“天鴿”臺前颮線環境場及雷達回波特征分析

陳 卓,高正南,郭曉梅,徐八林

(1.云南省普洱市氣象局,云南 普洱 665000;2.云南省氣象臺,云南 昆明 650034;3.云南省大氣探測技術保障中心,云南 昆明 650034)

0 引言

颮線是由對流單體側向排列而成的中尺度帶狀對流系統,常導致雷暴、強風,甚至短時暴雨、下擊暴流、冰雹等災害性天氣,破壞力巨大,因此加強颮線的研究對預報預警具有重要指導作用和現實意義。國內氣象學者對其發生條件、組織方式、生命史演變、雷達回波特征、中尺度結構、數值模擬等[1-5]已經有了很多研究結果,如丁一匯等[6]根據颮線發生前后的環流特征及天氣系統的差異,將颮線的觸發機制分為槽后型、槽前型、高后型以及東風波型4種;張云濟等[7]將在熱帶氣旋(tropical cyclone,TC)移動路徑的前方數百千米處,因TC靠近而觸發的颮線稱為臺前颮線。臺前颮線一般發生于西行臺風或熱帶低壓前側的偏東氣流里。由于副高邊緣大氣不穩定且高溫高濕,當臺風外圍的螺旋云帶與其相遇時會得到發展,呈線狀或帶狀排列,且在時間上具有連續性[8]。臺前颮線往往在TC主體抵達前就造成較大影響,如2008年第9號強熱帶風暴“北冕”、2014年第9號臺風“威馬遜”、2019年第19號臺風“楊柳”在登陸前分別在廣東、湖南、海南出現明顯颮線天氣過程,所經之處出現大范圍雷雨大風、局地短時強降水等強對流天氣,災情較重。相對于西風帶中的颮線,臺前颮線致災強度更強范圍更廣,持續時間通常更長。目前氣象工作者對臺前颮線的研究[9-10]還較少,加之深入云貴高原造成影響的臺前颮線更因個例極少,對其發生發展的物理機制研究還不夠多,特別是在短期預報中可借鑒的經驗有限。

2017年8月23日,第13號臺風“天鴿”在西行過程中在云南中部觸發颮線,在系統移動過程中普洱市受其影響最大,出現大范圍強對流天氣。由“天鴿”造成的強對流災害、暴雨洪澇及暴雨誘發的中小河流洪水、山洪地質災害共造成普洱市57 204人受災,農作物受災1594.02 hm2,共造成直接經濟損失11 526.93萬元。本文對地面氣象要素、高空環流形勢及物理量場、雷達回波特征進行分析,以期提高對臺風外圍系統性強對流天氣的預報預警能力。

1 天氣概況及颮線過境時地面氣象要素變化特征

“天鴿”于2017年8月23日13時前后在廣東臺山市登陸,在西行過程中在云南中部觸發颮線(圖1)。云南省125站次出現短時強降水(小時雨量≥20 mm),16站次遭受雷暴大風(風速>17 m·s-1)襲擊,嵩明、玉溪、通海、劍川等地出現冰雹。普洱市受成熟的颮線系統影響出現強雷電、短時強降水、大風天氣,國家氣象觀測站監測到最大瞬時風速20.9 m·s-1(孟連),景東縣菠蘿村35 min降水達60.3 mm。此次臺前颮線天氣造成的強對流天氣范圍廣、強度強、造成的災害重,是云南2017年秋季較典型的一次強對流天氣過程。

圖1 臺風“天鴿”移動路徑圖(數據來源于中央氣象臺臺風網)

由于颮線是狹窄的中小尺度系統,當颮線過境時附近的氣象要素水平梯度很大。此次颮線于2017年8月23日11時在滇東一帶形成(圖1黑色實線所示),隨后在向西南方向移動過程中結構高度組織化,于16時30分左右進入普洱境內并繼續發展加強。其中墨江國家氣象觀測站氣象要素在颮線過境前后變化明顯(圖2),該站逐5 min地面氣象要素場變化如下:

