江蘇副高型強(qiáng)對(duì)流天氣特征及環(huán)境參數(shù)分析

張樹民, 吳海英, 王 坤, 繆明榕, 丁愛萍, 陳 鐵

(1.南通市氣象局，南通 226001；2.江蘇省氣象臺(tái)，南京 210008)

強(qiáng)對(duì)流天氣是中國汛期主要的災(zāi)害性天氣之一[1]。2015年6月1日“東方之星”客輪突遇強(qiáng)對(duì)流天氣，在長(zhǎng)江流域湖北監(jiān)利航段傾覆，造成442人遇難[2]；2016年6月23日江蘇阜寧出現(xiàn)EF4級(jí)龍卷、強(qiáng)風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，致使99人罹難，800多人受傷[3]。近年來，關(guān)于強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)技術(shù)[4]和預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的一些基本問題[5-6]已有大量研究。龐古乾等[7]利用潛勢(shì)預(yù)報(bào)方法對(duì)廣東前汛期強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了研究；何鈺等[8]基于配料法總結(jié)了云南短時(shí)強(qiáng)降水的相關(guān)特征；許愛華等[9]采用流型識(shí)別法將中國強(qiáng)對(duì)流天氣分5種基本類別：冷平流強(qiáng)迫類、暖平流強(qiáng)迫類、斜壓鋒生類、準(zhǔn)正壓類和高架對(duì)流類。大氣環(huán)境條件分析都是強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的關(guān)鍵[10]，伍志方等[11]總結(jié)了廣東前汛期不同類型強(qiáng)對(duì)流的物理量閾值；高曉梅等[12]對(duì)魯中地區(qū)分類強(qiáng)對(duì)流的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了研究；肖云等[13]對(duì)江西省三類強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境物理量做了對(duì)比分析；仇娟娟等[14]對(duì)比分析了蘇滬浙地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水與冰雹的物理量特征，得到強(qiáng)降水的850與500 hPa溫差、K指數(shù)和對(duì)流有效位能CAPE的平均值，分別為23.1、37.2 ℃和1 298 J/kg。關(guān)于強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境參數(shù)的研究，大多屬于上述5種基本類別的天氣類型。觀測(cè)事實(shí)表明，在西太平洋副熱帶高壓控制時(shí)，強(qiáng)對(duì)流天氣也常有發(fā)生[15-16]，此類強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生在正壓系統(tǒng)控制下，不屬于上述5種基本類別。尹紅萍等[17]分析了盛夏上海地區(qū)副熱帶高壓型強(qiáng)對(duì)流天氣的特點(diǎn)，認(rèn)為此類天氣的發(fā)生除需要有較好的層結(jié)不穩(wěn)定條件外，對(duì)抬升條件也有較高要求；束宇等[18]研究了對(duì)流溫度Tg在副熱帶高壓控制下的局地?zé)釋?duì)流預(yù)報(bào)中的應(yīng)用表明，當(dāng)日最高氣溫Tmax比Tg高0.5～1.5 ℃時(shí)，熱對(duì)流降水發(fā)生的概率達(dá)40%。然而，針對(duì)江蘇地區(qū)副高型強(qiáng)對(duì)流天氣的對(duì)流類型、強(qiáng)度和環(huán)境參數(shù)特征方面的研究還未開展，因此，有必要對(duì)其進(jìn)行總結(jié)和歸納，以期為預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取蘇南地區(qū)國家觀測(cè)站和地面區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)資料、高空天氣圖、重要天氣報(bào)、南京站和寶山站的高空觀測(cè)資料。

1.2 研究方法

在業(yè)務(wù)工作中，副熱帶高壓的范圍常用500 hPa上588 dagpm線的控制區(qū)域來表示。定義副高型強(qiáng)對(duì)流為：強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)，該地區(qū)8:00和20:00(或20:00和8:00)兩個(gè)相鄰高空觀測(cè)時(shí)次，500 hPa上的位勢(shì)高度均大于或等于588 dagpm。

