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  气象   2020, Vol. 46 Issue (8): 1053-1064.  DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2020.08.005

论文

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侯淑梅, 孙晶, 郑怡, 等, 2020. 山东省线状中尺度对流系统的天气学特征[J]. 气象, 46(8): 1053-1064. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2020.08.005.
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HOU Shumei, SUN Jing, ZHENG Yi, et al, 2020. Synoptic Characteristics of Linear Mesoscale Convective System in Shandong Province[J]. Meteorological Monthly, 46(8): 1053-1064. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2020.08.005.
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资助项目

山东省自然科学基金项目(ZR2016DM20)、中国气象局预报员专项(CMAYBY2018-041)和山东省气象局课题(2016sdqxz01、2014 sdqxm21)共同资助

第一作者

侯淑梅,主要从事灾害性天气预报及机理分析研究.E-mail:shmh0808@163.com

文章历史

2019年5月20日收稿
2020年6月19日收修定稿
山东省线状中尺度对流系统的天气学特征
侯淑梅 , 孙晶 , 郑怡 , 韩永清     
山东省气象台,济南 250031
摘要:按照如下标准确定一个线状中尺度对流系统(linear mesoscale convective system,LMCS):40 dBz以上反射率因子连续或准连续回波带尺度≥100 km并持续至少1 h,镶嵌着40 dBz回波的35 dBz回波要求严格连续,线状或准线状的对流区域拥有一个共同的前边缘,最大回波强度≥50 dBz。从2012—2016年雷达资料中挑选出27个影响山东的LMCS,分析其天气学特征。结果表明:影响山东的LMCS 8月出现次数最多,形成时间集中在傍晚到前半夜,生命史一般为1~2 h,大多数具有后向传播特征;形成LMCS的初始对流单体绝大多数位于河北省,单体生成后一般向东偏南方向移动;LMCS大多数是东北—西南向,尺度一般介于100~200 km。文章提炼了形成LMCS的后倾槽、前倾槽和冷涡等三类天气学模型。850 hPa伴有暖温度脊或暖中心是形成LMCS的一个重要特征,冷涡和前倾槽类500 hPa中空急流以及后倾槽类700 hPa以下低空急流在形成LMCS中起着重要作用。当850 hPa比湿>8 g·kg-1,沙氏指数和抬升指数均为负值时,可能出现LMCS。若对流有效位能>1 000 J·kg-1,对流抑制较小,且850 hPa与500 hPa气温差大于25℃,出现LMCS的概率达80%。LMCS出现时均伴有短时强降水,70.4%的LMCS造成雷暴大风、冰雹或强降水灾害。冰雹和大风比短时强降水需要大气层结的不稳定度更高,仅有短时强降水出现时,0℃层和-20℃层的高度明显比冰雹和大风出现时的高度高。
关键词线状中尺度对流系统(LMCS)    天气学模型    物理量指标    灾害    
Synoptic Characteristics of Linear Mesoscale Convective System in Shandong Province
HOU Shumei, SUN Jing, ZHENG Yi, HAN Yongqing    
Shandong Meteorological Observatory, Jinan 250031
Abstract: The synoptic characteristics of LMCS (linear mesoscale convective system) were analyzed based on 27 selected LMCSs affecting Shandong from the 2012-2016 radar data. The filter conditions are as below: the contiguous or quasi-contiguous echo band larger than 40 dBz is over 100 km and lasts for at least 1 h, the 35 dBz echo embedded with the 40 dBz echo is strictly contiguous, the linear or quasi-linear convection area shares a common leading edge, and the maximum echo intensity is over 50 dBz. The characteristics of the study are concluded as follows. The LMCS affected Shandong has a high frequency in August, and the formation time is concentrated in the dusk to the first half of the night, lifespan is generally 1-2 h, and most of them have characteristics of backward propagation. Most of the initial convective cells are generated in Hebei and generally move eastward by southward. Most of the LMCSs are in a northeast-southwest trend, and the scale is between 100 and 200 km. Three types of synoptic models of LMCS formation are constructed, including forward-tilting trough, backward-tilting trough and cold vortex. The warm temperature ridge or warm center at 850 hPa is the important feature of LMCS formation. The mid-level jet stream at 500 hPa in cold vortex and forward-tilting trough category, and the low-level jet stream below 700 hPa in backward-tilting trough category all play very important roles in the LMCS formation. LMCS constantly occurs when 850 hPa specific humidity is greater than 8 g·kg-1 and the Lift Index (LI) and Showalter Index (SI) are both negative. The probability of LMCS occurrence is up to 80% when T850-500 >25℃ and CAPE >1 000 J·kg-1 with small CIN. When LMCS appears, it is usually accompanied by short-duration heavy precipitation, 70.4% LMCS contributes to disasters of thunderstorm gale, hail and severe precipitation. The hail and gale require higher stratification instability than short-duration severe precipitation. When only the short-duration heavy precipitation occurs, the heights of 0℃ and -20℃ layers are significantly higher than those when hail and gale occur.
Key words: linear mesoscale convective system (LMCS)    synoptic models    physical quantity indicator    disaster    
引言

