酒泉市強(qiáng)對(duì)流天氣指標(biāo)研究

于海躍++李紅英++張玉香++靳榮

摘要 強(qiáng)對(duì)流天氣是由中小尺度天氣系統(tǒng)引發(fā)的，具有水平尺度小、生命史短、局地性和突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大等特點(diǎn)。根據(jù)對(duì)各種強(qiáng)對(duì)流天氣的成因分析，可以得出各種指示它們是否會(huì)出現(xiàn)，以及可能達(dá)到的強(qiáng)度的預(yù)報(bào)指標(biāo)。本文充分應(yīng)用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、各類監(jiān)測(cè)資料，在研究酒泉市強(qiáng)對(duì)流天氣演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，開(kāi)展對(duì)流穩(wěn)定度參數(shù)、災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警，利用統(tǒng)計(jì)、動(dòng)力、人工智能等預(yù)報(bào)方法，綜合天氣學(xué)概念模型、預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)形成了短時(shí)強(qiáng)對(duì)流性災(zāi)害性天氣的短臨預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)，在實(shí)際工作中得到了較好的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 強(qiáng)對(duì)流；天氣指標(biāo)；時(shí)空分布；概念模型；甘肅酒泉

中圖分類號(hào) P456.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）01-0213-03

強(qiáng)對(duì)流天氣是由中小尺度天氣系統(tǒng)引發(fā)的，具有水平尺度小、生命史短、局地性和突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大等特點(diǎn)[1]。利用常規(guī)監(jiān)測(cè)手段難以捕捉到強(qiáng)對(duì)流天氣的信息，且對(duì)其發(fā)生發(fā)展的規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，因此對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警一直是一個(gè)難點(diǎn)。然而，隨著氣象探測(cè)手段的發(fā)展，一些新型遙感遙測(cè)儀器投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，例如雙星加密觀測(cè)每15 min得到的1張衛(wèi)星云圖，每6 min獲得1次全省多普勒雷達(dá)資料，每1 h得到的區(qū)域自動(dòng)站的資料，這些新型監(jiān)測(cè)手段不僅使得對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警成為可能，同時(shí)其實(shí)時(shí)觀測(cè)資料還可以為進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)預(yù)警技術(shù)研究提供個(gè)例。

根據(jù)對(duì)各種強(qiáng)對(duì)流天氣的成因分析，可以得出各種指示其是否會(huì)出現(xiàn)以及可能達(dá)到的強(qiáng)度的預(yù)報(bào)指標(biāo)。本文充分應(yīng)用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、各類監(jiān)測(cè)資料，在研究酒泉市強(qiáng)對(duì)流天氣演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，開(kāi)展對(duì)流穩(wěn)定度參數(shù)、災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警，利用統(tǒng)計(jì)、動(dòng)力、人工智能等預(yù)報(bào)方法，綜合天氣學(xué)概念模型、預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展對(duì)短時(shí)強(qiáng)對(duì)流性災(zāi)害性天氣的短臨預(yù)報(bào)預(yù)警。

1 酒泉市氣候概況

酒泉市地處甘肅省西北部河西走廊西端，東西長(zhǎng)680 km，南北寬550 km，面積19.2萬(wàn)km[2]。地勢(shì)南高北低，自西南向東北傾斜。境內(nèi)山地、平原盆地、沙漠、戈壁等多種地貌相間，生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，地域差異明顯。該地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，深居歐亞大陸腹地，降水奇缺，年平均降水量不足90 mm（山區(qū)肅北為152.5 mm），蒸發(fā)強(qiáng)烈，是典型的西北極端干旱區(qū)。強(qiáng)對(duì)流天氣是該地區(qū)危害較重的氣象災(zāi)害之一，具有來(lái)勢(shì)猛、速度快、破壞力大的顯著特點(diǎn)，可引發(fā)山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，是日常業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)之一[1-2]。隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件呈現(xiàn)頻發(fā)和加重的態(tài)勢(shì)，自2006年以來(lái)酒泉市境內(nèi)就發(fā)生了3次較強(qiáng)的強(qiáng)降水事件，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)造成了嚴(yán)重影響。該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)降水具有雙重性，即在很大程度上既能補(bǔ)充該區(qū)域稀缺的水資源，又極易造成局地洪澇和地質(zhì)災(zāi)害。如2012年6月5日酒泉市肅北、玉門和瓜州南部等地出現(xiàn)暴雨，玉門市農(nóng)機(jī)中心農(nóng)場(chǎng)為96.4 mm，達(dá)大暴雨，降水量為該市年平均降水量的1.4倍，是6月月平均降水量的10.3倍，不論是日最大降水量還是月降水量均突破建站以來(lái)的歷史極值[3]。

