雷州半岛雷暴大风时空分布与环境参数特征

文彬，杨春凤，符靖茹

（湛江市气象局，广东湛江 524001）

雷暴大风是雷州半岛常见的强对流天气灾害之一［1］。雷暴大风主要是由降水拖拽和蒸发冷却产生的负浮力作用或者高空动量下传而形成的下沉气流，常造成重大生命和财产损失［2］。近年来，雷州半岛及周边海域出现多起渔船因强对流大风而翻沉或倾覆的事件，造成了一定的人员伤亡，因此对雷暴大风产生时空分布和环境条件特征研究非常重要。

国内外学者在雷暴大风的研究方面取得了很多成果。Johns等［3］等提出有利于雷暴内强烈下沉气流的环境条件，包括对流层中下层（500 hPa以下）大气环境温度直减率较大，对流层中层（400～700 hPa）有明显干层；杨新林等［4］认为华南春季雷暴动力条件明显优于夏季，而夏季热力强迫的作用大于春季；许爱华等［5］提出了中国强对流天气5种基本形势配置：冷平流强迫、暖平流强迫、斜压锋生、准正压、高架雷暴等；林雪仪等［6］发现清远整层比湿积分、沙氏指数等对前汛期雷雨大风天气预报的指示性较好；黄先香等［7］认为佛山典型雷暴大风过程绝大多数是发生在K指数＞32℃、强天气威胁指数＞230、0～6 km垂直风切变＞12 m／s的环境中；罗栩羽等［8］发现东莞雷暴大风集中在5—8月，午后和傍晚是高发期，影响天气系统可分为5类。虽然很多学者对不同地区雷暴大风的环境物理量特征、环流背景等进行过研究，但雷州半岛地理位置较为特殊，雷暴大风发生发展的机理并不完全一样。

不同地区下垫面特征和大气环境条件存在差异，而中小尺度的强对流天气有必要针对特定地区进行研究。雷州半岛处于3省交汇处，地理位置特殊，属热带和亚热带季风气候交汇区，是广东雷暴最为频繁的地区之一。以往很多研究均使用国家基本站的资料进行统计，资料空间尺度粗糙，因此亟需理清雷州半岛雷暴大风的基本特征，为雷暴大风预报预警提供科学参考。

1 资料与方法

本研究根据2012至2019年雷州半岛110个自动气象站的资料，筛选出风速≥17.2m／s的气象站，结合雨量、雷达回波、雷电等资料逐个剔除台风和龙卷、海上大风等直接引起的大风。为使所选个例更具代表性，选取当日3个以上站点出现8级以上大风的天气过程，共筛选出71个雷暴大风个例。

利用北海、海口、阳江08：00（北京时，下同）、20：00探空资料（个别日期有14：00），选取距雷暴发生时间较短（雷暴发生前后）、距离较近且未受对流天气影响的探空站（若探空时间距雷暴发生时间超过3 h，使用雷暴大风发生前1 h最近国家气象观测站的温度露点订正），根据资料计算关键环境参数。本研究下沉对流有效位能计算参照廖晓农［9］方法，定义气块受到负浮力从600 hPa高度下沉到地面时该气块增加的动能最大值。

2 时间分布

由雷州半岛雷暴大风站次的年际变化（图略）可以看出，年际变化较大，从2012年45站次到2019年194站次，整体呈现波动增加的趋势。

雷州半岛雷暴大风在2至11月均有出现，1和12月无记录。全年呈双峰型分布，其中5和8月分别存在一个峰值；3月雷暴天气趋于频繁，4月雷暴大风发生的范围和站数也明显增加，4—6月为雷暴大风发生的主要时间，发生总站次占全年总站次的62%，而7—10月发生总站次占全年的34%（图略）。

雷州半岛雷暴大风站次也存在明显的日变化，总体呈现阶梯型，具有日强夜弱的特点，特别是以午后为主，最大峰值出现16：00至17：00，19：00开始出现明显下降。如图1所示，日变化整体呈现3个阶段：20：00至次日5：00雷暴大风发生的概率低，仅占总站次的11%；05：00至13：00之间雷暴大风发生的概率中等，占总站次的23%；13：00至19：00雷暴大风发生的概率较高，占总站次的57%。这种日变化与太阳辐射、气温等要素日变化有关，因为下午至傍晚地表吸收了太阳辐射后，近地层气温明显上升，空气垂直运动加剧，易形成不稳定的层结，而受到一定扰动后对流易于发展形成雷暴天气。

