论文部分内容阅读
摘 要：利用常规观测资料、自动站加密观测资料和雷达资料，对2017年7月9日辽宁省西部到中部地区1次短时强对流的天气形势、物理量场、雷达回波特征进行分析。结果表明：在有利降水的大尺度天气系统背景下，底层冷空气和低空急流以及中尺度天气系统造成了本次强对流天气。底层925～850hPa的充沛水汽和辐合上升运动强对流天气的发生，地面复合线和低压环流造成本次短时强降水天气。雷达组合反射率因子>45dbz的强回波区与强降水落区基本吻合，并对应地面中尺度气旋式环流的形成和维持。
关键词：短时强降水；中气旋；冰雹；中尺度天气系统；暴雨
中图分类号 P458.121 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）18-0115-04
Characteristics of Severe Convective Weather in the Western Coastal Area of the Northeast Cold Vortex
Hu Minget al.
（Meteorological BureauofJinzhou City，Jinzhou 121001，China）
Abstract：By using conventional observation data，the automatic station observation data and radar data，physical quantity field and radar echo characteristics of a short-term strong convective weather situation were analyzed from the west area to the central area in Liaoning province on July 9，2017. Favorable conclusions showed that the precipitation of large scale weather system background，the cold air and low level jet and the mesoscale weather system caused the strong convection weather. The abundant water vapor and convergence upward movement between 925hPaand 850hPawere beneficial to the occurrence of strong convective weather. The short-time strong rainfall weather were caused by composite ground wire and low pressure circulation. The strong echo region with radar combination reflectance factor>45dbz coincides basically with the heavy rainfall area，and corresponds to the formation and maintenance of mesoscale cyclonic circulation on the ground.
Key words：Short term heavy rainfall；Meso cyclone；Hail；Mesoscale weather system；Torrential rain
