渤海西岸兩次強對流天氣特征分析

于志明，周艷軍，王駟鷂

（1.唐山市氣象局，河北唐山063000；2.秦皇島市氣象局，河北秦皇島066000）

渤海西岸兩次強對流天氣特征分析

于志明1，周艷軍2，王駟鷂1

（1.唐山市氣象局，河北唐山063000；2.秦皇島市氣象局，河北秦皇島066000）

利用Micaps、探空、衛(wèi)星云圖、雷達資料，對2011年9月1日凌晨和2012年9月27日下午在渤海西岸出現(xiàn)的強對流天氣，從環(huán)流形勢、不穩(wěn)定能量、云圖特征、雷達回波等方面進行了對比分析。結(jié)果表明：兩次過程均出現(xiàn)了暴雨、大風、冰雹天氣，9月1日凌晨影響系統(tǒng)為高空槽和切變線，災害性天氣以大風為主；9月27日下午影響系統(tǒng)為低渦和鋒面，災害性天氣以暴雨、冰雹為主。兩次過程渤海西岸上空均有一定的不穩(wěn)定能量。亮度溫度TBB越低表示強對流天氣出現(xiàn)的幾率越大，對流云團TBB小于-42oC預示有降水出現(xiàn)，TBB小于-52oC的區(qū)域與大雨或暴雨相對應(yīng)。雷達回波強度大于35 dBz區(qū)域與雷雨相對應(yīng)，回波強度大于45 dBz區(qū)域與冰雹、強降水天氣對應(yīng)較好。

渤海西岸；對流天氣；衛(wèi)星云圖；雷達回波；預報預警

1 引言

渤海海域具有豐富的海上油氣資源和水產(chǎn)養(yǎng)殖資源，承載了連接我國各個沿海城市大量的海上交通運輸業(yè)務(wù)。渤海西岸地形復雜，屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，易出現(xiàn)災害性天氣，因此，準確把握渤海沿岸及海上災害性天氣的發(fā)生發(fā)展規(guī)律尤為重要。

強對流天氣是指伴隨雷暴現(xiàn)象出現(xiàn)的對流性短時強降水、大風、冰雹等災害性天氣[1]。雷暴、大風、冰雹、短時強降水常常給油氣開發(fā)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、交通運輸帶來一定的危害和損失，所以一直是預報工作的重點。強對流天氣往往生消較快，水平尺度一般只有幾公里至幾十公里，時間尺度也只有幾個小時甚至不到一個小時，利用常規(guī)天氣資料預報具有一定的難度。易笑園等[2]對渤海西岸暴雨中尺度對流系統(tǒng)的空間、熱動力特征和發(fā)生、發(fā)展維持的原因進行了分析；王彥等[3]對渤海灣海風鋒與強對流天氣的形成、發(fā)展和消散過程進行了研究，總結(jié)出當海風鋒與弱冷鋒相遇時，相遇交叉處能夠產(chǎn)生強對流天氣；而單一海風鋒不能產(chǎn)生強對流天氣，僅能改變氣溫和風向等氣象要素特征；梁衛(wèi)芳等[4]、郭慶利等[5]、賀靚等[6]、慕建利等[7]、宋曉姜等[8]對我國不同海區(qū)發(fā)生的強對流天氣個例進行分析，得出衛(wèi)星云圖、雷達、閃電等非常規(guī)氣象資料在強對流天氣的臨近預報預警中起著舉足輕重的作用；王莉萍等[9]對河北衡水兩次突發(fā)性強對流天氣進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)兩次天氣過程影響系統(tǒng)不同，造成的天氣也不盡相同；趙玲等[10]對發(fā)生在大興安嶺地區(qū)兩次不同性質(zhì)的強降雨從環(huán)流背景、衛(wèi)星云圖、物理量場等方面進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)強降雨發(fā)生前熱力結(jié)構(gòu)不同是造成兩次不同性質(zhì)強降水的重要原因。目前對渤海沿岸的強對流天氣用衛(wèi)星云圖與雷達進行同步監(jiān)測缺少對比分析，對預報預警技術(shù)的研究也較少。