圖2 2017年8月23日16時20時—17時25分墨江站逐5 min地面溫度(紅線)、相對濕度(綠線)、氣壓(黑線)、累積雨量(柱狀)及2 min平均水平風向風速的時間演變圖

(1)氣壓涌升。當日隨著強臺風“天鴿”向粵西地區靠近,墨江站氣壓一直在緩慢下降,16時18分本站氣壓降到當日最低值859.6 hPa,之后氣壓緩慢上升;16時35分開始氣壓涌升,15 min內氣壓從860.5 hPa突增至863.2 hPa(△P=2.7 hPa),系統移出后氣壓緩慢下降。

(2)氣溫驟降。14時“天鴿”中心位于廣東,其外圍云系并未對云南造成直接影響,普洱市當日晴熱高溫,最高氣溫>30 ℃。當颮線天氣發生時,墨江站于16時07分從當日的最高氣溫32.3 ℃迅速下降,16時54分下降到當日最低氣溫19.5 ℃,47 min內降幅達12.8 ℃。

(3)風速劇增,出現9級大風。墨江站8月23日16時50分最大10 min平均風速為18.6 m·s-1,16—20時全市共有31個自動站出現8級(17 m·s-1)以上偏東大風,墨江縣福永自動觀測站于17時45分記錄到瞬時9級(24.1 m·s-1)狂風。與系統移向一致,本次颮線造成的大風區自東向西傳播。

(4)濕度明顯增大。當天清晨至白天本站相對濕度緩慢下降,16時40分下降到當日最低值52%。颮線系統過境時相對濕度28 min激增至94%,之后出現降雨。

(5)強烈降水。颮線天氣發生前,墨江站晴熱無雨,當颮線過境時,盡管強降雨中心不在本站,但從16時36分出現驟雨,15 min內累計降水21.8 mm,其中16時45—55分雨勢最大,平均分鐘降雨量1.6 mm。颮線過境后雨強快速減弱。

分析受臺前颮線影響的自動氣象站資料發現,颮線過境時首先發生突變的地面要素是氣壓,其次是風速劇增形成大風,溫度和濕度的突變,最后才出現強降水。主要原因是颮線初生時首先在系統前方出現小尺度雷暴高壓,由于氣壓梯度的加大造成風速劇增,伴隨溫度驟降的同時,大氣中水汽凝結使濕度迅速增加,最后才造成驟雨。由于颮線系統在移動過程中結構完整清晰,因此上游站氣象要素的變化情況可作為下游站強天氣預報的重要參考。

2 臺前颮線發生的環流背景和環境場特征分析

2.1 高空環流背景分析

生成于西太平洋的2017年13號臺風“天鴿”于8月23日13時前后在廣東臺山市登陸,登陸時中心氣壓955 hPa,最大風力14級,為強臺風級別,登陸后繼續以30 km·h-1的速度向西北偏西方向移動。從500 hPa位勢高度場和風場分布可見(圖3),西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)西伸至95°附近,在南側強盛的偏東氣流引導下“天鴿”快速向西移動。14時廣西西部至文山存在明顯風速輻合區,隨著“天鴿”向云南靠近,20時風速輻合區移至滇西地區。與此同時,700 hPa風速輻合帶自滇中向西推進,20時輻合帶兩側風速差>10 m·s-1(圖略)。中低層強烈的風速輻合導致空氣質量快速堆積,在垂直方向上強迫氣流向上運動,加之副高外圍不穩定、高能高濕的大氣環境,為臺前颮線的形成創造了動力和熱力條件。

2.2 能量條件分析

颮線作為組織性強的深對流天氣系統,其發生發展伴隨著大量不穩定能量的積累、觸發和釋放[8、11]。23日14時(圖4a)和20時(圖4b)颮線附近CAPE值均高達2000 J·kg-1以上,說明颮線形成前大氣具備極好的能量條件,保證了颮線系統在觸發后的能量補充,進而維持較長的生命周期。隨著“天鴿”中心逐漸移近,颮線前沿的CAPE大值帶隨即向西南方向轉移,颮線過境后迅速降低至500 J·kg-1,CAPE大值區在系統上下游差異較大,說明過程伴隨明顯的能量釋放[12]。

