海南北部一次雷暴大风过程的天气学特征分析

海南北部一次雷暴大风过程的天气学特征分析

1雷暴大风的环境、条件及防治建议在对抗风灾的灾害田气现象中，雷雷风具有突发性、地方性、强度强大、持续时间短等特点。雷雷风通常会导致农业事故，极端风暴会导致船舱事故、财产损失和人员损失。雷暴大风出现频率高,但预报、预警难度较大,目前基层气象台站主要基于多普勒雷达和区域加密自动站进行监测。雷暴大风产生的环境条件、触发机制和多普勒雷达产品特征是灾害性强对流天气预报研究的重要内容。美国区域性雷暴大风多由镶嵌着弓形回波的飑线造成2雷霆风暴及受害者受海南岛西北部近海的雷暴大风和冰雹的影响,造成儋州市的北部附近海域的人员伤亡和木棠镇的经济作物受损。3由于时间和环境条件3.1立法的风速辐合线2016年4月10日20时,500hPa西风槽位于湖南西部至广西南部,未来缓慢东移过110°E,副热带高压控制南海中部和南部海域;850hPa和925hPa切变线西段南压至广西南部及其沿海地区,850hPa海南岛北部为西南风的风速辐合区;地面锋面到达福建西部至广西南部地区后静止少动,近地层弱冷平流向南扩散,北部湾北部海面形成东北风和偏东风的地面中尺度切变线,由于海陆风效应,海南岛中北部地区也存在一条中尺度辐合切变线(海风锋),为东北风和偏南风的辐合;200hPa副热带西风急流轴在25°N附近,急流中心风速达到56m/s,海南岛处于高空急流分流区下方(图2)。海南岛北部和华南沿海位于500hPa槽前、低空急流左前侧、低层切变线南侧、高空急流分流区下方和地面静止锋南侧,处于低层辐合和高层辐散的有利于对流发展的较大范围上升气流区。3.2对流系统调查分析10日20时,海口站T-lnP图显示(图略),温度和露点层结曲线呈现喇叭口型,500hPa存在明显干层,850hPa接近饱和;850hPa和500hPa的温度差为29℃,SI指数为-3.6℃;海南岛北部地区大气层结具有较强的条件不稳定性。通过卫星云图和多普勒雷达回波分析,造成这次海南岛雷暴大风的对流系统是在北部湾北部海面生成,然后在自西向东移动的过程中加强;10日20时,广东、广西的中南部SI指数均为负值,大部分地区SI≤-3℃;对流系统移动路径上的大气层结均为条件不稳定,有利于对流系统持续加强。判断强对流潜势的两个重要对流参数分别是对流有效位能CAPE和水平风的深层垂直切变。为了判断造成此次海南岛雷暴大风的对流系统的强对流潜势是否有利,我们选取最具有代表性的广西北海探空站的资料进行分析,该探空站位于静止锋前、雷暴初始出现位置的上游。10日20时北海探空显示(图3),CAPE值为1100J/kg,0~6km(地面~500hPa)风矢量差为28m/s,对应的垂直风切变为4.8×10北部湾的北部海面生成的相对较弱的对流风暴在自西向东移动的过程中,经过中等强度的热力垂直层结不稳定、上干冷下暖湿的温-湿廓线垂直结构、强的深层垂直风切变区域,非常有利于伴有雷暴大风、强冰雹和短时强降水天气的强风暴(包括超级单体风暴)的组织化发展,并长时间维持。4多单体、弓形回波4月10日21:09,海口多普勒雷达探测到北部湾北部海面不断有对流单体生成,沿着2.1小节中提到的北部湾北部海面的中尺度切变线逐渐排列成东北-西南向的回波带向偏东方向移动;11日00:21,当带状回波移至海南岛西北部海面时,与海面上的新生单体合并加强,继续发展东移。