強對流天氣過程特征分析及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響與建議

作者簡介 蔣姍姍（1989—），女，安徽亳州人，碩士，工程師，從事遙感應用與氣象防災減災工作。

通信作者 徐玉秀（1989—），女，江蘇連云港人，碩士，工程師，從事天氣預報、預測研究。

收稿日期 2024-01-16

摘要 為探究強對流天氣發(fā)生機理，更好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供氣象服務，本文利用氣象信息綜合處理系統(tǒng)實況資料、自動站加密觀測資料、MICAPS4平臺資料、衛(wèi)星和雷達資料，對2023年7月7日遼寧錦州地區(qū)的一次強對流過程的環(huán)流形勢、對流不穩(wěn)定條件、衛(wèi)星和雷達特征進行分析。結果表明，此次過程是發(fā)生在東北冷渦天氣背景下的強對流天氣，高空東北冷渦加強，地面華北低壓向東北移動，槽后冷空氣補充，冷暖空氣交綏，且垂直風切變較強，低層高濕高能環(huán)境為此次強對流提供充足的水汽和能量，促使出現(xiàn)了雷暴大風和短時強降水天氣。同時，充分利用氣象部門發(fā)布的農(nóng)業(yè)氣象災害風險評估產(chǎn)品、預報預測產(chǎn)品，以應對強對流天氣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，做好低洼地帶農(nóng)田防護與排澇工作，做好病蟲害防治措施。

關鍵詞 東北冷渦；短時強降水；雷暴大風；雷達回波

中圖分類號 P458.121；S165"" 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）13-0103-05

強對流天氣是指伴隨雷暴現(xiàn)象的對流性大風（≥17.2 m/s）、冰雹和短時強降水等劇烈天氣，具有突發(fā)性強、強度大、生命史短、局地性強和致災性強等特點，是夏季東北地區(qū)主要的災害性天氣之一[1]。因此，強對流天氣的預報既有難度，又是重點。目前已有許多學者對強對流天氣進行研究，通常認為，短時強降水的發(fā)生需要較強的抬升運動、充足的水汽、熱力不穩(wěn)定層結以及適當?shù)拇怪憋L切變條件[2]，但不同區(qū)域所需的環(huán)境條件和具體對流參數(shù)閾值不盡相同[3-5]。何晗等[6]對冷渦背景下短時強降水的統(tǒng)計表明，降水主要集中在冷渦中心東南部和西南部。李爽等[7]認為，切變輻合與水汽輸送結合是影響東北冷渦背景下短時強降水的重要因素。雷暴大風過程多伴有颮線，颮線過境時，氣象要素劇烈變化，引起東北地區(qū)雷暴大風的弓狀回波，其天氣背景主要是東北冷渦和高空槽，中等的對流不穩(wěn)定度和垂直風切變，中層存在明顯干層[8]，而中到強的垂直風切變下形成雷暴大風的過程中，大范圍的雷暴大風多由沿著颮線的弓形回波造成[9]。

本文利用氣象信息綜合處理系統(tǒng)實況資料、自動站加密觀測資料、MICAPS4平臺資料、衛(wèi)星和雷達資料，對2023年7月7日傍晚至夜間遼寧錦州地區(qū)出現(xiàn)的強對流天氣過程的環(huán)流形勢、對流不穩(wěn)定條件、衛(wèi)星和雷達特征進行分析，分析有利于此次強對流天氣的條件，為氣象預報和服務提供參考。

1 材料與方法

1.1 天氣實況

研究區(qū)位于遼寧錦州地區(qū)，2023年7月7日17：00到8日5：00，研究區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)一次強對流天氣。氣象信息綜合處理系統(tǒng)實況資料和自動站加密觀測資料顯示，強對流持續(xù)時間短，雨強大，以短時強降水為主，有62個區(qū)域自動觀測站出現(xiàn)短時強降水（雨強≥20 mm/h），其中11個自動站小時雨強超過50"mm/h，最大1"h時降水量95.9"mm，為有氣象數(shù)據(jù)以來的極值，最大累計降水量193.6"mm，均出現(xiàn)在研究區(qū)東北部黑山縣芳山鎮(zhèn)，強降水集中在18：00—22：00，累計降水量50"mm以上的有49個站，其中超過100"mm的有11個站，大暴雨區(qū)域主要集中在黑山縣西北部。強對流過程同時伴有雷電、8～9級瞬時大風，且局部地區(qū)出現(xiàn)冰雹。

