2013年春季一次强飑线过程中尺度特征研究.pdf
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1、吴瑞姣,黎玥君,林永辉.2013年春季一次强飑线过程中尺度特征研究J.热带气象学报,2023,39(4):522-535.文章编号:1004-4965(2023)04-0522-142013年春季一次强飑线过程中尺度特征研究吴瑞姣1,3,黎玥君2,林永辉1(1.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081;2.浙江省气象科学研究所,浙江 杭州 310008;3.安徽省气象台,安徽 合肥 230031)摘要:运用多种观测数据,结合WRF模式分析了2013年3月19日发生在黔湘地区一次飑线形成期的中尺度特征。(1)此次飑线发生在高空500 hPa槽前的西南气流中,地面冷锋附近。环境
2、风为西南向,且垂直于飑线长轴的分量小于沿着飑线长轴的分量。(2)飑线东、西两段存在显著差异:东段所在环境干燥,下沉对流有效位能DCAPE大,故雷暴大风强而短时强降水弱,对流单体初始于锋区及冷空气一侧,呈碎块状分布;西段环境湿润,短时强降水和冰雹集中,对流单体出现于地面锋区附近中尺度辐合线内,辐合线持久,其上辐合中心处不断有单体新生。(3)此次过程有重力波作用,且飑线西段重力波特征更明显。急流中的波动与中尺度辐合线相交,波动上升气流叠加辐合线上升运动,引起对流发生并迅猛发展,使得对流单体趋向于沿着波动等振幅面排列成带状,进而形成飑线。(4)旧单体南、北两侧均有新对流单体发生:北侧新单体高、低层重
3、力波反相位叠加,对流受到抑制;南侧的新单体高、低层波动同相,上升气流加强,对流得以发展;新旧单体不断迭代更新,飑线整体向东南传播。关键词:斜压锋生;飑线;对流单体;中尺度;重力波中图分类号:P435文献标志码:ADoi:10.16032/j.issn.1004-4965.2023.047收稿日期:2022-05-19;修订日期:2022-11-10基金项目:国家自然科学基金联合基金(U2242204);安徽省自然科学基金(2208085UQ12);安徽省气象台(AHMO201905)共同资助通讯作者:黎玥君,女,江西省人,工程师,硕士,从事模式评估检验和释用研究。E-mail:第39卷 第4期
4、2023年8月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.39,No.4Aug.,20231 1 引引言言飑线是由许多雷暴单体组成的带状雷暴群,常伴有强烈大风、冰雹和强降水等灾害现象。飑线作为重要的中尺度天气系统之一,一直以来深受国内外学者广泛关注,从飑线的环境场条件、形成和组织方式、结构等特征分析,逐步深入到飑线触发、形成、维持等机理探究。丁一汇等1根据我国飑线发生的位置和环流特征,将飑线分为槽前型、槽后型、高后型和台风倒槽型或东风波型。蔡则怡等2概括了华北地区飑线系统的中尺度天气模式,指出系统前缘的强回波带内是对流尺度的上升和下沉气流的新老更
5、替,以连续和不连续两种方式向前传播。翟国庆等3分析了9例华东飑线,指出中尺度散度场、气压场、风场特征及其相互配置在分析飑线演变过程中的重要作用,以及过程伴随有重力波活动。Bluestein等4根据初期飑线的形成方式,分为断线型、后部扩建型、碎块型以及嵌入型四大类。Parker等5根据飑线在发展成熟时期层状云降水与对流线的相对位置,将飑线分为拖尾型(TS)、先导型(LS)和平行型(PS)三类。在飑线机理研究方面,早期Tepper6-7提出飑线可能是由气压波动触发的,这一假设首次将飑线与大气波动联系起来。随后,李麦村8指出重力波对强降水的触发效应,并分析了重力波对飑线的非线性影响。朱磊磊等9在小波
6、分析的基础上,认为由太行山产生的重力波可能是一种飑线的形成机制。在不稳定的对流环境中,重力波移第4期吴瑞姣等:2013年春季一次强飑线过程中尺度特征研究动时地面气压场、风场、云量发生周期性变化10,改变了对流云附近的环境场,从而组织和触发新的对流11-12。Liu等13认为中层由非平衡流场产生的重力波与低层冷池流出气流共同决定了飑线的传播和发展。关于重力波的来源,孙淑清14指出低空急流具有不稳定性,急流轴上的风速存在中尺度的脉动传播现象,即是一种重力波形式,可以触发中尺度对流系统。Zhang等15使用小波分析研究了重力波结构的发展,认为通过地转适应过程会不断产生新的重力波。其他如密度扰动16、
