热带气象学报  2017, Vol. 33 Issue (6): 933-944  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.014
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引用本文  

郑腾飞, 黄健, 万齐林, 等. 一次华南海岸带台前飑线的结构特征与环境条件的观测研究[J]. 热带气象学报, 2017, 33(6): 933-944.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.014.
郑腾飞, 黄健, 万齐林, 等. Observational study on the pre-tropical cyclone squall line of 8 august 2007 over the coast of south china[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2017, 33(6): 933-944. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.014.

资助项目

国家自然科学基金面上项目(41275025);国家自然科学基金面上项目(41475102);国家重点基础研究发展计划(973计划)课题(2015CB452802)共同资助

通讯作者

万齐林,男,湖北省人,研究员,博士,主要从事数值预报研究,E-mail:qlwan@grmc.gov.cn

文章历史

收稿日期:2016-09-02
修订日期:2017-09-28
一次华南海岸带台前飑线的结构特征与环境条件的观测研究
郑腾飞 1, 黄健 1, 万齐林 1, 徐海秋 2, 刘显通 1, 于鑫 3     
1. 中国气象局广州热带海洋气象研究所, 广东 广州 510640;
2. 广东省气象台/广东省区域数值天气预报重点实验室, 广东 广州 510640;
3. 广东省气象防灾技术服务中心,广东 广州 510640
摘要:2007年8月8日,热带风暴“帕布”移动到华南近海,在珠江三角洲至湛江以西地区出现了一次强飑线天气过程。根据多普勒天气雷达、风廓线雷达和气象探空等观测数据,分析此次台前飑线的生成、演变过程、组织结构以及环境大气条件特征,并对热带风暴“帕布”与台前飑线环境大气的关系进行初步探讨。观测和分析结果显示:(1)此次台前飑线系统是由孤立的对流单体逐渐发展而成,陆风环流的抬升作用有可能对飑线的初始生成起到重要作用;(2)台前飑线移动路径和强度受海岸附近环境条件的影响;在海岸靠近陆地一侧的强度远比内陆和海洋上强,移动路径倾向于沿海岸线平行;(3)台前飑线在发展和成熟阶段,其水平结构具有典型的尾流层云降水特征;其冷池强度和垂直结构具有典型的热带飑线特征;(4)台前飑线发生在具有深厚水汽层、对流凝结高度较低的环境大气条件中,与热带飑线的环境大气条件类似;而对流不稳定能量和低层垂直风切变强度与中纬度飑线接近;(5)热带气旋外围大风一方面使低层风切变加强,同时为环境大气提供了高层的水汽。在下沉环流区内太阳辐射使陆地明显增温,一方面使位势不稳定能量增大,另一方面也使海陆温差增大、海风环流加强,导致低层风切变进一步加强,低层水汽输送增大。下沉逆温抑制了低层弱对流的发生,为强对流的发展积累了对流不稳定能量。
关键词飑线    热带气旋    陆风    环境大气    
OBSERVATIONAL STUDY ON THE PRE-TROPICAL CYCLONE SQUALL LINE OF 8 AUGUST 2007 OVER THE COAST OF SOUTH CHINA
ZHENG Teng-fei1, HUANG Jian1, WAN Qi-lin1, XU Hai-qiu2, LIU Xian-tong1, YU Xin3     
1. Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, CMA, Guangzhou 510640, China;
2. Service Center of Guangdong Provincial Meteorological disaster-prevention technology, CMA, Guangzhou 510640, China;
3. Guangdong Provincial Meteorological Observatory/Guangdong Provincial Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction, CMA, Guangzhou 510640, China
Abstract: A squall line in front of the tropical cyclone Pabuk occurred in the west of the Pearl River Delta to Zhanjiang on August 8th, 2007 when the storm approached South China. The development, structure and environmental conditions for this squall line were investigated in this study, with particular attention paid to the possible connection of this squall line with Pabuk. The observational data employed in this study are from soundings, Doppler weather radars and wind profile radars. The following six major conclusions are drawn by our observational analyses. (1) This squall line developed gradually from individual convective cells, and land breeze may be responsible for the onset of the squall line. (2) The path and intensity of the squall line were modulated by the environmental conditions. The squall line propagated along the coastline, and it was stronger on the landing side of the coastline compared with the surrounding in-land regions and oceanic regions. (3) The typical characteristics of tropical squall lines were seen in this squall line, including the cold-pool intensity, vertical structure and the wake flow stratiform precipitation at its developing and mature phases. (4) The environmental conditions of this squall line resemble those of tropical squall lines in terms of deep moist air and low convection condensation level. They also resemble mid-latitude squall lines in terms of the convective instable energy and vertical wind shear in the lower troposphere. (5) Two roles were played by the strong wind around Pabuk. On the one hand, it made the atmosphere more unstable via suppressed shallow convection and increased solar radiation. On the other hand, it enhanced the land-sea thermal contrast and therefore strengthened the sea breeze and the resultant water vapor transport. The sinking temperature inversion prevented the occurrence of low-layer weak convection and accumulated convection instability energy for the development of the strong convection.
Key words: squall line    tropical cyclone    land breeze    environmental conditions    
1 引言

