吉林市強(qiáng)對流天氣分類及監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)的初探

摘 要：利用地面、高空觀測資料、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）ERA 5再分析資料、ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品、多普勒天氣雷達(dá)、災(zāi)情直報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及收集的實(shí)況資料等資料，統(tǒng)計(jì)2021—2023年吉林地區(qū)強(qiáng)對流天氣，對每類天氣進(jìn)行分型，探究每類強(qiáng)對流天氣的環(huán)境條件及物理量特征，并建立相應(yīng)指標(biāo)，以期提高吉林市短時(shí)臨近預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，為農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)對流天氣；垂直風(fēng)切變；低空急流；溫度垂直遞減率

中圖分類號(hào)：P456 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）08–0-03

強(qiáng)對流天氣是指發(fā)生突然、移動(dòng)迅速、天氣劇烈、破壞力強(qiáng)的災(zāi)害性天氣，主要有雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等，其對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人類生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。盡管許多氣象學(xué)者對強(qiáng)對流天氣進(jìn)行過研究，并形成一些科研成果，但在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中，常出現(xiàn)漏報(bào)情況，預(yù)報(bào)難度較大[1]。

強(qiáng)對流天氣是吉林市春、夏季主要災(zāi)害性天氣之一。對此，基于ERA5再分析資料對吉林市地區(qū)強(qiáng)對流天氣進(jìn)行相關(guān)研究，力求揭示各類強(qiáng)對流發(fā)生和發(fā)展的大尺度環(huán)流背景、中尺度結(jié)構(gòu)特征及物理量場、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)產(chǎn)品各要素指標(biāo)的發(fā)展演變特征，探索具有實(shí)用價(jià)值的預(yù)報(bào)指標(biāo)，為做好強(qiáng)對流預(yù)報(bào)提供有益的研究成果，并對吉林市農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，建立吉林市強(qiáng)對流預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，便于氣象業(yè)務(wù)人員隨時(shí)查閱，以提高吉林市短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

1 國內(nèi)外關(guān)于強(qiáng)對流天氣的研究進(jìn)展

1.1 國外理論成果

國外針對強(qiáng)對流天氣的研究已形成一定的理論基礎(chǔ)，Doswell得出風(fēng)暴動(dòng)力結(jié)構(gòu)（風(fēng)暴種類）及風(fēng)暴潛在的影響力很大程度上取決于熱力不穩(wěn)定、風(fēng)的垂直切變和水汽垂直分布3個(gè)因子，中尺度系統(tǒng)提供了觸發(fā)對流的抬升條件[2]。

此外，部分國外專家對多普勒天氣雷達(dá)也展開了相關(guān)研究，Brown和Doswell等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀測到強(qiáng)中氣旋時(shí)，發(fā)生龍卷的平均概率約為20%，在觀測到中氣旋的基礎(chǔ)上再探測到龍卷渦旋特征時(shí)，發(fā)生龍卷的概率＞50%；Will等指出，當(dāng)強(qiáng)回波區(qū)擴(kuò)展到-20 ℃等溫線高度之上時(shí)，對強(qiáng)降雹的潛勢貢獻(xiàn)最大；Amburn和Wolf認(rèn)為如果垂直積累液態(tài)水含量密度＞4 g/m3，則風(fēng)暴會(huì)產(chǎn)生直徑＞2 cm的大冰雹。

1.2 國內(nèi)理論成果

國內(nèi)學(xué)者將相關(guān)理論成果應(yīng)用于短時(shí)臨近預(yù)報(bào)實(shí)際工作中。有學(xué)者分析了雷暴大風(fēng)天氣500 hPa大氣環(huán)流背景，將其分為5種模型；翟菁等[3]用配料法或指標(biāo)疊套法建立了冰雹、雷雨大風(fēng)的指標(biāo)；劉若冰等[4]認(rèn)為，當(dāng)-6 ℃＜沙氏指數(shù)＜-3 ℃時(shí)，強(qiáng)雷暴發(fā)生的可能性非常大；水汽條件方面，梁愛民等[5]指出普通雷暴要求大氣中含有較高的水量，而雷暴大風(fēng)則較低；在動(dòng)力方面，雷暴是由地面或低空中尺度切變線或輻合線觸發(fā)產(chǎn)生的，尤其是在切變線輻合較強(qiáng)或中尺度氣旋性渦旋區(qū)；吳愛敏[6]揭示了冰雹和強(qiáng)降水的多普勒雷達(dá)VWP資料的前兆特征，并指出了不同強(qiáng)對流天氣雷達(dá)回波特征。

2 資料數(shù)據(jù)與天氣實(shí)況個(gè)例

2.1 資料數(shù)據(jù)

