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海南省交通气象短临强降水预报预警研究初探

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 196次



  要:根据2009-2012年连续4a海南G98环岛高速公路逐日交通事故资料以及对应的16个交通自动站逐时降水资料,分析了G98高速公路交通事故时空分布特征以及影响交通安全的主要气象因子是短时强降水,重点分析了1小时降水量≥30mm的非台风型的短时强降水的大尺度环流背景特征和多普勒雷达回波特点,并初步建立了短时强降水临近预警指标和预警服务流程。

关键词:短时强降水;预警指标;预警服务流程

Study of flash heavy rain in traffic meteorological of Hainan province

                                      ZHAO Lei   WU Kunti  CHEN Ming   CAI Yingying

( Hainan Meteorological Service Center,Haikou  570203)

Abstract: Based on 4 consecutive years(2009-2012) of Hainan G98 Island high speed daily traffic accident data and corresponding to 16 traffic automatic station hourly precipitation dataAnalysis of the spatial and temporal characteristics of traffic accidents on G98 and the main meteorological factors of traffic safety is fiash heavy rainBasing on the analysis of the one hour rainfall is more than or equal to 30mm non typhoon short-time strong rainfall conceptual model and Doppler radar echo features,preliminary establishment of a short time heavy rainfall near the warning indicators and early warning service processes.

Key words: flash heavy rain;warning index;warning service process

 

引言

短时强降水是强对流天气的一种,常常与中尺度系统相联系,具有空间尺度小,生命史短,雨强大、局地性强的特点。短时强降水是威胁高速公路交通安全的最主要灾害天气之一,也一直是防灾减灾的工作重点,更是公路交通运营管理部门关注的重点。针对高速公路气象服务研究,国内一些发达地区已经开展了关于能见度、高温、雾等对交通的影响及预报预警研究,取得了较好的应用效果,还有些学者开展了关于气象指数的研究[1-5],由于各地气候背景和地形的差异,导致相同气象条件下对交通影响有所差异。本文重点研究短时强降水的特点、大尺度环流形势、回波特征以及对交通影响,为今后开展交通气象服务提供一些参考。

1  G98高速公路交通事故时空分布特征

统计2009~2012年海南省G98逐日交通事故资料,发现交通事故高峰期出现在午后14~16时以及下半夜到凌晨这两个时间段。上午的7~8时和下午的17~18时一般是上下班的高峰期,但不是交通事故的高峰期,一方面由于高峰期,警力投入多,事故发生较少,过了高峰期,路况转好,产生松懈,易发生交通事故,另一方面下半夜到凌晨,能见度较差,影响驾驶员的判断,同时这段时间也是驾驶员最疲劳阶段,事故的发生明显增多。从季节上看,2009~2012年,一年四季发生交通事故次数相差不大,秋季是发生交通事故最少的季节,冬季是海南岛事故高发期,由于冬季受寒假学生返家、务工人员春节前返乡等因素影响,公路客货运输需求逐渐增大。统计发现,交通事故多发在驶入和驶出收费站的链接道路以及弯道上。

不良气象条件下对交通事故影响分析

对比分析交通事故和气象资料,2009~2012年海南省G98环岛高速共发生交通事故300起,死亡212人,受伤482人。发生在不良气象条件下的交通事故49起,占交通事故总数的16.3%,显然交通事故发生在晴天占大多数,一方面交通事故的发生主要取决于人为因素[6-7],据统计驾驶员责任事故占总交通事故70%~80%,造成交通事故最多的原因是违章和超速行驶。晴天下驾驶员心理易放松警惕,不良气象条件下,驾驶员比较谨慎,减速慢行,另外,不良气象条件对交通有滞后影响,如雨过天晴之后,道路上的积水对交通安全存在安全隐患,容易引发交通事故。统计发现,影响G98环岛高速公路交通安全的主要气象因子是降水,共44起,其中伴有短时强降水14起。降雨引发交通事故有两种情况:一是短时强降水,容易造成路面积水,且能见度降低,驾驶员的观察力和判断力就会受到影响;另一种是下雨初期以及小雨时路面摩擦系数降低,易发生车辆侧滑和控制失灵。可见,在今后交通气象服务中,不仅要加强对短时强降水气象服务,也要加强对小雨的气象服务。

