热带气象学报  2017, Vol. 33 Issue (6): 850-860  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.006
0

引用本文  

郑艳, 俞小鼎, 蔡亲波, 等. “4·11”海南致灾雷暴大风环境场与多普勒雷达回波特征分析[J]. 热带气象学报, 2017, 33(6): 850-860.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.006.
郑艳, 俞小鼎, 蔡亲波, 等. Analysis on the physical parameter field and echo characteristics of doppler radar for a destructive wind in hainan april 11, 2016[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2017, 33(6): 850-860. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.006.

资助项目

海南省自然科学基金项目(414200);华南大风行业专项(GYHY201406002);国家自然科学基金项目(41175043);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306009)共同资助

通讯作者

郑艳,女,辽宁省人,高级工程师,主要从事强对流天气预警及台风预报研究。E-mail: hnzyan@126.com

文章历史

收稿日期:2016-11-30
修订日期:2017-02-21
“4·11”海南致灾雷暴大风环境场与多普勒雷达回波特征分析
郑艳 1,3, 俞小鼎 2, 蔡亲波 1, 任福民 3     
1. 海南省气象台,海南 海口 570203;
2. 中国气象局气象干部培训学院,北京 100081;
3. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081
摘要:利用海口多普勒雷达、海南省区域加密自动站和常规资料对2016年4月11日凌晨发生在海南岛北部近海和陆地的大范围雷暴大风过程进行天气学分析。结果表明:(1)这次雷暴大风过程发生在500 hPa槽前、低空急流左前侧、低层切变线南侧、高空急流分流区下方和地面静止锋南侧的有利于对流发展的较大范围上升气流区域内;(2)对流风暴移动路径上的大气环境具有中等程度的条件不稳定、对流有效位能CAPE以及上干冷下暖湿的温-湿廓线垂直结构、强的深层垂直风切变,对流风暴形成后最终组织发展产生雷暴大风、大冰雹和短时强降水的多单体带状回波和弓形回波;(3)在多单体带状回波中镶嵌的风暴A和B各自发展成为具有中层径向辐合特征的超级单体,风暴B和C合并形成弓形回波,其中风暴C的中气旋加强成为弓形回波北部的气旋式中尺度涡旋;(4)阵风锋对对流风暴的正反馈作用、对流风暴前侧强劲的暖湿入流与风暴后侧径向风速相当的冷池出流,长时间倾斜依存的自组织结构及其与强的低层环境风垂直切变的相互作用,是多单体风暴和弓形回波长时间维持和加强的主要原因;(5)地面原来存在的β中尺度辐合切变线,对流风暴主体回波沿着海南岛北部近海东移等因素,有利于多单体带状回波和弓形回波的长时间维持。
关键词雷暴大风    天气学分析    多单体带状回波    弓形回波    阵风锋    β中尺度辐合切变线    
ANALYSIS ON THE PHYSICAL PARAMETER FIELD AND ECHO CHARACTERISTICS OF DOPPLER RADAR FOR A DESTRUCTIVE WIND IN HAINAN APRIL 11, 2016
ZHENG Yan1,3, YU Xiao-ding2, CAI Qin-bo1, REN Fu-min3     
1. Hainan Meteorological Observatory, Haikou 570203, China;
2. China Meteorological Administration Training Centre, Beijing 100081, China;
3. Chinese Academy of Meteorological Science, State Key Laboratory of Severe Weather, Beijing 100081, China
Abstract: A destructive wind event, with occurred on 11 April 2016 extensively and caused great damage and casualties in the north of Hainan Island, is analyzed based on Doppler radar, intensive automatic weather stations, and conventional meteorological stations. The result shows that an extended region of intense vertical upward motion in the front of a 500hPa trough, the left front of a low-level jet, the south of a low-level shear line, the south side of a ground stationary front and the diverging area of an upper-level jet provided favorable conditions for strong convective development. The convective storm formed in the conditions of moderate instability and convective available potential energy (CAPE), vertical profile of temperature and humidity with a dry and cold upper level, a wet and warm lower level, and a strong vertical wind shear. The typical features of hook echo and bow echo were found when the convective storm developed with strong wind, heavy hail and short time heavy rainfall. In this case, two storms (called storm A and B) developed into a supercell convective storm (storm C) with strong middle-altitude radial velocity. Storm B and C merged and formed a bow echo, and a mesocyclone with storm C became a mesoscale cyclonic eddy at the north part of the bow echo. A rear downdraft jet of the bow echo in the 0.2 to 2km height maintained the maximum radar radial velocity at 39m/s, and the entrainment of dry air resulted in the rapid evaporation of rain and the cooling of hail, which accelerated the descending air flow. A strong warm moist inflow in the front of the convective storm and a cold pool of the rear outflow obliquely coexisted with equivalent wind speed. Positive feedback of the gust front and its interaction with low-level vertical wind shear caused long-time maintenance and the enhancement of a self-organized mechanism made multiple-cell band storm and bow echo to strengthen and maintain. Multiple influential factors, such as the pre-existing meso-β-scale convergence shear on the ground and main echoes of convective storm moving eastward along the northern coast of Hainan Island, can keep multiple-cell band echo and bow echo strengthen and maintain for a long time.
Key words: weather forecast    thunderstorm    multiple-cell band echo    bow echo    gust front    meso-β-scale convergence shear    
1 引言

