吉林空管分局气象台,长春市,吉林省130000
摘要:利用常规探测资料,NCEP再分析资料,多普勒雷达资料等,对2023年9月18日发生在长春龙嘉机场的一次强飑线对流天气过程进行综合分析。结果表明:该次强飑线天气过程是在深厚的东北冷涡背景下发生的,飑线回波在移动过程中“弓”状特征愈发明显,后侧入流缺口,中气旋及速度模糊的出现,预示着地面极端大风的发生;回波垂直剖面上存在一个有界弱回波区,中高层有回波悬垂,在飑线发展过程中,近地面层风场垂直梯度增大,风切变迅速增强,有利于对流风暴的组织化和飑线的维持,对流层中低层存在一稳定层结,有利于低层能量的累积,随着冷中心南移,干冷空气叠加在低层暖湿气流之上,引发上升运动,突破了大气稳定层结,强对流爆发。
关键词:飑线 强对流 雷暴 大风
1引言
飑线是由许多雷暴单体侧向排列成带状,组织性较强的中小尺度的对流系统。飑线过境时,气象要素会在短时间内发生剧烈变化,同时伴随雷暴、暴雨、冰雹和龙卷风等强对流天气,是一种破坏力强大的灾害性天气,对人民的生命财产和社会经济的发展都会带来严重的影响。近年来,专家学者从不同方面对飑线展开了研究,并取得了不少成果。瞿国庆等分析了华东飑线过程的地面中尺度物理特征,蔡则怡等则对华北飑线系统的结构和演变特征进行了研究。丁一汇等将国内形成飑线的天气形势分为槽后型、槽前型、前后型和台风倒槽或东风波型4种类型,并分别讨论各类型飑线的热动力学条件以及触发机制。张弛等分析了典型飑线个例的雷达回波特征。郑媛媛等分析了在东北冷涡背景下,江淮地区飑线生成的特征。支树林等分析了江西的一次飑线天气过程,并指出了强垂直风切变、地面中尺度辐合线、中尺度温度锋区以及高低空急流耦合等都能够维持强对流的发展。王秀明等研究表明,飑线发展、维持的原因是其组织结构,干线及其上的小扰动能够不断触发新生积云带;强下沉辐散气流、强冷池密度流和降水粒子的蒸发均对地面灾害性大风有增幅作用。张建军等研究指出,随着飑线的发展,动量、热量和水汽会有一个再分配的过程,从而影响系统内部对流的组织化过程。上述研究揭示了飑线天气的形成机理、触发条件和演变规律,对其监测和预警发挥了重要作用。
2023年9月18日长春机场出现了一次强对流天气过程,18日17:45分(北京时,下同)强对流进入长春机场50公里范围内之后,逐渐发展成为飑线(以下简称“9.18”飑线过程),伴随它的移动,所到之处出现了强降水和雷暴等强对流天气,一个半小时本场降水量达到22.4mm,有4架航班备降。本文利用常规探空和地面观测资料、NECP0.25°✖0.25°逐6h再分析资料、多普勒雷达等探测资料,对此次过程的背景形势场、物理量和雷达回波中尺度特征进行综合分析,以便为今后开展飑线预报和预警提供参考。
2天气实况
2023年9月18日18:16分,受锋面过境发展起来的飑线影响,长春机场出现了雷雨大风强对流天气,长春市16个站出现短期强降水,12小时降水量达到10-20mm不等(图1a),近20个站出现17m/s以上大风(图2b),其中长春机场最大瞬时风速达到24m/s。
图1 吉林省各区域近12小时降水量(1a)(单位:mm)、吉林省各区域过去24小时极大风向风速(2b)(单位:m/s)
3飑线过程中气象要素变化及环流特征分析
3.1气象要素变化
从长春各观测站的观测资料可以看到,飑线过境前后地面风向突变,风速骤增,气压涌升,温度剧降。飑线过境前后,长春机场气温从26℃(17:00)骤降到15℃(18:50),温度降幅达11℃;相对湿度56%(17:00)猛增至90%(18:50);风速剧增,风力由6m/s(17:00)迅速增至平均风速17m/s,阵风24m/s(18:29)(图2);气压从1005hpa(17:00)上升至1009hpa(18:50),增加了4hpa。