2 強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)空分布特征

2.1 個(gè)例挑選標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 強(qiáng)降水。甘肅省河西走廊西端屬于西北極端干旱氣候區(qū)，用統(tǒng)一固定的日降水量標(biāo)準(zhǔn)并不能真實(shí)反映極端降水的變化情況，有必要根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠炅壳闆r來(lái)確定極端降水事件的標(biāo)準(zhǔn)。本文采用百分位的方法，定義每個(gè)臺(tái)站的極端強(qiáng)降水事件的閾值。將1960—2010年各站逐年日降水量按降序排列，將第5個(gè)百分位值的30年平均值定義為極端強(qiáng)降水事件的閾值。經(jīng)分析，河西走廊西部極端強(qiáng)降水閾值自西南向東北逐漸減小，分布在9.1～16.4 mm/d（圖1）之間，平均閾值為10.9 mm/d，接近中—大雨標(biāo)準(zhǔn)（甘肅河西中—大雨標(biāo)準(zhǔn)為10.0～22.9 mm/d），按此標(biāo)準(zhǔn)，在河西走廊西部只要出現(xiàn)中—大雨或以上降水就算極端強(qiáng)降水。極端強(qiáng)降水閾值最大為肅北，達(dá)16.4 mm，除肅北外其余各站極端強(qiáng)降水閾值比較均勻，分布在9.1～11.8 mm/d之間。

按極端強(qiáng)降水閾值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐奶鞖鈿夂蛱攸c(diǎn)，確定當(dāng)?shù)貜?qiáng)降水的標(biāo)準(zhǔn)為日降水量≥10 mm或區(qū)域站（2008年以后）1 h雨量≥10 mm即為1次過(guò)程。

通過(guò)普查區(qū)域站和自動(dòng)站資料，共收集到符合標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)降水個(gè)例數(shù)如下：2001—2015年5—9月酒泉、金塔、玉門、瓜州、敦煌、肅北站分別有強(qiáng)降水21、14、17、9、13、48次。

2.1.2 冰雹。按酒泉市區(qū)域內(nèi)測(cè)站≥1站次或鄉(xiāng)鎮(zhèn)有冰雹災(zāi)情記錄的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)普查觀測(cè)站資料和冰雹災(zāi)情記錄，2001—2015年5—9月的冰雹日數(shù)，酒泉、金塔、玉門、瓜州、敦煌、肅北站分別為0、1、2、0、1、14次。當(dāng)?shù)毓灿?8個(gè)冰雹個(gè)例，其中冰雹主要出現(xiàn)在肅北，這與肅北的山區(qū)地形關(guān)系很大，只有4次出現(xiàn)在平川區(qū)，肅州區(qū)和瓜州近13年來(lái)無(wú)冰雹出現(xiàn)。

2.2 強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)空分布特征

2.2.1 強(qiáng)降水。2001—2015年，酒泉市境內(nèi)出現(xiàn)日降水量 ≥10 mm的強(qiáng)降水為122站次，其中30站次日降水量≥20 mm，自區(qū)域站（共計(jì)88個(gè)）建設(shè)以來(lái)，短時(shí)強(qiáng)降水≥10 mm/h共有44站次，其中26站次集中在2011年6月16日和2012年6月5日2個(gè)過(guò)程，最強(qiáng)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)在2012年6月5日8：00玉門梁子溝和農(nóng)機(jī)中心農(nóng)場(chǎng)，1 h降水量分別為38.2 mm和28.0 mm。其余18站次分散在為數(shù)不多的幾次過(guò)程中。

（1）空間分布。從各站分布來(lái)看，當(dāng)?shù)厝战邓俊?0 mm的次數(shù)在9～48次之間，出現(xiàn)最多的區(qū)域主要分布在肅北，達(dá)48次，最少在安敦盆地和金塔地區(qū)。1 h雨量≥10 mm的站點(diǎn)主要分布在靠近祁連山的阿克塞、肅北、玉門及肅州區(qū)沿山地域（圖2）。

（2）月分布。酒泉市日降水量≥10 mm的強(qiáng)降水年度分布不均勻，從月分布上看在5—9月均有可能發(fā)生，59%的短時(shí)強(qiáng)降水集中分布在6—7月，其中7月出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水最多，占強(qiáng)降水總數(shù)1/3。

2.2.2 冰雹。冰雹降自強(qiáng)對(duì)流單體的特定部位，范圍僅幾公里至幾十公里。具有明顯的局地性和分散性。經(jīng)普查2001—2015年5—9月符合標(biāo)準(zhǔn)的冰雹個(gè)例共18個(gè)，其中冰雹主要出現(xiàn)在肅北（14次），因而肅北是當(dāng)?shù)乇⒌亩喟l(fā)地。2001—2015年當(dāng)?shù)亟当⒅饕l(fā)生在5—6月，以5月最多，達(dá)13次，約占冰雹總數(shù)的73%，其中平川區(qū)降雹均出現(xiàn)在5月。

