基于探空圖作岳陽強對流天氣預報指標的分析

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

強對流天氣是大氣對流活動強烈發(fā)展而產(chǎn)生的災害性天氣，包括短時強降水、雷雨大風、龍卷風和冰雹等災害性天氣[1-2]。因其空間尺度小、生命史短、突發(fā)性強、破壞力大，一直是天氣預報中的難點，除了應用天氣圖分析天氣形勢外，通常還要結合分析雷達、衛(wèi)星探測等方法，再配合中尺度天氣分析進行強對流天氣預報。

多年來，國內(nèi)外氣象工作者利用各種模型及方法尋找強對流天氣的預報指標，但各種指標的準確度依然有待完善。李耀東[3]等結合模式輸出的探空分析，預報出對流不穩(wěn)定能量的區(qū)域分布。王立榮等[4]使用探空資料計算多種對流參數(shù)的氣候平均值，研究得出不同月份與不同強度對流天氣的氣候特征有明顯差別。諶志剛等[8]利用雷達及GRAPES資料計算各層風溫濕等環(huán)境特征量，建立強對流潛勢預報方程預報1 h內(nèi)強對流天氣。翟菁等[9]基于探空資料，通過指標疊套法尋找不同季節(jié)強對流天氣潛勢預警指標。從相關研究成果及文獻中可以看出，穩(wěn)定度依然是強對流預報的重要指標之一，而在不同地區(qū)強對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，風的預報向來是工作中的難點，且岳陽兩面環(huán)山，水系發(fā)達，強對流頻發(fā)，嚴重影響水上交通安全。

本文基于探空圖，使用探空資料計算分析2007—2016年強對流天氣發(fā)生時的能量指標及不穩(wěn)定指標，對比岳陽強對流天氣實況，進一步分析找到適應岳陽本地的強對流天氣預報指標閾值。

1 資料處理與相關指標

1.1 資料處理

本文以岳陽為研究范圍，所討論的強對流天氣是指：短時強降水(≥30 mm/h)、雷雨大風(地面瞬時風速>17 m·s-1)、冰雹。選取2007—2016年10 a的強對流資料，統(tǒng)計分析這3類對流天氣的物理量特征，以2017年實況進行預報試驗。

1.2 穩(wěn)定度指標

目前強對流天氣進行預報的有效手段依然是不穩(wěn)定指標[5]，所以本文討論的不穩(wěn)定指標包括：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，大氣層結也越不穩(wěn)定。

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

1.3 其他指標

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

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，因為此時中層較不穩(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作為冰雹預報的參考指標。

除了穩(wěn)定度指標外，選取對流有效位能CAPE共同作為短時強降水的預報指標。同時，分析能量平衡高度與3種強對流天氣的關系。

2 預報指標的分析

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，畫出探空圖，計算得出上述指數(shù)(圖1)。

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

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

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

圖1 2015年8月9日20時113.12°E，29.15°N探空圖Fig.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

計算2007—2016年強對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況，代表岳陽北部地區(qū)強對流天氣情況；以長沙站的高空實況，代表岳陽南部地區(qū)的強對流天氣情況。

武漢、長沙兩站(岳陽北部、南部)能量平衡高度的統(tǒng)計結果如表1所示。由表1可知，強對流天氣發(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50.1%；能量平衡高度介于100～249 hPa，所占比例高達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62.5%。經(jīng)過分析得知，強對流天氣發(fā)生期間，岳陽的能量平衡高度超過一半的機會介于100～249 hPa，因此當能量平衡高度處在100～249 hPa時，要密切關注強對流天氣現(xiàn)象；且當長沙站的能量平衡高度處在100～199 hPa時，要尤其注意岳陽南部縣市的強對流發(fā)展情況。

既已得知強對流天氣與能量平衡高度有較好的對應關系(能量平衡高度處在100～249 hPa)，那么為了強對流天氣的準確預報，就要找到更精細的指標。因為2015年岳陽市強對流天氣較多，因此以2015年(3—8月)長沙、武漢兩站逐日能量平衡高度(08時)的變化(圖2)為例。