这次雷暴大风过程经历了多单体带状回波阶段(01:24—02:32)和弓形回波阶段(02:38—04:11);04:11以后,弓形回波主体从海南文昌东移出海后,在海口多普勒雷达有效探测距离内强度仍然维持。4.1弓形回波演变特征11日00:21,在带状回波向海南岛西北部海面移动的过程中,各个单体分别得到不同程度的发展。01:24,由3个强风暴东北-西南向排列成的多单体带状回波在距离儋州沿海陆地约25km的西北部近海海面上;多单体带状回波继续东移时造成了海南岛西北部近海和陆地的雷暴大风。图4是11日海口多普勒雷达1.5°仰角01:24—02:38期间4个时刻的反射率因子和对应的平均径向速度演变图,反映了多单体带状回波上A、B、C的3个强风暴的演变过程以及弓形回波的最终形成。11日01:24,强风暴A已发展为超级单体由图5a、5c可知,01:36,强风暴B也发展为超级单体01:36,强风暴C也出现中高层回波悬垂和低层弱回波区,弱回波区的反射率因子梯度偏小,平均径向速度产品(图5b)表现为径向速度辐合,剖面图上存在风暴前侧的入流和后侧较强的下沉气流以及7km以上向着雷达的强速度区(图5d)。01:48(图4),平均径向速度图上出现正、负速度对,但旋转速度没有达到中气旋标准,仅体现为弱切变。01:55—02:07,强风暴C进一步加强为超级单体,其中气旋旋转速度明显增大,其中02:01达到中等强度中气旋的标准,此时超级单体C距离雷达56.5km,旋转速度为21m/s(该中气旋最大正、负速度分别为17m/s、-24m/s)。02:13—02:38,超级单体A衰减,其位于最初形成的弓形回波西南端,中气旋演变为中反气旋,而超级单体B和C合并最终形成弓形回波,其北端和南端分别具有气旋式和反气旋式中尺度涡旋,通常称为“bookendvortex”,或“Lineendvortex”,其形成机理与中气旋明显不同另外,海口多普勒雷达2.4°仰角反射率因子显示(图略),4月11日01:24—01:48,超级单体A持续探测到三体散射和旁瓣回波特征,VIL维持在58~70kg/m4.2弓形回波东移后形成大风期由4.1小节分析可知,4月11日02:38,强风暴B和C合并最终形成这次雷暴大风过程的弓形回波。图4中的海口多普勒雷达1.5°仰角02:38平均径向速度显示,强风暴B和C均出现了速度模糊,各自具有强劲的后侧入流急流,分别为34m/s和39m/s。02:44,强风暴B和C强劲的后侧入流合并为一支入流急流,直至04:11,弓形回波主体从海南文昌东移出海,其后侧入流急流在0.2~2.0km高度上始终维持39m/s。对比1.5°仰角反射率因子,02:38(图4),强风暴B和C合并,初步具有弓形回波特征。03:15—04:11(图6左),回波经过海口继续东移的过程中,弓形回波特征更加明显;弓形回波东移先后造成琼州海峡、海口北部地区出现11级(32.6m/s、31.3m/s)大风和文昌北部地区出现10级(27.6m/s)大风。另外,02:38—04:11,在强风暴B和C合并为弓形回波而后东移过程中,强风暴A始终位于弓形回波的西南侧,与弓形回波一起向偏东方向移动,强度维持在50~55dBz,在03:52造成定安县定城镇发生8级(17.9m/s)大风。