3 強(qiáng)對(duì)流天氣概念模型

3.1 強(qiáng)降水概念模型

3.1.1 柴達(dá)木低渦切變北抬型。河套—河西有一“歪脖子”高壓，新疆東部有冷槽或有風(fēng)場(chǎng)切變，柴達(dá)木地區(qū)高（500 hPa）、低（700 hPa）空存在渦旋切變，700 hPa有東南急流，新疆上空冷平流較強(qiáng)。由于受“歪脖子”高壓阻擋，使西方冷空氣不能快速東移，冷暖空氣在此交匯，同時(shí)低層水汽隨東南急流不斷向河西中西部輸送，為形成強(qiáng)降水提供了有力的環(huán)流背景，見(jiàn)圖3（a）和圖3（b）。

3.1.2 西方長(zhǎng)波槽型。500 hPa西北區(qū)上空為“東高西低型”環(huán)流特征。河西地區(qū)處在副高外圍西南暖濕氣流中，副高東退緩慢，新疆為低槽活動(dòng)區(qū)，且冷平流明顯，槽前有負(fù)變高配置[4-5]。由于副高東退緩慢，新疆低槽不能東移，在河西中西部形成一個(gè)幅合中心，在西南暖濕氣流的配合下，對(duì)形成河西西部強(qiáng)降水提供了有力的環(huán)流背景，見(jiàn)圖4（a）和圖4（b）。

3.2 典型冰雹概念模型

500 hPa巴湖或巴湖東側(cè)的高壓脊發(fā)展，脊前環(huán)流經(jīng)向度不斷加大，使北方較強(qiáng)冷空沿西北氣流東南下，地面上，河西地區(qū)處在高溫低壓的形勢(shì)場(chǎng)中[6]。

受冷平流影響，在北疆東部往往有不穩(wěn)定小槽下滑，在新疆東部形成不穩(wěn)定區(qū)域，多以雷陣雨天氣為主，這也是河西中西部形成冰雹天氣的主要環(huán)流型，見(jiàn)圖5（a）和圖5（b）。

4 強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)

4.1 強(qiáng)降水

滿足以下8個(gè)條件可預(yù)報(bào)強(qiáng)降水天氣：①當(dāng)?shù)厣峡?50、700、500 hPa相對(duì)濕度均>80%或T-Td≤5 ℃；②700、850 hPa水汽通量散度<-5 g/（cm2·hPa）；③700、850 hPa水汽通量 >6（cm·hPa）/s；④從低層850 hPa一直到200 hPa為一致的正渦度（或表現(xiàn)為上負(fù)下正的特征）；⑤中低層為負(fù)散度，高層為正散度或者在散度垂直剖面上出現(xiàn)輻合或輻散多層交替；⑥從低層到高層有一致的上升運(yùn)動(dòng)（300～850 hPa ω<0）；⑦垂直螺旋度均存在上負(fù)下正的特征；⑧θse500-850<0。

4.2 冰雹

滿足以下9個(gè)條件，可預(yù)報(bào)當(dāng)?shù)赜兄械壤钻囉瓿霈F(xiàn)，沿山片有出現(xiàn)冰雹的可能。①K指數(shù)≥35（酒泉上空）；②總指數(shù)≥35（哈密到張掖）；③前一日上游（烏魯木齊到哈密）CAPE值>1 000；④SI指數(shù)<0（敦煌到張掖）；⑤-20～0 ℃高度在3 100～3 400 m；⑥w_cape≥13 m/s，風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)≥90；⑦有中等強(qiáng)度或以上的垂直風(fēng)切變；⑧從低層到高層有一致的上升運(yùn)動(dòng)（300～850 hP ω<0）；⑨中低層為負(fù)散度，高層為正散度（最強(qiáng)的輻散層在200～300 hPa，輻合層在近地層），散度垂直剖面上出現(xiàn)輻合或輻散多層交替。

5 檢驗(yàn)與評(píng)估

上述3種概念模型涵蓋了當(dāng)?shù)貜?qiáng)對(duì)流天氣主要類型，很好地預(yù)報(bào)了2011年6月16日、2012年6月5日的強(qiáng)降水過(guò)程，2012年6月6日區(qū)域性的雷陣雨天氣過(guò)程，但由于當(dāng)?shù)貜?qiáng)降水和冰雹樣本較少，今后還需進(jìn)一步繼續(xù)深入研究完善，以期達(dá)到最好的預(yù)報(bào)效果。

6 參考文獻(xiàn)

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