宿州市一次強(qiáng)對(duì)流天氣的特征分析及預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

孟雅婷 張振宇 汪夢(mèng)瑤 張穎

摘 要：利用常規(guī)高空和地面觀測(cè)資料、區(qū)域自動(dòng)站資料、多普勒天氣雷達(dá)以及數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品，從彌補(bǔ)短期預(yù)報(bào)的不足、提前服務(wù)以減輕其造成的災(zāi)害損失的角度出發(fā)，對(duì)宿州2021年6月30日一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的天氣背景、環(huán)境條件及觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：此次過(guò)程500hPa形勢(shì)是蒙古冷渦、東北冷渦的形勢(shì)下配合高空淺槽東移，700hpa和850hpa切變線位于宿州北側(cè)。強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前大氣層結(jié)極不穩(wěn)定，上干冷下暖濕的垂直空間分布有利于對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立。多普勒雷達(dá)觀測(cè)表明，此過(guò)程回波最強(qiáng)強(qiáng)度為66dBz，19∶14出現(xiàn)的陣風(fēng)鋒、22∶11出現(xiàn)的弓形回波和低層徑向速度大值區(qū)與出現(xiàn)大風(fēng)的區(qū)域有很好的對(duì)應(yīng)。ECMWF、NECP等全球模式對(duì)大尺度穩(wěn)定降水落區(qū)預(yù)報(bào)表現(xiàn)較好，但對(duì)其中對(duì)流天氣組織化描述不足。GRAPES_3KM、華東區(qū)域等中尺度模式穩(wěn)定性不如全球模式，但對(duì)對(duì)流尺度天氣預(yù)報(bào)有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：高空冷渦;切變線;不穩(wěn)定條件;雷達(dá)圖像分析;數(shù)值預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

中圖分類號(hào) P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）02-0156-05

Abstract： Using conventional high-altitude and ground observation data， regional automatic station data， Doppler weather radar and numerical model forecast products.From the aspects of making up for the short-term forecast and providing services in advance to reduce the disaster losses caused by it，a systematic analysis of the weather background， environmental conditions and triggering mechanism of a severe convective weather process in Suzhou on June 30， 2021.The result shows：The 500hPa situation in this process is the Mongolian cold vortex and the northeast cold vortex， with the high-altitude shallow trough moving east， and the 700hpa and 850hpa shear lines are located on the north side of Suzhou.Combined with the analysis of environmental conditions， it is found that the atmospheric stratification is extremely unstable before the occurrence of strong convective weather， and the vertical spatial distribution of upper dry and cold lower warm and wet is conducive to the establishment of convective unstable stratification. Doppler radar observations show that the strongest echo intensity in this process is 66dBz， the gust front at 19∶14， the bow echo at 22∶11， the low-level radial velocity large value area and the strong wind area are very good. correspond. Comparative analysis of the results of multiple numerical forecasts shows that global models such as ECMWF and NECP perform well in large-scale stable precipitation areas， but the organized description of convective weather is insufficient. Mesoscale models such as GRAPES_3KM and East China are not as stable as global models， but they have advantages for convective-scale weather forecasting.

Key words： High-altitude cold vortex; Shear line; Unstable conditions; Radar image analysis; Numerical prediction test

1 引言

強(qiáng)對(duì)流天氣是氣象學(xué)上所指的發(fā)生突然、移動(dòng)迅速、天氣劇烈、破壞力極強(qiáng)的災(zāi)害性天氣，主要有雷雨大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等，具有局地性、時(shí)間相對(duì)集中、破壞性大的特點(diǎn)[1]。強(qiáng)對(duì)流天氣由中小尺度系統(tǒng)引發(fā)，其特點(diǎn)是水平尺度小、生命史短、破壞力強(qiáng)。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，強(qiáng)對(duì)流天氣給人民帶來(lái)的氣象災(zāi)害及次生災(zāi)害也越來(lái)越嚴(yán)重。宿州市處于黃淮平原南端，近年來(lái)強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，如何做好強(qiáng)對(duì)流天氣的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警有著重要而現(xiàn)實(shí)的意義。

