引言

冰雹、短时强降水、龙卷、雷暴、雷雨大风等强对流天气因其空间尺度小、发生时间短、发展迅猛、致灾性强等特点一直广受关注。国内外许多专家对强对流天气特征已有不少论述(徐桂玉等, 2001; 苏永玲等, 2011; 郁珍艳等, 2011; 冯民学等, 2012; 余蓉等, 2012; 李云静等, 2013); 短时临近预报业务中常通过划分天气型对强天气发生机制深入了解, 并运用对流参数进行潜势预报研究(郑永光等, 2010; 刘玉玲, 2003), 已取得良好研究成果。沈树勤等(1994)总结1965—1990年江苏降雹天气形势, 主要分为华北冷涡、沿海低槽、冷锋低槽、切变型4种; 分析水汽参数和稳定度参数有一定预报效果, 但由于资料时空分辨率较差其值域在较大区间变动。廖晓农等(2007)指出BCAPE等参数对于对流天气发生有良好指示意义且增加14时探空对提高对流参数精度、提升预报准确率有重要作用。柴瑞等(2009)对10个因子筛选, 其中KI、SI、CAPE、BRN、PWFES对雷暴有较好的预报意义; 张霞等(2010)使用2004—2006年郑州站资料计算强天气威胁指数、最有利抬升指数等, 结果表明多个环境参数能在很大程度上反映雷电活动特征, 预警效果显著。

上述研究基本上针对同一类强对流天气的对流参数提取与阈值分析, 对不同类型强对流天气例如短时强降水、冰雹等地域性特征、环境场条件差异以及能有效区分强天气类型的对流参数研究较少。本文利用天气现象日值数据集统计分析苏浙沪地区冰雹、短时强降水天气时空分布, 在冰雹、短时强降水天气系统发生、发展规律认识的基础上, 对比分析华北冷涡背景下产生强降水与冰雹天气的环境场条件差异。计算表征大气温湿、热力和动力稳定度的对流参数并确定阈值, 为强对流分类潜势预报提供参考。

1 资料及处理

天气现象日值数据集, 来源于1971—2006年《地面气象记录月报表》的信息化资料A文件。剔除记录不完整的站点, 选取苏浙沪地区139站。地面基本基准站逐小时降水数据集来源于国家基本/基准台站“地面气象记录月报表"中的自记降水量等要素信息化形成的数据文件, 包括1991—2009年4—11月36个自计、自动站资料。此外还包括1999—2009年NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料。

2 对流性天气时空分布特征 2.1 时间分布特征

图 1给出苏浙沪地区对流天气日数逐年变化, 1971—2006年冰雹日数波动较大, 1992年最多, 为24 d; 2001和2002年最少, 36年平均发生日数为14.6 d。由5年移动平均线平滑短期随机波动, 得到较平稳变动趋势, 20世纪70—90年代中后期冰雹出现较多, 90年代中后期降幅明显, 21世纪后略增。此结果与蔡义勇等(2009)统计福建省冰雹日数时发现20世纪90年代中期后较80年代减少、李照荣等(2005)研究中国西北地区1995—2005年冰雹日明显减少结论相似。这可能与我国自20世纪90年代以来开展人工防雹有关, 随着防雹作业点增多, 技术含量提高, 冰雹日数显著减少。1991—2009年单站每小时降水量≥30 mm且＜50 mm、≥50 mm·h^-1及≥100 mm·(3 h)^-1发生日数分别为26.5、7.6和2.0 d(图 1b), 30≤每小时降水量＜50 mm·h^-1短时强降水天气年发生日数缓慢增加, ≥50 mm·h^-1和≥100 mm·(3 h)^-1日数变化不大; 不同强度降水日数除1993—1994年、1997—1999年外基本同向增减。

