仙居县雷暴大风时空分布及雷达回波特征研究

杨玲玲 朱寿燕 李知何 王 亮 金郁淇

(浙江省仙居县气象局,浙江 台州 317300)

0 引 言

雷暴大风是指由雷暴云引起的瞬时风力达到或超过8级(≥17.2 m/s)的强对流天气,常发生在不稳定层结环境中,其生命史短暂,时间尺度仅为几十分钟到几小时,具有明显的突发性、局地性和强致灾性[1-3]。

国内有不少气象学者开展过对雷暴大风的研究,在改善雷暴大风的预报预警中起到较好的指示意义。杨德江[4]指出，当气流由开阔地带流入峡谷地形时,受狭管效应风速增大,常造成多种气象灾害。俞小鼎等[5]指出，雷暴大风临近预报主要基于雷达回波特征,中层径向辐合和弓形回波对雷暴大风预报有很好的指示意义。许爱华等[6]研究指出，雷达回波上的回波合并、高层强回波区以及雷达回波速度场上的“零值线”等特征是判断雷电发生和强对流天气的重要依据。吴才明等[7]认为，副热带高压边缘雷达回波特征主要表现为两类:一是南北向短带状回波,有时会发展为弓状回波结构;二是强回波单体结构或超级单体回波结构。

雷暴大风的预报难点在于发生条件复杂、受下垫面影响明显,短临预报时效有限。本文研究了仙居县雷暴大风的时空分布和雷达回波特征,以期增进预报员对雷暴大风物理机制的了解,归纳总结当地预报经验,为展开强对流预报预警工作提供更好的科学技术支撑。

1 资料说明

本文利用全球探空气球实测资料、浙江省地面自动站资料、浙江省雷达拼图,结合台州市雷达基数据、地闪资料,并利用台风、雷暴资料对大风数据进行质量控制[8-10],剔除60站次冷空气大风和438站次台风大风,筛选得到2005—2020年仙居县共107例雷暴大风过程资料,包含224站次雷暴大风。

2 仙居县雷暴大风时间分布

2.1 雷暴大风年际分布

由2005—2020年仙居县雷暴大风的年际分布可知，16 a中仙居县雷暴大风过程共计107例,平均每年出现雷暴大风约6.7例。雷暴大风过程年际变化明显,呈波动性增长,共有4次较明显的震荡过程。个别年份雷暴大风过程较临近年份骤增,例如2013、2017年。2016年未发生雷暴大风,但次年2017年雷暴大风过程急速增长为13例,为16 a中雷暴大风最大值。

16 a中仙居县共发生雷暴大风224站次,平均每年出现大风事件约14站次,其中2017年雷暴大风发生站次最多,2018年次之,分别为34、27站次。仙居县境内对风向风速进行监测的区域自动站数量逐年增长,由2005年的4个站(包括仙居国家基本站)不断增长到2020年的39个自动站。较早年份存在雷暴大风发生、但由于自动站密度小导致未能观测到大风数据的情况。自2005年起，共有4次明显的震荡过程,呈现4～6 a的周期性规律变化。2005年雷暴大风站次/自动站数值最大,为1.75站次。2006、2017年次之,分别为1.18、1.17站次。雷暴大风站次与自动站总站数之比年际波动大,与雷暴大风日的年际波动存在较明显的相似程度。

2.2 雷暴大风月际分布

2005—2020年仙居县雷暴大风日的月际分布如图1所示,图1中实线表示全年雷暴大风平均线。雷暴大风主要集中在3—11月,呈现明显的单峰分布,7月雷暴大风日共有39日,占总日数的36%。5—8月的雷暴大风日超过全年雷暴大风日平均值。根据气候季节划分3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12有、次年1—2月为冬季。雷暴大风可出现在春、夏和秋3个季节,其中以夏季最多,共76日,占雷暴大风总日数的71%;春季、秋季次之。冬季未发生雷暴大风。

图1 2005—2020仙居县雷暴大风日的月际分布

雷暴大风季节特征显著,夏季仙居受副热带高压影响,热力条件增强,易导致层结不稳定,产生的中尺度对流系统相对较多,更易产生雷暴云。对夏季发生的雷暴大风过程的极大风速、日最高气温进行统计可知，在夏季雷暴大风最大风速达到28.4 m/s,中位数为18.8 m/s;日最高气温区间为21.5～39.1 ℃,中位数为30.7 ℃,平均值达到30.8 ℃。由降水量的统计资料可知,夏季近85%的雷暴大风过程伴有降水。湿微下击暴流是仙居县雷暴大风最主要的形式,而干微下击暴流占所有过程的15%。