3  G98交通自动站短时强降水的统计特征

2009~2012年海南省16个交通自动观测站逐时雨量进行统计,同时结合G98附近交通自动站实际和成灾可能性,本文短时强降水定义为:单站或以上的测站1h雨量≥30mm,统计2009~2012年共发生短时强降水195次。短时强降水主要集中4~10月,其中8月和9月为高峰期,12月~次年2月,基本上不会出现短时强降水。短时强降水时段呈单峰型分布,高峰期出现在午后14~18时,午后到傍晚地面受到太阳辐射而加热强烈,常在近地面形成不稳定层结,热力条件好,对流容易发展。统计发现短时强降水主要集中在1~3h1小时降水量在30~70mm之间,主要以局地(1~2个站)短时强降水为主,占80%,说明海G98附近短时强降水具有持续时间短、范围小、局地性强的特点。

不同系统影响下短时强降水的大尺度环流背景特征

以地面和850hPa影响系统为分类标准[8],将195个非台样本分为冷空气型、季风槽型、西南低压槽型、副高边缘型,其中季风槽影响下产生短时强降水次数最多,副高边缘型最少。

季风槽型:是指南半球越赤道气流与副高南侧偏东风的辐合带,也称季风槽。季风槽位置不同,分为南海低压槽、华南沿海槽和越南槽,出现在5~9月,主要集中在8月和9月。在850hPa天气图上表现为南海中部或者北部有东西走向的季风槽(南海季风槽),海南岛受到偏东气流的影响,热带云团从东南沿海靠近海南岛,强降水落区主要在海南岛东南部,当季风槽位于海南岛北侧时即华南沿海一带(华南沿海槽),受槽南侧偏西气流控制。由单一系统季风槽引发的短时强降水,大多以局地为主。当弱冷空气扩散南下,两广南部地区有切变线,切变线以北为冷平流,弱冷空气与季风槽共同作用下引发大范围强降水。当中南半岛至南海北部一带形成西北-东南向的低压槽(越南槽),会产生明显降水,降水时间在中午前后,下午转晴。

冷空气型,冷空气带来的短时强降水从10~次年4月结束,以4月和10月为最多。冬季海南岛盛行东北季风,一般不容易造成短时强降水,但在合适的高低空天气系统配置下会出现短时强降水,这一型可分为低层冷空气入侵型、偏东回流型。低层冷空气入侵型在500hPa天气图上,海南岛位于副高边缘受西南气流影响,东亚大槽槽底位置偏西偏南,我国西南部地区到中南半岛一带南支槽活跃,北方冷空气南下过程中,冷势力不断减弱,当到达海南岛的时候,往往在低层内体现的比较明显,850hPa上切变线南压到两广中部到海南岛,925hPa切变线在海南岛,地面图上海南岛有中尺度辐合线触发了不稳定能量的释放。偏东回流型在500hPa天气图上,副高中心位于巴士海峡以西的海面上,100°E附近南支槽活跃,海南岛位于南支槽前和副高边缘,500hPa以下为一支深厚的西南气流,西南风速可以达到20/秒,850hPa天气图上,冷高中心从30°N40°N附近的陆地东移出海,气团发生变性,海南岛低层吹偏东风,将水汽和热量输送到海南岛,为强降水的发生提供了水汽和能量。另外,海南岛位于南支槽前,槽前的正涡度平流可形成较强的高空辐散,有利于上升运动。

西南低压槽型:主要发生在春季和夏季,以夏季为最多。500hPa海南岛的位于西风槽前底部,在850hPa1000hPa西南地区有低压槽,海南岛盛行西南风,一般这种天气型,冬季,海南岛天气晴好,夏季,午后常常由于海陆风的相互作用,在西北部沿海地区,深入陆地的偏北海风与西南风汇合,带来强对流天气,常常伴随雷暴发生。短时强降水多发生在午后到傍晚,与热力作用引起的海陆风有关,一般西部和北部内陆地区是强对流高发区。

