雷州半島雷暴大風(fēng)時空分布與環(huán)境參數(shù)特征

文彬，楊春鳳，符靖茹

（湛江市氣象局，廣東湛江 524001）

雷暴大風(fēng)是雷州半島常見的強(qiáng)對流天氣災(zāi)害之一［1］。雷暴大風(fēng)主要是由降水拖拽和蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生的負(fù)浮力作用或者高空動量下傳而形成的下沉氣流，常造成重大生命和財(cái)產(chǎn)損失［2］。近年來，雷州半島及周邊海域出現(xiàn)多起漁船因強(qiáng)對流大風(fēng)而翻沉或傾覆的事件，造成了一定的人員傷亡，因此對雷暴大風(fēng)產(chǎn)生時空分布和環(huán)境條件特征研究非常重要。

國內(nèi)外學(xué)者在雷暴大風(fēng)的研究方面取得了很多成果。Johns等［3］等提出有利于雷暴內(nèi)強(qiáng)烈下沉氣流的環(huán)境條件，包括對流層中下層（500 hPa以下）大氣環(huán)境溫度直減率較大，對流層中層（400～700 hPa）有明顯干層；楊新林等［4］認(rèn)為華南春季雷暴動力條件明顯優(yōu)于夏季，而夏季熱力強(qiáng)迫的作用大于春季；許愛華等［5］提出了中國強(qiáng)對流天氣5種基本形勢配置：冷平流強(qiáng)迫、暖平流強(qiáng)迫、斜壓鋒生、準(zhǔn)正壓、高架雷暴等；林雪儀等［6］發(fā)現(xiàn)清遠(yuǎn)整層比濕積分、沙氏指數(shù)等對前汛期雷雨大風(fēng)天氣預(yù)報(bào)的指示性較好；黃先香等［7］認(rèn)為佛山典型雷暴大風(fēng)過程絕大多數(shù)是發(fā)生在K指數(shù)＞32℃、強(qiáng)天氣威脅指數(shù)＞230、0～6 km垂直風(fēng)切變＞12 m／s的環(huán)境中；羅栩羽等［8］發(fā)現(xiàn)東莞雷暴大風(fēng)集中在5—8月，午后和傍晚是高發(fā)期，影響天氣系統(tǒng)可分為5類。雖然很多學(xué)者對不同地區(qū)雷暴大風(fēng)的環(huán)境物理量特征、環(huán)流背景等進(jìn)行過研究，但雷州半島地理位置較為特殊，雷暴大風(fēng)發(fā)生發(fā)展的機(jī)理并不完全一樣。

不同地區(qū)下墊面特征和大氣環(huán)境條件存在差異，而中小尺度的強(qiáng)對流天氣有必要針對特定地區(qū)進(jìn)行研究。雷州半島處于3省交匯處，地理位置特殊，屬熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候交匯區(qū)，是廣東雷暴最為頻繁的地區(qū)之一。以往很多研究均使用國家基本站的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，資料空間尺度粗糙，因此亟需理清雷州半島雷暴大風(fēng)的基本特征，為雷暴大風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

本研究根據(jù)2012至2019年雷州半島110個自動氣象站的資料，篩選出風(fēng)速≥17.2m／s的氣象站，結(jié)合雨量、雷達(dá)回波、雷電等資料逐個剔除臺風(fēng)和龍卷、海上大風(fēng)等直接引起的大風(fēng)。為使所選個例更具代表性，選取當(dāng)日3個以上站點(diǎn)出現(xiàn)8級以上大風(fēng)的天氣過程，共篩選出71個雷暴大風(fēng)個例。

利用北海、?？?、陽江08：00（北京時，下同）、20：00探空資料（個別日期有14：00），選取距雷暴發(fā)生時間較短（雷暴發(fā)生前后）、距離較近且未受對流天氣影響的探空站（若探空時間距雷暴發(fā)生時間超過3 h，使用雷暴大風(fēng)發(fā)生前1 h最近國家氣象觀測站的溫度露點(diǎn)訂正），根據(jù)資料計(jì)算關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。本研究下沉對流有效位能計(jì)算參照廖曉農(nóng)［9］方法，定義氣塊受到負(fù)浮力從600 hPa高度下沉到地面時該氣塊增加的動能最大值。