研究表明,中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS)是产生暴雨、冰雹、雷暴大风和龙卷等灾害性天气的重要系统(Maddox,1980Doswell Ⅲ et al,1996Shibagaki et al,2000Schumacher and Johnson, 2005),一直以来受到气象工作者的关注(卓鸿等,2004王晓芳和崔春光,2012)。许多研究者对其统计特征(Meng et al,2013Zheng et al,2013)和形成机理(何立富等,2009Rotunno et al,1988Chu and Lin, 2000Chen et al,2012)开展了分析研究。在中纬度地区,大地形的下风方是MCS的易发区,例如青藏高原下风方的盆地地区(Miller and Fritsch, 1991)。也有研究指出,黄河下游地区虽然距离青藏高原较远,但也是东亚MCS的多发区之一(马禹等,1997),并且黄河下游地区的降水主要是由MCS造成的(卓鸿等,2012)。海、陆、山地的热力性质差异导致MCS不同的气候分布特点(郑永光等,2008),低层暖湿的条件不稳定大气层结和低空西南急流是产生MCS的基本条件(郑永光等,2002)。

国内外许多研究者根据组织形态将MCS进行分类,常用的分类标准是根据红外云图冷云盖的椭圆率(短轴和长轴之比)将其分为块状和线状(Anderson and Arritt, 1988;马禹等,1997Jirak et al,2003)。中国东部地区MCS中线状的比例远远大于块状,伴有中尺度对流涡旋(mesoscale convective vortex,MCV)的MCS中,线状的比例也远远大于块状(王微等,2011)。Blanchard(1990)把中尺度对流系统按雷达回波形态分为线型、无规则型和锢囚型,其中线型占68%。统计结果显示,线状中尺度对流系统(linear mesoscale convective system,LMCS)相比其他类型的MCS能造成更高频率的大风和冰雹(Jirak et al,2003岳治国等,2008)。Gallus et al(2008)统计各种形态的MCS与龙卷、冰雹、强降水和大风的关系中发现,各类线性系统与灾害性天气的相关性明显高于孤立单体、对流单体群和非线性系统。近几年来,由LMCS造成强降水、冰雹和雷暴大风的个例层出不穷(孙继松等,2012赵宇等,2017),给各地造成严重的经济损失。

丁一汇等(1982)根据我国18个飑线个例,研究总结了飑线发生的天气背景、触发条件和形成的物理条件,指出冷锋、切变线、低涡、高空急流、露点锋和低空风场不连续线等都可以触发飑线系统并对其起组织作用,还按照系统发生前的环境流场的主要特征,将其分为槽前型、槽后型、高后型和台风倒槽型,对指导我国强对流天气的预报有重要意义。在有利的大尺度环流背景下,大范围降水在近地面形成水平出流,与降水云系移动的近前方的暖湿气流之间形成辐合,导致对流单体移近后逐渐组织化成为LMCS(孙靖和王建捷,2010)。

