徐開宇 嚴(yán)繼云 任強(qiáng)

摘要 ? ?強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程是產(chǎn)生局地氣象災(zāi)害的重要原因，強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程中尺度結(jié)構(gòu)高時(shí)空分辨率的探測(cè)對(duì)中小尺度研究、預(yù)警和預(yù)報(bào)有重要作用。本文利用常規(guī)高空資料、雷達(dá)資料及云圖資料對(duì)青海省黃南地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的活動(dòng)規(guī)律、天氣特征、高空形勢(shì)、環(huán)流背景及雷達(dá)回波特征進(jìn)行歸納總結(jié)，用具體實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)分析，提出強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警方法，充分發(fā)揮黃南地區(qū)天氣雷達(dá)的探測(cè)功能，保證強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的及時(shí)、準(zhǔn)確，為減災(zāi)防災(zāi)發(fā)揮積極的作用。

關(guān)鍵詞 ? ?強(qiáng)對(duì)流;天氣分析;預(yù)報(bào)預(yù)警;黃南地區(qū)

中圖分類號(hào) ? ?P458.12 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2019）20-0204-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(yán)酷的氣候條件決定了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)地域性明顯的特點(diǎn)，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)、文化水平非常落后的地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá)90%，主要災(zāi)害性天氣為暴雨、冰雹、短時(shí)雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，多集中在每年5—9月。據(jù)黃南州4個(gè)氣象站點(diǎn)多年資料統(tǒng)計(jì)，2011—2016年的5—9月有暴雨15次，有冰雹47次。該地區(qū)經(jīng)濟(jì)落后，防御災(zāi)害的能力極其脆弱。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10年，每年因暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣造成的經(jīng)濟(jì)損失都在6 000萬(wàn)元以上，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，氣象災(zāi)害造成的損失也將同步增長(zhǎng)。伴隨著衛(wèi)星、雷達(dá)以及數(shù)值預(yù)報(bào)等技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的認(rèn)識(shí)也在不斷加深，預(yù)報(bào)水平以及預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率逐漸提高。本文對(duì)黃南地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)方法進(jìn)行探析。

1 ? ?研究?jī)?nèi)容

1.1 ? ?環(huán)流背景和影響系統(tǒng)分析

在強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)前，應(yīng)對(duì)歐亞范圍內(nèi)的大尺度系統(tǒng)的移動(dòng)和演變進(jìn)行分析，這是因?yàn)樗鼈冎苯又萍s著影響系統(tǒng)的移動(dòng)和演變。重點(diǎn)分析造成黃南地區(qū)強(qiáng)降水的西風(fēng)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(chǎng)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(chǎng)等物理量與一般的氣象要素（氣溫、氣壓、風(fēng)速、濕度）不同，它們通常無(wú)法由觀測(cè)直接得到，而必須通過(guò)其他氣象要素經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算間接獲得。

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

1.3 ? ?T-lnP圖分析

對(duì)強(qiáng)降水個(gè)例出現(xiàn)前各指標(biāo)站的T-lnP圖反映情況進(jìn)行分析。

2 ? ?強(qiáng)對(duì)流雷達(dá)天氣研究指標(biāo)判定

2.1 ? ?強(qiáng)降水雷達(dá)回波指標(biāo)

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

2.2 ? ?冰雹雷達(dá)回波指標(biāo)

根據(jù)散射理論，冰雹云的雷達(dá)回波強(qiáng)度大于同地區(qū)、同季節(jié)出現(xiàn)的其他雷暴云的回波強(qiáng)度，是所有對(duì)流云回波中最強(qiáng)的，可達(dá)50 dBZ以上，強(qiáng)的能達(dá)到60 dBZ甚至65 dBZ以上。同時(shí)，降冰雹時(shí)強(qiáng)回波中心較強(qiáng)降水處于中空（強(qiáng)中心不接地）或高度較高（強(qiáng)中心接地），但單純回波強(qiáng)度無(wú)法完全區(qū)分強(qiáng)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?？梢宰鳛榕袛喑?jí)單體風(fēng)暴的一個(gè)識(shí)別標(biāo)志，可以通過(guò)對(duì)弱回波區(qū)的確認(rèn)，再結(jié)合回波體的強(qiáng)度、高度、尺度等超級(jí)單體風(fēng)暴特征進(jìn)行冰雹云的確定。由于云中大冰雹等粒子影響，雷達(dá)探測(cè)時(shí)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(diǎn)。與風(fēng)暴中強(qiáng)上升氣流密切相關(guān)的小尺度特征是風(fēng)暴頂輻散，它是冰雹云發(fā)展的一個(gè)重要條件，可以維持強(qiáng)上升氣流，有利于冰雹的增長(zhǎng)[5-7]。

