梧州市強對流天氣潛勢預報探討

歐堅蓮，黃 帆，歐欣格，孫小龍，陳飛盛

（1.廣西梧州市氣象局，廣西 梧州 543002；2.廣西賀州市氣象局，廣西 賀州 542800）

引言

目前國內關于強對流天氣的研究很多，探空資料對天氣系統的監測和預報有重要參考作用，現在已經成為強對流天氣預報中必不可少的參考資料之一［1-2］，綜合利用由探空數據計算的物理量指數進行潛勢預報就是重要方法之一［3-9］。本文通過對2005～2016年共12a強對流天氣個例的對流參數值進行統計分析及預報對比，歸納出強對流天氣發生物理量閾值，建立梧州市的強對流天氣物理量判斷指標。

1 資料和方法

1.1 使用資料

本文使用的資料為2005～2016年梧州氣象觀測站的地面氣象記錄月報表資料、地面觀測資料、探空資料和MICAPS第五類格式的T-LopP溫度對數壓力圖數據文件等，地面觀測資料時間間隔為1h，探空資料的時間間隔為12h。其中2005～2015年11a的資料用于統計分析，2016年的資料用于樣本檢驗。

1.2 技術方法

利用天氣學原理、統計法、指標法等方法，通過對2005～2016年梧州市發生的強對流天氣過程的資料進行統計分析，研究和總結梧州市強對流天氣的形勢特點，總結各類強對流天氣的物理量參數值分布區間，確定強對流天氣類型判斷閾值，得出基于穩定度和能量等指標作為強對流天氣的短時潛勢預報指標。

1.3 樣本選取標準

冰雹：梧州市站地面觀測資料記錄有冰雹天氣為準。

雷雨大風：梧州站平均風力大于等于6級、陣風大于等于7級且伴有雷雨的天氣。

短歷時強降水：梧州站1h降水量大于等于20mm或3h降水大于等于50mm的降水。

1.4 樣本數量

依據上述樣本選取標準，找出2005～2016年發生在梧州市的短時強降水、雷雨大風、冰雹天氣發生的具體時間，得到短時強降雨天氣個例90個，冰雹天氣個例12個，雷雨大風天氣個例40個，其中，2016年的短時強降雨天氣個例11個，冰雹天氣個例1個，雷雨大風天氣個例7個用于樣本檢驗。

2 結果分析

2.1 主要影響天氣系統分析

通過查閱2005～2016年所有發生短時強降水的天氣系統，發現造成梧州市短時強降水的主要影響天氣系統有500hPa高空槽、850hPa切變線、熱帶低壓、低空急流、副熱帶高壓邊緣、東風波以及地面冷空氣等天氣系統中的一個或多個系統共同作用的結果，其中參與率排在前4位的系統有：低空急流參與的占40%，850hPa切變線參與的占37%，500hPa高空槽參與的占34%，地面冷空氣參與的占34%，表明低空急流、切變線、高空槽、地面冷空氣是造成梧州市短時強降水的最主要的4個天氣系統。

同樣，雷雨大風的主要影響天氣系統也是由500hPa高空槽、850hPa切變線、熱帶低壓、低空急流、副熱帶高壓邊緣、東風波以及地面冷空氣等系統中的一個或多個天氣系統共同組成的。其中參與率排在前4位的系統有：500hPa高空槽參與的占57%，850hPa切變線參與的占40%，低空急流參與的占40%，地面冷空氣參與的占36%，表明高空槽、切變線、低空急流、地面冷空氣是造成梧州市雷雨大風的主要影響天氣系統。

對于冰雹，統計發現梧州市發生冰雹的概率較低，近35a來有觀測記錄并能找到相關資料的只有12次過程，發生降雹的時間主要在2～4月份，即春季，主要的影響天氣系統為高空槽、切變線、地面冷空氣，是三者共同作用的結果。

