雷暴与强对流临近天气预报技术的探讨

丁文文

摘 要：雷暴和强对流临近天气预报技术的研究和应用对准确预警和防范极端天气事件具有重要意义。基于此，对雷暴与强对流临近天气预报技术进行了研究，分析了我国临近天气预报技术的现状，以及雷暴的生成、发展和消散的临近预报，阐述了强对流天气的临近预警，提出了高分辨率数值预报模式的应用策略。

关键词：雷暴；强对流；临近天气预报

中图分类号：P45 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）02–0-03

雷暴和强对流是天气系统中的一种极端天气现象，伴随着强降雨、强风、冰雹和龙卷风。准确预测和及时预警这些天气事件对保护人民生命财产安全至关重要。因此，研究雷暴和强对流临近天气预报技术具有重要意义。在过去的几十年间，天气预报技术取得了巨大的进步。利用气象观测资料、数值模式、卫星图像和雷达回波，可以更好地了解和分析雷暴和强对流天气的形成机制与发展规律。同时，机器学习、人工智能等新兴技术的引入，为预测提供了新的思路和方法。然而，在雷暴和強对流预报方面仍面临着一些挑战，包括诸如复杂的天气系统相互作用、地形和局部特征的影响以及观测数据的不确定性等问题。因此，需要不断改进预报模型，提高数据质量，加强与其他相关领域的交叉研究，提高雷暴和强对流临近天气预报的准确性与及时性。

1 我国临近天气预报技术的现状

中国气象预报技术进步显著，气象预报能力处于世界领先水平。我国已经建立了一系列高分辨率、多尺度的数值天气预报模式，包括中国气象局地球系统数值预报中心开发的GRAPES模式，可以提供逐时到长期的预报，准确预测降水、温度、风速等天气要素。卫星遥感技术在近地面天气预报中起着重要的作用。我国拥有一系列气象卫星，可以获得云图、水汽图、红外图像等广泛的观测数据，为判断天气系统的演变提供帮助。雷达技术在近地面天气预报中起着重要的作用。我国建立了一套完善的雷达观测网，可以实时监测降水情况和风暴结构，这些观测数据可用于短时强降水、风暴的预警等。资料同化是将观测资料与数值模式结果相结合以提高预报精度的一项关键技术。我国在数据同化方面积累了丰富的经验，可以有效地利用卫星、雷达和地面观测数据优化模式预报结果。集合预报是通过组合多个初始条件和参数来估计不确定范围。我国已经建立了集合预报系统，并不断优化其算法和方法，以提供更可靠的概率预报[1]。

综上所述，我国近地面天气预报技术取得了很大进步，不断提高预报的准确性和及时性，为人们提供了更加可靠的天气信息。

2 雷暴的生成、发展和消散的临近预报

2.1 雷暴的生成

雷暴的产生是一个复杂的过程，雷暴通常是在不稳定的大气条件下形成的，这意味着空气能够在上升气流的作用下迅速上升并发展成云。上升气流可以由多种机制引起，如地形抬升、辐合线、冷锋和对流辐合。当这些机制产生强大的上升气流时，它们有利于雷暴的发展。湿度是雷暴形成的另一个重要因素，高湿度有助于增加对流中的水蒸气含量，为云体提供充足的水分。在雷暴产生的过程中，存在强迫扰动，如锋面系统、对流辐合线或其他类型的气象扰动，会触发和维持雷暴的产生。充分整合大气静态稳定性和水汽条件，并根据我国规定的相关指标参数对相关对流参数进行严格分析和判断。这样可以综合考虑大气的稳定性和水汽含量，为对流的产生提供依据。对流的实际有效势能与实际抑制能成反比。因此，当对整个大气对流层的主辐合进行测试时，可以观察到对流有效势能的持续增加趋势，同时结合对应的对流能量呈现下降趋势。这种分析方法有助于评价大气对流的潜力和可能性。探空资料是常规分析方法之一，可以客观、全面地评价大气静力稳定度和水汽状况。通过分析探空数据中的温度、露点等参数，可以获得大气分层、湿度等信息，从而更好地判断对流的发展趋势。在分析过程中，可及时将探空计算的对流有效位能进行简单计算和动态化优化。考虑平流过程的变化，可以获得更准确的对流能量信息，有助于更准确地预测雷暴的产生。综上所述，为了检验整层大气对流的主要趋势，需要综合分析大气静力稳定度、水汽条件和对流参数等因素。结合实际情况，采用探空数据分析和动态校正探空方法，可以更好地评价大气对流的潜力和可能性。这些分析方法对预测雷暴的发生具有重要意义[2]。