2.3 雷暴大风日分布

根据雷暴大风过程中最大阵风出现的时间,统计雷暴大风在05—08时、09—11时、12—14时、15—17时、18—20时、21—24时和01—04时各时段内的分布情况可知,雷暴大风日变化特征明显,呈现明显的单峰型,高频时段为下午和傍晚,峰值出现在下午。夜间和上午为雷暴大风发生的低频时段。

雷暴活动和太阳总辐射存在密切的关系[11]。太阳辐射在中午前后达到最强,地面升温明显,在午后气温达到最高,对流抑制减少,低层热量不断上传,加剧大气层结不稳定,有利于雷暴大风的发生发展。夜间到上午时段,太阳辐射锐减,地面气温相对较低,对对流的发展有一定抑制作用,不利于雷暴大风发生。

3 仙居县雷暴大风空间分布

仙居县地处浙江东南丘陵,地形由外向内倾斜,主要由平原、丘陵和山地3种地形共同构成。永安溪自西向东横贯仙居全境,境内38条支流成树枝分散型从南北两个方向汇入干流。括苍山脉的分支从丽水延伸入仙居县后分为南北中3支分脉,呈现南北羽翼状山丘地带。

2011—2020年仙居县雷暴大风空间分布不均匀，其中雷暴大风高频发生站点为仙居国家基本站(丘陵)、蓄能站(山地)、安岭站(山地)和山岙站(山地),分别发生雷暴大风过程19、18、12和12例。仙居境内3种地形中海拔较高的山地地区发生雷暴大风的频率更高。全境范围内自西向东有多个雷暴大风高频区,主要分布在永安溪两侧较为开阔的河谷地区,与南北侧的山地存在较明显的海拔梯度,共同形成喇叭口或峡谷地形,可使气流迅速产生汇流和辐合,有利于形成风速辐合中心。

地形的迎风坡和背风波效应会产生强迫抬升作用,有利于触发强对流天气。仙居南北两侧羽翼状山地地形具有迎风坡的动力抬升作用,有利于激发和加强中尺度涡旋的发展。气流越过山脊后可激发背风波,有利于在山区与平原的交界区域激发新的对流,使得开阔的河谷两侧地区发生雷暴大风。

山地与平原之间的海拔梯度可为雷暴大风的发展提供层结不稳定和热力作用。太阳的辐射加热作用使山地和其他地形间形成较明显的水平温度梯度。地形对于水汽也存在阻挡和积累作用,使山前水汽垂直梯度强于远离山区的平原地区,使大气层结更加不稳定。

4 仙居县雷暴大风的雷达回波特征分析

雷暴大风的短临监测和临近预警主要依赖新一代天气雷达网,对雷暴生成后几分钟至3 h的演变趋势进行实时追踪,并通过预测雷达回波的强度变化、形状以及移动方向,进行大风预报预警的发布。对仙居县雷暴大风过程的雷达回波特征进行归纳,对大风预报有着非常重要的参考价值。

4.1 雷达回波的移动方向

利用2010—2020年的台州雷达基数据,对仙居县境内发生的77次雷暴大风过程的雷达回波进行分析。如表1所示,回波自西向东影响仙居县造成雷暴大风的过程最多(C表示回波在仙居边界生成并呈环状向内发展),达到24次,占所有雷暴大风总过程的31%;西北—东南向移动的过程有19次,占所有雷暴大风总过程的25%;西南—东北向移动以及由仙居县境外呈环状、以仙居县为中心发展靠近的过程均为7次;自南向北、自北向南、自东向西影响仙居的过程分别为5、2和2次。

表1 仙居县雷暴大风雷达回波移向及占比

如表2所示,回波在仙居县境内局地发展引起雷暴大风的过程共11次。其中局地发展增强后向北移的过程居多,达到4次;局地增强后又在仙居县境内减弱消散的过程次之,为3次;局地发展后向东、向西以及向南的过程分别为2、1和1次。

表2 仙居县雷暴大风局地发展的雷达回波移向及占比

4.2 雷达回波的形状

对雷达回波形状按块状回波、弓状回波、片状回波、带状回波以及以上4种回波的相互转换的形态进行分类。

如图2所示,仙居县境内由块状回波发展增强导致雷暴大风生成的次数最多,达到37次,占比为48%。该37次过程中,20次块状回波是局地发展起来的,其中有14次块状回波是在仙居境内局地发展增强,有6次块状回波是在仙居与缙云、磐安、临海的交界处局地发展并增强,呈环状向仙居境内发展。该类局地发展起来的雷达回波发生在5—9月,以7、8月频次最高,达到总次数的80%。在强度方面,局地发展起来的块状回波在进入仙居境内后强度发展增强的概率达到90%,并且离境后强度迅速减弱,只有极个别离境后强度维持或增强。