大氣中充沛的水汽是产生暴雨的必要条件之一。研究表明，形成中国南、北方暴雨的水汽输送通道有所不同，南方暴雨的水汽主要是由低空急流或高风速带输送，而北方暴雨的水汽主要是由西南急流、偏东急流或二者共同作用来完成。要了解暴雨中心究竟出现在何处，与水汽通量散度有重要的关系。目前已有较多暴雨水汽的研究，这些研究成果揭示了不同地区暴雨形成的水汽来源、输送和暴雨落区情况，输送水汽的重要天气系统，为暴雨预报提供了重要的理论基础，为准确预报暴雨过程起到了积极作用。孙建华等利用HYSPLIT模式分析了2012年北京特大暴雨的水汽输送轨迹及高低空水汽源地的贡献。武麦凤等认为，强降水发生时，降水区700hPa上的比湿值均不低于7g/kg；在垂直结构上，强降水地区低层水汽含量在降水前6～12h出现峰值，强降水出现在高层比湿的峰值附近。何立富等利用NCEP/NCAR再分析资料、自动气象站逐时降水资料、实时地面加密观测资料和实况探空资料等，对华南1次持续性暴雨过程期间大尺度水汽输送特征进行了深入分析。喻谦花等分析河南1次暴雨过程指出，700hPa水汽通量变化对强降水落区有较好的指示作用，水汽通量散度场上，850hPa水汽通量散度的变化与暴雨时段和强度有较好的对应：水汽通量散度转为辐合，辐合层增厚为强降水开始的标志，辐合量突然增大标志着降水强度增大。本文通过MICAPS资料及EC细网格资料，分析了辽西沿海地区大暴雨的成因，以期为该地区的暴雨预报提供参考。
1 环流背景
2017年7月9日3—18时，辽宁省西部到中部地区出现，局地短时强降水，并伴有冰雹、雷暴大风等强对流天气。3—8时，辽宁葫芦岛市建昌县开始出现短时强降水，并伴有短时大风。强降水主要集中在葫芦岛建昌县境内，1h最大雨强达到59.2mm，2h最大雨强达到84.6mm。8—12时，强降水系统从葫芦岛沿海地区向东移动到锦州市沿海地区，锦州沿海地区出现直径4至5cm的冰雹，并且最大风力达到19～20m/s。12—16时，强对流继续向东北移动并减弱，逐渐影响盘锦、营口、鞍山、沈阳等地。累计雨量超过100mm的有5个区域自动站，70～100mm的有19个区域自动站。 从大尺度环流场来看（图1），辽宁省受东北冷涡影响，产生突发性强对流，带来雷雨、大风、冰雹等强天气；地面受低压底部控制，在辽宁西部，有1个不太明显的地面倒槽，有南来的水汽输送。从高空图可以看出，500hPa、700hPa、850hPa上辽宁西部地区均受冷涡底部偏南气流影响，并且700hPa、850hPa上均有南来急流，提供持久的水汽输送；200hPa上有高空幅散。综合来看，辽宁西部、中部地区上形成了1个整层深厚的系统，低层辐合，高层幅散，提供了有利的动力条件，以及持久的水汽条件，并且辽宁地区大气层结结构不稳定。但是以上论据不足以预判出辽宁地区可能出现的大暴雨过程，及其精确的强对流落区，本文将关注点放在冷涡南部外围锋区中α尺度冷空气的突然暴发机制研究和反复维持的弱冷涡环流激发强对流机制研究上。
2 辽西地区层结不稳定的T-lgP图特征
针对锦州沿海地区出现的短时大风、冰雹等强对流天气，分析锦州、沈阳、大连3个站9日08时探空（图2），对比可以看出锦州站Cape值为509，K指数为29，均不突出，但是低层925hPa、850hPa西南风很大，风速达到22～24m/s，远远超过沈阳、大连站。由于锦州地区925～850hPa高度有强的低空急流，提供了水汽和动力条件，还有逆温存在，为低层触发对流积蓄能量，并且850～600hPa高度有干冷的偏西风侵入，使对流不稳定增强其余高度层湿度条件都非常好，几乎达到饱和；850～700hPa有强的风速切变，风向也从南风转为西南风；并且温度直减率大，均有利于加剧对流不稳定，零度层高度为4.2km左右，对于夏季来说，是容易出现冰雹的高度。综上来看，锦州地区具有触发冰雹的有利气象条件。
3 EC细网格的湿位涡预报场分析
从EC细网格的湿位涡（MPV1）（图3）预报分析，MPV1越小，对流不稳定越强。9日02时，湿位涡负值区中心位于辽宁葫芦岛市建昌县附近，正好对应03～05时的短时强降水过程。至05时，负值区中心移到葫芦岛沿海，降水也随之移动，08—14时，负值区中心位于渤海北部地区（葫芦岛、锦州、盘锦、营口地区沿海陆地），此时气温升高，不稳定能量增加，触发强对流，沿海地区出现冰雹、8～9级大风。至17时，负值区中心移到内陆（盘锦、沈阳地区）。从负值区中心大值区的移动轨迹来看，正好吻合中尺度气旋的移动路径。EC细网格的湿位涡（MPV1）是预报此次强对流过程移动路径的重要参考依据。
4 中尺度分析特征
从中尺度分析（图4）可以看出：近地面层，9日05时辽宁西南部存在辐合线，形成1个不闭合的低压。08时向东移动入海，11时稳定少动，向北影响辽宁西部沿海地区，14时继续向北移至盘锦、鞍山一带。辐合线附近不断触发对流发生，产生强降水、大风、冰雹等天气。伴随着风向的辐合，并且辐合区一直在湿区，这个辐合区和雷达回波移动轨迹十分吻合。17时，低压向北移至沈阳附近，并逐渐减弱。