华南沿海地区平均每年登陆热带气旋个数达6个以上[1],是世界上受热带气旋影响最频繁的地区,同时也是受台前飑线危害最严重的地区之一。统计结果显示,在登陆或临近华南的热带气旋中约有1/4会产生台前飑线[2],台前飑线往往具有突发性强、强度大等特点,在台风到达之前,往往在狭长的范围内导致破坏性的强风和强降水。其破坏力不仅影响农业、工业、电力、通信、城市建设、航空、交通运输等各行各业,也危及人民生命财产的安全[3]

台前飑线是一种组织化的中尺度天气系统,通常出现在热带气旋中心之前约300~500 km处,并以热带气旋同样的速度移动,持续时间一般为3~9小时[4]。它是呈线状分布的对流单体,水平结构呈线状或锯齿状,长度可达数百千米。文献[4-8]总结了国内外的相关研究成果指出,当热带气旋靠近陆地时,地形作用导致的热带气旋结构发生巨变,产生的岛屿诱生低压或地形辐合有可能是台前飑线形成的主要原因。但由于观测条件的限制,针对台前飑线生成条件、组织结构以及环境大气条件特征的观测研究还比较少。Raghavan[9]和Dutta[10]分析了孟加拉湾地区台前飑线的雷达回波特征及移动路径。陈永林等[11]对来自台风“麦莎”螺旋云带的台前飑线回波特征、组织方式等做了细致研究。Meng等[12]根据2007—2009年的雷达观测和探空资料,统计分析了我国沿海地区台前飑线的总体特征,并与中纬度和亚热带飑线进行对比,得出结论:台前飑线的生命史和水平尺度总体上要小于典型的中尺度飑线。

目前,对台前飑线的演变过程、组织结构及其发展和维持的环境条件的认识程度还远低于中纬度飑线和热带飑线。2007年8月8日当热带风暴“帕布”自东向西接近华南东部沿海,在粤西地区出现了一次影响范围大、持续时间长的台前飑线过程。本研究采用多普勒雷达、高空探空和风廓线等观测资料,对这次台前飑线的生成条件、演变过程和组织结构特征进行了细致的分析,与中纬度和热带飑线进行对比,主要目的是加深对台前飑线发展和维持机制的认识,为提高业务预报的水平打下基础。

2 观测站与观测资料

本研究采用广东省阳江气象观测站、茂名博贺观测站和深圳石岩风廓线雷达站的观测资料,3个观测站的地理位置及地形见图 1。另外还采用每1小时一次的MTSAT可见光卫星云图和每6小时一次的NCAR/NCEP FNL 1 °×1 °再分析资料。

