强对流天气过程特征分析及对农业生产的影响与建议

作者简介 蒋姗姗（1989—），女，安徽亳州人，硕士，工程师，从事遥感应用与气象防灾减灾工作。

通信作者 徐玉秀（1989—），女，江苏连云港人，硕士，工程师，从事天气预报、预测研究。

收稿日期 2024-01-16

摘要 为探究强对流天气发生机理，更好地为农业生产提供气象服务，本文利用气象信息综合处理系统实况资料、自动站加密观测资料、MICAPS4平台资料、卫星和雷达资料，对2023年7月7日辽宁锦州地区的一次强对流过程的环流形势、对流不稳定条件、卫星和雷达特征进行分析。结果表明，此次过程是发生在东北冷涡天气背景下的强对流天气，高空东北冷涡加强，地面华北低压向东北移动，槽后冷空气补充，冷暖空气交绥，且垂直风切变较强，低层高湿高能环境为此次强对流提供充足的水汽和能量，促使出现了雷暴大风和短时强降水天气。同时，充分利用气象部门发布的农业气象灾害风险评估产品、预报预测产品，以应对强对流天气对农业生产的影响，做好低洼地带农田防护与排涝工作，做好病虫害防治措施。

关键词 东北冷涡；短时强降水；雷暴大风；雷达回波

中图分类号 P458.121；S165"" 文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）13-0103-05

强对流天气是指伴随雷暴现象的对流性大风（≥17.2 m/s）、冰雹和短时强降水等剧烈天气，具有突发性强、强度大、生命史短、局地性强和致灾性强等特点，是夏季东北地区主要的灾害性天气之一[1]。因此，强对流天气的预报既有难度，又是重点。目前已有许多学者对强对流天气进行研究，通常认为，短时强降水的发生需要较强的抬升运动、充足的水汽、热力不稳定层结以及适当的垂直风切变条件[2]，但不同区域所需的环境条件和具体对流参数阈值不尽相同[3-5]。何晗等[6]对冷涡背景下短时强降水的统计表明，降水主要集中在冷涡中心东南部和西南部。李爽等[7]认为，切变辐合与水汽输送结合是影响东北冷涡背景下短时强降水的重要因素。雷暴大风过程多伴有飑线，飑线过境时，气象要素剧烈变化，引起东北地区雷暴大风的弓状回波，其天气背景主要是东北冷涡和高空槽，中等的对流不稳定度和垂直风切变，中层存在明显干层[8]，而中到强的垂直风切变下形成雷暴大风的过程中，大范围的雷暴大风多由沿着飑线的弓形回波造成[9]。

本文利用气象信息综合处理系统实况资料、自动站加密观测资料、MICAPS4平台资料、卫星和雷达资料，对2023年7月7日傍晚至夜间辽宁锦州地区出现的强对流天气过程的环流形势、对流不稳定条件、卫星和雷达特征进行分析，分析有利于此次强对流天气的条件，为气象预报和服务提供参考。

1 材料与方法

1.1 天气实况

研究区位于辽宁锦州地区，2023年7月7日17：00到8日5：00，研究区陆续出现一次强对流天气。气象信息综合处理系统实况资料和自动站加密观测资料显示，强对流持续时间短，雨强大，以短时强降水为主，有62个区域自动观测站出现短时强降水（雨强≥20 mm/h），其中11个自动站小时雨强超过50"mm/h，最大1"h时降水量95.9"mm，为有气象数据以来的极值，最大累计降水量193.6"mm，均出现在研究区东北部黑山县芳山镇，强降水集中在18：00—22：00，累计降水量50"mm以上的有49个站，其中超过100"mm的有11个站，大暴雨区域主要集中在黑山县西北部。强对流过程同时伴有雷电、8～9级瞬时大风，且局部地区出现冰雹。

