一次高空冷平流誘發(fā)的極端雷暴大風(fēng)分析

韋 瑋, 張 濤, 張東方, 周 聰

(成都市氣象局,四川 成都 611133)

0 引言

雷暴大風(fēng)是伴隨強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴出現(xiàn)的瞬時(shí)風(fēng)速≥17.2 m·s-1(或者8 級(jí))的大風(fēng)天氣,具有空間尺度小、突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大、致災(zāi)性重等特點(diǎn),一直是氣象監(jiān)測(cè)和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。近年來,在雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生的環(huán)流背景[2-6]、環(huán)境條件[7-12]、多普勒天氣雷達(dá)特征[6,13-16]、產(chǎn)生的對(duì)流系統(tǒng)[17-21]、形成機(jī)制[7-8,22-23]等方面取得了豐碩的研究成果。由于氣候條件、地形條件以及監(jiān)測(cè)設(shè)備等差異,使不同地方的雷暴大風(fēng)研究進(jìn)展不同。

對(duì)四川盆地(簡(jiǎn)稱“盆地”),雷暴大風(fēng)主要發(fā)生在夏季,7月達(dá)年內(nèi)峰值,且在午后和夜間較活躍[24],發(fā)生的主要環(huán)流背景可分為深厚低槽(低渦)后部類、低槽(切變)東移類、副熱帶高壓西側(cè)切變類和東風(fēng)擾動(dòng)類4 類[6],其中深厚低槽(低渦)后部類和孫繼松等[25]總結(jié)的高空冷平流強(qiáng)迫類有諸多相同之處。從環(huán)境條件看,盆地雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)大氣可降水含量大,地面露點(diǎn)溫度高,一般在400 ～500 hPa存在明顯干層,通常具有上干下濕的垂直結(jié)構(gòu)特征[24]。其發(fā)展與后側(cè)入流加強(qiáng)[26]、移動(dòng)到動(dòng)力抬升作用最強(qiáng)和條件不穩(wěn)定最為顯著的區(qū)域[16]有關(guān)。盆地雷暴大風(fēng)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波具有風(fēng)速大值區(qū)、回波質(zhì)心下降、VIL 下降、中層徑向輻合和輻散等特征,其中風(fēng)速大值區(qū)最為常見,個(gè)別站點(diǎn)僅具有回波強(qiáng)度大且梯度強(qiáng)的特征[6]。從地域看,盆地雷暴大風(fēng)研究更多集中在北部和東部,如2015年“4.4”盆地中北部極端大風(fēng)[16]、2016年“6.4”川北颮線大風(fēng)[26]、2017年“7.28”南充大風(fēng)[27]和2019年“4.9”川東颮線大風(fēng)[28],這些雷暴大風(fēng)事件均造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于下墊面熱力和動(dòng)力性質(zhì)的非均勻性,以及特殊地形的影響,對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和結(jié)構(gòu)演變更具有多樣性[29-30],進(jìn)一步增加了盆地內(nèi)雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)難度,故仍有必要對(duì)造成盆地雷暴大風(fēng)的中小尺度對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行研究,特別是發(fā)生在盆地西部的雷暴大風(fēng),從而不斷提升雷暴大風(fēng)的短臨預(yù)警能力。

過去對(duì)雷暴大風(fēng)的研究中少有聯(lián)合多部風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析(尤其在四川盆地),主要原因是缺乏風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)。近年來,隨著成都風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)的建設(shè),使利用風(fēng)廓線資料對(duì)雷暴大風(fēng)分析成為可能。本文利用多部風(fēng)廓線雷達(dá)、多普勒天氣雷達(dá)和加密自動(dòng)站等觀測(cè)資料及ERA5(0.25°×0.25°)逐小時(shí)再分析資料,綜合分析2021年7月18日凌晨出現(xiàn)在盆地西部的一次局地雷暴大風(fēng)天氣的環(huán)境條件、風(fēng)暴演變、地面要素變化、風(fēng)暴精細(xì)化結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)減弱機(jī)制,旨在加深對(duì)此類天氣的認(rèn)識(shí),為災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供有利參考。

