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宁夏雷暴天气过程划分及环流分型和环境场特征

纪晓玲 王式功 穆建华 陈晓娟 杨侃 辛尧胜

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宁夏雷暴天气过程划分及环流分型和环境场特征

Classification of Thunderstorm Processes with the Circumfluence Types and Environmental Field Characteristics in Ningxia

  • 摘要: 利用1961—2005年宁夏25个气象站雷暴观测资料,根据雷暴发生特点对雷暴天气过程进行划分,得到全区(大部)性、区域性Ⅰ、区域性Ⅱ、持续性、局部性、分散性6类雷暴天气过程;并利用1996—2005年NCEP/NCAR逐日全球再分析资料,对10年来5—9月263例区域性雷暴天气过程进行分析,总结得到有利于宁夏雷暴天气发生的主要环流分型有4类:蒙古冷涡(槽)型、东北冷涡后部横槽型、河套低涡型、西风槽型。其中,前3种类型下易出现持续性雷暴天气过程。易于发生雷暴的环境场特征为宁夏处于500 hPa“西高东低”环流形势下的(弱)西北气流中,地面一般为气旋或热倒槽所控制,蒙古国至我国新疆一带或河西一带有冷锋、切变东移南下,中低层有一定的水汽和辐合抬升条件。
  • 图 1  1997年7月28日20:00 500 hPa高度场 (实线,单位:gpm) 及温度场 (虚线,单位:℃)(a) 和地面气压场 (单位:hPa)(b)

    Fig.1  Height (solidline,unit:gpm),temperature (dashedline,unit:℃) fields of 500 hPa (a) and surface pressure filed (unit:hPa)(b) at 20:00 28 July 1997

    图 2  2002年7月22日20:00 500 hPa高度场 (实线,单位:gpm) 及温度场 (虚线,单位:℃)(a) 和地面气压场 (单位:hPa)(b)

    Fig.2  Height (solidline,unit:gpm),temperature (dashedline,unit:℃) fields of 500 hPa (a) and surface pressure filed (unit:hPa)(b) at 20:00 22 July 2002

    图 3  2004年7月17日08:00 500 hPa高度场 (实线,单位:gpm) 及温度场 (虚线,单位:℃)(a) 和地面气压场 (单位:hPa)(b)

    Fig.3  Height (solid line, unit: gpm), temperature (dashed line, unit:℃) fields of 500 hPa (a) and surface pressure filed (unit: hPa) (b) at 08:00 17 July 2004

    图 4  2004年9月11日20:00 500 hPa高度场 (实线,单位:gpm) 及温度场 (虚线,单位:℃)(a) 和地面气压场 (单位:hPa)(b)

    Fig.4  Height (solid line, unit: gpm), temperature (dashed line, unit: ℃) fields of 500 hPa (a) and surface pressure filed (unit: hPa) (b) at 20:00 11 Semptember 2004

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出版历程
  • 收稿日期:  2009-08-27
  • 修回日期:  2010-02-25
  • 刊出日期:  2010-06-30

宁夏雷暴天气过程划分及环流分型和环境场特征

  • 1. 宁夏气象防灾减灾重点实验室, 银川 750002
  • 2. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081
  • 3. 兰州大学大气科学学院, 兰州 730000

摘要: 利用1961—2005年宁夏25个气象站雷暴观测资料,根据雷暴发生特点对雷暴天气过程进行划分,得到全区(大部)性、区域性Ⅰ、区域性Ⅱ、持续性、局部性、分散性6类雷暴天气过程;并利用1996—2005年NCEP/NCAR逐日全球再分析资料,对10年来5—9月263例区域性雷暴天气过程进行分析,总结得到有利于宁夏雷暴天气发生的主要环流分型有4类:蒙古冷涡(槽)型、东北冷涡后部横槽型、河套低涡型、西风槽型。其中,前3种类型下易出现持续性雷暴天气过程。易于发生雷暴的环境场特征为宁夏处于500 hPa“西高东低”环流形势下的(弱)西北气流中,地面一般为气旋或热倒槽所控制,蒙古国至我国新疆一带或河西一带有冷锋、切变东移南下,中低层有一定的水汽和辐合抬升条件。