2 時間分布

由雷州半島雷暴大風(fēng)站次的年際變化（圖略）可以看出，年際變化較大，從2012年45站次到2019年194站次，整體呈現(xiàn)波動增加的趨勢。

雷州半島雷暴大風(fēng)在2至11月均有出現(xiàn)，1和12月無記錄。全年呈雙峰型分布，其中5和8月分別存在一個峰值；3月雷暴天氣趨于頻繁，4月雷暴大風(fēng)發(fā)生的范圍和站數(shù)也明顯增加，4—6月為雷暴大風(fēng)發(fā)生的主要時間，發(fā)生總站次占全年總站次的62%，而7—10月發(fā)生總站次占全年的34%（圖略）。

雷州半島雷暴大風(fēng)站次也存在明顯的日變化，總體呈現(xiàn)階梯型，具有日強(qiáng)夜弱的特點(diǎn)，特別是以午后為主，最大峰值出現(xiàn)16：00至17：00，19：00開始出現(xiàn)明顯下降。如圖1所示，日變化整體呈現(xiàn)3個階段：20：00至次日5：00雷暴大風(fēng)發(fā)生的概率低，僅占總站次的11%；05：00至13：00之間雷暴大風(fēng)發(fā)生的概率中等，占總站次的23%；13：00至19：00雷暴大風(fēng)發(fā)生的概率較高，占總站次的57%。這種日變化與太陽輻射、氣溫等要素日變化有關(guān)，因?yàn)橄挛缰涟淼乇砦樟颂栞椛浜?，近地層氣溫明顯上升，空氣垂直運(yùn)動加劇，易形成不穩(wěn)定的層結(jié)，而受到一定擾動后對流易于發(fā)展形成雷暴天氣。

圖1 雷暴大風(fēng)發(fā)生站次的日變化

3 空間分布

為進(jìn)行橫向比較，將空間分布的站次數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

從圖2a可知，雷雨大風(fēng)高頻次站點(diǎn)較為分散，但主要集中在雷州半島東部和南部，這些區(qū)域地形較為平坦，但存在一定的弱起伏。而瓊州海峽北岸一直是雷暴大風(fēng)的高值區(qū)，周圍地勢平坦開闊且陸地向海面略有突出，這與肇慶雷暴大風(fēng)高值區(qū)出現(xiàn)在開闊河谷附近相似［10］。6月下旬隨著副熱帶高壓季節(jié)性北跳，熱帶氣旋等低緯熱帶天氣影響更為頻繁，因此將3—6和7—10月的特征分開討論。由圖2b可知，3—6月雷暴大風(fēng)發(fā)生高值區(qū)集中在雷州半島中北部、南部，高值整體偏向內(nèi)陸區(qū)域，比如南部地勢較高的區(qū)域存在高值區(qū)，而中北部高值區(qū)也存在弱地勢起伏，這表明地形對雷暴大風(fēng)的空間分布有一定影響。而7—10月雷暴大風(fēng)（如圖2c）的高值中心在雷州半島南部和東部沿海，這可能與7—10月雷暴移向和海陸差異有關(guān)，這時常受低緯熱帶系統(tǒng)（臺風(fēng)槽、熱帶輻合帶等）影響，雷暴云團(tuán)從海面或者從偏東方向移進(jìn)，如2016年8月2日過程（簡稱2016.8·2天氣過程，下同）。

圖2 雷暴大風(fēng)的總頻次（a），3—6月（b）和7—10月（c）頻次分布

4 天氣學(xué)背景

根據(jù)高低層環(huán)流配置等對2012—2019年間導(dǎo)致雷雨大風(fēng)的天氣系統(tǒng)進(jìn)一步分類，可歸納為3種類型，分別為槽前切變型和副高邊緣南風(fēng)型、東風(fēng)擾動型（圖3）。

