雷暴與強對流臨近天氣預報技術的探討

丁文文

摘 要：雷暴和強對流臨近天氣預報技術的研究和應用對準確預警和防范極端天氣事件具有重要意義?；诖?，對雷暴與強對流臨近天氣預報技術進行了研究，分析了我國臨近天氣預報技術的現狀，以及雷暴的生成、發(fā)展和消散的臨近預報，闡述了強對流天氣的臨近預警，提出了高分辨率數值預報模式的應用策略。

關鍵詞：雷暴；強對流；臨近天氣預報

中圖分類號：P45 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）02–0-03

雷暴和強對流是天氣系統(tǒng)中的一種極端天氣現象，伴隨著強降雨、強風、冰雹和龍卷風。準確預測和及時預警這些天氣事件對保護人民生命財產安全至關重要。因此，研究雷暴和強對流臨近天氣預報技術具有重要意義。在過去的幾十年間，天氣預報技術取得了巨大的進步。利用氣象觀測資料、數值模式、衛(wèi)星圖像和雷達回波，可以更好地了解和分析雷暴和強對流天氣的形成機制與發(fā)展規(guī)律。同時，機器學習、人工智能等新興技術的引入，為預測提供了新的思路和方法。然而，在雷暴和強對流預報方面仍面臨著一些挑戰(zhàn)，包括諸如復雜的天氣系統(tǒng)相互作用、地形和局部特征的影響以及觀測數據的不確定性等問題。因此，需要不斷改進預報模型，提高數據質量，加強與其他相關領域的交叉研究，提高雷暴和強對流臨近天氣預報的準確性與及時性。

1 我國臨近天氣預報技術的現狀

中國氣象預報技術進步顯著，氣象預報能力處于世界領先水平。我國已經建立了一系列高分辨率、多尺度的數值天氣預報模式，包括中國氣象局地球系統(tǒng)數值預報中心開發(fā)的GRAPES模式，可以提供逐時到長期的預報，準確預測降水、溫度、風速等天氣要素。衛(wèi)星遙感技術在近地面天氣預報中起著重要的作用。我國擁有一系列氣象衛(wèi)星，可以獲得云圖、水汽圖、紅外圖像等廣泛的觀測數據，為判斷天氣系統(tǒng)的演變提供幫助。雷達技術在近地面天氣預報中起著重要的作用。我國建立了一套完善的雷達觀測網，可以實時監(jiān)測降水情況和風暴結構，這些觀測數據可用于短時強降水、風暴的預警等。資料同化是將觀測資料與數值模式結果相結合以提高預報精度的一項關鍵技術。我國在數據同化方面積累了豐富的經驗，可以有效地利用衛(wèi)星、雷達和地面觀測數據優(yōu)化模式預報結果。集合預報是通過組合多個初始條件和參數來估計不確定范圍。我國已經建立了集合預報系統(tǒng)，并不斷優(yōu)化其算法和方法，以提供更可靠的概率預報[1]。

