黄南雷暴大风的时空分布及环境参量特征分析

郭安欣，邢子毅，王 敏

青海省黄南州气象台，青海黄南 811300

雷暴大风是指大气对流活动所导致的地面及近地面的强风事件，通常是电闪雷鸣时出现风力≥17.2 m/s(8级)的瞬时大风，属中小尺度天气系统，具有局地性、突发性、致灾性强的特点，常造成重大生命财产损失[1]。雷暴大风短时预报准确率低，临近预警提前量小，是黄南气象预报预警业务的短板之一。研究大气环境条件有助于了解雷暴大风发生前的物理量分布特征，提高潜势预报准确率。在前期预报经验的基础上，梳理2020—2021年黄南17个雷暴大风个例，利用探空资料选取多个用于表征热力、动力和水汽条件的物理量参数，尝试归纳对黄南雷暴大风具有预报指示意义的物理量指标，为开展此类天气潜势预报提供参考[2]。

1 资料和方法

选用黄南地区2020—2021年常规地面观测资料、高空观测资料，利用数学统计与对比分析法、配料法、百分位数法和天气学原理，分析期间雷暴大风时空分布、环流特征和物理量诊断等。当某时次国家站(尖扎本站、同仁本站、泽库本站、河南本站)出现≥17.2 m/s大风且在其20 km范围内出现雷电活动，记为该站出现一次雷暴大风天气个例。

2 雷暴大风的时空分布特征

2.1 空间分布特征

黄南地势北低南高，对比分析各测站雷暴大风出现次数与其海拔，发现雷暴大风出现次数与测站海拔增加呈显著的负相关，相关系数为-0.83，通过0.10显著性检验。黄南北部地区雷暴大风次数明显高于南部，尖扎(海拔2 086.5 m)最多，同仁次之(海拔2 475 m)，泽库、河南较少(海拔3 500 m以上)。因为雷暴大风多属中小尺度系统，小范围大风的风力变化受地形影响极大，海拔较高的南部牧区受摩擦作用影响，可能造成风力减弱。对流风暴中下沉气流由于降水蒸发冷却在到达地面时形成冷池并向四面扩散形成大风，河谷地形产生狭管效应，更利于风速增大[3]。

2.2 时间分布特征

黄南雷暴大风集中在5—8月，呈单峰形分布，7月达到峰值，有6次，占总数的35.3%，5月次之(5次)，6月与8月相对较少(各3次)(图1a)，6—8月雷暴大风日数占全年总数的70.58%，9月至翌年4月无雷暴大风日。从日变化看，10:00开始出现雷暴大风，持续至14:00，其中，10:00出现2次，11:00、12:00、13:00、14:00分别出现1次，16:00后出现次数明显增加，17:00～19:00是雷暴大风出现的高峰时段，峰值在17:00(图1b)，达3次，23:00出现2次雷暴大风过程，00:00～03:00、05:00～09:00两个时段未出现过雷暴大风。可见雷暴大风集中在15:00左右，此时段地面温度较高，大气中不稳定能量最强，对流抑制减弱，利于雷暴大风的发生。

图1 2020—2021年黄南雷暴大风日5—8月能量与抬升参数箱线图

3 雷暴大风的环流形势分型

以500 hPa天气系统为主，将统计得到的17个雷暴大风天气个例归纳为高压脊型、低槽型、西北气流型、副高边缘型、冷涡型(同时海域上有热带系统)环流形势。高压脊型下的雷暴大风个例有7个，占总数的41.1%；西北气流型次之，有5个，占比为29.4%；低槽型和蒙古冷涡影响下的个例均有2个，各占个例总数的11.8%；副高边缘型背景下的雷暴大风占比5.9%。从各类天气型季节特征来看，高压脊和西北气流影响下的雷暴大风主要在春末和夏季(5—8月)，低槽和冷涡影响下的雷暴大风主要出现在7—8月，副高西侧出现雷暴大风在6月。

4 雷暴大风发生前的环境条件

4.1 能量与抬升参数

从5—8月雷暴大风的对流有效位能CAPE箱线图分布来看(图1a)，5月CAPE含量明显偏高，最大值为1 791.1 J/kg，箱体更宽，不稳定能量值分布更分散，6—8月CAPE变幅相似，下四分位数至上四分位数值为1.25～107.4 J/kg。可见，夏季雷暴大风发生时需要对流有效位能相对较低，CAPE含量相对中国中东部及沿海地区整体偏小，可能是青海海拔偏高造成的[4]。

通过箱线图分析对比各月雷暴大风发生前的对流抑制有效位能CIN指数(图1b)发现，7月箱线图箱体最宽，6月和8月CIN值分布较集中。各月都有CIN为0的过程发生，其中，6月所有过程CIN都为0。各月平均值相差较大，5—8月分别为46.22、0、318.48、0.85 J/kg。雷暴大风发生前CIN指数没有规律。强对流发生时CIN必须为合适的值：CIN太大，抑制对流程度高，不易发生对流；CIN太小，不稳定能量不易在低层积聚，易发生弱对流。仅仅凭借这几次过程样本很难提炼出合适值，暂不考虑CIN为雷暴大风天气预报指标。

5—8月雷暴大风发生前抬升指数LI最小值分别为-1.93、-0.65、-1.62、-0.19 ℃(图1c)，与云南地区春夏季发生雷暴大风前的LI指数上四分位数值接近，均为-1 ℃左右。但从黄南地区上四分位数值来看，仅5月为负值，其余3个月均为LI＞0，且各月箱体较宽，离散度较大，指示意义不大，故排除LI作为预报雷暴大风的指标因子。

