童翹宇,史 珺,孫碧瑩
(天津市東麗區(qū)氣象局 天津 300300)
強(qiáng)對(duì)流天氣是發(fā)生在對(duì)流單體或云系中伴有短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、冰雹等的災(zāi)害性天氣,具有生命史短、突發(fā)性強(qiáng)、災(zāi)害性大的特點(diǎn)。在全球變暖的氣候背景下,夏季強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生更為頻繁,對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生了重要影響。多年來(lái),強(qiáng)對(duì)流天氣一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn),通過(guò)持續(xù)總結(jié)強(qiáng)對(duì)流天氣的時(shí)空分布與天氣學(xué)特征[1-3],探討強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)指標(biāo)與預(yù)報(bào)方法[4-9],利用衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波特征及數(shù)值模式等[10-13]對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行綜合分析,逐漸形成了強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展機(jī)制的堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。
2021年8月23日,天津一天內(nèi)發(fā)生多場(chǎng)降雨,較短時(shí)間內(nèi)的集中降雨給城市交通運(yùn)行和居民生活出行帶來(lái)不便。通過(guò)對(duì)本次雷雨大風(fēng)過(guò)程的降水特點(diǎn)、環(huán)流配置、物理量特征及衛(wèi)星云圖等進(jìn)行分析,加強(qiáng)對(duì)其物理機(jī)制的理解并增強(qiáng)預(yù)報(bào)預(yù)警能力,以期為今后強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)提供參考。
2021年8月23日,天津地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程,局地伴有短時(shí)大風(fēng),未出現(xiàn)冰雹天氣。按照降水量演變狀態(tài),整個(gè)降水過(guò)程可以分為2個(gè)階段:第一階段為23日下午(14:50~16:30),雨帶呈東西帶狀分布,主要出現(xiàn)在天津市區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)、東麗區(qū)及寧河區(qū)等地,最大降水量44.6 mm,最大小時(shí)雨強(qiáng)為33.9 mm(15~16時(shí)),西青區(qū)和寧河區(qū)出現(xiàn)7級(jí)陣風(fēng);第二階段為23日傍晚至前半夜(19:50~01:30),全市均出現(xiàn)降雨,最大降水量97.5 mm、最大小時(shí)雨強(qiáng)65.4 mm(00~01時(shí))和最大陣風(fēng)24.3 m/s (9級(jí))均出現(xiàn)在濱海新區(qū)沿海地區(qū)。
利用MICAPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析8月23日8時(shí)天氣形勢(shì)(圖1),發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)受深厚冷渦系統(tǒng)控制,其高空槽從冷渦中心一直向南延伸至30°N附近,溫度槽明顯落后于高度槽,槽后有顯著的冷平流存在。500 hPa中高緯呈緯向型環(huán)流,副熱帶高壓呈帶狀穩(wěn)定維持在華南一帶,平直鋒區(qū)上短波槽不斷生成,河套附近有低槽東移,帶動(dòng)冷空氣入侵華北地區(qū)。從高低空配置上看,500 hPa槽與700 hPa槽位置基本一致,但明顯落后于850 hPa槽,對(duì)流層中低層天津附 近存在多條切變線,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。與高空冷渦系統(tǒng)相對(duì)應(yīng),地面圖上表現(xiàn)為低值系統(tǒng),冷鋒位于蒙古上空,天津處于低壓底部的均壓場(chǎng)中。隨后河套槽快速南壓,14時(shí)整層呈現(xiàn)為前傾槽結(jié)構(gòu),中上層冷空氣疊加到中下層暖濕空氣上,上干冷下暖濕的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)更加顯著。同時(shí)地面暖低壓增強(qiáng),臺(tái)風(fēng)持續(xù)北上,天津附近的氣壓梯度不斷增大。
圖1 2021年8月23日8時(shí)天氣形勢(shì) Fig.1 Synoptic situation at 8:00 on 23th August 2021
分析地面加密自動(dòng)站觀測(cè)到的風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)地面輻合線鋒生是短時(shí)強(qiáng)對(duì)流產(chǎn)生的有利觸發(fā)機(jī)制。8月23日11時(shí),天津東部出現(xiàn)明顯的地面切變線,該切變線自東南向西北推進(jìn),產(chǎn)生明顯風(fēng)向輻合、局地切變和垂直上升運(yùn)動(dòng),與第一階段雷雨大風(fēng)的落區(qū)和時(shí)間對(duì)應(yīng)吻合。而在第二階段降水首先出現(xiàn)于天津西南部,雨區(qū)逐漸擴(kuò)大并朝東北方向發(fā)展,主要是受高槽東移影響。23時(shí)槽后西北風(fēng)與渤海沿岸東北風(fēng)相遇產(chǎn)生切變,導(dǎo)致濱海新區(qū)沿海地區(qū)觸發(fā)局地暴雨 大風(fēng)。