綜上所述，我國近地面天氣預報技術取得了很大進步，不斷提高預報的準確性和及時性，為人們提供了更加可靠的天氣信息。

2 雷暴的生成、發(fā)展和消散的臨近預報

2.1 雷暴的生成

雷暴的產生是一個復雜的過程，雷暴通常是在不穩(wěn)定的大氣條件下形成的，這意味著空氣能夠在上升氣流的作用下迅速上升并發(fā)展成云。上升氣流可以由多種機制引起，如地形抬升、輻合線、冷鋒和對流輻合。當這些機制產生強大的上升氣流時，它們有利于雷暴的發(fā)展。濕度是雷暴形成的另一個重要因素，高濕度有助于增加對流中的水蒸氣含量，為云體提供充足的水分。在雷暴產生的過程中，存在強迫擾動，如鋒面系統(tǒng)、對流輻合線或其他類型的氣象擾動，會觸發(fā)和維持雷暴的產生。充分整合大氣靜態(tài)穩(wěn)定性和水汽條件，并根據我國規(guī)定的相關指標參數對相關對流參數進行嚴格分析和判斷。這樣可以綜合考慮大氣的穩(wěn)定性和水汽含量，為對流的產生提供依據。對流的實際有效勢能與實際抑制能成反比。因此，當對整個大氣對流層的主輻合進行測試時，可以觀察到對流有效勢能的持續(xù)增加趨勢，同時結合對應的對流能量呈現下降趨勢。這種分析方法有助于評價大氣對流的潛力和可能性。探空資料是常規(guī)分析方法之一，可以客觀、全面地評價大氣靜力穩(wěn)定度和水汽狀況。通過分析探空數據中的溫度、露點等參數，可以獲得大氣分層、濕度等信息，從而更好地判斷對流的發(fā)展趨勢。在分析過程中，可及時將探空計算的對流有效位能進行簡單計算和動態(tài)化優(yōu)化?？紤]平流過程的變化，可以獲得更準確的對流能量信息，有助于更準確地預測雷暴的產生。綜上所述，為了檢驗整層大氣對流的主要趨勢，需要綜合分析大氣靜力穩(wěn)定度、水汽條件和對流參數等因素。結合實際情況，采用探空數據分析和動態(tài)校正探空方法，可以更好地評價大氣對流的潛力和可能性。這些分析方法對預測雷暴的發(fā)生具有重要意義[2]。

2.2 雷暴的維持、發(fā)展和衰減

雷暴的維持、發(fā)展和衰減與很多因素密切相關。垂直風切變是指高、低海拔地區(qū)風速和風向的差異。較小的垂直風切變有利于雷暴的發(fā)展和維持，而較大的垂直風切變則可能抑制雷暴的發(fā)展。雷暴的流出邊界是指雷暴產生的冷空氣流向其周圍環(huán)境的邊界。若雷暴的流出邊界與上層風向一致，則能促進雷暴的維持和加強。反之，若雷暴上升氣流的傾斜偏離上層風向，則不利于雷暴的加強和維持。對流有效位能（CAPE）是大氣中對流能量的度量，對雷暴的發(fā)展和維持具有重要意義。當雷暴進入穩(wěn)定區(qū)域，缺乏適當的對流有效勢能時，將進一步消散。探空曲線是確定實際穩(wěn)定區(qū)域的重要依據，是否屬于穩(wěn)定區(qū)域可根據有無積云進一步確定。此外，高分辨率氣象衛(wèi)星的可見云圖也是精細分析的重要工具。雷達通過估算1 h內的高降水積累面積，可以進一步了解弱平流情況下該區(qū)域可能保持穩(wěn)定的時間范圍。

2.3 高架雷暴

高架雷暴是一種特殊類型的雷暴，與地面周圍上升的氣團引起的雷暴不同。架空雷暴通常位于邊界層以上，其觸發(fā)機制主要與中尺度輻合切變線有關。冷空氣在地面周圍形成一個穩(wěn)定的層，但不能提供地面空氣塊所需的浮力。反之，逆溫層成為架空雷暴產生的關鍵介質，通過逆溫層頂部空氣塊的絕熱上升獲得浮力，從而產生雷暴。在高架雷暴預報中，對流有效位能的評價非常重要，通常選擇最不穩(wěn)定的對流有效位能作為評價指標，充分利用逆溫層頂部空氣塊的絕熱上升獲取能量。輻合切變線的位置對高架雷暴預報具有挑戰(zhàn)性，高架雷暴通常是在輻合切變線的觸發(fā)下發(fā)生的，因此準確確定輻合切變線的位置對雷暴預報具有一定的難度。架空雷暴在我國比較常見，主要出現在早春和晚秋，這種雷暴也可能發(fā)生在清晨和其他時間段。雷暴常常伴隨著大風、冰雹和其他災害。高架雷暴的存在會導致陣風鋒的形成，并促進新雷暴的發(fā)展，新雷暴會轉變?yōu)榉歉呒芾妆⒖赡芤l(fā)冰雹、龍卷風等[3]。

