您好,欢迎来到年旅网。
搜索
您的当前位置:首页一次雷暴大风的物理环境场和多普勒雷达回波特征

一次雷暴大风的物理环境场和多普勒雷达回波特征

来源:年旅网
第29卷第1期 2013年2月 气象与环境学报 J0URNAL OF METEOROL0GY AND ENVIRONMENT VOl_29 NO.1 February 2013 阎访,陈静,卞韬,等.一次雷暴大风的物理环境场和多普勒雷达回波特征[J].气象与环境学报,2013,29(1):33—39. YAN Fang,CHEN Jing,BIAN Tao,et a1.Analysis of physical parameter field and echo characteristics of Doppler radar in a thunder— storm process[J].Journal ofMeteorology and Environment,2013,29(1):33—39.  I一次雷暴大风的物理环境场和多普勒 雷达回波特征 阎访 陈静 卞韬 廖颖慧 张翠华 (1.南京信 g-r程大学大气科学学院,江苏南京210044;2.石家庄市气象局,河北石家庄050081) 摘要:2009年8月27日15—18时,石家庄地区出现雷暴大风灾害性强对流天气过程,石家庄北部新乐县多普勒雷达探 测到了完整的阵风锋、飑线和中气旋等中尺度天气系统,对此次雷暴大风的环境场和多普勒雷达产品进行分析。结果表明:低 层逆温、中低层垂直风切变较强的不稳定层结为强对流天气的发生发展提供了有利环境条件。阵风锋对对流风暴发展强度具 有反馈作用,当二者逐渐远离时,对流风暴强度减弱甚至消亡;当二者逐渐靠近时,对流风暴发展加强,甚至发展为超级单体对 流风暴。多单体对流风暴带状排列构成飑线系统,所经测站出现风速突增、风向急转、气压升高和气温下降,钩状回波、人字形 回波、弓形回波和深厚持久发展的中气旋是天气过程中超级单体对流风暴所具有的典型特征。地面破坏性大风主要由超级单 体对流风暴所引发。 关键词:雷暴大风;物理量场;阵风锋;飑线;中气旋;对流风暴 中图分类号:P458.3 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1673—503X.2013.01.006 示着地面大风的出现,中气旋的出现有加强地面大 风的可能。李国翠等 研究了阵风锋与雷雨大风等 夏季强对流造成的雷雨大风,具有突发性、局地 强对流天气之间的关系,为准确预报雷雨大风的起 性、强度大、持续时间短和破坏力强等特点,是预报 止时间和地点提供了业务参考。陈传雷等 应用常 引言 和防灾减灾的重点,做好强对流天气预报服务、积极 规天气资料和雷达回波资料对辽宁一次区域性暴雨 采取措施防范其危害具有重要现实意义。雷暴大风 进行诊断分析,提出了辽宁区域性暴雨模式。赵俊 是石家庄地区主要的气象灾害之一,尤其是风灾常 荣。 。、王爽等 J、刘维成等 通过分析致灾强对流天 常导致农作物倒伏,进而使农作物减产;大树或树枝 气的多普勒雷达回波演变,总结出一些具有指示意 折断,广告牌刮倒,伤害人及牲畜,造成财产损失,破 义的强对流天气回波特征。诸多气象工作者利用常 坏生态环境,并给人们的社会活动带来不便。近年 规和非常规资料从多个角度研究了强对流天气的发 来,气象工作者对中国错综复杂的强对流天气过程 生发展过程,而鉴于地形差异和强对流天气的复杂 进行了深入研究,并得到不少有益成果。秦丽等 多变,需对多个个例进行深入分析。与以往不同的 从环流形势、探空结构和环境参数特征等方面研究 是,本个例侧重于对引发地面大风的阵风锋、飑线和 了北京地区雷雨大风的天气一气候学特征,指出了 中气旋等中尺度系统的分析,以期从中找出对预报 有利于雷暴大风产生的动力、热力结构以及大尺度 预警具有指示意义的特征。 环流形势特征,并总结出一些对流参数指标。梁爱 2009年8月27日15~18时(北京时间,下同), 民等_2 从大气环境物理量场和雷达特征两个方面分 石家庄地区除平山县外的l6个县(市)出现雷雨、大 析了北京地区的雷暴大风,指出大气可降水量对雷 风强对流天气,其中有13个县(市)出现大风,5个县 暴大风和普通雷暴有较好的指示意义。