海北州短时强降水冰雹预报方法研究

2022-09-11

短时强降水和冰雹是海北州主要的灾害天气之一。其中, 冰雹常伴有强烈的雷雨和大风, 具有来势迅猛、破坏力强、影响范围广而局地性很强的特点。利用海北州近年的雷达回波历史资料, 分析总结冰雹雷达回波特征, 为海北地区预报预警冰雹灾害提供科学依据。

1 资料的选取及标准

利用海北州气象站点地面2004年5-9月和2012年5-9月自动气象站小时气象要素, 统计海晏、门源、刚察、祁连、托勒、野牛沟降水和冰雹及雷达等气象资料。规定:日降水量≥25 mm为大雨日, 日降水量≥50 mm为暴雨日;1 h降水量≥8.0 mm为短时大雨, 1 h降水量≥16.0 mm为短时暴雨水。其中, 短时大雨和短时暴雨统称为短时强降水。同时, 统计短时强降水天气出现时伴有的雷暴、冰雹和短时大风等资料。

2 短时强降水和冰雹的时空分布

2.1 时间分布

海北地区短时大雨、短时暴雨和大雨主要集中在7月和8月;而冰雹主要集中在夏季6-8月。短时强降水集中在15:00-23:00;冰雹集中在13:00-20:00。总体来看, 对于海北地区来说, 午后到前半夜是短时强降水多发的时段。

2.2 空间分布

冰雹的分布有3个中心, 一个是青海湖北部的刚察, 另一个是祁连山区的托勒、野牛沟, 还有一个在青海湖东侧的海晏。

2.3 与短时强降水冰雹相伴的天气

从海北地区6站短时强降水出现时伴随天气现象、持续时间和范围的频率可知, 短时强降水过程中伴有雷暴和冰雹等强对流天气出现的频率较高。

3 短时强降水的环流特征及影响系统

3.1 环流特征

造成短时强降水的天气环流形势主要有两槽一脊型、两脊一槽型、巴湖横槽型、西风气流多波动型等4种形势[1]。

3.2 关键区影响系统

在500 h Pa高空天气图上, 把25~45°N, 东经80~110°E的范围定为关键区, 在关键区内将影响系统分为3类, 其中高原低涡类是最多的一类, 其次高原低槽类, 西北气流类最少。

4 物理量场分析

4.1 散度场

短时强降水和冰雹天气出现前, 散度场上表现的比较零乱, 但一般表现为青海省海北地区随着短时强降水和冰雹天气的出现, 200 h Pa散度场上为弱的正散度, 500 h Pa散度场上为强的正散度, 700 h Pa散度场上强的负散度。

4.2 垂直速度场

短时强降水和冰雹天气出现前海北地区500h Pa为负垂直速度, 中心一般在-0.2 Pa/s的上升速度是非常常见的。

4.3 水汽通量场

短时强降水的水汽主要来源于孟加拉湾和西太平洋。短时强降水发生前高原中部地区96°E附近有一条非常强的自南向北的水汽输送带。同时, 由于冷空气入侵到高原北侧, 在高原东北部和中部之间形成一条东北-西南走向的水汽辐合带。在水汽输送带北部的东北-西南走向水汽辐合带进一步移近到暴雨区[2]。

5 地面气象要素变化特征

5.1 地面变压场分析

造成海北地区短时强降水的中尺度高压 (正变压) 生成的源地从祁连山区托勒附近;柴达木盆地东部的乌兰、茶卡;青海湖南部的共和、兴海附近等地区。生命史一般1~3 h, 最长5 h, 上述地区生成的地面中尺度天气系统常造成海北地区的短时强降水, 预报时效也只有2~3 h。

5.2 地面变温场分析

短时强降水出现前3 h开始青海省北部的祁连山区到柴达木盆地东部一带有负变温 (或弱的正变温) 中心发展东移, 随后青海省的东南部的玉树、果洛一带也有负变温 (或弱的正变温) 中心向东北方向移动, 两个负变温 (或弱的正变温) 中心前为正变温区 (即+△T1) , 正变温区的中心就是负变温移动的路径, 短时强降水就出现在变温递度较大、等值线较密集的地区。