在对流风暴发生的灾害性天气现象中,雷暴大风具有突发性、局地性、强度大和持续时间短等特征,雷暴大风常常导致农作物倒伏,极端大风可导致翻船事故,造成财产损失和人员伤亡。雷暴大风出现频率高,但预报、预警难度较大,目前基层气象台站主要基于多普勒雷达和区域加密自动站进行监测。雷暴大风产生的环境条件、触发机制和多普勒雷达产品特征是灾害性强对流天气预报研究的重要内容。美国区域性雷暴大风多由镶嵌着弓形回波的飑线造成[1];在中等到强的风垂直切变下对流风暴产生的雷暴大风中,超级单体尺度最小,而多数弓形回波尺度较大[2];弓形回波灾害性大风是由其后侧入流急流或后侧入流急流与中涡旋叠加造成的[3-4];廖晓农等[5]分析北京地区一次罕见的雷暴大风过程发现,后侧入流急流促使飑线与其前侧的新生单体合并加强形成弓形回波,而在弓形回波的一个强对流单体内的下击暴流导致了雷暴大风;李国翠等[6]对京津冀地区区域性雷暴大风过程进行统计,指出飑线和弓状回波的大风影响范围广,且多位于带状回波的前沿;王福侠等[7]的研究揭示河北省中南部地区雷暴大风的雷达回波特征主要有弓形回波、阵风锋和径向速度大值区,依据径向速度大值区可更早发布雷暴大风预警。近年来,文献[8-13]对雷暴大风环境条件和雷达回波特征进行了模拟和对比分析,提炼出多个雷暴大风预警指标,检验效果良好。本文将利用海口多普勒雷达、海南省区域加密自动站和常规观测资料,对2016年4月11日凌晨发生在海南岛北部近海和陆地的大范围雷暴大风天气过程进行分析,以期为海南的雷暴大风临近预报、预警提供参考依据。

2 雷暴大风概况及灾情

2016年4月11日01—05时(北京时,下同),海南岛西北部近海、琼州海峡和北部陆地先后出现直线型雷暴大风。琼州海峡阵风达11级,海南岛西北部近海阵风9级,北部陆地普遍出现8~10级的大风,其中海口市局部地区阵风达11级;11日03:03琼州海峡的粤海轮渡船舶站观测到这次雷暴大风过程的极大风速达32.6 m/s,03:11海口气象站观测到31.3 m/s的大风(图 1)。另外,儋州市峨蔓地区目击到冰雹,冰雹直径约为20 mm;海口和文昌的北部地区出现短时强降水,其中海口气象站04—05时的小时雨量达56 mm。

图 1 2016年4月11日01—05时海南岛区域加密自动站极大风风向风速(≥17.2 m/s)分布 风向杆上三角形表示19~20 m/s,长线段表示3~4 m/s,短线段表示1~2 m/s。

受海南岛西北部近海的雷暴大风和冰雹的影响,造成儋州市的北部附近海域的人员伤亡和木棠镇的经济作物受损。

3 天气背景和环境条件 3.1 天气背景

2016年4月10日20时,500 hPa西风槽位于湖南西部至广西南部,未来缓慢东移过110 °E,副热带高压控制南海中部和南部海域;850 hPa和925 hPa切变线西段南压至广西南部及其沿海地区,850 hPa海南岛北部为西南风的风速辐合区;地面锋面到达福建西部至广西南部地区后静止少动,近地层弱冷平流向南扩散,北部湾北部海面形成东北风和偏东风的地面中尺度切变线,由于海陆风效应,海南岛中北部地区也存在一条中尺度辐合切变线(海风锋),为东北风和偏南风的辐合;200 hPa副热带西风急流轴在25 °N附近,急流中心风速达到56 m/s,海南岛处于高空急流分流区下方(图 2)。海南岛北部和华南沿海位于500 hPa槽前、低空急流左前侧、低层切变线南侧、高空急流分流区下方和地面静止锋南侧,处于低层辐合和高层辐散的有利于对流发展的较大范围上升气流区。

