李新峰 陳博 梅玨

摘 要：利用實況資料、FNL再分析資料和客觀預報資料，對2017年8月7日夜間上海空域雷暴天氣過程的大尺度環(huán)流條件、中尺度觸發(fā)機制進行天氣學分析，討論了客觀預報在此次雷暴天氣過程的可預報性問題。結果表明：此次上海空域雷暴天氣過程的環(huán)流背景是東北冷渦底部的短波槽配合低層切變發(fā)展東伸，在副高北部形成了西南急流和上干下濕的不穩(wěn)定層結，700 hPa露點鋒南侵導致大面積強對流天氣發(fā)生;影響上海地區(qū)的中-β尺度對流由近地面輻合線觸發(fā)，配合高空不穩(wěn)定能量的集聚和垂直風切變的增大，為對流風暴強烈發(fā)展提供條件;RUC因能快速吸收最新觀測，對流范圍預報效果在逐次循環(huán)中得到提高，但對上海空域的中-β尺度對流均為漏報，沒有可預報性。Nowcasting能夠提前1.5 h準確預報雷暴移動和強度變化。

關鍵詞：雷暴;露點鋒;輻合線;可預報性

中圖分類號：P458.123;P457.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）22-0134-05

Abstract： A thunderstorm weather that seriously impacted air traffic on 7 August 2017 in Shanghai is studied. Using Doppler radar and FNL reanalysis data， synoptic weather conditions and mesoscale triggering mechanism for this event are analyzed， the predictability of forecasts in this thunderstorm weather process are discussed. Results are as follows： this event occurred under the condition of a deformation field. The short wave at the bottom of the northeast cold vortex extends eastward with the development of low-level shear， forming southwest jet and upper dry and lower wet unstable stratification in the north of the Western Pacific Subtropical High. The southward invasion of 700 hPa dew point front leads to a large area of strong convective weather; β-mesoscale convictive systems affecting Shanghai is triggered by the near surface convergence line， combined with large-scale uplift， which provides conditions for the strong development of convective storms; RUC can quickly absorb the latest observations， the convective range forecasting is improved in successive cycles， but β-mesoscale convictive systems in the Shanghai airspace is underreported. Nowcasting can accurately predict the movement rate and intensity of thunderstorms 1.5h in advance.

Keywords： thunderstorm;dew point front;convergence line;predictability

2017年8月7日19：30至8日02：00，上海終端區(qū)及虹橋機場、浦東機場出現了一次強雷暴天氣過程。虹橋機場觀測雷暴時間長達4 h，氣溫在2 h內驟降10 ℃，氣壓涌升4 hPa，最大小時雨量為25.9 mm。此次雷暴天氣過程對民航上海終端區(qū)、虹橋機場和浦東機場的正常運行造成較大影響，均有較多航班延誤和返航。

雷暴天氣對民航飛行安全構成嚴重威脅，因其具有較小的時空尺度與劇烈的垂直運動，一直是航空氣象預警的重要內容。長期以來，氣象學家對雷暴發(fā)生發(fā)展的大、中尺度環(huán)境進行了廣泛而深入的研究，發(fā)現了許多對風暴形成和結構演變具有重要影響的環(huán)境因素，如大氣穩(wěn)定度、高低空急流以及邊界層輻合線等。但是，航空氣象預報業(yè)務中，雷暴的“定點、定時、定量”預報卻仍是棘手問題。面對預報中出現的空報、漏報現象，很多專家學者、一線預報員從不同角度進行了探討。陶祖鈺等[1]、龍妍妍等[2]從技術層面針對幾次災害天氣空報、漏報的重大預報失誤過程進行分析，而周秀驥[3]、伍志方等[4]、杜鈞[5]等指出確定性預報的時效是有界的，客觀上存在大氣過程的報不準關系、將核心問題聚焦于可預報性問題。

目前，數值預報產品已成為預報員們在制作天氣預報中不可或缺的工具。探討可預報性問題的目的是科學對待預報中的失誤，加深理解“可預報性”的現實意義，探討現階段技術層面和人為因素對預報能力的影響，總結預警服務中的優(yōu)缺點，提出延長預報時效的技術手段，進一步增強危害天氣的可預報性。