2.2 強對流天氣的探空圖特征分析

通過對2005～2016年梧州市三種強對流天氣的探空圖特點進行對比分析，發現各類天氣具有不同的特征，分別是：短時強降雨的濕層比較深厚，分析溫度露點差84次過程中有72次850hPa的（T-Td）≤3℃且700hPa（T-Td）≤5℃（占86%）；雷雨大風中層有干侵入，36次過程中有25次的溫度露點差700hPa（T-Td）≥7℃或500 hPa（T-Td）≥14℃（占69%）；冰雹天氣低層有明顯的逆溫，12次過程中有11次低層有逆溫（占91%），同時垂直風切變也明顯，12次過程中有10次0-3km風切變≥14m·s-1（占83%），大多表現為上干下濕，喇叭口形狀。圖1左、中、右可分別代表短時強降雨、雷雨大風、冰雹常見的探空圖，三種強對流天氣的探空圖具有不同的特點。

2.3 物理量參數統計

強對流天氣的發生發展有其特定的環境，是在特定條件下出現的短時災害性天氣，一般雷暴等強對流天氣出現必然對應某些物理量的異常。由于能夠造成強對流天氣發生的物理原因較多，包括地形、大氣層結穩定性、局地水汽含量、垂直運動、風的垂直切變、大氣不穩定能量和下沉氣流強度等，如果僅分析某種物理特征量可能得不到較好的預報結論，因此需要對各種物理量參數進行綜合分析，目的在于找到一些較好的預報指標，同時針對這些指標找出強對流天氣發生時的閾值，方便預報員定量參考。

圖1 左、中、右分別是短時強降雨、雷雨大風、冰雹的探空圖

因此對短時強降雨、雷雨大風和冰雹三類強對流天氣類型的物理量參數值進行統計，得出13種物理量的值分布范圍，如表1。

表1 梧州市三類強對流天氣物理量參數值統計結果

2.4 綜合分析

由表1可見，IQ、H0和H-20，0～3km風切變三種物理量在三類天氣類型有明顯的區分，其他物理量的值分布各有差異，需要使用實際數據分別對各種物理量樣本數據分布進行詳細分析。

分析三類天氣類型的IQ可見，短時強降雨的IQ起報值明顯大于冰雹、雷雨大風，數值范圍在4057～6602g·kg-1，而冰雹的IQ最小，基本上＜4500g·kg-1，雷雨大風的IQ次之，這與冰雹、雷雨大風天氣在中、低層需要有相對干燥的水汽條件有關，短時強降雨天氣整層需要較好的水汽條件相對應。

分析0℃層H0和-20℃層H-20高度實際數據可以看出：H0：發生冰雹天氣時基本上H0＜4800m；發生雷雨大風天氣時3600m＜H0＜5700m；發生短時強降雨天氣時4200m＜H0＜5700m；H-20：發生冰雹天氣時5800m＜H-20＜8800m；發生雷雨大風天氣時7000m＜H-20＜9100m；發生短時強降雨天氣時7500m＜H-20＜9100m。冰雹和短時強降雨的區分非常明顯，而雷雨大風介于冰雹和暴雨之間，比較接近冰雹天氣。

分析三類天氣類型的0～3km風切變可見，冰雹的最低風切變明顯大于短時強降雨和雷雨大風，數值在10m·s-1以上，這與冰雹的發生需要有較大的風切變有關，而短時強降雨和雷雨大風的風切變有時較小、有時較大，這與短時強降雨和雷雨大風對風切變的要求不高相符。

3 大氣對流參數指標分析

3.1 短時強降雨指標分析

短時強降雨的發生不僅需要較強的水汽輻合，更要有對流不穩定條件，所以選取K指數、沙氏指數SI、Cape值、CIN值、對流穩定度指數IC、整層比濕積分IQ等對流參數診斷分析。

通過對2005～2015年84次短時強降雨天氣過程中各物理量參數分布分析，分別統計出概括率達70%和80%以上的對流參數閾值，具體如表2。利用概括率80%以上的對流參數閾值：K指數≥34℃，沙氏指數 SI≤0.3，Cape 值≥20 J·kg-1，CIN 值≤125 J·kg-1，對流穩定度指數 IC≤-3，T850-T500≥22℃，（TTd）850≤2℃，（T-Td）700≤5℃，（T-Td）500≤14℃，整層比濕積分IQ≥4800g·kg-1，分析2005～2015年出現短時強降雨的擬合率，10個指標同時滿足8個時擬合率達78%，同時滿足7個時擬合率達88%，故應用同時滿足7個即可。

