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      干旱地區(qū)阿拉善盟強對流天氣特征分析

      2021-09-01 09:38:15寶樂爾
      農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2021年3期
      關(guān)鍵詞:干旱地區(qū)概念模型

      寶樂爾

      摘要 利用2000—2015年16 a阿拉善盟對流天氣實況資料,篩選51個天氣過程個例,分析強對流天氣發(fā)生的環(huán)流背景、形成條件及雷達回波特征,并從強對流天氣形成條件入手,對強對流天氣過程進行分類,建立阿拉善盟地區(qū)強對流預(yù)報概念模型。從而提高預(yù)報員對雷達資料的識別能力,提高預(yù)報、預(yù)警提前量和準(zhǔn)確率,為阿拉善盟經(jīng)濟社會發(fā)展和人民群眾的福祉安康作出新貢獻。

      關(guān)鍵詞 干旱地區(qū);強對流天氣;概念模型

      中圖分類號:P458 文獻標(biāo)識碼:B 文章編號:2095–3305(2021)03–0030–03

      阿拉善盟地處亞洲大陸腹地,遠離海洋,境內(nèi)又有巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和三大沙漠橫貫全境,為典型的大陸性氣候,四季氣候特征明顯,全年干旱少雨,年降水量35~207 mm,同時年降水量分布不均勻,6—8月降水量最為集中,占全年降水量的70%。近幾年,阿左旗及周邊地區(qū)汛期強對流天氣顯著增多,其中巴彥浩特及賀蘭山山區(qū),受地形影響,強對流天氣明顯多于其他地區(qū),特別是短時強降雨所引發(fā)的山洪、城市內(nèi)澇等氣象災(zāi)害影響日趨嚴(yán)重,受到社會各界的高度關(guān)注。

      強對流天氣因其突發(fā)性、局地性特征,一直是天氣預(yù)報中的重點和難點。隨著713天氣雷達投入業(yè)務(wù)應(yīng)用,經(jīng)過不斷加強技術(shù)培訓(xùn)和分析總結(jié),強對流天氣的檢測預(yù)警能力有所提升。然而,實際工作中仍暴露出預(yù)報員對各類觀測資料綜合分析能力的欠缺、對強對流天氣形成機理認(rèn)識膚淺等問題。鑒于此,篩選2000—2015年阿拉善盟地區(qū)51個天氣過程個例,分析強對流天氣發(fā)生的環(huán)流背景、形成條件及雷達回波特征,并從強對流天氣形成條件入手對強對流天氣過程進行分類,建立預(yù)報概念模型,旨在提高阿拉善盟強對流天氣預(yù)報準(zhǔn)確率及預(yù)警提前量。

      1 阿拉善盟強對流天氣概念模型

      強對流天氣個例選擇:定義阿拉善盟1個以上站點(含1個)出現(xiàn)短時強降水、冰雹等強對流天氣,3個以上站點(含3個站點)發(fā)生雷暴為1次雷暴天氣過程。

      1.1 高空冷平流強迫類概念模型

      主要影響系統(tǒng):500 hPa及700 hPa溫度槽,700 hPa切變線,地面弱低壓或均壓場。

      高空冷平流強迫類常出現(xiàn)在高壓脊前部的西北、偏北氣流中。500 hPa受較強偏北風(fēng)控制,有顯著流線存在,強偏北風(fēng)導(dǎo)致的強垂直風(fēng)切變以及偏北風(fēng)上存在的弱槽或切變線共同提供了垂直方向上的動力不穩(wěn)定條件。500 hPa高壓脊前常存在干冷平流,地面為弱的低壓或均壓場,相互形成對流不穩(wěn)定層結(jié)。在探空圖上,從低層到高層風(fēng)向通常逆轉(zhuǎn),有冷平流存在,且500 hPa以上風(fēng)速較強,垂直風(fēng)切變較大。強對流天氣出現(xiàn)前,天氣以多云或晴天為主,地面增溫,層結(jié)不穩(wěn)定性進一步加強,在高空干冷平流的作用下,強對流天氣一般出現(xiàn)在午后至夜間,以雷雨大風(fēng)和冰雹為主(圖1)。

