鲁西北地区一次暴雨过程雷达及卫星云图特征分析

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  摘要 利用多普勒天气雷达资料和FY2E卫星资料,对2015年8月2—4日发生在鲁西北地区的一次暴雨天气过程进行雷达回波及卫星云图特征的综合分析。结果表明:造成此次暴雨的单体多为低质心单体风暴,强中心高度都在0°层以下,降水效率高。回波主体的尾端前部易生成新的单体;大暴雨的发生与单体位置的稳定少动有直接关系。弓形回波后部有明显的后侧入流缺口,前部易出现阵风锋。VWP产品可以看出,强盛的低空及超低空急流为暴雨发生提供水汽和能量,干冷空气侵入到低层后,强降水发生;冷空气减弱或者低空西南急流能量再次下传扩展到低层时,降水减弱。深厚的逆风区可以加强局地的辐合上升运动,起到暴雨增幅的作用。上游生成的形状规则、边缘光滑的对流泡需加强注意,更容易生成强盛的中尺度对流云团。云核分裂预示着云体消亡。
  关键词 暴雨;低质心单体风暴;风廓线MCC;卫星云图;鲁西北地区
  中图分类号 P458.121.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2016)18-0217-04
  暴雨是在有利的大尺度环流背景下,由中小尺度天气系统产生的[1]。气象学者在暴雨方面做了许多重要研究。赵 宇等[2]利用观测资料和数值模拟结果,研究了2005年7月22—24日华北地区特大暴雨过程中中尺度对流系统的形成、维持及其结构特征;刘 娟等[3]利用阜阳CINRAD-SA多普勒雷达等资料对2005年7月16日淮北地区的一次强风暴天气进行了弓形回波分析;张京英等[4]利用新一代天气雷达风廓线资料分析了高低空急流与暴雨的关系。本文利用新一代SA天气雷达资料、FY-2E卫星资料等对2015年8月2—4日发生在鲁西北的暴雨局地大暴雨过程做综合分析,为新一代雷达产品在天气分析和预报中的应用提供参考。
  1 过程概述
  这次暴雨从8月2日中午自鲁西北地区北部开始,山东省分布呈现北大南小,有明显阶梯分布特征。过程最大降水量为322.3 mm,出现在惠民气象站。惠民气象站2日20:00 1 h内降水量达102.5 mm。暴雨前,风力突增,温度骤降(图1)。
  2 雷达分析
  2.1 回波演变特征
  2日14:33,滨州北部地区及沧州一带局地出现零散强回波,回波向东北方向移动中合并发展;15:44回波合并成整体后开始南压,南压过程中,回波的西南方向不断有局地强回波生成,并与回波合并;17:18,回波移动方向前部出现明显出流边界;19:10,强回波整体移动至惠民、滨北、利津西部一带,结构紧凑,呈带状。对流回波带中由于各单体移动速度和移动方向不同,单体与单体之间构成弥合回波群,集中在惠民地区形成很强的降水,为弥合型回波系统。此外首尾两端速度变化,首端移动快,尾端移动慢,强回波位于惠民境内维持少动,使惠民1 h内出现102.3 mm强降水。21:09,强回波移过滨州城区后结构趋于松散。阶段性强降水间歇。
  对比第二、三阶段的降水过程,回波的演变与第一阶段情况类似。回波主体形成带状结构后(或者过程中),主体的尾端前部不断生成新的单体,新单体逐渐并入回波主体,合并加强。回波在局地的长时间稳定少动造成强降水。
  2.2 回波结构特征
  2.2.1 低质心风暴。图2为19:17对沿雷达回波带强中心轴做的反射率剖面和速度剖面图。从反射率剖面图可知,回波带强中心轴分布多个强对流单体,单体强度一般都在50 dBZ以上,靠近最大降水点惠民气象站的强度达60 dBZ,回波顶高度达15 km。各单体质心高度在5 km以下,向下几乎与近地面相接,这些对流单体属低质心风暴,降水率极高。对应其速度剖面图可知,在雷达站西北近处(滨北、惠民、阳信交界一带)近地面有极大的向着雷达的负速度,达-25 m/s,而在3 km以上为离开雷达方向有约13 km/s正速度,形成了“低入高出”的垂直方向的速度配置,且速度中心距离仅在3 km以内就达到了接近40 m/s的反向速度差,表明其垂直切变强,有利对流的加强发展。而水平方向,雷达站西北侧为明显的入流速度,正北侧为出流速度,在滨北一带形成了逆时针的水平辐合。低层辐合中心是这种暴雨系统的典型特征。
