211054456_西宁地区强对流天气预报指标研究

2023年12月20日发(作者：一汽丰田普拉多4s店)

Journal of Agricultural Catastrophology 2023, Vol.13 No.2

西宁地区强对流天气预报指标研究张婷华，谢启玉，李昌玉，周?琴青海省西宁市气象台，青海西宁 810000摘要?利用常规气象观测资料，结合天气学诊断和统计学方法，分析了西宁地区2010—2019年强对流天气的时空分布、环境物理量和雷达回波特征，结果表明：（1）西宁地区强对流天气多发生于7—8月，大通出现强对流天气次数最多，冰雹发生次数最多，雷暴大风发生次数最少；（2）将西宁地区强对流天气的形势背景分成3类，建立了中尺度概念模型；（3）探空图上水汽类参数、层结稳定度类参数、能量类参数和垂直风切变上对不同类型的强对流天气均有不同程度的反映；（4）雷达回波图上的反射率因子、径向速度及多种雷达产品对不同类型的强对流天气有不同的指示意义。研究结果为西宁地区强对流天气的潜势预报和临近预报提供了科学依据。关键字?强对流天气；中尺度概念模型；物理量；雷达回波中图分类号：P456 文献标识码：B 文章编号：2095–3305(2023)02–0130-03

强对流天气是一种深厚对流天气1?资料和方法过程，主要由中小尺度天气系统生成1.1?观测资料发展而成，具有天气尺度小、突发性采用2010—2019年西宁地区4个国强、天气现象剧烈、持续时间短等特家站常规高空和地面观测资料，西宁地点[1~2]。由于强对流天气的影响因素错区新一代多普勒天气雷达CINRAD-CD综复杂，从而导致对强对流天气的预中常用的雷达产品和历年灾情资料。报预测准确率偏低，但防灾减灾和精1.2?强对流天气个例选取细化预报的需要都对强对流天气的短冰雹个例标准：以灾情报告中具有时临近预报提出了更高的要求[3]。气较详细降雹时间的冰雹天气日为准，每象工作者利用各种模型和方法寻找强1次降雹过程为1个个例，共收集到20对流天气的预报指标[4~6]。西宁市位例。短时强降水个例标准：小时降水量于青海省东北部，地处青藏高原河湟≥20 mm的国家站为1次强降水过程，谷地南北两山对峙之间，统属祁连山共收集到11次过程。雷暴大风个例标系，是青藏高原和黄土高原过渡带，准：平均风力≥6级或阵风≥8级，且伴目前关于西宁地区强对流天气的研究有雷暴的天气，共收集到7次过程。较少，且大都集中在个例分析上[7~8]。苏永玲等[9]分析了青海省强对流天气2?结果与分析时空分布特征。谢启玉等[10]通过分析2.1?西宁地区强对流天气时空特征得出了西宁地区VIL对冰雹预警的判从发生站次来看，湟源出现的强别指标和对冰雹路径指示。基于此，对流天气次数较少，仅为6次，西宁和着眼于研究西宁地区不同类型强对流湟中均出现7次，大通出现的强对流天气的中小尺度系统，分析产生不同天气的次数最多，达到了20次（图1）。类型强对流天气的原因，统计和诊断从发生类型来看，冰雹发生最多，达西宁地区强对流天气的物理量参数和到20次，占57%；短时强降水总共发雷达特征量，建立预警指标，以期为生9次，占26%；雷暴大风发生6次，占强对流天气的潜势预报和临近预警提17%。从发生频率来看，大通出现短时供参考。强降水和冰雹次数最多，而西宁市区出作者简介? 张婷华（1989—），女，青海西宁人，工程师，主要从事天气预报与服务工作。收稿日期?2022-11-10130Copyright?博看网. All Rights

on Forecast Index

Weather in Xining AreaSevere Convective

Zhang Ting-hua et al(Xining

810000)Meteorological Station, Xining, Qinghai

Abstract

meteorological

This

with

observation

paper uses

data,

conventional

combined

distribution,

methods,

synoptic

to analyze

diagnosis

the

and

spacestatistical

environmental

-time

quantities

the strong convective weather in Xining region

and radar echo characteristics

physical

from

(1) The strong convective weather in Xining

2010 to 2019. The results show that:

region mostly occurs in July to August, with

the largest number of occurrences in Datong,

the

and

largest

the smallest

number

of hail

of thunderstorms

occurrences,

and

the

gales.

