武文婧

(重慶市豐都縣氣象局，重慶 豐都 408200)

0 引言

強(qiáng)對流天氣通常是指落到地面上直徑超過2 cm的冰雹、瞬時風(fēng)速達(dá)到17 m/s以上的雷暴大風(fēng)、小時降水量>20 mm的對流性暴雨等。早期對強(qiáng)對流的認(rèn)識就是從環(huán)境條件開始，陶詩言[1]等從1970 s開始研究強(qiáng)對流天氣，得出了強(qiáng)風(fēng)暴出現(xiàn)的3個條件：一是對流層位勢不穩(wěn)定，二是上干下濕的水汽分布，三是強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。

雷暴大風(fēng)天氣通常由颮線和超級單體等強(qiáng)風(fēng)暴生成，吳芳芳等[2]通過分析江蘇的雷暴大風(fēng)，得出西南暖濕氣流提供熱力條件，冷鋒觸發(fā)和冷暖空氣輻合加強(qiáng)了垂直上升運(yùn)動，為雷暴大風(fēng)的形成提供了動力條件。

暴雨的發(fā)生是不同天氣尺度系統(tǒng)相互作用造成的，許多學(xué)者研究指出[3-4]:中低層中尺度低渦或輻合中心是直接造成暴雨的系統(tǒng),其發(fā)展演變和移動直接影響降雨的落區(qū)和持續(xù)時間。當(dāng)西南渦不連續(xù)跳躍性東移，東部氣流輻合和非平衡性增強(qiáng)，也容易誘發(fā)大暴雨天氣。

王兆華[5]等通過分析冷渦背景下局地冰雹云圖特征發(fā)現(xiàn)：冰雹多發(fā)生在冰雹云發(fā)展和成熟的階段，云體一般呈橢圓狀，色調(diào)較白，生命周期短，發(fā)生區(qū)域一般位于TBB中心的上風(fēng)一側(cè)，TBB梯度大于10(℃/0.05°)是冰雹的易發(fā)區(qū)。吳哲紅[6]等人通過對冰雹發(fā)生最近時刻環(huán)境潛勢物理量的研究表明較大的垂直風(fēng)切變，暖季抬升指數(shù)和梯度大值區(qū)域以及CAPE正值和CIN負(fù)值疊加區(qū)域均有利于產(chǎn)生大冰雹天氣。

雷暴大風(fēng)、冰雹、短時強(qiáng)降水等天氣一直是造成嚴(yán)重災(zāi)害的天氣，由于現(xiàn)有資料時空分辨率低，監(jiān)測系統(tǒng)不夠完善，對強(qiáng)對流天氣的落區(qū)、強(qiáng)度、分類型準(zhǔn)確率較低，導(dǎo)致常常出現(xiàn)漏報，一直以來是天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的難點(diǎn)。

豐都縣自2009年以來，全縣自動觀測網(wǎng)的時空密度進(jìn)一步提高，各建設(shè)了30個地面自動觀測站點(diǎn)，自動站點(diǎn)密度為5～10 km，為短臨預(yù)報提供了有利的數(shù)據(jù)支撐。為了分析短時強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣發(fā)生的環(huán)境條件和物理機(jī)制，本文利用2005—2014年豐都縣短時強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)等資料建立樣本，分別從水汽條件、大氣不穩(wěn)定條件、抬升條件等方面了解其發(fā)生發(fā)展的不同之處，一方面對本地區(qū)強(qiáng)對流天氣的時空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，另一方面通過對比強(qiáng)對流天氣發(fā)生時各物理量值大小，整理歸納出豐都地區(qū)3類強(qiáng)對流天氣發(fā)生的閾值，進(jìn)而在強(qiáng)對流天氣的潛勢預(yù)報的基礎(chǔ)上識別發(fā)生的強(qiáng)對流天氣類別。個例選取了12次典型的短時強(qiáng)降水、大風(fēng)和冰雹天氣過程進(jìn)行對流分析，旨在找出區(qū)分不同強(qiáng)對流天氣種類的指標(biāo)，從而為精細(xì)化的短臨預(yù)警提供參考。

1 數(shù)據(jù)說明

短時強(qiáng)降水資料來源于豐都國家地面自動站《地面氣象記錄月報表》信息化資料，資料長度為2005—2014年；豐都縣區(qū)域自動站《地面氣象記錄月報表》信息化資料，資料長度為2009—2014年。資料剔除了數(shù)據(jù)不完整的站點(diǎn)和月份。