分析8月23日8時(shí)物理量場(chǎng)發(fā)現(xiàn)天津低層到中高層呈現(xiàn)一致的垂直上升,在散度場(chǎng)上表現(xiàn)為低層輻合配合高層輻散,輻合高度略低于最大上升層高度,利于上升運(yùn)動(dòng)的維持。從濕度場(chǎng)上看,850 hPa天津比濕8~10 g/kg,而500 hPa比濕僅為2 g/kg,整層呈現(xiàn)上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)。以天津東麗站為例分析假相當(dāng)位溫和水汽通量散度的垂直時(shí)間變化(圖2),發(fā)現(xiàn)降水期間假相當(dāng)位溫隨著氣壓降低而減小,低層有明顯的水汽輻合??梢娫趶?qiáng)對(duì)流發(fā)生前天津地區(qū)已經(jīng)具備較好的層結(jié)不穩(wěn)定,不穩(wěn)定能量增加,上升運(yùn)動(dòng)旺盛,中下層水汽充沛,非常有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)。
圖2 假相當(dāng)位溫和水汽通量散度的垂直分布隨時(shí)間的演變(黑色框?yàn)榻涤臧l(fā)生時(shí)間段) Fig.2 Time series variation of vertical distributions of θse and vapor flux divergence (the black circle indicates the whole rainstorm process)
分析8月23日8時(shí)北京探空資料(圖3),發(fā)現(xiàn)850 hPa以上風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)有弱暖平流,其下層風(fēng)隨高度逆轉(zhuǎn)有冷平流。從溫度層結(jié)曲線及濕度的垂直變化上看中層有明顯干層,底層存在的弱逆溫層不僅阻擋其上層的干冷空氣繼續(xù)向下侵入,同時(shí)利于底層的水汽持續(xù)輻合,不斷增強(qiáng)能量積累。從對(duì)流參數(shù)上發(fā)現(xiàn)對(duì)流有效位能達(dá)到2 018.4 J/kg,同時(shí)K指數(shù) 為36.1℃,均說(shuō)明天津地區(qū)存在很強(qiáng)的潛在不穩(wěn)定能量。
圖3 2021年8月23日8時(shí)北京溫度對(duì)數(shù)壓力圖 Fig.3 Beijing T-lnp diagram of temperature at 8:00 on 23th August 2021
從紅外云圖上看(圖4),中高緯度存在稠密的渦旋云系,其頭部有高空吹散的卷云羽,絲縷狀紋理較 清晰,尾部后側(cè)干縫持續(xù)卷入頭部,表現(xiàn)為晴空區(qū)。云系尾部附近色調(diào)白亮,對(duì)流云團(tuán)發(fā)展旺盛,伸展高度也比較高,容易激發(fā)新的強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)生成。從水汽云圖也可以看到云系色調(diào)白亮,意味水汽充足,同時(shí)存在顯著暗區(qū),表明中上層存在下沉的干冷空氣,在冷空氣激發(fā)下,暖濕氣流劇烈抬升,對(duì)流天氣旺盛。
圖4 2021年8月23日14時(shí)紅外云圖和水汽云圖 Fig.4 Infrared cloud image and water vapor cloud image at 14:00 on 23th August 2021
利用常規(guī)觀測(cè)資料、地面加密自動(dòng)站、衛(wèi)星云圖 等多種觀測(cè)資料對(duì)2021年8月23日天津雷雨大風(fēng)天氣進(jìn)行初步的診斷分析,可以發(fā)現(xiàn)以下情況。
①分析23日形勢(shì)場(chǎng)看到華北地區(qū)高空有冷渦持續(xù)東移,對(duì)流層中下層天津附近有多條切變線配合,這種高低層環(huán)流配置為本次強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生提供有利的大尺度環(huán)流條件。同時(shí)臺(tái)風(fēng)持續(xù)北上,地面暖低壓增強(qiáng),天津附近的氣壓梯度不斷增大,這是大風(fēng)發(fā)生的重要背景。
②在冷渦東移過(guò)程中冷空氣與暖濕氣流相遇,高層濕度小、低層濕度大,上干冷下暖濕的結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生不穩(wěn)定層結(jié)。高層輻散、低層輻合的垂直配置有利于強(qiáng)盛上升空氣的維持。低層水汽通量輻合表明 有源源不斷的水汽輸送,為降雨提供了充沛的水汽 條件。
③按降水量的時(shí)間演變可將整個(gè)降水過(guò)程分為2個(gè)階段:第一階段為23日下午,持續(xù)時(shí)間不足3 h,小時(shí)雨強(qiáng)大,雨帶呈東西帶狀,此時(shí)東移的高空冷渦尚未移近天津,短時(shí)強(qiáng)降水主要是地面輻合線觸發(fā)產(chǎn)生的局地對(duì)流性降水;第二階段為23日傍晚到前半夜,受冷渦東移影響,天津全市產(chǎn)生降水,雨勢(shì)相對(duì)平緩,而在渤海沿岸的偏北風(fēng)輻合加強(qiáng),導(dǎo)致濱海新區(qū)沿海地區(qū)產(chǎn)生局地暴雨大風(fēng)天氣。