CCRL  >> Vol. 8 No. 5 (September 2019)

    冷涡背景下两次飑线过程对比分析
    Comparative Analysis of EA and BL Squall Line Processes under the Background of Cold Vortex

  • 全文下载: PDF(5911KB)    PP.610-618   DOI: 10.12677/CCRL.2019.85067  
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作者:  

陈 浩:河北省气象局,河北 石家庄;
杨珊珊,石文雅,沈梦宇:石家庄市气象局,河北 石家庄

关键词:
冷涡飑线对比分析Cold Vortex Squall Line Contrast Analysis

摘要:

本文利用1˚ × 1˚ 6 h的NCEP FNL资料,并使用WRF V3.1数值模式模拟,选取发生地理位置均在40˚N、118˚E附近,冷涡背景下的两次飑线过程的潜势条件进行对比分析。得到以下结论:1) EA型飑线个例的冷涡是极地高空冷槽加深形成切断低压,继而发展形成冷涡,BL型飑线个例的冷涡是蒙古冷槽加深切断形成的。2) EA型飑线个例比BL型飑线个例发生的环境场更不稳定。3) EA型飑线个例发生时水汽条件较好。4) EA型个例在飑线形成时有明显的气压,露点温度,风速的骤变,BL型较弱。

In this paper, we make a comparative analysis of EA and BL squall line processes under the back-ground of cold vortex with the same geographical location at 40˚N and 118˚E, the NCEP FNL data and TBB data are used, and use the WRF V3.1 numerical model to simulate the results. We get the following conclusion: 1) The EA type cold vortex is a deep high-altitude cold trough deepening to form a cut-off low pressure, and then developing to form a cold vortex. The BL type cold vortex is formed by deepening and cutting the Mongolian cold trough; 2) The EA squall line is more unstable than the BL squall line; 3) The water vapor condition is better when the EA squall line occurs; 4) In the case of the EA type, there is a significant air pressure at the formation of the squall line, the dew point temperature, the sudden change of the wind speed, and the BL type is weak.

1. 引言

已有不少学者对冷涡背景下的飑线过程进行过分析研究,杨珊珊 [1] 指出飑线的发生有明显的月变化和日变化,约58.8%的飑线发生在7月。曹倩 [2] 指出在飑线发展过程中,新生单体不断在对流区前沿触发加强以及对流单体合并与增长使得飑线系统得以长时间维持,而成熟单体减弱为后方的层状云降水区,正是单体的生消交替保证飑线系统向前传播。张哲 [3] 指出飑线发生发展期间,对流层中层存在正在发展加深的槽,近地面则是偏南暖湿气流和西北干冷气流交汇形成的辐合线,天气尺度环境强迫较强,有利于强对流的触发和发展。吴瑞姣 [4] 把趙线的天气背景分成五种类型:浅槽型、深槽型、高压边缘型、槽后型和冷涡型。江淮飑线多出现在西风槽前,深槽型飑线引起的地面降温幅度最大,深槽型和冷涡型飕线的雷达回波核较高,天气也更为剧烈,除了降水和雷暴大风外,还可出现冰雹或龙卷。但是对于飑线的对比分析较少,本文对冷涡背景下的两次飑线过程进行对比分析,旨在找出不同飑线的特征,以期提高对冷涡背景下飑线的认识。

2. 资料及数据选取

根据Meng [5] 对飑线的定义:1) 一个连续的或准连续的40-DBZ反射带长度至少100 km,生命时长至少3小时;2) 40 DBZ区域具有线性或带有一个明显的共同前缘准线性的形状。3) 镶嵌有35 dBZ带的40 dBZ带是严格连续的,再Bluestein [5] 对飑线形成方式的分类(图1):embedded areal嵌套区线型(EA):中尺度对流回波带嵌在大片降水回波中而形成飑线。broken line断续线型(BL):在低层辐合带上,当对流发生的条件成熟时,沿辐合带不断形成小的对流单体,形成飑线。broken areal离散区线(BA):小的对流单体大片零星形成,当对流单体被某种中尺度系统影响时,零星单体集合成带,镶嵌移动或者传播形成飑线。back building后续线型(BB):在低层辐合带的某一部分不断有对流单体生成,或在老单体后部生成新单体并与老单体合并,移出的单体不断发展成熟,最后形成飑线。