使用資料包括高空觀測數(shù)據(jù)、逐小時(shí)國家級氣象站地面觀測數(shù)據(jù)、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）ERA5再分析資料（水平空間分辨率為0.25°×0.25°）、ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品，結(jié)合吉林市多普勒雷達(dá)資料、災(zāi)情直報(bào)數(shù)據(jù)及收集反饋冰雹相關(guān)數(shù)據(jù)[7-8]。

2.2 天氣實(shí)況個(gè)例

選取2021—2023年吉林市地區(qū)強(qiáng)對流天氣個(gè)例。其中，冰雹天氣為16 d（實(shí)況冰雹直徑為2～3 mm或更大），雷暴大風(fēng)天氣為19 d，短時(shí)強(qiáng)降水天氣為41 d。

同時(shí)，按照500 hPa環(huán)流形勢和850 hPa風(fēng)場將每類強(qiáng)對流天氣分為高空低渦型、切變型、高空槽型和副高后部型。

3 強(qiáng)對流天氣環(huán)境條件及物理量閾值

3.1 冰雹天氣環(huán)境參數(shù)

利用ERA 5再分析資料，從500 hPa形勢和850 hPa風(fēng)場來看，在16例冰雹天氣過程中，高空槽型5例、高空低渦型8例，副高后部型3例。對16例冰雹過程的環(huán)境條件進(jìn)行分析，提煉出有利于冰雹（實(shí)況冰雹直徑＞2～3 mm）產(chǎn)生的環(huán)境條件指標(biāo)，得到如下結(jié)果。

（1）對流不穩(wěn)定層結(jié)。溫度垂直遞減率較大時(shí)容易產(chǎn)生冰雹[9-10]。從冰雹個(gè)例庫可見，可以將溫度垂直遞減率的閾值取為25 ℃。強(qiáng)對流不穩(wěn)定層結(jié)850 hPa與500 hPa溫度差（T850-500）≥25 ℃對對流有效位能沒有強(qiáng)制性要求。當(dāng)出現(xiàn)冰雹潛勢時(shí)，對流有效位能值＞514 J/kg，說明具有指示意義。引發(fā)冰雹天氣的低層水汽條件：925 hPa溫度露點(diǎn)差（T-Td 925）≤4 ℃，850 hPa

水汽通量（Qfl 850）≥2 g/（cm·hPa·s），850 hPa比濕（Q850）

≥3.5 g/kg。

（2）垂直風(fēng)切變。強(qiáng)垂直風(fēng)切變有利于引發(fā)冰雹?？蓪⒋怪憋L(fēng)切變閾值定為垂直風(fēng)切變850 hPa與500 hPa垂直風(fēng)速差（V850-500）≥4×10-3/s。這些閾值與干對流亦相同。

（3）其他不穩(wěn)定指數(shù)。除上文提到的對流不穩(wěn)定層結(jié)和垂直風(fēng)切變外，一般情況下，產(chǎn)生冰雹的環(huán)境還需要有較高的對流有效位能和氣塊抬升至500 hPa的不穩(wěn)定型，前者用對流有效位能和K指數(shù)表示，后者可以用抬升指數(shù)或沙氏指數(shù)表示[11]。

冰雹個(gè)例庫表明，2022年7月29日和2023年8月4日兩次過程受到副高后部切變影響，對流有效位能指數(shù)≥514 J/kg。7月29日，冷空氣入侵700 hPa，K指數(shù)為25 ℃；8月4日，冷空氣入侵900 hPa，K指數(shù)較29日更小。由此可得出，發(fā)生冰雹天氣時(shí)應(yīng)滿足條件：對流有效位能值≥514 J/kg或K指數(shù)≥25 ℃；抬升指數(shù)或沙氏指數(shù)至少1個(gè)≤0 ℃。

（4）0 ℃和-20 ℃層高度。除熱力條件和垂直風(fēng)切變外，產(chǎn)生冰雹還要求有特殊的0 ℃和-20 ℃層高度。冰雹產(chǎn)生的有利條件：0 ℃層高度在2.8～4.5 km，-20 ℃

層的高度在5.8～7.1 km，具有厚度＞7.5 km的負(fù)溫區(qū)，且-20～0 ℃層的厚度≥3.0 km。

在一般情況下，冰雹天氣的產(chǎn)生應(yīng)同時(shí)滿足3個(gè)條件：對流有效位能值≥514 J/kg或K指數(shù)≥25 ℃；抬升指數(shù)或沙氏指數(shù)至少有1個(gè)≤0 ℃；T850-500≥25 ℃且V850-500≥4×10-3/s；特殊情況下，須同時(shí)滿足以下2個(gè)條件：T-Td 925≤4 ℃；0～500 hPa垂直速度差（V0-500）≥7×10-3/s。

