 4 2015年7月14日最强单体风暴参数演变及阵风锋所致大风(a)和武城和夏津气象站所测温度、气压变化(b) Figure 4 The storm parameters evolution and strong wind caused by the gust front (a) and the temperature, pressure measured by Wucheng and Xiajin meteorological stations (b) on 14 July 2015 |
实际上部分观测站极大风速中的最大值不是出现在阵风锋过境前后, 而是出现在阵风锋过后冷流气团中, 即后继的雷暴下沉气流也可造成更大的地面大风。以武城和陵县大监站观测数据为例进行分析。武城测站在阵风锋过境后两次出现风力达到9~10级的大风天气, 12:49风向为339°、风速为23. 9 m·s-1, 13:11风向为31°、风速为24. 7 m·s-1; 分析雷达反射率因子发现, 12:42阵风锋远离武城15 km左右(图 5a), 同时也没有风暴经过武城, 12:49的极大风速应该是西北方向的强风暴I2强下沉气流所为, 其演变趋势(图 5b)显示, 单体I2的液态含水量(C-VIL)从11:55的6 kg·m-2经过两个体扫后跃升到57 kg·m-2, 回波顶高达到13. 2 km, 同时57 dBZ的强中心高达5. 6 km, 12:13 C-VIL高达65 kg·m-2, 回波顶高达到12. 3 km, 58 dBZ强中心高度下降到3. 8 km, 强中心由较高的高度迅速下降, 可能导致下击暴流的出现。12:31-12:42单体强中心高度又一次迅速下降, 同时在12:36-12:42单体顶高也出现迅速下降趋势, 说明较强的下击暴流已经开始出现, 约10 min达到武城测站, 产生23. 9 m·s-1大风天气; 12:30-12:42武城站气压由1000 hPa上升到1000. 5 hPa, 气温持续下降到29. 2 ℃(图 4b), 说明阵风锋过后有持续的冷空气继续影响; 12:49虽又出现23. 9 m·s-1的极大风速, 气温一直持续下降, 但气压并没有上升反而略有下降。13:06阵风锋远离武城30 km(图 5c), 其东北方向有多单体风暴存在, 其中最强的单体W2演变趋势(图 5d)显示, 12:54-13:00最大反射率因子(DBZM)由57 dBZ增大到61 dBZ, C-VIL由41 kg·m-2增大到48 kg·m-2, 而单体顶高和强中心、质心高度是下降的, 说明单体在发展的同时产生下击暴流; 单体W2右侧的另一强单体F3在13:00-13:06也出现了类似情况(图略), 最大反射率因子(DBZM)由57 dBZ增大到60 dBZ, C-VIL由30 kg·m-2增大到34 kg·m-2, 单体顶高和强中心、质心高度也同时出现下降, 而且强中心高度下降的更为迅猛, 由6. 4 km下降到2. 5 km; 两个强单体的共同作用, 于13:11在其西南方向的武城产生更大的东北方向大风天气(24. 7 m·s-1), 气压又出现涌升, 但幅度明显减小, 气温持续下降(图 4b), 同时, 13:13在其前方的中尺度站——黄河涯站产生25. 7 m·s-1的极大风速, 13:20在王杲铺站产生27. 4m·s-1的极大风速。陵县观测站在13:14、13:19、13:25和13:48分别出现了15. 8 m·s-1、24. 0 m·s-1、25. 9 m·s-1和27. 6 m·s-1的极大风速, 风向均在300°左右; 从图 3a可以看出, 13:11阵风锋前沿正好经过陵县, 13:14产生的7级大风为阵风锋所致, 后继的大风则是以风暴W2为主的风暴群持续的下沉气流所产生; 从13:41反射率因子图上(图 5e)可以看出, 陵县处于多单体风暴的正前方, 其中最强的风暴W2演变趋势见图 5f, DBZM一直维持60 dBZ左右, 单体顶高及强中心高度、质心高度出现明显波动, 说明风暴在维持强盛状态下, 地面不断出现风力不等的下击暴流。从右侧风暴群的两个强风暴R3和N3的演变趋势(图 5g, h)可以看出, 其风暴强度与左侧风暴群的W2没有明显差别, 但所致大风差别较大, N3和R3影响区域实测最大的极大风速为19. 5 m·s-1, 进一步的分析发现, N3和R3风暴后部没有出现强后部入流(图略)。