9日08时，925、850、700hPa高度层均有南来的水汽输送，高低空急流提供了此次强对流过程充沛的水汽条件，在辽宁西南部有风的辐合区，并且辽宁西部边界有温度槽，证明有冷空气侵入，200hPa高度层有风向的强幅散。综合以上判断，在辽宁西南部，发展出1个中尺度气旋，并触发短时强对流天气。
5 辽西沿海对流强度增强有利条件
5.1 热力条件 暴雨发生前24h，辽宁西部沿海地区气温偏高，最高气温已达到30～33℃，对流不稳定能量较高
5.2 水汽条件 辽宁西部沿海地区受副热带高压外围片西南气流控制，暴雨发生前，出现低空西南急流，为强对流的发生发展提供了源源不断的水汽输送。
5.3 地形增幅作用 辽宁西部地区多山区，其中朝阳、锦州地区有西南走向的山脉，对近地面的风场有辐合抬升作用，对强对流有触发作用。
6 雷达回波对流预报特征
分析雷达回波拼图（图5）可以看出：8：35强降水回波主要集中在葫芦岛市区和兴城地区，11：40回波向东移动到锦州沿海地区和凌海市，12：29在凌海市沿海地区，回拨右侧，有明显的钩状回拨，从雷达回拨三维图上，可以看出明显的悬垂回波，并且此时0.5°仰角的垂直累积液态水含量VIL超过55，从速度图上，可以看出在凌海沿海地区有气旋性辐合，雷达判断识别出中气旋；此时实况出现8级大风和大直径冰雹，冰雹出现的初期，垂直累积液态水含量达到峰值，VIL达到60～70。雷达组合反射率因子>45dbz的强回波区与强降水落区基本吻合，雷达平均径向速度产品逆风区中辐合流场的出现与维持及回波顶高的上升对应地面中尺度气旋式环流的形成和维持；13：20，回波继续向东移动，影响盘锦大洼地区和鞍山海城地区，上述地区出现短时强降水，和大风等强对流天气。15：28，回波向东北风向移动并减弱，影响鞍山、辽阳、营口、沈阳地区，上述地区也出现短时强降水、下击暴流等强对流天气。
7 结论与讨论
此次过程降水时段集中，降水强度大，属于短时强降水。在有利降水的大尺度天气系统背景下，底层冷空气和低空急流以及中尺度天气系统造成了本次强对流天气。底层925～850hPa的充沛水汽和辐合上升运动强对流天气的发生，地面复合线和低压环流造成本次短时强降水天气。雷达组合反射率因子>45dbz的强回波区与强降水落区基本吻合，并对应地面中尺度气旋式环流的形成和维持。
从大的环流背景下，可以判断出此次过程是由冷涡引起的强对流系统，但是冷涡内部降水落区一直是业务预报的难点，由于动力作用较弱（无明显锋区），其他因素例如热力、地形、中小尺度扰动等相对重要，共同影响，突发性强，但一般强度和范围不大，需要基于中小尺度观测系统开展临近预报研究。在预报中，此次强对流过程预报模式报出来的极少，可借助的预报模式不多，EC细网格的湿位涡（MPV1）是为数不多的1个重要参考依据。此次强对流过程，雷达回波在预警上发挥了巨大作用，为预报预警短时大风、强降水、冰雹提供了可靠依据。在气象服务中，今后还应加强短临预报预警的服务工作。
参考文献
[1]高松影，李慧琳，孙连强.一次突发性中尺度暴雪天气过程分析[J].气象与环境学报，2006，22（5）：32-35.
[2]马鸿青，丁志英，张会，等.2009年5月晋中南一次春季大暴雨成因分析[J].气象与环境学报，2001，27（5）：32-37.
[3]张晓东.2009年7月17日唐山地区强降水成因分析[J].气象与环境学报，2001，27（1）：48-53.
[4]王宪彬，张旭，辛艳辉.东北地区一次暴雨过程的落区分析[J].气象与环境学报，2010，26（1）：36-40.
[5]伍志方，张春良，张沛源.一次强对流天气的多普勒特征分析[J].高原气象，2001，20（2）：202-207.
[6]张端禹，潘鄂芬.松嫩平原一次夏季暴雨机理分析[J].气象与环境学报，2009，25（3）：8-13.
[7]伍荣生.现代天气学原理[M].北京：高等教育出版社，1999：136-140
[8]朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法[M].北京：气象出版社，1992：147-279.
[9]刘建文，郭虎，李耀东，等.天气分析预报物理量计算基础[M].北京：气象出版社，2005：56-71.
