強(qiáng)對流天氣中探空數(shù)據(jù)質(zhì)量對預(yù)報效果的影響

中圖分類號：P458 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095-3305(2025)05-0145-03

探空資料作為揭示大氣三維熱力、動力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵手段，在強(qiáng)對流潛勢研判中具有不可替代的作用[-2]。然而在業(yè)務(wù)實踐中，強(qiáng)對流背景下探空曲線常出現(xiàn)溫度、濕度的異常跳變現(xiàn)象，傳統(tǒng)質(zhì)量控制流程多將其歸因于儀器誤差并進(jìn)行平滑處理，導(dǎo)致關(guān)鍵對流信號的丟失。近年來，學(xué)者雖關(guān)注到探空資料在短臨預(yù)報中的應(yīng)用價值，但對異常跳變現(xiàn)象與對流系統(tǒng)演變的物理關(guān)聯(lián)仍缺乏系統(tǒng)研究[3-6。基于2015—2017年百色站強(qiáng)對流個例，綜合探空、雷達(dá)、云圖等觀測數(shù)據(jù)，旨在揭示異常跳變現(xiàn)象的時空特征及其大氣物理學(xué)本質(zhì)，論證其作為對流活動指示因子的可靠性。首次通過環(huán)境場反演與粒子相態(tài)變化機(jī)制的耦合分析，證實跳變現(xiàn)象與云內(nèi)微物理過程、動力擾動的內(nèi)在聯(lián)系，并定量評估人為數(shù)據(jù)訂正對預(yù)報效能的影響，為優(yōu)化探空資料質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)、提高強(qiáng)對流識別能力提供理論依據(jù)。

1資料與方法

利用百色站2015—2017年常規(guī)探空資料，從原始資料入手，對強(qiáng)對流天氣過程探空資料的逐一篩查，共選取10份探空曲線出現(xiàn)異常跳變記錄的個例，匯集了與探空資料同時的天氣雷達(dá)、地面站和紅外云圖等資料。根據(jù)樣本發(fā)生時段、天氣背景和儀器特性，針對強(qiáng)對流天氣時出現(xiàn)的異常跳變數(shù)據(jù)的真實性、客觀性進(jìn)行分析，并比較探空資料不同處理方式對預(yù)報效果的影響[7]。

2探空異常跳變記錄特征的統(tǒng)計分析

2.1探空異常跳變記錄特征

異常跳變記錄共同特征：強(qiáng)對流天氣背景下，施放瞬間均測站上空均觀測到積雨云（cumulonimbus，CB），27個例施放瞬間出現(xiàn)雨或陣雨。由此可見，無論跳變現(xiàn)象出現(xiàn)于哪個高度，溫度振蕩的幅度大小，均與對流有著密不可分的關(guān)系。

統(tǒng)計10份記錄發(fā)現(xiàn)，探空曲線溫度異常跳變發(fā)生在 0，-10，-20°C 等溫度特征層附近，探空溫度曲線總體趨勢明顯且連續(xù)，溫度數(shù)據(jù)呈現(xiàn) 突升或突降，溫度曲線呈鋸齒狀或毛刺狀，與濕度曲線上的密集特性層對應(yīng)良好。

2.2數(shù)據(jù)真實性分析

GTS1型探空儀溫度傳感器為熱敏電阻，傳感器誤差主要為長波輻射誤差、太陽輻射誤差和滯后誤差等，探空系統(tǒng)軟件在設(shè)計時已將這些輻射誤差修正值和修正方法考慮在內(nèi)。

高空探測的輻射訂正與氣壓有關(guān)，氣壓的變化是連續(xù)的，所以輻射訂正也基本連續(xù)，不會出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。此外，19：00觀測時太陽高度角趨近或低于 0^° ，輻射影響可以不計。

