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2012年6月阜新市多个降雹过程对比分析

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 72次

 



  要:冰雹等强对流天气是阜新夏季预报和服务的重点,针对20126月发生在阜新地区的6次冰雹天气过程,利用常规气象观测资料和NECP再分析资料进行对比分析。结果表明,阜新地区冰雹主要发生在西南部和东南部,冰雹雹区呈现“点”的分布特征,影响乡镇个数较少,但比较集中;阜新地区降雹时间发生在午后到傍晚(1418时)这段时间,主要集中在1416时;6次降雹过程500hPa环流背景分别为蒙古冷涡、西北气流、横槽三种类型; 建立了850hPa比湿、500hPa比湿、K指数、θse850-θse500T850-T500、对流有效位能CAPE、对流抑制能量CIN、抬升指数LIV850-V7000℃层高度、-20℃层高度、过冷却云层厚度等物理量的本地冰雹预报指标,对冰雹的监测预警和短期预报具有指示意义。

关键词:冰雹;环流背景;物理条件;对比分析

Comparative Analysis of Many Hail Processes Based on Fuxin in June 2012

Zhang Danmei 

(Fuxin Meteorological Bureau, Fuxin 123000,China)

Abstract :Severe convective weather severe convective weather such as hail is the key point of summer forecast and service in Fuxin. As to the 6 severe hailstorms in Fuxin in June 2012, we compared them with conventional observation data and NEPC reanalysis data. The results indicate that the hail was mainly occurred in the southwest and southeast in Fuxin. Hailing areas appear “point” distribution and influence few of townships, but which were more concentrated. The hailing time in Fuxin occurred from afternoon to the early evening ( 14 - 18 ), and mainly concentrated in 14 - 16 in Fuxin. The 500hPa circulation background of 6 severe hailstorms process are respectively Mongolia cold vortex, Northwest Airflow, transverse slot ; Established local hail forecast indicators such as 850 hpa specific humidity, 500 hpa specific humidity, K index, θ se850 - θ se500, T850 - T500, convection effective potential CAPE, convection inhibition energy CIN, lifting index LI, V850 - V700, 0 ℃ layer height, - 20 ℃ layer height, supercooled cloud thickness of physical quantity of local hail forecast indicators.It is denotative for the monitoring and warning and short-term forecast of hail.

Key words: hail; circulation background; Physical conditions; Comparative analysis

引言

冰雹是阜新地区夏季的主要气象灾害之一。冰雹与系统性大风、暴雨相比不仅范围小,而且持续时间短。但因来势猛、强度大,瞬间即能给农业造成较大危害。尤其是冰雹与短时暴雨、雷雨大风同时出现时,不仅危害农业、林业,而且对工业、通讯、交通等也会造成极大的危害。由于冰雹具有时空尺度小、突发性强的特点,利用常规天气资料预报具有一定的难度,因此也成为预报工作的难点。

国内许多学者对冰雹进行了研究,但是以往研究主要集中在大范围的冰雹分布变化,例如郭玉凤等[1]分析了巴彦淖尔市40年降雹气候特征,顾欣等[2]对黔东南冰雹集中度与集中期的时空变化特征进行了研究,张定全等[3]分析了甘肃中部地区冰雹灾害及防御措施。近几年随着全国新一代雷达网的建设,国内在利用新一代天气雷达产品对冰雹等强对流天气监测和分析方面的研究已经有不少成果。如吴剑坤等[4]介绍了强冰雹天气的多普勒天气雷达探测和预警技术;郑媛媛等[5]对一次典型超级单体风暴的多普勒天气雷达进行分析;伍志方等[6]探讨了一次强对流天气的多普勒特征;刁秀广等[7]分析了三次超级单体风暴雷达产品特征

                      

基金项目:气象关键技术集成与应用项目(CMAGJ2011M16)

作者简介:张丹梅(1970-),辽宁阜新人,高级工程师,从事中短期天气预报工作。E-mail:zdm0405@126.com

及气流结构差异性;王令等[8]研究了多普勒天气雷达径向速度图上的雹云特征;俞小鼎等[9]对安徽一次强烈龙卷的多普勒天气雷达进行了深入探讨。以上分析均得出了较好的结论,为冰雹等灾害性天气的监测和预警提供了参考。