7、地形山脉作用17-18、高空急流出口区的斜压系统19-20和对流云的热力动力强迫作用21等均可产生重力波。林永辉等22阐述了低空急流形成、发展与重力波的关系,即当高空急流轴附近出现非地转运动时,重力波不稳定发展,激发并加强高空急流轴南侧升、北侧沉的垂直环流,最终导致南侧低层气压梯度增大,从而出现低空急流。低空急流既有利于水汽和热量输送,还可增强大气低层垂直风切变。垂直风切变对飑线发展有重要影响23-24,Rotunno等25和Weisman等26采用3D数值模式研究垂直风切变对飑线结构和演化的影响,即RKW理论,此理论阐释了由低空垂直风切变和冷流产生的正负水平涡度变化以维持和促进飑线的发展。2
8、013年3月1920日,黔湘交界处发生了一次强飑线过程。该飑线生命史长达9小时,是普通飑线生命史的23倍2;其向东南快速移动,先后影响贵州、湖南、广西、广东等地,造成贵州台江4cm雹灾,广东仁化瞬时风速达42 m/s。此次飑线过程有诸多特殊之处,它发生在春季冷锋附近,斜压性强,且其东西两段在形成和组织模态、灾害天气等方面均有显著差异。本文拟采用多种观测资料、十余部多普勒天气雷达基数据对飑线的环境背景场、地面中尺度和重力波特征等进行分析;同时利用中尺度WRF模式模拟该过程,结合高分辨模式输出结果,探讨飑线中重力波的特征及其在西段飑线形成过程中的影响。2 2 资料和方法资料和方法文中所用的资料包括
9、:常规地面观测资料、地面自动气象站加密观测资料、探空资料和灾害天气报文;湖南长沙、常德、怀化、广西桂林、柳州、江西南昌、吉安、赣州等共计 12部多普勒雷达基数据;美国环境预报中心(NCEP)一日四次、分辨率为1 1 的FNL 再分析资料。利用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室研发的多普勒天气雷达三维数字组网系统处理雷达基数据。雷达组合反射率与各层反射率的水平分辨率均为0.01 0.01,三维雷达反射率垂直方向分为 29 层,高度范围 0.320.0 km,1.5km以下有0.3、0.5、0.8、1.0、1.2 km等5个高度层,1.56.0 km垂直分辨率为 0.5 km,6 km以上垂
10、直分辨率为1 km。中尺度WRF模式启动时间为2013年3月19日12:00(世界时,下同),结束时间为20日00:00。参考Meng 等27对华南一次飑线的模拟,模式采用三重单向嵌套,水平分辨率分别为 40.5 km、13.5 km和4.5 km;垂直方向28层,模式顶层气压为10 hPa。积云对流参数化采用Grell-Devenyi集合方案,微物理过程采用Lin等方案(水汽、雨、雪、云水、冰、冰雹),边界层采用 Eta Mellor-Yamada-Janjic TKE方案。参考Bei等28以及Zhai等29二维谱分解方法,用以提取波长小于20 km的波动信息。3 3 天气过程概述天气过程概
11、述3.1 天气概况如图1,这次强对流过程始于黔湘交界,单体产生时呈离散状,至 13:30 这些初始回波进入湖南;与此同时,初始回波以西、贵州东部又有新对流单体近乎沿直线生成;16:00初始回波逐渐组织成线状(即此段飑线形成方式为碎块型),结构松散,而西侧的新对流单体以断线型方式逐渐形成结构密实且具有弓状回波的飑线。东、西两段均呈西南-东北走向,连结成一条长700多公里(成熟期)、呈拖尾型(TS)的强飑线。飑线以21 m/s的速度向东南移动,移速比一般飑线快得多。该飑线经过之处有明显降水。自动站加密降水显示,19日11:0023:00间12小时累积降水(图2a)主要集中在贵州东南至江西省中部,降
12、水呈带状,雨带走向与飑线长轴十分接近,雨带上有多个雨量大于50 mm的中心;雨带宽度窄,中心分散,523热 带 气 象 学 报第39卷具有明显的中尺度特征。随着飑线向东南移动,区域内强降水时间亦自西向东、自北向南延迟(图2b):位于贵州省东部的剑河站12:00即有1.1 mm降水,至15:00雨量达24.5 mm;锦屏站13:00起有显著降水,16:00 雨量达 24.3 mm;而通道站于17:00开始有强降水产生。邵阳、祁东站降水也有类似延迟现象。飑线产生的强对流灾害天气多样(图2c,其中冰雹和瞬时风速17.2 m/s的雷暴大风信息来源于特殊天气报文),强度大且范围广,局地性强;其中最大风速
