南四湖地區(qū)一次農(nóng)業(yè)致災(zāi)天氣成因分析

張澤銘，郭紅艷，黃巍，李穎（濟(jì)寧市氣象局，山東濟(jì)寧272037）

南四湖地區(qū)一次農(nóng)業(yè)致災(zāi)天氣成因分析

張澤銘，郭紅艷，黃巍，李穎
（濟(jì)寧市氣象局，山東濟(jì)寧272037）

摘要：為了提高南四湖地區(qū)災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)能力和水平，筆者對2012年9月19日發(fā)生在山東西南部南四湖地區(qū)附近的一次造成農(nóng)業(yè)災(zāi)害的雷雨大風(fēng)、冰雹天氣過程進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果表明：上干冷、下暖濕的層結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的前傾槽，對本次強(qiáng)對流天氣的發(fā)生十分有利。前傾槽槽后的干冷空氣入侵作用，為強(qiáng)對流的產(chǎn)生提供了激發(fā)機(jī)制。地面圖上強(qiáng)風(fēng)向輻合中心更加容易觸發(fā)強(qiáng)對流天氣。K指數(shù)的大值中心移動(dòng)方向與強(qiáng)降水的移動(dòng)方向基本一致。對流層高低層存在的風(fēng)向風(fēng)速的垂直切變，有利于強(qiáng)對流性風(fēng)暴發(fā)生、發(fā)展。0℃層和-20℃層高度差較小時(shí)，有利于冰雹的形成。組合反射率因子和回波頂高等雷達(dá)產(chǎn)品對冰雹發(fā)生的區(qū)域有一定的指示作用。

關(guān)鍵詞：前傾槽；強(qiáng)對流；垂直切變；冰雹

0　引言

強(qiáng)對流天氣是影響山東的重要災(zāi)害性天氣之一，它們具有空間尺度小、生命史短、突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大的特點(diǎn)。張騰飛等[1-5]已經(jīng)對強(qiáng)對流天氣下的暴雨做過研究。對于強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)，歷來是日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的難點(diǎn)。要在短期預(yù)報(bào)中準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出強(qiáng)對流天氣的發(fā)生、強(qiáng)度、影響時(shí)間及落區(qū)是非常困難的。當(dāng)前的預(yù)報(bào)技術(shù)只能依靠雷達(dá)探測、衛(wèi)星云圖及自動(dòng)站資料做出臨近預(yù)報(bào)，所以加強(qiáng)對此類強(qiáng)對流天氣的物理機(jī)制的研究就顯得十分必要。強(qiáng)對流天氣常伴隨雷暴、大風(fēng)和局地暴雨，有時(shí)還伴有冰雹和龍卷風(fēng)，是一種具有巨大破壞力的短時(shí)天氣，能給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的損失。

圖1　2012年9月19日14時(shí)—9月20日20時(shí)山東省累計(jì)降水量分布圖（單位：mm）

圖2　微山站小時(shí)降水量柱狀圖

許多氣象工作者對各類強(qiáng)對流天氣從天氣形勢、物理量場、衛(wèi)星云圖和雷達(dá)回波特征等方面都進(jìn)行了很多分析和研究[6-15]，揭示了強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展的一些特點(diǎn)和成因。前傾槽是指在對流層中，槽線隨高度的升高向前進(jìn)方向傾斜，高空槽線位于低空槽線或地面鋒之前的槽。一般表現(xiàn)為短波西風(fēng)槽，持續(xù)時(shí)間較短。由于上下層干濕條件不同，造成不同的環(huán)境背景下，大風(fēng)和強(qiáng)降水會(huì)有很大的差異。中國東部江淮地區(qū)由于東亞季風(fēng)影響，初夏常有梅雨雨帶活躍于此，在此環(huán)境條件下江淮和黃淮流域濕環(huán)境下的對流較多，但也有干環(huán)境下的對流[16-17]，這與美國中部平原地區(qū)的颮線多發(fā)生在較干環(huán)境下不同[18]。鄭淋淋等[19]指出，在干濕環(huán)境下強(qiáng)對流系統(tǒng)的觸發(fā)和維持機(jī)制存在明顯差異。因此，筆者利用常規(guī)天氣圖和雷達(dá)資料對2012 年9月19日出現(xiàn)在山東西南部的雷雨大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對流天氣進(jìn)行分析，以增進(jìn)強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而為今后山東省強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)和服務(wù)提供依據(jù)。

