黃南地區(qū)強對流天氣預(yù)報方法探析

徐開宇 嚴繼云 任強

摘要 ? ?強對流天氣過程是產(chǎn)生局地氣象災(zāi)害的重要原因，強對流天氣過程中尺度結(jié)構(gòu)高時空分辨率的探測對中小尺度研究、預(yù)警和預(yù)報有重要作用。本文利用常規(guī)高空資料、雷達資料及云圖資料對青海省黃南地區(qū)強對流天氣的活動規(guī)律、天氣特征、高空形勢、環(huán)流背景及雷達回波特征進行歸納總結(jié)，用具體實例進行詳細分析，提出強對流天氣的短時臨近預(yù)報預(yù)警方法，充分發(fā)揮黃南地區(qū)天氣雷達的探測功能，保證強對流天氣預(yù)報的及時、準確，為減災(zāi)防災(zāi)發(fā)揮積極的作用。

關(guān)鍵詞 ? ?強對流;天氣分析;預(yù)報預(yù)警;黃南地區(qū)

中圖分類號 ? ?P458.12 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）20-0204-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

黃南藏族自治州地處青藏高原東南部，特殊的地理環(huán)境、復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)及嚴酷的氣候條件決定了該地區(qū)經(jīng)濟地域性明顯的特點，是我國經(jīng)濟、文化水平非常落后的地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計，在黃南地區(qū)出現(xiàn)的各類自然災(zāi)害中，氣象災(zāi)害占70%以上，有的年份甚至達90%，主要災(zāi)害性天氣為暴雨、冰雹、短時雷雨大風等強對流天氣，多集中在每年5—9月。據(jù)黃南州4個氣象站點多年資料統(tǒng)計，2011—2016年的5—9月有暴雨15次，有冰雹47次。該地區(qū)經(jīng)濟落后，防御災(zāi)害的能力極其脆弱。據(jù)不完全統(tǒng)計，近10年，每年因暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣造成的經(jīng)濟損失都在6 000萬元以上，隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，氣象災(zāi)害造成的損失也將同步增長。伴隨著衛(wèi)星、雷達以及數(shù)值預(yù)報等技術(shù)的發(fā)展，人們對強對流天氣的認識也在不斷加深，預(yù)報水平以及預(yù)報準確率逐漸提高。本文對黃南地區(qū)強對流天氣預(yù)報方法進行探析。

1 ? ?研究內(nèi)容

1.1 ? ?環(huán)流背景和影響系統(tǒng)分析

在強對流天氣出現(xiàn)前，應(yīng)對歐亞范圍內(nèi)的大尺度系統(tǒng)的移動和演變進行分析，這是因為它們直接制約著影響系統(tǒng)的移動和演變。重點分析造成黃南地區(qū)強降水的西風槽、高原槽、高原渦以及高原切變線等低值系統(tǒng)的演變規(guī)律。

1.2 ? ?物理量場分析

在天氣分析中，渦度、散度、垂直速度和水汽通量散度以及各種能量場等物理量與一般的氣象要素（氣溫、氣壓、風速、濕度）不同，它們通常無法由觀測直接得到，而必須通過其他氣象要素經(jīng)過一定的計算間接獲得。

診斷分析方法是大氣科學研究中常用的一種方法。這些物理量在某時刻的空間分布被稱為“診斷場”。近年來，國內(nèi)許多學者利用各類物理量對暴雨天氣進行分析研究，以揭示暴雨天氣過程中各類物理量場的演變特征，以及物理量場與天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系。

1.3 ? ?T-lnP圖分析

對強降水個例出現(xiàn)前各指標站的T-lnP圖反映情況進行分析。

2 ? ?強對流雷達天氣研究指標判定

2.1 ? ?強降水雷達回波指標

統(tǒng)計62次對流云的最大平均反射率因子發(fā)現(xiàn)，強降水產(chǎn)生時雷達回波反射率因子較冰雹強度小，強回波范圍也較小，最大回波強度為40～55 dBZ。徑向速度圖中，強降水的速度回波較整齊而有對稱結(jié)構(gòu)，如“牛眼”[1-4]。以最大回波強度所在的最大高度作為對流云的回波頂高，強降水回波頂高8～17 km。出現(xiàn)強降水時最大垂直液態(tài)水含量為3～30 kg/m2。強降水時暖平流為主的濕度層較厚，可達2～6 km（表1）。

2.2 ? ?冰雹雷達回波指標

根據(jù)散射理論，冰雹云的雷達回波強度大于同地區(qū)、同季節(jié)出現(xiàn)的其他雷暴云的回波強度，是所有對流云回波中最強的，可達50 dBZ以上，強的能達到60 dBZ甚至65 dBZ以上。同時，降冰雹時強回波中心較強降水處于中空（強中心不接地）或高度較高（強中心接地），但單純回波強度無法完全區(qū)分強降水云及冰雹云，必須結(jié)合冰雹云其他特征，如弱回波區(qū)、V型缺口等（表1）。