山东省是MCS较为活跃的区域(郑永光等,2008卓鸿等,2012),近10年来,几乎每年都有强LMCS的发生,如2007年7月18日大暴雨(卓鸿等,2011)、2009年6月2—3日的强飑线过程(孙虎林等,2011),2012年8月18日飑线引发的龙卷天气过程(侯淑梅等,2018)、2016年6月13—14日连续飑线影响山东的天气过程(张琴等,2017)都造成了严重的财产损失和人员伤亡。随着多普勒天气雷达在天气预报业务中的广泛应用,日常业务中能够及时监测到LMCS的出现。但由于影响LMCS发生发展变化的因素非常复杂(张弛等,2019公衍铎等,2019孙凌等,2019陶局等,2019),LMCS的预报仍是现代天气预报业务中面临的巨大挑战。现有的研究成果典型个例分析较多(徐燕等,2018盛杰等,2019郑淋淋等,2019),针对LMCS的天气学分析较少,对LMCS的预报需要进一步研究分析。本文通过普查近几年影响山东的LMCS,分析其时间、空间的分布特征,提炼产生LMCS的天气学模型和预报指标,为提高对LMCS的预报预警能力提供技术支撑。

1 资料与方法 1.1 资料

济南多普勒天气雷达组合反射率因子产品(时间分辨率为6 min,其中37号产品空间分辨率为1 km×1 km,有效探测半径为230 km,38号产品空间分辨率为4 km×4 km,有效探测半径为460 km),主要用于确定初始对流单体和LMCS生成、消散的时间、地点以及LMCS的尺度、走向等等。欧亚地区高空和东亚地区地面等常规观测资料,用于天气学模型的分类和物理量场指标的普查。上述资料由山东省气象台提供。另外还使用了中央气象台提供的华北区域雷达组合反射率因子产品拼图资料(时间分辨率:2016年6月14日之前为10 min,15日之后为6 min),该产品为图片格式,主要用于辅助单站雷达产品确定LMCS的生命史,弥补单站雷达远距离探测能力下降的不足。

统计时间为2012—2016年,共5年,每年4—10月。时间均为北京时。

1.2 方法

Parker and Johnson(2000)研究美国中纬度地区中尺度对流系统的组织模态时定义飑线的标准是:(1)40 dBz以上反射率因子连续或准连续回波带尺度≥100 km并持续至少3 h;(2)线状或准线状的对流区域拥有一个共同的前边缘。该标准被国内外许多学者广泛参考使用(王晓芳和崔春光,2012Meng et al,2013)。Meng and Zhang(2012)在研究中国东部的台前飑线时参考了该标准,对该标准做了微调:40 dBz回波带可以不连续,但是40 dBz回波镶嵌于其中的35 dBz回波带必须是连续的。Meng et al(2013)在研究中国东部的飑线时又将标准调整为40 dBz回波带必须是连续的。

王俊(2017)普查山东省LMCS时定义标准为:40 dBz以上对流回波长宽之比>5,长度>50 km,最大回波强度>50 dBz,结果表明LMCS的典型尺度为100~150 km,>50 km的β中尺度LMCS约占总个例数的80%。本文着重分析影响山东省的LMCS,综合上述研究,根据单站雷达组合反射率因子产品和华北区域雷达拼图产品,规定按如下标准定义LMCS:(1)40 dBz以上反射率因子连续或准连续回波带尺度≥100 km并持续至少1 h,40 dBz回波镶嵌于其中的35 dBz回波要求严格连续;(2)线状或准线状的对流区域拥有一个共同的前边缘;(3)最大回波强度≥50 dBz。筛选标准中增加第3条“最大回波强度≥50 dBz”,目的是挑选出具有明显强对流特征的LMCS,而不是普通的积层混合性降水回波。该标准比侯淑梅等(2020)的普查标准中增加了持续时间、严格连续等限制,确保筛选的个例达到一定的强度,具有产生灾害性天气的潜势。通过人工普查挑选,共筛选出27个LMCS个例(表 1)。

