海南島雷暴大風(fēng)天氣形勢(shì)和環(huán)境參數(shù)特征分析

柯元惠，馬明明，鄭艷，馮文

(1.海南省氣象臺(tái)，海口 570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海口 570203；3.海南省生態(tài)環(huán)境廳，?？?570203)

引言

雷暴大風(fēng)是一種典型的強(qiáng)對(duì)流天氣，其天氣現(xiàn)象主要表現(xiàn)為雷、雨，風(fēng)力達(dá)到或超過(guò)7級(jí)(不同地區(qū)對(duì)風(fēng)力等級(jí)的定義有差異)，當(dāng)雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)，常伴有強(qiáng)降水，有時(shí)伴有冰雹，風(fēng)速極大。由于其發(fā)生、發(fā)展較為迅速，因此較難提前預(yù)警，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重威脅。雷暴大風(fēng)天氣在海南是較為頻發(fā)的災(zāi)害，例如2018年3月3日下午(北京時(shí)，下同)，澄邁縣出現(xiàn)雷暴大風(fēng)強(qiáng)對(duì)流天氣，風(fēng)力達(dá)8級(jí)及以上，并伴有冰雹，該過(guò)程造成農(nóng)作物受損，受損瓜菜面積751 hm2，受損香蕉面積70 hm2，估算經(jīng)濟(jì)損失6 000萬(wàn)元。甚至在10月、11月海南也會(huì)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣，2013年11月8日夜間至9日凌晨，樂(lè)東縣出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng)，極大風(fēng)速達(dá)23.9 m·s-1，該過(guò)程造成農(nóng)作物受災(zāi)面積3 121 hm2，瓦房倒塌1間，漁船損失1艘，直接經(jīng)濟(jì)損失5 635.14萬(wàn)元。

雷暴大風(fēng)的形成和強(qiáng)對(duì)流及雷暴的形成有密切關(guān)系。雷暴內(nèi)下沉氣流是造成大風(fēng)的主要原因之一。Fujita等(1977)將形成于地面附近風(fēng)速達(dá)到17.9 m·s-1，且呈向外爆發(fā)性輻散狀出流的雷暴內(nèi)強(qiáng)烈下沉氣流定義為下?lián)舯┝?，認(rèn)為下?lián)舯┝魇窃斐衫妆┐箫L(fēng)的主要原因；Johns和Doswell(1992)認(rèn)為絕大多數(shù)雷暴大風(fēng)是由雷暴內(nèi)強(qiáng)烈下沉氣流所導(dǎo)致；廖曉農(nóng)等(2008)、查書(shū)瑤等(2020)研究發(fā)現(xiàn)雷暴大風(fēng)除了雷暴內(nèi)下沉氣流降到地面后產(chǎn)生劇烈的輻散風(fēng)外，另一種就是多個(gè)單體內(nèi)的下沉氣流到達(dá)地面附近時(shí)，冷的輻散空氣匯合成一個(gè)淺薄的冷池，其前沿常常以較快速度移動(dòng)而產(chǎn)生大風(fēng)。除此之外，低空暖濕氣流在進(jìn)入上升氣流區(qū)時(shí)，受到上升氣流的抽吸作用而加速也是導(dǎo)致地面大風(fēng)的一個(gè)原因(王秀明等，2013)。