1 天氣形勢(shì)及環(huán)境條件分析

2021年7月17日22 時(shí)到18日04 時(shí)盆地西部自北向南出現(xiàn)了一次局地極端雷暴大風(fēng)天氣,59 個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)了17.2 m·s-1(8 級(jí))以上陣性大風(fēng)。過程最大風(fēng)速出現(xiàn)在00:35 德陽什邡禾豐28 m·s-1(10 級(jí)),成都最大風(fēng)速出現(xiàn)在 00: 55 彭州九尺雙土27.1 m·s-1(10 級(jí)),均突破當(dāng)?shù)貧v史極值,造成2 人死亡、部分農(nóng)作物絕收和房屋受損。

17日白天盆地受深厚偏北氣流控制,天氣晴好,午后最高氣溫普遍升至33 ℃以上。夜間(圖1a)200 hPa南亞高壓脊線位于30 °N附近,500 hPa青藏高壓中心位于青海西北部,中心強(qiáng)度達(dá)592 位勢(shì)什米,控制新疆南部、青海、甘肅、西藏以及川西高原到四川盆地西部,高壓東側(cè)從甘陜南部到盆地西部有一支8 ～12 m·s-1的偏北顯著氣流。受高原北側(cè)下滑冷平流影響,500 hPa甘肅南部形成了-4 ℃的24 h負(fù)變溫中心,陜西南部形成了溫度槽,而甘、陜、寧交界為溫度露點(diǎn)差T-Td≥15 ℃的干區(qū)。700 hPa有顯著偏北氣流從河套西部延伸至盆地西部,且盆地為T-Td≤5 ℃的濕區(qū)。850 hPa 貴州西部到盆地西部為24 h 正變溫≥3 ℃的暖區(qū)。地面上,盆地為弱暖低壓控制。高層強(qiáng)偏北氣流引導(dǎo)甘、陜南部的干冷空氣翻越秦嶺到達(dá)盆地西部,疊加在低層暖濕空氣之上,使層結(jié)不穩(wěn)定度加大,850 hPa與500 hPa的溫度差≥25 ℃。溫江站K指數(shù)增加到40.1 ℃,濕對(duì)流有效位能(CAPE)增加到1976.2 J·Kg-1,在高空冷平流的強(qiáng)迫下造成了此次局地雷暴大風(fēng)天氣。

圖1 2021年7月17日20 時(shí)中分析圖和探空?qǐng)D

20 時(shí)溫江站探空顯示(圖1b),0 ～6 km為中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變,強(qiáng)于成都地區(qū)一般強(qiáng)對(duì)流天氣下的垂直風(fēng)切變。400 ～500 hPa,T-Td在4 ℃以上(最大11.8 ℃),且風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn),說明對(duì)流層中高層有明顯干冷平流；同時(shí)850 hPa以下存在明顯干層(T-Td＞7 ℃)。相比08 時(shí)(圖略),20 時(shí)對(duì)流層中低層大氣濕度明顯下降、中高層干冷平流增強(qiáng),均有利于降水粒子在下降過程中持續(xù)蒸發(fā)冷卻,對(duì)下沉氣流負(fù)浮力的維持和加強(qiáng)有重要作用。同時(shí),抬升凝結(jié)高度(LCL)以下溫濕廓線呈“喇叭口”結(jié)構(gòu),且溫度廓線與干絕熱線接近平行,有利于下沉氣流在該層次上負(fù)浮力的維持或加強(qiáng),有助于雷暴大風(fēng)的發(fā)生[7-8]。

