黄南地区强对流天气预报方法探析

2019-12-05徐开宇严继云任强

现代农业科技 2019年20期

徐开宇严继云任强

摘要强对流天气过程是产生局地气象灾害的重要原因，强对流天气过程中尺度结构高时空分辨率的探测对中小尺度研究、预警和预报有重要作用。本文利用常规高空资料、雷达资料及云图资料对青海省黄南地区强对流天气的活动规律、天气特征、高空形势、环流背景及雷达回波特征进行归纳总结，用具体实例进行详细分析，提出强对流天气的短时临近预报预警方法，充分发挥黄南地区天气雷达的探测功能，保证强对流天气预报的及时、准确，为减灾防灾发挥积极的作用。

关键词强对流;天气分析;预报预警;黄南地区

中图分类号 P458.12 文献标识码 A

文章编号 1007-5739（2019）20-0204-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）

黄南藏族自治州地处青藏高原东南部，特殊的地理环境、复杂的地形结构及严酷的气候条件决定了该地区经济地域性明显的特点，是我国经济、文化水平非常落后的地区之一。据统计，在黄南地区出现的各类自然灾害中，气象灾害占70%以上，有的年份甚至达90%，主要灾害性天气为暴雨、冰雹、短时雷雨大风等强对流天气，多集中在每年5—9月。据黄南州4个气象站点多年资料统计，2011—2016年的5—9月有暴雨15次，有冰雹47次。该地区经济落后，防御灾害的能力极其脆弱。据不完全统计，近10年，每年因暴雨、冰雹等灾害性天气造成的经济损失都在6 000万元以上，随着经济建设的发展，气象灾害造成的损失也将同步增长。伴随着卫星、雷达以及数值预报等技术的发展，人们对强对流天气的认识也在不断加深，预报水平以及预报准确率逐渐提高。本文对黄南地区强对流天气预报方法进行探析。

1 研究内容

1.1 环流背景和影响系统分析

在强对流天气出现前，应对欧亚范围内的大尺度系统的移动和演变进行分析，这是因为它们直接制约着影响系统的移动和演变。重点分析造成黄南地区强降水的西风槽、高原槽、高原涡以及高原切变线等低值系统的演变规律。

1.2 物理量场分析

在天气分析中，涡度、散度、垂直速度和水汽通量散度以及各种能量场等物理量与一般的气象要素（气温、气压、风速、湿度）不同，它们通常无法由观测直接得到，而必须通过其他气象要素经过一定的计算间接获得。

诊断分析方法是大气科学研究中常用的一种方法。这些物理量在某时刻的空间分布被称为“诊断场”。近年来，国内许多学者利用各类物理量对暴雨天气进行分析研究，以揭示暴雨天气过程中各类物理量场的演变特征，以及物理量场与天气系统发生、发展的关系。

1.3 T-lnP图分析

对强降水个例出现前各指标站的T-lnP图反映情况进行分析。

2 强对流雷达天气研究指标判定

2.1 强降水雷达回波指标

统计62次对流云的最大平均反射率因子发现，强降水产生时雷达回波反射率因子较冰雹强度小，强回波范围也较小，最大回波强度为40～55 dBZ。径向速度图中，强降水的速度回波较整齐而有对称结构，如“牛眼”[1-4]。以最大回波强度所在的最大高度作为对流云的回波顶高，强降水回波顶高8～17 km。出现强降水时最大垂直液态水含量为3～30 kg/m2。强降水时暖平流为主的湿度层较厚，可达2～6 km（表1）。

2.2 冰雹雷达回波指标

根据散射理论，冰雹云的雷达回波强度大于同地区、同季节出现的其他雷暴云的回波强度，是所有对流云回波中最强的，可达50 dBZ以上，強的能达到60 dBZ甚至65 dBZ以上。同时，降冰雹时强回波中心较强降水处于中空（强中心不接地）或高度较高（强中心接地），但单纯回波强度无法完全区分强降水云及冰雹云，必须结合冰雹云其他特征，如弱回波区、V型缺口等（表1）。

弱回波区通常可以作为判断超级单体风暴的一个识别标志，可以通过对弱回波区的确认，再结合回波体的强度、高度、尺度等超级单体风暴特征进行冰雹云的确定。由于云中大冰雹等粒子影响，雷达探测时在大粒子区后半侧形成所谓的V型缺口，这是冰雹云的另一重要特点。与风暴中强上升气流密切相关的小尺度特征是风暴顶辐散，它是冰雹云发展的一个重要条件，可以维持强上升气流，有利于冰雹的增长[5-7]。

