山东较大范围致灾雷暴大风的多普勒天气雷达特征*

高 帆 俞小鼎 王秀明

1 山东省气象防灾减灾重点实验室,济南 250031 2 济南市气象局,济南 250102 3 中国气象局气象干部培训学院,北京 100081

提 要：利用多源观测资料对2005—2021年山东和周边地区较大范围致灾雷暴大风事件及造成此类事件的对流系统的雷达回波特征从两个尺度进行了分析,结果发现:17年间共发生41次较大范围致灾雷暴大风事件,年均发生2.4次,主要发生在6月。发生前,对流层中下层具有明显的条件不稳定,湿度条件中等略偏干,中层具有明显干层,垂直风切变中等略偏强。就导致较大范围致灾雷暴大风的对流系统整体而言,可分为Ⅰ型(单体可分辨形)飑线、Ⅱ型(条形)飑线、多单体风暴群和弱回波型飑线四类。后侧入流急流携带干冷空气进入飑线通过蒸发冷却降温增强负浮力是Ⅰ型飑线和Ⅱ型飑线产生致灾雷暴大风重要机理。后(右)向传播的多单体风暴群均伴有超级单体,其阵风锋一方面能够触发新生风暴,另一方面本身也可以产生致灾雷暴大风。强对流风暴本身较快的移动速度和可能的后侧入流急流在系统内由降水触发的下沉气流作用下产生的动量下传,导致非对称的下击暴流,增加了出现极端雷暴大风的可能性。弱回波型飑线产生的致灾大风最易被忽视。直接造成120站次致灾雷暴大风的对流分系统包括弓形回波、非超级单体强单体、超级单体、阵风锋和混合型五类,占比分别为30%、26%、6%、23%和16%。 弓形回波和超级单体产生的致灾雷暴大风极大风速平均值最大,分别为28.2 m·s-1和29.9 m·s-1。强后侧入流急流和显著中层径向辐合特征可提前约20 min预报弓形回波的形成。致灾雷暴大风主要出现在弓形回波移动方向的中间部分和左侧部分。阵风12级及以上的极端雷暴大风由镶嵌弓形回波的波动型线状回波、弓形回波与中尺度涡旋的组合以及超级单体产生。具有深厚中层径向辐合的非超级单体强单体、强烈发展的飑线的阵风锋、地面冷锋与阵风锋的叠加(常伴有高空动量下传)均可能产生30 m·s-1左右的雷暴大风。

引 言

在对流风暴产生的灾害性天气中,雷暴大风发生频率高且致灾性强,其产生方式主要包括对流风暴内强下沉气流及其导致的地面强辐散风、动量下传导致地面辐散风的非对称加强、冷空气大风与对流大风叠加导致雷暴大风增强、作为对流风暴冷池边界的阵风锋(出流边界)导致的大风,以及对流风暴的暖湿入流在接近风暴上升气流低层入口区加速而形成的入流大风,有时阵风锋大风与下击暴流直接导致的大风很难区分开来(俞小鼎等,2020)。通常将对流风暴内的强下沉气流及其导致的地面强辐散风一起称为下击暴流(Fujita,1978;Doswell Ⅲ,2001),根据地面辐散风的水平尺度可以分为4 km以下的微下击暴流和4 km以上的宏下击暴流(Fujita and Wakimoto,1981)。下击暴流既可以由深层弱垂直风切变环境下的脉冲风暴产生,也可以由中等或强的深层垂直风切变环境下的多单体强风暴、弓形回波、超级单体或飑线(其中常常镶嵌有弓形回波)产生。Fujita(1978)最早提出了弓形回波的概念及其与下击暴流大风的关联,指出快速移动、向前凸起、形如弓状的强对流回波,常伴有下击暴流导致的地面直线型大风、冰雹或龙卷等天气现象,同时给出了经典弓形回波发生发展的概念模型,包括强盛阶段弓形回波中心形成的矛头、北端的中尺度气旋式涡旋、南端的中尺度反气旋式涡旋以及后期演变为逗点状回波等特征。另外,很多观测分析和数值模拟均表明,弓形回波与雷暴大风有很高的相关性,尤其当弓形回波前沿形成γ中尺度涡旋时,其与弓形回波后侧的入流急流线性叠加,可以产生更为极端的直线型雷暴大风(Trapp and Weisman,2003;Atkins et al,2004;2005;Wakimoto et al,2006;Gallus et al,2008;俞小鼎等,2012;王秀明等,2012;2013;陶岚等,2014;孙继松,2023)。Johns and Hirt(1987)根据Fujita and Wakimoto(1981)的研究将由下击暴流群(或簇)导致且满足一定标准(对流阵风阈值、站点间距、影响范围长度、时间间隔等)的大范围直线型雷暴大风事件称为Derechos(陈晓欣等,2022)。