本文选取冷涡背景下的嵌套区线型飑线(简称EA)和断续线型(简称BL)飑线各一例。EA型飑线选取的是2009年7月22日北京的一次飑线过程(图3),中尺度对流回波带嵌在大片降水回波中而形成飑线,BL型飑线选取的是2008年6月23日北京的一次飑线过程(图2),在低层辐合带上,当对流发生的条件成熟时,沿辐合带不断形成多个小的对流单体,对流单体不断壮大连接最终形成飑线。这两个飑线个例的发生地理位置均在40˚N、118˚E附近。本文利用1˚ × 1˚ 6 h的NCEP FNL资料,并使用WRF V3.1数值模式,对两次飑线个例进行了对比分析。

Figure 1. Idealized depiction of squall-line formation (Bluestein and Jain, 1985)

图1. 飑线形成方式理想化示意图(Bluestein and Jain, 1985)

Figure 2. Squall line of June 23 in 2008

图2. 2008年6月23日BL型飑线示意图

Figure 3. Squall line of July 22 in 2009

图3. 2009年7月22日EA型飑线示意图

3. 结果对比分析

3.1. 天气尺度环流特征对比

2009年7月22日、2008年6月23日两次飑线过程期间北京均出现降水。2009年7月22日北京、河北、天津地区共出现8站次大风,三站次大雾天气。2008年6月23日北京、河北、天津共出现21站次大风,2站次暴雨、1站次大雾天气。从图4图5可以看出,2009年7月22日08时不稳定能量明显大于2008年6月23日。2008年6月23日925 hPa有明显垂直风切变。

Figure 4. T-lnp map of Beijing station at 08:00 on June 23, 2008

图4. 2008年6月23日08时北京站T-lnp图

Figure 5. T-lnp map of Beijing station at 08:00 on July 22, 2009

图5. 2009年7月22日08时北京站T-lnp图

两次飑线过程均是在冷涡背景下发生的,但天气尺度环流形势有所差异。从2009年7月18日~23日逐日的500 hPa形势场(图略)分析发现,此次冷涡是极地高空冷槽加深形成切断低压,向南发展在 7 月 20 日 形成冷涡,冷涡中心位置位于60˚N,135˚E,冷涡向南移动在 7 月 22 日 到达我国东北地区,飑线发生在冷涡的西南部。飑线成熟时在200 hPa (图6(a))高空出现横跨我过北方地区的高空急流,且飑线出现在急流轴的中心位置40˚N附近,急流速度达55 m/s。700 hPa形势场(图略)可以看出,飑线出现的对应地区风速较500 hPa (图略)小,飑线的南部出现切变线,925 hPa (图略)形势场显示EA型飑线出现前6 h对应地区东北部有切变线存在,温度为 24 ℃

从2008年6月22日~28日逐日的500 hPa形势场(图略)分析发现, 6 月 22 日 蒙古高空冷槽加深切断形成,在 6 月 23 日 08 时 冷涡发展成熟,冷涡中心位于45˚N,113˚E,冷涡的东南部开始形成零星的对流回波,并逐渐形成飑线。飑线成熟时时200 hPa (图6(b))高空形势场可以看出飑线出现在急流轴的偏北部边缘处,风速较EA型的小。500 hPa (图略)形势场上可以看出BL型飑线位于冷涡的东南部,位于偏西风气流中。700 hPa (图略)形势场显示BL型飑线的南部有切变。

Figure 6. Left is a composite diagram of EA squall line in the background of cold vortex, right is a composite diagram of BL squall line in the background of cold vortex. (Black solid line, unit: GPM, jet (shadow part, unit: m/s) and wind field (wind direction bar) temperature (red dotted line, unit: centigrade) black solid zone representing the position of squall line)

图6. 图左为冷涡背景下EA型飑线成熟时合成图,图右为冷涡背景下BL型飑线成熟时的合成图(黑色实线,单位:gpm、急流(阴影部分,单位:m/s)和风场(风向杆)温度(红色虚线,单位:℃)黑色实心区代表飑线的位置)

3.2. 风场和温度平流对比

图7分别是EA型和BL型飑线发生前6 h各高度场的风场和温度平流场。从500 hPa (图7(a))形势场上可以看出EA型飑线发生前6 h对应地区位于冷暖平流交界处,西北部有暖平流,东南部有冷平流,700 hPa (图略)和850 hPa飑线对应地区均处于强暖平流中。这种上冷下暖的配置配合上高层幅散低层辐合,对应地区极易产生对流系统。12时500 hPa形势场上飑线对应地区为暖平流,西北部为冷平流,700 hPa形势场上飑线对应地区为冷平流,850 hPa形势场上飑线对应地区以及附近地区均为暖平流。中低层为不稳定层结。

