张家界冰雹大风灾害性天气特征与个例分析(陈孟琼)

[作者简介]陈孟琼（1970-），女，高级工程师，长期从事短中期天气预报工作张家界冰雹大风灾害性天气特征与个例分析陈孟琼1王林1朱晓翔1张瑞1刘剑桥2（1.张家界市气象局，427000；2.湘西州永顺县气象局，416700）[摘要]研究灾害性天气的形成机理和变化规律，已成为气象部门进行气象灾害预测预报和防灾减灾的基础。本文对张家界冰雹大风灾害性天气进行了统计分析,并针对典型个例进行了天气学分析和物理量场诊断分析。主要研究结果如下：张家界冰雹特征，50年代始冰雹次数明显增加，并且出现递增趋势。最早出现于1月，3月突然增多，4、5、6月为一年中出现冰雹最多时期，7、8月明显减少，9月以后基本上不再出现。春季为最多，占总次数的53%，夏季次之，占总次数的42%。降雹出现时间，以下午为最多，占总次数的60.5%，主要集中在15-18时；其次在夜间较多，主要集中在00-04时，占总次数的35.5%。张家界大风的特征，以桑植历年平均4.0d为最多，永定历年平均3.3d为次多，慈利历年平均2.6d为最少。大风以7、8两月的热雷雨大风为最多，4月的寒潮大风次之。热雷雨大风的路径同冰雹路径是一致的。2011年7月28日张家界出现一次强对流天气过程，通过从大气环流背景，中小尺度天气系统，以及强对流天气发生前后的水汽条件、不稳定能量条件、抬升条件和多普勒雷达资料进行综合分析，得出结论：欧亚中高纬为两脊一槽形势，西北地区东部高原上短波槽快速东移下滑，副高北侧偏西暖湿气流与北支槽携带的冷空气在湘西北交绥，为强对流的发生提供潜在不稳定条件；地面中尺度辐合线、地面温度梯度大值区等中小尺度天气系统和高空探空资料的分析是预报强对流天气发生区域的关键，强对流发生区域位于CAPE值梯度大值区附近；水汽和不稳定能量条件是发生对流性天气的内因，而抬升条件则是外因。外因是变化的条件，内因是变化的根据，外因通过内因而起作用。多普勒雷达资料的监测分析是强对流天气短时临近预报预警的主要技术手段。[关键词]张家界冰雹大风统计分析诊断分析引言张家界市属中亚热带山原型季风性湿润气候区，受地形复杂、海拔、植被等因素的影响，另加季风作用，气候复杂多变，干旱、洪涝、大风、冰雹等灾害性天气频繁，并具有梯带气候明显、小气候多样的特点。气象灾害的频繁发生及其所引发的生态、环境、交通、地质等次生衍生灾害对人民生产生活和国民经济发展各个方面的负面影响越来越大，损失程度越来越重。据不完全统计，平均每年因气象灾害造成的直接经济损失高达1.5亿元以上。1冰雹大风统计分析1.1冰雹时空分布特征1.1.1降雹日数在20世纪的年代际变化据1901—2000年资料统计表明，张家界市共有36年出现冰雹灾害，为三年一遇。100年共出现降雹70次，每年出现0.7次。50年代始冰雹次数明显增加，并且出现递增趋势。50、60年代出现各6次，70年代出现17次，80年代出现10次，特别是90年代降雹日数增至21次。这种年代际变化，与20世纪气候变暖导致极端天气、气候事件发生频度增加的总体变化趋势是一致的。1.1.2降雹日数的季节变化规律据1970-2005年资料统计，张家界市共出现降雹62次。最早出现于1月，3月突然增多，4、5、6月为一年中出现冰雹最多时期，7、8月明显减少，9月以后基本上不再出现。春季为最多，占总次数的53%，夏季次之，占总次数的42%，秋、冬两季仅占总次数的5%。1.1.3降雹的日变化和持续时间张家界降雹出现时间，以下午为最多，占总次数的60.5%，主要集中在15-18时；其次在夜间较多，主要集中在00-04时，占总次数的35.5%；上午很少,仅占总次数4.0%。一次降雹过程的持续时间与冰雹强2度呈现出正比关系，小尺度冰雹强度弱、持续时间短，一般约2～6分钟；大范围冰雹强度强，持续时间长，一般15分钟左右，最长持续时间可达30分钟以上。1.2大风时空分布特征统计张家界市1956-2010年的大风资料，以桑植历年平均4.0d为最多，永定历年平均3.3d为次多，慈利历年平均2.6d为最少。