兴安盟一次暴雨天气过程的稳定度和能量参数分析.doc

兴安盟一次强对流暴雨的稳定度和能量参数分析孙荣宇（兴安盟气象台 乌兰浩特 137400）摘要:利用常规探空资料,对2011年7月15-16日发生在兴安盟境内的一次强对流暴雨过程中的稳定度和能量参数进行了诊断分析。结果表明:对流有效位能、深对流指数和粗理查森数在暴雨开始前有较明显的增大,对流抑制能量有显著的减小，且峰值对降水时段有一定时间的提前量;稳定度指数也与短时暴雨的发生、发展有着良好的对应,当测站对流稳定度指数在-14以下、抬升指数在-3以下，K指数达到33以上、遇有触发机制,极易产生强对流暴雨，A指数在预报中有明显的滞后性。关键词:短时暴雨 稳定度指数 能量参数引 言 2011年7月兴安盟地区的雷暴、冰雹、短历时强降水等强对流天气频发。据统计，整个7月份兴安盟境内出现12次局地或区域性过程，累计达27站次，属历史少有。造成多次局地洪涝，使良田、桥梁、道路和民房等被冲毁，牲畜被冲走，1人死亡。强对流天气是在有利的大尺度环流背景下产生的中小尺度天气系统的产物,一般伴随雷暴、大风和局地暴雨,有时还伴有冰雹和龙卷风,是一种具有短时巨大破坏力的天气,常给国民经济和人民生命财产造成严重的损失,由于其具有时空尺度小、发展速度快、持续时间短的特点而难以准确预测。为了表述强对流天气发生、发展的环境,经常用到各种对流参数,而物理意义明确的能量、动力和热力稳定度参数最为常用。以前由于各种参数计算复杂，很难得到有效应用，但是随着Micaps3系统的推广，micaps系统提供6大类78种物理量，为各种物理量的应用提供了方便。本文通过对此次暴雨过程的8种物理量进行分析，归纳强对流天气的物理量指标，方便在以后的业务中应用。1 暴雨过程概况及环流背景2011年7月15-16日，兴安盟境内遭遇一次强对流暴雨天气袭击，整个过程伴有大风、强雷暴和冰雹等强对流天气，这次降水时空分布不均，根据区域自动站资料显示，除了兴安盟所属索伦国家基准气象站降水量达51.6毫米外，还有12个自动雨量站降水量在40毫米以上，最大降水量出现在科右中旗的杜尔基，达74.5毫米；乌兰浩特的葛根庙1小时降水量达65.5毫米。此次强降水主要受维持少动的高空低涡影响所致。7月15日20时500hpa天气图上，欧亚大陆中高纬度呈两槽一脊的形势，脊位于亚欧大陆东岸，在脊的底部有一个高空低涡维持少动，兴安盟处于低涡的东南象限，副高呈东西带状，副高外围西南气流携带水汽源源不断往北输送，与低涡携带的冷空气在兴安盟地区形成交汇，触发强对流天气的产生。2能量参数分析在micaps3.1.1系统中，提供表征能量参数的物理量有多种，这里仅选取深对流指数（DIC）1、对流有效位能（CAPE）、对流抑制能量（CIN）和粗理查森数（BRN）2等四种指数进行分析。2.1深对流指数（DIC）强对流是一种深(厚)对流,几乎所有的局地强风暴都与深对流有关,而与有组织的深对流系统联系最密切的3个重要因素是:1.对流层低层有足够的湿层以保证有充足的水汽供应;2.充分大的温度直减率以保证足够的不稳定能量;3足够的抬升力以使空气能从湿层到达自由对流高度6。Barlow将其中前两个因素结合,组成一个可用于预报的深对流指数(DCI),其表达式为DIC=(T850+Td850)-LI (1)式中T850、Td850分别为850温度和露点(以为单位),LI为地面抬升指数。深对流指数越大,预示条件不稳定越强。若同时具备抬升触发条件,则很可能出现强对流天气事件。图1 2011年7月15-16日深对流指数变化曲线这次暴雨过程的深对流指数变化如图1所示。暴雨发生前,深对流指数有一个明显增大的过程,15日08时,索伦的DCI值仅有22.5;到了15日20时DCI增大到了33.6，,索伦上空对流层中低层大气的不稳定度不断增强,已存在对流发生的潜势,15日夜间随着冷暖空气的交汇,不稳定能量得以触发,从而产生了强对流天气。