图2 2023年9月18日18:00全国逐小时极大风速图(a)和长春机场18:29瞬时风图(b)
3.2大尺度环流背景
2023年9月18日08时,200hpa上东亚中高纬环流呈现两脊以槽型,2个高压脊分别位于贝加尔湖西侧,吉林与朝鲜接壤处,蒙古国东部有一冷涡,冷涡低槽位于东北至内蒙古一线,槽后有强劲的西北风急流,槽前是范围较小的西南急流(图3a)。分析17时(图3b、3c、3d)冷涡的垂直结构可以发现,冷涡系统较深厚,500、700、850、925hpa上冷涡结构都比较完整,冷涡中心逐渐向南偏移。
图3 2023年9月18日08时200hpa高空图(a)和17时200hpa高空图(b)、17时500hpa高空图(c)、17时850hpa高空图(d)
500hpa冷槽位于蒙古东部,紧靠吉林省,925hpa上,在吉林白城上空有12℃暖中心,吉林省850与500hpa温差大于28℃,大气层结不稳定。同时地面图上,有地面气旋配合,冷锋(图4)位于黑龙江中部至吉林西部一带。
图4 2023年9月18日17时地面图
18日20:00,500hpa冷涡已分裂南下,在蒙古东部和华北东部地区分别形成2个冷性涡旋,由蒙古东部进入东北地区,进而形成东北冷涡低槽深入黑龙江中部至吉林省西部一线,对应850hpa在哈尔滨西侧形成一个低涡系统中心,随着地面冷锋向东南方向推进,直到进入长春机场50公里范围内。
4飑线过程中的雷达回波特征
2023年9月18日08:00(图5)吉林省西侧有分散性块状回波,其中镶嵌有反射率因子超过35dBZ的块状强回波,此块状强回波快速向东移,在移动过程中还有新生回波单体在其原位发展壮大,15分钟(从17:45到18:00)移动了近20公里。此时,其正南方地区,又生成一块新回波并加强,与其北部的回波共同发展成飑线并继续东移,其中心回波强度达到50dBZ。18:15分南北两块飑线主体进入长春机场,开始影响本场,最强反射率因子超过65dBZ,顶高12km,在飑线回波带前侧有强反射率因子梯度,且强回波带向前凸起呈“弓”状,而飑线回波带后侧的入流缺口,表明存在强的下沉后侧入流急流,有利于地面极端大风的出现,从17:45到18:15的1.0°仰角的雷达径向速度图(图6)上可以看到,前期飑线的大风区并不紧实,比较松散,后期大风区边界清晰,结构紧实。飑线前沿呈明显的气旋式辐合,并伴有中气旋,而其后测区域则有正速度大风区,风速达25m/s。
图5 2023年9月18日17:45、18:00、18:15、18:25长春机场1.0°仰角基本反射率因子(a)(b)(c)(d)
图6 2023年9月18日17:45、18:15长春机场1.0°仰角径向速度图(a)(b)
5环境场结构特征分析
5.1动力条件
5.1.1水平风场垂直结构
为了解飑线发生过程风场的垂直结构,分别作环境风u风量和v分量的垂直剖面。从纬向风垂直机构的演变发现,18日14:00(图7),125°E以西纬向风为上下一致的西风,西风大值带位于300hpa高度附近,中心位于121°E附近,中心值为40m/s,近地面层的127°E以东为弱的偏东风,700—1000hpa风速差约为12m/s,在飑线发展移动过程中,20:00(图略),200hpa上偏西风风速中心由121°E东移至124°E附近,中心值由40m/s逐渐增强至44m/s,并向低层伸展,同时近地面层的东风也大增至20m/s,在125°E附近低层形成东西风的辐合,700hpa以下风速等值线变密集,纬向风垂直切变逐渐增强,18日18:00,风速差最大达到20m/s。
