湖南衡阳“4.04”强下击暴流预警关键点及环境条件分析.pdf
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1、Analysis of key warning points and environmental conditions for the4.04 strong downburst event in Hengyang of HunanDENG Chaoping1,TANG Minghui1SU Tao1,LUO Yuan1,WU Yahao1,TANG Yu2(1.Hunan Meteorological Observatory,Changsha 410118;2.Hunan Meteorological Disaster Prevention Technology Center,Changsha
2、 410053)Abstract:On the afternoon of April 4,2023,an intense downburst event(referred to as the 4.04 strong downburst event)occurred in Hengyang of Hunan,causing serious disasters.In this study,an analysis is conducted to examine the key warning indicators and environmentalconditions for extreme str
3、ong winds by using conventional meteorological observations,Doppler weather radar data,and NCEP 11 reanalysis data.The results are as follows.(1)The4.04strong downburst event takes place under abaroclinic frontogenesisweather system,with a surface cold front as the triggering mechanism.The Skew-T pl
4、ots display the clear characteristics of high-level dry and low-levelmoisture,unstable atmospheric convective parameters,and unstable corrected convective available potential energy(CAPE),along withstrong vertical wind shear.These factors facilitate the occurrence of extreme strong winds.(2)A mesosc
5、ale convective system(MCS)with bowechoes sweeps through Hengyang,causing regional downburst events.Extreme strong winds occur when the corresponding storm cells moverapidly.At that time,the maximum reflectivity factors reach 60 dBz,and the vertical liquid water content and centroid height decrease r
6、apidly.The reflectivity factors exhibit a noticeable tilted structure,with clear features of the bow echoes,rear-inflow jet,and radial velocity ambiguity.The asymmetric high-speed regions and velocity convergence at low elevations play crucial roles in extreme wind warnings.(3)Thestrong downburst ev
7、ent takes place under a baroclinic frontogenesis weather system,with a surface cold front as the triggering mechanism.The Skew-T plots display the clear characteristics of high-level dry and low-level moisture,unstable atmospheric convective parametersand unstable corrected convective available pote
8、ntial energy(CAPE),along with strong vertical wind shear.These factors facilitate the occurrence of extreme strong winds.(4)The strong downburst event exhibited a clear convective potential,marked by strong low-level moisture邓朝平,唐明晖,苏涛,等.2024.湖南衡阳“4.04”强下击暴流预警关键点及环境条件分析J.暴雨灾害,43(2):158-167.DENG Chao
