青海东部农业区短时强降水要素特征分析.pdf

152青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY0 引言短时暴雨形成原因和物理机制极其复杂1，作为我国最严重的气象灾害之一，其出现时极易引发各类衍生灾害2。由于短时强降水发生的天气系统尺度小、发展快，目前利用常规观测资料难以捕捉，对其发生、发展和影响区域与范围的定点、定时、定量十分困难3，因此基于小时加密地面资料对出现短时强降水的自动站所观测的物理量在过程发生前后的变化特征进行详细分析,可以对短时强降水的临近预报及预警提供参考。青海东部农业区短时强降水符合中小尺度天气特征，对于大雨天气过程贡献明显，在过程前变温下降，变压和变湿逐渐上升，引入短时暴雨预报指标进行试报后，预报准确率不够理想4，因此预报中还需与云图和雷达资料相结合，进一步提高预报准确率。1 资料和方法选取小时降水量 20mm 的国家站短时强降水个例作为分析对象，筛选出 2016-2020 年短时强降水个例21个，利用自动气象站的逐小时地面气象要素填图、FY-2 和 FY-4 卫星云图资料、多普勒雷达资料对青海东部农业区短时强降水发生前和发生过程中的地面要素变化及云图和雷达特征进行统计和分析。2 时空分布特征从降水的时间分布来看，2016-2020 年青海东部农业区短时强降水多数发生于 8 月中下旬，其中 12 例出现在白天（08 时至 20 时），多数在午后至傍晚；9例出现在夜间（20 时至翌日 08 时）。从空间分布看，东部农业区发生短时强降水的频作者简介:晁乾红(1998-),女,助理工程师,主要从事天气预报工作。E-mail:。青海东部农业区短时强降水要素特征分析晁乾红 张变变 赵明璐 车 婧（青海省气象台，西宁 810001）摘 要：文章利用自动气象站的逐小时地面气象要素填图、FY-2 和 FY-4 卫星云图资料、多普勒雷达资料对2016-2020 年青海东部农业区短时强降水发生前和发生时的要素变化进行综合分析，结果如下：青海东部农业区短时强降水北多南少，多数发生于 8 月中下旬，其中午后至傍晚发生频率更高；短时强降水过程前具有升压、降温、增湿的特征，前 1 小时比前 3 小时的特征变化更明显；七成以上短时强降水发生时段从低到高各层垂直上升速度均为负值，另外地形辐合抬升对于降水有很大贡献；红外云图特征可分为椭圆状云团、带状云系、斜压叶状或逗点云系三类，降水强度与相当黑体亮温呈反比；短时强降水时段的强回波质心高度偏低，组合反射率、垂直液态水含量和回波顶高与降水量基本呈正比。分析结果可为未来青海东部农业区短时强降水的临近预报及预警提供参考依据。关键词：东部农业区；短时强降水；卫星云图；雷达中图分类号：P426.6 文献标识码：A 文章编号：1005-9393(2023)03-0152-07153青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY率呈现北多南少的特征，其中大通发生频率最高，门源次之。3 地面要素分布特征对 21 个个例的逐小时及逐 3 小时地面变温、变压、露点、比湿、温度露点差及地面风场进行分析，可以发现短时强降水发生前有升压、降温、增湿的特点，且降水时地面辐合抬升明显。从地面气压和气温来看，短时强降水发生前1 小时 91的个例地面气压均有较为明显的上升，升压幅度在 0.23.4hPa,平均升压 1hPa；而前 3小时 62的个例有升压特征，平均升压 0.5hPa（图1）。89的个例在降水前 1 小时地面气温呈下降趋势，降温幅度在 0.610.2，平均降温 3.2；而前 3 小时有 74的个例地面气温呈下降趋势，降温幅度在0.611.4，平均降温2.7。相对而言，1 小时变压和变温对于短时强降水的预报更有意义（图 2）。图 1 短时强降水前 1 小时地面变压图 2 短时强降水前 1 小时地面变温从地面湿度条件来看，短时强降水发生前1 小时地面露点上升幅度在 03，普遍上升12；70的个例在降水出现前 1 小时地面比湿升高，上升幅度在 0.22.5g/kg，平均上升 1.2g/kg；前 3 小时有 67的个例地面比湿升高，上升幅度在 0.12.4g/kg，平均上升 1.0g/kg；降水发生时地面比湿在6.917.8g/kg，其中69的个例在12.8g/kg以上；此外，70的个例降水发生时的温度露点差均在5 以下（图 3）。154青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY对所选个例的地面风场进行分析，可以发现，在大部分个例中短时强降水时段地面均有较为明显的风场辐合上升运动。结合地形，由于青海东部农业区大部分站点均位于河谷、山谷之中，且地势西北高、东南低，地形辐合抬升对于强降水的贡献较大，以地形原因形成的西北风或偏北风与偏东风的辐合抬升居多（图 4）。图 3 短时强降水时的地面比湿及温度露点差 （a）2018 年 7 月 18 日 18 时 30 分地面风场 （b）2019 年 8 月 30 日 10 时地面风场图 4 个例地面风场情况4 垂直上升运动特征对 200hPa、500hPa 和 700hPa 的垂直上升速度进行分析可以发现，76的个例短时强降水时段各层均有较为明显的上升运动，其中 200hPa 的垂直上升速度在-3Pa/s-27.5Pa/s,500hPa 的垂直上升速度在-5Pa/s-26.5Pa/s，700hPa 的垂直上升速度在-0.5Pa/s-20.5Pa/s，强烈的上升运动是短时强降水的有利加成。