強對流天氣中探空數據質量對預報效果的影響

中圖分類號：P458 文獻標志碼：B 文章編號：2095-3305(2025)05-0145-03

探空資料作為揭示大氣三維熱力、動力結構的關鍵手段，在強對流潛勢研判中具有不可替代的作用[-2]。然而在業務實踐中，強對流背景下探空曲線常出現溫度、濕度的異常跳變現象，傳統質量控制流程多將其歸因于儀器誤差并進行平滑處理，導致關鍵對流信號的丟失。近年來，學者雖關注到探空資料在短臨預報中的應用價值，但對異常跳變現象與對流系統演變的物理關聯仍缺乏系統研究[3-6。基于2015—2017年百色站強對流個例，綜合探空、雷達、云圖等觀測數據，旨在揭示異常跳變現象的時空特征及其大氣物理學本質，論證其作為對流活動指示因子的可靠性。首次通過環境場反演與粒子相態變化機制的耦合分析，證實跳變現象與云內微物理過程、動力擾動的內在聯系，并定量評估人為數據訂正對預報效能的影響，為優化探空資料質控標準、提高強對流識別能力提供理論依據。

1資料與方法

利用百色站2015—2017年常規探空資料，從原始資料入手，對強對流天氣過程探空資料的逐一篩查，共選取10份探空曲線出現異常跳變記錄的個例，匯集了與探空資料同時的天氣雷達、地面站和紅外云圖等資料。根據樣本發生時段、天氣背景和儀器特性，針對強對流天氣時出現的異常跳變數據的真實性、客觀性進行分析，并比較探空資料不同處理方式對預報效果的影響[7]。

2探空異常跳變記錄特征的統計分析

2.1探空異常跳變記錄特征

異常跳變記錄共同特征：強對流天氣背景下，施放瞬間均測站上空均觀測到積雨云（cumulonimbus，CB），27個例施放瞬間出現雨或陣雨。由此可見，無論跳變現象出現于哪個高度，溫度振蕩的幅度大小，均與對流有著密不可分的關系。

統計10份記錄發現，探空曲線溫度異常跳變發生在 0，-10，-20°C 等溫度特征層附近，探空溫度曲線總體趨勢明顯且連續，溫度數據呈現 突升或突降，溫度曲線呈鋸齒狀或毛刺狀，與濕度曲線上的密集特性層對應良好。

2.2數據真實性分析

GTS1型探空儀溫度傳感器為熱敏電阻，傳感器誤差主要為長波輻射誤差、太陽輻射誤差和滯后誤差等，探空系統軟件在設計時已將這些輻射誤差修正值和修正方法考慮在內。

高空探測的輻射訂正與氣壓有關，氣壓的變化是連續的，所以輻射訂正也基本連續，不會出現斷層現象。此外，19：00觀測時太陽高度角趨近或低于 0^° ，輻射影響可以不計。

長波輻射誤差PDTL計算公式如下：

PDTL=0.287×10^-8×(F-T⁴)/N_U

式(1)中， F 為溫度元件接收到的長波輻射； T 為溫度元件絕對溫度（單位為K）； N_U 為努塞特數。

太陽輻射誤差PDT計算公式如下：

式(②中， h 為日高角； REF 為地氣系統的反射率；A 為太陽輻射強度隨氣壓和日高角變化的削減因子。

滯后誤差及其他數據在中低層大氣中不會被異常放大，一些全程存在的因素導致的誤差屬于系統誤差，個例討論中無須考慮。

熱敏電阻的滯后系數λ（S）經理論計算和實驗測試驗證公式如下：

式(3)中， K=0.2+(10000-H)/213000 時， H (探空高度) <10000m;K=0.2 時， H (探空高度) ?10000m 。

溫度異常跳變記錄后期重新回到正常趨勢，與前后時次比較，沒有太大異常，可以排除儀器中途變形的可能。溫度傳感器在云層中沾水產生異常跳變的可能性不大，因為傳感器在生產時已進行防沾水處理，且在非強對流系統降水時從未出現過此種現象，強對流降水中也不是必然會出現。因此不能簡單歸結于沾水原因。