      1.2 典型個例分析:2015年7月21日巴彥浩特及賀蘭山冰雹、強雷暴、大風(fēng)、強陣雨

      實況:2015年7月21日阿拉善盟大部地區(qū)出現(xiàn)分布不均陣雨,巴彥浩特及賀蘭山山區(qū)出現(xiàn)強雷暴天氣,并伴有冰雹、強陣雨、大風(fēng)。從全盟5 mm以上降水站點統(tǒng)計情況、站點雨量分布情況可以看出,降水集中于巴彥浩特及賀蘭山一帶。巴彥浩特2015年7月21日12:48開始出現(xiàn)雷暴,主要分為兩個時段:12:48~14:55和17:40~18:30。第一階段巴彥浩特降水量為4.2 mm,主要表現(xiàn)為干雷暴;15:00~17:00降水停止,降水量只有0.1 mm。

      2015年7月21日17:40左右受強對流云團影響,巴彥浩特上空電閃雷鳴,出現(xiàn)強陣雨,40 min降水量達9 mm左右,賀蘭山山區(qū)南寺、北寺、樊家營子均出現(xiàn)短時強降水天氣。

      系統(tǒng)配置及演變: 2015年7月21日08:00隨著500 hPa阿拉善盟以北地區(qū)冷渦旋轉(zhuǎn),原位于額旗地區(qū)東北-西南向槽線逆轉(zhuǎn)為南—北向并東移南壓至阿拉善盟東部地區(qū)。700 hPa形勢與500 hPa一致,海平面氣壓場2015年7月21日08:00阿拉善盟東部地區(qū)受倒槽控制,隨著冷高壓擴散南壓,倒槽減弱南退,觸發(fā)強對流天氣。

      從銀川探空資料分析,2015年7月21日08:00較有利于雷暴、短時強降水的發(fā)生的環(huán)境條件:(1)從850 hPa到500 hPa下降了11.68℃,條件不穩(wěn)定特征較明顯;(2)有強的對流有效位能,CAPE值達568.1 J/kg,且CAPE區(qū)域呈狹長形狀,該形狀為短時強降水T-lnp圖的典型形式;(3)LI指數(shù)為-1.9℃,SI指數(shù)為-2.03℃,K指數(shù)為32℃,表明對流層中下層,存在熱力不穩(wěn)定層結(jié);(4)垂直風(fēng)切變較小,低層有淺薄冷平流;(5)對流層高層有明顯的干空氣層,具有“上干冷、下暖濕”特征。

      2 阿拉善低層暖平流強迫類概念模型

      2.1 低層暖平流強迫類概念模型主要影響系統(tǒng)

      500 hPa低槽,700 hPa切變線,700 hPa低渦,700 hPa氣旋式輻合中心,700 hPa低空急流或顯著流線。

      低空暖平流強迫類常出現(xiàn)在700 hPa暖濕平流中,并與低空急流或低空顯著流線密切相關(guān)(圖2)。低空顯著流線帶來的暖濕平流有利于對流不穩(wěn)定條件的建立,同時其左前側(cè)的輻合區(qū)也為不穩(wěn)定能量的釋放提供了動力條件。這類強對流天氣多發(fā)生在500 hPa低槽前部,槽前的正渦度平流有利于低空低值系統(tǒng)的發(fā)展。700 hPa切變線、地面輻合線附近的暖濕氣流內(nèi)部是對流天氣的主要落區(qū)。低空另一種常見的低值系統(tǒng)為西南低渦,西南低渦強烈發(fā)展,向東北方向伸出偏南、偏東風(fēng)的暖濕切變線,并與副熱帶高壓之間形成偏南風(fēng)強風(fēng)速帶,為阿拉善盟地區(qū)(主要是阿拉善左旗地區(qū))提供水汽、不穩(wěn)定能量條件。強對流天氣主要出現(xiàn)在暖濕切變線附近及其以南地區(qū)(圖2)。

      2.2 典型個例分析:2013年8月22日巴彥浩特、烏斯太短時強降水

      實況:2013年8月21日夜間至22日夜間,阿右旗南部、阿左旗南部及吉蘭泰地區(qū)出現(xiàn)降水天氣,其中巴彥浩特、烏斯太及賀蘭山沿山地區(qū)出現(xiàn)短時強降水并伴有強雷電,小時降水量樊家營子、巴彥浩特分別為26.7, 21.0 mm/h,工業(yè)園區(qū)、烏斯太、小麥粒溝小時降水量分別為20.9、17.3、15.9 mm/h(巴彥浩特及賀蘭山沿山地區(qū)短時強降水時段:22日03:00~05:00;烏斯太及附近地區(qū)短時強降水時段:22日13:00~14:00)。

