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黑龙江省一次局地强降水过程成因与预报难点分析
Abstract: Analyzes the reasons for the low level of local convective precipitation forecast in the middle and western regions of Heilongjiang province onAugust 8, 2015 with the observational data of conventional meteorological stations and satellite cloud images.The results show that,the southwest airflow transport cold air to the top midwest area of Heilongjiang province, and superimposed on the low level southwest warm air, the interaction of thermal uplift and low layer shear convergence dynamic lifting trigger the occurrence and development of convective cloud formation and short local hey rainfall. The strong drop area is located in the superimposed area of the KI index and the high and low altitude Equivalent potential temperature large value area. The strong precipitation occurred in the large area of the cloud top brightness temperature gradient and the decreasing stage of TBB. Considering the weak low-layer warm airflow only, however ignoring characteristics of accumulation of unstable energy because of increasing temperature and increasing humidity for continuous warm-wet air and lacking awareness of rare phenomenon of southwest airflow conveying cold-dry air at 500 hPa, that leads to weak strength forecasting of Unstable stratification and short-time hey precipitation in the central and western regions of Heilongjiang province.
1 引言
朱乾根等[1]给出了一个东北夏季暴雨的典型环流特征：500 hPa上位于110-120°E之间的长波槽与位于30°N以北的副热带高压脊相结合,且中低层存在西南急流及急流北端的暖式切变.在这种形势下,地面气旋活动频繁,当它移入东北时,常产生暴雨,对这种典型的范围较大的暴雨天气预报难度一般小于局地对流性暴雨.贾小龙和郑秀雅等[2-3]研究指出,东北地区夏季多以对流性降水为主,具有很大的突发性和局地性,降水时间短,强度大,危害大.因此,对东北地区夏季强对流天气的研究是气象工作者的研究重点之一.众多学者[4-6]对强对流天气中尺度特征的各项研究表明,低层不断增温增湿、上层有干冷空气入侵的环境下易使大气中不稳定能量增加,在一定动力条件的触发下将产生对流性天气,这些是研究强对流天气的基础出发点.2015年8月8日下午到夜间,黑龙江省中西部出现分散的对流性大到暴雨天气,局地性强,预报难度大,各级气象台站未能预报出暴雨量级和落区.本文分析这次局地对流性大到暴雨天气的具体成因以及预报难点和可预报性,以期为今后提高暴雨预报准确率增加预报依据.
2 降水特征分析
2015年8月8日,受高空低槽东移影响,黑龙江省自西向东出现一次明显降水天气过程.8日08时-9日08时较大降水主要集中在黑龙江省中西部地区, 14个站降水量超过25 mm,达到大雨量级,其中孙吴、林甸、青冈、呼兰降水量达到暴雨量级.这次降水主要集中时段为8日16-22时,林甸和巴彦8日18-19时、逊克8日20-21时1 h降雨量分别为44 mm、22 mm和39 mm,为短时强降水,降水量分布不均匀,具有明显的局地强对流天气特征,预报难度大.
3 卫星云图特征分析
有研究表明,TBB值减小时对应的降水强度大[7].TBB减小则表明对流云团正在发展,云中上升运动较强,因此常伴随强降水天气,而伴随TBB低值范围减小,云团处于消散,云中上升运动减弱,降水亦随之减弱.分析本次过程TBB值及降水强度的变化关系也符合这种规律.
红外云图分析显示（图略）,与降水落区相对应,整个过程对流云团主要集中在中西部地区,云系比较分散.8日14时在黑河与伊春交界处有一对流云团A强烈发展,云团大部云顶亮温在230 K以下.A分东、西两部分,其中东部的云团中低于230 K云顶亮温面积逐渐减小,云团逐渐消散.而西部的云团向西向南发展并与齐齐哈尔北部发展起来的对流云团B合并增强,合并后云中低于230 K云顶亮温的面积不断扩大,8日18时云团位于齐齐哈尔北部且发展旺盛,林甸小时最强降水（44 mm）也产生在此时,8日20时伴随着云团的减弱,降水强度也减弱.C云团于8日16时前后在哈尔滨西部发展起来,8日18时云团大片云顶亮温低于230 K,此时云团处于发展旺盛阶段,巴彦小时最强降水量（22 mm）便产生在此时,8日20时,C云团明显减弱,其对应小时降水量也比8日18时减小.可见,降低的云顶TBB与强降水有较好的对应关系,另外,降水点多集中在云团边缘云顶亮温梯度大值区附近.
4 局地暴雨成因及预报难点分析
4.1 有利的500 hPa大尺度环流形势分析
中尺度对流系统的发展需要大尺度环流形势为其提供有利的热力和动力条件.降水前期东亚中高纬持续维持“一槽一脊”形势,黑龙江上游的低槽受下游副高脊影响移动缓慢.5日20时副高5880 gpm脊线位于40°N附近,随后副高脊线不断西伸北抬,强度不断增强,至7日20时,副高5880 gpm线已经西伸入大陆且进一步北抬至45°N附近,最大中心增强至5920 gpm,高空槽经向度也较5日20时有所增加.二者共同作用使影响黑龙江省的西南暖湿气流和锋区长时间维持并不断加强,有利于降水前期黑龙江省低层持续增温增湿,积蓄不稳定能量,黑龙江大部地区比湿从5日20时的8-10 g/Kg增至7日20时的10-12 g/Kg.后期高空槽东移使高层冷空气叠加在低层暖湿气流上产生不稳定层结,在中低层辐合抬升作用下,8日黑龙江省偏西地区对流云团发展出现局地强降水天气.
