2020, Vol. 40
2. 空军 94595 部队气象台，山东潍坊 261500
2. Meteorological Station of Air Force, Weifang 261500, China
脉冲风暴是发生在弱垂直风切变下的对流风暴，与脉冲风暴相伴随的最常见的强对流天气是下击暴流。FUJITA and BYERS[1]，FUJITA[2]把下击暴流定义为地面上水平风速大于17.9 m·s-1、中空气流向下、地面气流为辐散或直线型的灾害性大风，并根据外流的灾害性范围大小，把下击暴流分为宏下击暴流(尺度大于4 km，持续时间大于10 min)和微下击暴流(尺度小于4 km，持续时间小于10 min)。脉冲风暴微下击暴流[3-4]既可发生在湿的也可发生在相对干的大气环境下，分别称为湿微下击暴流和干微下击暴流。干微下击暴流是指在强风阶段不伴随(或很少)降水的下击暴流，它的雷达回波一般较弱，因而不会引起人们的注意，假如这种情况发生在机场附近，则可能对飞机起飞和降落影响极大，有时会造成严重的灾害性后果。FUJITA[5]，PRZYBYLINSKI and GERY[6], PRZYBYLINSKI and DE CAIRE[7]研究认为弓状回波是下击暴流事件发生的主要特征之一。ROBERTS and WILSON[8]在研究了31个发生在美国科罗拉多州的下击暴流及其相应的风暴单体后，发现下降的反射率因子核同时伴随雷暴云中某一高度处(3~7 km)或云底附近不断增加的径向辐合是重要的下击暴流预报线索；若同时伴有雷暴云的旋转和侧向入流槽口，则可以更加肯定地预报有下击暴流的产生，预报提前时间为0~10 min。受到ROBERTS and WILSON[8]的启发，SMITH et al.[9]做了类似的工作，得到的下击暴流预兆与ROBERTS和WILSON的发现类似，并指出中层旋转和强烈的风暴顶辐散也是下击暴流的预兆。近年来，气象研究人员利用新一代天气雷达产品数据，对山东各类强风暴天气进行了大量的个例研究，认为弓状回波中的γ中尺度涡旋会造成局地强风，雷暴大风由后侧入流急流与中涡旋的线性叠加造成[10-15]。下击暴流产生的直接原因是降水的重力拖曳作用，其次是冰雹的融化和雨水蒸发的冷却作用[16-17]；多普勒雷达回波反射率因子核心逐渐降低并伴随云底以上出现速度辐合是下击暴流雷达回波的重要特征[18-21]。
虽然对强风暴发生的下击暴流个例研究较多，包括产生下击暴流的超级单体风暴、多单体风暴和飑线等[22-28]，但对尺度较小特别是孤立的脉冲风暴产生的微下击暴流研究较少，而这种下击暴流尺度小，生命史短，致使提前预警难度较大。本文利用威海新一代天气雷达资料，对2018年9月8日发生在文登大水泊机场附近的一次微下击暴流事件进行了细致分析，旨在为今后类似天气过程的临近预警提供参考。
1 天气实况2018年9月8日14：00—18：00，山东半岛威海文登大水泊机场附近出现了一次局地强对流天气，对流风暴带来了大风、短时强降水，并伴有冰雹，冰雹最大直径约1 cm，腾家1 h降水量达到了25.7 mm。由风场分布发现，15:00(图 1a)，文登东南部地面有明显的偏南风和偏北风的辐合线存在，此时文登区辐合线北侧站点多为东北风，南部多为西南风(图 1b)，伴随强天气的发生，文登东部20 km范围内地面风场呈现明显辐散状特征，大水泊机场以东地区东南风转为西北风，以西地区东北风转为偏南风。由于此次对流风暴发生在文登站与大水泊机场之间，无自动气象站数据与之对应，文中用距离最近的文登站数据(图 1c)进行分析发现，强天气主要发生在15：00—17：00之间，突发性强，持续时间短，极大风速由15：00的5.3 m·s-1增大到15：53的17.1 m·s-1，随后减小。由于本次下击暴流发生地距离文登站点有一定距离，实际极大风速应大于文登站监测到的17.1 m·s-1。对应5 min的瞬时风速可见，15：00—16：00风速有两次跃增，第一次在15：25，瞬时风速和极大风速均相对于前期有明显的增大，达到了8.3 m·s-1，15：50后风速进一步增大，15：53极大风速达到了17.1 m·s-1，15：55瞬时风速降到了15 m·s-1，16：06极大风速略有减小，为11.6 m·s-1，之后瞬时风速明显减小。由瞬时风向变化可见，15：00—16：00，伴随着风速的两次跃增，风向有两次突变，第一次在15：25，风向由东北风转为东南风，15：55又由东南风转为西南风，16：00后风向逐渐转为东南风，一直到17：00风向变化较小。同时气温由26.2 ℃降到了18.1 ℃，15：00—16：00平均气温下降了8.1 ℃。根据气象要素变化和雷达回波特征分析，可以判断此次过程是一次湿微下击暴流天气。