图 1 观测站地理位置分布 ●代表观测站点, +代表全省86个观测站点分布位置。

阳江观测站位于粤西地区的中部。主要使用观测设备包括:业务运行的新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)和L波段雷达探空系统。大气温度和湿度廓线由国产新型GTS1电子探空仪测量。GTS1电子探空仪配备了Vaisala TPU传感器具有响应速度快精度高的特点[13]

博贺观测站位于茂名市电白县,距离阳江观测站约80 km。主要使用观测设备包括:日本住友电工LQ-7边界层风廓线雷达、美国Radiometrics MP-3000A微波辐射计以及Vaisala MAWS301自动气象站等。微波辐射计为地基探测大气温度、湿度廓线的被动式遥感设备,可在各种天气条件下,进行连续的、高时间分辨率的温度和水汽探测,在飑线等复杂的中小尺度对流系统观测研究起很好的作用[15-16]

深圳石岩风廓线雷达站位于深圳国家气候观象台石岩综合探测基地,采用Vaisala LAP-3000边界层风廓线雷达进行三维风廓线观测。该型号的风廓线雷达是目前国际上普遍使用的一种风廓线雷达,该雷达观测频率为1 357.5 MHz,扫描波束5束,观测高度为2~5 km,风速误差小于1 m/s,风向误差小于10 °[17]

3 台前飑线的生成与演变特征 3.1 台前飑线生成

2007年8月8日14时左右(北京时,下同),热带风暴“帕布”中心自东向西、移动到汕头近海时,在珠江三角洲至湛江以西地区,出现了一次强飑线天气过程。8日14时和20时的地面天气形势图(图 2)显示,飑线系统出现在“帕布”外围低压区的控制之下,并在外围环流的影响和作用下生成、发展和维持。

图 2 2007年8月8日14时(a)和20时(b)的地面位势高度(实线)和天气形势

台前飑线生成于珠江三角洲地区,MTAST红外云图(图 3)显示,受“帕布”外围下沉环流的影响,该地区的天气以晴朗为主。14时左右,在珠江口东岸的东莞地区首先出现一个孤立的弱对流云团(图 3a);弱对流云团在南北方向不断扩展,1小时后发展成为一个约为50 km×50 km的强对流云团(图 3b);2小时后(16时)逐渐发展成为一条长约150 km、宽约30 km、呈西北-东南走向的带状强对流系统(图 3c)。这一台前飑线的形成与热带气旋的外围螺旋云带并没有直接联系,此结果与Raghavan[9]在孟加拉湾地区的观测结果一致,而与陈永林等[11]观测的台前飑线不同。

图 3 2007年8月8日的MTAST红外云图 a. 14时;b. 15时;c. 16时。图中红色圈中为台前飑线的初始对流云团,实心圆点为台风中心。

对于飑线系统的生成过程,Raghavan等[9]根据雷达回波总结出4种初始组织化模型:断线型(新的单体在旧单体之间发展、且合并为连续或准连续的线状系统)、后向建立型(新对流单体在原单体后部生成、且与线状系统的尾部依次合并)、破碎区域型(对流带形成于疏散的单体之中)、镶嵌线状型(对流带形成于一个宽阔的层云区)。此次台前飑线由孤立的弱对流云团发展而成,一方面随“帕布”外围环流向正南和东南方向平移;另一方面在其逆风方向,向正北和西北方向不断伸展。由此可以判断,此次台前飑线是通过后向建立型方式生成的。

