南疆西部兩種強對流天氣環境參數特征分析

黃 艷，安克武，唐 鵬

（1.和田地區氣象臺，新疆 和田 848000；2.新疆氣象技術裝備保障中心，新疆 烏魯木齊 830002）

近年來，許多專家和學者對短時強對流天氣做了大量的總結[1-6]。陳元昭等[6]分析珠江三角洲地區重大短時強降水的基本流型與環境參量特征，給出了珠江三角洲地區極端短時強降水的天氣流型配置和關鍵環境參數范圍。一些學者針對分類強對流天氣進行了研究[7-8]，將強對流天氣進行分型，利用探空物理參數對其進行區分，給出了相應參數的平均值，但缺少范圍，導致結論有一定局限性。高曉梅等[9]對魯中地區分類強對流天氣的環境參量特征進行分析，通過箱線圖的形式分別討論了3種強對流天氣的關鍵參數分布和預報閾值，為分類強對流天氣預報系統提供了技術支撐。

南疆西部地域廣闊，是我國主要的糧棉生產基地，由于其獨特的下墊面性質，在農作物主要生長季常發生短時強對流天氣，所造成的直接經濟損失數以億計，因此強對流天氣一直是氣象工作者的研究重點之一，也是氣象服務工作的難點之一。新疆氣象工作者對強對流天氣也作出一些研究[10-16]，得出了新疆短時強對流天氣的時空分布特征和預報概念模型，但對于分類強對流天氣的分析研究工作很少。黃艷等[3]對南疆短時強降水的關鍵參數分布特征進行了討論，但未給出預報閾值。本文通過統計分析2000—2020年南疆西部地區短時強降水和冰雹個例，對分類強對流天氣進行探討分析：（1）2種強對流天氣個例對應的關鍵環境參數特征和范圍；（2）2種強對流天氣對應的環境關鍵參數的異同，是否能區分這兩種強對流天氣；（3）2種特強對流天氣，包括特強冰雹型（直徑≥20 mm冰雹）和特強短時強降水（≥20 mm·h-1）異同及其區分。為建立南疆西部地區短時強降水和冰雹強對流天氣智能網格預報技術方法提供參考。

1 資料和方法

利用2000—2020年暖季（5—9月）每日08：00、20：00（北京時，下同）喀什、和田和民豐GFE（L）型高空氣象探測雷達站的探空數據（圖1），時間選取強對流天氣發生前最近時次（如短時強降水出現時間接近08：00，則選08：00的探空資料；如短時強降水出現時間接近20：00，則選擇20：00的探空資料）；空間上采用南疆西部23個國家地面氣象觀測站和428個區域氣象自動站資料，強對流天氣落區與探空站直線距離不超過100 km的站點。定義短時強降水天氣過程為2個測站及以上出現小時雨量≥10 mm或1個測站連續2 h及以上出現小時雨量均≥10 mm；冰雹過程則定義為1站（地）出現冰雹。

圖1 南疆西部探空站點分布

考慮短時強對流天氣的觸發機制較為復雜，很難通過某些關鍵環境參數來代表，為了方便基層臺站客觀預報判斷，本文基于強對流天氣構成要素的預報方法[17-18]中（“配料法”）的2個要素（靜力不穩定和水汽），配合深層垂直風切變等要素進行分析。其中用850和500 hPa間溫差（ΔT85）來表示靜力不穩定；水汽條件用地面至700 hPa露點平均值（Tdsur7）和大氣可降水量（PW）表示絕對濕度。考慮條件不穩定和水汽條件的共同作用，使用對流有效位能（CAPE）和對流抑制（CIN）來表示強對流天氣發生的潛勢（可能性），其中CAPE和CIN為訂正后的數據，需要指出的是訂正后CAPE和CIN，沒有考慮平流過程的影響，仍然存在訂正后的探空資料也不能很好地代表對流發生前的環境情況，因此剔除了不具有代表性的探空資料。深層垂直風切變則采用0～6 km的風矢量差來代表。另外冰雹的關鍵參數還有融化層高度，對應0℃層的高度；短時強降水的關鍵參數暖云層厚度，對應于抬升凝結高度與0℃層高度之差。

文中通過箱線圖給出各種關鍵參數的分布范圍，考慮若用箱線圖中某參數的最低值作為預報閾值，則可能出現較大的虛警率，故采用某關鍵參數分布的25%作為預報最低閾值的初猜值[9]。

