一次飑线过程多普勒天气雷达资料分析

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　　摘要 利用江苏省多部S波段多普勒天气雷达资料，对2012年5月16日江苏北部的一次飑线过程进行分析。结果表明，飑线发生前500 hPa东北冷涡南侧高空槽迅速南压，江苏北部槽后强冷平流与低空暖平流形成强烈的位势不稳定层结。飑线发生、发展直至消亡过程中共出现2条带状回波，一条是从徐州附近开始发展，另一条则是在连云港附近的海上开始发展，随后2条飑线合并而强烈发展。飑线中的强回波具有明显的超级单体风暴特征，存在悬挂回波和穹隆。径向速度分析表明，中层存在深厚的中尺度涡旋对，双涡之间可以吸入更多的空气，能有效地维持风暴内部的高速上升气流，使风暴能得到维持而不受环境风的干扰。垂直累积液态含水量（VIL）在连云港西南部160 km处冰雹发生时，由16日15：35的47.2 kg/m2跃增至15：41的98.8 kg/m2;而当VIL由62.5 kg/m2剧减至10.2 kg/m2时，连云港西南部约53 km处出现了大风，表明VIL的剧烈变化对冰雹和大风的发生具有指示作用。
　　关键词 飑线;组合反射率因子;径向速度;涡旋对;垂直累积液态含水量
　　中图分类号 P 458.1+21文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）01-0222-05
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.067
　　開放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Analysis of a Squall Line Process with Doppler Weather Radar Data
　　JIANG Yong qiang1， HAN Rui2， JIANG Ming bo3 et al
　　（1. College of Meteorology and Oceanography， National University of Defense Technology， Nanjing， Jiangsu 211101;2. Army 93117 of PLA， Nanjing， Jiangsu 210018;3. Army 61540 of PLA， Beijing 100029）
　　Abstract Using S band Doppler weather radar data of Jiangsu Province， a squall line process in northern Jiangsu Province on May 16， 2012 was analyzed. The results showed that the 500 hPa trough to the south of the northeast cold vortex rapidly moved southward before the squall line occurred， and the strong cold advection behind the trough in northern Jiangsu formed a strong potential instability stratification with the low level warm advection. During the occurrence， development and extinction of the squall line， two band echoes appeared. One began to develop near Xuzhou， the other began to develop in the sea near Lianyungang， and then the two squall lines merged and developed strongly. The strong echoes in squall line had obvious supercell storm characteristics， and there were suspended echo and vault. Radial velocity analysis shows that there was a mesoscale vortex couple in the middle layer， and more air could be inhaled between the two vortices， which could effectively maintain the high speed updraft in the storm， so that the storm could be maintained without the interference of environmental wind. Vertically integrated liquid （VIL） quickly increased from 47.2 kg/m2 at 15：35 to 98.8 kg/m2 at 15：41 when hail occurred about 160 km to southwest of Lianyungang. When VIL was dramatically reduced from 62.5 kg/m2 to 10.2 kg/m2， strong winds appeared about 53 km to the southwest of Lianyungang， indicating that the drastic changes of VIL could indicate the occurrence of hail and gale. 　　Key words Squall line;Composite reflectivity;Radial velocity;Vortex couple;Vertically integrated liquid
