江蘇副高型強對流天氣特征及環境參數分析

張樹民, 吳海英, 王 坤, 繆明榕, 丁愛萍, 陳 鐵

(1.南通市氣象局，南通 226001；2.江蘇省氣象臺，南京 210008)

強對流天氣是中國汛期主要的災害性天氣之一[1]。2015年6月1日“東方之星”客輪突遇強對流天氣，在長江流域湖北監利航段傾覆，造成442人遇難[2]；2016年6月23日江蘇阜寧出現EF4級龍卷、強風、短時強降水和冰雹等強對流天氣，致使99人罹難，800多人受傷[3]。近年來，關于強對流天氣的預報技術[4]和預報業務中的一些基本問題[5-6]已有大量研究。龐古乾等[7]利用潛勢預報方法對廣東前汛期強對流天氣進行了研究；何鈺等[8]基于配料法總結了云南短時強降水的相關特征；許愛華等[9]采用流型識別法將中國強對流天氣分5種基本類別：冷平流強迫類、暖平流強迫類、斜壓鋒生類、準正壓類和高架對流類。大氣環境條件分析都是強對流天氣預報的關鍵[10]，伍志方等[11]總結了廣東前汛期不同類型強對流的物理量閾值；高曉梅等[12]對魯中地區分類強對流的環境參數進行了研究；肖云等[13]對江西省三類強對流天氣環境物理量做了對比分析；仇娟娟等[14]對比分析了蘇滬浙地區短時強降水與冰雹的物理量特征，得到強降水的850與500 hPa溫差、K指數和對流有效位能CAPE的平均值，分別為23.1、37.2 ℃和1 298 J/kg。關于強對流天氣環境參數的研究，大多屬于上述5種基本類別的天氣類型。觀測事實表明，在西太平洋副熱帶高壓控制時，強對流天氣也常有發生[15-16]，此類強對流天氣發生在正壓系統控制下，不屬于上述5種基本類別。尹紅萍等[17]分析了盛夏上海地區副熱帶高壓型強對流天氣的特點，認為此類天氣的發生除需要有較好的層結不穩定條件外，對抬升條件也有較高要求；束宇等[18]研究了對流溫度Tg在副熱帶高壓控制下的局地熱對流預報中的應用表明，當日最高氣溫Tmax比Tg高0.5～1.5 ℃時，熱對流降水發生的概率達40%。然而，針對江蘇地區副高型強對流天氣的對流類型、強度和環境參數特征方面的研究還未開展，因此，有必要對其進行總結和歸納，以期為預報預警業務提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取蘇南地區國家觀測站和地面區域自動站觀測資料、高空天氣圖、重要天氣報、南京站和寶山站的高空觀測資料。

1.2 研究方法

在業務工作中，副熱帶高壓的范圍常用500 hPa上588 dagpm線的控制區域來表示。定義副高型強對流為：強對流天氣發生時，該地區8:00和20:00(或20:00和8:00)兩個相鄰高空觀測時次，500 hPa上的位勢高度均大于或等于588 dagpm。

首先，查閱2007—2016年7—9月的500 hPa天氣圖，找出相鄰兩個高空觀測時次內蘇南地區500 hPa上的位勢高度均大于或等于588 dagpm的樣本共208例。其次，在已選的208例樣本中，查閱蘇南地區地面區域自動站(含加密站)和重要天氣報，從中選出強對流天氣事件，得到副高型強對流56例，并對其具體種類進行劃分，主要分為短時強降水、雷暴大風、冰雹雷暴大風和強降水混合型3種類型。最后，統計分析副高型強對流的類型、強度和開始發生時間等特征，并采用線箱圖的方式對比分析3種類型強對流的環境參數特征，所選參數主要包括靜力穩定度、水汽和與對流觸發方面相關的環境參數。

2 副高型強對流天氣特征分析

2.1 對流類型特征

將56例樣本按雷暴大風、短時強降水、冰雹雷暴大風和短時強降水混合型等3種類型進行統計如圖1所示，其中，混合型強對流中只有4次伴有直徑小于20 mm的冰雹天氣。在副高控制時，蘇南地區未發生過龍卷，其余各種強對流天氣均有發生，混合型強對流發生的頻次最多，短時強降水次之，只發生雷暴大風的頻次最少。單獨一種強對流(雷暴大風或短時強降水)發生的概率(34%)較混合型對流發生的概率(66%)要低，未出現單獨發生冰雹的個例。

