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多源新型探测资料在一次强对流天气中的应用

2022-12-27肖婷张羽张志坚高美谭钱嘉星李浩文

广东气象 2022年6期
关键词:风廓市局强对流

肖婷,张羽,张志坚,高美谭,钱嘉星,李浩文

(1.广州市气象台,广东 广州 5 1 1 4 3 0;2.广州市突发事件预警信息发布中心,广东 广州 511430)

中小尺度强对流天气具有水平尺度小、生命史短、影响范围窄、强度大的特点,其突发性强、破坏力大,是广东省的主要灾害性天气之一[1]。常规探空资料由于时空分辨率低,难以对中尺度天气演变特征进行深入研究。近年来,随着气象探测技术迅速发展,以FY-4A卫星[2-3]、风廓线雷达[4-5]、微波辐射计[6-7]和毫米波云雷达[8-9]为代表的各类新型地基遥感探测设备相继投入业务应用,为实现高时空分辨率大气垂直廓线的观测以及开展高影响天气中小尺度结构与演变特征研究提供了新的有效手段。

为做好超大城市气象保障服务工作,广州市气象局近年来逐步部署了多种新型地基遥感探测设备,为研究各类重大天气过程的垂直结构及演变打下了良好的基础,如何充分利用这些数据做好观测与预报的互动是一项值得深入研究的工作。本研究以2021年广州市一次典型的局地强对流过程为研究对象,尝试提高对新型探测设备的观测特点与能力的认识,探索强对流天气过程的精细化结构与演变特征。

1 资料说明

本研究采用欧洲中期天气预报中心(ECWMF)提供的2021年6月21日14:00(北京时,下同)0.25°×0.25°分辨率ERA5再分析资料以及FY-4A卫星、微波辐射计、风廓线雷达、相干多普勒激光测风雷达、毫米波云雷达、地面雨量计等多源新型探测资料,各类观测设备资料说明详见表1。

表1 广州市多源新型探测设备资料说明

2 环流背景与降水实况

利用ERA5再分析资料绘制环流形势图(图略)显示,2021年6月21日14:00,广州市处于副热带高压边缘,北部有弱波动逐渐移近;925 hPa粤北地区有弱冷空气渗透,存在弱切变线,沿海有强盛的西南低空急流,广州市中北部存在明显的水汽通量辐合中心。表明当天午后广州地区天气形势较不稳定,存在有利于强对流天气发生的动力和水汽条件。17:00至23:00,广州市出现一次兼具短时强降水、短时大风和强雷电的局地强对流天气过程。如图1a所示,该次强对流过程广州市共有3个测站雨量超过100 mm,41个测站雨量超过50 mm,最大累计雨量为黄埔区永和街110 mm,最大小时雨量为黄埔区黄埔街78.1 mm/h。全市共有62个测站录得6级以上短时大风,最大阵风为增城区石滩镇26.7 m/s。

由于本研究所用的新型探测设备均位于黄埔国家基本气象站和广州市气象局观测场两个位置,因此图1b给出黄埔国家基本气象站(站号59287,简称黄埔站)和广州市气象局观测场内的自动站(站号G1000,简称市局站)的逐5 min雨量变化。可以看到,黄埔站的降雨时段为18:00—22:00,市局站的降雨时段主要集中在20:00—21:00。

图1 2021年6月21日17:00—23:00广州市各自动站累计雨量(单位:mm)(a)和21日18:00—22日01:00黄埔站与市局站逐5 min雨量变化(b)

3 新型探测资料结果分析

3.1 FY4A卫星

FY-4A携带的闪电成像仪(lightning mapping imager,LMI)是我国第一次自主研制的星载闪电成像仪,在仪器研制和产品生成算法等方面都位于国际前沿领域,不仅能够实现大尺度对流系统中的闪电监测,而且能够对局地小对流云团中闪电活动进行监测[10],在对流性天气监测和预报中具有较强的应用潜力[3]。图2a给出21日17:00—23:00 FY-4A卫星观测的累计闪电和地面自动站极大风分布,可以看出,该次强对流天气过程中,广州中部地区闪电较为密集,这与图1a的强降水落区一致,且7级及以上短时大风的分布也与闪电的区域对应较好,说明FY-4A卫星观测闪电分布较可靠,闪电密集区正是强对流云团发展较旺盛的地区。

相当黑体温度(black body temperature,TBB)通常称为亮温,在有云区,TBB反映的是云顶黑体温度,其值一般≤0℃,且TBB温度越低,对应的云顶越高,对流越旺盛[11],通过TBB可以了解云体垂直发展的情况。参考以往的方法[2],将TBB≤-72℃的区域当做深对流区域。图2b-d给出强对流过程不同时刻TBB变化图,可反映对流云团发展的旺盛程度。佛山东部、东莞北部分别与广州交界处TBB有≤-92℃的低值中心,对应雷达图上回波强度约为65 dBz。闪电、地面7级及以上大风和强降水基本都位于TBB≤-72℃的深对流区域内,并多分布于≤-82℃的区域内或其附近,9~10级大风出现在强对流云团边缘TBB梯度大值区。

图2 2021年6月21日17:00—23:00 FY-4A卫星观测的累计闪电(十字)和地面自动站观测的极大风(填色,单位:m/s)分布(a);19:00(b)、19:45(c)、20:15(d)FY-4A卫星TBB分布(单位:℃)