刘勇等 研 (市)出现飑,东部平原的晋州和辛集风速最大,瞬间  (风力达10级),大部分县(市) 究了陕西中部两次雷暴系统产生的阵风锋,指出阵 最大风速达25 m・s风锋的强度取决于雷暴的强度,雷暴群产生的阵风 遭受不同程度的灾害,简易房屋顶被掀,树木被连根 玉米等农作物大面积倒伏,果树部分落果,个 锋生命史更长。姚叶青等 分析了安徽境内一次典 拔起,损失重大。夏季雷暴大风 型飑线系统演变和结构特征,指出中层明显辐合预 别县(市)出现人员伤亡,收稿日期:2011—09—01;修订日期:2011~l1—3O。 基金项目:2010年度河北省气象局科研开发面上项目“石家庄城市暴雨积水风险评估及防汛决策支撑系统”(10ky21)资助。 作者简介:阎访,女,1974年生,工程师,主要从事灾害性天气预报服务工作,E—mall:sjysy@sina.com。 气象与环境学报 第29卷 属典型强对流天气,各种稳定度指数、能量和动力参 站风速均先后在一段时间内出现突增,而且随着时 阵风强度总体呈加强趋势。对应各县(市) 数能从不同角度反映出强对流天气发生前的大气环 间推移,境状态和条件。另外,由于对流性天气系统的生命 的地理分布也可以得出,大风的强度自西北向东南 史短,范围小,为了能及时监测到对流天气发生的地 逐渐加强,其中加密风自记记录的西北部灵寿县风 东南部辛集最强。 点、时间和强度,做好短时临近预报预警工作,仅靠 力最弱,基于大尺度天气背景场分析的数值产品远远不够, 必须配合使用雷达等探测手段。因此,针对本次强 对流天气过程,利用常规观测资料、地面加密观测资 2.1雷暴大风的环境场特征 2.1.1天气背景 料、探空资料以及多普勒雷达特征资料,应用天气学 2结果分析 分析、雷达气象学方法,试图从表征大气不稳定层结 的物理量场和多普勒雷达产品两个方面来揭示对强 对流天气具有指示意义的要素特征,期望为预报预 警工作提供参考。 1天气实况 2009年8月27日14时,石家庄地区天气晴好, 各县(市)最高气温为32_36℃,位于西北部的平山 县最高气温为36℃。16时后,石家庄地区自西北向 东南开始出现恶劣天气,风速突然加大,灵寿(16: 29)、井陉(16:43)、无极(17:03)、藁城(17:11)、栾 城(17:15)、元氏(17:21)、晋州(17:25)、辛集(17: 34)、高邑(17:36)等9个县(市)先后出现短时大风, 阵风最大风速超20 1TI・S~,其中晋州瞬时最大风速 达25 ITI・S~,辛集瞬时最大风速为24.6 1TI・S一。同 时,大部分县(市)伴有气压突升、湿度升高、温度下 降等地面气象要素变化(图略)和雷暴天气现象,其 中的灵寿(16:37)、栾城(17:27)和辛集(17:46)伴 有冰雹发生。 由于本文侧重于大风的研究,故分析8月27日 16:05—18:o0灵寿、无极、栾城、晋州和辛集气象站 每隔5 min的风速变化(图1)。由图1可以看出,各 北京时f司 +灵寿;——无极;十栾城;一晋州;…--辛集 图1 2009年8月27日16:05--18:00每5 min的灵寿、 无极、栾城、晋州和辛集风速变化曲线 Fig.1 The wind speed variation with 5 minutes interval from 16:05 to 18:00 on August 27,2009 at Lingshou。 Wujj,Luancheng,Jinzhou and Xinji 2009年8月27日08时,500 hPa高空图(图略) 上,亚洲中高纬度为两槽一脊,冷空气不断从贝加尔 湖北部沿高压脊南下影响中国华北。850 hPa上在 40。N及以南地区为暖脊控制。地面贝加尔湖的西部 向南有一明显高压带,高压前有弱冷锋,27日白天锋 面自西北向东南移动影响中国河北省。垂直结构 上,700 hPa和850 hPa及地面冷锋南端为前倾结构, 石家庄地区处于明显上升运动区,具有发生强对流 的动力条件。高空有弱冷空气东移,且500 hPa温度 槽落后于高度槽,有利于高空槽东移发展;低层暖脊 控制、 一 <4 oC。这种上干冷下暖湿的层结结构, 为强对流天气的发生提供了较好的热力条件。 2.1.2表征大气不稳定层结的物理量场 大气不稳定层结是强对流天气发生的必备条 件。选择石家庄地区周边太原、北京、邢台和天津大 港4站的探空资料进行不稳定度分析。 