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一次早春冷锋风雹天气过程分析

更新时间:2009-03-28

0 引言

2016年4月3日在江西省东部地区出现一次范围广、对流程度强、灾害较严重的风雹强对流天气过程,受强对流天气影响江西省东部地区多地出现雷暴、强降水以及大风,其中4月3日10:18景德镇出现极大瞬间西西北风19.8 m/s、10:21浮梁18.8 m/s、11:07德兴出现极大瞬间西西北风19 m/s、11:53鹰潭出现极大瞬间西北风19 m/s、14:37星子出现极大瞬间东北风17 m/s、18:17吉安出现最大直径4 mm的冰雹、21:24永丰出现极大瞬间西西北风风18 m/s。多地出现5 min降水超10 mm,其中景德镇10:20的5 min降水量达14.3 mm,浮梁10:20的5 min降水量达11.8 mm、10:25的5 min降水量达15.4 mm,德兴11:15的5 min降水量更是高达16.0 mm。强雷暴、大风、强降水给多地广大人民群众的生命财产带来巨大损失。本文主要研究影响景德镇区域内的强对流天气过程。

对于江西的强风雹天气,许多专家均有研究[1-9],许爱华提出中国强对流天气基本类别为冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类、高架对流类。高空冷平流强迫类的典型特征是:中高层强干冷平流加强并移到边界层内暖性的辐合带中。暖平流强迫类主要源于低层强烈的暖湿平流。斜压锋生类是中低层冷暖空气强烈交汇产生的深厚对流。准正压类多发生在夏季副热带高压外侧,局地受热不均起主要作用。高架对流类的特征是强的西南急流在边界层内的冷垫上被抬升,不稳定能量是来自700 hPa以上[1]。并提出了暖区强对流[2]和冷区强对流[3]的预报指标。总结了江西8种强对流天气的天气形势与典型云型特征,指出斜压扰动云系尾部强对流云型、冷锋前强对流云带常常和低层较强空气活动有关。当低槽经向度大,低层槽前暖平流显著时易出现斜压扰动云,其尾部出现强对流天气。中尺度对流云团易在锋前异常暖中心和不稳定中心合并发展成。而高空低槽后部、副热带高压边缘、东风波3种类型则和中高层干冷空气及中低纬天气系统相互作用关系较大。高空负变温或水汽云图的“暗区”、移近低层辐合系统、高空出现辐散气流和辐散状卷云时,MCS强烈发展[4]。马中元研究了江西对流风暴的9种触发系统与形成机制,分别为冷锋、静止锋、850 hPa切变线、850 hPa能量锋、中尺度对流云团、中尺度地形辐合线、雷暴冷堆、冷出流边界和局地锋区[5]。指出,在雷达回波上表现为南北走向的回波带结构,当回波强度≥50 dBZ、回波出现不断合并现象、强回波水平尺度较大、具有“指状”或“弓状”回波结构,以及出现陡直“零值线”和VIL超过50 kg/m2时,最易发生强雷电天气[6]。地面形成温度梯度较大的温度锋区,飑线形成前期南侧出现多条平行短带“梳状”回波特征,飑线移动前方不断产生具有“前伸”、“TBSS”和假象回波结构的局地雹云超级单体回波群将有冰雹灾害[7]。并将江西致灾大风天气主要有3种类型:1)与飑线回波带和超级单体等雷达回波系统相伴随的雷雨大风天气;2)与冷锋雷暴回波带和冷空气大风相伴随的混合大风天气;3)由雷暴下沉气流触发、中高空动能下传和气压梯度风共同作用产生的无降水致灾大风[8]。并详细分析了九江一次无降水致灾大风过程,指出500 hPa冷涡槽后强大的西北气流、925 hPa辐合线和异常3 h变压是造成无降水致灾大风天气的主要影响系统,中尺度对流云团在消散过程中,强烈下沉气流冲击地面形成阵风锋,即使对流云团消散后,这股下沉气流仍惯性移动并影响下游数百千米[9]。这些均为本文研究强风雹天气过程提供了理论依据与参考。

1 强风雹过程的环流背景

1.1 冷暖势力交汇

2016年4月2日20:00 700 hPa上空,长江以北的宜昌、武汉、安庆为西南风,风力分别为8 m/s、12 m/s、16 m/s,而长江以南的长沙、南昌为西南风16 m/s和18 m/s。12 h之后,宜昌、武汉转为西北风,风力均为10 m/s。西南风转西北风,表明显冷空气势力增强,并向江南扩展。而江南西南风速加大,长沙由16 m/s增至28 m/s,且风向有所逆转,表明南风分量增加明显。南昌由18 m/s增至20 m/s。表明江南暖湿气流也更加强盛。冷暖空气在江南北部交汇,为强对流天气的发生提供了有利的环流背景(图略)。