冰雹云雷達(dá)回波徑向速度大于強(qiáng)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?？赏ㄟ^(guò)分析徑向速度揭示風(fēng)速和風(fēng)向的變化，以確定冰雹云。同時(shí)冰雹云的徑向速度回波中多存在中氣旋。因?yàn)楸⒃浦械纳仙龤饬鲝?qiáng)于一般雷暴，所以冰雹云雷達(dá)回波的高度也是最高的，降雹時(shí)回波頂高均在9 km以上，且回波頂高會(huì)出現(xiàn)躍增現(xiàn)象。降雹時(shí)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(shí)風(fēng)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(shí)才出現(xiàn)。

3 ? ?強(qiáng)對(duì)流單體指標(biāo)與不同程度強(qiáng)降水、冰雹的關(guān)系

3.1 ? ?與不同程度強(qiáng)降水的關(guān)系

由表2可知，小時(shí)降水量的大小與各項(xiàng)強(qiáng)對(duì)流單體的指標(biāo)密切相關(guān)，依據(jù)此表可做短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)及發(fā)布預(yù)警信號(hào)，但強(qiáng)降水量總體大小還與降水時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，如對(duì)流單體在同一位置停滯較長(zhǎng)時(shí)間，雖然小時(shí)降水量不大，但仍然會(huì)有大降水出現(xiàn)，這在實(shí)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(shí)各項(xiàng)指標(biāo)比較小冰雹均強(qiáng)，但在實(shí)際工作中，由于預(yù)報(bào)時(shí)間有限且回波各項(xiàng)指標(biāo)無(wú)法全部滿足，兩者可能會(huì)出現(xiàn)交叉情況，從防雹角度來(lái)說(shuō)只判斷有無(wú)較大冰雹（直徑≥5 mm）即可。

4 ? ?強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例分析

4.1 ? ?天氣實(shí)況

以2017年6月15日對(duì)流天氣為例，16：20左右黃南地區(qū)地區(qū)出現(xiàn)了以強(qiáng)降水、雷電、冰雹為主的強(qiáng)對(duì)流天氣（表4），同仁、河南兩地還出現(xiàn)最大直徑分別達(dá)40、7 mm的冰雹，其中同仁降雹時(shí)間長(zhǎng)達(dá)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(qiáng)對(duì)流天氣造成了較嚴(yán)重的損失，此次強(qiáng)對(duì)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(jì)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(dá)197.3 hm2;154戶太陽(yáng)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(jì)損失達(dá)345.3萬(wàn)元。

4.2 ? ?天氣形勢(shì)分析

2017年6月15日8：00 500 hPa高空?qǐng)D上，亞歐中高緯度環(huán)流形勢(shì)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(qiáng)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(fēng)帶，全省濕度較大，大部分地區(qū)溫度露點(diǎn)差在1～2 ℃。6月15日20：00 500 hPa高空?qǐng)D上，貝加爾湖的小高壓消失，影響高原的短波槽移動(dòng)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(dá)甘肅的民勤至烏鞘嶺一線，其后部的酒泉站24 h變壓達(dá)8 hPa，1支已經(jīng)翻過(guò)阿爾金山到達(dá)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(dá)14 hPa，高原上的冷空氣也已經(jīng)到達(dá)德令哈—都蘭—曲麻萊一線，格爾木站24 h變壓達(dá)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(duì)流云系生成、發(fā)展，這些對(duì)流云系包含了中尺度的對(duì)流復(fù)合體，其主要向東北偏東方向移動(dòng)。6月15日16：00其前沿到達(dá)黃南州，并且還在繼續(xù)加強(qiáng)。正是這些中小尺度對(duì)流云團(tuán)造成局地強(qiáng)對(duì)流天氣，并引發(fā)冰雹災(zāi)害，這是一次前傾槽引發(fā)的強(qiáng)對(duì)流天氣（圖1）。

5 ? ?對(duì)流天氣的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警

5.1 ? ?天氣形勢(shì)預(yù)警

可以通過(guò)觀察可見光云圖進(jìn)行天氣形勢(shì)預(yù)警，強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)多呈橢圓形，上風(fēng)方一側(cè)邊緣線清晰，下風(fēng)方為羽毛狀云砧;暴雨云團(tuán)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(shí)，云團(tuán)形成降雹幾率越大。依據(jù)可見光云團(tuán)和紅外云團(tuán)可以判別云團(tuán)的水平和垂直尺度。對(duì)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(duì)流云團(tuán)尺度太大，多屬于暴雨云團(tuán)或強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)，尺度太小則為一般積雨云團(tuán)。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(zhǎng)速率。如果云團(tuán)亮度的階數(shù)愈多，云頂溫度愈低，說(shuō)明云頂高度高，對(duì)流旺盛，強(qiáng)度愈大，產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流的可能性愈大。

