阜新地區(qū)夏季雷暴大風(fēng)的天氣學(xué)模型和物理量參數(shù)研究

張丹梅 辛艷輝 史紅杰 陶倩 趙振宇 白佳寧

摘 要：利用2009—2017年阜新地區(qū)2個常規(guī)自動站和35個4要素加密自動站資料，分析了阜新地區(qū)夏季雷暴大風(fēng)的氣候特征、天氣系統(tǒng)配置模型和物理量參數(shù)特征。結(jié)果表明：（1）阜新地區(qū)夏季雷暴大風(fēng)的時空分布很不均勻，月變化特征顯著，主要發(fā)生在6月;日變化規(guī)律也非常明顯，主要集中在13：00—21：00。空間分布上有1個高發(fā)中心和2個次發(fā)中心。（2）根據(jù)500hPa天氣形勢分析，阜新地區(qū)夏季雷暴大風(fēng)天氣形勢可歸類為高空冷渦型、高空冷槽型、西北氣流型、副高西北部型4個類型。（3）副高西北部型以熱力因素為主、動力因素為輔，高空冷渦型動力、熱力因素都很重要，高空冷槽型以動力因素為主、熱力因素為輔，西北氣流型冷空氣下沉造成的沖擊力很重要。

關(guān)鍵詞：雷暴大風(fēng);氣候特征;天氣系統(tǒng)配置模型;物理量參數(shù)特征

中圖分類號 P446? 文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2020）17-0155-06

Study of Synoptic Model and Physical Parameters? of Thunderstorm Gale in Summer in Fuxin Area

ZHANG Danmei et al.

（Fuxin Meteorological Bureau， Fuxin 123000， China）

Abstract： The climate characteristics， weather system configuration model and physical parameter characteristics of thunderstorm gale are analyzed in summer in Fuxin area，based on the data of two conventional automatic stations and thirty-five four element encrypted automatic stations in Fuxin area from 2009 to 2017. The results show that： （1）The temporal and spatial distribution of thunderstorm gales in Fuxin area is very uneven， and the monthly variation is significant， mainly in June; the daily variation is also very obvious， mainly during 13：00pm to 21：00pm. There are a center of high incidence and two centers of secondary incidence in spatial distribution. （2）According to the circulation situation of 500hPa， it can be classified into four types，namely upper cold vortex type， upper cold trough type， northwest airflow type and northwest of subtropical high type. （3）The northwest of subtropical high type is dominated by thermal factors， supplemented by dynamic factors. Thermal factors are as consequential as dynamic factors in the upper cold vortex type. The upper cold trough type is dominated by dynamic factors， supplemented by thermal factors. The impact caused by the sinking of cold air is very important in the northwest airflow type.

Key words： Thunderstorm gale;Climate characteristics;Weather system configuration model; Physical parameter characteristics

雷暴大風(fēng)是指伴隨強雷暴天氣而出現(xiàn)的強烈短時大風(fēng)，也稱為雷雨大風(fēng)，即在電閃雷鳴時出現(xiàn)風(fēng)力大于8級的瞬時大風(fēng)。主要發(fā)生在夏季，其持續(xù)時間短、風(fēng)速大、破壞力強。雷暴大風(fēng)主要表現(xiàn)為下沉氣流引起的四周輻散的近地面爆發(fā)性氣流，F(xiàn)ujita等首次使用下?lián)舯┝鳌癲ownburst”來描述引起墜機事件的大風(fēng)現(xiàn)象，它常造成大樹連根拔起、建造物倒塌、農(nóng)作物倒伏，產(chǎn)生重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。由于雷暴大風(fēng)災(zāi)害具有突發(fā)性、致災(zāi)性的特點，雷暴大風(fēng)預(yù)報已成為夏季預(yù)報服務(wù)的重點和難點。眾多學(xué)者針對雷暴大風(fēng)從多普勒雷達(dá)回波特征[1-9]、氣候特征[10-15]等方面開展了一些有針對性的研究，取得了一些有益的成果。陳偉斌等[16]對廣西2次雷暴大風(fēng)天氣過程的成因及異同進行了分析，結(jié)果顯示，有組織性風(fēng)暴和單體風(fēng)暴在層結(jié)不穩(wěn)定、中低層垂直風(fēng)切變的強度及結(jié)構(gòu)、地面輻合線的尺度和移動速度上存在明顯差異。廖曉農(nóng)等[17-19]研究了北京地區(qū)雷暴大風(fēng)日假相當(dāng)位溫廓線的特征，還研究了伴有較大強降水和沒有或降水量很小的2種類型雷暴大風(fēng)日臨近時刻環(huán)境大氣的特征，并分析了一次北京地區(qū)罕見的強雷暴大風(fēng)產(chǎn)生過程中雷達(dá)回波、不穩(wěn)定能量等。嚴(yán)仕堯等[20]對華北產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的動力熱力綜合指標(biāo)進行了分析，發(fā)現(xiàn)雷暴大風(fēng)實際發(fā)生區(qū)域與指標(biāo)疊套區(qū)域一致性較好。鐘利華等[21]對廣西雷暴大風(fēng)環(huán)流特征和物理量診斷方面進行了分析，探討了一些穩(wěn)定度指數(shù)和物理量參數(shù)的物理意義及雷暴大風(fēng)發(fā)生區(qū)域環(huán)境場特征。楊曉霞[22]等研究了各月山東內(nèi)陸和半島地區(qū)雷暴大風(fēng)物理量參數(shù)的月平均和閾值。高建平[23]等對2017年8月江西上高產(chǎn)生的3次雷暴大風(fēng)天氣過程進行了分析，探討了上高雷暴大風(fēng)雷達(dá)回波特征。上述研究成果為進一步開展雷暴大風(fēng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

