一次由海風(fēng)鋒激發(fā)的下?lián)舯┝魈鞖膺^程分析

王世強(qiáng)，黃菲，詹棠，張金清，李偉明

（1.珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海 519000；2.珠海市國家觀象臺(tái)，廣東珠海 519000）

強(qiáng)對(duì)流天氣往往伴隨著短時(shí)強(qiáng)降雨、雷暴大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣，其中雷暴大風(fēng)的危害尤為嚴(yán)重［1－2］，對(duì)雷暴大風(fēng)的成因研究一直是雷達(dá)氣象學(xué)研究的重點(diǎn)［3－4］。隨著天氣雷達(dá)技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是近年來X波段雙偏振相控陣多普勒雷達(dá)的布設(shè)和應(yīng)用，極大地提升了對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的精細(xì)監(jiān)測(cè)能力［5－7］，基于此，國內(nèi)大量專家對(duì)以下?lián)舯┝鳛榇硇缘睦妆┐箫L(fēng)天氣進(jìn)行了廣泛的研究。馬淑萍等［8］通過對(duì)極端雷暴大風(fēng)個(gè)例研究表明，極端雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生在對(duì)流層中層相對(duì)干的環(huán)境下；畢旭等［9］分析了兩次下?lián)舯┝魈鞖?，表明下沉氣流同位相疊加，造成了地面產(chǎn)生更加有破壞性的災(zāi)害性大風(fēng)；李彩鈴等［10］對(duì)桂林一次強(qiáng)下?lián)舯┝鞒梢蚍治霰砻鳎谙聯(lián)舯┝靼l(fā)生前，風(fēng)暴單體有中等強(qiáng)度中氣旋伴隨，中層徑向輻合明顯。

在盛夏季節(jié)，由于陸海熱力性質(zhì)差異，沿海地區(qū)午后海風(fēng)旺盛，往往出現(xiàn)由海風(fēng)鋒激發(fā)的對(duì)流云團(tuán)［11－12］。這種對(duì)流云團(tuán)往往發(fā)展迅速，易產(chǎn)生雷暴大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，需特別注意對(duì)其監(jiān)測(cè)和預(yù)警。珠海市目前布設(shè)有4部X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)（簡(jiǎn)稱相控陣?yán)走_(dá)），其時(shí)間分辨率約為1.5 min，空間分辨率為30 m，對(duì)中小尺度、中低空近距離的天氣系統(tǒng)有獨(dú)特的探測(cè)優(yōu)勢(shì)。本研究利用珠海市地面自動(dòng)站觀測(cè)資料、MICAPS資料和橫琴相控陣?yán)走_(dá)資料，對(duì)一次由海風(fēng)鋒激發(fā)的下?lián)舯┝魈鞖膺^程分析，以加強(qiáng)相控陣?yán)走_(dá)在強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警方面的研究。

1 天氣過程簡(jiǎn)介

2019年7月18日13：00—17：00（北京時(shí)，下同），珠海市出現(xiàn)一次強(qiáng)對(duì)流天氣過程，其中14：05—14：30珠海中部的磨刀門水道附近地區(qū)出現(xiàn)了下?lián)舯┝魈鞖猓▓D1），該地區(qū)地勢(shì)平坦，下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的輻散風(fēng)很快向周邊地區(qū)擴(kuò)展。

圖1 2019年7月18日14：30珠海市地面自動(dòng)站最大陣風(fēng)分布（單位：m／s）

該次過程中，橫琴區(qū)芒洲地面觀測(cè)站出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降雨等強(qiáng)對(duì)流天氣，強(qiáng)對(duì)流天氣持續(xù)了接近30 min，過程中錄得極大風(fēng)速22.4 m／s，小時(shí)雨強(qiáng)51.5 mm，5 min降雨量達(dá)到13.7 mm。該站周邊5～10 km范圍內(nèi)也出現(xiàn)了8～9級(jí)短時(shí)大風(fēng)。

2 天氣背景

2.1 天氣形勢(shì)

