两种垂直风切变条件下飑线过程对比分析.pdf

收稿日期：2012-03-15基金项目：国家自然科学基金项目（41105026）、中国气象局预报员专项（CMAYBY2011-061）共同资助。作者简介：刘鑫华（1979-），男，高级工程师，主要从事中尺度气象学、气候学和行星大气数值模拟研究。E-mail：liuxh两种垂直风切变条件下飑线过程对比分析刘鑫华（国家气象中心，北京100081）摘要：应用常规天气图资料、地面加密降水观测资料、探空资料及美国 NCEP/NCAR再分析资料，对 2010 年 7 月 19 日山东飑线过程和 2011 年 7 月 26 日河北飑线过程进行了对比分析。结果表明,两次过程的相同点为：两次过程均位于 500 hPa 高空槽前；两次飑线过程均产生了雷雨大风和短时强降水天气；湿层均较深厚；下沉有效位能均较大。不同点为：2010 年 7 月 19 日山东飑线过程属于有明显垂直风切变环境中的飑线；对流不稳定能量相对较低。而 2011 年 7 月 26 日河北飑线过程属于风垂直切变相对小的环境中的飑线；对流不稳定能量很大；除了雷雨大风和短时强降水天气之外还产生了冰雹。关键词：飑线；垂直风切变；强对流；雷雨大风；冰雹；短时强降水中图分类号：P458文献标识码：B文章编号：1002-0799（2012）05-0025-05飑线是一种带（或线）状中尺度系统，常伴有雷暴、暴雨、大风、冰雹和龙卷等剧烈天气现象，给人民生命财产造成极大损失。仅 2009 年 6 月 3 日河南飑线过程就造成河南 22 人死亡的严重灾害，其中商丘市受灾人口达到了 241.92 万人。以往对飑线开展的大量研究工作1-9逐渐加深了对此类天气的认识，但飑线形成的有利环境场条件以及飑线的触发机制还有待于进一步的深入研究。另外，目前的数值天气预报还不具备很好的预报中小尺度天气系统的能力,所以要准确地预报出这类灾害性天气的发生、强度、影响时间及范围是非常困难的。以往研究较少从不同飑线造成的天气现象的差异角度进行分析，因此，本文从这一角度针对中纬度两类不同条件下的飑线（一类为明显垂直风切变环境，另一类为垂直风切变相对较小）10产生的不同天气现象，选取两个个例进行对比分析，以增加对两类飑线的深入了解，为飑线的短期预报提供客观依据，以提高此类天气的预报准确率。1天气过程概况2010 年 7 月 19 日山东、江苏、安徽三省交界处出现飑线。兖州 3 个站出现了超过 70 mm/h 的短时强降水。江苏徐州和安徽淮北风速达到 18 m/s。19日 15 时左右，一条较强的回波带扫过黄淮地区（图1）。2011 年 7 月 26 日 1923 时，一条飑线自西向东影响河北中南部地区，造成了区域性的短时强降水天气，其中，最大小时降雨量达到 53 mm；河北满城出现了 22 m/s 的雷暴大风；石家庄出现了直径 17mm 的冰雹。河北中南部的飑线 26 日 18 时左右生成于河北中部偏西的太行山麓。从雷达监测分析，整个系统持续约 4 h，系统呈弓形向东传播。其中，20:3022:30 为最强时段，持续大约 2 h（图 2）。26 日1819 时，最强超过 50 dBz 的雷达回波在河北、山西两省交界处稳定少动，在下太行山前无显著阵风锋出现；19 时 12 分，飑线系统下山增强且呈线状回波带，在河北平山附近的浅山区可见弱的阵风锋；19时 30 分，回波前侧出现阵风锋，且与主体回波平行移动，距离很近；20 时 30 分，回波继续加强成为飑线，飑线断裂为南北两段，断裂处和阵风锋经过处出现大风灾情；22 时，阵风锋开始远离回波主体，22 时30 分阵风锋消失，主体降水回波也在东移过程中逐渐减弱并趋于消亡。由图 1 和图 2 可见，2010 年 7 月 19 日飑线过程，飑线后部没有明显的层状云降水区，具有明显垂直风切变环境下飑线的特点。而 2011 年 7 月 26 日飑线过程，在由前向后的气流中，由于老单体的衰亡，形成了宽广的尾随层状云区，这也符合垂直风切沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology研究论文第 6 卷 第 5 期2012 年 10 月25第 6 卷 第 5 期2012 年 10 月沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology研究论文变相对较小的飑线特点。可见，这两次过程分别属于不同垂直结构的飑线。图 12010 年 7 月 19 日 15:30 雷达基本反射率图 22011 年 7 月 26 日 21:30 雷达组合反射率2环流特征和影响系统2.1总体环流特征和影响系统2010 年 7 月 19 日中高纬为两脊一槽形势。我国位于宽大的槽区（图 3a）。500 hPa 山东位于低涡东侧偏南气流之中。此次过程主要是在低涡向东北方向移动过程中，地面配合冷锋东移，暖锋向北移动造成的。强天气发生在与低涡相对应的地面冷暖锋之间的东南象限。2011 年 7 月 26 日白天，对流层低层短时内的强烈增湿与高空冷平流的共同作用使华北平原迅速积累了极高的不稳定能量和水汽，随后由一个来自华北西部的呈东北西南向的小槽（图 3b）自西北向东南移动，触发了山西的普通雷暴对流系统，傍晚时分，对流系统向东越过太行山进入华北平原高能区后开始强烈发展，平原上，低空盛行的东南气流使雷暴出流的阵风锋辐合线进一步加强，最终在河北中部形成了高度组织化的飑线中尺度对流系统。