English Abstract

    • 雷暴天气造成的灾害是多方面的,20世纪80年代以来国内出现了大量新的研究成果。张义军等[1]从雷电定位技术研发、雷电物理过程、雷暴起电放电数值模式研究、北京闪电特征和时空分布、闪电活动与强对流天气过程、雷电预警预报研究6个方面综合阐述了国内雷电研究的一些结果和近期的研究进展;张敏锋、张鸿发、马明、郑栋等[2-5]探讨了我国雷暴、闪电气候及雷电灾情特征;孟青、张义军、王飞、郑栋、吴亭等[6-10]探讨了闪电探测技术发展和相关资料应用;郭虎等[11]对北京市雷电灾害易损度评估结构进行了研究,采用4级分区法对雷电灾害易损性进行综合评估,形成北京市雷电灾害易损度区划等。但因雷暴发生具有突发性、局地性强、损失严重等特点,不仅给预报业务造成很大难度,也给预报服务造成很大压力。环流分型作为预报分析的基础,便于掌握各种天气环流形势演变特点。根据当地雷暴发生特点和天气气候背景进行雷暴天气环流分型[12-15],对于探讨雷暴天气成因和防雷减灾具有重要作用。

      宁夏地处青藏高原东部、中纬度内陆地区,特殊的地理位置和区内复杂多变的地形地貌特点,夏季多雷暴灾害发生。宁夏在雷暴气候特征方面有一些研究成果,纪晓玲等[16]利用45年宁夏长序列雷暴资料分析了基本气候特征及变化规律;张智[17]对宁夏雷暴灾害特征进行了分析;但目前尚未有雷暴天气过程划分及环流分型等相关研究报道。

      本文利用1961—2005年宁夏25个气象站雷暴观测资料,首先根据雷暴发生特点对雷暴天气过程进行划分,并从天气学角度出发对1996—2005年宁夏雷暴天气过程进行环流分型,普查了造成雷暴天气系统地面和高空气压场配置特点,确定了4类有利于宁夏雷暴天气产生的主要环流分型,并给出了宁夏雷暴发生的有利环境场特征和预报着眼点,为雷暴天气预报提供一定的依据,对提高宁夏雷暴天气的预测预报能力有一定作用。

    • 1961—2005年宁夏25个气象观测站逐日雷暴资料;1996—2005年5—9月NCEP/NCAR2.5°×2.5°逐日再分析资料。

      在统计雷暴天气出现日数时 (气象日界为20:00(北京时,下同)),若某次雷暴跨越20:00,按2个雷暴出现日计算;当某日雷暴过程出现2次或以上时,按1个雷暴出现日计算。

    • 根据宁夏气象站点分布特点及雷暴日出现情况[16],制定了以下划分标准:①全区 (大部) 性雷暴天气过程:当全区25个气象观测站中至少有18个相邻站 (不低于18个站,72%) 同一天出现雷暴天气时,即定为全区性雷暴天气过程;②区域性雷暴天气过程:当25个气象观测站中至少有12个相邻站 (12~18个站,48%) 同一天出现雷暴天气时,即定为区域性雷暴天气过程;③区域性雷暴天气过程:当25个气象观测站中至少有6个相邻站 (6~12个站,24%) 同一天出现雷暴天气时,即定为区域性雷暴天气过程;④局部性雷暴天气过程:当25个气象观测站中至少有3个相邻站 (3~6个站,12%) 同一天出现雷暴天气时,即定为局部性雷暴天气过程;⑤分散性雷暴天气过程:当25个气象观测站中只要有1站以上 (1~3个站) 同一天出现雷暴天气时,即定为分散性雷暴天气过程;⑥持续性雷暴天气过程:在全区 (大部) 性、区域性、区域性雷暴天气过程中,若任意一类雷暴天气持续发生3d或以上时,即定为持续性雷暴天气过程。

