李紅星 高清泉 郝國松 黃浩杰

（1.大廠回族自治縣氣象局，河北 廊坊 065300；2.廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000）

對流天氣屬于中小尺度系統(tǒng)，具有水平尺度小、生命史短、影響范圍窄、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，其突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，是河北主要災(zāi)害性天氣之一，也是預(yù)報中的難點(diǎn)。地基遙測設(shè)備微波輻射計在河北多個臺站布設(shè)，大廠站（54510）就是其中之一。微波輻射計的特點(diǎn)是具有較高的時間分辨率和連續(xù)不間斷的觀測能力，能輸出溫濕度廓線、大氣穩(wěn)定度等有價值的資料，非常適合基層臺站使用[1]。海阿靜等[2]分析了微波輻射計在多種天氣條件下的觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其具有良好的工作性能；汪小康等[3]總結(jié)了不同降水強(qiáng)度下微波輻射計觀測資料的反演特征，結(jié)果表明，其資料對降水具有較好的指示作用；黃治勇等[4]將微波輻射計觀測資料應(yīng)用在短時暴雨的潛勢預(yù)報中，總結(jié)了多個與暴雨過程相關(guān)的參量。該文利用大廠QFW—6000 型地基微波輻射計觀測數(shù)據(jù)，分析了大廠地區(qū)強(qiáng)對流天氣發(fā)生前水汽含量、液態(tài)水含量及二次產(chǎn)品的變化特征，旨在找到強(qiáng)對流天氣發(fā)生前大氣環(huán)境條件的變化特征，為強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)提供參考。

1 過程挑選及資料檢驗(yàn)

1.1 挑選數(shù)據(jù)

本文對2019—2022 年6—9 月大廠站（54510）小時雨強(qiáng)、極大風(fēng)速數(shù)據(jù)以及該站微波輻射計輸出的指數(shù)K、抬升指數(shù)LI、沙氏指數(shù)SI、路徑積分水汽含量IWV參數(shù)資料進(jìn)行研究。在河北省，強(qiáng)對流天氣主要包括短時強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)和冰雹。短時強(qiáng)降水：如果小時降雨量≥20mm，就定義為一次短時強(qiáng)降水天氣過程，將降水發(fā)生的時刻記錄為強(qiáng)降水天氣過程的出現(xiàn)時間。雷雨大風(fēng)：當(dāng)風(fēng)速≥17.2m/s 時，出現(xiàn)短時大風(fēng)并伴有降水。冰雹：降落地面的固體降水，直徑≥5mm 的為冰雹，其中直徑≥20mm 的稱為強(qiáng)冰雹[1]。結(jié)合微波輻射計觀測數(shù)據(jù)情況，表1 列出了2019—2022 年大廠站8 次典型強(qiáng)對流天氣過程的出現(xiàn)時間及類型。其中，2021 年發(fā)生4 次強(qiáng)對流天氣，并且有一次明顯的冰雹伴短時強(qiáng)降水天氣過程。從總體上看，這4 年發(fā)生強(qiáng)對流天氣的類型主要以短時強(qiáng)降水為主，并且主要發(fā)生在7 月中下旬以及8 月上中旬。

表1 2019—2022 年大廠站強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)時間和類型

1.2 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證K指數(shù)的準(zhǔn)確性，選取了微波輻射計在2019—2022 年6—9 月的K指數(shù)資料，經(jīng)過計算，得到了每日08：00（北京時間，下同）的K指數(shù)平均值，與分析資料計算得到的K指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，2 組資料的相關(guān)系數(shù)大于0.7，通過t檢驗(yàn)（α=0.01），表明它們之間具有顯著相關(guān)性。說明根據(jù)微波輻射計資料可以分析大廠地區(qū)強(qiáng)對流天氣。