首先，查閱2007—2016年7—9月的500 hPa天氣圖，找出相鄰兩個(gè)高空觀測(cè)時(shí)次內(nèi)蘇南地區(qū)500 hPa上的位勢(shì)高度均大于或等于588 dagpm的樣本共208例。其次，在已選的208例樣本中，查閱蘇南地區(qū)地面區(qū)域自動(dòng)站(含加密站)和重要天氣報(bào)，從中選出強(qiáng)對(duì)流天氣事件，得到副高型強(qiáng)對(duì)流56例，并對(duì)其具體種類進(jìn)行劃分，主要分為短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹雷暴大風(fēng)和強(qiáng)降水混合型3種類型。最后，統(tǒng)計(jì)分析副高型強(qiáng)對(duì)流的類型、強(qiáng)度和開始發(fā)生時(shí)間等特征，并采用線箱圖的方式對(duì)比分析3種類型強(qiáng)對(duì)流的環(huán)境參數(shù)特征，所選參數(shù)主要包括靜力穩(wěn)定度、水汽和與對(duì)流觸發(fā)方面相關(guān)的環(huán)境參數(shù)。

2 副高型強(qiáng)對(duì)流天氣特征分析

2.1 對(duì)流類型特征

將56例樣本按雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水混合型等3種類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖1所示，其中，混合型強(qiáng)對(duì)流中只有4次伴有直徑小于20 mm的冰雹天氣。在副高控制時(shí)，蘇南地區(qū)未發(fā)生過龍卷，其余各種強(qiáng)對(duì)流天氣均有發(fā)生，混合型強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的頻次最多，短時(shí)強(qiáng)降水次之，只發(fā)生雷暴大風(fēng)的頻次最少。單獨(dú)一種強(qiáng)對(duì)流(雷暴大風(fēng)或短時(shí)強(qiáng)降水)發(fā)生的概率(34%)較混合型對(duì)流發(fā)生的概率(66%)要低，未出現(xiàn)單獨(dú)發(fā)生冰雹的個(gè)例。

圖1 副高型強(qiáng)對(duì)流類型分布

2.2 對(duì)流強(qiáng)度特征

根據(jù)江蘇省災(zāi)害性天氣預(yù)警信號(hào)中雷暴預(yù)警信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，將短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度等級(jí)分為20～29.9、30～49.9、50～79.9、≥80 mm/h雷暴大風(fēng)分為13.9～17.1、17.2～24.4、≥24.5 m/s來統(tǒng)計(jì)。47例有短時(shí)強(qiáng)降水的樣本中，不同強(qiáng)度等級(jí)均有發(fā)生[圖2(a)]，降水強(qiáng)度主要集中在30～79.9 mm/h(占比68%)，雨強(qiáng)≥80 mm/h有8例(占比17%)，最大雨強(qiáng)為124.9 mm/h(2016年8月20日鎮(zhèn)江句容)。46例有雷暴大風(fēng)的樣本中，8～9級(jí)(17.2～24.4 m/s)風(fēng)發(fā)生頻次最多(占比61%)，最大風(fēng)速達(dá)30.9 m·s-1(11級(jí)，2013年8月11日蘇州相城)；10級(jí)以上大風(fēng)有10例，占比22%。4例冰雹過程的直徑較小，最大直徑為20 mm，最小直徑只有4 mm。

圖2 短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)不同強(qiáng)度等級(jí)的頻次

2.3 對(duì)流觸發(fā)時(shí)間特征

將56例強(qiáng)對(duì)流中，每個(gè)樣本最早記錄到對(duì)流發(fā)生的時(shí)間情況統(tǒng)計(jì)如圖3所示。從圖3可以看出，副高型強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)時(shí)間呈單峰型分布，主要在白天8:00—17:00時(shí)，有明顯的日變化特征，最高峰為12:00—14:00時(shí)，占比62.5%，夜間未出現(xiàn)對(duì)流觸發(fā)個(gè)例。這和白天日射增溫有關(guān)，副高控制區(qū)天空云系較少，地表吸收太陽短波輻射加熱，促使上下層溫差加大，對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)加強(qiáng)，利于對(duì)流的產(chǎn)生。