圖4 2017年8月23日14時(a)、20時(b)CAPE值分布(單位:J·kg-1)

假相當位溫(θse)與空氣質塊的溫度和濕度均有關,能較好地反映一個地區大氣的熱力學性質[13-14]。從墨江站θse時間—垂直剖面可以看出(圖5a),500 hPa以下假相當位溫隨高度減小,△θse500-850<-22 ℃,說明低層大氣暖濕特性明顯,層結對流不穩定性較大。由于颮線前沿天氣晴好,16時地面最高氣溫>31 ℃,與系統后部溫差最大達20.3 ℃(圖5b)。可見颮線系統初生時對流層低層大氣暖濕不穩定,CAPE值非常高,能量條件充足;颮線形成后在向西南方向移動的過程中,前沿高溫高濕的近地層大氣被颮線系統前部相對冷的出流劇烈抬升,不穩定能量得到釋放和補充,颮線系統的結構和組織性得以長時間維持。從實況來看,臺前颮線正是從熱力和條件不穩定有利的區域首先發展起來。

圖5 墨江站θse時間—垂直剖面圖(a)、2017年8月23日16時地面最高氣溫分布圖(b,單位:℃;黑色實線為颮線系統位置)

2.3 水汽條件分析

強風暴的形成要求低層有比普通雷暴更豐富的水汽含量[15]。在副高外圍的氣流引導下,“天鴿”快速西行中在中心北側形成偏東急流,自南海熱帶洋面向云南上空的水汽通道隨即建立。23日08—20時,墨江站上空至400 hPa出現明顯水汽通量輻合(圖6c),14時輻合程度達到最強,其中心位于500 hPa附近,達-12×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1。水汽在中低層輻合、高層輻散,抽吸作用有利于維持水汽向上輸送的強度,進而保證了短時強降水發生時高效的水汽供應。此外,850 hPa云南滇中以東相對濕度>80%(圖6a),而500 hPa相對濕度<50%(圖6b),大氣層結上干下濕且水平方向上差值較大,是形成強對流天氣的有利形勢。結合實況分析,颮線正是從滇中發展起來的,這種水汽場分布特點與大范圍強降水過程的差異,導致颮線過程所伴隨的降水歷時短但強度大。

圖6 2017年8月23日14時云南省850 hPa(a)、500 hPa(b)相對濕度及墨江站上空水汽通量散度垂直分布(c,單位:10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1)

2.4 觸發機制分析

高能高濕的大氣狀態下,邊界層的中尺度輻合線可以直接觸發強對流天氣[16]。23日10時地面風場存在東北風與偏西風的輻合(圖7a),輻合線兩側風向較一致且偏東北風速>4 m·s-1,此時輻合線附近已有分散的對流云團生成并發展;12—16時云南東部的主導風向由東北風轉為偏東風(圖7b),地面輻合線西推至哀牢山沿線(普洱東部),且100°E附近的西風也明顯增強,輻合區域趨于狹窄,加之兩側風速增強,為颮線系統的形成提供了更有力的動力觸發條件[17]。分散的對流云團快速合并成高度組織性的線狀對流系統,隨著輻合線的西推而向西移動,在16時前后影響普洱,此時地面風向輻合最明顯(圖7c),對應颮線結構更清晰,所影響測站出現雷雨大風、短時強降水、冰雹天氣。隨著颮線進一步向西移動,20時地面風速減弱(圖7d),輻合帶主要位于普洱西部且尺度減小,颮線后側開始出現層狀云回波,說明后側入流組織性減弱,預示著颮線強度減弱。從雷達圖上颮線的移動路徑(圖7e)可知,地面對流單體在地面輻合線附近觸發并迅速發展成為高度組織化的颮線,其強度、移向與地面風的輻合強弱與位置高度一致。

圖7 2017年8月23日10時(a)、14時(b)、16時(c)、20時(d)地面風場,臺前颮線移動示意圖(e)