2.2 区域分布特征

统计1991—2009年大于30 mm·h^-1强降水各站点发生日数(图 2a), 江苏省北部地区及浙江省东部沿海地区为36~40 d的大值区, 浙江省西部少于10 d, 平均26 d。两省分布不同, 江苏省强降水日数向南部地区递减, 浙江省由东部地区向西部减少。1971—2006年江苏省东北部地区冰雹天气发生较多(图 2b), 出现10 d以上站数集中, 江苏、浙江省中部地区也有10 d左右大值区, 但站点分散, 随机性强, 发生冰雹较少的站点主要分布在江苏省南部及浙江省中东部地区。各站年平均发生日数约为7 d。

3 华北冷涡背景下短时强降水与区域性冰雹天气环境场条件分析

本文规定3站或3站以上出现冰雹记录的为一个区域性冰雹日, 选取3小时降水量≥100 mm短时强降水个例为研究对象, 筛选出1999—2009年强降水个例25个、1999—2006年区域性冰雹天气个例11个(表 1)。参考江苏省气象局强对流天气分型(江苏省气象局预报课题组, 1988)、《浙江省灾害性天气预报》分类(祝启恒等, 1992), 按500 hPa进行天气分型, 统计结果见表 2。由表 2可见40%短时强降水和82%冰雹个例(表 1中带边框)发生在华北冷涡背景下, 以下对产生两种强天气的环境场条件进行对比分析。

对10个华北冷涡背景下的极端强降水个例进行中尺度天气分析(图 3), 其环流特点是200 hPa上≥30 m·s^-1急流东北—西南向分布, 位置稳定维持在35°N以北, 急流中心风速约40 m·s^-1。500 hPa华北冷涡处于渤海湾附近, 中心强度平均约576 dagpm, 等高线稀疏, 后部伴随冷温槽; 苏浙沪地区受槽前西南气流引导, 有利于低层暖湿空气系统性动力抬升。700和850 hPa处于东风波倒槽顶部或有槽线、切变线维持, 700 hPa降水区西侧有温度露点差不连续线东移, 为强降水提供有利的触发条件。850 hPa从海南至浙江有强暖湿平流输送, 在浙江东部形成湿轴, 水汽供应丰富; 渤海湾地区显著气流既向长三角地区输送冷空气, 又提供动力辐合, 冷暖空气交汇, 不稳定能量和潜热释放直接导致暴雨发生发展。地面处于高压底后部, 或冷锋前部, 增温增湿明显。强降水落区位于850 hPa槽前与700 hPa干舌前部深厚暖湿叠加区域。

对华北冷涡形势下9个区域性冰雹天气中尺度分析(图 4), 200 hPa上≥30 m·s^-1急流区东北—西南方向分布, 急流核位于日本海, 中心风速约80 m·s^-1。500 hPa冷涡位于辽东半岛附近, 中心强度平均540 dagpm; 冷涡系统深厚, 850~200 hPa均有闭合中心, 且有明显的冷中心配合, 苏浙沪地区500 hPa冷槽深厚, 移速缓慢, 辐合抬升运动剧烈。700 hPa大于16 m·s^-1的西北大风携干冷空气南下, 对流区及其北侧有T-T_d≥15℃的干舌。850 hPa杭州湾北部自西南向东北有一暖脊, 与500 hPa冷温槽叠加, 形成大范围位势不稳定; 江苏省中部地区维持一东西向切变线, 位置与干线、925 hPa辐合线相近, 温度脊常位于最强辐合区前, 强对流在850 hPa暖脊后, 干线、辐合线附近发展, 由此可见低层提露点锋、风切变、地面辐合线等不连续线给强对流提供了有利的触发条件。降雹天气出现在200 hPa高空急流下方垂直风切变较大, 中高层干冷空气与低层暖湿气流叠加区域; 由地面中尺度辐合线、露点锋触发所致。

