孟 蕾，桑友偉，何 娜

（1.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院，湖南 長沙410125；2.嘉禾縣氣象局，湖南 郴州424500）

全球變暖背景下，強(qiáng)對流天氣頻發(fā)，天氣預(yù)報(bào)員在進(jìn)行強(qiáng)對流天氣潛勢分析過程中會(huì)采用一些熱力穩(wěn)定度參數(shù)對大氣穩(wěn)定度進(jìn)行分析，K 指數(shù)能反映對流層中下層（700~850 hPa）的穩(wěn)定度情況，其值高低能較好地與強(qiáng)對流活動(dòng)對應(yīng)[1]，是預(yù)報(bào)員實(shí)際工作中常用的物理量之一。眾多學(xué)者重點(diǎn)研究了對流天氣發(fā)生前后K 指數(shù)的取值范圍[2-14]，雖然普遍認(rèn)為K 指數(shù)為35 ℃以上的高值時(shí)有利于對流活動(dòng)的發(fā)生[15]，但是孟妙志[16]、崔勝權(quán)等[17]發(fā)現(xiàn)有強(qiáng)對流發(fā)生時(shí)，K 指數(shù)的取值范圍并不限于絕對高值區(qū)，在K指數(shù)低于20 ℃時(shí)同樣有可能產(chǎn)生冰雹等強(qiáng)對流天氣。李勇等[18]舉例說明，K 指數(shù)空間分布中呈現(xiàn)出的高梯度區(qū)同樣值得關(guān)注，可以進(jìn)一步討論K 指數(shù)相對氣候背景場的改變量，以此判斷是否可能發(fā)生強(qiáng)對流天氣過程，所以十分有必要討論K 指數(shù)的時(shí)空分布及變化情況，并將其作為氣候背景場供預(yù)報(bào)員參考。由于K 指數(shù)與其他表征大氣穩(wěn)定度的指數(shù)具有較類似的空間分布[18]，因此單獨(dú)分析K 指數(shù)的時(shí)空分布及變化特征即可表征大氣穩(wěn)定度的時(shí)空分布及變化情況。目前研究大氣穩(wěn)定度分布和變化情況的文章很少，本研究以湖南省為例給出湖南汛期K指數(shù)表征的大氣穩(wěn)定度分布及變化情況，以此作為湖南汛期強(qiáng)對流天氣潛勢預(yù)判的氣候背景場。

湖南省歷年汛期受強(qiáng)對流事件影響較大并且致災(zāi)率較高，強(qiáng)對流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警工作十分重要。已有多位學(xué)者研究湖南省雷暴、冰雹、雷暴大風(fēng)的分布及變化特征[19-23]，但還沒有研究湖南汛期K 指數(shù)分布及變化情況的文章。 本文利用1979—2018 年NCEP 0.5°×0.5°月平均再分析資料，分析湖南汛期K指數(shù)平均分布情況，采用TSA 法和M—K趨勢檢驗(yàn)法計(jì)算氣候傾向率并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，對湖南汛期近40 a 的K 指數(shù)變化情況進(jìn)行分析，利用R/S 分析法對未來湖南K 指數(shù)的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，為日常天氣預(yù)報(bào)中更好地進(jìn)行強(qiáng)對流潛勢預(yù)判提供參考，從而更好地進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)。

1 資料與方法

利用1979—2018 年NCEP 0.5°×0.5°月平均再分析資料中，850、700 hPa 等壓面上的溫度和相對濕度數(shù)據(jù)以及500 hPa 等壓面上的溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算月平均K 指數(shù)數(shù)值。計(jì)算公式[1]如下：

式中T 表示溫度，Td表示露點(diǎn)溫度，下標(biāo)數(shù)字表示所在等壓面，單位為°C。K 指數(shù)數(shù)值越大代表大氣越不穩(wěn)定。