1.2 切变线趋于明显皖东南有低涡生成

2日20:00,850 hPa湖南东北部至江西北部有切变线生成,但辐合力量不强,切变线以南长沙、南昌西南风8~12 m/s。3日08:00,切变线以北的宜昌、武汉、安庆由弱的偏西风或偏东风转为偏北风,风力也由2~4 m/s增至6~8 m/s,而切变线以南的西南风增强,长沙由12 m/s增至26 m/s,南昌由8 m/s增至12 m/s,衢州由6 m/s增至14 m/s。切变线趋于明显,以北的北风分量加大,以南西南风增强,即切变线附近的辐合力量明显增强。而同时,位于安徽中部的低涡东移至皖东南-浙北,而且构成低涡环流的测站风力由2~4 m/s增至6~8 m/s,旋转加速,涡度明显加大。多个例子表明[10],皖东南的低涡对于景德镇市出现强天气有明显促进作用(图略)。

1.3 5 500 m高空南昌至衢州一线有强西南急流

3日08:00 500 hPa南昌-衢州-洪家一线有强西南急流生成,急流中心风速达32 m/s,且其以南或以北的西南风均较这一带弱,即5 500 m附近高空南昌-衢州为西南急流轴。高空急流轴附近由于气流加速,会带来明显的抽吸效应,有利于地面和低层的上升运动发展。同时,从长沙-南昌-衢州,西南风依次增强,也形成了较为明显的辐散流场,高层辐散也有利于强对流天气的发生、发展(图略)。

1.4 中层有干舌

3日08:00中层700 hPa、850 hPa长沙西南风强劲,但却存在明显干区,温度露点差大,(T-Td)850=11 ℃、(T-Td)700=11 ℃,即中层有干舌。干舌前部为大范围的T-Td<1 ℃的水汽饱和区,干空气侵入饱和区,有利于水汽凝结,潜热释放,增强了上升运动,为强对流天气的维持、发展提供了“催化剂”(见图1干舌)。

[3]   许爱华,何财福,刘献耀.春季冷区”冰雹天气分析及预报[J].江西气象科技,1999,22(1):14-16.

1.5 地面有冷空气侵入

4月2日20:00,地面冷高压位于河套地区的顶部,中心气压1 027.5 hPa。江南有倒槽发展,倒槽由贵州经湖南中部伸向赣北、皖南、浙北,倒槽前端的低压中心位于贵州省西部,为1 007.5 hPa。地面冷空气受高空东北部沿海大槽引导下向南侵袭,3日08:00前沿冷锋到达赣北,14:00进入赣中,即在此冷锋南下的过程中,位于赣东北的景德镇市出现了大风、强降水、强雷电等强对流天气(见图1冷锋)。

  

(图中虚线为地面气压场)图1 2016年4月3日08时中分析

2 探空图特点

1.了解现实问题。为了让学生全面了解问题,主动参与课堂教学,笔者为学生播放相关视频纪录片,学生在感到震撼的同时,也对环境污染问题有了更深入的了解,产生了掌握相关词汇的迫切欲望。

这也是当年创建七兵堂的初衷,为了让更多的退伍军人能有尊严,2007年,退役后的谢清森与另外六名退役特种兵发起成立济南特种兵保镖护卫中心,历经沿革更名为现在的七兵堂。

  

图2 2016年4月3日08:00探空图(左:南昌,右:衢州)

3    强对流天气的多普勒雷达与风廓线雷达特征分析

3.1 多普勒雷达

3.1.1 “弓形”飑线 9:51在测站以西有一“弓形”飑线。强回波呈南北走向,呈“弓形”分布。南北长约80 km,宽1~5 km,回波强度大部为50~60 dBz,最强点达63 dBz(见图3:A、B)。回波快速自西向东移动,9:51-10:03,12 min内,飑线主体由距雷达站30 km移至15 km,通过换算,强回波移速达20 m/s。景德镇市区、浮梁雷达站位于曲率最大的“弓形”前方。10:18、10:21,“弓形”飑线移过景德镇市区、浮梁本站,造成超短时强降水与雷雨大风天气,极大风速景德镇市区19.8 m/s,浮梁18.8 m/s。景德镇10:20的5 min降水量达14.3 mm,浮梁10:20的5 min降水量达11.8 mm。