長波輻射誤差PDTL計算公式如下：

PDTL=0.287×10^-8×(F-T⁴)/N_U

式(1)中， F 為溫度元件接收到的長波輻射； T 為溫度元件絕對溫度（單位為K）； N_U 為努塞特數(shù)。

太陽輻射誤差PDT計算公式如下：

式(②中， h 為日高角； REF 為地氣系統(tǒng)的反射率；A 為太陽輻射強(qiáng)度隨氣壓和日高角變化的削減因子。

滯后誤差及其他數(shù)據(jù)在中低層大氣中不會被異常放大，一些全程存在的因素導(dǎo)致的誤差屬于系統(tǒng)誤差，個例討論中無須考慮。

熱敏電阻的滯后系數(shù)λ（S）經(jīng)理論計算和實驗測試驗證公式如下：

式(3)中， K=0.2+(10000-H)/213000 時， H (探空高度) <10000m;K=0.2 時， H (探空高度) ?10000m 。

溫度異常跳變記錄后期重新回到正常趨勢，與前后時次比較，沒有太大異常，可以排除儀器中途變形的可能。溫度傳感器在云層中沾水產(chǎn)生異常跳變的可能性不大，因為傳感器在生產(chǎn)時已進(jìn)行防沾水處理，且在非強(qiáng)對流系統(tǒng)降水時從未出現(xiàn)過此種現(xiàn)象，強(qiáng)對流降水中也不是必然會出現(xiàn)。因此不能簡單歸結(jié)于沾水原因。

綜上所述，本項目探討的溫度跳變現(xiàn)象不是探空儀器原因造成的，而是儀器所經(jīng)過的環(huán)境的真實反映，在實際應(yīng)用中應(yīng)予以重視。

2.3探空環(huán)境要素統(tǒng)計分析

統(tǒng)計異常記錄發(fā)生時的空間環(huán)境要素和降水特征，如施放時次的大氣濕度條件、溫度曲線的主要異常特征，雨量統(tǒng)計時段為施放時次前后 12h （共計 24h ），統(tǒng)計范圍為百色市12個國家站?？偨Y(jié)出以下特征。

第一，環(huán)境濕度條件好，大氣具備充分的水汽條件。多數(shù)個例在 700hPa 及以下層次比濕均能達(dá)到11～12g/kg ，最高可達(dá) 14g/kg ，極少數(shù)個例的濕層在925hPa 及以下。對溫度露點差值進(jìn)行統(tǒng)計，可看出大氣處于近飽和狀態(tài)。溫度露點差值在 0～4^qC 的層次最高可達(dá) 250hPa ，僅2個個例溫度露點差值 0～2% 的層次在 850hPa 及以下。

第二，探空曲線顯示抬升凝結(jié)高度（LiftingCond-ensationLevd，LCL）、對流凝結(jié)高度（ConvectiveCond-ensationLevel，CCL）和自由對流高度（LevelofFreeConvection，LFC）很低，前兩者幾乎都在 925hPa 附近，后者在 700hPa 以下，表明氣塊易于從大氣中獲取足夠升力來掙脫重力，達(dá)到自由對流狀態(tài)。

第三，多數(shù)異常跳變出現(xiàn)在探空球經(jīng)過異常大氣環(huán)境的過程中。例如，進(jìn)入對流云體、干冷平流區(qū)和冰水相態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)等特殊環(huán)境，尤其是 0，-10，-20° 等溫度特征層結(jié)附近。

第四，探空球施放時，百色站發(fā)生降水的個例占90% (27個)，施放前后均無降水發(fā)生的個例占 10% (3個)。探空球施放前后，全市均有降水(包括百色站無降水個例)，21個例出現(xiàn)暴雨以上降水，其中7個例出現(xiàn)大暴雨。

2.4同時段雷達(dá)、紅外云圖特征統(tǒng)計

統(tǒng)計同時段新一代天氣雷達(dá)、紅外云圖資料中探空站附近對流云團(tuán)發(fā)展的特征，結(jié)合探空曲線發(fā)生跳變位置高度判斷探空氣球位于對流系統(tǒng)的層次，通過探空記錄溫濕曲線的變化反演推斷對流系統(tǒng)的發(fā)展強(qiáng)度及趨勢。為方便統(tǒng)計描述回波特征，將 15dBz/10km 以下梯度記為梯度小， 20dBz/10km 為梯度較小，25dBz/10km 為梯度較大， 30dBz/10km 以上為梯度大。