2011年9月1日01時—06時（北京時，下同）和2012年9月27日12時—20時（簡稱“9.1”和“9.27”）在渤海西岸地區(qū)均出現(xiàn)了強對流天氣，渤海西岸地區(qū)在9月份出現(xiàn)如此強烈的對流天氣并不多見，這兩次過程分別出現(xiàn)在9月初和9月底，同屬華北東部冷槽低渦型暴雨天氣過程，氣候背景相似，但出現(xiàn)的災害性天氣現(xiàn)象、災害落區(qū)有所不同，因此有必要對初秋中尺度系統(tǒng)的產(chǎn)生機制進行深入分析，以便更加深入認識渤海及沿岸這類強對流天氣的演變和環(huán)境條件的差異。本文利用Micaps、探空、衛(wèi)星云圖、雷達資料，從環(huán)流形勢、不穩(wěn)定能量、云圖特征、雷達回波等方面對兩次天氣過程的特征進行了對比分析，為環(huán)渤海地區(qū)強對流性天氣的精細化預報提供一些有益的參考。

2 災害性天氣實況

2011年9月1日01時—06時，受高空急流和低層切變線影響，渤海西部海區(qū)和海岸帶出現(xiàn)強對流天氣（見圖1a），唐山、天津、滄州等地先后出現(xiàn)大風、短時暴雨及冰雹天氣，唐山有27個鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量站雨量達到暴雨；渤海中南部BZ26-2石油平臺（38.2°N，119.2°E）監(jiān)測到早晨06時陣風風速達25 m/s（風力10級）；滄州海岸帶監(jiān)測到的最大風速為30.8 m/s（風力11級），風向東北，滄州黃驊港5根直徑30 cm纜樁被拉斷，6艘800t以上船舶發(fā)生碰撞。同時，當日接近滄州海域天文大潮日，在大風增水和天文大潮的共同作用下，黃驊岸區(qū)最高潮位達5.5 m,超警戒水位0.7 m，出現(xiàn)了風暴潮災害。

2012年9月27日12時—20時，受蒙古低渦和鋒面過境影響，渤海及沿岸地區(qū)出現(xiàn)了強對流天氣，伴有暴雨、大風、冰雹天氣（見圖1b）。強降水與大風由西北向東南移動，掃過81個氣象觀測站，唐山東部風速最大，唐山市市區(qū)過程雨量達91.6 mm；冰雹落區(qū)覆蓋北京到唐山一線共14個氣象觀測站。強對流天氣17時—19時覆蓋渤海大部，19時槽后冷空氣控制渤海西岸河北東部地區(qū)，強對流天氣減弱停止。20時—23時，遼東半島到萊州灣一線出現(xiàn)了暴雨、大風和雷電天氣。

3 環(huán)流形勢

3.1 “9.1”過程環(huán)流形勢

2011年8月31日20時500 hPa高空圖上（見圖2a），東亞地區(qū)中高緯度的位勢高度場整體比較平直，東北地區(qū)上空有一西風槽，槽底位置在44°N左右，槽后有明顯的冷平流；850 hPa高空圖上（見圖2b），渤海上空有明顯的北風與西到西北風的切變線，冷空氣已南壓到渤海北部遼東灣一線；地面圖上（圖略），低壓中心位于內(nèi)蒙東部、吉林西部地區(qū)，渤海西岸位于冷鋒前部，鋒后等壓線密集。