9、ping,TANG Minghui,SU Tao,et al.2024.Analysis of key warning points and environmental conditions for the4.04strong downburst event inHengyang of Hunan J.Torrential Rain and Disasters,43(2):158-167(in Chinese).doi:10.12406/byzh.2023-137湖南衡阳“4.04”强下击暴流预警关键点及环境条件分析邓朝平1,唐明晖1,苏涛1,罗源1,吴亚昊1,汤宇2(1.湖南省气象台,长沙
10、410118;2.湖南省气象灾害防御技术中心,长沙 410053)摘要:2023年4月4日下午湖南衡阳出现一次强下击暴流过程(简称“4.04”强下击暴流),造成严重灾害。利用常规气象观测、多普勒天气雷达、NCEP 11再分析等资料对该过程极端大风的预警关键点与环境条件进行分析。结果表明:(1)“4.04”强下击暴流发生在“斜压锋生类”天气系统配置下,地面冷锋提供了触发条件。探空曲线上干下湿特征明显、大气对流参数及订正后的对流有效位能表现出明显的不稳定特征,垂直风切变强,利于极端大风发生。(2)中尺度对流系统(MCSs)弓状回波扫过衡阳,造成区域性下击暴流;极端大风发生在对应风暴单体快速移动时,
11、最大反射率因子达60dBz,垂直积分液态水含量及质心高度快速下降;反射率因子具有明显倾斜结构,弓状回波、后侧入流急流、径向速度模糊特征明显;低仰角“非对称速度大值区”和“速度对纯辐散”是极端大风预警关键点。(3)强下击暴流发生在斜压锋生类”天气系统配置下,地面冷锋提供了触发条件。探空曲线上干下湿特征明显、大气对流参数及订正后的对流有效位能表现出明显的不稳定特征,垂直风切变强,利于极端大风发生。(4)强下击暴流对流潜势明显,低层水汽通量辐合强、比湿大;具备一定的热力不稳定及垂直上升运动条件,且有低层辐合、高层辐散与之配合;冷空气对本次过程发生发展起到了重要作用。关键词:下击暴流;非对称速度;后侧
12、入流急流;弓状回波中图法分类号:P425.6+1文献标志码:ADOI:10.12406/byzh.2023-137收稿日期:2023-07-03;定稿日期:2023-12-30资助项目:湖南省自然科学基金重大项目(2021JC0009);湖南省气象局创新发展专项(CXF72023-FZZX28);中国气象局复盘总结专项(FPZJ2024-090)第一作者:邓朝平,主要从事短临天气预报技术研究。E-mail:通信作者:唐明晖,主要从事天气预报技术研究。E-mail: Editorial Office of Torrential Rain and Disasters.OA under CC BY-
13、NC-ND 4.0暴雨灾害TORRENTIAL RAIN AND DISASTERSVol.43 No.2Apr.2024第43卷 第2期2024年4月第2期引言2023年4月4日湖南南部(以下简称湘南)部分地区出现711级雷暴大风天气,导致衡阳岳屏镇东湖村因房屋倒塌4人死亡,事后调查小组经过现场走访、无人机航拍以及气象资料综合分析,认定为局地性下击暴流造成。下击暴流为对流风暴发展到成熟阶段后,雷暴云中冷性下沉气流达到相当大的强度,到达地面形成外出流引起的雷暴大风,具有强局地性、突发性特征(Fujitaand Byers,1977;Fujita,1985)。马淑萍等(2019)对我国15 a极
14、端雷暴大风天气进行统计,得到了有利于极端大风产生的关键环境特征,指出极端雷暴大风的对流有效位能、对流层中下层垂直温度递减率和垂直风切变均明显大于普通雷暴事件的相应值。但常规探空由于受时空分辨率限制,未必能准确判断对流潜势,因此对下击暴流预报预警更多需要发挥多普勒天气雷达监测作用。Robert和Wilson(1989)通过研究31个发生在美国科罗拉州的下击暴流及其相应的风暴单体指出,利用下降的反射率因子核、反射率槽口、雷暴云中径向辐合以及旋转可预警下击暴流。此外,下击暴流与超级单体、多单体、弓状回波有关(毕旭等,2007;吴芳芳等,2009;王秀明等,2023),速度图上后侧入流急流的发展加强并
15、伴随云底以上的速度辐合的特征是弓状回波形成的前兆(俞小鼎等,2006)。以上研究成果对下击暴流预报预警业务具有重要意义,然而下击暴流发生发展原因极为复杂,尤其是极端性大风。“4.04”强下击暴流预报预警服务中,短期预报将出现较强对流天气,临近时段主要开展了冰雹预警服务,对雷暴大风预警能力不足。因此,本文对“4.04”强下击暴流预警关键点及环境条件进行分析,以期提高下击暴流的预报预警能力。1 资料说明本文采用的资料主要包括:(1)国家气象中心提供的2023年4月4日08 005日08 00(北京时,下同)湘南48个气象站(含国家站和区域站)2 min平均风向风速、极大风向风速、分钟降水量、高空观
16、测资料,用于此次强对流过程实况以及强对流发生的天气形势和背景分析;(2)湖南省气象信息中心提供的2023年4月4日12 0020 00湖南衡阳S波段多普勒天气雷达(海拔高度203 m、雷达扫描模式为VCP21,以下简称衡阳雷达)、长沙S波段双偏振多普勒天气雷达(海拔高度622m、雷达扫描模式为VCP21,以下简称长沙雷达)资料,用于下击暴流预警特征分析;(3)2023年4月3日08 005日08 00 NCEP 11逐6 h再分析资料(https:/cds.climate.copernicus.eu/),用于此次强对流触发机制以及强对流发展过程中水汽、动力等物理量特征分析。2 天气实况2023
17、年4月4日下午,湘南出现了区域性强对流天气,45站出现雷暴大风、11站出现冰雹(图1a)。本次强对流天气虽有冰雹发生,但最大冰雹仅1 cm,相对而言雷暴大风特征更明显;强对流最强时段发生在午后,衡阳雁峰区岳屏镇金桥站15 08 录得 36.1 ms-1(12级,打破历史极值)大风;距离金桥站2.5 km东湖村遭受下击暴流影响,导致4人死亡;东湖村20 km范围convergence and high specific humidity.There are certain conditions of thermal instability and vertical upward motion,c