副高边缘型:夏季,海南岛常常处于副高边缘,这个季节,地面温度较高,湿度较大,为强对流天气的发生提供热力条件,850hPa海南岛位于副热带边缘西北部不稳定区,同时受高空有自西向东移动的低槽的影响下,副高东退,在低槽与副热带高压北侧交汇处产生短时强降水,地面常常有中尺度辐合线。

短时临近预警雷达回波特征

季风槽型雷达回波特征:这类回波大多表现为大面积稳定性的层状云夹杂着较强对流云单体或者对流云带,回波边界不清晰,在对流单体或者对流云带经过的地方产生强降水。速度场上,零速度线不连续,有辐合线或逆风区。垂直积分液态水含量在15~40kg.m-2之间,最大达到60kg.m-2,回波顶高在10~17km之间。

2009522日受南海季风槽影响下产生的一次短时强降水,时间为16:00-17:00,最大小时雨量出现在定安。在反射率因子回波图上(图1a),在大片层状云回波中,镶嵌着分散的对流单体,向偏西方向移动过程中加强并聚集形成一条呈东西走向的对流带,回波单体的移向与回波带的走向基本一致,先后经过雷达测站偏南的区域形成“列车效应”[9-10],速度图上(图1b),负速度区明显大于正速度区,在雷达测站正南方存在逆风区,说明此处有很强的风切变。在雷达VWP风廓图上(图1c),4000m以下是偏东气流,以上是西南气流,水汽条件较好,风速随高度先增大后减小,1800米附近存在水平风速≥12/秒的偏东急流。

    

图1   海口多普勒雷达2009年5月22日反射率因子、径向速度和VWP风廓线图(1.5°仰角)

(a)2009年5月22日15时46分反射率因 (b)2009年5月22日15时52分径向速度(c)2009年5月22日16时55分 VWP风廓线

2009813日受华南沿海槽影响一次短时强降水过程,时间为14:00-15:00,最大小时雨量出现在琼海。降水前回波单体分散,呈零星絮状,回波单体在30dBz以上,强单体回波在东移过程中聚集形成多条强对流雨带(图2a),强回波中心在55dBz左右,对应速度图上的逆风区。雷达VWP风廓线资料图上(图2c),降水前中低层为偏西气流控制,高层为“ND”层,随着低空急流的建立,水汽条件转好,整层都为西南暖湿气流,有利于强降水的发生,降水趋于结束时,“ND”层向下伸展。

     20090813.063447.02.19.89820090813.063447.02.27.89820090813.065323.00.48.898

图2  海口多普勒雷达2009年8月13日反射率因子、径向速度和VWP风廓线图(1.5°仰角)

(a)2009年8月13日14时34分反射率因子 (b)2009年8月13日14时34分径向速度(c)2009年8月13日14时53分 VWP风廓线

低层冷空气侵入型雷达回波特征:这类回波强度大,以带状回波为主,回波在东移过程中聚集形成强的窄带回波,回波中心常出现一条或者多条回波强度在45~55dBz或以上的强回波中心带。在低层,零径向速度线表现为反“S”型,这类回波在速度场上常有逆风区,面积较小。垂直累计液态水含量VIL是判断强降水及降水潜力的有效工具之一[11],强降水出现前30-60分钟VIL值不断增大,在20~35kg.m-2,强降水结束后VIL值减小。对流的强度一般与回波延伸高度有关,强回波区最大回波顶高在10km以上,最高可达17km。图42010510日一次短时强降水过程,强降水时段发生在14:00-15:00,最大小时雨量出现在定安交通自动站为54.7mm12:06时(图3a)冷锋未过测站,零线呈东北—西南向西北—东南的折角,零速度线为锋区所在,12:30时(图3b)冷锋压在雷达站,在反射率因子图上可以看见(图3d),回波面积大,结构松散,强度分布不均匀,有一条东北—西南走向的强回波带,锋前吹西南风,锋后低层吹西北风,高层吹西南风,1230分(图3e),冷锋压在测站上,回波前方有一条清晰的出流边界(阵风锋),1312分(图3f),冷锋过测站,沿着出流边界(阵风锋)触发线状的强对流风暴。雷达VWP风廓线资料图上可以看见(图略),降水前2000m以下是西北风或偏北风,2000~8000m是西南风,8000m以上是偏西风,风向随高度逆转,有冷平流,低层西北风向降水区输送的冷空气,中高层西南暖湿气流在冷垫上向上爬升,形成垂直运动,同时也为降水区提供水汽和能量,强降水发生时,低层风速逐渐增大,垂直风切边变大。降水结束时,低层风速顺时针旋转为偏东风。

