黃南雷暴大風的時空分布及環境參量特征分析

郭安欣，邢子毅，王 敏

青海省黃南州氣象臺，青海黃南 811300

雷暴大風是指大氣對流活動所導致的地面及近地面的強風事件，通常是電閃雷鳴時出現風力≥17.2 m/s(8級)的瞬時大風，屬中小尺度天氣系統，具有局地性、突發性、致災性強的特點，常造成重大生命財產損失[1]。雷暴大風短時預報準確率低，臨近預警提前量小，是黃南氣象預報預警業務的短板之一。研究大氣環境條件有助于了解雷暴大風發生前的物理量分布特征，提高潛勢預報準確率。在前期預報經驗的基礎上，梳理2020—2021年黃南17個雷暴大風個例，利用探空資料選取多個用于表征熱力、動力和水汽條件的物理量參數，嘗試歸納對黃南雷暴大風具有預報指示意義的物理量指標，為開展此類天氣潛勢預報提供參考[2]。

1 資料和方法

選用黃南地區2020—2021年常規地面觀測資料、高空觀測資料，利用數學統計與對比分析法、配料法、百分位數法和天氣學原理，分析期間雷暴大風時空分布、環流特征和物理量診斷等。當某時次國家站(尖扎本站、同仁本站、澤庫本站、河南本站)出現≥17.2 m/s大風且在其20 km范圍內出現雷電活動，記為該站出現一次雷暴大風天氣個例。

2 雷暴大風的時空分布特征

2.1 空間分布特征

黃南地勢北低南高，對比分析各測站雷暴大風出現次數與其海拔，發現雷暴大風出現次數與測站海拔增加呈顯著的負相關，相關系數為-0.83，通過0.10顯著性檢驗。黃南北部地區雷暴大風次數明顯高于南部，尖扎(海拔2 086.5 m)最多，同仁次之(海拔2 475 m)，澤庫、河南較少(海拔3 500 m以上)。因為雷暴大風多屬中小尺度系統，小范圍大風的風力變化受地形影響極大，海拔較高的南部牧區受摩擦作用影響，可能造成風力減弱。對流風暴中下沉氣流由于降水蒸發冷卻在到達地面時形成冷池并向四面擴散形成大風，河谷地形產生狹管效應，更利于風速增大[3]。

2.2 時間分布特征

黃南雷暴大風集中在5—8月，呈單峰形分布，7月達到峰值，有6次，占總數的35.3%，5月次之(5次)，6月與8月相對較少(各3次)(圖1a)，6—8月雷暴大風日數占全年總數的70.58%，9月至翌年4月無雷暴大風日。從日變化看，10:00開始出現雷暴大風，持續至14:00，其中，10:00出現2次，11:00、12:00、13:00、14:00分別出現1次，16:00后出現次數明顯增加，17:00～19:00是雷暴大風出現的高峰時段，峰值在17:00(圖1b)，達3次，23:00出現2次雷暴大風過程，00:00～03:00、05:00～09:00兩個時段未出現過雷暴大風。可見雷暴大風集中在15:00左右，此時段地面溫度較高，大氣中不穩定能量最強，對流抑制減弱，利于雷暴大風的發生。

圖1 2020—2021年黃南雷暴大風日5—8月能量與抬升參數箱線圖

3 雷暴大風的環流形勢分型

以500 hPa天氣系統為主，將統計得到的17個雷暴大風天氣個例歸納為高壓脊型、低槽型、西北氣流型、副高邊緣型、冷渦型(同時海域上有熱帶系統)環流形勢。高壓脊型下的雷暴大風個例有7個，占總數的41.1%；西北氣流型次之，有5個，占比為29.4%；低槽型和蒙古冷渦影響下的個例均有2個，各占個例總數的11.8%；副高邊緣型背景下的雷暴大風占比5.9%。從各類天氣型季節特征來看，高壓脊和西北氣流影響下的雷暴大風主要在春末和夏季(5—8月)，低槽和冷渦影響下的雷暴大風主要出現在7—8月，副高西側出現雷暴大風在6月。