图 2 2016年4月10日20时环境条件场综合分析
3.2 环境条件

10日20时,海口站T-lnP图显示(图略),温度和露点层结曲线呈现喇叭口型,500 hPa存在明显干层,850 hPa接近饱和;850 hPa和500 hPa的温度差为29 ℃,SI指数为-3.6 ℃;海南岛北部地区大气层结具有较强的条件不稳定性。通过卫星云图和多普勒雷达回波分析,造成这次海南岛雷暴大风的对流系统是在北部湾北部海面生成,然后在自西向东移动的过程中加强;10日20时,广东、广西的中南部SI指数均为负值,大部分地区SI≤-3 ℃;对流系统移动路径上的大气层结均为条件不稳定,有利于对流系统持续加强。

判断强对流潜势的两个重要对流参数分别是对流有效位能CAPE和水平风的深层垂直切变。为了判断造成此次海南岛雷暴大风的对流系统的强对流潜势是否有利,我们选取最具有代表性的广西北海探空站的资料进行分析,该探空站位于静止锋前、雷暴初始出现位置的上游。10日20时北海探空显示(图 3),CAPE值为1 100 J/kg,0~6 km(地面~500 hPa)风矢量差为28 m/s,对应的垂直风切变为4.8×10-3 s-1T850-T500=30 ℃,Td=23 ℃,PW=40 mm,北海探空资料表明此时该地大气具有显著的深层条件不稳定,中等偏低的CAPE,很强的0~6 km垂直风切变,有利于超级单体风暴形成[14-15]。另外,从温度和露点廓线看,850 hPa以上具有温度露点差较大的深厚干层,0 ℃层和湿球温度0 ℃层(冰雹融化层)高度[16]分别为4.7 km和3.8 km,融化层高度比0℃层高度明显降低,对流系统初生地的大气层结具有上干下湿、干层深厚等特征,地面露点和可降水PW值对于该季节都偏高,因此有利于发生雷暴大风、大冰雹和短时强降水过程。10日20时,海口站600 hPa开始的下沉气流的对流有效位能(DCAPE)超过650 J/kg;大风指数(WINDEX)充分考虑了强下沉气流不饱和的特点,是微下击暴流潜势预报的有效指标,海口大风指数增大到34.9 m/s,与这次雷暴大风过程中琼州海峡实测的极大风速(32.6 m/s)接近。在这样的大气环境条件下,产生强下沉气流及其由强下沉气流在地面附近强烈辐散导致雷暴大风发生的可能性较大[17-18]

图 3 2016年4月10日20时广西北海探空站的T-lnP

北部湾的北部海面生成的相对较弱的对流风暴在自西向东移动的过程中,经过中等强度的热力垂直层结不稳定、上干冷下暖湿的温-湿廓线垂直结构、强的深层垂直风切变区域,非常有利于伴有雷暴大风、强冰雹和短时强降水天气的强风暴(包括超级单体风暴)的组织化发展,并长时间维持。

4 多普勒雷达特征及大风成因

4月10日21:09,海口多普勒雷达探测到北部湾北部海面不断有对流单体生成,沿着2.1小节中提到的北部湾北部海面的中尺度切变线逐渐排列成东北-西南向的回波带向偏东方向移动;11日00:21,当带状回波移至海南岛西北部海面时,与海面上的新生单体合并加强,继续发展东移。这次雷暴大风过程经历了多单体带状回波阶段(01:24—02:32)和弓形回波阶段(02:38—04:11);04:11以后,弓形回波主体从海南文昌东移出海后,在海口多普勒雷达有效探测距离内强度仍然维持。

4.1 多单体带状回波特征

11日00:21,在带状回波向海南岛西北部海面移动的过程中,各个单体分别得到不同程度的发展。01:24,由3个强风暴东北-西南向排列成的多单体带状回波在距离儋州沿海陆地约25 km的西北部近海海面上;多单体带状回波继续东移时造成了海南岛西北部近海和陆地的雷暴大风。图 4是11日海口多普勒雷达1.5 °仰角01:24—02:38期间4个时刻的反射率因子和对应的平均径向速度演变图,反映了多单体带状回波上A、B、C的3个强风暴的演变过程以及弓形回波的最终形成。

