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西藏拉萨市一次强对流天气过程中尺度及预报失误分析

2020-12-30 12:31:45 农业灾害研究 2020年6期

奚凤 代华光 余燕群 卓玛 丹增诺布 旦增冉珍

摘要 利用常规气象观测资料、区域自动站资料、FY—4卫星云图资料、拉萨多普勒雷达资料,对2020年7月9日20∶00发生在拉萨及其周边的异地强对流天气的环流背景、动力和热力条件、中尺度系统和雷达特征进行了分析,并进行数值预报检验以及预报失误原因分析。结果表明:(1)夏季预报中,需要多考虑较有利的大尺度环流背景下激发的中小尺度系统的发生发展;(2)此次拉萨强降水为高空槽东移过程中携带的冷空气与低纬度低压前的西南暖湿气流在拉萨上空交绥的过程中激发了中尺度对流系统,中尺度对流系统的强度和移动路径以及地面辐合线是预报此次强降水、局部大雨落区的关键因素;(3)数值预报产品虽已成为天气预报日常业务中的重要参考资料,但西藏强降水多是由中小尺度系统以及地形因素引起的,因此预报能力有较大误差;(4)多普勒雷达组合反射率以及卫星云图的发展变化对西藏短时强降水系统的发生发展提供重要参考;(5)对于强降水的预报,数值预报很难报出落区和量级;(6)低空强烈的水汽辐合是暴雨发生的主要原因,暴雨发生前的不稳定能量为暴雨的发生提供有利的热力条件。拉萨位于高原东坡(河谷地带),有地形的阻挡和加热作用,是大气不稳定能量聚集地。

关键词 青藏高原;强对流;不稳定能量;预报失误;位涡

中图分类号:P458.2;P412.25 文章标识码:A 文章编号:2095–3305(2020)06–0–04

DOI:10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.06.043

青藏高原地区的环境变化对高原以及周边其他地区人类的生存环境和经济发展可产生非常重要的影响。许多学者从气候特征、大尺度环流分类、物理量诊断和数值模拟等方面对青藏高原边缘地区发生的暴雨做了大量的研究工作,为提高暴雨的预报水平打下了坚实的基础[1~18]。青藏高原地形复杂,常规观测资料的时空分辨率较低,西藏地区的天气尤其是强对流天气是气象工编辑面临的难题。目前,引起高原强降水的环流场以及系统等已有很多学者进行研究,但是对于西藏的强降水并不能仅靠环流场和数值预报进行准确报道。为此,利用常规资料、自动站资料、卫星云图、雷达资料,分析此次拉萨强降水过程的动力条件、水汽条件、层结条件、雷达回波以及中尺度对流系统特征,总结强降雨过程漏报的原因,为今后山谷对流性降雨的预报与服务提供参考。

1 数据资料与研究方法

所用资料为2020年7月9—10日地面与高空观测资料、数值预报资料、区域自动站资料、卫星云图资料、多普勒雷达资料,使用MICAPS4.5、雷达PUP等气象App,应用各类天气诊断方法对西藏拉萨的强对流天气进行分析,并总结漏报原因。

1.1 天气实况

7月9日20∶00—10日08∶00,拉萨降雨量16.1 mm,墨竹工卡降雨量13.2 mm,尼木降雨量为6.2 mm(图1)。拉萨和墨竹工卡小时雨强很强,拉萨02∶00小时雨强7.9 mm,这在该地区是比较大的降雨量(图2)。

1.2 大气环流背景

7月9日20∶00对流层高层100 hPa,受南亚高压控制,高压中心位于西藏中部,东部脊线在拉萨附近,高空辐散流场利于上升运动维持发展(图略)。500 hPa上,8日20∶00,前一天,拉萨位于588线高压的边缘,暖中心附近,前期高原上能量和水汽充足(图略)。9日08∶00,拉萨仍位于暖中心附件,位于切变北部。09日20∶00(图3),中高纬度地区维持两脊一槽环流形势,低压槽分别位于贝加尔湖和巴尔喀什湖,槽后脊前西北气流引导冷空气南下,南部阿拉伯海有一个低值系统,槽前的西南气流与北部的西北气流在西藏北部形成低涡切变线,拉萨及其周边受一致的西南风控制,切变线偏北;10日08∶00(图4),拉萨仍受一致的西南风控制,切变线东移到西藏东北部,移速较快。高空400 hPa和300 hPa为一致的西风,没有冷空气。由此可见,环流场对此次强降水指示性不强。

地面图上(图略),09日08∶00,拉萨24 h变压为-2 hPa,受低压控制,有风向风速的辐合。09日20∶00,拉萨24 h变压持续下降,为-4 hPa,低压加强,风向风速辐合加强,降水相应加强。10日08∶00 24 h变压为-2 hPa,降水减弱。

