2013年8月份两次强对流天气过程雷达组合切变产品应用分析

胡玉梅 张艳玲 张鹏飞 卫科

摘 要：利用常规地面、高空观测资料及新一代多普勒雷達产品资料，对2013年8月两次强对流天气过程进行对比分析。结果表明：两次过程500hPa中高纬度贝加尔湖至河套均为低涡或槽区，0801过程850hPa有切变存在，发生强对流地区与切变线位置对应较好，0811过程中低层无明显的切变辐合，发生强对流地区位于高层东北风波动出口区的左侧。两次过程地面都有切变辐合系统存在，均出现了准静止锋式切变辐合。组合切变强回波区就是风切变最强处，与40dBz以上组合反射率因子强回波位置一致，能清晰地指示出风切变的所在和强弱，其位置与地面辐合线位置保持一致，大风区出现在组合切变最强中心附近或前方，极大风速出现在组合切变最强之后的1～3个体扫时间。云顶升伸展高度的前部是风切变最强的区域，由此可判定雷暴大风将出现的区域。

关键词：强对流;组合切变产品;对比分析

中图分类号：P412.25 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0238-05

0 引言

济源市地处豫西北，境内88%的面积为山区和丘陵，地势北高南低、东高西低，天气复杂多变。雷暴大风等强对流天气是济源主要灾害性天气之一，其发生突然、天气剧烈、破坏性强、发生频率高，常造成巨大的经济损失。由于强对流天气生命史短、生消变化快、移动路径复杂，预报难度很大。俞晓鼎[1]等阐述了多普勒天气雷达原理与业务应用，郭媚媚[2]等对肇庆市一次超级单体的多普勒雷达资料进行了分析，程向阳[3]等对雷暴天气在多普勒雷达资料上的前兆特征进行了分析，刘娟[4]等分析了多普勒天气雷达合成切变产品与地面大风关系。他们对新一代雷达应用做了大量的分析与研究工作，在临近预报方面取得了丰富的研究成果，但对多普勒天气雷达的组合切变产品的应用讨论较少。本文利用常规高空探测资料、地面中尺度加密自动站资料以及多普勒雷达产品，对2013年8月1日凌晨和8月11日下午两次强对流天气过程造成的地面大风进行对比分析，以期找出一些特征，旨在探讨组合切变产品在大风预报中的应用，为以后强对流天气中大风的临近预报拓宽思路，提高济源市夏季强对流天气的预报水平和预警服务能力。

1 强对流天气实况分析

8月1日2：00-5：00（以下简称0801过程），济源市自西向东出现了分布不均的阵雨、雷阵雨天气，雷雨时伴有短时强降水、大风、局地小冰雹等强对流天气。短时强降水集中在济源市中部地区，大峪最大降水量67.4mm，其中1h最大降水量54.0mm;大风集中在济源市中部、东部，济源市气象局观测站瞬时最大风速19.6m/s，承留21.3 m/s（图1a）。

8月11日16：00—21：00（以下简称0811过程），济源市自西南向东北出现了分布不均的阵雨、雷阵雨天气，雷雨时伴有短时强降水、大风、局地小冰雹等强对流天气。短时强降水集中在济源市的中、东部一带，济源市气象局观测站过程降水量51.8mm，1h最大降水量40.5mm，瞬时最大风速26.3m/s，承留瞬时最大风速27.5 m/s（图1b）。

两次过程都是低槽收缩东移时影响济源的。两次强对流天气持续时间短、强度大，造成全市城区电力设施受损，全市大面积停电停水，部分路段积水，树木折断，农作物倒伏，大棚受损等，给群众的生命财产和生产、生活造成重大损失。

2 天气背景分析

2.1 高空形势

7月31日08时，500-200hPa中高纬度贝加尔湖到河套为深厚的低涡槽区，低槽位于临河、银川到合作一线，西太平洋副热带高压位于海上;20时副高加强，脊线位于沿海，使东北高脊加强、低槽加深，槽线位于临河、平凉到成都一线。700hPa济源处于东南高西北低的环流形势中。850hPa切变线位于延安到西安一线，济源处于切变线右侧。8月1日08时，副高加强西伸，使低槽收缩东移，切变辐合北抬。在低槽收缩东移过程中，强对流天气发生在584dgpm线边缘、低层切变线右侧。