    • 1961—2005年宁夏共出现3898例雷暴天气过程。依据划分标准,全区性雷暴天气过程110例,占总雷暴过程的3%;区域性雷暴天气过程357例,占总雷暴过程的9.2%;区域性雷暴天气过程931例,占总雷暴过程的23.9%;局部性雷暴天气过程1039例,占总雷暴过程的26.7%;分散性雷暴天气过程1461例,占总雷暴过程的37.5%;持续性雷暴天气过程有27例。划分结果进一步证明了宁夏雷暴的发生具有明显的局地性、分散性特点[16]

      从雷暴天气过程月分布来看,5—9月共发生雷暴天气过程3450例,占总雷暴过程的88.5%;尤其是6—8月,共发生雷暴天气过程2450例,占总雷暴过程的62.9%,为雷暴高发期,而冬季 (12月—次年2月) 出现雷暴的概率几乎为零。

    • 利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,依据雷暴发生前一日20:00500 hPa环流形势 (25°~65°N,60°~120°E),对1996—2005年5—9月发生的全区 (大部) 性、区域性、区域性雷暴天气过程共计263例进行分析,总结得到宁夏发生雷暴天气的主要环流分型为:蒙古冷涡 (槽) 型、东北冷涡后部横槽型、河套低涡型、西风槽型4类。持续性雷暴天气过程往往发生在环流形势相对稳定的情况下,蒙古冷涡 (槽) 型、东北冷涡后部横槽型、河套低涡型下均有可能发生。

    • 蒙古冷涡是指在蒙古人民共和国上空500 hPa有闭合的冷性低温,是西风槽东移加深切断而形成的,其后部有冷中心或冷槽配合。蒙古冷涡一般生成于蒙古国西北部,东移过程中受东部暖高压脊阻挡,在蒙古中东部具有维持少动的特点。

      该型环流特点是:中高纬度地区500 hPa一般为两脊一槽,巴尔喀什湖、贝加尔湖及以东各为一暖高压脊控制,两脊之间蒙古中西部为冷性低涡,涡后上游脊前下滑冷空气不断补充,使低涡的斜压性加大;如果巴尔喀什湖脊进一步向东北方向发展,往往与贝加尔湖脊叠加在贝加尔湖以北形成阻塞高压形势,使切断的蒙古冷涡维持少动。而新疆至河西为弱高压脊或反气旋环流控制,宁夏处于蒙古冷涡东南部的偏西或西西北气流影响下。地面上,宁夏一般处于河西倒槽前或地面气旋系统内,蒙古国至我国新疆一带往往有冷锋东移南下影响宁夏出现对流性天气。如1997年7月29—30日、2004年6月14日等。

      1997年7月29—30日受缓慢移动的蒙古冷涡影响造成连续两天出现雷暴天气。28日20:00500 hPa (图1a),巴尔喀什湖、贝加尔湖之间低涡位于蒙古国西部45°~50°N,90°~100°E附近,有-18℃闭合冷中心配合,地面上 (图1b) 贝加尔湖至哈密有东西向冷锋东移南压,河西有地面气旋东移,河套处于河西气旋前偏南气流里,为宁夏对流性天气的出现提供了暖湿不稳定条件;29日08:00,500 hPa巴尔喀什湖高压脊向东北方向伸展,在贝加尔湖西北部形成一阻塞高压,而贝加尔湖东侧高压稳定少动,又对蒙古低涡形成明显的阻挡。28—30日700 hPa宁夏处于负散度区控制或零散度线附近,相对湿度维持在50%~80%之间。东西两侧高压脊共同作用使蒙古低涡移动缓慢,低涡在旋转过程中其后部不断有冷空气沿新疆反气旋环流前弱西西北气流扩散南下导致29—30日出现雷暴天气。

      图  1  1997年7月28日20:00 500 hPa高度场 (实线,单位:gpm) 及温度场 (虚线,单位:℃)(a) 和地面气压场 (单位:hPa)(b)