強(qiáng)對(duì)流天氣是天氣預(yù)報(bào)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，諸多學(xué)者針對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了大量研究。陳小婷[2]等對(duì)商洛一次致災(zāi)性短時(shí)強(qiáng)降水天氣的中尺度特征進(jìn)行分析，總結(jié)有益的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。董春卿[3]等基于快速循環(huán)同化的華北睿圖模式的探空分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)，總結(jié)山西強(qiáng)對(duì)流天氣分類指標(biāo)與判據(jù)。本研究利用常規(guī)高空和地面觀測(cè)資料、區(qū)域自動(dòng)站資料、多普勒天氣雷達(dá)以及數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品，從天氣背景、環(huán)境條件及觸發(fā)機(jī)制等方面對(duì)宿州2021年6月30日一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對(duì)比分析各家數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以期得出對(duì)此類強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

2 強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)況

2021年6月30日18時(shí)至7月1日2時(shí)，宿州市部分地區(qū)出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。該過(guò)程自西北向東南先后影響了宿州碭山縣、蕭縣、埇橋區(qū)等地。碭山縣東部、蕭縣東部和南部、埇橋區(qū)西部出現(xiàn)大雨到暴雨，降水量在25mm以上有34個(gè)站點(diǎn)，50mm以上（達(dá)到暴雨）有12個(gè)站點(diǎn)，最大雨量出現(xiàn)在蕭縣石林（84.5mm），最大1h雨強(qiáng)79.8mm（蕭縣石林）。碭山縣、蕭縣、埇橋區(qū)共34個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng)，8個(gè)站點(diǎn)達(dá)到9級(jí)，碭山站達(dá)到10級(jí)（24.8m/s），具體見(jiàn)圖1。

本次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程特點(diǎn)是單站風(fēng)速較大，且部分站點(diǎn)小時(shí)雨強(qiáng)較大，部分站點(diǎn)達(dá)暴雨標(biāo)準(zhǔn)，屬于災(zāi)害性天氣，由于前期偏旱，此次過(guò)程有效緩解了宿州部分地區(qū)的旱情。

3 大氣環(huán)流背景及天氣形勢(shì)分析

強(qiáng)對(duì)流天氣常發(fā)生在有利的大尺度天氣背景下，大尺度天氣背景限定了中小尺度對(duì)流天氣系統(tǒng)的強(qiáng)度、時(shí)空尺度、演變特征等[1]。圖2是6月30日08時(shí)及20時(shí)環(huán)流形勢(shì)，由圖可知，6月30日08時(shí)500hpa高度場(chǎng)副熱帶高壓主要控制西太平洋、南海地區(qū)，在其北側(cè)有弱短波槽活動(dòng)。蒙古冷渦位于蒙古中部，東北冷渦中心位于黑龍江省東部，高空有淺槽東移。700hpa和850hpa上宿州附近有風(fēng)向輻合，沿江地區(qū)有暖式切變線存在。17時(shí)地面圖上，宿州處低壓帶，受弱的低壓倒槽的影響。20時(shí)宿州500hpa轉(zhuǎn)為受淺槽控制，700hpa偏北氣流加強(qiáng)，黃淮地區(qū)有冷中心存在;850hpa為弱暖脊控制，有偏南氣流控制，且強(qiáng)度增強(qiáng)，風(fēng)速8m/s，輸送暖濕氣流。700hpa和850hpa宿州北側(cè)均有切變存在。高空的干冷空氣堆積在低層的暖濕氣流之上，“上干冷下暖濕”，呈現(xiàn)層結(jié)不穩(wěn)定特征，有利于強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生和發(fā)展。