從2019年7月18日08：00天氣形勢(shì)（圖2）來看，在200 hPa上（圖2a），我國南方地區(qū)存在一個(gè)高空反氣旋環(huán)流，珠海位于其東南偏南側(cè)的急流區(qū)。在500 hPa上（圖2b），由于熱帶風(fēng)暴“丹娜絲”在臺(tái)灣以東洋面活動(dòng)，同時(shí)南海中東部海面有一個(gè)熱帶低壓存在，導(dǎo)致巴士海峽至南海中部形成一個(gè)廣闊的臺(tái)風(fēng)槽；另外在西南的貴州地區(qū)附近有一個(gè)弱反氣旋環(huán)流存在，珠海處于臺(tái)風(fēng)槽和反氣旋之間的東北大風(fēng)區(qū)。在850 hPa（圖2c）上，珠海位于偏北氣流中，風(fēng)速略大。在地面上（圖2d），珠海地區(qū)的氣壓梯度很小，盛行弱偏北風(fēng)。

圖2 2019年7月18日08：00天氣形勢(shì)

2.2 大氣層結(jié)條件

從香港站（橫琴芒洲站偏東方約70 km）探空資料（圖3）來看，在濕度層結(jié)方面，整體呈現(xiàn)“上干下濕”結(jié)構(gòu)，低層濕層（相對(duì)濕度≥80%）達(dá)到1.5 km（850 hPa）高度，在4 km（600 hPa）高度的露點(diǎn)溫度差接近25℃，存在明顯的干層，這種濕度層結(jié)結(jié)構(gòu)有利于地面大風(fēng)天氣的發(fā)生。在垂直風(fēng)力方面，低層盛行偏北風(fēng)，高層為東北至偏東風(fēng)，0～6 km垂直風(fēng)速切變?yōu)?3.4 m／s，風(fēng)暴承載層（300～600 hPa）的平均風(fēng)速11.7 m／s，平均風(fēng)向54°，風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速大，有利于中層冷空氣夾卷，導(dǎo)致下沉氣流的動(dòng)量下傳，對(duì)地面大風(fēng)的形成有利［13］。在溫度層結(jié)方面，850與500 hPa的溫差達(dá)24.1℃，溫度垂直遞減率大，從而具有更大的CAPE，能產(chǎn)生強(qiáng)的風(fēng)暴上升速度，有利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)，但0℃層高度在5.5 km，－20℃層在8.8 km，0℃層和－20℃層高度較高，對(duì)比廣東省氣象業(yè)務(wù)人員總結(jié)的冰雹天氣發(fā)生條件［14］，不利于冰雹的產(chǎn)生。K指數(shù)為36.4℃，SI指數(shù)－1.06℃，CAPE達(dá)到3 594.7 J／kg，600 hPa起始下沉對(duì)流有效位能DCAPE達(dá)到1 417.9 J／kg，對(duì)流溫度32.4℃，對(duì)流凝結(jié)高度、自由對(duì)流高度均不足1 km，表明大氣層結(jié)極其不穩(wěn)定。

圖3 2019年7月18日08：00香港站探空?qǐng)D

3 強(qiáng)對(duì)流天氣演變過程

3.1 海風(fēng)鋒向陸地推進(jìn)過程

受“丹娜絲”外圍下沉氣流和地面弱的偏北氣流的影響，從7月18日上午開始，珠海地面氣溫快速上升，但由于海陸熱力性質(zhì)的差異，陸地的升溫速率明顯高于沿岸和海島，至13：00珠海市西部地區(qū)氣溫普遍上升至36～38℃，東部地區(qū)35～36℃，沿岸區(qū)32～34℃，海島僅為31～33℃，氣溫分布呈現(xiàn)“西高東低”的態(tài)勢(shì)，溫度梯度在東部沿岸最大，達(dá)到0.2℃／km以上，非常有利于海風(fēng)鋒形成與發(fā)展。

由于海陸溫度差的逐漸加大，導(dǎo)致海上和陸地之間氣壓差不斷增大，偏東向的海風(fēng)逐漸加強(qiáng)，與內(nèi)陸的偏北風(fēng)形成地面風(fēng)輻合線，逐漸發(fā)展為海風(fēng)鋒（圖略）。從11：00開始，東部海島的風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，與陸地的偏北氣流在東部海岸線附近形成弱的輻合帶；12：00隨著海風(fēng)的加強(qiáng)，沿岸的風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，地面輻合線不斷向東部陸地推進(jìn)，形成一條東北－西南向的地面海風(fēng)鋒，有利于近地層的暖濕空氣強(qiáng)迫抬升，形成更強(qiáng)的上升氣流；13：00鋒線已推進(jìn)到珠海中部地區(qū)，地面輻合線更加明顯。