2 雷暴大風(fēng)演變特征

2.1 衛(wèi)星和雷達(dá)演變特征

17日傍晚前后甘肅南部有孤立橢圓形中-β 尺度對(duì)流云團(tuán)生成,17日21 時(shí)青藏高壓外圍偏北氣流引導(dǎo)云團(tuán)逐漸進(jìn)入四川,并沿著盆地西部山前繼續(xù)向南移動(dòng),17日22 h至18日04 時(shí)自北向南影響四川廣元、綿陽、德陽、成都4 市的西部和雅安、眉山一帶(圖略)。成都雷達(dá)顯示,18日00:20 前,多單體風(fēng)暴位于綿陽西部,處于發(fā)展階段,45 dBZ發(fā)展高度達(dá)10 km,回波中心強(qiáng)度達(dá)60 dBZ,回波頂高(ET)達(dá)15 km。00:20-02:00(圖2),多單體風(fēng)暴加強(qiáng)到最強(qiáng),處于成熟階段,自北向南影響什邡、彭州、郫都、溫江及周邊,期間V 型缺口特征最明顯,0.5°仰角徑向速度圖上負(fù)速度中心超30 m·s-1。其中,00:30 回波前沿影響彭州邊界,45 dBZ回波發(fā)展高度達(dá)12 km,回波中心強(qiáng)度增加到65 dBZ以上,ET 增加到18 km,60 dBZ以上回波中心發(fā)展到8 km以上(圖2a、d)。02:00-03:00 多單體風(fēng)暴處于減弱階段,其繼續(xù)南移影響崇州、大邑、邛崍、蒲江,雖風(fēng)暴前側(cè)不斷有新對(duì)流單體生成合并,但強(qiáng)度有所減弱且結(jié)構(gòu)變得松散,最強(qiáng)反射率因子下降到45 ～55 dBZ,45 dBZ回波高度基本下降到5 km以下,ET 下降到13 km以下(圖略)。03:04 后回波移出成都。值得注意的是,風(fēng)暴在成都境內(nèi)南移過程中,其前側(cè)伴有明顯陣風(fēng)鋒(圖2b、c),維持時(shí)間超2 h,最大水平尺度超30 km。

圖2 2021年7月18日成都雷達(dá)1.5°仰角基本反射率和反射率因子剖面(圖中CD 為成都)

2.2 地面自動(dòng)站要素演變

伴有陣風(fēng)鋒出現(xiàn)的雷暴大風(fēng)常常會(huì)造成氣溫驟降、氣壓涌升和風(fēng)向突變等現(xiàn)象[31-33]。此次雷暴大風(fēng)中也出現(xiàn)類似變化(圖3)。選取彭州和邛崍國(guó)家站分鐘級(jí)資料分析多單體風(fēng)暴成熟階段和減弱階段的各氣象要素變化。由圖3 可見,隨著陣風(fēng)鋒到達(dá)本站,氣象要素開始出現(xiàn)明顯變化,且氣象要素變化先后依次為氣壓和風(fēng)、氣溫和相對(duì)濕度、降水,但成熟階段氣象要素變化的劇烈程度強(qiáng)于減弱階段。以氣壓和氣溫為例,成熟階段氣壓升高3 hPa,氣溫下降4.9 ℃,而減弱階段氣壓升高為2.2 hPa,氣溫下降3.8 ℃。同時(shí)可以看出相對(duì)濕度在冷池中表現(xiàn)為先急降后陡增,且其低值時(shí)段與風(fēng)速大值時(shí)段對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。從時(shí)間上來看,成熟和減弱階段最大瞬時(shí)風(fēng)速均出現(xiàn)在氣壓涌升和風(fēng)速劇增開始變化后的15 min左右。彭州站降水出現(xiàn)在氣壓開始突變后的10 min,而減弱階段的邛崍降水出現(xiàn)在氣壓和風(fēng)速開始突變后的28 min,時(shí)間間隔明顯增加,這與陣風(fēng)鋒在減弱階段離風(fēng)暴母體距離增大有關(guān)。

圖3 彭州、邛崍氣象要素變化曲線(三角形代表陣風(fēng)鋒開始影響時(shí)刻)

此外,成熟階段降水和最大瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間十分接近,結(jié)合對(duì)流單體風(fēng)暴模型,表明此時(shí)最大風(fēng)速出現(xiàn)風(fēng)暴母體中心偏后部一側(cè)；而減弱階段最大瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)在降水之前,表明最大風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)在風(fēng)暴母體前側(cè)陣風(fēng)鋒附近,相對(duì)于成熟階段最大風(fēng)速區(qū)明顯前移。進(jìn)一步結(jié)合00:00-01:00 地面6 級(jí)以上大風(fēng)區(qū)域和雷達(dá)回波演變可見(圖4),成熟階段地面6 級(jí)以上大風(fēng)區(qū)域主要位于陣風(fēng)鋒后側(cè),風(fēng)暴母體V 型缺口及偏右一側(cè)；而8 級(jí)以上災(zāi)害性大風(fēng)位于風(fēng)暴母體下方,V 型缺口右側(cè),而右側(cè)正好是陣風(fēng)鋒相對(duì)風(fēng)暴母體更遠(yuǎn)的一側(cè)。