2.2 雷暴的维持、发展和衰减

雷暴的维持、发展和衰减与很多因素密切相关。垂直风切变是指高、低海拔地区风速和风向的差异。较小的垂直风切变有利于雷暴的发展和维持，而较大的垂直风切变则可能抑制雷暴的发展。雷暴的流出边界是指雷暴产生的冷空气流向其周围环境的边界。若雷暴的流出边界与上层风向一致，则能促进雷暴的维持和加强。反之，若雷暴上升气流的倾斜偏离上层风向，则不利于雷暴的加强和维持。对流有效位能（CAPE）是大气中对流能量的度量，对雷暴的发展和维持具有重要意义。当雷暴进入稳定区域，缺乏适当的对流有效势能时，将进一步消散。探空曲线是确定实际稳定区域的重要依据，是否属于稳定区域可根据有无积云进一步确定。此外，高分辨率气象卫星的可见云图也是精细分析的重要工具。雷达通过估算1 h内的高降水积累面积，可以进一步了解弱平流情况下该区域可能保持稳定的时间范围。

2.3 高架雷暴

高架雷暴是一种特殊类型的雷暴，与地面周围上升的气团引起的雷暴不同。架空雷暴通常位于边界层以上，其触发机制主要与中尺度辐合切变线有关。冷空气在地面周围形成一个稳定的层，但不能提供地面空气块所需的浮力。反之，逆温层成为架空雷暴产生的关键介质，通过逆温层顶部空气块的绝热上升获得浮力，从而产生雷暴。在高架雷暴预报中，对流有效位能的评价非常重要，通常选择最不稳定的对流有效位能作为评价指标，充分利用逆温层顶部空气块的绝热上升获取能量。辐合切变线的位置对高架雷暴预报具有挑战性，高架雷暴通常是在辐合切变线的触发下发生的，因此准确确定辐合切变线的位置对雷暴预报具有一定的难度。架空雷暴在我国比较常见，主要出现在早春和晚秋，这种雷暴也可能发生在清晨和其他时间段。雷暴常常伴随着大风、冰雹和其他灾害。高架雷暴的存在会导致阵风锋的形成，并促进新雷暴的发展，新雷暴会转变为非高架雷暴，并可能引发冰雹、龙卷风等[3]。

2.4 自动外推算法

2.4.1 风暴单体识别与跟踪算法（SCIT）

风暴单体识别与跟踪算法是新一代雷达发展中的重要算法之一。通过合理设置阈值，确定三维雷暴单体，并提供雷暴质心坐标、液态水积累等信息。通过比较雷暴的实际预报位置与当前位置的差值，可以准确预测未来雷暴的具体位置（例如15、30、45 min）。SCIT是一种常用且成熟的算法，通过对实际数据的分析，将风暴单体的实际路径偏差控制在一定范围内。

2.4.2 雷暴识别动态跟踪分析（TITAN）

雷暴识别动态跟踪分析算法主要用于雷暴识别、动态跟踪和近场预报，起源于美国，经过不断优化升级。TITAN采用直角坐标系，根据其具体规格和要求确定对流单体的强度与体积，满足设定条件即可判断为雷暴对流单体。该方法适用于多部雷达处于合理距离的情况，最终生成雷达的三维数字图像。TITAN算法的特点是识别率高，除质心坐标外，还包括体积和投影面积。

2.4.3 跟踪雷达回波（TREC）

TREC算法最大限度地利用跟踪雷达回波，以图像识别技术为核心进行动态跟踪。通过选择交叉扫描雷达的特定仰角，构建完整的二维回波图像。TREC将特定时间段内采集的雷达数据划分为相同体积的区域，并对不同时间区域内的像元进行交叉分析，从而确定整个回波的实际运动矢量。TREC算法的另一个优点是可以计算反射率因子区域的降水率场，结合时间段积累预测未来30 min或60 min的降雨量，以此实现更准确的预报[4]。

3 强对流天气的临近预警

3.1 强冰雹

强冰雹是一种强对流天气现象，只有在一定的环境条件下才能形成。强冰雹不一定伴随着雷暴，因此它的产生因子比较高。强冰雹需要持续时间较长的强上升气流，有利于冰雹的形成和发生。对流势能是大气释放对流势能的能力的量度。大的对流有效势能有利于强冰雹的形成。深垂直风切变是指在0～6 km高度的大气中风速和风向的变化。强烈的深垂直风切变有助于维持冰雹的旋转和持续发展。冰雹通常在0 ℃层以下融化，因此大气中0 ℃层的高度不宜过高。需要注意整个微物理条件，尤其是冰雹实际生长层的温度范围要覆盖充足的过冷水滴。强雹天气雷达具有相应的回波特征，回波中心强度增强和高度显著上升。这些特征可以表明强冰雹的风险增加，并且最初估计的冰雹直径可能会增加。

