云南雷暴大風天氣的環(huán)境條件特征分析*

劉 彬 鄒靈宇 李曉鵬 王 將 楊芳園 段燕楠

1 昆明市氣象局，昆明 650501

2 中國氣象局橫斷山區(qū)(低緯高原)災害性天氣研究中心，昆明 650034

提 要： 利用2011—2020年云南地面觀測、閃電定位、重要天氣報等資料，對云南雷暴大風時空分布特征進行統(tǒng)計分析，結果表明：雷暴大風主要集中出現(xiàn)在2—8月，呈現(xiàn)雙峰型分布，4月最多，春季多于夏季，日峰值出現(xiàn)在16—17時，多數(shù)雷暴大風持續(xù)時間為1～4 h。高發(fā)區(qū)主要分布在玉龍雪山和蒼山以東，以及哀牢山、無量山附近等區(qū)域。根據(jù)不同類型大尺度環(huán)流背景將區(qū)域性雷暴大風的天氣型分為三種：南支槽型、低壓槽型和準正壓型，其中南支槽型雷暴大風最多。采用NCEP再分析資料計算表征大氣熱力、動力及水汽條件等特征的物理參數(shù)，分析了3—8月和各天氣型背景下環(huán)境條件特征，并給出物理量參考閾值。結果表明：春季以動力作用為主，夏季以熱力作用為主，南支槽型動力條件較好，準正壓型水汽條件較好。雷暴大風發(fā)生前絕大多數(shù)物理量6 h變量均有不同程度的增大趨勢，表明均向有利于雷暴大風發(fā)生的方向發(fā)展，這種演變趨勢可為臨近預報和預警提供有用信息。

引 言

中國氣象局將雷暴大風定義為伴隨強對流且風速≥17 m·s-1(8級風)的大風事件(鄭永光等，2015)。雷暴大風作為一種強對流天氣，是由強對流風暴中處于成熟階段單體中的下沉氣流，在近地面處向水平方向擴散形成的輻散性陣風而產(chǎn)生(俞小鼎等，2006)，常造成重大生命財產(chǎn)損失，如2015年“6·1東方之星”翻沉事件(鄭永光等，2016)，2018年3月初在江西中北部發(fā)生的極端雷暴大風天氣過程(盛杰等，2019)，以及“2016·4·19”云南一次強致災颮線雹暴大風天氣過程(張騰飛等，2018；楊芳園等，2018)，這些災害性對流大風天氣都引起了巨大社會反響。

雷暴大風具備強對流天氣發(fā)生的三個基本條件包括中低層水汽、大氣層結不穩(wěn)定和抬升條件(Doswell Ⅲ，1987)，而大尺度環(huán)境為強對流天氣發(fā)生提供熱力、動力和水汽等條件(Doswell Ⅲ，1987；孫繼松和陶祖鈺，2012；鄭永光等，2017)，因此研究大氣環(huán)境條件有助于了解雷暴大風發(fā)生時的物理量分布特征，提高潛勢預報的準確率。

方翀等(2017)、許霖等(2017)、王黌等(2020)對我國一些省份或地區(qū)的雷暴大風進行了相關研究，從空間分布情況上看，由于各地天氣氣候以及地形地貌各有不同使得雷暴大風空間分布差異較大。而雷暴大風時間分布上有一定相似性，如月變化方面，華北地區(qū)、山東、京津冀地區(qū)、渤海西部、廣西等主要出現(xiàn)在夏季6—8月(嚴仕堯等，2013；楊曉霞等，2014；柴東紅等，2017；王亞男等，2020；鐘利華等，2011)，湖南、川藏地區(qū)等春、夏季3—8月皆可出現(xiàn)雷暴大風(許霖等，2017；王黌等，2020)。日變化方面，多數(shù)省份或地區(qū)雷暴大風主要集中出現(xiàn)在午后到傍晚，即14—20時(北京時，下同)(廖曉農(nóng)，2009；鐘利華等，2011；嚴仕堯等，2013；柴東紅等，2017；許霖等，2017；楊新林等，2017；樊李苗和俞小鼎，2020)。

在大尺度環(huán)境物理量特征研究方面，秦麗等(2006)指出利于北京地區(qū)雷暴大風產(chǎn)生的探空結構為低層暖濕，中高層有干冷空氣，不穩(wěn)定度較大，風垂直切變較大。廖曉農(nóng)(2009)指出，北京地區(qū)絕大多數(shù)的雷暴大風具有下?lián)舯┝魈卣鳎冶⒌穆鋮^(qū)附近也是大風的爆發(fā)區(qū)之一。嚴仕堯等(2013)、楊曉霞等(2014)、王亞男等(2020)分別對華北地區(qū)、山東、渤海西部按影響天氣類型討論了發(fā)生雷暴大風時的環(huán)境物理量指標閾值。方翀等(2017)研究指出華北地區(qū)多數(shù)常用的熱力指標需考慮季節(jié)因素。楊新林等(2017)研究指出相比于普通雷暴，華南雷暴大風天氣發(fā)生的環(huán)境條件具有更強的條件性不穩(wěn)定，斜壓性和動力強迫更強，春季雷暴大風動力條件明顯優(yōu)于夏季，而夏季熱力強迫的作用大于春季。費海燕等(2016)、馬淑萍等(2019)研究了中國風速≥25 m·s-1強雷暴大風的環(huán)境參量特征，為強雷暴大風的短時潛勢預報和臨近預警提供了參考。雷蕾等(2011)、高曉梅等(2019)、王迪等(2020)對比分析了雷暴大風與短時強降水、冰雹等其他強對流天氣的物理量差異，提煉分類強對流關鍵參數(shù)閾值，以甄別各類強對流天氣。