大风以7、8两月的热雷雨大风为最多，4月的寒潮大风次之（图1）。在张家界，风灾与地形地貌有着密切的关系，慈利地形较桑植、永定开阔，多寒潮大风，桑植山高林密,多雷雨大风。澧水、溇水河谷和峡谷的大风比开阔的平坝地区多。热雷雨大风的路径同冰雹路径是一致的，而寒潮大风则是沿着澧水溇水河谷自东向西而行，且是大范围的。00.20.40.60.811.2123456789101112月份平均次数d永定慈利桑植全市图1张家界市各气象台站1956-2010年大风天气的月平均日数统计图2个例分析2.1天气实况与灾情2011年7月27日凌晨01:30至03:00，张家界市桑植县东北部、慈利县西北部10多个乡镇遭受雷雨大风、局地冰雹、短时强降水等强对流天气袭击，瞬间最大风速达10-11级，冰雹最大直径约为10-40mm，降雨量达到暴雨量级。27日凌晨至中午时段，常德市澧县、石门等地遭受局地暴雨的袭击。灾情主要特点是：桑植县风雨雹交加，持续时间长，房屋瓦片受损大，树木折断、电线杆倒伏，烟叶损失严重；武陵源区和慈利县风雨强度大，来势猛。据民政部门统计，张家界全市共造成15.18万人受灾，紧急转移安置3620人；农作物受灾面积5120.0公顷，绝收501.0公顷；倒塌房屋129.0间，损坏房屋766.0间；直接经济损失2990.0万元。2.2天气背景2.2.1大气环流分析2011年7月26日20时，500hPa高空天气图上，欧亚中高纬为两脊一槽，里海和鄂霍次克海为高压脊，巴湖－贝湖东南部－我国东北地区为宽广的低槽，西北地区东部高原上有短波槽快速东移下滑，副高呈带状分布，东经100°以东，副高脊线在北纬25°一线，副高北侧偏西暖湿气流与北支槽携带的冷空气在湘西北交绥，触发了这次强对流天气的发生。2.2.2中小尺度天气系统分析从图2可以看出，2011年7月26日20时地面天气图上，湘西北存在一中尺度辐合线，南北两侧为一暖一冷两个气团，强对流发生在地面辐合线及锋区位置（温度梯度最大区域，≥10℃）；同时次的高空天气图，200hPa有一支强盛的偏北冷平流经过湘西北（强对流发生区域），500hPa以下湘西北为槽前西南气流影响，显示湘西北上空对流层－平流层具有强烈的垂直风切变；地面及低层切变线以东西向为主，越往高层，低槽和切变线走向的南北分量越大，说明有冷平流存在。3图22011年7月26日20时天气图综合分析2.3物理量诊断分析2.3.1水汽条件分析该次强对流天气过程发生前后大气平均相对湿度场（图略），26日20时至27日14时，贵州北部经湘西北至湖北东部维持一条西南-东北走向的大气平均相对湿度高值区，湘西北上空大气平均相对湿度维持在50%左右，说明大气中水汽条件相对较好。可降水量表示从地面直到大气顶的单位截面大气柱中所含水汽总量全部凝结降落到地面可以产生的降水量。在较强的降水系统中，特别是雷雨中，实际降水量往往显著超过可降水量，这是因为含有大量水汽的空气不断向降水系统中辐合造成的[1]。分析该次强对流天气过程发生前后可降水量（图3），26日20时至27日14时，沿30°N附近长江中游地区出现两个可降雨量大值中心，湘西北位于东部大值中心（65mm）的西南部，说明垂直大气中水汽含量较高，为强对流天气的发生发展提供了较好的水汽条件。4图3可降水量分布图(a26日20时；b27日02时；c27日08时；d27日14时)2.3.2不稳定能量条件2.3.2.1K指数7月26日20时，K指数≥40℃的中心区域在川东北-湘西北，同时此区域上空850hPa的露点温度≥20℃，鄂西-湘西北的地面露点温度≥24℃。表明强对流天气发生前，湘西北为高温高湿的不稳定大气所控制。2.3.2.2对流有效位能CAPE值对流有效位能CAPE值是气块在给定环境中绝热上升时的正浮力所产生的能量的垂直积分，是风暴潜在强度的一个重要指标。在T-lnP图上，CAPE正比于气块上升曲线和环境温度曲线从自由对流高度至平衡高度所围成区域的面积。