冰雹云雷达回波径向速度大于强降水，分布尺度很小，径向速度等值线分布较密集，切向梯度也较大。可通过分析径向速度揭示风速和风向的变化，以确定冰雹云。同时冰雹云的径向速度回波中多存在中气旋。因为冰雹云中的上升气流强于一般雷暴，所以冰雹云雷达回波的高度也是最高的，降雹时回波顶高均在9 km以上，且回波顶高会出现跃增现象。降雹时垂直液态水含量最大值均>30 kg/m2，并且存在突然增大后减小的现象。出现冰雹时风廓线产品上低层暖平流与高层冷平流相叠置，但湿层较薄，只有1～3 km，且是在出现较大冰雹时才出现。

3 强对流单体指标与不同程度强降水、冰雹的关系

3.1 与不同程度强降水的关系

由表2可知，小时降水量的大小与各项强对流单体的指标密切相关，依据此表可做短时强降水预报及发布预警信号，但强降水量总体大小还与降水时间长短有关，如对流单体在同一位置停滞较长时间，虽然小时降水量不大，但仍然会有大降水出现，这在实际工作中必须注意。

3.2 与不同程度冰雹的关系

由表3可知，出现大冰雹时各项指标比较小冰雹均强，但在实际工作中，由于预报时间有限且回波各项指标无法全部满足，两者可能会出现交叉情况，从防雹角度来说只判断有无较大冰雹（直径≥5 mm）即可。

4 強对流天气个例分析

4.1 天气实况

以2017年6月15日对流天气为例，16：20左右黄南地区地区出现了以强降水、雷电、冰雹为主的强对流天气（表4），同仁、河南两地还出现最大直径分别达40、7 mm的冰雹，其中同仁降雹时间长达17 min。从气象记录看，主要降水区出现在黄南地区、海南的东部及果洛的北部地区。局地强对流天气造成了较严重的损失，此次强对流天气造成同仁县隆务镇、牙浪乡、年都乎乡、加吾乡、瓜什则乡共计873户3 564人受灾，约233.3 hm2农作物受灾，其中成灾面积达197.3 hm2;154户太阳能热水器及636户封闭玻璃遭到损坏，50多处围墙倒塌，300多辆车不同程度地受损，共造成经济损失达345.3万元。

4.2 天气形势分析

2017年6月15日8：00 500 hPa高空图上，亚欧中高纬度环流形势为两槽两脊型，其中一脊位于乌拉尔山脉一线，一小高压位于贝加尔湖附近，西亚有较深低涡冷槽发展，东北地区有低涡冷槽;新疆低槽底部有不断分裂的小槽和冷平流影响青海省，西部阿尔金山一线有较强的锋区（ΔT52818-51777=10 ℃），从青海沱沱河开始沿三江源到甘肃民勤有16～20 m/s的大风带，全省湿度较大，大部分地区温度露点差在1～2 ℃。6月15日20：00 500 hPa高空图上，贝加尔湖的小高压消失，影响高原的短波槽移动到兰州附近，青海省大部处于偏西气流中。相应的地面图上，6月15日8：00地面有2股冷空气，其中1支已经到达甘肃的民勤至乌鞘岭一线，其后部的酒泉站24 h变压达8 hPa，1支已经翻过阿尔金山到达青海省西部的冷湖至格尔木一线，其后部的芒崖站24 h变压为2 hPa。随后，河西走廊的冷空气一直在乌鞘岭西部堆积，而高原上的冷空气快速东移，14：00酒泉站24 h变压达14 hPa，高原上的冷空气也已经到达德令哈—都兰—曲麻莱一线，格尔木站24 h变压达6 hPa，并且冷锋附近出现了阵性降水。

从6月15日卫星云图上看，沿着500 hPa的西南急流上不断有对流云系生成、发展，这些对流云系包含了中尺度的对流复合体，其主要向东北偏东方向移动。6月15日16：00其前沿到达黄南州，并且还在继续加强。正是这些中小尺度对流云团造成局地强对流天气，并引发冰雹灾害，这是一次前倾槽引发的强对流天气（图1）。