3.2 在地形作用下對(duì)流云系的觸發(fā)

圖4為7月18日13：10—15：00橫琴雷達(dá)0.9°仰角反射率因子變化圖，從圖4可以看到對(duì)流云系觸發(fā)到加強(qiáng)過程。受地形影響，海風(fēng)在推進(jìn)到珠海中部地區(qū)時(shí)，橫琴雷達(dá)站北邊的將軍山和腦背山之間（圖1）的平坦地帶吹偏東風(fēng)，而磨刀門水道入?？诟浇灯巷L(fēng)，這與內(nèi)陸偏北風(fēng)在橫琴站西北方5～8 km處形成了輻合，同時(shí)地面氣溫在35℃以上，觸發(fā)了對(duì)流云系（圖4a）。隨著對(duì)流云系的加強(qiáng)，在其周邊地面形成了輻散氣流，導(dǎo)致在地勢(shì)平坦的南屏鎮(zhèn)（圖1）附近形成了新的輻合中心，產(chǎn)生了新的對(duì)流云系（圖4c）。

圖4 2019年7月18日13：10—15：00橫琴相控雷達(dá)0.9°仰角反射率因子

3.3 對(duì)流云系的發(fā)展和消亡

從對(duì)流云系的發(fā)展過程（圖4）可以看到，對(duì)流云系在地面輻合線附近不斷發(fā)展加強(qiáng)，尤其在13：50—14：00期間（圖4e－f），位于橫琴站西北方15 km左右的對(duì)流云系發(fā)展非常迅速，部分區(qū)域的0.9°仰角反射率因子已達(dá)到60 dBz以上，在這期間相控陣?yán)走_(dá)也觀測(cè)到了中氣旋。在14：00—14：10期間（圖4f－g），反射率大值區(qū)（核心）明顯下降，在珠海中部區(qū)域出現(xiàn)下?lián)舯┝?，地面輻散氣流明顯。14：10—14：20（圖4g－h(huán)）對(duì)流云系又有所加強(qiáng)，且向西南方擴(kuò)展，同時(shí)在其西北方又形成了新的對(duì)流云團(tuán)；14：30—15：00期間（圖4i－l）珠海中部的對(duì)流云團(tuán)逐漸減弱消亡，而其西北方18～25 km處的對(duì)流云系則發(fā)展旺盛。

4 相控陣?yán)走_(dá)對(duì)中氣旋和下?lián)舯┝鞯挠^測(cè)

4.1 相控陣?yán)走_(dá)對(duì)中氣旋的觀測(cè)

13：50—14：00期間，珠海中部的對(duì)流云團(tuán)發(fā)展迅速。13：56橫琴相控陣?yán)走_(dá)觀測(cè)到在西北偏北方（330°，13 km）的對(duì)流云系中，有一個(gè)直徑3 km左右的氣旋速度對(duì)形成，在6.3°、8.1°、9.9°仰角速度圖（圖5）上均可看到明顯的正負(fù)速度對(duì)存在的情況，其徑向負(fù)速度在－15～－20 m／s，正速度在5 m／s左右。相控陣?yán)走_(dá)中氣旋產(chǎn)品也顯示，在該區(qū)域存在一個(gè)中氣旋，該中氣旋回波底高1.0 km，回波頂高3.1 km，中心高度2.1 km，最大入流速度19.1 m／s，最大出流速度5.5 m／s，屬于弱中氣旋。中氣旋活動(dòng)期間，對(duì)流云團(tuán)原地少動(dòng)，強(qiáng)度明顯加強(qiáng)（圖4e－f），但其僅僅維持了幾分鐘，14：00之后隨著風(fēng)場(chǎng)減弱，氣旋結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)也逐漸向西南方向移動(dòng)。

圖5 2019年7月18日13：56橫琴相控陣?yán)走_(dá)6.3°（a）、8.1°（b）、9.9°（c）仰角速度

4.2 相控陣?yán)走_(dá)對(duì)下?lián)舯┝鞯挠^測(cè)