4 雷暴大風發生前的環境條件

4.1 能量與抬升參數

從5—8月雷暴大風的對流有效位能CAPE箱線圖分布來看(圖1a)，5月CAPE含量明顯偏高，最大值為1 791.1 J/kg，箱體更寬，不穩定能量值分布更分散，6—8月CAPE變幅相似，下四分位數至上四分位數值為1.25～107.4 J/kg。可見，夏季雷暴大風發生時需要對流有效位能相對較低，CAPE含量相對中國中東部及沿海地區整體偏小，可能是青海海拔偏高造成的[4]。

通過箱線圖分析對比各月雷暴大風發生前的對流抑制有效位能CIN指數(圖1b)發現，7月箱線圖箱體最寬，6月和8月CIN值分布較集中。各月都有CIN為0的過程發生，其中，6月所有過程CIN都為0。各月平均值相差較大，5—8月分別為46.22、0、318.48、0.85 J/kg。雷暴大風發生前CIN指數沒有規律。強對流發生時CIN必須為合適的值：CIN太大，抑制對流程度高，不易發生對流；CIN太小，不穩定能量不易在低層積聚，易發生弱對流。僅僅憑借這幾次過程樣本很難提煉出合適值，暫不考慮CIN為雷暴大風天氣預報指標。

5—8月雷暴大風發生前抬升指數LI最小值分別為-1.93、-0.65、-1.62、-0.19 ℃(圖1c)，與云南地區春夏季發生雷暴大風前的LI指數上四分位數值接近，均為-1 ℃左右。但從黃南地區上四分位數值來看，僅5月為負值，其余3個月均為LI＞0，且各月箱體較寬，離散度較大，指示意義不大，故排除LI作為預報雷暴大風的指標因子。

從最大抬升指數BLI指數箱線圖分布看出(圖1d)，5月和8月BLI值都＜0，6月各值均為1.6 ℃，7月除最小值為-1.8 ℃而外，其余各值均＞0，說明無論BLI值＞0或＜0，都可能有雷暴大風發生，因此也不適合將BLI指數作為黃南雷暴大風潛勢預報的指標。

4.2 大風參數

各月臨近雷暴大風發生前下沉對流有效位能DCAPE平均值為73.85～416.6 J/kg，5月下沉氣流特征最顯著，箱形圖箱體最寬，最大值為651.9 J/kg，平均416.6 J/kg，中位數值為532.8 J/kg。6月箱體較寬，下、上四百分位數值分別為21.8和315.95 J/kg，7、8月箱體相對較窄，數值分布略密集，但DCAPE值明顯低于5月，與我國云南等地區春季情況類似。由此可知，春季大氣斜壓性較強，利于對流發展，因此雷暴大風發生前，春季動力作用較夏季顯著。

從圖2b中0～6 km垂直風切變(shr 0-6)分布看出，5—8月均值為11.43～21.06 m/s，6月各值高于其他月份，其最小值在10 m/s以上，最大值為38.7 m/s，下四分位數和上四分位數分別為12.25 m/s和26.3 m/s，中位數為13.9 m/s。強的垂直風切變有利于風暴持續發展，可加強中層干冷空氣吸入，加強風暴中下沉氣流和低層冷空氣外流。

從圖2c中0～3 km垂直風切變(shr0-3)箱線圖分布看，各月平均值和中位數值相差不大。6月平均值略高于其余月份，超過10 m/s。此外，各月的箱形都不是特別寬，垂直風切矢量分布相對集中。與其他地區垂直風切相比，數值整體偏小，這可能與青海地面海拔較高有關。