黑山縣西北部強降水主要集中在18：00—20：00，18：00—19：00降水量超過20"mm的有12個區(qū)域站，其中有4個區(qū)域站1"h降水量超過50"mm。研究區(qū)東北部黑山縣芳山鎮(zhèn)降水量如圖1A所示，其中最大整小時降水量95.9"mm，滾動小時降水量102"mm。從芳山鎮(zhèn)逐5"min降水量（圖1B）可以看出，此時黑山縣降水強度很大，5"min最大降水量達到13.7"mm；20：00，降水強度略有減弱，但小時雨強依舊達到48.6"mm；21：00之后降水強度逐漸減弱。

1.2 環(huán)流形勢和對流不穩(wěn)定條件

利用MICAPS4平臺提供的500和850 hPa天氣圖資料來分析此次強對流天氣下的高空大氣環(huán)流形勢，包括高空槽、急流和東北冷渦及地面等壓面等的強度，以及位置變化情況，以此體現(xiàn)此次強對流天氣的環(huán)流特征。

利用錦州探空站的T-lnP探空結果、歐陽位溫分析結果及相對應的物理量數(shù)據(jù)，分析此次強對流天氣過程的大氣環(huán)境特征及對流產(chǎn)生條件。

1.3 衛(wèi)星云圖

使用FY-4的紅外衛(wèi)星云圖采集數(shù)據(jù)，使用軟件Micaps 4.5進行數(shù)據(jù)處理，利用多時次對比分析方法對對流云團的發(fā)展、移動方向和云頂亮溫等要素進行分析，來研究此次強對流天氣的演變過程。

1.4 雷達回波特征

雷達數(shù)據(jù)使用的是錦州站的雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用SWAN 3.0軟件進行解譯，利用時空對比分析方法對雷達回波形狀、強度變化和移動方向等要素進行分析，來研究產(chǎn)生此次極端強對流天氣的原因。

2 結果與分析

2.1 環(huán)流形勢和不穩(wěn)定條件分析

2.1.1 環(huán)流形勢" 此次強對流過程發(fā)生在東北冷渦天氣背景下，2023年7月7日8：00，東北冷渦加強，500 hPa冷渦中心位于內(nèi)蒙古中部邊境交界處，由冷渦中心延伸的槽線經(jīng)過河北中西部，850 hPa低渦中心位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟，由低渦中心延伸的冷切位于河北中東部，暖切此時位于內(nèi)蒙古興安盟、吉林白城和黑龍江大慶的連線上，西南氣流較強，水汽條件充足。強對流在7日午后爆發(fā)，對流單體開始陸續(xù)發(fā)展、壯大，且逐漸往東北方向移動，18：00左右移至錦州黑山縣。20：00，500 hPa冷渦中心略有東移，高空槽移至遼寧西部，850 hPa冷切略微東移，此時低空切變落后于高空槽，呈前傾槽結構，配合低空急流，最大風速達20 m/s，且不斷向中西部地區(qū)輸送暖濕空氣，提供充足的水汽條件。高空槽后的干冷空氣疊加在低層暖濕氣流上，在研究區(qū)形成“上干冷下暖濕”結構，有助于靜力不穩(wěn)定層結發(fā)展，為此次強對流天氣發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。由低渦中心延伸的暖切移至遼寧西部，位于朝陽、阜新和研究區(qū)的交界處，研究區(qū)處于切變線影響區(qū)域的強濕度梯度區(qū)中。地面華北低壓東移北上，低層輻合，高層輻散，為本次強對流過程提供較強的動力條件。當日地面氣溫均較高，14：00研究區(qū)最高氣溫在33～35 ℃，位于研究區(qū)上游的朝陽部分地區(qū)最高氣溫在39～40 ℃，為強對流天氣的觸發(fā)和發(fā)展提供了充足的能量。

2.1.2 對流不穩(wěn)定條件" 從2023年7月7日8：00錦州探空站探空結果可知，此時錦州站的對流有效位能（Convective available potential energy，CAPE）達1 585.9 J/kg（用錦州站14：00氣溫35.8 ℃進行探空訂正后CAPE達到3 653.4 J/kg），K指數(shù)28.3 ℃，0～6 km垂直風切變?yōu)?8.7 m/s，沙氏指數(shù)SI為-1.53 ℃，動力和熱力條件較好，但整層相對濕度低，水汽條件較弱，8：00的探空結果表明有出現(xiàn)雷暴大風的可能。從20：00錦州探空站探空結果可以看到，動力和熱力條件仍然較好，整層水汽條件轉(zhuǎn)好。