許多學(xué)者對(duì)我國(guó)不同地區(qū)雷暴大風(fēng)的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，得到很多有意義的結(jié)果。余蓉等(2012)研究指出我國(guó)東部地區(qū)雷暴大風(fēng)的分布與地形相關(guān)，山地和高原多于平原，北方多于南方。張雪晨等(2013)分析發(fā)現(xiàn)安徽雷暴大風(fēng)日空間分布特征和緯度沒(méi)有太大的關(guān)系，主要是和對(duì)流天氣系統(tǒng)的影響區(qū)域及地形因素有關(guān)。費(fèi)海燕等(2016)分析表明中國(guó)強(qiáng)雷暴大風(fēng)主要發(fā)生在中東部地區(qū)，從3月開(kāi)始在西南、華南地區(qū)出現(xiàn)，不同地區(qū)強(qiáng)雷暴大風(fēng)發(fā)生峰值時(shí)間不同，華中和華南有兩個(gè)峰值。許霖等(2017)研究表明湖南省雷暴大風(fēng)次數(shù)在20世紀(jì)90年代后顯著下降，出現(xiàn)時(shí)段主要在夏季午后到傍晚時(shí)段。有些學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的天氣系統(tǒng)和物理量參數(shù)特征進(jìn)行分析，對(duì)當(dāng)?shù)乩妆┐箫L(fēng)的潛勢(shì)預(yù)報(bào)具有一定的參考意義。秦麗等(2006)指出有利于北京雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的探空結(jié)構(gòu)為低層暖濕，中高層有干冷空氣，不穩(wěn)定度和風(fēng)垂直切變較大。楊曉霞等(2014)將山東產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的天氣系統(tǒng)分為槽前型、槽后型、副高邊緣型和橫槽型，并分析了各天氣型的物理量參數(shù)特征。柴東紅等(2017)指出京津冀地區(qū)雷暴大風(fēng)的形成，5、9月份需要更高的熱力條件和動(dòng)力條件，6—8月份需要更高的不穩(wěn)定條件和能量條件。雷暴大風(fēng)的臨近預(yù)警主要依靠雷達(dá)回波特征的識(shí)別，研究表明，徑向速度圖上觀測(cè)到的中層徑向輻合、入流急流、中氣旋、徑向速度大值區(qū)和反射率因子圖上觀測(cè)到的弓形回波、鉤狀回波、陣風(fēng)鋒是雷暴大風(fēng)預(yù)警的重要指示特征(王福俠等，2016；楊璐等，2018)。還有的學(xué)者對(duì)雷暴大風(fēng)的客觀預(yù)報(bào)方法進(jìn)行研究，多從與雷暴大風(fēng)相關(guān)的物理量參數(shù)入手，如嚴(yán)仕堯等(2013)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)了雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)動(dòng)力和熱力指標(biāo)的閾值，進(jìn)一步設(shè)計(jì)指標(biāo)疊套技術(shù)對(duì)華北雷暴大風(fēng)進(jìn)行潛勢(shì)預(yù)報(bào)；呂曉娜等(2020)利用權(quán)重與概率統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，根據(jù)與雷暴大風(fēng)聯(lián)系緊密的物理量，建立潛勢(shì)預(yù)報(bào)方程，結(jié)果表明雷暴大風(fēng)命中率較高，同時(shí)空?qǐng)?bào)率也高。

針對(duì)海南島的雷暴大風(fēng)天氣也有一些研究，如鄭艷等(2017)對(duì)2016年發(fā)生在海南島北部近海和陸地的一次大范圍雷暴大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行了天氣學(xué)分析和雷達(dá)回波特征分析；符式紅等(2018)對(duì)相似環(huán)流背景下海南兩次不同類型強(qiáng)對(duì)流天氣的成因和差異進(jìn)行了深入探討和分析。以上研究均是個(gè)例分析，迄今未見(jiàn)針對(duì)海南雷暴大風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特征分析。海南島地處熱帶地區(qū)北緣，四面環(huán)海，海陸效應(yīng)明顯，高溫高濕，強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)烈且頻繁，是雷暴大風(fēng)頻發(fā)的地區(qū)。同時(shí)海南島地形特殊，中部有五指山山脈，整體地形中間高四周低，導(dǎo)致海南的雷暴大風(fēng)形成和分布與我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)有明顯差異。本文采用近5 a的海南島觀測(cè)資料，對(duì)海南島雷暴大風(fēng)的時(shí)空分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，按照發(fā)生雷暴大風(fēng)當(dāng)日的環(huán)流背景進(jìn)行天氣分型，并對(duì)其物理量參數(shù)特征進(jìn)行研究，旨在加深對(duì)海南地區(qū)雷暴大風(fēng)系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)，為海南島雷暴大風(fēng)的預(yù)報(bào)和預(yù)警提供客觀依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料說(shuō)明

在挑選雷暴大風(fēng)日時(shí)，所采用的資料為海南省地面加密自動(dòng)站資料和閃電定位資料，并加以雷達(dá)資料作為輔助，資料年限為2014—2018年。地面加密自動(dòng)站使用業(yè)務(wù)中預(yù)警信號(hào)檢驗(yàn)指標(biāo)站，剔除了海島站、船舶站、觀通站、雨量站、永興島站、珊瑚島站以及海拔大于400 m的站點(diǎn)。另外，還使用2014—2018年?？谡镜奶娇召Y料和ERA-Interim逐6 h再分析資料，水平分辨率為1°×1°。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