本文利用多種觀測資料、再分析資料和客觀預報資料，對2017年8月7日夜間上海空域雷暴天氣過程的天氣尺度環(huán)流背景、中尺度觸發(fā)機制進行天氣學分析，討論多尺度客觀預報在此次雷暴天氣過程中的可預報性問題。

1 實況與資料

1.1 實況

圖1為上海地區(qū)2017年8月7日20：00至8日02：00的6 h累積降水分布，暴雨范圍主要集中在上海市西北部，并伴有雷暴大風天氣。虹橋機場于21：11聞雷，至22：04出現短時強降水伴雷暴大風天氣，最大10 min平均風速為12 m/s，最大陣風17 m/s，能見度從10 000 m（22：00）驟降至2 000 m（22：04），海平面氣壓涌升4 hPa（20：00為1 000 hPa，22：00為1 004 hPa），22：00—23：00的1 h雨量為25.9 mm，達到暴雨級別（見圖2）。同時，上海區(qū)域的溫度梯度急劇增大（見圖3），最大梯度達到8 ℃/10 km。23：00之后雨量轉小，至8日01：00上海終端區(qū)長達4 h的中到大雷雨天氣結束。

此次雷暴天氣導致虹橋和浦東兩個機場近百架航班延誤、10架航班備降、2架航班復飛，華東空中交通管制中心啟動了上海終端區(qū)大面積航班延誤黃色應急響應，對航班的正常運行和機場旅客的正常出行造成了極大影響。

1.2 資料

本文選取的資料時間段為2017年8月7日08：00至8日08：00，覆蓋此次強對流發(fā)生到消失的全過程。觀測資料包括地面常規(guī)觀測數據和FNL再分析資料，其中雷達拼圖主要用來分析此次對流風暴的結構特征和發(fā)展演變情況，常規(guī)觀測和FNL再分析資料用于對風暴發(fā)生前大尺度環(huán)流演變和大氣物理條件進行天氣學分析。數值預報資料包含華東空管氣象中心快速更新同化預報系統(tǒng)和臨近外推預報系統(tǒng)（Nowcasting），主要用于分析此次上海空域雷暴天氣的可預報性。

2 天氣背景分析

2.1 環(huán)流形勢分析

此次強對流天氣由北方南下的弱冷空氣與旺盛的暖濕氣流在長江下游交匯，形成天氣尺度的大面積對流云團。上海地區(qū)處于冷暖氣團交匯的核心地帶，中-β尺度系統(tǒng)從天氣尺度帶狀對流中分離出來并東移，對上?？沼蚝蛢蓤龊桨嗾＿\行造成影響。

2017年8月7日08：00，200 hPa南亞高壓控制我國大陸，1 260線的東端伸至132°E附近，脊線位于30°N附近，長江下游在南壓高壓控制下，在高空產生強烈的抽吸作用，有助于對流云帶垂直運動強度的維持和加強。

500 hPa位勢高度和850 hPa風場如圖4（a）所示，東北冷渦中心位于內蒙古與黑龍江省交界處，冷槽已移至黃海東部，華東中北部為冷槽后部的西北氣流。西太平洋副熱帶高壓脊線位于23°N，上海地區(qū)位于588線北部邊緣。在青藏高原東側有高原槽東移，第5號臺風“奧鹿”位于日本南部海面，中心最低氣壓為965 hPa，未來繼續(xù)向西北方向移動。700 hPa切變線位于河南至蘇皖北部一線，槽后的干空氣相對較明顯，T-Td>10 ℃的區(qū)域從內蒙沿河套至魯南蘇北，并在皖南-浙南地區(qū)形成露點鋒。850 hPa西南渦切變東伸至皖北。

2017年8月7日14：00，850 hPa切變線處有雷暴強烈發(fā)展，至20：00對流覆蓋了安徽、江蘇大部分地區(qū)。如圖4（b）所示，2017年8月7日20：00，500 hPa高原槽分裂的短波槽影響華東中北部，850 hPa切變東伸加強，位于蘇皖北部地區(qū)，切變南側西南氣流增強，長江中下游地區(qū)有低空急流形成（大于12 m/s），上海地區(qū)處于急流出口區(qū)的前側，有水汽和風速的匯，配合700 hPa露點鋒南壓和200 hPa高空輻散的抽吸作用，蘇皖滬地區(qū)的大范圍對流天氣旺盛發(fā)展。