      Figure 1.  Height (solidline,unit:gpm),temperature (dashedline,unit:℃) fields of 500 hPa (a) and surface pressure filed (unit:hPa)(b) at 20:00 28 July 1997

    • 该型环流特点是:500 hPa中高纬度地区以经向环流为主,为两槽一脊,即乌拉尔山附近及我国东北地区各为一冷槽 (涡) 控制,蒙古国到我国新疆为高压脊,极地冷空气南下补充使东北冷涡 (槽) 不断加深。如果该高压脊发展东移南压,东北冷涡 (槽) 往往南压至华北一带形成华北低涡 (槽),宁夏处于东北低涡 (槽) 后部、蒙古国到我国新疆为高压脊前西北气流里,冷涡后部有横槽南压影响宁夏。如果东北低涡 (槽) 位置偏西,位于贝加尔湖附近,冷涡 (槽) 在东移南压过程中底部不断有冷空气沿西西北气流扩散至河套影响宁夏。地面上,宁夏一般受地面气旋或热倒槽控制,内蒙古到河西一带有冷锋配合。

      2002年7月23—25日雷暴过程就是在这种环流形势下爆发的。22日20:00500 hPa (图2a),东北冷涡位于50°~55°N,120°~125°E附近,并有-15 ℃闭合冷中心配合,蒙古国到我国新疆高压脊发展为近东北西南向的阻塞高压,东北冷涡后部横槽内有冷空气南下,宁夏受地面锋前气旋控制 (图2b)。23—25日700 hPa宁夏相对湿度维持在50%~70%,处于零散度线附近或为弱的正散度区控制。受东北冷涡后部横槽内不断南下冷空气影响,23—25日宁夏出现了持续性雷暴天气过程。

      图  2  2002年7月22日20:00 500 hPa高度场 (实线,单位:gpm) 及温度场 (虚线,单位:℃)(a) 和地面气压场 (单位:hPa)(b)

      Figure 2.  Height (solidline,unit:gpm),temperature (dashedline,unit:℃) fields of 500 hPa (a) and surface pressure filed (unit:hPa)(b) at 20:00 22 July 2002

    • 该型前期环流形势与东北冷涡 (槽) 后部横槽型类似,即500 hPa乌拉尔山附近为一冷槽,东北为冷性低涡 (槽) 控制,两槽之间蒙古国到我国新疆一带为近东北—西南向高压脊。当蒙古国到我国新疆高压脊进一步向东北方向发展并逐渐加强为阻塞高压时,东北冷涡 (槽) 断裂为南北两支,北部一支快速东移,而南部一支西退,并在河套附近逐渐形成切断低涡,副热带高压一般位于西太平洋洋面。受副热带高压和阻塞高压共同影响,沿阻塞高压前偏东或东北气流不断有冷空气补充,使河套低涡维持少动,冷涡在缓慢旋转过程中,引导冷空气南下影响宁夏。地面上,宁夏一般处在地面气旋或地面高压前低压带里,有时也在鞍形场内,其西侧往往有冷锋东移。如2004年7月17—19日。

      2004年7月17日08:00500 hPa (图3a),欧亚为两槽一脊型,乌拉尔山与东北深厚冷槽之间为宽广的高压脊控制,冷槽、暖脊呈东北—西南向分布,此时,蒙古国到我国新疆阻塞高压与河套冷涡已形成,涡后沿偏东北气流不断有冷空气补充,有-10 ℃工团的闭合冷中心配合,冷涡一直维持到20日,并在缓慢旋转东移过程中,其后部不断有冷空气南下;地面上 (图3b),蒙古国到河西有冷锋东移。17—19日700 hPa相对湿度维持在60%~80%,宁夏处于零散度线附近或为弱的正散度区控制。受河套冷涡旋转东移影响,17—19日出现了持续性雷暴天气过程。

      图  3  2004年7月17日08:00 500 hPa高度场 (实线,单位:gpm) 及温度场 (虚线,单位:℃)(a) 和地面气压场 (单位:hPa)(b)

