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基于天气学研究本溪初霜特征与短期预报过程

2020-02-17 291 上传者：管理员

摘要：选取本溪地区4个国家气象观测站观测数据，利用NCEP再分析资料和历史天气图分析本溪地区初霜出现时天气学特征，研究发现在冷空气配合下，两槽一脊型或一槽一脊形势，槽后或槽底出现初霜，涡位置和冷空气强度会影响初霜影响的范围。根据本溪地区初霜天气学特征设计进行初霜短期预报流程设计。

关键词：
初霜
天气学特征
防灾减灾
预报流程设计
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霜冻是指春秋转换季节土壤表面和植物表面温度下降到0°C以下足以使植物遭受伤害甚至死亡的一种农业气象灾害，初霜冻是秋季发生的第一次霜冻，会影响植物生长发育，造成粮食品质变差、大面积减产，初霜越早危害性越大。我国不少专家学者对初霜的气候特征、预报指标和预测方法做了大量研究工作[1-3]，李辑[4]等对辽宁近50年霜的气候变化特征进行了研究，陆忠艳等[5]对辽宁省初霜特征及预报技术进行了研究，周彬等[6]对无锡地区霜冻特征进行了研究，姬兴杰等[7]研究了1971—2010年河南省霜期的时空分布及其对气温的响应，本溪地区目前尚未见对初霜专门研究的报道。本溪地处辽宁东部山区，地形复杂，可耕种面积少，且只有一季作物。根据吉奇等[8]的研究，本溪地区初霜呈波动性推迟，如果在农作物生长后期遭遇初霜冻，将给农业带来巨大损失，因此有必要对本溪地区初霜进行研究，进而对初霜进行科学预测，为本溪农作物生产防灾减灾提供可靠的参考依据。

1、资料与方法

1.1 研究区域概况

本溪地区位于辽宁省东部山地丘陵地带，地理坐标123°34忆～125°46忆E，40°49忆～41°35忆N，呈哑铃状分布。本溪地区共有4个国家气象观测站，分别位于明山区、本溪县小市镇、桓仁县桓仁镇和本溪县草河口镇（图1）。

1.2 资料来源与处理

选取本溪地区4个国家气象观测站观测数据，以及1971—2015年NCPE再分析资料和历史天气图等气象资料。利用NCEP再分析资料和历史天气图对初霜时的天气形势、冷空气来源等进行天气学分析，并总结初霜短期预报指标。

2、结果与分析

2.1 初霜环流背景特征分析

通过对1981—2015年本溪地区出现初霜的高空地面气象观测资料分析发现，本溪地区初霜前日500hPa高度场上中高纬度主要为两槽一脊型或一槽一脊形势，本溪地区多处于槽后或槽底，45°～65°N、105°~145°E范围内有中心强度(512～547.5)×10gpm的涡存在，占初霜总天数的62.1%。经统计还发现市区、本溪县初霜前日涡的位置比桓仁县、草河口初霜前日偏西10个经度左右（表1），即涡的位置偏西有利于市区、本溪县出现初霜。850hPa温度场上有冷中心或冷舌落后或接近于高度槽，初霜出现前日20：00本溪地区850hPa气温多为-9～-3°C，其中市区多年平均气温0.1°C左右，其他3站从低到高依次是本溪县、桓仁县和草河口（表1），说明本溪市区出现初霜需要比其他3站更低的温度环境。本溪地区出现初霜前，我国中西部地区地面受低压系统控制，东北、东南、华南是一条冷高压带，本溪位于其前方弱气压梯度区内。初霜多出现在晴朗、少云（低云）、风速小的后半夜，少数初霜前一日有弱（微量）降水。经统计，初霜发生时风速多在3m/s以下，风向有明显特征：市区偏东风（E、ENE、ESE、SE）占83%，本溪县静风占48%、偏南风（S、SSE、SSW、WSW）占40%，桓仁县静风占64%、偏北风（NNW、NNE、NE）占36%，草河口静风占88%。初霜前各站气温日较差平均比前一日下降4～5°C，最低气温下降幅度在0～12°C。

