渤海西岸兩次強對流天氣特征分析

于志明，周艷軍，王駟鷂

（1.唐山市氣象局，河北唐山063000；2.秦皇島市氣象局，河北秦皇島066000）

渤海西岸兩次強對流天氣特征分析

于志明1，周艷軍2，王駟鷂1

（1.唐山市氣象局，河北唐山063000；2.秦皇島市氣象局，河北秦皇島066000）

利用Micaps、探空、衛星云圖、雷達資料，對2011年9月1日凌晨和2012年9月27日下午在渤海西岸出現的強對流天氣，從環流形勢、不穩定能量、云圖特征、雷達回波等方面進行了對比分析。結果表明：兩次過程均出現了暴雨、大風、冰雹天氣，9月1日凌晨影響系統為高空槽和切變線，災害性天氣以大風為主；9月27日下午影響系統為低渦和鋒面，災害性天氣以暴雨、冰雹為主。兩次過程渤海西岸上空均有一定的不穩定能量。亮度溫度TBB越低表示強對流天氣出現的幾率越大，對流云團TBB小于-42oC預示有降水出現，TBB小于-52oC的區域與大雨或暴雨相對應。雷達回波強度大于35 dBz區域與雷雨相對應，回波強度大于45 dBz區域與冰雹、強降水天氣對應較好。

渤海西岸；對流天氣；衛星云圖；雷達回波；預報預警

1 引言

渤海海域具有豐富的海上油氣資源和水產養殖資源，承載了連接我國各個沿海城市大量的海上交通運輸業務。渤海西岸地形復雜，屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，易出現災害性天氣，因此，準確把握渤海沿岸及海上災害性天氣的發生發展規律尤為重要。

強對流天氣是指伴隨雷暴現象出現的對流性短時強降水、大風、冰雹等災害性天氣[1]。雷暴、大風、冰雹、短時強降水常常給油氣開發、水產養殖、交通運輸帶來一定的危害和損失，所以一直是預報工作的重點。強對流天氣往往生消較快，水平尺度一般只有幾公里至幾十公里，時間尺度也只有幾個小時甚至不到一個小時，利用常規天氣資料預報具有一定的難度。易笑園等[2]對渤海西岸暴雨中尺度對流系統的空間、熱動力特征和發生、發展維持的原因進行了分析；王彥等[3]對渤海灣海風鋒與強對流天氣的形成、發展和消散過程進行了研究，總結出當海風鋒與弱冷鋒相遇時，相遇交叉處能夠產生強對流天氣；而單一海風鋒不能產生強對流天氣，僅能改變氣溫和風向等氣象要素特征；梁衛芳等[4]、郭慶利等[5]、賀靚等[6]、慕建利等[7]、宋曉姜等[8]對我國不同海區發生的強對流天氣個例進行分析，得出衛星云圖、雷達、閃電等非常規氣象資料在強對流天氣的臨近預報預警中起著舉足輕重的作用；王莉萍等[9]對河北衡水兩次突發性強對流天氣進行了對比分析，發現兩次天氣過程影響系統不同，造成的天氣也不盡相同；趙玲等[10]對發生在大興安嶺地區兩次不同性質的強降雨從環流背景、衛星云圖、物理量場等方面進行了對比分析,發現強降雨發生前熱力結構不同是造成兩次不同性質強降水的重要原因。目前對渤海沿岸的強對流天氣用衛星云圖與雷達進行同步監測缺少對比分析，對預報預警技術的研究也較少。

2011年9月1日01時—06時（北京時，下同）和2012年9月27日12時—20時（簡稱“9.1”和“9.27”）在渤海西岸地區均出現了強對流天氣，渤海西岸地區在9月份出現如此強烈的對流天氣并不多見，這兩次過程分別出現在9月初和9月底，同屬華北東部冷槽低渦型暴雨天氣過程，氣候背景相似，但出現的災害性天氣現象、災害落區有所不同，因此有必要對初秋中尺度系統的產生機制進行深入分析，以便更加深入認識渤海及沿岸這類強對流天氣的演變和環境條件的差異。本文利用Micaps、探空、衛星云圖、雷達資料，從環流形勢、不穩定能量、云圖特征、雷達回波等方面對兩次天氣過程的特征進行了對比分析，為環渤海地區強對流性天氣的精細化預報提供一些有益的參考。