20100510.040625.02.27.89820100510.043028.02.27.89820100510.051237.02.27.898

20100510.040625.02.19.89820100510.043028.02.19.89820100510.051237.02.19.898

图3 海口多普勒雷达2010年5月10日径向速度和反射率因子(1.5°仰角)

(a)2010年5月10日12时06分径向速度 (b)2010年5月10日12时30分径向速度(c)2010年5月10日13时12分径向速度

(d)2010年5月10日12时06分反射率因子(e)2010年5月10日12时30分反射率因子(f)2010年5月10日13时12分反射率因子

偏东回流型雷达回波特征:前期回波单体分散,强度较强,强回波中心可达到50-55dBz,呈絮状,边界清晰,回波自西向东移动,移动过程中汇聚发展成为有组织性的带状或弓形回波,移动缓慢。径向速度场上色块零散,零线不连续,常有逆风区,逆风区往往对应强回波区域,与强对流天气发生有很好对应关系,并且有一定提前量[12]。此类型在雷达VWP风廓图上,低层吹偏东风,中高层为深厚的暖湿西南气流,一般在低层存在切边,切边层在1000m-2000m附近,风速不大,风速在4-6m/s,随着切变层逐渐加深增厚,降水加强。另外高空一般在4000以上存在大于20 m/s的大风区。图4200944日一次短时强降水过程,降水时间段出现在17:00-18:00,最大小时雨量出现在定安交通自动站,降水量为41.5mm,降水前雷达回波分散(4a),呈絮状,边界清晰,强回波中心强度为50-55dBz,回波向偏东方向缓慢移动,后期随着强回波聚集成为东北—西南走向的带状回波(4b)。随着冷高东移出海,冷气团变性,1000m以下为偏东风,1000m以上为西南风,低层存在切边,前期长时间深厚的西南气流为此次降水提供了充足的水汽和能量,降水前半小时(图4c4000m以上存在大于20 m/s的大风区,边界层附近偏东风增强,风切边加大。降水趋于结束时(图4d),低层出现“ND”层。

2009040420090404

                          2009040420090404

图5  海口多普勒雷达2009年4月4日反射率因子和VWP风廓线图(1.5°仰角)

(a)2009年4月4日16时02分反射率因子    (b)2009年4月4日17时04分反射率因子

(c)2009年4月4日16时02分 VWP风廓线  (d)2009年4月4日17时04分 VWP风廓线

西南低压槽型雷达回波特征:夏秋季节,受海陆风的影响,海风从海南岛西北部地区逐步深入内陆,并与环境风辐合,在地面自动站上表现为南北走向的辐合线。初始阶段,午后在海南岛西北部内陆地区开始有较强的对流单体生成,回波强度在30-35dBz,回波单体向偏东方向推进的同时并逐渐汇合呈线状回波,回波逐渐增强,强回波中心在50~60dBz之间,最后在海南岛东北部地区加强成为飑线,在雷达速度图上,对应着逆风区,说明地面有强烈的辐合,在当飑线沿着走向方向移动时,降水时间持续较长,当飑线移动方向与走向方向垂直时,降水持续时间较短。200963日一次短时强降水过程,时间为15:00-16:00,最大小时降水量出现在文昌交通自动站,雨量为15:00-16:00。初始阶段(6a)11:51时在测站的西北方向和东部有零散的对流单体,强度为30dBz以上,东部的对流云单体与西北部快速移动的对流云单体合并,向东移动发展,15:12(6b)在距离测站东南方约55-70km范围内形成一条强的窄带回波,回波带上有多个强中心,强度维持在50dBz以上,此时发展到成熟阶段,可以清楚地看到对流云单体发展,单体排列紧密,回波在东移过程中,产生短时强降水天气,在雷达径向速度图上可以看见(6c),最强回波窄带区对应逆风区。表明低空有强烈的水平辐合,18时以后,回波逐渐消失。