1　天氣實(shí)況與災(zāi)情

2012年9月19日下午至夜間，山東西南部南四湖附近地區(qū)的聊城、濟(jì)寧和棗莊地區(qū)先后出現(xiàn)雷雨大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣。聊城的冠縣出現(xiàn)直徑15 mm的冰雹，濟(jì)南的平陰出現(xiàn)直徑10 mm的冰雹，濟(jì)寧的嘉祥15時(shí)48分—16時(shí)測站出現(xiàn)冰雹，最大直徑為7 mm，棗莊的滕州出現(xiàn)瞬時(shí)風(fēng)力17 m/s的大風(fēng)。9月19日20日，冠縣、平陰、嘉祥和滕州的6 h降水量分別達(dá)到了40.9、52.9、29.7、43.7 mm（見圖1）。而位于南四湖最中心的濟(jì)寧微山在9月19日20時(shí)—20日00時(shí)4 h降水量達(dá)55.7 mm（見圖2）。本次強(qiáng)對流天氣的出現(xiàn)造成南四湖及附近地區(qū)果蔬、玉米倒伏，大棚不同程度損壞。

2　天氣形勢分析

2.1高空環(huán)流形勢分析

9月19日8時(shí)，500 hPa形勢圖上西風(fēng)槽很強(qiáng)，從渤海海峽一直延伸至華南地區(qū)，溫度槽落后于高度槽，其后部冷中心-24℃位于貝湖附近，溫度槽在山東的上游河北南部更為明顯，冷空氣在槽后聚集，等溫線與等高線交角大于45°，冷平流明顯。700 hPa上槽位于朝鮮半島至浙江南部地區(qū)，槽的位置明顯領(lǐng)先于500 hPa西風(fēng)槽，方向基本平行。850 hPa槽線呈南北向，位于山東與河北和河南交界處（見圖3a）。9月19日08時(shí)3層槽的配置明顯的構(gòu)成了典型的前傾槽結(jié)構(gòu)。山東西南部為暖脊控制，高層是干冷平流，對流層中低層是西南暖濕氣流，這種上干冷，下暖濕的層結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，極易誘發(fā)強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。

19日下午至夜間，隨著500 hPa西風(fēng)槽槽后冷空氣的南下，700 hPa槽略有東移，850 hPa上槽逐漸南壓至山東西南地區(qū)并且加強(qiáng)，中心氣壓148 hPa，槽前在濟(jì)寧的中部有著明顯的東西向的暖式切變線（見圖3b），切變線南側(cè)的暖濕氣流和500 hPa的冷空氣在此交匯，強(qiáng)對流天氣正好發(fā)生在該切變線的南北兩側(cè)，造成山東西南部分地區(qū)的雷雨大風(fēng)和冰雹天氣。19日后半夜至20早晨，隨著500 hPa西風(fēng)槽的東移和北收，槽后冷空氣變?nèi)酰?00h Pa東移減弱消失，在魯南至長江下游又生成1個(gè)高空槽，但槽較弱，850 hPa冷渦東移減弱，渦前暖式切變線消失，無明顯的暖濕水汽的輸送，強(qiáng)對流天氣結(jié)束（見圖3c）。

2.2地面形勢分析

9月19日8時(shí)—14時(shí)地面圖上可以看出（圖略），08時(shí)，山東處于高壓后部，風(fēng)場較弱，在上游河北的中部有1條明顯的輻合線；14時(shí)，隨著海上高壓的加強(qiáng)并且略有北上，對輻合線有所“擠壓”，在向東南方向移動(dòng)過程中兩側(cè)“對頭風(fēng)”不斷加強(qiáng)，并且出現(xiàn)了“對頭風(fēng)”的強(qiáng)風(fēng)向輻合中心，更加容易觸發(fā)強(qiáng)對流天氣，本次強(qiáng)對流發(fā)生區(qū)恰好位于地面輻合中心東南側(cè)的東南暖濕氣流區(qū)。

圖3　500 hPa、700 hPa和850 hPa槽線位置和850 hPa風(fēng)場

3　環(huán)境場特征分析

雷雨、冰雹、龍卷等天氣現(xiàn)象都是大氣中垂直對流強(qiáng)烈發(fā)展的結(jié)果[20]。本次強(qiáng)對流天氣的環(huán)境場具有一定的垂直溫度梯度、低層水汽含量高、濕層較厚和明顯風(fēng)向風(fēng)速垂直切變的各種條件。上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱決定水汽凝結(jié)速度[21]。