图 3500 hPa 形势场和 850 hPa 风场（a 为 2010 年 7 月 19 日 08 时；b 为 2011 年 7 月 26 日 20 时）2.2高空和地面形势分析由图 4a 可见，2010 年 7 月 19 日 08 时，850hPa 与 500 hPa 温差为 21 左右，山东西部整层（一般指从地面到大气顶，在使用探空资料时指探空资料所覆盖的高度范围）大气均较湿，中东部低层较湿，中高层较干。同时，从高低空系统配置来看，系统斜压性较大。中高层存在冷温度槽，山东南部低层有暖温度脊发展。另外，山东位于高低空急流的交汇处，山东中部和北部中低层存在干线。500 hPa 短波槽、槽后冷中心及大风区（冷平流）东移南下是 2011 年 7 月 26 日过程的触发机制。而低层高温高湿，为飑线的发展提供了较大的不稳定能量（4 000 J/kg）。7 月 26 日 20 时 500 hPa 环流形势为两脊一槽，我国北方至江南上空为阶梯槽形势，华北中北部位于槽后，华北南部位于槽前。从高低空温度场配置来看，中高层有明显降温，且有冷温度槽存在，低层位于暖区内，高低温差最大达到30。另外，200 hPa 为显著辐散区，中高层存在前26倾槽，华北位于 500 hPa 急流出口区前方，这些条件均有利于强对流的发展。华北西部上空存在干线，气流以较大交角穿越干线，有利于飑线天气的发生。同时，中高层存在干舌，低层为显著湿区，具有明显的位势不稳定（图 4b）条件。从河北地区的地面自动站资料分析看到,对流系统在进入地面辐合线后加强。3中尺度物理量分析3.1T-lnP 分析由图 5a 可见，2010 年 7 月 19 日徐州低层存在一定的对流抑制能量，有利于能量的积累。有一定的对流有效位能，整层较湿，低层有明显的暖平流，存在一定的垂直风切变。这种形势有利于雷雨大风和短时强降水天气的形成。2011 年 7 月 26 日 08 时，河北邢台上空整层较干，有一定的不稳定能量，低层有一定的抑制能量，有利于强对流发展前期的能量累积。低层有暖平流，有利于位势不稳定的发展。同时，垂直风切变较大。20 时（图 5b），低层湿度变大，对流抑制能量变小，对流有效位能急剧增大，0 层高度降低，垂直风切变较小。这些都有利于短时强降水、冰雹和雷雨大风等强对流天气的形成。从整层风场随时间的演变可以看到，系统于 20 时以后过境。通过对比发现，徐州整层较湿，邢台的湿层也达到了 600 hPa 以上。河北中南部 06 km 垂直风切变约为 7 s-1。山东整层垂直风切变约为 20 s-1。3.2物理指数分析由图 6a 可见，整层可降水量在 50 mm 以上，水汽充沛。对流有效位能在 500 J/kg 以下，且位于 K指数的高能脊区，有一定的动力和热力不稳定条件。2011 年 7 月 26 日 20 时，华北中南部对流有效位能超过了 3 000 J/kg，整层可降水量在 40 mm 以上，且位于K 指数的高能脊区（图 6b），具有较大的动力和热力不稳定条件，同时有较好的水汽条件，在有利的触发机制下，便会有强对流天气的发生和发展。通过计算发现两个个例的下沉有效位能都达到了 500J/kg 以上。4小结山东飑线过程：（1）此次过程主要是在低涡向东北方向移动过程中形成的；（2）地面配合冷锋东移，暖锋向北移动；刘鑫华：两种垂直风切变条件下飑线过程对比分析图 4形势分析图（a 为 2010 年 7 月 19 日 08 时；b 为 2011 年 7 月 26 日 20 时）图 5T-lnP 图分析（a 为 2010 年 7 月 19 日 08 时江苏徐州探空曲线；b 为 2011 年 7 月 26 日 20 时河北邢台探空曲线）27第 6 卷 第 5 期2012 年 10 月沙 漠 与 绿 洲 气 象Desert and Oasis Meteorology研究论文（3）强天气发生在与低涡相对应的地面冷暖锋之间的东南象限。河北飑线过程：（1）26 日白天之后低层短时内的强烈增湿与高空冷平流的共同作用，使华北平原迅速积累了极高的不稳定能量和水汽；（2）一个东北西南向的小槽自西北向东南移动，触发了山西的对流系统；（3）华北平原高温高湿，加之地面盛行东南气流，对流系统移至平原后阵风锋辐合线进一步加强对流组织化形成飑线系统；（4）并不算很有利的垂直风切变环境场和较低的对流层使得此飑线在强度和生命史上都比较有限；（5）高空有冷平流但湿度增大对飑线大风强度可能有不利影响。两次过程的相同点是：都位于 500 hPa 高空槽前；下沉有效位能均较大，有利于两次飑线过程雷雨大风天气的出现；湿层均较深厚，有利于短时强降水天气的出现。不同点为：2010 年 7 月 19 日山东飑线过程属于有明显垂直风切变环境中的飑线；对流不稳定能量相对较低，不利于冰雹天气的产生。而 2011 年 7月 26 日河北飑线过程属于垂直风切变相对小的环境中的飑线；对流不稳定能量很大；除了雷雨大风和短时强降水天气之外还产生了冰雹。参考文献：1谢梦莉，黄京平.一次罕见的飑线天气过程分析J.气象，2002，28（7）：51-54.2漆梁波，陈永林.一次长江三角洲飑线的综合分析J.应用气象学报，2004，15（2）：162-173.3姚建群，戴建华，姚祖庆.一次强飑线的成因及维持和加强机制分析J.应用气象学报，2005，16（6）：746-753.4王莉萍，崔晓东，常英，等.