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广东2005年“3·22”强飑线天气过程分析

谢健标 林良勋 颜文胜 梁巧倩 刘燕

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广东2005年“3·22”强飑线天气过程分析

Dynamic Diagnosis of an Infrequent Squall Line in Guangdong on March 22, 2005

  • 摘要: 利用地面常规及自动气象站观测、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和多普勒雷达探测等资料, 对2005年3月22日广东一次近年罕见的强飑线过程进行了天气动力学和中尺度的诊断分析, 对伴随飑线的强风暴区天气系统配置、空间结构特征及其演变特征等作了深入的探讨, 同时计算了强对流天气发生区域的有关物理量, 从中发现了一些有意义的事实, 以求为以后广东春季强对流天气的监测和预警提供一些有益的帮助。
  • 图 1  广东2005年3月22日逐时灾害天气落区分布及对应时次飑线位置图

    (粗实线代表飑线, 粗虚线范围是飑线减弱后的对流云团, 疏点、横线、斜线、反斜线、竖线和密点区代表的分别是09:00, 10:00, 11:00, 12:00—13:00, 14:00, 15:00—16:00出现灾害天气区域, 小方框点代表观测到冰雹的测站)

    Fig.1  Hourly distribution of severe weather occurrence areas and corresponding locations of squall lines on March 22, 2005

    (thick solid lines denote squall lines, while the thick dashed line indicates convective cloud after the squall line weakened, with the sparse dots, horizontal lines, slash lines, backslash lines, upright lines and dense dots indicating areas of severe weather occurrences at 09:00, 10:00, 11:00, 12:00—13:00, 14:00, 15:00—16:00, respectively; the small squares are stations that observed hailstones.)

    图 2  2005年3月22日08:00天气系统综合配置图

    (粗实线:500 hPa槽线; 粗虚线:700 hPa槽线; 粗箭头代表北方冷空气主体; 小箭头指示850 hPa急流轴位置)

    Fig.2  The composite diagram for synoptic systems at 08:00 on March 22, 2005

    (the thick solid line represents trough at 500 hPa, while the dashed one for trough at 700 hPa; the big arrow indicates dominant cold flow from the north and the small arrow is for jet line at 850 hPa)

    图 3  2005年3月21日20:00(a) 和22日08:00(b)200 hPa的等风速线、急流位置与强对流天气区

    (实线箭头表示200 hPa急流轴, 虚线箭头表示700 hPa急流轴, 阴影区表示22日强对流天气发生区)

    Fig.3  Isotaches at 200 hPa, locations of jet streams (solid line with arrow for 200 hPa while dashed one for 700 hPa) at (a)20:00 on March 21 and (b)08:00 on March 22, 2005 and strong convective occurence areas only for March 22 (shaded area)

    图 4  2005年3月21日20:00沿110°E的中高层和对流层低层的ΔT经向剖面图

    Fig.4  Meridional variation of ΔT in upper and lower tropospheres along 110°E at 20:00 on March 21, 2005

    图 5  2005年3月22日08:10阳江雷达回波图

    (a) 反射率因子,(b) 径向速度,(c)图 5b的分析流场 (仰角:1.5°,距离每圈50 km, 回波在雷达西北方向约150〜200 km处)

    Fig.5  Observations by the Yangjiang radar at 08:10 on March 22, 2005

    (a) reflectivity factor, (b) velocity, (c) analyzed flow field corresponding Fig. 5b (elevation:1.5°; the distance between two adjacent circles is 50 km; the echo is observed at 150—200 km northwest to the radar station)

    图 6  2005年3月22日09:11阳江雷达回波图

    (a) 反射率因子,仰角0.5°, (b) 反射率因子,仰角1.5°, (c) 径向速度,仰角1.5°(距离每圈50 km, 回波在雷达西北方向约100~150km处)

    Fig.6  Observations by the Yangjiang radar at 09:11 on March 22, 2005 reflectivity factor with elevation of 0.5°(a) and 1.5° (b), velocity with elevation of 1.5° (c) (the distance between two adjacent circles is 50 km, the echo is observed at 100-150 km northwest to the radar station)