黑山县西北部强降水主要集中在18：00—20：00，18：00—19：00降水量超过20"mm的有12个区域站，其中有4个区域站1"h降水量超过50"mm。研究区东北部黑山县芳山镇降水量如图1A所示，其中最大整小时降水量95.9"mm，滚动小时降水量102"mm。从芳山镇逐5"min降水量（图1B）可以看出，此时黑山县降水强度很大，5"min最大降水量达到13.7"mm；20：00，降水强度略有减弱，但小时雨强依旧达到48.6"mm；21：00之后降水强度逐渐减弱。

1.2 环流形势和对流不稳定条件

利用MICAPS4平台提供的500和850 hPa天气图资料来分析此次强对流天气下的高空大气环流形势，包括高空槽、急流和东北冷涡及地面等压面等的强度，以及位置变化情况，以此体现此次强对流天气的环流特征。

利用锦州探空站的T-lnP探空结果、欧阳位温分析结果及相对应的物理量数据，分析此次强对流天气过程的大气环境特征及对流产生条件。

1.3 卫星云图

使用FY-4的红外卫星云图采集数据，使用软件Micaps 4.5进行数据处理，利用多时次对比分析方法对对流云团的发展、移动方向和云顶亮温等要素进行分析，来研究此次强对流天气的演变过程。

1.4 雷达回波特征

雷达数据使用的是锦州站的雷达监测数据，使用SWAN 3.0软件进行解译，利用时空对比分析方法对雷达回波形状、强度变化和移动方向等要素进行分析，来研究产生此次极端强对流天气的原因。

2 结果与分析

2.1 环流形势和不稳定条件分析

2.1.1 环流形势" 此次强对流过程发生在东北冷涡天气背景下，2023年7月7日8：00，东北冷涡加强，500 hPa冷涡中心位于内蒙古中部边境交界处，由冷涡中心延伸的槽线经过河北中西部，850 hPa低涡中心位于内蒙古锡林郭勒盟，由低涡中心延伸的冷切位于河北中东部，暖切此时位于内蒙古兴安盟、吉林白城和黑龙江大庆的连线上，西南气流较强，水汽条件充足。强对流在7日午后爆发，对流单体开始陆续发展、壮大，且逐渐往东北方向移动，18：00左右移至锦州黑山县。20：00，500 hPa冷涡中心略有东移，高空槽移至辽宁西部，850 hPa冷切略微东移，此时低空切变落后于高空槽，呈前倾槽结构，配合低空急流，最大风速达20 m/s，且不断向中西部地区输送暖湿空气，提供充足的水汽条件。高空槽后的干冷空气叠加在低层暖湿气流上，在研究区形成“上干冷下暖湿”结构，有助于静力不稳定层结发展，为此次强对流天气发生提供了有利的环境条件。由低涡中心延伸的暖切移至辽宁西部，位于朝阳、阜新和研究区的交界处，研究区处于切变线影响区域的强湿度梯度区中。地面华北低压东移北上，低层辐合，高层辐散，为本次强对流过程提供较强的动力条件。当日地面气温均较高，14：00研究区最高气温在33～35 ℃，位于研究区上游的朝阳部分地区最高气温在39～40 ℃，为强对流天气的触发和发展提供了充足的能量。

2.1.2 对流不稳定条件" 从2023年7月7日8：00锦州探空站探空结果可知，此时锦州站的对流有效位能（Convective available potential energy，CAPE）达1 585.9 J/kg（用锦州站14：00气温35.8 ℃进行探空订正后CAPE达到3 653.4 J/kg），K指数28.3 ℃，0～6 km垂直风切变为18.7 m/s，沙氏指数SI为-1.53 ℃，动力和热力条件较好，但整层相对湿度低，水汽条件较弱，8：00的探空结果表明有出现雷暴大风的可能。从20：00锦州探空站探空结果可以看到，动力和热力条件仍然较好，整层水汽条件转好。