13、达42 m/s(广东境内),最大冰雹直径为4cm(贵州境内),雨强最大可达92 mm(湖南境内)。图12013年3月19日12:0017:00雷达组合反射率因子(单位:dBZ)演变过程.108E108E图22013年3月19日11:0023:00累积降水量(单位:mm)分布(a)、其中6个站点逐小时降水量演变(b)及灾害性天气(短时强降水、雷暴大风、冰雹)分布(c)(a)UTC12Z19MAR2013(b)UTC13Z19MAR2013(c)UTC13:30Z19MAR2013(d)UTC14Z19MAR2013(e)UTC15Z19MAR2013(f)UTC16Z19MAR2013(g)UT
14、C16:30Z19MAR2013(h)UTC17Z19MAR2013110E108E110E108E110E108E110E110E112E108E110E112E108E110E112E108E110E112E28N27N26N29N28N27N26N28N27N26N25N24N107E 108E 109E 110E 111E 112E 113E 114E 115E 116E121314151617181920212223107E 108E 109E 110E 111E 112E 113E 114E 115E 116E250.0100.050.025.010.00.1windhailrai
15、n302010028N27N26N25N24N剑河锦屏镇远通道邵阳市祁东(b)(a)(c)5550453530252015524第4期吴瑞姣等:2013年春季一次强飑线过程中尺度特征研究3.2 环流背景及环境风场这次飑线发生在30 N以南500 hPa(图3a)槽前 西 南 气 流 中,属 于 槽 前 型1;低 空 700 hPa、850 hPa均有西南低空急流,850 hPa急流区域内的温度露点差3 (图3c中紫色数字),高空槽后冷平流引导冷空气南下,低空西南急流带来暖湿空气,二者交汇,形成非常明显且深厚的切变线(图 3b);大气斜压性强,层结处于条件不稳定状态。地面则被冷锋和横槽控制(图3
16、d)。选取贵阳、桂林和郴州(站点位置见图2a黄色五角星)为代表探空站,分析对流发生时的大气物理量场特点,其中贵阳、桂林受飑线西段影响,而郴州受飑线东段影响。19 日 12:00,贵阳站(图 3e)对流有效位能CAPE为891 J/kg(表1),800 hPa以下空气湿润,比湿为 10 g/kg,相对湿度80%的湿层厚度达1.5 km;500 hPa干空气明显,T-Td30;700 hPa西南风达17 m/s,利于水汽和热量输送;03 km和06 km垂直风切变分别超过20 m/s、30 m/s,强风垂直切变利于强对流组织化发展;此刻贵阳近地面转东北风,冷锋已至,近地面温度快速下降至18。位置偏
17、南的桂林站(图3f)近地面附近、850700 hPa间存在逆温层(日间低云覆盖影响近地面升温,而其上偏南风强,尤其 700 hPa 西南风达21 m/s,暖湿平流输送强),大气自由对流高度在600 hPa以上,CAPE仅59 J/kg,CIN为552 J/kg,大气稳定性高,故飑线移过桂林后趋于消散;桂林站850 hPa 及以下,温度露点差 T-Td7,大气相对较干,水汽条件远不如飑线西段经过的贵阳、桂林。故而飑线东段结构松散,产生的短时强降水稀疏。另外,郴州站探空曲线上干下湿喇叭口结构明显,500 hPa附近T-Td约39,低层温度廓线接近干绝热,DCAPE达1 380 J/kg,因此湖南多
18、地出现了雷暴大风天气。桂林、郴州两地边界层以上均为西南风,将相对于系统的环境风场分解为沿着飑线方向和垂直于飑线方向,图3h显示近地面层风场平行分量大,根据水汽输送公式(-Vq),水汽沿飑线长轴输送强,有利于飑线生长30。03 km(地面到约700hPa)风切变在垂直于飑线长轴方向上的分量很小,桂林、郴州分别为-3.9 m/s和5 m/s,这种切变结构与经典的TS飑线不同。99E105E111E117E123E99E105E111E117E123E105E 107E 109E111E 113E 115E 117E 119E99E105E111E117E123E42N40N38N36N34N32N
19、30N28N26N24N22N20N42N40N38N36N34N32N30N28N26N24N22N20N42N40N38N36N34N32N30N28N26N24N22N20N32N31N30N29N28N27N26N25N24N23N22N(a)(b)(c)(d)4 m/s454035304540353022201816141260555045403530252015525热 带 气 象 学 报第39卷3.3 形成阶段地面中尺度特征19日12:00南下冷锋前沿有一中心温度高于20 的热倒槽(图 4a、4m),冷锋后有两个低于15 的冷中心;锋后冷空气侵入明显,对应+3 hPa小时正变压中
