哈密地区一次罕见的秋季大降水天气过程分析

来源:用户上传      作者: 屠月青　张科　奚丽霞

　　摘要 对2010年9月4—5日哈密地区一次大降水天气过程的成因进行了分析，表明高低空环流形势的配合、对流层低层强烈辐合与高层强烈辐散、垂直上升运动以及“三股气流”的存在是其形成的重要机制，同时在哈密地区大降水天气短期预报着眼点方面获得了一些有益的启示：充分利用数值预报模式产品，对环流形势演变、各物理量场，尤其是产生降水的水汽、动力、不稳定能量3个宏观条件的物理量场充分细致分析，对降水预报有非常重要的指示意义。
　　关键词 大降水；成因；数值预报；预报着眼点；新疆哈密
　　中图分类号 P458.121.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2011）12-0011-03
　　2010年9月4—5日哈密地区出现了一次降水量大、降水强度强的区域性降水天气过程，其中7个站日降水量在10 mm以上，4个站在20 mm以上。该文就这次天气过程从环流形势、本站要素、物理量场、数值预报等方面对其大降水成因进行综合分析，总结了此类天气的预报着眼点。
　　1 资料采集及天气实况
　　1.1 资料采集及方法
　　天气现象及要素等实况数据采用哈密地区6个人工气象站和16个无人观测的自动站资料（个别为气温、气压两要素站），运用天气学原理，从多方面因素对这场天气进行综合分析。自动站只能测得液态降水量，当山区为固态降水时无法测得降水量。
　　1.2 天气实况
　　2010年9月4—5日哈密地区出现了一次降水量大、降水强度强的区域性降水天气过程，大部分地区的降水形态为液态，北部部分山区为固态，其中巴里坤、天山乡、德外里克乡和沁城乡的日降水量均在20 mm以上，而巴里坤4日降水量为24.7 mm，居近40年历史同期第三。过程降水量为哈密市8.0 mm、巴里坤24.7 mm、伊吾7.0 mm、红柳河8.6 mm、十三间房11.0 mm、淖毛湖4.7 mm；天山乡、德外里克乡和沁城乡等山区过程降水量分别为36.3、20.7、24.0 mm。主要降水日为9月4日。具体实况如表1所示。
　　2 实况分析
　　2.1 500 hPa形势分析
　　9月1日8：00至9月3日8：00，欧亚范围内由纬向环流转为经向环流，里、咸海长脊与北支脊叠加，形成乌拉尔山长波脊并继续向北发展且东扩，同时贝加尔湖脊向北发展，但其势力明显弱于乌拉尔山脊；南支上的新疆弱脊受到北方冷空气的冲击后向南衰退。
　　9月4日8：00，乌拉尔山脊主体向东北方向发展，伸向西西伯利亚，位于新西伯利亚建立较强的北风带，引导北方冷空气南下；而贝加尔湖脊在东移过程中继续向北发展，其势力略弱于乌拉尔山脊。在两脊夹攻的形势下，使南下的冷空气在新疆的阿勒泰地区切断成低涡，冷空气在此堆积，该低涡分裂低槽位于新疆的东部，哈密处于该槽前的西南气流控制，且风速达到24 m/s，同时副热带锋区迅速加强，最大西南风速达20 m/s，有利于水汽输送。阿勒泰低涡东南下造成地区大部产生强度较大的降水天气（图1）。
　　由此可以看出，此次天气过程的主导系统是乌拉尔山脊发展东扩，引导北方冷空气南下；影响系统是阿勒泰的切断成低涡东南下造成大降水天气；下游的贝加尔湖长脊起到了阻挡作用，给冷空气南下堆积创造了非常有利的时机。
　　2.2 100 hPa形势分析
　　9月3日8：00伊朗副高向北猛烈发展，使伊朗至乌拉尔山为很强的高压脊区，南亚高压分裂成2个中心呈双体型（图2），一个位于伊朗至里海，另一个位于青藏高原西南部。副热带低槽呈两段，分别位于在萨彦岭至巴尔喀什湖、巴尔喀什湖至阿富汗东北部的喀布尔。9月4日8：00乌拉尔山脊顶东北向伸展，南亚高压位于青藏高原西南部的中心西移与里、咸海脊合并，使得印度—伊朗—里、咸海处于宽大的闭合高压区域中，中心位于里咸海。
　　由此演变可见，南亚高压呈双体型为大降水提供了环流背景。但是9月初季节转化时节，南亚高压随季节变化应该逐渐东撤到90°E附近，而这次天气的表现是位置偏西，主要在80°E附近，而且南亚高压只是西伸，并没有产生“东西振荡”，副热带大槽也没有完全形成。因此，入秋时的大降水环流背景有别于夏季。
　　2.3 700～850 hPa低空急流分析
　　850 hPa高空，9月1日8：00新疆大部处于4～16 m/s的偏东气流中，其中若羌为12 m/s；9月2日8：00甘肃至新疆东部有一股2～10 m/s的偏东气流，哈密和若羌为10 m/s；9月4日8：00若羌转为西南风，哈密地区至甘肃西部仍为偏东气流控制，哈密风速为10 m/s，乌鲁木齐为西北风，形成了明显的风向气旋性辐合切变。