冰雹資料源于《豐都縣氣象志》、災(zāi)情直報系統(tǒng)、《豐都縣氣象站地面氣象年報表》《中國災(zāi)害大典(豐都卷)》中的記錄，資料包含有冰雹發(fā)生的時間、地點(diǎn)、強(qiáng)度等信息。

大風(fēng)資料來源于2005—2014豐都國家地面自動站《地面氣象記錄年報表》。

格點(diǎn)資料來源于NCEP氣象數(shù)據(jù)服務(wù)官網(wǎng)，資料長度為2004—2015年，(時間分辨率為6 h，空間分辨率1°×1°)。

表1 冰雹、短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)個例樣本Tab.1 Hail、short-time heavy rain and gale process sample

2 研究方法

利用2005—2014年豐都縣天氣現(xiàn)象日數(shù)據(jù)集和地面基本、基準(zhǔn)自動站逐小時降水資料，將極大風(fēng)速>17 m/s定義為一次大風(fēng)過程。小時雨強(qiáng)在20 mm以上定義為一次短時強(qiáng)降水；出現(xiàn)直徑在2 cm以上的冰雹定義為一個冰雹過程。強(qiáng)對流的發(fā)生考慮有3個條件[7]：靜力不穩(wěn)定、水汽和抬升觸發(fā)機(jī)制，而靜力不穩(wěn)定和水汽都是各自獨(dú)立發(fā)展的，通過引入抬升指數(shù)(LI)、K指數(shù)、對流有效位能(CAPE)和對流抑制能量(CIN)等，將大氣靜力穩(wěn)定度和水汽條件聯(lián)系在一起，通過分析探空資料，物理量參數(shù)(見表2)，綜合判斷強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展條件。

表2 物理量參數(shù)Tab.2 Physical index

3 豐都縣強(qiáng)對流天氣時空分布

3.1 短時強(qiáng)降水天氣發(fā)生時間和月頻率分布

對豐都縣2005—2014年國家氣象觀測站小時雨量進(jìn)行統(tǒng)計，得出短時強(qiáng)降水月頻次分布和24 h頻次分布如圖1所示，豐都縣短時強(qiáng)降水分布在4—9月，其中9月最多，平均短時強(qiáng)降水發(fā)生頻次達(dá)到8次，5、6、8月頻次數(shù)相當(dāng)。從時段分布上來看，豐都縣短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在夜間，其次是傍晚前。

圖2給出了豐都縣短時強(qiáng)降水的空間分布特征，短時強(qiáng)降水的大值區(qū)主要分布長江沿線，位于南部栗子鄉(xiāng)、龍河一帶，南部山區(qū)的都督和北部山區(qū)的三元、保合一帶也是短時強(qiáng)降水分布的大值區(qū)。

圖1 豐都縣短時強(qiáng)降水月分布(a)及24 h分布圖(b)Fig.1 Monthly variation of short-time heavy rain (a) daily variation of short-time heavy rain(b)

圖2 豐都縣短時強(qiáng)降水空間分布特征Fig.2 Spatio-temporal Distribution characteristics of short-time heavy rain in Fengdu

3.2 豐都縣雷暴天氣時間分布特征

通過統(tǒng)計豐都縣地面觀測報表，得到2005—2014年期間雷暴次數(shù)分布情況，從圖3可以看到，雷暴天氣除12月和1月外均有發(fā)生，發(fā)生時段主要集中在夏季和春夏交際，其中8月出現(xiàn)雷暴次數(shù)最多，其余依次為7月、5月、4月和6月。

圖3 2005—2014年豐都縣雷暴次數(shù)分布Fig.3 Storm Distribution form 2005 to2015

3.3 豐都縣大風(fēng)時間分布特征

由于全縣境內(nèi)有大風(fēng)要素的站點(diǎn)只8個，且有數(shù)據(jù)信息的年份不超過5 a，因此，大風(fēng)災(zāi)害資料采用國家站地面觀測數(shù)據(jù)。

表3 2005—2014年豐都縣大風(fēng)發(fā)生情況表Tab.3 The frequency of gale from 2005 to 2014

表3中可以看到，豐都縣縣城大風(fēng)發(fā)生的頻率較低，2005—2014年間總共發(fā)生了13次，平均每年出現(xiàn)1～2次，其中2009—2010年均未出現(xiàn)大風(fēng)天氣。大風(fēng)天氣主要集中在5—8月，其中8月出現(xiàn)對流性陣風(fēng)最多，冬季只出現(xiàn)過一次大風(fēng)天氣，出現(xiàn)時段在午后和凌晨居多，極大風(fēng)速達(dá)到了26.1 m/s，出現(xiàn)在2012年，根據(jù)當(dāng)年收集到的災(zāi)情，大風(fēng)及暴雨造成全縣11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)4.778萬人受災(zāi)，共計有98 間房屋倒塌。轉(zhuǎn)移避險人口350人，直接經(jīng)濟(jì)損失2 657.8萬元，農(nóng)作物、公路、交通運(yùn)輸、水利設(shè)施等受災(zāi)嚴(yán)重。