[10]吴春英，侯波，刘飞，等.2005年8月13日抚顺地区大暴雨天气过程诊断分析[J].气象与环境学报，2006，22（3）：11-15.
[11]盛永，陳艳秋，廖国进，等.0509号台风暴雨过程分析与暴雨灾害评估[J].气象与环境学报，2006，22（6）：29-33.
（责编：张宏民）
关键词：短时强降水；中气旋；冰雹；中尺度天气系统；暴雨
中图分类号 P458.121 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）18-0115-04
Characteristics of Severe Convective Weather in the Western Coastal Area of the Northeast Cold Vortex
Hu Minget al.
（Meteorological BureauofJinzhou City，Jinzhou 121001，China）
Abstract：By using conventional observation data，the automatic station observation data and radar data，physical quantity field and radar echo characteristics of a short-term strong convective weather situation were analyzed from the west area to the central area in Liaoning province on July 9，2017. Favorable conclusions showed that the precipitation of large scale weather system background，the cold air and low level jet and the mesoscale weather system caused the strong convection weather. The abundant water vapor and convergence upward movement between 925hPaand 850hPawere beneficial to the occurrence of strong convective weather. The short-time strong rainfall weather were caused by composite ground wire and low pressure circulation. The strong echo region with radar combination reflectance factor>45dbz coincides basically with the heavy rainfall area，and corresponds to the formation and maintenance of mesoscale cyclonic circulation on the ground.
Key words：Short term heavy rainfall；Meso cyclone；Hail；Mesoscale weather system；Torrential rain
大氣中充沛的水汽是产生暴雨的必要条件之一。研究表明，形成中国南、北方暴雨的水汽输送通道有所不同，南方暴雨的水汽主要是由低空急流或高风速带输送，而北方暴雨的水汽主要是由西南急流、偏东急流或二者共同作用来完成。要了解暴雨中心究竟出现在何处，与水汽通量散度有重要的关系。目前已有较多暴雨水汽的研究，这些研究成果揭示了不同地区暴雨形成的水汽来源、输送和暴雨落区情况，输送水汽的重要天气系统，为暴雨预报提供了重要的理论基础，为准确预报暴雨过程起到了积极作用。孙建华等利用HYSPLIT模式分析了2012年北京特大暴雨的水汽输送轨迹及高低空水汽源地的贡献。武麦凤等认为，强降水发生时，降水区700hPa上的比湿值均不低于7g/kg；在垂直结构上，强降水地区低层水汽含量在降水前6～12h出现峰值，强降水出现在高层比湿的峰值附近。何立富等利用NCEP/NCAR再分析资料、自动气象站逐时降水资料、实时地面加密观测资料和实况探空资料等，对华南1次持续性暴雨过程期间大尺度水汽输送特征进行了深入分析。喻谦花等分析河南1次暴雨过程指出，700hPa水汽通量变化对强降水落区有较好的指示作用，水汽通量散度场上，850hPa水汽通量散度的变化与暴雨时段和强度有较好的对应：水汽通量散度转为辐合，辐合层增厚为强降水开始的标志，辐合量突然增大标志着降水强度增大。本文通过MICAPS资料及EC细网格资料，分析了辽西沿海地区大暴雨的成因，以期为该地区的暴雨预报提供参考。