1.3 中尺度环境条件

由中尺度分析可知,拉萨位于高空辐散,低空辐合,地面明显的风向辐合区以及拉萨边坡地形强迫抬升作用共同触发了此次强降水。温度露点差,比湿由此说明水汽充沛,在有利的条件配合下易产生强降水(图5)。

1.3.1 水汽条件 拉萨附近500 hPa温度露点差为≤4℃,比湿达7 g/kg,在西藏可以说明对流层中低层水汽充沛,在有利形势下利于产生强降水(图略)。

1.3.2 不稳定条件和探空环境条件 假相当位温θse的分布可以反映大气中能量的分布状况,从9日20∶00拉萨的假相当位温垂直剖面(图6)可知,整层θse在80℃以上,这是由500 hPa西南气流为雨区输送水汽和能量,近地层大气高温高湿造成的。拉萨上层400 hPa附近θse为85℃左右,垂直方向上近地层与400 hPa之间θse相差近达10℃。θse随高度递减,说明拉萨的大气具有明显对流不稳定性。

T-lnP探空图能够反映测站一定范围内上空的各种气象要素的垂直分布特征。从9日20∶00拉萨站探空的T-lnP图(图略)可知,中低层湿度条件较好;从风的垂直切变分布状况来看,整层以偏西风为主,且地面至400 hPa风向随高度逆轉,有弱冷平流输送。400 hPa向上风向随高度顺转,有弱暖平流输送,层结较稳定。对流有效位能CAPE为473.6 J/kg,其垂直分布呈瘦长型,0℃层高度超过了3 km,暖云层较厚,利于短时强降水天气的发生。从探空层结曲线分布来看,抬升凝结高度和自由对流高度在500 hPa和650 hPa,较低的抬升凝结高度和自由对流高度利于对流的触发(图7)。

1.4 动力条件

强降水发生过程中,散度和涡度变现不明显,从垂直速度剖面图(图8)可知,发生之前,整层速度为0 Pa/s,强降水发生后,整层转为上升运动,10日08∶00,降水减弱,速度又变为0 Pa/s。可见,当散度和涡不明显时,仅有弱的垂直速度就有可能产生强降水。

位涡:位涡是一个反映大气热力和动力性质的特征量,低空急流的建立和发展,位涡也会有相应的变化。在湿位涡诊断和数值模拟中认为,位涡的分布反映了冷暖气团的分布,冷暖气流相互作用是成暴雨的机制。位涡的高值区和低压槽相对应,低值区和暖湿气团相对应[19-23]。9日23∶00拉萨为高值区中心,10日02:00等值线更密集,仍为高值中心(图9、10)。

1.5 中尺度对流云团

利用高空分辨率的气象卫星观测资料分析影响强降水过程的中尺度对流系统,所用资料为FY—4A卫星红外云图(12 μm),一般TBB≤-32℃的区域为活跃区[24]。分析云图可知,9日傍晚多个对流云系生成并发展。9日17∶00~10日10∶00,共有3个对流云团先后移过拉萨,形成“列车效应”,云顶亮温均低于-52℃。9日20∶00,中尺度对流云团A在拉萨新生发展,不断壮大,云顶亮温不断下降;21∶38,在A西南部有对流云团B不断形成发展(图11a),00∶19,对流云团C不断形成发展,它们形成一条东北西南向的线状对流系统,此时,拉萨位于云顶亮温最小值中心和梯度大值区附近,对应着雨强也是最大(图11b)。随着时间推移,2∶30,对流云团逐渐减弱消散,移出拉萨,降水过程趋于结束(图11c)。由此可以看出,中尺度对流云团合并加强以及“列车效应”是造成本次大暴雨的直接原因。

1.6 雷达特征分析

利用拉萨多普勒天气雷达资料分析对流单体的演变过程,由组合反射率演变可知,20∶09,在拉萨境内新生对流单体A,对流单体A中心强度大于45 dBZ,受对流层中低层西南气流引导,对流单体A向东偏北方向移动并发展加强。22∶58和23∶04时,在对流单体A东北侧有块状儿对流单体B新生,中心强度大于45 dBZ,23∶15对流对流单体B分裂为两块,23∶20又合并加强,经过拉萨,01∶15新多单体新生东移,01∶31新多单体C由一堆线状多单体围绕一个块状低质心对流单体组成,经过拉萨,强度维持并缓慢向东移动,对应地面区域站在该时间段内降水强度最大,02∶15多单体逐渐移出拉萨,强降水逐渐趋于结束(图12)。综上可知,低质心的强对流多单体缓慢移动并长时间维持在拉萨造成了局部短历时暴雨。

2 预报检验

拉萨及其周边站点预报量级偏小,拉萨站点12 h预报5 mm,实况16 mm,落区偏北,拉萨北部报到了10 mm以上。500 hPa风压场,在西藏北部报了一个580的低值中心,实况场位于槽前,预报场在拉萨北部受一致的西风,实况场为偏北风,所以在拉萨北部有弱的切变线,而预报场在拉萨北部无切变线。(图13、14)从水汽条件看,比湿预报和实况较一致,拉萨周边都为7g/kg(图15、16)。