圖3 副高型強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)時(shí)間分布

3 副高型強(qiáng)對(duì)流環(huán)境參數(shù)特征分析

因副高型強(qiáng)對(duì)流發(fā)生時(shí)間多在白天，且中午前后的概率最大，故選取強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前最近時(shí)刻8:00時(shí)的探空資料來統(tǒng)計(jì)，所選探空站為最接近對(duì)流天氣發(fā)生地的探空站，主要有南京站和寶山站。環(huán)境參數(shù)的選取，靜力穩(wěn)定度方面有SI指數(shù)、850與500 hPa的溫差ΔT85、對(duì)流有效位能CAPE和對(duì)流抑制有效位能CIN；ΔT85越大，代表?xiàng)l件性不穩(wěn)定性越強(qiáng)[11]；CAPE越大，代表不穩(wěn)定能量越大。水汽條件方面，因大氣中的水汽主要集中在對(duì)流層低層，故選取1 000 hPa上的露點(diǎn)溫度Td來代表低層絕對(duì)水汽條件；孫繼松[19]研究認(rèn)為，對(duì)于對(duì)流過程，如果不考慮蒸發(fā)過程，瞬時(shí)降水強(qiáng)度主要決定于水汽垂直遞減率，用850與500 hPa的露點(diǎn)差(ΔTd)85來表示；此外，用300～700 hPa平均相對(duì)濕度R37來代表中層水汽條件。與對(duì)流觸發(fā)方面相關(guān)的參數(shù)有抬升凝結(jié)高度TCL和自由對(duì)流高度LFC。

針對(duì)以上所選參數(shù)，按短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)及混合型強(qiáng)對(duì)流3種類型進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，以線箱圖的方式，從靜力穩(wěn)定度、水汽條件和與對(duì)流觸發(fā)方面相關(guān)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 靜力穩(wěn)定度對(duì)比分析

圖4分別給出3種類型強(qiáng)對(duì)流的ΔT85、SI、CAPE和CIN的線箱圖。從圖4中可見，短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和混合型強(qiáng)對(duì)流的ΔT85[圖4(a)]中位數(shù)分別為23、25、25 ℃；3種類型強(qiáng)對(duì)流范圍分別為21～26(短時(shí)強(qiáng)降水)、23～30(雷暴大風(fēng))、22～36 ℃(混合型)；相對(duì)應(yīng)25%～75%值分別為22～25、24～28、24～28 ℃。由圖4(a)可知，副高型強(qiáng)對(duì)流具有條件性不穩(wěn)定層結(jié)，3種類型各自對(duì)應(yīng)的ΔT85的分布特征類似。

SI指數(shù)可以定性地判斷對(duì)流層中層(850～500 hPa)是否存在熱力不穩(wěn)定層結(jié)[13]。SI<0 ℃為不穩(wěn)定層結(jié)，SI>0 ℃則為穩(wěn)定層結(jié)。如圖4(b)所示，3種類型強(qiáng)對(duì)流SI指數(shù)的中位數(shù)分別為-0.6(短時(shí)強(qiáng)降水)、-0.3(雷暴大風(fēng))、-1.1 ℃(混合型)，相對(duì)應(yīng)的25%～75%分別為-2.2～0.6、-1.1～0、-2.2～0 ℃，表明3種類型強(qiáng)對(duì)流SI指數(shù)的差異不大。