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图 1 2018年9月8日威海市地面加密自动气象站观测图(a.15：00，b.17：00)和文登站风速变化图(c.瞬时风速为每5 min的风速瞬时值，极大风速为当前整点内每5 min累计时间内瞬时风速最大值，黑色数字为极大风出现时间，箭头为风向) Fig.1 Surface observation chart from densified automatic meteorological stations (a.15:00 BST, b.17:00 BST) in Weihai and change of wind speed at Wendeng Station on 8 September 2018 (c; instantaneous wind speed is the instantaneous value of the wind speed every 5 min, extreme wind speed is the maximum instantaneous wind speed in the accumulated time of every 5 min in the current whole point, black number shows the time when extreme wind appears, arrow is the wind direction) |
2018年9月8日08时，500 hPa(图 2a)上中高纬度长波槽呈两槽一脊型，东部槽移至125°E以东，山东半岛位于槽后西北气流的控制下，温度槽落后于高度槽，高低空均受冷平流影响。中纬度地区有低槽东移，与北支槽并无结合，形成明显的槽前汇合、槽后疏散的形势，系统移动较慢。地面图(图 2b)上整个山东受高压控制，半岛东部地面为一致的偏北风影响，14时受海陆风影响，半岛南部沿海出现了明显向岸的偏南风，偏北风与偏南风在半岛中南部形成了中尺度辐合线，即半岛东部常见的海风锋。一般而言，海风锋的形成与海、陆非绝热加热作用有关，多出现于夏秋季12—15时，且与地面静稳或较弱的环境风相联系，据分析，当环境风为偏南风时，海风锋多见于烟台西部沿海，当环境风为偏北风时，海风锋则多见于威海东南部沿海，低仰角雷达反射率因子图上常表现为窄带回波，是中尺度对流性天气的触发机制之一。
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图 2 2018年9月8日08时500 hPa天气图(a)和14时地面图(b) Fig.2 Synoptic chart at 500 hPa at 08:00 BST (a) and surface chart at 14:00 BST (b) on 8 September 2018 |
由9月8日08时荣成站的探空图(图 3)分析发现：受高低空一致的冷平流影响，整层大气较干，但是温度露点曲线仍呈现上干下湿的喇叭状特征，湿层较浅薄，仅在850 hPa以下有表现，早晨近地面有逆温存在，有利于不稳定能量的存储。用文登站14时的最高温度26.6 ℃和露点16 ℃订正08时的探空图发现：14时的CAPE值相对于08时0 J·kg-1，明显增大，为强对流的发生提供了能量基础。由于与下击暴流有关的雷暴大风是由下曳气流底部外流产生的，DOSWELL[29]认为，水负荷与由蒸发冷却带来的负浮力是引发和维持下曳气流的因子，而蒸发冷却的负浮力是当降水通过不饱和空气层时产生的，因此，中低层的低湿度条件有利于降水蒸发从而形成大的负浮力。由图 3b可以看出，850 hPa以下温度递减率接近干绝热线，DCAPE值较大，有利于大风的形成。同时本次自由对流高度LFC很低，接近1 000 hPa，一旦地面有弱的天气尺度强迫，就会产生对流天气，这与湿微下击暴流的环境条件相对应，而对流凝结高度接近2 km，一旦有对流发生，则云底高度较高。分析风场的垂直分布发现，0~2 km和0~6 km的垂直风切变分别为5.2 m·s-1和4.2 m·s-1，为弱的垂直风切变，而在弱的垂直风切变下只有一种类型的强对流风暴，即脉冲风暴[30]，脉冲风暴初始回波较高，这类风暴较难发现，与雷达回波特征吻合；2 km以下风随高度顺转，2 km以上风随高度逆转，层结表现为低层暖平流和中高层冷平流的位势不稳定特征。同时中高空受冷平流影响，0 ℃层高度明显下降，高度仅在3.4 km处，湿球0 ℃层高度为2 km，-20 ℃高度仅有6.7 km，对流发展高度达到-20 ℃高度以上，有利于雹块的生成和加强，较低的0 ℃层高度使得冰雹粒子在下落过程中还来不及融化就落到地面，同时冰雹下降的融化和拖曳作用增强负浮力，也有利于下曳气流的加强。
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图 3 2018年9月8日08时荣成探空图(a)和14时订正探空图(b) Fig.3 The t-lnp diagram at 08:00 BST (a) and revised t-lnp diagram at 14:00 BST (b) at Rongcheng Station on 8 September 2018 |