表 1 2012—2016年LMCS个例统计表(单位:次) Table 1 LMCS cases from 2012 to 2016 (unit:times)

初始对流单体的形成时间是指形成LMCS的初始回波(≥15 dBz)出现的时刻。LMCS的形成时间为达到LMCS标准的时刻,LMCS消亡时间是不满足LMCS条件的时刻,二者之间的时间差即为LMCS的生命史。

2 LMCS的时间分布特征

从LMCS的年际变化可见(图 1a),2012—2016年5年中,2013年出现次数最多,为10次,其次是2012年(7次),2014年最少,只有1次。从月分布上看(图 1b),只有6—8月出现了LMCS,其中8月最多,出现了10次,其次是6月,出现了9次。初始对流单体生成时间(图 1c)主要为白天到前半夜,后半夜出现次数较少。高峰期为11—14时和14—17时,分别出现了5次,其次是8—11时、17—20时和20—23时,分别出现了4次。LMCS的形成时间(图 1d)主要集中在傍晚到前半夜,高峰期为17—20时,出现了6次,次高峰有两个,分别为14—17时和20—23时,这与Meng et al(2013)的结论相似。LMCS的形成时间与初始对流单体之间的时间差表明(图 1e),LMCS滞后初始对流单体的时间最多的是3 h,有7次,滞后时间最长的是8 h 56 min,此过程初始对流单体在河南省生成组织化程度低,结构比较松散,进入山东以后,经过多次合并加强,渐趋组织化,逐渐发展成为LMCS。

图 1 2012—2016年影响山东的LMCS频次的时间分布特征 (a)年变化, (b)月变化, (c)初始单体形成时间的日变化, (d)LMCS形成时间的日变化(e)LMCS形成时间滞后于初始单体形成的时间, (f)LMCS生命史 Fig. 1 Time distribution features of Shandong LMCS frequency (a) interannual variation, (b) inter-monthly variation, (c) daily variation of the initial cell start time, (d) daily variation of the LMCS formation time, (e) time between the initial cell and the formation of the corresponding LMCS, (f) LMCS life

LMCS的生命史(图 1f)大多数为1~2 h,分别出现了10次和9次。生命史最长的为7 h 52 min,出现在2012年7月22日,初始对流单体在山西省生成,在向东北方向移动的过程中,呈后向传播特征,渐趋组织化,于22日01:47在河北省东部逐渐发展为东北—西南向的LMCS。该LMCS在向东北方向移动的过程中,其尾部不断产生新的对流单体并与之合并,导致其生命史较长。

3 LMCS的空间分布特征

形成LMCS的初始对流单体绝大多数位于河北省,少数位于河南、山西和山东省(图 2)。原地位于山西和河北省的初始对流单体生成后,一般向东偏南方向移动,在邻近山东或进入山东境内后组织化为LMCS。原地位于河南省的初始对流单体向东北方向移动,进入山东后组织化为LMCS。而原地位于山东省境内初始对流单体,发展迅速,但移动方向没有明显规律。相较于初始位置位于山东省外的对流单体,产生于山东省境内的对流单体其初始位置与LMCS形成位置之间的距离一般更近。

图 2 2012—2016年影响山东的LMCS路径 (空心圆:初始对流单体生成位置,实心圆:LMCS形成位置中心点,虚线:LMCS形成之前路径,实线:LMCS形成之后路径) Fig. 2 Shandong LMCS tracks during 2012-2016 (hollow circle: generation position of the initial convective cell, solid circle: the centroid of the LMCS formation position, dashed line: tracks before LMCS formation, solid line: tracks after LMCS formation)