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图 5 2015年7月14日0. 5°仰角济南雷达反射率因子(a, c, e)及强风暴演变趋势(b, d, f, g, h) (a) 12:42雷达反射率因子, (b) 图 5a中强风暴I2的演变趋势, (c) 13:06雷达反射率因子, (d) 图 5c中强风暴W2的演变趋势, (e) 13:41雷达反射率因子, (f, g, h) 图 5e中强风暴W2、R3、N3的演变趋势 Figure 5 The reflectivity factor (a, c, e) 0. 5° elevation of Jinan radar and the evolution trend of the stronger storm (b, d, f, g, h) on 14 July 2015. (a) reflectivity factor at 12:42, (b) the evolution trend of the stronger storm I2 in Fig. 5a, (c) reflectivity factor at 13:06, (d) the evolution trend of the stronger storm W2 in Fig. 5c, (e) reflectivity factor at 13:41, (f, g, h) the evolution trends of the stronger storm W2, R3 and N3 in Fig. 5e, respectively |
(1)2015年7月14日发生在山东中西部地区的强对流天气是在有利的天气形势背景下产生的。低层暖湿, 高层干冷, 具有强的不稳定条件, 地面中尺度辐合线触发了该次强对流天气。
(2) 阵风锋演变特征表明, 12:00-13:00是阵风锋形成发展阶段, 极大风速小于16 m·s-1。13:00-14:00是阵风锋发展旺盛阶段, 阵风锋产生了8~9级大风天气, 最大的极大风速达到23. 5 m·s-1, 旺盛阶段阵风锋左侧风速明显大于右侧风速。14:00-15:20是阵风锋减弱消散阶段, 移速减慢, 风力逐渐减弱。阵风锋形成发展阶段和旺盛阶段风暴参数维持较大的数值, 最大反射率因子维持在60 dBZ左右, 强中心高度在5 km左右, 单体顶高在9 km以上, 单体液态含水量(C-VIL)在40 kg·m-2以上。阵风锋减弱阶段, 最大反射率因子强中心高度和风暴顶高及C-VIL都出现了明显下降。逐分钟气压变化表明, 阵风锋后部的高压随着阵风锋的移动逐渐减小, 阵风锋后部冷区的持续下沉气流虽能产生较大的风速, 但所产生的高压强度明显偏弱。
(3) 风暴演变特征表明, 风暴具有先左向传播后右向传播的特征, 形成左右2个风暴群, 共同维系着阵风锋的发展与持续。左右风暴群的强度、顶高等参数差别不明显, 但所致大风却差别较大。左侧风暴群所致最大风速为27. 6 m·s-1, 其前方阵风锋上最大风速为24 m·s-1, 右侧风暴群所致最大风速为19. 5 m·s-1, 其前方阵风锋上最大风速为16 m·s-1左右。径向速度分析表明, 左侧强风暴后侧低层存在大的后部入流, 可导致风暴后部产生较强的下沉气流, 从而在地面产生较强的下击暴流及强的阵风锋。
致谢 非常感谢山东省气象台的刁秀广研究员对论文完善做出的宝贵指导及无私帮助。| Biggerstaff M I, Jr Houze R A. 1993. Kinematics and microphysics of the transition zone of the 10 11 June 1985, squall line[J]. J Atmos Sci, 50: 3091–3110. DOI:10.1175/1520-0469(1993)050<3091:KAMOTT>2.0.CO;2 | |
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