所用資料中沒有直接給出各等壓面露點(diǎn)溫度，因此露點(diǎn)溫度是利用相對濕度數(shù)據(jù)通過飽和水汽壓公式計(jì)算得到[24]。

首先求出湖南省境內(nèi)各格點(diǎn)月平均K 指數(shù)，然后利用matlab 軟件采用雙調(diào)和樣條插值法進(jìn)行空間插值，得到湖南汛期逐月平均K 指數(shù)分布情況，同時(shí)計(jì)算K 指數(shù)40 a 的氣候傾向率，利用M—K 趨勢檢驗(yàn)法[25]進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，分析1979—2018 年湖南汛期K 指數(shù)時(shí)空分布及變化特征，最后通過R/S分析法[26]計(jì)算Hurst 指數(shù)，預(yù)測未來湖南汛期K 指數(shù)變化趨勢。

其中氣候傾向率采用TSA 方法計(jì)算[27]，公式如下：

式中n 為樣本數(shù)，median 指中值。

通過R/S 分析法計(jì)算出的Hurst 指數(shù)H（0

為更好地將湖南K 指數(shù)特征表述清楚，下文中根據(jù)《中國氣象地理區(qū)劃手冊》[28]，將湖南省分為湘西北、湘北、湘西南、湘中、湘東南5 個(gè)區(qū)域（圖1），描述大氣穩(wěn)定度特征空間分布。湖南地形地貌多樣，其中湘西北、湘西南和湘東南地區(qū)以山地為主，湘北和湘中地區(qū)以平原和丘陵為主。

2 結(jié)果分析

2.1 近40 a 湖南K 指數(shù)分布情況

2.1.1 K 指數(shù)年平均分布特征

圖1 湖南省分區(qū)圖

分析1979—2018 年湖南年平均K 指數(shù)（圖2）可知，湖南省K 指數(shù)數(shù)值總體呈現(xiàn)南高北低的分布狀態(tài)，湘北地區(qū)為低值區(qū)，K 指數(shù)為19°C 左右，湘東南地區(qū)為高值區(qū)，K 指數(shù)超過25°C。

進(jìn)一步對比湖南省同緯度上各區(qū)域的K 指數(shù)發(fā)現(xiàn)，在111°~112°E 附近出現(xiàn)同緯度上K 指數(shù)的最低值，而最高值的分布則南北不一致。28°N 以北地區(qū)中，最高值出現(xiàn)在西邊，即湘西北地區(qū)，說明該地區(qū)比同緯度的湘北地區(qū)更不穩(wěn)定；28°N 緯線以南地區(qū)中，波動(dòng)形勢明顯，出現(xiàn)2~3 個(gè)高值區(qū)域，湘西南地區(qū)和湘東南地區(qū)中部各有1 個(gè)高值區(qū)。

圖2 1979—2018 年湖南年平均K指數(shù)空間分布（單位：°C）

2.1.2 湖南汛期K 指數(shù)逐月分布特征

分析湖南省3—10 月汛期月平均K 指數(shù)情況（圖3）可知，3—8 月K 指數(shù)總體呈逐月增加的趨勢，7、8 月達(dá)到峰值，9—10 月K 指數(shù)總體逐漸減小。

3 月，湖南省K 指數(shù)等值線相較其他月份波動(dòng)較小，除湘西北地區(qū)外，全省其他地區(qū)總體呈現(xiàn)東高西低的形勢，湘西北地區(qū)是所在緯線高值區(qū)。

從4 月到10 月，湖南省K 指數(shù)的南北跨度先減小后增大。3 月跨度超過10 ℃，7 月跨度僅為2 ℃左右，8 月以后南北跨度再次增大。湘西北地區(qū)始終是所在緯線高值區(qū)，而湖南南部從4 月開始，逐漸出現(xiàn)同緯線上有2 個(gè)高值區(qū)，湘西南與湘東南各有1 個(gè)。