6月初始对流单体没有位于河南省的,LMCS形成后,大多向东南方向移动,影响山东大部分地区。其中1例LMCS在东营形成后,一直移动到黄海中部才逐渐消失,生命史高达7 h 36 min。7月和8月初始对流单体在河北、河南、山西和山东省均有出现,因此LMCS形成后,其移动方向主要为东南和东北两个方向。

LMCS的走向最多的是东北—西南向,共有14例(51.8%),其次是东西向,共有5例,其他还有南北、西北—东南等走向。LMCS的走向不是一成不变的,有1例LMCS在河北省形成时是南北向的弓形,向东北方向移动进入渤海减弱,其长轴的走向也由南北向转为西北—东南向。27例LMCS中有16例(59.3%)的尺度介于100~200 km,尺度最大的为300 km,发生在2016年6月13日。

4 LMCS的形成方式

在中纬度,飑线可能有多种形成方式,Bluestein and Jain(1985)根据美国俄克拉何马州11年中40次飑线总结出四种类型:不连续线型(broken line),后部新生型(back building),不连续区域型(broken areal)和镶嵌对流区域型(embedded areal)(图 3)。参考上述分类标准,本次普查的27个个例中,不连续线型有9例,后部新生型有8例,不连续区域型和镶嵌对流区域型分别有6例、4例。其中不连续线型大部分个例与后部新生型相似,也呈现后向传播特征,因此,影响山东的LMCS大多数为后向传播雷暴。

图 3 飑线形成方式的模型 (Bluestein and Jain, 1985) Fig. 3 Idealized depiction of squall-line formation (Bluestein and Jain, 1985)
5 产生LMCS的天气学模型 5.1 天气系统分类标准

本文按高空影响系统,将27个历史个例进行分类,分类标准如下:

高空:将500、700和850 hPa高空槽垂直或前倾的归为前倾槽类,其他高空槽影响时归为后倾槽类,将冷涡中带有横槽转竖的归为横槽类,没有横槽的归为冷涡类,低涡往往是切变线后期加强演变生成,所以将低涡和切变线归为低涡切变线类。

地面影响系统:地面有气旋的定义为气旋类,有低压或低压槽的定义为低压类,有冷锋的定义为冷锋类,有倒槽的定义为倒槽类,无上述明显系统,但有小范围风向风速辐合的定义为辐合线,此类辐合线一般是降水下沉气流造成的地面冷池产生的。

将500 hPa 35°~45°N、110°~120°E范围内西北风风速≥20 m·s-1定义为中空急流,700 hPa以下20°~40°N、105°~120°E范围偏南风速≥12 m·s-1定义为低空急流。

5.2 产生LMCS的天气系统

根据上述天气系统的分类标准,造成山东LMCS的天气系统中(表 2),前倾槽个例最多,共有12例,占44.5%,其次是后倾槽类,共有7例(25.9%),再次是冷涡类,有4例(14.8%),横槽和切变线类各有2例。可见,LMCS容易发生的天气背景是前倾槽和后倾槽。

表 2 造成LMCS的天气系统 Table 2 The weather systems caused LMCS

27例LMCS过程中,850 hPa均伴有暖温度脊或暖中心,说明低层的增暖,有利于LMCS的形成,也说明热力因子是产生LMCS的重要因素。27例中,500 hPa伴有中空急流的共有12例,除了低涡切变线类,其他四类均有部分个例伴有中空急流,其中冷涡、横槽类占比较大,横槽2例均有中空急流,冷涡类一半的个例伴有中空急流,说明冷涡和横槽类对流层中层的干侵入对LMCS的形成起着较为重要的作用。

另外,27例中700 hPa以下伴有低空急流的有8例,切变线类2例均伴有低空急流,后倾槽类有3例(占后倾槽42.9%)伴有低空急流,说明对于后倾槽和切变线类,水汽输送对于LMCS的形成作用较大。

造成LMCS的地面影响系统,最多的是倒槽,共有16例(59.3%),其次是冷锋,共有6例(22.2%)。说明LMCS与地面辐合关系密切。6例辐合线类中有5例雷暴初生时没有辐合线,辐合线是雷暴下沉气流形成的冷池与地面暖湿空气形成的,持续时间较短,与倒槽类长时间持续有地面辐合不同。

