宿州市一次强对流天气的特征分析及预报检验

孟雅婷 张振宇 汪梦瑶 张颖

摘 要：利用常规高空和地面观测资料、区域自动站资料、多普勒天气雷达以及数值模式预报产品，从弥补短期预报的不足、提前服务以减轻其造成的灾害损失的角度出发，对宿州2021年6月30日一次强对流天气过程的天气背景、环境条件及触发机制进行系统分析。结果表明：此次过程500hPa形势是蒙古冷涡、东北冷涡的形势下配合高空浅槽东移，700hpa和850hpa切变线位于宿州北侧。强对流天气发生前大气层结极不稳定，上干冷下暖湿的垂直空间分布有利于对流不稳定层结的建立。多普勒雷达观测表明，此过程回波最强强度为66dBz，19∶14出现的阵风锋、22∶11出现的弓形回波和低层径向速度大值区与出现大风的区域有很好的对应。ECMWF、NECP等全球模式对大尺度稳定降水落区预报表现较好，但对其中对流天气组织化描述不足。GRAPES_3KM、华东区域等中尺度模式稳定性不如全球模式，但对对流尺度天气预报有优势。

关键词：高空冷涡;切变线;不稳定条件;雷达图像分析;数值预报检验

中图分类号 P458 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）02-0156-05

Abstract： Using conventional high-altitude and ground observation data， regional automatic station data， Doppler weather radar and numerical model forecast products.From the aspects of making up for the short-term forecast and providing services in advance to reduce the disaster losses caused by it，a systematic analysis of the weather background， environmental conditions and triggering mechanism of a severe convective weather process in Suzhou on June 30， 2021.The result shows：The 500hPa situation in this process is the Mongolian cold vortex and the northeast cold vortex， with the high-altitude shallow trough moving east， and the 700hpa and 850hpa shear lines are located on the north side of Suzhou.Combined with the analysis of environmental conditions， it is found that the atmospheric stratification is extremely unstable before the occurrence of strong convective weather， and the vertical spatial distribution of upper dry and cold lower warm and wet is conducive to the establishment of convective unstable stratification. Doppler radar observations show that the strongest echo intensity in this process is 66dBz， the gust front at 19∶14， the bow echo at 22∶11， the low-level radial velocity large value area and the strong wind area are very good. correspond. Comparative analysis of the results of multiple numerical forecasts shows that global models such as ECMWF and NECP perform well in large-scale stable precipitation areas， but the organized description of convective weather is insufficient. Mesoscale models such as GRAPES_3KM and East China are not as stable as global models， but they have advantages for convective-scale weather forecasting.

Key words： High-altitude cold vortex; Shear line; Unstable conditions; Radar image analysis; Numerical prediction test

1 引言

強对流天气是气象学上所指的发生突然、移动迅速、天气剧烈、破坏力极强的灾害性天气，主要有雷雨大风、冰雹、龙卷风、短时强降水等，具有局地性、时间相对集中、破坏性大的特点[1]。强对流天气由中小尺度系统引发，其特点是水平尺度小、生命史短、破坏力强。随着社会和经济的迅速发展，强对流天气给人民带来的气象灾害及次生灾害也越来越严重。宿州市处于黄淮平原南端，近年来强对流天气频发，严重威胁人民群众生命财产安全，如何做好强对流天气的准确预报预警有着重要而现实的意义。

强对流天气是天气预报工作的重点和难点，诸多学者针对强对流天气进行了大量研究。陈小婷[2]等对商洛一次致灾性短时强降水天气的中尺度特征进行分析，总结有益的预报着眼点。董春卿[3]等基于快速循环同化的华北睿图模式的探空分析场和预报场，总结山西强对流天气分类指标与判据。本研究利用常规高空和地面观测资料、区域自动站资料、多普勒天气雷达以及数值模式预报产品，从天气背景、环境条件及触发机制等方面对宿州2021年6月30日一次强对流天气过程进行系统分析，并对比分析各家数值预报产品，以期得出对此类强对流天气预报有指导意义的结论。