圖4 7月18日00:00 -01:00 地面變壓、6 級(jí)以上大風(fēng)區(qū)域

3 風(fēng)暴立體空間結(jié)構(gòu)的精細(xì)分析

對(duì)風(fēng)暴強(qiáng)下沉氣流、冷池以及陣風(fēng)鋒空間結(jié)構(gòu)和概念模型研究[33-36]中,基于多部風(fēng)廓線雷達(dá)和天氣雷達(dá)資料分析的個(gè)例并不多見,故本文選取伴有陣風(fēng)鋒出現(xiàn)的成熟階段多單體風(fēng)暴,結(jié)合彭州、郫都、溫江風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析其空間精細(xì)結(jié)構(gòu)。由圖5 可見,01:12風(fēng)暴母體前沿正好到達(dá)郫都站,陣風(fēng)鋒即將到達(dá)溫江站,風(fēng)暴母體尾部正好位于彭州(圖5)。

圖5 7月18日01:12 成都雷達(dá)1.5°仰角反射率因子

隨著陣風(fēng)鋒和多單體的影響,近地面水平風(fēng)向迅速從弱偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為強(qiáng)東北風(fēng),1 km以下最大水平風(fēng)速達(dá)20 m·s-1以上,下沉氣流達(dá)10 m·s-1以上,說明風(fēng)暴內(nèi)強(qiáng)下沉氣流形成的出流給地面帶來了極端大風(fēng)。結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)資料和風(fēng)暴垂直結(jié)構(gòu),進(jìn)一步分析風(fēng)暴后側(cè)入流急流轉(zhuǎn)為強(qiáng)下沉氣流的特征,如圖6(a)中白色短線箭頭A,2.5 km以上有東北風(fēng)急流存在,急流在風(fēng)暴內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)水平風(fēng)速有所減小,但垂直向下的速度分量從4 m·s-1增加至10 m·s-1以上。垂直下沉速度的增大一方面與風(fēng)暴內(nèi)的降雨拖曳作用有關(guān)[32,37],另一方面與后側(cè)入流急流和暖濕空氣混合產(chǎn)生的顯著蒸發(fā)冷卻作用有關(guān)[38-39]。風(fēng)暴母體后部,自動(dòng)站分鐘雨量有所減小,風(fēng)廓線雷達(dá)上下沉氣流最大速度也較風(fēng)暴前部下沉速度略小(圖6(a)中白色短線箭頭B)。風(fēng)暴尾部處,后側(cè)入流進(jìn)入風(fēng)暴內(nèi)部有限,蒸發(fā)冷卻作用有限,使得下沉氣流進(jìn)一步明顯減弱,1.5 ～2.5 km高度上為弱下沉區(qū),甚至還出現(xiàn)了上升運(yùn)動(dòng)(圖6a中白色短線箭頭C)。

圖6 7月18日00:20-02:00 彭州、郫都、溫江風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)和垂直速度時(shí)間演變

結(jié)合3 站風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)01:12 風(fēng)暴母體、冷空氣出流和陣風(fēng)鋒空間剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。1:10 彭州站(圖6a),4 km以下為8 ～10 m·s-1的下沉氣流,個(gè)別高度甚至在10 m·s-1以上,表明風(fēng)暴后部為深厚的顯著下沉運(yùn)動(dòng)。01:10 郫都站(圖6b),下沉氣流形成的冷池厚度達(dá)到1.0 km,偏西偏南的暖濕氣流被冷池抬升到1.0 km以上,暖濕上升氣流和干冷下沉氣流在風(fēng)暴內(nèi)輻合使風(fēng)暴維持或發(fā)展。01:10 溫江站(圖6c中的紅色箭頭)上空有明顯的上升氣流,高度可達(dá)3.0 ～4.0 km,受陣風(fēng)鋒附近冷暖空氣交匯影響,水平風(fēng)速小于2 m·s-1。在暖濕氣流后側(cè),1.0 km以下的弱下沉運(yùn)動(dòng),近地面的弱上升運(yùn)動(dòng)(圖6c 中的藍(lán)色箭頭)可能是冷池在觸地后向上卷起,而形成的滾軸狀的水平渦旋[40]。

