基于探空?qǐng)D作岳陽強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)的分析

許麗麗，楊 令，蔣 帥

(1.湖南省岳陽市氣象局，湖南 岳陽 414000；2.湖南省益陽市氣象局，湖南 益陽 413000)

0 引言

強(qiáng)對(duì)流天氣是大氣對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)烈發(fā)展而產(chǎn)生的災(zāi)害性天氣，包括短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)、龍卷風(fēng)和冰雹等災(zāi)害性天氣[1-2]。因其空間尺度小、生命史短、突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，一直是天氣預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)，除了應(yīng)用天氣圖分析天氣形勢外，通常還要結(jié)合分析雷達(dá)、衛(wèi)星探測等方法，再配合中尺度天氣分析進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)。

多年來，國內(nèi)外氣象工作者利用各種模型及方法尋找強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)指標(biāo)，但各種指標(biāo)的準(zhǔn)確度依然有待完善。李耀東[3]等結(jié)合模式輸出的探空分析，預(yù)報(bào)出對(duì)流不穩(wěn)定能量的區(qū)域分布。王立榮等[4]使用探空資料計(jì)算多種對(duì)流參數(shù)的氣候平均值，研究得出不同月份與不同強(qiáng)度對(duì)流天氣的氣候特征有明顯差別。諶志剛等[8]利用雷達(dá)及GRAPES資料計(jì)算各層風(fēng)溫濕等環(huán)境特征量，建立強(qiáng)對(duì)流潛勢預(yù)報(bào)方程預(yù)報(bào)1 h內(nèi)強(qiáng)對(duì)流天氣。翟菁等[9]基于探空資料，通過指標(biāo)疊套法尋找不同季節(jié)強(qiáng)對(duì)流天氣潛勢預(yù)警指標(biāo)。從相關(guān)研究成果及文獻(xiàn)中可以看出，穩(wěn)定度依然是強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)之一，而在不同地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣形成條件有所不同，受地形地貌與氣候背景影響比較大。岳陽位于湖南向東北開口的馬蹄形盆地的開口處，風(fēng)的預(yù)報(bào)向來是工作中的難點(diǎn)，且岳陽兩面環(huán)山，水系發(fā)達(dá)，強(qiáng)對(duì)流頻發(fā)，嚴(yán)重影響水上交通安全。

本文基于探空?qǐng)D，使用探空資料計(jì)算分析2007—2016年強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)的能量指標(biāo)及不穩(wěn)定指標(biāo)，對(duì)比岳陽強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)況，進(jìn)一步分析找到適應(yīng)岳陽本地的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)閾值。

1 資料處理與相關(guān)指標(biāo)

1.1 資料處理

本文以岳陽為研究范圍，所討論的強(qiáng)對(duì)流天氣是指：短時(shí)強(qiáng)降水(≥30 mm/h)、雷雨大風(fēng)(地面瞬時(shí)風(fēng)速>17 m·s-1)、冰雹。選取2007—2016年10 a的強(qiáng)對(duì)流資料，統(tǒng)計(jì)分析這3類對(duì)流天氣的物理量特征，以2017年實(shí)況進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)。

1.2 穩(wěn)定度指標(biāo)

目前強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)的有效手段依然是不穩(wěn)定指標(biāo)[5]，所以本文討論的不穩(wěn)定指標(biāo)包括：K指數(shù)、A指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、抬升指數(shù)LI、總指數(shù)TT。

其中K指數(shù)反映大氣的層結(jié)穩(wěn)定情況；A指數(shù)反映了中層以下的溫濕度條件以及各層之間的溫度遞減率。A指數(shù)、K指數(shù)越大，大氣越不穩(wěn)定，也越潮濕[5]。總指數(shù)TT越大，大氣層結(jié)也越不穩(wěn)定。

根據(jù)國外資料，當(dāng)SI<-6 ℃，有發(fā)生嚴(yán)重對(duì)流性天氣(如龍卷風(fēng))的危險(xiǎn)[2]。

1.3 其他指標(biāo)

在天氣圖上的不穩(wěn)定區(qū)域，△θse700-850的負(fù)值中心，最易發(fā)生雷暴大風(fēng)。所以本文分析垂直風(fēng)切變、DCAPE值、△θse700-850作為雷雨大風(fēng)的預(yù)報(bào)參考指標(biāo)。