3.4 豐都縣冰雹區(qū)域分布特征

表4 2005—2014年豐都縣冰雹天氣發(fā)生情況表Tab.4 The frequency of hail from 2005 to 2014

根據(jù)統(tǒng)計，豐都縣2005—2014年有觀測記錄的冰雹有7次，發(fā)生地點(diǎn)集中在長江以南的七躍山脈和以北的蔣家山及黃草山脈附近，3—8月均有出現(xiàn)， 2005—2014年間總共出現(xiàn)了7次，冰雹最大直徑在8 cm左右。

4 短時強(qiáng)降水冰雹和雷暴大風(fēng)天氣的對流參數(shù)特征

朱乾根等[8]通過對大量個例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對流在觸發(fā)、發(fā)展、消散過程中，其表征水汽、不穩(wěn)定能量和抬升條件的物理量參數(shù)都具有明顯的演變特征。

本文選取能表征大氣層能量、環(huán)境溫濕參數(shù)和穩(wěn)定度的參數(shù)進(jìn)行對比分析(物理量參數(shù)見表2)，樣本取自2005—2014年間發(fā)生8次冰雹和大風(fēng)過程以及4次短時強(qiáng)降水過程(詳情見表1)。

4.1 溫濕參量對比分析

圖4分別為3種不同強(qiáng)對流天氣過程500 hPa和850 hPa溫差隨時間的變化(DT85) ，在強(qiáng)對流天氣上空都出現(xiàn)了DT85差較大的區(qū)域，其中，冰雹過程圖4a中500 hPa和850 hPa溫差的平均值最大，其次為大風(fēng)圖4c，溫差最小的是短時強(qiáng)降水圖4b，4次冰雹過程的溫差范圍在26～34 ℃之間，平均值為29.5 ℃；4次大風(fēng)過程的溫差范圍在23～30 ℃之間，平均為26.5 ℃；4次短時強(qiáng)降水天氣過程溫差范圍在23～28 ℃，平均值為24.6 ℃，冰雹和短時強(qiáng)降水的ΔT500-T850相差了近5 ℃，表明在冰雹天氣出現(xiàn)的時候，高空冷空氣強(qiáng)度更大，使得上下層溫度變化劇烈，大氣不穩(wěn)定性增加。

大氣可降水量是一個表征水汽條件的重要參數(shù)，它反映了單位面積整層水汽柱水汽的含量，對于空氣中的水分全部凝結(jié)成雨、雪、雹等降落所形成的降水量有重要的影響[7]，計算結(jié)果表明，3類對流天氣過程下的大氣可降水量如圖5所示，短時強(qiáng)降水的大氣可降水量PW值在56～60mm之間，平均值為58 mm，呈現(xiàn)“濕”對流風(fēng)暴的特征；冰雹過程的PW值明顯減小，在36～42 mm之間，其平均值為38.6 mm，而大風(fēng)過程水汽條件最差，其值在32～38 mm之間，平均值為34 mm，呈現(xiàn)出“干”對流風(fēng)暴的特征。

計算12次過程各層的相對濕度情況，圖6列出了部分過程的相對濕度情況，從圖中我們可以看到，3種典型的強(qiáng)對流天氣其相對濕度各有特點(diǎn)，圖6a是強(qiáng)降水過程相對濕度垂直剖面，各層的相對濕度在時間上有一個明顯增濕的過程，降水發(fā)生前期，600 hPa以上基本為干區(qū)，相對濕度在20%以下，低層濕度也在70%左右，隨著強(qiáng)降水的發(fā)生，各層濕度條件轉(zhuǎn)好，500 hPa以下達(dá)到飽和，500 hPa以上相對濕度也在75%左右，隨著降水過程的結(jié)束，濕度條件由上到下逐漸轉(zhuǎn)低，對比大風(fēng)過程圖6c和冰雹過程圖6b，后者的相對濕度條件要低得多，并且從大氣水汽的分布來看，冰雹和大風(fēng)天氣幾乎只在中低層有較飽和的水汽，而高層的相對濕度平均值在40%～50%左右。

圖4 短時強(qiáng)降水(a)、冰雹過程(b)、大風(fēng)過程(c)ΔT500-T850隨時間剖面情況(單位：℃，30°E,104～110°W)Fig.4 Short-time heavy rain(a) hail(b)and gale(c) process ΔT500-T850 varying with time of each layer(unit：℃，30°E,104～110°W)

