摘 要：雷暴和強(qiáng)對流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的研究和應(yīng)用對準(zhǔn)確預(yù)警和防范極端天氣事件具有重要意義?；诖?，對雷暴與強(qiáng)對流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了我國臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的現(xiàn)狀，以及雷暴的生成、發(fā)展和消散的臨近預(yù)報(bào)，闡述了強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)警，提出了高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式的應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞：雷暴；強(qiáng)對流；臨近天氣預(yù)報(bào)

中圖分類號：P45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）02–0-03

雷暴和強(qiáng)對流是天氣系統(tǒng)中的一種極端天氣現(xiàn)象，伴隨著強(qiáng)降雨、強(qiáng)風(fēng)、冰雹和龍卷風(fēng)。準(zhǔn)確預(yù)測和及時(shí)預(yù)警這些天氣事件對保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。因此，研究雷暴和強(qiáng)對流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)具有重要意義。在過去的幾十年間，天氣預(yù)報(bào)技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。利用氣象觀測資料、數(shù)值模式、衛(wèi)星圖像和雷達(dá)回波，可以更好地了解和分析雷暴和強(qiáng)對流天氣的形成機(jī)制與發(fā)展規(guī)律。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等新興技術(shù)的引入，為預(yù)測提供了新的思路和方法。然而，在雷暴和強(qiáng)對流預(yù)報(bào)方面仍面臨著一些挑戰(zhàn)，包括諸如復(fù)雜的天氣系統(tǒng)相互作用、地形和局部特征的影響以及觀測數(shù)據(jù)的不確定性等問題。因此，需要不斷改進(jìn)預(yù)報(bào)模型，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，加強(qiáng)與其他相關(guān)領(lǐng)域的交叉研究，提高雷暴和強(qiáng)對流臨近天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。

1 我國臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的現(xiàn)狀

中國氣象預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)步顯著，氣象預(yù)報(bào)能力處于世界領(lǐng)先水平。我國已經(jīng)建立了一系列高分辨率、多尺度的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，包括中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心開發(fā)的GRAPES模式，可以提供逐時(shí)到長期的預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確預(yù)測降水、溫度、風(fēng)速等天氣要素。衛(wèi)星遙感技術(shù)在近地面天氣預(yù)報(bào)中起著重要的作用。我國擁有一系列氣象衛(wèi)星，可以獲得云圖、水汽圖、紅外圖像等廣泛的觀測數(shù)據(jù)，為判斷天氣系統(tǒng)的演變提供幫助。雷達(dá)技術(shù)在近地面天氣預(yù)報(bào)中起著重要的作用。我國建立了一套完善的雷達(dá)觀測網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測降水情況和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，這些觀測數(shù)據(jù)可用于短時(shí)強(qiáng)降水、風(fēng)暴的預(yù)警等。資料同化是將觀測資料與數(shù)值模式結(jié)果相結(jié)合以提高預(yù)報(bào)精度的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。我國在數(shù)據(jù)同化方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，可以有效地利用衛(wèi)星、雷達(dá)和地面觀測數(shù)據(jù)優(yōu)化模式預(yù)報(bào)結(jié)果。集合預(yù)報(bào)是通過組合多個初始條件和參數(shù)來估計(jì)不確定范圍。我國已經(jīng)建立了集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并不斷優(yōu)化其算法和方法，以提供更可靠的概率預(yù)報(bào)[1]。

綜上所述，我國近地面天氣預(yù)報(bào)技術(shù)取得了很大進(jìn)步，不斷提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，為人們提供了更加可靠的天氣信息。

2 雷暴的生成、發(fā)展和消散的臨近預(yù)報(bào)

