局地极端大风具有发生范围小、生命史短、极端性强、灾害严重等特点。一般来说,大范围的极端大风多出现在台风系统的影响下,或者强冷锋、飑线系统以及特殊的地形环境[1]中,具有尺度大、生命史长、影响范围广等特征,易于监测跟踪,预报技术比较成熟,而局地极端大风则难以追踪分析,因此从跟踪监测、灾害角度出发,必须重视它的研究。

近年来随着高时空分辨率的观测资料日益增多,局地极端大风的研究成果亦在增加,既有龙卷所带来的极端大风分析论文[2],也有下击暴流所引发的局地大风等研究结果[3]。过去较多地关注机场附近下击暴流的相关研究,近年来非机场的下击暴流也逐渐得到重视。Mahale等对一次湿下击暴流进行分析,认为气压上升与下击暴流中心的降雨率一致[4];Burlando利用超声波测风仪对地中海的下击暴流进行观测方面的探讨[5];李改琴等的研究发现,强回波核高度反复下降形成冷下沉气流,径向速度存在向强回波核辐合现象是下击暴流的风场特征[6];也有利用特征风场建模方法,仿真下击暴流的三维结构[7]。应该看到,尽管下击暴流等局地大风的研究已经取得不少成果,但是非台风、非龙卷的局地大风个例少,局地大风的发展变化和形成机制仍然不是很清楚,预报预警技术则更是难以突破,故运用日益增多的精细化资料持续进行极端大风的成因研究显得十分必要。

1、资料与方法

以地面、多普勒雷达、FY-4卫星、探空等精细化观测资料为主,辅以ECMWF模式资料和现场调查,从天气形势背景出发,探讨不稳定天气的触发因素;从动力角度总结局地大风变化,结合现场调研和视频资料,确定极端大风性质;运用雷达资料分析风暴移动,研究中气旋(M)、龙卷涡旋特征(TVS)的中小尺度涡旋变化,揭示局地极端大风的形成机理。

应用到2部多普勒天气雷达,分别是南京、铜陵雷达。南京到马鞍山的距离最近(约50km),位于东北侧,且局地大风移动方向大致沿雷达切向方向。这次局地大风自西向东移动,在西南侧方向选择一部雷达,故选择西南侧的铜陵雷达(距离约100km),与南京雷达配合共同探讨本次局地大风天气过程。

2、观测实况及其性质

2.1地面观测实况

2019年3月20日下午13时许,安徽省马鞍山市出现雷雨大风、短时强降水和冰雹等强对流天气。以极端性局地大风为主要特征,出现12～14级大风。通过走访询问、现场照相、视频回看等形式,获悉大风主要发生在13:00-13:30时段;地面倒伏物方向基本一致,为偏东方向,既没有发现旋转状倒伏物,也没有人看到空中漏斗云。

此次局部极大风速为马鞍山市有史以来观测到的最大值,自西向东先后出现5个站阵风12级以上风力,大体沿含山县—和县—马鞍山方向,路径是WSW～ENE,地面风向为西北或偏西风,时间为13:06-13:28(图1),14级风出现在含山县陶厂、马鞍山节庆广场。12级以上风力范围大约为长40km的线状分布形态,13时降水在极端大风经过地区为10～20mm,个别地区有零星冰雹。

图113时极大风速分布(箭头虚线框内为极端风)

此次极端大风天气受灾严重,局部地区工棚、塔吊、广告牌、树木等倒伏,造成人员伤亡和财产损失,受灾人口29171人,有2人死亡。据初步统计,农业受灾434hm2,其中倒塌大棚近13hm2,生产用房倒塌约500m2,全市初步估计经济损失4550万元。

2.2雷达观测

雷达可以探测大风的精细化立体风场。图2为铜陵雷达的组合反射率因子(CR)和沿线的径向速度垂直剖面,图2中的线段经过M中心。由图和各个体扫的CR知,M位于风暴运动方向前侧,有时伴随TVS;在极端大风发生前夕,1km以下高度有20～27m/s大速度区;在极端大风发生期间,大于27m/s的大速度区超过3km厚度(虚线方框内),甚至厚度达到5km。表明近地层一直存在较为深厚的大速度层,厚度有数公里之长。雷达观测到的仅是径向速度,实际速度比径向速度大。27m/s对应于10级风力,因此估计实际速度可能达到11级以上。

图213:18铜陵CR及沿线的径向速度垂直剖面

(圆圈为中气旋M)