3.2 “9.27”過程環(huán)流形勢

圖1 強對流天氣過程災害性天氣落區(qū)配置

圖2 2011年8月31日20時高空圖

圖3 2012年9月27日08時高空圖

此次過程，08時500 hPa圖上（見圖3a）40°N附近有一支風速超過32 m/s的西風急流，即高空鋒區(qū)位置，位于內(nèi)蒙到華北北部的低渦有干冷空氣侵入；850 hPa圖上（見圖3b）在河北北部到北京一線有切變線；槽前有暖濕氣流，有較好的水汽條件。低渦系統(tǒng)東移，地面冷鋒東移南壓，觸發(fā)了強對流天氣。

4 不穩(wěn)定能量

按照不穩(wěn)定性理論，當大氣中積累一定的熱力和動力不穩(wěn)定能量時，在某種小擾動的觸發(fā)下不穩(wěn)定能量將轉(zhuǎn)化為空氣運動的動能，形成中小尺度渦旋，從而引起風、雨和雷電等天氣[11]。

4.1 “9.1”過程不穩(wěn)定能量

河北省樂亭縣探空站（區(qū)站號54539）是渤海西岸距渤海最近的探空站，2011年8月31日20時樂亭探空資料顯示（見表1）：K指數(shù)為33℃，沙氏指數(shù)為-3.8℃，對流有效位能為1 555 J/kg。表明樂亭上空大氣處于對流不穩(wěn)定狀態(tài)，此時正處于夏末秋初，下墊面溫度較高，海面上空空氣潮濕，隨著切變線的東移南壓，暖濕空氣與冷空氣相互作用極易產(chǎn)生強對流天氣。9月1日08時的探空物理量指標表明樂亭上空空氣層結(jié)穩(wěn)定，對流天氣趨于結(jié)束，但由于鋒后冷空氣勢力較強，風力依然較大。

表1 樂亭8月31日08時、20時、9月1日08時探空物理量值

表2 樂亭、大連9月27日探空物理量值

4.2 “9.27”過程不穩(wěn)定能量

2012年9月27日的探空資料顯示（見表2）：樂亭站08時—14時K指數(shù)為由21℃升至31℃，沙氏指數(shù)由-1.7℃降至-2.7℃，對流有效位能由213 J/kg增至1883 J/kg，表明樂亭上空大氣不穩(wěn)定能量逐漸增強，20時物理量指標表明大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，強對流趨于結(jié)束。14時—20時渤海東部海岸帶大連探空資料各項閾值逐漸增大，預示強對流天氣即將發(fā)生。

近年來，隨著幸福經(jīng)濟學的興起，國內(nèi)許多學者利用面板和截面等微觀數(shù)據(jù)對幸福感進行研究。從國內(nèi)已有的研究文獻來看，大多數(shù)文獻使用OLS回歸或有序離散變量回歸方法進行研究。如魯元平和張克中(2010)利用WVS的中國部分，運用有序離散模型研究了經(jīng)濟增長和親貧式支出對中國居民幸福感的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟增長并不能帶來國民幸福感的提升，而以教育、醫(yī)療和社會保障構(gòu)成的親貧式支出對國民幸福感有顯著的促進作用。同樣運用WVS中國部分數(shù)據(jù)，溫曉亮等(2011)發(fā)現(xiàn)在影響主觀幸福感的因素中，相對收入和社會失范對主觀幸福感的影響較大，人口學變量中的性別、年齡、健康、婚姻、教育等都對主觀幸福感有影響。

5 衛(wèi)星云圖特征

氣象衛(wèi)星FY-2E紅外通道的觀測值TBB在夏季少云區(qū)或無云區(qū)一般＞0℃，在有云區(qū)TBB表示云頂亮度溫度,其值一般≤0℃，TBB值越低，對應(yīng)的云頂越高。因此，云頂亮度溫度TBB可直接展示對流發(fā)展的旺盛程度，能用來推斷對流云團發(fā)展強度及所處的階段。