但是类似冰雹事件的中小尺度灾害性天气仍是当前预报技术的难点。20126月,阜新地区6次遭受冰雹袭击,冰雹对玉米、大豆、烤烟等农作物造成了不同程度的危害,受灾人口52156人,农作物受灾面积14659公顷,绝收作物1233公顷,雹灾造成直接经济损失超过1亿元。本文利用常规观测资料和NECP再分析资料对造成这6次降雹过程的环境场条件和物理量特征进行分析,从预报角度出发,对这6次降雹过程进行深入对比分析,总结冰雹预报指标,更好地开展冰雹的短期预报工作,及早采取科学应对措施,减轻其造成的经济损失和人员伤亡。

1 降雹特征分析

20126月阜新地区共出现冰雹天气过程6次(表1),分别发生在2日下午、4日下午、8日下午、12日下午、15日下午至傍晚、17日下午至傍晚,其中3次出现在1416时之间,3次出现在1618时之间。

6次降雹过程具有如下特征:(12次为同一天气背景下产生的连续性冰雹事件即6

2日和4日,615日和17日;其它2次为孤立的冰雹事件。(2)冰雹主要发生在阜新的西南部和东南部。(3)降雹区海拔高度在74-365m,降雹时伴随雷雨、大风或短时强降水。(4)冰雹雹区分布呈现“点”的特点,只影响15个乡镇,但比较集中。(5)降雹时间均

发生在午后到傍晚,降雹过程持续时间在10120分钟,同一地点降雹时间长度一般在30分钟以内。(6)各次降雹过程灾害损失差异大。统计显示:201266次降雹过程经济损失超过1亿元,经济损失与受灾人口和受灾面积存在明显的正相关关系。

1  20126月阜新市6次降雹过程概况

Table 1  The process profile of 6 severe hailstorms in June 2012 in Fuxin

发生时间     影响乡镇数(个) 海拔高度/m   最大雹径/mm  伴随天气现象     经济损失(万元)

2 14:30-15:20        5           108-235          5      雷雨,短时强降水      80

4 14:10-14:40        3            74-133         30      雷雨大风             855

8 16:30-16:40        0                          5      大风                   0

1214:00-16:00        3             83-94          15      雷雨,短时强降水     1910

1516:50-18:30        1              171           15      雷雨,短时强降水    1006

1716:00-18:00        4            204-364         30      雷雨大风             6796

2        环流背景

6次降雹过程中,以2日、4日、15日、174次降雹过程下的天气背景为重点,利用常规观测资料对6次降雹过程的天气背景作一简要分析。

162日和4日降雹过程分别发生在下午14:30-15:2014:10-14:4062日下午阜新地区普降雷阵雨。其中,阜蒙县的化石戈、红帽子、紫都台、东梁、伊吗图5个乡镇出现了弱冰雹,烟叶叶片被打落45片,导致烟叶减产。64日阜蒙县卧风沟乡、彰武县苇子沟镇和两家子乡遭受局地暴雨、大风、冰雹袭击,造成不同程度禾苗和财产损失。受灾面积19325亩,受灾人口8000多人,经济损失855万元。

1给出了62日和408时高空500hPa形势场。6208500hPa图上日本海高压和远东地区高压打通形成阻塞高压,贝湖西部和内蒙东部分别为冷涡所控制;308时阻塞高压缓慢东移,内蒙东部冷涡逐渐东移北抬减弱,贝湖冷涡在乌山脊前冷空气的推动下逐渐东南下;408时低涡位于内蒙东北部,并有强温度槽与之配合。208700hPa 内蒙东部为冷涡所控制;308时冷涡逐渐减弱东北上,贝湖西南部至吉林西部为狭长的低涡区;408时贝湖冷空气下滑在内蒙东北部加强为冷涡。500hPa冷涡后部为一致的≥16m·s-1的西北气流,冷涡位置和700hPa基本重合,700hPa辽宁西南部到吉林西南部为≥16 m·s-1的西南急流。850hPa内蒙东北部为低涡区,辽宁西南部到黑龙江南部为≥12 m·s-1的西南急流。这样500hPa涡后冷空气和700hPa以下低涡底部槽前暖湿空气之间就形成一个上干冷下暖湿的不稳定结构,垂直切变强烈,表明当时具有很强的对流不稳定性,对强对流天气的发展极为有利,是导致午后强对流天气发生的直接诱发因素。这两次次强对流天气过程都是强垂直风切变环境下,高空冷涡,高低空急流共同作用的结果,强对流天气发生位置在冷涡的东南象限和低空急流轴的左侧。