2.3地面和雷达观测

为了清晰地显示极端大风与风暴的关系,将地面观测和风暴进行叠加(图3)。图3标注了大于45dBZ的风暴范围、中气旋。由此可见,5次极端大风都是出现在风暴后侧,第1、第2次是西南侧风暴所引起,第3至第5次是东北侧风暴所导致。

(圆圈代表中气旋,三角形代表极端风地点,方框内时间为极端风时间,下端时间为雷达体扫时间,字母+数字代表风暴编号)

2.4卫星观测

利用FY-4A卫星相当黑体温度(TBB)分析云顶高度的演变。可以看到,12:15马鞍山上空TBB为-43.8℃,而在13:00最低值则降至-46.7℃,13:30为-49.1℃(图4),其移动方向为自西向东,围绕云团中心形成了圆形对流云团。12:15的TBB值表示云高约10km,13:00-13:30云高升至12km以上。1h内变化超过近35℃,远超过-15℃临界值[8];到14:00的TBB已经恢复至-42℃左右。从13:15可见光通道可以看到多个上冲云顶,每个上冲云顶代表一个独立的雷暴上升气流,说明中尺度对流系统(MCS)云团已经发展成穿透性强对流云。

图3极端大风与铜陵雷达观测风暴的叠加

图4FY-4A红外云图(数字代表TBB,箭头处为最低值)

2.5大风性质

首先确定风暴属性。根据对12级以上大风的追踪,大风的产生是由于前期1个风暴、后期2个风暴所引发。由雷达体扫资料知,MCS在13:06之前有1个类似于逗点状的风暴,到13:30为勾状回波,并由1个风暴分裂成2个风暴,2个风暴分别位于MCS的西南侧和东北侧(图3)。对于西南侧风暴,铜陵和南京雷达的M、三维相关切变(3DC)演变可知,风暴大多时为中气旋状态(图5);M厚度介于1.3～5.9km,表示中气旋深厚。对于东北侧风暴,2部雷达观测的M也是连续6～7个体扫一直存在,厚度大多在2km左右。可以判断它们为超级单体风暴。

图513:00-13:50中气旋(M)和3DC随时间变化

其次分析大风性质。本次大风没有台风系统控制,也不属于飑线环境,没有强冷空气影响,同时排除龙卷风的可能,结合雷达回波和径向速度,判断为超级单体风暴环境下出现的下沉气流导致的连续下击暴流。Fujita[9]认为,下击暴流的最大强度可达到EF3级龙卷强度的强风,经查EF3级龙卷的瞬时风速能达到60～74m/s,EF1级龙卷的瞬时风速介于38～49m/s。这次下击暴流的瞬时风速最大对应于EF1级龙卷强风,符合下击暴流研究成果的风力范畴,因此极端大风为下击暴流的结论有科学依据。

然后探讨下击暴流类别。在边界层内平均比湿当日08时为10.2g/kg,至14时升高并达最大(11.5g/kg),随后比湿减少。由于边界层的比湿较大,故为湿下击暴流。这次地面大风受多个下击暴流的影响,近地层有超低空急流存在(风速在20m/s左右),水平风速特别大,导致地面不易形成辐散性风场,而更像直线风场,为基本一致的偏西风,即由超低空急流和下击暴流产生的近似直线型大风。

3、成因探讨

3.1不稳定条件

当日13至14时,冷暖气流交汇于江淮地区,低层暖湿气流强盛。08时安庆探空站925hPa以下风速变化极大,垂直风切变高达32.2×10-3s-1;20时700hPa以下垂直风切变是7.3×10-3s-1,故安庆近地层风切变很大,预示近地空的不稳定性较强。南京探空站显示700hPa以下垂直风切变为7.3×10-3s-1,850hPa以下风向随高度的增加呈现顺时针旋转,即近地层有暖平流存在,风向切变明显;925hPa到地面有逆温层;20时700hPa以下垂直风切变为7.5×10-3s-1,其间有薄逆温层。低层垂直风切变值比某些龙卷的切变值都要大[10]。

南京08时K指数是39℃,沙氏指数(S指数)为-6.2℃,20时K指数为27℃,S指数是2.7℃;安庆08时K指数为26℃,S指数为-1.7℃,20时K指数为34℃,S指数是1.5℃。可以看到,除安庆K指数外,其他都表明大风发生前大气为不稳定状态,发生后为稳定状态。

3.2动力条件

从垂直速度、气旋辐合、触发条件探讨产生极端大风的动力特征。850hPa天气图上安徽北部有低涡,低涡在高空槽前正涡度平流影响下发展加强,动力条件很好。由ECMWF模式的850hPa垂直速度分布知,08时上升速度区位于沿淮地区,11时有所南移,14时继续南移至沿江地区。14时700～925hPa马鞍山附近为一致的上升速度区(图略),即在局地大风发生前后700hPa以下的大气为上升运动。

