一次渤海强对流天气系统监测与大风成因探讨

2013-11-14李延江景华李江波常志坤张宝贵

海洋预报 2013年1期

李延江，景华，李江波，常志坤，张宝贵

（1.秦皇岛海洋气象台，河北秦皇岛 066000；2.河北省气象台，河北石家庄 050021；3.沧州海洋气象台，河北沧州 061000）

1 引言

强对流是指伴随雷暴现象的对流性大风、冰雹及短时强降水灾害性天气。2011年9月1日01—06时，唐山、天津出现暴雨及短时大风、冰雹天气，渤海西部沿海地区出现了东北大风天气，其中，沧州海岸带风速最大为30.8 m/s，20 m/s持续时间为1h以上，黄骅港5根直径为30 cm缆桩被拉断，6艘800吨以上船舶发生碰撞，并出现局部风暴潮灾害，直接经济损失达8千万人民币以上。关于强对流灾害天气研究一直被相关学者所关注：20世纪50年代,Fujita提出了中尺度分析的概念，随着强对流预报的日益需求，中尺度分析技术在美国逐步发展起来，Wilson和Kingsmill等利用天气雷达及自动站资料对边界层辐合线对雷暴天气触发机理进行一系列研究，指出边界层辐合线的监测和特征识别是雷暴形成、发展和消亡的关键所在，在有利对流天气背景下，冷锋与海风锋叠加雷暴天气相对剧烈；20世纪90年代初,美国天气局在几个业务中心推行地面天气统一分析过程中,强调对干线、边界层辐合线等与中尺度系统发生发展相关内容的分析，可以较好地做出强对流天气的潜势预报。而强对流天气临近预报的重点是观测系统的建设和最新监测技术的应用，目前美国、英国、加拿大、澳大利亚、法国、日本和韩国等国家，都建立了自己的强对流天气监测与短时临近预报系统。

我国的强对流天气监测与短时临近预警业务研究起步于2000年以后。俞小鼎[1]、卢焕珍[2]、王彦[3]等人借助多普勒天气雷达对产生雷暴大风的对流风暴进行个例分析，总结出雷暴大风时雷达回波的主要形态（弓状回波、阵风锋、带状回波）、大风来临前反射率因子核心下落、径向速度场有辐合特征等结论，并对一些中尺度对流系统中地闪、云顶亮温与雷达回波的关系进行了研究。贺靓[4]、郭庆利[5]、梁卫芳[6]、张伟红[7-8]等应用卫星资料、多普勒雷达、闪电资料、自动气象站资料，对近年来海岸带地区发生雷电、大风个例进行分析，得出雷暴发生条件、中尺度系统动力因子、高低空配置及分型，这些成果大多为陆地或海岸带定性的描述和分析。对海区中尺度强对流系统直接或间接引发的海洋突发性强风的机理的研究甚少，相关的灾害天气的预报、预警尚未在实际海洋气象业务中开展。

本文利用红外云图云顶亮温、三部多普勒雷达、海岛站、浮标站及海洋模式产品等同步资料，研究入海前后的强对流中尺度系统空间结构特征；分析海区“横向”切变线东北向急流与多单体风暴后部下沉气流叠加对南部岸区海区风场增大成因；探讨海区中尺度强对流系统致灾的气象条件及数值产品的可预报性及相关因子；为海区强对流天气监测及气象衍生灾害预报技术研究提供参考依据和预警指标。

2 强对流天气背景简述

2.1 强对流天气时段影响系统及形成灾害落区配置

2011年9月1日01—06时，从图1上看，受500 hPa西风急流与冷空气引导的920 hPa切变线南压影响，在渤海西部岸区-海区形成了有利于强对流天气发生发展的形势场，在中尺度系统层结不稳定、动力、水汽因子的耦合下，导致渤海西部海区-海岸带地区强对流天气的发生，沿岸唐山、天津岸区先后出现短时暴雨、大风及冰雹天气，渤海西部海区出现了东北大风天气。其中沧州海岸带最大风速达30.8 m/s，20 m/s持续时间达1 h以上，同时9月1日（农历八月初四）接近沧州沿海海域的天文大潮日，在大风增水的作用下，最高潮位达到5.5 m，超过警戒水位0.7 m，黄骅岸区出现了风暴潮灾害。