2 災害性天氣實況

2011年9月1日01時—06時，受高空急流和低層切變線影響，渤海西部海區和海岸帶出現強對流天氣（見圖1a），唐山、天津、滄州等地先后出現大風、短時暴雨及冰雹天氣，唐山有27個鄉鎮雨量站雨量達到暴雨；渤海中南部BZ26-2石油平臺（38.2°N，119.2°E）監測到早晨06時陣風風速達25 m/s（風力10級）；滄州海岸帶監測到的最大風速為30.8 m/s（風力11級），風向東北，滄州黃驊港5根直徑30 cm纜樁被拉斷，6艘800t以上船舶發生碰撞。同時，當日接近滄州海域天文大潮日，在大風增水和天文大潮的共同作用下，黃驊岸區最高潮位達5.5 m,超警戒水位0.7 m，出現了風暴潮災害。

2012年9月27日12時—20時，受蒙古低渦和鋒面過境影響，渤海及沿岸地區出現了強對流天氣，伴有暴雨、大風、冰雹天氣（見圖1b）。強降水與大風由西北向東南移動，掃過81個氣象觀測站，唐山東部風速最大，唐山市市區過程雨量達91.6 mm；冰雹落區覆蓋北京到唐山一線共14個氣象觀測站。強對流天氣17時—19時覆蓋渤海大部，19時槽后冷空氣控制渤海西岸河北東部地區，強對流天氣減弱停止。20時—23時，遼東半島到萊州灣一線出現了暴雨、大風和雷電天氣。

3 環流形勢

3.1 “9.1”過程環流形勢

2011年8月31日20時500 hPa高空圖上（見圖2a），東亞地區中高緯度的位勢高度場整體比較平直，東北地區上空有一西風槽，槽底位置在44°N左右，槽后有明顯的冷平流；850 hPa高空圖上（見圖2b），渤海上空有明顯的北風與西到西北風的切變線，冷空氣已南壓到渤海北部遼東灣一線；地面圖上（圖略），低壓中心位于內蒙東部、吉林西部地區，渤海西岸位于冷鋒前部，鋒后等壓線密集。

3.2 “9.27”過程環流形勢

圖1 強對流天氣過程災害性天氣落區配置

圖2 2011年8月31日20時高空圖

圖3 2012年9月27日08時高空圖

此次過程，08時500 hPa圖上（見圖3a）40°N附近有一支風速超過32 m/s的西風急流，即高空鋒區位置，位于內蒙到華北北部的低渦有干冷空氣侵入；850 hPa圖上（見圖3b）在河北北部到北京一線有切變線；槽前有暖濕氣流，有較好的水汽條件。低渦系統東移，地面冷鋒東移南壓，觸發了強對流天氣。

4 不穩定能量

按照不穩定性理論，當大氣中積累一定的熱力和動力不穩定能量時，在某種小擾動的觸發下不穩定能量將轉化為空氣運動的動能，形成中小尺度渦旋，從而引起風、雨和雷電等天氣[11]。

4.1 “9.1”過程不穩定能量

河北省樂亭縣探空站（區站號54539）是渤海西岸距渤海最近的探空站，2011年8月31日20時樂亭探空資料顯示（見表1）：K指數為33℃，沙氏指數為-3.8℃，對流有效位能為1 555 J/kg。表明樂亭上空大氣處于對流不穩定狀態，此時正處于夏末秋初，下墊面溫度較高，海面上空空氣潮濕，隨著切變線的東移南壓，暖濕空氣與冷空氣相互作用極易產生強對流天氣。9月1日08時的探空物理量指標表明樂亭上空空氣層結穩定，對流天氣趨于結束，但由于鋒后冷空氣勢力較強，風力依然較大。