      20090603 2009060320090603                        

图6 海口多普勒雷达2009年6月3日反射率因子和径向速度图(1.5°仰角)

(a)2009年6月3日13时51分反射率因子  (b)2009年6月3日15时12分反射率因子  (c)2009年6月3日15时12分径向速度

副高边缘型雷达回波特征:前期在雷达回波图上可以看到,在副高边缘呈零星絮状回波,单体回波较强,强单体回波聚集逐步发展成强对流雨带,呈带状或弓形回波,强回波中心结构密实,回波主体反射率因子强度在50~60dBz之间,大部分面积为低回波区。零线不连续,在低层,零径向速度线表现为“S”型,表明低层有暖平流。在大片的负速度区中,有零散的正速度,说明有逆风区,该处有剧烈的风切边,对流发展旺盛。垂直积分液态水含量20~40kg.m-2,回波顶高在10~14km之间。雷达VWP风廓线资料图上,降水时低层转为西南气流控制,降水前1km以下风向转变为西北风,风向随着高度顺转,低空急流逐步建立,“ND”层低端开始抬升,说明低层水汽含量增大,强降水发生。2010719日一次短时强降水过程,时间为18:00-19:00,最大小时降水量出现在海口。在雷达速度图上可以看到,降水前(图7a)负速度区大于正速度区,零速度线不连续,正速度分散,测站西南方向有速度辐合区,随着强降水发生(图7b),测站附近,大片正速度区中出现负速度,即逆风区,并且逆风区出现的位置与强回波区一致。随着降水结束,逆风区消失。在雷达风廓线图上可以清楚看见(图7c),近地面有明显的风垂直切变,随着高空低槽东移,副高东退,切边变大,随着强降水的发生,ND层逐渐向上抬升。

201007192010071920100719

图7   海口多普勒雷达2010年7月19日径向速度和VWP风廓线图(1.5°仰角)

(a)2010年7月19日17时22分径向速度 (b)2010年7月19日18时34分反射率因子 (c)2010年7月19日18时22分 VWP风廓线

6  短时强降水临近预警指标

短时强降水的发生具有突发性和偶然性,对它的临近预警一直是个难点。根据上述分析,总结不同类型的短时强降水具有一些特征,警戒条件具体如下:

1、上游有回波强度45dBZ以上的单体回波,具有明显的强对流天气回波特征,强回波伸展高度在10km以上。

2、卫星云图上,上游地区有对流云团发展移动。

    3、速度场上有逆风区或者有辐合线。

4、垂直积分液态水含量15kg.m-2以上。

5、在雷达VWP风廓图上,在1000-4000m层中心可能有风速大于12m/s的低空急流。  

7 短时强降水预报预警流程

 


 


 



 


文本框: 卫星、雷达和中尺度环境条件


文本框: 无,做常规服务
 




文本框: 有短时强降水水
                                         



文本框: 有,通过制作平台发布预警信号,并通过各渠道服务
 



 


 

 


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      


8 小结

  本文根据2009-2012年连续4a海南G98环岛高速公路逐日交通事故资料以及对应的16个交通自动站逐时降水资料,分析了G98高速公路附近自动站短时强降水特征,得出一些结论:短时降降水主要集中4~10月,其中8月和9月为高峰期,12~次年2月,基本上不会出现短时强降水。短时强降水时段呈单峰型分布,高峰期出现在午后14~18时,主要以局地(1~2个站)短时强降水为主,占80%,说明海G98沿线短时强降水具有持续时间短、范围小、局地性强的特点。产生短时强降水的天气型为:冷空气型、季风槽型、西南低压槽型、副高边缘型,其中季风槽影响下产生短时强降水次数最多,副高边缘型最少。总结不同类型的短时强降水一些特征,结合本省气象服务实际,初步建立短时强降水预报预警服务流程,但由于交通资料有限,G98沿线没有设自动站,选取附近自动站作为交通自动站,要素较少,时间序列较短,今后需要增加长时效和高密度观测资料进一步分析研究。

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作者简介:赵蕾,1982年,女,工程师,主要从事气象服务工作,zhaolei328@163.com

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