从石家庄地区周围的太原、北京、邢台和大港4 站2009年8月27日08时的T—logP图(图2)上可 以看出,对流层中低层有较强的垂直风切变(风向和 风速),尤其是太原站的西南风与西北风切变,而且 各站风向随高度升高呈顺时针变化,为雷暴大风的 产生提供了有利的动力条件。各站低层均有逆温存 在,“下湿上千”结构,层结廓线“向上呈漏斗形”,尤 其是北京站为典型的喇叭口结构,有明显的不稳定 能量,太原站和大港站也有不稳定能量,但相对较 小;邢台站虽有少量不稳定能量,但相比之下不利于 对流发展;而石家庄地区位于太原一大港一线与北 京之间的区域,白天随温度升高不稳定能量不断积 累,有利于形成雷暴大风天气。 以上4站当日20时T—logP图(图略)显示,各 站仍有不稳定能量存在。但与08时相比,北京、大 港站的不稳定能量已经大量释放,而太原和邢台站 的不稳定能量明显加强,尤其是南部的邢台站,2O时 丁一logP图上出现大面积正不稳定能量区,表明当日 白天,随着时间的推移,不稳定能量自东北向西南逐 渐加强,有利于河北省中南部的石家庄地区出现对 流性天气。 配合表征稳定度指标的对流参数(表1)进一步 第1期 阎访等:一次雷暴大风的物理环境场和多普勒雷达回波特征 37 2.2.1基本反射率因子演变特征与阵风锋及对流 风暴 阵风锋出现在近地面层,回波带在0.50仰角的 反射率因子PPI图像上表现得较完整 ,图3为 15:00—17:48时段内0.5。仰角间隔30 min的基本 反射率因子演变。14:24,阜平境内有对流风暴生 成,前方的定州一曲阳一带隐约可见一条弱窄带回 波(阵风锋1,图略)。之后,对流风暴向东南方向移 动过程中不断加强,阵风锋1向西南方向移动过程 中水平跨度不断延长。15:00,阵风锋1(图3a)西段 进人石家庄地区北部的新乐县。15:00一l5:42,对 流风暴向东南偏东方向移动,与向西南方向移动的 阵风锋1的距离越来越远,对流风暴逐渐减弱消亡, 而阵风锋1的水平跨度仍在延长。15:48,阵风锋1 (图3b)影响范围扩大到灵寿一正定一藁城一无 极一深泽一安平一带,水平尺度约130 km,东西向跨 过整个石家庄地区,而且回波主体内有新的对流单 体生成。同时,回波主体前有阵风锋2生成于定州 一带。随后,阵风锋1向西南方向移动,阵风锋2跟 随对流风暴向雷达站的东南象限移动,对流风暴在 移动过程中不断发展壮大,强度逐渐加强,其中最西 侧的对流风暴在15:54出现超级单体对流风暴所具 有的“钩状回波”结构特征。16:12,出现“人字形回 波”,16:18(图3c),西侧对流风暴中有“人字形回 波”和“弓形回波”同时存在。l5:48—16:18,两个阵 风锋的回波强度不断加强,16:18,阵风锋最强回波 为l5_25 dBz;同时,对流风暴、阵风锋1和阵风锋2 三者之间的距离逐渐靠近。16:24,多个单体对流风 暴侧向排列呈带状,构成飑线系统,回波强度中心 55__60 dBz,仍有“钩状回波”结构,对流风暴、阵风 锋1和阵风锋2三者仍在靠近,但阵风锋1的强度 开始减弱,结构也开始变得有些松散。16:36,带状 回波分离成3个单体对流风暴,影响石家庄地区的 是西侧的2个单体(以下简称为西1单体和西2单 体);此时,最西侧的对流风暴前沿与阵风锋西段已 连接。l6:42,西1单体继续发展,中心强度为60— 65 dBz,位于灵寿和正定交界;西2单体位于新乐境 内,阵风锋1回波强度减弱为10_20 dBz,阵风锋2 结构变得松散,强度减弱,对流风暴、阵风锋1和阵 风锋2三者继续靠近。16:48(图3d),西1单体发展 为近乎圆形,结构密实,对流风暴、阵风锋1和阵风 锋2三者仍在接近,其中阵风锋2接近对流风暴,阵 风锋1和阵风锋2回波强度继续减弱。16:54,对流 风暴回波变得分散,但仍具有“钩状回波”结构特征, 阵风锋2到达对流风暴前沿,结构更加松散,强度继 续减弱的阵风锋1进一步靠近对流风暴。17:06,对 流风暴接近阵风锋2,对流风暴与阵风锋1的距离更 近,影响石家庄地区的两个单体中心强度为60— 65 dBz。17:18(图3e),西1单体接近阵风锋1,中心 强度I>65 dBz,西2单体中心强度为60__65 dBz,呈 “弓形”,前沿有“V”状缺口,表明有强的人流气流进 入上升气流。