結(jié)合自動(dòng)站、雷達(dá)、閃電定位等探測(cè)資料，從天氣形勢(shì)、各站大風(fēng)持續(xù)時(shí)間、系統(tǒng)風(fēng)向等方面進(jìn)行分析，并將大風(fēng)發(fā)生時(shí)間與雷暴發(fā)生時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)篩選和剔除氣旋性大風(fēng)，只研究由強(qiáng)對(duì)流引起的雷暴大風(fēng)。

2 雷暴大風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特征

基于上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海南島雷暴大風(fēng)天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和篩選，得到雷暴大風(fēng)日：2014年50 d，2015年77 d，2016年71 d，2017年55 d，2018年47 d，共300 d，年平均為60 d。

2.1 強(qiáng)度特征

普查出的300 d雷暴大風(fēng)日中，雷暴大風(fēng)日的最大陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)到32 m·s-1，平均最大陣風(fēng)風(fēng)速為19.5 m·s-1。其中，最大陣風(fēng)風(fēng)速在10級(jí)(≥24.5 m·s-1)以上的強(qiáng)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)了28 d，占總數(shù)的9.3%；最大陣風(fēng)風(fēng)速在9級(jí)(≥20.8 m·s-1)以上的強(qiáng)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)了88 d，占總數(shù)的29.3%；最大陣風(fēng)風(fēng)速在8級(jí)(≥17.2 m·s-1)以上的強(qiáng)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)了243 d，占總數(shù)的81.0%，說(shuō)明海南地區(qū)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)時(shí)陣風(fēng)風(fēng)速較大、強(qiáng)度較強(qiáng)。

2.2 時(shí)間分布特征

從2014—2018年海南島平均各月出現(xiàn)雷暴大風(fēng)日數(shù)來(lái)看(圖1)，雷暴大風(fēng)易出現(xiàn)在春夏兩季，5月最多，達(dá)13.2 d；其次為6—8月，分別為11.8 d、9.2 d和9.2 d；11月至次年2月均不足1 d；3月為1.4 d。從平均各月出現(xiàn)雷暴大風(fēng)站點(diǎn)數(shù)來(lái)看(圖2)，7月出現(xiàn)雷暴大風(fēng)的站點(diǎn)數(shù)明顯偏多，有693站，說(shuō)明當(dāng)7月份發(fā)生雷暴大風(fēng)天氣時(shí)，影響區(qū)域范圍較大；其次是6月、9月和10月，分別為397站、343站和305站。

圖1 2014—2018年海南島平均各月出現(xiàn)雷暴大風(fēng)日數(shù)(單位:d)Fig.1 The monthly mean of thunderstorm gale days(unit:d)in Hainan from 2014 to 2018.

圖2 2014—2018年海南島平均各月出現(xiàn)雷暴大風(fēng)站點(diǎn)數(shù)(單位:個(gè))Fig.2 The monthly mean number of thunderstorm gale stations in Hainan from 2014 to 2018.

從海南島各月雷暴大風(fēng)出現(xiàn)頻率的日分布來(lái)看(圖3)，4—8月在午后14—17時(shí)有一個(gè)峰值區(qū)。這是由于午后近地面溫度升高，熱力效應(yīng)造成地面層增溫達(dá)到最強(qiáng)，使得大氣層結(jié)不穩(wěn)定度加大，對(duì)流抑制減少；同時(shí)海陸溫差大，午后海陸風(fēng)輻合提供觸發(fā)條件，易在海南島發(fā)生雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。另外，6—9月在01—05時(shí)也有一個(gè)次峰值，頻率較低，僅在5%左右，說(shuō)明在海南汛期夜間也會(huì)有雷暴大風(fēng)的發(fā)生，但概率比較小，統(tǒng)計(jì)表明(表略)，這多與季風(fēng)槽的活動(dòng)相關(guān)。10月至次年4月雷暴大風(fēng)發(fā)生的時(shí)間與冷空氣南下影響海南的時(shí)間有關(guān)，4月和10月是冷暖空氣勢(shì)力相當(dāng)、交匯比較明顯的時(shí)期，發(fā)生雷暴大風(fēng)日數(shù)相對(duì)較多；11月至次年3月冷空氣勢(shì)力較強(qiáng)，熱力條件較差，發(fā)生雷暴大風(fēng)日數(shù)較少。

圖3 2014—2018年海南島各月雷暴大風(fēng)出現(xiàn)頻率的日分布(單位:%)Fig.3 Daily frequencies(unit:%)of thunderstorm gale in Hainan in each month from 2014 to 2018.