Raghavan[9]同时指出,后向建立型飑线的初始组织化前提条件是存在边界层辐合线。文献[4, 6-7]也强调了地形和天气系统导致的低层气流辐合对台前飑线生成的重要性。但此次台前飑线的生成条件与这些研究结果有一定差异。根据广东省加密地面自动站资料,图 4给出了14时地面10 m高度的散度分布。本文中的飑线的初生,是从小尺度云团开始的,在台前飑线的生成阶段,珠江三角洲地区处于“帕布”外围的辐合区内,存在较明显的气流辐合。深圳石岩风廓线雷达观测结果(图 5)显示,此次台前飑线是在近地层存在2~3 m/s西至西北风的条件下出现最大风速约为15 m/s、近地面高度约为2 500 m的西南风低空急流,低层0~3 km的风切变达到15 m/s。这一西北偏西风在06—08时最强,约达5 m/s;08时后风速逐渐减小且维持到14时。此情况很可能与夜间陆地下垫面冷却导致的陆风环流有关。从地理环境来看,东莞地区位于珠江口东岸,地形以平缓的冲积平原为主,西部为珠江口水域。日间陆地下垫面增温较快、水面较慢,水陆热力差异有利于该地区冷而湿的陆风环流维持较长时间。

图 4 2007年8月8日14时近地面散度 单位:10-5 s-1
图 5 台前飑线生成前后深圳石岩的水平风时间-高度图
3.2 台前飑线的移动路径

一般认为,台前飑线的移动路径受到热带气旋外围环流的控制,其移动方向与热带气旋几乎一致;台前飑线的移动路径往往是热带气旋路径预报的一个重要指标。为考察此次台前飑线的移动路径与热带风暴“帕布”的关系,根据“帕布”的中心定位资料与雷达回波资料,给出了“帕布”中心位置与台前飑线强对流回波带的示意图(图 6)。台前飑线生成后,“帕布”基本上沿着22 °N纬线向西运动,移动速度和路径基本保持稳定(图 6)。但是台前飑线与“帕布”的移动速度和路径有明显差异。自14时生成后,台前飑线由东北向西南偏西方向快速移动,移动速度远大于“帕布”的移动速度,平均速度可达40 km/h;9日00时到达湛江地区后,台前飑线停滞少动并逐渐衰亡,其生命史长达10小时。根据统计结果显示,中国沿海的台前飑线生命史平均只有4小时左右,小于中纬度飑线(约6~12小时)[18]和副热带飑线(11.4小时)的生命史。此次台前飑线的生命史远大于Meng等[12]的研究结果,与中纬度飑线的维持时间相当。

图 6 强热带风暴“帕布”移动路径与对应的台前飑线雷达强回波位置 实线表示每隔2小时强回波带的位置;点断线和虚线分别表示8日14时—9日00时飑线和“帕布”的移动距离和方向。

台前飑线的移动路径基本上与热带风暴的移动路径呈30 °左右交角,倾向于沿着海岸线移动。一些中纬度和热带飑线的观测结果显示,对于快速移动的飑线,环境风场低层往往存在较强的垂直切变,切变向量几乎与飑线的走向垂直[19-20]。此次台前飑线的移动路径也表明,台前飑线不仅受热带气旋外围环流的控制,同时也受到粤西地区低层风切变状况的影响。

3.3 近地面要素特征

根据自动气象站1分钟平均的观测资料,本节主要分析台前飑线过境博贺观测站期间的气象要素变化特征。图 7显示,21时30分左右受飑线系统前缘阵风的影响,风向由西南转为东北,同时风速迅速增大,1分钟平均的最大风速达到17 m/s左右,瞬时最大风速为23.2 m/s(图 7a7b),伴随着气压上升、气温下降现象(图 7c7d),出现约18 mm的降水。

