2011年8月18日福州地区下击暴流分析

陈齐川



2011年8月18日福州地区下击暴流分析

陈齐川

福建省气象台

利用多普勒雷达资料对福州地区2011年8月18日的两次下击暴流过程进行分析，结果表明，反射率强中心的逐步下降，使得风暴中层下沉气流加强，产生下击暴流，速度场上近地层速度产品呈现辐散结构、中层径向辐合的特征。此次过程风暴的强出流与风暴分离后并未减弱，持续了相当长的时间。利用WINDEX指数和风暴趋势图可以对下击暴流的预报提供帮助。

下击暴流 强对流风暴 多普勒雷达

0 引言

Fujita[1,2]把导致地面上水平风速大于17.9m/s的辐散或直线型的灾害性大风的强下沉气流定义为下击暴流，并进一步区分为水平尺度大于4km，持续时间大于10分钟的宏下击暴流和水平尺度小于4km、持续时间小于10分钟的微下击暴流。下击暴流在近地面既可以造成类似龙卷的严重灾害，也可以产生很强的水平风切变，对飞机起降造成严重影响。美国曾为此开展4次大型外场试验，包括NIMROD(Northern Illinois Meteorological Research on Downburst)[2,3],JAWS(Joint Airport Weather Studies)[4],FLOWS(FAA/Lincoln Laboratory Operational Weather Studies)[5]以及MIST(Microburst and Severe Thunderstorm)[6],对下击暴流进行研究。随着国内新一代天气雷达网的布设，我国也开始了对下击暴流的观测和研究。俞小鼎等[7]首次对下击暴流进行了分析，刁秀广等[8]针对3次单单体风暴产生的下击暴流，毕旭等[9]、朱君鉴等[10]、王俊等[11]针对弓形回波造成的下击暴流研究发现，反射率因子核心逐步降低并伴随云底以上速度辐合的多普勒雷达回波特征，可用来提前数分钟预警下击暴流。陶岚[12]等利用反射率因子核心下降和低层强辐散的流场特征来开发下击暴流识别算法。

2011年8月18日下午起，永泰、闽侯、福州等地发生了冰雹、暴雨、大风等短时强对流天气。此次过程主要灾害为大风，风速最大达到29.9m/s，造成多处农作物损失、树木倒伏、停电等事故，给人民生活带来明显的影响。本文利用多普勒雷达、自动站观测资料对其进行分析。

1 天气背景和稳定度分析

18日08时500hPa中高纬为两槽一脊形势，脊位于贝加尔湖，左右分别为两个低涡，分别位于西西伯利亚和鄂霍次克海，随着贝加尔湖脊东移加强，脊前偏北风量加大，引导冷空气南压，使脊前的槽加强南伸，槽底伸至30°N。福建为副高南部的东风气流控制，从浙江到福建均有1度的负变温。同时400hPa从台湾岛到福州均为负变温区，最大的达到-4℃。高层的降温使温度垂直递减率变大，增加了大气的不稳定性，有利于对流性天气的发生。低层700hPa，850hPa福建均处于偏南急流的东侧，全省风速均较小。福州的08时探空资料显示，福州上空有逆温层，从850hPa到300hPa均较干，风从低层到高层为逆时针旋转，说明高层有冷平流，风切变较弱，K指数为31℃，CAPE值为2703J•kg-1，显示福州地区有较大的不稳定能量累积，WINDEX大风指数为26.8m/s，表明福州地区发生可能有强风，与实况最大风29.9m/s十分接近。