云南山谷縱橫地形復雜，3—5月云貴高原為雷暴大風、冰雹等強對流天氣多發(fā)區(qū)(孫繼松等，2014)，雷暴大風發(fā)生時環(huán)境條件特征又如何？本文在分析云南雷暴大風時空分布特征和區(qū)域性雷暴大風發(fā)生時的環(huán)流背景基礎上，選取多個用于表征熱力、動力和水汽條件的物理量參數(shù)，嘗試歸納對雷暴大風具有預報指示意義的物理量閾值及其分布特征，以期為開展此類天氣潛勢預報提供一定參考。

1 資料和方法

本文所用資料包括2011—2020年云南125個地面站逐小時觀測資料、閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的閃電資料、重要天氣報和NCEP 1°×1°逐6 h再分析資料，分析云南雷暴大風的時空分布、區(qū)域性雷暴大風的大尺度環(huán)流背景以及環(huán)境物理量條件特征。云南地面氣象站點及地形分布如圖1所示。

圖1 云南氣象站點、閃電定位站及地形分布

由于雷暴大風等強對流天氣常伴隨活躍的閃電活動(Feng et al，2007；Yang and Sun，2014)，因此參考楊新林等(2017)、楊波等(2019)的研究方法對雷暴大風樣本進行篩選，選取原則為：當某時次地面站出現(xiàn)極大風速≥17 m·s-1大風事件，結合重要天氣報，并考慮前后1 h內站點附近半徑范圍30 km內監(jiān)測到非孤立閃電活動(2次及以上)，則判定為一次雷暴大風事件，共得到2832個樣本。

物理量參數(shù)選取方面，根據(jù)對流參數(shù)的物理意義及本地預報員經(jīng)驗，從樣本發(fā)生當日14時NCEP再分析資料計算挑選物理量參數(shù)，所選參數(shù)如表1所示，并插值到雷暴大風樣本所在站點，將各對流參數(shù)樣本按月和天氣型統(tǒng)計繪制箱線圖，分別顯示最小值、第25%分位值、中位值、第75%分位值和最大值，得出雷暴大風發(fā)生前有指導意義的預報指標。

表1 物理量參數(shù)列表

2 雷暴大風的時空分布特征

2.1 時間和強度分布特征

從雷暴大風出現(xiàn)頻次月分布(圖2a)可見，雷暴大風主要集中出現(xiàn)在2—8月，呈現(xiàn)雙峰型分布，其中春季(3—5月)最為集中，主峰出現(xiàn)在4月，約有100次，占總數(shù)的35.6%，結合胡娟等(2015)研究分析得知，氣候態(tài)中云南易出現(xiàn)大風(含對流性大風)的2—5月也可能是雷暴大風較多出現(xiàn)的時間段。次峰出現(xiàn)在8月，僅占總數(shù)的7.4%，頻次較春季各月明顯偏小，這與孫繼松等(2014)研究指出西南地區(qū)4—5月單站平均雷暴大風日峰值高于8月的結論有相似之處。

云南雷暴大風月分布情況與大尺度環(huán)流背景和影響天氣系統(tǒng)有關，冬、春季南支槽和昆明準靜止鋒均較為活躍(許美玲等，2011；段旭等，2017)，由于南支槽系統(tǒng)易將孟加拉灣地區(qū)的水汽向大陸方向輸送，因此對于冬、春季受西風帶干燥氣流控制的云南而言，南支槽是產(chǎn)生降水和大風冰雹的主要天氣系統(tǒng)。如果此時存在昆明準靜止鋒，一方面南支槽將西南暖濕氣流帶到云南上空，大氣層結更易處于不穩(wěn)定狀態(tài)；另一方面當冷空氣加強，使得昆明準靜止鋒自東向西移時，暖濕氣流就會被迫抬升產(chǎn)生雷暴大風、冰雹等強對流天氣。夏季影響云南天氣系統(tǒng)較為復雜，夏半年昆明準靜止鋒出現(xiàn)時，云南出現(xiàn)雷暴的比例很高，其中主汛期(6—8月)10個站以上雷暴發(fā)生概率可達83.45%(段旭等，2017)。此時西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)大幅北抬，8月脊線多年平均可達28°N左右，包括云南在內的整個華南在副高南側氣流控制之下，如果南海有臺風生成，其在副高外圍偏東氣流引導之下，在廣東、廣西登陸后繼續(xù)西行，或穿過海南島進入北部灣在越南北部登陸，均會對云南產(chǎn)生較大影響，可產(chǎn)生暴雨、強對流等天氣。

從雷暴大風出現(xiàn)頻次日分布(圖2b)可見，午后到傍晚(即12—22時)是雷暴大風出現(xiàn)較集中的時段共發(fā)生約253次，占總數(shù)的89.4%，其中14—20時為高峰期，極值出現(xiàn)在16—17時，占總數(shù)的28.8%，07—10時是一天中出現(xiàn)最少的時段。可見云南雷暴大風日變化與我國其他一些地區(qū)有相似分布特征(方翀等，2017；費海燕等，2016；許霖等，2017)，這可能由于午后到傍晚是一天中熱力條件和不穩(wěn)定條件最佳的時段，最有利于風暴的形成和發(fā)展(柴東紅等，2017)，加之不同海拔高度梯度變化更容易在午后到傍晚造成局地環(huán)流觸發(fā)對流發(fā)展(Yang et al，2015)。