      Figure 3.  Height (solid line, unit: gpm), temperature (dashed line, unit:℃) fields of 500 hPa (a) and surface pressure filed (unit: hPa) (b) at 08:00 17 July 2004

    • 欧亚中高纬度地区以纬向型环流为主,亚洲北部为长波槽控制,新疆到河西以偏西气流或西西北气流为主,长波槽底不断有冷空气分股扩散,哈密到河西一带有分裂短波槽东移。地面上,河西到宁夏一般受地面气旋控制,蒙古国到我国新疆一带往往有冷锋东移影响,如2004年9月12—13日这次过程。

      2004年9月11日500 hPa (图4a) 伊朗高压向东北方向伸展,副热带高压位置相对偏东,哈密附近有冷槽东移,新疆到河西以偏西气流为主。地面上 (图4b) 蒙古国到我国新疆一带有冷锋东移,宁夏处于地面河西气旋前偏南气流中。12—13日700 hPa相对湿度维持在70%~90%,宁夏处于负散度区控制。受自哈密附近东移冷槽影响,12—13日出现雷暴天气过程。

      图  4  2004年9月11日20:00 500 hPa高度场 (实线,单位:gpm) 及温度场 (虚线,单位:℃)(a) 和地面气压场 (单位:hPa)(b)

      Figure 4.  Height (solid line, unit: gpm), temperature (dashed line, unit: ℃) fields of 500 hPa (a) and surface pressure filed (unit: hPa) (b) at 20:00 11 Semptember 2004

    • 通过对雷暴天气的4种环流型特点分析发现,发生雷暴天气时,宁夏往往处于500 hPa“西高东低”形势下,即在新疆至河西为反气旋环流或弱高压脊控制,其东部河套至陕甘宁一带为弱槽区或低压区,宁夏始终处于西北气流或西西北气流控制下;地面上为地面气旋控制或处于热倒槽前偏南气流里,蒙古国到我国新疆或河西一带有冷锋、切变线东移南下;湿度条件低于一般性降水天气,700 hPa相对湿度基本维持在50% 80%,西方小槽型湿度高于其他类型;宁夏中低层一般处于负散度区控制或处于零散度线附近。当沿西北气流或偏西气流不断扩散冷空气与低层辐合抬升的不稳定暖湿气流相遇时,易产生强对流天气形成雷暴。因此,预报时可以从以下几点考虑:

      1) 每年5—9月,如果欧亚范围出现蒙古冷涡 (槽) 型、东北冷涡后部横槽型、河套低涡型、西风槽型4种环流型时,宁夏处于“西高东低”环流形势下的西北气流中,有冷槽、低涡或地面冷锋、切变线东移南下,地面为气旋或倒槽前偏南气流控制时,中低层有一定的暖湿不稳定能量和辐合抬升条件,就要考虑是否有产生雷暴的可能性。

      2) 如果已出现有利于雷暴出现的环境场和环流型,要注意不同天气分型下不同环流形势演变特点,以进一步确定雷暴发生可能性大小以及天气形势与天气现象之间的关系。如冷涡天气形势下,需重点分析对冷涡的移动、发展起决定作用的高压脊发展情况,以及冷空气的移动路径和强弱变化情况等。

      3) 雷暴发生的可能落区可出现在同一天气系统的不同部位。以地面气旋为例,有的发生在气旋中心附近,有的发生在暖锋或冷锋附近。在日常预报业务中,应充分利用雷达、卫星等多源气象探测资料,结合雷暴天气不同预报方法进行分析比对,以确定发生雷暴的可能落区。

      本文主要针对区域性雷暴天气过程及大尺度环流背景进行分析,而雷暴发生是中小尺度系统的产物,以局部出现较多,那么,产生雷暴天气的中小尺度系统发生发展特点、物理量分布特征、局地不稳定及辐合抬升条件等,是下一步应深入分析的问题。

参考文献 (17)

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