3.1.2 速度场上出现中层径向辐合(MARC) 9:51速度图上,飑线与≤-15 m/s的负速度区对应,正对雷达本站的最强负速度达-20 m/s,而且在雷达站西北部36.7 km处有速度模糊点,通过换算,径向速度达34 m/s。飑线前方有一团正速度区,最强风速达7 m/s,正负风速之差达20~27 m/s,与飑线对应的负速度区形成了集中的径向辐合区,而且该辐合区在2.4°及以上的高仰角也存在,即有中层径向辐合(见图3:C、D)。中层径向辐合代表了由前向后的强上升气流和后侧入流急流之间的过渡区。俞小鼎[12]指出,在比较大的环境垂直风切变条件下,产生地面直线型大风有一个共同的预警指标是出现中层气流辐合。

3.2.1 辐合系统过境 出现强对流天气之前,有辐合系统过境。10:20-10:25,0.42~0.88 km由西南风18 m/s转为西北风16 m/s,1.3~1.8 km,也有西南风转西北风,西南偏西风更大,达20 m/s,但转变时间为10:25-10:30,滞后5 min。1.8~3.9 km、4.6~4.9 km也有明显的西南风转西北风的特征,南风和北风的风力均达16 m/s以上,气流转换时间与1.3 km以上一致。与本站强对流发生时间对比,南北气流转换时,即辐合系统过境时出现了强天气。而从底层至5 000 m高空,气流转换时间基本一致,只是1.3 km以上要滞后5 min,说明辐合系统陡直,对强天气发展有利。而在强天气发生之前,有强西南风下沉现象,10:10,≥18 m/s的西南风下沉至1.3 km,10:15,18 m/s的东南风、西南风下沉至0.42 km和0.6 km。强西南风下沉标致着低层暖平流与风垂直切变的增强,为强天气的发生提供了水汽和维持机制。而从100 m的风速看到,雷达本站出现大风时,底层风力仅为6 m/s附近,系统过境后,偏北风力增大至8~10 m/s,风力较本站地面大风明显偏弱。其原因可能是雷暴出流边界主要沿近地面向前传播,大风层较薄,所以强对流天气持续时间不长。

3.2.3 垂直风 垂直风图像表明,在强对流之前,从底层至中层有几乎连续的上升运动,随着强天气的临近,上升运动主要集中底层200 m以下,而一旦下沉气流接地,预示着强降水的发生。

4月3日08:00南昌与衢州的探空图上,中层400 hPa附近有干区,特别是衢州(T-Td)400=18 ℃,与700 hPa以下T-Td<1 ℃的饱合区一起构成“喇叭口”[11]的典型有利大风出现的空间结构,“上干下湿”有利于对流天气的形成与发展。同时,通过对各层天气要素的计算[11],南昌、衢州SI(沙氏指数)达-3.6 ℃、-2.1 ℃,θse(850-500)(假相当位温850 hPa与500 hPa之差)分别达15.8 ℃、9 ℃,表明赣东北的气团处极不稳定状态。而K指数南昌、衢州又分别高达37 ℃、38 ℃,850 hPa露点温度达16 ℃、14 ℃,在4月份K指数达到37 ℃以上,表明不稳定能量很大,Td850=16 ℃即水汽条件极好。这些要素条件表明赣东北气团处极不稳定状态,同时不稳定能量强、水汽条件充沛,在有一定条件的抬升机制触发下,极有可能出现强对流天气。而底层为东北风,风力不到4 m/s,500 hPa南昌、衢州西南风高达26 m/s、32 m/s,0~5 km垂直风切变高达30 m/s,高强度的垂直风切变有利于强对流天气的发展与维持,这也是此次强风雹天气从赣北至赣中长时间维持的原因之一。

  

A:1.5°仰角9:51基本反射率;B:1.5°仰角10:03基本反射率;C:1.5°仰角9:51径向速度;D:1.5°仰角10:03径向速度图3 2016年4月3日景德镇多普勒雷达回波图

3.2 风廓线雷达

在肿瘤细胞中分别瞬转空载体和B7-H3真核表达载体,分别于转染48 h以及72 h后收集细胞,提取蛋白,通过western blot方法检测周期相关蛋白。在MDA-MB-231细胞中过表达B7-H3可使cyclin E的表达下降,而cyclin A和p27的表达上升。说明细胞周期被阻滞在了G1/S期。

  

