华南一次长生命史合并型弓形回波致灾大风的形成机理
文摘
科学
2024-08-26 11:41
江苏
弓形回波是致灾最为严重的强对流天气之一，常在近地面产生直线大风，其风速甚至可达到龙卷量级。在我国华南前汛期，强对流天气频发，经常出现弓形回波及灾害性大风事件，造成重大人员伤亡和经济财产损失。过去研究主要关注单个弓形回波（称之为经典型弓形回波）产生致灾大风的物理机制。然而Zhou et al. (2023)的最新研究发现，发生在我国华南地区的弓形回波常与其他对流系统合并（即合并型），并产生更强的灾害性天气。目前对合并型弓形回波灾害性大风的形成机制知之甚少。2017年4月21日，华南地区发生了一次具有超长生命史的弓形回波过程，持续时间超过15小时(图1)。该过程导致广东省大部分地区出现大到暴雨，并伴有雷暴、短时大风和局地冰雹等灾害，多地气象站记录的风速超过八级，最大可达32.4 m s-1。本文基于广东省4部S波段多普勒雷达观测、自动站大风数据和WRF数值模拟试验，对该次过程的致灾大风形成机理展开分析。图1. 2017年4月21日广东省4部雷达的组合反射率拼图（阴影，单位：dBZ），(a) 01:00, (b) 02:00, (c) 03:00, (d) 04:00, (e) 05:00, (f) 06:00, (g) 07:00和(h) 08:00。雷达观测表明，华南地区存在两个中尺度对流系统(MCS)，其中西侧MCS的南端具有明显的局部弓状特征，东侧是一个残存的MCS (图1c)，二者在发展过程中逐渐合并形成一个成熟的弓形回波 (图1f)。受此次过程的影响，多地自动站均观测到有大风产生(图2)。对流系统合并前(03-05UTC)，大风主要位于其南端的弓状回波顶点附近，数量较少(图3a)；系统合并阶段 (06-07UTC)，有大风记录的站点数达到峰值，大风主要位于合并区域附近(图3c)。![]()
图2. (a) 2017年4月21日03:00-10:00站点大风数量(≥17.2 m s-1)，(b) 2017年4月21日03:00-08:00大风的位置（彩色点），灰色阴影表示对应整点时刻广东省4部雷达的组合反射率拼图（单位：dBZ）。图3. 2017 年4月21日站点大风记录以及对应时刻的雷达反射率（单位：dBZ），时间分别为(a) 04:00, (b) 05:00, (c) 06:00和 (d) 08:00。
定量的动力学诊断分析表明，系统发展初期的致灾大风主要受下沉的后向入流急流（RIJ）影响，将高空动量下传到近地面产生大风(图4)。RIJ开始位于3 km高度附近，是低频重力波受系统前侧对流线的热力强迫产生。随着时间推移，RIJ前侧的下沉气流逐渐增强，最终导致RIJ下沉至地表。通过对垂直动量方程的收支诊断，发现下沉气流先是由冷池的负浮力引发，此后降水导致的水凝物拖曳进一步增强其下沉（图6a）。
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图4. 模拟的2017年4月21日弓状回波顶点附近垂直剖面上的系统相对风场（箭头，垂直方向放大5倍），地表相对风速（白色实线，单位：m s-1）和扰动温度（阴影，单位：K），时间分别为(a) 03:00, (b) 03:30, (c) 04:00, (d) 04:30, (e) 05:00和(f) 05:30。黑色实线表示40 dBZ的反射率等值线，黄色虚线表示从-0.5 m s-1开始的下沉气流，间隔-0.5 m s-1。在系统合并阶段，对流合并加强了线尾涡旋的低层辐合，通过垂直涡度的拉伸导致其向下发展和增强(图5)，最终该β中尺度涡旋的旋转流与环境流的叠加产生了范围更广、强度更大的灾害性大风（图6b）。![]()
图5. 模拟的2017年4月21日500 m MSL 的水平风场（箭头）和垂直涡度（等值线， 单位：s-1），时间分别为(a) 05:00, (b) 05:30, (c) 06:00, (d) 06:30, (e) 07:00和 (f) 07:30。正负垂直涡度分别用红色实线和蓝色虚线表示，从±1×10-3 s-1 开始，间隔为±2×10-3 s-1。阴影部分为雷达组合反射率（单位：dBZ），(a)-(c)中的绿色框表示平均垂直涡度的计算区域。
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图6. 弓形回波(a)初期和(b)合并阶段近地面大风生成的概念模型
该研究成果《Dynamics of Two Episodes of High Winds Produced by an Unusually Long-Lived Quasi-Linear Convective System in South China》发表在《Journal of the Atmospheric Sciences》。论文第一作者兼通讯作者为南京大学徐昕教授，主要合作者为南京大学2020级硕士研究生居圆圆、赵坤教授，俄克拉荷马大学薛明教授和南京气象科技创新研究院的张树时副研究员，南京大学为论文通讯单位。本论文研究受国家自然科学基金（42122036，42230607）、中央高校基本科研业务费专项资金（14380222）和灾害天气国家重点实验室开放课题（2024LASW-A01）的联合资助。
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