同時(shí)，不論一般情況還是特殊情況，都應(yīng)滿足以下條件：0 ℃層高度在2.8～4.5 km之間，-20 ℃層的高度在5.8～7.1 km之間，具有厚度＞7.5 km的負(fù)溫區(qū)，且-20～0 ℃層的厚度≥3.0 km。

3.2 雷暴大風(fēng)天氣環(huán)境參數(shù)

利用ERA 5再分析資料，將雷暴大風(fēng)個(gè)例庫中19例雷暴大風(fēng)天氣，按照500 hPa形勢和850 hPa風(fēng)場分型：高空低渦型8例，高空槽型4例，切變型4例，副高后部型3例。

在19例雷暴風(fēng)雨天氣中，有一個(gè)共同特點(diǎn)：700 hPa以上干冷，溫度露點(diǎn)差＞6 ℃，或者有明顯干冷平流。但有的個(gè)例干層可以達(dá)到850 hPa以下。通過分析個(gè)例庫得到如下結(jié)論。

具有強(qiáng)對流不穩(wěn)定層結(jié)。強(qiáng)對流不穩(wěn)定層結(jié)首先表現(xiàn)在強(qiáng)溫度垂直遞減率上，根據(jù)雷暴大風(fēng)個(gè)例庫，可以確定產(chǎn)生干對流的溫度垂直遞減率的閾值為T850-500≥26 ℃，除副高后部切變型＜24 ℃，80%的個(gè)例滿足閾值條件。

具有強(qiáng)垂直風(fēng)切變。分析個(gè)例可見，大部分個(gè)例對流層中低層都有較強(qiáng)垂直風(fēng)切變，但是垂直風(fēng)切變出現(xiàn)的層次不同，0～850 hPa垂直速度差（V0-850）≥4×10-3/s，V0-500≥6×10-3/s。除2021年6月29日和2021年6月30日受切變影響較為顯著外，其他個(gè)例中的垂直風(fēng)切變不明顯；2023年6月1日除外，80%個(gè)例滿足閾值。

指標(biāo)（2）是產(chǎn)生冰雹的重要條件，而指標(biāo)（1）是雷暴大風(fēng)區(qū)別于其他強(qiáng)對流天氣的重要指標(biāo)。雷暴大風(fēng)天氣一般降水量少，降水負(fù)荷引起液態(tài)水的拖曳效應(yīng)小，產(chǎn)生雷暴大風(fēng)需要更高的溫度或溫度垂直遞減率維持，因此其閾值應(yīng)高于冰雹閾值[12]。

根據(jù)以上分析，一般情況下，引發(fā)雷暴大風(fēng)天氣發(fā)生應(yīng)滿足以下條件：第一，700 hPa與500 hPa之間的溫度露點(diǎn)差（T-Td 700～500）≥5 ℃；第二，T850～500≥26 ℃或V0～500≥7×10-3/s或V0-850≥6×10-3/s。

3.3 短時(shí)強(qiáng)降水天氣環(huán)境參數(shù)

從實(shí)況和災(zāi)情直報(bào)及反饋信息中，找到41例局地短時(shí)強(qiáng)降水。從500 hPa形勢和850 hPa風(fēng)場來看，41例短歷時(shí)強(qiáng)降雨個(gè)例中，高空槽型有10例、高空低渦型有9例、切變型有12例、副高后部型有20例。

在短時(shí)強(qiáng)降水天氣形勢中，要特別注意副高（高壓脊）內(nèi)部和低層低值系統(tǒng)已移出目標(biāo)區(qū)但是中層影響系統(tǒng)位置適宜的情況，易給天氣預(yù)報(bào)工作人員造成錯(cuò)覺，會(huì)誤認(rèn)為沒有影響系統(tǒng)或低層（如850 hPa低槽和地面冷鋒）影響系統(tǒng)已過本站，不會(huì)造成強(qiáng)降雨[13-15]。

實(shí)際上，500 hPa為高壓控制，但是850～700 hPa有低值系統(tǒng)時(shí)，主要依靠低層低值系統(tǒng)輸送水汽和觸發(fā)對流；當(dāng)對流層中層（700～500 hPa）的影響系統(tǒng)移近環(huán)境條件適宜區(qū)時(shí)，產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)同樣可以使水汽凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)降水。