圖3 三種類型天氣背景環(huán)流配置的典型個例

1）槽前切變型。

該類型又可細(xì)分為2類。類型I環(huán)流特點(diǎn)：在95°E—110°E，20°N—25°N地區(qū)出現(xiàn)高空槽系統(tǒng)，雷州半島處于500 hPa高空槽前輻合區(qū)，副熱帶高壓脊線位于南海中北部并來回?cái)[動；850～925 hPa受西南風(fēng)場控制，隨著850～925 hPa切變線不斷向南移至廣西中南部，常形成東北－西南走向的強(qiáng)雷暴云團(tuán)，云團(tuán)快速向下游移動并發(fā)展。此類天氣系統(tǒng)為雷州半島雷暴大風(fēng)天氣主要的影響系統(tǒng)配置，典型個例如2013·5·21、2017·5·4天氣過程，如圖3a所示；伴有冷鋒過境的雷暴大風(fēng)的個例較少，但其影響范圍廣、致災(zāi)性強(qiáng)，如2019·4·1。類型II環(huán)流主要區(qū)別是在于850～925 hPa切變線位于兩廣地區(qū)北部或以北地區(qū)，較為強(qiáng)盛西南風(fēng)或偏南風(fēng)維持在雷州半島上空，地面低槽明顯發(fā)展，且雷州半島常處于副熱帶高壓5 880 gpm等高線西北側(cè)，隨著高空槽東移過境，觸發(fā)對流形成雷暴云團(tuán)快速東移。該類型主要發(fā)生在3—6月，占所有個例的54%。

2）副高邊緣南風(fēng)型。

該類型主要特點(diǎn)：西風(fēng)槽主要在100°E以西或25°N以北的地區(qū)活動，而副高脊線主要維持在21°N以南，其副高西伸脊點(diǎn)在112°E以西擺動，雷州半島處于副熱帶高壓5 880 gpm等高線內(nèi)或其西側(cè)，有時川渝一帶有西南渦發(fā)展；925 hPa存在一支西南或偏南急流從海南指向兩廣以北地區(qū)在中南半島北部到廣西存在地面暖中心。此天氣背景下，雷州半島或海南島受海陸地形影響，午后地面輻合線附近有對流發(fā)展形成雷暴，雷暴云團(tuán)隨引導(dǎo)氣流快速向東北或偏北方向移動，地面隨之出現(xiàn)大風(fēng)。該類型主要發(fā)生在5—7月，占所有個例的24%，典型個例有2016·6·30、2018·6·26天氣過程，如圖3b所示。

3）東風(fēng)擾動型。

副高脊線位于23°N以北，雷州半島處于副熱帶高壓西側(cè)或西南側(cè)，或者副熱帶高壓東退到太平洋上，在25°N以南有明顯的熱帶氣旋、季風(fēng)槽或其它低值系統(tǒng)控制，受熱帶系統(tǒng)環(huán)流影響或臺風(fēng)槽影響觸發(fā)形成雷暴。東風(fēng)型主要發(fā)生在7—10月，占所有個例的21%，典型的個例有2016·8·2、2016·8·21天氣過程（圖3c）。

5 雷暴大風(fēng)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)特征對比分析

5.1 雷暴大風(fēng)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)總體特征

雷暴大風(fēng)的發(fā)生需要較強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定、一定的動力抬升和水汽條件。因此參照基于構(gòu)成要素的預(yù)報(bào)方法（配料法）的思路，選取業(yè)務(wù)常用參數(shù)［1］進(jìn)行討論，分析強(qiáng)對流天氣發(fā)生對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)的閾值，以期為業(yè)務(wù)提供更多參考。從表1可知，雷州半島雷暴大風(fēng)發(fā)生前大氣可降水量（PWAT）中值為55.9 mm、大氣濕層厚度（Hwet）中值為2.4 km；對流有效位能（Cape）中值為2 555.8 J／kg，這高于楊新林［4］的研究結(jié)果，表明環(huán)境不穩(wěn)定能量較高；下沉對流有效位能（Dcape600）表示雷暴產(chǎn)生下沉氣流潛勢大小，其中值為689.7 J／kg；850與500 hPa溫差（Δt85）的中位值為25℃，K指數(shù)中值為37℃，潛在下沖氣流指數(shù)（MPDI）中值為1.4；0～6和0～3 km垂直風(fēng)切變（SHR6、SHR3）中值分別為6.7、8.0 m／s，整體明顯小于北方地區(qū)的垂直風(fēng)切變［11－12］。整體而言，雷暴大風(fēng)發(fā)生前，雷州半島不穩(wěn)定能量積聚，低層有較充足的水汽，呈現(xiàn)一定“上干下濕”特征。