  同一时次,沿着雷达站与最强负速度区做反射率和速度的垂直剖面(图3)。虽然受到静锥区的限制,但单体强中心的质心高度也在5 km左右,后部存较弱的单体,发展高度较低,单体强中心距离雷达站20 km左右。从速度剖面来看,在单体强中心位置出现了明显中层径向辐合,高低空反向速度差达30 m/s。单体强中心前部有上升气流,越过强对流区后转为下沉气流,形成逆回波移动方向的垂直环流圈。单体后部约10 km处有冷空气从底层补充侵入,加强了对流发展的可持续性。中尺度垂直环流的存在是暴雨发生的重要判据。
  2.2.2 弓形回波。2015年8月3日6:26,自沧州东南至德州西南部形成“弓”形回波,东移过程中,首尾移动速度仍然差距较大;8:36,首端基本移至东营地区,而尾端仍然位于德州至聊城一带,滨州处于回波带中间,回波整体呈反向“S”型带状结构,北端仍为“弓”形回波(图4)。在弓形回波的后部可以看到明显的后侧入流缺口,表明存在显著的下沉气流,对应8:30的地面加密资料,也可以看出缺口附近的地面风场为辐散场。另外,桓台、邹平一带受阵风锋影响,短时风力较大;9:12,回波结构破坏,强度减弱,处于消散阶段,至下午14:00,滨州中北部县区以小量级降水为主。
  2.3 风廓线特征
  暴雨发生前自底层向高层为一致的西南气流,850 hPa(1.5 km附近)西南风速在12 m/s以上,达到了低空急流的强度,同时600~900 m存在着风速12 m/s以上的超低空急流。2种急流的存在为暴雨形成提供了充足的水汽条件和能量。18:30前后,冷空气从边界层入侵,随后迅速扩散,此后1 h内,对流层中下部风场均转为西北风且上层的风向不连续性减小,表明冷空气势力较强;从风场垂直结构来看,风随高度发生逆转,冷平流明显,同时低层受到地面辐合影响,转为偏北风。此时正值暴雨暴发阶段。20:30后,1 500 m以上率先转为西南风,强度较强,达到低空急流强度,低空急流动量下传,21:00前后,整层风场转为稳定西南风后,降水减弱。   2日夜间受西南风影响,高层短时有弱偏北风。3日5:00前后,300~600 m之间逐渐由偏南风转为偏东风控制,在雷达站附近产生偏东风与偏北风的地面辐合线,雷达站处于辐合线前部偏东风区中,风廓线监测与地面自动站加密资料的风场一致。700 hPa(约3 km处)西南风由12 m/s增强到16 m/s,并向下传递,使900 m以上偏南气流都有明显加强,说明暖湿低空急流伸展极为深厚。7:30前后,冷空气再次从边界层侵入,继续扩散,对应第二阶段暴雨发生。8:50,2.4 km高度以下风场转为西北风,低层风场稳定。10:11之后,700 hpa低空急流动量下传,西北风垂直风场厚度逐渐减小,12:00后,大气层自下而上基本转为西南气流,降水减弱明显。
  第三阶段降水发生前,边界层风场较弱,为偏东风,而3.5 km以下的低空急流持续存在,且3.7~7.0 km之间西南风风速达20 m/s,持续为鲁西北地区输送水汽和能量。3日18:28前后,300~600 m率先转为干冷东北风,冷空气再次侵入底层,对应该时段惠民出现短时强降水(31.6 mm/h);19:27底层西北风达到稳定后,受低空急流下传影响,势力开始减弱;23:00后风场垂直转为一致的西南气流,降水趋于结束。
  综上所述,前期低空急流较强,风场结构相对稳定,冷空气侵入后,垂直方向连续的风场结构受到破坏,能量开始暴发,强降水发生,冷空气减弱或低空西南急流能量再次下传扩展到底层时,降水减弱。强降水发生在冷空气入侵时段。
  对比前2次暴雨阶段同时次的济南雷达站的风廓线图可以看出,济南雷达站低层为西南气流,滨州雷达站为西北气流,两者在鲁西北地区产生辐合区,且2种风场强度都达到了急流标准,说明辐合较强(第一阶段的辐合层次更为深厚),近地面的强辐合也在暴雨发生过程中起到重要作用(图5)。
  2.4 逆风区分析