2 自动站资料分析

16:00-20:00的自动站资料显示，福州、闽侯、永泰3个县市都有达到7级以上的极大风，最大的达到29.9m/s。以闽侯、福州站为例，从下午起，闽侯的温度缓慢下降，而湿度、气压则缓慢升高，18:30起，湿度剧烈下降，20分钟后是风速的迅速增大，接着温度陡降、气压猛升，19:03出现24.0m/s的9级大风，同期10分钟累积雨量达到11.9mm。这表明地面的极大风是由风暴内降水物的拖曳而产生的下击暴流在近地面辐散造成的。类似的，福州站也有相同的特点，19:17更是出现了29.2m/s的11级大风，但是福州的降水却很少，其它要素的变化也没有闽侯站剧烈。这是由于风暴强中心经过闽侯站，却未经过福州站，但是在闽侯时，回波未发展到最强，而影响福州时，正是回波最强和下沉出流最强的时刻。虽然风暴的降水主体没经过福州，但是风暴产生的下击暴流却更强，所以福州的极大风反而比闽侯的大。

3 雷达资料分析

中午起，福州地区就有零散回波出现并发展。从18时02分起，在6.0°仰角的速度图上（图略）闽侯西北部高空6km左右出现了一条近40km长的辐合线，并逐渐向东南方向移动，沿着这条辐合线新单体于空中6km左右的高度不断生成并迅速增强，各个新生成的风暴单体的强中心一般位于6km左右高度，强区随着风暴的发展向上下伸展。随后，一些单体开始合并，风暴中层强中心加强并逐渐下降，至18时56分，开始产生第一次下击暴流，0.5°仰角的速度图上出现了下击暴流的辐散风场，负速度中心达到-24m/s，正速度中心则达到12m/s。正负速度中心间的距离约9~10km，构成一个不对称的低层辐散场，尺度约17km（图1a），而正负速度对连线的中点对应着0.5°强度场上的最强值（图1a，b中箭头所指处），表明是风暴内降水物的拖曳而产生的下击暴流。图 1中，a、b分别为18时56分0.5°速度图和强度图。c、d分别为沿图a、b中箭头所指处的同时刻的径向强度剖面图和速度剖面图。

图1

为了分析风暴的空间结构，过图1a、b箭头所指处，沿径向分别做反射率和速度的垂直剖面图。由图1c可见风暴已发展到14km以上，大于50dBZ的强区从9km一直伸展到地面，其强中心此时降至2km处，风暴整体向前倾斜，呈现出明显的悬垂结构，低层强度梯度很大，说明该处有强烈的天气的发生。强度图上风暴的强中心之下对应着近地面的辐散风场，风暴前部对应的速度剖面上从地面一直到高空近9km维持着一条辐合线，辐合线向后倾斜，说明上升气流沿冷空气倾斜上升至高层。辐合线前面的正速度区最大值位于4~7km处，最强达到24m/s，其对应着强度剖面上的悬垂部分，说明强烈的中层径向辐合。闽侯站的极大风从18:49的14.2m/s到18:59增大为18.7m/s ，19:03达到最大的24.0m/s。而后这股下击暴流的下沉气流与风暴分离，向东移动影响福州，福州站的极大风从19:08的10.8m/s迅速于19:17增大为29.2m/s。

19时08分，于闽侯西南处出现第二次的下击暴流，由于此次下击暴流是由单单体风暴产生，风暴识别追踪算法正确地进行了识别，利用风暴趋势图可以更直观地表征风暴的一些特征。图2为产生第二次下击暴流的风暴趋势图。它代表了从18:20~19:14之间物理量随时间的变化，竖线代表回波顶和底，黄点代表回波强中心，红点代表回波质心。由图2可以看到，从18:44起，风暴的强中心高度不断升高，到19:02达到7.5km左右，而后19:08强中心迅速下沉到2km，反射率强中心的迅速大幅下沉造成了第二次的下击暴流。同时在速度场上也可以看到明显的辐散风场和强烈的中层径向辐合。由于第二次下击暴流产生的地区无自动站，且也与风暴分离，12分钟后和第一次下击暴流的出流合并，向东移动共同影响福州、长乐地区。

图2

4 小结

（1）这两次下击暴流属于宏下击暴流，位于副高南部边缘的东风气流控制下，风暴产生前环境风切变弱，但地面温度高，不稳定能量大，高层的降温加大了大气的不稳定性。此次过程中WINDEX指数对下击暴流潜势的预报很好，可以用其来预报下击暴流的潜势。