3.2 微波辐射计

微波辐射计可以提供高频次的大气温湿廓线结信息,相比常规探测资料而言,在短时暴雨潜势预报方面更具优势[6-7]。图3给出6月21日08:00—22日08:00黄埔站微波辐射观测的边界层温度廓线以及反演的对流参数。

图3 2021年6月21日08:00—22日08:00黄埔站微波辐射计边界层温度(a)、IWV(b)、CAPE(c)、LI(d)

从图3a可以看出白天受太阳短波辐射影响,近地面大气显著增温,200 m以下有暖中心存在,最高温度超过33℃。综合水汽含量(IWV)表示单位面积上的水汽质量,直观反映大气中水汽状态[12]。图3b显示12:00—13:00 IWV含量达到峰值,接近100 kg/m2,云液态水含量明显增加,此后水汽含量整体下降略有波动,但降水前1 h IWV含量仍有64.5 kg/m2,超过本地短时强降水的IWV统计的阈值63.32 kg/m2,有利于发生短时强降水[7]。

从图3c和图3d微波辐射计反演的对流有效位能(CAPE)和抬升指数(LI)可以看出,从21日08:00开始CAPE值出现明显增加的趋势,14:00最高接近6 000 J/kg。LI为负值表示大气层结不稳定,负值越大,越不稳定。LI与CAPE变化趋势一致,08:00—13:00呈明显下降的趋势,13:00最低接近-15℃。由此可见,CAPE与LI提前4~5 h已出现峰值,表明该次过程前数小时,大气层结已趋于不稳定。

3.3 风廓线雷达与测风激光雷达

风廓线雷达可实时提供大气的三维风场信息、垂直气流等气象要素随高度的分布,是对常规探空观测的有力补充[13]。由风廓线雷达资料观测的水平风场可以看出,黄埔站上空5~9 km处有小槽过境,槽前风向由西南风逐渐转为偏西风和西北风(图4a黑色虚线框),与ERA5再分析资料绘制的500 hPa环流形势上的波动表现一致。21日00:00—09:00,2~2.5 km处有明显切变,且近地面至2.5 km存在一支低空西南急流,最大风速超过24 m/s(图4a黑色实线框)。

由于50~500 m为风廓线雷达的探测盲区,导致探测的近地面水平风场信息不完整,而相干多普勒测风激光雷达具有探测灵敏度高、时空分辨率高的特点,在地面50~500 m处仍有较强的探测能力,垂直方向分辨率可达30 m,可以有效弥补风廓线雷达的探测不足。由图4b市局站测风激光雷达的表现可看出,在与风廓线雷达在相同时段,600~1 300 m处存在一支超低空急流,最大风速大于24 m/s(图4b黑色实线框),由此可见,两种测风设备的联合使用能够有效监测到暴雨发生前的超低空急流特征。从测风激光雷达探测的风向来看,21日00:00—09:00 50~300 m处以东南风为主,300~600 m为偏南风,600~1 300 m渐转为西南风,风向随高度顺时针旋转,说明有暖平流输送;12:00—17:00激光测风雷达的探测高度明显升高,最高达1.6 km。21:00—00:00降水期间,最大探测高度迅速降低,这是由于该时段激光测风雷达对风向、风速的反演受降水污染严重所致。

图4 2021年6月21日00:00—22日00:00黄埔站风廓线雷达(a)与市局站测风激光雷达(b)不同高度水平风速(填色,单位:m/s)和风向(风向杆)的逐时变化

3.4 毫米波云雷达

毫米波云雷达是观测云降水的重要手段,与天气雷达相比,由于采用了毫米波,增加了雷达的灵敏度,提高了探测能力[8],利用广州本地数据质控后能有效滤除杂波并较好保留云回波[9]。图5给出2021年6月21日08:00—21:00市局站云雷达不同高度反射率因子的逐时变化情况。

图5 2021年6月21日08:00—22日00:00市局站云雷达不同高度反射率因子的逐时变化(单位:dBz)

由图5看出19:00前后云雷达上空开始出现积雨云,高层反射率因子大于低层,最大反射率因子不超过10 dBz,此时地面市局站并未录得降水,此后反射率因子大值中心逐渐向下扩展,表明降水粒子逐渐降落;20:00前后强反射率因子中心接地,最强反射率因子约为30 dBz,云顶高度最高约18 km,积雨云发展较深厚;20:15市局站开始录得降水。20:40左右由于强降水导致云雷达探测发生显著衰减,反射率迅速因子减弱;21:00以后降水趋于结束,但由于大气湿度显著增加,云雷达仍探测到较深厚云层信息。由此可见,在降水发生前1 h云雷达已经观测到高层的云层开始发展,相比于天气雷达有更多的提前量,对于强降水的预报有一定的指示意义。

4 结论

1)降水发生前,对流层低层盛行西南风,为广州地区输送大量水汽;近地面存在接近34℃的暖中心,大气不稳定性增强。降水前数小时,微波辐射计反演的IWV、CAPE和LI已有迹象显示存在有利于发生强对流的水汽和热力条件。

2)FY-4A卫星TBB≤-82℃的区域内或其附近出现明显闪电、强降水和7级及以上短时大风,9~10级大风易出现在强对流云团边缘TBB梯度大值区。

3)风廓线雷达和测风激光雷达的联合使用能获取更加完整的水平风场垂直廓线信息,能够有效捕捉到强对流过程发生前的超低空急流特征。

4)云雷达能较好地反映降雨云团的垂直廓线信息,早在降水发生前1 h就已经探测到高层的云层开始发展,强反射率因子中心接地后,地面自动站才开始录得降雨量,这对强降水的预报有一定的指示意义。

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