18：00研究区开始出现强对流，从黑山县北部开始，21：00锦州站开始出现强降水。由7日20：00锦州探空站T-lnP结果及其欧阳位温分析结果可知，沙氏指数SI增强至-5.88 ℃，K指数达到36.3 ℃，具有较高的层结不稳定度，此时CAPE值为1 014.5 J/kg，对流不稳定能量仍然较强；相当位温θse曲线垂直和左倾于温度轴，表明大气层结不稳定，θse在850～1 000 hPa较高，从850 hPa开始向上快速左倾减小，到700 hPa附近达到最小值；随后θse向上逐渐增加，700 hPa与地面θse差为-20 ℃。这表明大气低层暖湿、中层700 hPa附近干冷，中层的干空气卷入，有利于降水粒子蒸发冷却，加强了下沉气流，对雷暴大风的产生起到驱动作用。

在中等到强的垂直风切变条件下，对流风暴常常具有很好的组织性，可产生多单体风暴、超级单体风暴和飑线。通常12～20 m/s为中等以上垂直风切变，20 m/s以上为强垂直风切变[10]。本次强对流过程锦州站0～6 km垂直风切变18.7～20.8 m/s，属于中等偏强垂直风切变，易出现超级单体和多单体风暴。

20：00水汽条件较8：00逐渐转好，水汽通量大值区位于辽宁西部，整层降水量在45～50 mm，低层相对湿度均在90%以上，提供了充足的水汽条件。

由上可知，本次强对流过程不稳定能量强，中层有干冷空气侵入，且垂直风切变较强，低层水汽条件较好，因此容易出现雷暴大风和短时强降水天气。

2.2 卫星云图特征分析

2023年7月7日午后，在朝阳、阜新分别有对流云团1生成，并逐渐往东北方向发展、移动，对流云团逐渐增强。15：00阜新上空的云团云顶亮温达212.5 K，同时在秦皇岛与葫芦岛交界处有云团2生成，且逐渐与云团1合并，朝东北偏东方向移动。18：00对流云团1云顶亮温低值区移到锦州黑山、义县，黑山北部云顶亮温213.9 K（图2A），造成其前沿的黑山本站、薛屯和义县头道河等地大风，其中义县头道河风速19.1 m/s，此时黑山北部部分乡镇降水逐渐加强，19：00—19：30锦州与葫芦岛交界处云团有所减弱，断裂为两个云团，即云团1（图2B）和云团3（图2C），但云顶亮温的低值区更大范围地进入研究区西北部，云顶亮温212.5 K。此时，黑山西北部乡镇出现短时强降水，滚动最大小时雨强达到102 mm/h，义县聚粮屯风速开始明显加强，瞬时风速21.9 m/s，风力九级，云团继续东移北上。20：00锦州南部云团明显减弱，北部依旧维持原状（图2D）。21：00云团3往东北方向发展加强，并与云团1合并，其前沿抵达研究区市区和凌海及沿海地区（图2E），附近风速明显加强，其中凌海部分区域瞬时风速22.9 m/s。22：00云团3进一步往东北方向发展加强，云顶亮温215.2 K（图2F），研究区和凌海开始出现强降水，此后对流云团逐渐移出研究区并减弱消散。

从云团的发展和演变流程可以看出，对流云团整体是往东北方向移动的，且范围逐渐扩大、强度不断加强。在云团发展加强的过程中，降水加强，出现短时强降水。地面风速加大，尤其是云团出现合并时地面风速明显加强，大风出现的位置基本上位于云团移动方向前沿云顶亮温梯度最大的区域。

2.3 雷达回波特征分析

从7月7日18：24强降水的雷达回波资料可以看出，强降水主要由带状强回波造成。在黑山、北镇及义县有一条东北—西南向的带状强回波，回波强度55～65 dBz。强回波自西南向东北移动，60 dBz以上的强回波不断经过黑山西北部，形成“列车效应”，造成黑山多个乡镇出现50 mm/h以上的强降水。由于带状强回波中有多处强度在62～64 dBz，造成芳山镇出现102 mm/h的极端强降水，其前沿的薛屯、黑山本站等多站开始出现瞬时大风，其中黑山瞬时风速18.9 m/s。从芳山镇附近的雷达回波剖面资料可以发现，回波质心较低，降水效率高；移动速度较慢，整个回波影响持续3～4 h，导致黑山西北部多个乡镇出现大暴雨天气。