表1 岳陽南北部能量平衡高度與強對流天氣日數(shù)的對應關系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共標識出岳陽地區(qū)11次(6月2日、7月22—23日岳陽南北部均有對流過程)具有08時能量平衡高度的強對流天氣日，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，大部分數(shù)值變化范圍為120～550 hPa，小部分數(shù)值高于850 hPa。

進一步分析圖2可知，11次強對流過程中，有7次對應曲線中的極高值，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)計了2009年、2013年的日能量平衡高度變化，也可以分為上述兩個階段，并且發(fā)現(xiàn)3—7月上旬能量平衡高度高于250 hPa時，54.6%的比例出現(xiàn)了強對流天氣。所以可以得出當?shù)谝浑A段中能量平衡高度高于250 hPa時，往往對應出現(xiàn)強對流天氣，第二階段要結合其他指標進行強對流天氣的預報。

2.2 冰雹指標分析

冰雹除了一般強對流發(fā)生所必須的環(huán)境條件外，在做冰雹預報時還應注意大氣探空分析，首先要注意的是0 ℃層和-20 ℃層的高度。0 ℃層高度在4 000 m上下時最適宜降雹，這個條件在初夏或初秋最易滿足，而盛夏期間0 ℃層太高，此時云頂很高[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流有效位能和強烈的垂直風切變，則雷暴云中將出現(xiàn)強烈的上升氣流，并維持較長的時間，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 作為冰雹預報的參考指標。

岳陽10 a間共出現(xiàn)12個降雹天氣過程(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，進一步統(tǒng)計發(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個條件同時滿足；進一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2個臺站以上的降雹，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)計更多的資料，進而尋找合適的指標。

2.3 雷暴大風指標分析

雷暴大風，指的是對流風暴產(chǎn)生的除龍卷以外的地面大風。并非每次雷暴發(fā)生時，都伴有大風。雷暴大風產(chǎn)生的原因主要有兩種：①雷暴出流形成的地面大風,主要由垂直運動轉(zhuǎn)化而來(下?lián)舯┝?或者冷池形成的陣風，風向是離開雷暴的；②由雷暴入流形成的地面大風,主要由于強烈的上升氣流強迫地面風場輻合而形成的地面大風，其方向是指向雷暴的[6]。大多數(shù)災害性雷暴大風是第1種情況造成的，所以本文中分析這類雷暴大風的預報指標。

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

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

2.4 短時強降水指標的分析

短時強降水一般對應著適當大小的CAPE值，當CAPE值很大時，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；而短時強降水一般對應K指數(shù)較大，因為K指數(shù)往往對低空的水汽含量更敏感。K指數(shù)側重反應了對流層中下層(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，就有可能出現(xiàn)雷暴天氣；K≥35 ℃時，就具備出現(xiàn)對流性天氣的條件。而A指數(shù)在暴雨預報中具有一定的作用。個例表明，當A指數(shù)由負值上升到正值時，為陰雨天氣；下降到負值時則雨停[7]，達到10 ℃以上時多有降水發(fā)生。

本文將A指數(shù)應用到短時強降水的預報中，使用2007—2016年短時強降水發(fā)生日的實況探空資料，讀取A指數(shù)值。資料選取長沙和武漢的實況探空，岳陽北部縣市使用武漢實況資料，南部地區(qū)使用長沙實況資料。

對62個短時強降水天氣過程(日)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，73.6%的短時強降水發(fā)生前，K指數(shù)≥37 ℃，A指數(shù)≥14 ℃，TT指數(shù)≥43 ℃，或者2～3個指標同時滿足，進一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當K指數(shù)≥40 ℃，或A指數(shù)≥20 ℃,或TT指數(shù)≥49 ℃，69.2%的機會出現(xiàn)≥2個臺站的短時強降水，≥3個臺站的比例為38.4%，說明TT≥49 ℃、A≥20 ℃、K≥40 ℃時比較容易出現(xiàn)短時強降水天氣；另45%的短時強降水發(fā)生前，CAPE>1 100 KJ，因此上述3個指數(shù)的數(shù)值大小、適當?shù)腃APE值對短時強降水天氣的預報有一定的效果。