18、oupled with low-level convergence and upper-level divergence.Cold air plays an important role in the occurrence and development of downburst.Key words:downburst;asymmetric high-speed;rear-inflow jet;bow echo30N2928272625109110111112113114E403020100极大风速/(m s-1)06 00 08 00 10 12 12 00 14 00 16 00 18 0
19、0(a)(b)金桥站周家坳站车江站雷暴大风冰雹图1 2023年4月4日08 005日08 00湖南强对流天气实况的空间分布(a)和4日06 0018 00金桥、周家坳、车江站极大风速的逐小时演变(b)Fig.1(a)Spatial distribution of strong convection in Hunan from 08 00 BT 4 to 08 00 BT on 5 April 2023 and(b)hourly evolutionof maximum wind speed at Jinqiao,Zhoujia ao and Chejiang stations from 06 0
20、0 BT to 18 00 BT on 4 April 2023邓朝平,等:湖南衡阳“4.04”强下击暴流预警关键点及环境条件分析159第43卷暴雨灾害周家坳站(15 17)、车江站(15 19)分别录得了19 m s-1、25.8 m s-1大风(图1b)。3 极端大风的雷达回波特征3.1 反射率因子演变特征结合间隔30 min的组合反射率因子演变对极端大风发生前后的回波特征进行分析。13 14(图2a),距离岳屏镇东湖村(图2黑方框)偏西南方向120140 km范围内有线状对流风暴A和块状对流风暴B(强回波中心达60 dBz)发展,它们在引导气流作用下东移北上,移动速度达1821 m s-
21、1;13 43(图2b),线状对流风暴A移入衡阳,在有利对流条件下,对流风暴移动方向前侧不断有回波新生(图2b黑色椭圆);14 13(图2c),线状对流风暴A、块状对流风暴B、新生的回波构成了中尺度对流系统MCSs(图2c红椭圆),南侧的线状对流风暴A演变成块状、强度增强;14 43(图2d),MCSs快速东移北上,MCSs中的对流风暴A强回波中心达60dBz;15 12(图2e),对流风暴A演变成弓状,快速扫过衡阳造成区域性雷暴大风,给岳屏镇东湖村带来致灾性大风(36.1 m s-1);随着MCSs继续东移北上,仍有60dBz强回波发展(图2f),给下游地区带来雷暴大风天气。对反射率因子追踪
22、后发现,MCSs中风暴A的单体(雷达产品软件标记为D0)和岳屏镇东湖村极端大风密切相关,D0 12 50生成、15 30消亡,生命史长达2.7 h(27个体扫),对单体D0的移动速度(MVMT)、最大反射率因子(dBzM)、质心高度(HT)、垂直积分液态水含量(VIL)演变特征进行分析(图3)可知,MVMT 13 02仅为11 ms-1,13 37增至17 ms-1,后期移动速度加快达1719 m s-1;dBzM大于50 dBz,14 31后均超过60 dBz;VIL 13 26 开始在波动中上升,14 25 达到最强,为49 kg m-2,14 2515 06在波动中下降,其中14 491
23、5 06持续下降,降幅达23 kg m-2;HT 15 0015 05陡降2.4 km。综上,极端大风发生在单体D0快速移动、dBzM超过60 dBz、VIL及HT快速下降时,以上特征与王一童等(2022)等统计的致灾性雷暴大风的预警特征符合。-505101520253035404550556065dBz(a)(b)(c)(e)(f)(d)图2 2023年4月4日13 14(a)、13 43(b)、14 13(c)、14 43(d)、15 12(e)、15 42(f)衡阳雷达组合反射率因子(A、B分别为线状对流风暴、块状对流风暴所在位置,图b黑椭圆为回波新生所在位置,图c红椭圆为MCSs所在位
24、置,图e黑色方框为极端大风发生区域)Fig.2 The composite reflectivity factors at(a)13 14 BT,(b)13 43 BT,(c)14 13 BT,(d)14 43 BT,(e)15 12 BT and(f)15 42 BT on 4 April 2023(A and Bdenote the positions of linear convective storms and clustered convective storms,black ellipses in Fig.2b indicate areas of new echo generati
25、on,red ellipses in Fig.2c mark the locations of MCSs,and black boxes in Fig.2e indicate the area where the downburst occurred)3.2 径向速度演变特征俞小鼎等(2020)研究表明下击暴流最明显特征是低层辐散,表现为对称的或不对称的辐散。结合0.5仰角径向速度图对MCSs中的风暴A进行分析。14 19及之前的径向速度偏弱(图 4a),最大仅为 10 ms-1;14 25(图4b),负速度绝对值最大增至16 m s-1(对应高度为0.87 km),范围仅为2个距离库大小,表
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