一般來說，0 ℃層和-20 ℃層之間的厚度較小，也有利于產(chǎn)生冰雹，因?yàn)榇藭r(shí)中層較不穩(wěn)定。所以本文分析云中最大上升速度Wm、△Z和抬升指數(shù)LI作為冰雹預(yù)報(bào)的參考指標(biāo)。

除了穩(wěn)定度指標(biāo)外，選取對(duì)流有效位能CAPE共同作為短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)指標(biāo)。同時(shí)，分析能量平衡高度與3種強(qiáng)對(duì)流天氣的關(guān)系。

2 預(yù)報(bào)指標(biāo)的分析

K指數(shù)、抬升指數(shù)LI、總指數(shù)TT和CAPE值采用fnl資料，以113.12°E，29.15°N為分析點(diǎn)，畫出探空?qǐng)D，計(jì)算得出上述指數(shù)(圖1)。

△θse700-850采用fnl資料，以113.12°E， 29.15°N為分析點(diǎn)，算出相應(yīng)的數(shù)值。

一個(gè)特定的算法都必須具備自己的要素(數(shù)據(jù)對(duì)象的運(yùn)算和操作)以及五個(gè)基本特征(有窮性，確切性，輸入，輸出項(xiàng)及可行性)。

A指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、Wm、△Z 和DCAPE采用探空實(shí)況資料，計(jì)算得出。

圖1 2015年8月9日20時(shí)113.12°E，29.15°N探空?qǐng)DFig.1 T-lnP of 213.12°E, 29.15°N at 20∶00 on 9 August 2015

2.1 能量平衡高度分析

計(jì)算2007—2016年強(qiáng)對(duì)流日的能量平衡高度，由于岳陽境內(nèi)無高空觀測站，所以采用武漢站的高空實(shí)況，代表岳陽北部地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣情況；以長沙站的高空實(shí)況，代表岳陽南部地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣情況。

武漢、長沙兩站(岳陽北部、南部)能量平衡高度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。由表1可知，強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生期間，岳陽南部的能量平衡高度集中介于100～199 hPa，所占比例高達(dá)50.1%；能量平衡高度介于100～249 hPa，所占比例高達(dá)56.6%；而岳陽北部能量平衡高度主要介于100～249 hPa，所占比例高達(dá)62.5%。經(jīng)過分析得知，強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生期間，岳陽的能量平衡高度超過一半的機(jī)會(huì)介于100～249 hPa，因此當(dāng)能量平衡高度處在100～249 hPa時(shí)，要密切關(guān)注強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象；且當(dāng)長沙站的能量平衡高度處在100～199 hPa時(shí)，要尤其注意岳陽南部縣市的強(qiáng)對(duì)流發(fā)展情況。

既已得知強(qiáng)對(duì)流天氣與能量平衡高度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(能量平衡高度處在100～249 hPa)，那么為了強(qiáng)對(duì)流天氣的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，就要找到更精細(xì)的指標(biāo)。因?yàn)?015年岳陽市強(qiáng)對(duì)流天氣較多，因此以2015年(3—8月)長沙、武漢兩站逐日能量平衡高度(08時(shí))的變化(圖2)為例。

表1 岳陽南北部能量平衡高度與強(qiáng)對(duì)流天氣日數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 The Corresponding Relation between Energy Balance Level and Days of severe convective weather in the north and south of Yueyang

圖2 長沙站(a)、武漢站(b)2015年3月30日—8月30日能量平衡高度變化Fig.2 Changes in daily Energy balance level form 30 March—30 August 2015 of Changsha Station (a) and Wuhan Station (b)

圖2共標(biāo)識(shí)出岳陽地區(qū)11次(6月2日、7月22—23日岳陽南北部均有對(duì)流過程)具有08時(shí)能量平衡高度的強(qiáng)對(duì)流天氣日，從兩圖變化曲線中可以看出，能量平衡高度的日變化大致可以分為兩個(gè)階段，第一階段為3—7月上旬，此階段能量平衡高度變化較大，變化區(qū)間為100～950 hPa；第二階段為7月中下旬—8月，此階段能量平衡高度變化明顯較緩，大部分?jǐn)?shù)值變化范圍為120～550 hPa，小部分?jǐn)?shù)值高于850 hPa。