18：00研究區(qū)開始出現(xiàn)強對流，從黑山縣北部開始，21：00錦州站開始出現(xiàn)強降水。由7日20：00錦州探空站T-lnP結果及其歐陽位溫分析結果可知，沙氏指數(shù)SI增強至-5.88 ℃，K指數(shù)達到36.3 ℃，具有較高的層結不穩(wěn)定度，此時CAPE值為1 014.5 J/kg，對流不穩(wěn)定能量仍然較強；相當位溫θse曲線垂直和左傾于溫度軸，表明大氣層結不穩(wěn)定，θse在850～1 000 hPa較高，從850 hPa開始向上快速左傾減小，到700 hPa附近達到最小值；隨后θse向上逐漸增加，700 hPa與地面θse差為-20 ℃。這表明大氣低層暖濕、中層700 hPa附近干冷，中層的干空氣卷入，有利于降水粒子蒸發(fā)冷卻，加強了下沉氣流，對雷暴大風的產(chǎn)生起到驅(qū)動作用。

在中等到強的垂直風切變條件下，對流風暴常常具有很好的組織性，可產(chǎn)生多單體風暴、超級單體風暴和颮線。通常12～20 m/s為中等以上垂直風切變，20 m/s以上為強垂直風切變[10]。本次強對流過程錦州站0～6 km垂直風切變18.7～20.8 m/s，屬于中等偏強垂直風切變，易出現(xiàn)超級單體和多單體風暴。

20：00水汽條件較8：00逐漸轉(zhuǎn)好，水汽通量大值區(qū)位于遼寧西部，整層降水量在45～50 mm，低層相對濕度均在90%以上，提供了充足的水汽條件。

由上可知，本次強對流過程不穩(wěn)定能量強，中層有干冷空氣侵入，且垂直風切變較強，低層水汽條件較好，因此容易出現(xiàn)雷暴大風和短時強降水天氣。

2.2 衛(wèi)星云圖特征分析

2023年7月7日午后，在朝陽、阜新分別有對流云團1生成，并逐漸往東北方向發(fā)展、移動，對流云團逐漸增強。15：00阜新上空的云團云頂亮溫達212.5 K，同時在秦皇島與葫蘆島交界處有云團2生成，且逐漸與云團1合并，朝東北偏東方向移動。18：00對流云團1云頂亮溫低值區(qū)移到錦州黑山、義縣，黑山北部云頂亮溫213.9 K（圖2A），造成其前沿的黑山本站、薛屯和義縣頭道河等地大風，其中義縣頭道河風速19.1 m/s，此時黑山北部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水逐漸加強，19：00—19：30錦州與葫蘆島交界處云團有所減弱，斷裂為兩個云團，即云團1（圖2B）和云團3（圖2C），但云頂亮溫的低值區(qū)更大范圍地進入研究區(qū)西北部，云頂亮溫212.5 K。此時，黑山西北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時強降水，滾動最大小時雨強達到102 mm/h，義縣聚糧屯風速開始明顯加強，瞬時風速21.9 m/s，風力九級，云團繼續(xù)東移北上。20：00錦州南部云團明顯減弱，北部依舊維持原狀（圖2D）。21：00云團3往東北方向發(fā)展加強，并與云團1合并，其前沿抵達研究區(qū)市區(qū)和凌海及沿海地區(qū)（圖2E），附近風速明顯加強，其中凌海部分區(qū)域瞬時風速22.9 m/s。22：00云團3進一步往東北方向發(fā)展加強，云頂亮溫215.2 K（圖2F），研究區(qū)和凌海開始出現(xiàn)強降水，此后對流云團逐漸移出研究區(qū)并減弱消散。

從云團的發(fā)展和演變流程可以看出，對流云團整體是往東北方向移動的，且范圍逐漸擴大、強度不斷加強。在云團發(fā)展加強的過程中，降水加強，出現(xiàn)短時強降水。地面風速加大，尤其是云團出現(xiàn)合并時地面風速明顯加強，大風出現(xiàn)的位置基本上位于云團移動方向前沿云頂亮溫梯度最大的區(qū)域。

2.3 雷達回波特征分析

從7月7日18：24強降水的雷達回波資料可以看出，強降水主要由帶狀強回波造成。在黑山、北鎮(zhèn)及義縣有一條東北—西南向的帶狀強回波，回波強度55～65 dBz。強回波自西南向東北移動，60 dBz以上的強回波不斷經(jīng)過黑山西北部，形成“列車效應”，造成黑山多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)50 mm/h以上的強降水。由于帶狀強回波中有多處強度在62～64 dBz，造成芳山鎮(zhèn)出現(xiàn)102 mm/h的極端強降水，其前沿的薛屯、黑山本站等多站開始出現(xiàn)瞬時大風，其中黑山瞬時風速18.9 m/s。從芳山鎮(zhèn)附近的雷達回波剖面資料可以發(fā)現(xiàn)，回波質(zhì)心較低，降水效率高；移動速度較慢，整個回波影響持續(xù)3～4 h，導致黑山西北部多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大暴雨天氣。