  第一阶段暴雨过程径向速度图可以看到明显逆风区存在。2日19:17,在惠民境内和滨北西北观察到逆风区。惠民境内逆风区由下向上尺度变小,随时间变化各个不同层次的逆风区开始分裂,分裂成直径1~3 km的小逆风区群系。而滨州北部逆风区,由下向上尺度变大,4.3°仰角上逆风区直径达3 km左右,属中γ尺度。19:23,滨北西部的逆风区层次加深,自0.5~6.6°仰角之间都出现逆风区,逆风区两侧与周围风场分别组成了1对辐合、辐散和局地垂直环流,有利局地上升运动的维持和加强。通过几个体扫的逆风区恰好对应着强对流单体,表明深厚的逆风区可加强局地的辐合上升运动,有利于对流单体发展,起到暴雨增幅作用(图6)。
  3 卫星云图分析
  2日14:30,在沧州境内和无棣北部局地生成2个直径为20 km左右的对流泡,叠加该时次的地面自动站加密风数据,也可以看到2个对流泡均产生在中尺度辐合线附近。2个对流泡合并加强形成对流云团,并向东北方向移动,16:30中心移至滨州北部沿海地区,直径扩展到200 km,覆盖渤海湾西部一带。随后云团呈东北-西南方向扩展并加强,但从云顶色调判断,云体内部强中心趋于南北分离状态,南部强中心逐渐覆盖滨州北部大部分地区,并长时间维持少动,造成滨州大范围的强降水暴发。22:30,云团继续东移南压,强度减弱,此时降水强度也明显减弱。23:30,南北云团逐渐分离,北部对流云团向移动至渤海海峡附近后强度开始减弱南压影响半岛地区,南部云团逐渐消失。第一阶段暴雨过程结束。
  2日23:30前部云团趋于减弱,位于太行山脉中部生成新的对流泡。初始云团呈圆球状,结构紧凑,周围散乱云系较少,直径在20 km左右。云团发展东移过程中,其前部有小的对流云团发展。3日5:30球状云团追上前部新生云团合并加强为规则的球状大型云团,直径在300 km左右。7:30,云团强中心压到鲁西北地区,滨州中北部再次出现强降水,多个站点6 h降水超过50 mm。9:30后,云体结构趋于松散,南端强度减弱,北端加强东移。12:30,南端云系脱离主体,位于惠民、阳信上空,滨州西北部弱降水得以持续。
  前部云系脱离主体时,山西南部产生新对流云团。3日14:30,衡水发展的对流云团东移影响德州西部,而山西南部地区在初始云团四周发展形成了密集对流泡群。16:30,对流泡群合并加强为形状规则体积巨大的中尺度强对流云团,强度很强,具有明显“冷云盖”特征,强中心位于河南西北部地区。此时,自鲁西北经鲁西延伸到河南西北边界,存在一系列的对流云团和新生对流泡。随后对流云团相互合并,东移加强。18:30,“冷云盖”面积不断扩大,云顶亮温<-32 ℃的冷云区面积2.29×105 km2,<-52 ℃冷云罩面积1.43×105 km2,云核移至鲁西地区,强中心云顶亮温为-76.2 ℃,滨州惠民县上空也发现云顶亮温也达到-72 ℃。表明云顶发展高度极高,云体内部垂直运动旺盛。此时云体呈东北-西南向的类椭圆形态,并向偏东方向移动,云核向鲁西北方向移动[5-8]。
  对比3日19:30的红外云图和20:00地面6 h降水资料,暴雨落区基本都在强中心轴上。此后,云体强度维持向东北方向移动,其边缘更加光滑。21:30,云核强度和面积略有减弱,滨州大部分地区处于云核后方,降水强度减弱。23:30,云体面积减小,边缘开始松散,云顶亮温明显升高,处于消亡阶段。直至4日1:30,云系基本移出鲁西北地区,此次暴雨过程逐渐结束(图7)。
  4 结语
  造成此次暴雨的单体多为低质心单体风暴,强中心高度都在0°层以下,单体间连接紧密,具有明显的半螺旋上升结构,降水效率高。此次暴雨过程中,回波主体形成带状结构后(或者过程中),主体的尾端前部易生成新单体,新单体逐渐并入回波主体,合并加强。大暴雨发生与单体位置稳定少动有直接关系。弓形回波后部有明显后侧入流缺口,表明存在显著下沉气流;前部易出现阵风锋,短时风力较强。VWP产品中可知,强盛的低空及超低空急流为暴雨发生提供水汽和能量,而干冷空气侵入到低层后,触发不稳定能量,强降水发生;冷空气减弱或低空西南急流能量再次下传扩展到低层时,降水减弱。强降水发生在冷空气入侵时段。深厚逆风区可以加强局地的辐合上升运动,有利于对流单体发展,起到暴雨增幅的作用。新生对流云的发展及合并有利于降水的增强。上游生成的形状规则、边缘光滑的对流泡需加强注意,更容易生成强盛的中尺度对流云团。云核分裂预示着云体消亡。
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