这次强降水天气预报的难点之一是低层偏南气流较弱,整个过程无明显急流,容易使降水量级预报偏小.但是如果能充分考虑到西北太平洋副热带高压西伸北抬、高空槽缓慢东移,且二者强度均加强,使黑龙江省中西部持续受到低槽前低空偏南暖湿气流的影响,也许可以分析出降水前中低层增温增湿,不稳定能量积蓄充足,后期伴随高层东移低槽后的冷空气入侵,十分有利于不稳定层结、对流云团和短时强降水等强对流天气发生.
4.2 有利的中尺度条件分析
云图分析表明,产生降水的对流云团主要产生于黑龙江省中西部地区,下面进一步分析中西部地区产生对流云团和局地对流性强降水的成因.500 hPa冷空气入侵并叠加在低层西南暖湿气流之上是产生不稳定层结的关键原因,如图1a所示,8日08时降水前期,内蒙古东部至辽宁省500 hPa有一个西北-东南向的温度槽,温度槽和高空槽前的西南气流向黑龙江中西部地区输送干冷空气,使黑龙江省上空形成一个西南-东北向的干舌.低层850 hPa中西部地区虽然也受西南气流控制,但是在东北地区西部的温度场上是南-北向的暖脊,低层西南气流向黑龙江省输送的是暖湿气流.所以,在黑龙江省中西部地区具有有利于对流天气发生或加强的中高层干冷、低层暖湿的不稳定层结结构.另外,在黑龙江省中西部850 hPa和925 hPa风场上有切变线存在.热力抬升与动力辐合抬升共同作用,触发黑龙江省8日下午到夜间中西部地区不稳定能量释放,形成短时强降水等对流性天气发生.
8日20时降水后期（图1b）,随着低槽东移,中西部低层逐渐有干冷空气自北向南部入侵,850 hPa上冷空气已经南压在伊春-齐齐哈尔南部一带,其北部转为偏北气流控制,整层逐渐转干,不稳定层结减弱,对应云图上北部云团逐渐消散.而南部齐齐哈尔至哈尔滨一带低层850 hPa、925 hPa上仍受西南暖湿气流的影响,配合低层辐合切变,降水仍持续.
对500 hPa西南气流输送干冷空气这一罕见现象分析和认识不足,也是致使对不稳定层结和短时强降水等强对流天气强度预报偏弱的主要原因之一.
KI指数和850 hPa与500 hPa假相当位温差可以描述大气层结的不稳定性,KI指数和假相当位温差越大,表明大气层结越不稳定.8日08时中西部地区大气层结不稳定,相应KI指数和假相当位温差大值区也位于中西部地区附近.8日20时,中西部偏北地区不稳定层结减弱,对应KI指数和假相当位温差值也在北部地区转变为低值区,表明该区域层结转为稳定,而南部齐齐哈尔至哈尔滨一带仍位于KI指数和假相当位温差值高值中心附近,表明南部地区仍存在不稳定层结.KI指数和假相当位温差高值区的叠加是强降水落区所在,可见,KI指数高值区和高低空假相当位温差大值区叠加对强对流降水落区有较好的指示意义.
4.3 有利的探空条件分析
根据8日14时地面气压、气温和露点温度将8日08时嫩江和哈尔滨探空站资料进行订正,得到14时两站探空图,如图2a所示,8日14时中西部对流云产生,两站上空大气中均存在较强的潜在不稳定能量（cape分别为1052.4 J/kg和713.1 J/kg）,且低层暖湿、高层干冷,表明两站上空大气层结状态十分有利于对流天气的发生.而至8日20时（图2b）,伴随冷空气南下北部嫩江站不稳定能量消失,还有明显的对流抑制能量,低层转为一致的偏北风,而哈尔滨站上空仍然有潜在不稳定能量存在（cape值为120 J/kg）,从风向随高度变化来看,哈尔滨低层为暖平流,高层为冷平流,整层水汽条件较好,降水仍持续.探空图分析结果与中分析结果一致.
5 小结
（1）2015年8月8日强降水主要集中在黑龙江省中西部地区,具有明显局地强对流特征.
（2）与强降水对应,对流云团也集中在黑龙江省中西部地区.强降水发生在对流云团边缘云顶亮温梯度大值区以及TBB逐渐降低阶段.
（3）中高层西南气流把干冷空气向黑龙江省中西部地区输送,并叠加在低层西南暖湿气流之上,热力抬升和低层切变辐合动力抬升共同作用,触发对流云团生成发展和局地短时强降水发生.
（4）强降水落区位于KI指数和高低空假相当位温差大值区叠加区域内.
（5）预报时只考虑低层暖湿气流偏弱,而忽略前期有持续性暖湿气流增温增湿使不稳定能量积蓄充足的特点,并且对500 hPa西南气流输送干冷空气这一罕见现象分析和认识不足,致使对黑龙江省中西部地区不稳定层结和短时强降水等强对流天气强度预报偏弱.
参考文献
[1]朱乾根,林锦瑞,寿绍文.天气学原理和方法[M].北京:气象出版社,1992,649.
[2]贾小龙,王谦谦.东北地区汛期降水异常的大气环流特征分析[J].高原气象,2006,25(2):309-318.
[3]郑秀雅,张廷治,白人海.东北暴雨[M].北京:气象出版社,1992,299.
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2、黑龙江中医药杂志