2.2 使用资料

结合国家海洋预报中心和河北气象台实际预报预警信号发布情况，分3个层面综合分析此次强对流天气发生发展的同步时段的多种中尺度监测资料及数值产品预报能力检验。（1）FY-2E卫星红外云图TBB资料、探空及20时天气图，分析主要影响系统生成演变宏观特征、高低空配置及层结稳定度；（2）入选同步秦皇岛、天津、沧州天气雷达资料，叠加分析反射率因子与冰雹产品，分析低仰角径向速度及风廓线VWP低层风场反演微观特征；（3）入选同步T639物理量、海洋模式产品、雷电3h实况，模拟FY-2E、雷达同步资料中尺度系统外推，检验其预报能力，探讨“实际”可预报性因子；（4）实况资料以河北-天津海区的海岛站、海上平台监测资料及乐亭探空为主，辅助为海岸带区域加密站、闪电资料资料等。

图1 2011.9.1强对流天气过程主要影响系统与不同灾害天气落区配置

3 环渤海综合监测资料分析

3.1 卫星FY-2E红外云图云顶亮温监测

气象卫星红外通道的观测值，是云顶和无云区地球表面向太空发射的辐射。通常将它以相当黑体温度（Black Body Temperature,TBB）表示称之“亮度温度”。近5年20个海岸带强对流天气个例监测分析表明：华北低槽东移带状云系红外云图的TBB值类似“正态”分布，即由低→高→低；中尺度像元TBB值强中心一般对应值为-32→-52→-36℃；中尺度云团由西岸区入海后减弱，进入东岸区后加强并伴有短时雷雨、大风天气；与上述不同的是低层为850—925 hPa出现横向切变线南压，对应中尺度云团沿西岸区南移发展，进入渤海湾天津海区后，没有减弱，NE向风速迅速加大并伴有短时雷雨天气。

3.1.1 2011年9月01—06时FY-2E红外云图中尺度云团的演变过程

中尺度云带动态演变过程相似于天气学中的“横槽转竖”，但尺度不同。在9月1日1时（见图2），从吉林东部至北京一线有次天气尺度带状混合云区在渤海北部出现分离，云团中尺度象元TBB值为-52℃，燕山一带弱低云系与北京地区中小尺度云团呈合并趋势；2时（北京时）北京一线中尺度云团加强面积比1 h之前扩大2倍，主体移速减慢TBB值少变，此时对应地面实况是北京南部、天津、及唐山出现短时暴雨、冰雹、雷电天气；随后在03—04时（北京时）中尺度云团入海加强发展，面积覆盖渤海大部，中尺度象元为-63℃→-52℃，主体移速减慢TBB值减弱，此时对应海区实况是秦皇岛、唐山、天津、沧州先后出现NE大风天气，沧州海区为大风中心，降水强度减弱；05—06时（北京时）渤海湾中尺度云团移向偏东，中尺度象元为-53℃→-42℃，位于吉林东部主体移速逐渐加快但TBB值继续减弱，此时对应海区实况是天津、沧州NE大风天气，沧州黄骅出现风暴潮；从云团动态特征分析表明：1—6 h主体云带静止少动，强度减弱，移向NE；影响渤海的强对流云团是一个由弱到强快速发展过程，前期移向为NW→SE向，后期则由SW→NE向移动；形象一点讲相当于云带后部快速“下摆”一下，然后有恢复到主体云带的引导气流之中。中尺度象元-52℃区域监测结果与同步雷电、雷达及实况拟合接近一致，但分辨率明显低于雷达监测值。

图2 强对流天气过程红外云图TBB渤海区域01—06时（北京时）演变特征（单位/℃）

图3 秦皇岛多普勒S波段雷达1时30分组合反射率因子与冰雹叠加图（单位/dBz）

图4 秦皇岛多普勒S波段雷达0.5°仰角30分钟间隔动态径向速度图

3.2 同步天气雷达监测分析

目前，环渤海岸区有5部多普勒天气雷达，其中西部岸区有3部，均为S波段（10 cm），反射率因子回波工作半径约230 km，径向速度回波半径约115 km，由于各地雷达高度不同，国内雷达拼图仅局限于反射率因子，秦皇岛与天津雷达径向速度工作半径大于129 km，目前技术不能同步反演风场，因此，海区同步风场分析采用上、下游单部雷达对比分析，岸区强降水、冰雹特征以秦皇岛雷达反射率因子冰雹产品叠加分析为主。

