咸陽三類強對流天氣環(huán)境物理量指標研究

劉 帆，高 萌，王瑾婷，喬丹楊，謝逸雯

(1.咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016)

強對流天氣主要包括雷暴大風(fēng)、短時強降水、冰雹和龍卷等中小尺度天氣[1]，而咸陽暖季出現(xiàn)頻率較高的強對流天氣主要是雷暴大風(fēng)、短時強降水和冰雹等[2]，常造成嚴重的財產(chǎn)損失。由于強對流天氣具有突發(fā)性強、生命史短、破壞性大等特點，成為了天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中的重點和難點。

眾多學(xué)者研究表明，強對流天氣的發(fā)生與大氣層結(jié)不穩(wěn)定、水汽條件、垂直風(fēng)切變和抬升觸發(fā)條件等密切相關(guān)[3-6]。探空資料可以反映出本地上空大氣溫濕結(jié)構(gòu)，日常業(yè)務(wù)中預(yù)報員常利用天氣形勢結(jié)合探空資料的關(guān)鍵環(huán)境參量進行潛勢預(yù)報[7-10]。葉愛芬等[11]利用探空資料分析CAPE與廣州清遠的強降水、雷雨大風(fēng)之間的關(guān)系。張一平等[12]研究了不同天氣流型配置下河南強對流天氣的物理量要素特征和關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)閾值。劉玉玲等[13]將探空資料的CAPE、粗理查森數(shù)等對流參數(shù)應(yīng)用至強對流天氣的潛勢預(yù)報中。雷蕾等[14]利用18個物理參數(shù)區(qū)分三類強對流天氣。高曉梅等[15]也分析了魯中地區(qū)暖季三類強對流天氣的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)預(yù)報閾值。而這些研究成果是否適用于咸陽地區(qū)，三類強對流天氣的環(huán)境物理量特征是否存在差異，并且是否可以區(qū)分三類強對流天氣值得研究?；谝陨蠁栴}，本文利用2016—2020年咸陽強對流天氣個例和探空資料，對比分析三類強對流天氣的環(huán)境物理量的特征及不同月份變化規(guī)律，提煉咸陽地區(qū)三類強對流天氣潛勢預(yù)報指標，為開展咸陽分類強對流客觀預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料說明

利用篩選的2016—2020年暖季(4—9月)強對流天氣過程進行分析，雷暴大風(fēng)和短時強降水數(shù)據(jù)來源于咸陽地區(qū)158個氣象觀測站，冰雹數(shù)據(jù)來源于氣象觀測站觀測獲得的冰雹數(shù)據(jù)以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)防雹作業(yè)指揮人員記錄。其中當?shù)孛嬗^測到冰雹便認定為冰雹過程，且無論其他天氣是否出現(xiàn)；當有3個及以上觀測站出現(xiàn)雷暴和陣風(fēng)風(fēng)速≥17.2 m/s2兩個條件時，定義為雷暴大風(fēng)過程；當有3個及以上觀測站出現(xiàn)小時雨量≥20 mm，定義為短時強降水過程。當雷暴大風(fēng)和短時強降水同時發(fā)生時，按照短時強降水個例進行分析。

根據(jù)構(gòu)成要素的預(yù)報方法(配料法)[16-17]，考慮雷暴的發(fā)生一般需要熱力不穩(wěn)定、水汽和抬升觸發(fā)三個條件，而深厚濕對流還需考慮深層垂直風(fēng)切變和對流層中層是否存在干層(對雷暴大風(fēng)和冰雹很重要)等。表示大氣熱力不穩(wěn)定的物理量：K指數(shù)、850與500 hPa的溫度差(ΔT85)。表示水汽條件的物理量：850 hPa溫度露點差(T-Td850)、500 hPa溫度露點差(T-Td500)。表示大氣能量條件的物理量：對流有效位能(CAPE)。表示垂直風(fēng)切變的物理量：0～6 km深層風(fēng)垂直切變(VWS)、0～3 km淺層風(fēng)垂直切變(VWS’)。

針對不同類型的強對流天氣，也有不同的關(guān)鍵物理量。如冰雹的發(fā)生除了要有較大的對流有效位能和較大的垂直風(fēng)切變，還需有適宜的0 ℃層高度。雷暴大風(fēng)則還需要對流層中層或中高層有明顯的干空氣侵入以及相應(yīng)的下沉對流有效位能(DCAPE)。

1.2 研究方法

選取與對流發(fā)生地最接近的探空站(崆峒站或涇河站)每日08時或20時的探空數(shù)據(jù)，選取時間為強對流天氣發(fā)生前的最近時次?？紤]到大多數(shù)強對流天氣發(fā)生在午后，這個時段沒有探空觀測，因此采用午后最高地面溫度和對應(yīng)時次的露點溫度對08時的對流有效位能進行訂正后再分析。