图2 雷暴大风回波类型分类及占比

块状回波引起雷暴大风的过程发生在3—9月,主要集中在夏季(6—8月),共30次,达到81%。7月最多,为13次,8月次之,为10次。

7—8月为仙居县常年极端最高气温发生的主要月份。2005—2020年极端最高气温范围为38.1～42.0℃,其中有11 a的极端最高气温发生在7月;3 a极端最高气温发生在8月。对于块状回波引起的雷暴大风过程,均发生在12—20时,其中24次发生在15—18时。对由块状回波引起的雷暴大风过程日最高气温进行统计,得到日最高气温中位数为28.9℃,日最高气温平均值为29.2℃。对当天日最高气温大于29℃的22次雷暴大风过程的日最高气温与极大风风速进行相关性分析,得到相关系数为0.42。

雷暴大风过程中由明显的弓状回波引起的过程数量达到19次,占比为25%。弓状回波引起的雷暴大风过程,雷达强度较带状、片状回波普遍更强,达到55～65 dBZ;影响范围更广。如表3所示,18次弓状回波来自仙居西侧的区域,向东和东南方向移动,分别为12次和6次;仅1次雷暴大风过程是在仙居边界回波局地发展增强连结形成弓状回波。

表3 仙居县雷暴大风弓形回波的移动方向及占比

在强度方面,雷暴大风14次在进入仙居境内后强度增强,离开仙居后强度维持或迅速减弱;2次进入仙居境内后强度维持,离境后强度维持或减弱;2次进入仙居境内强度减弱,离境后继续减弱;1次在仙居的西边界减弱后,东移至仙居的东边界增强。

片状、带状回波引起的雷暴大风过程分别为7、4次。片状回波的范围更广,但回波强度较块状和弓状回波弱,其中5次自西北向东南移动,2次自西向东移动;进入仙居后强度普遍增强或维持,离境后强度减弱或维持。在带状回波引起雷暴大风的过程中,3次进入仙居境内后强度增强,离境后强度减弱;有1次在入境和离境过程中均减弱。

上述4类回波在移动进入仙居境内强度普遍增强或维持,离境后减弱或维持。在回波移动过程中,受到下垫面地形和温度影响,强度和形状会发生变化,4类回波形态存在相互转换。以块状回波发展成弓状回波引起雷暴大风的次数居多,为5次。块状回波转变为带状、片状均为1次。片状回波转变为弓状、块状的过程分别为2、1次。

5 结 语

本文利用2005—2020年浙江省地面自动站资料大风数据和浙江省雷达拼图,对仙居县雷暴大风进行时空分布特征、地形对大风的影响以及雷达回波特征进行分析,主要结论如下。

(1)16 a中仙居县雷暴大风日年际变化明显,呈现波动性增长。雷暴大风年站次与自动站总站数自2005年起共有4次震荡起伏过程,呈现4～6 a的周期性规律变化。在月际变化上,雷暴大风可出现在春、夏和秋3个季节,呈现明显的单峰型,夏季雷暴大风过程最多,春季、秋季次之。在日分布上,仙居县雷暴大风日变化特征明显,呈现明显的单峰型,高频时段为14—20时,峰值出现在下午,傍晚次之。夜间和上午为雷暴大风发生的低频时段。

(2)仙居县多地具有峡谷和喇叭口地形,可使气流迅速产生汇流和辐合,有利于形成风速辐合中心。海拔较高的山地地形较丘陵、平原地形更易发生雷暴大风。雷暴大风高频区主要分布在永安溪两侧较为开阔的河谷区域,与南北部的山地存在较明显的海拔梯度。

(3)在雷达回波移向上,自西向东影响仙居县造成雷暴大风的过程最多,自西北向东南方向移动的过程次之。回波从仙居西侧以偏东分量移动的过程占比共达到68%,是造成雷暴大风最主要的移向。在回波形态上,由块状回波发展增强导致雷暴大风生成的次数最多,弓状回波次之。但弓状回波过程雷达回波强度普遍较强,范围更广。在强度变化上,各类雷达回波进入仙居境内强度普遍增强或维持,离境后减弱或维持。