area

severe

(2)

convective

The situation

weather

background

mesoscale

is divided

Xining

(3)

conceptual

into three

model

categories,

is established.

and a

and

stability

Water

vertical

parameters,

vapor parameters,

energy

stratification

wind shear parameters

parameters

sounding map reflect different types of severe

on the

convective

The

weather in varying degrees. (4)

various radar products on the radar echo map

reflectivity factor, radial velocity and

have different indications for different types

results

of severe

provide

convective

a scientific

weather.

basis

The research

potential forecast and approaching forecast

for the

of severe convective weather in Xining

quantity; Radar echoMesoscale

words

conceptual

Severe convective

model;

weather;

Physical

农业灾害研究 2023,13(2)

现雷暴大风最多。从图2中可以看出，短时强降水出现的主要月份是6—8月，其中8月出现次数最多，这与西宁地区的夏季主汛期时间相吻合。雷暴大风除了在6月出现较少，其他月份比较平均，冰雹主要出现在6—8月，7月出现次数最多，这个与冰雹产生的环境条件相关，西宁地区盛夏大气0 ℃层和﹣20 ℃层相对较低，温度层结也有利于产生冰雹。2.2.1?高空冷平流强迫类?西宁地区的要，了解强对流天气发生时的环境条件可以让人们了解天气形势的配置。通过探空图分析西宁地区强对流天气发生的3个基本要素：热力不稳定、动力抬升和水汽条件。2.3.1?水汽条件?形成对流云必须要高空冷平流强迫类多发生在500 hPa高空（对流层中高层）西北气流中，从高低空的配置来看，此类对流天气有以下特征：多位于200 hPa急流出口右前侧分流区，有高空辐散，500 hPa和700 hPa有高度槽，上游通常有温度槽和24 h显著降温区，500 hPa大风速带，加剧层结不稳定同时强的垂直风切变，加强了动力不稳定。低层地面辐合线、干线有利于动力辐合抬升，是对流天气的触发机制。2.2.2?低层暖平流强迫类?低层暖平流有充足的水汽，西宁地区夏季盛行偏南风，利于水汽输送，风速越大，越会带来大水汽输送量。分析水汽特征，可以看出强对流天气发生时当日08:20的高空图中，中层（500 hPa）较干，比湿≥1 g/kg，

温度露点差≤12 ℃；低层（700 hPa）湿度条件较好，比湿≥6 g/kg，温度露点差≤10 ℃，其中短时强降水的湿度要好于冰雹和雷暴大风，比湿≥9 g/kg（表1）。2.3.2?不稳定条件?从层结稳定类指强迫类是发生在低层强烈发展的暖湿平流中，此类强对流天气在3种类型中占比最少，有以下特征：高层无明显的急流，对流层中高层，一般干冷平流，而对流层低层暖湿平流控制，形成上干图1?西宁地区各站点强对流天气发生次数分布数看，SI指数、抬升指数、K指数的指示性意义较好，SI指数可以定性地用来判断对流层中层是否存在热力不稳定层结（表2）。由于西宁地区海拔在2

000 m以上，故SI指数仅作为参考，分析得出西宁地区发生强对流天气时的沙氏指数虽然为正，但都比较小，基本是≤1.0 ℃，且从该值开始不断下降。K指数侧重反映对流层中低层的温湿分布对稳定度的影响，K值越大，越不稳定，西宁地区发生强对流天气时的K指数≥20 ℃，短时强降水的K指数更高，≥27 ℃。从能量参数看，湿对流有效位能（CAPE）、下沉对流有效位能（DCAPE）、对流抑制能量（CIN）的指示性意义较好。CAPE和CIN都是具有十分明确物理意义的热力不稳定参量，DCAPE则700 hPa冷下暖湿的层结。这种结构利于热力不稳定层结的加强。2.2.3?斜压锋生类?斜压锋生类是指发生在中低层冷暖空气强烈交汇，并伴有明显温度锋区和锋生过程，地面有明显的冷锋，具备经典的斜压大气特征结构。此类对流天气有以下特征：多位于200 hPa急流轴后侧的辐散气流，