統(tǒng)計分析三類強對流天氣的各關(guān)鍵環(huán)境物理量，并通過箱線圖表示其分布；采用百分位法確定三類強對流天氣的閾值和預(yù)報指標。

2 強對流天氣特征

2016—2020年咸陽市暖季共出現(xiàn)雷暴大風(fēng)53次、短時暴雨45次、冰雹19次。春季(4—5月)是雷暴大風(fēng)的高發(fā)期。夏季(6—8月)是短時強降水和冰雹的高發(fā)期，其中7月和8月短時強降水發(fā)生最頻繁，占比82.2%；5月和7月冰雹發(fā)生最頻繁，占比60.0%。短時強降水在4月和5月發(fā)生較少，冰雹在4月和9月發(fā)生較少，均不超過2次。

表1 2016—2020年咸陽市三類強對流天氣統(tǒng)計 單位：次

從強對流天氣發(fā)生時段(圖1)來看，三類天氣均主要出現(xiàn)在下午至前半夜(14—20時段)，占比39.3%以上。雷暴大風(fēng)和短時強降水出現(xiàn)頻率略相似，發(fā)生時段次高為前半夜(20—02時)，占比分別為35.7%和31.3%；而冰雹發(fā)生頻率次高為上午至中午(08—14時)，占比24.1%。雷暴大風(fēng)出現(xiàn)頻次最少的是上午(08—14時)，占比8.9%；短時強降水出現(xiàn)頻次最少的在后半夜(02—08時)，占比7.5%；而冰雹出現(xiàn)頻次最少的為夜間(20—08時)。

圖1 2016—2020年咸陽三類強對流天氣發(fā)生時段概率分布

3 環(huán)境物理條件特征

3.1 熱力不穩(wěn)定

K指數(shù)表征對流層中下層的大氣溫濕狀況，其值越大，代表不穩(wěn)定性越強。通過箱線圖對比分析三類強對流K指數(shù)(圖2a)，可以看出暖季雷暴大風(fēng)和冰雹的K指數(shù)平均值相差不大，分別為29.0和29.4 ℃，而短時強降水的K指數(shù)略高，為33.4 ℃；雷暴大風(fēng)和冰雹的K指數(shù)中位數(shù)與均值差異不大，分別為29.0和29.2 ℃，短時強降水的中位數(shù)更高，為36.9 ℃。三類強對流天氣的K指數(shù)具有明顯的月際變化(圖2b)，并且K指數(shù)平均值均超過20 ℃。4月開始K指數(shù)呈上升趨勢，短時強降水和冰雹的均值8月達到峰值，雷暴大風(fēng)7月達到最大，之后開始下降；7月雷暴大風(fēng)K指數(shù)與短時強降水、冰雹的差異比較大，相差10 ℃以上，其余各月三類強對流天氣的K指數(shù)相差不大。

W代表雷暴大風(fēng)，R代表短時強降水，H代表冰雹；下同。圖2 咸陽三類強對流K指數(shù)箱線圖(a)和各月平均值(b)

850 hPa與500 hPa溫度差(ΔT85)表示溫度隨高度的垂直遞減特征，其值越大，環(huán)境大氣溫度垂直遞減越劇烈，大氣層結(jié)不穩(wěn)定越強。短時強降水ΔT85暖季平均值為24.4 ℃，明顯低于雷暴大風(fēng)和冰雹(分別為27.6 ℃和27 ℃)，同時三類強對流天氣的ΔT85平均值與中位數(shù)相差不大。一般將ΔT85≥25 ℃作為強對流天氣發(fā)生的閾值指標，顯然這對短時強降水不適用。ΔT85沒有明顯的月際變化，除6月雷暴大風(fēng)平均值明顯高于短時強降水和冰雹外，其余各月差異不大。

圖3 咸陽三類強對流ΔT85箱線圖(a)和各月平均值(b)

3.2 水汽

預(yù)報業(yè)務(wù)中常將溫度露點差作為判斷水汽條件的指標。當露點Td與氣溫T越接近時，越容易達到飽和，空氣中的水汽越容易凝結(jié)，即溫度露點差越小，代表水汽條件越好。對比三類強對流對流層500 hPa和850 hPa的溫度露點差(圖4)，短時強降水T-Td500和T-Td850平均值相較于雷暴大風(fēng)和冰雹均明顯偏小，且對應(yīng)兩個高度層的溫度露點差離散度最小，相差僅14 ℃。雷暴大風(fēng)T-Td850平均值略大于冰雹，且雷暴大風(fēng)對應(yīng)的T-Td850范圍最寬，這是因為雷暴大風(fēng)的形成一般伴有干空氣的夾卷，而短時強降水對水汽要求較高，冰雹粒子在干空氣中不易融化[18]。三類強對流天氣的T-Td500和T-Td850沒有明顯的季節(jié)變化特征，但短時強降水各月的T-Td500和T-Td850均小于雷暴大風(fēng)和冰雹。