3.2.1 秦皇岛雷达回波分析

2011年9月1日1时30分在秦皇岛至天津一线的强对流天气回波区已经造成局部暴雨和冰雹天气（见图3），强回波带水平尺度230×30 km,强度45—55 dbz,回波顶高ET9—11 km,移向海岸带至海区即NW→SE向,移速为50→60 km，其中，（见图3）△区域对应雷达冰雹产品叠加，最大冰雹直径约3 cm；前部为多单体风暴，同步生成块状水平尺度30×40 km,单体风暴，强度55—60 dbz,对应天气为短时雷雨大风，持续时间1—2 h,进入海区后强度少变；3h后回波主体进入西部海区，在低层风场辐合及超低空急流作用下，强度有所加强，见（见图4）为秦皇岛雷达0.5°仰角30分钟间隔动态径向速度图，04—05时低空急流“牛眼”低层入流沿海岸带NE→NW向,高层出流在渤海湾一线，115 km以外出现大于27m·s-1速度模糊，同时我们也看到秦皇岛雷达0.5°仰角径向速度因地形影响东南部海区监测受限较重。与此同时，（见图5）雷达04—06时（北京时）6 min间隔垂直风场VWP反演图给出了风场的数值模拟，进一步证明上述定性分析，在04—05时1200 m高度有20m·s-1低空急流，05—06时高度下降到600 m左右，整个空间风场反演风向风速水平切变和垂直切变较大，有利于强对流的维持与发展。

图5 秦皇岛多普勒S波段雷达4—6时（北京时）6分钟间隔垂直风场VWP反演图

图6 天津多普勒S波段雷达1.5°仰角30 min间隔动态径向速度图

3.2.2 天津雷达径向速度及VWP反演

天津雷达位于秦皇岛雷达的下风方，径向速度有效距离大于115 km，所以秦皇岛雷达的“牛眼”高层大风值中心出流区，相对天津雷达为低层入流区，雷达高度低于秦皇岛50 m，故用同S波段雷达1.5°仰角30分钟间隔动态径向速度图对比分析（见图6），大风来临前3—4个体扫反射率因子“回波核”重心下降近地面，对应径向速度场有明显辐合特征，04—05时低空急流“牛眼”入流渤海湾NE→NW向,出流大值区在沧州海区一线，回波在115 km以内，没有出现大于27m·s-1速度模糊，同时我们也看到天津雷达1.5°仰角径向速度图拟补秦皇岛雷达东南部海区监测受限海区。（见图7）雷达05—06时（北京时）6 min间隔垂直风场VWP反演图给出了风场的数值模拟，进一步证明上述定性分析，在05—06时300—600 m高度有20m·s-1东北向低空急流，与黄骅海岸带垂直，对应了风暴潮风速时段，整个空间风场反演风向风速水平切变和垂直切变较大，有利于渤海湾强对流天气系统的维持。

图7 天津多普勒S波段雷达04—06时（北京时）6 min间隔垂直风场VWP反演图

图8 沧州多普勒S波段雷达0.5°仰角30分钟间隔动态径向速度图

3.2.3 沧州雷达径向速度及VWP资料分析

沧州S波段雷达在天津雷达115 km监测范围内，风场监测特征值误差较小，由于雷达第一象限处于大风区，加之周边均为降水，仅有速度模糊，还存在速度距离折叠的问题。04—05时低空急流“牛眼”入流沧州海区NE→NW向（见图8）,出流大值区在沧州岸区区一线，回波在由于海区出现大于27m·s-1速度模糊，用最大速度不模糊估算，参考海岛平台站实测资料，海区的瞬时最大风速可达36m·s-1以上，（见图9）雷达5—6时（北京时）6 min间隔垂直风场VWP反演图给出了风场的数值模拟，进一步证明上述定性分析，在04—06时300—600 m高度有20m·s-1东北向低空急流，与黄骅海岸带垂直，在多单体风暴后部下沉气流及天文大潮共同作用下，出现黄骅岸区风暴潮灾害。风速加大并强度持续是海水向海岸带地区推进的主要动力因素之一。