    图 7  2005年3月22日广州雷达回波图

    (a)10:57 RCS图,(b) 11:14 VCS图 (方位角:288°,强回波中心距雷达约15 km)

    Fig.7  Observations by Guangzhou radar in the direction of 288° on March 22, 2005

    (a) RCS at 10:57, (b) VCS at 11:14 (the center of the strong echo is located in about 15 km from the radar)

    图 8  2005年3月22日广州雷达10:57—12:30雷达回波图

    (红色箭头线是分析的流线)(a) 10:57, 0.5°仰角,径向速度,(b) 11:32 CR,(c) 12:14, 0.5°仰角, 反射率因子,(d) 12:30, 1.5°仰角,反射率因子,(e) 12:14, 0.5°仰角,径向速度,(f) 12:30, 1.5°仰角,径向速度

    Fig.8  Echo intensity and mean relative velocity of the storm at 10:57-12:30, observed by the Guangzhou radar on March 22, 2005

    (the red lines with arrows are analyzed streamlines) (a) 10:57 velocity with elevation of 0.5°, (b) 11:32 CR, (c) 12:14 reflectivity factor with elevation of 0.5°, (d) 12:30 reflectivy factor with elevation of 1.5°, (e) 12:14 velocity with elevation of 0.5°, (f) 12:30 velocity with elevation of 1.5°

    图 9  2005年3月22日广州雷达11:26反射率因子图

    Fig.9  Reflectivity factor observed by the Guangzhou Doppler radar at 11:26 on March 22, 2005

    图 10  2005年3月22日08:00沿23°N垂直速度的纬向剖面图 (单位:10 hPa·s-l)

    Fig.10  Zonal section of vertical velocity along 23°N at 08:00 on March 22, 2005(unit:10 2hPa·s-1)

    图 11  2005年3月22日09:00地面流场图

    Fig.11  Surface flow field at 09:00 on March 22, 2005

    图 12  2005年3月21日20:00 (a) 和22日08:00 (b) 分布图(单位:J·kg-1

    Fig.12  Distribution of fields at 20:00 on March 21 (a) and 08:00 on March 22 (b) in 2005(unit:J·kg-1)

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出版历程
  • 收稿日期:  2005-11-07
  • 修回日期:  2006-11-02
  • 刊出日期:  2007-06-30

广东2005年“3·22”强飑线天气过程分析

  • 广州中心气象台, 广州 510080

摘要: 利用地面常规及自动气象站观测、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和多普勒雷达探测等资料, 对2005年3月22日广东一次近年罕见的强飑线过程进行了天气动力学和中尺度的诊断分析, 对伴随飑线的强风暴区天气系统配置、空间结构特征及其演变特征等作了深入的探讨, 同时计算了强对流天气发生区域的有关物理量, 从中发现了一些有意义的事实, 以求为以后广东春季强对流天气的监测和预警提供一些有益的帮助。

English Abstract

    • 飑线是一种带 (线) 状的中尺度深厚对流系统, 是非锋面的或狭窄的活跃雷暴带, 其水平尺度通常为几百公里, 典型生命史约6~12 h, 常带来灾害性的雷雨大风或局地强降水, 有时伴有冰雹和龙卷风, 是一种具有短时巨大破坏力的天气系统[1]。2005年3月22日08:00(北京时, 下同) 起, 一条南北向 (北自清远市的三连地区, 南至粤西南地区) 长达约三百多公里的飑线, 自西向东横扫广东中北部大部分地区, 所经之处出现了广东2005年入春以来最强的一次集强降水、雷雨大风、冰雹等强对流天气, 广州五山观象台更是时隔20年后再次测到冰雹记录。“3·22”强飑线形成时间短且移速快, 同时强度强、尺度大, 其影响和造成的损失为广东历史上所罕见, 因此有必要深入探讨其成因, 为今后提高广东春季强对流天气的预报预警水平提供有益的帮助。