新一代天气雷达对突发强对流天气有很好的监测作用，这次下击暴流天气发生、发展、移动在荣成新一代雷达产品(图 4)上有很好的反映。14：04，受海风锋影响，文登、荣成南部出现了午后常见的晴空窄带回波1(图 4a)，对流单体A首先生成在文登东南部东北风与西南风辐合形成的窄带回波1上(图 4b)，初始回波高度较高，仅在2.4°以上的仰角有表现，4.6°仰角回波强度达到了35 dBZ，此时回波高度在3 km(图 4c)；14：16，随着海风锋向内陆的深入，威海到文登之间出现了一条南北向的窄带回波2，与前文地面风场辐合线位置基本一致；14：39(图 4d-f)，两条窄带回波上空，对流单体B和C迅速发展，与单体A组成具有统一环流的多单体风暴，由于单体C位于窄带回波1、2的交汇处，比A发展更加强盛；14：45(图略)，单体C中空回波开始发展，6.0°仰角最大回波强度为31.5 dBZ，低层回波不到15 dBZ；14：51，单体C继续发展，回波强度达到了35 dBZ以上，风暴追踪信息开始识别单体，风暴结构信息见表 1，单体C初始回波高度在2.0~2.8 km之间，回波底高为2 km，与前文分析的对流凝结高度一致；14：57(图略)，单体C向上向下发展加强，回波顶高达到了4.3 km，底高降到了1.1 km(表 1)，9.9°仰角回波强度达到了49 dBZ，而低层回波仍较弱，可见降水还没有发生，积云发展旺盛，云体仍以上升气流占主导；15：03(图略)，9.9°仰角回波强度继续增强，达到了58 dBZ；15：09，强回波范围变大，且高度第一次下降，由4.4 km降到2.6 km，同时云底高度迅速下降到0.2 km(表 1)，冷池出流锋区与原边界层辐合线的碰撞中有新的对流单体D生成，发展并且合并入对流单体C(图 4g)，促使风暴发展加强为多单体风暴E；15：27(图 4h)，风暴E东部单体强回波高度明显下降，但其西部回波单体向上发展，55 dBZ回波发展到5 km以上；15：33，风暴E回波继续向上发展到6.9 km，垂直累积液态含水量(VIL)开始增大(表 1)，到15：44增大至35 kg·m-2，由于风暴距离雷达站点10 km左右，受静锥区影响，这是能观察到的最大值，同时反射率因子增大到了63 dBZ，对应反射率因子图中出现了TBSS和旁瓣回波特征(图 4i)，可判断对流单体内出现了冰雹粒子；15：50，强回波高度第二次下降，此时地面短时降水猛烈，且伴有小冰雹，伴随着融化和蒸发作用，下沉气流下落冷却，冷密度流击地，文登附近温度迅速下降，并出现了辐散的风场，对应的文登站15：53出现了17.1 m·s-1的阵风；随着降水的开始，上升气流减弱以及下沉气流的拖曳作用影响，16：20后，反射率因子强度减弱，对流风暴逐渐减弱消散。
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图 4 2018年9月8日强单体不同时刻不同仰角反射率因子特征 Fig.4 Characteristics of reflectivity factor of strong cells at different elevations at different times on 8 September 2018 |
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表 1 多普勒天气雷达提供的风暴结构信息 Table 1 Storm structure information provided by Doppler weather radar |
对对流单体C对应位置的反射率因子和径向速度进行剖面制作(图 5)，分析发现：14：51，对流单体C初始回波高度在2 km左右，与上文分析一致；15：03，回波强度和高度明显发展，最强回波58 dBZ到达4 km以上，此刻径向速度表现为中低空辐合、高空辐散的特征；15：09，强回波及反射率因子质心明显下降，60 dBZ强回波中心降到3 km以下，反射率因子质心降到2 km以下，此时径向速度剖面图开始出现中层弱辐合的特征，低层无辐散；15：21，强回波及反射率因子质心继续下降，接近地面，径向速度剖面图中层辐合加强、低层开始出现辐散的特征，此时低层辐散速度和范围较小，地面测站并未出现大风天气，但是从文登站5 min瞬时风速可见，风速由6 m·s-1增大到8.3 m·s-1，同时风向由前期的东北偏北风转为了东南风；15：27，3 km以上回波再次发展，50 dBZ强回波发展到6 km高度以上，最强回波达60 dBZ以上，高度到达5 km以上，并表现为低层弱回波区，中高层回波悬垂的结构，可判断风暴中有冰雹粒子增长，此时地面风速有所减小；15：39，强回波高度再次下降，径向速度表现为中层辐合、低层辐散的特征，且低层径向速度正值区范围和强度均有所增大；15：50，强回波开始及地，地面降水增强，并伴有小冰雹，且风力明显增强，文登站瞬时风速由5.5 m·s-1增大到了8.4 m·s-1，3 min后瞬时风速达到了17.1 m·s-1，为最大极大风速。