進(jìn)一步分析圖2可知，11次強(qiáng)對(duì)流過程中，有7次對(duì)應(yīng)曲線中的極高值，且7次極高值中有4次高于250 hPa(圖中給出的能量平衡高度等值線為250 hPa)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)第二階段中，能量平衡高度普遍較高，大部分高于250 hPa，同理，統(tǒng)計(jì)了2009年、2013年的日能量平衡高度變化，也可以分為上述兩個(gè)階段，并且發(fā)現(xiàn)3—7月上旬能量平衡高度高于250 hPa時(shí)，54.6%的比例出現(xiàn)了強(qiáng)對(duì)流天氣。所以可以得出當(dāng)?shù)谝浑A段中能量平衡高度高于250 hPa時(shí)，往往對(duì)應(yīng)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，第二階段要結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)。

2.2 冰雹指標(biāo)分析

冰雹除了一般強(qiáng)對(duì)流發(fā)生所必須的環(huán)境條件外，在做冰雹預(yù)報(bào)時(shí)還應(yīng)注意大氣探空分析，首先要注意的是0 ℃層和-20 ℃層的高度。0 ℃層高度在4 000 m上下時(shí)最適宜降雹，這個(gè)條件在初夏或初秋最易滿足，而盛夏期間0 ℃層太高，此時(shí)云頂很高[1]，所以降雹多發(fā)生在初夏或初秋。如果環(huán)境大氣中存在很大的對(duì)流有效位能和強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變，則雷暴云中將出現(xiàn)強(qiáng)烈的上升氣流，并維持較長的時(shí)間，而這些正是大冰雹的發(fā)生所必需的條件。所以，本文用抬升指數(shù)LI、云中最大上升速度Wm和兩層之間厚度△Z 作為冰雹預(yù)報(bào)的參考指標(biāo)。

岳陽10 a間共出現(xiàn)12個(gè)降雹天氣過程(日)，均出現(xiàn)在2月下旬—4月上旬，即岳陽出現(xiàn)降雹的最大概率在春季，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，近80%的降雹發(fā)生前，LI>20 ℃、Wm>1.2 m·s-1、△Z<3 000 m，2～3個(gè)條件同時(shí)滿足；進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2個(gè)臺(tái)站以上的降雹，LI>25 ℃、Wm>3.6 m·s-1或△Z<2 700 m。CAPE值沒有明顯的規(guī)律，還需統(tǒng)計(jì)更多的資料，進(jìn)而尋找合適的指標(biāo)。

2.3 雷暴大風(fēng)指標(biāo)分析

雷暴大風(fēng)，指的是對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的除龍卷以外的地面大風(fēng)。并非每次雷暴發(fā)生時(shí)，都伴有大風(fēng)。雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的原因主要有兩種：①雷暴出流形成的地面大風(fēng),主要由垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化而來(下?lián)舯┝?或者冷池形成的陣風(fēng)，風(fēng)向是離開雷暴的；②由雷暴入流形成的地面大風(fēng),主要由于強(qiáng)烈的上升氣流強(qiáng)迫地面風(fēng)場輻合而形成的地面大風(fēng)，其方向是指向雷暴的[6]。大多數(shù)災(zāi)害性雷暴大風(fēng)是第1種情況造成的，所以本文中分析這類雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)指標(biāo)。

強(qiáng)冰雹的產(chǎn)生需要強(qiáng)烈且持續(xù)的上升氣流，而對(duì)于雷暴大風(fēng)而言，與強(qiáng)冰雹剛好相反，其產(chǎn)生需要較強(qiáng)的下沉氣流。且在天氣圖上，在不穩(wěn)定區(qū)，△θse700-850的負(fù)值中心，最易發(fā)生雷暴大風(fēng)。所以本文分析DCAPE、△θse700-850、垂直風(fēng)切變(1 000～500 hPa)、K指數(shù)及SI的數(shù)值變化，進(jìn)而尋找雷暴大風(fēng)的指標(biāo)閾值。

對(duì)24次雷暴大風(fēng)天氣過程(日)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，近70%的雷暴大風(fēng)發(fā)生前，△θse700-850≤-7 ℃、SI≤-1.2 ℃、垂直風(fēng)切變≥10 m·s-1，3個(gè)條件同時(shí)滿足，且若出現(xiàn)2個(gè)站次以上的雷暴大風(fēng)，除了上述特征值滿足外，DCAPE>800 KJ。