    • “3·22”飑线始于广西的大容山、云开山脉一带, 08:00开始影响粤西南, 11:00影响广州等周边城市, 14:00后进入粤东莲花山脉逐渐减弱消亡。图 1给出了这次强飑线过境逐时造成广东境内天气落区, 可见:①强飑线的路径和沿途恶劣天气的时空分布基本吻合; ②从广州等6个测到冰雹的测站分布情况说明飑线入粤后3~4 h内是发展成熟阶段; ③飑线在粤境内强度和持续时间为近年罕见, 当其弓形回波移至河源、梅州有所减弱后, 仍造成该地区大范围的雷雨大风等灾害天气。

      图  1  广东2005年3月22日逐时灾害天气落区分布及对应时次飑线位置图

      Figure 1.  Hourly distribution of severe weather occurrence areas and corresponding locations of squall lines on March 22, 2005

      根据广东自动气象站网的监测, 飑线过境前后单站的气象要素有下述变化特征:①瞬间风向突转, 由偏南风转为偏西北风; ②风速急增, 瞬间阵风平均达20 m·s-1以上, 部分自动站出现12级以上短时大风; ③气压急升, 5~10 min气压上升2~4 hPa, 广州附近地区大部分自动站测得6 min气压上升4 hPa以上, 连南站1 h内气压差达23 hPa; ④气温急降, 5~30 min内气温普遍下降了4~7 ℃, 雷达回波扫过河源和梅州西部山区时, 部分测站测得1 h内温差9~13 ℃; ⑤相对湿度剧增, 飑线经过的自动站大部分在5~30 min内测得相对湿度增幅达20%~40%。

    • 3月20日 (图略) 中高纬500 hPa逐渐发展成两槽一脊型环流:巴尔喀什湖至乌拉尔山维持一个高压脊, 高压脊以东至贝加尔湖为一冷性长波槽, 以西是欧洲大槽。副热带高压脊线较为偏南主体偏东, 因此华南地区多短波槽活动, 青藏高原上低值系统也相当活跃, 不断有分裂小槽下滑东移。21日08:00乌拉尔山高压脊强烈加强隆起, 其东侧长波槽槽后引导一股强冷空气从蒙古经河套南下; 在副热带高压西北侧和南支槽前开始建立了一支低空西南急流, 它是本次飑线过程的水汽和不稳定能量的主要携带和输送者; 此时两广地区地面至低层低压槽不断加深, 大气的低层出现了不稳定。到21日20:00青藏高原的低值扰动发展形成高原东部槽并开始东移。东部槽在东移过程中分裂成两支, 一支发展成中纬槽, 另一支与低纬南支小槽同位相叠加形成较深厚的南支槽。22日08:00南支槽继续东南移且移速明显比低层切变南压的速度加快。图 2显示700 hPa槽线在500 hPa南支槽以西1~3个纬距, 桂粤上空在对流层中低层形成了明显的“前倾”型空间结构, 在这种配置类型的环流场下诱发了本次历史罕见的大范围强飑线天气。23日中高纬乌拉尔山阻塞高压开始崩溃, 东亚大槽在日本海建立, 槽后一支平均风速≥20 m·s-1的西北气流给我国大陆带来明显的冷平流, 天气趋于稳定。