為了進一步了解發(fā)生雷暴天氣時，雷暴和雷暴大風過程持續(xù)時間的情況，參考上節(jié)內容，定義某小時內某個站點附近半徑范圍30 km內監(jiān)測到非孤立閃電活動(2次及以上)為一次雷暴事件，得到153 249次雷暴樣本(含雷暴大風)，結合上一節(jié)結論，可知雷暴大風樣本僅占全部雷暴樣本的1.85%，雷暴大風出現(xiàn)次數(shù)遠小于雷暴出現(xiàn)次數(shù)，表明大多數(shù)雷暴活動并不伴有雷暴大風天氣的出現(xiàn)。另外計算雷暴過程開始時間和結束時間的差值作為雷暴過程持續(xù)時間，同理得到雷暴大風過程持續(xù)時間并進行比較(圖2c)，可知絕大多數(shù)雷暴大風、雷暴的過程持續(xù)時間均在1～4 h，占各自總數(shù)的比例分別為88.6%、69.6%；雷暴大風最長持續(xù)時間為17 h，而雷暴可達21 h。這種雷暴大風持續(xù)時間分布情況與貴州類似(李力等，2020)，而與華北地區(qū)不同，華北地區(qū)多數(shù)雷暴大風過程持續(xù)時間為4～8 h(方翀等，2017)。

對雷暴大風風速大小進行統(tǒng)計(圖2d)，超過50%風速值集中在17.0～18.9 m·s-1，25 m·s-1以上的強雷暴大風只占4.8%；另外按風力等級來看，8級風(17.2～20.7 m·s-1)最多，占總數(shù)的69.1%。極端強雷暴大風出現(xiàn)在2016年4月19日紅河建水，風速達39.4 m·s-1(12級以上)。對比中國其他省份或地區(qū)雷暴大風風速分布情況，北京地區(qū)17～19 m·s-1的風速占個例總數(shù)的34%(秦麗等，2006)；山東在8～9級(17.2～24.4 m·s-1)的風力占比為80.8%(楊曉霞等，2014)；華北地區(qū)雷暴大風以8級風為主，占比超過80%(方翀等，2017)；中國25 m·s-1以上的極端雷暴大風占比為4.5%(馬淑萍等，2019)。可知云南19 m·s-1以下雷暴大風的比例較北京地區(qū)大；雷暴大風風力以8～9級風為主，與山東、華北地區(qū)的情況類似；25 m·s-1以上的極端雷暴大風占比與我國平均情況基本一致。

圖2 2011—2020年云南雷暴大風頻次時間和風速分布

2.2 空間分布特征

從雷暴大風全年頻次空間分布(圖3a)來看，53.6%的站點頻次為2次以上，4次以上站點主要集中在玉龍雪山和蒼山以東，以及哀牢山、無量山附近區(qū)域，其中大理、玉溪華寧的頻次高達7次以上。由于春季(圖3b)雷暴大風發(fā)生頻次占比為67.6%，因此其空間分布形態(tài)與年平均大體相同。夏季(圖3c)雷暴大風發(fā)生頻次占比為19%，大值區(qū)主要分布在麗江東部的金沙江河谷、昆明東北部小江河谷以及普洱中東部。

圖3 2011—2020年云南雷暴大風發(fā)生頻次空間分布

這種雷暴大風的空間分布可能與影響云南天氣系統(tǒng)和地形有密切的關系，由于云南春、夏季南支槽、昆明準靜止鋒、孟加拉灣風暴以及低渦切變系統(tǒng)等影響頻繁(許美玲等，2011；段旭等，2017)，使得冷暖空氣在山脈附近交匯，加之地形抬升作用使得雷暴大風出現(xiàn)概率加大。另外云南山脈、河谷、湖泊眾多，如大理受蒼山和洱海的影響(徐安倫等，2010；許魯君等，2014)，可能存在著山谷風和湖陸風兩者疊加效應引起的局地環(huán)流；麗江東部和四川攀枝花交界區(qū)域，受金沙江干熱河谷地形坡度影響閃電活動較多(Xie et al，2013；劉雪濤等，2019)，也為雷暴大風天氣發(fā)生提供了較為有利的條件。

3 區(qū)域性雷暴大風環(huán)流形勢合成分析

雷暴大風天氣的范圍越大，出現(xiàn)站次越多，造成災害也越嚴重，因此定義當某日云南四分之一以上州(市)有站點出現(xiàn)雷暴大風則記為一個區(qū)域性雷暴大風過程，統(tǒng)計得到77個天氣個例過程(表2)。并參考孫繼松等(2014)和許美玲等(2011)研究方法將區(qū)域性雷暴大風進行分類，分為南支槽型、低壓槽型和準正壓型。

由各類型雷暴大風的統(tǒng)計結果可知(表2)，各類型雷暴大風樣本數(shù)合計為1440個，約占全部雷暴大風樣本數(shù)的50.9%。無論是天氣個例數(shù)，還是樣本數(shù)，均表現(xiàn)為南支槽型最多、準正壓型最少；其中南支槽型、低壓槽型、準正壓型天氣個例數(shù)分別為65、9、3個。從各天氣型月分布情況來看(圖4a)，南支槽型主要出現(xiàn)在冬、春季(12月至次年5月)，低壓槽型主要出現(xiàn)在4—6月，這兩個類型均在4月出現(xiàn)最多；準正壓型僅在8月出現(xiàn)。從各天氣型日分布情況來看(圖4b)，各類型與全部雷暴大風樣本分布趨勢基本一致(圖2b)，集中出現(xiàn)在12—20時，而低壓槽型在00—02時還出現(xiàn)了一個次高峰。另外從月分布和日分布出現(xiàn)頻次數(shù)值上看，南支槽型比其他類型均大一個量級。