5 对流天气的短时临近预报预警

5.1 天气形势预警

可以通过观察可见光云图进行天气形势预警，强对流云团多呈椭圆形，上风方一侧边缘线清晰，下风方为羽毛状云砧;暴雨云团顶部卷云向周围伸展，边缘多呈絮状，比较模糊。此外，云砧结构越密实，云团形成降雹几率越大。依据可见光云团和红外云团可以判别云团的水平和垂直尺度。对流云云体含水量充沛，垂直厚度较大，通常亮度较大，尺度适中。若对流云团尺度太大，多属于暴雨云团或强对流云团，尺度太小则为一般积雨云团。此外，依据云顶温度及其变化率，可确定云体或云顶的增长速率。如果云团亮度的阶数愈多，云顶温度愈低，说明云顶高度高，对流旺盛，强度愈大，产生强对流的可能性愈大。

另外，在监测的时候还应该注意对流云强度的判断：当对流云向散度场（或流场）的辐合区（或正涡度区，垂直运动上升区）、能量场（或Qse）大值区（或能量通量的辐合区、水汽通量的辐合区）、负变压（或负变高）区和降水区移动时对流云强度将加强。对流云移动路径的判断如下：①对流云移向最大负变压区并且减弱;②当对流云前（后）出现负（正）变压中心时，对流云将沿负（正）变压中心连线移动;③对流云移向散度场的辐合中心或正涡度区;④与锋面、切变线等系统相对应的对流云将随着该系统的移动而移动;⑤对流云将向水汽通量的辐合区移动，或沿着引导气流的方向移动[8-10]。

5.2 雷达观测预警

高原上由于对流云的发展十分迅速，从大形势上判断有时会出现漏报现象，当雷达探测到对流云时，应根据天气学原理和最新的数值预报资料，及时判断对流云未来的强度和路径，并做出订正或补充预报。另外，如果分析天气形势中有可能发展为强对流天气，则需要特别注意天气雷达的回波演变，有带状回波移进雷达探测区域时，要仔细分析回波强度、回波顶高、垂直液态水含量的变化，注意是否有对流云的特征，速度图上分析中气旋可能影响的区域，如果满足回波顶高H≥8 km、垂直液态水含量≥30 kg/m2、单体回波强度≥40 dBZ这3个条件，就要发布短时天气临近预报及预警信号（图2）。

5.3 预警信号发布

根据天气形势和雷达资料等，当达到对流天气的起报条件，要对外发布暴雨、雷电、冰雹等预警信号，提醒相应区域做好防灾准备工作。同时，若产生冰雹时相关人员还应做好人工消雹工作。各种强对流天气的预警信号发布后，密切注意雷达资料的变化，如果对流云已经减弱，当满足单体回波强度<40 dBZ、回波顶高H<8 km、垂直液态水含量VIL<30 kg/m2 3个条件其中之一，应及时解除预警信号。预警信号解除后，还要注意收集灾情及受损情况，继续做好雷达观测资料的分析，直到对流云完全消散[11-12]。

6 结论

（1）影响黄南地区的强对流天气系统地面气压呈北高南低，高原主体为热低压，北侧为冷高压，在冷热高压交界区易产生强对流天气。前期的高温背景为强降水产生提供了有利的能量条件，大气处于上干冷、下暖湿的潜在对流不稳定状态，副高边缘西南暖湿气流与巴尔喀什湖槽底部分裂冷空气的共同影响，才能造成青海省黄南地区的强降水天气过程。

（2）在对流系统发展过程中，其移动方向的前部有较大范围的对流不稳定区域和对流有效位能大值区，对强对流天气的发展提供了有利的不稳定条件，较有利的水汽输送的水汽辐合条件对强对流过程的发生发展及其中伴随的短时强降水的发生提供了重要的条件[13-14]。

（3）分析强对流天回波结构特征的成因，得出强对流天气的产生雷达回波特征是对应0.5°～4.3°各层次的反射率因子强度达到40 dBZ以上，且强中心持续10 min以上，垂直液态水含量大于30 kg/m2，速度图上有逆风区出现，强回波中有对应的回波中心大值区。

（4）雷达图上强对流天气指标中强降水较冰雹弱，冰雹强度最强，而且具有弱回波区、V型缺口以及风暴顶辐散等明显特征。在径向速度图上出现强降水时风场分布均匀，经常会出现“牛眼”等对称结构，而产生冰雹时风向风速低层辐合高层辐散明显，有时出现中气旋。冰雹的回波顶高较强降水高，垂直液态水含量也较大并且存在突然增大后减小的现象。

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