3 雷暴大風(fēng)的環(huán)流形勢(shì)分析

根據(jù)雷暴大風(fēng)發(fā)生當(dāng)日925 hPa天氣形勢(shì)和地面形勢(shì)，對(duì)上述雷暴大風(fēng)日進(jìn)行綜合分析，可以將產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的天氣背景主要分為三大類：西南熱低壓型、季風(fēng)槽型和冷鋒型，其中季風(fēng)槽型根據(jù)其槽線位置可以分為華南沿海槽型和南海低壓槽型(蔡親波等，2013)。此三類天氣型占了所有雷暴大風(fēng)日的85.3%，下面分別對(duì)這三類天氣型的環(huán)流背景場(chǎng)進(jìn)行合成分析。合成資料為ERA-Interim逐6 h再分析資料，所選時(shí)間為距離雷暴大風(fēng)發(fā)生前最近時(shí)刻。

3.1 西南熱低壓型

西南熱低壓是海南春季和夏季出現(xiàn)比較頻繁的天氣形勢(shì)之一。圖4a、b為2014—2018年所有西南熱低壓型雷暴大風(fēng)日的環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)合成圖。從中可見(jiàn)，500 hPa中緯度西風(fēng)槽偏北偏弱，低緯有南支槽東移，槽線位于105°E附近，副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)西伸控制南海東部海域，脊線位于17°N附近，海南島處于南支槽前和副高西北側(cè)的西南氣流控制之下，具有較好的大尺度抬升條件和大氣不穩(wěn)定條件。低層850 hPa和925 hPa存在明顯的西南季風(fēng)，在四川、貴州附近有暖性氣旋性環(huán)流維持，稱為西南熱低壓，海南島低層受暖濕的西南風(fēng)控制，氣流呈氣旋性彎曲，風(fēng)力為6～8 m·s-1。孟加拉灣和南海南部的水汽向海南島輸送，為海南島提供了充足的水汽和位勢(shì)不穩(wěn)定能量。地面氣壓場(chǎng)上在廣西、越南和北部灣交界處有閉合的暖性低壓環(huán)流，氣壓中心達(dá)到1 003 hPa，海南處于低壓帶中。在西南熱低壓的控制之下，海南島的西北部極易出現(xiàn)高溫天氣。受地形和熱力的共同作用，午后易在海南島的西北部形成海陸風(fēng)輻合線，為雷暴大風(fēng)的發(fā)生提供觸發(fā)抬升條件，而后輻合線沿著背景西南風(fēng)的方向向東北移動(dòng)，造成海南島東北部雷暴大風(fēng)天氣。

圖7為微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪熔模鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8]。設(shè)置側(cè)注式且設(shè)計(jì)4個(gè)內(nèi)澆道來(lái)提高其對(duì)鑄件本體的補(bǔ)縮能力。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表略)，此類雷暴大風(fēng)日有88 d，占比為29.3%，是出現(xiàn)雷暴大風(fēng)較多的天氣類型。2—8月均可出現(xiàn)，主要集中在5—6月，5月共出現(xiàn)34 d。雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)段主要為午后13—18時(shí)，以熱力作用為主。出現(xiàn)雷暴大風(fēng)日數(shù)較多的站點(diǎn)主要集中在海南島東北部澄邁-瓊中-瓊海以北一帶(圖4c)，發(fā)生區(qū)域和海陸風(fēng)輻合線的走向以及水汽通量散度輻合區(qū)(圖略)基本吻合。

圖4 西南熱低壓型合成形勢(shì)場(chǎng):(a)500 hPa高度場(chǎng)(單位:dagpm)和風(fēng)場(chǎng)(單位:m·s-1);(b)925 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位:m·s-1)和海平面氣壓場(chǎng)(單位:hPa);(c)2014—2018年西南熱低壓型海南島各站點(diǎn)年平均出現(xiàn)雷暴大風(fēng)日數(shù)分布(單位:d)Fig.4 The southwest trough synoptic situation:(a)500 hPa geopotential height(unit:dagpm)and horizontal wind(unit:m·s-1),(b)925 hPa horizontal wind(unit:m·s-1)and sea level pressure(unit:hPa),and(c)distribution of annual mean thunderstorm gale frequency(unit:d)in each station of Hainan under southwest trough from 2014 to 2018.

