阿勒泰地区短时强降水天气预报探空指标研究

阿勒泰地区短时强降水天气预报探空指标研究

万田荷1，王力福1，金赟2,张婉茹3

1.阿勒泰市气象局，新疆 阿勒泰 836500；2.昭苏县气象局，新疆 昭苏 835600；3.青河县气象局，新疆 青河 836200

摘要：大气探空资料是开展天气预报的重要依据，除用于更新大气模式开展数值天气预报外，在基层气象工作中，通过分析探空资料获得一定的预报指数，有助于快速预计短时强降水发生可能性，提前做好加强观测准备。预报指数具有经验性，在各地不同。针对阿勒泰地区，本研究筛选了2014年至2018年夏季（6-8月）6县1市1h降水量≥10mm的个例为研究对象，选取离短时强降水发生时间最为接近时次的探空数据及该时次的前1—2个观测时次的探空数据进行分析，得出结论：（1）阿勒泰地区短时强降水天气过程发生时，温度呈下降趋势，低层有较为充足的水汽条件，中高层有干冷空气。（2）阿勒泰地区短时强降水天气过程中，午后到傍晚的不稳定能量高于清晨和上午。（3）通过统计分析短时强降水天气发生时各物理量阈值，以75%以上的样本能达到的标准确定了阿勒泰地区短时强降水天气预报指数阈值范围，通过检验，该阈值范围可参考价值较高。

关键词：探空资料；短时强降水；预报指数；阈值范围

中图分类号：

阿勒泰地区位于新疆维吾尔自治区北部边缘，阿尔泰山南麓、准噶尔盆地北沿，介于东经85°31′73″-91°01′15″、北纬45°00′00″-49°10′45″之间。地处欧亚大陆中心腹地，远离海洋，属中温带大陆性干旱半干旱气候区。整体地势自东北部向西南至额尔齐斯河和准噶尔盆地急剧倾斜，由布尔津县向西南地势又逐渐抬升，直到萨吾尔山区。受复杂地形影响，该地6-8月多短时强降水。研究探空资料对阿勒泰地区短时强降水天气的应用，可为该地短时强降水的预报提供重要参考，更好地为当地人民生产生活提供服务，为阿勒泰地区防灾减灾提供一定技术支撑，对该地旅游业、农牧业及经济社会的发展具有积极意义。

本研究基于2014年至2018年夏季（6-8月）测站资料，通过比较强降水天气发生前后的探空数据，开展了阿勒泰地区短时强降水天气预报指数变化特征分析及其阈值范围判定工作，并以2019年一次天气过程数据进行了检验。             

1. 资料和方法

本文对阿勒泰地区2014年至2018年夏季（6-8月）6县1市测站数据进行筛选，确定短时强降水的发生时段。再对该时段内探空资料进行统计，建立探空资料数据库。通过对短时强降水天气发生前后探空资料的分析，对相关指数与短时强降水的关系进行研究，拟找出阿勒泰地区短时强降水天气发生时探空资料的特征，最终确立基于探空资料的阿勒泰地区短时强降水天气预报指标。

1.1 个例选取

对阿勒泰地区2014年至2018年夏季（6-8月）6县1市1h降水量≥10mm的降水进行筛选，选取研究对象13例。探空资料包括测量高度、气压、气温、湿度、风向和风速数据。由于探空观测除加密观测外，其余均为每日08时、20时，故选取离短时强降水发生时间最为接近时次的探空数据及该时次的前1~2个观测时次的探空数据进行分析研究。

1.2 物理量的选取

一般降水天气主要受水汽条件、动力条件和热力条件相互作用。故在短时强降水天气影响因子选取时：主要选取850hpa、700hpa及500hpa温度（T）、比湿（q）、假相当位温、温度露点差（T-Td）、零度层高度、-20℃高度、A指数、K指数、沙氏指数（SI）、总指数（TT）、湿对流有效位能（CAPE）、抬升指数（LI）、风暴强度指数（SSI）及强天气威胁指数（SWEAT）系列指数进行统计分析。

2． 阿勒泰地区短时强降水天气探空资料分析

2.1 大气探空层结参数分析

阿勒泰地区天气预报中，常用数据主要是850hpa、700hpa及500hpa资料。

（1）统计此三层温度平均值并进行分析发现：各层次温度均呈现出下降的趋势。其中，从短时强降水发生前两个时次到短时强降水发生时次，850hpa温度下降3.4℃、700hpa温度下降3.0℃、500hpa温度下降2.2℃。同时，对该时段内探空零度层高度求平均值，从短时强降水发生前两个时次的4007.9米到短时强降水发生时次的3571.1m，平均零度层高度下降了436.8m，也可证明短时强降水的发生伴随温度下降；

（2）统计此三层比湿平均值并进行分析发现：自降水前两个时次到降水发生时次低层（850hpa）比湿逐渐增大，但中、高层（700hpa、500hpa）比湿除其中一次略增大，其余均为逐渐减小,说明阿勒泰地区短时强降水发生时低层水汽条件较好，但中高层空气较为干冷。