月份500 hPa为西北气流区，500 hPa大风速轴自新疆地区携带冷空气影响西宁地区，使西宁高空更加干冷，加剧层结不稳定；大风速带有强的垂直风切变，加强了动力不稳定。低层有暖湿气流，地面上冷锋、辐合线利于动力辐合抬升和触发强对流天气。2.3?强对流天气物理量指标发生强对流天气时的环境场很重表1?西宁地区强对流天气水汽指标图2?西宁地区强对流天气发生次数月分布2.2?强对流天气概念模型对2010—2019年西宁地区的强对流天气进行中尺度分析，按照热动力学结构特征将西宁地区强对流天气的形势背景分成3类：高空冷平流强迫、低层暖平流强迫、斜压锋生类。这3类天气尺度的环境场具有各自的显著特征。500 hPa比湿q（g/kg）≥1≥2≥1.5≥1露点Td/ ℃≥-21≥-17≥-18.5≥-21类型冰雹短强雷暴大风综合温度露点差T-Td/ ℃≤9≤12≤10≤12比湿q（g/kg）≥6≥9≥7≥6露点Td/ ℃）≥1≥7≥2≥1温度露点差T-Td/ ℃≤12≤7≤9≤12表2?强对流天气探空物理量层结稳定度类类型冰雹短时强降水雷暴大风综合指标沙氏指数

SI/ ℃≤1.6≤1.0≤1.0≤1.0K指数/ ℃≥20≥27≥22≥20抬升指数LI/ ℃≤0≤0.1≤0.6≤0.6湿对流有效位能CAPE/（J/kg）≥170≥84≥115≥84能量参数下沉对流有效位能DCAPE/（J/kg）≥10≥5.0≥2.0≥5.0对流抑制有效

Journal of Agricultural Catastrophology 2023, Vol.13 No.2反映对

流云体中下沉气流到达地面时可能具有的最大动能，是预报雷雨大风强度的重要热力学参数之一。通过分析可以，西宁地区CAPE≥

冰雹和雷80 J·kg即出现对流性天气，-1风，即暖湿气流明显。从垂直风切变的风速变化来看，发生强对流天气时风速垂直切变≥7.0 m/s，即有中等垂直风

切变。2.4?雷达回波指标统计分析在发生强对流天气时西宁地区常用的雷达产品，找出了西宁地区发生强对流天气的多普勒雷达产品关键特征量和阈值，为预报预警提供理论依据。2.4.1?反射率因子?从组合反射率因48 dBz，发生短时强降水时的反射率因子并不高，仅≥44 dBz（表3）。从基本反射率因子看，西宁地区出现强度流天气时，反射率因子基本随仰角的抬高而增大，0.5°仰角的反射率因子最低，仅≥20 dBz，而2.4°和3.4°仰角的反射率因子最强，≥39 dBz，尤其是出现冰雹天气时，在3.4°仰角的反射率因子≥50 dBz。从回波顶高来看，西宁地区出现强对流天气时，强回波质心高度≥0.2 km，

回波顶高≥3 km，出现冰雹天气时强回波质心高度≥1.0 km，回波顶高≥

8 km，即存在高悬的强反射率因子，基本扩展至-20 ℃等温线以上。暴大风的CAPE更高，在100 J·kg以上；而DCAPE、CIN的差异较大，有时很小也能发生强对流天气，而发生雷暴大风时DCAPE值更高。2.3.3?垂直风切变?垂直风切变矢量-1大小和方向的变化极大影响着对流风暴的组织、结构和演变，从垂直风切变的风向看，发生冰雹和雷暴大风时一般为偏西和偏北风，即有较强的冷空气；在发生短时强降水时，一般为偏东偏南子看，西宁地区出现强对流天气时，最大回波强度≥44 dBz，其中发生冰雹时配合有强反射率因子出现，最大反射率≥51 dBz，其次是雷暴大风，≥