3—4 月K 指數(shù)等值線緯向分布顯著，從5 月開始，除湘北和湘中地區(qū)依然保持緯向分布為主外，其他地區(qū)逐漸向經(jīng)向發(fā)展。7—8 月，湖南省K 指數(shù)最高值和最低值跨度不大，但呈現(xiàn)出幾個(gè)高值中心，中心最高值為36.5~37 ℃，高值區(qū)已不再集中在湘東南地區(qū)，而是出現(xiàn)在湘西北、湘西南和湘東南3 個(gè)地區(qū)，其中湘西北和湘西南地區(qū)已不僅是所在緯線上的高值區(qū)，而成為了整個(gè)湖南省的高值中心。9 月開始，K 指數(shù)等值線經(jīng)向形勢發(fā)生變化，逐漸回到南方高于北方的狀態(tài)，但湘西北、湘西南和湘東南地區(qū)依然存在所在緯線的高值區(qū)。10 月，K 指數(shù)呈現(xiàn)出“西高東低”的狀態(tài)。

總體而言，4—10 月湘西北、湘西南和湘東南地區(qū)出現(xiàn)所在緯線上最不穩(wěn)定區(qū)域，6—8 月間，這3個(gè)地區(qū)出現(xiàn)全省大氣最不穩(wěn)定的區(qū)域。雖然4—5月、9—10 月這4 個(gè)月份中，湘西北地區(qū)K 指數(shù)不是全省高值區(qū)，但它始終存在所在緯線的高值區(qū)，說明該地區(qū)大氣相比同緯度其他地區(qū)更加不穩(wěn)定，更加具有強(qiáng)對流天氣的潛勢。

2.2 近40 a 湖南汛期K 指數(shù)變化特征

由湖南省汛期K 指數(shù)氣候傾向率圖（圖4）可知，3—4 月湖南省K 指數(shù)氣候傾向率自西北向東南遞減，湘西北、湘北、湘西南和湘中地區(qū)均為正值，湘東南地區(qū)出現(xiàn)負(fù)值。3 月，湘西北地區(qū)的K 指數(shù)氣候傾向率超過0.8°C/10 a，并通過了0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)，其他地區(qū)未通過顯著性檢驗(yàn)；4 月，湘西北大部分地區(qū)與湘西南西北部地區(qū)的K 指數(shù)氣候傾向率超過0.6°C/10 a，并通過顯著性檢驗(yàn)，其他地區(qū)未通過顯著性檢驗(yàn)。說明湖南西北部3、4 月K 指數(shù)近40 a 發(fā)生了顯著變化，大氣變得越來越不穩(wěn)定，湖南南部則趨向于越來越穩(wěn)定，但不顯著。

5 月，湖南省K 指數(shù)氣候傾向率均為正值，最高值在湘東南地區(qū)，達(dá)到0.5°C/10 a，但幾乎全省皆未通過顯著性檢驗(yàn)。

6—7 月，湖南省K 指數(shù)氣候傾向率均為正值。6月最高值出現(xiàn)在湘東南地區(qū)，達(dá)到0.8°C/10 a，湘西北部分地區(qū)、湘西南和湘東南地區(qū)通過顯著性檢驗(yàn)；7 月最高值出現(xiàn)在湘西南和湘東南地區(qū)，達(dá)到0.4°C/10 a，湘西南和湘東南地區(qū)南部通過顯著性檢驗(yàn)。說明近40 a 來，湖南南部及西北部分地區(qū)大氣在6—7 月變得越來越不穩(wěn)定。

圖3 1979—2018 年湖南3—10 月累年平均K 指數(shù)空間分布（單位：°C）

8 月湖南省K 指數(shù)氣候傾向率較小，幾乎均未通過顯著性檢驗(yàn)。

9 月湖南省K 指數(shù)氣候傾向率均為正值，最高值出現(xiàn)在湘東南地區(qū)，達(dá)到0.7°C/10 a，并通過顯著性檢驗(yàn)，說明近40 a 湖南南部大氣在9 月變得越來越不穩(wěn)定。

