江苏副高型强对流天气特征及环境参数分析

张树民, 吴海英, 王 坤, 缪明榕, 丁爱萍, 陈 铁

(1.南通市气象局，南通 226001；2.江苏省气象台，南京 210008)

强对流天气是中国汛期主要的灾害性天气之一[1]。2015年6月1日“东方之星”客轮突遇强对流天气，在长江流域湖北监利航段倾覆，造成442人遇难[2]；2016年6月23日江苏阜宁出现EF4级龙卷、强风、短时强降水和冰雹等强对流天气，致使99人罹难，800多人受伤[3]。近年来，关于强对流天气的预报技术[4]和预报业务中的一些基本问题[5-6]已有大量研究。庞古乾等[7]利用潜势预报方法对广东前汛期强对流天气进行了研究；何钰等[8]基于配料法总结了云南短时强降水的相关特征；许爱华等[9]采用流型识别法将中国强对流天气分5种基本类别：冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类和高架对流类。大气环境条件分析都是强对流天气预报的关键[10]，伍志方等[11]总结了广东前汛期不同类型强对流的物理量阈值；高晓梅等[12]对鲁中地区分类强对流的环境参数进行了研究；肖云等[13]对江西省三类强对流天气环境物理量做了对比分析；仇娟娟等[14]对比分析了苏沪浙地区短时强降水与冰雹的物理量特征，得到强降水的850与500 hPa温差、K指数和对流有效位能CAPE的平均值，分别为23.1、37.2 ℃和1 298 J/kg。关于强对流天气环境参数的研究，大多属于上述5种基本类别的天气类型。观测事实表明，在西太平洋副热带高压控制时，强对流天气也常有发生[15-16]，此类强对流天气发生在正压系统控制下，不属于上述5种基本类别。尹红萍等[17]分析了盛夏上海地区副热带高压型强对流天气的特点，认为此类天气的发生除需要有较好的层结不稳定条件外，对抬升条件也有较高要求；束宇等[18]研究了对流温度Tg在副热带高压控制下的局地热对流预报中的应用表明，当日最高气温Tmax比Tg高0.5～1.5 ℃时，热对流降水发生的概率达40%。然而，针对江苏地区副高型强对流天气的对流类型、强度和环境参数特征方面的研究还未开展，因此，有必要对其进行总结和归纳，以期为预报预警业务提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选取苏南地区国家观测站和地面区域自动站观测资料、高空天气图、重要天气报、南京站和宝山站的高空观测资料。

1.2 研究方法

在业务工作中，副热带高压的范围常用500 hPa上588 dagpm线的控制区域来表示。定义副高型强对流为：强对流天气发生时，该地区8:00和20:00(或20:00和8:00)两个相邻高空观测时次，500 hPa上的位势高度均大于或等于588 dagpm。

首先，查阅2007—2016年7—9月的500 hPa天气图，找出相邻两个高空观测时次内苏南地区500 hPa上的位势高度均大于或等于588 dagpm的样本共208例。其次，在已选的208例样本中，查阅苏南地区地面区域自动站(含加密站)和重要天气报，从中选出强对流天气事件，得到副高型强对流56例，并对其具体种类进行划分，主要分为短时强降水、雷暴大风、冰雹雷暴大风和强降水混合型3种类型。最后，统计分析副高型强对流的类型、强度和开始发生时间等特征，并采用线箱图的方式对比分析3种类型强对流的环境参数特征，所选参数主要包括静力稳定度、水汽和与对流触发方面相关的环境参数。

2 副高型强对流天气特征分析

2.1 对流类型特征

将56例样本按雷暴大风、短时强降水、冰雹雷暴大风和短时强降水混合型等3种类型进行统计如图1所示，其中，混合型强对流中只有4次伴有直径小于20 mm的冰雹天气。在副高控制时，苏南地区未发生过龙卷，其余各种强对流天气均有发生，混合型强对流发生的频次最多，短时强降水次之，只发生雷暴大风的频次最少。单独一种强对流(雷暴大风或短时强降水)发生的概率(34%)较混合型对流发生的概率(66%)要低，未出现单独发生冰雹的个例。

图1 副高型强对流类型分布

2.2 对流强度特征

根据江苏省灾害性天气预警信号中雷暴预警信号的标准，将短时强降水的强度等级分为20～29.9、30～49.9、50～79.9、≥80 mm/h雷暴大风分为13.9～17.1、17.2～24.4、≥24.5 m/s来统计。47例有短时强降水的样本中，不同强度等级均有发生[图2(a)]，降水强度主要集中在30～79.9 mm/h(占比68%)，雨强≥80 mm/h有8例(占比17%)，最大雨强为124.9 mm/h(2016年8月20日镇江句容)。46例有雷暴大风的样本中，8～9级(17.2～24.4 m/s)风发生频次最多(占比61%)，最大风速达30.9 m·s-1(11级，2013年8月11日苏州相城)；10级以上大风有10例，占比22%。4例冰雹过程的直径较小，最大直径为20 mm，最小直径只有4 mm。