5.1 “9.1”過程衛(wèi)星云圖特征

“9.1”過程可以看出（見圖4）：1時中尺度帶狀對流云系位于吉林東部到北京一線，亮度溫度TBB值為-42℃；02時北京到唐山一帶的中尺度云團加強，面積擴大，TBB值達-52℃，對應(yīng)天氣實況為：北京南部、天津、唐山先后出現(xiàn)雷電、暴雨、冰雹天氣。03時—04時系統(tǒng)進入渤海發(fā)展加強，移速減慢，TBB值由-63℃升至-52℃，對應(yīng)唐山、秦皇島、天津、滄州渤海沿岸測站及海區(qū)先后出現(xiàn)東北大風天氣，最大風速出現(xiàn)在滄州海區(qū)。05時—06時主體對流云團移動速度加快，TBB值升高，由-53℃升至-42℃，對應(yīng)唐山、秦皇島海域降水強度減弱，風力減小，天津、滄州海域維持大風天氣。9月1日01時—06時影響渤海西岸和渤海的對流云團是一個由弱到強、再由強轉(zhuǎn)弱的過程，01時—04時對流云團自西北向東南移動，05時—06時自西南向東北方向移動。

5.2 “9.27”過程衛(wèi)星云圖特征

從“9.27”過程12時—14時紅外衛(wèi)星云圖可以看出（見圖5）：位于河北北部至北京一線的渦旋云系自西向東移動，主體云系TBB值由-42℃降至-61℃，其下擺處帶狀云系TBB值由-20℃降至-31℃，對應(yīng)北京到唐山出現(xiàn)暴雨、短時大風、冰雹天氣。15時—17時云系快速南壓，渦旋云系由塊狀逐漸變成帶狀，渤海西海岸帶冷鋒云系TBB值由-52℃降為-61℃，對應(yīng)區(qū)域天氣實況為：大風、冰雹、強降水和雷電。

18時—19時（見圖6）入海后的對流云系強度減弱，向偏東方向移動，移速減慢，TBB值由-42℃升至-28℃，渤海西岸對應(yīng)天氣為弱雷電、弱降水和大風天氣。20時—22時云系在遼東半島到萊州灣一線重新發(fā)展增強，TBB值由-52℃降至-71℃，渤海海區(qū)天氣監(jiān)測實況為：大暴雨、強雷電及短時大風。23時對流云團與暴雨中心對應(yīng)較好，強降水中心位于大連東北部，TBB值達-78℃。

圖4 “9.1”過程渤海區(qū)域強對流系統(tǒng)紅外云圖TBB演變（單位:℃）

圖5 “9.27”過程渤海區(qū)域強對流系統(tǒng)紅外云圖TBB演變（單位:℃）

圖6 “9.27”過程渤海區(qū)域強對流系統(tǒng)紅外云圖TBB演變（單位:℃）

6 雷達回波特征

新一代天氣雷達觀測的實時回波強度是判斷強對流天氣的重要回波參數(shù)。通過回波強度可確定對流云的結(jié)構(gòu)、強弱和強降雨（雪）帶，其隨時間的變化是一種用來確定降水回波的移動以及未來趨勢的極好工具[12]。

6.1 “9.1”過程多普勒雷達回波特征

從9月1日01時30分秦皇島多普勒雷達組合反射率因子與冰雹疊加圖可以看出（見圖7）：強雷達回波帶位于天津至唐山一線（圖中標注△區(qū)域），回波強度在45—60 dBz之間，對流云范圍230×30 km，對流云頂高度9—11 km，強回波帶對應(yīng)地區(qū)出現(xiàn)了暴雨、冰雹、大風天氣。強回波帶前部為多單體風暴，塊狀單體風暴范圍在30×40 km左右，雷達回波強度為55—65 dBz，該區(qū)域?qū)?yīng)天氣為雷雨和短時大風。天津塘沽和滄州的多普勒雷達監(jiān)測（圖略）表明：04時左右回波主體進入渤海西部海區(qū)，在1200 m左右高度上有低空急流；05時—6時急流高度下降到300—600 m高度，低空急流為東北方向，與滄州黃驊海岸帶垂直，大風增水和天文大潮兩者疊加，導致黃驊沿岸出現(xiàn)了風暴潮災害。在低空急流作用下，風向風速水平切變和垂直切變較大，有利于強對流天氣的維持與發(fā)展。