图 7 2007年8月8—9日茂名观测站气象要素的时间序列 a.风速;b.风向;c.气温;d.气压;e.相对湿度;f.降水量。

冷池是在中尺度对流系统中,由于其后部中低层冷空气的卷入以及降水粒子蒸发降温作用,在近地面层形成的冷空气堆。对流活动诱发的低层冷池,及其与低层大气环境风切变的相互作用,是决定飑线这一类自组织对流系统维持和发展的关键因子[21]。虽然此次台前飑线过境期间的风速达到17 m/s左右,但气温和气压的变化并不明显,分别只有2.5 ℃和1.8 hPa。Parker等[18]分析了美国中部地区中纬度飑线过境期间的地面观测要素变化,发现成熟的飑线对流系统伴随着平均7 ℃的温度下降和4.5 hPa的气压上升。Meng等[12]统计了中国沿海17个台前飑线过境期间的气压和气温变化,分别在6 ℃和1.2 hPa左右。此次台前飑线冷池强度与典型中纬度飑线相比,近地面要素变化幅度明显较小。

相对于中纬度中尺度对流系统,台前飑线的地面气压和气温变化较小,表明台前飑线的冷池强度相对于中纬度飑线偏弱。冷池的强度受环境大气水汽含量和云底高度等因素制约[22]。较弱的气压变化和冷池强度很可能与热带气旋深厚的水汽层减弱了对流系统下沉气流强度有关。

4 雷达回波特征 4.1 水平结构及演变过程

S波段多普勒天气雷达对中尺度对流性天气有较好的探测能力,已被广泛应用于飑线等中尺度对流系统结构的研究。阳江雷达组合反射率图(图 8)显示,14时25分强对流回波在珠江三角洲地区出现,并逐渐向雷达靠近(图 8a)。16时,孤立的对流单体发展成为呈弧状的强对流系统,且在其移动方向的前缘包含多个强度大于50 dBz的强回波单体,其后有层状云特征的弱回波带(图 8b)。在弧状回波向西南方向快速移动过程中,呈线状排列的强回波单体不断向西北和东南方向发展(图 8c)。

图 8 台前飑线的阳江新一代天气雷达组合反射率 d、e中的白色实线分别表示图 9a9b的剖面方向。

19时30分左右,台前飑线仍处于发展和加强阶段,此时弧状回波强度不断加强,最强可达55~60 dBz。线状回波呈西北-东南走向分布,中部位于沿海地区,海岸线靠近陆地一侧回波最强,而南、北两端强度较弱,其后部发展出宽阔的弱回波带(图 8d)。

21时30分左右,强回波带靠近博贺观测站,小尺度对流单体的回波强度略有减弱,但回波面积达到最大,可认为此时飑线发展到了成熟阶段。此时的回波带呈西北-东南走向,弧长达到约500 km、宽度约70 km,基本呈对称分布。其组织形式具有典型的尾流层云降水型结构。23时以后,回波在雷州半岛一带移动速度减缓,强回波带的前缘逐渐出现强度为20 dBz、具有层状云特征的弱回波带,强回波单体迅速减弱,结构趋于松散(图 8f)。

雷达观测结果显示,台前飑线在演变过程中具有典型的尾流层云降水型(TS)结构,与热带和中纬度飑线的结构类似;基本上呈对称分布,符合热带飑线系统的基本特征[23]

4.2 垂直结构

图 8d8e中白色实线方向,图 9给出了台前飑线加强和成熟期间的雷达回波剖面图。在加强阶段,飑线的前进方向上有显著的强对流回波带,回波带的水平尺度达到20 km左右,垂直尺度达到15 km左右;云底的高度较低,距离地面约500 m。强对流回波带前方有宽度约为10 km的前导砧状云向前伸展。强回波区的后方为对流单体强度减弱后形成的层云回波带,而在强回波区和弱回波区两者之间存在明显的过渡区。

图 9 沿图 8d、8e中白线方向的2007年8月8日雷达反射率剖面 a. 19时23分;b. 21时23分。

到了成熟阶段(图 9b),台前飑线前沿的对流区回波的水平尺度增大,降水区向后横向伸展;云顶高度下降至12 km左右,且云底也有抬升现象。强对流回波区和弱回波区之间的过渡区减弱,与层云弱回波带基本连成一体。层云降水区宽度显著扩展到约80 km、回波强度在水平方向上基本一致;其中在约5 km高度的零度层附近,由于缓慢下降的冰晶发生表面融化、反射率增大,出现明显的亮带。