表1 樂亭8月31日08時、20時、9月1日08時探空物理量值

表2 樂亭、大連9月27日探空物理量值

4.2 “9.27”過程不穩定能量

2012年9月27日的探空資料顯示（見表2）：樂亭站08時—14時K指數為由21℃升至31℃，沙氏指數由-1.7℃降至-2.7℃，對流有效位能由213 J/kg增至1883 J/kg，表明樂亭上空大氣不穩定能量逐漸增強，20時物理量指標表明大氣層結趨于穩定，強對流趨于結束。14時—20時渤海東部海岸帶大連探空資料各項閾值逐漸增大，預示強對流天氣即將發生。

近年來，隨著幸福經濟學的興起，國內許多學者利用面板和截面等微觀數據對幸福感進行研究。從國內已有的研究文獻來看，大多數文獻使用OLS回歸或有序離散變量回歸方法進行研究。如魯元平和張克中(2010)利用WVS的中國部分，運用有序離散模型研究了經濟增長和親貧式支出對中國居民幸福感的影響，發現經濟增長并不能帶來國民幸福感的提升，而以教育、醫療和社會保障構成的親貧式支出對國民幸福感有顯著的促進作用。同樣運用WVS中國部分數據，溫曉亮等(2011)發現在影響主觀幸福感的因素中，相對收入和社會失范對主觀幸福感的影響較大，人口學變量中的性別、年齡、健康、婚姻、教育等都對主觀幸福感有影響。

5 衛星云圖特征

氣象衛星FY-2E紅外通道的觀測值TBB在夏季少云區或無云區一般＞0℃，在有云區TBB表示云頂亮度溫度,其值一般≤0℃，TBB值越低，對應的云頂越高。因此，云頂亮度溫度TBB可直接展示對流發展的旺盛程度，能用來推斷對流云團發展強度及所處的階段。

5.1 “9.1”過程衛星云圖特征

“9.1”過程可以看出（見圖4）：1時中尺度帶狀對流云系位于吉林東部到北京一線，亮度溫度TBB值為-42℃；02時北京到唐山一帶的中尺度云團加強，面積擴大，TBB值達-52℃，對應天氣實況為：北京南部、天津、唐山先后出現雷電、暴雨、冰雹天氣。03時—04時系統進入渤海發展加強，移速減慢，TBB值由-63℃升至-52℃，對應唐山、秦皇島、天津、滄州渤海沿岸測站及海區先后出現東北大風天氣，最大風速出現在滄州海區。05時—06時主體對流云團移動速度加快，TBB值升高，由-53℃升至-42℃，對應唐山、秦皇島海域降水強度減弱，風力減小，天津、滄州海域維持大風天氣。9月1日01時—06時影響渤海西岸和渤海的對流云團是一個由弱到強、再由強轉弱的過程，01時—04時對流云團自西北向東南移動，05時—06時自西南向東北方向移動。

5.2 “9.27”過程衛星云圖特征

從“9.27”過程12時—14時紅外衛星云圖可以看出（見圖5）：位于河北北部至北京一線的渦旋云系自西向東移動，主體云系TBB值由-42℃降至-61℃，其下擺處帶狀云系TBB值由-20℃降至-31℃，對應北京到唐山出現暴雨、短時大風、冰雹天氣。15時—17時云系快速南壓，渦旋云系由塊狀逐漸變成帶狀，渤海西海岸帶冷鋒云系TBB值由-52℃降為-61℃，對應區域天氣實況為：大風、冰雹、強降水和雷電。

18時—19時（見圖6）入海后的對流云系強度減弱，向偏東方向移動，移速減慢，TBB值由-42℃升至-28℃，渤海西岸對應天氣為弱雷電、弱降水和大風天氣。20時—22時云系在遼東半島到萊州灣一線重新發展增強，TBB值由-52℃降至-71℃，渤海海區天氣監測實況為：大暴雨、強雷電及短時大風。23時對流云團與暴雨中心對應較好，強降水中心位于大連東北部，TBB值達-78℃。

圖4 “9.1”過程渤海區域強對流系統紅外云圖TBB演變（單位:℃）

圖5 “9.27”過程渤海區域強對流系統紅外云圖TBB演變（單位:℃）

圖6 “9.27”過程渤海區域強對流系統紅外云圖TBB演變（單位:℃）

6 雷達回波特征

新一代天氣雷達觀測的實時回波強度是判斷強對流天氣的重要回波參數。通過回波強度可確定對流云的結構、強弱和強降雨（雪）帶，其隨時間的變化是一種用來確定降水回波的移動以及未來趨勢的極好工具[12]。