总体而言,4月11日海南岛致灾雷暴大风过程伴有大冰雹和短时强降水,在此次大风形成过程中,雷暴周边相对干的空气被夹卷进入雷暴,导致雷暴下沉气流内冰雹升华和雨水迅速蒸发冷却使得下沉气流降温,从而导致向下的加速度,对下沉气流起到了加速作用5多组扭转和弓后旋转的保存原因5.1不稳定因素引起风暴风动力强风暴的长期维持机理11日海南省区域性雷暴大风过程,01:24—04:11以后,多单体带状回波中的A、B、C三个强风暴生命史长达1h,弓形回波维持超过2h,这两种回波的结构及其与环境的相互作用,即强的低层环境风垂直切变和雷暴内部的正反馈机制是风暴系统得以长时间维持的主要原因。多单体带状回波和弓形回波在垂直结构上均表现为风暴前侧的主入流和后侧的主出流错开,风暴前侧的偏东或东南暖湿入流与风暴后侧的冷池出流形成强辐合或中层径向辐合,上升发展区和下沉出流区倾斜依存的自组织结构有利于强风暴长时间发展维持阵风锋与雷暴母体的相对速度或相对距离不同,对其具有不同的正、负反馈作用。席宝珠等海口多普勒雷达风廓线产品显示(图略),10日下午—11日早晨,1.5km高度上维持12~16m/s的西南风急流,2~3km高度上的西南风大于20m/s,0~1.5km和0~2km的低层垂直风切变约为10×105.2中尺度辐合线10日(图8a),近地层海南受西南热低压控制,以偏南风为主;午后随着地面气温快速升高,受海陆风效应影响,海南岛北部地区维持一条东北风和偏南风的β中尺度辐合切变线(海风锋);夜间开始弱冷平流向南扩散,地面β中尺度辐合切变线继续维持。11日(图8b),海南岛大范围的雷暴大风集中出现在地面β中尺度辐合切变线的北侧,即冷区一侧。当多单体带状回波和弓形回波前沿的阵风锋与地面中尺度辐合切变线相遇时加剧了对流风暴的发展6多单体抗暴能力强的阵风锋在雷暴大风中的表现本文对2016年4月11日凌晨发生在海南岛北部近海和陆地的大范围雷暴大风天气过程的多普勒雷达、区域加密自动站和常规资料进行分析,主要结论如下。(1)这次雷暴大风过程发生在500hPa槽前、低空急流左前侧、低层切变线南侧、高空急流分流区以下和地面静止锋南侧,处于低层辐合和高层辐散的有利于对流发展的较大范围上升气流区;对流风暴经过中等程度的条件不稳定和对流有效位能CAPE、上干冷下暖湿的温-湿廓线垂直结构、较强的深层垂直风切变区域,最终组织发展成产生雷暴大风、大冰雹和短时强降水的强对流风暴系统。(2)这次雷暴大风过程经历了多单体带状回波阶段和弓形回波阶段。对流风暴移动路径上的大气环境均具有条件不稳定和强的垂直风切变,多单体带状回波中镶嵌的A、B、C三个强对流风暴中的A和B先后各自发展为超级单体,具有中气旋和有利于雷暴大风产生的中层径向辐合特征;弓形回波是由强对流风暴B和C合并加强而成,其中风暴C中发展的中气旋加强成为弓形回波北部的气旋式中尺度涡旋;这次雷暴大风过程伴有冰雹和短时强降水,干空气的夹卷导致冰雹升华和雨水迅速蒸发冷却对下沉气流起到了加速作用,使得弓形回波后侧的下沉气流急流在0.2~2km高度上始终维持39m/s。(3)多单体带状回波和弓形回波自西向东移动造成了这次大范围雷暴大风过程,其长时间维持的主要原因有:强的低层环境风垂直切变一方面使得对流风暴前侧强劲的暖湿入流与风暴后侧径向风速相当的冷池出流长时间倾斜依存,另一方面使得风暴前沿的新生单体向垂直方向发展,从而有利于对流风暴系统的发展传播;在雷暴大风过程中(01:24—04:11)伴随着多单体带状回波和弓形回波移动的阵风锋与对流风暴的最短距离始终维持在10km左右,阵风锋对对流风暴具有正反馈作用;地面原来存在的β中尺度辐合切变线与阵风锋相遇时加剧对流风暴发展;对流风暴主体回波沿着海南岛北部近海东移,摩擦耗散较小,水汽充沛。2016年4月11日01—05时(北京时,下同)