到16日08时,由于不稳定能量的释放,对流层中下层的不稳定度有所减小,表现在深对流指数上则是该指数值由峰值下降到仅有22.9。2.2对流有效位能（CAPE）近年来,对流有效位能越来越多地被用于对流天气的分析和预报业务中，对流有效位能常用的表达式为CAPE=(2)有效位能的含义是指可能转换为动能的位能。式(2)表示在自由对流高度与平衡高度之间,当气块的重力与浮力不相等且浮力大于重力时,一部分位能可以释放,气块可从正浮力做功而获得能量,因这部分能量对大气有着积极作用,并有可能转化成气块的动能,故称其为对流有效位能。对流有效位能是一个能定量反映大气环境中是否可能发生深厚对流的热力变量。在平衡高度处,环境对气块的浮力加速度为0,在此高度之上,对流将因为环境的负浮力作用而受到削弱。CAPE就表示在自由对流高度之上,气块可从正浮力作功而获得的能量。图2 2011年7月15-16日对流有效位能变化曲线从此次暴雨过程对流有效位能变化曲线（图2）可以看出15日08时索伦站的对流有效位能仅79.9J/Kg,到20时对流有效位能显著增大到1352.8 J/Kg，随着不稳定度的增大,兴安盟上空的不稳定能量得以明显积蓄，这为强对流暴雨的产生提供了大量的动能转化能量。由于冷空气的触发,位能转化为动能,足够多的动能转化能量为暴雨的持续提供了动力。到16日08时,由于降雨的产生,CAPE值迅速减小，仅有15.1 J/Kg (见图2)。2.3对流抑制能量（CIN）自colby提出可以把对流抑制能量（CIN）作为预报指标以来，引起许多气象工作者的兴趣，在许多文献涉及到该物理量，且发现其是相当有用的预报参数。其表达式为CIN=(3)图3 2011年7月15-16日对流抑制能量变化曲线式中Tb是该层的平均温度，Te，Tp分别表示环境与气块的温度，Zi表示气块起始抬升高度，由公式可以看出，CIN是气块获得对流必须要超越的能量临界值。从索伦站降水前后CIN变化曲线可以看出(见图3)，在暴雨产生之前索伦站上空的CIN明显减小，到15日20时仅有28.2 J/Kg，可见气块获得对流要克服的能量越来越小，有利于强对流的产生。而随着降水的结束，CIN明显增加，到16日08时达81.2 J/Kg。2.4粗理查森数（BRN）大量的分析研究表明，强对流天气可以发生在弱的垂直风切变和强静力不稳定环境或相反的环境中，即垂直风切变和静力稳定度之间存在着某种平衡关系。粗理查森数能很好的反映这种平衡关系。其表达式为BRN=(4)从公式中可以看出，BRN代表了对于控制风暴结构和发展都很重要因子（热力能量和运动能量）之间的一种平衡关系。图3 2011年7月15-16日粗理查森数变化曲线从索伦站降水前后的粗理查森数变化曲线可以看出，降水产生之前15日08时索伦站的粗理查森数仅为2,到15日20时迅速增加到2705.6，而随着降水的结束，到16日08时索伦站的粗理查森数快速下降仅剩0.9。从以上四个能量参数的分析可以得出一点启示,能量参数的峰值与雨强的峰值间有一定的时间落差,能量的积聚是在强降水开始前就达到最大,这一特征对于制作强降水预报有一定的指示作用。3稳定度参数分析在micaps3.1.1系统中，提供表征层结稳定度的物理量多达26种，这里仅选取对流性稳定度指数（Iconve）、抬升指数（LI）、K指数和A指数等四种指数进行分析。2011年7月15-16日索伦站的上述四种物理量见表1。表1 2011年7月15-16日索伦站不稳定参数稳定度参数15日16日08时20时08时对流稳定度指数Iconve（）-1.6-14.42.6抬升指数LI（）-0.48-3.61.08K指数（）293332A指数（）-2-12163.1对流性稳定度指数（Iconve）对流性不稳定又称位势不稳定,是指厚度相当大的某层空气被抬升达到饱和时大气的稳定度状态。