弱回波區(qū)通常可以作為判斷超級單體風暴的一個識別標志，可以通過對弱回波區(qū)的確認，再結(jié)合回波體的強度、高度、尺度等超級單體風暴特征進行冰雹云的確定。由于云中大冰雹等粒子影響，雷達探測時在大粒子區(qū)后半側(cè)形成所謂的V型缺口，這是冰雹云的另一重要特點。與風暴中強上升氣流密切相關(guān)的小尺度特征是風暴頂輻散，它是冰雹云發(fā)展的一個重要條件，可以維持強上升氣流，有利于冰雹的增長[5-7]。

冰雹云雷達回波徑向速度大于強降水，分布尺度很小，徑向速度等值線分布較密集，切向梯度也較大。可通過分析徑向速度揭示風速和風向的變化，以確定冰雹云。同時冰雹云的徑向速度回波中多存在中氣旋。因為冰雹云中的上升氣流強于一般雷暴，所以冰雹云雷達回波的高度也是最高的，降雹時回波頂高均在9 km以上，且回波頂高會出現(xiàn)躍增現(xiàn)象。降雹時垂直液態(tài)水含量最大值均>30 kg/m2，并且存在突然增大后減小的現(xiàn)象。出現(xiàn)冰雹時風廓線產(chǎn)品上低層暖平流與高層冷平流相疊置，但濕層較薄，只有1～3 km，且是在出現(xiàn)較大冰雹時才出現(xiàn)。

3 ? ?強對流單體指標與不同程度強降水、冰雹的關(guān)系

3.1 ? ?與不同程度強降水的關(guān)系

由表2可知，小時降水量的大小與各項強對流單體的指標密切相關(guān)，依據(jù)此表可做短時強降水預(yù)報及發(fā)布預(yù)警信號，但強降水量總體大小還與降水時間長短有關(guān)，如對流單體在同一位置停滯較長時間，雖然小時降水量不大，但仍然會有大降水出現(xiàn)，這在實際工作中必須注意。

3.2 ? ?與不同程度冰雹的關(guān)系

由表3可知，出現(xiàn)大冰雹時各項指標比較小冰雹均強，但在實際工作中，由于預(yù)報時間有限且回波各項指標無法全部滿足，兩者可能會出現(xiàn)交叉情況，從防雹角度來說只判斷有無較大冰雹（直徑≥5 mm）即可。

4 ? ?強對流天氣個例分析

4.1 ? ?天氣實況

以2017年6月15日對流天氣為例，16：20左右黃南地區(qū)地區(qū)出現(xiàn)了以強降水、雷電、冰雹為主的強對流天氣（表4），同仁、河南兩地還出現(xiàn)最大直徑分別達40、7 mm的冰雹，其中同仁降雹時間長達17 min。從氣象記錄看，主要降水區(qū)出現(xiàn)在黃南地區(qū)、海南的東部及果洛的北部地區(qū)。局地強對流天氣造成了較嚴重的損失，此次強對流天氣造成同仁縣隆務(wù)鎮(zhèn)、牙浪鄉(xiāng)、年都乎鄉(xiāng)、加吾鄉(xiāng)、瓜什則鄉(xiāng)共計873戶3 564人受災(zāi)，約233.3 hm2農(nóng)作物受災(zāi)，其中成災(zāi)面積達197.3 hm2;154戶太陽能熱水器及636戶封閉玻璃遭到損壞，50多處圍墻倒塌，300多輛車不同程度地受損，共造成經(jīng)濟損失達345.3萬元。

4.2 ? ?天氣形勢分析

2017年6月15日8：00 500 hPa高空圖上，亞歐中高緯度環(huán)流形勢為兩槽兩脊型，其中一脊位于烏拉爾山脈一線，一小高壓位于貝加爾湖附近，西亞有較深低渦冷槽發(fā)展，東北地區(qū)有低渦冷槽;新疆低槽底部有不斷分裂的小槽和冷平流影響青海省，西部阿爾金山一線有較強的鋒區(qū)（ΔT52818-51777=10 ℃），從青海沱沱河開始沿三江源到甘肅民勤有16～20 m/s的大風帶，全省濕度較大，大部分地區(qū)溫度露點差在1～2 ℃。6月15日20：00 500 hPa高空圖上，貝加爾湖的小高壓消失，影響高原的短波槽移動到蘭州附近，青海省大部處于偏西氣流中。相應(yīng)的地面圖上，6月15日8：00地面有2股冷空氣，其中1支已經(jīng)到達甘肅的民勤至烏鞘嶺一線，其后部的酒泉站24 h變壓達8 hPa，1支已經(jīng)翻過阿爾金山到達青海省西部的冷湖至格爾木一線，其后部的芒崖站24 h變壓為2 hPa。隨后，河西走廊的冷空氣一直在烏鞘嶺西部堆積，而高原上的冷空氣快速東移，14：00酒泉站24 h變壓達14 hPa，高原上的冷空氣也已經(jīng)到達德令哈—都蘭—曲麻萊一線，格爾木站24 h變壓達6 hPa，并且冷鋒附近出現(xiàn)了陣性降水。