　　飑线的预报是当前天气预报的一个难题，部分飑线通过数值预报可以得到较好的预报，这取决于模式初始场和数值预报的分辨率及模式物理过程等。但大部分飑线因为初始场缺乏足够的中尺度信息，或者没有选择合适的模式物理过程，特别是云微物理过程或积云对流参数化过程，导致飑线的短期预报极为困难。由于常规探空观测资料难以准确分析其结构和发生发展的演变情况，因此，利用多普勒天气雷达资料分析飑线的结构及飑线的发生、发展机理，对飑线的预报以及防灾减灾具有重要意义。
　　多普勒天气雷达回波很早就得到分析和应用[1]。夏丽花等[2]认为飑线在多普勒天气雷达回波中是一种带（线）状的中尺度对流系统或狭窄的活跃雷暴带。漆梁波等[3]在对长江三角洲飑线的分析中得到，镶嵌在飑线中的强雷暴或超级单体风暴常常引起局地地面风向突变、风速剧增、气压跃升、气温剧降，并伴有雷暴、冰雹、龙卷等灾害性天气。张沛源等[4]分析指出，飑线发生时，中低层为暖平流，高层为冷平流。戴建华等[5]对2009年6月5日上海部分地区出现的一个飑线前超级单体雷暴进行分析，并基于常规天气观测、多普勒天气雷达、风廓线仪和自动气象站等资料得到該风暴呈现出“指”状、“楔”状、弱回波区（WER）等超级单体雷达反射率特征。郑媛媛等[6]对2002年5月27日14：00—20：00发生在皖北地区的一次典型的超级单体风暴过程进行了分析，结果表明，该超级单体左前方的低层组合反射率因子呈现明显的倒“V”型结构，沿入流方向穿过最强回波位置的组合反射率因子垂直剖面呈现出典型的有界弱回波区（穹隆）、强大的回波悬垂和有界弱回波区左侧的回波墙。刁秀广等[7]对2002年9月27日、2003年6月28日和2004年6月24日山东部分地区的3次典型超级单体强度结构、流场结构及其演变过程进行了分析，结果表明，风暴形成阶段表现为不同的演变特征以及风暴旺盛成熟阶段表现为典型的超级单体特征，包括有界弱回波区（BWER）和中气旋。俞小鼎等[8]对2005年7月30日发生在安徽北部的伴随强烈龙卷和暴雨的强降水超级单体风暴的环境条件和回波结构演变特征进行分析，将该超级单体的演化归结为带状回波—典型强降水超级单体—弓形回波3个阶段。从以上研究可以看出，对于不同的飑线，结构也有所不同，因此需要对飑线的回波特征进行更深入研究，并通过分析飑线系统多普勒雷达风场的演变，研究飑线的发生发展和传播机制。
　　2012年5月16日，在江苏北部地区发生一次飑线天气过程。对流初生位置是在徐州附近，随后逐渐发展强盛，并在连云港附近出现了最强盛的对流单体，此时另一条飑线在连云港附近的海上位置开始发展，这2条飑线在后来的发展过程中连成一片，向东南方向移动，到达盐城时该飑线强度减弱并逐渐消亡。笔者利用NCEP再分析资料，分析此次飑线形成的大尺度形势，利用江苏省多普勒雷达资料，分析回波特征、径向速度和垂直累积液态含水量，探讨飑线的发生发展机制。
　　1 飑线天气过程
　　2012年5月16日发生在江苏北部地区的一次飑线天气过程，该飑线发生发展直至消亡历时约7 h，自江苏徐州沿路途经宿迁、淮安、连云港、盐城，出海消亡，初生位置是在徐州附近的柳泉站（114.2°E，39.5°N）。16日14：34，柳泉开始出现几个孤立的对流单体，随后发展逐渐强盛，对流单体也连成一片，并且在0.5°仰角多普勒雷达组合反射率因子图上呈现出一条带状结构，相应的回波强度为50～60 dBz;16：31，对流单体发展到最强盛，强度达到最大值65 dBz，此时雷达回波图上呈现2条带状结构，并且都是自西北向东南方向移动。17：01，2条带状结构在组合反射率因子图上开始出现回波的相接与合并，随后连成一整片，但强度开始减弱。19：04，整片对流单体移至盐城，此时强度已经很弱直至入海消失。在这过程中苏北大片地区出现大风、冰雹和强降水天气，这些地区出现的最大风速达24 m/s，1 h降水量最大达20 mm，地面气温最低降至14 ℃，海平面气压最高跃升至1 005 hPa。
　　2 大尺度形势分析
　　此次罕见的飑线天气过程主要受东北冷涡的影响，苏北地区高空气温比较低，而近地面气温又比较高，形成了很强的位势不稳定层结。在东北冷涡天气背景条件下，高空槽的迅速南压导致中高层的流场发生了迅速的变化。
　　图1为采用NCEP 1°×1°资料绘制的2012年5月16日08：00形势场。200 hPa高空图上，飑线发生位置位于高空西风急流区域内，从温度场上看，苏北地区位于冷涡底部。500 hPa高空图上，飑线发生位置对应于低压南侧，高空西风急流区域内风速较大，高空急流是地面飑线发生发展的有利条件。700 hPa高空图上，飑线发生位置对应于低压南侧，槽线西侧风场西风分量较大，风速较大，且位于西南气流和西北气流的辐合带中，有利于上升运动的发展，冷暖空气交汇，斜压性较强，易形成不稳定能量，可为飑线的发展提供一定的能量来源。850 hPa高空图上，飑线发生位置位于槽线前缘，南侧盛行西南气流，北侧盛行西北气流，西南气流和西北气流在此交汇辐合，上升运动明显，易形成对流性天气，释放不稳定能量。