同樣，統(tǒng)計了在冰雹與雷雨大風過程中的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%的機會K≥26 ℃；雷雨大風中43%的機會A>10 ℃，92%的機會K>29 ℃，58%的機率K≥35 ℃；冰雹過程中CAPE值沒有明顯的規(guī)律，但雷雨大風中的CAPE值明顯比冰雹和短時強降水中的大。

3 預報試驗

使用上述各類指標，對岳陽地區(qū)進行預報試驗。以2017年3—8月岳陽境內(nèi)6個國家觀測站為例，根據(jù)fnl資料作出探空圖，并計算出K指數(shù)、抬升指數(shù)LI、總指數(shù)TT和CAPE值，其他指標由08時、20時高空探測實況得出，對強對流天氣進行短時預報(12 h以內(nèi))。據(jù)統(tǒng)計岳陽境內(nèi)2017年共出現(xiàn)13次強對流天氣過程，其中大風3次(下午及傍晚)，其他為短時強降水(白天夜間均有)，其中5次為2站以上短時強降水。表2為各種指標對2017年強對流的預報試驗結果。從表2可以看出，短時強降水的空報日數(shù)較多，大于報對日數(shù)與漏報日數(shù)之和，但相差數(shù)值不大，而漏報日數(shù)較少；冰雹和雷雨大風的空報日數(shù)均為2 d，但由于報對日數(shù)分別為0 d、2 d，所以相對而言，空報日數(shù)也較多。將指標應用結果計算如下：短時強降水指標，報對比例為32%，漏報比例8%，空報比例60%；冰雹指標，空報比例100%；雷雨大風指標，報對比例40%，空報比例40%，漏報比例20%。計算結果表明，對于3種強對流天氣，空報比例都接近50%，特別是冰雹，所以同時要分析天氣形勢、判別雷達圖，進而對強對流天氣作出短時預報。

表2 岳陽地區(qū)2017年預報試驗Tab.2 Forecast experiments of Yueyang in 2017

4 結語

本文選用2007—2016年10 a的強對流天氣過程的地面觀測資料、高空探測實況資料、fnl再分析資料，對3種對流天氣所對應的物理量進行分組，并統(tǒng)計分析得出指標閾值，作為岳陽地區(qū)強對流天氣的短時預報指標。

①每年的日能量平衡高度變化大致可以分為兩個階段，當?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，往往對應出現(xiàn)強對流天氣；第2階段中能量平衡高度普遍較低，大部分低于250 hPa，要參考其他預報指標進行強對流天氣預報。

②73.6%的短時強降水發(fā)生前，K指數(shù)≥37 ℃，A指數(shù)≥14 ℃，TT指數(shù)≥43 ℃，或者2～3個指標同時滿足；當K指數(shù)≥40 ℃，或A指數(shù)≥20 ℃,或TT指數(shù)≥49 ℃，69.2%的機會出現(xiàn)≥2個臺站的短時強降水，≥3個臺站的比例為38.4%，說明TT≥49 ℃、A≥20 ℃、K≥40 ℃時比較容易出現(xiàn)短時強降水天氣；另45%的短時強降水發(fā)生前，CAPE>1 100 KJ，因此上述3個指數(shù)的數(shù)值大小、適當?shù)腃APE值對短時強降水天氣的預報有一定的效果。且在降雹與雷雨大風過程中，A>10 ℃或K≥35 ℃的機率比短時強降水中的低，但雷雨大風中的CAPE值明顯比冰雹和短時強降水中的大。

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個條件同時滿足； 2個臺站以上的降雹，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)計更多的資料，找到相應的規(guī)律及閾值。

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

⑤對于3種強對流天氣，空報比率都接近50%，特別是冰雹，所以同時要分析天氣形勢、判別雷達圖，進而對強對流天氣作出短時預報。