從6月15日衛(wèi)星云圖上看，沿著500 hPa的西南急流上不斷有對流云系生成、發(fā)展，這些對流云系包含了中尺度的對流復(fù)合體，其主要向東北偏東方向移動。6月15日16：00其前沿到達黃南州，并且還在繼續(xù)加強。正是這些中小尺度對流云團造成局地強對流天氣，并引發(fā)冰雹災(zāi)害，這是一次前傾槽引發(fā)的強對流天氣（圖1）。

5 ? ?對流天氣的短時臨近預(yù)報預(yù)警

5.1 ? ?天氣形勢預(yù)警

可以通過觀察可見光云圖進行天氣形勢預(yù)警，強對流云團多呈橢圓形，上風方一側(cè)邊緣線清晰，下風方為羽毛狀云砧;暴雨云團頂部卷云向周圍伸展，邊緣多呈絮狀，比較模糊。此外，云砧結(jié)構(gòu)越密實，云團形成降雹幾率越大。依據(jù)可見光云團和紅外云團可以判別云團的水平和垂直尺度。對流云云體含水量充沛，垂直厚度較大，通常亮度較大，尺度適中。若對流云團尺度太大，多屬于暴雨云團或強對流云團，尺度太小則為一般積雨云團。此外，依據(jù)云頂溫度及其變化率，可確定云體或云頂?shù)脑鲩L速率。如果云團亮度的階數(shù)愈多，云頂溫度愈低，說明云頂高度高，對流旺盛，強度愈大，產(chǎn)生強對流的可能性愈大。

另外，在監(jiān)測的時候還應(yīng)該注意對流云強度的判斷：當對流云向散度場（或流場）的輻合區(qū)（或正渦度區(qū)，垂直運動上升區(qū)）、能量場（或Qse）大值區(qū)（或能量通量的輻合區(qū)、水汽通量的輻合區(qū)）、負變壓（或負變高）區(qū)和降水區(qū)移動時對流云強度將加強。對流云移動路徑的判斷如下：①對流云移向最大負變壓區(qū)并且減弱;②當對流云前（后）出現(xiàn)負（正）變壓中心時，對流云將沿負（正）變壓中心連線移動;③對流云移向散度場的輻合中心或正渦度區(qū);④與鋒面、切變線等系統(tǒng)相對應(yīng)的對流云將隨著該系統(tǒng)的移動而移動;⑤對流云將向水汽通量的輻合區(qū)移動，或沿著引導(dǎo)氣流的方向移動[8-10]。

5.2 ? ?雷達觀測預(yù)警

高原上由于對流云的發(fā)展十分迅速，從大形勢上判斷有時會出現(xiàn)漏報現(xiàn)象，當雷達探測到對流云時，應(yīng)根據(jù)天氣學原理和最新的數(shù)值預(yù)報資料，及時判斷對流云未來的強度和路徑，并做出訂正或補充預(yù)報。另外，如果分析天氣形勢中有可能發(fā)展為強對流天氣，則需要特別注意天氣雷達的回波演變，有帶狀回波移進雷達探測區(qū)域時，要仔細分析回波強度、回波頂高、垂直液態(tài)水含量的變化，注意是否有對流云的特征，速度圖上分析中氣旋可能影響的區(qū)域，如果滿足回波頂高H≥8 km、垂直液態(tài)水含量≥30 kg/m2、單體回波強度≥40 dBZ這3個條件，就要發(fā)布短時天氣臨近預(yù)報及預(yù)警信號（圖2）。

5.3 ? ?預(yù)警信號發(fā)布

根據(jù)天氣形勢和雷達資料等，當達到對流天氣的起報條件，要對外發(fā)布暴雨、雷電、冰雹等預(yù)警信號，提醒相應(yīng)區(qū)域做好防災(zāi)準備工作。同時，若產(chǎn)生冰雹時相關(guān)人員還應(yīng)做好人工消雹工作。各種強對流天氣的預(yù)警信號發(fā)布后，密切注意雷達資料的變化，如果對流云已經(jīng)減弱，當滿足單體回波強度<40 dBZ、回波頂高H<8 km、垂直液態(tài)水含量VIL<30 kg/m2 3個條件其中之一，應(yīng)及時解除預(yù)警信號。預(yù)警信號解除后，還要注意收集災(zāi)情及受損情況，繼續(xù)做好雷達觀測資料的分析，直到對流云完全消散[11-12]。