　　700 hPa高空，从9月1日8：00至9月3日8：00，北支锋区逐日南压到北疆沿天山一带及哈密地区，甘肃省河西走廊至哈密地区存在着一股2～6 m/s的偏东气流；9月4日8：00甘肃省的偏东气流移至内蒙西部，哈密的偏东风速增加到8 m/s，这股偏东风与北塔山、乌鲁木齐、库尔勒的西北风及若羌至茫崖的西南风形成了明显的风向气旋性辐合切变。
　　由此可以看出，低空存在一支弱的偏东急流，其厚度由850 hPa上升到700 hPa，其与偏西、偏北区域形成了明显的风向气旋性辐合切变，有利于上升运动、水汽的凝结和集中及不稳定能量的释放，为产生降水提供了非常有利的条件[1]。
　　2.4 200 hPa高空急流分析
　　9月1日8：00至9月4日8：00的200 hPa高空，在40°N附近新疆境内存在一支偏西风速＞40 m/s的高空急流，哈密地区上空的风速由16 m/s增加到26 m/s。
　　从100～500 hPa的高空形势看，萨彦岭上空均为低涡，因而该低涡是个深厚系统。从以上高低空环流形势演变和配置可以看出，存在“三股气流”：低层的偏东急流，中层的西南气流，高层的偏西急流[1]。同时南亚高压双体型的形成，给大降水创造了有利的环流背景。 　　2.5 海平面气压场分析
　　8月31日8：00至9月2日8：00，地面冷高中心起初位于波罗的海的东侧，该中心基本上沿60°N东移到乌拉尔山中部，2日8：00以后东南下，4日20：00到达阿勒泰北侧的萨彦岭；从8月31日08时至9月3日8：00，其强度由1 018.3 hPa增强到1 037.9 hPa，之后强度略有减弱，4日8：00强度为1 030.8 hPa（图3）。
　　由此可见，此次冷空气原地为波罗的海，路径为西北路径[1]，冷空气在东移过程中呈加强趋势。
　　2.6 层结不稳定度分析
　　根据哈密本站的高空资料，利用T-lnp图计算哈密本站的大气层结稳定度指数，这类指数种类较多，其侧重点各有不同，这里主要用A指数和K指数，这2种指数在实际工作中有较好的指示意义。
　　A指数的定义：A=T850-T500-（T-Td）850-（T-Td）700-（T-Td）500；K指数的定义：K=（T850-T500）+Td850-（T-Td）700 [2]。可以看出它们具有共同的特点：除了表示温度垂直变化外，还包含了大气中、低层的饱和程度和湿层厚度，是反映稳定度和湿度条件的综合指数。指数值越大，表示大气越不稳定、越潮湿，大气具有较高的潜能，越有利于降水形成[2]。具体数据如表2所示。
　　从表2可以看出，在9月4日8：00 A指数和K指数发生明显的突变，迅速增大，A指数由-53 ℃增大到10 ℃，K指数-7 ℃增大到33 ℃，至9月4日20：00快速下降，这与哈密地区的强降水时段非常吻合。
　　3 数值预报产品解释应用
　　目前，日常主要用欧洲中心和我国的T213数值预报模式产品，欧洲中心的预报时效为24 h，产品种类少；我国T213的预报时效是6 h，且拥有大量物理量的预报产品。欧洲中心的预报产品反映大环流背景的总体变化趋势，T213则可反映比较细致的变化趋势，各种物理量的变化趋势可以比较好地反映各种天气产生的可能性。因此，对欧洲中心和T213数值预报模式产品进行分析，可以比较好地解释天气产生的成因，对天气预报有一定的指导意义。
　　3.1 数值预报形势场预报检验
　　选用欧洲中心、T213数值预报模式产品，均用2010年9月2日20：00发布的48 h预报场与9月4日20：00实况场进行对比分析。这里主要对500 hPa高度场、海平面气压场和850 hPa温度场进行对比分析，分别选用564什位势米高度线、1 020 hPa气压线和12 ℃温度线为特征线，将预报场与实况场在同一张图上叠加。可以看出，高度场和海平面气压场的预报场与实况场非常吻合，而850 hPa温度场中欧洲中心的预报场与实况场比较吻合，T213的预报场比实况场略偏南（图略），但槽脊位置还是比较吻合。因此，此次天气过程的数值预报的形势场预报有较好的指导意义和参考价值。
　　3.2 T213数值预报物理量场的解释应用
　　3.2.1 水汽条件——相对湿度。从9月4日2：00—14：00演变趋势看，500～700 hPa高湿饱和中心区自西向东经过哈密地区各地，其值均在90%以上，20：00移出哈密地区。9月4日8：00另一高湿中心位于青藏高原，将通过西南气流输送水汽到哈密地区。从其移动路径看，与降水路径比较吻合，水汽来源主要为系统本身及阿拉伯海，从低层到中层的水汽十分充沛，为降水提供了丰富的水汽条件。
　　3.2.2 动力条件。包括散度分析和垂直速度分析2个内容。具体分析如下。