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图 5 2018年9月8日强单体C不同时刻反射率因子剖面图(a)、不同时刻径向速度剖面图(b)和垂直剖面位置图(c) Fig.5 Profile of reflectivity factor (a) and radial velocity (b) of strong cell C at different times and vertical profile diagram (c) on 8 September 2018 |
由径向速度图(图 6)可见，15:03，对流单体C迅速发展，文登站点附近0.5°仰角出现γ中气旋式辐合风速对，对应的4.3°仰角为纯辐合式风速对，9.9°仰角则为纯辐散式风速对，表现为明显的低层辐合，高层辐散的垂直结构特征，与对流单体C强烈发展时刻相对应；随后地面开始出现降水，降水的拖曳作用导致的下沉气流到达近地面。15：21，出流速度明显增强，达到了12 m·s-1，低层风场转为辐散场，而对应的3.4°仰角速度图表现为明显的中层辐合旋转特征，旋转速度达到了10 m·s-1，此时地面风速有所增强，但是未达到雷暴大风的标准；随着风暴回波强度的加强，冰雹的发生，强反射率因子核心的再次下击，径向入流和出流速度进一步加强，并且范围不断扩大。15：33低层辐散外流速度差为14 m·s-1，15：50低层辐散外流速度差增大到了20 m·s-1，对应文登站15：53出现了17.1 m·s-1的极大风，而此时回波质心位置在文登西南侧，实况风速更大，与前文实况分析基本一致；15：56低层辐散外流速度开始减小到了17 m·s-1，对应实况风速有所减小；16：08(图略)，低层辐散范围扩大到了20 km以上，出流速度明显减小，辐散风切变减小，下击暴流强度减弱，由对应实况可知16：06出现的极大风速为11.6 m·s-1，为最大，随后风速减小；16：44，文登站附近的低层辐散场消失，下击暴流天气影响结束。
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图 6 2018年9月8日强单体不同时刻不同仰角径向速度特征 Fig.6 Characteristics of radial velocity of strong cells at different elevations at different times on 8 September 2018 |
综合来看，这是一次发生在稳定窄带回波上的脉冲风暴，风暴在半个小时内发展成孤立的多单体风暴。强回波在发展、移动和新旧更替过程中，有2次明显的强反射率因子核心的中高层发展加强，而后下降，最后一次形成了下击暴流天气。在径向速度图上，此次下击暴流强单体回波存在明显的中层辐合、旋转、低层辐散的现象，第一次强反射率因子核心强度不到60 dBZ，高度不到3 km，径向速度外流速度差仅14 m·s-1，并未造成地面大风，第二次强反射率因子核心强度达到了60 dBZ以上，高度到达5 km以上，伴有冰雹的发生，对应的地面实况有大风出现，且反射率因子核心下降时间为15：39，预报员能看到数据资料的时间为15：44，可以提前9 min预见下击暴流的发生；而径向速度低层辐散外流速度差达到20 m·s-1的时间为15：50，比大风出现时间提前3 min，而发现此特征的时候基本地面大风已经发生。
5 结论本文主要对山东半岛一次脉冲风暴下击暴流大风过程进行了观测分析，得到以下主要结论：
1) 这是一次发生在高低空一致西北气流背景下的湿微下击暴流天气过程，午后太阳辐射使得低空大气加热显著，形成了强烈的对流不稳定层结，下垫面加热不均使地面风场产生扰动及海陆风环流形成的地面辐合线，触发了这次强对流天气。
2) 大气层结特征呈喇叭状温湿分布，有利于降水物的蒸发从而形成负浮力，加上降水物的拖曳作用，促使下击暴流天气发生和加强。
3) 从多普勒雷达产品上看，风暴初始回波发生在午后海风锋触发的晴空窄带回波上，通过单体间的合并加强，发展成为孤立的多单体风暴。下击暴流出现前，对流风暴回波强度及高度明显发展，成熟阶段的对流风暴伴有回波悬垂结构和三体散射特征。随着强反射率因子核心的持续下降，下击暴流迅速到达地面，径向速度图上存在明显的中层辐合、旋转、低层辐散的现象。根据5 km以上60 dBZ强反射率因子核心的下降，结合径向速度中层辐合、低层辐散等特征，预报员有望提前3~9 min预警下击暴流的发生。
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