1  201262日和408500hPa

Fig.1  500 hpa diagram at 08:00 BT 2 June 2012 and 08:00 BT 4 June 2012

2)6月15日和17日降雹过程分别发生在下午16:50-18:3016:00-18:00,连续性降雹过程具有相似且相对稳定的背景形势。615日彰武县后新秋镇五个村遭受冰雹及局地暴雨灾害,受灾总面积16449亩,受灾总人口9860人,共计造成经济损失1006万元。617日阜新地区有4个乡镇受冰雹、雷电灾害影响,受灾面积10500公顷,绝收面积900公顷,受灾人口25402人,经济损失6796万元。

2给出了615日和1708时高空500hPa形势场。我国中、东部经向环流度非常大,说明亚洲东部高低纬间存在着大量的动量、能量和水汽交换。1508时河套至贝湖地区为高压脊,辽宁西部为东北冷涡,日本海地区为阻塞高压,贝湖高压脊前偏北气流把冷空气源源不断带入东北地区;1608时东北冷涡旋转东北上,到达吉林西部;1708时东北冷涡逐渐减弱北抬,在内蒙东北部形成一横槽,在槽后冷空气的带动下快速转竖。高层辽宁西南部至内蒙东北部为西北气流影响,中低层700850hPa切变线位于辽宁西北部,阜新地区受西南气流影响,说明700hPa以上存在着明显的垂直风切变。阜新地区15日、17K指数在30℃以上,说明存在着对流性不稳定条件。低层850hPa辽宁西南部至吉林中部有一致的西南急流,由于在辽宁西北部存在明显的地形抬升作用,气流产生的扰动构成了动力条件。强对流天气发生的大致区域就处在冷涡的东南象限和东亚横槽末端。综上分析,这次连续性强对流天气过程是在南北发生大量能量交换的大背景下,以地形抬升扰动为启动条件,以对流性不稳定和中上层垂直风切变为必要条件,加上高层冷平流等多种因素共同作用的结果。

 

2  2012615日和1708500hPa

Fig.2  500 hpa diagram at 08:00 BT 15 June 2012 and 08:00 BT 17 June 2012

36次降雹过程环流对比分析

综合分析6次降雹过程爆发前高空及地面资料,有如下几点结论:

①按500hPa环流形势,6次降雹过程分别发生在蒙古冷涡(2日、4日、12日、15日)、西北气流(8日)和横槽(17日)三种天气类型背景下。同一类型降雹过程中低层系统配置有相似之处。(图38日和12500hPa形势场)

 

3  201268日和1208500hPa

Fig.3  500 hpa diagram at 08:00 BT 8 June 2012 and 08:00 BT 12 June 2012

②蒙古冷涡型降雹过程,高空500850hPa均有闭合低中心,并配合有冷温度槽或冷中心。冷涡从贝加尔湖经蒙古国东部向东南方向移动,当日08500hPa冷涡中心位于4445°N119121°E范围内,850hPa阜新地区上空为涡底暖舌或涡底西南气流,地面4050°N115125°E范围内有冷锋。500hPa冷槽置于850hPa暖脊之上,冰雹发生在500hPa冷涡的东南象限,出现在低涡中心东南方向23个纬距,低空急流轴的左侧。

③西北气流型降雹过程,500hPa系统移动快,在降雹当日08500hPa槽已经移出辽宁,因而阜新地区上空为高压脊前西北气流控制,850hPa阜新地区上空有切变线,同时配合有暖舌,地面在阜新地区西北部有冷锋配合。在脊前西北气流里不断有小股冷空气滑下来,在对流层中层有明显的垂直风切变,近地面层明显增温,500hPa强冷平流置于低层暖湿空气之上,大气层结极不稳定,促使低层暖湿空气的不稳定能量释放,产生冰雹天气。

④横槽型降雹过程,500hPa图上阜新的北部4547°N120130°E范围内存在一横槽,横槽北部的东北气流输送冷空气南下,有利于横槽的发展。同时,850hPa和地面有横槽和横切变相配合,且位置和走向与500hPa基本一致。前期天气晴朗,近地层增温明显,形成上冷下暖的不稳定层结,此时当横槽南下和地面横切变过境前后会产生冰雹天气。

3 降雹的物理条件分析

3.1 资料来源说明

物理条件分析主要应用探空资料和NECP再分析资料。由于阜新地处赤峰、锦州、沈阳、通辽四站之间的四角形区域内,我们选用此四站资料进行有关分析。对雹区降雹前的各种对流参数、垂直风切变及特征层高度等物理量,采用6小时间隔的NCEP格点资料进行数值计算和分析。