2.4 自動外推算法

2.4.1 風暴單體識別與跟蹤算法（SCIT）

風暴單體識別與跟蹤算法是新一代雷達發(fā)展中的重要算法之一。通過合理設置閾值，確定三維雷暴單體，并提供雷暴質心坐標、液態(tài)水積累等信息。通過比較雷暴的實際預報位置與當前位置的差值，可以準確預測未來雷暴的具體位置（例如15、30、45 min）。SCIT是一種常用且成熟的算法，通過對實際數據的分析，將風暴單體的實際路徑偏差控制在一定范圍內。

2.4.2 雷暴識別動態(tài)跟蹤分析（TITAN）

雷暴識別動態(tài)跟蹤分析算法主要用于雷暴識別、動態(tài)跟蹤和近場預報，起源于美國，經過不斷優(yōu)化升級。TITAN采用直角坐標系，根據其具體規(guī)格和要求確定對流單體的強度與體積，滿足設定條件即可判斷為雷暴對流單體。該方法適用于多部雷達處于合理距離的情況，最終生成雷達的三維數字圖像。TITAN算法的特點是識別率高，除質心坐標外，還包括體積和投影面積。

2.4.3 跟蹤雷達回波（TREC）

TREC算法最大限度地利用跟蹤雷達回波，以圖像識別技術為核心進行動態(tài)跟蹤。通過選擇交叉掃描雷達的特定仰角，構建完整的二維回波圖像。TREC將特定時間段內采集的雷達數據劃分為相同體積的區(qū)域，并對不同時間區(qū)域內的像元進行交叉分析，從而確定整個回波的實際運動矢量。TREC算法的另一個優(yōu)點是可以計算反射率因子區(qū)域的降水率場，結合時間段積累預測未來30 min或60 min的降雨量，以此實現更準確的預報[4]。

3 強對流天氣的臨近預警

3.1 強冰雹

強冰雹是一種強對流天氣現象，只有在一定的環(huán)境條件下才能形成。強冰雹不一定伴隨著雷暴，因此它的產生因子比較高。強冰雹需要持續(xù)時間較長的強上升氣流，有利于冰雹的形成和發(fā)生。對流勢能是大氣釋放對流勢能的能力的量度。大的對流有效勢能有利于強冰雹的形成。深垂直風切變是指在0～6 km高度的大氣中風速和風向的變化。強烈的深垂直風切變有助于維持冰雹的旋轉和持續(xù)發(fā)展。冰雹通常在0 ℃層以下融化，因此大氣中0 ℃層的高度不宜過高。需要注意整個微物理條件，尤其是冰雹實際生長層的溫度范圍要覆蓋充足的過冷水滴。強雹天氣雷達具有相應的回波特征，回波中心強度增強和高度顯著上升。這些特征可以表明強冰雹的風險增加，并且最初估計的冰雹直徑可能會增加。

3.2 雷暴大風

雷暴大風是強對流天氣中的重要現象，準確的臨近預警至關重要。在多普勒天氣雷達的觀測下，根據回波的基本特征可以對雷暴大風進行估計。在強雷暴下，周圍相對干燥的空氣逐漸被吸入，整個風暴下沉，導致了短時間向下加速。雷暴過程中，中層干空氣混入雷暴，表現為徑向輻合。通常，在垂直方向上，這些特征出現在2～7 km的高度范圍內。一般情況下，雷暴大風環(huán)境的垂直速度差應大于25 m/s，為強垂直運動。結合實際情況，可以判斷其是否具有較強的特點。在有利的雷暴風環(huán)境下，超級單體中的中氣旋可以有效地將周圍干燥空氣困入雷暴的下沉氣流中，進一步加速雨滴的蒸發(fā)冷卻，形成向下加速。這一過程導致氣旋表面附近的壓力下降，并產生相應的壓力梯度。當下沉氣流到達地面時，受到壓力梯度的影響，風速明顯加快。