CAPE是能定量反映大氣環(huán)境中能否發(fā)生深厚對(duì)流的熱力變量，它比傳統(tǒng)意義上的對(duì)流不穩(wěn)定參數(shù)能更恰當(dāng)?shù)乇硎緦?duì)流發(fā)展的潛勢(shì)和對(duì)流可能達(dá)到的強(qiáng)度，與CIN一起是深厚濕對(duì)流發(fā)生潛勢(shì)和潛在強(qiáng)度的重要指標(biāo)[11]。從圖4(c)可知，各類型CAPE差異較大，中位值按雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和混合型強(qiáng)對(duì)流依次增大，分別為1 220、1 570、2 510 J/kg；對(duì)應(yīng)的25%～75%分別為450～1 560、860～2 340、1 550～2 870 J/kg；其中混合型箱體高度最高，說明對(duì)應(yīng)的CAPE較其他兩種明顯偏大，而其他兩種類型的區(qū)分度不大。

圖4 穩(wěn)定度相關(guān)參數(shù)線箱圖

抬升力須克服對(duì)流抑制才能將氣塊抬升至自由對(duì)流高度，即對(duì)流觸發(fā)需要抬升力的強(qiáng)度由CIN決定。如圖4(d)所示，短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和混合型強(qiáng)對(duì)流CIN的25%～75%分別為0～30、20～250、0～80 J/kg，相應(yīng)的中位數(shù)分別為15、160、10 J/kg；其中雷暴大風(fēng)的箱體最寬，CIN分布較分散，而短時(shí)強(qiáng)降水箱體最窄，CIN分布比較集中。

3.2 水汽條件對(duì)比分析

水汽是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的基本要素之一。圖5分別給出Td、R37、(ΔTd)85和K指數(shù)的線箱圖。從圖5可知，3種類型強(qiáng)對(duì)流的Td分布相似[圖5(a)]，箱體較窄，Td分布較集中；短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和混合型強(qiáng)對(duì)流的中位值分別為25.5、25、25 ℃，對(duì)應(yīng)的25%～75%分別為24～26、24～25、24～26.5 ℃。

從對(duì)流層中層平均相對(duì)濕度R37來看[圖5(b)]，混合型強(qiáng)對(duì)流的箱體較其他兩種要窄，R37分布較集中，而短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)的箱體較寬，這兩種強(qiáng)對(duì)流R37分布較分散。3種類型強(qiáng)對(duì)流R37的25%～75%分別為33%～73%(短時(shí)強(qiáng)降水型)、25%～57%(雷暴大風(fēng)型)和30%～47%(混合型)，相對(duì)應(yīng)的中位值分別為50%、27%和36%?？芍妆┐箫L(fēng)、混合型到短時(shí)強(qiáng)降水，中層平均相對(duì)濕度是逐漸增大的。

瞬時(shí)降水強(qiáng)度與水汽的垂直遞減率有關(guān)，圖5(c)顯示，3種類型強(qiáng)對(duì)流(ΔTd)85的中位置分別為25 ℃(短時(shí)強(qiáng)降水型)、35 ℃(雷暴大風(fēng)型)和30 ℃(混合型)，相對(duì)應(yīng)的25%～75%分別為23～32、27～41、24～38 ℃，可見，短時(shí)強(qiáng)降水、混合型到雷暴大風(fēng)的(ΔTd)85是逐漸增大的，且3種類型的中位值區(qū)分度較大。

K指數(shù)計(jì)算方法：K=(T850-T500)+(Td)850-(T-Td)700，它側(cè)重反映對(duì)流層中下層的濕度廓線，濕度越大，K指數(shù)越大[13]。K指數(shù)線箱圖顯示[圖5(d)]，3種類型強(qiáng)對(duì)流的25 %～75 %分別為33～38(短時(shí)強(qiáng)降水型)、26～35(雷暴大風(fēng)型)、29～36 ℃(混合型)，相對(duì)應(yīng)的中位值分別為36、32、34 ℃?？梢?，雷暴大風(fēng)、混合型到短時(shí)強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)的K指數(shù)是逐漸增大的。