2 強(qiáng)對流天氣微波輻射計反演資料特征分析

2.1 大氣層結(jié)穩(wěn)定度

為了分析強(qiáng)對流天氣發(fā)生前微波輻射計各穩(wěn)定度參數(shù)的變化特征，使用SPSS 軟件分別制作短時強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)2種強(qiáng)對流天氣發(fā)生前1h 各參數(shù)的箱形圖（如圖1所示）。箱形圖使用的數(shù)據(jù)不僅包括表1 中6 次短時強(qiáng)降水過程和1 次雷雨大風(fēng)過程的參數(shù)資料，還包括2019 年6月20 日、2022 年6 月12 日和2022 年8 月6 日三次陣風(fēng)7 級以上雷雨大風(fēng)天氣過程的參數(shù)資料。由于冰雹天氣在研究時段內(nèi)僅發(fā)生1 次，因此，該文不對冰雹天氣進(jìn)行箱形圖分析。

圖1 2019—2022 年大廠站強(qiáng)對流天氣發(fā)生前1h K（a）、LI（b）、SI（c）、IWV（d）箱形圖

箱形圖是一種用作顯示一組數(shù)據(jù)分布情況的統(tǒng)計圖，它能顯示一組數(shù)據(jù)的最大值、最小值、中位數(shù)及上下四分位數(shù)。箱子的頂端和底端，分別代表上下四分位數(shù)，涵蓋了50%的數(shù)據(jù)。箱子中間的是中位數(shù)線，它將箱子一分為二。從箱子延伸出去的線條代表上下四分位數(shù)以外的數(shù)據(jù)。有時，在箱型圖中也會出現(xiàn)個別的點(diǎn)，在胡須的末端值以外，這代表離群值。箱形圖顯示統(tǒng)計總體樣本的變化，而不對基礎(chǔ)統(tǒng)計分布做任何假設(shè)。箱子的寬度和形狀表示數(shù)據(jù)中的分散程度和偏斜程度。整體來看，還可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否對稱、是否有偏向性，如果有，它偏向于哪一邊。還可以用多個箱型圖比較多組數(shù)據(jù)的分布情況，從而掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)質(zhì)量。箱形圖最大的優(yōu)點(diǎn)是不受異常值的影響，可以采用一種相對穩(wěn)定的方式描述數(shù)據(jù)的離散分布情況，這樣就可以剔除極端情況的分布值對普遍情況分析的影響，利于總結(jié)普遍存在的相應(yīng)規(guī)律。

K指數(shù)為氣團(tuán)指標(biāo)，其是反映穩(wěn)定度和濕度條件的綜合指標(biāo)，一般來說，K值越大說明越不穩(wěn)定。如圖1（a）所示，雷雨大風(fēng)的K指數(shù)箱體高于短時強(qiáng)降水，說明當(dāng)雷雨大風(fēng)發(fā)生時的氣團(tuán)更不穩(wěn)定。從箱體的寬窄程度來看，短時強(qiáng)降水和雷雨大風(fēng)K指數(shù)的分散程度較為相似，與短時強(qiáng)降水K 指數(shù)的中位數(shù)相比，雷雨大風(fēng)的中位數(shù)主要集中在較高值附近，中位數(shù)為31℃，雷雨大風(fēng)的K值主要分布在29℃～32℃，短時強(qiáng)降水分布在27℃～30℃，表明強(qiáng)對流天氣發(fā)生前K指數(shù)偏高。通過統(tǒng)計分析可知，當(dāng)K＞29℃時，有利于雷雨大風(fēng)發(fā)生。當(dāng)K＞27℃時，有利于短時強(qiáng)降水發(fā)生。

LI為抬升指數(shù)，表示自由對流高度以上不穩(wěn)定能量大小的指數(shù)，一般來說，正數(shù)越大表示大氣層結(jié)越穩(wěn)定，負(fù)數(shù)越大表示越不穩(wěn)定。圖1（b）表明，雷雨大風(fēng)的LI箱體相對來說很窄，其中位數(shù)與上下四分位的分布非常接近，LI值主要分布在-4.9℃～-4.6℃這一狹窄帶內(nèi)，而短時強(qiáng)降水的箱體明顯寬于雷雨大風(fēng)，LI值主要分布在-4.8℃～-1.0℃，跨度相當(dāng)大。從統(tǒng)計分析的角度來看，如果LI值在-4.9℃～-4.6℃這一狹窄帶波動，就有利于雷雨大風(fēng)發(fā)生；如果LI＜-1.0℃，就認(rèn)為有利于短時強(qiáng)降水發(fā)生。顯然，根據(jù)LI值的波動范圍預(yù)報雷雨大風(fēng)的效果明顯比短時強(qiáng)降水好。

