南疆西部两种强对流天气环境参数特征分析

黄 艳，安克武，唐 鹏

（1.和田地区气象台，新疆 和田 848000；2.新疆气象技术装备保障中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

近年来，许多专家和学者对短时强对流天气做了大量的总结[1-6]。陈元昭等[6]分析珠江三角洲地区重大短时强降水的基本流型与环境参量特征，给出了珠江三角洲地区极端短时强降水的天气流型配置和关键环境参数范围。一些学者针对分类强对流天气进行了研究[7-8]，将强对流天气进行分型，利用探空物理参数对其进行区分，给出了相应参数的平均值，但缺少范围，导致结论有一定局限性。高晓梅等[9]对鲁中地区分类强对流天气的环境参量特征进行分析，通过箱线图的形式分别讨论了3种强对流天气的关键参数分布和预报阈值，为分类强对流天气预报系统提供了技术支撑。

南疆西部地域广阔，是我国主要的粮棉生产基地，由于其独特的下垫面性质，在农作物主要生长季常发生短时强对流天气，所造成的直接经济损失数以亿计，因此强对流天气一直是气象工作者的研究重点之一，也是气象服务工作的难点之一。新疆气象工作者对强对流天气也作出一些研究[10-16]，得出了新疆短时强对流天气的时空分布特征和预报概念模型，但对于分类强对流天气的分析研究工作很少。黄艳等[3]对南疆短时强降水的关键参数分布特征进行了讨论，但未给出预报阈值。本文通过统计分析2000—2020年南疆西部地区短时强降水和冰雹个例，对分类强对流天气进行探讨分析：（1）2种强对流天气个例对应的关键环境参数特征和范围；（2）2种强对流天气对应的环境关键参数的异同，是否能区分这两种强对流天气；（3）2种特强对流天气，包括特强冰雹型（直径≥20 mm冰雹）和特强短时强降水（≥20 mm·h-1）异同及其区分。为建立南疆西部地区短时强降水和冰雹强对流天气智能网格预报技术方法提供参考。

1 资料和方法

利用2000—2020年暖季（5—9月）每日08：00、20：00（北京时，下同）喀什、和田和民丰GFE（L）型高空气象探测雷达站的探空数据（图1），时间选取强对流天气发生前最近时次（如短时强降水出现时间接近08：00，则选08：00的探空资料；如短时强降水出现时间接近20：00，则选择20：00的探空资料）；空间上采用南疆西部23个国家地面气象观测站和428个区域气象自动站资料，强对流天气落区与探空站直线距离不超过100 km的站点。定义短时强降水天气过程为2个测站及以上出现小时雨量≥10 mm或1个测站连续2 h及以上出现小时雨量均≥10 mm；冰雹过程则定义为1站（地）出现冰雹。

图1 南疆西部探空站点分布

考虑短时强对流天气的触发机制较为复杂，很难通过某些关键环境参数来代表，为了方便基层台站客观预报判断，本文基于强对流天气构成要素的预报方法[17-18]中（“配料法”）的2个要素（静力不稳定和水汽），配合深层垂直风切变等要素进行分析。其中用850和500 hPa间温差（ΔT85）来表示静力不稳定；水汽条件用地面至700 hPa露点平均值（Tdsur7）和大气可降水量（PW）表示绝对湿度。考虑条件不稳定和水汽条件的共同作用，使用对流有效位能（CAPE）和对流抑制（CIN）来表示强对流天气发生的潜势（可能性），其中CAPE和CIN为订正后的数据，需要指出的是订正后CAPE和CIN，没有考虑平流过程的影响，仍然存在订正后的探空资料也不能很好地代表对流发生前的环境情况，因此剔除了不具有代表性的探空资料。深层垂直风切变则采用0～6 km的风矢量差来代表。另外冰雹的关键参数还有融化层高度，对应0℃层的高度；短时强降水的关键参数暖云层厚度，对应于抬升凝结高度与0℃层高度之差。

文中通过箱线图给出各种关键参数的分布范围，考虑若用箱线图中某参数的最低值作为预报阈值，则可能出现较大的虚警率，故采用某关键参数分布的25%作为预报最低阈值的初猜值[9]。