3.3 海岛站及海上平台大风监测

图9 沧州多普勒S波段雷达04—06时（北京时）6 min间隔垂直风场VWP反演图

海岛及海上平台资料站点位置自北向南排序，分为秦皇岛-唐山近海海区、天津海区及沧州海区。风向风速变化主要分为2个时段：

A：上游海区起风时间为31日23时至零时，秦皇岛-唐山近海海区转为NE风风速逐渐加大，9月1日03—04时逐渐减弱，最大风速19m·s-1；

B：下游海区起风时间为9月1日03—06时，天津近海海区S转为NE风风速逐渐加大，06—07时逐渐减弱，最大风速21m·s-1；

C：沧州变化较大，9月1日3时，近海海区由SW转为NE风，风速突然加大，07—08时逐渐减弱，最大风速31m·s-1；整个风场前期SW风一直偏弱，最大不足5m·s-1，中后期转为NE风时风速由北向南逐渐增大，明显看出与超低空急流走向有关，而沧州海区突然加大与海区风暴单体后部下沉气流有关，二者叠加作用是加大了该海区的低空急流的NE风分量；同时也进一步检验上述3部雷达近海海区的风场监测能力与风场VWP的反演结果的可信度，前提条件为体扫面积PPI大于2/3。

致灾气象条件为：在中尺度多单体风暴入海背景下，925 hPaNE向低空急流与沧州海区多单体风暴后部下沉气流的NE风分量产生叠加，且风向与岸区垂直，30m·s-1以上NE大风持续20 min，20m·s-1以上NE大风持续1 h以上（见表1）。

3.4 雷电资料

雷电监测是目前最新的近海大气监测项目之一。大量的天气雷达对比观测、卫星探测仪以及实况监测等综合分析表明，强对流天气短时暴雨和冰雹过程均出现了地闪密集区,冰雹过程中正地闪占总地闪比例高于短时暴雨过程;主要分布在45 dBz以上的强回波区内,和暴雨持续时间相当,负地闪最密集区位于风暴的核心部位。负地闪频数比强回波面积提前30—70 min到达峰值，对于海区强对流大风预报预警具有一定意义，特别是降低冰雹预报的虚警率。

从此过程明显看出与上述综合分析结果近似，见（见表2）秦皇岛地区01—04时（北京时）出现闪电，正地闪大于负地闪，次数较少不足50，降水小于10 mm，强对流风暴入海后产生大风天气；唐山闪电次数大于500，其中负闪为-401，海岸带出现暴雨，天津负闪为-331，出现短时暴雨局部冰雹天气；沧州雷电时间偏晚2 h以负地闪为主降水强度为小-中雨，不然会加重风暴潮灾害。

3.5 探空资料

众所周知，强对流天气发生发展有3个基本条件，不稳定层结、水汽条件及抬升条件。也可以称之水汽与层结为内部条件，抬升为外部条件，强对流天气预报气块理论源于T-Lnp图解方法。目前河北乐亭探空站（54539站）是距离渤海西部海区最近的探空站，由于海区多单体风暴初始发生时间与探空资料时差约2 h，可以近似代替中尺度系统垂直空间层结稳定度的实况特征值。应用探空资料自动分析系统（SANDS）给出3个主要时段特征值为：31日08时，K指数为20℃,K指数滞后，沙氏指数SI为0.9℃，对流有效位能Cape为996 J/kg，0—6 km垂直风切变为8.1m·s-1，0—2 km垂直风切变为4.3m·s-1，其层结稳定度、热力动力综合特征值未达到强对流天气发展初级条件；31日20时（见图10）K指数为33℃，SI-3.8℃，对流有效位能Cape=1555 J/kg；0—6 km垂直风切变为7.9m·s-1，0—2 km垂直风切变为9.0m·s-1低层辐合逐渐增强，云中最大上升速度28.7m·s-1，大风指数18m·s-1，下击气流指数1.9；具备了中尺度强对流天气动态发展中的对流层结稳定度、热力动力综合基本条件；9月1日08时，K指数为26℃，沙氏指数SI为8.1℃，对流有效位能Cape为0 J/kg，0—6 km垂直风切变为18.5m·s-1，0—2 km垂直风切变为12.0m·s-1低层辐合逐渐增强，云中最大上升速度28.7m·s-1，大风指数25m·s-1，下击气流指数2.2，预示岸区强对流天气系统处于即将结束时段，渤海湾海区处于强对流系统初级发展时段。

表1 海岛站、海上平台最大风向风速实况（8月31日21时—9月1日08时）（单位/(°/m/s)）

表3 渤海及岸区雷电正、负闪电频数资料（2011年9月1日01—08时）（单位/(个数/h)）

图10 河北乐亭2011年8月31日20时探空站T-Lnp图

4 同步数值预报产品定性检验

海岸带-海区强对流天气的生命史，决定了该类天气的预报时效，数值模式预报是海区强对流天气预报的关键技术核心，卫星云图、天气雷达风场反演技术应用的基础来源于海区的实况资料的验证，由于海岛自动站、平台实时资料及细网格数值预报技术的逐步应用，为短时预警工作向精细化方向发展打下良好基础。寻找海区强对流与预报对象时空尺度相匹配的预报因子，延长中尺度影响系统的预报时效，将进一步增强“实际预报”的可预报性。实际预报情况是24 h国家海洋预报中心预报出河北、山东风暴潮区域，但莱州湾没有出现；河北气象台海上大风预报量级偏小6—8 m/s。