      图  2  2005年3月22日08:00天气系统综合配置图

      Figure 2.  The composite diagram for synoptic systems at 08:00 on March 22, 2005

    • 广东春季的强对流天气与急流有密切的联系[2]。20日在对流层低层位于副热带高压西北侧至长江流域之间建立了西南风场, 21日西南急流北界由30°N伸展到35°N附近, 急流轴位于桂北至湘赣中部, 急流核风速在20 m·s-1以上。22日位于高纬的高空冷涡南侧东北气流加大, 使得西南风北界落回30°N, 急流轴也东南移, 影响桂东南和粤中北部地区。同时200 hPa高空形成一支40 m·s-1左右的副热带西风急流, 这支高空急流是与本次强飑线过程密切相关的另一关键系统。强风暴天气出现前24 h (21日08:00), 200 hPa急流中心位于30°N以北 (图略), 图 3显示21日20:00 200 hPa急流中心向南移了2~5个纬度, 这时低空700 hPa急流轴仍位于长江中下游湘赣地区; 至22日08:00高空急流的东段出口略有北抬, 西段的急流入口中心却移到梧州北侧, 同时700 hPa低空急流轴南压到桂中至粤北, 这时桂南处于高空急流入口强辐散区、低空急流轴辐合区, 导致诱发了桂粤交界的强飑线。图 3阴影区表示发生强对流天气的区域, 可见飑线未来移向造成的强对流天气发生区主要位于700 hPa急流下风方向、200 hPa急流入口区右侧, 基本上与低空急流轴走向一致。

      图  3  2005年3月21日20:00(a) 和22日08:00(b)200 hPa的等风速线、急流位置与强对流天气区

      Figure 3.  Isotaches at 200 hPa, locations of jet streams (solid line with arrow for 200 hPa while dashed one for 700 hPa) at (a)20:00 on March 21 and (b)08:00 on March 22, 2005 and strong convective occurence areas only for March 22 (shaded area)

      有高空急流通过的地方往往出现较大的垂直风切变, 而强大对流云 (如冰雹云) 的发展常与较大的风速垂直切变有密切关系[3]。分析广州风廓线资料 (图略), 10:30显示广州上空4~5 km出现西到西北风, 这时距离飑线影响广州将近1 h, 11:00左右西北偏西风传到2 km附近, 同时近地面层风速开始加大, 不过近地面没有发现东南风导入的辐合, 广州未出现飑前对流线。11:14, 西北偏西风开始转为西南风, 说明飑线前方的中层冷脊刚刚经过测站上空, 以后中层始终处于强盛的西南偏西气流, 非常有利对流的发展。通过风廓线资料还发现:11:26, 11:32 (飑线即将影响广州前) 环境风在3.5~4 km处突然减弱, 造成垂直风切变最大处在200~700 hPa, 这说明强风暴最大辐合上升区除了可在云底外, 也还可以在云中或云顶。11:38开始边界层风剧烈加大, 从11:44随后几个时次分析环境风场还存在明显的风向垂直向上逆时针旋转特征。

    • 高层冷平流与低层暖平流的叠置是广东强风暴环境场的基本特征之一[2]。在2.1节中已讨论过“3·22”强飑线发生在地面锋前低槽区, 但并不代表两广上空没有冷空气活动。分析发现在21日之前, 从中南半岛输送过来的西南季风使两广地区被暖平流控制。21日08:00 500hPa高原槽逐渐东移, 其引导的冷平流沿云贵高原南下, 与此同时对流层低层的西南风也不断增大, 低层暖平流变得更加强盛。图 4是取109°~111°E平均作温度差值的南北向剖面图, 21日20:00由于中高层大量冷空气的锲入, 使得产生飑线的两广地区 (22°~23°N附近) T500-700 hPa出现负最大值, 说明该地区中高层急降温; 相反图上还显示24°N以南T700-850 hPa出现正大值锋区, 温度递减率远小于0.6×10-2 ℃·m-1, 说明该地区在对流低层急升温。分析可见从低空到高空, 负变温中心轴自南岭以北地区向南倾斜, 造成触发飑线的两广地区形成高层急降温、低层急增温的温度垂直变化, 该地区大气层结变得极其不稳定。

      图  4  2005年3月21日20:00沿110°E的中高层和对流层低层的ΔT经向剖面图

      Figure 4.  Meridional variation of ΔT in upper and lower tropospheres along 110°E at 20:00 on March 21, 2005