此轮强对流天气过程分为两个阶段，18：00—20：00回波主要位于研究区西北部，呈窄带状分布，沿西南急流不断往东北方向移动。19：00—19：30义县上空的回波带移速较快，与黑山上空回波合并，形成短带强回波，此时黑山西北部回波略微减弱，回波大值区位于北镇和义县，最大回波强度55～60 dBz，降水强度增加。20：00短带回波往东北方向移动，此时强降水主要集中在北镇部分乡镇，同时在锦州、凌海西部回波增强。21：00黑山上空的回波有所减弱，研究区和凌海一带的回波加强为窄带状回波，最大回波强度50～55 dBz，研究区和凌海开始出现短时强降水，同时伴有8～9级大风。22：00回波继续东移至盘锦，研究区回波开始减弱，降水强度明显减小。

3 对农业生产的影响与建议

强对流发生期正处于该地区玉米拔节—抽雄期，需水量增加，一定的降水有利于玉米的生长发育。但此次强对流天气具有突发性强、破坏性大和局地性强的特点，易造成农作物受灾。

强对流天气对农业生产的影响具体如下。一是农田渍涝灾害。受强对流天气影响，尤其是此次强对流天气过程带来的短时强降水具有强度大、持续时间短和局地性强的特点，黑山县西北部农田渍涝风险极大。二是大风灾害。黑山县农作物以旱作作物为主，玉米等农作物易受大风天气影响出现倒伏；同时可能造成设施农业棚膜破裂、棚架折断。三是冰雹灾害。强对流带来的局地冰雹天气对玉米、果蔬等影响较大，会因机械损伤而影响部分作物生长，进而影响产量。四是次生灾害。黑山县西部、北部为低矮丘陵地带，受短时强降水影响易引发山洪、泥石流等次生灾害，对低洼地带的农作物造成影响。

农业生产建议：一是及时关注气象部门对外发布的预报预警信息，及时采取有效措施进行防护；二是加强田间管理，提前做好排水防涝措施，降湿降渍，增强土壤通气性，避免田间积水影响作物根茎生长；三是降水后湿度偏大，易引发病虫害，及时采取防控措施；四是及时开展人工增雨作业，防范冰雹对农作物的影响；五是加固农业设施。

综上，本文对2023年7月7日锦州地区的一次强对流过程的环流形势、对流不稳定条件、卫星和雷达特征进行分析，得出结论如下。（1）此次过程是发生在东北冷涡天气背景下的强对流天气，持续时间短，雨强大，以短时强降水为主，多个乡镇雨强超过50 mm/h，最大整小时降水量95.9 mm，突破历史极值，强对流过程中伴有雷暴大风，局地出现冰雹。（2）高空东北冷涡加强，地面华北低压向东北移动，槽后冷空气补充，存在低空急流，冷暖空气交绥，配合不稳定能量，中层有干冷空气侵入，且垂直风切变较强，再加上低层水汽条件较好，低层高湿高能环境为此次强对流提供充足的水汽和能量，因此容易出现雷暴大风和短时强降水天气。（3）卫星云图显示，影响研究区的对流云团主体往东北方向移动，前期移速较为缓慢，且范围不断扩大，短时强降水与云顶亮温低值区位置相吻合，大风出现的位置基本上在云团传播方向前沿云顶亮温梯度最大的区域。（4）此轮强对流回波呈窄带状分布，主体往东北方向移动，短时强降水、瞬时大风多由50～55 dBz带状强回波造成，在黑山西北部出现“列车效应”，强回波不断影响同一地区，回波强度在55～65 dBz，导致多站出现50 mm/h以上的极端强降水。（5）充分利用气象部门发布的农业气象灾害风险评估产品、预报预测产品应对强对流天气对农业生产的影响，做好农田防护与排涝工作，做好病虫害防治措施。

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（责编：杨 欢）