气旋活动旺盛,中小尺度气旋在大风期间持续存在。由M和TVS的维持,说明无论是中尺度还是小尺度气旋一直存在,且小尺度气旋镶嵌在中尺度气旋内部,旋转性极强,易引发强烈的上升气流。由南京、铜陵雷达13:00-13:50知,多数体扫伴有中气旋,要么南京有TVS,要么铜陵有TVS,表明TVS一直存在着。中小气旋活动旺盛,反映了辐合抬升作用强烈,易形成超级单体风暴。

图613时地面风

强对流天气的发生往往都有一定的触发条件。13时的地面风场(图6)显示,有一条长度约100km的地面辐合线。辐合线的走向大致为WSW～ENE,北侧的偏北风和南侧的偏西风夹角大约有90°这条辐合线是对流云系的触发条件,东段就是极端大风的发生地。

3.3拖曳作用

本次局地大风天气伴随有降水和冰雹。13时的强降水主要分布在马鞍山,强度有10～20mm左右,部分地区有冰雹。0℃层、-20℃层高度分别是3.9km和6.8km,据曹艳察等[11]的统计发现,我国<1km阶梯地势冰雹的0℃层、-20℃层高度分别介于2.3～4.5km和4～7.8km,可见本次0℃/-20℃层高度位列上述冰雹高度范畴,符合出现冰雹的高度条件。13:22-13:44出现了三体散射长钉(TBSS)(图7),它与冰雹的发生有紧密关系。可见,从高度层和TBSS来看,这次局地大风伴随有冰雹的现象是自然的。

图713:39南京雷达CR分布

根据付丹红等[12]的模拟研究认为,下击暴流由雨水粒子和冰雹的拖曳作用产生,并由它们的融化蒸发作用得到加强。较为丰富的水汽在强迫抬升过程中发生相变,释放出大量的潜热,有利于雷暴的加强及水凝物的形成发展,而当雷暴发展到更为强盛的阶段,上升气流支撑不住水凝物,重力大于浮力,在重力作用下各种水凝物快速下沉[13]。

降水和冰雹的拖曳作用过程:雨水活动的拖曳首先启动下沉气流的产生,紧接着冰雹的拖曳加强了0℃层以上层次的下沉气流强度。冰雹被下沉气流携带至0℃层以下时,由于环境温度的增暖逐渐演化成液态水,吸收热量使得周围气温降低,同时液态水在下降过程中持续蒸发也使得气温降低,气温降低所产生的负浮力加强了下沉气流,下沉气流达到地面后形成下击暴流[13]。

3.4负浮力

由中层干层和气温下降导致的负浮力分别叙述。由ECMWF资料得到的马鞍山站探空可知,14时500hPa相对湿度仅有20%左右,而其上下层相对湿度都在50%左右,300hPa为近似饱和状态,中层存在有显著的干层。伴随着空气下降,水成物持续蒸发,下沉气流与周边环境的负浮力增大。选取2个站分析13时至14时气温下降的变化,正值代表下降,负值代表上升(图8)。可见前后10d的14时气温比13时略高,而20日气温则表现为下降趋势,下降幅度高达4℃左右。1℃的温差造成的浮力可抵消约4g/kg水物质产生的重力拖曳[14],因此气温下降4℃所造成的负浮力效应大致相当于16g/kg的重力拖曳作用。

图8逐日13时-14时气温下降值变化

3.5风暴下降

风暴质心高度、最强回波高度下降是下击暴流形成的重要特征[15]。通过质心高度的不断快速下降,形成强烈的冷下沉气流;最强回波高度的迅速下降,可激发风暴内部中层下沉气流的加速,从而触发下击暴流。图9为南京雷达观测到的东北侧和西南侧风暴参数演变,铜陵雷达图略。可以看到,对于同一个风暴单体,2部雷达观测到的参数变化有所不同,可能受制于雷达距离、方向等的不同所致;最强回波高度在13:10之前有2次快速下降的现象,13:11之后有2次下降现象;质心高度在13:10之前有1次下降,13:11之后有2次下降。质心高度、最强回波高度的下降,大体上与5次极端大风发生时间所对应。