3.2 季風(fēng)槽型

季風(fēng)槽型是出現(xiàn)雷暴大風(fēng)最多的天氣類型，季風(fēng)槽的位置不同，對(duì)雷暴大風(fēng)的影響也有一定的差異。一般將925 hPa上切變線位于?？谝员钡饺A南地區(qū)的天氣系統(tǒng)稱為華南沿海槽型，將切變線位于?？谝阅系侥虾５貐^(qū)的天氣系統(tǒng)稱為南海低壓槽型(蔡親波等，2013)。

3.2.1 華南沿海槽型

從華南沿海槽型的合成環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)(圖5a、b)可以看出，500 hPa中高緯西風(fēng)槽位于黃渤海地區(qū)，槽底位于山東半島附近，低緯度受平直的偏西到西南風(fēng)控制，副高偏東偏弱，主體位于菲律賓以東的西太平洋地區(qū)，海南島上空吹弱的西南風(fēng)。低層850 hPa和925 hPa有一近東西向的切變線位于華南中北部地區(qū)，在切變線南側(cè)有明顯的風(fēng)速輻合區(qū)。海南島北半部處于輻合區(qū)中，受西南氣流控制，風(fēng)速約為6 m·s-1。切變線南側(cè)的輻合上升運(yùn)動(dòng)為主要的大尺度動(dòng)力抬升條件。暖濕的西南氣流將孟加拉灣和北部灣的水汽向海南島輸送，在海南島的東北部產(chǎn)生水汽的輻合(圖略)，提供充足不穩(wěn)定能量和水汽條件。地面海南處于閉合的暖性低壓控制，有利于午后溫度的升高。午后熱力條件好轉(zhuǎn)，海陸風(fēng)輻合線也是抬升觸發(fā)條件之一。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表略)，這種形勢(shì)下的雷暴大風(fēng)日有73 d，占比為24.3%，在4—9月均有出現(xiàn)，集中出現(xiàn)在5—8月，8月最多，有23 d。在華南沿海槽控制之下，雷暴大風(fēng)天氣在早上也有出現(xiàn)，但主要出現(xiàn)時(shí)間段為12—17時(shí)。出現(xiàn)雷暴大風(fēng)日數(shù)較多的站點(diǎn)主要集中在海南島東北部和西部，出現(xiàn)日數(shù)最多的是北部的?？诘貐^(qū)，達(dá)到年均4 d(圖5c)。

圖5 同圖4，但為華南沿海槽型合成形勢(shì)場(chǎng)Fig.5 Same as Fig.4,but for the South China coastal trough synoptic situation.

3.2.2 南海低壓槽型

受南海低壓槽影響時(shí)(圖6a、b)，500 hPa中高緯西風(fēng)槽位于渤海地區(qū)，槽底在山東附近，副高偏北，脊線位于26°N附近，西伸控制長(zhǎng)江以南大部地區(qū)，海南島受副高西南側(cè)的東南氣流控制，具有位勢(shì)不穩(wěn)定條件。850 hPa和925 hPa在南海北部海域到海南島南部附近有一條近似東西向的切變線存在，海南島處于切變線北側(cè)，吹東南風(fēng)。低層切變線為主要的動(dòng)力抬升條件。地面氣壓場(chǎng)上在北部灣有一個(gè)閉合低壓中心。

據(jù)統(tǒng)計(jì)(表略)，南海低壓槽形式下的雷暴大風(fēng)日有54 d，總占比為18%，5—10月均可出現(xiàn)，7—8月最多。從早上到傍晚均有雷暴大風(fēng)發(fā)生，最多時(shí)間段為午后13—18時(shí)，這與午后氣溫升高，不穩(wěn)定能量加大相關(guān)。從雷暴大風(fēng)的分布圖(圖6c)看出，海南島四周出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣比內(nèi)陸地區(qū)概率大，特別是在海南島東部、北部和南部。出現(xiàn)日數(shù)最多的是東部的文昌市，達(dá)到3.6 d。落區(qū)分布與切變線的強(qiáng)度、位置密切相關(guān)。在低層?xùn)|南風(fēng)的控制下，由于地形的抬升作用，在東部和南部沿海一帶雷暴大風(fēng)出現(xiàn)頻次比較高。西部和北部的雷暴大風(fēng)主要還是由午后海陸風(fēng)的輻合抬升作用而產(chǎn)生的。

圖6 同圖4，但為南海低壓槽型合成形勢(shì)場(chǎng)Fig.6 Same as Fig.4,but for the South China sea trough synoptic situation.