由雷达回波剖面可知,此次台前飑线的垂直结构与热带飑线的垂直结构类似,云顶高度可达约16 km,云底高度小于500 m,具有较高的云顶和较低云底。这一特征与热带飑线的特征类似[24]。Cotton等[22]指出环境大气中存在的深厚水汽含量层与对流系统的云顶和云底高度有关。

5 台前飑线的环境大气条件

按有关规定在19时30分左右进行20时的探空观测,此次台前飑线在20时前后经过阳江观测站,所以阳江站20时的探空可反映此次台前飑线临近前的环境大气状况。

0~3 km的低层风切变是决定飑线维持和发展的关键因子。一旦初始对流扰动出现,飑线系统主要通过由于对流活动诱发的低层冷池,与垂直于对流带前缘的环境风垂直切变分量之间的相互作用,激发出新的上升流使飑线系统得以维持和发展[25]。由20时的探空Skew-p图(图 10)可见,在台前飑线移动到阳江观测站之前,环境大气低层在2 km高度上有一最大风速约为12 m/s的低空急流;同时近地面高度上还有风速达到4 m/s左右的系统性西南气流。由于近地面西南风的出现,0~3 km的垂直风切变达到16 m/s左右。对于中尺度对流系统来说,0~3 km高度上的风切变强度通常分为弱(小于10 m/s)、中(10~18 m/s)和强(大于18 m/s)三个等级[26]。此次台前飑线的0~3 km低层风切变达到中等等级,大于2011年Meng等[12]观测的台前飑线低层风切变强度(8 m/s),甚至大于1993年观测的亚热带飑线垂直风切变(10~14 m/s)。另外,由于近地面风向与低层风切变方向相反,使环境大气低层风切变的厚度增大,更有利于低层暖湿气流抬升[27]

图 10 2007年8月8日20时阳江观测站的探空Skew-p

由气温廓线可见,大气低层有一贴地逆温,逆温顶高度约在500 m,逆温顶与逆温底的温度差约达到2 ℃。500 m~3 km(约700 hPa)高度上气温递减率处于干、湿绝热递减率之间,为一条件不稳定层;3 km以上的气温基本沿湿绝热递减率下降,处于稳定状态。此时环境大气的对流有效位能(CAPE)达到2 507 J/kg,而对流抑制能(CIN)为43 J/kg。这一CAPE值远大于Meng等[12]在2011年研究中的统计结果(1 548 J/kg),与美国奥克拉荷马地区中纬度飑线观测结果(2 260 J/kg)[28]基本一致。出现这一CAPE大值与低层强逆温的存在有着密切关系,由于低层强逆温抑制了水汽、热量的交换,尤其是拟制了下垫面升温可能导致的弱对流,所以有利于不稳定能量积累。

由露点与温度廓线的关系来看,地面~100 hPa高度范围内两者及其接近,表明环境大气不仅在低层有充沛的水汽,同时在高层也存在深厚的水汽层。整层大气可降水量达到65.9 mm,抬升凝结高度只有500 m。一般来说,对于热带飑线的环境大气条件,边界层以上的湿度往往较大,而中纬度飑线过程往往与高层干层的出现有密切关系[29]。此次台前飑线的水汽条件与热带飑线的条件相似。

阳江探空观测结果表明,此次台前飑线是在较强的低层风切变、较大的对流不稳定能量和深厚的水汽层的环境中维持和发展的。低层风切变的强度和CAPE值的量级与中纬度飑线接近,有利于长生命史的强飑线天气出现。深厚的水汽层虽然使上层大气的稳定性增强,但一旦强对流触发,高层较高的水汽含量有利于水汽凝结和液态水的出现;相反在低层水汽含量较大的条件下,对流系统下沉的液态水粒子蒸发受到抑制。这有可能是导致出现较高的云顶和较低云底以及较弱冷池强度的主要原因。