3.2 雷暴大风

雷暴大风是强对流天气中的重要现象，准确的临近预警至关重要。在多普勒天气雷达的观测下，根据回波的基本特征可以对雷暴大风进行估计。在强雷暴下，周围相对干燥的空气逐渐被吸入，整个风暴下沉，导致了短时间向下加速。雷暴过程中，中层干空气混入雷暴，表现为径向辐合。通常，在垂直方向上，这些特征出现在2～7 km的高度范围内。一般情况下，雷暴大风环境的垂直速度差应大于25 m/s，为强垂直运动。结合实际情况，可以判断其是否具有较强的特点。在有利的雷暴风环境下，超级单体中的中气旋可以有效地将周围干燥空气困入雷暴的下沉气流中，进一步加速雨滴的蒸发冷却，形成向下加速。这一过程导致气旋表面附近的压力下降，并产生相应的压力梯度。当下沉气流到达地面时，受到压力梯度的影响，风速明显加快。

3.3 龙卷风

龙卷风是一种常见的恶劣天气现象，危害严重。龙卷风内部最大风速可达140 m/s，可分为5级。龙卷风可能在全球范围内发生。龙卷风临近预警主要依靠多普勒气象雷达对中气旋的探测，龙卷风发生的概率约为20%。当中气旋底部与地面的距离小于1 km时，产生龙卷风的概率升至40%，这意味着中气旋离地面越近，发生龙卷风的可能性越大。龙卷风的发生通常伴随着较高的垂直风切变和低层相对湿度，当探测到强中气旋或中等及以上强度的中气旋时，龙卷风发生的概率显著上升，而底部距离地面通常不超过1 km。

綜上所述，龙卷风预警作为一种严重的恶劣天气现象，主要基于多普勒天气雷达对中气旋的探测。龙卷风发生的概率约为20%，但当中气旋接近地面，环境条件满足低空垂直风切变和高相对湿度时，龙卷风发生的概率会显著上升。准确的龙卷风预警对及时采取安全措施至关重要。

3.4 对流性暴雨

预报的准确性对引起暴洪的对流风暴预警至关重要。各小流域产生的山洪是否超过实际降水阈值是预报的关键内容。这一阈值与整个盆地的地貌特征和前期降水密切相关。在地形复杂的地区，小流域的山洪阈值较低。假设存在先前的降水，这个阈值可能更低。因此，预测各子流域当天的降水量是否超过山洪阈值就成为一项必要的任务。在大陆对流降水估计中，冰雹的存在是降雨强度估计的一个关键误差源。表1列出了当反射率因子分别为40、45、50 dBz时，大陆对流降水类型和热带降水类型对应的降雨强度。

综上所述，对流风暴引起暴洪的预警需要关注暴洪阈值与地貌特征之间的相关性，并估计各子流域当天的降水量是否超过暴洪阈值。此外，降雨强度的估计受冰雹的影响，不同的反射率因子对应不同的降雨强度。准确的预报可以提前采取相应的措施，以减少流暴雨可能带来的灾害。

4 高分辨率数值预报模式的应用

高分辨率数值预报模式在实际预报中得到了广泛的应用。通过高分辨率数值预报模型，可以在短时间内提供更新后的环境参数。其中，美国开发的快速更新周期（RUC）是最具代表性的制度之一。RUC系统采用先进的三维变分技术，每小时更新一次，生成相应的分析场，并以此为基础生成18 h预报。预报员可以主动选择合适的系统，提供相应的参数条件，并利用实际观测数据进行准确分析。同时，需要对18 h预报进行严格的测试，以评估系统计算的各种参数的精度。由于大多数雷暴的雷达回波的实际应用时间小于1 h，为了解决这一问题，需要及时将雷达回波外推与高分辨率数值预报充分结合起来，形成完善的预报方法，这种综合方法可以提高预测的准确性。

5 结束语

雷暴和强对流是天气系统中高度不稳定和潜在有害的现象。准确预测和及时预警这些天气事件对保护人民生命财产安全至关重要。通过分析相关数据，应用数值预报模型，提取临近天气的关键参数和特征，如龙卷风、山洪阈值、降雨强度等。同时，多普勒天气雷达和高分辨率数值预报模式等工具的应用，为雷暴和强对流的预报和监测提供了更全面、更准确的方法。然而，仍然存在一些挑战。例如，在复杂地形和冰雹等现象的预测中仍然存在一定的误差。此外，提前预测时间，也需要提高预测精度。综上所述，发展雷暴和强对流临近天气预报技术对提高预警能力、降低灾害风险具有重要意义。通过不断地研究和改进，可以不断提高预报和预警的准确性，为社会提供更可靠的天气信息，以应对雷暴和强对流带来的挑战。

参考文献

[1] 赵亚楠.雷暴与强对流临近天气预报技术探讨[J].内蒙古科技与经济，2023（22）：109-112.

[2] 胡国领，原野，张耀文，等.雷暴与强对流临近天气预报技术探究[J].数字通信世界，2019（11）：82.

[3] 宋妍.农牧业气象服务信息化建设[J].安徽农学通报， 2023，29（20）：132-135.

[4] 王安琦，曹永哲，王太然，等.雷暴与强对流临近天气预报技术探讨[J].农业灾害研究，2021，11（10）：81-82.