      主要影響系統(tǒng): 500 hPa短波槽,副熱帶高壓,臺風(fēng),700 hPa低渦,700 hPa暖濕切變,700 hPa顯著流線,地面輻合線。

      系統(tǒng)配置及演變:500 hPa副高與臺風(fēng)之間存在著相互制約關(guān)系。副高呈東西帶狀,臺風(fēng)的穩(wěn)定西行(少動)使副高穩(wěn)定少動,從而影響西風(fēng)帶低值系統(tǒng)的移動速度。隨著副高的南退,造成阿拉善降水天氣,之后隨著臺風(fēng)的向西、向北推進,穿過副熱帶高壓脊,使脊斷裂東退,過程結(jié)束。700 hPa臺風(fēng)的登陸使副高外圍暖濕氣流加強,青海地區(qū)低渦發(fā)展東移與副高之間形成偏南風(fēng)(東南)強風(fēng)速帶,有利于水汽的輸送并在我盟東部地區(qū)形成暖濕切變線。強對流天氣發(fā)生在500 hPa槽前,700h Pa切變線、地面輻合線之間。

      從銀川探空資料分析,2013年8月21日20:00較有利于雷暴、短時強降水的發(fā)生的環(huán)境條件:(1)從850 hPa到500 hPa下降了9.56℃,條件不穩(wěn)定特征較明顯;(2)有一定的對流有效位能,CAPE值達548.6 J/kg,且能量區(qū)域呈狹長形狀;(3)LI指數(shù)為-1.3℃,SI指數(shù)為-0.3℃,K指數(shù)為41℃,表明對流層中下層,存在熱力不穩(wěn)定層結(jié);(4)850 hPa至500 hPa風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn),低層存在暖平流;(5)垂直切變較弱;(6)600 hPa以下層結(jié)偏濕,850 hPa比濕達13.42 g/kg,對流層高層到500 hPa有明顯的干空氣層,整個溫濕層結(jié)曲線形成向上開口的喇叭口形狀,具有“上干冷、下暖濕”特征。

      2013年8月22日03:47(2°仰角)巴彥浩特上空最強回波在50~55 dBz,相應(yīng)速度圖分析,零速度線在低層呈正“S”形,再往上零速度線逆時針旋轉(zhuǎn),即低層有暖平流,其上有冷平流。這種溫度層結(jié)有利于強回波的進一步維持或加強。此外,在低層可分析出有近10 m/s的西南風(fēng)顯著氣流。2013年8月22日04:12(2°仰角)速度圖上仍可以分析出正“S”形,但已不如之前的明顯。05:02(3°仰角)零速度線逐漸呈直線(一致的西南氣流),巴彥浩特北方出現(xiàn)一條近東西向的輻合區(qū),相應(yīng)反射率因子圖上巴彥浩特上空強回波逐漸減弱,其北面發(fā)展出一條東西向的線狀回波,最強回波在55 dBz。2013年8月22日05:14(3°仰角)巴彥浩特上空強回波進一步減弱至40 dBz,巴彥浩特短時強降水結(jié)束。

      3 冷、暖空氣交匯類(斜壓鋒生類)概念模型

      3.1 冷、暖空氣交匯類(斜壓鋒生類)概念模型主要影響系統(tǒng)

      500 hPa低槽和溫度槽,700 hPa低槽和溫度槽,700 hPa切變線,700 hPa暖脊,地面冷鋒或地面高低壓過渡帶。

      冷、暖空氣交匯類是指發(fā)生在中低層冷暖空氣交匯,并伴有溫度鋒區(qū)和鋒生作用的強對流天氣過程,地面常有冷鋒活動。當(dāng)冷暖平流都不太強烈時,地面上分析不出明顯的鋒面,但可以分析出高、低壓的過渡帶,其氣壓梯度相對較強。冷暖平流導(dǎo)致斜壓鋒生和輻合抬升形成的動力強迫是這類強對流天氣發(fā)生的重要條件(圖3)。

      3.2 典型個例分析:2014年7月7日巴彥浩特雷暴、短時強降水

      實況:2014年7月6日夜間至7日凌晨,巴彥浩特出現(xiàn)雷暴、短時強降水天氣,短時強降水時間段在2014年7月6日23:40~7日凌晨01:00(巴彥浩特及沿山地區(qū)短時強降水量級:06日23:00~07日00:00為6.5mm,00:00~01:00為7.0 mm)。