3.3 龍卷風

龍卷風是一種常見的惡劣天氣現象，危害嚴重。龍卷風內部最大風速可達140 m/s，可分為5級。龍卷風可能在全球范圍內發(fā)生。龍卷風臨近預警主要依靠多普勒氣象雷達對中氣旋的探測，龍卷風發(fā)生的概率約為20%。當中氣旋底部與地面的距離小于1 km時，產生龍卷風的概率升至40%，這意味著中氣旋離地面越近，發(fā)生龍卷風的可能性越大。龍卷風的發(fā)生通常伴隨著較高的垂直風切變和低層相對濕度，當探測到強中氣旋或中等及以上強度的中氣旋時，龍卷風發(fā)生的概率顯著上升，而底部距離地面通常不超過1 km。

綜上所述，龍卷風預警作為一種嚴重的惡劣天氣現象，主要基于多普勒天氣雷達對中氣旋的探測。龍卷風發(fā)生的概率約為20%，但當中氣旋接近地面，環(huán)境條件滿足低空垂直風切變和高相對濕度時，龍卷風發(fā)生的概率會顯著上升。準確的龍卷風預警對及時采取安全措施至關重要。

3.4 對流性暴雨

預報的準確性對引起暴洪的對流風暴預警至關重要。各小流域產生的山洪是否超過實際降水閾值是預報的關鍵內容。這一閾值與整個盆地的地貌特征和前期降水密切相關。在地形復雜的地區(qū)，小流域的山洪閾值較低。假設存在先前的降水，這個閾值可能更低。因此，預測各子流域當天的降水量是否超過山洪閾值就成為一項必要的任務。在大陸對流降水估計中，冰雹的存在是降雨強度估計的一個關鍵誤差源。表1列出了當反射率因子分別為40、45、50 dBz時，大陸對流降水類型和熱帶降水類型對應的降雨強度。

綜上所述，對流風暴引起暴洪的預警需要關注暴洪閾值與地貌特征之間的相關性，并估計各子流域當天的降水量是否超過暴洪閾值。此外，降雨強度的估計受冰雹的影響，不同的反射率因子對應不同的降雨強度。準確的預報可以提前采取相應的措施，以減少流暴雨可能帶來的災害。

4 高分辨率數值預報模式的應用

高分辨率數值預報模式在實際預報中得到了廣泛的應用。通過高分辨率數值預報模型，可以在短時間內提供更新后的環(huán)境參數。其中，美國開發(fā)的快速更新周期（RUC）是最具代表性的制度之一。RUC系統(tǒng)采用先進的三維變分技術，每小時更新一次，生成相應的分析場，并以此為基礎生成18 h預報。預報員可以主動選擇合適的系統(tǒng)，提供相應的參數條件，并利用實際觀測數據進行準確分析。同時，需要對18 h預報進行嚴格的測試，以評估系統(tǒng)計算的各種參數的精度。由于大多數雷暴的雷達回波的實際應用時間小于1 h，為了解決這一問題，需要及時將雷達回波外推與高分辨率數值預報充分結合起來，形成完善的預報方法，這種綜合方法可以提高預測的準確性。

5 結束語

雷暴和強對流是天氣系統(tǒng)中高度不穩(wěn)定和潛在有害的現象。準確預測和及時預警這些天氣事件對保護人民生命財產安全至關重要。通過分析相關數據，應用數值預報模型，提取臨近天氣的關鍵參數和特征，如龍卷風、山洪閾值、降雨強度等。同時，多普勒天氣雷達和高分辨率數值預報模式等工具的應用，為雷暴和強對流的預報和監(jiān)測提供了更全面、更準確的方法。然而，仍然存在一些挑戰(zhàn)。例如，在復雜地形和冰雹等現象的預測中仍然存在一定的誤差。此外，提前預測時間，也需要提高預測精度。綜上所述，發(fā)展雷暴和強對流臨近天氣預報技術對提高預警能力、降低災害風險具有重要意義。通過不斷地研究和改進，可以不斷提高預報和預警的準確性，為社會提供更可靠的天氣信息，以應對雷暴和強對流帶來的挑戰(zhàn)。

參考文獻

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