2.1 雷暴的生成

雷暴的產(chǎn)生是一個復(fù)雜的過程，雷暴通常是在不穩(wěn)定的大氣條件下形成的，這意味著空氣能夠在上升氣流的作用下迅速上升并發(fā)展成云。上升氣流可以由多種機(jī)制引起，如地形抬升、輻合線、冷鋒和對流輻合。當(dāng)這些機(jī)制產(chǎn)生強(qiáng)大的上升氣流時(shí)，它們有利于雷暴的發(fā)展。濕度是雷暴形成的另一個重要因素，高濕度有助于增加對流中的水蒸氣含量，為云體提供充足的水分。在雷暴產(chǎn)生的過程中，存在強(qiáng)迫擾動，如鋒面系統(tǒng)、對流輻合線或其他類型的氣象擾動，會觸發(fā)和維持雷暴的產(chǎn)生。充分整合大氣靜態(tài)穩(wěn)定性和水汽條件，并根據(jù)我國規(guī)定的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)對相關(guān)對流參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格分析和判斷。這樣可以綜合考慮大氣的穩(wěn)定性和水汽含量，為對流的產(chǎn)生提供依據(jù)。對流的實(shí)際有效勢能與實(shí)際抑制能成反比。因此，當(dāng)對整個大氣對流層的主輻合進(jìn)行測試時(shí)，可以觀察到對流有效勢能的持續(xù)增加趨勢，同時(shí)結(jié)合對應(yīng)的對流能量呈現(xiàn)下降趨勢。這種分析方法有助于評價(jià)大氣對流的潛力和可能性。探空資料是常規(guī)分析方法之一，可以客觀、全面地評價(jià)大氣靜力穩(wěn)定度和水汽狀況。通過分析探空數(shù)據(jù)中的溫度、露點(diǎn)等參數(shù)，可以獲得大氣分層、濕度等信息，從而更好地判斷對流的發(fā)展趨勢。在分析過程中，可及時(shí)將探空計(jì)算的對流有效位能進(jìn)行簡單計(jì)算和動態(tài)化優(yōu)化?？紤]平流過程的變化，可以獲得更準(zhǔn)確的對流能量信息，有助于更準(zhǔn)確地預(yù)測雷暴的產(chǎn)生。綜上所述，為了檢驗(yàn)整層大氣對流的主要趨勢，需要綜合分析大氣靜力穩(wěn)定度、水汽條件和對流參數(shù)等因素。結(jié)合實(shí)際情況，采用探空數(shù)據(jù)分析和動態(tài)校正探空方法，可以更好地評價(jià)大氣對流的潛力和可能性。這些分析方法對預(yù)測雷暴的發(fā)生具有重要意義[2]。

2.2 雷暴的維持、發(fā)展和衰減

雷暴的維持、發(fā)展和衰減與很多因素密切相關(guān)。垂直風(fēng)切變是指高、低海拔地區(qū)風(fēng)速和風(fēng)向的差異。較小的垂直風(fēng)切變有利于雷暴的發(fā)展和維持，而較大的垂直風(fēng)切變則可能抑制雷暴的發(fā)展。雷暴的流出邊界是指雷暴產(chǎn)生的冷空氣流向其周圍環(huán)境的邊界。若雷暴的流出邊界與上層風(fēng)向一致，則能促進(jìn)雷暴的維持和加強(qiáng)。反之，若雷暴上升氣流的傾斜偏離上層風(fēng)向，則不利于雷暴的加強(qiáng)和維持。對流有效位能（CAPE）是大氣中對流能量的度量，對雷暴的發(fā)展和維持具有重要意義。當(dāng)雷暴進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域，缺乏適當(dāng)?shù)膶α饔行菽軙r(shí)，將進(jìn)一步消散。探空曲線是確定實(shí)際穩(wěn)定區(qū)域的重要依據(jù)，是否屬于穩(wěn)定區(qū)域可根據(jù)有無積云進(jìn)一步確定。此外，高分辨率氣象衛(wèi)星的可見云圖也是精細(xì)分析的重要工具。雷達(dá)通過估算1 h內(nèi)的高降水積累面積，可以進(jìn)一步了解弱平流情況下該區(qū)域可能保持穩(wěn)定的時(shí)間范圍。