綜上所述，本項目探討的溫度跳變現象不是探空儀器原因造成的，而是儀器所經過的環境的真實反映，在實際應用中應予以重視。

2.3探空環境要素統計分析

統計異常記錄發生時的空間環境要素和降水特征，如施放時次的大氣濕度條件、溫度曲線的主要異常特征，雨量統計時段為施放時次前后 12h （共計 24h ），統計范圍為百色市12個國家站。總結出以下特征。

第一，環境濕度條件好，大氣具備充分的水汽條件。多數個例在 700hPa 及以下層次比濕均能達到11～12g/kg ，最高可達 14g/kg ，極少數個例的濕層在925hPa 及以下。對溫度露點差值進行統計，可看出大氣處于近飽和狀態。溫度露點差值在 0～4^qC 的層次最高可達 250hPa ，僅2個個例溫度露點差值 0～2% 的層次在 850hPa 及以下。

第二，探空曲線顯示抬升凝結高度（LiftingCond-ensationLevd，LCL）、對流凝結高度（ConvectiveCond-ensationLevel，CCL）和自由對流高度（LevelofFreeConvection，LFC）很低，前兩者幾乎都在 925hPa 附近，后者在 700hPa 以下，表明氣塊易于從大氣中獲取足夠升力來掙脫重力，達到自由對流狀態。

第三，多數異常跳變出現在探空球經過異常大氣環境的過程中。例如，進入對流云體、干冷平流區和冰水相態轉換區等特殊環境，尤其是 0，-10，-20° 等溫度特征層結附近。

第四，探空球施放時，百色站發生降水的個例占90% (27個)，施放前后均無降水發生的個例占 10% (3個)。探空球施放前后，全市均有降水(包括百色站無降水個例)，21個例出現暴雨以上降水，其中7個例出現大暴雨。

2.4同時段雷達、紅外云圖特征統計

統計同時段新一代天氣雷達、紅外云圖資料中探空站附近對流云團發展的特征，結合探空曲線發生跳變位置高度判斷探空氣球位于對流系統的層次，通過探空記錄溫濕曲線的變化反演推斷對流系統的發展強度及趨勢。為方便統計描述回波特征，將 15dBz/10km 以下梯度記為梯度小， 20dBz/10km 為梯度較小，25dBz/10km 為梯度較大， 30dBz/10km 以上為梯度大。

得出結論，探空曲線的跳變均出現在降水系統正在影響的時期或在降水系統邊緣，對流系統內部或附近紊亂無序的升降氣流、氣塊在冰水等不同相態之間的迅速轉換，以及冰晶等粒子對探空儀的碰撞，導致探空曲線出現不同程度的跳變現象。對比探空曲線跳變發生時的探空球定位高度和對流云團的回波特征，半數跳變現象出現在回波的中層及以上位置，其余出現在回波邊緣或下部位置。

3人為誤差對預報效果的影響

高空氣象探測數據質量控制分為自動和人工2種，自動質量控制使用軟件自帶的自動平滑功能，對于比較明顯的錯誤數據，軟件會自動平滑，而對于異常數據的連續性及合理性則需進行人工判別。按照規范要求，對判別后可信度差的疑誤數據做刪除處理。因此，這樣往往會造成一些人為誤差，使得一些氣象要素變化幅度較大。而值班員將與常規的要素發展趨勢有明顯差異的數據當作錯誤數據刪除掉，使得許多真實實用的氣象要素信息和對流信號被忽略掉，造成人為誤差。2015年6月19日08：00探空記錄修正前、后對比：

以2015年6月19日08：00的探空記錄為例，原始探空記錄可看出， 850hPa 起開始出現溫濕曲線波動現象， 4.2～6.4km 高度處尤其是 5.3～5.5km 突升現象加劇，溫度由 -3^°C 急升值至 23°C 后又恢復到 0°C 左右，而后繼續波動上升， 5.9～6.4km 處出現較明顯的突降趨勢后恢復到正常趨勢。結合其他資料分析此個例，可發現這個被修正掉的突升趨勢是由于對流系統發展引起的，并非虛假記錄。在人工修正后的探空記錄中， 5.3～5.5km 處劇烈的突升波動數據被刪除，該段數據的連線較之前變得平滑，保留下來的跳變現象以突降為主，這個特點在探空圖上表現更為明顯，這種修改主要是觀測員依據現行高空氣象觀測規范進行了處理，造成實際探空實際中存在的這一現象沒有被預報員或其他使用者所獲得，也沒有引起注意。