2 南疆西部强对流天气关键环境参数特征分析

2.1 南疆西部暖季主要环境参数的季节变化

由南疆西部暖季主要环境参数的各月平均分布可以看出（表1），由于南疆西部多为晴空少云天气，850和500 hPa间温差（ΔT85）接近干绝热层结，造成ΔT85较大，在29～31℃，这是南疆西部独特的地域特征。5—6月ΔT85最大为33℃，说明5—6月大气条件不稳定度高，利于发生强对流天气。CAPE和CIN分布表明5月湿对流不稳定能量最多，即对流天气最易发生。0～6 km垂直风切变最大值在5—6月，正值冷暖交替季节，大气斜压性较强，随着时间递增逐渐减小，8月达到最小，9月略有增加。根据实际观测可知，8月出现大冰雹和极端雷暴大风的几率较小，明显少于暖季其他各月。然而分析暖季低层大气可降水量（PW）和地面至700 hPa露点温度（Tdsur7）月际分布随着时间的递进呈先增大后减小的趋势，其中5月最小，说明南疆西部7—8月低层水汽相对充沛。

表1 南疆西部暖季主要环境参数的季节变化

2.2 南疆西部基本关键环境参数分析

2.2.1 静力不稳定

由图2可知，2种类型强对流天气ΔT85中位数分别为30.5℃（短时强降水型）、34℃（冰雹型），平均值分别为30.6和33.7℃，呈现为明显的条件不稳定层结，但接近南疆西部暖季平均态，其中冰雹型的中位值大于短时强降水，高于暖季平均值。全部强对流天气个例ΔT85最小值为23℃，考虑当日出现强对流天气前，以多云到阴天天气为主，大气层结接近于湿中性层结，所以造成ΔT85较小；而最大值为39℃近乎于干绝热层结，这种情况多在午后至夜间发生的冰雹天气中。冰雹25%～75%百分位值明显大于短时强降水，仅用ΔT85很难区分短时强降水与一般性天气，但可作为冰雹的判断条件。因此，可以用ΔT85的25%百分位值中最低的31℃作为冰雹阈值。同时，由图2可知，南疆西部暖季的静力不稳定条件存在普遍性。

图2 南疆西部两类强对流个例850和500 hPa温差ΔT85（单位：℃）箱线分布

2.2.2 水汽条件

在南疆西部强对流多发的暖季，水汽主要集中在大气中低层。由图3可知，冰雹对应的Tdsur7范围宽于短时强降水类型，说明冰雹的Tdsur7分布较短时强降水分散，可见冰雹所需要的水汽条件明显低于短时强降水；短时强降水型对应的PW范围要宽于冰雹型。Tdsur7和PW在一定程度上可以区分短时强降水和冰雹，选择对应25%百分位作为水汽条件阈值，即冰雹对应-3℃（Tdsur7）和9 mm（PW）；短时强降水对应4℃（Tdsur7）和18 mm（PW）。若针对强对流天气水汽条件阈值即可选择Tdsur7为-1.3℃和PW为14 mm。

图3 南疆西部两类强对流个例对应的大气可降水量PW（a，单位：mm）和地面至700 hPa露点温度Td sur7（b，单位：℃）箱线分布

2.2.3 CAPE和CIN

条件不稳定与水汽条件结合所表征的对流参数有很多，最为综合的对流指数是对流有效位能CAPE和对流抑制CIN[17-19]。从CAPE的分布（图4b），短时强降水CAPE分布比较集中，冰雹箱体较分散且宽于短时强降水，对应的箱体位置明显偏高；两种强对流天气中位值分别为1 760 J·kg-1（冰雹）和1 450 J·kg-1（短时强降水），说明冰雹发生时需要的CAPE明显大于短时强降水。仅就CAPE值分布而言，无法区分2种类型。25%百分位对应的CAPE值为1 261 J·kg-1，可作为强对流天气最低预报阈值；1 152 J·kg-1（短时强降水）和1 470 J·kg-1（冰雹）可作为两种类型强对流的CAPE最低预报阈值。