遼寧在雷暴大風(fēng)預(yù)報服務(wù)方面也做了相關(guān)研究，宋佳[24]等分析了遼寧省雷雨大風(fēng)時空分布特征以及水汽、不穩(wěn)定度、抬升機制、垂直風(fēng)切變等對流條件特征。吳荷[25]等對發(fā)生在遼寧省內(nèi)的一次區(qū)域性雷雨大風(fēng)天氣過程進行了分析。劉曉初[26]等分析了大連地區(qū)雷暴大風(fēng)發(fā)生前的探空特征、雷達(dá)回波演變特征以及雷達(dá)產(chǎn)品識別指標(biāo)。陳立德[27]等對發(fā)生在沈陽地區(qū)一次雷雨大風(fēng)冰雹天氣的多普勒雷達(dá)特征進行了分析。但是上述諸多研究成果中，在建立雷暴大風(fēng)落區(qū)的天氣學(xué)模型和物理量參數(shù)綜合分析方面研究的較少，而雷暴大風(fēng)又是阜新地區(qū)夏季發(fā)生頻率較高的災(zāi)害性天氣之一。因此，研究不同物理量對于雷暴大風(fēng)的指示意義很有必要。本研究擬通過對雷暴大風(fēng)天氣過程的綜合分析，總結(jié)出其氣候特征，并根據(jù)其形成機制對天氣形勢和影響系統(tǒng)以及反映環(huán)境大氣熱力和動力特征的物理量參數(shù)進行分析，建立雷暴大風(fēng)落區(qū)的天氣學(xué)模型和物理量參數(shù)指標(biāo)，為雷暴大風(fēng)的預(yù)報預(yù)警提供依據(jù)。

1 資料來源和站點選擇

選取阜新縣和彰武縣2個常規(guī)自動站以及2009年才開始更新為包含“風(fēng)向、風(fēng)速”的35個4要素加密自動站為研究站點，并對37個測站2009—2017年9年6—8月份共62個（142站次）雷暴大風(fēng)日進行分析，利用常規(guī)觀測資料對雷暴大風(fēng)天氣過程進行天氣形勢分型，利用NCEP 1°×1°全球再分析資料進行物理量的計算和統(tǒng)計分析。選取的標(biāo)準(zhǔn)如下：常規(guī)站和加密站共37個測站有1個測站或以上在1d內(nèi)（前一天20：00至當(dāng)天20：00）出現(xiàn)陣風(fēng)風(fēng)力大于17m/s的短時大風(fēng)，同時伴有雷暴天氣，即視為1個雷暴大風(fēng)日;每個測站每1h出現(xiàn)雷暴大風(fēng)日特征即為1站次。

2 結(jié)果與分析

2.1 雷暴大風(fēng)的氣候特征

2.1.1 時間分布特征 雷暴大風(fēng)月變化特征顯著（圖1a），9年間6—8月份共出現(xiàn)62個雷暴大風(fēng)日。6月出現(xiàn)最多，為30個，占總個數(shù)的48.4%;7月次之，為22個，占總個數(shù)的35.5%;8月最少，為10個，占總個數(shù)的16.1%。1d中雷暴大風(fēng)發(fā)生時間有著明顯的規(guī)律（圖1b），9年間6—8月份共出現(xiàn)142站次。13：00—21：00因地表受熱對流旺盛，出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的幾率很大，9年中共出現(xiàn)了123站次，占總次數(shù)的86.6%。其中，19：00—20：00出現(xiàn)得最多，為25站次，占總次數(shù)的17.6%;21：00—23：00出現(xiàn)較少，為12站次，占總次數(shù)的8.5%;23：00—13：00出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的幾率非常小，僅僅出現(xiàn)7站次，占總次數(shù)的4.9%。