　　（1）散度分析。从9月4日8：00 700 hPa散度预告图上可以看出，哈密地区东部处于负值中心区，为强烈的辐合区[2-3]，其最大值在七角井附近为-149×10-6/s，哈密与巴里坤地区间为-118×10-6/s（图4）。
　　从9月4日8：00 200 hPa散度预告图上可以看出，哈密地区东部处于正值区中，8：00七角井为32×10-6/s，哈密与巴里坤地区间为11×10-6/s。正值中心东南移，自西向东，哈密地区先后处于高层较强辐散区中[2-3]，14：00进入哈密地区，位于巴里坤和伊吾之间，其值为62×10-6/s，哈密与巴里坤地区间为59×10-6/s（图4）。
　　从以上哈密地区高低空散度场的配置来看，低层具有强烈的辐合区，高层具有强烈的辐散区，尤其是8：00高低层散度差值最大，达到181×10-6/s，起到非常强的抽气作用，具有强垂直上升运动，为水汽的垂直输送及凝结创造了有利条件[3]。
　　（2）垂直速度分析。9月4日8：00，500～700 hPa高空哈密地区处于上升运动区，其值分别为-56×10-4、-196×10-4 hPa/s（图5）；14：00 500 hPa高空垂直速度高值区中心东移到蒙古，哈密地区偏东区域仍处于上升运动区，其值在 -100×10-4 hpa/s左右，哈密大部分区域处于下沉运动区。哈密地区大部降水集中在8：00—14：00，红柳河降水集中20：00以后。
　　由此可见，在大降雨前及暴雨中，从低层到中层都表现为强辐合上升运动，中层辐合上升运动相对较强，有利于大降雨所需不稳定能量的储存，并在暴雨中激发大量不稳定能量的释放，有利于水汽抬升冷却凝结、输送和集中，为暴雨形成创造了有利条件。暴雨总是发生在大范围的上升运动区内，如此大的垂直运动，只有在不稳定能量释放时才能形成，是由中小天气系统所造成的[3]。因此，此次暴雨是在长波槽脊稳定的情况下，低涡天气尺度系统中携带者中小尺度系统形成的。
　　3.2.3 不稳定条件——K指数。9月4日8：00哈密地区大部处于高值区域，其值在14～37 ℃，高值中心位于哈密西南部边境；14：00高值其中心移至哈密地区与甘肃交界处以及北塔山和蒙古中部；20：00高值区移出哈密地区进入甘肃区域。由此可见，K指数＞30 ℃，非常有利于降水形成，中心值与实况也比较吻合，有较好的预报指导意义。但与实际产生降水的路径看，此次预报中位置有些偏南。
　　从以上数值预报的各物理量场分析看，各要素配置满足了大降水的形成基本条件。对于这次天气过程，这些天气（下转第16页）
　　（上接第13页）
　　形势场及物理量场的预报具有非常好的预报指导意义[4-7]。
　　4 预报着眼点
　　（1）此次天气过程的主导系统是乌拉尔山脊发展东扩，引导北方冷空气南下；影响系统是阿勒泰切断低涡东南下造成大降水天气；控制系统是贝加尔湖长脊起到了阻挡作用，给冷空气南下堆积创造了有利时机。
　　（2）各物理量场及要素变化分析对降水预报有着重要贡献，尤其是水汽条件、动力条件和不稳定能量条件。这次大降水过程是在长波槽脊稳定的天气尺度环流背景下，低涡这个天气尺度系统中携带着中小尺度系统形成的。其物理机制是对流层低层强烈辐合与高层强烈辐散、垂直上升运动以及“三股气流”的存在。
　　（3）数值预报产品为这次降水预报提供了重要依据，尤其是产生降水的三要素条件。在日常预报工作中，降水的三要素中的水汽条件和动力条件均有较多的物理量来体现，不稳定能量可以充分利用K指数来体现。
　　（4）秋季发生大降水，一定要特别关注乌拉尔山脊的维持、发展和衰退，它是引导北方冷空气的关键；同时要关注副热带急流锋区的位置，其对水汽输送具有重要的意义。
　　5 参考文献
　　[1] 张家宝，苏起元，孙沈清，等.新疆短期天气预报指导手册[M].乌鲁木齐：新疆人民出版社，1986：218-270.
　　[2] 成秋影.天气分析和诊断方法[M].北京：气象出版社，1992.
　　[3] 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等.天气学原理和方法[M].北京：气象出版社，2000：319-399.
　　[4] 海显莲.2010年5月25～26日青海省东部农业区强降水过程分析[J].青海科技，2010（6）：50-53.
　　[5] 梁剑峰，张利，霍星远，等.锦州地区2005年一次较大降水过程分析[J].安徽农业科学，2010（30）：17143-17145.
　　[6] 吴春娃，赵付竹，李勋.2009年10月海南岛一次秋季强降水过程分析[J].气象与减灾研究，2010（3）：42-48.
　　[7] 姚丽华.气象学[M].北京：中国林业出版社，1992.
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