图1 雷暴大风发生站次的日变化

3 空间分布

为进行横向比较，将空间分布的站次数据进行如下处理：

从图2a可知，雷雨大风高频次站点较为分散，但主要集中在雷州半岛东部和南部，这些区域地形较为平坦，但存在一定的弱起伏。而琼州海峡北岸一直是雷暴大风的高值区，周围地势平坦开阔且陆地向海面略有突出，这与肇庆雷暴大风高值区出现在开阔河谷附近相似［10］。6月下旬随着副热带高压季节性北跳，热带气旋等低纬热带天气影响更为频繁，因此将3—6和7—10月的特征分开讨论。由图2b可知，3—6月雷暴大风发生高值区集中在雷州半岛中北部、南部，高值整体偏向内陆区域，比如南部地势较高的区域存在高值区，而中北部高值区也存在弱地势起伏，这表明地形对雷暴大风的空间分布有一定影响。而7—10月雷暴大风（如图2c）的高值中心在雷州半岛南部和东部沿海，这可能与7—10月雷暴移向和海陆差异有关，这时常受低纬热带系统（台风槽、热带辐合带等）影响，雷暴云团从海面或者从偏东方向移进，如2016年8月2日过程（简称2016.8·2天气过程，下同）。

图2 雷暴大风的总频次（a），3—6月（b）和7—10月（c）频次分布

4 天气学背景

根据高低层环流配置等对2012—2019年间导致雷雨大风的天气系统进一步分类，可归纳为3种类型，分别为槽前切变型和副高边缘南风型、东风扰动型（图3）。

图3 三种类型天气背景环流配置的典型个例

1）槽前切变型。

该类型又可细分为2类。类型I环流特点：在95°E—110°E，20°N—25°N地区出现高空槽系统，雷州半岛处于500 hPa高空槽前辐合区，副热带高压脊线位于南海中北部并来回摆动；850～925 hPa受西南风场控制，随着850～925 hPa切变线不断向南移至广西中南部，常形成东北－西南走向的强雷暴云团，云团快速向下游移动并发展。此类天气系统为雷州半岛雷暴大风天气主要的影响系统配置，典型个例如2013·5·21、2017·5·4天气过程，如图3a所示；伴有冷锋过境的雷暴大风的个例较少，但其影响范围广、致灾性强，如2019·4·1。类型II环流主要区别是在于850～925 hPa切变线位于两广地区北部或以北地区，较为强盛西南风或偏南风维持在雷州半岛上空，地面低槽明显发展，且雷州半岛常处于副热带高压5 880 gpm等高线西北侧，随着高空槽东移过境，触发对流形成雷暴云团快速东移。该类型主要发生在3—6月，占所有个例的54%。

2）副高边缘南风型。

该类型主要特点：西风槽主要在100°E以西或25°N以北的地区活动，而副高脊线主要维持在21°N以南，其副高西伸脊点在112°E以西摆动，雷州半岛处于副热带高压5 880 gpm等高线内或其西侧，有时川渝一带有西南涡发展；925 hPa存在一支西南或偏南急流从海南指向两广以北地区在中南半岛北部到广西存在地面暖中心。此天气背景下，雷州半岛或海南岛受海陆地形影响，午后地面辐合线附近有对流发展形成雷暴，雷暴云团随引导气流快速向东北或偏北方向移动，地面随之出现大风。该类型主要发生在5—7月，占所有个例的24%，典型个例有2016·6·30、2018·6·26天气过程，如图3b所示。

3）东风扰动型。

副高脊线位于23°N以北，雷州半岛处于副热带高压西侧或西南侧，或者副热带高压东退到太平洋上，在25°N以南有明显的热带气旋、季风槽或其它低值系统控制，受热带系统环流影响或台风槽影响触发形成雷暴。东风型主要发生在7—10月，占所有个例的21%，典型的个例有2016·8·2、2016·8·21天气过程（图3c）。