得出結(jié)論，探空曲線的跳變均出現(xiàn)在降水系統(tǒng)正在影響的時期或在降水系統(tǒng)邊緣，對流系統(tǒng)內(nèi)部或附近紊亂無序的升降氣流、氣塊在冰水等不同相態(tài)之間的迅速轉(zhuǎn)換，以及冰晶等粒子對探空儀的碰撞，導(dǎo)致探空曲線出現(xiàn)不同程度的跳變現(xiàn)象。對比探空曲線跳變發(fā)生時的探空球定位高度和對流云團(tuán)的回波特征，半數(shù)跳變現(xiàn)象出現(xiàn)在回波的中層及以上位置，其余出現(xiàn)在回波邊緣或下部位置。

3人為誤差對預(yù)報效果的影響

高空氣象探測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制分為自動和人工2種，自動質(zhì)量控制使用軟件自帶的自動平滑功能，對于比較明顯的錯誤數(shù)據(jù)，軟件會自動平滑，而對于異常數(shù)據(jù)的連續(xù)性及合理性則需進(jìn)行人工判別。按照規(guī)范要求，對判別后可信度差的疑誤數(shù)據(jù)做刪除處理。因此，這樣往往會造成一些人為誤差，使得一些氣象要素變化幅度較大。而值班員將與常規(guī)的要素發(fā)展趨勢有明顯差異的數(shù)據(jù)當(dāng)作錯誤數(shù)據(jù)刪除掉，使得許多真實實用的氣象要素信息和對流信號被忽略掉，造成人為誤差。2015年6月19日08：00探空記錄修正前、后對比：

以2015年6月19日08：00的探空記錄為例，原始探空記錄可看出， 850hPa 起開始出現(xiàn)溫濕曲線波動現(xiàn)象， 4.2～6.4km 高度處尤其是 5.3～5.5km 突升現(xiàn)象加劇，溫度由 -3^°C 急升值至 23°C 后又恢復(fù)到 0°C 左右，而后繼續(xù)波動上升， 5.9～6.4km 處出現(xiàn)較明顯的突降趨勢后恢復(fù)到正常趨勢。結(jié)合其他資料分析此個例，可發(fā)現(xiàn)這個被修正掉的突升趨勢是由于對流系統(tǒng)發(fā)展引起的，并非虛假記錄。在人工修正后的探空記錄中， 5.3～5.5km 處劇烈的突升波動數(shù)據(jù)被刪除，該段數(shù)據(jù)的連線較之前變得平滑，保留下來的跳變現(xiàn)象以突降為主，這個特點在探空圖上表現(xiàn)更為明顯，這種修改主要是觀測員依據(jù)現(xiàn)行高空氣象觀測規(guī)范進(jìn)行了處理，造成實際探空實際中存在的這一現(xiàn)象沒有被預(yù)報員或其他使用者所獲得，也沒有引起注意。

2015年6月17—18日， 200hPa 南亞高壓中心位于藏南，高壓脊線由江南南部壓到廣西中北部，分裂出副中心位于廣東北部，廣西上空為 12～22m/s 東北氣流，輻散條件好。 500hPa 副熱帶高壓環(huán)流588dagpm線到達(dá)粵東沿海，南支槽東移從高壓環(huán)流北側(cè)上滑經(jīng)過廣西， 850hPa 切變線到達(dá)廣西北部，地面有冷空氣從東路南下到達(dá)桂北，滇黔桂三省區(qū)交界處的鋒區(qū)變得密集，有利于激發(fā)強(qiáng)對流天氣。6月18日20：00紅外云圖可見鋒面云系活躍，多為獨立云團(tuán)，切變線附近形成對流云帶。