5.3 产生LMCS的天气学模型

在5.2节分析的基础上,根据天气系统的空间配置特征,将产生LMCS的天气学模型提炼为三种类型:后倾槽、前倾槽和冷涡。

5.3.1 后倾槽

高空500、700和850 hPa西风槽随高度向后倾斜(图 4),高空三层山东省均受槽前偏南风气流控制,低层槽前西南气流有时能达到低空急流强度。850 hPa槽前有暖温度脊,一般比湿>12 g·kg-1。地面有低压槽、低压或辐合线。LMCS位于地面辐合线东侧偏南风气流内、低层低空急流左前方、850 hPa暖温度脊西侧。LMCS随着地面辐合线移动,在辐合线前沿西南风水汽输送方向不断有新生雷暴产生,呈后向传播特征。

图 4 后倾槽类LMCS天气学模型 Fig. 4 The LMCS synoptic model of backward-tilting trough
5.3.2 前倾槽

500 hPa或700 hPa高空槽超前于850 hPa高空槽(图 5),500 hPa槽后有较强的西北气流,携带干冷空气入侵850 hPa暖温度脊。地面有锋面或辐合线。LMCS上空,500 hPa受槽后西北气流控制,850 hPa受槽前西南暖湿气流控制,属典型的下暖湿上干冷的不稳定大气层结的结构。850 hPa槽过境,或地面辐合线过境时触发产生对流。LMCS处于850 hPa暖温度脊线、地面辐合线附近。

图 5图 4,但为前倾槽类 Fig. 5 Same as Fig. 4, but for the model of forward-tilting trough
5.3.3 冷涡

华北冷涡位于内蒙古、山西、河北省三省(区)交界处(图 6),涡后强劲的西北气流携带冷空气侵入到山东,850 hPa山东境内有暖温度脊。LMCS处于冷涡的东南象限、850 hPa冷温度槽与暖温度脊之间、500 hPa西北气流侵入850 hPa暖温度脊的路径上、地面辐合线附近。

图 6图 4,但为冷涡类 Fig. 6 Same as Fig. 4, but for the model of cold vortex

可见,850 hPa伴有暖温度脊或暖中心是产生LMCS的一个重要指标,造成LMCS的天气系统前倾槽类最多,其次是后倾槽类。冷涡或前倾槽影响时,500 hPa伴有中空急流是导致出现LMCS的一个重要因素,切变线和后倾槽类,低空急流的水汽输送对于LMCS的形成作用较大。

6 产生LMCS的环境场物理量特征

中尺度对流系统的持续一般与气团的稳定度有关,故选取与大气稳定度有关的动力、热力参数,分析LMCS发生前高空各层物理量特征,寻找有利于LMCS发展的预报指标。

选取距离LMCS最近的探空站,取其没发生对流时刻的要素。当LMCS发生在下午时,用探空站14时(或11时)气温和露点温度对08时的探空资料进行订正(王秀明等,2014)。选取的物理量参数见表 3,其中0~6 km垂直风切变用500 hPa与地面的风矢量差表示。

表 3 LMCS产生前环境物理量特征 Table 3 Physical quantity characteristics before LMCS generation
6.1 物理量特征

分析发现,产生LMCS的环境条件对水汽要求较高,27例中有25例850 hPa比湿>8 g·kg-1,其中有7例超过15 g·kg-1。两个850 hPa比湿 < 8 g·kg-1的个例,分别为2012年6月13日夜间和2015年8月22日下午,地面影响系统分别为气旋和倒槽,这两个个例的850 hPa与500 hPa气温差T850-500均大于30℃。初步分析表明,2012年6月13日夜间冷涡后部横槽转竖,LMCS随天气系统移动进入山东并增强,地面有气旋配合。2015年8月22日,受前倾槽影响,500、850、925 hPa高空槽与850 hPa暖温度脊几乎重合,对流有效位能(CAPE)高达2 989 J·kg-1。下午对流单体在山东境内初生后渐趋组织化,发展为LMCS,属典型的强对流天气。可见,在动力条件足够强的条件下,配合有利的不稳定大气层结,即使水汽条件稍微差一点,触发对流后也可能产生LMCS。