5 雷暴大风关键环境参数特征对比分析

5.1 雷暴大风关键环境参数总体特征

雷暴大风的发生需要较强的热力不稳定、一定的动力抬升和水汽条件。因此参照基于构成要素的预报方法（配料法）的思路，选取业务常用参数［1］进行讨论，分析强对流天气发生对应的关键参数的阈值，以期为业务提供更多参考。从表1可知，雷州半岛雷暴大风发生前大气可降水量（PWAT）中值为55.9 mm、大气湿层厚度（Hwet）中值为2.4 km；对流有效位能（Cape）中值为2 555.8 J／kg，这高于杨新林［4］的研究结果，表明环境不稳定能量较高；下沉对流有效位能（Dcape600）表示雷暴产生下沉气流潜势大小，其中值为689.7 J／kg；850与500 hPa温差（Δt85）的中位值为25℃，K指数中值为37℃，潜在下冲气流指数（MPDI）中值为1.4；0～6和0～3 km垂直风切变（SHR6、SHR3）中值分别为6.7、8.0 m／s，整体明显小于北方地区的垂直风切变［11－12］。整体而言，雷暴大风发生前，雷州半岛不稳定能量积聚，低层有较充足的水汽，呈现一定“上干下湿”特征。

表1 雷州半岛雷暴大风环境条件统计表

根据环境参数的10%和90%分位数（表1），雷州半岛雷暴大风过程绝大多数发生的关键环境参数为PWAT≥41.8 mm、Hwet＞0.4 km、Cape＞933 J／kg、Dcape600＞360 J／kg、Δt85＞23℃，SHR3＞3.6 m／s、SHR6＞2.8 m／s、K＞31℃、MPDI＜2，其中PWAT、Cape、Dcape600、Δt85、K指数与其他地区相比［12－13］，特征表现较为明显，具有较明显指示意义。

5.2 3种天气背景下雷暴大风关键环境参数的对比分析

为更好地应用于预报业务实际，对比3种天气背景下雷暴大风环境参数特征，以期找到适宜潜势预报的参数阈值，本研究采用关键参数分布的25%百分位作为潜势预报最低阈值。

大气中水汽主要集中于大气低层，水汽含量是影响雷暴强度和结构特征的重要因子之一。如图4可知，槽前切变型（简称槽前型）、副高边缘南风型（简称副高型）、东风扰动型（简称东风型）的PWAT中值分别为52.3、57.0、59.6 mm，差异更为显著（图4a）。槽前型和副高型Hwet中值均为2.2 km，而东风型Hwet为3.1 km，明显高于前者（图4b）。大气水汽含量存在季节性变化。雷州半岛水汽含量较为充沛，不同天气背景下差异性较小，但东风型水汽条件最好。对于水汽参数而言，PWAT比Hwet代表性更好，3种天气背景（顺序为槽前型、副高型、东风型，下同）下PWAT的25%分位数分别为44.5、54.9、56.1mm。

图4 3种天气背景下大气可降水量（a）和湿度厚度（b）箱线图

热力不稳定条件对雷暴的发生发展非常重要。雷暴大风主要由风暴强下沉气流造成，有时伴有冷池密度流和高空动量下传。Cape是指气块在自由对流高度和平衡高度之间受环境正浮力影响累积做的功，是雷暴潜在强度的重要指标之一。图5可知，3种天气背景下Cape中值分别为2 200、3 301、3 227 J／kg，副高型和东风型Cape较为相近，但都明显高于槽前型。槽前型天气背景激发雷暴大风所需热力不稳定能量较少。3种天气背景下Cape的25%分位数分别为1 382、2 563、1 637 J／kg。

图5 3种天气背景下对流有效位能（a）、下沉有效位能（b）、850 hPa与500 hPa温差（c）箱线图

3种天气背景下沉有效位能中值分别为866、655、510 J／kg，箱体呈依次下降趋势，表明槽前型Dcape600偏强些。3种天气背景下Dcape600的25%分位数差异较小，分别为578、583、437 J／kg。图5c可知，3种类型Δt85中值分别为25、25、24℃，表明整体呈现条件性不稳定层结，但3种天气背景下的差异较小，对应25%分位数分别为24、24、23℃。