20、心和-2 负变温中心(图4f);随着冷锋南下,暖中心与热倒槽逐渐减弱南移,横槽内中尺度低压强度减弱,由1 003 hPa变为1 005 hPa(图4m4p)。对流单体A、B起始于地面冷锋锋区等温线密集带内及略偏北的位置(图4a),单体新生发展阶段以上升气流为主,降水较弱(图4m),故此时地面上有明显的辐合区,而无辐散中心和冷池特征。单体B处于-1010-5s-1强的中尺度辐合中心,迅速发 展,至 13:00(图 4b)组 合 反 射 率 因 子 超 过60 dBZ,小时降水量超过 15 mm,地面冷池达-2 (图4g红线)。13:00 单体A-B北侧冷空气区、东北侧锋区内均有单体新生;冷区内新
21、生单体处于地面辐散区内(图4g),下沉辐散气流抑制对流发展,故14:00(图4c)单体已趋于消散;而锋区内生成的单体C图32013年3月19日12:00 500 hPa(a)、700 hPa(b)、850 hPa(c)、地面(d)天气图,贵阳(e)、桂林(f)、郴州(g)探空图及桂林(红色)、郴州(黑色)站相对于飑线的风场在垂直于飑线长轴(实线)和平行长轴(长虚线)的分量廓线图(h)其中ad中紫色方框为对流起始区,绿色方框为飑线经过区;粗棕线代表槽线或切变线,蓝粗线代表地面冷锋,黑色等值线为位势高度(单位:dagpm)或海平面气压,红色等值线为温度(单位:),蓝色风向杆(每长杠10 m/s),
22、彩色阴影为风速大小(单位:m/s)或雷达组合反射率因子(单位:dBZ);c中紫色数字为各站点的温度露点差。eg中黑线为温度层结曲线,紫线为状态曲线,绿线为露点温度曲线及单站风廓线黑色风向杆。表1贵阳、桂林、郴州站主要的探空参数贵阳桂林郴州CAPE/(J/kg)891591114CIN/(J/kg)150552208LI/K-30.5-3K342930DCAPE(600)630/1380T-Td(850 hPa)471U(03 km)22.221.120.3U(06 km)30.734.234.21 0009008007006005004003002001001 0009008007006005
23、00400300200100(g)(h)(e)(f)1 0009008007006005004003002001001 000900800700600500400-30-20-10010203040-30-20-10010203040-30-20-10010203040-25-20-15-10-505101520526第4期吴瑞姣等:2013年春季一次强飑线过程中尺度特征研究处于地面辐合区内,得以发展;15:0016:00分散的对流单体沿锋区排列趋于线状,构成飑线东段。13:00在单体A-B西侧亦有对流单体D、E强烈发展,D-E 单体均处于锋区内,对应地面散度为-410-5s-1辐合区;14:
24、00,位于D-E西侧又有单体F(图4c上标注)生成并迅速增强,其地面辐合强度达-1010-5s-1;这些新生的单体在东移南下过程中逐渐演变为结构密实的弓状,构成飑线西段(图4e)。所以从散度场分析结果看,飑线东段中的对流单体与地面辐合强度相对较弱的辐合中心相对应,而飑线西段配合一条持久且强的中尺度辐合线。此外,西段飑线形成过程中,地面散度场呈现辐合-辐散-辐合的波动形式(图4j、4k)。而在风场上,107109 E附近的偏南气流超过6 m/s,这支近地面强风稳定维持,有利于水汽、热量输送。12:00,锋后黔湘交界处(109 E附近)较强东北风与偏南气流强烈汇合,对流A-B于此发生;13:00
25、又有一支较强北风出现于 108 E 附近,西段对流D-E开始被激发,该支冷气流不断加强,15:00中心温度已降至14 (图4d)。这两支冷气流与偏南暖气流对峙,使得中尺度辐合线稳定维持,利于西段飑线在此形成。而在飑线东段范围内,偏南风、偏北风的强度均小于西段。锋后偏北风增大,一方面是由锋后冷空气侵入所导致,另一方面强对流产生的冷池亦有利于偏北风增大(如图4d),15:00贵州东部出现大范围短时强降水(图4p),伴随强烈下沉辐散气流(图4j地面散度场上表现为一个超过1010-5s-1强辐散区),地面形成-4 强冷池和+5 hPa 正变压(图4j);这种变压风作用可使地面偏北风加速,造成更强的辐合
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