4.3 熱力參數

黃南地處高原，海拔在2 000 m以上，選取700 hPa與500 hPa等壓面上的假相當位溫表征這種層結穩定度，當700～500＞0時，表示氣層不穩定。

從高低層溫度差T箱線圖(圖3)分布可看出，高低層溫度差無明顯月季變化，除5月箱形較寬外，其余3個月箱形特征差異不大，說明溫差變化平穩。5月下、上四百分位數值分別為13.3、19.5 ℃，夏季6—8月下和上四百分位數值為14.6～18.2 ℃，可見春季整體高低層溫差較夏季更大，表明臨近發生雷暴大風前，春季較夏季大氣不穩定性更強。

圖3 2020—2021年黃南雷暴大風日5—8月熱力參數箱線圖

圖4 2020—2021年黃南雷暴大風日5—8月水汽參數箱線圖

通過分析假相當位溫差箱線圖發現，6、7、8月箱線圖箱體較寬，即高低空的假相當位溫差值較分散，而5月差值較集中。各月下四百分位數值分別為-1.17、-3.09、-0.12、-0.42 ℃，中位數分別為-0.89、-0.5、4.39、0.55 ℃，上四百分位值分別為-0.89、0.93、8.23、2.5 ℃，均值分別為-0.34、-1.27、3.44、0.55 ℃。可以看出，春季假相當位溫差為負，夏季高低空位溫差也有正有負，難以憑借此物理量說明雷暴大風發生前大氣層結不穩定，故排除此物理量作為黃南雷暴大風潛勢預報分析的參考依據。

4.4 水汽參數

考慮南北地區海拔差異，北部采用700 hPaT-Td(約3 000 m)，南部采用500 hPaT-Td(約5 500 m)。從各月溫度露點差T-Td變化看，無明顯季節變化，5、6、7、8月雷暴大風發生前對應的T-Td范圍較寬，平均值分別為9.22、2.83、8.66、0.25 ℃，下四分位數分別為9、2.15、7.2、0.175 ℃，8月T-Td值最小，均在0.5 ℃以下，且離散度也最小，因為8月青海常處于副高外圍，頻繁受到低層西南季風的影響，使得該區域整層大氣水汽含量相對較多。

4.5 雷暴大風天氣潛勢預報指標

在以上箱線圖分析結果的基礎上，用平均值和中位數計算出的閾值相差不大，若采用這2種方法作為預警指標，易出現漏報；若采用最小值作為預報閾值，可能會出現大量虛警；將下四百分位值或上四百分位值作為參考值，即當大于或小于這個閾值時，有75%左右的樣本都包括在內，將此邊界值作為物理量參數的參考閾值，雖仍會有漏報，但虛警率會下降，總體來說更加合理，可靠性更強。因此，采用下四百分位數值作為預報指標的最低標準，列出黃南雷暴大風天氣的關鍵參數預報指標(表1)。

表1 2020一2021 年黃南雷暴大風物理量參數參考閾值

5 結論

(1)雷暴大風次數與測站海拔增加呈顯著負相關，黃南北部為河谷階地，海拔較低，雷暴大風次數明顯少于南部高海拔牧區。

(2)黃南雷暴大風主要在白天，集中在中午，此時段地面溫度較高，大氣中不穩定能量最強，對流抑制能減弱，有利于雷暴大風的發生。雷暴大風只發生在春夏季(5—8月)，期間出現日數占全年總數70.58%，與夏季熱力條件有關。

(3)高壓脊和西北氣流影響下的雷暴大風主要出現在春末和夏季(5—8月)，低槽和冷渦影響下的雷暴大風主要在7—8月，副高西側出現雷暴大風主要在6月。

(4)用配料法和百分位數法對多個表征動力、熱力、水汽的探空對流指數進行分析，篩選出CAPE、DCAPE、Shr0-3、Shr0-6、T、T-Td可作為產生黃南雷暴大風的環境參量，對其劃分閾值并得出黃南雷暴大風天氣潛勢預報指標最低標準。發現雷暴大風發生前春季以動力作用為主，大氣不穩定性更強，夏季以熱力作用為主，濕對流有效位能含量相對較低，水汽條件無明顯月季變化。