表3?西宁地区强对流天气反射率因子统计类型冰雹短时强降水雷暴大风综合指标组合反射率最大回波强度/dBz≥51≥44≥48≥44基本反射率最大回波强度/dBz0.5°≥20≥33≥39≥201.5°≥40≥35≥40≥352.4°≥43≥43≥39≥393.4°≥50≥43≥39≥394.3°≥50≥40≥35≥35≥2.0≥1.0≥1.2≥1.0回波高度强回波质心高度/km回波顶高/km≥8≥5≥3≥32.4.2?径向速度?从径向速度看，西宁地角的径向速度最大，能达到12~20 m/s，尤其是出现雷暴大风天气时，各层的径向速度均较大，均在10 m/s以上，说明有速度大值中心或者大风速核出现（表4）。m/s多为绿色实心三角，占2/3，绿色空心三角只占1/3；此外，强冰雹的概率在40%以上，冰雹尺寸≥1时就应该考虑出现较为明显的冰雹天气。（2）垂直积分液态水含量。查阅参考文献和研究发现，雷达产品VIL（垂直液态水含量）对冰雹具有较好的指示意义，为了通过VIL与降雹的关系找到利用VIL值预警西宁地区冰雹的指标，详细分析了西宁地区冰雹天气过程中VIL最大值变化、VIL最大值出现和跃增时间，以及与降雹开始时间的差。西宁地区出现冰雹时，VIL最大值能达到

68 kg/m2，最小值仅为6 kg/m2；从VIL的跃增情况看，出现冰雹天气时，VIL均有不同程度的跃增，且VIL跃增与出现冰雹时有一定的时间差，最长能够达到30 min。综上，VIL及其跃增对冰雹的出现有较好的指示和提前时间。（3）降水量。统计发现西宁强降水主要有混合型强降水和对流性强降水，利用天气雷达资料分析短时强降水的基本特征（表6）。对于混合性降水来说，1 h降水量（OHP） 6.35~19.05 mm之间，

3 h降水量（THP）7.6~20.3 mm之间，

（下转第172页）区出现强度流天气时，径向速度的绝对值基本随仰角的抬高而增大，0.5°仰角的径向速度小，在5~10 m/s，而2.4°和3.4°仰表4?西宁地区强对流天气径向速度类型冰雹短时强降水雷暴大风综合径向速度值0.5°-5~15-5~10-10~5-10~151.5°-3~15-5~12-20~10-20~152.4°-3~17-5~10-20~10-20~173.4°-3~15-5~10-20~7-20~154.3°-3~11-5~5-15~15-15~152.4.3?常用的雷达产品?（1）冰雹指数。数产品具有一定的参考价值（表5）。西宁地区出现冰雹天气时，冰雹指示形状根据实际的预报经验可以得出，冰雹指表5?冰雹天气指示类产品冰雹指示指标指标范围有效指标强冰雹

概率/%20~100≥40冰雹尺寸/cm1~6≥1大小/（kg/m）有无跃增6~68≥6有有2VIL与出现冰雹相差时间/min0~30mm表6?短时强降水天气预估降水量指标指标范围混合型降水对流型降水降水量1 h降水量（OHP）1.000~28.756.35~19.059.52~31.753 h降水量（THP）2.54~44.457.60~20.309.52~44.45总降水量（STP）7.60~63.5011.40~31.7015.20~63.50132Copyright?博看网. All Rights Reserved.

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net/kcms/detail/

.责任编辑：黄艳飞（上接第132页）（3）本研究仅总结分析了发生强对流天气时的实况，下一步应当结合数值模式，探讨实况场与预报场之间的关系，为开展预报工作提供更实际的操作。

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mm之间，THP在9.52~44.45之间，STP1

5.2~63.5 mm之间。3?讨论（1）由于历史资料不完整，部分个例没有加密观测资料，因此中尺度分析较为粗浅，抬升触发条件总结得较为笼统；探空资料只有08:00和20:00，西宁地区的强对流天气多出现在午后，虽然可以进行探空订正，但对于指标的总结仍存在偏差。（2）雷达产品中主要通过单个产品特征分析得到西宁地区强对流天气的预警，若与其他判据如反射率因子、垂直累积液态水含量（VIL）等相结合效果可能会更好，这也是下一步研究的重点。[1] 孙继松,戴建华,何立富,等.强对流天气预报的基本原理与技术方法:中国强对流天气预报手册[M].北京:气象出版社,2014.[2] 叶东.新乡地区强对流天气分析及潜势预报研究[D].兰州:兰州大学,2018.[3] 何彩芬.宁波强对流天气临近预报技术研究[D].兰州:兰州大学,2011.[4] 徐娟,纪凡华,韩风军,等.2012年盛夏山东西部一次短时强降水天气的形成机制[J].干旱气象,2014,32(3):439-445,459.[5] 王金兰,陈红霞,段中夏,等.河南省一172Copyright?博看网. All Rights Reserved.

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