為更好地研究下?lián)舯┝靼l(fā)生過程中對(duì)流云團(tuán)內(nèi)回波強(qiáng)度、徑向速度和地面大風(fēng)的關(guān)系，本研究選取14：02—14：10橫琴相控陣?yán)走_(dá)反射率資料，沿288°方向做垂直剖面（圖6a），觀察分析其反射率因子、徑向速度變化（圖6b－f）。

圖6 2019年7月18日14：10橫琴相控陣?yán)走_(dá)0.9°仰角徑向速度圖（a）和13：59－14：10雷達(dá)288°方位角（圖a中紅線位置）的逐3 min的強(qiáng)度（Zh）和速度（vr）剖面（b－f）

可以看出，下?lián)舯┝靼l(fā)生前（13：59），對(duì)流云團(tuán)（圖6b）內(nèi)強(qiáng)回波區(qū)（反射率因子≥55 dBz）呈傾斜結(jié)構(gòu)，傾向距離雷達(dá)較遠(yuǎn)方向（西北偏西方），且具有較強(qiáng)的負(fù)速度，0～4 km高度呈現(xiàn)弱的速度輻合；14：02（圖6c）強(qiáng)回波區(qū)質(zhì)心明顯下降，2～3 km高度處負(fù)速度減弱，地面出現(xiàn)－10 m／s以上的徑向負(fù)速度；14：05（圖6d）在7～10 km處的強(qiáng)回波區(qū)域集中在1 km高度以下，3～4 km高度再次出現(xiàn)徑向輻合，距離雷達(dá)7 km左右的強(qiáng)回波觸地，并在該處出現(xiàn)－15m／s以上的負(fù)速度，此時(shí)芒洲地面自動(dòng)站出現(xiàn)19 m／s的陣風(fēng)；14：08（圖6e）在距離雷達(dá)7～8 km處的強(qiáng)回波的降水粒子降落的地面上，導(dǎo)致距離雷達(dá)7 km附近地面的負(fù)速度增加至接近－20 m／s，3～4 km高度上的徑向速度輻合更加明顯；14：10（圖6f）在距離雷達(dá)8～10 km處的強(qiáng)回波逐漸接地，地面開始出現(xiàn)明顯的徑向速度輻散，距雷達(dá)5～10 km為負(fù)速度，10～15 km為正速度，但正速度的絕對(duì)值較負(fù)速度小，芒洲地面自動(dòng)站出現(xiàn)21.8 m／s的陣風(fēng)，周圍自動(dòng)站也出現(xiàn)8～9級(jí)陣風(fēng)。

5 結(jié)論

本研究利用珠海市地面自動(dòng)站觀測(cè)資料、MICAPS資料和橫琴X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)資料對(duì)2019年7月18日一次由海風(fēng)鋒激發(fā)的下?lián)舯┝魈鞖膺^程進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

1）該次下?lián)舯┝鬟^程發(fā)生在臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流中，大氣層結(jié)呈現(xiàn)“上干下濕”結(jié)構(gòu)，溫度垂直遞減率大，對(duì)流凝結(jié)高度、自由對(duì)流高度不足1 km，K指數(shù)大、SI指數(shù)為負(fù)、CAPE值大等條件都有利于下?lián)舯┝魈鞖獍l(fā)生。

2）由于海陸熱力性質(zhì)差異，導(dǎo)致珠海東部沿海地區(qū)在中午時(shí)段出現(xiàn)了顯著的偏東向海風(fēng)，其與陸地的偏北輻合，形成海風(fēng)鋒，觸發(fā)此次的強(qiáng)對(duì)流天氣。

3）強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)中有弱中氣旋存在，中氣旋活動(dòng)期間對(duì)流發(fā)展旺盛；下?lián)舯┝靼l(fā)生前，低層反射率處于大值期，X波段相控雷達(dá)可以清晰觀測(cè)到強(qiáng)反射率因子下降、中層徑向速度輻合、近地面氣流輻散等現(xiàn)象。

相控陣?yán)走_(dá)由于其觀測(cè)時(shí)空分辨率高，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)流系統(tǒng)中較小、較弱的中氣旋，并清晰地看到中小尺度對(duì)流系統(tǒng)變化，尤其是高頻次低層徑向輻散風(fēng)的監(jiān)測(cè)，對(duì)下?lián)舯┝鞯念A(yù)警具有重要作用。