图 4 2016年4月11日01:24—02:38海口多普勒雷达1.5 °仰角4个不同时刻的反射率因子(左)和平均径向速度(右) 白色圆圈代表中气旋或中涡旋位置,黑色圆圈代表中反气旋或中反涡旋位置,箭头指向后侧入流急流方向。

11日01:24,强风暴A已发展为超级单体[15],它距离雷达约130 km,最大反射率因子超过65 dBz,具有明显的中气旋和三体散射特征。中气旋的负速度出现了速度模糊、退模糊后为-39 m/s,最大旋转速度约为26 m/s(该中气旋最大正、负速度分别为12 m/s、-39 m/s),达到强中气旋的标准。01:36,由反射率因子垂直剖面显示(图 5c),超级单体A大于60 dBz的强回波伸展到10 km以上,出现明显的中高层回波悬垂和低层弱回波区,具有大冰雹回波特征[15],此时非常有可能出现大冰雹。但由于发生在凌晨的海南岛西北部近海,所以被目击或观测到大冰雹的机率很低。平均径向速度剖面图(图 5d)表现为2~5 km强烈的中层径向辐合区,说明对流层中层干空气夹卷进入雷暴的过程,这种夹卷过程可加速雷暴内的下沉气流[19]。01:48(图 4),超级单体A最大反射率因子仍超过65 dBz,中气旋最大旋转速度减弱到23 m/s(该中气旋最大正、负速度分别为7 m/s、-39 m/s),此时A距离雷达约108 km,仍为强中气旋,01:51儋州原油码头观测到22.6 m/s的极大风,超级单体A导致海南岛西北部近海的雷暴大风造成翻船事故。01:24—02:07,超级单体A的中气旋表现为气旋性辐合流场;02:13—02:38,A东移至儋州和临高境内,强度减弱至55 dBz,中气旋演变为中反气旋,表现为反气旋性辐合流场,期间儋州和临高先后出现7~8级大风。

图 5 2016年4月11日01:36海口多普勒雷达0.5 °仰角的反射率因子(a)和平均径向速度(b)及沿着图 5中线段走向的A、B、C三个强风暴的反射率因子(c)和平均径向速度(d)的垂直剖面 白色圆圈代表中层径向辐合区。

图 5a5c可知,01:36,强风暴B也发展为超级单体[15],此时超级单体B距离雷达约100 km,最大反射率因子超过65 dBz,60 dBz的强回波伸展到近9 km,出现了中高层回波悬垂和低层弱回波区,呈现出典型的强烈雹暴特征。只是深夜没有目击者,实际上出现大冰雹的可能性很大;平均径向速度产品探测到中气旋特征(图 5b),中气旋最大旋转速度为18 m/s(该中气旋最大正、负速度分别为12 m/s、-24 m/s),达到中等强度中气旋的标准,垂直剖面图表现为2~5 km中层径向辐合和9 km以上向着雷达的强速度区(图 5d)。02:01—02:38(图 4),超级单体B演变为后侧入流较强的强风暴,强度减弱为55 dBz,后侧入流急流维持在27~34 m/s,有利于地面大风的产生[14]。强风暴B在临高和澄迈产生9~10级大风,02:07在临高调楼镇观测到26.4 m/s,02:33澄迈桥头镇观测到24.4 m/s。

01:36,强风暴C也出现中高层回波悬垂和低层弱回波区,弱回波区的反射率因子梯度偏小,平均径向速度产品(图 5b)表现为径向速度辐合,剖面图上存在风暴前侧的入流和后侧较强的下沉气流以及7 km以上向着雷达的强速度区(图 5d)。01:48(图 4),平均径向速度图上出现正、负速度对,但旋转速度没有达到中气旋标准,仅体现为弱切变。01:55—02:07,强风暴C进一步加强为超级单体,其中气旋旋转速度明显增大,其中02:01达到中等强度中气旋的标准,此时超级单体C距离雷达56.5 km,旋转速度为21 m/s(该中气旋最大正、负速度分别为17 m/s、-24 m/s)。