Figure 7. The left figure is the distribution of temperature and wind field (EA) on 06UTC Jul 23 2009, the right figure is BL type on 06UTC Jun 23. (The whole wind plume indicates 4 m/s. The collocation indicates the temperature advection, unit is 10 - 6 degrees/s, black solid point represents the squall line position)

图7. 图左为2009年07月22日06时UTC (EA型)温度平流与风场的分布图,图右为2008年06月23日06时(Bl型)温度平流与风场的分布图(全风羽表示4 m/s,填色表示温度平流,单位:10℃/s~6℃/s,黑色实心点代表飑线位置)

从500 hPa形势场上可以看出BL型飑线发生前6 h,对应地区处于冷暖平流交界处,对应地区西南部有强冷平流,南部、东北部、西北部均有暖平流。700 hPa形势场冷暖平流分布和500 hPa形势场一致,南部的暖平流加强。850 hPa形势场上可以看到飑线对应地区为强冷平流,飑线对应地区南部有暖平流,西部有强暖平流。飑线成熟时刻中层为暖平流控制,西南部为冷平流。700 hPa有冷平流,在850 hPa也有冷平流。此时大气呈不稳定状态。EA型飑线发生前6 h有不稳定层结存在,飑线成熟时中低层有不稳定层结存在,BL型飑线在发生前大气呈较弱的不稳定状态,而发生时大气呈较稳定状态。

3.3. 水汽条件对比

图8是EA型飑线和BL型飑线成熟时期水汽通量及其散度图(左EA型、右BL型)。EA型低层有很强的从南海来的自南向北的水汽通量,有明显的水汽辐合,中层有大量西北-东南方向的水汽,中层有辐散。这种配置有利于对流系统的形成。

Figure 8. Water vapor flux and its divergence on July 22, 2009 and June 23, 2008

图8. 2009 年 7 月 22 日 12 时 和2008年6月23日12时UTC水汽通量及其散度图水汽通量(黑色箭头:g/hPa/cm/s)和水汽通量散度(阴影部分:10~6 g/hPa/cm2/s)

BL型飑线形成对应地区的西北和东南部在850 hPa和925 hPa均有明显的水汽辐合,在500 hPa、700 hPa有水汽辐射,低层有大量偏南-北方向的水汽通量从海上源源不断的汇集于此,高层有西北-东南方向的水汽汇集于此。

4. WRF模拟结果对比分析

4.1. 地面物理量场模拟结果

图9为中尺度对流系统发生前后沿118˚E,40˚N的模拟输出的2 m露点温度地面气压、风速的时间剖面图。结合图9(a)和图9(c)可以看出在飑线形成期,有气压骤减和风速递减。从图9(b)中可以看出,飑线成熟期,露点温度降低,湿度增大。

Figure 9. Analog output data at 118˚E, 40˚N on June 23, 2008, from 06UTC to 12UTC

图9. 2008年6月23日06时~12时(图中坐标轴为世界时)沿118˚E,40˚N的模拟输出,(a)地面气压(hPa)、(b) 2 m露点温度(℃)、(c) 10米风速(m/s)

图10为中尺度对流系统发生前后沿118˚E,40˚N的模拟输出的2 m露点温度、地面气压、 10 米 风速的时间剖面图。结合图10(a)和图10(c)可以看出在飑线形成期,有气压骤减和风速递减。从图10(b)中可以看出,07~08时,露点温度突增,湿度降低,在08~12时,飑线逐渐发展成熟阶段,露点温度明显降低,湿度增大。

Figure 10. Analog output data at 118˚E, 40˚N on July 22, 2009, from 06UTC to 12UTC

图10. 2009年7月22日06时~12时(图中坐标轴为世界时)沿118˚E,40˚N的模拟输出,(a)地面气压(单位:hPa)、(b) 2 m露点温度(℃)、(c) 10米风速(m/s)