图2 短时强降水和雷暴大风不同强度等级的频次

2.3 对流触发时间特征

将56例强对流中，每个样本最早记录到对流发生的时间情况统计如图3所示。从图3可以看出，副高型强对流触发时间呈单峰型分布，主要在白天8:00—17:00时，有明显的日变化特征，最高峰为12:00—14:00时，占比62.5%，夜间未出现对流触发个例。这和白天日射增温有关，副高控制区天空云系较少，地表吸收太阳短波辐射加热，促使上下层温差加大，对流不稳定层结加强，利于对流的产生。

图3 副高型强对流触发时间分布

3 副高型强对流环境参数特征分析

因副高型强对流发生时间多在白天，且中午前后的概率最大，故选取强对流天气发生前最近时刻8:00时的探空资料来统计，所选探空站为最接近对流天气发生地的探空站，主要有南京站和宝山站。环境参数的选取，静力稳定度方面有SI指数、850与500 hPa的温差ΔT85、对流有效位能CAPE和对流抑制有效位能CIN；ΔT85越大，代表条件性不稳定性越强[11]；CAPE越大，代表不稳定能量越大。水汽条件方面，因大气中的水汽主要集中在对流层低层，故选取1 000 hPa上的露点温度Td来代表低层绝对水汽条件；孙继松[19]研究认为，对于对流过程，如果不考虑蒸发过程，瞬时降水强度主要决定于水汽垂直递减率，用850与500 hPa的露点差(ΔTd)85来表示；此外，用300～700 hPa平均相对湿度R37来代表中层水汽条件。与对流触发方面相关的参数有抬升凝结高度TCL和自由对流高度LFC。

针对以上所选参数，按短时强降水、雷暴大风及混合型强对流3种类型进行分类统计，以线箱图的方式，从静力稳定度、水汽条件和与对流触发方面相关的环境参数进行对比分析。

3.1 静力稳定度对比分析

图4分别给出3种类型强对流的ΔT85、SI、CAPE和CIN的线箱图。从图4中可见，短时强降水、雷暴大风和混合型强对流的ΔT85[图4(a)]中位数分别为23、25、25 ℃；3种类型强对流范围分别为21～26(短时强降水)、23～30(雷暴大风)、22～36 ℃(混合型)；相对应25%～75%值分别为22～25、24～28、24～28 ℃。由图4(a)可知，副高型强对流具有条件性不稳定层结，3种类型各自对应的ΔT85的分布特征类似。

SI指数可以定性地判断对流层中层(850～500 hPa)是否存在热力不稳定层结[13]。SI<0 ℃为不稳定层结，SI>0 ℃则为稳定层结。如图4(b)所示，3种类型强对流SI指数的中位数分别为-0.6(短时强降水)、-0.3(雷暴大风)、-1.1 ℃(混合型)，相对应的25%～75%分别为-2.2～0.6、-1.1～0、-2.2～0 ℃，表明3种类型强对流SI指数的差异不大。

CAPE是能定量反映大气环境中能否发生深厚对流的热力变量，它比传统意义上的对流不稳定参数能更恰当地表示对流发展的潜势和对流可能达到的强度，与CIN一起是深厚湿对流发生潜势和潜在强度的重要指标[11]。从图4(c)可知，各类型CAPE差异较大，中位值按雷暴大风、短时强降水和混合型强对流依次增大，分别为1 220、1 570、2 510 J/kg；对应的25%～75%分别为450～1 560、860～2 340、1 550～2 870 J/kg；其中混合型箱体高度最高，说明对应的CAPE较其他两种明显偏大，而其他两种类型的区分度不大。

图4 稳定度相关参数线箱图

抬升力须克服对流抑制才能将气块抬升至自由对流高度，即对流触发需要抬升力的强度由CIN决定。如图4(d)所示，短时强降水、雷暴大风和混合型强对流CIN的25%～75%分别为0～30、20～250、0～80 J/kg，相应的中位数分别为15、160、10 J/kg；其中雷暴大风的箱体最宽，CIN分布较分散，而短时强降水箱体最窄，CIN分布比较集中。