2 强对流天气实况

2021年6月30日18时至7月1日2时，宿州市部分地区出现了雷雨大风、短时强降水等强对流天气。该过程自西北向东南先后影响了宿州砀山县、萧县、埇桥区等地。砀山县东部、萧县东部和南部、埇桥区西部出现大雨到暴雨，降水量在25mm以上有34个站点，50mm以上（达到暴雨）有12个站点，最大雨量出现在萧县石林（84.5mm），最大1h雨强79.8mm（萧县石林）。砀山县、萧县、埇桥区共34个站点出现8级以上大风，8个站点达到9级，砀山站达到10级（24.8m/s），具体见图1。

本次强对流天气过程特点是单站风速较大，且部分站点小时雨强较大，部分站点达暴雨标准，属于灾害性天气，由于前期偏旱，此次过程有效缓解了宿州部分地区的旱情。

3 大气环流背景及天气形势分析

强对流天气常发生在有利的大尺度天气背景下，大尺度天气背景限定了中小尺度对流天气系统的强度、时空尺度、演变特征等[1]。图2是6月30日08时及20时环流形势，由图可知，6月30日08时500hpa高度场副热带高压主要控制西太平洋、南海地区，在其北侧有弱短波槽活动。蒙古冷涡位于蒙古中部，东北冷涡中心位于黑龙江省东部，高空有浅槽东移。700hpa和850hpa上宿州附近有风向辐合，沿江地区有暖式切变线存在。17时地面图上，宿州处低压带，受弱的低压倒槽的影响。20时宿州500hpa转为受浅槽控制，700hpa偏北气流加强，黄淮地区有冷中心存在;850hpa为弱暖脊控制，有偏南气流控制，且强度增强，风速8m/s，输送暖湿气流。700hpa和850hpa宿州北侧均有切变存在。高空的干冷空气堆积在低层的暖湿气流之上，“上干冷下暖湿”，呈现层结不稳定特征，有利于强对流天气的发生和发展。

4 单站探空和物理量场分析

6月26—29日宿州市地面气温偏高均超过34℃，高温为降水的发生提供了一定的热量聚集，为热能转化为动能提供强有力的支撑。从徐州站探空资料分析，有利于强对流的发生的环境条件：（1）30日08时，ΔT（850-500）为25℃，不存在逆温，自由对流高度（LFC）在3km以下，且中高层较干，低层较湿，0～3km、0～6km的垂直风切边较小，抬升凝结高度较低;（2）有强的对流有效位能，30日08时至20时CAPE值由875.5增至1880.6J/kg，且CAPE区域呈狭长形状，该形状为短时强降水T-lnp图的典型形式;SI指数-0.92变为-2.38，LI由-2.05变为-4.29，K指数由28.4增至40.3，表明对流层中低层存在热力不稳定层结，且大气层结不稳定条件明显增强;（3）整个温湿层结曲线形成向上开口的喇叭口形状，这种高低空配置下表征大气层结不稳定，高层冷干气流叠加在低层暖湿气流之上，有使层结不稳定度继续加大的趋势;（4）30日20时，1000hPa至850hPa风向随顺时针旋转，有暖平流;850hPa至700hPa逆时针旋转，低层有暖平流，中层冷平流，也是易形成强对流天气的典型特征;（5）850hpa到地面比湿均大于14g/kg，500hpa以下相对湿度大，对流层高层有明显的干空气层，具有“上干冷、下暖湿”特征。

综合分析，“上干下湿”“喇叭口”特征，中层存在干层，能量条件较好，有利于雷暴大风天气出现;高层、低层有湿层，抬升凝结高度较低，可能发生短时强降水;但0℃层较高（5km），0～6km垂直风切变较小，不利于大冰雹的产生。此次过程的环境条件有利于形成雷暴大风、冰雹等强对流天气，天气实况确实也出现了这2种强对流天气过程。