3.1濕度條件

從19日08時(shí)各層的比濕場分布圖（見圖4）中可見，850 hPa以下山東西南部大部地區(qū)處于比濕大于6 g/kg的高濕區(qū)控制之下，而850 hPa以上水汽含量較小（圖略）。將這幾層的比濕大值區(qū)疊套，氣柱水汽含量較大的區(qū)域是強(qiáng)對流天氣的發(fā)生區(qū)，與強(qiáng)對流區(qū)對應(yīng)較好。到20日08時(shí)，北方干冷空氣入侵，雖然925 hPa魯南南部仍大于8 g/kg，但其他各層比濕較小，不再具有比濕大值區(qū)的疊套，降水和強(qiáng)對流天氣結(jié)束。

從9月19日08時(shí)的相對濕度分析場中可以看出（見圖5），山東中南部自下而上850 hPa和700 hPa相對濕度為70%～80%，而中層500 hPa相對濕度小于15%。這種中層相對較干低層較濕的系統(tǒng)配置易產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣。

圖4　9月19日8時(shí)850 hPa及以下各層比濕分布圖

3.2K指數(shù)

K指數(shù)是對大氣不穩(wěn)定層結(jié)的描述，是綜合垂直溫度梯度、低層水汽含量和濕層厚度的一個(gè)氣團(tuán)屬性量。K指數(shù)是衡量大氣中潛在能量多少的一種指標(biāo)，K>20℃就有出現(xiàn)雷暴的可能，K>35℃即具備出現(xiàn)大片雷雨的條件[22]。19日08時(shí)，K指數(shù)在整個(gè)華北地區(qū)有2個(gè)大值中心，一個(gè)在山西中部，一個(gè)就恰好位于濟(jì)寧上空（見圖6a），強(qiáng)度均為32，說明在山東的西南部有不穩(wěn)定能量的積累釋放。到了19日20時(shí)，山西的大值中心明顯減弱至28，而濟(jì)寧上空的大值中心依然維持在32（見圖6b），并且向東南方向略有移動(dòng)，與實(shí)況微山站暴雨出現(xiàn)的時(shí)段20時(shí)至零時(shí)正好吻合。可見K指數(shù)的大值中心移動(dòng)方向與強(qiáng)降水的移動(dòng)方向基本一致。

圖5　2012年9月19日8時(shí)相對濕度分布圖

圖6　K指數(shù)分布圖

3.3環(huán)境風(fēng)場

由9月19日8時(shí)濟(jì)南、徐州站點(diǎn)的垂直剖面圖可以看出：各層風(fēng)向的分布，850 hPa以下為西南風(fēng)，500 hPa為西北風(fēng)，對流層中低層風(fēng)向隨著高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；各層風(fēng)速的分布，850 hPa以下為4 m/s，700 hPa 為6～10 m/s，500 hPa以上為15 m/s左右，對流層高低層存在明顯的風(fēng)速切邊。這表明，在此區(qū)域內(nèi)存在有利于強(qiáng)對流性風(fēng)暴發(fā)生、發(fā)展的環(huán)境水平風(fēng)向風(fēng)速的垂直切變。

3.40℃層和-20℃層高度

0℃層和-20℃層的高度與高、底層的冷、暖平流和中空大氣不穩(wěn)定性密切相關(guān)，2層之間的高度差△H越小，越有利于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生、發(fā)展。分析19日08時(shí)濟(jì)南、徐州站點(diǎn)的垂直剖面圖可以看出：在此區(qū)域內(nèi)0℃層高度普遍在680 hPa左右，-20℃層的高度普遍在450 hPa左右。這表明，0℃層和-20℃層高度差較小，說明過冷水的濃度較大，有利于冰雹的形成。

4　雷達(dá)產(chǎn)品分析

4.1組合反射率因子

組合反射率因子產(chǎn)品可以不用對每個(gè)仰角進(jìn)行尋找就可以顯示云團(tuán)中最高反射率因子。分析徐州雷達(dá)站9月19日15時(shí)03分—16時(shí)08分的組合反射率因子演變圖（見圖7）可以看出，15時(shí)03分在濟(jì)寧的嘉祥上空開始出現(xiàn)一團(tuán)降水回波，到了15時(shí)20分，強(qiáng)度逐漸增大，但位置無明顯變化，15時(shí)50分發(fā)展至最強(qiáng)，其中心最大反射率為64 dBZ，這恰好與嘉祥站實(shí)際觀測到冰雹的時(shí)間吻合，3個(gè)體掃之后，到了16時(shí)08分強(qiáng)回波中心強(qiáng)度明顯減弱，并且呈分散狀，嘉祥站的冰雹天氣也隨之結(jié)束。