圖5 水汽條件相關(guān)參數(shù)線箱圖

3.3 LFC和TCL特征對(duì)比分析

強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)需空氣塊抬升至自由對(duì)流高度LFC，云底高度與抬升凝結(jié)高度TCL有關(guān)。圖6分別給出了上述兩種環(huán)境參數(shù)的線箱圖。從圖6中可以看出，3種類型強(qiáng)對(duì)流的LFC和TCL箱體高度分布有明顯的差異，短時(shí)強(qiáng)降水的LFC和TCL的箱體最窄，雷暴大風(fēng)的LFC和TCL所對(duì)應(yīng)高度的氣壓均是最低的。短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和混合型強(qiáng)對(duì)流LFC的25%～75%值分別為900～1009、650～800、830～1 008 hPa，TCL與之相對(duì)應(yīng)的值分別為970～980、910～940、940～970 hPa；與3種類型強(qiáng)對(duì)流對(duì)應(yīng)的LFC的中位值分別為910、720、930 hPa，而TCL的中位值分別為970、930、950 hPa。兩種參數(shù)對(duì)應(yīng)的分類強(qiáng)對(duì)流的箱體分布特征具有一致性。

圖6 與對(duì)流觸發(fā)相關(guān)參數(shù)線箱圖

綜上所述，副高型強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生時(shí)大氣層結(jié)不穩(wěn)定，3種類型強(qiáng)對(duì)流，分別對(duì)應(yīng)的CAPE、CIN、R37、(ΔTd)85、K指數(shù)、LFC和TCL環(huán)境參數(shù)有明顯差異，而ΔT85、Td和SI指數(shù)的差異不大。副高型強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境參數(shù)分布特征如表1所示。

表1 副高型強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)境參數(shù)分布特征

4 結(jié)論

基于蘇南地區(qū)2007—2016年的觀測(cè)資料，選取了56例副高型強(qiáng)對(duì)流樣本，對(duì)其對(duì)流類型、對(duì)流強(qiáng)度和觸發(fā)時(shí)間特征進(jìn)行了分析，并按短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹雷暴大風(fēng)和強(qiáng)降水混合型等3種類型，對(duì)比分析了靜力穩(wěn)定度、水汽和與對(duì)流觸發(fā)方面相關(guān)的環(huán)境參數(shù)的特征。得出如下主要結(jié)論。

(1)蘇南地區(qū)副高型強(qiáng)對(duì)流天氣中，混合型強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn)頻率最高(66%)，雨強(qiáng)在30～79.9 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水頻率(68%)最高，最大達(dá)124.9 mm/h；雷暴大風(fēng)的風(fēng)力多為8～9級(jí)(61%)，最強(qiáng)達(dá)11級(jí)(30.9 m/s)；強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)時(shí)間的峰值在12:00—14:00。

(2)850、500 hPa的溫差ΔT85和SI指數(shù)的中位值分別為25 ℃和-1 ℃左右，3種類型強(qiáng)對(duì)流的差異不大；混合型強(qiáng)對(duì)流CAPE的中位值(2 510 J/kg)，遠(yuǎn)大于短時(shí)強(qiáng)降水(1 570 J/kg)和雷暴大風(fēng)(1 220 J/kg)，CIN的中位值則是雷暴大風(fēng)的160 J/kg最高。

(3)3種類型強(qiáng)對(duì)流低層水汽條件相似，1 000 hPa露點(diǎn)Td的中位值均在25 ℃左右，水汽條件差異主要在中層，中層大氣越干、露點(diǎn)垂直遞減率越大，越利于雷暴大風(fēng)的發(fā)生；反之，則利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生，混合型強(qiáng)對(duì)流介于兩者。K指數(shù)的中位值，雷暴大風(fēng)(32 ℃)、混合型(34 ℃)到短時(shí)強(qiáng)降水(36 ℃)是逐漸增大的。

(4)自由對(duì)流高度LFC和抬升凝結(jié)高度TCL，雷暴大風(fēng)的25 %值分別為650和910 hPa，遠(yuǎn)小于短時(shí)強(qiáng)降水的900和970 hPa，混合型強(qiáng)對(duì)流則位于兩者。