3.2 水汽条件分析

要形成高大的雹云,必须具备较大的不稳定能量或对流性不稳定层结,水汽的垂直分布与温度的垂直分布一样,都是影响气层稳定度的重要原因。利用周边四站探空资料分析6次降雹过程发现(表2),降雹前低层都具备良好的水汽条件,而中高层水汽条件则较差,形成下湿上干的水汽垂直分布。201266次降雹过程降雹区850hPa比湿值在6.58.5 g·kg-1之间,而500hPa比湿值在01.5 g·kg-1之间,这种下湿上干的水汽分布对冰雹的发生发展及形成十分有利。

2  20126月阜新市6次降雹过程水汽条件对比分析

Table 2  Comparative Analysis of water vapor conditions of 6 severe hailstorms in Fuxin in June 2012

 

日期          2       4        8       12       15       17

q850/ g·kg-1       7       8.5       7       6.5       8.5      8.5

    q500/ g·kg-1       0       1.5      0.5        1       1       1.5

3.3 大气稳定度条件分析

冰雹发生前雹区低层一般都有潜在不稳定能量的累积过程。在外部动力条件具备的条件下,大气潜在不稳定能量就会爆发从而产生冰雹。应用NCEP再分析格点资料计算20126月历次降雹过程发生前K指数、850hPa500hPa间假相当位温差、850hPa500hPa间温度差、对流有效位能(CAPE)、对流抑制能量(CIN)和抬升指数(LI)等大气稳定度参数(表3),可以得出以下结论。

3  20126月阜新市6次降雹过程稳定度对比分析

Table 3  Comparative Analysis of stability of 6 severe hailstorms in Fuxin in June 2012

日期            2        4        8        12        15       17

K指数/         30       35       32        32       32       30

θse850-θse500/        4        5       10         3        4        5

T850-T500/         28       30       34        32       26       32

CAPE / J·kg-1      1023     1564     1030       1102    1507     2229

CIN/ J·kg-1         80       96      168         75      60       70

LI/           -4       -5        -4         -4       -5       -8

16次降雹过程K指数均≥30℃,说明降雹前本地层结极不稳定。

2)假相当位温向上递减的状态,是一种位势不稳定状态,也称对流不稳定状态。可选择上下层假相当位温的差值作为对流性不稳定指数。降雹区850hPa的假相当位温减去500hPa的假相当位温之差为正值表示上干冷下暖湿不稳定状态。6次降雹过程前θse850-θse500差值均在3℃以上。

3T850-T500也是表示大气稳定性的一种简易方法。统计发现,降雹前雹区T850-T500均≥26℃。

4)对流有效位能CAPE,表示气块上升过程中所有因温度差异形成的正浮力对气块所做的功,也是大气不稳定程度的度量。CAPE的数值越大,则CAPE能量释放后形成上升气流就越强,形成降雹的可能性就越大。6次过程CAPE值都在1000 J·kg-1以上。其中17CAPE值最大,冰雹的直径也最大,2CAPE值最小,冰雹的直径也最小。有关统计表明[10],实际大气中CAPE4000 J·kg-1是很少见的,说明17日降雹前雹区上空CAPE值已经达到很高的水平。

5)对流抑制能量CIN表示地表气块上升至自由对流高度之前所必须的外界能量。要发生对流,通常认为CIN有一个较为合适的值,太大时抑制对流程度也大,则对流不容易发生,太小时不太强的对流很容易发生,低层不稳定能量得以提前释放,从而对流不能发展到较强的程度。6次降雹过程降雹前雹区CIN值在60170 J·kg-1之间,可以认为,在此区间的CIN值处在能够产生降雹的合适取值范围之内。

6)抬升指数LI是表示条件不稳定的指数,其大小为500hPa环境温度与地表空气绝热抬升至500hPa时温度的差值,它反映了地面气块移动到500hPa时的不稳定状况。当抬升指数小于0时,大气层结不稳定,且负值越大,不稳定程度越大。分析6次降雹过程表明,当抬升指数达到-4℃,并有大于1000 J·kg-1的对流有效位能CAPE相配合时,有利于普通风暴的形成和发展,可能产生普通冰雹过程;当抬升指数达到-8℃,并有大于2000 J·kg-1的对流有效位能CAPE相配合时,极有利于强风暴的形成、发展和加强,可能产生较为重大的冰雹灾害过程。

