黃南雷暴大風的時空分布及環(huán)境參量特征分析

郭安欣，邢子毅，王 敏

青海省黃南州氣象臺，青海黃南 811300

雷暴大風是指大氣對流活動所導致的地面及近地面的強風事件，通常是電閃雷鳴時出現(xiàn)風力≥17.2 m/s(8級)的瞬時大風，屬中小尺度天氣系統(tǒng)，具有局地性、突發(fā)性、致災性強的特點，常造成重大生命財產(chǎn)損失[1]。雷暴大風短時預報準確率低，臨近預警提前量小，是黃南氣象預報預警業(yè)務的短板之一。研究大氣環(huán)境條件有助于了解雷暴大風發(fā)生前的物理量分布特征，提高潛勢預報準確率。在前期預報經(jīng)驗的基礎上，梳理2020—2021年黃南17個雷暴大風個例，利用探空資料選取多個用于表征熱力、動力和水汽條件的物理量參數(shù)，嘗試歸納對黃南雷暴大風具有預報指示意義的物理量指標，為開展此類天氣潛勢預報提供參考[2]。

1 資料和方法

選用黃南地區(qū)2020—2021年常規(guī)地面觀測資料、高空觀測資料，利用數(shù)學統(tǒng)計與對比分析法、配料法、百分位數(shù)法和天氣學原理，分析期間雷暴大風時空分布、環(huán)流特征和物理量診斷等。當某時次國家站(尖扎本站、同仁本站、澤庫本站、河南本站)出現(xiàn)≥17.2 m/s大風且在其20 km范圍內(nèi)出現(xiàn)雷電活動，記為該站出現(xiàn)一次雷暴大風天氣個例。

2 雷暴大風的時空分布特征

2.1 空間分布特征

黃南地勢北低南高，對比分析各測站雷暴大風出現(xiàn)次數(shù)與其海拔，發(fā)現(xiàn)雷暴大風出現(xiàn)次數(shù)與測站海拔增加呈顯著的負相關，相關系數(shù)為-0.83，通過0.10顯著性檢驗。黃南北部地區(qū)雷暴大風次數(shù)明顯高于南部，尖扎(海拔2 086.5 m)最多，同仁次之(海拔2 475 m)，澤庫、河南較少(海拔3 500 m以上)。因為雷暴大風多屬中小尺度系統(tǒng)，小范圍大風的風力變化受地形影響極大，海拔較高的南部牧區(qū)受摩擦作用影響，可能造成風力減弱。對流風暴中下沉氣流由于降水蒸發(fā)冷卻在到達地面時形成冷池并向四面擴散形成大風，河谷地形產(chǎn)生狹管效應，更利于風速增大[3]。

2.2 時間分布特征

黃南雷暴大風集中在5—8月，呈單峰形分布，7月達到峰值，有6次，占總數(shù)的35.3%，5月次之(5次)，6月與8月相對較少(各3次)(圖1a)，6—8月雷暴大風日數(shù)占全年總數(shù)的70.58%，9月至翌年4月無雷暴大風日。從日變化看，10:00開始出現(xiàn)雷暴大風，持續(xù)至14:00，其中，10:00出現(xiàn)2次，11:00、12:00、13:00、14:00分別出現(xiàn)1次，16:00后出現(xiàn)次數(shù)明顯增加，17:00～19:00是雷暴大風出現(xiàn)的高峰時段，峰值在17:00(圖1b)，達3次，23:00出現(xiàn)2次雷暴大風過程，00:00～03:00、05:00～09:00兩個時段未出現(xiàn)過雷暴大風?？梢娎妆┐箫L集中在15:00左右，此時段地面溫度較高，大氣中不穩(wěn)定能量最強，對流抑制減弱，利于雷暴大風的發(fā)生。

圖1 2020—2021年黃南雷暴大風日5—8月能量與抬升參數(shù)箱線圖

3 雷暴大風的環(huán)流形勢分型

以500 hPa天氣系統(tǒng)為主，將統(tǒng)計得到的17個雷暴大風天氣個例歸納為高壓脊型、低槽型、西北氣流型、副高邊緣型、冷渦型(同時海域上有熱帶系統(tǒng))環(huán)流形勢。高壓脊型下的雷暴大風個例有7個，占總數(shù)的41.1%；西北氣流型次之，有5個，占比為29.4%；低槽型和蒙古冷渦影響下的個例均有2個，各占個例總數(shù)的11.8%；副高邊緣型背景下的雷暴大風占比5.9%。從各類天氣型季節(jié)特征來看，高壓脊和西北氣流影響下的雷暴大風主要在春末和夏季(5—8月)，低槽和冷渦影響下的雷暴大風主要出現(xiàn)在7—8月，副高西側出現(xiàn)雷暴大風在6月。