从图4可以看出，强对流发生前（26日20时），湘中偏北地区为一对流有效位能CAPE高值区（2000J/kg），中心值达到2800J/kg，北纬30°附近为CAPE梯度大值区，长江以北为CAPE低值区（600J/kg），表明强对流发生前整个湘西北地区均为不稳定大气控制，而长江以北为相对稳定大气所控制，强对流发生区域位于CAPE梯度大值区附近；强对流发生时（27日02时），湘西北地区CAPE值迅速减小至400-1200J/kg，CAPE值大值区明显南压且范围缩小强度减弱。图4对流有效位能CAPE分布图(a26日20时；b27日02时)2.3.2.3对流抑制能量CIN值对流抑制能量CIN值是把气块抬升到LFC位置（自由对流高度）必须对气块所做的功。在T-lnP图上，CIN正比于从气块起始位置到LFC间的状态曲线（红色线）与层结曲线（蓝色线）所围成的面积。由对流抑制能量CIN分布图（图略）可知，强对流发生前（26日20时），宜昌至湘西北有一绝对值5在30-60J/kg的CIN负能量低值区，意味着该区域单位质量的底层气块只需克服30-60J/kg的阻力就可以达到有效对流高度并形成对流。强对流发生时（27日02时），该区域仍然维持一东北西南向的CIN负能量低值区，但CIN绝对值已经上升至100J/kg左右。强对流天气过后的27日08时，在湘西北地区已经看不到明显的CIN负能量低值区。2.3.3抬升条件分析沿1100E做垂直速度剖面图分析（图5），26日20时湘西北700hPa以下已有上升运动发展，中上层为下沉气流，27日02时上升运动快速发展到400hPa高度，最大上升速度达到-0.5*10-4hPa/s，此时强对流处于快速发展阶段。26日20时至27日14时，沿300N附近长江中游地区出现两个大气可降雨量大值中心，湘西北位于东部大值中心西南部，中心大气可降水量达到65mm,说明垂直大气中水汽含量较高。图5沿1100E垂直速度剖面图(a26日20时；b27日02时)水汽和不稳定能量条件是发生对流性天气的内因，而抬升条件则是外因。外因是变化的条件，内因是变化的根据，外因通过内因而起作用。2.4多普勒雷达资料分析2.4.1风暴的生消演变使用常德多普勒雷达组合反射率因子强度回波，追踪这次强对流天气过程对流风暴的生消演变过程可知，这次过程实际上是由一次飑线的初生发展、成熟和减弱消亡过程引起（图6），共持续约120min，主要影响张家界北部、中东部、常德东北部和北部等地区。（1）初生发展阶段（01:32～02:09）：01:32，在张家界桑植县东北部和常德澧县北部分别有超级单体风暴出现（分别用A、B表示），最大回波强度均达到60dBZ，至01:50，位于桑植东北部和澧县北部的强回波都得到迅速发展，桑植东北部强回波A向东偏南方向移动，迅速接近澧县北部强回波区B，初步形成由西南部多单体和东北部多单体组成的结构松散的飑线，至02:09，形成一条完整的东北-西南向飑线系统，这时位于澧县的强回波达到最强。（2）成熟阶段（02:21～02:46）：飑线的西南部一端（A段）不断有新的对流单体生成并发展，使飑线不断加强发展并维持，影响张家界中东部地区，但在飑线的东北部一端（B段），位于澧县的回波强度呈减弱趋势。（3）减弱消亡阶段（03:04～03:29）：随着飑线逐渐东移南压移出张家界市，飑线内对流单体回波强度迅速减弱，此后主要影响常德地区。由上述分析可知，这次飑线过程，主要是由位于桑植东北部的超级单体风暴（A段）不断发展东南移动引起的，而位于澧县的超级单体风暴（B段）很少移动，飑线成熟阶段也主要由飑线的A段（主要位于张家界境内）部分不断发展有新生对流单体补充才得以维持，随着A段减弱东移，整个飑线也减弱消失。飑线的演变过程与实际出现的天气现象有很好的对应关系，张家界北部、中东部地区10多个乡镇出现雷雨6大风和局地冰雹、短时强降水等多种灾害性天气现象，而澧县同时间主要受到持续强降雨的袭击