與雷暴大風(fēng)和冰雹過程相比，局地短歷時(shí)強(qiáng)降水環(huán)境條件最顯著特點(diǎn)如下：700 hPa濕度大，溫度露點(diǎn)差≤3 ℃；K指數(shù)大，K指數(shù)≥31 ℃是產(chǎn)生局地短歷時(shí)強(qiáng)降水的重要環(huán)境條件。

短時(shí)強(qiáng)降水要求高濕度層厚、水汽含量高，為實(shí)現(xiàn)對流，必須有較強(qiáng)的層結(jié)不穩(wěn)定，它既可以是假相當(dāng)位溫隨高度遞減，又可以是溫度垂直遞減率大于對流層內(nèi)平均氣溫直減率（0.6 ℃/100 m）；它們都表示對流層中低層的對流不穩(wěn)定；還可以是地面與850hPa假相當(dāng)位溫之差，表示邊界層的對流不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

有的個(gè)例濕層很厚，可以超過500 hPa，這顯然利于產(chǎn)生強(qiáng)降水，但此時(shí)層結(jié)常表現(xiàn)為弱的對流不穩(wěn)定[16-17]。因此，在這種情況下，則要求同時(shí)具備動(dòng)力不穩(wěn)定條件，即存在高空急流或低空急流。暖濕低空急流可以向目標(biāo)區(qū)輸送大量水汽，同時(shí)其左前方又是動(dòng)力輻合區(qū)，對產(chǎn)生強(qiáng)降水十分有利。

綜上所述，可將產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水有利的環(huán)境條件歸納如下：700 hPa溫度露點(diǎn)差（T-Td 700 hPa）≤4 ℃或K指數(shù)≥31 ℃；抬升指數(shù)或沙氏指數(shù)至少有一個(gè)≤0 ℃；

T850-500≥25 ℃或假相當(dāng)位溫≥0 ℃，且深層垂直風(fēng)切變V0-500≥1.5×10-3/s或中低層垂直風(fēng)切變V0-850≥3.0×10-3/s。

此外，當(dāng)500 hPa以下（包括500 hPa）有露點(diǎn)鋒、濕舌或高能舌時(shí)，在露點(diǎn)鋒上、濕舌或高能舌的前部和左側(cè)容易產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣[18-20]。

4 結(jié)論

針對2021—2023年吉林市汛期強(qiáng)對流天氣，對每類強(qiáng)天氣按照500 hPa形勢和850 hPa風(fēng)場分型，對環(huán)境條件和物理量場進(jìn)行診斷分析，初探吉林地區(qū)每類強(qiáng)對流天氣指標(biāo)，具體結(jié)論如下。

（1）利于產(chǎn)生冰雹（實(shí)況冰雹直徑＞2～3 mm）的環(huán)境條件指標(biāo)：對流不穩(wěn)定層結(jié)、溫度垂直遞減率越大，越易產(chǎn)生冰雹；強(qiáng)垂直風(fēng)切變有利于冰雹形成；其他不穩(wěn)定指數(shù)包括對流有效位能≥514 J/kg或K指數(shù)≥25 ℃；抬升指數(shù)或沙氏指數(shù)至少有1個(gè)≤0 ℃；除了熱力條件和垂直風(fēng)切變，產(chǎn)生冰雹還要求有特殊的0 ℃和-20 ℃層高度。0 ℃層高度在2.8～4.5 km，-20 ℃層的高度在5.8～7.1 km，具有厚度＞7.5 km的負(fù)溫區(qū)，且-20～0 ℃層的厚度≥3.0 km.

（2）根據(jù)雷暴大風(fēng)個(gè)例庫，確定產(chǎn)生干對流的溫度垂直遞減率的閾值為T850-500≥26 ℃，除副高后部切變型＜24 ℃外，80%的個(gè)例滿足閾值條件。并且，絕大多數(shù)個(gè)例對流層中低層都有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，但垂直風(fēng)切變出現(xiàn)層次不同，V0-850≥4×10-3/s，V0-500≥6×10-3/s。除2021年6月29日和2021年6月30日受切變影響外，其余個(gè)例受垂直風(fēng)切變影響不明顯。

（3）產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水有利的環(huán)境條件：T-Td 700 hPa≤4 ℃或K指數(shù)≥31 ℃；抬升指數(shù)或沙氏指數(shù)至少有1個(gè)≥0 ℃；T850-500≥25 ℃或假相當(dāng)位溫≥0 ℃，且深層垂直風(fēng)切變V0-500≥1.5×10-3/s或中低層垂直風(fēng)切變V0-850≥3.0×10-3/s。此外，當(dāng)500 hPa以下（包括500 hPa）有露點(diǎn)鋒、濕舌或高能舌時(shí)，在露點(diǎn)鋒上、濕舌或高能舌前部和左側(cè)容易產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。

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