此次,拉萨站GRAPES的3 km格点和实况报的较好,拉萨以及周边12 h报到13~21 mm。从GRAPES的10 m的风场来看,拉萨附近有风场辐合线,低层辐合上升配合高层的辐散,在充沛的水汽条件下形成拉薩的强降水过程(图17)。

3 预报失误原因

(1)西藏短时强降水的预报难度大,天气系统演变规律较难掌握,对造成暴雨的中小尺度系统更难掌握。此次拉萨强降水过程未预报出来,原因主要是各数值预报影响系统偏西、偏北,高原槽主要位于那曲至日喀则北部,离拉萨距离较远,且没有明显东移影响拉萨的趋势。

(2)中小尺度系统的发生发展是在有利的大尺度环流背景下激发出来的,中小尺度系统是产生暴雨的主要系统,对造成暴雨的中小尺度系统更难掌握。

(3)综合以上各家模式预报,可以看出环流形势、天气系统、急流、水汽、数值预报和上级引导预报等资料都表明拉萨市为小雨天气过程,出现区域性大雨的条件较小,尤其欧洲中心的预报(预报员一直觉得预报最准确的模式)拉萨降雨量级小于10 mm。

(4)高空400 hpa和300 hpa以西风为主,没有明显的冷空气影响。

(5)CAPE值较小,能量小。

5 结论与讨论

(1)夏季预报中,需要多考虑较有利的大尺度环流背景下激发的中小尺度系统的发生发展。

(2)此次拉萨强降水为高空槽东移过程中携带的冷空气与低纬度低压前的西南暖湿气流在拉萨上空交绥的过程中激发了中尺度对流系统,中尺度对流系统的强度和移动路径以及地面辐合线是预报此次强降水、局部大雨落区的关键因素。

(3)数值预报产品虽已成为天气预报日常业务中的重要参考资料,但西藏强降水多是由中小尺度系统以及地形因素引起的,因此预报能力有较大误差。

(4)多普勒雷达组合反射率以及卫星云图的发展变化对西藏短时强降水系统的发生发展提供重要参考。

(5)对于强降水的预报,数值预报很难报出落区和量级。

(6)低空强烈的水汽辐合是暴雨发生的主要原因,暴雨发生前的不稳定能量为暴雨的发生提供有利的热力条件。拉萨位于高原东坡(河谷地带),有地形的阻挡和加热作用,是大气不稳定能量聚集地[25]。

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责任编辑:黄艳飞

Mesoscale Analysis and Forecast Error of a Severe Convective Weather Process in Lhasa, Tibet

XI Feng et al (The Meteorological Observatory of Tibet Autonomous Region Meteorological Bureau, Lhasa, Tibet 850000)

Abstract Using conventional meteorological observation data, regional automatic station data, FY-4 satellite cloud image data, and Lhasa Doppler radar data to determine the circulation background of the strong convective weather in and around Lhasa at 20:00 on July 9, 2020. Dynamic and thermal conditions, mesoscale systems, and radar characteristics are analyzed, numerical forecast verification, and reasons for forecast errors are analyzed. The results show:(1) In summer forecasts, more favorable large-scale circulation background excitations need to be considered The occurrence and development of small and medium-scale systems in Lhasa. (2) The cold air carried during the eastward movement of the Lhasa trough and the warm southwestern warm air currents before low latitude and low pressure in Lhasa stimulated the mesoscale The convective system, the strength and movement path of the mesoscale convective system, and the ground convergence line are the key factors for forecasting the heavy precipitation and local heavy rain. (3) Although numerical forecast products have become important references in the daily business of weather forecasting However, the heavy rainfall in Tibet is mostly caused by small and medium-scale systems and topographical factors, so the forecasting ability has large errors. (4) The development and changes of Doppler radar combined reflectivity and satellite cloud images affect the system of short-term heavy rainfall in Tibet. The occurrence and development provide an important reference. (5) For the forecast of heavy rainfall, it is difficult to report the falling area and magnitude of the numerical forecast. (6) The strong water vapor convergence at low altitude is the main reason for the occurrence of heavy rainfall, and the unstable energy before the occurrence of heavy rainfall It provides favorable thermal conditions for the occurrence of heavy rains. Lhasa is located on the east slope of the plateau (river valley). The terrain is blocked and heated, and is a place where unstable energy is concentrated in the atmosphere.

Key words Qinghai-Tibet Plateau; Strong convection; Unstable energy; Forecast error; Potential vorticity

基金項目 第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0102)。

编辑概况 奚凤(1992–),女,安徽太和人,助理工程师,从事气象预报预测工作。

收稿日期 2020–06–20

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