3.4 垂直风切变分析

垂直风切变分析是指水平风(包括大小和方向)随高度的变化,这里我们分别用200hPa850hPa700hPa850hPa风矢量差的绝对值随高度的变化表示。有关统计分析表明,垂直风切变的大小往往和形成风暴的强弱密切相关[11]。在一定的热力不稳定条件下,垂直风切变的增强降有利于风暴的生成、加强和发展。根据NECP资料计算6次降雹过程发生前雹区垂直风切变结果(表4),6次降雹过程200hPa850hPa间垂直风切变≥1米·秒-18

4  20126月阜新市6次降雹过程垂直风切变对比分析

Table4  Comparative Analysis of vertical wind shear of 6 severe hailstorms in Fuxin in June 2012

日期             2        4        8       12       15       17

V200-V850/米·秒-1       1.5      1.5      3.0       1       2.9        2

V850-V700/米·秒-1             2     2.8      2.3      3.2       3.2      3.3

最强,2日、4日、15日次之,12日最弱;700hPa850hPa间垂直风切变≥2米·秒-117日最强,4日、8日、12日、15日次之,2日最弱。6次过程发生前雹区700hPa850hPa间垂直风切变的大小与冰雹灾害造成的损失具有较好的对应关系,而200hPa850hPa间垂直风切变的大小与冰雹灾害造成的损失对应关系较差,间接说明700hPa850hPa间垂直风切变越大,其对风暴的形成和加强作用也就越为明显。

3.5 特征层高度

冰雹云是一个高耸的云体,云中对流很强,56月份云顶高度可达13000m以上的高空,温度一般低至-30—(-40)℃。在云中0℃层上下冰雹核随上升和下沉气流不断升降、运动和增大。-20℃高度是冰晶产生的高度,在这个高度上,云的相态胶性不稳定,有利于云中水滴的增长。过冷却云层厚度是指0℃层与-20℃层间的厚度。合适的过冷却层厚度对冰雹的形成和增长有利。融冰厚度是指0℃层到冰雹降落地点之间的高度差。合适的融冰厚度可以使冰雹降落过程中不至于被完全融化。应用NECP再分析格点资料计算20126月雹区历次降雹前特征层高度(表5)可知:降雹前0℃层高度约在28003600m,而-20℃层高度约在57006400m,过冷却云层厚度约在24003200m,最大融冰厚度为3430m,该厚度可以看作是阜新地区产生有效降雹的融冰厚度上限,即超过这一上限,则产生有效降雹的可能性减小。

5  20126月阜新市6次降雹过程特征层高度(单位:m

Table5  Characteristic layer height of 6 severe hailstorms in Fuxin in June 2012(Unit:m)

特征层            2        4         8         12        15        17

    0℃层          2800      3100      3200      3400      3600      3600

   -20℃层         5900      5800      6400      5800      6200       6300

过冷却云层厚度        3100      2700     3200       2200      2600      2700

最大融冰厚度      2550      2980     2700       3310      3430      3280

4  小结

 (1)阜新地区冰雹主要发生在西南部和东南部。冰雹雹区呈现“点”的分布特征,影响乡镇个数较少,但比较集中。

2)阜新地区降雹时间发生在午后到傍晚(1418时)这段时间,主要集中在1416时。

36次降雹过程500hPa环流背景分别为蒙古冷涡、西北气流、横槽三种类型,其中蒙古冷涡型4次,西北气流型和横槽型各1次。蒙古冷涡型冰雹发生在500hPa冷涡的东南象限,出现在低涡中心东南方向23个纬距,低空急流轴的左侧。西北气流型冰雹发生在850hPa切变线附近。横槽型冰雹发生在横槽转竖时的末端。

4)通过对比分析,总结出下列本地冰雹预报指标:①850hPa比湿值在6.58.5 g·kg-1之间,500hPa比湿值在01.5 g·kg-1之间;②K指数≥30℃;③θse850-θse500 3℃;④T850-T50026℃;⑤对流有效位能CAPE1000 J·kg-1;⑥对流抑制能量CIN60170 J·kg-1;⑦抬升指数LI-4℃;⑧V200-V8501米·秒-1V850-V7002米·秒-1;⑨降雹前0℃层高度约在28003600m-20℃层高度约在57006400m,过冷却云层厚度约在24003200m,最大融冰厚度为3430m

 

 

参考文献:

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