图9南京雷达风暴参数

3.6概念模型

根据以上对局地大风的成因分析,以及雷达回波、冰雹粒子、降水粒子的分布,绘制了如图10的下击暴流形成的概念模型示意图。风暴移向为向右,风暴内部的前侧有较强回波,该回波中心有最强回波;风暴内部有降水粒子和冰雹粒子,它们降落到地面形成冰雹和降水;风暴前侧是上升气流,后侧则是下沉气流,下沉气流与最强回波高度的快速下降、气温降低引起的负浮力等共同作用,加剧了下沉气流的速度。由于下沉气流的方向为风暴移动方向,在地面上形成偏东方向大风,范围小,时间短,故成为下击暴流。

图10概念模型[16]

4、结论和讨论

通过对安徽马鞍山一次局地极端大风的观测分析及其成因研究,主要结论如下:

⑴近地层的垂直风切变很大,对流指数表明大气有较强不稳定性,具有强对流天气发生的环境背景,而地面辐合线是产生局地大风的触发条件,造成大气发生比较强烈的抬升运动。

⑵经过判别和排除,确认局地大风是由系列下击暴流导致的,风暴由1个超级单体分裂成2个超级单体,地面极端大风由超级单体风暴环境下的湿下击暴流所产生。地面14级瞬时大风符合前人关于下击暴流风速的范畴。

⑶下击暴流的成因有拖曳作用(降水、冰雹粒子)、负浮力、质心高度和最强回波高度下降等。降水和冰雹粒子的共同拖曳作用,促进下沉气流的快速下冲;短时间内气温的迅速下降,地面附近有强冷池,引起的负浮力作用较为明显,而中层干层的出现加剧了负浮力作用的下沉运动。超级单体风暴的质心高度或者最强回波高度的不断下降,也加剧了下沉气流的速度。

⑷地面局地大风的成因是下击暴流。在降水和冰雹的拖曳作用,中层干层和气温的负浮力作用,加上风暴质心高度和最强回波高度的下降作用,共同造成系列下击暴流;下沉运动到达地面形成湿冷的雷暴高压,向外辐散出流,并最终造成了地面极端性局地大风。根据成因分析,给出了下击暴流的概念模型,从空间上解释了下击暴流的形成机理。

本文基于多种精细化观测资料,详细分析了这次局地极端性大风过程,对局地大风的形成机理也进行了探讨,得到了一些有益的结果。有的结果可能对于地面大风的预警有一定指示意义,比如地面大风迟于空中下沉运动,通过空中风暴高度的下降、雨量来预警大风的发生,通过气温下降幅度和高度下降快慢,大体判断风速大小。然而上述研究成果也只是定性分析,很难给出定量化的研究结果,没有给出各种形成因素在大风形成中的贡献大小,未来可以进行定量化的探索性工作。同时也没有实施数值模拟研究,可以利用中小尺度模式进行试验,获得局地大风的动力热力原因,揭示微物理量的变化特征等。

参考文献：

[2]李兆慧,王东海,麦雪湖,等.2015年10月4日佛山龙卷过程的观测分析[J].气象学报,2017,75(2):288-313.

[3]唐明晖,姚秀萍,杨湘婧,等.基于多普勒天气雷达资料的“6.1”监利极端大风成因分析[J].暴雨灾害,2016,35(5):393-402.

[6]李改琴,吴丽敏,许庆娥,等.一次下击暴流天气特征分析[J].气象与环境科学,2016,39(3):60-67.

[7]杜爱军,魏鸣,王炳赟.下击暴流的三维仿真和回波特征分析[J].灾害学,2015,30(2):186-192.

[8]赵璐,赵放,楼小芬.一次初春冰雹天气过程分析[J].科技通报,2017,33(10):40-45.

[10]周后福.江淮地区三类强风暴结构差异及其成因研究[D].南京:南京信息工程大学,2015.

[11]曹艳察,田付友,郑永光,等.中国两级阶梯地势区域冰雹天气的环境物理量统计特征[J].高原气象,2018,37(1):185-196.

[12]付丹红,郭学良,肖稳安,等.北京一次大风和强降水天气过程形成机理的数值模拟[J].南京气象学院学报,2003,26(2):190-200.

[13]吴海浪,曹文,易军,等.2017年7月一次微下击暴流背景的多尺度特征[J].气象科技,2019,47(1):89-97.

[15]刁秀广,赵振东,高慧君,等.三次下击暴流雷达回波特征分析[J].气象,2011,37(5):522-531.

周后福,范伟,陶寅,赵倩.安徽一次局地极端大风观测与成因探讨[J].灾害学,2020,35(02):97-101+121.

基金:国家自然科学基金(U1533131,41875171);安徽省公益性研究项目(1604f0804002);华东气象协同创新基金(QYHZ201816).