SI 為沙氏指數(shù)，一般來說負(fù)值越大，越不穩(wěn)定。圖1（c）顯示，與LI指數(shù)相似，雷雨大風(fēng)的箱體與短時強(qiáng)降水箱體相比更窄，分布更集中。雷雨大風(fēng)SI值的中位數(shù)為0.89℃，主要分布區(qū)間是0.7℃～1.5℃，短時強(qiáng)降水中位數(shù)為1.7℃，主要分布在1.5℃～4.8℃?？梢酝茢?，當(dāng)SI＜1.5℃時，有利于雷雨大風(fēng)發(fā)生；當(dāng)SI＜4.8℃時，有利于短時強(qiáng)降水發(fā)生。

IWV為路徑積分水汽含量。如圖1（d）所示，雷雨大風(fēng)的箱體較窄，集中在33kg/m2～35kg/m2，中位數(shù)33.8kg/m2，短時強(qiáng)降水IWV 集中分布在31kg/m2～37kg/m2，中位數(shù)為33.2kg/m2。短時強(qiáng)降水箱體涵蓋了雷暴大風(fēng)箱體，可以認(rèn)為，當(dāng)IWV＞31kg/m2時有利于雷暴大風(fēng)和短時強(qiáng)降水發(fā)生。

此外，當(dāng)強(qiáng)對流天氣發(fā)生時，微波輻射計輸出的穩(wěn)定度系數(shù)均有明顯的跳變現(xiàn)象。以2020 年8 月2 日晚發(fā)生在大廠站的雷雨大風(fēng)天氣為例，地面氣象觀測資料顯示，大廠站21:06 極大風(fēng)速達(dá)到17.3m/s，22:00 小時雨強(qiáng)為19.5mm，A（一種穩(wěn)定度系數(shù)，其表示降水產(chǎn)生的概率）、LI、SI和K等曲線在21:06 均出現(xiàn)明顯陡升或陡降的情況。

綜上所述，觸發(fā)雷暴大風(fēng)的閾值條件如下：K＞29℃、-4.9 ≤LI≤-4.6℃、SI＜1.5℃。觸發(fā)短時強(qiáng)降水的閾值條件如下：K＞27℃、LI＜-1.0℃、SI＜4.8℃。IWV無法對雷雨大風(fēng)和短時強(qiáng)降水進(jìn)行區(qū)分，如果IWV＞31kg/m2，就認(rèn)為是觸發(fā)上述2 種強(qiáng)對流天氣的閾值條件。另外，當(dāng)強(qiáng)對流天氣發(fā)生時，各類穩(wěn)定度系數(shù)的明顯跳變也可作為輔助判斷強(qiáng)對流天氣發(fā)生的特征現(xiàn)象。

2.2 廓線分布

2021 年7 月1 日傍晚，大廠站出現(xiàn)了冰雹伴短時強(qiáng)降水的強(qiáng)對流天氣。該文以此為例，分析微波輻射計反演的廓線分布情況。地面氣象觀測資料顯示，在這次強(qiáng)對流天氣過程中，冰雹出現(xiàn)在17:33—17:49，18:00 小時雨強(qiáng)24.3mm，17:28 極大風(fēng)速為16.8m/s。整層大氣的溫濕度垂直分布在不同時段有較大區(qū)別。升溫階段主要包括2 個部分，分別為08:00—10:00 和12:00—17:00。其中，200m 以下低層溫度從14:30 起有明顯的升溫趨勢，為對流天氣提供了有利的熱力條件，為對流的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。17:28 左右低層溫度迅速降低，有較為明顯的下沉氣流產(chǎn)生，恰好與當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)7 級陣風(fēng)的時間相吻合。對于相對濕度廓線來說，中午前后開始，低層的濕度中心形成，并不斷有被加強(qiáng)向上抬升的趨勢，中層大氣在午后形成了一個濕度高值區(qū)，在15:00 后低層濕度明顯減少。降水前1h，大廠站上空逐漸形成“上干下濕”的分布結(jié)構(gòu)，在17:30 左右干、濕中心達(dá)到峰值，然后強(qiáng)對流天氣開始發(fā)展。在降水結(jié)束后，整層大氣的溫濕分布趨于穩(wěn)定。水汽密度在夜間和降水開始后比較平穩(wěn)，沒有明顯變化。在白天特別是午后和降水開始前，水汽密度出現(xiàn)較大波動和峰值變化。11:00 開始至降水前1h，整層大氣的水汽密度呈波動上升的趨勢特征，在2500 m 以下表現(xiàn)得尤為明顯。在降水發(fā)生前30min，水汽密度出現(xiàn)急速升高的趨勢，在強(qiáng)對流天氣發(fā)生后，又呈現(xiàn)斷崖式下降的趨勢，然后整層大氣水汽密度趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

