雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的研究

于佳琪

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，氣象科技不斷更新，氣象服務(wù)需求逐漸增加。在內(nèi)外因素共同影響下，大氣預(yù)報(bào)技術(shù)的內(nèi)涵越來(lái)越豐富。通過(guò)大氣預(yù)報(bào)可了解當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r，而先進(jìn)的大氣預(yù)報(bào)技術(shù)可提供準(zhǔn)確的氣候信息。準(zhǔn)確信息的供給適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的需要，同時(shí)也能夠推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步。因此，分析雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)是非常必要的。臨近預(yù)報(bào)指0-6h（0-2h為重點(diǎn)）的高時(shí)空分辨率的天氣預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)對(duì)象是該時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)明顯變化的天氣現(xiàn)象，主要包括雷暴、強(qiáng)對(duì)流、降水、冬季暴風(fēng)雪、凍雨、沙塵暴、低能見(jiàn)度（霧）、天空云量等，其中，以雷暴和強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)最具挑戰(zhàn)性。

關(guān)鍵詞：雷暴；強(qiáng)對(duì)流；天氣預(yù)報(bào)技術(shù)

雷暴是指伴有雷鳴和閃電的強(qiáng)對(duì)流性天氣系統(tǒng)，它一方面是春末和夏季許多地區(qū)主要的降水源，另一方面在全球范圍內(nèi)每年都要造成重大的人員和財(cái)產(chǎn)損失，因此是天氣學(xué)、氣象學(xué)和大氣科學(xué)中的重要研究對(duì)象。強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，如出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流，周邊大氣壓、風(fēng)、溫度以及濕度等各要素就會(huì)呈現(xiàn)出垂直梯度、水平梯度等劇烈的變化。在強(qiáng)對(duì)流天氣引起周邊各因素發(fā)生變化的過(guò)程中，會(huì)與環(huán)境產(chǎn)生相互性的作用，由此促進(jìn)雷暴的發(fā)生，同時(shí)還會(huì)與原來(lái)雷暴產(chǎn)生相互影響，最終促進(jìn)強(qiáng)留系統(tǒng)的維持、移動(dòng)與消散影響。為避免此現(xiàn)象造成的危占，就需要不斷改進(jìn)雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)，采取有效的預(yù)防性措施，減少危占的產(chǎn)生。

一、 雷暴的加強(qiáng)及消散

雷暴的加強(qiáng)一般有五個(gè)決定性因素：一是兩個(gè)雷暴或多個(gè)雷暴合并到一起，形成強(qiáng)雷暴；二是雷暴遭遇到輻合線也會(huì)被加強(qiáng)；三是雷暴的出流邊界緊緊貼著雷暴，將導(dǎo)致多數(shù)雷暴的強(qiáng)度保持不變，少數(shù)雷暴強(qiáng)度將提高；四是雷暴的出流邊界遭遇積云或另一條輻合線時(shí)也會(huì)加強(qiáng)；五是聯(lián)系雷暴的低層輻合強(qiáng)度較大也會(huì)促使雷暴變強(qiáng)。

雷暴的消散通常有三個(gè)決定性因素：一是雷暴跟出流邊界之間的距離越來(lái)越大，它的暖濕氣流供應(yīng)就被逐漸切斷而趨于消散；二是雷暴移動(dòng)到一個(gè)較穩(wěn)定的區(qū)域里，消除對(duì)流的有效位能，自然雷暴也隨之消散。然而判斷穩(wěn)定區(qū)域時(shí)不僅要探空曲線，還可以檢查是否存在積云以確定該區(qū)域是否穩(wěn)定。如果氣象觀察員通過(guò)氣象衛(wèi)星提供的高分辨率可見(jiàn)光云圖觀察到區(qū)域里沒(méi)有積云，是絕對(duì)晴空狀態(tài)，那么該區(qū)域很可能是穩(wěn)定的、缺少汽水的。當(dāng)然，對(duì)區(qū)域穩(wěn)定性的判斷還有一種方法，即前一小時(shí)雷達(dá)估計(jì)到的累計(jì)雨量較大，則區(qū)域里的平流過(guò)程較弱，在未來(lái)幾小時(shí)這個(gè)區(qū)域?qū)⒈３址€(wěn)定的狀態(tài)；三是雷暴的尺度減小、強(qiáng)度變?nèi)?，且雷暴周圍不存在輻合線時(shí)也有利于雷暴的消散。

二、 雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)

在現(xiàn)階段的科學(xué)發(fā)展水平，天氣預(yù)報(bào)是測(cè)量雷暴與強(qiáng)對(duì)流的主要方法，同時(shí)還可借助自動(dòng)算法。天氣預(yù)報(bào)的結(jié)果是預(yù)報(bào)員主觀分析的成果，由此可以充分說(shuō)明，天氣預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)揮著極為重要的作用。研究分析并觀察我國(guó)大氣特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流表現(xiàn)的最為顯著，而強(qiáng)對(duì)流在雷暴產(chǎn)生重具有促進(jìn)性的效果。借助強(qiáng)對(duì)流的氣候，天氣預(yù)報(bào)員就能夠加深對(duì)雷暴強(qiáng)化與消散的理解。將此作為判斷根據(jù)，區(qū)分雷暴、龍卷風(fēng)等類型強(qiáng)對(duì)流氣候，對(duì)環(huán)境發(fā)展具有重要作用[4，5，6]。掌握雷暴分類與強(qiáng)對(duì)流天氣客觀技術(shù)，需要?dú)庀箢A(yù)報(bào)員具備各方面的能力。在滿足相關(guān)條件的基礎(chǔ)上，依據(jù)自身實(shí)踐性檢驗(yàn)與物理量統(tǒng)計(jì)分析，以此作為播報(bào)天氣的一個(gè)因素。關(guān)于氣象預(yù)報(bào)的使用技術(shù)，早在2011年的就已進(jìn)行試驗(yàn)研究，以此來(lái)指導(dǎo)汛期，并在實(shí)際中發(fā)揮出相應(yīng)的效果。針對(duì)不同的地方、不同季節(jié)，依據(jù)天氣預(yù)報(bào)分類技術(shù)就能夠區(qū)別其中存在的差異。而為更好地應(yīng)用于實(shí)際，還需進(jìn)一步加強(qiáng)研究深入，并不斷完善和改進(jìn)。