图4 南疆西部两类强对流个例对应的对流抑制CIN（a，单位：J·kg-1）和对流有效位能CAPE（b，单位：J·kg-1）箱线分布

深厚湿对流形成所需要的抬升触发强度由CIN决定[17-19]。冰雹型和短时强降水型的CIN值相应中位数值分别为-30和-6 J·kg-1，说明冰雹克服的浮力大于短时强降水。强对流天气发生时，CIN的阈值可以设定为绝对值≤54 J·kg-1；冰雹型和短时强降水型CIN阈值分别＜65和50 J·kg-1。

2.2.4 深层垂直风切变

在水汽、静力不稳定性及抬升触发给定的条件下，对流性风暴组织和特征决定于垂直风切变的大小，是强对流天气预报的重要参数[17-19]。短时强降水0～6 km垂直风切变的中位数值为8.0 m·s-1（图5a），属于弱的垂直风切变，冰雹0～6 km垂直风切变的中位数值为12.0 m·s-1，属于中等强度。短时强降水中弱的垂直风切变占该类型的70%，冰雹中弱的垂直风切变占该类型的44%，说明南疆西部短时强降水的发生多数由弱垂直风切变情况下的脉冲风暴所产生[18]。两类强对流个例中0～6 km垂直风切变≥20 m·s-1的为少数，均发生在大气斜压性较强的春末夏初或初秋，是由强的垂直风切变情况下的高架雷暴所产生[19]。两种类型的0～6 km垂直风切变分布的25%～75%百分位值对应的范围分别为4.0～12.0 m·s-1（短时强降水型）和7.0～15.0 m·s-1（短时冰雹型）。可以判定，通过0～6 km垂直风切变分布特征是无法区分2种类型强对流的。以25%百分位值作为预报南疆西部强对流的阈值，采用4.3 m·s-1为最低阈值，而考虑短时强降水和短时冰雹时，相应的0～6 km垂直风切变阈值分别为4.0和7.0 m·s-1。

2.3 2种强对流天气敏感的环境参数

2.3.1 暖云层厚度

对于强降水而言，有利环境条件除了具备静力不稳定、水汽和抬升触发外，还有一个条件就是暖云层厚度[19]。图5b表明南疆西部短时强降水对应的中位数值为1.7 km，明显高于短时冰雹。南疆西部短时强降水暖云层厚度对应的25%～75%百分位范围明显低于国内其他地方，仅为1.2～2.3 km，这可能是造成短时强降水量级及强度偏弱的原因之一。因此暖云层厚度可以作为区分强降水与冰雹的重要指标之一。

2.3.2 冰雹融化层高度

短时冰雹发生的过程中，合适的融化层高度极为重要[20-21]。由图5c可知，冰雹融化层高度（湿球温度0℃层高度）分布的范围明显高于短时强降水，为2.4～4.8 km（山区），对应25%～75%的范围为3.5～4.3 km。可以认为3.5～4.3 km的冰雹融化层高度是南疆西部冰雹发生比较适宜的高度。

图5 南疆西部两类强对流个例对应的敏感环境参数箱线分布

2.4 特强对流天气关键参数分析

本文将强对流天气中天气比较剧烈的称为特强对流天气，即≥20 mm·h-1强降水和直径≥20 mm冰雹。

ΔT85箱线图显示（图6a），特强短时强降水和特强冰雹天气通常都发生在较显著的条件不稳定下，与一般强对流天气接近，没有明显差异。

从Tdsur7（图6b）和PW分布箱线图可以看出，特强短时强降水和特强冰雹天气差异较大，可将上述2种特强对流类型进行区分，但无法将2种特强对流天气从全部强对流个例中区分出来。

通过CAPE分布发现（图6c），特强短时强降水和特强冰雹天气之间具有一定可区分性；仅通过CAPE发布无法将其从全部强对流天气区分出来。同样，CIN分布无法区分特强短时强降水和特强冰雹。

特强冰雹对应的0～6 km垂直风切变分布的中值明显大于特强短时强降水和全部强对流的相应值（图6d），接近中等强度垂直风切变。因此特强冰雹相对于特强短时强降水天气和全部强对流天气具有一定可区分性。