6 ? ?結(jié)論

（1）影響黃南地區(qū)的強對流天氣系統(tǒng)地面氣壓呈北高南低，高原主體為熱低壓，北側(cè)為冷高壓，在冷熱高壓交界區(qū)易產(chǎn)生強對流天氣。前期的高溫背景為強降水產(chǎn)生提供了有利的能量條件，大氣處于上干冷、下暖濕的潛在對流不穩(wěn)定狀態(tài)，副高邊緣西南暖濕氣流與巴爾喀什湖槽底部分裂冷空氣的共同影響，才能造成青海省黃南地區(qū)的強降水天氣過程。

（2）在對流系統(tǒng)發(fā)展過程中，其移動方向的前部有較大范圍的對流不穩(wěn)定區(qū)域和對流有效位能大值區(qū)，對強對流天氣的發(fā)展提供了有利的不穩(wěn)定條件，較有利的水汽輸送的水汽輻合條件對強對流過程的發(fā)生發(fā)展及其中伴隨的短時強降水的發(fā)生提供了重要的條件[13-14]。

（3）分析強對流天回波結(jié)構(gòu)特征的成因，得出強對流天氣的產(chǎn)生雷達回波特征是對應(yīng)0.5°～4.3°各層次的反射率因子強度達到40 dBZ以上，且強中心持續(xù)10 min以上，垂直液態(tài)水含量大于30 kg/m2，速度圖上有逆風區(qū)出現(xiàn)，強回波中有對應(yīng)的回波中心大值區(qū)。

（4）雷達圖上強對流天氣指標中強降水較冰雹弱，冰雹強度最強，而且具有弱回波區(qū)、V型缺口以及風暴頂輻散等明顯特征。在徑向速度圖上出現(xiàn)強降水時風場分布均勻，經(jīng)常會出現(xiàn)“牛眼”等對稱結(jié)構(gòu)，而產(chǎn)生冰雹時風向風速低層輻合高層輻散明顯，有時出現(xiàn)中氣旋。冰雹的回波頂高較強降水高，垂直液態(tài)水含量也較大并且存在突然增大后減小的現(xiàn)象。

7 ? ?參考文獻

[1] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學原理和方法[M].3版.北京：氣象出版社，2000.

[2] 俞小鼎，周小剛，熊廷南，等.強對流天氣臨近預(yù)報[Z].中國氣象局培訓中心，2009：38-41.

[3] 俞小鼎，王迎春，陳明軒，等.新一代天氣雷達與強對流天氣預(yù)警[J].高原氣象，2005，24（3）：456-467.

[4] 王建兵，王振國，李曉媛，等.甘南高原一次突發(fā)性強對流天氣的診斷分析[J].高原氣象，2007，25（3）：54-60.

[5] 林莉，李曉婧，唐錢奎.2010年6月18日四川地區(qū)強對流天氣過程分析[J].高原山地氣象研究，2011，31（4）：36-41.

[6] 林春英，李富剛，馬玉巖，等.青海東部東業(yè)區(qū)冰雹分布特征[J].青海氣象.2007（3）：16-18.

[7] 隋東，沈桐立，張濤，等.沈陽地區(qū)一次冰雹天氣過程形成機制的數(shù)值模擬[J]氣象，2005，31（7）：20-23.

[8] 葉成志，唐明暉，陳紅專，等.2013年湖南首場致災(zāi)性強對流天氣過程成因分析[J].暴雨災(zāi)害，2013，32（1）：1-10.

[9] 梁建宇，孫建華.2009年6月一次颮線過程災(zāi)害性大風的形成機制[J].大氣科學，2012，36（2）：316-336.

[10] 姚葉青，俞小鼎，張義軍，等.一次典型颮線過程多普勒天氣雷達資料分析[J].高原氣象，2008，27（2）：118-122.

[11] 張騰飛，段旭，魯亞斌，等.云南一次強對流冰雹過程的環(huán)流和雷達回波的特征分析[J].高原氣象，2006（25）：531-534.

[12] 張順.昌北機場一次冰雹天氣過程的綜合分析[J].地球，2014（6）：266-267.

[13] 劉海.強對流天氣識別與預(yù)報方法研究[D].天津：天津大學，2014.

[14] 田龍.提高天氣預(yù)報準確率的探討[J].南方農(nóng)機，2018，49（20）：189.