基于探空图作岳阳强对流天气预报指标的分析

许丽丽，杨 令，蒋 帅

(1.湖南省岳阳市气象局，湖南 岳阳 414000；2.湖南省益阳市气象局，湖南 益阳 413000)

0 引言

强对流天气是大气对流活动强烈发展而产生的灾害性天气，包括短时强降水、雷雨大风、龙卷风和冰雹等灾害性天气[1-2]。因其空间尺度小、生命史短、突发性强、破坏力大，一直是天气预报中的难点，除了应用天气图分析天气形势外，通常还要结合分析雷达、卫星探测等方法，再配合中尺度天气分析进行强对流天气预报。

多年来，国内外气象工作者利用各种模型及方法寻找强对流天气的预报指标，但各种指标的准确度依然有待完善。李耀东[3]等结合模式输出的探空分析，预报出对流不稳定能量的区域分布。王立荣等[4]使用探空资料计算多种对流参数的气候平均值，研究得出不同月份与不同强度对流天气的气候特征有明显差别。谌志刚等[8]利用雷达及GRAPES资料计算各层风温湿等环境特征量，建立强对流潜势预报方程预报1 h内强对流天气。翟菁等[9]基于探空资料，通过指标叠套法寻找不同季节强对流天气潜势预警指标。从相关研究成果及文献中可以看出，稳定度依然是强对流预报的重要指标之一，而在不同地区强对流天气形成条件有所不同，受地形地貌与气候背景影响比较大。岳阳位于湖南向东北开口的马蹄形盆地的开口处，风的预报向来是工作中的难点，且岳阳两面环山，水系发达，强对流频发，严重影响水上交通安全。

本文基于探空图，使用探空资料计算分析2007—2016年强对流天气发生时的能量指标及不稳定指标，对比岳阳强对流天气实况，进一步分析找到适应岳阳本地的强对流天气预报指标阈值。

1 资料处理与相关指标

1.1 资料处理

本文以岳阳为研究范围，所讨论的强对流天气是指：短时强降水(≥30 mm/h)、雷雨大风(地面瞬时风速>17 m·s-1)、冰雹。选取2007—2016年10 a的强对流资料，统计分析这3类对流天气的物理量特征，以2017年实况进行预报试验。

1.2 稳定度指标

目前强对流天气进行预报的有效手段依然是不稳定指标[5]，所以本文讨论的不稳定指标包括：K指数、A指数、沙氏指数SI、抬升指数LI、总指数TT。

其中K指数反映大气的层结稳定情况；A指数反映了中层以下的温湿度条件以及各层之间的温度递减率。A指数、K指数越大，大气越不稳定，也越潮湿[5]。总指数TT越大，大气层结也越不稳定。

根据国外资料，当SI<-6 ℃，有发生严重对流性天气(如龙卷风)的危险[2]。

1.3 其他指标

在天气图上的不稳定区域，△θse700-850的负值中心，最易发生雷暴大风。所以本文分析垂直风切变、DCAPE值、△θse700-850作为雷雨大风的预报参考指标。

一般来说，0 ℃层和-20 ℃层之间的厚度较小，也有利于产生冰雹，因为此时中层较不稳定。所以本文分析云中最大上升速度Wm、△Z和抬升指数LI作为冰雹预报的参考指标。

除了稳定度指标外，选取对流有效位能CAPE共同作为短时强降水的预报指标。同时，分析能量平衡高度与3种强对流天气的关系。

2 预报指标的分析

K指数、抬升指数LI、总指数TT和CAPE值采用fnl资料，以113.12°E，29.15°N为分析点，画出探空图，计算得出上述指数(图1)。

△θse700-850采用fnl资料，以113.12°E， 29.15°N为分析点，算出相应的数值。

一个特定的算法都必须具备自己的要素(数据对象的运算和操作)以及五个基本特征(有穷性，确切性，输入，输出项及可行性)。

A指数、沙氏指数SI、Wm、△Z 和DCAPE采用探空实况资料，计算得出。

图1 2015年8月9日20时113.12°E，29.15°N探空图Fig.1 T-lnP of 213.12°E, 29.15°N at 20∶00 on 9 August 2015

2.1 能量平衡高度分析

计算2007—2016年强对流日的能量平衡高度，由于岳阳境内无高空观测站，所以采用武汉站的高空实况，代表岳阳北部地区强对流天气情况；以长沙站的高空实况，代表岳阳南部地区的强对流天气情况。

武汉、长沙两站(岳阳北部、南部)能量平衡高度的统计结果如表1所示。由表1可知，强对流天气发生期间，岳阳南部的能量平衡高度集中介于100～199 hPa，所占比例高达50.1%；能量平衡高度介于100～249 hPa，所占比例高达56.6%；而岳阳北部能量平衡高度主要介于100～249 hPa，所占比例高达62.5%。经过分析得知，强对流天气发生期间，岳阳的能量平衡高度超过一半的机会介于100～249 hPa，因此当能量平衡高度处在100～249 hPa时，要密切关注强对流天气现象；且当长沙站的能量平衡高度处在100～199 hPa时，要尤其注意岳阳南部县市的强对流发展情况。