目前我国关于雷暴大风的环境参数特征、多普勒雷达回波特征和预警指标以及数值模拟等已经有了深入的研究,费海燕等(2016)和马淑萍等(2019)分别统计了强雷暴大风(风速≥25 m·s-1)和极端雷暴大风的关键环境参数特征,并进行了不同区域及与普通雷暴的对比分析。雷暴大风的雷达回波分类较多,临近预警指标也较多,弓形回波、阵风锋、快速移动的对流风暴、中层径向辐合(MARC)、低层径向速度大值区、快速下降的单体强中心高度和迅速减小的垂直累积液态水含量等特征均可用来预警雷暴大风,一般可以提前10～30 min(王彦等,2009;刁秀广等,2011;俞小鼎等,2012;2020;王福侠等,2016;杨璐等,2018;龙柯吉等,2020)。王秀明等(2013)数值模拟表明在深层环境风垂直切变较弱、中低层环境风垂直切变较强的风垂直切变配置下,低层湿度是风暴结构的决定因素,中-高湿度环境下形成高度组织化的飑线,低湿度环境下形成组织程度较差的一般单体和脉冲风暴。孙建华等(2014)数值模拟也表明环境场中不同的水汽含量及其垂直分布会影响下沉气流和冷池的强度,从而影响对流的组织形态、维持时间和强度。陈晓欣等(2022)系统地研究了中国区域的Derechos事件的时空分布、环境背景和对流系统形态特征。孙继松(2023)从预报预警业务的视角,讨论了与直线型对流大风相关的强风暴形态结构和热动力学过程。

山东地处黄淮流域下游,是雷暴大风影响的重灾区(陈晓欣等,2022),对流系统种类多且活跃,2006年4月28日、2010年4月26日、2016年6月13—14日、2018年6月13日和2021年4月29日均发生了大范围致灾雷暴大风,造成了严重的经济损失和人员伤亡。目前山东雷暴大风的研究主要集中在气候特征、流型配置、环境参数、典型个例和某一特定类型的对流系统(杨晓霞等,2014;刁秀广等,2015;王俊,2017;高晓梅等,2018;侯淑梅等,2020;万夫敬等,2018;2021),针对致灾雷暴大风的对流系统类型和不同尺度雷达回波特征的研究相对较少,因此有必要系统地总结造成山东致灾雷暴大风的不同对流系统类型及其多尺度雷达回波特征,为短时临近预警提供一定的参考。

1 资料与方法

本文所用资料包括2005—2021年山东及周边省份多普勒天气雷达资料、常规探空资料、常规和加密地面观测资料、2008—2021年山东区域自动气象站资料。一般将10级及以上的雷暴大风称为致灾雷暴大风,12级及以上的雷暴大风称为极端雷暴大风。

孤立雷暴大风产生的随机性较大,预警提前时间很短,10级及以上的雷暴大风较8～9级的雷暴大风致灾性明显增强,因此本文主要研究较大范围致灾雷暴大风事件的多普勒天气雷达特征。雷暴大风的尺度跨度很大,郑永光等(2016)在进行湖北监利“东方之星”沉船事故现场天气调查时认为,导致此次风灾的强对流风暴气流具有显著的多尺度性,强对流天气预报业务人员需提高对强对流风暴中气流多尺度性的理解和认识。Fujita and Wakimoto(1981)在分析了一次系列下击暴流后提出了与下击暴流相关的5种尺度气流(王秀明等,2023),参照Fujita and Wakimoto(1981)的尺度划分思路,即用α中尺度代表造成较大范围致灾雷暴大风(下击暴流簇尺度,图1b)的对流系统整体,用β中尺度代表造成某个或某几个国家级气象站出现致灾雷暴大风(下击暴流尺度)的对流分系统。本文分别分析对流系统整体和对流分系统(弓形回波、非超级单体强单体、超级单体、阵风锋等)的多普勒天气雷达回波特征,前者侧重于分析尺度特征(影响范围),后者侧重于分析强度特征(对流结构)。

注:每圈间距50 km,下同。图1 (a)Ⅰ型飑线,(b)Ⅱ型飑线,(c)多单体风暴群和(d)弱回波型飑线典型代表图Fig.1 Representative radar figures of the convective systems producing damaging thunderstorm gales for (a) type Ⅰ squall line, (b) type Ⅱ squall line, (c) multicell storm cluster, (d) weak echo squall line

规定某一地市中若有1个国家级气象站或者3个区域自动气象站出现致灾雷暴大风,则认定该地市出现致灾雷暴大风。山东及周边各地市相距较均匀,平均距离约为70 km,2～3个地市出现致灾雷暴大风相当于一次下击暴流簇的尺度。因此规定受同一对流系统影响,山东及周边若有3个地市出现致灾雷暴大风或者有2个地市出现致灾雷暴大风且其中1个地市出现极端雷暴大风,则认定为1次较大范围致灾雷暴大风事件。

按照上述标准进行普查,2005—2021年共在山东及周边地区筛选出40次较大范围致灾雷暴大风事件,另外将1次虽未达到上述标准但却产生严重灾害的雷暴大风事件也认定为较大范围致灾雷暴大风事件(2005年7月12日,沂源极大风速为29.2 m·s-1,经济损失达1.5亿)。造成41次较大范围致灾雷暴大风事件的对流系统整体形态各异,发展过程中形态逐渐演变,根据对流系统的多普勒天气雷达特征,将41个对流系统整体分为27次强飑线过程、11次多单体风暴群过程和3次弱回波型飑线过程,有2次过程在发展演变时存在类型的转换,按照对流系统产生范围最广、强度最强雷暴大风时刻的雷达特征进行分类,只计入一类进行统计分析。参考James et al(2005)的方法进一步将27条强飑线分为单体可分辨型飑线(构成飑线的各个对流单体是可分辨的)和条型飑线(构成飑线的各个单体不可分辨,飑线呈现准二维结构),各出现了14次和13次,以下分别简称为Ⅰ型飑线和Ⅱ型飑线。4类对流系统整体的典型代表图见图1。