2.4 短時(shí)強(qiáng)降水指標(biāo)的分析

短時(shí)強(qiáng)降水一般對(duì)應(yīng)著適當(dāng)大小的CAPE值，當(dāng)CAPE值很大時(shí)，將造成低空含水量很大的氣塊迅速通過暖云底部而造成降水效率下降；而短時(shí)強(qiáng)降水一般對(duì)應(yīng)K指數(shù)較大，因?yàn)镵指數(shù)往往對(duì)低空的水汽含量更敏感。K指數(shù)側(cè)重反應(yīng)了對(duì)流層中下層(700～850 hPa)的濕度廓線，濕度越大，K值越大，也越不穩(wěn)定[6]。K≥20 ℃時(shí)，就有可能出現(xiàn)雷暴天氣；K≥35 ℃時(shí)，就具備出現(xiàn)對(duì)流性天氣的條件。而A指數(shù)在暴雨預(yù)報(bào)中具有一定的作用。個(gè)例表明，當(dāng)A指數(shù)由負(fù)值上升到正值時(shí)，為陰雨天氣；下降到負(fù)值時(shí)則雨停[7]，達(dá)到10 ℃以上時(shí)多有降水發(fā)生。

本文將A指數(shù)應(yīng)用到短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)中，使用2007—2016年短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生日的實(shí)況探空資料，讀取A指數(shù)值。資料選取長沙和武漢的實(shí)況探空，岳陽北部縣市使用武漢實(shí)況資料，南部地區(qū)使用長沙實(shí)況資料。

對(duì)62個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水天氣過程(日)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，73.6%的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前，K指數(shù)≥37 ℃，A指數(shù)≥14 ℃，TT指數(shù)≥43 ℃，或者2～3個(gè)指標(biāo)同時(shí)滿足，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)K指數(shù)≥40 ℃，或A指數(shù)≥20 ℃,或TT指數(shù)≥49 ℃，69.2%的機(jī)會(huì)出現(xiàn)≥2個(gè)臺(tái)站的短時(shí)強(qiáng)降水，≥3個(gè)臺(tái)站的比例為38.4%，說明TT≥49 ℃、A≥20 ℃、K≥40 ℃時(shí)比較容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣；另45%的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前，CAPE>1 100 KJ，因此上述3個(gè)指數(shù)的數(shù)值大小、適當(dāng)?shù)腃APE值對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水天氣的預(yù)報(bào)有一定的效果。

同樣，統(tǒng)計(jì)了在冰雹與雷雨大風(fēng)過程中的A指數(shù)、K指數(shù)和CAPE值，分析發(fā)現(xiàn)冰雹過程中A指數(shù)沒有明顯的規(guī)律，而63%的機(jī)會(huì)K≥26 ℃；雷雨大風(fēng)中43%的機(jī)會(huì)A>10 ℃，92%的機(jī)會(huì)K>29 ℃，58%的機(jī)率K≥35 ℃；冰雹過程中CAPE值沒有明顯的規(guī)律，但雷雨大風(fēng)中的CAPE值明顯比冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水中的大。

3 預(yù)報(bào)試驗(yàn)

使用上述各類指標(biāo)，對(duì)岳陽地區(qū)進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)。以2017年3—8月岳陽境內(nèi)6個(gè)國家觀測站為例，根據(jù)fnl資料作出探空?qǐng)D，并計(jì)算出K指數(shù)、抬升指數(shù)LI、總指數(shù)TT和CAPE值，其他指標(biāo)由08時(shí)、20時(shí)高空探測實(shí)況得出，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行短時(shí)預(yù)報(bào)(12 h以內(nèi))。據(jù)統(tǒng)計(jì)岳陽境內(nèi)2017年共出現(xiàn)13次強(qiáng)對(duì)流天氣過程，其中大風(fēng)3次(下午及傍晚)，其他為短時(shí)強(qiáng)降水(白天夜間均有)，其中5次為2站以上短時(shí)強(qiáng)降水。表2為各種指標(biāo)對(duì)2017年強(qiáng)對(duì)流的預(yù)報(bào)試驗(yàn)結(jié)果。從表2可以看出，短時(shí)強(qiáng)降水的空?qǐng)?bào)日數(shù)較多，大于報(bào)對(duì)日數(shù)與漏報(bào)日數(shù)之和，但相差數(shù)值不大，而漏報(bào)日數(shù)較少；冰雹和雷雨大風(fēng)的空?qǐng)?bào)日數(shù)均為2 d，但由于報(bào)對(duì)日數(shù)分別為0 d、2 d，所以相對(duì)而言，空?qǐng)?bào)日數(shù)也較多。將指標(biāo)應(yīng)用結(jié)果計(jì)算如下：短時(shí)強(qiáng)降水指標(biāo)，報(bào)對(duì)比例為32%，漏報(bào)比例8%，空?qǐng)?bào)比例60%；冰雹指標(biāo)，空?qǐng)?bào)比例100%；雷雨大風(fēng)指標(biāo)，報(bào)對(duì)比例40%，空?qǐng)?bào)比例40%，漏報(bào)比例20%。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于3種強(qiáng)對(duì)流天氣，空?qǐng)?bào)比例都接近50%，特別是冰雹，所以同時(shí)要分析天氣形勢、判別雷達(dá)圖，進(jìn)而對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣作出短時(shí)預(yù)報(bào)。