分析沙氏指数(SI)发现,27例中有18例SI < 0℃,最小值为2013年8月13日20时北京(-6.12℃)。分析抬升指数(LI)发现,27例中有26例LI < 0℃,最小值为2013年8月13日20时北京(-8.04℃)。只有1例LI是正值,为2013年8月28日。分析天气系统的配置发现,此例受冷涡影响,500 hPa中空急流有增大的趋势,2013年8月28日08时济南站的CAPE为1 255 J·kg-1,而对流抑制能量(CIN)为0 J·kg-1,850 hPa比湿为11.8 g·kg-1,是非常有利于产生强对流的天气形势。当天午后在山东境内产生初始对流,逐渐组织化形成LMCS,但移动较快,强度较弱。可见,尽管探空站的LI为正值,但当层结不稳定逐渐增强时,也可能产生LMCS。

24例LMCS的CAPE>1 000 J·kg-1,另外3例中有2例>900 J·kg-1,说明需要有较大的CAPE才能形成LMCS。只出现大风的案例中,600 hPa起始下沉对流有效位能DCAPE600>1 300 J·kg-1,仅有强降水的案例中DCAPE600 < 1 000 J·kg-1,说明DCAPE600>1 000 J·kg-1可能是预报雷暴大风的比较好用的物理量指标。

6.2 物理量指标

为更好地提炼预报指标,将LMCS按灾害种类进行组合分类,统计每类LMCS发生前的物理量指标。27例LMCS个例中有19例(70.4%)产生了灾害,灾害性天气种类有雷暴大风、冰雹和强降水,其他没有产生灾害的8例均产生了短时强降水。因此,将仅有强降水灾害的1例与另外无灾害的8例合并为强降水类,其他有灾害的18例按照产生的灾害不同进行分类(表 3)。

根据统计结果,将每种类型中80%个例的物理量参数特征作为该类型的预报指标,从表 3可见,对于冰雹、大风和强降水并存的个例,多数个例总指数达46℃以上;0℃层高度H0为4.1~4.6 km,-20℃层高度H-20在7.1~7.7 km;850 hPa与500 hPa气温差T850-500>27℃;对流温度Tg>30℃;强天气威胁指数(SWEAT)多数个例为160以上,最大达700;抬升凝结高度(LCL)一般低于900 hPa;0~6 km垂直风切变多数shear0~6 km为10~20 m·s-1

对于冰雹和大风同时发生的个例,K指数一般为24~32℃,波动幅度较大;H0在4 km左右,H-20为7~8 km;T850-500>30℃;Tg>35℃;SWEAT>160;LCL < 900 hPa;风暴强度指数(SSI)为250左右;shear0~6 km为10~16 m·s-1

对于大风和强降水同时发生的个例,总指数大多数为45~50℃;K指数较大,在30~38℃;H0H-20分别为4.7~5.6,8~9 km;T850-500>25℃;Tg>35℃;SWEAT>160;LCL均低于900 hPa;SSI>250;shear0~6 km为10~15 m·s-1

对于只有大风发生的个例,总指数较大,在47~57℃;H0较高,为4.8~5.5 km,H-20为8~9 km;T850-500>27℃;Tg>35℃;SWEAT多数为230以上,最大达420;LCL波动较大,介于850~960 hPa;DCAPE600较大,均>1200 J·kg-1SSI>260;shear0~6 km跨度较大,为5~21 m·s-1

对于只有强降水发生的个例,总指数介于41~50℃;K指数较大,在30~48℃;H0>5 km,H-20>8.6 km;T850-500>23℃;Tg>33℃;SWEAT>230;LCL低于900 hPa;SSI>250;shear0~6 km跨度较大,最小值6.35 m·s-1,最大值22.59 m·s-1,但绝大多数个例的值在8~12 m·s-1