一次飑线过程天气的非常规气象资料特征分析J.气象，2007，33（1）:74-80.5王宏，马凤莲，王万筠.一次飑线过程的多普勒雷达资料分析J.沙漠与绿洲气象，2009，3（3）：39-43.6彭军，高卫飞，张琼，等.一次局地暴雨过程的多普勒雷达特征分析J.沙漠与绿洲气象，2010，4（1）：28-31.7曲晓波，王建捷，杨晓霞，等.2009 年 6 月淮河中下游三次飑线过程的对比分析J.气象，2010，36（7）：151-159.8Qingliang Zhou,Xiaoling Zhang,Xinhua Liu,et al.TheSummarization of the squall on June 3 in 2009 in Henanand Anhui Province C/2011 International Conference onRemoteSensing,EnvironmentandTransportationEngineering,RSETE 2011-Proceedings,2011：5591-5594，DOI:10.1109/RSETE.2011.5965619.9Xinhua Liu.Contrast Analysis of Two Squall Lines inHuanghuaiRegionofChinaC/2012InternationalConferenceonRemoteSensing，EnvironmentandTransportation Engine-ering，RSETE 2012-Proceedings，2012.10寿绍文，励申申，姚秀萍.中尺度气象学M.北京：气象出版社，2003:370.图 6可降水量/mm、最有利抬升指数/、对流有效位能/（J/kg）和 K 指数/（a 为 2010 年 7 月 19 日 08 时；b 为 2011 年 7 月 26 日 20 时）28科技信息8 月 30 日上午，中国气象局原党组书记、局长温克刚、中国气象局原副局长马鹤年、刘英金等老领导一行在新疆气象局党组书记杜继稳的陪同下，参观了中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室。沙漠气象研究所所长何清向各位老领导介绍了研究所的概况，近几年来的科研工作和成果，以及未来工作规划。随后老领导们又兴致勃勃地参观了树木年轮实验室，包括化学前处理室、天平室、激光粒度室、化学分析室、树轮宽度分析室、树轮图形分析室、树轮细胞/密度分析室、树轮同位素分析室、楼顶观测平台。温克刚等老领导还欣然为实验室题词：“突出特色，创新发展，出更多成果，培养更多人才”。（郑奕）中国气象局原党组书记、局长温克刚一行视察树木年轮实验室Contrast Analysis of Two Squall Lines under Different Vertical WindShear ConditionsLIU Xin-hua（National Meteorological Center，Beijing 100081，China）Abstract：Based on the conventional surface and upper observation data,densified observation ofprecipitation data,sounding data and NCEP reanalysis data,the two squall lines which occurred onthe July 19,2010 and July 26,2011 were analyzed.The results are as follows.The samecharacteristics are:The two squall lines both occurred ahead of the 500 hPa trough,andaccompanied by high speed winds and short-duration heavy rain,The wet layers were both deep,DCAPE were large in the two processes.The differences are that the squall lines occurred on July19,2010 had obviously vertical wind shear,and CAPE was relatively low.The squall lines occurredon July 26,2011 had small vertical wind shear.The convective unstable energy was very large.Besides the high speed wind and short-duration heavy rain,the squall line produced the hail aswell.Key words：squall line；vertical wind shear；severe convection；high speed wind；hail；short-durationheavy rain刘鑫华：两种垂直风切变条件下飑线过程对比分析29