5.3 单站水汽变化分析

短时暴雨出现前4 h水汽有明显增加过程, 随着降水的来临水汽增加不明显;逐3 h和6 h水汽的变化来看, 短时暴雨出现前2 h水汽有明显增加过程, 降水开始后水汽又趋向减少。而短时大雨出现前4 h水汽增加的特征比较明显, 随着降水的来临水汽增加和减少的趋势接近;逐3 h和6 h水汽的变化来看, 短时大雨出现前和1 h水汽的变化一致。

5.4 冰雹天气地面要素场

造成冰雹天气的中尺度高压 (正变压) 生成的源地有祁连山区托勒、门源附近;柴达木盆地东部的乌兰、天峻一带。生命史一般1~2 h, 最长3 h, 上述地区生成的地面中尺度天气系统常造成海北地区冰雹天气, 预报时效也只有2~3 h。

5.5 短时强降水冰雹预报预警指标

出现短时强降水和冰雹天气时与变压和变温逐小时变化有非常好的对应关系, 因此选择1 h变压和变温做为短时强降水和冰雹预报预警指标是可行的。当△P1≥0.1且△T≤0.1时, 有短时强降水和冰雹天气, 利用以上指标试报情况可知, 历史拟合率为67.7%。

6 雷达图上强对流单体指标

6.1 强降水的雷达回波指标

强降水回波径向速度指标:强降水的速度回波整齐、对称。强降水回波顶高指标:强降水回波顶高8~17km。强降水垂直液态水含量指标:最大垂直液态水含量来看出现强降水时3~30 kg/m2。强降水风廓线产品指标:强降水时暖平流为主的湿度层较厚, 可达2~6 km。

6.2 冰雹的雷达回波指标

冰雹回波强度指标:冰雹云的雷达回波强度最强, 强的能达60 d Bz甚至是65 d Bz以上。同时, 降雹时强回波中心较强降水处于中空或高度较高。冰雹径向速度回波指标:冰雹云雷达回波径向速度大于强降水时回波, 分布尺度冰雹云也很小, 径向速度等值线分布较密集, 切向梯度也较大。通过分析径向速度分析风速和风向的变化来确定冰雹云。同时冰雹云的径向速度回波中多存在中气旋。冰雹回波顶高指标:冰雹云雷达回波的高度也是最高的, 降雹时回波顶高均在工作9km以上, 且回波顶高会出现跃增现象。冰雹垂直液态水含量指标:降雹时最大值均超过25 kg/m2, 并且存在突然增大后减小的现象。

7 海北强对流天气预报、预警方法

7.1 海北强降水天气预报、预警

7.1.1 高原低槽型

天气形势:500 h Pa图上高原低槽在青海省西部, 印度半岛有南支槽存在, 锋区南压至海北州上空, 地面冷锋配合。卫星云图:面积较大的片状或带状云系自西向东移动, 但移速较慢, 在海北上空停滞时间也较长。雷达回波图:此种类型天气雷达回波上以混合云系为主, 强度40~45 d Bz。

7.1.2 副高东撤型

天气形势:500 h Pa图上青海省东部为稳定的西太平洋副高边缘的584线或586线控制, 西部为低槽活动。卫星云图:通常是由多个强对流云团在青海省西部生成, 东移过程中逐渐合并, 变成大片云系。雷达回波图:开始以对流单体为主, 强度45 d Bz以上, 高度也较高达8km, 随着底层低云的发展, 对流单体合并同时与低云叠置, 可转变为混合性降水回波。

7.2 冰雹天气预报、预警方法

7.2.1 海北冰雹天气预报、预警

(1) 高原冷槽型。天气形势:蒙古低压槽的存在及其配合的冷温槽的位置和强度, 一般应达到-20℃左右。若地面配合冷锋, 锋前暖空气易形成对流云而产生冰雹。卫星云图:对流单体发展合并为混合云系, 其中有较明显的对流云存在。雷达回波图上对流云的强度较强, 高度也较高达, 强中心的面积较大, 混合云中有强对流单体而产生冰雹, 而在降雹前都有明显的弱回波或有界弱回波区。

(2) 西北气流型。天气形势:新疆脊处于80~90°E, 脊前西北气流直达90°E附近。卫星云图:以对流云系为主, 有时几块对流云相结合增强。雷达回波图上对流云的强度、高度及强中心的面积值均较小, 但对流回波维持时间较长, 对流云生消交替发展, 有明显的弱回波区和V型缺口。此类型中冰雹可能与强降水、雷雨大风等天气一同出现。