4 对流参数说明与阈值对比分析 4.1 对流参数选取

冰雹和强降水等中小尺度天气的产生以有利的大尺度环境为背景, 而一些对流参数能很好地反映大气稳定度、热力与水汽等基本特征。选取NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料计算参数, 所选样本为≥100 mm·(3 h)^-1强降水天气个例25个; 区域性冰雹天气11个, 其中冰雹伴随降水量大于20 mm·h^-1个例有2个(表 1)。对流参数包括表征大气能量、环境温湿状况及稳定度三方面参数。

4.2 区域性冰雹与强降水天气对流参数对比分析 4.2.1 能量条件

CAPE值是日常预报强对流天气的重要判据, CAPE越大对流储存越多能量, 相关文献指出有效位能逐月变化, 不同季节, CAPE作用不同(陈进华等, 2007)。1—7月期间CAPE逐渐上升, 7月明显增大, 是春季的4~5倍。对短时强降水与冰雹计算结果表明对流天气CAPE值范围为500~2500 J·kg^-1, 阈值分布较大, 对区分强天气类型效果有限。

4.2.2 温湿参数分析

计算强降水中850与500 hPa温差ΔT_850-500(图 5a), 其阈值20~26℃, 平均23.1℃(表 3)。出现冰雹天气的温度差为28~33℃, 平均30.1℃, 冰雹伴随短时强降水中ΔT_850-500为29℃。可见, 大的高低层温差易产生对流不稳定, 强降水与冰雹平均温差相差7℃, 表明出现冰雹天气时高层冷空气强度比强降水天气大得多。

冰雹成形除0℃冻结层高度适当外, 还要有一定的负温区供雹胚运动增长。水滴一般在-20℃凝结成冰, 因此-20℃层高度也是判断是否有利于冰雹形成的重要参数。各地-20℃、0℃高度层有所不同, 陈晓燕等(2010)研究黔西南州冰雹环境条件时发现合适的0℃层高度为4290 m左右, -20℃层高度约7640 m, 廖晓农等(2008)分析北京-20℃层在5500~7500 m时出现冰雹。苏浙沪冰雹天气-20℃、0℃层高度在5600~7600 m、2800~4100 m之间, 冰雹伴随短时强降水时两层高度约为7100、4200 m; 两层高度差平均都约3000 m, 这种适宜的-20℃、0℃层高度有利于冰雹胚胎在生长层内不断增大; 强降水天气发生时-20℃层平均高度8600 m左右, 0℃层平均高度约5100 m(图 5b和5c)。两特性层高度差异明显, 区分度较好。

大气可降水量反映单位面积整层气柱水汽含量, 强降水天气条件下可降水量值平均63 mm(图 5d), 呈现“湿"对流风暴特征; 冰雹天气为26 mm, 同时出现冰雹与短时强降水的个例可降水量约38 mm, 呈现“干"对流风暴特点。强降水天气中1000~500 hPa有平均水汽通量辐合为-13.6×10^-8g·cm^-2·hPa^-1·s^-1, 冰雹天气为-3.4×10^-8g·cm^-2·hPa^-1·s^-1, 两个量的差异与天气学模型中强降水只出现在各层水汽接近饱和的深厚湿对流区域, 而冰雹落区位于低层湿区与700 hPa干舌重叠区域的现象相吻合。

4.2.3 稳定度参量分析

(1) 热力稳定度参量分析

K指数预报对流天气运用较多, 当温度递减率越大, 累积不稳定能量越多, 且低空水汽接近饱和时, 层结不稳定明显, K指数越大。统计结果表明(图 6a)极端强降水K范围为32~41℃, 平均37.2℃; 冰雹伴随强降水出现时的K指数与极端强降水中平均值相近约为35℃, 冰雹82%个例值为26~36℃, 平均29.3℃, 出现暴雨时对低层水汽依赖度较冰雹天气高。A指数反映整层大气层结稳定情况。上下层温度差越大, 各层温度露点差越小, 大气愈不稳定, A值越大。当A指数由负值上升到正值时, 天气转为阴雨, 达到10℃以上时多有降水发生, 下降到负值时则雨停(章淹等, 1990)。由图 6b可见, 强降水天气A指数为10~20℃, 冰雹大多小于0, 这可能是冰雹天气中高层干冷空气入侵, 温度露点差较大, 与上下层温度差项相减后抵消的结果。