既已得知强对流天气与能量平衡高度有较好的对应关系(能量平衡高度处在100～249 hPa)，那么为了强对流天气的准确预报，就要找到更精细的指标。因为2015年岳阳市强对流天气较多，因此以2015年(3—8月)长沙、武汉两站逐日能量平衡高度(08时)的变化(图2)为例。

表1 岳阳南北部能量平衡高度与强对流天气日数的对应关系Tab.1 The Corresponding Relation between Energy Balance Level and Days of severe convective weather in the north and south of Yueyang

图2 长沙站(a)、武汉站(b)2015年3月30日—8月30日能量平衡高度变化Fig.2 Changes in daily Energy balance level form 30 March—30 August 2015 of Changsha Station (a) and Wuhan Station (b)

图2共标识出岳阳地区11次(6月2日、7月22—23日岳阳南北部均有对流过程)具有08时能量平衡高度的强对流天气日，从两图变化曲线中可以看出，能量平衡高度的日变化大致可以分为两个阶段，第一阶段为3—7月上旬，此阶段能量平衡高度变化较大，变化区间为100～950 hPa；第二阶段为7月中下旬—8月，此阶段能量平衡高度变化明显较缓，大部分数值变化范围为120～550 hPa，小部分数值高于850 hPa。

进一步分析图2可知，11次强对流过程中，有7次对应曲线中的极高值，且7次极高值中有4次高于250 hPa(图中给出的能量平衡高度等值线为250 hPa)，同时发现第二阶段中，能量平衡高度普遍较高，大部分高于250 hPa，同理，统计了2009年、2013年的日能量平衡高度变化，也可以分为上述两个阶段，并且发现3—7月上旬能量平衡高度高于250 hPa时，54.6%的比例出现了强对流天气。所以可以得出当第一阶段中能量平衡高度高于250 hPa时，往往对应出现强对流天气，第二阶段要结合其他指标进行强对流天气的预报。

2.2 冰雹指标分析

冰雹除了一般强对流发生所必须的环境条件外，在做冰雹预报时还应注意大气探空分析，首先要注意的是0 ℃层和-20 ℃层的高度。0 ℃层高度在4 000 m上下时最适宜降雹，这个条件在初夏或初秋最易满足，而盛夏期间0 ℃层太高，此时云顶很高[1]，所以降雹多发生在初夏或初秋。如果环境大气中存在很大的对流有效位能和强烈的垂直风切变，则雷暴云中将出现强烈的上升气流，并维持较长的时间，而这些正是大冰雹的发生所必需的条件。所以，本文用抬升指数LI、云中最大上升速度Wm和两层之间厚度△Z 作为冰雹预报的参考指标。

岳阳10 a间共出现12个降雹天气过程(日)，均出现在2月下旬—4月上旬，即岳阳出现降雹的最大概率在春季，进一步统计发现，近80%的降雹发生前，LI>20 ℃、Wm>1.2 m·s-1、△Z<3 000 m，2～3个条件同时满足；进一步统计发现，2个台站以上的降雹，LI>25 ℃、Wm>3.6 m·s-1或△Z<2 700 m。CAPE值没有明显的规律，还需统计更多的资料，进而寻找合适的指标。

2.3 雷暴大风指标分析

雷暴大风，指的是对流风暴产生的除龙卷以外的地面大风。并非每次雷暴发生时，都伴有大风。雷暴大风产生的原因主要有两种：①雷暴出流形成的地面大风,主要由垂直运动转化而来(下击暴流)或者冷池形成的阵风，风向是离开雷暴的；②由雷暴入流形成的地面大风,主要由于强烈的上升气流强迫地面风场辐合而形成的地面大风，其方向是指向雷暴的[6]。大多数灾害性雷暴大风是第1种情况造成的，所以本文中分析这类雷暴大风的预报指标。

强冰雹的产生需要强烈且持续的上升气流，而对于雷暴大风而言，与强冰雹刚好相反，其产生需要较强的下沉气流。且在天气图上，在不稳定区，△θse700-850的负值中心，最易发生雷暴大风。所以本文分析DCAPE、△θse700-850、垂直风切变(1 000～500 hPa)、K指数及SI的数值变化，进而寻找雷暴大风的指标阈值。

对24次雷暴大风天气过程(日)统计发现，近70%的雷暴大风发生前，△θse700-850≤-7 ℃、SI≤-1.2 ℃、垂直风切变≥10 m·s-1，3个条件同时满足，且若出现2个站次以上的雷暴大风，除了上述特征值满足外，DCAPE>800 KJ。

2.4 短时强降水指标的分析

短时强降水一般对应着适当大小的CAPE值，当CAPE值很大时，将造成低空含水量很大的气块迅速通过暖云底部而造成降水效率下降；而短时强降水一般对应K指数较大，因为K指数往往对低空的水汽含量更敏感。K指数侧重反应了对流层中下层(700～850 hPa)的湿度廓线，湿度越大，K值越大，也越不稳定[6]。K≥20 ℃时，就有可能出现雷暴天气；K≥35 ℃时，就具备出现对流性天气的条件。而A指数在暴雨预报中具有一定的作用。个例表明，当A指数由负值上升到正值时，为阴雨天气；下降到负值时则雨停[7]，达到10 ℃以上时多有降水发生。