4.2. 中尺度对流系统及其环境场的模拟结果

2008 年 6 月 23 日 06~12时中尺度对流系统中心做涡度,散度,垂直速度的剖面图和925 hPa水汽通量图(图11),图11(a)为涡度的剖面图,由图可见,6月23日10时(飑线的形成期)中层以下为正涡度区,中层以上位负涡度区,中低层有上升运动,配合上散度场(图11(b)),10时中层以下低层为负散度区,高层为散度正值区,低层辐合高层辐散,图11(d)为垂直速度剖面图,10时350 hPa以下垂直速度为正值,有上升运动。在 2008 年 6 月 23 日 10 时 有明显的从东南向西北方向的水汽通量,低层暖湿气流不断汇集到对应地区,为对流系统的发展提供了条件。

Figure 11. Vertical distribution of physical quantities along 118˚E, 40˚N from 06UTC-12UTC on June 23, 2008

图11. 2008年6月23日06时~12时(图中坐标轴为世界时)各物理量沿118˚E,40˚N的垂直分布。(a)散度(10~51/s);(b)垂直速度(m/s);(c)涡度(m/s)

2009 年 7 月 22 日 06~12时中尺度对流系统中心做涡度,散度,垂直速度的剖面图和925 hPa水汽通量图(图12),图12(a)为涡度的剖面图,由图可见, 7 月 22 日 07~08时(飑线的形成期)中层以下为正涡度区,500 hPa~300 hPa为负涡度区,中低层有上升运动,09时,700 hPa以下为正涡度区,700~400 hPa为负涡度区。配合上散度场(图12(b)),07~08时低层以下低层为负散度区,700 hPa~800 hPa散度正值区,低层辐合中层辐散,09时,低层以下为散度负值区,低层以上至高层均为散度正值区,低层辐合,高层辐散。图12(d)为垂直速度剖面图,08时整层垂直速度为正值,有上升运动。09~11时,整层垂直速度为正值,上升运动。在 2009 年 7 月 22 日 08 时 有明显的自南向北方向的水汽通量,低层暖湿气流不断汇集到对应地区,配合上低层幅散高层辐合,强烈的上升运动,为对流系统的发展提供了条件。

5. 结论与讨论

本文通过对两例冷涡背景下飑线过程进行分析,得到以下几个结论:

1) EA型飑线个例的冷涡是极地高空冷槽加深形成切断低压,继而发展形成冷涡,飑线发生在冷涡的西南部,BL型飑线个例的冷涡是蒙古冷槽加深切断形成的,飑线发生在冷涡的东南部,两次飑线过程的触发机制均是低层切变线。

Figure 12. Vertical distribution of physical quantities along 118˚E, 40˚N from 06UTC to 12UTC July 22, 2009

图12. 2009年7月22日06时~12时(图中坐标轴为世界时)各物理量沿118˚E,40˚N的垂直分布。(a)散度(单位:10-51/s);(b)涡度(单位:m/s);(c)水汽通量;(d)垂直速度(单位:m/s)

2) EA型飑线个例比BL型飑线个例发生的环境场更不稳定。

3) EA型飑线个例发生时水汽条件较好。

4) 两个飑线的形成阶段,高层辐散低层辐合,有上升运动,对流活动加强,低层水汽供应充沛,有利于中尺度对流系统的发展。EA型在飑线形成时有明显的气压,露点温度,风速的骤变,BL型较弱。

文章引用:
陈浩, 杨珊珊, 石文雅, 沈梦宇. 冷涡背景下两次飑线过程对比分析[J]. 气候变化研究快报, 2019, 8(5): 610-618. https://doi.org/10.12677/CCRL.2019.85067

参考文献

[1] 杨珊珊, 谌芸, 李晟祺, 等. 冷涡背景下飑线过程统计分析[J]. 气象, 2016, 42(9):1079-1089.
[2] 曹倩, 杨茜茜, 叶丹, 等. 一次飑线过程的雷达观测和数值模拟分析[J]. 干旱气象, 2016, 34(2): 305-316.
[3] 张哲, 周玉淑, 高守亭. 一次辽东湾飑线过程的观测与数值模拟分析[J]. 大气科学, 2018, 42(5): 1157-1174.
[4] 吴瑞姣, 陶玮, 周昆, 等. 江淮灾害性大风雕线的特征分析[J]. 气象学报, 2019, 45(2): 155-165.
[5] Meng, Z. and Zhang, Y. (2012) On the Squall Lines Preceding Land Falling Tropical Cyclones in China. Monthly Weather Review, 140, 445-470.
https://doi.org/10.1175/MWR-D-10-05080.1