02:13—02:38,超级单体A衰减,其位于最初形成的弓形回波西南端,中气旋演变为中反气旋,而超级单体B和C合并最终形成弓形回波,其北端和南端分别具有气旋式和反气旋式中尺度涡旋,通常称为“book end vortex”,或“Line end vortex”,其形成机理与中气旋明显不同[4]:超级单体风暴内的中气旋通过风暴内上升气流将由较强垂直风切变导致的沿着低层暖湿入流的水平涡度扭曲为垂直涡度而形成,由于水平气流的平流作用,扭曲作用导致的气旋式旋转和反气旋旋转的正、负涡旋对,刚好分别位于对流风暴的上升气流区和降水导致的下沉气流区,气旋式涡旋由于上升气流的拉伸作用而加强成为中层(2~6 km)中气旋,而反气旋涡旋受到下沉气流压缩作用而显著衰减甚至消亡[20-21]。弓形回波北端的气旋式涡旋和南端的反气旋涡旋是由于弓形回波前沿的强上升气流对位于弓形回波前沿的由斜压作用(弓形回波阵风锋前面的暖湿气流区和其后面的冷池构成沿着阵风锋的斜压区,形成沿着阵风锋的水平涡管)形成的水平涡管的垂直扭曲作用而形成[4]。在本个例中,由于单体C中首先形成中气旋,演变成为超级单体,然后又与单体B合并形成弓形回波,因此02:38弓形回波北端明显的中尺度涡旋的形成很可能两种机制都起了作用。北端中尺度涡旋的形成和加强导致弓形回波形成后侧入流迅速加强,02:38靠近弓形回波北端的后侧入流急流达到39 m/s(出现了速度模糊)。

另外,海口多普勒雷达2.4 °仰角反射率因子显示(图略),4月11日01:24—01:48,超级单体A持续探测到三体散射和旁瓣回波特征,VIL维持在58~70 kg/m2之间;01:55,超级单体A移到儋州市峨蔓地区,三体散射和旁瓣回波特征变得不明显,但VIL仍达到68 kg/m2。01:24—01:55,超级单体A的最大反射率因子维持在65 dBz以上,具有明显的中高层回波悬垂和低层弱回波区的强雹暴回波特征。儋州峨蔓地区目击到直径不足20 mm的冰雹,但雷达回波特征表明超级单体A演变过程中很可能有更大冰雹,只是没有被目击到。

4.2 弓形回波演变特征

由4.1小节分析可知,4月11日02:38,强风暴B和C合并最终形成这次雷暴大风过程的弓形回波。图 4中的海口多普勒雷达1.5 °仰角02:38平均径向速度显示,强风暴B和C均出现了速度模糊,各自具有强劲的后侧入流急流,分别为34 m/s和39 m/s。02:44,强风暴B和C强劲的后侧入流合并为一支入流急流,直至04:11,弓形回波主体从海南文昌东移出海,其后侧入流急流在0.2~2.0 km高度上始终维持39 m/s。对比1.5 °仰角反射率因子,02:38(图 4),强风暴B和C合并,初步具有弓形回波特征。03:15—04:11(图 6左),回波经过海口继续东移的过程中,弓形回波特征更加明显;弓形回波东移先后造成琼州海峡、海口北部地区出现11级(32.6 m/s、31.3 m/s)大风和文昌北部地区出现10级(27.6 m/s)大风。另外,02:38—04:11,在强风暴B和C合并为弓形回波而后东移过程中,强风暴A始终位于弓形回波的西南侧,与弓形回波一起向偏东方向移动,强度维持在50~55 dBz,在03:52造成定安县定城镇发生8级(17.9 m/s)大风。

图 6 2016年4月11日02:44—04:11海口多普勒雷达1.5 °仰角4个不同时刻的反射率因子(左)和平均径向速度(右)

总体而言,4月11日海南岛致灾雷暴大风过程伴有大冰雹和短时强降水,在此次大风形成过程中,雷暴周边相对干的空气被夹卷进入雷暴,导致雷暴下沉气流内冰雹升华和雨水迅速蒸发冷却使得下沉气流降温,从而导致向下的加速度,对下沉气流起到了加速作用[22];多单体带状回波和弓形回波的长时间维持造成了海南岛西北部近海、琼州海峡和北部陆地大范围雷暴大风。下面分析多单体带状回波和弓形回波长时间维持的原因。

5 多单体带状回波和弓形回波维持原因 5.1 风暴与环境相互作用形成的风暴自组织机制

11日海南省区域性雷暴大风过程,01:24—04:11以后,多单体带状回波中的A、B、C三个强风暴生命史长达1 h,弓形回波维持超过2 h,这两种回波的结构及其与环境的相互作用,即强的低层环境风垂直切变和雷暴内部的正反馈机制是风暴系统得以长时间维持的主要原因。