8月11日08时，500hPa以上中高纬度呈两槽两脊型，贝加尔湖至河套为槽区，低槽位于乌拉特中旗到平凉一线，西太平洋副热带高压非常强大，控制河南、华东及华南地区，北部脊线位于40°N附近，济源处于588dgpm线内西北边缘。700-8500hPa为一致的西南气流，没有明显的切变辐合存在，300-200hPa山东章丘至郑州一线有一东北风波动。20时，副高快速东退至河南京广线附近，北部脊线仍然维持在40°N附近，使低槽收缩北移。在副高东退、低槽收缩东移过程中，强对流天气发生588dgpm线西北部边缘、高层东北风波动出口区的左侧。

强对流天气的出现与大气环流背景有关。以上两次过程形势分析发现：500hPa中高纬度贝加尔湖至河套均为低涡或槽区，0801过程济源市为槽前西南气流控制，850hPa有切变存在，发生强对流地区与切变线位置对应较好;0811过程中低层无明显的切变辐合，发生强对流地区位于高层东北风波动出口区的左侧。

2.2 地面中尺度自动站分析

利用河南省区域自动站10min的地面自动站资料，分析图2中0801（a）和0811（b）两次过程发生前的地面风场和温度场变化。

0801过程发生在凌晨。01：10开始在济源中部至新安出现一准静止锋式切变辐合线，该系统持续到02：10，济源下冶、承留分别出现了瞬时12.9m/s、12.3m/s的极大风速，此时也是济源苏岭产生短时最大雨强之时。之后，系统东移至济源东部地区，受地形影响，风速加大至19.6m/s。03：00济源西南部与新安交界再次出现了东北风与西南风的切变辐合，并不断东移。5：30系统影响结束，济源降水逐渐停止。系统影响前济源观测站气温29.9℃，影响时下降至23.1℃，降幅6.8℃。

0811过程发生在下午。16：30济源中部至新安出现一西南风和东南风的暖式切变辐合。16：40暖式切变辐合线转变为准静止锋式切变辐合线，并移至济源到孟津交界，至17：00，济源下冶、承留分别出现了瞬时19.6m/s、27.5m/s极大风速。之后，系统东北方向快速移至济源东部地区，受地形影响，风速加大至26.3m/s，此时济源中东部降水开始加强，济源市气象局局观测站35min内降水40.5mm。17：30济源与新安、孟津交界再次出现了暖式切变辐合线，该系统快速东移，18：00移出济源，济源降水逐渐停止。系统影响前气温35.5℃，影响时气温降至21.4℃，降幅14.1℃。

两次过程的共同点：强对流发生时地面都有切變辐合系统存在，两次过程中均出现了准静止锋式切变辐合，地面辐合迫使暖湿空气抬升。由于济源北高南低、东高西低，因而下垫面受热不均匀，形成温度梯度，加强了大气的斜压性，促使强对流发生发展。

两次过程的不同点是：0801过程地面准静止锋式切变辐合持续时间较0811过程时间长，这也是0801过程降水较0811过程降水量大的原因;0811过程地面出现暖式切变后，地面弱冷空气从东北方向向西渗透，冷暖交汇于河南省西北部，冷空气势力较0801过程强，冷空气的强迫抬升作用使暖湿气团“被抬升”，是对流加强发展的主要原因。

3 水汽条件

水汽是雷暴的燃料，也是暴雨产生的必要条件之一。由沿35.1°N的相对湿度纬向剖面图（图3a、b）可以看出，这两次强对流过程水汽条件并不好，700hPa及其以下相对湿度在60%～70%，700hPa以上相对湿度在40%以下，相对湿度随高度上升而减小，呈上干、下湿的垂直分布，这种水汽结构有利于对流天气的发生。