4 風(fēng)暴強(qiáng)度變化成因分析

4.1 增強(qiáng)和維持的原因

據(jù)雷達(dá)回波分析,18日00:20-01:07 多單體風(fēng)暴從綿竹南部移動(dòng)到彭州,風(fēng)暴母體快速地發(fā)展增強(qiáng),地面瞬時(shí)極大風(fēng)速達(dá)到過程最大。這與該區(qū)域有利的不穩(wěn)定能量、干冷空氣入流和邊界層輻合等條件密不可分[41-42]。

首先顯著增強(qiáng)的中層干冷空氣,加強(qiáng)了風(fēng)暴母體內(nèi)部的蒸發(fā)冷卻,同時(shí)雨強(qiáng)的增加產(chǎn)生了更顯著的向下拖曳作用。風(fēng)暴母體增強(qiáng)階段的雷達(dá)回波可清晰地識(shí)別出其后側(cè)存在明顯入流缺口(圖2b),還有前側(cè)弱的入流缺口。00-01 時(shí)彭州上空(圖7a、b),隨著550 ～650 hPa高度上轉(zhuǎn)冷平流,使800 hPa以上全為冷平流(矩形框區(qū)域),中心強(qiáng)度為-9.0 ～-6.0 ×10-5K·s-1位于450 hPa附近；同時(shí)刻風(fēng)廓線雷達(dá)上可見(圖6a)該區(qū)域上空對(duì)流層中層轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),最大風(fēng)速可達(dá)20 m·s-1以上。這表明風(fēng)暴母體后部中層有入流急流攜帶干冷空氣進(jìn)入風(fēng)暴,使風(fēng)暴母體內(nèi)部的蒸發(fā)冷卻作用增強(qiáng),風(fēng)暴母體進(jìn)一步增強(qiáng)。01 時(shí)前后風(fēng)暴母體產(chǎn)生的10 min降水量較00 時(shí)前的雨強(qiáng)明顯增大,雨強(qiáng)的增大將有助于向下拖曳作用變強(qiáng),與干冷空氣蒸發(fā)冷卻作用對(duì)下沉氣流增強(qiáng)產(chǎn)生疊加效應(yīng)。

圖7 2021年7月18日垂直速度(等值線)溫度平流(陰影)的剖面及地面要素場(chǎng)和流場(chǎng)分布

其次,風(fēng)暴母體所處環(huán)境大氣熱力不穩(wěn)定度的維持并略有增強(qiáng)。00-01 時(shí)溫度平流垂直分布圖上,彭州上空800 hPa以上轉(zhuǎn)為深厚的冷平流區(qū),彭州以南800 ～850 hPa暖平流維持,表明垂直方向的熱力不穩(wěn)定度維持并略有增加。水平方向上,受干冷空氣侵入蒸發(fā)冷卻效應(yīng)影響,彭州北側(cè)850 hPa附近冷平流從-3.0 × 10-5K·s-1左右增強(qiáng)到-9.0 ～ - 6.0 ×10-5K·s-1,使風(fēng)暴母體低層水平方向熱力不穩(wěn)定度增加。同時(shí)30.8 °N附近的800 Pa以下南風(fēng)有所增強(qiáng)增厚(圖6b),強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于暖濕氣流和干冷空氣在風(fēng)暴內(nèi)共存。

