吉林市强对流天气分类及监测预警指标的初探

摘 要：利用地面、高空观测资料、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA 5再分析资料、ECMWF细网格预报产品、多普勒天气雷达、灾情直报系统数据及收集的实况资料等资料，统计2021—2023年吉林地区强对流天气，对每类天气进行分型，探究每类强对流天气的环境条件及物理量特征，并建立相应指标，以期提高吉林市短时临近预报准确率，为农业气象服务贡献力量。

关键词：强对流天气；垂直风切变；低空急流；温度垂直递减率

中图分类号：P456 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）08–0-03

强对流天气是指发生突然、移动迅速、天气剧烈、破坏力强的灾害性天气，主要有雷暴大风、冰雹、龙卷风、短时强降水等，其对社会经济发展及人类生命财产安全构成严重威胁。尽管许多气象学者对强对流天气进行过研究，并形成一些科研成果，但在实际预报工作中，常出现漏报情况，预报难度较大[1]。

强对流天气是吉林市春、夏季主要灾害性天气之一。对此，基于ERA5再分析资料对吉林市地区强对流天气进行相关研究，力求揭示各类强对流发生和发展的大尺度环流背景、中尺度结构特征及物理量场、卫星云图、雷达产品各要素指标的发展演变特征，探索具有实用价值的预报指标，为做好强对流预报提供有益的研究成果，并对吉林市农业气象服务提供科学依据。同时，建立吉林市强对流预报业务系统，便于气象业务人员随时查阅，以提高吉林市短时临近预报的准确率。

1 国内外关于强对流天气的研究进展

1.1 国外理论成果

国外针对强对流天气的研究已形成一定的理论基础，Doswell得出风暴动力结构（风暴种类）及风暴潜在的影响力很大程度上取决于热力不稳定、风的垂直切变和水汽垂直分布3个因子，中尺度系统提供了触发对流的抬升条件[2]。

此外，部分国外专家对多普勒天气雷达也展开了相关研究，Brown和Doswell等研究发现，当观测到强中气旋时，发生龙卷的平均概率约为20%，在观测到中气旋的基础上再探测到龙卷涡旋特征时，发生龙卷的概率＞50%；Will等指出，当强回波区扩展到-20 ℃等温线高度之上时，对强降雹的潜势贡献最大；Amburn和Wolf认为如果垂直积累液态水含量密度＞4 g/m3，则风暴会产生直径＞2 cm的大冰雹。

1.2 国内理论成果

国内学者将相关理论成果应用于短时临近预报实际工作中。有学者分析了雷暴大风天气500 hPa大气环流背景，将其分为5种模型；翟菁等[3]用配料法或指标叠套法建立了冰雹、雷雨大风的指标；刘若冰等[4]认为，当-6 ℃＜沙氏指数＜-3 ℃时，强雷暴发生的可能性非常大；水汽条件方面，梁爱民等[5]指出普通雷暴要求大气中含有较高的水量，而雷暴大风则较低；在动力方面，雷暴是由地面或低空中尺度切变线或辐合线触发产生的，尤其是在切变线辐合较强或中尺度气旋性涡旋区；吴爱敏[6]揭示了冰雹和强降水的多普勒雷达VWP资料的前兆特征，并指出了不同强对流天气雷达回波特征。

2 资料数据与天气实况个例

2.1 资料数据

使用资料包括高空观测数据、逐小时国家级气象站地面观测数据、欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）ERA5再分析资料（水平空间分辨率为0.25°×0.25°）、ECMWF细网格预报产品，结合吉林市多普勒雷达资料、灾情直报数据及收集反馈冰雹相关数据[7-8]。

2.2 天气实况个例

选取2021—2023年吉林市地区强对流天气个例。其中，冰雹天气为16 d（实况冰雹直径为2～3 mm或更大），雷暴大风天气为19 d，短时强降水天气为41 d。

同时，按照500 hPa环流形势和850 hPa风场将每类强对流天气分为高空低涡型、切变型、高空槽型和副高后部型。

3 强对流天气环境条件及物理量阈值

3.1 冰雹天气环境参数

利用ERA 5再分析资料，从500 hPa形势和850 hPa风场来看，在16例冰雹天气过程中，高空槽型5例、高空低涡型8例，副高后部型3例。对16例冰雹过程的环境条件进行分析，提炼出有利于冰雹（实况冰雹直径＞2～3 mm）产生的环境条件指标，得到如下结果。