经向风垂直结构的演变特征显示,强对流发展期间,对流层低层伴有南风的向北推进,同时对流层中高层的偏北风迅速发展并向低层扩展。从18:00环境风v分量的垂直分布场(图7)中可以看出,对流层高层250hpa上,其中心为36m/s的风速中心,200-300hpa等风速线较为密集,中高层为偏北风,低层为偏南风控制,飑线所在区域,北风已经侵入到近地面层,500hpa以下呈现南北风叠置的结构,且及地面层风场垂直梯度增大,风切变迅速增强,有利于对流风暴的组织化和飑线的维持。
图7 2023年9月18日14:00环境风u 分量沿43°N(a)和18:00环境风v分量沿125°E(b)的垂直剖面(单位:m/s)
5.1.2涡度散度和垂直速度
18日18:00,中高层为一气旋性涡度区(图8a),飑线处于冷涡槽前正涡度区,气旋性涡度大值中心在对流层高层400hpa-500hpa高度上的125°E附近,中心值为1.2×10¯5s¯1,同时可以发现,在对流层低层飑线西侧,500hpa也有一个强烈发展的气旋性涡度中心,且该涡度中心通过一条相对较弱的先向西伸展,再向东倾斜的上升的涡度通道与500hpa的涡度大值区相连,再散度场(图8b)中,强对流发生时刻,对流层低层辐合明显,近地面辐合中心强度达到1.2×10¯5s¯1,其上空有一辐散中心与之重叠。与之对应的垂直速度为900hpa以上为上升运动,850hpa及500hpa分别为上升运动强中心,上升中心强度达-1.2Pa / s。
图7 2023年9月18日18:00涡度沿125°E垂直剖面(a)(单位:10¯5s¯1)、散度(b)垂直剖面(单位:10¯5s¯1)和垂直度度时间剖面(c)(单位:Pa / s)
5.2热力条件
5.2.1假相当位温
由14;00(图8)可知,飑线发生前Θse锋区在44°N附近先向南伸展至700hpa高度,再向北倾斜至500hpa高度,最后向北倾斜至对流层高层,这表明低层暖湿气流活跃,且在41°N附近700—800hpa 大气层呈稳定状态,有利于未来强对流发生区域低层能量的累积,干冷中心位于47°N附近800-500hpa,冷中心强度为-312K。18:00冷中心南移至39°N附近,且低层暖湿平流有所加强,干冷空气叠加于低层暖湿气流之上,引发上升运动,突破了700-800hpa 大气稳定层结。
图8 2023年9月18日14:00和18:00假相当位温沿125°E的垂直剖面(单位:K)
5.2.2不稳定能量
大气不稳定层结是强对流天气发生的必要条件,选取长春站探空资料进行分析。从08:00的T-lnp图(图9)可以看出,强对流发生前大气处于不稳定状态,K指数为32℃,950hpa以下接近饱和,中层为干层,上干下湿的层结结构也有利于雷暴大风天气的产生,且-20℃层高度将近7000m,0℃层高度将近4000m,高度适宜,也有利于冰雹天气的产生。
图9 2023年9月18日08时探空图
6结论
(1)该次强飑线天气过程是在深厚的东北冷涡背景下发生的,低层由暖中心配合,上冷下暖的不稳定大气层结构,极易发生强对流天气。飑线过境前后,气象要素变化明显。
(2)在雷达图上,飑线回波在东移南压过程中发展迅速,“弓”状特征愈发明显,且弓状对流回波带内由强烈发展的风暴尺度的对流单体,风暴后侧入流缺口、中气旋及大风区的出现,预示着地面极端大风的发生。
(3)在飑线发展过程中,近地面层风场垂直梯度增大,风切变迅速增强,有利于对流风暴的组织化和飑线的维持。
(4)假相当位温的垂直分布显示出对流层中低层存在一个稳定层结,有利于低层能量的累积,随着冷中心南移,干冷空气叠加于低层暖湿气流之上,引发上升运动,突破了大气稳定层结,引发了强对流。探空资料也显示,强对流发生前大气处于上干下湿的不稳定状态,并具有充沛的能量。
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