梧州市強對流天氣潛勢預報探討

歐堅蓮，黃 帆，歐欣格，孫小龍，陳飛盛

（1.廣西梧州市氣象局，廣西 梧州 543002；2.廣西賀州市氣象局，廣西 賀州 542800）

引言

目前國內關于強對流天氣的研究很多，探空資料對天氣系統(tǒng)的監(jiān)測和預報有重要參考作用，現(xiàn)在已經成為強對流天氣預報中必不可少的參考資料之一［1-2］，綜合利用由探空數(shù)據(jù)計算的物理量指數(shù)進行潛勢預報就是重要方法之一［3-9］。本文通過對2005～2016年共12a強對流天氣個例的對流參數(shù)值進行統(tǒng)計分析及預報對比，歸納出強對流天氣發(fā)生物理量閾值，建立梧州市的強對流天氣物理量判斷指標。

1 資料和方法

1.1 使用資料

本文使用的資料為2005～2016年梧州氣象觀測站的地面氣象記錄月報表資料、地面觀測資料、探空資料和MICAPS第五類格式的T-LopP溫度對數(shù)壓力圖數(shù)據(jù)文件等，地面觀測資料時間間隔為1h，探空資料的時間間隔為12h。其中2005～2015年11a的資料用于統(tǒng)計分析，2016年的資料用于樣本檢驗。

1.2 技術方法

利用天氣學原理、統(tǒng)計法、指標法等方法，通過對2005～2016年梧州市發(fā)生的強對流天氣過程的資料進行統(tǒng)計分析，研究和總結梧州市強對流天氣的形勢特點，總結各類強對流天氣的物理量參數(shù)值分布區(qū)間，確定強對流天氣類型判斷閾值，得出基于穩(wěn)定度和能量等指標作為強對流天氣的短時潛勢預報指標。

1.3 樣本選取標準

冰雹：梧州市站地面觀測資料記錄有冰雹天氣為準。

雷雨大風：梧州站平均風力大于等于6級、陣風大于等于7級且伴有雷雨的天氣。

短歷時強降水：梧州站1h降水量大于等于20mm或3h降水大于等于50mm的降水。

1.4 樣本數(shù)量

依據(jù)上述樣本選取標準，找出2005～2016年發(fā)生在梧州市的短時強降水、雷雨大風、冰雹天氣發(fā)生的具體時間，得到短時強降雨天氣個例90個，冰雹天氣個例12個，雷雨大風天氣個例40個，其中，2016年的短時強降雨天氣個例11個，冰雹天氣個例1個，雷雨大風天氣個例7個用于樣本檢驗。

2 結果分析

2.1 主要影響天氣系統(tǒng)分析

通過查閱2005～2016年所有發(fā)生短時強降水的天氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)造成梧州市短時強降水的主要影響天氣系統(tǒng)有500hPa高空槽、850hPa切變線、熱帶低壓、低空急流、副熱帶高壓邊緣、東風波以及地面冷空氣等天氣系統(tǒng)中的一個或多個系統(tǒng)共同作用的結果，其中參與率排在前4位的系統(tǒng)有：低空急流參與的占40%，850hPa切變線參與的占37%，500hPa高空槽參與的占34%，地面冷空氣參與的占34%，表明低空急流、切變線、高空槽、地面冷空氣是造成梧州市短時強降水的最主要的4個天氣系統(tǒng)。

同樣，雷雨大風的主要影響天氣系統(tǒng)也是由500hPa高空槽、850hPa切變線、熱帶低壓、低空急流、副熱帶高壓邊緣、東風波以及地面冷空氣等系統(tǒng)中的一個或多個天氣系統(tǒng)共同組成的。其中參與率排在前4位的系統(tǒng)有：500hPa高空槽參與的占57%，850hPa切變線參與的占40%，低空急流參與的占40%，地面冷空氣參與的占36%，表明高空槽、切變線、低空急流、地面冷空氣是造成梧州市雷雨大風的主要影響天氣系統(tǒng)。

對于冰雹，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)梧州市發(fā)生冰雹的概率較低，近35a來有觀測記錄并能找到相關資料的只有12次過程，發(fā)生降雹的時間主要在2～4月份，即春季，主要的影響天氣系統(tǒng)為高空槽、切變線、地面冷空氣，是三者共同作用的結果。