2.2 冷空气路径与初霜关系分析

造成本溪地区初霜的冷空气主要分3种路径：一是东北路径，二是西北路径，三是偏北路径。东北路径的冷空气中心位于鄂霍克次海附近，在初霜出现前3～4d贝加尔湖附近逐渐形成高压脊，并且不断北伸并向东北方向倾斜，阻断了西风带冷空气下传，冷空气沿着脊前南下过程中在鄂霍克次海堆积、暴发，由东北向西南方向传递，影响本溪地区，这种路径的冷空气在本溪地区一般会形成2站以上的初霜。西北路径冷空气主体在极地生成，冷空气较为强盛，乌拉尔山到贝加尔湖一带高压脊不明显，欧亚地区为西北或偏西气流控制，纬向性较强，冷空气随着西风带从西北向东南传播，途经贝加尔湖，达到本溪，这种路径的冷空气往往连续几天持续降温，在本溪地区各地陆续形成初霜。偏北路径其实是东北和西北路径冷空气的变种，是在中高纬度如果鄂霍克次海高压偏西偏北、贝加尔湖地区也有高压脊北抬，欧亚形成两槽两脊或者一槽两脊的形势下，冷空气容易在125°~135°E、50°～70°N区域内形成冷舌甚至冷中心，随着冷空气的不断堆积向南渗透，或者阻高崩溃、横槽转竖冷空气暴发，本溪地区也容易出现2站以上初霜。

2.3 短期时效内初霜预报流程设计

根据本溪地区初霜天气形势特征分析结果，将110°~140°E、45°~60°N作为初霜预报关键区，以关键区内500hPa形势和850hPa温度作为关键预报要素，设计了短期时效内的初霜预报流程，具体流程如下：（1）是否进入9月下旬。（2）判断关键区内500hPa是否有槽或者冷涡、850hPa是否有冷中心或冷槽。（3）850hPa120°~140°E内2°C线是否越过50°N，同时本溪地区温度控制线是否达到4°C或以下。（4）如同时满足以上3步，则考虑次日凌晨本溪地区出现初霜。（5）500hPa关键区冷涡（或冷槽）与乌拉尔山到贝加尔湖一带有高压脊、鄂霍克次海高压，三者同时存在或前者与后两个中的一个同时存在；850hPa关键区有中心强度低于-10°C的冷中心或冷舌存在，冷舌位于120°~130°E，-3°C线越过50°N，本溪地区的温度控制线在2°C附近或以下，则次日早晨容易出现3站以上的初霜，如果温度控制线在2~4°C，但45°~55°N等温线密集，温差≥10°C，则次日早晨容易出现3站以上的初霜。（6）关键区内无明显低压中心、冷中心，500hPa槽线位于130°E附近（偏东）、850hPa冷舌位于125°~135°E，0°C线越过50°N，控制线2~4°C，则考虑次日早晨桓仁县和草河口出现初霜；前期其他2站已经出现初霜，当500hPa槽线位于120°E附近（偏西）、850hPa冷舌位于115°~125°E，-3°C线越过50°N，控制线＜0°C时，则考虑本溪市区和本溪县出现初霜。（7）500hPa形势场无明显特征，但在850hPa温度场冷空气势力较弱，2°C线越过50°N，控制线＜4°C，草河口地区容易出现单站初霜；若其他3站已经出现初霜，-6°C线越过50°N，冷舌位于115°~125°E，控制线＜-3°C，则市区将出现初霜。以上预报流程在2016—2018年本溪初霜短期预报中起到了较好的效果。

3、小结与讨论

（1）本溪初霜多出现在晴朗少云微风的后半夜，地面上，我国中西部地区受低压系统控制，东部为冷高压带，本溪处于高压带前弱气压梯度区。初霜前，500hPa中高纬度主要为两槽一脊型或一槽一脊形势，本溪地区多处于槽后或槽底，62.1%初霜前，45°°～65°N、105°~145°E范围内有中心强度（512～547.5）×10gpm的涡，涡位置和冷空气强度会影响初霜影响的范围。850hPa温度场上有冷中心或冷舌落后或接近于高度槽，初霜出现前日20：00本溪地区850hPa气温多为-9～-3°C。

（2）根据冷空气的3种不同路径，本溪地区会出现不同影响范围的初霜，西北路径的冷空气会陆续在本溪各地出现初霜，东北路径和偏北路径的冷空气容易在本溪造成2站以上的初霜。

（3）目前根据本溪地区初霜天气学特征设计的是初霜短期预报流程，在实际业务工作中可与数值预报相结合，实现初霜的中期预报，具有可操作性强的实际意义。

寇思聪,高艳波,魏海宁,唐秋艳,吴荷.本溪初霜天气学特征及短期预报流程设计[J].农业灾害研究,2019,9(5):60-61.