1 环流背景
2017年7月9日3—18时，辽宁省西部到中部地区出现，局地短时强降水，并伴有冰雹、雷暴大风等强对流天气。3—8时，辽宁葫芦岛市建昌县开始出现短时强降水，并伴有短时大风。强降水主要集中在葫芦岛建昌县境内，1h最大雨强达到59.2mm，2h最大雨强达到84.6mm。8—12时，强降水系统从葫芦岛沿海地区向东移动到锦州市沿海地区，锦州沿海地区出现直径4至5cm的冰雹，并且最大风力达到19～20m/s。12—16时，强对流继续向东北移动并减弱，逐渐影响盘锦、营口、鞍山、沈阳等地。累计雨量超过100mm的有5个区域自动站，70～100mm的有19个区域自动站。 从大尺度环流场来看（图1），辽宁省受东北冷涡影响，产生突发性强对流，带来雷雨、大风、冰雹等强天气；地面受低压底部控制，在辽宁西部，有1个不太明显的地面倒槽，有南来的水汽输送。从高空图可以看出，500hPa、700hPa、850hPa上辽宁西部地区均受冷涡底部偏南气流影响，并且700hPa、850hPa上均有南来急流，提供持久的水汽输送；200hPa上有高空幅散。综合来看，辽宁西部、中部地区上形成了1个整层深厚的系统，低层辐合，高层幅散，提供了有利的动力条件，以及持久的水汽条件，并且辽宁地区大气层结结构不稳定。但是以上论据不足以预判出辽宁地区可能出现的大暴雨过程，及其精确的强对流落区，本文将关注点放在冷涡南部外围锋区中α尺度冷空气的突然暴发机制研究和反复维持的弱冷涡环流激发强对流机制研究上。
2 辽西地区层结不稳定的T-lgP图特征
针对锦州沿海地区出现的短时大风、冰雹等强对流天气，分析锦州、沈阳、大连3个站9日08时探空（图2），对比可以看出锦州站Cape值为509，K指数为29，均不突出，但是低层925hPa、850hPa西南风很大，风速达到22～24m/s，远远超过沈阳、大连站。由于锦州地区925～850hPa高度有强的低空急流，提供了水汽和动力条件，还有逆温存在，为低层触发对流积蓄能量，并且850～600hPa高度有干冷的偏西风侵入，使对流不稳定增强其余高度层湿度条件都非常好，几乎达到饱和；850～700hPa有强的风速切变，风向也从南风转为西南风；并且温度直减率大，均有利于加剧对流不稳定，零度层高度为4.2km左右，对于夏季来说，是容易出现冰雹的高度。综上来看，锦州地区具有触发冰雹的有利气象条件。
3 EC细网格的湿位涡预报场分析
从EC细网格的湿位涡（MPV1）（图3）预报分析，MPV1越小，对流不稳定越强。9日02时，湿位涡负值区中心位于辽宁葫芦岛市建昌县附近，正好对应03～05时的短时强降水过程。至05时，负值区中心移到葫芦岛沿海，降水也随之移动，08—14时，负值区中心位于渤海北部地区（葫芦岛、锦州、盘锦、营口地区沿海陆地），此时气温升高，不稳定能量增加，触发强对流，沿海地区出现冰雹、8～9级大风。至17时，负值区中心移到内陆（盘锦、沈阳地区）。从负值区中心大值区的移动轨迹来看，正好吻合中尺度气旋的移动路径。EC细网格的湿位涡（MPV1）是预报此次强对流过程移动路径的重要参考依据。
4 中尺度分析特征
从中尺度分析（图4）可以看出：近地面层，9日05时辽宁西南部存在辐合线，形成1个不闭合的低压。08时向东移动入海，11时稳定少动，向北影响辽宁西部沿海地区，14时继续向北移至盘锦、鞍山一带。辐合线附近不断触发对流发生，产生强降水、大风、冰雹等天气。伴随着风向的辐合，并且辐合区一直在湿区，这个辐合区和雷达回波移动轨迹十分吻合。17时，低压向北移至沈阳附近，并逐渐减弱。
9日08时，925、850、700hPa高度层均有南来的水汽输送，高低空急流提供了此次强对流过程充沛的水汽条件，在辽宁西南部有风的辐合区，并且辽宁西部边界有温度槽，证明有冷空气侵入，200hPa高度层有风向的强幅散。综合以上判断，在辽宁西南部，发展出1个中尺度气旋，并触发短时强对流天气。