6.1 “9.1”過程多普勒雷達回波特征

從9月1日01時30分秦皇島多普勒雷達組合反射率因子與冰雹疊加圖可以看出（見圖7）：強雷達回波帶位于天津至唐山一線（圖中標注△區域），回波強度在45—60 dBz之間，對流云范圍230×30 km，對流云頂高度9—11 km，強回波帶對應地區出現了暴雨、冰雹、大風天氣。強回波帶前部為多單體風暴，塊狀單體風暴范圍在30×40 km左右，雷達回波強度為55—65 dBz，該區域對應天氣為雷雨和短時大風。天津塘沽和滄州的多普勒雷達監測（圖略）表明：04時左右回波主體進入渤海西部海區，在1200 m左右高度上有低空急流；05時—6時急流高度下降到300—600 m高度，低空急流為東北方向，與滄州黃驊海岸帶垂直，大風增水和天文大潮兩者疊加，導致黃驊沿岸出現了風暴潮災害。在低空急流作用下，風向風速水平切變和垂直切變較大，有利于強對流天氣的維持與發展。

6.2 “9.27”過程多普勒雷達拼圖特征

圖7 秦皇島多普勒雷達01時30分組合反射率因子與冰雹疊加圖（單位：dBz）

圖8 “9.27”過程環渤海區域5部雷達組合反射率拼圖（單位:dBz）

通過煙臺、塘沽、秦皇島、營口、大連5部環渤海多普勒雷達拼圖資料可看出（見圖8），9月27日12時對流云系位于河北北部到北京一線，對流云范圍180×300 km，對流云頂高度8—9 km，雷達回波強度30—40 dBz，強回波對應地區出現了短時雷雨天氣。對流云系自西北向東南方向移動，移速40—50 km/h，面積逐漸增大，14時—15時影響北京東部到天津一線，對流云頂高度11 km，雷達回波強度45—50 dBz，對應地區出現了雷電、強降水、冰雹天氣。16時—17時對流云系向偏東方向移動，移速55—65 km/h，對流云頂高度11—13 km，雷達回波強度由55 dBz增至60 dBz，渤海西海岸帶中北部出現兩條颮線回波，對應災害為大風、暴雨和冰雹。

圖9 “9.27”過程環渤海區域5部雷達組合反射率拼圖（單位:dBz）

18時—19時（見圖9）對流云系入海后減弱，雷達回波強度下降至30—40 dBz，對流云頂高度8 km，回波對應地區降水減弱。20時對流云系在遼東半島至萊州灣一線重新加強，對流云范圍110× 500 km，對流云頂高度9—12 km，雷達回波強度45—50 dBz，對應天氣為：短時暴雨、大風及雷電。

7 兩次過程天氣特征對比

7.1 兩次過程相同的天氣特征

兩次強對流天氣出現前的環流形勢均為高空為低渦和高空槽控制，低層有切變線，地面有冷鋒過境；不穩定能量指標達到了產生對流天氣的閾值；氣象衛星觀測到的云頂亮度溫度TBB值達到了-42oC以下；雷達回波強度達到了35 dBz以上。兩次過程均出現了大風、暴雨、冰雹天氣。

7.2 “9.1”過程天氣特征

此過程冷空氣勢力較強，高空槽后冷平流明顯，強對流天氣出現前500 hPa高空有西風急流，并隨著對流天氣系統的發展急流逐漸向低層傳遞，低空NE向急流與強風暴后部下沉氣流的NE向分量疊加，造成了渤海的NE向大風。河北滄州海岸線呈NW-SE走向，海上大風的風向與滄州的海岸線垂直，海面持續的NE向大風造成滄州沿岸的增水；9月1日為農歷的八月初四，天文大潮的影響尚未結束，大風增水和天文大潮的共同作用造成了滄州黃驊港的風暴潮災害。而天津、唐山、秦皇島的海岸線呈NE-SW走向，與海上大風的風向基本平行，大風增水作用小，未出現風暴潮災害。