圖5 短時強(qiáng)降水(a)、冰雹過程(b)、大風(fēng)過程(c)大氣可降水量(PW)隨時間演變情況(單位：mm，25～35°E,100～115°W)Fig.5 Short-time heavy rain(a) hail(b)and gale(c) process PWvarying with time(unit：mm，25～35°E,100～115°W)

圖6 短時強(qiáng)降水(a)、冰雹過程(b)、大風(fēng)過程(c)相對濕度剖面隨時間演變情況(單位：%，30°E,104～110°W)Fig.6 Short-time heavy rain(a) hail(b)and gale(c) process RH varying with time of each layer(unit：%，30°E,104～110°W)

4.2 穩(wěn)定參量對比分析

4.2.1 熱力穩(wěn)定度 K指數(shù)作為強(qiáng)對流預(yù)報的重要參考指標(biāo)，綜合反映了中低層的垂直降溫、低層露點(diǎn)溫度和溫度露點(diǎn)差的物理量，主要用于暴雨的預(yù)報。當(dāng)溫度直減率越大，低層水汽越飽和，其累計的不穩(wěn)定能量越多，K指數(shù)越大。

根據(jù)NCEP/NCAR時空分辨率分別為6 h和1°×1°的再分析資料，計算了12次過程中重慶及周邊的K指數(shù)。

計算公式為：

K=(T850-T500)+Td850-(T-Td)700

其中，T850-T500為850 hPa與500 hPa的溫度差，Td850為850 hPa的露點(diǎn)溫度，(T-Td)700為700 hPa的溫度露點(diǎn)差。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，發(fā)生短時強(qiáng)降水的K指數(shù)在37.5～42 ℃之間圖7a，平均值在39.8 ℃左右。而冰雹和大風(fēng)的K指數(shù)普遍小于短時強(qiáng)降水，其中，大風(fēng)K指數(shù)平均值為37.2 ℃，冰雹為35.8 ℃，因此出現(xiàn)暴雨天氣對低層的水汽和中低層的溫度直減率和依賴更大。

抬升指數(shù)LI是指反映地面氣塊移動到500 hPa時的不穩(wěn)定狀態(tài)，負(fù)值越大，表示不穩(wěn)定性越強(qiáng)。公式為：

圖7b圖中為12次過程LI的統(tǒng)計結(jié)果，就抬升指數(shù)的平均值來看，冰雹天氣的抬升指數(shù)在-1.79左右，其次是短時強(qiáng)降水，平均值在-1左右，最后為大風(fēng)，平均值為-0.7，因此冰雹較短時強(qiáng)降水和大風(fēng)天氣需要更深厚的不穩(wěn)定層結(jié)。

圖7 短時強(qiáng)降水、冰雹過程、大風(fēng)過程熱力指數(shù)參數(shù)(a)、K指數(shù)(b)、抬升指數(shù)(LI)散點(diǎn)分布圖(△表示短時強(qiáng)降水○表示大風(fēng)，□表示冰雹)Fig.7 Short-time heavy rain(a) hail(b)and gale(c) process thermal index parameters scatter diagram(△means Short-time heavy rain ○means gale，□means hail)

4.2.2 動力穩(wěn)定度參量分析 垂直風(fēng)切變是維系強(qiáng)對流發(fā)生的必要條件，高空急流下方風(fēng)速垂直風(fēng)切變有利于對流的發(fā)展，通常冰雹出現(xiàn)在高空急流的下方[10]，本文計算了0～3 km和0～6 km上3類強(qiáng)對流天氣的垂直風(fēng)切變，在0～3 km高度上，大風(fēng)的垂直風(fēng)切變峰值最大，其次為冰雹，而短時強(qiáng)降水垂直風(fēng)切變值普遍在2.5×10-3s-1以下；而0～6 km高度上，短時強(qiáng)降水和冰雹的垂直風(fēng)切變值在2.5×10-3s-1以上均有分布，而大風(fēng)則普遍在1.5×10-3s-1之下。

圖8 短時強(qiáng)降水、冰雹過程、大風(fēng)過程垂直風(fēng)切變(a)0～3 km、(b)0～6 km散點(diǎn)分布圖(單位：10-3s-1)Fig.8 Short-time heavy rain、 hailand gale process Vertical wind shear value scatter diagram(a)0～3 km(b)(unit:10-3s-1)

