潛江市中小尺度強(qiáng)降水短臨預(yù)警指標(biāo)技術(shù)研究

徐瓊芳 岳陽 杜燕妮 張新貝 王權(quán)民

摘要：利用Micaps高空、地面逐小時(shí)實(shí)況資料和多普勒天氣雷達(dá)資料，對2011—2016年潛江市23次短時(shí)強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出潛江市中小尺度強(qiáng)降水短臨預(yù)警指標(biāo)，在2017年短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中投入使用并加以訂正。結(jié)果表明，潛江市短時(shí)強(qiáng)降水每年出現(xiàn)4次左右，多發(fā)生在4—9月，7月是短時(shí)強(qiáng)降水最為頻發(fā)的月份。短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)流背景特征有鋒面、低槽、切變線、低壓、低渦等天氣系統(tǒng)，短時(shí)強(qiáng)降水前，物理量特征為水汽充沛、濕層深厚，暖云層厚度較厚，0 ℃層高度位于5 000 m左右，對流有效位能CAPE屬中等強(qiáng)度，57494站或57461站必有一站K指數(shù)在36 ℃以上的比例為91.3%。短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波演變方式有3種類型，即移入型，可分為一般移入型和“列車效應(yīng)”移入型;合并加強(qiáng)型;本地發(fā)展型。短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)回波形狀以帶狀居多，渦帶狀、片狀、弓狀、渦旋形態(tài)較少。短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)，1 h有6個(gè)以上體掃反射率因子大于35.0 dBz，強(qiáng)回波40 dBZ伸展到7 km左右，DVIL在2 g/m3左右，垂直風(fēng)切變值在10 m/s左右。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)降水;短臨;預(yù)警;指標(biāo);潛江市

中圖分類號：P457.6? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）22-0043-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.22.013? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Based on the MICAPS high altitude， ground actual data by hour and Doppler weather radar data，the 23 short-term strong convective weather process in Qianjiang city in 2011-2016 years was analyzed，and the short term and impending early warning index of the middle and small scale heavy rainfall in Qianjiang was summarized，and it was put into use and revised in the short impending forecast business in 2017. The results show that short term heavy rainfall in Qianjiang appears 4 times a year，mostly in April to September，and July is the most frequent month. The background characteristics of short time strong rainfall are front，low trough，shear line，low pressure，low vortex and other weather systems. Before short-term strong precipitation，the physical quantity is characterized by abundant water vapor，thick wet layer，thick warm cloud thickness，0 ℃ layer height at about 5 000 m. The CAPE of convective effective potential belongs to medium strength，and the proportion of one station in 57494 or 57461 K index above 36 ℃ is 91.3%. There are three types of radar echo evolution in short time strong precipitation： Moving in type，which can be divided into general moving type and“train effect” type，combined strengthening type and local development type. The shape of short time heavy rainfall radar echo is mostly ribbon， while vortex band， sheet shape，arcuate shape and vortex formation are less. In short time strong precipitation， more than 6 body reflectance factors are more than 35.0 dBz in 1 hour，strong echo 40 dBZ extends to about 7 km，DVIL is about 2 g/m3，and vertical wind shear value is around 10 m/s.

Key words： strong precipitation; short term and impending; early warning; index; Qianjiang city

短時(shí)強(qiáng)降水是中小尺度強(qiáng)對流系統(tǒng)引發(fā)的一種強(qiáng)對流天氣，其天氣激烈、受災(zāi)面積廣、危害大，是最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，對人民群眾生產(chǎn)生活產(chǎn)生重大影響。定時(shí)、定點(diǎn)、定量的精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展的主要方向，也是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的迫切要求。但是，中小尺度災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)因其尺度較小、持續(xù)時(shí)間較短、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，對其開展準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報(bào)一直是世界性的難題。在短期內(nèi)不能大幅度提高中小尺度災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的情況下，發(fā)展短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)是增強(qiáng)預(yù)報(bào)突發(fā)災(zāi)害性天氣和提高精細(xì)化預(yù)報(bào)水平的有效途徑。