2.2 水汽與不穩(wěn)定條件

圖5為2017年8月7日08：00、20：00上海探空觀測的T-logP圖，表1為根據探空計算得到的部分熱力學參數。2017年8月7日08：00近地面層為西南風，高層逐漸順轉為西北氣流，不穩(wěn)定層結并不深厚，沙氏指數（SI）僅有-0.89 ℃，而抬升凝結高度（947 hPa）和自由對流高度（825 hPa）均較高，此時分析對流發(fā)生概率并不是很高。但至20：00，對流有效位能從08：00的2 257 J/kg升至3 811 J/kg，垂直范圍也增大，600～300 hPa的CAPE較深厚，SI指數為-4.87 ℃，說明有不穩(wěn)定層結的建立和不穩(wěn)定能量的集聚。θse|850-500|為30.94 ℃，表明上海上空呈現上干冷、下暖濕的強不穩(wěn)定層結，有利于強對流的發(fā)生發(fā)展。

2.3 垂直風切變

垂直風切變對雷暴組織和結構特征有重要影響，在一定熱力不穩(wěn)定條件下，垂直風切變增強將導致強雷暴的生成和進一步發(fā)展。統(tǒng)計表明，中等以上的垂直風切變（垂直風矢量差大于15 m/s）有利于組織完好的對流發(fā)展，通常采用地面到6 km的風矢量表示深層垂直風切變。

分析對流發(fā)生前上海探空計算的垂直風切變可知，2017年8月7日08：00在對流發(fā)生前，垂直風切變已經達到15 m/s，存在中等強度切變;到20：00，垂直風切變達到19 m/s，有利于超級單體雷暴的產生和發(fā)展。實況也證明，傍晚上海地區(qū)的強對流天氣進一步得到了加強。

綜合以上分析，可得到此次上海地區(qū)強對流發(fā)生的天氣背景情況。強對流發(fā)生前，長江下游地區(qū)處于東北冷渦底部、西太副高邊緣，500 hPa槽后西北氣流疊置于淺層西南暖濕氣流之上，在長江下游形成較大的溫度垂直遞減率，利于熱力不穩(wěn)定層結的建立;伴隨著500 hPa短波槽和850 hPa切變線東移，上海地區(qū)有大尺度抬升條件;700 hPa露點鋒南侵，凝結釋放潛熱引發(fā)大氣膨脹產生上升運動，觸發(fā)蘇皖及上海地區(qū)爆發(fā)強對流。

3 中尺度觸發(fā)機制

近地面輻合線的移動演變與對流移動發(fā)展有較大關系。2017年8月7日08：00地面有兩條風向的輻合線，一條位于蘇皖北部至豫南地區(qū)，與低層的切變線相對應;在皖南、湖北地區(qū)有一條相對較弱的輻合線，該條輻合線伴隨南部暖濕氣流的增強向緯向發(fā)展，至17：00位于蘇南浙北，有利于在該地區(qū)觸發(fā)垂直運動，配合低層的西南急流帶來的水汽，使太湖附近的對流劇烈發(fā)展。而北部的輻合線在高空系統(tǒng)南壓的過程中也逐漸移動發(fā)展，形成了蘇皖大面積的雷暴天氣。

影響上海地區(qū)的中-β尺度對流是對流云帶南部邊緣的一部分，該雷暴的觸發(fā)條件與對流主體有所區(qū)別。太湖地區(qū)的雷暴先是由近地面輻合線觸發(fā)，配合大尺度抽吸作用為其下方的對流風暴強烈發(fā)展提供條件。同時，上海地區(qū)高空的CAPS、SI和θse|850-500|均說明不穩(wěn)定層結的建立和不穩(wěn)定能量的集聚有利于對流的發(fā)展，有雷暴體移入，將發(fā)展至深對流。實際情況確實如此，2017年8月7日20：00太湖地區(qū)雷暴東移入上海，但是之前上海地區(qū)沒有雷暴體觸發(fā)新生，移入的雷暴在上海地區(qū)強烈發(fā)展，強度達到60 dBZ，回波高度達到15 km。