（1）对流不稳定层结。温度垂直递减率较大时容易产生冰雹[9-10]。从冰雹个例库可见，可以将温度垂直递减率的阈值取为25 ℃。强对流不稳定层结850 hPa与500 hPa温度差（T850-500）≥25 ℃对对流有效位能没有强制性要求。当出现冰雹潜势时，对流有效位能值＞514 J/kg，说明具有指示意义。引发冰雹天气的低层水汽条件：925 hPa温度露点差（T-Td 925）≤4 ℃，850 hPa

水汽通量（Qfl 850）≥2 g/（cm·hPa·s），850 hPa比湿（Q850）

≥3.5 g/kg。

（2）垂直风切变。强垂直风切变有利于引发冰雹。可将垂直风切变阈值定为垂直风切变850 hPa与500 hPa垂直风速差（V850-500）≥4×10-3/s。这些阈值与干对流亦相同。

（3）其他不稳定指数。除上文提到的对流不稳定层结和垂直风切变外，一般情况下，产生冰雹的环境还需要有较高的对流有效位能和气块抬升至500 hPa的不稳定型，前者用对流有效位能和K指数表示，后者可以用抬升指数或沙氏指数表示[11]。

冰雹个例库表明，2022年7月29日和2023年8月4日两次过程受到副高后部切变影响，对流有效位能指数≥514 J/kg。7月29日，冷空气入侵700 hPa，K指数为25 ℃；8月4日，冷空气入侵900 hPa，K指数较29日更小。由此可得出，发生冰雹天气时应满足条件：对流有效位能值≥514 J/kg或K指数≥25 ℃；抬升指数或沙氏指数至少1个≤0 ℃。

（4）0 ℃和-20 ℃层高度。除热力条件和垂直风切变外，产生冰雹还要求有特殊的0 ℃和-20 ℃层高度。冰雹产生的有利条件：0 ℃层高度在2.8～4.5 km，-20 ℃

层的高度在5.8～7.1 km，具有厚度＞7.5 km的负温区，且-20～0 ℃层的厚度≥3.0 km。

在一般情况下，冰雹天气的产生应同时满足3个条件：对流有效位能值≥514 J/kg或K指数≥25 ℃；抬升指数或沙氏指数至少有1个≤0 ℃；T850-500≥25 ℃且V850-500≥4×10-3/s；特殊情况下，须同时满足以下2个条件：T-Td 925≤4 ℃；0～500 hPa垂直速度差（V0-500）≥7×10-3/s。

同时，不论一般情况还是特殊情况，都应满足以下条件：0 ℃层高度在2.8～4.5 km之间，-20 ℃层的高度在5.8～7.1 km之间，具有厚度＞7.5 km的负温区，且-20～0 ℃层的厚度≥3.0 km。

3.2 雷暴大风天气环境参数

利用ERA 5再分析资料，将雷暴大风个例库中19例雷暴大风天气，按照500 hPa形势和850 hPa风场分型：高空低涡型8例，高空槽型4例，切变型4例，副高后部型3例。

在19例雷暴风雨天气中，有一个共同特点：700 hPa以上干冷，温度露点差＞6 ℃，或者有明显干冷平流。但有的个例干层可以达到850 hPa以下。通过分析个例库得到如下结论。

具有强对流不稳定层结。强对流不稳定层结首先表现在强温度垂直递减率上，根据雷暴大风个例库，可以确定产生干对流的温度垂直递减率的阈值为T850-500≥26 ℃，除副高后部切变型＜24 ℃，80%的个例满足阈值条件。

具有强垂直风切变。分析个例可见，大部分个例对流层中低层都有较强垂直风切变，但是垂直风切变出现的层次不同，0～850 hPa垂直速度差（V0-850）≥4×10-3/s，V0-500≥6×10-3/s。除2021年6月29日和2021年6月30日受切变影响较为显著外，其他个例中的垂直风切变不明显；2023年6月1日除外，80%个例满足阈值。

指标（2）是产生冰雹的重要条件，而指标（1）是雷暴大风区别于其他强对流天气的重要指标。雷暴大风天气一般降水量少，降水负荷引起液态水的拖曳效应小，产生雷暴大风需要更高的温度或温度垂直递减率维持，因此其阈值应高于冰雹阈值[12]。

根据以上分析，一般情况下，引发雷暴大风天气发生应满足以下条件：第一，700 hPa与500 hPa之间的温度露点差（T-Td 700～500）≥5 ℃；第二，T850～500≥26 ℃或V0～500≥7×10-3/s或V0-850≥6×10-3/s。

