第四章强对流天气预报

第四章强对流天气预报学习要点本章首先介绍了我国强对流天气的时空分布特征，介绍了常见的中尺度对流系统，重点介绍了短历时强降水、冰雹、雷暴大风、强雷电等强对流天气的短期、短时临近预报技术方法。强对流天气通常是指伴有短历时强降水、冰雹、雷暴大风、强雷电等强烈的灾害性天气现象。造成这类天气的强对流天气系统有时称之为强雷暴或强风暴。由于强对流天气具有突发性强、持续时间短、局地性强、破坏力大等特点，对其进行定点、定时、定量预报的难度相当大，就目前的预报方法和技术水平而言，还较为匮乏。因此，加强对强对流天气系统活动规律的认识，丰富预报预警手段，提高预报准确率是亟待解决的问题。4.1强对流天气的定义和时空分布4.1.1定义和标准划分4.1.1.1短历时强降水与一般性暴雨不同，短历时强降水突出的是一个短字。一般的暴雨是指24h降水量为50mm；而对于短历时强降水，一般指连续1h降水量R≥20mm，降雨强度（雨强）较大的降水。2007年7月18日山东济南特大暴雨，3h降水量达到153.1mm；2004年7月10日，北京出现20年来罕见的暴雨，丰台气象站1h降水量达到52mm；2008年8月25日，上海遭遇强暴雨袭击，徐汇区自动站1h降水量为117.5mm，创下1872年有气象记录以来的最大值。到52mm；短历时强降水常常造成城市积涝，交通严重拥堵。发生在山区的短历时强降水甚至会造成山洪、泥石流、滑坡等灾害，造成重大伤亡和财产损失。如2005年6月10日沙兰镇暴雨造成的山洪灾害，2010年8月7日舟曲暴雨造成的特大泥石流灾害。52mm；4.1.1.2冰雹降雹过程的强弱，常常用冰雹直径大小和单位面积内雹粒多少来衡量。一般将降雹分为弱、中、强三类：弱降雹指冰雹直径D≤10mm，轻微灾害；中等强度的降雹指冰雹直径10mm＜D≤20mm，且有大风报告，灾害程度中等；强降雹的指冰雹直径D＞20mm，且有大风报告，灾害程度较为严重，俗成大雹。2003年4月12日9:30—22:00，江西出现强对流天气，最大冰雹直径达30mm，密度为每平方米500多个，并伴有雷雨大风，瞬时风速为30m/s。冰雹对农作物及果树等造成极大破坏，损失惨重。2005年5月31日14:00—15:00冰雹自西向东横扫北京城区，南郊观象台最大雹块直径达50mm，冰雹的最大平均重量为37g，为历史罕见，造成近9万人受灾，直接经济损失4000余万元。4.1.1.3雷暴大风在出现雷雨天气时，凡观测站出现≥17m/s或风自记中出现≥17m/s记录的（即7级以上大风）确定为对流性强风。为了与系统性大风区别，这类大风常被称作雷暴大风或雷雨大风。2004年7月12日17:30—19:30，上海市发生了由飑线造成的雷暴大风，全市大多数自动站均观测到12m/s以上的大风，其中青浦区商塌镇17:38最大阵风达29m/s(11级)，造成人员伤亡和严重的经济损失。2006年4月28日14:00—20:00，山东省临沂等6市出现雷暴大风，济南和临沂的局部风力达到28m/s（10级）。大风造成农作物倒伏和果树落果，输电、高空设施受损，房屋毁坏，直接经济损失约9669万元。4.1.1.4强雷电与其它强对流天气相比，雷电是最常见的，时常伴随冰雹、对流性大风、短历时强降水出现。雷电（或闪电）分为云地闪和云间闪。目前我国多数闪电定位系统只能监测云地闪（如ADTD型闪电定位系统），只有少部分闪电定位系统可以同时监测云地闪和云间闪（如SAFIR3000型闪电定位系统）。在没有科学的探测雷电设备之前，电闪雷鸣的观测是依据观测员的耳听眼看，因此，雷电的落区和强度很难准确判定。目前，闪电定位系统已经可以较准确地给出雷电的位置和次数；大气电场仪能够给出雷电发生时段大气电场的变化。目前由于雷电探测数据的精度受设备仪器本身精度的限制，不同地区的数据很难在一起比较；但是，就某一地区而言，用雷电频数（即某一时间内雷电个数）或密度（即单位面积内的雷电个数）来衡量雷电强度是可行的。