表2 岳陽地區(qū)2017年預(yù)報(bào)試驗(yàn)Tab.2 Forecast experiments of Yueyang in 2017

4 結(jié)語

本文選用2007—2016年10 a的強(qiáng)對(duì)流天氣過程的地面觀測資料、高空探測實(shí)況資料、fnl再分析資料，對(duì)3種對(duì)流天氣所對(duì)應(yīng)的物理量進(jìn)行分組，并統(tǒng)計(jì)分析得出指標(biāo)閾值，作為岳陽地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)預(yù)報(bào)指標(biāo)。

①每年的日能量平衡高度變化大致可以分為兩個(gè)階段，當(dāng)?shù)?階段中能量平衡高度高于250 hPa，且處于變化曲線中的極值時(shí)，往往對(duì)應(yīng)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣；第2階段中能量平衡高度普遍較低，大部分低于250 hPa，要參考其他預(yù)報(bào)指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)。

②73.6%的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前，K指數(shù)≥37 ℃，A指數(shù)≥14 ℃，TT指數(shù)≥43 ℃，或者2～3個(gè)指標(biāo)同時(shí)滿足；當(dāng)K指數(shù)≥40 ℃，或A指數(shù)≥20 ℃,或TT指數(shù)≥49 ℃，69.2%的機(jī)會(huì)出現(xiàn)≥2個(gè)臺(tái)站的短時(shí)強(qiáng)降水，≥3個(gè)臺(tái)站的比例為38.4%，說明TT≥49 ℃、A≥20 ℃、K≥40 ℃時(shí)比較容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣；另45%的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前，CAPE>1 100 KJ，因此上述3個(gè)指數(shù)的數(shù)值大小、適當(dāng)?shù)腃APE值對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水天氣的預(yù)報(bào)有一定的效果。且在降雹與雷雨大風(fēng)過程中，A>10 ℃或K≥35 ℃的機(jī)率比短時(shí)強(qiáng)降水中的低，但雷雨大風(fēng)中的CAPE值明顯比冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水中的大。

③2月下旬—4月上旬，近80%的降雹發(fā)生前，LI>20 ℃、Wm>1.2 m·s-1、△Z<3 000 m，2～3個(gè)條件同時(shí)滿足； 2個(gè)臺(tái)站以上的降雹，LI>25 ℃、Wm>3.6 m·s-1或△Z<2 700 m。CAPE值沒有明顯的規(guī)律，還需統(tǒng)計(jì)更多的資料，找到相應(yīng)的規(guī)律及閾值。

④近70%的雷暴大風(fēng)發(fā)生前，△θse700-850≤-7 ℃、SI≤-1.2 ℃、垂直風(fēng)切變(1 000～500 hPa)≥10 m·s-1，3個(gè)條件同時(shí)滿足；2個(gè)站次以上的雷暴大風(fēng)，除了上述特征值滿足外，DCAPE>800 KJ。

⑤對(duì)于3種強(qiáng)對(duì)流天氣，空?qǐng)?bào)比率都接近50%，特別是冰雹，所以同時(shí)要分析天氣形勢、判別雷達(dá)圖，進(jìn)而對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣作出短時(shí)預(yù)報(bào)。