3.3 冷鋒型

從冷鋒型雷暴大風(fēng)日的形勢(shì)場(chǎng)合成(圖7a、b)可以看出，500 hPa中高緯深厚的西風(fēng)槽位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，槽底位于長(zhǎng)江附近，引導(dǎo)冷空氣南下。副高偏弱偏南，控制南海大部海域，海南島受副高北側(cè)的西到西南氣流控制。925 hPa冷高中心位于四川附近，海南島上空有冷高底部的東北氣流和暖空氣一側(cè)的偏東-東南氣流的輻合切變，提供動(dòng)力抬升條件。地面氣壓場(chǎng)上，鋒面南壓至華南沿海地區(qū)，海南島北部海平面氣壓達(dá)到1 014 hPa，冷暖空氣的交匯提供了大量的位勢(shì)不穩(wěn)定能量。

此類雷暴大風(fēng)日為41 d，總占比為13.7%，主要發(fā)生在春季和秋季冷暖空氣勢(shì)力相當(dāng)交匯比較明顯的時(shí)期，4月和10月發(fā)生概率最大(表略)。雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)間與冷空氣影響海南的時(shí)間密切相關(guān)。地形對(duì)冷空氣有明顯的阻擋作用，因此雷暴大風(fēng)主要出現(xiàn)在五指山以北地區(qū)，且沿海地區(qū)發(fā)生的日數(shù)比內(nèi)陸地區(qū)多一些(圖7c)。

圖7 同圖4，但為冷鋒型合成形勢(shì)場(chǎng)Fig.7 Same as Fig.4,but for the cold air synoptic situation.

4 雷暴大風(fēng)的物理量參數(shù)特征

雷暴大風(fēng)的發(fā)生，除了需要不穩(wěn)定條件、水汽條件和動(dòng)力條件之外，還需有利于強(qiáng)烈下沉氣流的條件。利用雷暴大風(fēng)發(fā)生前最近12 h內(nèi)?？谡?8時(shí)或20時(shí)探空資料，對(duì)雷暴大風(fēng)發(fā)生當(dāng)日的相關(guān)大氣物理量參數(shù)進(jìn)行分析，若雷暴大風(fēng)發(fā)生在下午，則用14時(shí)的地面溫度和露點(diǎn)溫度對(duì)對(duì)流有效位能CAPE和下沉對(duì)流有效位能DCAPE進(jìn)行訂正。通過(guò)研究不同天氣型下雷暴大風(fēng)的物理量參數(shù)特征，探討各參數(shù)的差異，以期為預(yù)報(bào)員制作強(qiáng)對(duì)流潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)。

4.1 不穩(wěn)定條件

對(duì)流有效位能CAPE從理論上能反映出對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)可能發(fā)展的最大強(qiáng)度，即環(huán)境正浮力對(duì)氣塊做功所產(chǎn)生的動(dòng)能，其值越大，越有利于強(qiáng)對(duì)流的產(chǎn)生。統(tǒng)計(jì)分析表明，海南島大部分雷暴大風(fēng)強(qiáng)對(duì)流天氣均發(fā)生在中等到強(qiáng)的對(duì)流不穩(wěn)定能量條件下。西南熱低壓型的CAPE均值最高，達(dá)2 884 J·kg-1；其次為華南沿海槽型和南海低壓槽型，CAPE均值分別為2 295 J·kg-1和2 410 J·kg-1；冷鋒型CAPE均值最小，為1 206 J·kg-1(圖8)，說(shuō)明在春夏季西南熱低壓型頻繁控制下，低層大氣暖濕，有較高的對(duì)流不穩(wěn)定能量?jī)?chǔ)存。西南熱低壓型雷暴大風(fēng)由對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放產(chǎn)生的最大上升速度平均為53.7 m·s-1，最大達(dá)71.6 m·s-1。

圖8 各天氣型CAPE值箱線圖(單位:J·kg-1)Fig.8 Box and whisker plot of CAPE(unit:J·kg-1)for different patterns.

850 hPa與500 hPa的溫差(T850-500)反映了大氣的垂直溫度梯度，能很好地表征大氣層結(jié)的穩(wěn)定性，溫差越大，越有利于對(duì)流不穩(wěn)定的發(fā)生。由圖9可知，西南熱低壓型、華南沿海槽型、南海低壓槽型和冷鋒型T850-500平均值分別為25.4℃、24℃、23.4℃和23.8℃，區(qū)別并不大。25%～75%分位覆蓋范圍平均值基本在22～26℃之間，具有明顯的條件不穩(wěn)定層結(jié)，說(shuō)明雖然不同天氣型發(fā)生雷暴大風(fēng)所需要的對(duì)流不穩(wěn)定能量有所差異，但均需要一定的不穩(wěn)定層結(jié)。

圖9 各天氣型T850-500箱線圖(單位:℃)Fig.9 Box and whisker plot of T850-500(unit:℃)for different patterns.