    • 本次飑线过程按演变情况划分为3个阶段来讨论:初期发展阶段、强盛阶段和减弱阶段, 下面对飑线的3个阶段进行多普勒回波特征分析。

    • 3月22日上午08:00, 阳江多普勒雷达就探测到在广西东南部飑线回波带已经初步形成并快速东移。08:03飑线回波带 (LEWP) 以断续线型与后续线型相结合的形势[4]构成一个明显的“弓形”整体, 南段呈弱反气旋切变, 北段呈强一些的气旋切变, 弓顶最大反射率因子已达到65 dBz。LEWP中包含3个小弓形回波A, B和C (彩图 5a), 小弓形回波B有前侧V型槽口, 表明低层入流从前方进入上升气流中, 彩图 5c是根据基本速度图 (彩图 5b) 分析的流场图, 显示了与飑线对应的是一个辐合区, 在雷达西北向约150 km, 高约5 km, 可见该辐合区相当深厚, 同时在雷达站330°。显示区边缘的高层开始出现辐散气流, 从彩图 6c可以见到随着回波向雷达的靠近辐散气流表现得更加明显, 可见高层辐散相当强烈, 垂直最大回波强度图 (CR) 上主轴在东北西南向的椭圆形反射率因子分布是高空的强西南风和风暴顶的强辐散共同作用而形成的长约100 km, 宽约50 km的云毡。09:11反射率因子图 (彩图 6a, b) 显示, 小弓形回波B和C有一个明显的后侧入流槽口, 最强回波顶位于中低层反射率因子高梯度区之上; 对应速度图 (图略) 上为中心达27 m·s-1的强入流气流; 同时低层有弱回波区和高层的回波悬垂结构, 符合典型的强对流概念模型[5]

      图  5  2005年3月22日08:10阳江雷达回波图

      Figure 5.  Observations by the Yangjiang radar at 08:10 on March 22, 2005

      图  6  2005年3月22日09:11阳江雷达回波图

      Figure 6.  Observations by the Yangjiang radar at 09:11 on March 22, 2005 reflectivity factor with elevation of 0.5°(a) and 1.5° (b), velocity with elevation of 1.5° (c) (the distance between two adjacent circles is 50 km, the echo is observed at 100-150 km northwest to the radar station)

      09:11—09:38, 小弓形回波A明显减弱并与小弓形回波B合并成典型的弓形, 小弓形回波C的移动速度明显小于小弓形回波B, 形态从南北走向转为东北—西南走向, 减弱的C和沿辐合线不断生成的小对流单体左移合并到弓形回波B, 这一特点与传统的右移风暴模式有区别, 09:38已完全合并成典型的弓形回波, 移速超过50 km·h-1, 强反射率因子集中于前沿达75 dBz, 信宜最大实测阵风达到33 m·s-1, 垂直含水量图 (图略) 也表现出飑线南北两端的含水量从35~40 kg·m-2急降到10~15 kg·m-2, 上述表明飑线中回波单体的新生也可以向左传播[6]造成南北对流回波向弓形回波中间的传递合并, 这有可能是由于弓形回波顶的快速前移所造成的拖曳作用。

      此时, 在弓形后部的两个弱回波通道即中层入流槽口合并发展成一个西南向的弱反射率因子入流通道, 飑线即将从对称结构向非对称结构的转变, 回波发展到最强盛阶段。从广州雷达 (GZRD) 探测可见到弓形回波前沿强的反射率因子梯度和弓顶附近有72 dBz的强回波核, 反射率因子垂直剖面图RCS (图略) 也显示了悬垂结构, 顶高达13 km, 相对应的GZRD风暴平均相对速度图有超过27 m·s-1的后部入流急流, 在低层弓顶出现一个小尺度气旋式涡旋速度特征, 小涡旋旋转速度 (正负速度对的绝对值之和的二分之一[7]) 约为21 m·s-1, 对应的云浮市测得17 m·s-1大风和10 mm冰雹。事实上在辐合线上可以分析出多个类似的γ-中尺度的气旋式涡旋特征, 因此在飑线过程中要特别注意从风暴平均相对速度图上辨别这些小尺度涡旋特征, 往往在其附近及下游常常出现大风和冰雹。