3.2 雷暴大風指標分析

雷暴大風天氣要求三個基本條件：足夠的水汽、不穩定的層結和抬升機制，而要發展加強還要求有較大的垂直風切變。所以選取溫度露點差、K指數、沙氏指數SI、Cape值、0～3km風切變等對流參數診斷水汽條件、層結穩定度條件和垂直風切變情況。通過對2005～2015年36次雷暴大風天氣過程中各物理量參數分布分析，分別統計出概括率達70%和80%以上的的對流參數閾值，具體如表2。利用概括率80%以上的對流參數閾值：K指數≥29℃，沙氏指數SI≤0.8，Cape值≥60J·kg-1，CIN值≤200J·kg-1，對流穩定度指數IC≤-7，（T-Td）850≤4℃，（T-Td）700≥3℃或（TTd）500≥5℃，T850-T500≥22℃，0-3km風切變≥6m·s-1,整層比濕積分IQ＞4300g·kg-1，分析2005～2015年出現雷暴大風的擬合率，10個指標同時滿足8個時擬合率達75%，同時滿足7個時擬合率達88%，故應用同時滿足7個即可。

3.3 冰雹天氣指標分析

冰雹天氣的基本條件：低層足夠的水汽、中層干冷、強對流不穩定的層結、垂直風切變、一定的抑制能量和0℃高度，-20℃層高度。所以選取不同層的溫度露點差、K指數、沙氏指數SI、Cape值、CIN值、0～3km風切變、0～6km風切變以及0℃、-20℃層高度等對流參數診斷。通過對12次冰雹天氣過程中各物理量參數分布分析，分別統計出概括率達70%和80%以上的對流參數閾值，具體如表2。利用概括率80%以上的對流參數閾值：K指數≥33℃，沙氏指數SI≤0.5，Cape值≥0J·kg-1，CIN值≤150J·kg-1，對流穩定度指數IC≤0，（T-Td）850≤3℃，T850-T500≥23℃,0～3km風切變≥10m·s-1，0℃高度＜4800m，整層比濕積分IQ＞3400。由于冰雹天氣的個例數太少，得出的閾值指標存在不具代表性的可能。

3.4 樣本檢驗

利用總結出來的概括率達80%以上各物理量的閾值，對2016年的短時強降雨天氣個例11個，冰雹天氣個例1個，雷雨大風天氣個例7個進行檢驗，發現運用滿足7個及以上指標時即預報有：短時強降雨的準確率達到90%；雷雨大風準確率達到100%；冰雹天氣準確率達到100%。由此可見，選取的參數以及閾值對梧州市短時強降水、雷雨大風和冰雹的預報有一定的指導意義，可以作為日常預報的參考依據。

4 結論和討論

（1）梧州市強對流天氣大都發生在有利的環流背景下，造成強對流天氣的天氣系統有500hPa高空槽、500hPa低渦切變線、850hPa切變線、熱帶低壓、低空急流、副熱帶高壓邊沿、東風波以及地面冷空氣等。在這些有利的天氣系統影響下，達到表2的物理量參數閾值時，可以作為梧州市強對流天氣判別的潛勢預報指標。

（2）利用不同類型的強對流天氣探空圖具有不同的特征，IQ、H0、0～3km風切變和SI指數等物理量參數在短時強降雨、冰雹及短時雷雨大風三種強對流天氣類型有較明顯的區別，可以作為判別短時強降雨、雷雨大風和冰雹天氣類型有效的物理量參數閾值。

（3）Cape對強對流天氣的發生有較好指示作用，Cape值越大越有利于強對流天氣發生，但從實際數據統計上，Cape為0 J·kg-1的次數也有17次，出現這種情況是由于目前探空觀測的空間和時間密度不夠，不能保證觀測值獲取于強對流發生的最佳時間，需要進行訂正使用。

表2 判斷梧州市短時強降雨、雷雨大風和冰雹天氣物理量參數閾值

（4）文中結論所用資料時間長度較短、樣本有限，需要進一步擴大資料的時間長度，充實典型天氣個例，滿足統計分析結果的普遍性。