3.4? 抬升機(jī)制

通過對23次過程的綜合分析，在強(qiáng)對流的抬升觸發(fā)機(jī)制中，最主要的是鋒面、低槽、切變線、低壓、低渦等天氣系統(tǒng)造成的系統(tǒng)性上升運(yùn)動，絕大多數(shù)強(qiáng)對流性天氣都產(chǎn)生在這些天氣系統(tǒng)中。大致可以建立低槽-副高型、低渦切變型、副高邊緣切變型、低槽東移型、低渦東移型5類短時(shí)強(qiáng)降水模型。

4? 雷達(dá)回波特征

4.1? 雷達(dá)回波分型

利用2011—2016年荊州多普勒雷達(dá)產(chǎn)品，通過對降水時(shí)段反射率因子回波形態(tài)和演變方式的分析，得到造成潛江市短時(shí)強(qiáng)降水過程的雷達(dá)反射率因子模型（圖1）。按照影響方式可分為3種類型，①移入型，可分為一般移入型（圖1a）和“列車效應(yīng)”移入型（圖1b）。一般移入型表現(xiàn)為位于上游的降水回波隨著高空引導(dǎo)氣流移入本地，可造成單站或區(qū)域性的強(qiáng)降水，其特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間相對較短?！傲熊囆?yīng)”移入型表現(xiàn)為回波內(nèi)伴有“列車效應(yīng)”出現(xiàn)，即沿著高空引導(dǎo)氣流的方向，有兩個(gè)以上的對流單體側(cè)向排列，回波傳播的方向與排列方向夾角較小，在移動過程中相繼影響同一地區(qū)，容易造成連續(xù)性的強(qiáng)降水，而且可達(dá)到暴雨強(qiáng)度。②合并加強(qiáng)型（圖1c）表現(xiàn)為外地移入的回波進(jìn)入影響地區(qū)后，受中小尺度系統(tǒng)輻合影響，其回波與本地塊狀回波聚合，加強(qiáng)為超級單體，特點(diǎn)是回波強(qiáng)度較強(qiáng)，而且停滯時(shí)間較長。③本地發(fā)展型（圖1d）表現(xiàn)為受環(huán)境流場匯合影響，局地迅速生成對流云團(tuán)，點(diǎn)狀回波在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大為塊狀回波。此類回波生成發(fā)展速度快，一般降水范圍較小，而且持續(xù)時(shí)間較短，但由于其突發(fā)性和局地性強(qiáng)，回波強(qiáng)度也較強(qiáng)，預(yù)警的提前時(shí)間小，因此常給降水地區(qū)造成的影響也較大。另外，造成區(qū)域性強(qiáng)降水多為移入型或合并加強(qiáng)型。

4.2? 反射率因子分析

雷達(dá)反射率因子的強(qiáng)度變化和形態(tài)特征，與雨強(qiáng)有較好的相關(guān)性，為定量研究反射率因子的變化特征，對短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)的1 h內(nèi)反射率因子平顯特征、回波中心強(qiáng)度、回波頂高（ET/km）、40 dBz強(qiáng)回波伸展的高度H40 dBz（km）、垂直積分液態(tài)含水量VIL（kg/m2）和VIL密度Dvil（g/m3）、≥35 dBz的雷達(dá)回波體掃個(gè)數(shù)，并對35、40、45、50 dBz、≥55 dBz雷達(dá)回波體掃個(gè)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表3）。

短時(shí)強(qiáng)降水以帶狀居多，共有16次，渦帶狀2次，片狀1次，弓狀3次，渦旋1次。片狀回波為本地發(fā)展型，持續(xù)時(shí)間短，弓狀、渦旋、渦帶狀回波降水強(qiáng)度大，一般為“列車效應(yīng)”移入型或合并加強(qiáng)型，時(shí)間較長，易形成暴雨。