4 單站探空和物理量場(chǎng)分析

6月26—29日宿州市地面氣溫偏高均超過(guò)34℃，高溫為降水的發(fā)生提供了一定的熱量聚集，為熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能提供強(qiáng)有力的支撐。從徐州站探空資料分析，有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生的環(huán)境條件：（1）30日08時(shí)，ΔT（850-500）為25℃，不存在逆溫，自由對(duì)流高度（LFC）在3km以下，且中高層較干，低層較濕，0～3km、0～6km的垂直風(fēng)切邊較小，抬升凝結(jié)高度較低;（2）有強(qiáng)的對(duì)流有效位能，30日08時(shí)至20時(shí)CAPE值由875.5增至1880.6J/kg，且CAPE區(qū)域呈狹長(zhǎng)形狀，該形狀為短時(shí)強(qiáng)降水T-lnp圖的典型形式;SI指數(shù)-0.92變?yōu)?2.38，LI由-2.05變?yōu)?4.29，K指數(shù)由28.4增至40.3，表明對(duì)流層中低層存在熱力不穩(wěn)定層結(jié)，且大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件明顯增強(qiáng);（3）整個(gè)溫濕層結(jié)曲線形成向上開口的喇叭口形狀，這種高低空配置下表征大氣層結(jié)不穩(wěn)定，高層冷干氣流疊加在低層暖濕氣流之上，有使層結(jié)不穩(wěn)定度繼續(xù)加大的趨勢(shì);（4）30日20時(shí)，1000hPa至850hPa風(fēng)向隨順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有暖平流;850hPa至700hPa逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，低層有暖平流，中層冷平流，也是易形成強(qiáng)對(duì)流天氣的典型特征;（5）850hpa到地面比濕均大于14g/kg，500hpa以下相對(duì)濕度大，對(duì)流層高層有明顯的干空氣層，具有“上干冷、下暖濕”特征。

綜合分析，“上干下濕”“喇叭口”特征，中層存在干層，能量條件較好，有利于雷暴大風(fēng)天氣出現(xiàn);高層、低層有濕層，抬升凝結(jié)高度較低，可能發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水;但0℃層較高（5km），0～6km垂直風(fēng)切變較小，不利于大冰雹的產(chǎn)生。此次過(guò)程的環(huán)境條件有利于形成雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，天氣實(shí)況確實(shí)也出現(xiàn)了這2種強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。

5 雷達(dá)回波演變特征

雷達(dá)資料是監(jiān)測(cè)和分析中小尺度系統(tǒng)活動(dòng)的有效工具，是短期預(yù)報(bào)的重要工具[4]。徐州雷達(dá)觀測(cè)的0.5°仰角反射率因子回波時(shí)間演變圖（圖4：b、d、f）顯示，6月30日18：00起，碭山北側(cè)有強(qiáng)對(duì)流回波向東南方向移動(dòng)，直到次日凌晨2點(diǎn)回波逐漸消散，此過(guò)程最大回波強(qiáng)度達(dá)66dBz，造成碭山縣、蕭縣以及埇橋區(qū)部分地區(qū)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。通過(guò)雷達(dá)圖的各種特征分析，此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程以雷雨大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水為主。

從徐州雷達(dá)觀測(cè)的0.5°仰角速度圖看出，19：08測(cè)站南部開始出現(xiàn)方向相反的速度區(qū)，由正速度將負(fù)速度包圍。19：14基本反射率圖上可以看到1條陣風(fēng)鋒，此時(shí)碭山縣境內(nèi)有8個(gè)站點(diǎn)瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)7級(jí)，隨后19：17碭山本站出現(xiàn)10級(jí)陣風(fēng)。22：11—22：17埇橋境內(nèi)有明顯的弓形回波生成且后部有弱回波通道，表明存在強(qiáng)的下沉后側(cè)入流急流，它可向下沉氣流提供干燥的和高動(dòng)量的空氣，通過(guò)垂直的動(dòng)量下傳和增加的雨水蒸發(fā)，達(dá)到增加地面附近出流的強(qiáng)度。弓形回波指示了災(zāi)害性短時(shí)大風(fēng)的區(qū)域和風(fēng)暴進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。從22：11速度圖可以看出，弓形回波后部區(qū)域出現(xiàn)大風(fēng)速區(qū)，與實(shí)況有很好的對(duì)應(yīng)。此次過(guò)程中，出現(xiàn)大風(fēng)與強(qiáng)降水的時(shí)段與雷達(dá)回波都有很好的對(duì)應(yīng)。