2 气候与环境特征概要

2.1 气候特征

上述较大范围致灾雷暴大风事件年均发生2.4次,2021年最多,为6次,2009年和2016年发生频次相对较多,均为5次,2008、2012、2014和2019年没发生。最早发生在4月中旬,最晚发生在8月中旬,51%的较大范围致灾雷暴大风事件发生在6月。

由Ⅰ型飑线和多单体风暴群造成的较大范围致灾雷暴大风事件主要发生在6月,由Ⅱ型飑线造成的主要发生在7—8月,由弱回波型飑线造成的主要发生在4—5月(图2)。弱回波型飑线之所以会导致致灾雷暴大风,主要原因是冷空气大风和对流大风的叠加,因此多出现在4—5月。再早一些,对流发生概率很低,而再晚一些,冷空气大风概率很低。

图2 4类对流系统整体的分月出现次数Fig.2 Monthly frequency of four types of convective systems

2.2 源地和路径

80%的对流系统的初生源地在山东以外,Ⅰ型飑线、Ⅱ型飑线和弱回波型飑线的初生源地较远,主要位于晋陕和河北中南部,多单体风暴群的回波源地主要位于河北中南部(图3)。76%的对流系统从山东西北部进入山东,Ⅰ型飑线多向东南方向移动,影响山东中部和南部,其平均移速为63 km·h-1,平均移向为133°,Ⅱ型飑线多向偏东方向移动,影响山东中部和北部,其平均移速为67 km·h-1,平均移向为115°。多单体风暴群多向东南方向移动,影响山东中部和东南部,弱回波型飑线向偏东方向移动,影响山东北部。

图3 4类对流系统整体的源地和移动路径(a)Ⅰ型飑线,(b)Ⅱ型飑线,(c)多单体风暴群,(d)弱回波型飑线Fig.3 Source regions and moving tracks of four types of convective systems(a) type I squall line, (b) type II squall line, (c) multicell storm cluster, (d) weak echo squall line

2.3 环境参数

山东较大范围致灾雷暴大风事件发生前,850 hPa 与500 hPa温差较大且较集中,25%和75%分位对应的值分别为27.3℃和31.3℃,平均值为29.6℃,相当于对流层中下层的环境平均温度直减率为6.6℃·km-1。较大的温度直减率有利于较大的CAPE值,从而有利于较强上升气流,产生更多的降水粒子如雨滴和冰雹,形成更强的向下拖曳作用,使雷暴内下沉气流得以触发;与此同时,较大的温度直减率有利于保持下沉气流在下沉增压增温过程中与环境大气之间的负温差,使下沉气流在下降过程中温度始终低于环境温度,保持向下的加速度(俞小鼎等,2020)。

地面露点温度和大气可降水量的平均值分别为19.1℃ 和32.3 mm,表明较大范围致灾雷暴大风事件倾向于发生在略偏干的大气环境中。对流层中层(700～400 hPa)平均温度露点差和最大温度露点差的平均值分别为15.7℃和28.8℃,明显高于马淑萍等(2019)对全国极端雷暴大风事件和陈晓欣等(2022)对全国大范围雷暴大风事件的统计结果,表明山东较大范围致灾雷暴大风事件发生时中层伴有更为显著的干层,这有利于干空气夹卷进入由降水启动的下沉气流,使得雨滴蒸发,下沉气流内温度降低到明显低于环境温度而产生向下(负浮力)的加速度(俞小鼎等,2020)。

CAPE是气块在给定环境中绝热上升时正浮力产生的能量的垂直积分,是对流发生潜势和潜在强度的一个重要指标(俞小鼎等,2020)。由表1可看出,利用对流发生前温度和露点订正后的CAPE很大,平均值为2000 J·kg-1,主要是因为山东较大范围致灾雷暴大风一般发生在午后,而08时探空低层925 hPa常存在逆温层,加之850～500 hPa的环境温度直减率大,使得利用午后对流发生前温度和露点订正后的CAPE大幅增加。

表1 环境参数分布特征值Table 1 Eigenvalues of the distribution of environmental parameters

DCAPE是用来表示对流系统内强下沉气流潜势的一个关键参数(Emanuel,1994)。表1中DCAPE为假定下沉气流从700 hPa至400 hPa间湿球位温的最小值处开始下沉而计算得出,DCAPE600 hPa为假定下沉气流从600 hPa高度开始下沉而计算得出,两种方式计算的DCAPE均很大,平均值分别为1290 J·kg-1和1110 J·kg-1。

较强的垂直风切变有利于对流系统组织程度的增强,且有利于中层干冷空气夹卷进入对流系统,通过蒸发冷却降温增强下沉气流的强度,同时还有利于动量下传加强地面雷暴大风(Johns and Doswell Ⅲ,1992;Wakimoto,2001;俞小鼎等,2012;2020)。0～3 km和0～6 km垂直风切变平均值分别为10.6 m·s-1和16.6 m·s-1,属于中等略偏强的垂直风切变。