多单体带状回波和弓形回波在垂直结构上均表现为风暴前侧的主入流和后侧的主出流错开,风暴前侧的偏东或东南暖湿入流与风暴后侧的冷池出流形成强辐合或中层径向辐合,上升发展区和下沉出流区倾斜依存的自组织结构有利于强风暴长时间发展维持[18]。11日01:36,由多单体带状回波上3个对流风暴A、B、C的平均径向速度垂直剖面显示可知(图 5d),强风暴A和B在2~5 km高度均存在中层径向辐合区,强风暴C前侧暖湿入流和后侧下沉气流形成强烈的辐合,沿着风暴后侧下沉气流斜升的暖湿入流导致强风暴A、B、C均出现明显的中高层回波悬垂和低层弱回波区(图 5c);雷达探测到对流风暴A、B、C的前侧入流速度约为7 m/s,风暴A的后侧下沉气流速度达到39 m/s(出现速度模糊),风暴B和C的后侧下沉气流速度为20~27 m/s。03:46(图 7),弓形回波前沿表现为弧状辐合带;沿着线段ab的垂直剖面显示,弓形回波前侧7 m/s的暖湿入流沿着冷池出流斜升至6 km以上,在沿着线段ac的垂直结构上,弓形回波前侧的低层入流明显偏弱,但存在3~6 km高度的中层径向辐合区,弓形回波后侧冷池出流经过降水粒子下沉拖曳作用和气流下沉辐散作用,雷达探测到3 km以下34 m/s(出现速度模糊)的强下沉区。分析表明弓形回波东北侧来自于海上的暖湿入流是其强度维持的能量和水汽来源。这次雷暴大风过程的多单体带状回波和弓形回波移动速度较快,从01:24影响海南岛西北部近海开始,至04:11从文昌东移出海,平均时速超过80 km,即大于22 m/s。雷达探测到多单体带状回波和弓形回波前侧暖湿入流普遍为7 m/s,则风暴相对入流速度超过29 m/s,强劲的暖湿入流沿着风暴后侧径向速度相当的下沉出流斜升,构成了风暴前的强辐合。

图 7 2016年4月11日03:46海口多普勒雷达1.5 °仰角同时刻的反射率因子(a)和平均径向速度(b)及沿着线段ab、ac的反射率因子(c)和平均径向速度(d)的垂直剖面 箭头分别指向弓形回波的前侧入流和后侧出流方向。

阵风锋与雷暴母体的相对速度或相对距离不同,对其具有不同的正、负反馈作用。席宝珠等[23]统计发现,当雷暴移动速度等于或者很接近其产生的阵风锋推进速度的时候,即运动型阵风锋,阵风锋对雷暴母体有正反馈作用;文献[24-26]认为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,对流风暴维持或发展加强。这次雷暴大风过程(01:24—04:11)阵风锋一直伴随着多单体带状回波和弓形回波移动,阵风锋与带状回波的最短距离维持在10 km左右(图 4~7),二者的移速接近,阵风锋对对流风暴具有正反馈作用。

海口多普勒雷达风廓线产品显示(图略),10日下午—11日早晨,1.5 km高度上维持12~16 m/s的西南风急流,2~3 km高度上的西南风大于20 m/s,0~1.5 km和0~2 km的低层垂直风切变约为10×10-3~12×10-3 s-1。强的低层环境风垂直切变一方面使得风暴系统内的上升气流区和下沉气流区分离、冷出流快速嵌入到暖湿入流的下部,两者之间的密度锋区抬升从而加速入流[27],另一方面阻止冷出流快速离开风暴系统,使得风暴前侧的阵风锋不至于远离风暴主体,当冷池产生的负涡度与低层垂直风切变产生的正涡度近似平衡时,沿着风暴前沿的新生单体向垂直方向发展,有利于对流风暴系统的发展传播[28-29]。上述风暴的自组织结构与环境垂直风切变之间的相互作用,使得风暴能长时间维持。

5.2 地面β中尺度辐合线

10日(图 8a),近地层海南受西南热低压控制,以偏南风为主;午后随着地面气温快速升高,受海陆风效应影响,海南岛北部地区维持一条东北风和偏南风的β中尺度辐合切变线(海风锋);夜间开始弱冷平流向南扩散,地面β中尺度辐合切变线继续维持。11日(图 8b),海南岛大范围的雷暴大风集中出现在地面β中尺度辐合切变线的北侧,即冷区一侧。当多单体带状回波和弓形回波前沿的阵风锋与地面中尺度辐合切变线相遇时加剧了对流风暴的发展[30-31],从而有助于多单体带状回波和弓形回波的长时间维持。另外,对流风暴主体回波沿着海南岛北部近海东移,摩擦耗散较小,水汽充沛,对多单体带状回波和弓形回波的维持有所贡献。