表1 雷州半島雷暴大風(fēng)環(huán)境條件統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)環(huán)境參數(shù)的10%和90%分位數(shù)（表1），雷州半島雷暴大風(fēng)過程絕大多數(shù)發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)為PWAT≥41.8 mm、Hwet＞0.4 km、Cape＞933 J／kg、Dcape600＞360 J／kg、Δt85＞23℃，SHR3＞3.6 m／s、SHR6＞2.8 m／s、K＞31℃、MPDI＜2，其中PWAT、Cape、Dcape600、Δt85、K指數(shù)與其他地區(qū)相比［12－13］，特征表現(xiàn)較為明顯，具有較明顯指示意義。

5.2 3種天氣背景下雷暴大風(fēng)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的對比分析

為更好地應(yīng)用于預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)實(shí)際，對比3種天氣背景下雷暴大風(fēng)環(huán)境參數(shù)特征，以期找到適宜潛勢預(yù)報(bào)的參數(shù)閾值，本研究采用關(guān)鍵參數(shù)分布的25%百分位作為潛勢預(yù)報(bào)最低閾值。

大氣中水汽主要集中于大氣低層，水汽含量是影響雷暴強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特征的重要因子之一。如圖4可知，槽前切變型（簡稱槽前型）、副高邊緣南風(fēng)型（簡稱副高型）、東風(fēng)擾動型（簡稱東風(fēng)型）的PWAT中值分別為52.3、57.0、59.6 mm，差異更為顯著（圖4a）。槽前型和副高型Hwet中值均為2.2 km，而東風(fēng)型Hwet為3.1 km，明顯高于前者（圖4b）。大氣水汽含量存在季節(jié)性變化。雷州半島水汽含量較為充沛，不同天氣背景下差異性較小，但東風(fēng)型水汽條件最好。對于水汽參數(shù)而言，PWAT比Hwet代表性更好，3種天氣背景（順序?yàn)椴矍靶?、副高型、東風(fēng)型，下同）下PWAT的25%分位數(shù)分別為44.5、54.9、56.1mm。

圖4 3種天氣背景下大氣可降水量（a）和濕度厚度（b）箱線圖

熱力不穩(wěn)定條件對雷暴的發(fā)生發(fā)展非常重要。雷暴大風(fēng)主要由風(fēng)暴強(qiáng)下沉氣流造成，有時伴有冷池密度流和高空動量下傳。Cape是指氣塊在自由對流高度和平衡高度之間受環(huán)境正浮力影響累積做的功，是雷暴潛在強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。圖5可知，3種天氣背景下Cape中值分別為2 200、3 301、3 227 J／kg，副高型和東風(fēng)型Cape較為相近，但都明顯高于槽前型。槽前型天氣背景激發(fā)雷暴大風(fēng)所需熱力不穩(wěn)定能量較少。3種天氣背景下Cape的25%分位數(shù)分別為1 382、2 563、1 637 J／kg。

圖5 3種天氣背景下對流有效位能（a）、下沉有效位能（b）、850 hPa與500 hPa溫差（c）箱線圖

3種天氣背景下沉有效位能中值分別為866、655、510 J／kg，箱體呈依次下降趨勢，表明槽前型Dcape600偏強(qiáng)些。3種天氣背景下Dcape600的25%分位數(shù)差異較小，分別為578、583、437 J／kg。圖5c可知，3種類型Δt85中值分別為25、25、24℃，表明整體呈現(xiàn)條件性不穩(wěn)定層結(jié)，但3種天氣背景下的差異較小，對應(yīng)25%分位數(shù)分別為24、24、23℃。

動力條件制約著對流的發(fā)展和演變，影響對流的強(qiáng)度、生命史以及組織形態(tài)等［14］。圖6可知，3種天氣背景下SHR3中值分別為10.3、8.2、6.8 m／s，差異較明顯；SHR6中值則分別為10.9、4.6、6.5 m／s，最大值分別為23.7、17.2、13.4 m／s。SHR6與SHR3整體差異較小，副高型和東風(fēng)型下SHR3比SHR6值更大。這表明槽前型環(huán)境動力強(qiáng)迫作用最為明顯，而副高型在低層動力強(qiáng)迫表現(xiàn)更為顯著。一般認(rèn)為SHR6＜12 m／s為弱的風(fēng)垂直切變［15］，3種天氣背景下大部分個例都呈現(xiàn)弱垂直風(fēng)切變的狀態(tài)。3種天氣背景下SHR6的25%百分位值分別為5.6、3.8、4.5 m／s。