圖7　組合反射率因子演變圖

4.2回波頂高(ET)

回波頂高(ET)是用來判斷回波對流強(qiáng)度的非常重要的參量。由徐州雷達(dá)站的回波頂高逐時(shí)演變圖（見圖8）可以看出，15時(shí)03分嘉祥上空回波頂高在15.2 km，到了15時(shí)26分回波頂高產(chǎn)品顯示其回波到達(dá)15.8 km，隨著對流云團(tuán)的發(fā)展，15時(shí)50分對流頂高到達(dá)最高在16 km附近，此時(shí)對流發(fā)展最為旺盛，2個(gè)體掃后16時(shí)02分，回波頂高又降至了14 km以下。

5　結(jié)論與討論

（1）本次強(qiáng)對流天氣過程是在前傾槽的大的環(huán)流形勢下，槽后干冷空氣的入侵激發(fā)對流，地面圖上強(qiáng)風(fēng)向輻合中心共同促進(jìn)作用下發(fā)生的。

（2）利用探空資料，實(shí)際證明了0℃層和-20℃層高度差較小，說明過冷水的濃度較大，有利于冰雹的形成。

圖8　回波頂高演變

（3）以往文獻(xiàn)論著對于雷達(dá)資料中的回波頂高(ET)數(shù)據(jù)分析較少，本研究定性定量的分析了回波頂高數(shù)據(jù)，對流發(fā)展最為旺盛時(shí)，雷達(dá)回波頂高達(dá)16 km，對對流預(yù)報(bào)有提示作用。

（4）強(qiáng)對流天氣的影響因素很多，本研究僅選取其中幾個(gè)常規(guī)指標(biāo)和部分雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行了分析，雖然具有普遍性的意義，但其他物理量同樣具有參考意義，如假相當(dāng)位溫、水汽通量等以及雷達(dá)產(chǎn)品中的冰雹指數(shù)等。今后研究工作中應(yīng)選取其他物理量和雷達(dá)其他產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行較多分析，期待找出更多參考指標(biāo)。

（5）南四湖周圍地區(qū)由于大型水體的影響，使得本來就具有較強(qiáng)局地性的強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)難度增大，大型水體對于強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展影響是一種創(chuàng)新，今后可以做進(jìn)一步的研究。

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Analysis of an Agricultural Disaster Caused by Weather in Nansi Lake Area

Zhang Zeming, Guo Hongyan, Huang Wei, Li Ying
(Meteorological Bureau of Jining City, Jining 272037, Shandong, China)

Abstract:The paper aims to improve severe weather forecasting and warning technology in the Nansi Lake area. The author analyzed an agricultural disaster caused by thunderstorm winds and hail in September 19, 2012 in Nansi Lake area which located in the southwestern Shandong Province. The results showed that the favorable condition for the occurrence of severe convective weather was the forward-tilling trough in which the dry and cold air was above the moist and warm air. The dry and cold intrusion which was behind the trough was the trigger mechanism of the strong convection. Strong wind convergence center easily triggered severe convective weather on the ground. A movement direction of the maximum center of K index was consistent with the direction of movement of heavy rainfall. The wind vertical shear of the direction and speed on troposphere were conducive to strong convective storm development. An appropriate height between 0℃layer and -20℃layer was conducive to the formation of hail. Composite reflectivity factor and echo tops had certain indication for the region of the hail.

Key words:Forward-tilling Trough; Strong Convection; Vertical Shear; Hail

中圖分類號(hào)：P458.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas15040011

基金項(xiàng)目：山東省氣象局青年科研基金項(xiàng)目“南四湖地區(qū)秋季連陰雨研究”(2014SDQN18)。

第一作者簡介：張澤銘，男，1982年出生，山東金鄉(xiāng)人，工程師，本科，主要從事中短期天氣預(yù)報(bào)方面研究。

通信地址：272037山東省濟(jì)寧市任城區(qū)金宇西路1號(hào)濟(jì)寧市氣象局，Tel：0537-2232343，E-mail：zmzhang2002@qq.com。

收稿日期：2015-04-16，修回日期：2015-06-23。