圖4 2011—2020年云南各類型區(qū)域性雷暴大風出現(xiàn)頻次

表2 2011—2020年云南各類型區(qū)域性雷暴大風的統(tǒng)計結果

使用NCEP再分析資料對表2中各類型區(qū)域性雷暴大風天氣個例08時高空環(huán)流形勢和沿21°～29°N緯向平均的水平風和相對濕度垂直剖面進行合成分析如圖5。

3.1 南支槽型

該型雷暴大風發(fā)生時700 hPa上(圖5a)南支槽位于90°～95°E附近，槽前風速超過12 m·s-1，偏西急流主要在云南中南部地區(qū), 500 hPa上南支槽位于95°E附近，其超前或者同位相于700 hPa南支槽，槽前偏西急流幾乎控制整個云南，大部地區(qū)風速超過20 m·s-1，形成高低層間強的垂直風切變。從沿21°～29°N緯向平均的水平風和相對濕度垂直剖面合成分析圖(圖5b)看，200～300 hPa云南上空水平風速超過30 m·s-1，高空為偏西風急流帶控制，高低空偏西急流的耦合為強對流天氣發(fā)生提供較好動力條件，張騰飛等(2018)指出這種高空深厚強急流帶和強垂直風切變導致中高層強斜壓性加大而加強上升運動促使強對流天氣發(fā)展。而在100°～107°E 500 hPa以上相對濕度小于50%，相對濕度超過70%的區(qū)域均在650 hPa以下，可見上干下濕層結結構明顯，且低層為偏南風，隨高度順轉為偏西風，整層大氣以暖平流為主，為強對流天氣的發(fā)生提供不穩(wěn)定條件。14時地面圖(圖略)，近地面空氣增溫迅速，滇中及以東區(qū)域地面熱低壓發(fā)展，在干燥西風帶上強而寬廣的急流帶上動量下傳和氣壓梯度增大共同作用下，引起地面風速增大，山區(qū)地形以及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)生強對流，造成雷暴大風。在此種類型環(huán)流影響下，由于600 hPa以上以偏西急流為主，不利于孟加拉灣水汽大量地向云南上空輸送，大氣濕層較淺薄，大范圍強降水天氣難以產(chǎn)生，而以雷暴活動和大風天氣為主，有時局部地區(qū)也伴有冰雹產(chǎn)生。

圖5 2011—2020年云南區(qū)域性雷暴大風過程08時(a，c，e)高空環(huán)流形勢合成分析(等值線：500 hPa位勢高度，單位：dagpm；風羽、陰影：700 hPa風場)和(b，d，f)沿21°～29°N緯向平均的水平風(風矢：水平風；等值線：風速，單位：m·s-1)以及相對濕度(陰影)垂直剖面合成分析

3.2 低壓槽型

該型雷暴大風發(fā)生時高空500 hPa上(圖5c)四川東部至云南東部有低槽東移南壓，槽后偏北風引導冷空氣南下，700 hPa上川滇間有東西向切變線南壓，切變線南部偏南暖濕氣流明顯，形成高層干冷空氣疊加在低層暖濕空氣之上，大氣層結不穩(wěn)定度增大。從圖5d水平風和相對濕度垂直剖面合成圖上看，高低層垂直風切變數(shù)值大小不及南支槽型，但相對濕度70%以上的區(qū)域已上升至600 hPa附近，水汽條件要好于南支槽型，500 hPa以上相對濕度在50%左右，700 hPa以下低層為偏南風，之后風向隨高度順轉到500 hPa附近的偏西風，再逐漸逆轉到高層200 hPa附近的西偏南風，表明低層存在暖平流、高層存在冷平流，上干冷下暖濕不穩(wěn)定層結明顯。14時地面圖(圖略)，云南東北部及東部有冷高壓中心存在，高壓前部昆明準靜止鋒加強西移至云南中部，鋒前抬升運動明顯，與山區(qū)地形環(huán)流等共同作用均可觸發(fā)強對流天氣，雷暴大風、短時強降水、冰雹等天氣過程。另外統(tǒng)計該型雷暴大風所有天氣個例，均伴有昆明準靜止鋒的存在，這可能與冷空氣南下影響昆明準靜止鋒的維持、擺動和加強西進有關(段旭等，2017)。

3.3 準正壓型

由于該型雷暴大風發(fā)生在8月(圖4a)，根據(jù)國家氣候中心提供的74項環(huán)流指數(shù)，計算8月副高脊線位置，1951—2020年平均為28.1°N，2011—2020年平均為30.2°N。再將準正壓型雷暴大風當天NCEP資料的4個時次平均處理為日值，計算得到準正壓型副高脊線平均位置為29.9°N，南北區(qū)間為26.7°～33.6°N。可見當發(fā)生準正壓型雷暴大風時，副高位置較1951—2020年8月平均值偏北，較2011—2020年8月平均值略偏南。