10 月全省K 指數(shù)氣候傾向率幾乎均為負(fù)值，均未通過顯著性檢驗(yàn)，說明近40 a 湖南大氣在10 月變得越來越穩(wěn)定，但變化較緩慢且不顯著。

3—10 月湖南省湘西北、湘西南和湘東南3 個(gè)地區(qū)的大氣越來越趨向不穩(wěn)定，但發(fā)生顯著變化的時(shí)段不同，湘西北地區(qū)主要在3、4、6 月變化顯著，而湘西南地區(qū)則在6、7 月變化顯著，湘東南地區(qū)在6、7、9 月變化顯著。

2.3 湖南汛期Hurst 指數(shù)分析

根據(jù)Hurst 指數(shù)分布，預(yù)測未來湖南汛期K 指數(shù)是否會(huì)持續(xù)1979—2018 年間各月份變化趨勢。由圖5 可知，3—10 月湖南各區(qū)域Hurst 指數(shù)均＞0.45，表明未來湖南出現(xiàn)與1979—2018 年趨勢相反變化的概率較低。3 月，湘西南南部地區(qū)有一定的持續(xù)性，其他地區(qū)隨機(jī)性較大，說明3 月湘西南地區(qū)南部K 指數(shù)將延續(xù)前40 a 的狀態(tài)，將繼續(xù)減小，大氣將繼續(xù)向穩(wěn)定方向發(fā)展；4 月，湘西北地區(qū)有一定的持續(xù)性，其他地區(qū)隨機(jī)性較大，說明4 月湘西北地區(qū)將延續(xù)前40 a 的變化趨勢，未來該地區(qū)4 月大氣繼續(xù)趨向不穩(wěn)定；5 月，湖南大部有一定的持續(xù)性，將延續(xù)前40 a 的狀態(tài)總體朝著不穩(wěn)定方向發(fā)展；6 月，湘西北地區(qū)、湘中地區(qū)南部和湘南地區(qū)將會(huì)有一定的持續(xù)性，延續(xù)前40 a 的狀態(tài)，未來朝著不穩(wěn)定方向繼續(xù)發(fā)展，其他地區(qū)隨機(jī)性較大；7 月，湖南大部未來變化隨機(jī)性較強(qiáng)；8 月，湘西南地區(qū)、湘東南地區(qū)西部有一定的持續(xù)性，將延續(xù)前40 a 的狀態(tài)，變化較小；9 月，湖南省未來變化隨機(jī)性較強(qiáng)；10 月，除湘西北大部分地區(qū)隨機(jī)性較大外，其他地區(qū)有一定的持續(xù)性，將會(huì)延續(xù)前40 a 的狀態(tài)，未來繼續(xù)朝穩(wěn)定方向發(fā)展。

3 結(jié)論

本研究利用1979—2018 年NCEP0.5°×0.5°月平均再分析資料，采用TSA 法、M—K趨勢檢驗(yàn)法、R/S分析法分析了湖南汛期K 指數(shù)時(shí)空變化特征及未來趨勢，得到如下結(jié)論。

（1）湖南省K 指數(shù)數(shù)值總體自南向北逐漸遞減，同緯度上各區(qū)域分布不一，波動(dòng)特征明顯。湘西北、湘西南、湘東南3 個(gè)以山地為主的地區(qū)，各出現(xiàn)1 個(gè)所在緯線上的K 指數(shù)高值區(qū)，而湘北和湘中以平原、丘陵為主的地區(qū)出現(xiàn)K 指數(shù)低值區(qū)，說明山區(qū)較平原地區(qū)更加不穩(wěn)定。

（2）湘西北、湘西南和湘東南地區(qū)在6—8 月間為全省大氣最不穩(wěn)定的區(qū)域，在4—5 月和9—10 月是所在緯線上的高值區(qū)。湖南南部相比湖南北部更容易出現(xiàn)高值區(qū)，但湘西北地區(qū)始終是所在緯線上的K 指數(shù)高值區(qū)，說明湘西北地區(qū)大氣相比同緯度其他地區(qū)更加不穩(wěn)定，更加具有強(qiáng)對流天氣的潛勢。