4 组合切变产品分析

组合切变产品是新一代天气雷达的导出产品，是平均径向速度的径向和方位切变的合成。它使用从一个仰角扫描锥面的退模糊的平均径向速度数据，通过合成切变算法而得到。该产品用直角坐标表示，默认1.5°仰角，范围是150km×150km，中心在雷达位置上，以彩色图像和等值线两种形式显示。为了更好地分析利用组合切变产品，本文在分析本产品之前对三门峡和洛阳雷达的组合切变产品进行了对比分析，结果发现：洛阳虽然距离济源较近，但是产品杂波过多，难以作出分析和判断，三门峡虽然距离济源稍远，产品只覆盖了济源的中西部，但与洛阳雷达产品以及其他产品有一致性，因此本文选择三门峡雷达的组合切变产品，分析低层风切变的情况。

4.1 组合切变产品与组合反射率因子的关系

如图4a，8月1日凌晨01：04，西北—东南向带状强回波中心位于垣曲、新安一带，中心强度50dBz，组合切变回波与反射率因子带状回波走向相同，局部达到80km/h。01：41，强回波进入济源后演变成弓状并向东北移动，弓状头部位于济源下冶、大峪一带，中心强度50dBz。01：53，组合切变产品回波加强，局部达到100～150km/h，济源的下冶、大峪一带出现短时强降水、雷暴大风等恶劣天气。02：29，强回波移至济源中东部，局部强度增强至55dBz，并快速东移。03：41，强回波移出济源。

如图4b，8月11日16：06，济源、孟津交界生成一小块回波，强度30dBz。18：46该回波加强发展，与新安、孟津东西向带状向偏北方向移动的回波合并，组合切变回波加强至60～70km/h。17：07回波加强发展进入济源后偏北方向移动，呈西北—东南向带状，分布于济源中部地区，中心强度达55～60dBz，组合切变回波加强100～150km/h，济源中部出现强风暴、短时强降水、强雷暴等强对流天气。18：01强回波移出济源，对流天气强度减弱，降水逐渐结束。

对比观察两次灾害性天气过程强回波同时次的组合切变回波发现，组合切变强回波与40dBz以上强回波基本一致，强回波中心对应强组合切变回波值，说明强回波区就是风切变最强处，因此可根据强回波位置判断最大风速切变的位置。

通过分析发现，两次过程的回波形态炯然不同：0801过程对流回波初生期即表现出带状特征，呈西北—东南向带状，在向东方向移动过程中不断发展演变成弓状，影响济源后回波向东北方向移动，造成灾害性天气;而0811过程则主要是由孤立对流单体加强发展与偏北方向移动的带状回波合并发展成超级单体风暴，但其发展速度相当快，强度也较0801过程强很多，影响济源后回波东北方向移动，造成济源中东部剧烈的灾害性天气。

4.2 组合切变产品与地面辐合线、大风的关系

8月1日01：10，系统自西南向东北进入济源后，组合切变的回波越来来清晰，位置与地面辐合线位置基本保持一致。01：47组合切变回波加强。01：53达到最大，时速200km/h，但持续时间短、面积小，表明此时局部风切变达到最强，与济源的西部山区地形有一定关系。地面与之相对应的王屋镇观测点极大风速仅13.2m/s，出现在02：12。之后，组合切变回波逐渐减弱，并向偏北方向移动。02：29与王屋交界的承留镇极大风速达21.3m/s。03：12济源东部的观测站出现19.6m/s的极大风速（图5a）。03：23组合切变减弱并消散。

8月11日16：36系统自南向北进入济源，组合切变回波位置与地面辐合线位置一致。16：49组合切变回波加强，达到60km/h，地面济源的下冶风速增至17m/s，位于组合切变强中心的前方。16：55组合切变加强，面积不断增大。17：01组合切变达到100～150km/h。17：09承留出现27.5m/s的极大风速。17：19组合切变减弱并逐淅向北移动。17：25位于济源的克井组合切变回波再次增大至150km/h，时间持续一个体扫，地面上克井镇出现瞬时20.6m/s的极大风速（图5b）。18：07组合切变回波消散，济源影响系统逐渐结束。

综合分析两次强对流天气发现，组合切变能清晰地指示出风切变的所在和强弱。组合切变回波位置与地面辐合线位置始终保持一致，大风区出现在组合切变最强中心附近或前方，组合切变回波的强弱与地面大风相对应，极大风速出现在组合切变最强之后的1～3个体扫时间，可由此来推断未来大风将要出现的区域，提前发布大风的预警预报。