常用500 hPa和850 hPa的假相当位温差值作为对流性稳定度指数,如下式所示:Iconve=se500-se850.(5)当Iconve0,为对流性稳定;Iconve0,为对流性不稳定。分析可知,15日08时,索伦站上空的对流不稳定度还比较小。随着高空低涡的冷空气渗透和副高外围西南气流的加强,对流不稳定度明显增加加大,到15日20时对流性稳定度指数达到-14.4。随着强对流暴雨的产生,至16日08时,对流不稳定有了明显的减弱，对流性稳定度指数为2.6。3.2抬升指数（LI）抬升指数的定义为气块从修正的低层(通常为地面或近地面层)沿干绝热线上升,到达凝结高度再沿湿绝热线上升至500 hPa时所具有的温度（T）与500 hPa等压面上的环境温度(T500)的差值。其表达式为LI=T500-T. (6)当LI0),则表示气层是稳定的。由抬升指数演变看出,暴雨开始前的15日08时,抬升指数为-0.48,大气层结处于弱的不稳定状态,到了20时,不稳定度已开始增大，抬升指数达到-3.6，暴雨过后抬升指数增大到1.08，大气层结变为稳定。不稳定层结的存在,为强对流的发生贮存大量的不稳定能量,同时,对上升运动也起到了加强促进作用。3.3K指数K指数又称气团指标,通常用于测站处在单一气团条件下的天气预报,它对气团的潮湿度、稳定度有一定的判别能力。K指数值越大,表示大气越温暖,水汽越充分,层结越不稳定。其表达式为K=(t850-t500)+td850-(t700-td700) . (7)式中(t850-t500)为温度递减率, td850为低层水汽条件, (t700-td700)为中层饱和程度。根据以往的使用经验,当K指数值连续增加至32以上,就有可能产生较强降水。从计算的K指数随时间的演变可以看出:暴雨过程前的7月15日08时,索伦站的K指数为29; 20时增至33；到16日08时K指数稍有下降为32。K指数的演变与降雨的开始和增强相吻合,K指数达到33以上时,开始出现降水。3.4A指数A指数是一个综合考虑大气静力稳定度与整层水汽饱和程度的物理量。A值越大,表明大气越不稳定或对流层中下层饱和程度越高,越有利于产生降水。表达式为A=t850-t500-(t-td)850+(t-td)700+(t-td)500 (8)K指数能有效的反映出大气的层结稳定情况,但它不能明显表示出整层大气层结不稳定程度。由A指数定义可知,A指数不仅包括各层之间的温度递减率,而且包括低层、中低层和中层的温湿度条件。由计算的A指数可知,强对流暴雨开始前,15日08时和20时索伦站的A指数分别为-2和-12，降水结束后，也就是16日08时索伦站的A指数增加到16。可见A指数对应降水有一定的滞后性，这主要是因为A指数主要取决于水汽状况，在有降水时A指数才会产生明显的变化。从上述几个稳定度指数的分析看呈现较为一致的特征,在暴雨开始前期,大气层结的不稳定度有明显的增强过程,对流稳定度指数、抬升指数和K指数在暴雨开始增强前达到最大不稳定状态,而A指数有明显的滞后性。4结论和思考通过上述分析可以得出以下结论：1.本次强对流暴雨天气过程是高空低涡控制下影响下发生的。2.索伦站的能量和稳定度参数对于本次强对流暴雨的发生和发展具有一定的指示意义:强对流暴雨发生前,索伦上空有一定的不稳定能量积累,对流有效位能、深对流指数和粗理查森数在暴雨开始前有较明显的增大,且峰值相对于降水增强时段有一定时间的提前量。3.几个稳定度指数也与短时暴雨的发生、发展有着良好的对应关系,当测站上空大气不稳定度明显增强,特别是对流稳定度指数在-14以下、K指数达到33以上