    • 10:14在高要市出现24 mm的冰雹。GZRD (图略) 上弓顶就在雷达原点附近, 后侧的弱回波洞扩大成弱回波通道, 表明中层入流已非常明显, 回波整体表现为α-中尺度的气旋式弯曲, 回波整体趋向逗点的形态发展。风暴平均相对速度图 (图略) 上, 后部近似圆形的径向速度高值区进一步扩大, 与风暴外围速度相比, 差值在22 m·s-1以上, 这是近地层产生下击暴流的重要标志。10:57弓形回波部分的RCS (彩图 7a) 上看到风暴云顶高14 km, 最强回波约在3 km附近。11:14的速度剖面图 (VCS)(彩图 7b) 可见到3 km以下有一个27 m·s-1的急流在风暴后下部, 这是产生下击暴流的区域, 而且说明了下击暴流来自后部入流, 其前部是小的径向速度并从下往上正速度加大, 表明了来自东南偏南方向的入流气流进入风暴后迅速右转爬升, 可见此时雹云非常强盛; 另外, 从彩图 7b的正负速度差显示和3.1节的论述可以判断该风暴具有显著的中层径向辐合MARC特征[4], 预示着将出现地面大风, 几分钟后飑线经过的广州、南海等地出现了10 mm的冰雹、34 m·s-1的大风和大面积的强降水。

      图  7  2005年3月22日广州雷达回波图

      Figure 7.  Observations by Guangzhou radar in the direction of 288° on March 22, 2005

    • 10:57的风暴径向速度图 (彩图 8a) 上, 涡旋式环流仍很清晰, 11:32的CR图 (彩图 8b) 上, 飑线仍显现两弓形回波特征, 但北段已经明显减弱。12:14—12:30回波移入河源市境内后飑线很快演变成逗点状回波 (彩图 8c, d), 形态再次发生特殊的变化, 断裂为北段逗点头和南段逗点尾, 北段大致呈气旋式弯曲, 东移速度加快; 南段呈反气旋式弯曲, 30 min后两段已相距20 km, 两段各自再次加强为两个小弓形回波。从12:14到12:30相对风暴径向速度图 (彩图 8e, f) 上弓形回波B附近, 2~6 km高度内速度差30 m·s-1, 仍然有很明显的MARC特征; 另外从彩图 8e, f的速度场和分析流线图可以看到与逗点头回波对应的是一个2-中尺度的气旋特征并且非常深厚, 其前沿的辐合和高层的辐散仍很强烈, 因此逗点头的对流仍将继续维持30 min后在惠州和河源造成大风和强降水 (惠州35 m·s-1; 河源32 m·s-1; 梅县46 m·s-1), 一直到15:00以后才明显减弱, 15:05梅州雷达 (图略) 上减弱成大面积的层云回波, 风廓线显示中低层已经转成一致的西北风。

      图  8  2005年3月22日广州雷达10:57—12:30雷达回波图

      Figure 8.  Echo intensity and mean relative velocity of the storm at 10:57-12:30, observed by the Guangzhou radar on March 22, 2005

    • 在飑线进入广东境内后, 沿广东东南沿海一线出现一条长约300 km呈东北—西南向的较弱对流回波长线。它在09:00前后逐渐形成, 随着飑线一起东移且移动速度较慢; 11:00—12:00(彩图 9) 它和飑线同时发展到强盛阶段; 13:00—14:00左右弱回波线减弱消失。张培昌等[8]的研究认为:这种弱回波长线的形成类似阵风锋, 但对于飑线这样由多强对流单体组成的雷暴群所产生的下沉辐散冷空气形成的冷堆的尺度比单个雷暴的范围要大得多, 向外传播的范围也大得多, 如遇前方不稳定暖湿大气容易激发对流, 在飑线右前方一定距离外形成长对流线。

      图  9  2005年3月22日广州雷达11:26反射率因子图

      Figure 9.  Reflectivity factor observed by the Guangzhou Doppler radar at 11:26 on March 22, 2005