风暴相对螺旋度一定程度上代表了一旦对流风暴形成,该对流风暴发生旋转的潜势。如果风暴相对螺旋度较大,则沿着低层暖湿气流入流方向会有显著的水平涡度,暖湿入流进入对流风暴的上升气流中,水平涡度被扭曲为垂直涡度,形成中气旋,导致超级单体风暴的产生。41次过程0～3 km风暴相对螺旋度的中位数和平均值分别为77 m2·s-2和97 m2·s-2,可见较大范围致灾雷暴大风事件的风暴相对螺旋度并不大,实际上,在直接产生致灾雷暴大风的对流分系统中,超级单体占比最少。

分类而言,Ⅰ型飑线和多单体风暴群的环境参数分布相似,Ⅱ型飑线与前两者环境参数的差异主要体现在Ⅱ型飑线的湿度参数更大一些,其地面露点温度和大气可降水量的平均值比前两者分别高3℃和7 mm,主要是因为Ⅱ型飑线多发生在7—8月,水汽更为丰沛,而Ⅰ型飑线和多单体风暴群多发生在6月。

综上所述,山东较大范围致灾雷暴大风事件倾向于发生在对流层中低层具有显著条件不稳定层结、略偏干的湿度层结、对流层中层伴有明显干层和略偏强的深层垂直风切变的环境条件下。

3 对流系统整体的雷达观测特征

如前所述,导致山东及周边地区较大范围致灾性雷暴大风事件的对流系统整体可以分为Ⅰ型飑线、Ⅱ型飑线、多单体风暴群和弱回波型飑线4种类型。

3.1 Ⅰ型飑线

Ⅰ型飑线表现为多个对流风暴单体呈线状排列,整体结构相对较松散,构成飑线的各个单体可以分辨,相对较独立,飑线整体的三维结构更明显,常镶嵌有包括超级单体的强单体和(或)弓形回波,其环境0～6 km深层垂直风切变更明显。在有典型特征阶段,其主体部分移动方向右偏环境引导气流方向约39°。

山东及周边地区Ⅰ型飑线的平均长度为180 km,最短为100 km,最长为280 km。Ⅰ型飑线生命史的各个阶段、空间的各个部位均能产生致灾雷暴大风。致灾雷暴大风的范围与后侧入流急流的强度有很密切的关系,后侧入流急流越强、深度越深,造成的致灾雷暴大风范围越广、强度越强。2009年6月3日影响河南、山东西南部、安徽和江苏北部和2006年4月28日影响山东中南部和江苏北部的两条Ⅰ型飑线均存在强后侧入流急流,高度从6 km至近地面,对应飑线上发展出弓形回波(图4a,4b),后侧入流急流携带干冷空气夹卷进入飑线,促进下沉气流的蒸发冷却,增强负浮力,同时通过动量下传作用,增强地面雷暴大风的强度,造成了大范围的致灾雷暴大风。后侧入流急流可通过径向速度大值区的深度和强度来判断,但当后侧入流急流垂直于雷达径向时,反射率因子上弓形回波两侧的气旋式和反气旋式涡旋也可以作为强后侧入流急流的一个判据(图4b1)。

图4 (a)2009年6月3日和(b)2006年4月28日Ⅰ型飑线,(c,d)2005年8月1日(c)21:00和(d)23:00Ⅱ型飑线,(e)2005年6月14日和(f)2009年6月5日多单体风暴群(a1～d1,e,f)反射率因子,(a2～d2)径向速度,(c3,d3)径向速度剖面Fig.4 (a, b) Type Ⅰ squall line on (a) 3 June 2009, (b) 28 April 2006; (c, d) type Ⅱ squall line at (c) 21:00 BT and (d) 23:00 BT 1 August 2005; (e, f) multicell storm cluster on (e) 14 June 2005, (f) 5 June 2009(a1-d1, e, f) radar reflectivity, (a2-d2) radial velocity, (c3, d3) vertical cross section of radial velocity

由于Ⅰ型飑线由可分辨的单体构成,其中常镶嵌有超级单体,除了产生致灾雷暴大风,还经常产生大冰雹,偶尔产生龙卷。

3.2 Ⅱ型飑线

Ⅱ型飑线表现为条状或连续线状结构,不易区分出构成飑线的各个风暴单体,整体的二维结构更明显,常镶嵌有弓形回波,其环境0～3 km垂直风切变更明显。在有典型特征阶段,其主体部分移动方向右偏环境引导气流方向约27°。

山东及周边地区Ⅱ型飑线的平均长度为240 km,最短为150 km,最长为380 km。虽然平均尺度最大,但其平均每次过程造成的致灾雷暴大风站次数最少。Ⅱ型飑线造成的致灾雷暴大风多由镶嵌在飑线中部的弓形回波在飑线成熟期之前造成。

Ⅱ型飑线单次过程造成致灾雷暴大风范围最广的为2005年8月1日影响河北南部、山东西北部和中部的飑线系统,其初生期在河北南部造成2站次致灾雷暴大风,21:00(北京时,下同)前后发展为一条长约70 km的弓形回波(图4c1),后侧入流急流高度从6 km至近地面(图4c3),23:00前后达到成熟期,发展为一条长约250 km的条型飑线(图4d1),此时飑线后侧入流急流高度从4 km至近地面(图4d3),后侧入流急流高度的下降标志着环境干冷空气夹卷的减弱,同时成熟期降水增强,环境大气中低层湿度增大,导致蒸发冷却产生的负浮力减弱,20:00—23:00 山东西北部出现5站次致灾雷暴大风,23:00之后山东中部仅出现1站次致灾雷暴大风。孙建华等(2014)利用WRF模式模拟了水汽对飑线组织结构和强度的影响发现,增加水汽含量后,发展阶段飑线产生的冷池加强,雷暴大风风速增大,但成熟期后冷池减弱地越快,不利于雷暴大风的出现和维持。刁秀广等(2015)通过观测研究也发现,源于飑线发展前期的弓形回波较强降雨带减弱阶段的弓形回波产生的雷暴大风更强。