5 雷达回波演变特征

雷达资料是监测和分析中小尺度系统活动的有效工具，是短期预报的重要工具[4]。徐州雷达观测的0.5°仰角反射率因子回波时间演变图（图4：b、d、f）显示，6月30日18：00起，砀山北侧有强对流回波向东南方向移动，直到次日凌晨2点回波逐渐消散，此过程最大回波强度达66dBz，造成砀山县、萧县以及埇桥区部分地区出现短时强降水、雷雨大风等强对流天气。通过雷达图的各种特征分析，此次强对流过程以雷雨大风和短时强降水为主。

从徐州雷达观测的0.5°仰角速度图看出，19：08测站南部开始出现方向相反的速度区，由正速度将负速度包围。19：14基本反射率圖上可以看到1条阵风锋，此时砀山县境内有8个站点瞬时风速达7级，随后19：17砀山本站出现10级阵风。22：11—22：17埇桥境内有明显的弓形回波生成且后部有弱回波通道，表明存在强的下沉后侧入流急流，它可向下沉气流提供干燥的和高动量的空气，通过垂直的动量下传和增加的雨水蒸发，达到增加地面附近出流的强度。弓形回波指示了灾害性短时大风的区域和风暴进一步运动趋势。从22：11速度图可以看出，弓形回波后部区域出现大风速区，与实况有很好的对应。此次过程中，出现大风与强降水的时段与雷达回波都有很好的对应。

6 数值预报检验对比及思考

此次过程降水最强时段是30日20—23时，降水性质主要是对流性降水。通过模式预报与实况对比发现（图5），全球模式对于此次过程预报效果较差，ECMWF、NECP_GFS对于此次过程降水量以及阵风的预报也偏小，落区基本正确;GRAPES基本没有预报出此次降水。像中尺度模式：GRAEPS_MESO、GRAEPS_3KM和华东模式对50mm以上强降水有较好反应，但预报的落区范围较大，与实际有所偏差。绝大多数数值预报模式对稳定性降水的模拟能力优于对流性降水，对流越强烈，模式的模拟能力越弱，效果越差。综合来看全球模式对大尺度稳定降水落区表现较好，但对其中对流天气组织化描述不足，预报量级偏小。中尺度模式稳定性不如全球模式，但对对流尺度天气预报有优势。针对此类强对流天气，数值预报虽可以给短期预报提供较好的指示作用，但不可以过度依赖于数值预报的预报结果。

7 结论

（1）此次过程为蒙古冷涡与东北冷涡形势下，浅槽东移和低层切变的共同影响产生，中高空的干冷空气叠加在低层暖湿气流之上，呈现“上干冷下暖湿”特征，容易导致不稳定能量的积累，进而产生强对流天气。同时，雷雨大风易发生在切变辐合线的南侧。

（2）“上干下湿”“喇叭口”特征，中层存在干层，能量条件较好，有利于雷暴大风天气出现;高层、低层有湿层，抬升凝结高度较低，有利于出现短时强降水;但0℃层较高（5km以上），0～6km垂直风切变较小，不利于大冰雹的产生。

（3）过程期间阵风锋后侧以及弓形回波后部的弱回波通道是灾害性短时大风发生的区域，同时向反射率梯度大的区域移动。

（4）数值预报产品对不稳定降水预报效果较差。针对此类强对流天气，不可以过度依赖于数值预报结果。全球模式对大尺度稳定降水落区表现较好，但对其中对流天气组织化描述不足，预报量级偏小。中尺度模式稳定性不如全球模式，但对对流尺度天气预报有优势。

参考文献

[1]王伏村，李耀辉，牛金龙，等.甘肃河西走廊两次强对流天气对比分析[J].气象，2008，34（1）：48-53.

[2]陈小婷，彭力，邹长艳，等.商洛一次致灾短时强降水中尺度特征及预报预警分析[J].陕西气象，2021（2）：1-8.

[3]董春卿，武永利，郭媛媛，等.山西强对流天气分类指标与判据的应用[J].干旱气象，2021，39（2）：345-355.

[4]俞小鼎，摇秀萍，熊延南，等.多普勒雷达远离与业务应用[M].北京：气象出版社，2006.

（责编：王慧晴）