图 8 2016年4月10日17时(a)和11日01时(b)海南岛区域加密自动站2分钟平均风向、风速分布 粗黑色线段代表β中尺度辐合切变线。
6 总结

本文对2016年4月11日凌晨发生在海南岛北部近海和陆地的大范围雷暴大风天气过程的多普勒雷达、区域加密自动站和常规资料进行分析,主要结论如下。

(1)这次雷暴大风过程发生在500 hPa槽前、低空急流左前侧、低层切变线南侧、高空急流分流区以下和地面静止锋南侧,处于低层辐合和高层辐散的有利于对流发展的较大范围上升气流区;对流风暴经过中等程度的条件不稳定和对流有效位能CAPE、上干冷下暖湿的温-湿廓线垂直结构、较强的深层垂直风切变区域,最终组织发展成产生雷暴大风、大冰雹和短时强降水的强对流风暴系统。

(2)这次雷暴大风过程经历了多单体带状回波阶段和弓形回波阶段。对流风暴移动路径上的大气环境均具有条件不稳定和强的垂直风切变,多单体带状回波中镶嵌的A、B、C三个强对流风暴中的A和B先后各自发展为超级单体,具有中气旋和有利于雷暴大风产生的中层径向辐合特征;弓形回波是由强对流风暴B和C合并加强而成,其中风暴C中发展的中气旋加强成为弓形回波北部的气旋式中尺度涡旋;这次雷暴大风过程伴有冰雹和短时强降水,干空气的夹卷导致冰雹升华和雨水迅速蒸发冷却对下沉气流起到了加速作用,使得弓形回波后侧的下沉气流急流在0.2~2 km高度上始终维持39 m/s。

(3)多单体带状回波和弓形回波自西向东移动造成了这次大范围雷暴大风过程,其长时间维持的主要原因有:强的低层环境风垂直切变一方面使得对流风暴前侧强劲的暖湿入流与风暴后侧径向风速相当的冷池出流长时间倾斜依存,另一方面使得风暴前沿的新生单体向垂直方向发展,从而有利于对流风暴系统的发展传播;在雷暴大风过程中(01:24—04:11)伴随着多单体带状回波和弓形回波移动的阵风锋与对流风暴的最短距离始终维持在10 km左右,阵风锋对对流风暴具有正反馈作用;地面原来存在的β中尺度辐合切变线与阵风锋相遇时加剧对流风暴发展;对流风暴主体回波沿着海南岛北部近海东移,摩擦耗散较小,水汽充沛。