4.2 水汽條件

低層高濕度和中高層低濕度的配置有利于雷暴大風(fēng)的發(fā)生。850 hPa與500 hPa的相對(duì)濕度差(RH850-500)在一定程度上能反映大氣是否存在上干下濕的情況。由圖10可知，冷鋒型和西南熱低壓型的RH850-500平均值最大，分別為48.4%和34.9%，說(shuō)明此類型上干下濕的特征明顯。華南沿海槽型和南海低壓槽型的RH850-500分別為16.9%和22.2%，25%～75%分位覆蓋范圍分別為-5.5%～37%和2%～40%，說(shuō)明二者的中低層相對(duì)濕度差別不大，可能出現(xiàn)整層較濕的情況。該天氣背景下除了出現(xiàn)雷暴大風(fēng)，可能還會(huì)伴隨短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖10 各天氣型RH850-500箱線圖(單位:%)Fig.10 Box and whisker plot of RH850-500(unit:%)for different patterns.

4.3 動(dòng)力條件

垂直風(fēng)切變對(duì)對(duì)流風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和生命史有重要的作用。將地面至700 hPa和地面至500 hPa垂直風(fēng)切變分別近似于0—3 km和0—6 km垂直風(fēng)切變。圖11給出各天氣型垂直風(fēng)切變箱線圖，由于低層冷空氣的侵入造成高低空風(fēng)向和風(fēng)速的切變，冷鋒型的0—6 km垂直風(fēng)切變均值最大，為12.1 m·s-1，25%～75%分位覆蓋范圍為6.0～16.2 m·s-1。華南沿海槽型和南海低壓槽型的切變最小，均值均為5.7 m·s-1。各類型0—3 km的切變均值分別為7.6 m·s-1、7.4 m·s-1、5.5 m·s-1和8.7 m·s-1，冷鋒型最大，其次為西南熱低壓型和華南沿海槽型。統(tǒng)計(jì)分析表明，除冷鋒型外，低層0—3 km垂直風(fēng)切變比中層0—6 km垂直風(fēng)切變更明顯，說(shuō)明在海南地區(qū)對(duì)雷暴大風(fēng)動(dòng)力條件的關(guān)注應(yīng)主要在低層。

圖11 各天氣型0—6 km(a)和0—3 km(b)垂直風(fēng)切變箱線圖(單位:m·s-1)Fig.11 Box and whisker plot of(a)0-6 km and(b)0-3 km vertical wind shears(unit:m·s-1)for different patterns.

結(jié)合前文分析，西南熱低壓型的大氣不穩(wěn)定能量最大，上干下濕特征明顯，在較小的垂直風(fēng)切變下，對(duì)流組織也能發(fā)展產(chǎn)生雷暴大風(fēng)；冷鋒型的大氣不穩(wěn)定能量最小，上干下濕特征明顯，在較大的垂直風(fēng)切變下，才能使對(duì)流組織發(fā)展產(chǎn)生雷暴大風(fēng)；季風(fēng)槽型的大氣不穩(wěn)定能量較大，水汽條件較好，在槽線附近有較好的動(dòng)力抬升條件，因此在較小的垂直風(fēng)切變下，對(duì)流組織也會(huì)發(fā)展產(chǎn)生雷暴大風(fēng)。

4.4 下沉氣流強(qiáng)度

風(fēng)暴自身的強(qiáng)下沉氣流是產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的主要因素，下沉對(duì)流有效位能DCAPE反映了對(duì)流云中下沉氣流到達(dá)地面時(shí)可能具有的最大動(dòng)能。存在一定的CAPE值時(shí)DCAPE的增大對(duì)雷暴大風(fēng)有較強(qiáng)的意義。DCAPE可以估算大氣下沉?xí)r的能量，其值越大，下沖能量越大，造成的風(fēng)速也越強(qiáng)。從各個(gè)類型的DCAPE箱線圖(圖12)可以看出，西南熱低壓型的DCAPE均值最大，為424 J·kg-1，約為其他類型的2倍，其由DCAPE產(chǎn)生的最大下沖速度的平均值為29.1 m·s-1，最大值為39 m·s-1，有利于強(qiáng)風(fēng)和下?lián)舯┝鞯陌l(fā)生。華南沿海槽型、南海低壓槽型和冷鋒型的DCAPE均值較小，分別為252 J·kg-1、205 J·kg-1和249 J·kg-1。從DCAPE值看，西南熱低壓型天氣形勢(shì)下的雷暴大風(fēng)風(fēng)力更大，這也與實(shí)際統(tǒng)計(jì)相符。