通過計算不同強(qiáng)對流天氣的散度分布，如圖9，3類強(qiáng)對流天氣的散度值均0以下，閾值分布介于-1～-8之間，通過判定閾值來區(qū)分不同強(qiáng)對流天氣的指示意義不大。進(jìn)一步觀察不同強(qiáng)對流天氣散度的垂直分布，短時強(qiáng)降水的輻合輻散形成的環(huán)流位置較低圖9a，出現(xiàn)位置大多位于600 hPa以下，而冰雹則在300 hPa左右，大風(fēng)在400 hPa左右，并且從散度值的極值大小來看，冰雹高層輻散中心的強(qiáng)度明顯大于另外兩種強(qiáng)對流天氣過程圖9b，正是因?yàn)檫@種強(qiáng)烈的抽吸作用造成強(qiáng)的輻合上升氣流，是冰雹形成的原因之一。

圖9 短時強(qiáng)降水(a)、冰雹過程(b)、大風(fēng)過程(c)和散度高度—經(jīng)度剖面(單位：s-1,30°E,100～114°W)Fig.9 Short-time heavy rain(a) hail(b)and gale(c) process divergence with variation of longitude in each layer，(unit:s-1,30°E,100～114°W)

4.3 能量條件

雷暴生成的兩個要素：靜力不穩(wěn)定和水汽，可以合并在一起形成各種對流指數(shù)，在其物理意義上，可以最清晰判斷雷暴潛勢的參量則是對流有效位能(CAPE)和對流抑制(CIN)。

圖10為3類短時強(qiáng)降水天氣過程所選個例的CAPE值分布情況，可知，3種強(qiáng)對流天氣過程的對流有效位能值在500～1 600 J·kg-1之間，閾值分布范圍較大，對區(qū)分強(qiáng)對流天氣的效果無效。葉愛芬[12]等在對廣州清遠(yuǎn)地區(qū)的對流有效位能與強(qiáng)對流天氣關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計分析以后，認(rèn)為CAPE值除了受氣塊起始高度的影響外，氣塊溫度的誤差會造成幾百J·kg-1的差別，因此，不能簡單的用CAPE值來判斷強(qiáng)對流天氣。

5 結(jié)果與討論

①豐都的強(qiáng)對流天氣通常發(fā)生在3—9月之間，其中短時強(qiáng)降水主要分布在長江沿岸和南北兩支山脈的北側(cè)；冰雹則主要發(fā)生在南部高山附近。

②水汽條件上，短時強(qiáng)降水對水汽要求最高，其平均值達(dá)到58 mm，其次為冰雹和大風(fēng)。當(dāng)短時強(qiáng)降水出現(xiàn)時幾乎整層都是處于飽和的狀態(tài)，冰雹和大風(fēng)天氣幾乎只在中低層有較飽和的水汽，而高層的相對濕度平均值在40%～50%左右。

圖10 短時強(qiáng)降水(a)、冰雹過程(b)、大風(fēng)過程(c)對流有效位能分布情況(單位：J·kg-1，25～35°E,104～115°W)Fig.10 Short-time heavy rain(a) hail(b)and gale(c) process CAPE distribution(unit：J·kg-1，25～35°E,104～115°W)

③通過分析表征大氣動力抬升條件，垂直風(fēng)切變在0～3 km和0～6 km上分布差異較大，在較低層結(jié)中，大風(fēng)的垂直風(fēng)切變值較大，在較高層結(jié)上則相反，冰雹和短時強(qiáng)降水分布值較大。短時強(qiáng)降水較冰雹和大風(fēng)需要的輻合高度也不盡相同，短時強(qiáng)降水輻散高度在600 hPa左右，大風(fēng)在400 hPa左右，冰雹在300 hPa左右。從散度值的極值大小來看，冰雹高層輻散中心強(qiáng)度明顯大于另外兩種強(qiáng)對流天氣過程。冰雹對于抬升指數(shù)的要求最高，其平均值在-1.79左右，其次是短時強(qiáng)降水，平均值在-1左右，最后為大風(fēng)，平均值為-0.7。

④熱力條件方面，冰雹對于DT85的要求最高，其值在26～34 ℃之間，大風(fēng)過程的DT85在23～30 ℃之間，短時強(qiáng)降水天氣過程DT85介于23～28 ℃。強(qiáng)降水對K指數(shù)要求最高，其平均值在39.8 ℃左右，其次為大風(fēng)和冰雹，k指數(shù)平均值分別為37.2 ℃和35.8 ℃，因此出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣對低層的水汽和中低層的溫度直減率的依賴更大。通過計算個例中CAPE值，發(fā)現(xiàn)其閾值分布范圍較大，對區(qū)分3類強(qiáng)對流天氣沒有指示意義。