Ⅱ型飑线除了产生致灾雷暴大风外,很少产生大冰雹,其原因在于这类飑线的准二维结构使得每个构成单体均匀消耗CAPE,每个构成单体的上升气流都不会很强,对于产生大冰雹不利。此外,这类飑线由于其准二维结构,通常不会镶嵌有超级单体,而在超级单体中,除了通过CAPE转换形成上升气流,超级单体中气旋与环境垂直风切变的相互作用会产生向上的气压梯度力扰动,使得上升气流进一步加强,有利于大冰雹和巨型冰雹(直径5 cm或以上)的产生(Klemp,1987)。

3.3 多单体风暴群

多单体风暴群表现为2个及以上的多单体风暴受相同的天气系统影响,沿大致相同的环境引导气流移动。多单体风暴的移动矢量由平流和传播构成,前者为构成多单体风暴的每个单体沿着风暴承载层的平均风移动,后者为多单体风暴向着不断有新生单体产生的方向传播。按照平流和传播方向,多单体风暴群可以分为两类,第一类有明显的后(右)向传播特征,第二类无明显传播特征,随高空引导气流快速移动。多单体风暴群的尺度跨度很大,最小的尺度为50 km,为一个超级单体复合体(含有超级单体的多单体风暴,剧烈天气主要由其中的超级单体产生),最大的尺度为350 km。

第一类多单体风暴群共有7次过程,均包含有超级单体,此类多单体风暴群整体移动相对较慢,强风暴产生的地面冷池因堆积而逐渐增强,阵风锋高度最高可以达到3 km(图4f),阵风锋不断触发新生单体导致多单体风暴后(右)向传播,延续多单体风暴群的生命史,同时阵风锋本身也可以产生致灾雷暴大风。此类多单体风暴群产生的致灾雷暴大风风向多为东北风,7次过程中至少有5次过程产生了直径5 cm以上的巨型冰雹,造成致灾雷暴大风范围最广的为2005年6月14日和2009年6月5日的多单体风暴群(图4e和4f),两次过程均在山东中南部触发初始对流,平流向东南方向,传播向西南方向,多单体风暴群整体向偏南方向移动,影响了山东中南部及江苏和安徽中北部,两次过程均产生了多个超级单体,除产生了大范围致灾雷暴大风外,均产生了巨型冰雹。

第二类多单体风暴群共有4次过程,仅1次包含有超级单体,此类多单体风暴群整体移动速度较快,其中产生致灾雷暴大风的强单体在大风产生时刻前后1 h内的平均移动速度为15 m·s-1,快速移动的强单体能够将中高空的高动量下传至地面增强雷暴大风强度,单体本身较快的移动速度也有利于产生非对称的下击暴流,而非对称下击暴流中风速较大的一侧是风暴快速移动而导致的动量下传的结果。此类多单体风暴群产生的致灾雷暴大风风向多为西北风,造成致灾雷暴大风范围最广的为2018年6月27日影响河北东南部、山东西北部和中部的多单体风暴群(图1c),初始对流由位于河北中南部的干线触发,在有利的环境条件下发展为3个多单体风暴,造成大范围致灾雷暴大风。

3.4 弱回波型飑线

弱回波型飑线在本文统计的时间和空间范围内出现了3次,其回波呈带状或线状,有时中间有间断,强度一般在40 dBz以下,尺度在100～250 km。

3次弱回波型飑线出现的天气形势很相似,在500 hPa高空冷涡的环境背景下,山东受高空冷涡底部强盛的西北气流影响,环境湿度条件差,地面上山东北部存在地面低压,西部存在冷高压,地面冷锋自西向东移动,雷暴大风伴随地面冷锋同时出现,这种雷暴大风的形成依靠中高层的动量下传和地面冷锋的共同作用,即冷空气大风与雷暴大风的叠加。由于雷达回波较弱,其产生的致灾大风常被忽视。

造成山东及周边地区致灾大风范围最广的弱回波型飑线系统发生在2010年4月26日,影响河北中南部、河南北部和山东大部(图1d)。

4 直接导致致灾雷暴大风的对流分系统的雷达观测特征

在一次较大范围致灾雷暴大风事件中,并不是对流系统整体影响的所有区域都会产生致灾雷暴大风,致灾雷暴大风的出现是不均匀、不连续的。为了使临近预警更有针对性,本节根据国家级气象站出现致灾雷暴大风来分析直接导致致灾雷暴大风的对流分系统的多普勒天气雷达回波特征。

41次较大范围致灾雷暴大风过程共造成国家级气象站出现了121站次的致灾雷暴大风,其中10、11、12和13级雷暴大风分别出现了95、20、5和1站次,除了1站次的13级雷暴大风无法确认外,其余120站次都可以确认。根据这120站次致灾雷暴大风出现时刻的多普勒天气雷达回波特征和雷暴大风的形成机理,将直接影响系统分为弓形回波、非超级单体强单体、超级单体、阵风锋和混合型5类,其中“混合型”表示雷暴大风由下沉气流、冷池出流、冷空气和动量下传多种作用共同造成,5类对流分系统造成的致灾雷暴大风站次数和极大风速箱线图见表2和图5。