地面冷池強(qiáng)度及其抬升作用的增強(qiáng)。如圖7(c)所示,01 時(shí)綿竹和彭州附近為顯著1 h負(fù)變溫區(qū)和正變壓區(qū),正變壓較前1 h增加了0.8 hPa,風(fēng)場(chǎng)上表現(xiàn)為明顯的輻散,這是風(fēng)暴中強(qiáng)的冷性下沉氣流形成的冷池。冷池出流和前側(cè)偏南風(fēng)形成顯著的輻合抬升,對(duì)風(fēng)暴前側(cè)入流形成更明顯的強(qiáng)迫。01 時(shí)地面的假相當(dāng)位溫θse分布可見(圖7d),在冷池的前側(cè)大部分地方θse在89 ℃～97 ℃,其梯度值可達(dá)7 ℃/10 km,為新對(duì)流的生成和風(fēng)暴母體的維持提供了必要條件。結(jié)合流場(chǎng)上的輻合線位置,更有利于風(fēng)暴向成都西南側(cè)發(fā)展。

利用RKW 理論[43],可以從動(dòng)力角度出發(fā),對(duì)冷池出流和近風(fēng)暴母體環(huán)境低層切變?nèi)肓鬟M(jìn)行分析[44],進(jìn)一步認(rèn)識(shí)風(fēng)暴母體增強(qiáng)的原因。本文采用陳明軒等[45]提出的密度流傳播速度計(jì)算方法:

其中,C代表冷池的傳播速度,ΔP代表冷池內(nèi)外地面氣壓的變化,ˉρ代表地面空氣的平均密度。風(fēng)垂直切變采用風(fēng)暴母體前側(cè)臨近的風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算,00:40 冷池傳播速度和風(fēng)切變的比值為0.94～1.02。該比值非常接近1,表明冷池產(chǎn)生的水平負(fù)渦度與低層風(fēng)垂直切變產(chǎn)生的正渦度接近平衡狀態(tài)[43],對(duì)此次弓形狀多單體風(fēng)暴發(fā)展維持最為有利。

4.2 強(qiáng)對(duì)流特征的轉(zhuǎn)變

02 時(shí)冷暖平流剖面圖顯示(圖8a),800 hPa以下暖平流持續(xù)增強(qiáng),達(dá)9.0×10-5K·s-1以上,800 hPa以上為冷平流,強(qiáng)度無明顯變化,強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)利于冷池前側(cè)觸發(fā)新對(duì)流,與原對(duì)流系統(tǒng)合并,從而維持對(duì)流系統(tǒng)。但是,02 時(shí)前后強(qiáng)對(duì)流特征卻發(fā)生了明顯的變化,如地面極大風(fēng)速減弱1 ～2 個(gè)風(fēng)力等級(jí),短時(shí)強(qiáng)降水站點(diǎn)數(shù)較前期更多。

圖8 2021年7月18日風(fēng)暴減弱階段物理量診斷圖

當(dāng)風(fēng)暴母體從彭州和郫都繼續(xù)向南移動(dòng)時(shí),風(fēng)暴母體從弓形狀的多單體風(fēng)暴轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性對(duì)流系統(tǒng)(NL)。后側(cè)入流缺口依舊存在(圖2c),但缺口深度變淺,表明入流明顯減弱。同時(shí)還有一個(gè)顯著的不同,彭州地區(qū)弓形狀多單體風(fēng)暴中＞45 dBZ的強(qiáng)回波前后寬度僅10 ～15 km,而此時(shí)NL 中＞45 dBZ回波寬度增至20 km以上,且干冷空氣入流在NL 后側(cè)的回波單體中,而暖濕入流在NL 前側(cè)的強(qiáng)回波中,表明隨著陣風(fēng)鋒遠(yuǎn)離母體,NL 前側(cè)雖有對(duì)流不斷新生,但后側(cè)和前側(cè)入流間距離增大,使得冷池對(duì)前側(cè)入流的強(qiáng)迫抬升作用減弱,不利于深厚對(duì)流發(fā)展。

此外,冷池向前擴(kuò)散過程中,其前側(cè)邊界層偏南氣流明顯使其與冷池出流間的輻合抬升作用減弱(圖8b)。冷池前θse下降到85 ℃～91 ℃,梯度值下降到3 ℃/10 km(圖8c),暖濕空氣與冷池的交界面變得更加寬廣,大氣熱力不穩(wěn)定度也有所減弱。即:風(fēng)暴母體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的變化,配合熱力不穩(wěn)定度和冷池強(qiáng)度減弱,以及陣風(fēng)鋒的遠(yuǎn)離造成了強(qiáng)對(duì)流特征變化。