综上所述,在有利于产生强对流的天气形势下(朱乾根等,2007曹钢锋等,1988),当850 hPa比湿>8 g·kg-1SILI均为负的情况下,可能出现LMCS。若CAPE>1 000 J·kg-1CIN较小,且T850-500>25℃,出现LMCS的概率较大。当预报可能出现LMCS时,均需预报短时强降水。此外,若DCAPE600>1 000 J·kg-1,可能出现大风灾害。若H0在4 km左右,H-20在7~8 km,shear0~6 km>10 m·s-1,则可能产生冰雹和大风;若KI>30℃,可考虑有强降水并存。H0>5 km,H-20>8 km,KI>30℃,Tg>35℃,LCL < 900 hPa,则可能出现强降水和大风。仅有强降水发生时,对T850-500要求不是太高,而对于有大风或冰雹出现时,则要求T850-500>25℃,可见冰雹和大风对于大气的不稳定层结要求更高。

7 结论

本文分析了影响山东的LMCS时间和空间分布的气候特征,提炼了形成LMCS的后倾槽、前倾槽和冷涡3类天气学模型,普查了有利于形成LMCS的环境物理量特征,凝练了预报指标,得出以下几条结论:

(1) 影响山东的LMCS出现在6—8月,其中8月最多,出现了10次,其次是6月。LMCS的生成时间集中在傍晚到前半夜,高峰期为17—20时。LMCS滞后初始对流单体的时间一般是3 h,滞后时间最长的可达8 h 56 min。LMCS生命史一般为1~2 h,最长可达7 h 52 min。影响山东的LMCS大多数为后向传播雷暴。

(2) 形成LMCS的初始对流单体绝大多数位于河北省,少数位于河南、山西和山东省。原地位于山西和河北省的初始对流单体生成后,一般向东偏南方向移动,原地位于河南省的初始对流单体向东北方向移动,原地位于山东省境内初始对流单体,发展迅速,但移动方向没有明显规律。相较于初始位置位于山东省外的对流单体,产生于山东省境内的对流单体其初始位置与LMCS形成位置之间的距离一般更近。LMCS大多数是东北—西南走向,尺度一般介于100~200 km。

(3) 构建了发生LMCS的三类天气学模型图:后倾槽、前倾槽和冷涡。850 hPa伴有暖温度脊或暖中心是产生LMCS的一个重要指标,冷涡或前倾槽影响时,500 hPa伴有中空急流是导致出现LMCS的一个重要因素,对于切变线和后倾槽类,低空急流的水汽输送对于LMCS的形成作用较大。

(4) 当850 hPa比湿>8 g·kg-1,SI和LI均为负值的情况下,可能出现LMCS。若CAPE>1 000 J·kg-1CIN较小,且T850-500>25℃,出现LMCS的概率达80%。

(5) LMCS出现时,均伴有短时强降水,70.4%的LMCS造成雷暴大风、冰雹或强降水灾害。若DCAPE600>1 000 J·kg-1,可能出现大风灾害。若H0在4 km左右,H-20为7~8 km,shear0~6 km>10 m·s-1T850-500>27℃,则可能产生冰雹和大风;若K指数>30℃,可考虑有强降水并存。若H0>5 km,H-20>8 km,KI>30℃,Tg>35℃,LCL < 900 hPa,则可能出现强降水和大风。冰雹和大风比短时强降水需要大气层结的不稳定度更高。

本文主要对LMCS的天气学特征进行了分析,并根据不同灾害提炼了物理量指标。天气尺度的环境只是为LMCS发生提供了有利的背景条件,只有中小尺度天气系统的配合才能真正产生LMCS。下一步,将对不同天气类型的典型LMCS进行深入剖析,以进一步探索多尺度天气系统之间相互作用对LMCS形成、发展过程中所起的作用。

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