      首先, 除了两广地区具有非常不稳定的物理量场外, 在东南沿海也具备了发生发展局部强风暴的一些热力和动力物理量场特征 (在下面的物理量诊断部分提及)。22日08:00 850 hPa垂直速度纬向剖面图 (彩图 10) 显示, 除了飑线附近是负值中心外还发现, 飑线前方113°E以东大范围地区存在一个正中心, 中心值20×10-2 hPa/s以上, 说明飑线前方确实形成一个范围大、辐散强的下沉冷空气堆。由此推断冷堆可以向外辐散出流冷空气, 如果遇到不稳定气流会很容易激发对流。选用Cressman内插函数方法, 将广东600多个台站 (包括自动站) 资料插到0.5°×0.5°的格点上来分析地面逐时流场。07:00清远南部的珠江三角洲地区为一致的东南气流, 广东西南部地区则是广东沿海西伸过来的偏东气流, 地面未出现中尺度辐合系统。其后东南气流逐渐增大控制广东中部、西南部。09:00从广西中南部伸过来一支偏西气流, 与东南气流在粤西肇庆至茂名沿大云雾山脉一带汇合, 形成东北—西南向的中尺度辐合线, 对应了飑线位置。此时在23.5°N, 114.5°E附近形成冷堆出流, 其偏北辐散气流与东南暖湿气流在东南沿海形成弱辐合线 (图 11), 也就是弱对流长线。这种情形一直维持到13:00—14:00后飑线主体东移过115°E。

      图  10  2005年3月22日08:00沿23°N垂直速度的纬向剖面图 (单位:10 hPa·s-l)

      Figure 10.  Zonal section of vertical velocity along 23°N at 08:00 on March 22, 2005(unit:10 2hPa·s-1)

      图  11  2005年3月22日09:00地面流场图

      Figure 11.  Surface flow field at 09:00 on March 22, 2005

      其次, 华南沿海海陆风效应显著, 由于海陆风效应能产生沿海降水的日变化, 在某些特殊的海岸地区还可引起辐合中心和中尺度系统[9]。刘运策等[10]在对珠江三角洲地区由海风锋触发形成的强对流天气的研究中也指出, 边界层偏南海风与近地面层弱偏北陆风或盛行风交绥而形成中尺度锋区, 多形成和徘徊于夜间和早晨的海岸线附近, 如果有利天气形势配置, 在白天可向内陆推进和发展, 触发造成强对流天气过程。3月21—22日白天飑线来临之前, 广东天气较好日变化显著 (广州早晚温差9.6 ℃), 可以预见广东沿海由于明显的日变化容易形成较明显的海陆风。09:00—11:00正是广东陆风减弱、海风加强的时候, 此时分析广东东南沿海自动站网资料发现, 沿海南到东南风速普遍增大1~4 m·s-1, 正是由于海陆风效应的贡献使得海面回波带上升运动增强; 同时沿海的这条中尺度辐合线西北、东南气流夹角也达到最大, 对流长线发展到旺盛阶段。随后飑线东移减弱, 对流长线辐合气流的夹角愈来愈小, 尺度随之变小, 对流长线逐渐消亡。

      从上述分析发现, 飑线前方下沉冷堆的辐散出流遇到潮湿不稳定的东南气流, 同时在广东春季沿海海陆风增幅效应的共同作用下, 形成了独特的沿海对流带。它的出现一方面说明此飑线强度强, 另一方面, 除了重点关注飑线经过所影响的地区外, 还要留意飑前一定距离出现对流天气的可能。

    • 通过计算比较发现, 对于强飑线这类中小尺度强对流天气, 有些物理量的指示意义不明显, 不能有效反映强对流天气具体落区和发生时间, 例如K指数和Si指数; 有些则有较好的对应关系。