該型雷暴大風發(fā)生時(圖5e)，500 hPa上副高呈帶狀分布，西脊點位于90°E附近，中心氣壓值高，強度較強，云南大部處于副高588 dagpm線南側偏東氣流控制下。副高引導熱帶氣旋西移，熱帶氣旋外圍氣流影響云南，若700 hPa風速增大，可形成東北風低空急流。另外從地形海拔分布圖(圖1)可見，云南海拔高度呈現(xiàn)西北高東南低，熱帶氣旋西北側的偏東氣流進入云南后將受到地形的阻擋風速減弱，因此在云南中部及南部存在風速由大變小的風速輻合區(qū)，上升運動明顯，為強對流天氣提供較好的動力條件。從圖5f水平風和相對濕度垂直剖面合成圖上看，水汽條件明顯好于前兩種類型，550 hPa 附近相對濕度超過70%，由于此類雷暴大風主要發(fā)生在云南東部和南部，故僅在102°E以東區(qū)域500～300 hPa相對濕度小于60%，與低層高濕區(qū)形成上干下濕層結結構，利于強對流發(fā)生。另外熱帶氣旋作為高能高濕的天氣系統(tǒng)，其西側較強的偏東氣流可將其外圍的水汽大量向云南境內輸送，水汽較為充沛；加之該型主要發(fā)生在夏季，0℃和20℃層高度均偏高，不利于冰雹生成，以雷暴活動、短時強降水和大風天氣為主。

綜上所述，從各類型區(qū)域性雷暴大風看，南支槽型動力條件較好，而準正壓型水汽條件較好，低壓槽型介于兩者之間。

4 雷暴大風發(fā)生前環(huán)境條件分析

4.1 熱力條件

選取14時CAPE、LI、ΔT700-500等熱力不穩(wěn)定參數(shù)來分析雷暴大風發(fā)生前的熱力條件，LI越小表示大氣越不穩(wěn)定，CAPE和ΔT700-500越大則大氣越不穩(wěn)定。

CAPE是風暴潛在強度的一個重要指標，從各月及各天氣型雷暴大風的CAPE數(shù)值來看(圖6a)，均值在100～1000 J·kg-1，相對中國中東部及沿海地區(qū)整體偏小(楊曉霞等，2014；楊新林等，2017；方翀等，2017；王迪等，2020；王亞男等，2020)，這可能是由于云南海拔偏高所造成的(孫繼松等，2014)。另外柴東紅等(2017)研究指出西南地區(qū)強雷暴大風主要發(fā)生在春季，氣候較干燥，CAPE相對較低。云南春季CAPE均值大于300 J·kg-1，這與胡娟等(2015)研究指出云南對流性大風潛勢CAPE閾值相當。夏季對流不穩(wěn)定能量有所增強，6—8月CAPE變幅相似，第25%～75%分位值在600～1200 J·kg-1。南支槽型和低壓槽型中位數(shù)都低于310 J·kg-1，準正壓型中位數(shù)在1000 J·kg-1左右。可見春季各月以及南支槽型需要的對流不穩(wěn)定能量相對較低。

3—8月LI指數(shù)(圖6b)第75%分位值分別為-0.3、-0.9、-1.4、-2.5、-2.7和-3℃，南支槽型和低壓槽型為-1℃左右，準正壓型小于-3℃，對比華南地區(qū)(楊新林等，2017)春、夏季出現(xiàn)雷暴大風的LI指數(shù)第75%分位值分別為-0.9℃和-3.1℃，其數(shù)值大致相當，而大于中國北方地區(qū)(王亞男等，2020)的第75%分位值(-4℃)。可見雷暴大風發(fā)生時，云南大氣層結不穩(wěn)定性與華南大體相當，而弱于中國北方。

王秀明等(2012)研究指出850～400 hPa的自由大氣中，NCEP再分析資料溫度差多在1℃以下，NCEP再分析資料的溫度與探空資料較接近。ΔT700-500可反映對流層中低層的溫度遞減率情況，以此判斷氣層的穩(wěn)定度狀況(張小玲等，2012)。3—8月ΔT700-500(圖6c)是先下降后平穩(wěn)的變化趨勢，其中春季3月第25%分位值為18.3℃，夏季6—8月第25%分位值為14.9℃左右，可見春季整體高低層溫差較夏季更大，表明發(fā)生雷暴大風時春季較夏季大氣不穩(wěn)定性更大。另外胡娟等(2015)研究指出云南對流性大風ΔT700-500潛勢預報指標大于14℃，與本研究中各月和天氣型第25%分位值均大于14℃左右的結果相符。南支槽型箱線圖箱體較寬，即高低空的溫差值較分散，而準正壓型溫差值較集中。

圖6 2011—2020年云南雷暴大風日3—8月14時各天氣型熱力參數(shù)箱線圖

4.2 動力條件

強的垂直風切變有利于風暴的持續(xù)發(fā)展，可以增強中層干冷空氣的吸入，加強風暴中下沉氣流和低層冷空氣外流。王秀明等(2012)研究指出NCEP再分析資料對流層中高層風與探空差異不大，其中700～500 hPa的風與探空近乎一致， NCEP再分析資料計算的深層、中層風垂直切變參量可靠性較高。加之由于云南海拔大多在1500 m以上，850 hPa多為地面，風速易受地形影響較大，因此這里選用中層垂直風切變(SHRL500-700)來分析動力條件，由圖7可知，春季各月和各天氣型的SHRL500-700均值在2×10-3～5×10-3s-1，夏季各月中層垂直風切變均值在1×10-3～2×10-3s-1。各天氣型中南支槽型較大，其第25%分位值為3.3×10-3s-1，這與張騰飛等(2018)研究中指出南支槽颮線雹暴中低層垂直切變3×10-3s-1大小相當。可見春季中層垂直風切變比夏季大，春季大氣斜壓性較強，利于對流發(fā)展，因此雷暴大風發(fā)生時，春季動力作用較夏季明顯，這與我國一些地區(qū)春季的情況類似(楊曉霞等，2014；楊新林等，2017；高曉梅等，2019；王迪等，2020)。