2.2.1 空間分布 從雷暴大風(fēng)發(fā)生站次的空間分布圖（圖2）可以看出，阜新地區(qū)雷暴大風(fēng)的空間分布不均勻。最大值是新民鎮(zhèn)，為25次;其次是阜新縣和彰武縣2個常規(guī)自動站，為9次。主要有2條雷暴大風(fēng)帶，一條是化石戈鄉(xiāng)-王府鎮(zhèn)-阜新縣站-富榮鎮(zhèn);另一條是章古臺鎮(zhèn)-馮家鎮(zhèn)-彰武縣站-泡子鎮(zhèn)。由于雷暴大風(fēng)是雷雨云中強烈的下沉氣流到達(dá)地面所形成的，西南部的雷暴大風(fēng)帶位于山地的迎風(fēng)坡，冷空氣入侵后導(dǎo)致下沉氣流向南涌入，尤其是新民鎮(zhèn)，正好位于海拔高度715.5m的海棠山的山腳下，因此雷暴大風(fēng)的記錄明顯多于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)。同樣道理，東北部的雷暴大風(fēng)帶位于地勢平整的大青溝水庫周圍，午后強烈升溫的地面與升溫明顯減慢的水面形成較大的溫度，導(dǎo)致冷空氣向北而形成了雷暴大風(fēng)的另一個高值中心。

2.2 雷暴大風(fēng)的天氣學(xué)模型 根據(jù)對阜新地區(qū)2009—2017年產(chǎn)生的62個雷暴大風(fēng)日當(dāng)日08時或20時的天氣系統(tǒng)進行統(tǒng)計，依據(jù)500hPa環(huán)流形勢，配合對流層低層的特點，將雷暴大風(fēng)天氣形勢劃分為4個類型：高空冷渦型、高空冷槽型、西北氣流型、副高西北部型。其中，西北氣流型的次數(shù)最多，為26次，占雷暴大風(fēng)總次數(shù)的41.9%;其次是高空冷槽型;副高西北部型的次數(shù)最少，為6次，只占雷暴大風(fēng)總次數(shù)的9.7%。各個類型的雷暴大風(fēng)次數(shù)及占雷暴大風(fēng)總次數(shù)的百分比如表1所示。

2.2.1 高空冷渦型 500～850hPa高度場或風(fēng)場上都有封閉低渦（圖3a），700hPa以上配合有冷中心，對應(yīng)的高空風(fēng)切變一般表現(xiàn)為前傾結(jié)構(gòu)，天氣系統(tǒng)是蒙古冷渦或者東北冷渦。雷暴大風(fēng)發(fā)生前08時或20時500hPa冷渦中心位于44～50°N，115～122°E，850hPa阜新地區(qū)上空為渦底暖舌或渦底槽前暖舌，并配合有西南急流。地面40～50°N，115～122°E內(nèi)有蒙古氣旋，對應(yīng)有顯著降壓區(qū)。當(dāng)500hPa冷槽疊加在850hPa弱暖脊之上，雷暴大風(fēng)產(chǎn)生在冷渦的東南象限和地面輻合線附近。在這種類型影響下，當(dāng)中高層700～500hPa有明顯干舌時，會同時伴有冰雹;當(dāng)濕層較深厚的時候，會同時伴有短時強降水。高空冷渦型多發(fā)生在6月份。

2.2.2 高空冷槽型 500hPa圖上40～50°N，115～125°E范圍內(nèi)有東北-西南走向的高空槽（圖3b），多數(shù)情況下伴隨大的經(jīng)向度低槽，并配合有冷溫度槽，高空冷槽移動顯著，由于上下鋒區(qū)移速不一致，有時會出現(xiàn)前傾槽。850hPa阜新地區(qū)上空配合有槽前暖舌或西南氣流，少數(shù)雖然沒有明顯槽區(qū)，但配合有切變線。地面40～47°N，115～123°E范圍內(nèi)有冷鋒或44～45°N，115～122°E范圍內(nèi)有靜止鋒（或橫切變）。當(dāng)?shù)孛嬗欣滗h、暖鋒、靜止鋒、輻合線移入本區(qū)時，觸發(fā)前方暖濕空氣抬升，加劇了層結(jié)的不穩(wěn)定性。雷暴大風(fēng)產(chǎn)生在850hPa溫度鋒區(qū)附近，地面鋒面特征比較清晰。高空冷平流一般由冷渦或深厚的冷槽引導(dǎo)，低空一般有暖濕的西南氣流（或急流）配合，有時也可能有東南氣流配合。在這種類型的影響下，強對流天氣范圍大、種類多，同時伴有短時強降水、冰雹等混合性對流天氣。高空冷槽型6—8月份均有。