2 南疆西部強對流天氣關鍵環境參數特征分析

2.1 南疆西部暖季主要環境參數的季節變化

由南疆西部暖季主要環境參數的各月平均分布可以看出（表1），由于南疆西部多為晴空少云天氣，850和500 hPa間溫差（ΔT85）接近干絕熱層結，造成ΔT85較大，在29～31℃，這是南疆西部獨特的地域特征。5—6月ΔT85最大為33℃，說明5—6月大氣條件不穩定度高，利于發生強對流天氣。CAPE和CIN分布表明5月濕對流不穩定能量最多，即對流天氣最易發生。0～6 km垂直風切變最大值在5—6月，正值冷暖交替季節，大氣斜壓性較強，隨著時間遞增逐漸減小，8月達到最小，9月略有增加。根據實際觀測可知，8月出現大冰雹和極端雷暴大風的幾率較小，明顯少于暖季其他各月。然而分析暖季低層大氣可降水量（PW）和地面至700 hPa露點溫度（Tdsur7）月際分布隨著時間的遞進呈先增大后減小的趨勢，其中5月最小，說明南疆西部7—8月低層水汽相對充沛。

表1 南疆西部暖季主要環境參數的季節變化

2.2 南疆西部基本關鍵環境參數分析

2.2.1 靜力不穩定

由圖2可知，2種類型強對流天氣ΔT85中位數分別為30.5℃（短時強降水型）、34℃（冰雹型），平均值分別為30.6和33.7℃，呈現為明顯的條件不穩定層結，但接近南疆西部暖季平均態，其中冰雹型的中位值大于短時強降水，高于暖季平均值。全部強對流天氣個例ΔT85最小值為23℃，考慮當日出現強對流天氣前，以多云到陰天天氣為主，大氣層結接近于濕中性層結，所以造成ΔT85較小；而最大值為39℃近乎于干絕熱層結，這種情況多在午后至夜間發生的冰雹天氣中。冰雹25%～75%百分位值明顯大于短時強降水，僅用ΔT85很難區分短時強降水與一般性天氣，但可作為冰雹的判斷條件。因此，可以用ΔT85的25%百分位值中最低的31℃作為冰雹閾值。同時，由圖2可知，南疆西部暖季的靜力不穩定條件存在普遍性。

圖2 南疆西部兩類強對流個例850和500 hPa溫差ΔT85（單位：℃）箱線分布

2.2.2 水汽條件

在南疆西部強對流多發的暖季，水汽主要集中在大氣中低層。由圖3可知，冰雹對應的Tdsur7范圍寬于短時強降水類型，說明冰雹的Tdsur7分布較短時強降水分散，可見冰雹所需要的水汽條件明顯低于短時強降水；短時強降水型對應的PW范圍要寬于冰雹型。Tdsur7和PW在一定程度上可以區分短時強降水和冰雹，選擇對應25%百分位作為水汽條件閾值，即冰雹對應-3℃（Tdsur7）和9 mm（PW）；短時強降水對應4℃（Tdsur7）和18 mm（PW）。若針對強對流天氣水汽條件閾值即可選擇Tdsur7為-1.3℃和PW為14 mm。

圖3 南疆西部兩類強對流個例對應的大氣可降水量PW（a，單位：mm）和地面至700 hPa露點溫度Td sur7（b，單位：℃）箱線分布

2.2.3 CAPE和CIN

條件不穩定與水汽條件結合所表征的對流參數有很多，最為綜合的對流指數是對流有效位能CAPE和對流抑制CIN[17-19]。從CAPE的分布（圖4b），短時強降水CAPE分布比較集中，冰雹箱體較分散且寬于短時強降水，對應的箱體位置明顯偏高；兩種強對流天氣中位值分別為1 760 J·kg-1（冰雹）和1 450 J·kg-1（短時強降水），說明冰雹發生時需要的CAPE明顯大于短時強降水。僅就CAPE值分布而言，無法區分2種類型。25%百分位對應的CAPE值為1 261 J·kg-1，可作為強對流天氣最低預報閾值；1 152 J·kg-1（短時強降水）和1 470 J·kg-1（冰雹）可作為兩種類型強對流的CAPE最低預報閾值。