圖4 咸陽三類強對流500 hPa(a)和850 hPa(b)的T-Td箱線圖

3.3 對流有效位能

對流有效位能(CAPE)是反映對流發(fā)生潛勢的重要參數(shù)，表示熱對流上升運動可能達到的理論最大強度。三類強對流的CAPE值相差較大(圖5a)，中位值按照雷暴大風(fēng)、短時強降水和冰雹依次增大，分別為32.9、350.7和553.5 J/kg，同時冰雹和短時強降水相較于雷暴大風(fēng)的箱體更寬，分布更分散。三類強對流CAPE的平均值總體呈現(xiàn)先增大再減小的月際變化(圖5b)，7月或8月達到最大值。除7月外，各月CAPE值短時強降水均最小，而雷暴大風(fēng)的在7月和8月相對最大，冰雹的在5月和6月最大。

圖5 咸陽三類強對流CAPE的箱線圖(a)和各月平均值(b)

下沉對流有效位能(DCAPE)可以定量表示干空氣夾卷進入雷暴內(nèi)產(chǎn)生的強烈下沉氣流的潛勢大小，對于雷暴大風(fēng)天氣有很好的參考價值。暖季雷暴大風(fēng)DCAPE平均值為315.4 J/kg，明顯高于短時強降水和冰雹。

3.4 垂直風(fēng)切變

環(huán)境風(fēng)的垂直切變是對流風(fēng)暴發(fā)展的轉(zhuǎn)換條件，垂直風(fēng)切變越大，越有利于對流風(fēng)暴的組織化。分析0～6 km垂直風(fēng)切變(VWS)和0～3 km垂直風(fēng)切變(VWS’)發(fā)現(xiàn)，雷暴大風(fēng)VWS平均值略大于短時強降水和冰雹，但三類強對流天氣VWS’平均值相差不大；雷暴大風(fēng)的VWS和VWS’平均值與中位值相差大，而短時強降水和雷暴大風(fēng)的相差較小(圖6a、6c)。4月強對流天氣的VWS和VWS’最大，這是由于春季大氣的斜壓性強；三類天氣VWS平均值均先減小后增加，8月最小。除7月外，短時強降水各月VWS’均大于雷暴大風(fēng)和冰雹，且6月最明顯(圖6b、6d)。

3.5 特殊高度層

暖云層厚度是抬升凝結(jié)高度至0 ℃層高度的高度差，暖云層厚度越大，降水效率越高，越有利于強降水的產(chǎn)生[19]。通過分析，短時強降水的暖云層厚度明顯高于雷暴大風(fēng)和冰雹，平均值為4.5 km，因此可以用暖云層厚度來區(qū)別短時強降水和其他兩種強對流天氣類型。

圖6 咸陽三類強對流VWS和VWS’的箱線圖(a、c)和相應(yīng)各月平均值(b、d)

0 ℃是冰融化的臨界溫度，而-20 ℃是大水滴自然成冰的溫度，因此0 ℃層和-20 ℃層高度(H0、H-20)是降水粒子相態(tài)轉(zhuǎn)化和增長的重要參數(shù)。從三類天氣的H0和H-20箱線圖(圖7a、7c)可以看出，短時強降水的H0均在4.0 km以上，平均值達5.3 km，有利于深厚暖云層的形成，提升降水效率；H-20也相對較高，均在7.0 km以上，平均值達8.7 km，不利于大的固態(tài)降水粒子形成。雷暴大風(fēng)和冰雹H0明顯低于短時強降水，平均值均為4.4 km；H-20也低于短時強降水，平均值分別為7.6和7.7 km。整體而言，雷暴大風(fēng)和冰雹兩個特殊高度層差異較小，而短時強降水相差最大。三類強對流的H0和H-20也存在先增加后下降的月際變化，冰雹各月H0和H-20明顯低于雷暴大風(fēng)和短時強降水，而雷暴大風(fēng)除7月和8月外，H0和H-20均低于短時強降水(圖7b、7d)。

圖7 咸陽三類強對流H0和H-20的箱線圖(a、c)和各月平均值(b、d)