17:24,两单体的强回波面积加大,结 构密实,西1单体近圆形,西2单体“弓形”,对流风 暴完全接近阵风锋1,阵风锋1强度减弱为5— 15 dBz,其横跨井陉一赞皇一元氏一赵县一晋州一 辛集,水平尺度仍在100 km左右。17:36(图3f),阵 风锋1隐约可见,西1单体中心强度I>65 dBz,进入 赵县境内,西2单体在晋州一辛集境内,与最东边单 体连成带状。17:54,阵风锋1仍隐约可见,两单体仍 分别影响赵县、辛集。18:18,对流风暴结束对石家庄 地区的影响,继续向东南方向移动。 从以上演变特征可以看出,影响石家庄地区时 间最长的阵风锋水平尺度为1o0—13O km,回波强度 为5_25 dBz,生命史为3.5 h。阵风锋出现在对流 风暴前部。当阵风锋速度大于对流风暴速度时,两 者距离越来越远,阵风锋对对流风暴强度有负反馈 作用,以至于对流风暴减弱甚至消亡;而当阵风锋速 度小于对流风暴速度时,两者距离越来越近,阵风锋 对对流风暴强度有正反馈作用,对流风暴则强盛发 展,甚至有个别单体加强为超级单体对流风暴。最 大水平尺度为30 km,钩状回波,发展旺盛时形似圆 形、结构密实,回波强度≥55 dBz,是超级单体对流 风暴所表现出的特征 。过程中,多单体对流风暴 带状排列,构成飑线系统,所经过的测站出现风速突 增、风向急转、气压升高和气温下降。l7:l8— 17:36,西2单体具有弓形回波,前沿有“V”形入流 缺口,对应时间段内,西2单体经过的晋州、辛集两 站出现了大风天气,而且相比其他站风力最强,进一 步说明弓形回波是一种容易产生地面大风的回波形 态 。 2.2.2风暴相对径向速度演变与中气旋 相对于风暴的平均径向速度(SRM)产品与基本 速度产品类似,减去了由风暴跟踪信息(STI)识别的 所有风暴的平均运动速度,此产品可用来探测被风 暴运动掩盖掉的切变区域,如中气旋等¨ 。为此, 研究了本次天气过程的风暴相对径向速度演变特 征。图4为15:00—17:48时段内0.5。仰角间隔 30 min的雷达风暴相对径向速度演变(图4中白色 圆圈所标为中气旋)。15:00(图4a),风暴相对径向 速度图上零速度线基本呈弓状,且弓两侧弯向正速 度区,说明存在风向性辐合运动,负速度区大于正速 度区,之后正速度区面积不断扩大,负速度区面积不 38 气象与环境学报 第29卷 断缩小。15:48(图4b),零等速线呈“s”形,说明风 向随高度顺转,低层不断有暖平流补充能量。 16:00,风暴相对径向速度图上,测站周围50 km范 围内出现“牛眼”结构。“牛眼”结构位于第一距离 着阵风锋1的位置,16:43在井陉出现了大风天气。 16:54后,有更为深厚持久的中气旋出现在径向速度 图上,尤其是中气旋B ,0.5。__6.0。各仰角高度上均 明显可见(图略),延伸高度达7 km,而且持续时间 最久。17:00一l8:00,中气旋B 带来了无极、藁城、 圈内,表明最大风速出现在低层,正、负速度中心值 20_27 m・s~,负速度中心面积大于正速度中心面 积,风向辐合明显。16:18(图4c),正速度最大值大 于27 m・s~,负速度中心值一20~一27 m・s~。 16:00—16:18,正速度区面积继续扩大,负速度区面 晋州(图4e)、辛集(图4f)等站破坏性地面大风天气。 中气旋的存在,加强了云体辐合的抬升,使得回波得 以发展,对流系统进一步加强 J,从而引发了气旋中 心地区(无极、藁城、晋州和辛集)的灾害性大风天气。 通过对风暴相对径向速度演变图的分析,以及 对地面大风出现时经过测站的中尺度天气系统的统 积继续缩小。16:24,有中气旋Y 在灵寿境内生成, 中气旋Y 维持到16:36,对应灵寿于16:29出现瞬 时大风。16:48(图4d),一条风速辐合线明显对应 计(表2),可以看出,风暴相对径向速度图上中气旋 表2地面大风出现时经过测站的中尺度天气系统统计 Table 2 The statistics of mesoscale weather systems when surface gale appears at weather stations Y 和中气旋B ,分别对应着基本反射率因子图上的 西1单体和西2单体;两个单体强盛发展阶段,对应 着中气旋的深厚持久发展。