圖7 同圖6，但為動力參數(shù)SHRL500-700

另外從SHRL500-700均值的數(shù)值來看，云南相對于中國其他地區(qū)整體偏小，如北京地區(qū)在5×10-3s-1以上(雷蕾等，2011)和湖南在9×10-3s-1以上(許霖等，2017)，這可能與西南地區(qū)地面海拔相對較高有關(費海燕等，2016)。

4.3 水汽條件

雷暴大風發(fā)生時，水汽含量和垂直分布影響風暴強度和結構特征，且水汽主要集中在對流層低層，因此本文選取大氣可降水量(PW)和700 hPa比濕(Q700)來表征水汽條件。

從PW各月變化來看(圖8a)，3—8月PW平均值分別為14.3、21.3、27.0、34.4、33.4、34.8 mm，夏季各月大于春季各月，均較貴州春季(35 mm)、夏季(45 mm)PW平均值小(李力等，2020)。各天氣型平均值分別為19.0、23.5、34.2 mm，準正壓型最大。

Q700與PW類似(圖8b)，夏季水汽條件比春季充沛，春季第25%分位值在8～10 g·kg-1，夏季25%分位值為12 g·kg-1左右，各天氣型第25%分位值分別為8.5、10.3和13.2 g·kg-1，準正壓型最大。這種水汽分布可能與大尺度環(huán)流有關，夏季云南常處于副高外圍，受到低層西南季風和東南季風的共同影響，使得該區(qū)域整層大氣水汽含量相對較多。

圖8 同圖6，但為水汽參數(shù)

另外，雷暴大風發(fā)生不僅需要低層具有充沛的水汽，而且要求高層濕度相對較小，高層干冷空氣的侵入有利于強雷暴的產(chǎn)生和發(fā)展，這里分析ΔRH700-500在一定程度上能反映大氣是否存在上干下濕的層結結構特點。從各月和各天氣型高低層相對濕度差來看(圖8c)，其中位數(shù)均為正值，說明在多數(shù)情況下，云南雷暴大風發(fā)生時高低層基本滿足上干下濕的層結結構，其中3—8月中位數(shù)分別為18.1%、16.9%、17.0%、6.5%、7.6%、14.8%，春季各月上干下濕的結構較夏季明顯。各天氣型中位數(shù)分別為16.3%、13.8%、28.8%，可見準正壓型上干下濕結構最明顯。

4.4 物理量參數(shù)閾值

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，云南出現(xiàn)雷暴大風前，熱力和水汽條件夏季較春季明顯，而動力條件則相反。南支槽型動力條件明顯，準正壓型熱力和水汽條件明顯，低壓槽型情況介于這兩者之間。

在以上箱線圖分析結果基礎上，將第25%分位值或第75%分位值左右作為參考閾值，即當大于或小于這個閾值時，有75%左右的樣本都包括在其內，將此邊界值作為物理量參數(shù)的參考閾值。分別給出云南3—8月和南支槽型、低壓槽型、準正壓型背景下，CAPE、LI、ΔT700-500、SHRL500-700、PW、Q700和ΔRH700-500的參考閾值，具體閾值如表3所示。

表3 2011—2020年云南雷暴大風物理量參數(shù)參考閾值

4.5 散點密度分布

由于每個環(huán)境參數(shù)各有其特點，單一環(huán)境參數(shù)很難判斷一個地方是否會出現(xiàn)雷暴大風等強對流天氣，為更好了解雷暴大風發(fā)生時的大氣環(huán)境，需對各參數(shù)進行綜合分析。Brooks et al(2003)研究指出當存在一定CAPE(100 J·kg-1以上)，配合強垂直風切變，利于風雹天氣發(fā)生。楊新林等(2017)、田付友等(2017)也在其研究中嘗試綜合應用多種物理量對不同類型強對流天氣進行綜合分析。本文選用CAPE、SHRL500-700、PW來分析散點密度分布，以獲取雷暴大風發(fā)生時的熱力、動力和水汽條件域值分布情況。

圖9a為3—8月雷暴大風日14時CAPE和SHRL500-700散點密度圖，圓點顏色代表散點密度，其計算過程為：首先將CAPE和SHRL500-700兩個物理量的最小值和最大值之間分為若干等分，把散點數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，然后求出每個網(wǎng)格點內的散點數(shù)。可見高密度大值區(qū)所對應CAPE大致在50～250 J·kg-1，SHRL500-700約在3×10-3～5×10-3s-1，CAPE中心位置約在100 J·kg-1，SHRL500-700中心位置約為4×10-3s-1，越接近中心位置散點密度越高。CAPE和PW散點密度圖呈現(xiàn)遞減形態(tài)分布(圖9b)，其高密度大值區(qū)所對應CAPE在50～250 J·kg-1，PW在11～20 mm，CAPE中心位置約在150 J·kg-1，PW中心位置約在15 mm。以上分析表明，只有當處于一定范圍內的熱力、動力和水汽環(huán)境條件下，才越有利于雷暴大風出現(xiàn)，在實際業(yè)務中綜合考慮多種環(huán)境變量更利于提高預報雷暴大風準確度。

圖9 2011—2020年3—8月云南雷暴大風日14時散點密度圖(a)CAPE和SHRL500-700，(b)CAPE和PW(圓點顏色為散點密度)

統(tǒng)計云南發(fā)生雷暴大風個例的大氣可降水量情況(表4)，當日出現(xiàn)20個站次以上的雷暴大風個例主要發(fā)生在3—5月，其中3—4月大氣可降水量平均值大多在10～20 mm，加之該時段出現(xiàn)雷暴大風次數(shù)占全年的比例較大(圖2a)，這也可能導致發(fā)生雷暴大風高密度大值區(qū)的PW集中在11～20 mm(圖9b)；而5月大氣可降水量平均值超過25 mm。20個站次以下的雷暴大風個例全年各月均可發(fā)生，這里僅給出3—8月一些個例的大氣可降水量情況，對比其與圖8a的差別，從兩者值域范圍來看，對應月份大氣可降水量結果是相符合的。