2.2 強對流天氣的探空圖特征分析

通過對2005～2016年梧州市三種強對流天氣的探空圖特點進行對比分析，發(fā)現(xiàn)各類天氣具有不同的特征，分別是：短時強降雨的濕層比較深厚，分析溫度露點差84次過程中有72次850hPa的（T-Td）≤3℃且700hPa（T-Td）≤5℃（占86%）；雷雨大風中層有干侵入，36次過程中有25次的溫度露點差700hPa（T-Td）≥7℃或500 hPa（T-Td）≥14℃（占69%）；冰雹天氣低層有明顯的逆溫，12次過程中有11次低層有逆溫（占91%），同時垂直風切變也明顯，12次過程中有10次0-3km風切變≥14m·s-1（占83%），大多表現(xiàn)為上干下濕，喇叭口形狀。圖1左、中、右可分別代表短時強降雨、雷雨大風、冰雹常見的探空圖，三種強對流天氣的探空圖具有不同的特點。

2.3 物理量參數(shù)統(tǒng)計

強對流天氣的發(fā)生發(fā)展有其特定的環(huán)境，是在特定條件下出現(xiàn)的短時災害性天氣，一般雷暴等強對流天氣出現(xiàn)必然對應某些物理量的異常。由于能夠造成強對流天氣發(fā)生的物理原因較多，包括地形、大氣層結穩(wěn)定性、局地水汽含量、垂直運動、風的垂直切變、大氣不穩(wěn)定能量和下沉氣流強度等，如果僅分析某種物理特征量可能得不到較好的預報結論，因此需要對各種物理量參數(shù)進行綜合分析，目的在于找到一些較好的預報指標，同時針對這些指標找出強對流天氣發(fā)生時的閾值，方便預報員定量參考。

圖1 左、中、右分別是短時強降雨、雷雨大風、冰雹的探空圖

因此對短時強降雨、雷雨大風和冰雹三類強對流天氣類型的物理量參數(shù)值進行統(tǒng)計，得出13種物理量的值分布范圍，如表1。

表1 梧州市三類強對流天氣物理量參數(shù)值統(tǒng)計結果

2.4 綜合分析

由表1可見，IQ、H0和H-20，0～3km風切變三種物理量在三類天氣類型有明顯的區(qū)分，其他物理量的值分布各有差異，需要使用實際數(shù)據(jù)分別對各種物理量樣本數(shù)據(jù)分布進行詳細分析。

分析三類天氣類型的IQ可見，短時強降雨的IQ起報值明顯大于冰雹、雷雨大風，數(shù)值范圍在4057～6602g·kg-1，而冰雹的IQ最小，基本上＜4500g·kg-1，雷雨大風的IQ次之，這與冰雹、雷雨大風天氣在中、低層需要有相對干燥的水汽條件有關，短時強降雨天氣整層需要較好的水汽條件相對應。

分析0℃層H0和-20℃層H-20高度實際數(shù)據(jù)可以看出：H0：發(fā)生冰雹天氣時基本上H0＜4800m；發(fā)生雷雨大風天氣時3600m＜H0＜5700m；發(fā)生短時強降雨天氣時4200m＜H0＜5700m；H-20：發(fā)生冰雹天氣時5800m＜H-20＜8800m；發(fā)生雷雨大風天氣時7000m＜H-20＜9100m；發(fā)生短時強降雨天氣時7500m＜H-20＜9100m。冰雹和短時強降雨的區(qū)分非常明顯，而雷雨大風介于冰雹和暴雨之間，比較接近冰雹天氣。

分析三類天氣類型的0～3km風切變可見，冰雹的最低風切變明顯大于短時強降雨和雷雨大風，數(shù)值在10m·s-1以上，這與冰雹的發(fā)生需要有較大的風切變有關，而短時強降雨和雷雨大風的風切變有時較小、有時較大，這與短時強降雨和雷雨大風對風切變的要求不高相符。

3 大氣對流參數(shù)指標分析

3.1 短時強降雨指標分析

短時強降雨的發(fā)生不僅需要較強的水汽輻合，更要有對流不穩(wěn)定條件，所以選取K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、Cape值、CIN值、對流穩(wěn)定度指數(shù)IC、整層比濕積分IQ等對流參數(shù)診斷分析。

通過對2005～2015年84次短時強降雨天氣過程中各物理量參數(shù)分布分析，分別統(tǒng)計出概括率達70%和80%以上的對流參數(shù)閾值，具體如表2。利用概括率80%以上的對流參數(shù)閾值：K指數(shù)≥34℃，沙氏指數(shù) SI≤0.3，Cape 值≥20 J·kg-1，CIN 值≤125 J·kg-1，對流穩(wěn)定度指數(shù) IC≤-3，T850-T500≥22℃，（TTd）850≤2℃，（T-Td）700≤5℃，（T-Td）500≤14℃，整層比濕積分IQ≥4800g·kg-1，分析2005～2015年出現(xiàn)短時強降雨的擬合率，10個指標同時滿足8個時擬合率達78%，同時滿足7個時擬合率達88%，故應用同時滿足7個即可。