参考文献
[1] JOHNS R H, HIRT W D. Derechos: Widespread convectively induced windstorms[J]. Wea Forec, 1987, 2(1): 32-49. DOI:10.1175/1520-0434(1987)002<0032:DWCIW>2.0.CO;2
[2] JOHNS R H, DOSWELL C A Ⅲ. Severe local storms forecasting[J]. Wea Forec, 1992, 7(4): 588-612. DOI:10.1175/1520-0434(1992)007<0588:SLSF>2.0.CO;2
[3] FUJITA T T. Tornadoes and downbursts in the context of generalized planetary scales[J]. J Atmos Sci, 1981, 38(8): 1 511-1 524. DOI:10.1175/1520-0469(1981)038<1511:TADITC>2.0.CO;2
[4] ATKINS N T, LAURENT M S. Bow echo mesovortices, Part Ⅱ: Their genesis[J]. Mon Wea Rev, 2009, 137(8): 1 514-1 532.
[5] 廖晓农, 俞小鼎, 王迎春. 北京地区一次罕见的雷暴大风过程特征分析[J]. 高原气象, 2008, 27(6): 1 350-1 362.
[6] 李国翠, 刘黎平, 连志鸾, 等. 利用雷达回波三维拼图资料识别雷暴大风统计研究[J]. 气象学报, 2014, 72(1): 168-181. DOI:10.11676/qxxb2014.003
[7] 王福侠, 俞小鼎, 裴宇杰, 等. 河北省雷暴大风的雷达回波特征及预报关键点[J]. 应用气象学报, 2016, 27(3): 342-351. DOI:10.11898/1001-7313.20160309
[8] 王秀明, 周小刚, 俞小鼎. 雷暴大风环境特征及其对风暴结构影响的对比研究[J]. 气象学报, 2013, 71(5): 839-852. DOI:10.11676/qxxb2013.073
[9] 方翀, 俞小鼎, 朱文剑, 等. 2013年3月20日湖南和广东雷暴大风过程的特征分析[J]. 气象, 2015, 41(11): 1 305-1 314.
[10] 俞小鼎, 张爱民, 郑媛媛, 等. 一次系列下击暴流事件的多普勒天气雷达分析[J]. 应用气象学报, 2006, 17(4): 385-393. DOI:10.11898/1001-7313.20060401
[11] 吴丹娃, 潘益农, 吴林林, 等. 2011年6月23日沿淮强对流天气中尺度辐合特征模拟研究[J]. 热带气象学报, 2013, 29(4): 672-680.
[12] 杨兆礼, 刘三梅, 万齐林, 等. 基于雷达径向风的广东2011年4月17日强对流过程螺旋度特征分析[J]. 热带气象学报, 2014, 30(4): 763-768.
[13] 严仕尧, 李昀英, 齐琳琳, 等. 华北产生雷暴大风的动力热力综合指标分析与应用[J]. 暴雨灾害, 2013, 32(1): 17-23.
[14] MOLLER A R, DOSWELL C A Ⅲ, FOSTER M P, et al. The operational recognition of supercell thunderstorm environments and storm structures[J]. Wea Forec, 1994, 9(3): 327-347. DOI:10.1175/1520-0434(1994)009<0327:TOROST>2.0.CO;2
[15] 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, 2007: 314.
[16] 俞小鼎. 关于冰雹的融化层高度[J]. 气象, 2014, 40(6): 649-654. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2014.06.001
[17] DONALD W M. Windex-a new index for forecasting microburst potential[J]. Wea Forec, 1994, 9(4): 532-541. DOI:10.1175/1520-0434(1994)009<0532:WNIFFM>2.0.CO;2
[18] 王秀明, 俞小鼎, 周小刚. "6.3"区域致灾雷暴大风形成及维持原因分析[J]. 高原气象, 2012, 31(2): 504-514.
[19] SCHMOCKER G. Forecasting the initial onset of damaging downburst winds associated with a mesoscale convective system(MCS) using the midaltitude radial convergence(MARC) signature//Preprints, 15th Conf on Weather Analysis and forecasting[C]. Norfolk, VA: Amer Meteor Soc, 1996: 306-311.
[20] DAVIES J R. Streamwise vorticity: The origin of updraft rotation in supercell storms[J]. J Atmos Sci, 2010, 41(20): 2 991-3 006.
[21] MARKOWSKI P, RICHARDSON Y. What we know and don't know about tornado formation[J]. Physics Today, 2014, 67(9): 26-31. DOI:10.1063/PT.3.2514
[22] 俞小鼎, 周小刚, 王秀明. 雷暴与强对流临近天气预报技术进展[J]. 气象学报, 2012, 70(3): 311-337. DOI:10.11676/qxxb2012.030
[23] 席宝珠, 俞小鼎, 孙力, 等. 我国阵风锋类型与产生机制分析及其主观识别方法[J]. 气象, 2015, 41(2): 133-142.
[24] 阎访, 陈静, 卞韬, 等. 一次雷暴大风的物理环境场合多普勒雷达回波特征[J]. 气象与环境学报, 2013, 29(1): 33-39.
[25] 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): 36-42. DOI:10.7519/j.issn.1000-0526.2006.08.006
[26] 姚叶青, 俞小鼎, 张义军. 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.
[27] 姚建群, 戴建华, 姚祖庆. 一次强飑线的成因及维持和加强机制分析[J]. 应用气象学报, 2005, 16(6): 746-754. DOI:10.11898/1001-7313.20050615
[28] 陶岚, 袁招洪, 戴建华, 等. 一次夜间弓形回波特征分析[J]. 气象学报, 2014, 72(2): 220-236. DOI:10.11676/qxxb2014.027
[29] 陈明轩, 王迎春. 低层垂直风切变和冷池相互作用影响华北地区一次飑线过程发展维持的数值模拟[J]. 气象学报, 2012, 70(3): 371-386. DOI:10.11676/qxxb2012.033
[30] 王彦, 于莉莉, 李艳伟, 等. 边界层辐合线对强对流系统形成和发展的作用[J]. 应用气象学报, 2011, 22(3): 724-731.
[31] 易笑园, 张义军, 沈永海, 等. 一次海风锋触发的多单体雹暴及合并过程的观测分析[J]. 气象学报, 2012, 29(5): 974-985. DOI:10.11676/qxxb2012.082