2.2.3 西北氣流型 500hPa高空為高壓脊前或冷渦后部西北氣流控制（圖3c），中低層925～700hPa阜新地區(qū)上空往往存在切變線和干線，同時配合有暖舌或西南氣流。地面處于熱低壓或均壓區(qū)，在其北側(cè)一般有東西向弱冷鋒或干線，雷暴大風(fēng)發(fā)生前都有地面輻合線生成。雷暴大風(fēng)主要出現(xiàn)在午后至上半夜冷空氣經(jīng)過熱低壓或均壓區(qū)的東南象限內(nèi)。500hPa脊前或者渦后偏北風(fēng)引導(dǎo)冷空氣南下，中高層強烈干冷空氣疊加在低層相對暖濕氣流上，大氣層結(jié)不穩(wěn)定增大。在午后，地面溫度升高，層結(jié)不穩(wěn)定增強，不穩(wěn)定能量增大，近地面層輻合線附近的輻合上升運動觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生對流，造成雷暴天氣。雷暴大風(fēng)產(chǎn)生在500hPa脊前或者渦后偏北氣流和850hPa偏南氣流的交叉處。這種天氣類型大氣的濕層較薄，降水量不大，有時局部地區(qū)伴有冰雹。此類型6—8月均有發(fā)生。

2.2.4 副高西北部型 副熱帶高壓明顯西伸北抬，西南氣流明顯加強，阜新處于582～588dagpm線的控制區(qū)域（圖3d）。500hPa存在高空槽，700～925hPa均配合有低槽或者切變線。發(fā)生雷暴大風(fēng)前08時或20時500hPa高空槽位于38～50°N，110～120°E的區(qū)域內(nèi)，700～925hPa在阜新地區(qū)上空配合有槽前暖舌或西南氣流，少數(shù)雖然沒有明顯槽區(qū)，但配合有切變線。地面阜新處于切變線或者輻合線的前部。前期副高控制，地面氣溫高，925～850hPa有暖脊，在副高邊緣的低層西南氣流的水汽輸送形成濕舌，中高層700～500hPa有弱的變溫，或者高空有溫度槽移入副高邊緣的低層暖脊上方，有時冷溫度槽可以到達(dá)400～200hPa，這種配置有利于對流不穩(wěn)定建立。雷暴大風(fēng)發(fā)生前，大多地面有明顯的輻合線，一般不會出現(xiàn)冰雹，雷暴大風(fēng)就發(fā)生在輻合線附近。850～500hPa在副高邊緣形成暖式切變線或副高邊緣西南風(fēng)急流的側(cè)向輻合區(qū)，中低層大氣暖濕，對流不穩(wěn)定能量較高。在切變線南部偏南氣流的輻合區(qū)或偏南風(fēng)急流的左前方輻合區(qū)，上升運動增強，觸發(fā)對流不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生強對流造成雷暴大風(fēng)。在這種類型影響下，大氣的濕層較厚，有時局部地區(qū)伴有短時強降水。此類型均發(fā)生在8月份。

2.3 雷暴大風(fēng)的物理量參數(shù)特征 利用NECP再分析資料，對62個雷暴大風(fēng)日進行研究，選取雷暴大風(fēng)發(fā)生前最近6h內(nèi)的08：00、14：00或20：00的物理量參數(shù)，分析代表大氣溫濕和動力特征的物理量參數(shù)特征。

雷暴大風(fēng)天氣一般發(fā)生槽后的冷平流區(qū)，高空多為偏西北氣流，高空冷空氣有前傾趨勢。850～925hPa濕度條件差，溫度露點差≥6℃，而700hPa則有溫度露點差≤5℃濕冷空氣南壓，冷空氣南下過程中沿濕絕熱線逐漸下沉，在下沉過程中與周圍環(huán)境的溫度差越來越大，動力下沉作用及重力作用下到達(dá)地面形成雷暴高壓向外擴散，產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣。同時700hPa與500hPa溫差≥16℃，850hPa與500hPa溫差≥27℃，大氣層結(jié)不穩(wěn)定程度不高。由于夏季低層的濕度較大，溫差小，不能代表大氣中低層大氣的不穩(wěn)定性。500hPa有大于1度的負(fù)變溫區(qū)，高空濕冷空氣向下俯沖觸發(fā)其前部的對流發(fā)展，產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣。