2015年6月17—18日， 200hPa 南亞高壓中心位于藏南，高壓脊線由江南南部壓到廣西中北部，分裂出副中心位于廣東北部，廣西上空為 12～22m/s 東北氣流，輻散條件好。 500hPa 副熱帶高壓環流588dagpm線到達粵東沿海，南支槽東移從高壓環流北側上滑經過廣西， 850hPa 切變線到達廣西北部，地面有冷空氣從東路南下到達桂北，滇黔桂三省區交界處的鋒區變得密集，有利于激發強對流天氣。6月18日20：00紅外云圖可見鋒面云系活躍，多為獨立云團，切變線附近形成對流云帶。

受南亞高壓影響，2015年6月19日08：00，500hPa在孟加拉灣附近出現弱高壓中心，使得中南半島北部處于弱鞍形場，在 700hPa 上形成短波槽，廣西處于槽前西南氣流控制， 850hPa 切變線停滯在黔桂交界，槽前西南氣流和切變線南側的偏南氣流有效加濕中低層大氣，濕層增厚，形成上干下濕層結。地面冷高壓進一步向南推進，鋒面到達中，桂北大部站點 12h 內為 2～ 4hPa 的正變壓(圖1)。這次降水過程是由冷暖空氣交綏造成的。據6月18日20：00—19日20：00統計，百色市出現了3站大雨，1站暴雨為百色站 54.4mm ，鄰近的田陽、巴馬站雨量分別為48.3、 47.8mm ，降雨有明顯局地性特征。

冷空氣南下后抬升暖濕空氣，膨脹冷卻凝結成云，潮濕的大氣環境提供了對流系統發展需要的水汽條件，6月19日07：00紅外云圖(圖2)可見該對流云團是一個中尺度對流輻合體（MesoscaleConvectiveComplex，MCC），正進入成熟期，形狀對稱，橫軸近 270km 的對流云團覆蓋百色市大部和河池市西北部地區，云團白亮部分直徑超過 110km O

從多種資料綜合分析得出，6月19日08：00探空曲線的跳變現象是真實存在的，探空球施放期間是MCC成熟期，云團內部存在大范圍向上的質量輸送，該時次探測的原始探空記錄中的劇烈正擾動實際上是MCC云團中出現的暖心結構，暖心結構的出現形成中低壓，進一步增強了對流系統的輻合，可以視為強對流天氣的發生信號。修正后的探空記錄中剔除了該訊號，大大降低了這份探空資料的業務應用價值。

高空氣象觀測規范要求：對于探空曲線出現的跳變現象(飛點)，使用自動修正功能無法糾正，但又無法判斷正確位置時，做刪除處理。因此，出于對資料連續性、代表性的考慮，作為上傳至國家局的正式記錄，還是保持目前的處理原則。

4結論

探空記錄是大氣環境場最直觀的資料，在預報業務中應用廣泛。強對流天氣下，探空記錄中出現跳變現象對日常預報預警服務工作會起到指示性作用。探空溫濕度變化出現的異常跳變，是系統真實情況的反映，而不是儀器特性改變造成的錯誤記錄，是可以用大氣動力學、熱力學、云物理學等理論進行解釋的。

(1)跳變現象多數出現在大氣潮濕、近飽和的狀態下，具有充足的不穩定能量儲備，有利于發生對流天氣；且多數跳變發生在0、-10和-20 C 等特征層附近，與降水物發生相態變化密切相關。

(2)跳變現象與對流系統或對流單體密不可分，多發生在系統或單體本體或附近區域，跳變劇烈程度取決于對流系統的發展程度。此外，探空氣球相對于對流系統或單體的位置和走向也會有影響。

(3)雷暴系統中存在溫度水平、垂直分布不均勻是必然的，而這些個例記錄的獲得，儀器何時、經過哪些氣層具有偶然性，系統未來的消長移向應結合雷達信息及時間、地理條件綜合判斷。

參考文獻

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