表2 5类对流分系统造成的致灾雷暴大风站次数Table 2 Frequency of the stations affected by damaging thunderstorm gales caused by five types of convective subsystems

图5 5类对流分系统造成的致灾雷暴大风极大风速箱线图Fig.5 Boxplots of maximum wind speed of damaging thunderstorm gales caused by five types of convective subsystems

4.1 弓形回波

4.1.1 雷达观测特征

弓形回波的尺度跨度较大,最小的单体弓形回波尺度为10～20 km,最大的尺度超过100 km,大部分弓形回波尺度在20～50 km,绝大部分弓形回波镶嵌在Ⅰ型飑线和Ⅱ型飑线内,因此仍可以将大部分弓形回波认为是β中尺度的对流分系统。

弓形回波的形态丰富多样,Klimowski et al(2004)将弓形回波分为经典弓形回波、弓形回波复合体、飑线型弓形回波和单体型弓形回波4类。在本文分析的41次个例中,这4类弓形回波均有出现,其中经典弓形回波和飑线型弓形回波出现次数最多,造成的致灾雷暴大风站次数也最多。

在弓形回波的形成过程中,径向速度图上的后侧强入流急流和显著中层径向辐合特征较反射率因子图上的弓状特征出现更早,以5～6 km高度后侧入流急流达到27 m·s-1作为强后侧入流急流的标准,以3～7 km高度15 km水平距离内径向速度差大于等于25 m·s-1作为显著中层径向辐合的标准,统计发现,通过上述径向速度特征比通过反射率因子回波特征平均可以提前3～4个体扫识别弓形回波。

弓形回波造成的致灾雷暴大风分布不均匀,以前进方向为参照,将弓形回波分为左侧部分、中间部分和右侧部分,36站次致灾雷暴大风除了4站次无法明确辨别外,其余32站次在三个部分的分布比例为12∶16∶4,可见致灾雷暴大风主要出现在弓形回波前进方向的中间和左侧部分。

4.1.2 弓形回波与极端雷暴大风

在5类对流分系统中,弓形回波造成的致灾雷暴大风站次数最多,占比为30%,极大风速的平均值次大,为28.2 m·s-1。弓形回波共造成3站次极端雷暴大风,1站次由波动型线状回波(LEWP)中的弓形回波造成,2站次由弓形回波和中尺度涡旋共同造成。

2013年8月7日17:00—19:00,山东西北部至河北东南部一条Ⅱ型飑线自西南向东北快速移动,逐渐发展为波动型线状回波(LEWP),其中包含3条弓形回波(图6a1),造成山东西北部至河北东南部出现了长约250 km、宽约120 km的致灾雷暴大风区域,风向以西偏南风为主,其中17:17德州陵县出现了32.6 m·s-1的致灾雷暴大风,18:05沧州孟村出现了36.3 m·s-1的极端雷暴大风。本次过程发生时整层为较强的西南风,伴有明显的短时强降水,在17:39—18:16的37 min内,VWP产品中20 m·s-1以上强度的大风核从约6 km下降至1.5 km(图略),表明降水下落时将中高层西南风的高动量下传至低层,一定程度上增加了地面雷暴大风的强度。这次过程造成沧州市直接经济损失近3亿。

图6 (a)2013年8月7日波动型线状回波,(b)2007年7月11日弓形回波与中尺度涡旋组合,(c,d)2020年5月17日(c)21:23和(d)21:56弓形回波与中尺度涡旋组合,(e)2020年5月17日21:00—23:00极大风速(a1～d1)反射率因子,(a2～d2)径向速度,(c3,c4)径向速度剖面Fig.6 (a) Line-echo wave pattern on 7 August 2013; (b, c, d) bow echo and mesoscale vortex (b) on 11 July 2007, (c) at 21:23 BT and (d) 21:56 BT 17 May 2020; (e) maximum wind speed from 21:00 BT to 23:00 BT 17 May 2020(a1-d1) radar reflectivity, (a2-d2) radial velocity, (c3, c4) vertical cross sectin of radial velocity

2007年7月11日18:00,山东南部枣庄附近一条包含弓形回波的Ⅱ型飑线向南偏东方向移动(图6b1),弓形回波后侧存在后侧入流急流,高度从5 km 至近地面,最大风速为35 m·s-1,弓形回波前沿左侧存在一个相对较浅薄的中尺度涡旋(图6b2),垂直伸展厚度为2 km,旋转速度为21 m·s-1,弓形回波后侧倾斜下沉气流在低层与中尺度涡旋的逆时针旋转气流相叠加,之后后侧入流急流略有增强,中尺度涡旋略有减弱,18:23两者共同造成微山站出现32.7 m·s-1的极端雷暴大风,风向为340°。同一时间位于弓形回波前沿右侧、与微山站呈对称分布的沛县站极大风速为16.3 m·s-1,风向为32°。