綜上,此次臺前颮線是出現在副高邊沿,近地面顯著升溫、低層大氣暖濕不穩定及CAPE>2000 J·kg-1的背景下,由地面輻合線和700 hPa風速輻合共同觸發。

3 多普勒天氣雷達回波演變分析

在短臨預報中,雷達資料中組合反射率的值能直觀體現對流風暴強度。此次颮線系統在雷達圖上結構完整清晰,持續時間約6 h,生命史包含多次雷暴單體族的合并和分裂,圖8為成熟的颮線系統影響普洱市的主要過程。本節對颮線生命史中各個階段的回波演變特征進行分析。

圖8 2017年8月23日普洱雷達組合反射率和徑向速度

初始階段:10時起滇中一帶逐漸有獨立對流單體生成并迅速向西南方向擴展(圖略),12時左右單體強度>50 dBz,在移動過程中逐漸合并排列成線狀,移速約為43 km·h-1,地面天氣以雷雨、冰雹為主。

發展成熟階段:在16時31分普洱氈帽山回波圖上(圖8a)可識別出清晰的窄帶回波且強單體組合反射率明顯加強,颮線主體強度維持在55 dBz以上,回波結構更加密實且排列有序。回波存在高反射率因子梯度,且對流單體不斷合并呈線狀排列,21時長度向兩端擴展(圖8b),說明存在有利于系統發展的環境條件。0.5°仰角徑向速度圖上出現中尺度輻合帶(黑色實線),后側入流達23.5 m·s-1(RIJ)(圖8c),大大加強了由降水拖曳導致的初始下沉氣流,進而增加地面出流的強度,導致地面大風天氣的出現[18]。21時起中尺度輻合線特征減弱(圖8d)。該時段內主要出現雷雨大風、短時強降水和局地冰雹。

減弱階段:成熟的颮線維持至21時22分后逐漸減弱(圖略),帶狀結構斷裂,獨立對流單體強度減弱為<30 dBz的層狀云回波,對應的速度圖上輻合特征消失,后側最大入流風速降至12.3 m·s-1。天氣轉為降水為主,實測地面極大風速有所減弱。

4 結論

(1)臺前颮線過境時地面氣象要素變化明顯。受影響的測站首先是出現雷暴高壓,隨后風速劇增、溫度驟降、濕度迅速加大,最后才出現驟雨。颮線系統在移動過程中結構完整清晰,因此上游氣象要素的劇烈變化情況,可為下游臺站強天氣預報提供參考。

(2)副高南側和西行強臺風外圍的偏東風在滇中一帶輻合,中低層強烈的風速輻合導致空氣質量快速堆積,在垂直方向上強迫氣流向上運動,加之副高外圍不穩定、高能高濕的大氣環境,為臺前颮線的形成創造了大尺度動力和熱力條件。

(3)臺前颮線附近CAPE值高達2000 J·kg-1以上,前沿地面最高氣溫>31 ℃,說明颮線形成前大氣具備極好的能量條件,保證了颮線系統在觸發后的能量補充,進而維持較長的生命周期。颮線過境后CAPE值迅速降低至500 J·kg-1,說明過程伴隨明顯的能量釋放。

(4)臺前颮線初生時△θse500～850<-22 ℃,說明低層大氣暖濕不穩定;颮線形成后在向西南方向移動的過程中,前沿高溫高濕的近地層大氣被颮線系統前部相對冷的出流劇烈抬升,不穩定能量得到釋放和補充,颮線系統的結構和組織性得以長時間維持,臺前颮線正是從熱力和條件不穩定有利的區域首先發展起來的。

(5)水汽通量中低層輻合,高層輻散的配置有利于在動力抽吸作用下維持水汽向上輸送的強度,進而保證短時強降水發生時高效的水汽供應。

(6)對流單體在地面輻合線附近觸發并迅速發展成為高度組織化的颮線,其強度與移向與地面風的輻合強弱與位置高度一致。

(7)雷達圖上颮線生命史包含多次雷暴單體族的合并和分裂,發展旺盛階段中尺度輻合帶特征最明顯,出現多個55 dBz以上強中心及RIJ特征;當颮線兩側的風向輻合特征減弱時,其帶狀結構快速斷裂且強度減弱,伴隨著強對流天氣消失。