按行政区，如2007年8月8日陕西中部超强雷暴天气，10min地闪数超过1100次，是陕西有雷电记录以来最强的一次，造成2人雷击身亡。就对流系统整体而言，2004年9月6日京津冀地区强雷暴过程，在MCS内地闪最活跃阶段每6min内测得地闪次数218个；最大地闪密度（单位网格大小：5′×5′）36个/格6min。隐藏4.1.2时空分布特征由于雷电是强对流天气中最普遍的、最常见的、最基本的现象之一，因此可以通过雷电在我国的地理分布，了解强对流天气的分布。详情进入图4.1是卫星观测的1995—2005年闪电密度分布图（网格为0.5º×0.5º的闪电密度分布），反映了以下主要特征：⑴中国陆地东部湿润地区为闪电密度高值区，闪电密度随纬度升高而下降；西部寒旱地区则是闪电密度的低值区；广西、广东、云南、四川、江西、台湾等省为闪电高密度省。⑵闪电密度高值带与中尺度地形（山脉高度、尺度、走向）有关。在西部地区，高值带主要分布在祁连山南麓青海湖地区、天山向西的伊犁河谷以及唐古拉山与念青唐古拉山两山之间的盆地；而在东部地区，高值区经常出现在南北或东北-西南走向、海拔500～1500m的中尺度山脉和丘陵地区附近。⑶在海滨100km内的海陆过渡带上，平均闪电密度随海陆距离增加而升高，从南到北，在一系列有山体和丘陵地形隆起的大城市等地区出现闪电密度高值中心，这和海陆风、山谷风或与城市热岛效应相互作用有关（马明等2004）。对于特殊地理位置的小区域而言，闪电的时空分布具有特殊性。闪电定位系统监测图4.2是利用M2LDARS闪电定位系统监测的北京及其周边地区1995—1997年6—9月闪电活动的空间分布（网格为10km×10km的闪电密度分布）。可见，地闪活动主要分布在北、西北、东、南和东南方向。高值密度的分布有两个较为集中的区域，一个是山区，一个是海滨，即在北京的山区和天津的滨海地区出现强对流天气的可能性较高。地闪活动在1d内的分布情况图4.3（资料来源同图4.2）是地闪活动在1d内的分布情况。可见，闪电活动在时间分布上存在两个峰值时段：13:00—21:00和23:00—次日05:00。也就是说，主峰值时段出现在下午到傍晚，次峰值时段出现在夜晚到凌晨，而上午是闪电活动的低谷。冰雹天气的空间分布冰雹是强对流天气之一，从图4.4可见我国冰雹天气的空间分布（1961—2009年我国年平均冰雹日数）。福建沿海和海南岛的个别测站在整个研究时段内都未出现降雹；淮河流域至华南的大片区域中，除云南和贵州西南部的部分地区年冰雹日数在1～3d外，其它地区年冰雹日数不到1d。同样，新疆中西部的大部分测站年冰雹日也不到1d。青藏高原是我国年冰雹日数最集中的地区，大部分站年冰雹日在5～10d之间，部分站超过10d，其中那曲和班戈两站分别达33.9和31.5d，是研究时段内所有测站冰雹日数最多的地区。东北地区和华北年冰雹日都在1～3d，其中，山西和河北北部年冰雹日达到3～10d。由此可见，我国冰雹的分布大体沿山系伸展，最多的地区是青藏高原，其次为大兴安岭至太行山一带。另外，天山、祁连山、长白山、云贵高原等地也是冰雹较多的地区。就我国冰雹天气的时间分布看：按照中央气象台目前业务中常用的划分标准，将全国分为8个区，分别为新疆、西北地区东部、华北、东北、青藏高原，西南地区东部、长江中下游和华南。图4.5给出了不同地区各月冰雹日数占全年冰雹日的比例。对全国而言，冰雹日主要集中在5－9月，这5个月的总冰雹日占全年冰雹日的84％，其中又以6月为冰雹盛行月。在35˚N以北的四个区域，冰雹日也主要集中在5－9月，均占全年冰雹日的88％以上，且亦以6月居多。其中新疆、西南地区东部和华北冰雹日的季节变化呈单峰型；而东北地区冰雹日的季节变化为双峰型，5－6月为冰雹多发期，7－8月减少，9月冰雹日又有所增加。在35˚N以南的地区，冰雹日分布情况有很大不同。在青藏高原地区，虽然5－9月也是一年中冰雹日数最多的5个月，但相比北方地区而言，5月的冰雹日明显偏少，6－9月冰雹日数量整体相当。