6.2 “9.27”過程多普勒雷達拼圖特征

圖7 秦皇島多普勒雷達01時30分組合反射率因子與冰雹疊加圖（單位：dBz）

圖8 “9.27”過程環(huán)渤海區(qū)域5部雷達組合反射率拼圖（單位:dBz）

通過煙臺、塘沽、秦皇島、營口、大連5部環(huán)渤海多普勒雷達拼圖資料可看出（見圖8），9月27日12時對流云系位于河北北部到北京一線，對流云范圍180×300 km，對流云頂高度8—9 km，雷達回波強度30—40 dBz，強回波對應(yīng)地區(qū)出現(xiàn)了短時雷雨天氣。對流云系自西北向東南方向移動，移速40—50 km/h，面積逐漸增大，14時—15時影響北京東部到天津一線，對流云頂高度11 km，雷達回波強度45—50 dBz，對應(yīng)地區(qū)出現(xiàn)了雷電、強降水、冰雹天氣。16時—17時對流云系向偏東方向移動，移速55—65 km/h，對流云頂高度11—13 km，雷達回波強度由55 dBz增至60 dBz，渤海西海岸帶中北部出現(xiàn)兩條颮線回波，對應(yīng)災害為大風、暴雨和冰雹。

圖9 “9.27”過程環(huán)渤海區(qū)域5部雷達組合反射率拼圖（單位:dBz）

18時—19時（見圖9）對流云系入海后減弱，雷達回波強度下降至30—40 dBz，對流云頂高度8 km，回波對應(yīng)地區(qū)降水減弱。20時對流云系在遼東半島至萊州灣一線重新加強，對流云范圍110× 500 km，對流云頂高度9—12 km，雷達回波強度45—50 dBz，對應(yīng)天氣為：短時暴雨、大風及雷電。

7 兩次過程天氣特征對比

7.1 兩次過程相同的天氣特征

兩次強對流天氣出現(xiàn)前的環(huán)流形勢均為高空為低渦和高空槽控制，低層有切變線，地面有冷鋒過境；不穩(wěn)定能量指標達到了產(chǎn)生對流天氣的閾值；氣象衛(wèi)星觀測到的云頂亮度溫度TBB值達到了-42oC以下；雷達回波強度達到了35 dBz以上。兩次過程均出現(xiàn)了大風、暴雨、冰雹天氣。

7.2 “9.1”過程天氣特征

此過程冷空氣勢力較強，高空槽后冷平流明顯，強對流天氣出現(xiàn)前500 hPa高空有西風急流，并隨著對流天氣系統(tǒng)的發(fā)展急流逐漸向低層傳遞，低空NE向急流與強風暴后部下沉氣流的NE向分量疊加，造成了渤海的NE向大風。河北滄州海岸線呈NW-SE走向，海上大風的風向與滄州的海岸線垂直，海面持續(xù)的NE向大風造成滄州沿岸的增水；9月1日為農(nóng)歷的八月初四，天文大潮的影響尚未結(jié)束，大風增水和天文大潮的共同作用造成了滄州黃驊港的風暴潮災害。而天津、唐山、秦皇島的海岸線呈NE-SW走向，與海上大風的風向基本平行，大風增水作用小，未出現(xiàn)風暴潮災害。

7.3 “9.27”過程天氣特征

此過程冷空氣勢力較弱，強對流天氣出現(xiàn)前500 hPa高空雖有NW向急流，但持續(xù)時間較短，未出現(xiàn)低空急流，出現(xiàn)的短時大風是強風暴后部下沉氣流造成的。“9.27”過程和“9.1”過程相比，具有槽前暖濕平流強、水汽條件好，對流云范圍大、降水持續(xù)時間長，TBB觀測值低、對流云伸展高度高的特點，造成了此過程暴雨、冰雹的強度更強，范圍更大。