圖6 3種天氣背景下0～3 km（a）和0～6 km（b）的垂直風(fēng)切變以及風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速（c）箱線圖

動量下傳對地面災(zāi)害性大風(fēng)也有一定的貢獻(xiàn)，雷州半島風(fēng)廓線雷達(dá)也曾觀測到低空急流向近地面?zhèn)鲗?dǎo)的雷暴大風(fēng)個例［16］。為分析差異，利用風(fēng)暴承載層平均風(fēng)表示動量下傳的潛勢大小。運(yùn)用高曉梅等［12］的方法計(jì)算風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速，運(yùn)用850、700、500和300 hPa共4層的平均風(fēng)矢量的絕對值表示。圖6c可見，3種天氣背景下風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速差異較明顯，對應(yīng)的中值分別為11.0、6.8、6.5 m／s，但整體風(fēng)速仍較小，對應(yīng)的25%分位數(shù)分別為7.0、6.3、5.5 m／s。

K指數(shù)常用來表征中低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定程度。潛在下沖氣流指數(shù)（MDPI）則是反映中低層大氣假相當(dāng)位溫上下層差異情況。圖7所示，3種天氣背景下K指數(shù)中值分別為37、36、38℃，差異比較小。3種天氣背景下MDPI中值分別為1.5、1.2、1.3，其中副高型MDPI值最低。龐古乾等［17］認(rèn)為珠三角前汛期MDPI＜1.5時較容易出現(xiàn)強(qiáng)對流；后汛期MDPI＜1時較容易出現(xiàn)強(qiáng)對流。相比于珠三角地區(qū)，雷州半島MDPI略偏高。

圖7 3種天氣背景下K指數(shù)（a）、潛在下沖對流指數(shù)（b）箱線圖

總體而言，槽前型環(huán)境參數(shù)有較明顯差異，而副高型和東風(fēng)型環(huán)境參數(shù)差異較小。對比不同關(guān)鍵參數(shù)，發(fā)現(xiàn)Cape、風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速在3種天氣背景下相對差異更為明顯，其他環(huán)境參數(shù)差異較小。

6 結(jié)論

1）雷州半島雷暴大風(fēng)全年呈現(xiàn)雙峰型分布，在5和8月分別存在一個峰值；主要發(fā)生在4—6月，發(fā)生頻次占全年62%。雷暴大風(fēng)存在明顯的日變化，日強(qiáng)夜弱特征明顯，白天主要發(fā)生在午后，13：00至19：00雷暴大風(fēng)發(fā)生的概率占57%。雷暴大風(fēng)主要集中在雷州半島東部和南部；3—6月高值區(qū)集中在中北部和南部；7—10月高值區(qū)位于南部和東部。

2）根據(jù)高低層環(huán)流配置，雷暴大風(fēng)天氣背景主要可歸納為3類：槽前切變型和副高邊緣南風(fēng)型、東風(fēng)擾動型，占比分別為54%、24%和21%。大部分個例顯示，在雷暴大風(fēng)發(fā)生前，雷州半島存在不穩(wěn)定能量積聚過程，隨著大氣中層擾動作用熱力不穩(wěn)定能量釋放。

3）雷州半島雷暴大風(fēng)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)中值分別為大氣可降水量55.9 mm、對流有效位能2 555.8 J／kg、下沉有效位能689 J／kg、K指數(shù)37℃、潛在下沖氣流指數(shù)1.4，特征表現(xiàn)較為明顯，指示更為顯著；0～6 km垂直風(fēng)切變6.7 m／s，垂直風(fēng)切變整體表現(xiàn)偏弱。

4）3種天氣背景環(huán)境參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，槽前切變型整體差異較為顯著，而副高邊緣南風(fēng)型和東風(fēng)擾動型環(huán)境參數(shù)差異較小。Cape、風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速在3種天氣背景下差異更為明顯。采用25%百分位作為潛勢預(yù)報(bào)最低閾值，則3種天氣背景下Cape閾值為（25%分位數(shù)）1 382、2 563、1 637 J／kg，風(fēng)暴承載層平均風(fēng)速閾值分別為7.0、6.3、5.5 m／s。