4 雷暴大風發(fā)生前的環(huán)境條件

4.1 能量與抬升參數(shù)

從5—8月雷暴大風的對流有效位能CAPE箱線圖分布來看(圖1a)，5月CAPE含量明顯偏高，最大值為1 791.1 J/kg，箱體更寬，不穩(wěn)定能量值分布更分散，6—8月CAPE變幅相似，下四分位數(shù)至上四分位數(shù)值為1.25～107.4 J/kg。可見，夏季雷暴大風發(fā)生時需要對流有效位能相對較低，CAPE含量相對中國中東部及沿海地區(qū)整體偏小，可能是青海海拔偏高造成的[4]。

通過箱線圖分析對比各月雷暴大風發(fā)生前的對流抑制有效位能CIN指數(shù)(圖1b)發(fā)現(xiàn)，7月箱線圖箱體最寬，6月和8月CIN值分布較集中。各月都有CIN為0的過程發(fā)生，其中，6月所有過程CIN都為0。各月平均值相差較大，5—8月分別為46.22、0、318.48、0.85 J/kg。雷暴大風發(fā)生前CIN指數(shù)沒有規(guī)律。強對流發(fā)生時CIN必須為合適的值：CIN太大，抑制對流程度高，不易發(fā)生對流；CIN太小，不穩(wěn)定能量不易在低層積聚，易發(fā)生弱對流。僅僅憑借這幾次過程樣本很難提煉出合適值，暫不考慮CIN為雷暴大風天氣預報指標。

5—8月雷暴大風發(fā)生前抬升指數(shù)LI最小值分別為-1.93、-0.65、-1.62、-0.19 ℃(圖1c)，與云南地區(qū)春夏季發(fā)生雷暴大風前的LI指數(shù)上四分位數(shù)值接近，均為-1 ℃左右。但從黃南地區(qū)上四分位數(shù)值來看，僅5月為負值，其余3個月均為LI＞0，且各月箱體較寬，離散度較大，指示意義不大，故排除LI作為預報雷暴大風的指標因子。

從最大抬升指數(shù)BLI指數(shù)箱線圖分布看出(圖1d)，5月和8月BLI值都＜0，6月各值均為1.6 ℃，7月除最小值為-1.8 ℃而外，其余各值均＞0，說明無論BLI值＞0或＜0，都可能有雷暴大風發(fā)生，因此也不適合將BLI指數(shù)作為黃南雷暴大風潛勢預報的指標。

4.2 大風參數(shù)

各月臨近雷暴大風發(fā)生前下沉對流有效位能DCAPE平均值為73.85～416.6 J/kg，5月下沉氣流特征最顯著，箱形圖箱體最寬，最大值為651.9 J/kg，平均416.6 J/kg，中位數(shù)值為532.8 J/kg。6月箱體較寬，下、上四百分位數(shù)值分別為21.8和315.95 J/kg，7、8月箱體相對較窄，數(shù)值分布略密集，但DCAPE值明顯低于5月，與我國云南等地區(qū)春季情況類似。由此可知，春季大氣斜壓性較強，利于對流發(fā)展，因此雷暴大風發(fā)生前，春季動力作用較夏季顯著。

從圖2b中0～6 km垂直風切變(shr 0-6)分布看出，5—8月均值為11.43～21.06 m/s，6月各值高于其他月份，其最小值在10 m/s以上，最大值為38.7 m/s，下四分位數(shù)和上四分位數(shù)分別為12.25 m/s和26.3 m/s，中位數(shù)為13.9 m/s。強的垂直風切變有利于風暴持續(xù)發(fā)展，可加強中層干冷空氣吸入，加強風暴中下沉氣流和低層冷空氣外流。

從圖2c中0～3 km垂直風切變(shr0-3)箱線圖分布看，各月平均值和中位數(shù)值相差不大。6月平均值略高于其余月份，超過10 m/s。此外，各月的箱形都不是特別寬，垂直風切矢量分布相對集中。與其他地區(qū)垂直風切相比，數(shù)值整體偏小，這可能與青海地面海拔較高有關。

4.3 熱力參數(shù)

黃南地處高原，海拔在2 000 m以上，選取700 hPa與500 hPa等壓面上的假相當位溫表征這種層結穩(wěn)定度，當700～500＞0時，表示氣層不穩(wěn)定。