大廠站在2019—2022 年6—9 月，微波輻射計反演的大氣層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)與探空資料值兩組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)超過0.7，通過t檢驗(yàn)（α=0.01），說明兩者具有顯著相關(guān)性，因此，微波輻射計資料可用于強(qiáng)對流天氣過程分析。分析短時強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)兩種強(qiáng)對流天氣發(fā)生前1h 的K、LI、SI、IWV值，得到觸發(fā)雷暴大風(fēng)的閾值條件如下：K＞29℃、-4.9 ≤LI≤-4.6℃、SI＜1.5℃；觸發(fā)短時強(qiáng)降水的閾值條件：K＞27℃、LI＜-1.0℃、SI＜4.8℃。IWV無法對雷雨大風(fēng)和短時強(qiáng)降水進(jìn)行區(qū)分，如果IWV＞31kg/m2，就認(rèn)為是觸發(fā)上述2 種強(qiáng)對流天氣的閾值條件。此外，當(dāng)強(qiáng)對流天氣發(fā)生時，各類穩(wěn)定度系數(shù)的明顯跳變也可作為輔助判斷強(qiáng)對流天氣發(fā)生的特征現(xiàn)象。在對流天氣發(fā)生前，當(dāng)微波輻射計反演的溫度廓線在200m 以下時，低層升溫趨勢明顯，而高層的溫度變化不大。當(dāng)對流發(fā)生時整層溫度急劇下降。在對流發(fā)生前3h，低層的相對濕度中心形成，中層大氣形成了一個濕度高值區(qū)。在對流發(fā)生前1h，呈現(xiàn)“上干下濕”結(jié)構(gòu)，強(qiáng)對流天氣一觸即發(fā)，過程結(jié)束后，整層大氣溫濕分布不再有明顯變化。水汽密度在對流發(fā)生前3h，2500m 高度以下出現(xiàn)強(qiáng)烈波動上升趨勢，發(fā)生前1h 逐漸降低，發(fā)生前30min，水汽密度再次出現(xiàn)急速增加的過程，并在強(qiáng)對流天氣發(fā)生后又呈現(xiàn)斷崖式下降，整層大氣水汽密度趨于穩(wěn)定。

4 討論

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)微波輻射計等新型觀測資料的應(yīng)用可以有效捕捉強(qiáng)對流天氣發(fā)生發(fā)展的變化趨勢，且時間分辨率很高，對于上空的水汽變化極為敏感。微波輻射計路徑積分水汽含量與地面降水量有較好的對應(yīng)關(guān)系，一般來說，空中液水含量大的時段都會形成較大降水，特別是低層液態(tài)水含量大的時段，往往對應(yīng)較大的降水過程。而雷雨大風(fēng)的發(fā)生更需要較干燥的環(huán)境場配合，通過觀察微波輻射計路徑積分水汽含量的變化趨勢及大小，可以預(yù)測雷暴大風(fēng)發(fā)生和發(fā)展的可能性。結(jié)合結(jié)論中觸發(fā)雷雨大風(fēng)、短時強(qiáng)降水閾值條件以及各類穩(wěn)定度系數(shù)的明顯跳變現(xiàn)象，對大廠地區(qū)強(qiáng)對流天氣的預(yù)警預(yù)報業(yè)務(wù)有顯著的指導(dǎo)意義。