（2）两次下击暴流都可以看到反射率强中心下降到低层的现象，但是产生第一次下击暴流的风暴是由多个风暴合并后产生的，风暴识别算法因各风暴间距离近，对这种多单体风暴未能进行很好的识别，并且各单体处于不同的风暴发展阶段，导致风暴的反射率强中心位置不一，因此不能用风暴趋势图来表征，对它的预报要追踪风暴的变化才行。而第二次下击暴流是单单体风暴产生的，风暴识别算法可以对其进行识别，利用风暴趋势图可以很好地表征风暴强中心的变化。

（3）从两次下击暴流的速度场上都可以看到低层强烈辐散和强烈的中层径向辐合的特征。

（4）下击暴流的预警十分困难，由于如飑线中的单体也会出现反射率因子核心下降和中层径向辐合的特征，故已有的对下击暴流自动识别的方法都是主要针对反射率强中心下降和低层风暴辐散这两个特征来设计[12,13,14]。但是当雷达观测到近地面的辐散时，几乎已无法提前发出警报。而对于宏下击暴流，比如此次，下击暴流产生后强烈出流与风暴分离，且持续近1小时，福州、长乐的很多地方都受其影响。如果单从强度场分析风暴，会认为风暴的影响将是闽侯南部和福清，但若从速度场分析，则可以提前，正确地预报出大风将影响福州和长乐地区。

[1] Fujita T T, Byers H R. Spearhead echo and downbursts in thecrash of an airliner[J].Mon Wea Rev, 1977(105):129-146.

[2] Fujita T T. The Downburst. SMRP Research Paper 210.Chicago: University of Chicago, 1985: 1-122. [NTIS PB-148880]

[3] Fujita T T. Manual of Downburst Identification for Project .SMRP Research Paper156, Chicago: University of Chicago,1978: 1-104.[NTIS PB-2860481]

[4] McCarthy J, Wilson J W, Fujita T T. The joint airport weatherstudies project[J].Bull Amer. Meteor Soc, 1982(63): 15-22.

[5] Wolfson M M, Distefana J T, Fujita T T. Low Altitude WindShear in the Memphis, TN Area Based on Mesonet and LLWASData. Preprints, 14 Conf on Severe Local Storms, Indianapolis,Amer Meteor Soc, 1985: 322-327.

[6] Atkins N T, Wakimoto R M. Wet microburst activity over thesoutheastern United States[J].Wea Forecasting, 1991(6): 470-482.

[7] 俞小鼎,张爱民,郑媛媛,方翀,朱红芳,吴林林. 一次系列下击暴流事件的多普勒天气雷达分析[J]. 应用气象学报, 2006(4) :385-393.

[8] 刁秀广,赵振东,高慧君,姜鹏. 三次下击暴流雷达回波特征分析[J]. 气象, 2011(5) :522-531.

[9] 毕旭,罗慧,刘勇. 陕西中部一次下击暴流的多普勒雷达回波特征[J]. 气象, 2007(1) :70-73.

[10] 朱君鉴,刁秀广,曲军,黄秀韶. 4.28临沂强对流灾害性大风多普勒天气雷达产品分析[J]. 气象, 2008(12):21-26.

[11] 王俊,龚佃利,刁秀广,盛日锋,陈西利. 一次弓状回波、强对流风暴及合并过程研究Ⅰ:以单多普勒雷达资料为主的综合分析[J]. 高原气象, 2011(4) :1067-1077

[12] 陶岚,戴建华. 下击暴流自动识别算法研究[J]. 高原气象, 2011(3): 784-797.

[13] Merritt M W. Automated detection of microburst windshear forterminal Doppler weather radar [C]∥Digital Image Processingand Visual Communication Technologies in Meteorology, Cam-bridge, 1987(846): 91-102.

[14] Travis M S, Kimberly L E, Shannon A D. A damaging down-burst prediction and detection algorithm for the WSR-88D [J].Weather Forecasting, 2004(19): 240-250.