4.3 组合切变产品演变与回波顶高产品分析

回波顶（ET）可以通过对云顶高度的定位反映雷暴云的发展程度。根据以往工作经验，当回波顶高升至8～9km时将会出现雷电天气，14km以上出现小冰雹的天气可能性大。因此，本文对组合切变产品和回波顶高产品也进行了对比分析。

8月1日01：04系统进入济源，回波顶高在8～11km，济源开始出现雷电活动。01：41下冶一带对流云发展，顶高升至14～15km，面积不断扩大，组合切变回波加强到100km/h，位置位于顶高14km回波前端的济源下冶、大峪、承留一带，该地区降水强度加强，风力加大，承留风速增大至21.3m/s。之后，系统快速向东北方向移至济源东部，过程中云顶不断伸展，2：41升至17km，时间持续一个体扫时间6min，之后降至12km，此时济源市气象局观测站风速增大至16.9m/s、大雨滴夹小冰粒，分钟降水量在0.3mm以上，最大分钟降水量0.8mm。3：11回波顶高降至9～11km，济源市气象局测站风速再次增大到19.6mm（图6a）。之后系统快速东北移并逐渐减弱。

8月11日16：36回波顶高在8km以下。16：43系统位于济源孟津交界，回波顶高升到14～15km并一直维持，组合切变产品强回波区与12km以上的回波顶高位置一致并略靠前。系统进入济源后快速向北偏东方向移动，17：01组合切变回波加强至100～150km/h，位置位于回波顶高14km处的前端。济源自西南向东北黑云压顶，白天如昼夜，风速增大，承留风速猛增至27.5m/s。17：13济源城区、孟津交界一带回波顶高升至17km，济源、孟津交界一带局部出现了小冰雹天气。17：19回波顶高降至11～12km并一直持续，济源市气象局观测站雷电交加、大雨如柱，分钟降水量在0.7mm以上，最大达2.3mm，17：32风速增至26.3m/s（图6b）。17：55以后系统东移，回波顶高降至11km以下，强对流天气减弱。

综合对比分析发现，0801和0811两次过程的灾害性天气过程组合切变强回波区均位于顶高14km回波移动方向的前端，说明云顶伸展高度的前部是风切变最强的区域，由此可判定雷暴大风将出现的区域。

5 结语

（1）强对流天气的出现与大气环流背景有关，两次过程500hPa中高纬度贝加尔湖至河套均为低涡或槽区。0801过程，济源市为槽前西南气流控制，850hPa有切变存在，发生强对流地区与切变线位置对应较好;0811过程中低层无明显的切变辐合，发生强对流地区位于高层东北风波动出口区的左侧。（2）两次过程地面都有切变辐合系统存在，均出现了准静止锋式切变辐合。0801过程地面准静止锋式切变辐合持续时间较0811过程时间长，0811过程冷空气势力较0801过程强，冷空气的强迫抬升作用使暖湿气团“被抬升”，是对流加强发展的主要原因。（3）相对湿度随高度上升而减小，呈上干、下湿的垂直分布，这种水汽结构有利于对流天气的发生。（4）组合切变强回波与40dBz以上组合反射率因子强回波基本一致，组合切变强回波区就是风切变最强处。（5）组合切变能清晰地指示出风切变的位置和强弱。组合切变回波位置与地面辐合线位置始终保持一致，大风区出现在组合切变最强中心附近或前方，组合切变回波的强弱与地面大风相对应，极大风速出现在组合切变最强之后的1～3个体扫时间。（6）组合切变强回波区位于顶高14km以上回波移动方向的前端，说明云顶升伸展高度的前部是风切变最强的区域，由此可判定雷暴大风将出现的区域。

参考文献

[1] 俞曉鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社，2006：185.

[2] 郭媚媚，麦冠华，胡胜，等.肇庆市一次超级单体的多普勒雷达资料分析[J].气象，2006，32（6）：97.

[3] 程向阳，王兴荣，等.雷暴天气在多普勒雷达资料上的前兆特征分析[J].气象科学，1999，19（2）：142.

[4] 刘娟，宋子忠，等.多普勒天气雷达合成切变产品与地面大风分析[J].气象，2006，32（6）：97.