從雷達(dá)回波強(qiáng)度看，短時(shí)強(qiáng)降水過程中，1 h內(nèi)35 dBz以上的回波至少有6個(gè)體掃。短時(shí)強(qiáng)降水回波形態(tài)為粗壯的中下部，形似矮胖子，40 dBz強(qiáng)回波伸展不高，在5～12 km，平均在7 km左右。

垂直累積液態(tài)水含量VIL反映了降水云體在確定底面區(qū)域上垂直柱體內(nèi)的液態(tài)水總量，2011—2016年潛江市短時(shí)強(qiáng)降水過程中垂直累積液態(tài)水含量VIL跨度較大（表4），在5～55 kg/m2，平均VIL為21.7 kg/m2。DVIL密度分析在0.8～3.7 g/m3，平均DVIL為1.99 g/m3。

5? 短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警指標(biāo)

通過對2011—2016年潛江市短時(shí)強(qiáng)降水過程Micaps資料和雷達(dá)資料進(jìn)行分析，得出潛江市短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警指標(biāo)。

1）環(huán)流背景特征有鋒面、低槽、切變線、低壓、低渦等天氣系統(tǒng)。

2）強(qiáng)降水前，57494站或57461站必有一站K指數(shù)在36 ℃以上。

3）925、850、700、500 hPa溫度露點(diǎn)差較小，0 ℃層高度在5 km左右。

4）風(fēng)垂直切變值在10 m/s左右。

5）40 dBz強(qiáng)回波伸展高度在7 km左右。

6）DVIL為2 g/m3左右。

7）1 h將有6個(gè)以上體掃反射率因子大于35.0 dBz。

6? 臨近預(yù)警指標(biāo)檢驗(yàn)

2017年將潛江市短時(shí)強(qiáng)降水臨近預(yù)警指標(biāo)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，并加以檢驗(yàn)。2017年共發(fā)生6次短時(shí)強(qiáng)降水過程，漏報(bào)1次，空報(bào)3次。將強(qiáng)降水前57494站或57461站必有一站K指數(shù)在36 ℃以上指標(biāo)，修正為57494站或57461站必有一站K指數(shù)在35 ℃以上，6次強(qiáng)降水過程可全部報(bào)出。

7? 小結(jié)

通過對潛江市2011—2017年短時(shí)強(qiáng)降水的氣候特征、環(huán)流形勢特征、物理量特征和雷達(dá)特征進(jìn)行多尺度分析，得到如下結(jié)論。

1）潛江市短時(shí)強(qiáng)降水每年出現(xiàn)4次左右。多發(fā)生在4—9月，7月是短時(shí)強(qiáng)降水最為頻發(fā)的月份。

2）短時(shí)強(qiáng)降水環(huán)流背景特征有鋒面、低槽、切變線、低壓、低渦等天氣系統(tǒng)。

3）短時(shí)強(qiáng)降水前，物理量特征為水汽充沛、濕層深厚，暖云層厚度較厚，0 ℃層高度位于5 000 m左右。對流有效位能CAPE屬中等強(qiáng)度。57494站或57461站必有一站K指數(shù)在36 ℃以上的比例為91.3%。

4）短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波演變方式有3種類型，移入型，可分為一般移入型和“列車效應(yīng)”移入型;合并加強(qiáng)型;本地發(fā)展型。短時(shí)強(qiáng)降水雷達(dá)回波形狀以帶狀居多，渦帶狀、片狀、弓狀、渦旋形態(tài)較少。片狀回波為本地發(fā)展型，持續(xù)時(shí)間短，弓狀、渦旋、渦帶狀回波降水強(qiáng)度大，一般為“列車效應(yīng)”移入型或合并加強(qiáng)型，時(shí)間較長，易形成暴雨。

5）短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)，1 h有6個(gè)以上體掃反射率因子大于35.0 dBz，短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)回波40 dBZ伸展不高，平均為7 km左右。DVIL在2 g/m3左右，垂直風(fēng)切變值在10 m/s左右。

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