3.3 短时强降水天气环境参数

从实况和灾情直报及反馈信息中，找到41例局地短时强降水。从500 hPa形势和850 hPa风场来看，41例短历时强降雨个例中，高空槽型有10例、高空低涡型有9例、切变型有12例、副高后部型有20例。

在短时强降水天气形势中，要特别注意副高（高压脊）内部和低层低值系统已移出目标区但是中层影响系统位置适宜的情况，易给天气预报工作人员造成错觉，会误认为没有影响系统或低层（如850 hPa低槽和地面冷锋）影响系统已过本站，不会造成强降雨[13-15]。

实际上，500 hPa为高压控制，但是850～700 hPa有低值系统时，主要依靠低层低值系统输送水汽和触发对流；当对流层中层（700～500 hPa）的影响系统移近环境条件适宜区时，产生的上升运动同样可以使水汽凝结产生强降水。

与雷暴大风和冰雹过程相比，局地短历时强降水环境条件最显著特点如下：700 hPa湿度大，温度露点差≤3 ℃；K指数大，K指数≥31 ℃是产生局地短历时强降水的重要环境条件。

短时强降水要求高湿度层厚、水汽含量高，为实现对流，必须有较强的层结不稳定，它既可以是假相当位温随高度递减，又可以是温度垂直递减率大于对流层内平均气温直减率（0.6 ℃/100 m）；它们都表示对流层中低层的对流不稳定；还可以是地面与850hPa假相当位温之差，表示边界层的对流不稳定结构。

有的个例湿层很厚，可以超过500 hPa，这显然利于产生强降水，但此时层结常表现为弱的对流不稳定[16-17]。因此，在这种情况下，则要求同时具备动力不稳定条件，即存在高空急流或低空急流。暖湿低空急流可以向目标区输送大量水汽，同时其左前方又是动力辐合区，对产生强降水十分有利。

综上所述，可将产生短时强降水有利的环境条件归纳如下：700 hPa温度露点差（T-Td 700 hPa）≤4 ℃或K指数≥31 ℃；抬升指数或沙氏指数至少有一个≤0 ℃；

T850-500≥25 ℃或假相当位温≥0 ℃，且深层垂直风切变V0-500≥1.5×10-3/s或中低层垂直风切变V0-850≥3.0×10-3/s。

此外，当500 hPa以下（包括500 hPa）有露点锋、湿舌或高能舌时，在露点锋上、湿舌或高能舌的前部和左侧容易产生强降水天气[18-20]。

4 结论

针对2021—2023年吉林市汛期强对流天气，对每类强天气按照500 hPa形势和850 hPa风场分型，对环境条件和物理量场进行诊断分析，初探吉林地区每类强对流天气指标，具体结论如下。

（1）利于产生冰雹（实况冰雹直径＞2～3 mm）的环境条件指标：对流不稳定层结、温度垂直递减率越大，越易产生冰雹；强垂直风切变有利于冰雹形成；其他不稳定指数包括对流有效位能≥514 J/kg或K指数≥25 ℃；抬升指数或沙氏指数至少有1个≤0 ℃；除了热力条件和垂直风切变，产生冰雹还要求有特殊的0 ℃和-20 ℃层高度。0 ℃层高度在2.8～4.5 km，-20 ℃层的高度在5.8～7.1 km，具有厚度＞7.5 km的负温区，且-20～0 ℃层的厚度≥3.0 km.

（2）根据雷暴大风个例库，确定产生干对流的温度垂直递减率的阈值为T850-500≥26 ℃，除副高后部切变型＜24 ℃外，80%的个例满足阈值条件。并且，绝大多数个例对流层中低层都有较强的垂直风切变，但垂直风切变出现层次不同，V0-850≥4×10-3/s，V0-500≥6×10-3/s。除2021年6月29日和2021年6月30日受切变影响外，其余个例受垂直风切变影响不明显。

（3）产生短时强降水有利的环境条件：T-Td 700 hPa≤4 ℃或K指数≥31 ℃；抬升指数或沙氏指数至少有1个≥0 ℃；T850-500≥25 ℃或假相当位温≥0 ℃，且深层垂直风切变V0-500≥1.5×10-3/s或中低层垂直风切变V0-850≥3.0×10-3/s。此外，当500 hPa以下（包括500 hPa）有露点锋、湿舌或高能舌时，在露点锋上、湿舌或高能舌前部和左侧容易产生强降水天气。

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