故：对阿勒泰地区短时强降水发生条件的预报可参考：各层次温度下降，低层具有较好的水汽条件，但中高层有一定的干冷空气。

对零度层高度（ZH）及-20℃高度（-20H）进行分析：ZH均值在3571m左右，-20H均值在6819m左右。其中以75%以上样本能达到的标准来界定，ZH在3500m以上、-20H在6900m以上均占82%。ZH在3700m以上占73%、-20H在7000m以上均占55%。以上数据在实际预报业务中可作为参考依据之一加以应用。

2.2 常用稳定度指标分析

通常用850hpa和500hpa温度差来表示大气层结静力稳定度。通过对对流层温度层结的量化分析，得出阿勒泰地区短时强降水的不稳定条件参考阈值为：T850-500≥25℃。因样本数据较少，故以75%以上样本能达到的标准来界定参考阈值。

湿对流有效位能（CAPE值）同抬升指数（LI）的变化呈正相关性。CAPE值越大、LI负值越大，气层越不稳定。对13例天气过程的CAPE值进行统计分析可发现：短时强降水天气过程发生前及发生时，CAPE值主要呈现以下几种状态：一是短时强降水前一时次CAPE值较小，但发生时次CAPE值增大，此类情况多发生在午后或傍晚，也是研究对象中占比较高的情况，占77%。此类情况大气中的不稳定能量逐渐增大，且CAPE值越大，气块上升超过自由对流高度之后向上的加速度就越大，气层越不稳定。二是短时强降水发生时次CAPE值不大，但前一时次伴随较大的CAPE值，这种情况多发生在清晨或上午，天气过程的发生伴随着大气不稳定能量的释放。三是短时强降水发生时次及发生前一时次CAPE值较稳定的保持在一个值附近，此类情况主要发生在持续时间较长的降水天气过程中。因LI值同CAPE值呈正相关，故在此不再分析。

在预报业务中，K指数预报对流天气较多，本文以75%以上样本能达到的标准来界定参考值，对K指数进行统计分析，发现：K指数在31≤K≤37之间，对短时强降水天气的预报指示意义较大。

对强天气威胁指数（SWEAT）及风暴强度指数（SSI）的统计分析发现，阿勒泰地区短时强降水天气发生时，SWEAT均值在171左右，SSI均值在256左右，后文将以75%以上样本能达到的标准来界定阿勒泰地区短时强降水预报参考阈值。

2.3 确定预报指标阈值

统计分析短时强降水天气发生时各物理量阈值，以75%以上的样本能达到的标准来界定，得出阿勒泰地区短时强降水天气预报指数范围阈值。

其中：ZH、-20H、A、K、SI、CAPE、LI、TT、SSI、SWEAT、T850-500分别代表零度层高度、-20℃高度、A指数、K指数、沙氏指数、湿对流有效位能、抬升指数、总指数、风暴强度指数、强天气威胁指数及850hpa和500hpa之间的温度差。

3. 预报指标阈值检验

以2019年6月4日19时阿勒泰地区哈巴河县短时强降水天气过程为例，对大气探空层结参数进行分析检验。ZH从3626m降至3350m，降低了276m，-20H从6540m降至6330m，降低了210m。且表中数据可看出，温度呈下降趋势，中低层比湿增大，高层比湿减小，证明低层有较为充足的水汽条件，高层有干冷空气。

以该时次短时强降水天气过程为例，对阿勒泰地区短时强降水预报指标阈值进行分析检验。通过对上述数据分析检验发现：除-20H高度略低于阈值范围，其余各物理量均在阈值范围之内。得出：上文得出阈值范围在实际预报业务中可参考价值较高。

4. 结论

本文以实际气象业务工作所需的短时强降水预测为研究对象，通过分析强降水前后的台站探空资料，基于探空资料形成的大气探空层结参数和常用稳定度指标，构建了适用于阿勒泰地区的判定阈值。研究表明：

（1）利用近5年13次天气个例对阿勒泰地区夏季短时强降水天气过程进行分析，可发现：阿勒泰地区短时强降水天气过程发生时，温度呈下降趋势，低层有较为充足的水汽条件，中高层有干冷空气。

（2）阿勒泰地区短时强降水天气过程中，午后到傍晚的不稳定能量高于清晨和上午。对阿勒泰地区短时强降水预报较为有用的参考因子主要有：ZH、-20H、T850-500、K指数、湿对流有效位能、抬升指数、总指数、风暴强度指数和强天气威胁指数。

（3）通过统计分析短时强降水天气发生时各物理量阈值范围，并以75%以上样本能达到的标准确定了阿勒泰地区短时强降水天气预报指数阈值范围，通过检验，该阈值范围在实际预报业务中可参考价值较高。

参考文献：

[1] 中国气象局.常规高空气象观测业务规范[M].北京：气象出版社，2010.12.

[2] 德庆,代华光,德吉卓玛,边巴多吉,文胜军. 基于探空资料的拉萨短期降水预报特征分析[J]. 高原山地气象研究，1674－2184(2015)02－0017－07.

[3] 樊李苗,俞小鼎.中国短时强对流天气的若干环境参数特征分析[J].高原气象，2013，32（1）：156-165.

作者简介：万田荷（1994.03），女，汉族，陕西省渭南市富平县人，本科，助理工程师，从事综合气象观测工作。