3.2 水汽条件对比分析

水汽是强对流天气发生的基本要素之一。图5分别给出Td、R37、(ΔTd)85和K指数的线箱图。从图5可知，3种类型强对流的Td分布相似[图5(a)]，箱体较窄，Td分布较集中；短时强降水、雷暴大风和混合型强对流的中位值分别为25.5、25、25 ℃，对应的25%～75%分别为24～26、24～25、24～26.5 ℃。

从对流层中层平均相对湿度R37来看[图5(b)]，混合型强对流的箱体较其他两种要窄，R37分布较集中，而短时强降水和雷暴大风的箱体较宽，这两种强对流R37分布较分散。3种类型强对流R37的25%～75%分别为33%～73%(短时强降水型)、25%～57%(雷暴大风型)和30%～47%(混合型)，相对应的中位值分别为50%、27%和36%。可知，雷暴大风、混合型到短时强降水，中层平均相对湿度是逐渐增大的。

瞬时降水强度与水汽的垂直递减率有关，图5(c)显示，3种类型强对流(ΔTd)85的中位置分别为25 ℃(短时强降水型)、35 ℃(雷暴大风型)和30 ℃(混合型)，相对应的25%～75%分别为23～32、27～41、24～38 ℃，可见，短时强降水、混合型到雷暴大风的(ΔTd)85是逐渐增大的，且3种类型的中位值区分度较大。

K指数计算方法：K=(T850-T500)+(Td)850-(T-Td)700，它侧重反映对流层中下层的湿度廓线，湿度越大，K指数越大[13]。K指数线箱图显示[图5(d)]，3种类型强对流的25 %～75 %分别为33～38(短时强降水型)、26～35(雷暴大风型)、29～36 ℃(混合型)，相对应的中位值分别为36、32、34 ℃。可见，雷暴大风、混合型到短时强降水对应的K指数是逐渐增大的。

图5 水汽条件相关参数线箱图

3.3 LFC和TCL特征对比分析

强对流触发需空气块抬升至自由对流高度LFC，云底高度与抬升凝结高度TCL有关。图6分别给出了上述两种环境参数的线箱图。从图6中可以看出，3种类型强对流的LFC和TCL箱体高度分布有明显的差异，短时强降水的LFC和TCL的箱体最窄，雷暴大风的LFC和TCL所对应高度的气压均是最低的。短时强降水、雷暴大风和混合型强对流LFC的25%～75%值分别为900～1009、650～800、830～1 008 hPa，TCL与之相对应的值分别为970～980、910～940、940～970 hPa；与3种类型强对流对应的LFC的中位值分别为910、720、930 hPa，而TCL的中位值分别为970、930、950 hPa。两种参数对应的分类强对流的箱体分布特征具有一致性。

图6 与对流触发相关参数线箱图

综上所述，副高型强对流天气发生时大气层结不稳定，3种类型强对流，分别对应的CAPE、CIN、R37、(ΔTd)85、K指数、LFC和TCL环境参数有明显差异，而ΔT85、Td和SI指数的差异不大。副高型强对流天气环境参数分布特征如表1所示。

表1 副高型强对流天气环境参数分布特征

4 结论

基于苏南地区2007—2016年的观测资料，选取了56例副高型强对流样本，对其对流类型、对流强度和触发时间特征进行了分析，并按短时强降水、雷暴大风、冰雹雷暴大风和强降水混合型等3种类型，对比分析了静力稳定度、水汽和与对流触发方面相关的环境参数的特征。得出如下主要结论。

(1)苏南地区副高型强对流天气中，混合型强对流出现频率最高(66%)，雨强在30～79.9 mm/h的短时强降水频率(68%)最高，最大达124.9 mm/h；雷暴大风的风力多为8～9级(61%)，最强达11级(30.9 m/s)；强对流触发时间的峰值在12:00—14:00。

(2)850、500 hPa的温差ΔT85和SI指数的中位值分别为25 ℃和-1 ℃左右，3种类型强对流的差异不大；混合型强对流CAPE的中位值(2 510 J/kg)，远大于短时强降水(1 570 J/kg)和雷暴大风(1 220 J/kg)，CIN的中位值则是雷暴大风的160 J/kg最高。

(3)3种类型强对流低层水汽条件相似，1 000 hPa露点Td的中位值均在25 ℃左右，水汽条件差异主要在中层，中层大气越干、露点垂直递减率越大，越利于雷暴大风的发生；反之，则利于短时强降水的发生，混合型强对流介于两者。K指数的中位值，雷暴大风(32 ℃)、混合型(34 ℃)到短时强降水(36 ℃)是逐渐增大的。

(4)自由对流高度LFC和抬升凝结高度TCL，雷暴大风的25 %值分别为650和910 hPa，远小于短时强降水的900和970 hPa，混合型强对流则位于两者。