三、雷暴和強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)的客觀算法

主要包括各種外推技術(shù)和強(qiáng)對(duì)流天氣的自動(dòng)識(shí)別算法。外推技術(shù)分為兩大類：（1）以識(shí)別和跟蹤強(qiáng)雷暴單體為主要目標(biāo)的三維跟蹤算法如SCIT和TITAN；（2）以識(shí)別和跟蹤較大范圍降水區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)的二維區(qū)域跟蹤算法如TREC。

四、 關(guān)于中國(guó)雷暴和強(qiáng)對(duì)流臨近預(yù)報(bào)存在問(wèn)題的討論

目前就中國(guó)而言，需要加強(qiáng)對(duì)邊界層輻合線和地形對(duì)雷暴生成、發(fā)展和消散作用的大量個(gè)例的研究，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)嘗試使用高分辨率靜止氣象衛(wèi)星云圖資料協(xié)助判斷雷暴的生成和發(fā)展。目前中國(guó)風(fēng)云-2D和2E靜止氣象衛(wèi)星每30min提供一張?jiān)茍D，不像美國(guó)GOES和歐洲MSG每15min一張?jiān)茍D，另外，風(fēng)云-2系列高分辨率云圖的資料處理時(shí)間也過(guò)長(zhǎng)，這可能會(huì)在一定程度上影響云圖資料在雷暴生成方面的使用效果。在強(qiáng)對(duì)流天氣主觀預(yù)報(bào)技術(shù)方面，有幾點(diǎn)需要1.在強(qiáng)冰雹預(yù)警方面，不少基層臺(tái)站反應(yīng)目前使用的冰雹探測(cè)算法（Witt，et al.1998）在盛夏季節(jié)冰雹概率會(huì)出現(xiàn)大量的空?qǐng)?bào)。在算法中，Witt等（1998）是通過(guò)在強(qiáng)冰雹指數(shù)和0℃層高度之間建立回歸方程得到強(qiáng)冰雹概率和預(yù)期冰雹直徑的，而該回歸方程是根據(jù)美國(guó)的少量冰雹個(gè)例集建立的，有必要仔細(xì)收集大量中國(guó)冰雹個(gè)例，在其基礎(chǔ)上修正或重新建立原來(lái)的回歸方程。2.在強(qiáng)龍卷預(yù)警方面，需要加強(qiáng)潛勢(shì)估計(jì)。只有事先估計(jì)到龍卷出現(xiàn)的可能，預(yù)報(bào)員才會(huì)仔細(xì)在徑向速度圖上搜索強(qiáng)的中氣旋特征，及時(shí)發(fā)出龍卷警報(bào)。在江淮梅雨期間的強(qiáng)對(duì)流雨帶上和熱帶氣旋登陸的外圍雨帶上，容易出現(xiàn)龍卷，需要引起預(yù)報(bào)員的高度重視。龍卷的預(yù)警提前時(shí)間通常只有10-20min，警報(bào)的及時(shí)生成和發(fā)布極端重要。北京市氣象局開(kāi)發(fā)的VIPS系統(tǒng)（王令等，2008）和深圳氣象局開(kāi)發(fā)的分區(qū)預(yù)警自動(dòng)發(fā)布系統(tǒng)在這方面做了一定的努力。3.需要重點(diǎn)加強(qiáng)導(dǎo)致暴洪災(zāi)害的對(duì)流性暴雨的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警水平。主要分兩個(gè)方面：其一是改進(jìn)對(duì)那些高降水效率的較強(qiáng)回波（45-50dBz ）環(huán)境條件的識(shí)別，這類降水雨強(qiáng)很大，通常在80-120mm/h，不用持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間就可以導(dǎo)致局地暴雨和大暴雨；其二對(duì)于那些極端的對(duì)流降水事件，或多或少的都涉及到“列車效應(yīng)”，即反復(fù)不斷地有對(duì)流回波經(jīng)過(guò)同一地點(diǎn)，需要通過(guò)大量個(gè)例仔細(xì)分析導(dǎo)致“列車效應(yīng)”的天氣背景、地形和中尺度環(huán)流結(jié)構(gòu)[。

五、 結(jié)語(yǔ)

以上綜述了目前的臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)所使用的主要技術(shù)手段，著重討論了雷暴和強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)問(wèn)題。雷暴和強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)的主要技術(shù)方法目前仍是以預(yù)報(bào)員主觀分析預(yù)報(bào)為主，客觀自動(dòng)算法產(chǎn)品為輔。客觀直接預(yù)報(bào)產(chǎn)品還遠(yuǎn)遠(yuǎn)起不到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品在中短期預(yù)報(bào)中的基礎(chǔ)性甚至是關(guān)鍵性的作用。

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