2020年5月17日21:00,山东东南部临沂附近一条包含弓形回波的Ⅰ型飑线向东偏南方向移动,弓形回波后侧存在后侧入流急流,高度从5 km至近地面,最大径向风速为37 m·s-1。弓形回波前沿左侧存在一个相对较深厚的中尺度涡旋,21:23分裂为两个中尺度涡旋,位于前部的更强盛,垂直伸展厚度为4 km(图6c3),旋转速度为26 m·s-1,最强切变位于1.6 km,弓形回波后侧入流急流与前部中尺度涡旋的旋转气流在底层相叠加(图6c2),21:25 两者共同造成临沂站出现34.6 m·s-1的极端雷暴大风,风向为265°。这种弓形回波后侧入流急流与中尺度涡旋的速度结构配置从21:00持续到22:00(图6d),期间后侧入流急流高度维持在5～6 km,最大风速维持在35～40 m·s-1,弓形回波前沿左侧持续有多个中尺度涡旋生成。21:00—22:00弓形回波与中尺度涡旋的组合结构导致临沂出现了长约100 km、宽约50 km的致灾雷暴大风区域(图6e黑框)。22:00—23:00弓形回波后侧入流急流强度和中尺度涡旋强度均有所减弱,但弓状结构依然维持,造成了长约80 km、宽约50 km的致灾雷暴大风区域(图6e蓝框)。雷暴大风的风向以西北风为主,弓形回波顶端左侧有两对区域自动气象站在间隔约6 km范围内、连续两个时次在时间间隔约3 min内均出现了旋转风,风速为22～30 m·s-1,因此不能排除出现龙卷的可能性(图6e)。这次过程造成临沂市直接经济损失1.37亿。

4.2 超级单体

4.2.1 雷达观测特征

超级单体共造成7站次致灾雷暴大风(表3),其中2站次由1个超级单体复合体造成,其余5站次由镶嵌在飑线或多单体风暴群中的5个超级单体造成。

表3 致灾雷暴大风发生前最近时次超级单体中气旋参数Table 3 Parameters of supercell mesocyclones before the occurrence of damaging thunderstorm gales

在致灾雷暴大风发生前最近时刻,超级单体中气旋底高平均为1.2 km,厚度平均为5.0 km,直径平均为8.4 km,最大旋转速度平均为23 m·s-1,最大切变高度平均为2.5 km,与王一童等(2022)的统计结果基本一致,即致灾雷暴大风发生时超级单体中气旋的底高明显下降,旋转速度明显增大,最大切变高度也明显下降。中气旋的平均持续时间为77 min。

超级单体造成的7站次致灾雷暴大风中,有3站次在发生前出现了垂直累积液态水含量的下降,有4站次发生前出现了反射率因子核的下降,平均提前量为1～2个体扫。

4.2.2 超级单体与极端雷暴大风

在上述5种对流分系统中,超级单体造成的致灾雷暴大风站次数最少,占比为6%,但极大风速的平均值最大,为29.9 m·s-1。超级单体共造成了2站次极端雷暴大风。

2016年6月13日夜间,山东中部一条Ⅰ型飑线向东南方向移动,飑线上发展出多处深厚辐合区,20:41其中一个深厚辐合区发展为中气旋(图7a2),之后逐渐增强,发展为经典超级单体,21:11超级单体右后侧的下沉辐散气流造成汶上站出现33.9 m·s-1的极端雷暴大风,风向为351°,同时在21:05—21:20 的15 min内汶上站出现了60.6 mm的极端短时强降水(图7b2)。

图7 (a,b)2016年6月13日(a)20:41、(b)21:10,(c,d,e)2018年6月13日(c)16:31、(d)17:00超级单体和(e)17:00—18:00极大风速的(a1～d1)反射率因子,(a2～d2)径向速度,(d3)反射率因子剖面,(d4)径向速度剖面Fig.7 (a1-d1) Radar reflectivity, (a2-d2) radial velocity, (d3, d4) vertical cross section of (d3) radar reflectivity and (d4) radial velocity of supercells at (a) 20:41 BT and (b) 21:10 BT 13 June 2016, and at (c) 16:31 BT and (d) 17:00 BT 13 June 2018; (e) maximum wind speed from 17:00 BT to 18:00 BT 13 June 2018

2018年6月13日下午,多单体风暴群自西向东影响山东中东部地区,16:31多单体风暴群中发展形成一段弓形回波(图7c1),伴有明显的后侧入流急流,弓形回波顶端左侧形成一个中气旋(图7c2),最大旋转速度为21 m·s-1,两者构成弓形回波复合体,以弓形回波为主。之后中气旋逐渐增强,17:00最大旋转速度为33 m·s-1,此时对流系统以超级单体为主(图7d2),中低层出现明显的有界弱回波(BWER)结构,高层强中心位于中低层BWER之上(图7d3),伴有62 m·s-1的强烈风暴顶辐散,17:08超级单体强右后侧的下沉辐散气流造成青岛站出现34.8 m·s-1的极端雷暴大风,风向为343°,同时在17:00—17:15的15 min内青岛站出现37 mm的极端短时强降水。由于该超级单体的中气旋强度强、尺度大,在其移动路径的右前方造成了30 m·s-1的低层暖湿气流入流大风(图7e),加之弓形回波的共同作用,造成了莱州湾和青岛市区出现了60 km×40 km范围的致灾雷暴大风。这次过程造成青岛市4人死亡,6人失踪,直接经济损失达2.89亿。