表4 云南雷暴大風個例大氣可降水量

劉丹等(2013)研究指出1948—2009年在云貴高原地區(qū)，年均大氣可降水量日值大約在11～31 mm，其中云南西南部大氣可降水量較多，這可能是受西南季風的影響。任菊章等(2014)對比研究了三類再分析資料大氣可降水量與GPS探測大氣可降水量的差別，從2009年大氣可降水量日均值看，NCEP/NCAR再分析資料中云南一些代表站點，除西南部、南部的一些站點(例如勐臘、蒙自)日均大氣可降水量在20～30 mm，其他大部分站點大氣可降水量在10～20 mm。王黌等(2020)研究了川藏地區(qū)海拔高于1 km的高原地區(qū)雷暴大風時指出，高原地區(qū)缺乏水汽，大氣可降水量中值僅為18 mm，第25%和第75%分位值分別為13.7 mm和24.2 mm。本研究中得出云南雷暴大風發(fā)生前大氣可降水量在11～20 mm，再結合王黌等(2020)、劉丹等(2013)和任菊章等(2014)的研究，也可以看出本研究中大氣可降水量從數(shù)值范圍上看是可信的。

云南發(fā)生雷暴大風前CAPE值較一些使用常規(guī)探空資料研究雷暴大風的地區(qū)整體偏小，例如北京出現(xiàn)雷暴大風時CAPE值達到1307 J·kg-1(雷蕾等，2011),山東4—9月發(fā)生雷暴大風時CAPE值在250 J·kg-1以上(楊曉霞等，2014)，為說明云南雷暴大風發(fā)生前常規(guī)探空資料與NCEP再分析資料中CAPE的差別，下文將進行具體討論。

4.6 云南雷暴大風發(fā)生前常規(guī)探空資料與NCEP再分析資料CAPE比較

這里選取當日云南發(fā)生20個站次以上的區(qū)域性雷暴大風個例，對探空站資料與NCEP再分析資料CAPE的差別進行比較，結果如表5。

表5 云南區(qū)域性雷暴大風個例常規(guī)探空資料與NCEP再分析資料CAPE比較

從昆明和騰沖兩個站的08時探空資料上看，CAPE主要表現(xiàn)為大氣穩(wěn)定(CAPE值接近零)，或有一定對流不穩(wěn)定能量，但CAPE值均較小，14時探空訂正之后CAPE基本上都有大幅增加。例如從多個例平均值來看，昆明CAPE值從08時的33.0 J·kg-1增大至14時的581.7 J·kg-1，這與胡娟等(2015)研究指出云南省出現(xiàn)對流性大風前，高空觀測計算的對流不穩(wěn)定能量不一定很大，70%的個例CAPE大于300 J·kg-1相類似。加之考慮云南雷暴大風發(fā)生時段主要在午后，因此在研究云南雷暴大風時，選用14時CAPE比選用08時的資料更具有代表性。

另外，從14時的探空訂正與NCEP資料對比來看，探空訂正資料CAPE相對于NCEP再分析資料，表現(xiàn)為整體偏大，例如昆明、騰沖的探空資料與NCEP資料CAPE差值比率分別為-39.1%、-47.9%，即14時NCEP資料CAPE與14時探空訂正相比偏少了39%以上，這與王秀明等(2012)研究指出NCEP再分析資料直接輸出的地面CAPE與探空資料計算結果相比明顯偏小，不到其60%的結果相類似。

綜上可知，在應用NCEP再分析資料對流有效位能時，應考慮其較探空資料CAPE整體偏小，并在實際工作中結合探空資料訂正以后再加以合理應用。

4.7 物理量6 h變量分析

由于NCEP再分析資料存在一些局限性，如中低層溫濕廓線與探空觀測差異較大(王秀明等，2012)，加之西南高原地區(qū)海拔大多超過850 hPa，有時大氣層結穩(wěn)定度參數(shù)的數(shù)值表現(xiàn)出來似乎是穩(wěn)定層結，但實際上卻發(fā)生了強烈對流現(xiàn)象(孫繼松等，2014)，因此只研究某一時次的物理量參數(shù)閾值還不足以很好地反映雷暴大風天氣發(fā)生前的環(huán)境條件，基于前述雷暴大風出現(xiàn)時間的統(tǒng)計結論，云南絕大多數(shù)雷暴大風出現(xiàn)在14—20時，參考雷蕾等(2011)的方法，對08—14時6 h變量進行統(tǒng)計，來反映雷暴大風天氣發(fā)生前物理量變化趨勢(表6)。熱力參數(shù)6 h變量均為增大趨勢，表明雷暴大風發(fā)生前大氣層結不穩(wěn)定加強，其中CAPE、LI、ΔT700-500的6 h變量均值分別為344.5 J·kg-1、-2.8℃、1.6℃。動力條件方面，SHRL500-700的6 h變量均值增大了0.6×10-3s-1。大氣可降水量和Q7006 h變量均值都小幅增大，分別為0.8 mm和0.9 g·kg-1，可見雷暴大風發(fā)生前水汽條件變化不明顯。另外ΔRH700-5006 h變化量均值為-6.7%，即500 hPa上相對濕度有所增加，結合表3可知雷暴大風發(fā)生前上干下濕層結結構維持但有所減弱，這可能與方翀等(2017)研究指出高原區(qū)域雷暴大風發(fā)生前500 hPa大多為濕平流而非干平流的結論有相似之處。