圖12 各天氣型DCAPE值箱線圖(單位:J·kg-1)Fig.12 Box and whisker plot of DCAPE(unit:J·kg-1)for different patterns.

5 結(jié)論與討論

本文將海南島近5 a的雷暴大風(fēng)日進(jìn)行篩選與統(tǒng)計(jì)，對(duì)其強(qiáng)度、時(shí)空分布、天氣形勢(shì)和物理量參數(shù)特征進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1)海南島年均雷暴大風(fēng)日數(shù)為60 d，集中出現(xiàn)在5—8月，其中5月最多。雷暴大風(fēng)日變化特征明顯，4—8月大部分地區(qū)出現(xiàn)的雷暴大風(fēng)主要集中在午后14—17時(shí)，與午后熱力效應(yīng)相關(guān)；6—9月在01—05時(shí)還存在一個(gè)次峰值，與季風(fēng)槽的活動(dòng)相關(guān)；10月至次年4月雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)間與冷空氣影響海南的時(shí)間相關(guān)。海南地區(qū)出現(xiàn)的雷暴大風(fēng)最大陣風(fēng)均在8級(jí)及以上，風(fēng)速較大、強(qiáng)度較強(qiáng)。

(2)產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的形勢(shì)主要可以分成三類：西南熱低壓型、季風(fēng)槽型和冷鋒型，其中季風(fēng)槽型根據(jù)槽線位置可以分為華南沿海槽型和南海低壓槽型。西南熱低壓型主要出現(xiàn)在5—6月的午后到傍晚時(shí)間段，以熱力作用為主，對(duì)應(yīng)的雷暴大風(fēng)落區(qū)主要位于海南島東北部；華南沿海槽型集中出現(xiàn)在5—8月的午后時(shí)間段，易在海南島東北部和西部產(chǎn)生雷暴大風(fēng)天氣；南海低壓槽型主要出現(xiàn)在7—8月，從早上到傍晚均有發(fā)生，最多時(shí)間段為午后，主要雷暴大風(fēng)落區(qū)位于海南島北部、東部和南部的沿海地區(qū)；冷鋒型主要發(fā)生在4月和10月，雷暴大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)段與冷空氣影響海南的時(shí)間密切相關(guān)，落區(qū)主要位于五指山以北的沿海地區(qū)。

(3)環(huán)境物理量參數(shù)特征分析表明，西南熱低壓型的大氣不穩(wěn)定能量最大，上干下濕特征明顯，在較小的垂直風(fēng)切變下，對(duì)流組織也能發(fā)展產(chǎn)生雷暴大風(fēng)；冷鋒型的大氣不穩(wěn)定能量最小，上干下濕特征明顯，在較大的垂直風(fēng)切變下，才能使對(duì)流組織發(fā)展產(chǎn)生雷暴大風(fēng)；季風(fēng)槽型的大氣不穩(wěn)定能量較大，水汽條件較好，在槽線附近有較好的動(dòng)力抬升條件，因此在較小的垂直風(fēng)切變下，對(duì)流組織也會(huì)發(fā)展產(chǎn)生雷暴大風(fēng)。季風(fēng)槽型中低層相對(duì)濕度差別不大，可能出現(xiàn)整層較濕的情況，該類型發(fā)生雷暴大風(fēng)天氣時(shí)，可能會(huì)伴隨短時(shí)強(qiáng)降水的天氣。西南熱低壓型的下沉氣流強(qiáng)度最大，約為其他類型的2倍，該類型下出現(xiàn)的雷暴大風(fēng)風(fēng)力會(huì)比其他類型的更大。

本文研究了在雷暴大風(fēng)不同天氣型下代表大氣環(huán)境特征的物理量參數(shù)特征，如何利用這些物理量參數(shù)選取指標(biāo)閾值，建立海南島雷暴大風(fēng)潛勢(shì)客觀預(yù)報(bào)方法，是值得進(jìn)一步探討的科學(xué)問(wèn)題。