從高低層溫度差T箱線圖(圖3)分布可看出，高低層溫度差無明顯月季變化，除5月箱形較寬外，其余3個月箱形特征差異不大，說明溫差變化平穩(wěn)。5月下、上四百分位數(shù)值分別為13.3、19.5 ℃，夏季6—8月下和上四百分位數(shù)值為14.6～18.2 ℃，可見春季整體高低層溫差較夏季更大，表明臨近發(fā)生雷暴大風前，春季較夏季大氣不穩(wěn)定性更強。

圖3 2020—2021年黃南雷暴大風日5—8月熱力參數(shù)箱線圖

圖4 2020—2021年黃南雷暴大風日5—8月水汽參數(shù)箱線圖

通過分析假相當位溫差箱線圖發(fā)現(xiàn)，6、7、8月箱線圖箱體較寬，即高低空的假相當位溫差值較分散，而5月差值較集中。各月下四百分位數(shù)值分別為-1.17、-3.09、-0.12、-0.42 ℃，中位數(shù)分別為-0.89、-0.5、4.39、0.55 ℃，上四百分位值分別為-0.89、0.93、8.23、2.5 ℃，均值分別為-0.34、-1.27、3.44、0.55 ℃?？梢钥闯觯杭炯傧喈斘粶夭顬樨?，夏季高低空位溫差也有正有負，難以憑借此物理量說明雷暴大風發(fā)生前大氣層結不穩(wěn)定，故排除此物理量作為黃南雷暴大風潛勢預報分析的參考依據(jù)。

4.4 水汽參數(shù)

考慮南北地區(qū)海拔差異，北部采用700 hPaT-Td(約3 000 m)，南部采用500 hPaT-Td(約5 500 m)。從各月溫度露點差T-Td變化看，無明顯季節(jié)變化，5、6、7、8月雷暴大風發(fā)生前對應的T-Td范圍較寬，平均值分別為9.22、2.83、8.66、0.25 ℃，下四分位數(shù)分別為9、2.15、7.2、0.175 ℃，8月T-Td值最小，均在0.5 ℃以下，且離散度也最小，因為8月青海常處于副高外圍，頻繁受到低層西南季風的影響，使得該區(qū)域整層大氣水汽含量相對較多。

4.5 雷暴大風天氣潛勢預報指標

在以上箱線圖分析結果的基礎上，用平均值和中位數(shù)計算出的閾值相差不大，若采用這2種方法作為預警指標，易出現(xiàn)漏報；若采用最小值作為預報閾值，可能會出現(xiàn)大量虛警；將下四百分位值或上四百分位值作為參考值，即當大于或小于這個閾值時，有75%左右的樣本都包括在內(nèi)，將此邊界值作為物理量參數(shù)的參考閾值，雖仍會有漏報，但虛警率會下降，總體來說更加合理，可靠性更強。因此，采用下四百分位數(shù)值作為預報指標的最低標準，列出黃南雷暴大風天氣的關鍵參數(shù)預報指標(表1)。

表1 2020一2021 年黃南雷暴大風物理量參數(shù)參考閾值

5 結論

(1)雷暴大風次數(shù)與測站海拔增加呈顯著負相關，黃南北部為河谷階地，海拔較低，雷暴大風次數(shù)明顯少于南部高海拔牧區(qū)。

(2)黃南雷暴大風主要在白天，集中在中午，此時段地面溫度較高，大氣中不穩(wěn)定能量最強，對流抑制能減弱，有利于雷暴大風的發(fā)生。雷暴大風只發(fā)生在春夏季(5—8月)，期間出現(xiàn)日數(shù)占全年總數(shù)70.58%，與夏季熱力條件有關。

(3)高壓脊和西北氣流影響下的雷暴大風主要出現(xiàn)在春末和夏季(5—8月)，低槽和冷渦影響下的雷暴大風主要在7—8月，副高西側出現(xiàn)雷暴大風主要在6月。

(4)用配料法和百分位數(shù)法對多個表征動力、熱力、水汽的探空對流指數(shù)進行分析，篩選出CAPE、DCAPE、Shr0-3、Shr0-6、T、T-Td可作為產(chǎn)生黃南雷暴大風的環(huán)境參量，對其劃分閾值并得出黃南雷暴大風天氣潛勢預報指標最低標準。發(fā)現(xiàn)雷暴大風發(fā)生前春季以動力作用為主，大氣不穩(wěn)定性更強，夏季以熱力作用為主，濕對流有效位能含量相對較低，水汽條件無明顯月季變化。