4.1 T639海洋数值产品

K指数是表示大气的层结稳定度的常用物理量之一。乐亭探空站距海区不足30 km，导出的K指数与T639模式临近海区格点值接近。从同步卫星云图中尺度云团象元TBB值3h动态对比分析结果看：T639模式海区K指数数值产品大值区域（见图11）与云图（见图2）为-42℃区域比较吻合，移动方向比一致；特别是对沧州05时的预报风场有参考价值；但是31日08时初始场预报产品误差明显较大，对海区的预报能力偏弱，两个时次的东北地区卫星云图实况“主体云区”强度移向误差较大。由于篇幅限制关于云模式产品在下一步研究中探讨。

4.2 海洋风场预报产品

图11 T63920时初始场K指数3h演变图（单位/℃）

图12 天气在线08时初始场海洋模式3h预报图（虚线为切变线）（单位：m·s-1）

目前，气象部门应用的海洋风场预报产品主要来自于北京气象中心T639模式的10 m风场格点报、GRAPES-MESO10 m风场预报及天气在线的渤海风场格点预报等。经近两年天气学检验应用取得较好效果，对由岸区至海区的强对流天气雷达带状回波入海加强与减弱提供了释用依据。海区低层辐合线风场结构，对应带状回波辐合线为“径向型”回波呈减弱趋势，对应带状回波辐合线为“纬向型”回波呈加强趋势，此次过程为“纬向型”故入海后强对流天气发展（见图12），辐合线走向与灾害天气落区基本一致，预报出3h间隔的NE向超低空急流趋势，但是风速明显偏低10—12 m/s，对于海区实际“可预报性”来说是目前海区强对流天气后延预报的重要因子之一，优于主观预报水平。

5 结论

（1）受500 hPa西风急流与冷空气引导的925 hPa切变线南压影响，在中尺度系统层结不稳定、动力、水汽因子的耦合下，导致渤海西部海岸带-海区强对流天气的发生，而沧州海区风速突然加大与该海区南压的925 hPa NE向低空急流与沧州海区多单体风暴后部下沉气流的NE风分量产生叠加有关，且风向与岸区垂直，最大风速达30m·s-1以上，20m·s-1以上NE大风持续1 h，在天文大潮的作用下，大风增水致使沧州黄骅岸区出现了风暴潮灾害。

（2）红外云图TBB中尺度象元为-20°—-65℃，对流云团强弱交替变化为03—06 h，在渤海西岸区-海区加强发展，入海后短时南压后迅速转向东北岸区；三部天气雷达径向速度图同时监测到NE向低空急流“牛眼”时空尺度特征，强回波带的水平尺度230×30 km,强度45—55 dbz,回波顶高ET9—11 km,移向海岸带至海区即NW→SE向,移速为50→60 km，对应岸区天气为短时雷雨、冰雹，持续时间为1—2 h；进入海区后强度少变，VWP风场反演在0.3—0.9 km高度有明显超低空急流，有利于海区强对流天气维持发展。

（3）海岸带地区探空、雷电及实况在20时探空风场垂直切变明显，K指数为33℃，SI-3.8℃，对流有效位能Cape为1555 J/kg，超过强对流天气发生的物理量诊断阈值；雷电监测近海海区01—04时（北京时）出现闪电，正地闪大于负地闪，其中唐山闪电次数大于500，负闪为-401，对应海岸带短时暴雨、冰雹天气及海区大风。

（4）实况探空导出的K指数与T639数值模式临近海区格点预报值接近，海区K指数3h动态大值区域与云图TBB-42℃区域比较吻合，移动方向比较一致；但是31日08时初始场预报产品误差明显偏大，对海区的预报能力偏弱，两个时次的东北地区“主体云区”强度移向基本是错的。海洋风场预报海区辐合线走向与灾害天气落区基本一致，但是风速明显偏低10—12 m/s；尽管如此，仍然是目前海区强对流天气延伸预报的重要因子之一，优于主观预报水平。

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