表6 2011—2020年云南雷暴大風發(fā)生前物理量6 h變量

可見絕大多數(shù)物理量6 h變量均向著有利于雷暴大風發(fā)生方向發(fā)展，在合適的環(huán)流背景下，需要關注模式預報的熱力、動力和水汽等參數(shù)指標及其未來6 h變化趨勢，當各指標總體表現(xiàn)出增大的趨勢時，應當在預報服務中提高雷暴大風潛勢預報發(fā)布概率。

5 結 論

(1)云南雷暴大風主要集中出現(xiàn)在2—8月，呈現(xiàn)雙峰型分布，主峰出現(xiàn)在4月，次峰出現(xiàn)在8月，春季多于夏季，與西南地區(qū)單站平均月分布情況類似。14—20時易出現(xiàn)雷暴大風，日峰值出現(xiàn)在16—17時，日變化與我國華北、湖南等一些省份或地區(qū)有類似分布特征，這可能與午后至傍晚是一天中熱力條件和不穩(wěn)定條件最佳的時段，最有利于風暴的形成和發(fā)展有關。多數(shù)雷暴大風過程持續(xù)時間為1～4 h。超過50%雷暴大風風速在17.0～18.9 m·s-1，25 m·s-1以上的強雷暴大風只占4.8%，8級風(17.2～20.7 m·s-1)最多。對比發(fā)現(xiàn)云南19 m·s-1以下雷暴大風的比例較北京地區(qū)大；雷暴大風風力以8～9級風(17.2～24.4 m·s-1)為主，與山東、華北地區(qū)的情況類似；云南25 m·s-1以上的極端雷暴大風占比與我國平均情況基本一致。

(2)云南雷暴大風高發(fā)區(qū)主要分布在玉龍雪山和蒼山以東，以及哀牢山、無量山附近等區(qū)域，年均發(fā)生次數(shù)為4次以上，空間分布可能與影響云南天氣系統(tǒng)和地形有密切的關系。

(3)根據(jù)高空大氣環(huán)流背景將云南區(qū)域性雷暴大風分類為南支槽型、低壓槽型、準正壓型，各類型雷暴大風天氣個例數(shù)分別為65、9、3個，樣本數(shù)合計約占全部雷暴大風樣本數(shù)的50.9%。南支槽型主要出現(xiàn)在冬春季，低壓槽型主要出現(xiàn)在4—6月，這兩個類型出現(xiàn)最多均在4月；準正壓型僅出現(xiàn)在8月。各類型雷暴大風與所有雷暴大風日分布趨勢基本一致，集中在12—20時。并分析了各天氣型下高低層大氣環(huán)流形勢、水平風以及相對濕度配置情況，發(fā)現(xiàn)南支槽型動力條件較好，準正壓型水汽條件較好，低壓槽型介于兩者之間。

(4)采用CAPE、LI、ΔT700-500、SHRL500-700、PW、Q700和ΔRH700-500等環(huán)境物理量參數(shù)，按月和分天氣型分析云南雷暴大風發(fā)生前的熱力、動力和水汽條件情況，并給出各物理量預報閾值。發(fā)現(xiàn)春季以動力作用為主，夏季以熱力作用為主，這與我國華南、山東等地區(qū)情況相似。多數(shù)情況下，云南雷暴大風發(fā)生時高低層基本滿足上干下濕的層結結構，其中準正壓型上干下濕結構最明顯；春季水汽含量差別大，夏季差別小。

(5)CAPE、SHRL500-700以及PW散點密度分布顯示，高密度大值區(qū)所對應的CAPE大致在50～250 J·kg-1，SHRL500-700約在3×10-3～5×10-3s-1，PW在11～20 mm，當這些環(huán)境物理量越多分布于這些高密度區(qū)，就越有利于雷暴大風出現(xiàn)，在實際業(yè)務中綜合考慮多種環(huán)境變量更利于提高預報雷暴大風準確度。另外，在應用NCEP再分析資料CAPE時，應考慮其較探空資料CAPE整體偏小，并在實際工作中結合探空資料訂正以后再加以合理應用。而本研究中PW的統(tǒng)計結果是根據(jù)雷暴大風日的14時NCEP再分析資料所得，可能與實際的PW存在差異，在實際工作中應用也需注意。

(6)分析了雷暴大風發(fā)生前6 h物理量變化情況，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)變量均有不同程度的增大趨勢，表明均向著有利于雷暴大風發(fā)生方向發(fā)展，因此在合適的環(huán)流背景下，需要關注模式預報的熱力、動力和水汽等參數(shù)指標及其未來6 h變化趨勢，當各指標總體表現(xiàn)出增大的趨勢時，應當在預報服務中提高雷暴大風潛勢預報發(fā)布概率。

以上分析得到的環(huán)境物理量閾值分布可以為云南雷暴大風潛勢預報提供一定參考依據(jù)，但雷暴大風過程可能同時伴有短時強降水、冰雹等其他強對流天氣現(xiàn)象，各種天氣現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展機制有所差異，如何應用物理量參數(shù)區(qū)分和描述各類強對流天氣有待進一步研究。另外本文所得結果未詳細考慮云南復雜地形對雷暴大風的作用，同時研究受到所選用再分析資料的時空分辨率限制，無法完全精確刻畫雷暴大風發(fā)生時環(huán)境條件，這些因素都使得用物理量統(tǒng)計雷暴大風環(huán)境特征受到一定影響。