6 热带风暴“帕布”与台前飑线环境大气的关系

阳江探空观测结果显示,此次台前飑线出现在强热带风暴“帕布”的外围环流中,并在强低层风切变、强对流不稳定性和深厚的水汽层的环境条件下发展和维持,“帕布”与台前飑线的演变过程、组织结构等有密切关系。风廓线雷达和微波辐射计的高时间分辨率观测结果能够较好地反映台前飑线的环境大气的演变过程,为加深对台前飑线环境条件认识和理解提供了有效途径。本节根据相关风廓线雷达和微波辐射计的观测结果,结合NCEP/NCAR FNL 1 °×1 °再分析资料,进一步分析“帕布”与此次台前飑线环境大气的关系。

由阳江探空站的观测结果可知,台前飑线的环境大气在低层有明显的西南风,在3 km高度附近有东北风低空急流,上下层风场的配置使低层出现较大的垂直风切变。与阳江探空观测结果一致,博贺观测站的风廓线雷达观测(图 11)也显示,在台前飑线过境前,环境大气低层1 km以下有明显的西南风,而在3 km高度附近有明显的低空急流。两者的配置使低层0~3 km的垂直风切变显著增大。从上、下层水平风的演变过程来看,1 km高度以上的东北风风速随时间逐渐增大,并持续到台前飑线过境。1 km高度以下14时以前基本为弱东北风,14时以后逐渐转为西南风。从时间的变化来看,上层强东北风与“帕布”外围环流有关,而下层西南风可能与海陆热力差异和海陆的摩擦差异导致的海风环流有关,且在台风影响下,海陆热力环流仍有可能出现。

图 11 风廓线雷达观测的水平风速(m/s)-高度-时间图

1 km高度以上的东北风与“帕布”逐渐向西移动,与观测站距离减小、外围环流的影响增大有关。图 12a12b分别给出14和20时700 hPa的风场、高度场和低层垂直风切变分布。由“帕布”中心位置与风场的变化可知,随“帕布”中心逐渐西移,其外围环流对粤西的广泛地区影响增大,导致粤西沿海地区出现大范围的大风和低层垂直风切变。“帕布”外围环流风速的量级大于海风环流,对强对流发展和维持所必需的低层垂直风切变起更重要的贡献。

图 12 2007年8月8日14时(a)和20时(b)700 hPa高度上的风场、高度场和1 000~700 hPa垂直风切变

太阳辐射对陆地下垫面的加热作用与1 km高度以下的西南风有密切关系。博贺观测站的微波辐射计观测显示,受太阳短波辐射作用,低层大气气温08—16时呈逐渐上升趋势;16时以后高层气温虽略有下降,但1 km以下仍保持较高的气温(图 13a)。图 13b13c13d的水汽混合比、相对湿度和液态含水量也显示,该地区虽然受到“帕布”外围环流控制,午后大气中的水汽含量呈逐渐增加趋势,但相对湿度较小,并未出现明显的云层,“帕布”外围螺旋云带对太阳短波辐射的衰减作用极小。陆地下垫面显著的增温使海陆温差增大,显然是沿海地区形成局地海风环流的主要原因。局地海风环流的形成,不仅使低层垂直风切变加强,更重要的是由海洋向陆地一侧的低层大气输送水汽,为对流发展提供了必需的水汽条件。

图 13 气温、水汽混合比、相对湿度和液态含水量的高度-时间分布 a.气温(℃);b.水汽混合比(g/g);c.相对湿度(%);d.液态含水量(g/m3)。

高层的水汽主要来自“帕布”外围的高湿度层以及外围环流的输送作用。由图 13a13b可见,虽然“帕布”中心远在粤东沿海,但在粤西地区有来自“帕布”边缘的北到东北气流,起到输送水汽的作用。“帕布”边缘有深厚的高湿度区,水汽随着北到东北气流输送到粤西地区,并使该地区上空逐渐形成一个深厚的水汽层(图 13b)