圖4 南疆西部兩類強對流個例對應的對流抑制CIN（a，單位：J·kg-1）和對流有效位能CAPE（b，單位：J·kg-1）箱線分布

深厚濕對流形成所需要的抬升觸發強度由CIN決定[17-19]。冰雹型和短時強降水型的CIN值相應中位數值分別為-30和-6 J·kg-1，說明冰雹克服的浮力大于短時強降水。強對流天氣發生時，CIN的閾值可以設定為絕對值≤54 J·kg-1；冰雹型和短時強降水型CIN閾值分別＜65和50 J·kg-1。

2.2.4 深層垂直風切變

在水汽、靜力不穩定性及抬升觸發給定的條件下，對流性風暴組織和特征決定于垂直風切變的大小，是強對流天氣預報的重要參數[17-19]。短時強降水0～6 km垂直風切變的中位數值為8.0 m·s-1（圖5a），屬于弱的垂直風切變，冰雹0～6 km垂直風切變的中位數值為12.0 m·s-1，屬于中等強度。短時強降水中弱的垂直風切變占該類型的70%，冰雹中弱的垂直風切變占該類型的44%，說明南疆西部短時強降水的發生多數由弱垂直風切變情況下的脈沖風暴所產生[18]。兩類強對流個例中0～6 km垂直風切變≥20 m·s-1的為少數，均發生在大氣斜壓性較強的春末夏初或初秋，是由強的垂直風切變情況下的高架雷暴所產生[19]。兩種類型的0～6 km垂直風切變分布的25%～75%百分位值對應的范圍分別為4.0～12.0 m·s-1（短時強降水型）和7.0～15.0 m·s-1（短時冰雹型）。可以判定，通過0～6 km垂直風切變分布特征是無法區分2種類型強對流的。以25%百分位值作為預報南疆西部強對流的閾值，采用4.3 m·s-1為最低閾值，而考慮短時強降水和短時冰雹時，相應的0～6 km垂直風切變閾值分別為4.0和7.0 m·s-1。

2.3 2種強對流天氣敏感的環境參數

2.3.1 暖云層厚度

對于強降水而言，有利環境條件除了具備靜力不穩定、水汽和抬升觸發外，還有一個條件就是暖云層厚度[19]。圖5b表明南疆西部短時強降水對應的中位數值為1.7 km，明顯高于短時冰雹。南疆西部短時強降水暖云層厚度對應的25%～75%百分位范圍明顯低于國內其他地方，僅為1.2～2.3 km，這可能是造成短時強降水量級及強度偏弱的原因之一。因此暖云層厚度可以作為區分強降水與冰雹的重要指標之一。

2.3.2 冰雹融化層高度

短時冰雹發生的過程中，合適的融化層高度極為重要[20-21]。由圖5c可知，冰雹融化層高度（濕球溫度0℃層高度）分布的范圍明顯高于短時強降水，為2.4～4.8 km（山區），對應25%～75%的范圍為3.5～4.3 km。可以認為3.5～4.3 km的冰雹融化層高度是南疆西部冰雹發生比較適宜的高度。

圖5 南疆西部兩類強對流個例對應的敏感環境參數箱線分布

2.4 特強對流天氣關鍵參數分析

本文將強對流天氣中天氣比較劇烈的稱為特強對流天氣，即≥20 mm·h-1強降水和直徑≥20 mm冰雹。

ΔT85箱線圖顯示（圖6a），特強短時強降水和特強冰雹天氣通常都發生在較顯著的條件不穩定下，與一般強對流天氣接近，沒有明顯差異。

從Tdsur7（圖6b）和PW分布箱線圖可以看出，特強短時強降水和特強冰雹天氣差異較大，可將上述2種特強對流類型進行區分，但無法將2種特強對流天氣從全部強對流個例中區分出來。

通過CAPE分布發現（圖6c），特強短時強降水和特強冰雹天氣之間具有一定可區分性；僅通過CAPE發布無法將其從全部強對流天氣區分出來。同樣，CIN分布無法區分特強短時強降水和特強冰雹。

特強冰雹對應的0～6 km垂直風切變分布的中值明顯大于特強短時強降水和全部強對流的相應值（圖6d），接近中等強度垂直風切變。因此特強冰雹相對于特強短時強降水天氣和全部強對流天氣具有一定可區分性。