动力条件制约着对流的发展和演变，影响对流的强度、生命史以及组织形态等［14］。图6可知，3种天气背景下SHR3中值分别为10.3、8.2、6.8 m／s，差异较明显；SHR6中值则分别为10.9、4.6、6.5 m／s，最大值分别为23.7、17.2、13.4 m／s。SHR6与SHR3整体差异较小，副高型和东风型下SHR3比SHR6值更大。这表明槽前型环境动力强迫作用最为明显，而副高型在低层动力强迫表现更为显著。一般认为SHR6＜12 m／s为弱的风垂直切变［15］，3种天气背景下大部分个例都呈现弱垂直风切变的状态。3种天气背景下SHR6的25%百分位值分别为5.6、3.8、4.5 m／s。

图6 3种天气背景下0～3 km（a）和0～6 km（b）的垂直风切变以及风暴承载层平均风速（c）箱线图

动量下传对地面灾害性大风也有一定的贡献，雷州半岛风廓线雷达也曾观测到低空急流向近地面传导的雷暴大风个例［16］。为分析差异，利用风暴承载层平均风表示动量下传的潜势大小。运用高晓梅等［12］的方法计算风暴承载层平均风速，运用850、700、500和300 hPa共4层的平均风矢量的绝对值表示。图6c可见，3种天气背景下风暴承载层平均风速差异较明显，对应的中值分别为11.0、6.8、6.5 m／s，但整体风速仍较小，对应的25%分位数分别为7.0、6.3、5.5 m／s。

K指数常用来表征中低层大气层结不稳定程度。潜在下冲气流指数（MDPI）则是反映中低层大气假相当位温上下层差异情况。图7所示，3种天气背景下K指数中值分别为37、36、38℃，差异比较小。3种天气背景下MDPI中值分别为1.5、1.2、1.3，其中副高型MDPI值最低。庞古乾等［17］认为珠三角前汛期MDPI＜1.5时较容易出现强对流；后汛期MDPI＜1时较容易出现强对流。相比于珠三角地区，雷州半岛MDPI略偏高。

图7 3种天气背景下K指数（a）、潜在下冲对流指数（b）箱线图

总体而言，槽前型环境参数有较明显差异，而副高型和东风型环境参数差异较小。对比不同关键参数，发现Cape、风暴承载层平均风速在3种天气背景下相对差异更为明显，其他环境参数差异较小。

6 结论

1）雷州半岛雷暴大风全年呈现双峰型分布，在5和8月分别存在一个峰值；主要发生在4—6月，发生频次占全年62%。雷暴大风存在明显的日变化，日强夜弱特征明显，白天主要发生在午后，13：00至19：00雷暴大风发生的概率占57%。雷暴大风主要集中在雷州半岛东部和南部；3—6月高值区集中在中北部和南部；7—10月高值区位于南部和东部。

2）根据高低层环流配置，雷暴大风天气背景主要可归纳为3类：槽前切变型和副高边缘南风型、东风扰动型，占比分别为54%、24%和21%。大部分个例显示，在雷暴大风发生前，雷州半岛存在不稳定能量积聚过程，随着大气中层扰动作用热力不稳定能量释放。

3）雷州半岛雷暴大风关键环境参数中值分别为大气可降水量55.9 mm、对流有效位能2 555.8 J／kg、下沉有效位能689 J／kg、K指数37℃、潜在下冲气流指数1.4，特征表现较为明显，指示更为显著；0～6 km垂直风切变6.7 m／s，垂直风切变整体表现偏弱。

4）3种天气背景环境参数对比发现，槽前切变型整体差异较为显著，而副高边缘南风型和东风扰动型环境参数差异较小。Cape、风暴承载层平均风速在3种天气背景下差异更为明显。采用25%百分位作为潜势预报最低阈值，则3种天气背景下Cape阈值为（25%分位数）1 382、2 563、1 637 J／kg，风暴承载层平均风速阈值分别为7.0、6.3、5.5 m／s。