    • 湿静力能 (H) 是一个综合反映大气压、温、湿状态的物理量, 特别是湿静力能的垂直变化能反映大气湿绝热位势稳定度, 也即是热力对流稳定度。22日08:00 850 hPa高度上面, 长江流域以北为温度均一的冷性大陆气团控制, H值较低, 南海中北部受温度性质相对均匀的暖性热带海洋气团控制。在广东南部沿海一带形成能量锋; 另外从21日20:00就有一高能舌从中南半岛伸向桂粤, 22日08:00随着低空暖湿气流进一步加强北伸, 能量锋区在广西南部和桂粤交界积聚了大量的高湿静力能 (中心数值344 J·kg-1)。上述两处都是容易激发对流的区域。彩图 12是H850-500 hPa演变图, 反映湿静力能的垂直变化。可以看到21日25°N以北为负值的稳定大气层结, 以南则湿静力能差值为正值, 大气层结不稳定。22日08:00, 随着西南气流增大到顶峰, 广西和桂粤交界高低层的湿静力能差值急剧增大, 对流不稳定度也达到最大, 飑线在高不稳定度区出现。

      图  12  2005年3月21日20:00 (a) 和22日08:00 (b) 分布图(单位:J·kg-1

      Figure 12.  Distribution of fields at 20:00 on March 21 (a) and 08:00 on March 22 (b) in 2005(unit:J·kg-1)

    • 从对流高度向上积分180 hPa内的对流有效位能 (CAPE) 也能较好地反映华南地区垂直高度上面的对流不稳定能量的分布情况。21日08:00, 北部湾至广西南部为CAPE正值区, 以后CAPE高值区一直随西南气流北扩, 22日02:00, 也就是强风暴形成之前6 h, 广西中南部CAPE已增至500~600 J·kg-1, 但此时尚无有利的触发条件。22日08:00, 高空槽东移, 急流南压, 对流有效位能得以在桂粤交界被激发释放产生本次强飑线。可见CAPE与天气系统配合使用, 对判断对流初始发生的位置有较好的指示意义。地面向上积分的对流有效位能则反映了地面能量场堆积分布的情况。21—22日在桂粤交界地区为对流有效位能中心大值区, 其次在沿海地区也存在较大能量场分布, 所以在飑前对流辐合条件下, 此地区也容易激发对流天气。

    • 综上所述, 广东2005年“3·22”强飑线过程具有如下特征:

      1) 根据广东自动气象站网监测和天气及气象要素的资料显示, 这次过程是广东一次典型的飑线天气过程。南支槽先于700 hPa槽影响桂粤, 形成前倾槽型空间结构, 为“3·22”强飑线提供了动力启动机制。中高层冷空气的锲入和低空西南急流为飑线发生提供有利的环境热力场。

      2) 空间风场分析表明:高空西风急流的存在和低空西南急流轴南移导致两者在低纬华南地区叠加, 使得华南风场具备中纬度地区飑线环境风场的强垂直切变特征。飑线发生在高空急流入口辐散区, 低空急流轴辐合区之上, 飑线生成后沿低空急流出口区方向强烈发展并快速移动。

      3) 飑线在发展阶段南北段不断新生对流单体并有向弓形回波中间传递合并的趋势, 在减弱阶段有从对称结构向非对称结构转变的趋势, 逗点头和尾各自仍可继续发展造成灾害。弓形回波后部的弱反射率因子回波通道即中层入流槽口的出现标志着弓形回波从对称结构向非对称结构的转变, 弓形回波发展到最强盛阶段。过程中出现了弓形回波、V形槽口、MARC、飑前“长对流线”等特征; 在径向速度图上出现了强入流中心、速度辐合带、小涡旋速度特征等特征。对于飑线这样的由多个强对流单体组成的雷暴群可在其前方地面产生的强烈的下沉辐散冷堆, 冷堆的幅散气流如果遇到暖湿气流交绥, 可以形成细长的弱回波带并随之移动和变化, 这也是识别多单体雷暴群发展变化的一个很好标志。

      4) 诊断分析表明:垂直速度、湿静力能和对流有效位能等物理量能较有效地反映飑线的落区和移动演变情况。

      应该指出, 对本过程飑线的快速移动及长时间维持强烈对流天气的原因, 目前还难以给出全面的解释, 这也是一个有待今后进一步探讨的问题。

参考文献 (10)

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