3.6 三類強對流天氣潛勢預(yù)報指標

通過以上分析，采用中位值和平均值計算得出的閾值相差不大，若采用這兩種方法作為預(yù)警指標，容易出現(xiàn)漏報；若采用最小值來作為預(yù)報閾值，可能會出現(xiàn)大量的虛警；25百分位法雖然會有漏報，但虛警率也會降低，總體來講更合理，可靠性更高。因此，采用25百分位作為預(yù)警指標的最低標準。表2列出了三類強對流天氣的關(guān)鍵參數(shù)預(yù)報指標。

雷暴大風(fēng)和冰雹發(fā)生的中低層一般表現(xiàn)出“上干下濕”的層結(jié)特征，即500 hPa溫度露點差大，850 hPa溫度露點差較小。同時比較大的低層垂直風(fēng)切變VWS’更有利于雷暴大風(fēng)和冰雹的發(fā)展，因此滿足VWS和VWS’條件之一即可。雷暴大風(fēng)的下沉對流有效位能也相對較大，應(yīng)超過120 J/kg。

表2 咸陽三類強對流天氣關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)預(yù)報指標

冰雹形成除了考慮較大的對流有效位能和深層垂直風(fēng)切變外，還需要適宜的0 ℃層高度，因此該指標采用25百分位至75百分位的范圍來確定，即適宜0 ℃層高度為3.9～5.1 km。

短時強降水一般要求水汽豐富，整層濕，即500和850 hPa的溫度露點差均較小，同時暖云層厚度應(yīng)超過3.5 km。

考慮到K指數(shù)、CAPE值、垂直風(fēng)切變、0 ℃層高度和-20 ℃層高度均有明顯的季節(jié)變化，因此在使用這幾項指標時應(yīng)考慮氣候態(tài)特征，同時當環(huán)境物理量偏離氣候態(tài)出現(xiàn)異常時，也可以作為一個災(zāi)害性天氣發(fā)生的重要指標[18]。

4 預(yù)報指標檢驗

利用咸陽市2021年23次強對流天氣過程(其中雷暴大風(fēng)8次、短時強降水9次、冰雹6次)進行指標適用性檢驗，檢驗結(jié)果見表3。總體而言，該指標有較好的分類強對流潛勢預(yù)報能力，其中，短時強降水的預(yù)報效果最佳，預(yù)報準確率達到92.0%，命中率77.8%，漏報率22.2%，無空報。而雷暴大風(fēng)和冰雹預(yù)報準確率均為65.2%，命中率分別為63.6%和66.7%，漏報率也較低，但冰雹的空報率相對較高，達60.0%。

表3 咸陽三類強對流天氣預(yù)報指標檢驗 %

5 結(jié)論

通過對咸陽市暖季雷暴大風(fēng)、短時強降水和冰雹進行分析，對比三類強對流天氣發(fā)生的環(huán)境物理量特征，提煉強對流天氣的關(guān)鍵物理量參數(shù)及預(yù)報指標。

(1)咸陽雷暴大風(fēng)的高發(fā)期在4—5月，短時強降水和冰雹的高發(fā)期在6—8月，且7月和8月短時強降水發(fā)生最頻繁，5月和7月冰雹發(fā)生最頻繁。三類天氣均主要出現(xiàn)在午后至前半夜(14—20時)。

(2)K指數(shù)、CAPE值、垂直風(fēng)切變、0 ℃層高度和-20 ℃層高度均有明顯的季節(jié)變化，使用這幾項指標時應(yīng)考慮氣候態(tài)特征，同時當出現(xiàn)偏離氣候態(tài)異常時，也可以作為一個災(zāi)害性天氣發(fā)生的重要指標。

(3)相對高的0 ℃層高度、較厚的暖云層厚度以及相對小的中高層溫度露點差可以區(qū)別短時強降水和其他兩種強對流天氣類型。但雷暴大風(fēng)和冰雹兩類天氣的區(qū)分相對困難。雷暴大風(fēng)和冰雹發(fā)生的中低層一般表現(xiàn)出“上干下濕”的層結(jié)特征，即500 hPa溫度露點差大，850 hPa溫度露點差較小。雷暴大風(fēng)的下沉對流有效位能也相對較大，應(yīng)超過120 J/kg。冰雹形成除了考慮較大的對流有效位能和深層垂直風(fēng)切變外，還需要適宜的0 ℃層高度，為3.9～5.1 km。短時強降水要求“整層濕”，即500 hPa和850 hPa的溫度露點差均較小，同時暖云層厚度應(yīng)超過3.5 km。

(4)本研究利用咸陽周邊探空站資料提煉出強對流潛勢預(yù)報指標，短時強降水的預(yù)報效果最佳，冰雹的空報率較高。但由于探空站時空分辨率不足，后期可以采用NCEP FNL資料或ERA-Interim再分析資料進行進一步研究和細化。