圖1 副高型強對流類型分布

2.2 對流強度特征

根據江蘇省災害性天氣預警信號中雷暴預警信號的標準，將短時強降水的強度等級分為20～29.9、30～49.9、50～79.9、≥80 mm/h雷暴大風分為13.9～17.1、17.2～24.4、≥24.5 m/s來統計。47例有短時強降水的樣本中，不同強度等級均有發生[圖2(a)]，降水強度主要集中在30～79.9 mm/h(占比68%)，雨強≥80 mm/h有8例(占比17%)，最大雨強為124.9 mm/h(2016年8月20日鎮江句容)。46例有雷暴大風的樣本中，8～9級(17.2～24.4 m/s)風發生頻次最多(占比61%)，最大風速達30.9 m·s-1(11級，2013年8月11日蘇州相城)；10級以上大風有10例，占比22%。4例冰雹過程的直徑較小，最大直徑為20 mm，最小直徑只有4 mm。

圖2 短時強降水和雷暴大風不同強度等級的頻次

2.3 對流觸發時間特征

將56例強對流中，每個樣本最早記錄到對流發生的時間情況統計如圖3所示。從圖3可以看出，副高型強對流觸發時間呈單峰型分布，主要在白天8:00—17:00時，有明顯的日變化特征，最高峰為12:00—14:00時，占比62.5%，夜間未出現對流觸發個例。這和白天日射增溫有關，副高控制區天空云系較少，地表吸收太陽短波輻射加熱，促使上下層溫差加大，對流不穩定層結加強，利于對流的產生。

圖3 副高型強對流觸發時間分布

3 副高型強對流環境參數特征分析

因副高型強對流發生時間多在白天，且中午前后的概率最大，故選取強對流天氣發生前最近時刻8:00時的探空資料來統計，所選探空站為最接近對流天氣發生地的探空站，主要有南京站和寶山站。環境參數的選取，靜力穩定度方面有SI指數、850與500 hPa的溫差ΔT85、對流有效位能CAPE和對流抑制有效位能CIN；ΔT85越大，代表條件性不穩定性越強[11]；CAPE越大，代表不穩定能量越大。水汽條件方面，因大氣中的水汽主要集中在對流層低層，故選取1 000 hPa上的露點溫度Td來代表低層絕對水汽條件；孫繼松[19]研究認為，對于對流過程，如果不考慮蒸發過程，瞬時降水強度主要決定于水汽垂直遞減率，用850與500 hPa的露點差(ΔTd)85來表示；此外，用300～700 hPa平均相對濕度R37來代表中層水汽條件。與對流觸發方面相關的參數有抬升凝結高度TCL和自由對流高度LFC。

針對以上所選參數，按短時強降水、雷暴大風及混合型強對流3種類型進行分類統計，以線箱圖的方式，從靜力穩定度、水汽條件和與對流觸發方面相關的環境參數進行對比分析。

3.1 靜力穩定度對比分析

圖4分別給出3種類型強對流的ΔT85、SI、CAPE和CIN的線箱圖。從圖4中可見，短時強降水、雷暴大風和混合型強對流的ΔT85[圖4(a)]中位數分別為23、25、25 ℃；3種類型強對流范圍分別為21～26(短時強降水)、23～30(雷暴大風)、22～36 ℃(混合型)；相對應25%～75%值分別為22～25、24～28、24～28 ℃。由圖4(a)可知，副高型強對流具有條件性不穩定層結，3種類型各自對應的ΔT85的分布特征類似。

SI指數可以定性地判斷對流層中層(850～500 hPa)是否存在熱力不穩定層結[13]。SI<0 ℃為不穩定層結，SI>0 ℃則為穩定層結。如圖4(b)所示，3種類型強對流SI指數的中位數分別為-0.6(短時強降水)、-0.3(雷暴大風)、-1.1 ℃(混合型)，相對應的25%～75%分別為-2.2～0.6、-1.1～0、-2.2～0 ℃，表明3種類型強對流SI指數的差異不大。

CAPE是能定量反映大氣環境中能否發生深厚對流的熱力變量，它比傳統意義上的對流不穩定參數能更恰當地表示對流發展的潛勢和對流可能達到的強度，與CIN一起是深厚濕對流發生潛勢和潛在強度的重要指標[11]。從圖4(c)可知，各類型CAPE差異較大，中位值按雷暴大風、短時強降水和混合型強對流依次增大，分別為1 220、1 570、2 510 J/kg；對應的25%～75%分別為450～1 560、860～2 340、1 550～2 870 J/kg；其中混合型箱體高度最高，說明對應的CAPE較其他兩種明顯偏大，而其他兩種類型的區分度不大。

圖4 穩定度相關參數線箱圖

抬升力須克服對流抑制才能將氣塊抬升至自由對流高度，即對流觸發需要抬升力的強度由CIN決定。如圖4(d)所示，短時強降水、雷暴大風和混合型強對流CIN的25%～75%分別為0～30、20～250、0～80 J/kg，相應的中位數分別為15、160、10 J/kg；其中雷暴大風的箱體最寬，CIN分布較分散，而短時強降水箱體最窄，CIN分布比較集中。