本文将A指数应用到短时强降水的预报中，使用2007—2016年短时强降水发生日的实况探空资料，读取A指数值。资料选取长沙和武汉的实况探空，岳阳北部县市使用武汉实况资料，南部地区使用长沙实况资料。

对62个短时强降水天气过程(日)统计发现，73.6%的短时强降水发生前，K指数≥37 ℃，A指数≥14 ℃，TT指数≥43 ℃，或者2～3个指标同时满足，进一步统计发现，当K指数≥40 ℃，或A指数≥20 ℃,或TT指数≥49 ℃，69.2%的机会出现≥2个台站的短时强降水，≥3个台站的比例为38.4%，说明TT≥49 ℃、A≥20 ℃、K≥40 ℃时比较容易出现短时强降水天气；另45%的短时强降水发生前，CAPE>1 100 KJ，因此上述3个指数的数值大小、适当的CAPE值对短时强降水天气的预报有一定的效果。

同样，统计了在冰雹与雷雨大风过程中的A指数、K指数和CAPE值，分析发现冰雹过程中A指数没有明显的规律，而63%的机会K≥26 ℃；雷雨大风中43%的机会A>10 ℃，92%的机会K>29 ℃，58%的机率K≥35 ℃；冰雹过程中CAPE值没有明显的规律，但雷雨大风中的CAPE值明显比冰雹和短时强降水中的大。

3 预报试验

使用上述各类指标，对岳阳地区进行预报试验。以2017年3—8月岳阳境内6个国家观测站为例，根据fnl资料作出探空图，并计算出K指数、抬升指数LI、总指数TT和CAPE值，其他指标由08时、20时高空探测实况得出，对强对流天气进行短时预报(12 h以内)。据统计岳阳境内2017年共出现13次强对流天气过程，其中大风3次(下午及傍晚)，其他为短时强降水(白天夜间均有)，其中5次为2站以上短时强降水。表2为各种指标对2017年强对流的预报试验结果。从表2可以看出，短时强降水的空报日数较多，大于报对日数与漏报日数之和，但相差数值不大，而漏报日数较少；冰雹和雷雨大风的空报日数均为2 d，但由于报对日数分别为0 d、2 d，所以相对而言，空报日数也较多。将指标应用结果计算如下：短时强降水指标，报对比例为32%，漏报比例8%，空报比例60%；冰雹指标，空报比例100%；雷雨大风指标，报对比例40%，空报比例40%，漏报比例20%。计算结果表明，对于3种强对流天气，空报比例都接近50%，特别是冰雹，所以同时要分析天气形势、判别雷达图，进而对强对流天气作出短时预报。

表2 岳阳地区2017年预报试验Tab.2 Forecast experiments of Yueyang in 2017

4 结语

本文选用2007—2016年10 a的强对流天气过程的地面观测资料、高空探测实况资料、fnl再分析资料，对3种对流天气所对应的物理量进行分组，并统计分析得出指标阈值，作为岳阳地区强对流天气的短时预报指标。

①每年的日能量平衡高度变化大致可以分为两个阶段，当第1阶段中能量平衡高度高于250 hPa，且处于变化曲线中的极值时，往往对应出现强对流天气；第2阶段中能量平衡高度普遍较低，大部分低于250 hPa，要参考其他预报指标进行强对流天气预报。

②73.6%的短时强降水发生前，K指数≥37 ℃，A指数≥14 ℃，TT指数≥43 ℃，或者2～3个指标同时满足；当K指数≥40 ℃，或A指数≥20 ℃,或TT指数≥49 ℃，69.2%的机会出现≥2个台站的短时强降水，≥3个台站的比例为38.4%，说明TT≥49 ℃、A≥20 ℃、K≥40 ℃时比较容易出现短时强降水天气；另45%的短时强降水发生前，CAPE>1 100 KJ，因此上述3个指数的数值大小、适当的CAPE值对短时强降水天气的预报有一定的效果。且在降雹与雷雨大风过程中，A>10 ℃或K≥35 ℃的机率比短时强降水中的低，但雷雨大风中的CAPE值明显比冰雹和短时强降水中的大。

③2月下旬—4月上旬，近80%的降雹发生前，LI>20 ℃、Wm>1.2 m·s-1、△Z<3 000 m，2～3个条件同时满足； 2个台站以上的降雹，LI>25 ℃、Wm>3.6 m·s-1或△Z<2 700 m。CAPE值没有明显的规律，还需统计更多的资料，找到相应的规律及阈值。

④近70%的雷暴大风发生前，△θse700-850≤-7 ℃、SI≤-1.2 ℃、垂直风切变(1 000～500 hPa)≥10 m·s-1，3个条件同时满足；2个站次以上的雷暴大风，除了上述特征值满足外，DCAPE>800 KJ。

⑤对于3种强对流天气，空报比率都接近50%，特别是冰雹，所以同时要分析天气形势、判别雷达图，进而对强对流天气作出短时预报。