假相當(dāng)位溫θse既與溫度有關(guān)，又與濕度有關(guān)，反映了大氣的溫濕狀況，它的垂直分布可以反映大氣的對流不穩(wěn)定性，對雷暴大風(fēng)有較好的指示性。分析表明，產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的中低層大氣θse隨高度的增加而減小。850 與500hPaθse差不同的類型差異較大，副高西北部型最大≥10℃，說明850hPa附近大氣暖濕，500hPa附近大氣干冷，大氣對流不穩(wěn)定性非常強;高空冷槽型最小≥3℃，說明850和500hPa溫濕條件差距較小，大氣對流不穩(wěn)定性較弱。

K指數(shù)是850～500hPa之間的露點溫度之和，再減去700hPa的溫度露點差。統(tǒng)計表明，產(chǎn)生雷暴大風(fēng)時K指數(shù)≥31℃。夏季，中層大氣暖濕，700hPa的溫度露點差較小，K指數(shù)較大。

大氣中的CAPE是大氣位能能夠轉(zhuǎn)化為動能的最大值，值越大越有利于產(chǎn)生強對流。副高西北部型CAPE較高≥1700 J/kg，說明大氣暖濕，有較高的對流不穩(wěn)定能量儲存;高空冷槽型CAPE相對較小≥800J/kg，對流不穩(wěn)定能量儲存較低。

CIN體現(xiàn)了阻止對流發(fā)生的能量的大小。統(tǒng)計表明，產(chǎn)生雷暴大風(fēng)時CIN≤65J/kg。

垂直風(fēng)切變在對流風(fēng)暴的組織和發(fā)展中起重要作用。分析表明，700和850hPa垂直風(fēng)切變≥1×10-3/s，850和925hPa垂直風(fēng)切變≥2×10-3/s。夏季，大氣不穩(wěn)定能量較高，垂直風(fēng)切變較小，熱力因素起主導(dǎo)作用。

副高西北部型CAPE最大，垂直風(fēng)切變較小，雷暴大風(fēng)以熱力因素為主，動力因素為輔;高空冷渦型垂直風(fēng)切變最大，CAPE也較高，動力、熱力因素都很重要;高空冷槽型垂直風(fēng)切變較大，CAPE最小，以動力因素為主，熱力因素為輔;西北氣流型CAPE較大，垂直風(fēng)切變最小，冷空氣下沉造成的沖擊力很重要。

3 結(jié)論與討論

（1）阜新地區(qū)夏季雷暴大風(fēng)的時間分布很不均勻。月變化特征顯著，主要發(fā)生在6月，發(fā)生頻率為48.4%;日變化規(guī)律也非常明顯，主要集中在13：00—21：00時，發(fā)生頻率為86.6%。阜新地區(qū)夏季雷暴大風(fēng)的空間分布有很大的區(qū)域差異，高發(fā)中心有1個，在阜新縣新民鎮(zhèn);次中心2個，分別在阜新縣站和彰武縣站。

（2）阜新地區(qū)夏季產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的天氣系統(tǒng)按照500hPa環(huán)流形勢歸納為4類，分別為高空冷渦型、高空冷槽型、西北氣流型、副高西北部型。高空冷槽型和西北氣流型是造成阜新地區(qū)夏季雷暴大風(fēng)的主要天氣型。由于不同天氣類型的影響系統(tǒng)所處的位置不同，分別給出了雷暴大風(fēng)影響系統(tǒng)的相應(yīng)的概念模型。

（3）副高西北部型CAPE最大，垂直風(fēng)切變較小，雷暴大風(fēng)以熱力因素為主，動力因素為輔;高空冷渦型垂直風(fēng)切變最大，CAPE也較高，動力、熱力因素都很重要;高空冷槽型垂直風(fēng)切變較大，CAPE最小，以動力因素為主，熱力因素為輔;西北氣流型CAPE較大，垂直風(fēng)切變最小，冷空氣下沉造成的沖擊力很重要。

（4）產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的大氣中850～925hPa濕度條件差，而700hPa則有濕冷空氣南壓， 500hPa有大于1℃的負(fù)變溫區(qū)，中低層大氣θse隨高度的增加而減小，K指數(shù)較大，CIN較小。

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（責(zé)編：張宏民）