4 可預報性分析

4.1 快速更新同化預報效果評估

華東空管氣象中心快速更新同化預報系統(tǒng)，利用GSI-3DVAR及云分析系統(tǒng)，能夠快速分析常規(guī)及非常規(guī)觀測資料，每小時滾動預報未來12 h天氣情況。本文采用3 km×3 km水平分辨率的預報資料考察該系統(tǒng)對此次雷暴天氣的預報性能。

預報顯示，2017年8月7日18：00實況的組合反射率中-α尺度帶狀對流位于豫南和皖北部地區(qū)，但是所有預報時效的結果沒有預報出系統(tǒng)性的對流云帶，呈分散對流的形態(tài)。2017年8月7日22：00對流分布在蘇皖中南部和上海地區(qū)，其中皖中地區(qū)的對流在各時效預報中均有表現，但位置均偏北，其中3 h預報的強度與范圍最佳，但是蘇東及上海地區(qū)的對流均為漏報。2017年8月8日00：00和02：00的預報情況基本一致。

此次上?？沼蚶妆┨鞖膺^程在RUC系統(tǒng)中為漏報，原因是背景場固有的動力和熱力系統(tǒng)對上海空域中-β雷暴缺少觸發(fā)和維持機制，后期同化效果難以大范圍改變這種大氣狀態(tài)。同時，高頻同化后，RUC對中-β尺度對流能較準確地預報其位置和強度演變，且3 h時效預報最佳，原因是RUC系統(tǒng)高頻同化更多實時觀測信息，能夠不斷修正預報誤差，優(yōu)化預報效果。

4.2 臨近外推預報效果評估

臨近外推預報系統(tǒng)（Nowcasting）是華東空管氣象中心利用多普勒氣象雷達基數據，通過多尺度外推技術進行0～90 min雷達反射率外推預報。

Nowcasting系統(tǒng)能夠提前1 h準確把握上?？沼虻睦妆┮苿铀俾屎蛷姸茸兓绕湓?2：00中-β尺度系統(tǒng)覆蓋虹橋機場和8日01：00雷暴減弱東移出海，均能夠提前1 h提供準確信息。相比較其他數值預報系統(tǒng)，它更具參考價值。提前1.5 h外推預報也能夠準確預報出雷暴覆蓋機場和移出上海的時刻，但是整體雷暴強度偏強，范圍偏大，原因是目前外推技術中強度演變的算法部分還不夠完善，算法參數還需要大量實例進行調整才能符合華東地區(qū)乃至上海空域局地的多類型雷暴天氣生命史變化特征。

通過以上快速更新同化預報和臨近外推預報對2017年8月7—8日的上?？沼蚶妆┨鞖膺^程的可預報性分析，RUC因能快速吸收最新觀測信息而使對流范圍和強度變化的預報效果在逐次循環(huán)中得到優(yōu)化。但是，模式對上海的中-β尺度對流均為漏報，沒有可預報性。

5 結論

對2017年8月7日夜間上?？沼蚶妆┨鞖膺^程的大尺度環(huán)流條件、中尺度觸發(fā)機制進行天氣學分析，討論了客觀預報在此次雷暴天氣過程的可預報性問題，主要結論如下。

[①]此次上?？沼蚶妆┨鞖膺^程的環(huán)流背景是東北冷渦底部的短波槽配合低層切變發(fā)展東伸，在副高北部形成西南急流和上干下濕的不穩(wěn)定層結，700 hPa露點鋒南侵觸發(fā)大面積強對流天氣發(fā)生。

[②]影響上海地區(qū)的中-β尺度對流由近地面輻合線觸發(fā)，配合高空不穩(wěn)定能量的集聚和垂直風切變的增大，為對流風暴強烈發(fā)展提供條件。

[③]可預報性分析表明，RUC因能快速吸收最新觀測，對流范圍和強度預報效果在逐次循環(huán)中得到提高，但上?？沼虻闹?β尺度對流均為漏報，沒有可預報性。Nowcasting能夠提前1 h準確預報雷暴移動速率和強度變化，尤其在2017年8月7日22：00系統(tǒng)覆蓋虹橋機場和8日02：00雷暴減弱東移出海時，均能提前1.5 h提供準確信息。

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