陆地气温上升和低层水汽含量增加将使低层大气位势不稳定性不断加强,但飑线一类的强对流是大量的位势不稳定能量猛烈释放的结果,发生前必须存在一种能量贮存机制抑制弱对流的发生。图 14a14b分别为根据NCEP/NCAR FNL 1 °×1 °再分析资料,得到的14和20时沿22 °N的气温、水汽混合比和垂直风速的剖面。由图 14a14b可见,粤西地区处于“帕布”外围的干、暖下沉气流区内。“帕布”外围补偿性下沉气流导致的低层增温是逆温形成的主要原因,也是该地区位势不稳定能量贮存和积累的主要机制。

图 14 2007年8月8日14时(a)和20时(b)沿22 °N的温度、水汽混合比、垂直和水平风速剖面

上述观测和分析结果表明,热带风暴“帕布”对台前飑线的环境大气条件有显著的作用。“帕布”一方面通过其外围大风产生的低层垂直风切变,对飑线系统的组织化起到主要作用。另一方面通过其外围下沉区内气流绝热下沉增温和太阳辐射加热,使陆地低层空气增温明显,位势不稳定能量增大;同时也使海陆温差增大,形成局地海风环流,使垂直风切变加强和低层水汽输送增大。另外,其系统性下沉运动导致的逆温也抑制弱对流的发生,为飑线的发展和维持积累了潜在的对流不稳定能量。显然,热带风暴“帕布”提供粤西地区强对流发展和维持所需的水汽、不稳定性和组织化条件;一旦出现初始对流扰动诱发的低层冷池,将满足强对流发生的三个关键要素。

台前飑线环境大气中的高层水汽主要来自“帕布”外围的高湿度层和外围环流的输送。深厚的水汽层决定了此次台前飑线具有弱冷池、高云顶和低云底的热带飑线特征。对于沿海地区来说,太阳辐射的增温作用陆地大于海洋,陆地的大气不稳定性要强于海上;而海风环流对沿海陆地水汽的输送作用要比内陆明显。这有可能使沿海靠近陆地一侧大气不稳定性和水汽条件比内陆或海洋上更适合飑线系统的发展。

7 结论

本文基于地面、高空观测、天气雷达、风廓线雷达和微波辐射计资料,对2007年8月8日一次强台前飑线过程的生成和演变过程、组织结构以及环境大气条件,并对热带风暴“帕布”与台前飑线环境大气的关系进行了初步探讨。

(1)此次台前飑线属于一次快速移动、长生命史的飑线;是由孤立的对流单体逐渐发展而成,陆风环流的抬升作用可能对飑线的初始生成起到重要作用。

(2)台前飑线移动路径和强度受海岸附近环境大气条件的影响;在海岸靠近陆地一侧的强度远比内陆和海洋上强,其移动路径基本沿海岸线向西南偏西方向移动。

(3)台前飑线在发展和成熟阶段,水平结构具有典型的尾流层云降水特征,冷池强度、垂直结构都具有典型的热带飑线特征。

(4)台前飑线发生在具有深厚水汽层、对流凝结高度较低的环境大气条件中,与热带飑线的环境大气条件类似;而对流不稳定能量和低层垂直风切变强度与中纬度飑线接近。

(5)热带气旋外围大风一方面使低层风切变加强,同时为环境大气提供高层的水汽。在下沉环流区内太阳辐射使陆地明显增温,一方面使位势不稳定能量增大,另一方面也使海陆温差增大、海风环流加强,导致低层风切变进一步加强,低层水汽输送增大。下沉逆温抑制了低层弱对流的发生,为强对流的发展积累对流不稳定能量。

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