      主要影響系統(tǒng):500 hPa低槽,700 hPa 切變線,700 hPa低渦,地面輻合線(高、低壓過渡帶),冷平流,暖平流。

      系統(tǒng)配置及演變:500 hPa西風(fēng)氣流中有低槽東移,溫度場落后于高度場,對應(yīng)700 hPa有切變線。從700 hPa溫壓場配置情況分析,冷、暖空氣在巴彥浩特地區(qū)交匯。由于冷、暖平流強度都不強,故在地面圖上分析不出強的冷鋒,但仍可以分析出具有一定鋒面特征的地面輻合線。強對流天氣發(fā)生在500 hPa低槽,700 hPa切變線、地面輻合線附近。

      從銀川探空資料分析,2014年7月6日20:00較有利于雷暴、短時強降水的發(fā)生的環(huán)境條件:(1)從850 hPa到500 hPa,θse下降了13.25℃,條件不穩(wěn)定特征較明顯;(2)有強的對流有效位能,CAPE值達1 176 J/kg,且CAPE區(qū)域呈狹長形狀,該形狀為短時強降水T-lnp圖的典型形式;(3)LI指數(shù)為-4.1℃,SI指數(shù)為-2.3℃,K指數(shù)為42℃,表明對流層中低層,存在熱力不穩(wěn)定層結(jié);(4)850 hPa至700 hPa風(fēng)向隨高度逆時針旋轉(zhuǎn),700 hPa至400 hPa順時針旋轉(zhuǎn),即低層潛入的淺薄冷空氣觸發(fā)了強對流天氣;(5)850 hPa比濕達11.79 g/kg,對流層高層、500 hPa有明顯的干空氣層,具有“上干冷、下暖濕”特征。

      2014年7月6日23:41(3°仰角)巴彥浩特上空為混合型降水回波,但以積云降水回波為主,最強回波強度50 dBz。相應(yīng)速度圖分析,低層為一致的偏北風(fēng)(零速度線呈直線),且近地面風(fēng)速達10 m/s??梢耘袛噙@時地面輻合線已開始影響巴彥浩特地區(qū),再一次證明地面潛入的淺薄冷空氣觸發(fā)了強對流天氣。00:17(3°仰角)由于低層潛入的冷空氣,降水回波無法進一步維持或加強,其強度逐漸減弱,00:17(3°仰角)回波強度減弱至40 dBz左右。

      4 小結(jié)

      2016主持研究課題《阿拉善盟夏季降水分型及預(yù)報方法研究》、2017年《阿拉善盟夏季強對流天氣特征分析》、2018年《賀蘭山沿山地區(qū)強對流潛勢預(yù)報方法研究》、2019年《阿盟強對流天氣分析總結(jié)在Micaps中的應(yīng)用化》,本文將研究成果中的一部分呈現(xiàn)出來,以期幫助預(yù)報員對干旱地區(qū)強對流天氣有進一步的了解及提供研究思路。

      主要結(jié)論:選取強對流天氣發(fā)生前最近時次及下一時次的Micaps高空及地面觀測資料(時次間隔12 h),尋找對發(fā)生在阿拉善盟轄區(qū)內(nèi)的強對流天氣有影響的大尺度及中尺度天氣系統(tǒng),根據(jù)天氣系統(tǒng)的演變規(guī)律及影響機理繪制中尺度天氣環(huán)境條件場分析圖,以便清晰簡潔地表達強對流天氣發(fā)生前后的天氣系統(tǒng)配置及熱力和動力條件。參考《強對流天氣預(yù)報的基本原理與技術(shù)方法—中國強對流天氣預(yù)報手冊》中強度流天氣的分類方法,將所選個例歸為“高空冷平流強迫類”、“低層暖平流強迫類”、“冷、暖空氣交匯(斜壓鋒生類)類”三類,按照天氣形式特征歸納天氣系統(tǒng)概念模型。

      參考文獻

      [1] 朱乾根,林錦瑞,壽紹義,等.天氣學(xué)原理和辦法[M].北京:氣象出版社,2007.

      [2] 張亞萍,鄧承之,牟容,等.重慶市強對流天氣分析圖集[M].北京:氣象出版社,2015.

      責(zé)任編輯:黃艷飛

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