5 卫星云图分布特征对所选个例的红外云图进行分析，主要的云155青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY图特征分为三类：第一类为椭圆状云团（图 5a），其中分为四种小类型，一为局地生成的小对流云团，二为青海北侧南下的积雨云团，三为青海北侧大面积的积雨云团尾部分裂出的小对流云团合并发展，四为青海南部和北部多个小对流云团合并发展；第二类为带状云系，表现为多个小对流云团合并为一大云带，边界形状表现为长条形，边缘清晰光滑，色调白亮（图 5b）；第三类为斜压叶状云系或逗点云系尾端分裂的云团，云系边缘光滑，中心区域呈亮白色（图 5c）。在这三种特征类型中，第一类特征居多，其他两类偏少，降水中心通常位于云团边界亮温梯度大值区。（a）2016 年 8 月 18 日 7 时 15 分红外云图；（b）2017 年 7 月 23 日 17 时 15 分红外云图；（c）2019 年 7 月 28 日 17 时红外云图图 5 个例卫星红外云图从相当黑体亮温（TBB）来看，降水强度在2030mm 的个例 TBB 在 201K（-72）至 269K（-4）之间，普遍在 220K（-53）上下；降水强度在 3040mm 的个例 TBB 在 203K（-70）至 241K（-32）之间，普遍在218K（-55）以下；降水强度在 40mm 以上的个例 TBB 在 200K（-73）左右或以下；短时强降水时段降水量与相当黑体亮温间的相关系数为-0.404，降水强度与相当黑体亮温呈反比（表 1）。156青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY表 1 短时强降水时段相当黑体亮温与降水量及两者间的相关系数个例/（年月日）降水量/mm相当黑体亮温 TBB/K2016080322.8225.802016081326.8218.382016081732.8203.552016081852.4200.302016082231.3217.912017062020.0218.942017072322.3205.482018071824.0201.002018082026.1236.742018082024.4230.042019062130.7241.002019062122.2269.002019072829.1226.002019081929.3201.002019083023.4251.002019090625.3245.002019091229.1222.002020081122.3238.002020082922.9218.00 相当黑体亮温与降水量间的相关系数 -0.4046 雷达回波特征对所选个例的雷达回波特征进行分析，可以发现：短时强降水时段的强回波质心高度在 26km，普遍在 24km，高度相对偏低，质心高度与降水量的相关系数为-0.395，呈反相关，即质心高度越低，降水强度越强；组合反射率（CR）在32.562.5dbz，普遍在 42.5dbz 以上，与降水量的相关系数为 0.205，呈正相关，即组合反射率越大，降水强度越强；基本反射率（R）1.5 仰角下在 23.557.5dbz，2.4 仰角下在 3960.5dbz，3.4仰角下在 22.557dbz；垂直液态水含量（VIL）在7.537kg/m2，普遍在 12.5kg/m2以上，且 VIL 与降水量的相关系数为 0.587，两者呈正相关，即空中液态水含量越多，降水的潜力越大；回波顶高（ET）在 6.517.7km，普遍在 12km 以上，与降水量间的相关系数为 0.338，回波顶伸展的高度与降水量基本成正比（见表 2），并且在降水结束后有明显的下降，回波顶高维持的时间与降水时段对应较好。157青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY7 结论（1）青海东部农业区短时强降水北多南少，多数发生于 8 月中下旬，其中大通发生频率最高，门源次之。（2）短时强降水发生前 1 小时地面气压平均上升 1hPa，地面气温平均下降 3.2；前 3 小时平均升压 0.5hPa，平均降温 2.7。相对而言，1小时变压和变温对于短时强降水的预报更有意义。（3）短时强降水发生前 1 小时地面露点上升12，地面比湿平均上升 1.2g/kg；前 3 小时地面比湿平均上升 1g/kg，降水发生时地面比湿偏高，普遍在 12.8g/kg 以上。（4）短时强降水时段从低到高各个层次均有明显的上升运动。此外，西北高、东南低地势下的地形辐合抬升对于降水过程贡献明显。（5）短时强降水过程中红外云图特征可分为椭圆状云团、带状云系、斜压叶状云系或逗点云系三类，其中第一类居多，其他两类偏少。（6）降水中心通常位于云团边界亮温梯度大值区，降水强度越强，相当黑体亮温越低。小时降水量在 2030mm 时，TBB 在 220K 上下；小时降水量在 3040mm 时，TBB 在 218K 以下；小时降水量在 40mm 以上时，TBB 在 200K 左右或以下。表 2 短时强降水时段的反射率因子、质心高度、组合反射率、垂直液态水含量、回波顶高及其与降水量间的相关系数个例/（年月日）降水量/mm反射率因子 R（dbz）质心高度/km组合反射率CR/dbz垂直液态水含量VIL/kgm-2回波顶高ET/km1.52.43.42016080322.850.050.050.04.052.518.014.02016081326.850.045.038.04.058.017.514.02016081732.850.060.556.54.557.537.017.72016081852.457.558.057.02.057.530.017.02016082231.355.058.053.02.062.517.514.02017062020.050.052.550.04.061.517.513.02017072322.350.050.548.03.052.512.514.52018071824.036.541.040.56.042.512.514.02018082026.123.548