图6 南疆西部2类特特强对流天气和全部强对流个例对应的相关参数箱线

2.5 南疆西部强对流天气关键参数阈值

2.5.1 全部强对流个例关键参数阈值

表2给出了南疆西部近20 a来261次对流性天气ΔT85、Tdsur7、CAPE、CIN和0～6 km垂直风切变的最小值、25%百分位值、中位数值、75%百分位值和最大值分布。用25%百分位值作为预报阈值，其对应值分别为29℃（ΔT85）、1.3℃（Tdsur7）、1 261 J·kg-1（CAPE）、-54 J·kg-1（CIN）和4.3 m·s-1（CIN）。

表2 南疆西部全部强对流个例关键环境参数分布特征

2.5.2 分类强对流天气对应的关键参数阈值

表3列出了短时强降水和冰雹型对应的ΔT85、Tdsur7、CAPE、CIN和0～6 km垂直风切变等关键参数的预报阈值，除冰雹的Tdsur7较短时强降水明显偏小外，其他各参数均高于短时强降水。冰雹型适宜的冰雹融化层高度为3.5～4.3 km（对应25%～75%百分位）；短时强降水型暖云层厚度的阈值为1.2 km。

表3 南疆西部强对流天气主要关键环境参数阈值

2.5.3 2种特强强对流天气关键参数阈值

表4给出了特强短时强降水和特强冰雹天气对应的关键环境参数的阈值。

表4 南疆西部特强对流天气主要关键环境参数阈值

特强短时强降水和特强冰雹对应的代表大气条件不稳定程度的ΔT85阈值接近全部对流个例的相应阈值。特强短时强降水和特强冰雹对应的Tdsur7阈值分别为4和-1℃，其中特强冰雹高于全部冰雹阈值。特强冰雹的CAPE阈值略低于全部冰雹阈值（表4）。特强冰雹的垂直风切变阈值明显高于特强短时强降水、全部强对流个例的相应阈值。特强短时强降水的暖云层厚度接近于全部短时强降水阈值，特强冰雹的融化层厚度低于全部冰雹阈值。

3 结论与讨论

本文主要分析了南疆西部主要的两种对流天气的（短时强降水和冰雹）关键环境参数特征。利用南疆西部2000—2016年发生的261次对流天气个例进行分类，从中选取特强对流个例，即冰雹直径≥20 mm的特强冰雹天气和小时雨量≥20 mm的特强短时强降水天气，对上述强对流天气的关键参数特征的对比分析。得到以下结论：

（1）地面至700 hPa露点温度（Tdsur7）、可降水量（PW）及对流有效位能（CAPE）的季节分布随着时间增长呈先增大后减小的趋势。Tdsur7、PW在8月最大，5月最小。CAPE在6月最大，9月最小。850和500 hPa的温差（ΔT85）、0～6 km垂直风切变是随着月份增加逐渐减小。受暖季晴空少云天气较多的影响，南疆西部出现ΔT85接近干绝热层结的独特地域特征。0～6 km垂直风切变在5—6月大气斜压性较强，对应较强的深层垂直风切变为11 m·s-1。

（2）短时强降水和冰雹对应的最低阈值的建议值（25%百分位值）：ΔT85为29、31℃；Tdsur7为4和-3℃；PW为18和9 mm；CAPE为1 152和1 470 J·kg-1；0～6 km垂直风切变为4.0和7.0 m·s-1。

（3）短时强降水暖云层厚度最低阈值的建议值（25%）为1.2 km。冰雹融化层（湿球温度0℃层高度）对应的25%～75%百分位的范围分别为3.5和4.3 km，可用2个值作为冰雹融化层高度的最佳区间。

（4）通过ΔT85、Tdsur7、PW以及暖云层厚度、融化层等关键参数的分布特征在一定程度可以区分强对流天气类型，但通过各个关键参数的分布特征区分比较困难；此外，南疆西部短时冰雹在7—8月发生概率较低，这对强对流天气分类预报也有一定帮助。

（5）从特强强对流子集与相应分类强对流子集比较，特强分类对流天气体现为水汽条件、0～6 km垂直风切变略增强。特强短时强降水的暖云层厚度接近于全部强降水阈值；特强冰雹的融化层厚度低于全部冰雹阈值。

在本文对各类强对流潜势阈值的讨论中，尚未实现计算机自动识别。在今后研发南疆西部2类强对流潜势预报中，可以将上述问题及触发机制概括在内，预报员根据智能网格预报结合触发机制给出最终判断。