此次地面灾害性大风主 要由超级单体对流风暴产生,超级单体对流风暴没 有经过偏西的3个站,其大风天气由阵风锋造成。 经过对基本反射率因子演变图与风暴相对径向 速度演变图的比较发现,出现短时大风天气的井陉、 元氏和高邑3站,阵风锋经过前后的风暴相对径向 速度图上对应位置存在着弱的风向风速辐合区;而 阵风锋经过前后没有出现短时大风或风速突增的测 站,风暴相对径向速度图上对应位置不存在风向风 速辐合。 阵风锋出现在对流风暴前部,对对流风暴发展强度 有反馈作用,当二者逐渐远离时,对流风暴强度减弱 甚至消亡;当二者逐渐靠近时,对流风暴发展加强, 甚至发展为超级单体对流风暴。这种反馈作用对短 时及临近预报具有指示意义。 (4)钩状回波、人字形回波、弓形回波和深厚发 展的中气旋是天气过程中的超级单体对流风暴的典 型特征。地面灾害性大风主要由超级单体对流风暴 所引发。 (5)对比回波强度特征与各站出现大风时间发 现,阵风锋自东北向西南影响了石家庄地区各站,但 井陉、元氏和高邑3站为短时大风天气,且经查加密 自动站风速资料,阵风锋影响其他各站时的风速变 化均不大,说明阵风锋不一定会带来风速突增甚至 大风天气。阵风锋对应的径向速度具有不连续变化 性,阵风锋具有风向风速辐合的区域经过测站时,会 带来风速突增甚至大风天气;相反,不具有风向风速 辐合的区域经过测站时,则不会造成风速突变。该 3结论与讨论 (1)石家庄地区的周边探空资料显示,低层逆 温、“下湿上干”,有不稳定能量存在;中低层垂直风 切变较强,层结不稳定,为强对流天气的发生发展提 供了有利条件。 (2)常用的 指数、沙氏指数 虽然显示了一 定的热力不稳定条件,但天气过程前的O8时总指数 TT(>40 oC)更显著说明了全区积聚了大量热力不 稳定能量;而且深对流指数DCI(>24 oC)也反映了 中低层的不稳定和对流潜势,对预报更具指示意义。 总指数 、深对流指数DCI的预报指标,必须经过 气候统计得出,而本文只分析了一次雷暴大风天气 过程,故有必要深入研究。 (3)持续时间最长的阵风锋水平尺度为100— 130 kIIl,回波强度为5_.25 dBz,生命史长达3.5 h。 结论与文献 有所不同,可以进一步深入研究。 参考文献 [1]秦丽,李耀东,高守亭.北京地区雷暴大风的天气一气 候学特征研究[J].气候与环境研究,2006,11(6): 754—762. [2] 梁爱民,张,申红喜,等.北京地区雷暴大风预报 研究[J].气象,2006,32(11):73—80. [3] 刘勇,王楠,刘黎平.陕西两次阵风锋的多普勒雷达和 自动气象站资料分析[J].高原气象,2007,26(2): ]J]J 1J]J]J 第1期 阎访等:一次雷暴大风的物理环境场和多普勒雷达回波特征 39 380—387. 过程分析[J].气象与环境学报,2007,23(2):15—20. 姚叶青,俞小鼎,张义军,等.一次典型飑线过程多普 勒天气雷达资料分析[J].高原气象,2008,27(2): 373—381. 刘维成,杨晓军,史志娟.一次超级单体风暴的雷达回 波特征分析[J].干旱气象,2009,27(4):320—326. 廖晓农.北京雷暴大风日环境特征分析[J].气候与环 境研究,2009,14(1):54—62. 李国翠,郭卫红,王丽荣,等.阵风锋在短时大风预报 中的应用[J].气象,2006,32(8):36—41. 陈传雷,陈艳秋,孙欣.多普勒雷达回波在辽宁一次暴 雨过程中的应用分析[J].气象与环境学报,2006,22 (5):28—31. 崔讲学,王仁乔,王丽,等.武汉区域分县可能最大降 水预报研究[J].暴雨灾害,2007,26(4):295—300. 张培昌,杜秉玉,戴铁丕.雷达气象学[M].北京:气象 出版社,2001:356—371. 赵俊荣.天山北坡一次致灾冰雹的多普勒雷达回波特 征分析[J].气象与环境学报,2010,26(3):14—18. 王爽,吕环宇,郭志刚,等.