圖6 南疆西部2類特特強對流天氣和全部強對流個例對應的相關參數箱線

2.5 南疆西部強對流天氣關鍵參數閾值

2.5.1 全部強對流個例關鍵參數閾值

表2給出了南疆西部近20 a來261次對流性天氣ΔT85、Tdsur7、CAPE、CIN和0～6 km垂直風切變的最小值、25%百分位值、中位數值、75%百分位值和最大值分布。用25%百分位值作為預報閾值，其對應值分別為29℃（ΔT85）、1.3℃（Tdsur7）、1 261 J·kg-1（CAPE）、-54 J·kg-1（CIN）和4.3 m·s-1（CIN）。

表2 南疆西部全部強對流個例關鍵環境參數分布特征

2.5.2 分類強對流天氣對應的關鍵參數閾值

表3列出了短時強降水和冰雹型對應的ΔT85、Tdsur7、CAPE、CIN和0～6 km垂直風切變等關鍵參數的預報閾值，除冰雹的Tdsur7較短時強降水明顯偏小外，其他各參數均高于短時強降水。冰雹型適宜的冰雹融化層高度為3.5～4.3 km（對應25%～75%百分位）；短時強降水型暖云層厚度的閾值為1.2 km。

表3 南疆西部強對流天氣主要關鍵環境參數閾值

2.5.3 2種特強強對流天氣關鍵參數閾值

表4給出了特強短時強降水和特強冰雹天氣對應的關鍵環境參數的閾值。

表4 南疆西部特強對流天氣主要關鍵環境參數閾值

特強短時強降水和特強冰雹對應的代表大氣條件不穩定程度的ΔT85閾值接近全部對流個例的相應閾值。特強短時強降水和特強冰雹對應的Tdsur7閾值分別為4和-1℃，其中特強冰雹高于全部冰雹閾值。特強冰雹的CAPE閾值略低于全部冰雹閾值（表4）。特強冰雹的垂直風切變閾值明顯高于特強短時強降水、全部強對流個例的相應閾值。特強短時強降水的暖云層厚度接近于全部短時強降水閾值，特強冰雹的融化層厚度低于全部冰雹閾值。

3 結論與討論

本文主要分析了南疆西部主要的兩種對流天氣的（短時強降水和冰雹）關鍵環境參數特征。利用南疆西部2000—2016年發生的261次對流天氣個例進行分類，從中選取特強對流個例，即冰雹直徑≥20 mm的特強冰雹天氣和小時雨量≥20 mm的特強短時強降水天氣，對上述強對流天氣的關鍵參數特征的對比分析。得到以下結論：

（1）地面至700 hPa露點溫度（Tdsur7）、可降水量（PW）及對流有效位能（CAPE）的季節分布隨著時間增長呈先增大后減小的趨勢。Tdsur7、PW在8月最大，5月最小。CAPE在6月最大，9月最小。850和500 hPa的溫差（ΔT85）、0～6 km垂直風切變是隨著月份增加逐漸減小。受暖季晴空少云天氣較多的影響，南疆西部出現ΔT85接近干絕熱層結的獨特地域特征。0～6 km垂直風切變在5—6月大氣斜壓性較強，對應較強的深層垂直風切變為11 m·s-1。

（2）短時強降水和冰雹對應的最低閾值的建議值（25%百分位值）：ΔT85為29、31℃；Tdsur7為4和-3℃；PW為18和9 mm；CAPE為1 152和1 470 J·kg-1；0～6 km垂直風切變為4.0和7.0 m·s-1。

（3）短時強降水暖云層厚度最低閾值的建議值（25%）為1.2 km。冰雹融化層（濕球溫度0℃層高度）對應的25%～75%百分位的范圍分別為3.5和4.3 km，可用2個值作為冰雹融化層高度的最佳區間。

（4）通過ΔT85、Tdsur7、PW以及暖云層厚度、融化層等關鍵參數的分布特征在一定程度可以區分強對流天氣類型，但通過各個關鍵參數的分布特征區分比較困難；此外，南疆西部短時冰雹在7—8月發生概率較低，這對強對流天氣分類預報也有一定幫助。

（5）從特強強對流子集與相應分類強對流子集比較，特強分類對流天氣體現為水汽條件、0～6 km垂直風切變略增強。特強短時強降水的暖云層厚度接近于全部強降水閾值；特強冰雹的融化層厚度低于全部冰雹閾值。

在本文對各類強對流潛勢閾值的討論中，尚未實現計算機自動識別。在今后研發南疆西部2類強對流潛勢預報中，可以將上述問題及觸發機制概括在內，預報員根據智能網格預報結合觸發機制給出最終判斷。