.052.04.052.57.511.52018082024.437.542.527.56.042.57.59.52019062130.731.539.027.55.037.512.58.52019072829.129.547.530.04.042.57.56.52019081929.338.042.538.54.037.512.58.52019083023.432.539.027.55.032.5-2020081122.335.039.037.54.0-7.5-2020082922.949.539.022.52.2-8.5各要素与降水量间的相关系数-0.3950.2050.5870.338158青海科技202303气象科技青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGYCharacterization of Short-Term Heavy Precipitation Elements in Agricultural Areas of Eastern QinghaiChaoQianhong,ZhangBianbian,ZhaoMinglu,CheJing（QinghaiProvincialMeteorologicalStation,Xining810001,China）Abstract：Useinghour-by-hourgroundmeteorologicalelementfillingmapsfromautomaticmeteorologicalstations,FY-2andFY-4satellitenephogramdata,andDopplerradardata，thispaperconductedacomprehensiveanalysisoftheelementalchangesbeforeandduringtheoccurrenceofshort-termheavyprecipitationintheagriculturalareaofeasternQinghaifrom2016to2020.Theresultsareasfollows:Short-termheavyprecipitationintheagriculturalareaofeasternQinghaiwasmoreinthenorththaninthesouth,mostlyoccurringinmidtolateAugust,withthehigherfrequencyofoccurrencefromlateafternoontolateevening.Theshort-timeheavyprecipitationwascharacterizedbytheincreaseofpressure,temperatureandhumiditybeforetheprocess,andthechangeofcharacteristicsismoreobviousinthefirsthourthaninthefirstthreehours.Morethan70%oftheshort-timeheavyprecipitationoccurswhentheverticalvelocityofeachlayerfromlowtohighisnegative,andthetopographicconvergencelifthasagreatcontributiontoprecipitation.Thecharacteristicsofinfrarednephogramcanbedividedintothreecategories:ellipticalcloudcluster,bandcloudsystem,obliquepressureleaforcommacloudsystem,andtheintensityofprecipitationisinverselyrelatedtotheBlackBodyTemperature.Theheightofthestrongechocenterofmassislowduringtheshort-timeheavyprecipitationperiod,andthecompositereflectivity,vertintegratedLilquidandechotopsarebasicallypositivelyproportionaltotheprecipitationamount.Theanalysisresultscanprovideareferencebasisfortheproximityforecastandearlywarningofshort-timeheavyprecipitationintheagriculturalareaofeasternQinghaiinthefuture.Keywords:AgriculturalareasofeasternQinghai;Short-timeheavyprecipitation;Satellitenephogram;Radar（7）短时强降水时段的强回波质心高度偏低，普遍在 24km；组合反射率普遍在 42.5dbz 以上；垂直液态水含量普遍在 12.5kg/m2以上；回波顶高普遍在 12km 以上，且回波顶高维持的时间与强降水时段相对应。参考文献:1王江山.青海天气气候M.北京:气象出版社,2004.2王莉萍,孙超作,杜世晔.“06.7”郧西暴雨天气的成因分析J.暴雨灾害,2007(3):261-265.3王鹤婷,郭立平,周贺玲,等.基于小时精细常规资料对廊坊69月短时强降水预报预警指标研究J.绿色科技,2020(2):32-35.4保广裕,李生辰,裴少阳,等.青海省东北部短时暴雨分析和预报方法研究J.青海科技,2011,18(3):58-61.