图4 2016年4月3日9:15-11:10浮梁站风廓线

3.2.2 急流脉动 早在4月2日16:00,4 km附近高空就有强西南急流建立,风力达20 m/s以上;之后,中层强西南急流伴随着整个强对流天气过程的发生、发展和消亡,其中西南急流有明显的3次下沉。2日23:00,28 m/s的西南急流下沉至0.5 km,3日06:00,14 m/s的西南急流下沉至1.0km,和3日10:15,18 m/s的东南风、西南风下沉至0.42 km和0.6 km。3次下沉也伴随着3次南风转北风过程,即表示有3个辐合系统过境,与浮梁本站及附近区域站实况对比,每个系统过境时均有不同程度的降水天气发生。2日23:30-23:40雷达站降水量7 mm,而且23:00-24:00浮梁区域站三龙乡出现30 mm以上强降水。3日06:15-06:25雷达站降水量6 mm。10:15-10:25雷达站降水量27.2 mm。

3日10:00-10:20,3.15~4 km高空,出现了急流明显增强的脉动现象,特别在3.2~3.5 km西南偏西急流一度达40 m/s以上。中层急流的脉动,大大增强了测站上空的水汽条件、垂直风切变条件与辐合系统,导致了强降水与雷雨大风的发生,也是第3次辐合系统过境时较前2次天气变化剧烈的主要原因之一。

  

图5 2016年4月3日9:15-11:10浮梁站风廓线

此次风雹天气过程,从较明显的MARC出现到强天气发生,有近30 min的预警时间,即可通过MARC的形成提前30 min做出景德镇市大风的预报。

  

图6 2016年4月2日12:00-3日11:10浮梁站风廓线雷达垂直风速产品

4 结论

本文利用高空图、地面图、探空图与多普勒雷达、风廓线雷达等资料对2016年4月3日影响江西的强风雹天气过程进行了分析,结论如下。

1)冷暖空气交汇、 切变线趋于明显、皖东南有低涡生成、5 500 m高空南昌至衢州一线有强西南急流、中层有干舌、地面有较强冷空气侵入是此次强风飑天气发生有利的环流背景。

2)探空图表明,赣东北气团处极不稳定状态,同时不稳定能量强、水汽条件充沛,0~5 km垂直风切变高,在冷锋、中低层切变、高低空急流等条件的触发下,江西中北部出现了持续的大风、强降水等强对流天气。

3)多普勒雷达分析表明,快速东移的“弓形”飑线导致了景德镇市的强对流天气,中层径向辐合的识别可以提前做出大风的预报。

4)风廓线雷达上强对流天气发生前后有辐合系统过境,地面大风出现前有强西南急流下沉,3~4 km高空伴有急流脉动,西南偏西急流一度高达40 m/s。

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参考文献

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[2]   许爱华,张瑛,刘献耀.江西“暖区”强对流天气的热力和动力条件诊断分析[J].气象,2001,27(5):30-34.

夜已好深了。我站起身,从橱柜取出那个用细布裹着的小包,把细布一层一层打开,拿出小碗,撩起衣襟里外擦拭一遍,就往里倒清油。碗底淹过,新搓根捻子浸到油里,点着后果然清亮,还烧出一丝油香。我把灯盏搁到缸里水上,半身探入缸中,盯着那一豆亮莹莹的火苗,轻声唤起了我的狼剩儿。

[4]   许爱华,马中元,叶小峰.江西种强对流天气形势与云型特征分析[J].气象,2011,37(10):1185-1195.

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[5]   马中元,张瑛,马晓琳,等.江西对流风暴触发系统与形成机制探讨[J].自然灾害学报,2010,19(3):19-26.

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尽管如此,柯克伍德、W.兰斯·班奈特和莫雷·埃德尔曼(W.Lance BennettΜrray Edelman)等学者也认为可以通过特定的手段让人们看到简单叙述中看不到的可能性(转引自Baker 2006:162-163),这为我们未来的外宣翻译留下了一扇希望之窗。要改变现状,我们或许可以从以下角度入手:

[10]   陈鲍发,黄龙飞,周芳,等.冷空气与地形在台风_海葵_特大暴雨过程中的作用分析[J].江西科学,2015,33(2):195-202.

[11]   朱乾根,林锦瑞,寿绍文,等.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社,2008:401-437.

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[12]   俞小鼎,姚秀萍,熊廷南,等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京:气象出版社,2006:130-180.

 
陈凤英,蔡俊峰,陈鲍发,黄龙飞
《江西科学》 2018年第02期
《江西科学》2018年第02期文献

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