7.3 “9.27”過程天氣特征

此過程冷空氣勢力較弱，強對流天氣出現前500 hPa高空雖有NW向急流，但持續時間較短，未出現低空急流，出現的短時大風是強風暴后部下沉氣流造成的。“9.27”過程和“9.1”過程相比，具有槽前暖濕平流強、水汽條件好，對流云范圍大、降水持續時間長，TBB觀測值低、對流云伸展高度高的特點，造成了此過程暴雨、冰雹的強度更強，范圍更大。

8 結論與討論

（1）兩次強對流天氣過程均出現了暴雨、大風、冰雹天氣，“9.1”過程以大風和風暴潮災害為主；“9.27”過程以暴雨、冰雹災害為主；

（2）“9.1”天氣過程是受高空槽影響，渤海西岸上空有北風與西到西北風的切變線；“9.27”天氣過程是受低渦和鋒面系統影響。兩次過程渤海西岸上空大氣層結均為不穩定，有較強的不穩定能量；

（3）衛星云圖上，對流云團亮度溫度TBB小于-42℃預示有降水出現，TBB小于-52℃的區域與大雨或暴雨相對應，TBB溫度越低表示強對流天氣出現的幾率越大；

（4）雷達回波強度大于35 dBz區域與雷雨相對應，大于45 dBz回波區域與冰雹、強降水等災害天氣對應較好；

（5）衛星探測水平尺度大、雷達探測精度高,云圖能看到云頂分布,雷達回波圖能看到云底及云層的垂直分布,這些資料與中小尺度系統所處的環流形勢、不穩定能量等資料相互結合分析,取長補短,對強對流天氣的預報預警能提供較全面的信息；

（6）在不同地區、不同季節、受不同天氣系統影響的強對流性天氣，亮度溫度TBB和回波強度的判別指標可能略有差異。由于篇幅限制，本文未對兩次強對流天氣的水汽條件、閃電定位資料、輻合輻散等情況進行分析。

[1]丁一匯.高等天氣學[M].北京:氣象出版社,2005:309-311.

[2]易笑園,李澤椿,孫曉磊,等.渤海西岸暴雨中尺度對流系統的結構及成因[J].應用氣象學報,2011,22(1):23-31.

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Analysis of the characteristics of two severe convection weather on the west bank of the Bohai sea

YU Zhi-ming1，ZHOU Yan-jun2，WANG Si-yao1

（1.Tangshan City Meteorological Bureau,Tangshan 063000 China;2.Qinhuangdao City Meteorological Bureau,Qinhuangdao 066000 China）

Based on the data of Micaps,sounding,satellite cloud picture and radar,the two severe convection weather on the before dawn of september 1,2011 and afternoon of september 27,2012 in the west bank of Bohai are analyzed from the circulation feature,unstable energy,cloud image feature,radar echo in order to improve the quality and timeliness of forecast of convection weather.As a result,two weather processes both took place rainstorm,strong winds and hail weather,before dawn of september 1,influence system were upper trough and shear line,the main disastrous weather was strong winds,in the afternoon of september 27,influence system were low vortex and frontal surface,the main disastrous weather were rainstorm and hail.Both of the two weather processes had a certain unstable energy,the lower Black Body Temperature(TBB)indicated the greater probability of severe convection weather occurred.Less than-42℃of the TBB of convective cloud cluster indicated rain,the area,less than-52℃of the TBB of convective cloud cluster,occurred heavy rain or rainstorm.The intensity of radar echo larger than 35 dBz corresponded to the thunderstorm area,and the intensity of radar echo larger than 45 dBz better corresponded to the hail and severe convection weather.

west bank of the Bohai sea;convection weather;satellite cloud picture;radar echo;forecast and alerts

P458.1

A

1003-0239（2017）01-0057-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.01.007

2016-02-01；

2016-06-17。

環渤海區域科技協同創新基金（QYXM201502）；河北省氣象局科研開發項目（ZC1303）。

于志明（1964-），男，工程師，本科，主要從事海洋預報服務與災害天氣研究。E-mail：qasqxjyzm@163.com