8 結(jié)論與討論

（1）兩次強對流天氣過程均出現(xiàn)了暴雨、大風、冰雹天氣，“9.1”過程以大風和風暴潮災害為主；“9.27”過程以暴雨、冰雹災害為主；

（2）“9.1”天氣過程是受高空槽影響，渤海西岸上空有北風與西到西北風的切變線；“9.27”天氣過程是受低渦和鋒面系統(tǒng)影響。兩次過程渤海西岸上空大氣層結(jié)均為不穩(wěn)定，有較強的不穩(wěn)定能量；

（3）衛(wèi)星云圖上，對流云團亮度溫度TBB小于-42℃預示有降水出現(xiàn)，TBB小于-52℃的區(qū)域與大雨或暴雨相對應(yīng)，TBB溫度越低表示強對流天氣出現(xiàn)的幾率越大；

（4）雷達回波強度大于35 dBz區(qū)域與雷雨相對應(yīng)，大于45 dBz回波區(qū)域與冰雹、強降水等災害天氣對應(yīng)較好；

（5）衛(wèi)星探測水平尺度大、雷達探測精度高,云圖能看到云頂分布,雷達回波圖能看到云底及云層的垂直分布,這些資料與中小尺度系統(tǒng)所處的環(huán)流形勢、不穩(wěn)定能量等資料相互結(jié)合分析,取長補短,對強對流天氣的預報預警能提供較全面的信息；

（6）在不同地區(qū)、不同季節(jié)、受不同天氣系統(tǒng)影響的強對流性天氣，亮度溫度TBB和回波強度的判別指標可能略有差異。由于篇幅限制，本文未對兩次強對流天氣的水汽條件、閃電定位資料、輻合輻散等情況進行分析。

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Analysis of the characteristics of two severe convection weather on the west bank of the Bohai sea

YU Zhi-ming1，ZHOU Yan-jun2，WANG Si-yao1

（1.Tangshan City Meteorological Bureau,Tangshan 063000 China;2.Qinhuangdao City Meteorological Bureau,Qinhuangdao 066000 China）

Based on the data of Micaps,sounding,satellite cloud picture and radar,the two severe convection weather on the before dawn of september 1,2011 and afternoon of september 27,2012 in the west bank of Bohai are analyzed from the circulation feature,unstable energy,cloud image feature,radar echo in order to improve the quality and timeliness of forecast of convection weather.As a result,two weather processes both took place rainstorm,strong winds and hail weather,before dawn of september 1,influence system were upper trough and shear line,the main disastrous weather was strong winds,in the afternoon of september 27,influence system were low vortex and frontal surface,the main disastrous weather were rainstorm and hail.Both of the two weather processes had a certain unstable energy,the lower Black Body Temperature(TBB)indicated the greater probability of severe convection weather occurred.Less than-42℃of the TBB of convective cloud cluster indicated rain,the area,less than-52℃of the TBB of convective cloud cluster,occurred heavy rain or rainstorm.The intensity of radar echo larger than 35 dBz corresponded to the thunderstorm area,and the intensity of radar echo larger than 45 dBz better corresponded to the hail and severe convection weather.

west bank of the Bohai sea;convection weather;satellite cloud picture;radar echo;forecast and alerts

P458.1

A

1003-0239（2017）01-0057-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.01.007

2016-02-01；

2016-06-17。

環(huán)渤海區(qū)域科技協(xié)同創(chuàng)新基金（QYXM201502）；河北省氣象局科研開發(fā)項目（ZC1303）。

于志明（1964-），男，工程師，本科，主要從事海洋預報服務(wù)與災害天氣研究。E-mail：qasqxjyzm@163.com