圖4 1979—2018 年湖南3—10 月K 指數(shù)氣候傾向率（單位：°C/10 a）及顯著性檢驗(yàn)（圖中黑色等值線及標(biāo)注數(shù)值為K 指數(shù)氣候傾向率，紅色（藍(lán)色）區(qū)域表征近40 a 氣候傾向率為正值（負(fù)值）且通過0.05 水平上的顯著性檢驗(yàn)）

（3）1979—2018 年湖南省汛期期間，湘西北、湘西南和湘東南3 個(gè)地區(qū)的大氣逐漸趨向不穩(wěn)定，但發(fā)生顯著變化的時(shí)段不同。春季3、4 月湘西北地區(qū)顯著趨向不穩(wěn)定；入夏乃至盛夏時(shí)節(jié)的6、7 月，湘西南和湘東南地區(qū)顯著趨向不穩(wěn)定；秋初的9 月，湘東南地區(qū)顯著趨向不穩(wěn)定。說明春季對流活動(dòng)潛勢增加的地區(qū)是湘西北地區(qū)，夏季以及初秋對流活動(dòng)潛勢增加的地區(qū)是湖南南部。

（4）湖南未來3、4、8 月部分地區(qū)呈現(xiàn)與前40 a變化趨勢相一致的持續(xù)性，其他地區(qū)隨機(jī)性較大，5、6、10 月湖南大部分地區(qū)呈現(xiàn)與前40 a 變化趨勢相一致的持續(xù)性，少數(shù)地區(qū)隨機(jī)性較大，7、9 月未來變化隨機(jī)性較大。

（5）結(jié)合近40 a 湖南汛期K 指數(shù)變化趨勢和Hurst 指數(shù)，預(yù)測未來趨勢發(fā)現(xiàn)，3 月湘西南南部地區(qū)大氣將繼續(xù)向穩(wěn)定方向發(fā)展，4 月湘西北地區(qū)大氣繼續(xù)趨向不穩(wěn)定，5 月湖南大部將延續(xù)前40 a 的狀態(tài)總體朝著不穩(wěn)定方向發(fā)展，6 月湘西北地區(qū)、湘中地區(qū)南部和湘南地區(qū)將朝著不穩(wěn)定方向繼續(xù)發(fā)展，7 月湖南大部未來變化隨機(jī)性較強(qiáng)，8 月湘西南地區(qū)、湘東南地區(qū)西部將延續(xù)前40 a 的狀態(tài)，變化較小，9 月湖南省未來變化隨機(jī)性較強(qiáng)，10 月湘西北地區(qū)以外其他地區(qū)未來繼續(xù)朝穩(wěn)定方向發(fā)展。

本研究通過分析湖南省汛期K 指數(shù)時(shí)空變化特征發(fā)現(xiàn)，汛期大氣總體朝向不穩(wěn)定趨勢發(fā)展，時(shí)間上春、夏兩季快于秋季，空間上山區(qū)快于平原地區(qū)，體現(xiàn)了大氣穩(wěn)定度對全球變暖的響應(yīng)，可作為氣候背景場為強(qiáng)對流天氣潛勢分析提供參考。但是，對流活動(dòng)的發(fā)生除了與大氣穩(wěn)定度有關(guān)，還與觸發(fā)機(jī)制有關(guān)，因此大氣穩(wěn)定度并不能完全代表對流活動(dòng)的發(fā)生趨勢，以后可進(jìn)一步對比對流活動(dòng)與K 指數(shù)時(shí)空對應(yīng)關(guān)系。同時(shí)K 指數(shù)不能反映出強(qiáng)對流天氣的類型，以后可結(jié)合更多指標(biāo)對強(qiáng)對流天氣類型進(jìn)行分析。