　　3 多普勒雷达资料分析
　　3.1 组合反射率因子分析
　　资料采用江苏省各地区的雷达基数据，包括组合反射率因子和径向风速。从2012年5月16日连云港站0.5°仰角组合反射率因子演变过程（图2）可以看出，14：28在徐州附近柳泉站（相对于雷达的位置方位261°，198 km）开始有孤立单体生成，此后对流单体发展加强并向东偏南方向移动;16：02，该系统已发展成由多个对流单体连成一片、尺度约为200 km的中尺度对流系统;16：31，中尺度对流系统中有2条发展比较强盛的带状结构，其中西南部一条发展最强，东北部一条发展也比较强盛;17：01，上述的2条带状结构在仰角为0.5°的组合反射率因子上显示出回波的合并与相接;18：09，在距离盐城10 km处新生一条强度较强的带状回波，其后回波强度逐渐减弱;19：00，飑线消失东移入海。 　　图3a为图2c所示实线AA′穿过主要回波带的组合反射率因子垂直剖面图。由图可见，飑线带状回波带中镶嵌着一个个强回波区，最大组合反射率因子超过60 dBz，此时飑线对流发展到最强盛阶段;该片区域出现了大风和冰雹，且最大风力达24 m/s。对于图2c中最强回波区（AA′和BB′交叉处），该强回波区水平尺度约25 km，与超级单体风暴尺度相当。图3b为图2c所示實线BB′穿过最强回波位置的组合反射率因子垂直剖面图。回波具有明显的超级单体风暴特征，回波主要在8 km高度以下，超过50 dBz的回波主要在4 km高度以下，主回波区向前倾斜，前方有黄色区域悬挂回波，悬挂回波和主回波区之间有相对弱的回波区，为穹隆。因为该单体强度比典型的超级大体风暴弱，因此，悬挂回波和穹隆特征不够典型。
　　3.2 径向速度分析
　　从5月16日16：31连云港2.4°仰角径向速度图（图4a）可看出，连云港南部（东南部）距雷达约30 km处，有一个正-负-正排列的径向速度区，南部正速度中心达11.5 m/s，负速度中心为-8.0 m/s，速度差达19.5 m/s;而在连云港东南部的正速度区，其最大中心值为17.5 m/s，该速度对一直伸展到约6 km高度。根据这种排列的径向速度可以判断出该处存在一个涡旋对，西南方为气旋，东北方为反气旋。此时环境风场为西北风，即沿着背景风场，右侧为气旋，左侧为反气旋。对流层的这一双涡结构，主要是因为对流体上升运动中含有大量凝结物，可以看成刚性结构，当环境风遇到对流体时产生绕流，气流绕过风暴前进方向右侧有利于形成气旋性涡旋，气流绕过左侧有利于形成反气旋。同时在风暴中层发展起来的涡旋对，其旋转方向有助于把环境气流阻塞住，而低层气流由于同环境相对风的方向相反，双涡之间便将吸入更多的空气，能有效地维持风暴内部的高速上升气流，从而风暴能维持而不受环境风的干扰。
　　Eagleman等[9]根据双多普勒雷达的联合观测表明，在风暴的中间层（3～7 km）有明显的双涡发展，而且在5～6 km高度上发展得最强。分析通过中尺度气旋中心东北—西南向的径向速度的垂直剖面（图4b）可以看出，径向速度剖面中最显著的一个特征是从低层向上扩展到约6 km存在中尺度负速度区。负速度区随高度范围变小，其两边为正速度区包围，表明对流云体中确实存在中尺度涡旋。
　　3.3 垂直累积液态含水量分析
　　垂直累积液态含水量被定义为云底上部单位面积上悬挂的可降水质量。分析此次飑线发生、发展至消亡过程垂直累积液态含水量（VIL）变化发现，在飑线发生期间，VIL值出现明显的跃增和剧减，同时伴随着激烈的天气现象。
　　王炜等[10]对天津市2000年汛期11次天气过程的研究指出，VIL值的迅猛增加对冰雹预报有很好的指示意义，当VIL≥20 kg/m2时，出现冰雹天气的可能性极大。房春琴等[11]研究指出，雷达探测范围50～150 km，VIL≥50 kg/m2会出现降雹，VIL≥60 kg/m2时可出现大冰雹。5月16日15：35连云港西南部距离雷达位置约160 km（114°E，39°N）处，VIL由47.2 kg/m2跃增至15：41的98.8 kg/m2（图5红色圆圈处），实况该处出现冰雹天气。而俞小鼎等[12]分析指出，快速降低的VIL值也许意味着破坏性大风的开始。连云港西南部距离雷达位置约53 km（116°E，39°N）处，VIL由16：12的62.5 kg/m2剧减至16：18的10.2 kg/m2，该处出现了大风，这与上述观点是一致的，表明VIL的剧烈变化对冰雹和大风的发生具有指示作用。
　　4 结论
　　该研究采用NCEP再分析资料和S波段多普勒天气雷达资料对2012年5月16日发生在江苏苏北地区飑线的背景以及发生发展过程进行了分析，分别对各个仰角的组合反射
　　率因子、径向速度、垂直累积液态含水量进行研究，得出以下主要结论：
　　（1）在东北冷涡天气背景条件下，高空槽的迅速南压导致中高层的流场发生较为迅速的变化，而其后部的高空强冷平流与低空暖平流形成的强不稳定层结是此次强对流天气发生、发展的主要背景。
　　（2）飑线中的强回波具有明显的超级单体风暴特征，存在悬挂回波和穹隆。
　　（3）不同仰角径向速度分析表明，中层存在中尺度涡旋对，双涡之间可以吸入更多的空气，能有效地维持风暴内部的高速上升气流，使风暴能得到维持而不受环境风的干扰。
　　（4）VIL值的迅猛增加对冰雹预报有很好的指示意义，快速降低的VIL值也许意味着破坏性大风的开始。
　　参考文献
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