5 辽西沿海对流强度增强有利条件
5.1 热力条件 暴雨发生前24h，辽宁西部沿海地区气温偏高，最高气温已达到30～33℃，对流不稳定能量较高
5.2 水汽条件 辽宁西部沿海地区受副热带高压外围片西南气流控制，暴雨发生前，出现低空西南急流，为强对流的发生发展提供了源源不断的水汽输送。
5.3 地形增幅作用 辽宁西部地区多山区，其中朝阳、锦州地区有西南走向的山脉，对近地面的风场有辐合抬升作用，对强对流有触发作用。
6 雷达回波对流预报特征
分析雷达回波拼图（图5）可以看出：8：35强降水回波主要集中在葫芦岛市区和兴城地区，11：40回波向东移动到锦州沿海地区和凌海市，12：29在凌海市沿海地区，回拨右侧，有明显的钩状回拨，从雷达回拨三维图上，可以看出明显的悬垂回波，并且此时0.5°仰角的垂直累积液态水含量VIL超过55，从速度图上，可以看出在凌海沿海地区有气旋性辐合，雷达判断识别出中气旋；此时实况出现8级大风和大直径冰雹，冰雹出现的初期，垂直累积液态水含量达到峰值，VIL达到60～70。雷达组合反射率因子>45dbz的强回波区与强降水落区基本吻合，雷达平均径向速度产品逆风区中辐合流场的出现与维持及回波顶高的上升对应地面中尺度气旋式环流的形成和维持；13：20，回波继续向东移动，影响盘锦大洼地区和鞍山海城地区，上述地区出现短时强降水，和大风等强对流天气。15：28，回波向东北风向移动并减弱，影响鞍山、辽阳、营口、沈阳地区，上述地区也出现短时强降水、下击暴流等强对流天气。
7 结论与讨论
此次过程降水时段集中，降水强度大，属于短时强降水。在有利降水的大尺度天气系统背景下，底层冷空气和低空急流以及中尺度天气系统造成了本次强对流天气。底层925～850hPa的充沛水汽和辐合上升运动强对流天气的发生，地面复合线和低压环流造成本次短时强降水天气。雷达组合反射率因子>45dbz的强回波区与强降水落区基本吻合，并对应地面中尺度气旋式环流的形成和维持。
从大的环流背景下，可以判断出此次过程是由冷涡引起的强对流系统，但是冷涡内部降水落区一直是业务预报的难点，由于动力作用较弱（无明显锋区），其他因素例如热力、地形、中小尺度扰动等相对重要，共同影响，突发性强，但一般强度和范围不大，需要基于中小尺度观测系统开展临近预报研究。在预报中，此次强对流过程预报模式报出来的极少，可借助的预报模式不多，EC细网格的湿位涡（MPV1）是为数不多的1个重要参考依据。此次强对流过程，雷达回波在预警上发挥了巨大作用，为预报预警短时大风、强降水、冰雹提供了可靠依据。在气象服务中，今后还应加强短临预报预警的服务工作。
参考文献
[1]高松影，李慧琳，孙连强.一次突发性中尺度暴雪天气过程分析[J].气象与环境学报，2006，22（5）：32-35.
[2]马鸿青，丁志英，张会，等.2009年5月晋中南一次春季大暴雨成因分析[J].气象与环境学报，2001，27（5）：32-37.
[3]张晓东.2009年7月17日唐山地区强降水成因分析[J].气象与环境学报，2001，27（1）：48-53.
[4]王宪彬，张旭，辛艳辉.东北地区一次暴雨过程的落区分析[J].气象与环境学报，2010，26（1）：36-40.
[5]伍志方，张春良，张沛源.一次强对流天气的多普勒特征分析[J].高原气象，2001，20（2）：202-207.
[6]张端禹，潘鄂芬.松嫩平原一次夏季暴雨机理分析[J].气象与环境学报，2009，25（3）：8-13.
[7]伍荣生.现代天气学原理[M].北京：高等教育出版社，1999：136-140
[8]朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法[M].北京：气象出版社，1992：147-279.
[9]刘建文，郭虎，李耀东，等.天气分析预报物理量计算基础[M].北京：气象出版社，2005：56-71.
[10]吴春英，侯波，刘飞，等.2005年8月13日抚顺地区大暴雨天气过程诊断分析[J].气象与环境学报，2006，22（3）：11-15.
[11]盛永，陳艳秋，廖国进，等.0509号台风暴雨过程分析与暴雨灾害评估[J].气象与环境学报，2006，22（6）：29-33.
（责编：张宏民）