此輪強對流天氣過程分為兩個階段，18：00—20：00回波主要位于研究區(qū)西北部，呈窄帶狀分布，沿西南急流不斷往東北方向移動。19：00—19：30義縣上空的回波帶移速較快，與黑山上空回波合并，形成短帶強回波，此時黑山西北部回波略微減弱，回波大值區(qū)位于北鎮(zhèn)和義縣，最大回波強度55～60 dBz，降水強度增加。20：00短帶回波往東北方向移動，此時強降水主要集中在北鎮(zhèn)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，同時在錦州、凌海西部回波增強。21：00黑山上空的回波有所減弱，研究區(qū)和凌海一帶的回波加強為窄帶狀回波，最大回波強度50～55 dBz，研究區(qū)和凌海開始出現(xiàn)短時強降水，同時伴有8～9級大風。22：00回波繼續(xù)東移至盤錦，研究區(qū)回波開始減弱，降水強度明顯減小。

3 對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響與建議

強對流發(fā)生期正處于該地區(qū)玉米拔節(jié)—抽雄期，需水量增加，一定的降水有利于玉米的生長發(fā)育。但此次強對流天氣具有突發(fā)性強、破壞性大和局地性強的特點，易造成農(nóng)作物受災。

強對流天氣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響具體如下。一是農(nóng)田漬澇災害。受強對流天氣影響，尤其是此次強對流天氣過程帶來的短時強降水具有強度大、持續(xù)時間短和局地性強的特點，黑山縣西北部農(nóng)田漬澇風險極大。二是大風災害。黑山縣農(nóng)作物以旱作作物為主，玉米等農(nóng)作物易受大風天氣影響出現(xiàn)倒伏；同時可能造成設施農(nóng)業(yè)棚膜破裂、棚架折斷。三是冰雹災害。強對流帶來的局地冰雹天氣對玉米、果蔬等影響較大，會因機械損傷而影響部分作物生長，進而影響產(chǎn)量。四是次生災害。黑山縣西部、北部為低矮丘陵地帶，受短時強降水影響易引發(fā)山洪、泥石流等次生災害，對低洼地帶的農(nóng)作物造成影響。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建議：一是及時關注氣象部門對外發(fā)布的預報預警信息，及時采取有效措施進行防護；二是加強田間管理，提前做好排水防澇措施，降濕降漬，增強土壤通氣性，避免田間積水影響作物根莖生長；三是降水后濕度偏大，易引發(fā)病蟲害，及時采取防控措施；四是及時開展人工增雨作業(yè)，防范冰雹對農(nóng)作物的影響；五是加固農(nóng)業(yè)設施。

綜上，本文對2023年7月7日錦州地區(qū)的一次強對流過程的環(huán)流形勢、對流不穩(wěn)定條件、衛(wèi)星和雷達特征進行分析，得出結論如下。（1）此次過程是發(fā)生在東北冷渦天氣背景下的強對流天氣，持續(xù)時間短，雨強大，以短時強降水為主，多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨強超過50 mm/h，最大整小時降水量95.9 mm，突破歷史極值，強對流過程中伴有雷暴大風，局地出現(xiàn)冰雹。（2）高空東北冷渦加強，地面華北低壓向東北移動，槽后冷空氣補充，存在低空急流，冷暖空氣交綏，配合不穩(wěn)定能量，中層有干冷空氣侵入，且垂直風切變較強，再加上低層水汽條件較好，低層高濕高能環(huán)境為此次強對流提供充足的水汽和能量，因此容易出現(xiàn)雷暴大風和短時強降水天氣。（3）衛(wèi)星云圖顯示，影響研究區(qū)的對流云團主體往東北方向移動，前期移速較為緩慢，且范圍不斷擴大，短時強降水與云頂亮溫低值區(qū)位置相吻合，大風出現(xiàn)的位置基本上在云團傳播方向前沿云頂亮溫梯度最大的區(qū)域。（4）此輪強對流回波呈窄帶狀分布，主體往東北方向移動，短時強降水、瞬時大風多由50～55 dBz帶狀強回波造成，在黑山西北部出現(xiàn)“列車效應”，強回波不斷影響同一地區(qū)，回波強度在55～65 dBz，導致多站出現(xiàn)50 mm/h以上的極端強降水。（5）充分利用氣象部門發(fā)布的農(nóng)業(yè)氣象災害風險評估產(chǎn)品、預報預測產(chǎn)品應對強對流天氣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，做好農(nóng)田防護與排澇工作，做好病蟲害防治措施。

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（責編：楊 歡）