5 結(jié)論

目前盆地西部對(duì)災(zāi)害性或極端大風(fēng)的研究認(rèn)識(shí)不足,導(dǎo)致預(yù)報(bào)預(yù)警水平不高。基于分鐘級(jí)自動(dòng)站資料、多部風(fēng)廓線雷達(dá)資料、多普勒天氣雷達(dá)資料和ERA5逐小時(shí)再分析資料(0.25°×0.25°)等,對(duì)2021年7月18日四川盆地西部一次極端雷暴大風(fēng)環(huán)境條件、形成成因、精細(xì)結(jié)構(gòu)和發(fā)展機(jī)制進(jìn)行分析,得到結(jié)論如下:

(1)此次雷暴大風(fēng)是在高空干冷平流侵入低層暖濕區(qū)域以及中等強(qiáng)度垂直風(fēng)切變作用下,配合LCL 以下“喇叭口”結(jié)構(gòu)的溫濕廓線條件形成。雷暴大風(fēng)形成后,在高能不穩(wěn)定大氣中,受深厚的偏北氣流引導(dǎo)下自北向南影響盆地西部。

(2)成熟和消亡階段,多單體風(fēng)暴及前側(cè)的陣風(fēng)鋒過境時(shí),先后造成了氣壓陡升、風(fēng)速劇增、氣溫驟降和相對(duì)濕度急降陡升；本站氣壓涌升開始和風(fēng)向突變時(shí)刻較最大瞬時(shí)風(fēng)速出現(xiàn)提前15 min左右,且相對(duì)濕度的低值時(shí)段與瞬時(shí)風(fēng)速的大值時(shí)段有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。成熟階段災(zāi)害性大風(fēng)發(fā)生的區(qū)域位于風(fēng)暴母體V型缺口頂部及其右側(cè)區(qū)域。

(3)風(fēng)廓線雷達(dá)資料反映此次雷暴下沉氣流形成的冷池出流厚度為1 km 左右, 下沉速度超過10 m·s-1。風(fēng)廓線雷達(dá)較好地觀測(cè)到風(fēng)暴內(nèi)部和周圍環(huán)境的垂直結(jié)構(gòu),特別是風(fēng)暴后側(cè)高空干冷空氣入流轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)下沉氣流以及風(fēng)暴前側(cè)陣風(fēng)鋒的精細(xì)空間結(jié)構(gòu)特征。

(4)風(fēng)暴母體從綿竹南移到彭州時(shí),大氣熱力不穩(wěn)定度的維持,受中層干冷空氣入流加強(qiáng)為急流、蒸發(fā)冷卻和降水拖曳明顯增強(qiáng)、冷池梯度加大、陣風(fēng)鋒的強(qiáng)迫抬加強(qiáng)等因素使風(fēng)暴發(fā)展為過程最強(qiáng)階段,并呈弓形多單體。此時(shí),風(fēng)暴內(nèi)下沉氣流達(dá)到最強(qiáng),從而誘發(fā)地面風(fēng)速達(dá)到最大。進(jìn)一步應(yīng)用RKW 理論發(fā)現(xiàn)此時(shí)冷池和低層風(fēng)垂直切變產(chǎn)生的水平渦度接近平衡狀態(tài)。

對(duì)此次雷暴大風(fēng)天氣的多單體風(fēng)暴母體精細(xì)化結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度變化原因進(jìn)行了分析,但由于造成局地大風(fēng)的對(duì)流系統(tǒng)種類多,差異明顯,仍應(yīng)加強(qiáng)不同對(duì)流系統(tǒng)下雷暴大風(fēng)的收集和分類研究,進(jìn)而為分級(jí)、分區(qū)預(yù)警提供有益參考。

致謝:感謝成都市氣象局短平快課題(2022-6)、成都市氣象局重點(diǎn)課題(2022-3)對(duì)本文的資助