从最大抬升指数BLI指数箱线图分布看出(图1d)，5月和8月BLI值都＜0，6月各值均为1.6 ℃，7月除最小值为-1.8 ℃而外，其余各值均＞0，说明无论BLI值＞0或＜0，都可能有雷暴大风发生，因此也不适合将BLI指数作为黄南雷暴大风潜势预报的指标。

4.2 大风参数

各月临近雷暴大风发生前下沉对流有效位能DCAPE平均值为73.85～416.6 J/kg，5月下沉气流特征最显著，箱形图箱体最宽，最大值为651.9 J/kg，平均416.6 J/kg，中位数值为532.8 J/kg。6月箱体较宽，下、上四百分位数值分别为21.8和315.95 J/kg，7、8月箱体相对较窄，数值分布略密集，但DCAPE值明显低于5月，与我国云南等地区春季情况类似。由此可知，春季大气斜压性较强，利于对流发展，因此雷暴大风发生前，春季动力作用较夏季显著。

从图2b中0～6 km垂直风切变(shr 0-6)分布看出，5—8月均值为11.43～21.06 m/s，6月各值高于其他月份，其最小值在10 m/s以上，最大值为38.7 m/s，下四分位数和上四分位数分别为12.25 m/s和26.3 m/s，中位数为13.9 m/s。强的垂直风切变有利于风暴持续发展，可加强中层干冷空气吸入，加强风暴中下沉气流和低层冷空气外流。

从图2c中0～3 km垂直风切变(shr0-3)箱线图分布看，各月平均值和中位数值相差不大。6月平均值略高于其余月份，超过10 m/s。此外，各月的箱形都不是特别宽，垂直风切矢量分布相对集中。与其他地区垂直风切相比，数值整体偏小，这可能与青海地面海拔较高有关。

4.3 热力参数

黄南地处高原，海拔在2 000 m以上，选取700 hPa与500 hPa等压面上的假相当位温表征这种层结稳定度，当700～500＞0时，表示气层不稳定。

从高低层温度差T箱线图(图3)分布可看出，高低层温度差无明显月季变化，除5月箱形较宽外，其余3个月箱形特征差异不大，说明温差变化平稳。5月下、上四百分位数值分别为13.3、19.5 ℃，夏季6—8月下和上四百分位数值为14.6～18.2 ℃，可见春季整体高低层温差较夏季更大，表明临近发生雷暴大风前，春季较夏季大气不稳定性更强。

图3 2020—2021年黄南雷暴大风日5—8月热力参数箱线图

图4 2020—2021年黄南雷暴大风日5—8月水汽参数箱线图

通过分析假相当位温差箱线图发现，6、7、8月箱线图箱体较宽，即高低空的假相当位温差值较分散，而5月差值较集中。各月下四百分位数值分别为-1.17、-3.09、-0.12、-0.42 ℃，中位数分别为-0.89、-0.5、4.39、0.55 ℃，上四百分位值分别为-0.89、0.93、8.23、2.5 ℃，均值分别为-0.34、-1.27、3.44、0.55 ℃。可以看出，春季假相当位温差为负，夏季高低空位温差也有正有负，难以凭借此物理量说明雷暴大风发生前大气层结不稳定，故排除此物理量作为黄南雷暴大风潜势预报分析的参考依据。

4.4 水汽参数

考虑南北地区海拔差异，北部采用700 hPaT-Td(约3 000 m)，南部采用500 hPaT-Td(约5 500 m)。从各月温度露点差T-Td变化看，无明显季节变化，5、6、7、8月雷暴大风发生前对应的T-Td范围较宽，平均值分别为9.22、2.83、8.66、0.25 ℃，下四分位数分别为9、2.15、7.2、0.175 ℃，8月T-Td值最小，均在0.5 ℃以下，且离散度也最小，因为8月青海常处于副高外围，频繁受到低层西南季风的影响，使得该区域整层大气水汽含量相对较多。

4.5 雷暴大风天气潜势预报指标

在以上箱线图分析结果的基础上，用平均值和中位数计算出的阈值相差不大，若采用这2种方法作为预警指标，易出现漏报；若采用最小值作为预报阈值，可能会出现大量虚警；将下四百分位值或上四百分位值作为参考值，即当大于或小于这个阈值时，有75%左右的样本都包括在内，将此边界值作为物理量参数的参考阈值，虽仍会有漏报，但虚警率会下降，总体来说更加合理，可靠性更强。因此，采用下四百分位数值作为预报指标的最低标准，列出黄南雷暴大风天气的关键参数预报指标(表1)。

表1 2020一2021 年黄南雷暴大风物理量参数参考阈值

5 结论

(1)雷暴大风次数与测站海拔增加呈显著负相关，黄南北部为河谷阶地，海拔较低，雷暴大风次数明显少于南部高海拔牧区。

(2)黄南雷暴大风主要在白天，集中在中午，此时段地面温度较高，大气中不稳定能量最强，对流抑制能减弱，有利于雷暴大风的发生。雷暴大风只发生在春夏季(5—8月)，期间出现日数占全年总数70.58%，与夏季热力条件有关。

(3)高压脊和西北气流影响下的雷暴大风主要出现在春末和夏季(5—8月)，低槽和冷涡影响下的雷暴大风主要在7—8月，副高西侧出现雷暴大风主要在6月。

(4)用配料法和百分位数法对多个表征动力、热力、水汽的探空对流指数进行分析，筛选出CAPE、DCAPE、Shr0-3、Shr0-6、T、T-Td可作为产生黄南雷暴大风的环境参量，对其划分阈值并得出黄南雷暴大风天气潜势预报指标最低标准。发现雷暴大风发生前春季以动力作用为主，大气不稳定性更强，夏季以热力作用为主，湿对流有效位能含量相对较低，水汽条件无明显月季变化。