4.3 非超级单体强单体和阵风锋

非超级单体强单体和阵风锋造成的致灾雷暴大风站次数仅次于弓形回波,占比分别为26%和23%,极大风速平均值分别为26.7 m·s-1和26.0 m·s-1,最大值分别为31.5 m·s-1和29.6 m·s-1。31.5 m·s-1的雷暴大风由2017年6月2日一个具有深厚中层径向辐合(MARC)结构的强单体造成(图8a),该强单体同时造成下游平阴站出现了致灾雷暴大风。29.6 m·s-1的雷暴大风由一条后向传播的Ⅰ型飑线造成(图8b),该飑线触发的阵风锋共造成7个国家级气象站出现致灾雷暴大风。实际上非超级单体强单体和阵风锋产生的雷暴大风均由强风暴单体的下沉气流到达地面后辐散导致,不同的是非超级单体强单体产生的下击暴流直接造成雷暴大风,阵风锋则是下沉气流触地后伴随水平辐散的冷池与周边暖湿气流的边界,其快速移动造成雷暴大风。

图8 (a)2017年6月2日非超级单体强单体,(b)2005年6月21日阵风锋和(c)2021年4月29日混合型(a1～c1)反射率因子,(a2～c2)径向速度,(a3)径向速度剖面,(c3)地面天气图叠加冷锋Fig.8 (a1-c1) Radar reflectivity, (a2-c2) radial velocity, (a3) vertical cross section of radial velocity, (c3) surperimposed cold front of the surface weather chart of (a) strong single cell on 2 June 2017, (b) gust front on 21 June 2005, (c) mixed type convective subsystem on 29 April 2021

4.4 混合型

多种作用共同造成的混合型致灾雷暴大风站次占比为16%,极大风速平均值为26.5 m·s-1,最大值为31.9 m·s-1,由一个多单体风暴群的冷池出流配合地面冷锋和高空动量下传作用共同造成(图8c)。除了弱回波型飑线外,地面气旋倒槽顶部也经常存在混合型作用导致的致灾雷暴大风。

5 结论与讨论

利用常规观测、加密观测和多普勒雷达资料对2005—2021年山东及周边地区较大范围致灾雷暴大风事件基本特征及造成这种事件的对流系统的多普勒雷达特征进行了分析,得到以下结论:

(1)山东及周边地区较大范围致灾雷暴大风事件年均发生2.4次,均出现在4月中旬至8月中旬,多出现在6月。发生前,环境大气具有明显的不稳定层结,CAPE平均为2000 J·kg-1,850～500 hPa温差平均为29.6℃,中层具有非常明显的干层,700～400 hPa温度露点差平均为15.7℃,0～6 km垂直风切变平均为16.6 m·s-1。

(2)按照多普勒雷达特征将导致较大范围雷暴大风的对流系统整体分为Ⅰ型飑线(单体可分辨型飑线)、Ⅱ型飑线(单体不可分辨型飑线)、多单体风暴群和弱回波型飑线四类α中尺度对流系统,分别出现了14、13、11和3例。80%的对流系统初生源地在山东以外,76%的对流系统从山东西北部进入山东。Ⅰ型飑线和多单体风暴群主要出现在6月,影响山东中部和南部,Ⅱ型飑线主要出现在7—8月,影响山东中部和北部,弱回波型飑线主要出现在4—5月,主要影响山东北部。

(3)后侧入流急流携带干冷空气夹卷进入飑线对于两类飑线产生致灾雷暴大风至关重要。后(右)向传播的多单体风暴群均伴有超级单体,阵风锋在触发新生风暴、产生致灾雷暴大风中起到重要的作用。快速移动的多单体风暴群中强单体移动速度平均为15 m·s-1,高空动量下传对致灾雷暴大风的产生有一定的作用。弱回波型飑线出现在高空冷涡底部存在强盛西北气流、地面冷锋自西向东移动的天气形势下。

(4)直接造成120个国家气象站出现致灾雷暴大风的β中尺度对流分系统有弓形回波、非超级单体强单体、超级单体、阵风锋和混合型五类。其中,弓形回波造成的致灾雷暴大风占比最多,为30%,极大风速的平均值为28.2 m·s-1。强后侧入流急流和显著中层径向辐合特征可以提前3～4个体扫预报弓形回波的形成。致灾雷暴大风主要出现在弓形回波的中间部分和左侧部分。弓形回波大多镶嵌在飑线中。超级单体造成的致灾雷暴大风占比最少,但极大风速的平均值最大,为29.9 m·s-1,致灾雷暴大风发生时中气旋明显增强,垂直累积液态水含量或者反射率因子核的下降能预警一半的致灾雷暴大风,但提前量很短,从径向速度识别中气旋、确定超级单体是预警致灾雷暴大风的关键。波动型线状回波中的弓形回波、弓形回波与中尺度涡旋的组合以及强降水超级单体是造成极端雷暴大风的主要对流分系统。弓形回波和超级单体可以相互转换,有时弓形回波演变为超级单体,有时超级单体演变为弓形回波,都具有很强的产生致灾雷暴大风的能力。

(5)非超级单体强单体、阵风锋和混合型造成的致灾雷暴大风占比分别为26%、23%和19%,极大风速平均值分别为26.7、26.0和26.5 m·s-1。具有深厚中层径向辐合的非超级单体强单体、强烈发展飑线的阵风锋、对流风暴冷池和地面冷锋的冷池合并(常常伴随高空动量下传)一起的出流均可能产生30 m·s-1左右的雷暴大风。