3.2 雷暴大風指標分析

雷暴大風天氣要求三個基本條件：足夠的水汽、不穩(wěn)定的層結和抬升機制，而要發(fā)展加強還要求有較大的垂直風切變。所以選取溫度露點差、K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、Cape值、0～3km風切變等對流參數(shù)診斷水汽條件、層結穩(wěn)定度條件和垂直風切變情況。通過對2005～2015年36次雷暴大風天氣過程中各物理量參數(shù)分布分析，分別統(tǒng)計出概括率達70%和80%以上的的對流參數(shù)閾值，具體如表2。利用概括率80%以上的對流參數(shù)閾值：K指數(shù)≥29℃，沙氏指數(shù)SI≤0.8，Cape值≥60J·kg-1，CIN值≤200J·kg-1，對流穩(wěn)定度指數(shù)IC≤-7，（T-Td）850≤4℃，（T-Td）700≥3℃或（TTd）500≥5℃，T850-T500≥22℃，0-3km風切變≥6m·s-1,整層比濕積分IQ＞4300g·kg-1，分析2005～2015年出現(xiàn)雷暴大風的擬合率，10個指標同時滿足8個時擬合率達75%，同時滿足7個時擬合率達88%，故應用同時滿足7個即可。

3.3 冰雹天氣指標分析

冰雹天氣的基本條件：低層足夠的水汽、中層干冷、強對流不穩(wěn)定的層結、垂直風切變、一定的抑制能量和0℃高度，-20℃層高度。所以選取不同層的溫度露點差、K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、Cape值、CIN值、0～3km風切變、0～6km風切變以及0℃、-20℃層高度等對流參數(shù)診斷。通過對12次冰雹天氣過程中各物理量參數(shù)分布分析，分別統(tǒng)計出概括率達70%和80%以上的對流參數(shù)閾值，具體如表2。利用概括率80%以上的對流參數(shù)閾值：K指數(shù)≥33℃，沙氏指數(shù)SI≤0.5，Cape值≥0J·kg-1，CIN值≤150J·kg-1，對流穩(wěn)定度指數(shù)IC≤0，（T-Td）850≤3℃，T850-T500≥23℃,0～3km風切變≥10m·s-1，0℃高度＜4800m，整層比濕積分IQ＞3400。由于冰雹天氣的個例數(shù)太少，得出的閾值指標存在不具代表性的可能。

3.4 樣本檢驗

利用總結出來的概括率達80%以上各物理量的閾值，對2016年的短時強降雨天氣個例11個，冰雹天氣個例1個，雷雨大風天氣個例7個進行檢驗，發(fā)現(xiàn)運用滿足7個及以上指標時即預報有：短時強降雨的準確率達到90%；雷雨大風準確率達到100%；冰雹天氣準確率達到100%。由此可見，選取的參數(shù)以及閾值對梧州市短時強降水、雷雨大風和冰雹的預報有一定的指導意義，可以作為日常預報的參考依據(jù)。

4 結論和討論

（1）梧州市強對流天氣大都發(fā)生在有利的環(huán)流背景下，造成強對流天氣的天氣系統(tǒng)有500hPa高空槽、500hPa低渦切變線、850hPa切變線、熱帶低壓、低空急流、副熱帶高壓邊沿、東風波以及地面冷空氣等。在這些有利的天氣系統(tǒng)影響下，達到表2的物理量參數(shù)閾值時，可以作為梧州市強對流天氣判別的潛勢預報指標。

（2）利用不同類型的強對流天氣探空圖具有不同的特征，IQ、H0、0～3km風切變和SI指數(shù)等物理量參數(shù)在短時強降雨、冰雹及短時雷雨大風三種強對流天氣類型有較明顯的區(qū)別，可以作為判別短時強降雨、雷雨大風和冰雹天氣類型有效的物理量參數(shù)閾值。

（3）Cape對強對流天氣的發(fā)生有較好指示作用，Cape值越大越有利于強對流天氣發(fā)生，但從實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計上，Cape為0 J·kg-1的次數(shù)也有17次，出現(xiàn)這種情況是由于目前探空觀測的空間和時間密度不夠，不能保證觀測值獲取于強對流發(fā)生的最佳時間，需要進行訂正使用。

表2 判斷梧州市短時強降雨、雷雨大風和冰雹天氣物理量參數(shù)閾值

（4）文中結論所用資料時間長度較短、樣本有限，需要進一步擴大資料的時間長度，充實典型天氣個例，滿足統(tǒng)計分析結果的普遍性。