另外，在監(jiān)測(cè)的時(shí)候還應(yīng)該注意對(duì)流云強(qiáng)度的判斷：當(dāng)對(duì)流云向散度場(chǎng)（或流場(chǎng)）的輻合區(qū)（或正渦度區(qū)，垂直運(yùn)動(dòng)上升區(qū)）、能量場(chǎng)（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(fù)變壓（或負(fù)變高）區(qū)和降水區(qū)移動(dòng)時(shí)對(duì)流云強(qiáng)度將加強(qiáng)。對(duì)流云移動(dòng)路徑的判斷如下：①對(duì)流云移向最大負(fù)變壓區(qū)并且減弱;②當(dāng)對(duì)流云前（后）出現(xiàn)負(fù)（正）變壓中心時(shí)，對(duì)流云將沿負(fù)（正）變壓中心連線移動(dòng);③對(duì)流云移向散度場(chǎng)的輻合中心或正渦度區(qū);④與鋒面、切變線等系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的對(duì)流云將隨著該系統(tǒng)的移動(dòng)而移動(dòng);⑤對(duì)流云將向水汽通量的輻合區(qū)移動(dòng)，或沿著引導(dǎo)氣流的方向移動(dòng)[8-10]。

5.2 ? ?雷達(dá)觀測(cè)預(yù)警

高原上由于對(duì)流云的發(fā)展十分迅速，從大形勢(shì)上判斷有時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏報(bào)現(xiàn)象，當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到對(duì)流云時(shí)，應(yīng)根據(jù)天氣學(xué)原理和最新的數(shù)值預(yù)報(bào)資料，及時(shí)判斷對(duì)流云未來(lái)的強(qiáng)度和路徑，并做出訂正或補(bǔ)充預(yù)報(bào)。另外，如果分析天氣形勢(shì)中有可能發(fā)展為強(qiáng)對(duì)流天氣，則需要特別注意天氣雷達(dá)的回波演變，有帶狀回波移進(jìn)雷達(dá)探測(cè)區(qū)域時(shí)，要仔細(xì)分析回波強(qiáng)度、回波頂高、垂直液態(tài)水含量的變化，注意是否有對(duì)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(qiáng)度≥40 dBZ這3個(gè)條件，就要發(fā)布短時(shí)天氣臨近預(yù)報(bào)及預(yù)警信號(hào)（圖2）。

5.3 ? ?預(yù)警信號(hào)發(fā)布

根據(jù)天氣形勢(shì)和雷達(dá)資料等，當(dāng)達(dá)到對(duì)流天氣的起報(bào)條件，要對(duì)外發(fā)布暴雨、雷電、冰雹等預(yù)警信號(hào)，提醒相應(yīng)區(qū)域做好防災(zāi)準(zhǔn)備工作。同時(shí)，若產(chǎn)生冰雹時(shí)相關(guān)人員還應(yīng)做好人工消雹工作。各種強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警信號(hào)發(fā)布后，密切注意雷達(dá)資料的變化，如果對(duì)流云已經(jīng)減弱，當(dāng)滿足單體回波強(qiáng)度<40 dBZ、回波頂高H<8 km、垂直液態(tài)水含量VIL<30 kg/m2 3個(gè)條件其中之一，應(yīng)及時(shí)解除預(yù)警信號(hào)。預(yù)警信號(hào)解除后，還要注意收集災(zāi)情及受損情況，繼續(xù)做好雷達(dá)觀測(cè)資料的分析，直到對(duì)流云完全消散[11-12]。

6 ? ?結(jié)論

（1）影響黃南地區(qū)的強(qiáng)對(duì)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(qiáng)對(duì)流天氣。前期的高溫背景為強(qiáng)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(duì)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(qiáng)降水天氣過(guò)程。

（2）在對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，其移動(dòng)方向的前部有較大范圍的對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域和對(duì)流有效位能大值區(qū)，對(duì)強(qiáng)對(duì)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(duì)強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的發(fā)生發(fā)展及其中伴隨的短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生提供了重要的條件[13-14]。

（3）分析強(qiáng)對(duì)流天回波結(jié)構(gòu)特征的成因，得出強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生雷達(dá)回波特征是對(duì)應(yīng)0.5°～4.3°各層次的反射率因子強(qiáng)度達(dá)到40 dBZ以上，且強(qiáng)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(fēng)區(qū)出現(xiàn)，強(qiáng)回波中有對(duì)應(yīng)的回波中心大值區(qū)。

（4）雷達(dá)圖上強(qiáng)對(duì)流天氣指標(biāo)中強(qiáng)降水較冰雹弱，冰雹強(qiáng)度最強(qiáng)，而且具有弱回波區(qū)、V型缺口以及風(fēng)暴頂輻散等明顯特征。在徑向速度圖上出現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)風(fēng)場(chǎng)分布均勻，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“牛眼”等對(duì)稱結(jié)構(gòu)，而產(chǎn)生冰雹時(shí)風(fēng)向風(fēng)速低層輻合高層輻散明顯，有時(shí)出現(xiàn)中氣旋。冰雹的回波頂高較強(qiáng)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。

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