3.2 水汽條件對比分析

水汽是強對流天氣發生的基本要素之一。圖5分別給出Td、R37、(ΔTd)85和K指數的線箱圖。從圖5可知，3種類型強對流的Td分布相似[圖5(a)]，箱體較窄，Td分布較集中；短時強降水、雷暴大風和混合型強對流的中位值分別為25.5、25、25 ℃，對應的25%～75%分別為24～26、24～25、24～26.5 ℃。

從對流層中層平均相對濕度R37來看[圖5(b)]，混合型強對流的箱體較其他兩種要窄，R37分布較集中，而短時強降水和雷暴大風的箱體較寬，這兩種強對流R37分布較分散。3種類型強對流R37的25%～75%分別為33%～73%(短時強降水型)、25%～57%(雷暴大風型)和30%～47%(混合型)，相對應的中位值分別為50%、27%和36%。可知，雷暴大風、混合型到短時強降水，中層平均相對濕度是逐漸增大的。

瞬時降水強度與水汽的垂直遞減率有關，圖5(c)顯示，3種類型強對流(ΔTd)85的中位置分別為25 ℃(短時強降水型)、35 ℃(雷暴大風型)和30 ℃(混合型)，相對應的25%～75%分別為23～32、27～41、24～38 ℃，可見，短時強降水、混合型到雷暴大風的(ΔTd)85是逐漸增大的，且3種類型的中位值區分度較大。

K指數計算方法：K=(T850-T500)+(Td)850-(T-Td)700，它側重反映對流層中下層的濕度廓線，濕度越大，K指數越大[13]。K指數線箱圖顯示[圖5(d)]，3種類型強對流的25 %～75 %分別為33～38(短時強降水型)、26～35(雷暴大風型)、29～36 ℃(混合型)，相對應的中位值分別為36、32、34 ℃。可見，雷暴大風、混合型到短時強降水對應的K指數是逐漸增大的。

圖5 水汽條件相關參數線箱圖

3.3 LFC和TCL特征對比分析

強對流觸發需空氣塊抬升至自由對流高度LFC，云底高度與抬升凝結高度TCL有關。圖6分別給出了上述兩種環境參數的線箱圖。從圖6中可以看出，3種類型強對流的LFC和TCL箱體高度分布有明顯的差異，短時強降水的LFC和TCL的箱體最窄，雷暴大風的LFC和TCL所對應高度的氣壓均是最低的。短時強降水、雷暴大風和混合型強對流LFC的25%～75%值分別為900～1009、650～800、830～1 008 hPa，TCL與之相對應的值分別為970～980、910～940、940～970 hPa；與3種類型強對流對應的LFC的中位值分別為910、720、930 hPa，而TCL的中位值分別為970、930、950 hPa。兩種參數對應的分類強對流的箱體分布特征具有一致性。

圖6 與對流觸發相關參數線箱圖

綜上所述，副高型強對流天氣發生時大氣層結不穩定，3種類型強對流，分別對應的CAPE、CIN、R37、(ΔTd)85、K指數、LFC和TCL環境參數有明顯差異，而ΔT85、Td和SI指數的差異不大。副高型強對流天氣環境參數分布特征如表1所示。

表1 副高型強對流天氣環境參數分布特征

4 結論

基于蘇南地區2007—2016年的觀測資料，選取了56例副高型強對流樣本，對其對流類型、對流強度和觸發時間特征進行了分析，并按短時強降水、雷暴大風、冰雹雷暴大風和強降水混合型等3種類型，對比分析了靜力穩定度、水汽和與對流觸發方面相關的環境參數的特征。得出如下主要結論。

(1)蘇南地區副高型強對流天氣中，混合型強對流出現頻率最高(66%)，雨強在30～79.9 mm/h的短時強降水頻率(68%)最高，最大達124.9 mm/h；雷暴大風的風力多為8～9級(61%)，最強達11級(30.9 m/s)；強對流觸發時間的峰值在12:00—14:00。

(2)850、500 hPa的溫差ΔT85和SI指數的中位值分別為25 ℃和-1 ℃左右，3種類型強對流的差異不大；混合型強對流CAPE的中位值(2 510 J/kg)，遠大于短時強降水(1 570 J/kg)和雷暴大風(1 220 J/kg)，CIN的中位值則是雷暴大風的160 J/kg最高。

(3)3種類型強對流低層水汽條件相似，1 000 hPa露點Td的中位值均在25 ℃左右，水汽條件差異主要在中層，中層大氣越干、露點垂直遞減率越大，越利于雷暴大風的發生；反之，則利于短時強降水的發生，混合型強對流介于兩者。K指數的中位值，雷暴大風(32 ℃)、混合型(34 ℃)到短時強降水(36 ℃)是逐漸增大的。

(4)自由對流高度LFC和抬升凝結高度TCL，雷暴大風的25 %值分別為650和910 hPa，遠小于短時強降水的900和970 hPa，混合型強對流則位于兩者。