受南亞高壓影響，2015年6月19日08：00，500hPa在孟加拉灣附近出現(xiàn)弱高壓中心，使得中南半島北部處于弱鞍形場，在 700hPa 上形成短波槽，廣西處于槽前西南氣流控制， 850hPa 切變線停滯在黔桂交界，槽前西南氣流和切變線南側(cè)的偏南氣流有效加濕中低層大氣，濕層增厚，形成上干下濕層結(jié)。地面冷高壓進(jìn)一步向南推進(jìn)，鋒面到達(dá)中，桂北大部站點 12h 內(nèi)為 2～ 4hPa 的正變壓(圖1)。這次降水過程是由冷暖空氣交綏造成的。據(jù)6月18日20：00—19日20：00統(tǒng)計，百色市出現(xiàn)了3站大雨，1站暴雨為百色站 54.4mm ，鄰近的田陽、巴馬站雨量分別為48.3、 47.8mm ，降雨有明顯局地性特征。

冷空氣南下后抬升暖濕空氣，膨脹冷卻凝結(jié)成云，潮濕的大氣環(huán)境提供了對流系統(tǒng)發(fā)展需要的水汽條件，6月19日07：00紅外云圖(圖2)可見該對流云團(tuán)是一個中尺度對流輻合體（MesoscaleConvectiveComplex，MCC），正進(jìn)入成熟期，形狀對稱，橫軸近 270km 的對流云團(tuán)覆蓋百色市大部和河池市西北部地區(qū)，云團(tuán)白亮部分直徑超過 110km O

從多種資料綜合分析得出，6月19日08：00探空曲線的跳變現(xiàn)象是真實存在的，探空球施放期間是MCC成熟期，云團(tuán)內(nèi)部存在大范圍向上的質(zhì)量輸送，該時次探測的原始探空記錄中的劇烈正擾動實際上是MCC云團(tuán)中出現(xiàn)的暖心結(jié)構(gòu)，暖心結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)形成中低壓，進(jìn)一步增強(qiáng)了對流系統(tǒng)的輻合，可以視為強(qiáng)對流天氣的發(fā)生信號。修正后的探空記錄中剔除了該訊號，大大降低了這份探空資料的業(yè)務(wù)應(yīng)用價值。

高空氣象觀測規(guī)范要求：對于探空曲線出現(xiàn)的跳變現(xiàn)象(飛點)，使用自動修正功能無法糾正，但又無法判斷正確位置時，做刪除處理。因此，出于對資料連續(xù)性、代表性的考慮，作為上傳至國家局的正式記錄，還是保持目前的處理原則。

4結(jié)論

探空記錄是大氣環(huán)境場最直觀的資料，在預(yù)報業(yè)務(wù)中應(yīng)用廣泛。強(qiáng)對流天氣下，探空記錄中出現(xiàn)跳變現(xiàn)象對日常預(yù)報預(yù)警服務(wù)工作會起到指示性作用。探空溫濕度變化出現(xiàn)的異常跳變，是系統(tǒng)真實情況的反映，而不是儀器特性改變造成的錯誤記錄，是可以用大氣動力學(xué)、熱力學(xué)、云物理學(xué)等理論進(jìn)行解釋的。

(1)跳變現(xiàn)象多數(shù)出現(xiàn)在大氣潮濕、近飽和的狀態(tài)下，具有充足的不穩(wěn)定能量儲備，有利于發(fā)生對流天氣；且多數(shù)跳變發(fā)生在0、-10和-20 C 等特征層附近，與降水物發(fā)生相態(tài)變化密切相關(guān)。

(2)跳變現(xiàn)象與對流系統(tǒng)或?qū)α鲉误w密不可分，多發(fā)生在系統(tǒng)或單體本體或附近區(qū)域，跳變劇烈程度取決于對流系統(tǒng)的發(fā)展程度。此外，探空氣球相對于對流系統(tǒng)或單體的位置和走向也會有影響。

(3)雷暴系統(tǒng)中存在溫度水平、垂直分布不均勻是必然的，而這些個例記錄的獲得，儀器何時、經(jīng)過哪些氣層具有偶然性，系統(tǒng)未來的消長移向應(yīng)結(jié)合雷達(dá)信息及時間、地理條件綜合判斷。

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