6 數(shù)值預(yù)報(bào)檢驗(yàn)對(duì)比及思考

此次過(guò)程降水最強(qiáng)時(shí)段是30日20—23時(shí)，降水性質(zhì)主要是對(duì)流性降水。通過(guò)模式預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)比發(fā)現(xiàn)（圖5），全球模式對(duì)于此次過(guò)程預(yù)報(bào)效果較差，ECMWF、NECP_GFS對(duì)于此次過(guò)程降水量以及陣風(fēng)的預(yù)報(bào)也偏小，落區(qū)基本正確;GRAPES基本沒(méi)有預(yù)報(bào)出此次降水。像中尺度模式：GRAEPS_MESO、GRAEPS_3KM和華東模式對(duì)50mm以上強(qiáng)降水有較好反應(yīng)，但預(yù)報(bào)的落區(qū)范圍較大，與實(shí)際有所偏差。絕大多數(shù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)穩(wěn)定性降水的模擬能力優(yōu)于對(duì)流性降水，對(duì)流越強(qiáng)烈，模式的模擬能力越弱，效果越差。綜合來(lái)看全球模式對(duì)大尺度穩(wěn)定降水落區(qū)表現(xiàn)較好，但對(duì)其中對(duì)流天氣組織化描述不足，預(yù)報(bào)量級(jí)偏小。中尺度模式穩(wěn)定性不如全球模式，但對(duì)對(duì)流尺度天氣預(yù)報(bào)有優(yōu)勢(shì)。針對(duì)此類強(qiáng)對(duì)流天氣，數(shù)值預(yù)報(bào)雖可以給短期預(yù)報(bào)提供較好的指示作用，但不可以過(guò)度依賴于數(shù)值預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)結(jié)果。

7 結(jié)論

（1）此次過(guò)程為蒙古冷渦與東北冷渦形勢(shì)下，淺槽東移和低層切變的共同影響產(chǎn)生，中高空的干冷空氣疊加在低層暖濕氣流之上，呈現(xiàn)“上干冷下暖濕”特征，容易導(dǎo)致不穩(wěn)定能量的積累，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣。同時(shí)，雷雨大風(fēng)易發(fā)生在切變輻合線的南側(cè)。

（2）“上干下濕”“喇叭口”特征，中層存在干層，能量條件較好，有利于雷暴大風(fēng)天氣出現(xiàn);高層、低層有濕層，抬升凝結(jié)高度較低，有利于出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水;但0℃層較高（5km以上），0～6km垂直風(fēng)切變較小，不利于大冰雹的產(chǎn)生。

（3）過(guò)程期間陣風(fēng)鋒后側(cè)以及弓形回波后部的弱回波通道是災(zāi)害性短時(shí)大風(fēng)發(fā)生的區(qū)域，同時(shí)向反射率梯度大的區(qū)域移動(dòng)。

（4）數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)不穩(wěn)定降水預(yù)報(bào)效果較差。針對(duì)此類強(qiáng)對(duì)流天氣，不可以過(guò)度依賴于數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果。全球模式對(duì)大尺度穩(wěn)定降水落區(qū)表現(xiàn)較好，但對(duì)其中對(duì)流天氣組織化描述不足，預(yù)報(bào)量級(jí)偏小。中尺度模式穩(wěn)定性不如全球模式，但對(duì)對(duì)流尺度天氣預(yù)報(bào)有優(yōu)勢(shì)。

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（責(zé)編：王慧晴）