抬升指数LI反映地面气块移动到500 hPa时的不稳定状况, 负值越大不稳定越强。冰雹及冰雹伴随强降水天气时抬升指数平均都为-6℃左右; 强降水平均-2.9℃(图 6c), 说明产生冰雹天气需要比强降水更大的不稳定层结。最有利抬升指数BLI是将700 hPa以下每50 hPa间隔分层, 计算各点不同的抬升指数, 其中正值最大者即最有利抬升指数。张霞等(2010)统计雷暴日与最有利抬升指数关系时发现BLI>0范围内雷电活动出现比例为91%。强降水与冰雹天气最有利抬升指数为2~6℃(图略), 分布相似。同样计算沙氏指数时, 其值对是否出现强对流表现敏感, 但在强对流天气间差异不大。冰雹天气总指数(图 6d)平均为51℃, 冰雹与强降水同时出现时总指数最大为55℃, 强降水为44℃, 强对流天气出现时总指数较大, 有冰雹出现时的总指数高于强降水。

(2) 动力稳定性参量分析

垂直风切变是维系强对流发生发展的必要条件。巢纪平等(1964)曾指出中纬度地区对流云在中低空主要靠凝结潜热维持, 在高空由强风带中获得动能, 高空急流下方风速垂直切变大的区域有利于对流发展。观测事实表明, 冰雹常常发生在高空急流下方, 强降水天气时急流位置偏北, 强度偏弱。计算0~3 km(图 6e)、0~6 km垂直风切变(图 6f), 冰雹天气时均值分别为3.67×10^-3和3.32×10^-3 s^-1; 降水时均值为2.61×10^-3和1.69×10^-3 s^-1, 强对流发生均以较大的垂直风切变存在为条件, 0~3 km垂直风切变分布无明显区别, 0~6 km垂直风切变中冰雹天气普遍大于强降水中值, 可见受高空急流强弱影响的0~6 km垂直风切变大小也能有效判别对流天气类型。

5 结论

利用天气现象日值数据集统计强对流天气时空分布, 对华北冷涡背景下区域性冰雹、3小时降水量大于100 mm强对流天气环境场条件综合分析, 对比36个冰雹及短时强降水天气个例对流参数, 得到能有效识别强对流类型的阈值。

(1) 苏浙沪地区冰雹日数1971—1995年变化不大, 自1995年后显著减少, 2002年后缓慢增多; 短时强降水日数2001年前缓慢增加后减少, 2006年后略有增加。

(2) 江苏省短时强降水日数由北向南递减, 浙江省东部沿海地区向西部递减; 冰雹高发区位于江苏省东北部。

(3) 强降水较冰雹天气冷涡浅薄位置偏南, 冷空气强度较弱, 低空急流明显; 冰雹天气时200 hPa急流强盛且偏南, 落区位于上干下湿区域, 强降水出现在深厚湿对流中。

(4) 温湿参数如ΔT_850-500、0℃、-20℃高度层、可降水量在区域性冰雹与强降水天气中存在明显差异。冰雹ΔT_850-500比强降水高7℃; 0℃和-20℃层高度分别为3378和6500 m, 冷温层有利于雹胚增长, 强降水天气0℃、-20℃层高度要高约2000 m; 可降水量值、1000~500 hPa水汽通量散度在暴雨天气中明显大于冰雹天气。冰雹伴随短时强降水发生时ΔT_850-500、LI与冰雹天气相近, K值与强降水值接近, A指数最大, 其余参数介于两种对流天气参数之间。

(5)CAPE、BLI、SI、0~3 km垂直风切变判定强对流发生效果较好, 但不能甄选天气类别; A指数、K指数、抬升指数和0~6 km垂直风切变具有明显区分度。上述参数阈值有待于通过更多例据来修正。