对西南地区东部而言，整个夏半年（4－10月）的冰雹日都比较均匀，其中以5－6月和9月为最多，也呈现出双峰型的季节变化特征。而在长江中下游和华南地区，冰雹最多发的季节为2－4月，夏季冰雹日较少。从冰雹在1d中出现的时间上看：全国平均而言，冰雹主要发生在12:00—21:00，尤其是午后至傍晚这一时段。对于35˚N以北的区域及青藏高原、西南地区东部，其冰雹发生的主要时段与全国平均状况类似。对于长江中下游，冰雹发生的最多时段虽然也集中在15:00—18:00，但1d之中出现冰雹的时段相对均匀，集中时段以外其他时刻发生的冰雹频次明显多于其他地区。对于华南地区，冰雹也主要集中于15:00—19:00，但其他时刻冰雹发生的频率也相对较高，仅次于长江中下游地区。除全国范围内冰雹分布具有明显的特点，在小区域内，冰雹的发生也具备各自的特点。如北京地区冰雹时空分布就具有如下时空分布特征：山区冰雹发生频率和平均冰雹日明显大于城区，且以西北部最大，东部和西部次之，南部最少。从时间分布来看，北京地区冰雹具有明显的年、季、月和日变化特点，虽然呈现年际间上下波动的不稳定性，但20世纪80年代以来，总体呈现下降趋势；从季节来看，夏季冰雹发生占全年总站日次数的66．4％，春季19．0％，秋季14．5％，冬季0．2％；从月份来看，5—9月冰雹占全年总数的93．3％，其中6月份发生最频繁占32．3％；按昼夜分，白天冰雹占84．3％，晚上15．7％（摘自叶彩华等2007）。4.2常见的中尺度对流系统中尺度对流系统MCS（MesoscaleConvectiveSystem）是强对流天气的载体，泛指水平尺度为10～2000km左右的具有旺盛对流运动的天气系统。Orlanski(1975)按尺度将MCS划分为α、β、γ三种中尺度。α中尺度对流系统（MαCS）水平尺度为200～2000km，β中尺度对流系统（MβCS）为20～200km，γ中尺度对流系统（MγCS）为2～20km。按对流系统的组织形式分为三类：孤立对流系统、带状对流系统以及圆形对流系统或中尺度对流复合体MCC(MesoscaleConvectiveComplex)。孤立对流系统有三种类型：⑴普通单体风暴；⑵多单体风暴；⑶超级单体风暴。带状对流系统最典型的代表就是飑线系统。4.2.1MCC或圆形MCS中尺度对流复合体MCC是20世纪80年代初从增强显示卫星云图分析中识别出来的一种α中尺度系统，通常是以云顶亮温TBB（BlankBrightTemperature）≤-52℃或≤-32℃的等值线圈定的范围作为MCC的面积。详情进入MCC的最大特征是有一个范围广、持续长、有着近似于圆形的冷云罩，其下覆盖的是塔状积云、对流群或β中尺度飑线对流系统。MCC是一种生命期长达6h以上，TBB≤-52℃的面积大于5万平方公里，水平尺度比雷暴和飑线大得多的近似于圆形的巨大云团，其云顶亮温TBB很低，有些可达-72℃以下，表明其内部塔状积云很高，经常可达到十余公里。圆型的MCS虽然也有圆型的冷云罩，但其冷云罩TBB≤-52℃的面积小于5万平方公里或者达到这一范围而圆型结构维持的时间短，不足以达到MCC的生命期。Maddox（1980）以云顶亮温TBB≤-32℃或≤-52℃等值线包围的区域来识别MCC，并对美国10个MCC进行了合成分析，认为成熟的MCC具有以下特征：⑴在对流层中下层（700hPa附近）有从四面八方进入系统的相对入流；⑵云盖下部最强的β中尺度对流系统通常出现在系统移动的右后侧，有时呈线状排列，平行于系统移向。大面积的轻微降水和阵雨通常出现在强对流区的左边；⑶MCC出现在强暖平流区及低空偏南气流最大值前沿明显的辐合区；⑷MCC具有对流层中层暖心结构，在潜边界层中是一个冷核，对流层上层是个冷核。2003年6月22日—23日，淮河流域到长江中下游地区出现大范围的暴雨过程。湖北境内出现大暴雨，黄陂2h雨量达到78.5mm；安徽境内的浣县瓦房村出现龙卷