一次强降水超级单体风暴 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,2006:90—180. Analysis of physical parameter field and echo characteristics of rm }n . rL 1j 1{Doppler radar in a thunderstorm process 1J YAN Fang ' CHEN Jing BIAN Tao LIAO Ying—hui ZHANG Cui—hua (1.Insittute of Atmosphedc Science,Nanjing University of nfIormation Science&Technology,Nanjing 210044,China;2.Shijiazhuang Meteorological Service,Shijiazhuang 050081,China) Abstract:A thunderstorm disaster appeared in Shijiazhuang region from 15:00 to 18:00 on August 27,2009.The mesoscale synoptic systems of this process such as gust front,squall line and mesocyclone and SO on were detected by a Doppler radar at Xinle county of Shijiazhuang.The characteristics of physical parameter field of hits process nd Dopplaer radar product were analyzed.The results show that unstable stratiicatfion of temperature inversion in he ltow level and vertical wind shear in he tmiddle and low levels provide favorable conditions for strong convec- tive development.Gust front has feedback action on the development of convective storm intensiy.When gustt ront is moving away ffrom the convective storm,the convective storm weakens or even dies out;when both are gradually close to each other,the convective storm strengthens or even develops into a supercell convective storm. Muliple single convectitve storm belt arrangement constiutes a squatll line system,which brings wind speed spurt, wind zag,pressure upwelling and temperature falling.The superce11 convective storm has the typical features of echoes with a“hook”shape,a“herringbone”shape,a“bow”shape,and deep lasting mesocyclone.The ground destructive wind is mainly brought by supercell convective storms. Key words:Thunderstorm wind;Physical parameter field;Gust front;Squall line;Mesocyclone;Convective storm 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- oldu.cn 版权所有 浙ICP备2024123271号-1

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务