2.3 高架雷暴

高架雷暴是一種特殊類型的雷暴，與地面周圍上升的氣團(tuán)引起的雷暴不同。架空雷暴通常位于邊界層以上，其觸發(fā)機(jī)制主要與中尺度輻合切變線有關(guān)。冷空氣在地面周圍形成一個穩(wěn)定的層，但不能提供地面空氣塊所需的浮力。反之，逆溫層成為架空雷暴產(chǎn)生的關(guān)鍵介質(zhì)，通過逆溫層頂部空氣塊的絕熱上升獲得浮力，從而產(chǎn)生雷暴。在高架雷暴預(yù)報(bào)中，對流有效位能的評價(jià)非常重要，通常選擇最不穩(wěn)定的對流有效位能作為評價(jià)指標(biāo)，充分利用逆溫層頂部空氣塊的絕熱上升獲取能量。輻合切變線的位置對高架雷暴預(yù)報(bào)具有挑戰(zhàn)性，高架雷暴通常是在輻合切變線的觸發(fā)下發(fā)生的，因此準(zhǔn)確確定輻合切變線的位置對雷暴預(yù)報(bào)具有一定的難度。架空雷暴在我國比較常見，主要出現(xiàn)在早春和晚秋，這種雷暴也可能發(fā)生在清晨和其他時(shí)間段。雷暴常常伴隨著大風(fēng)、冰雹和其他災(zāi)害。高架雷暴的存在會導(dǎo)致陣風(fēng)鋒的形成，并促進(jìn)新雷暴的發(fā)展，新雷暴會轉(zhuǎn)變?yōu)榉歉呒芾妆⒖赡芤l(fā)冰雹、龍卷風(fēng)等[3]。

2.4 自動外推算法

2.4.1 風(fēng)暴單體識別與跟蹤算法（SCIT）

風(fēng)暴單體識別與跟蹤算法是新一代雷達(dá)發(fā)展中的重要算法之一。通過合理設(shè)置閾值，確定三維雷暴單體，并提供雷暴質(zhì)心坐標(biāo)、液態(tài)水積累等信息。通過比較雷暴的實(shí)際預(yù)報(bào)位置與當(dāng)前位置的差值，可以準(zhǔn)確預(yù)測未來雷暴的具體位置（例如15、30、45 min）。SCIT是一種常用且成熟的算法，通過對實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，將風(fēng)暴單體的實(shí)際路徑偏差控制在一定范圍內(nèi)。

2.4.2 雷暴識別動態(tài)跟蹤分析（TITAN）

雷暴識別動態(tài)跟蹤分析算法主要用于雷暴識別、動態(tài)跟蹤和近場預(yù)報(bào)，起源于美國，經(jīng)過不斷優(yōu)化升級。TITAN采用直角坐標(biāo)系，根據(jù)其具體規(guī)格和要求確定對流單體的強(qiáng)度與體積，滿足設(shè)定條件即可判斷為雷暴對流單體。該方法適用于多部雷達(dá)處于合理距離的情況，最終生成雷達(dá)的三維數(shù)字圖像。TITAN算法的特點(diǎn)是識別率高，除質(zhì)心坐標(biāo)外，還包括體積和投影面積。

2.4.3 跟蹤雷達(dá)回波（TREC）

TREC算法最大限度地利用跟蹤雷達(dá)回波，以圖像識別技術(shù)為核心進(jìn)行動態(tài)跟蹤。通過選擇交叉掃描雷達(dá)的特定仰角，構(gòu)建完整的二維回波圖像。TREC將特定時(shí)間段內(nèi)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)劃分為相同體積的區(qū)域，并對不同時(shí)間區(qū)域內(nèi)的像元進(jìn)行交叉分析，從而確定整個回波的實(shí)際運(yùn)動矢量。TREC算法的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算反射率因子區(qū)域的降水率場，結(jié)合時(shí)間段積累預(yù)測未來30 min或60 min的降雨量，以此實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)[4]。

3 強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)警

3.1 強(qiáng)冰雹

強(qiáng)冰雹是一種強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象，只有在一定的環(huán)境條件下才能形成。強(qiáng)冰雹不一定伴隨著雷暴，因此它的產(chǎn)生因子比較高。強(qiáng)冰雹需要持續(xù)時(shí)間較長的強(qiáng)上升氣流，有利于冰雹的形成和發(fā)生。對流勢能是大氣釋放對流勢能的能力的量度。大的對流有效勢能有利于強(qiáng)冰雹的形成。深垂直風(fēng)切變是指在0～6 km高度的大氣中風(fēng)速和風(fēng)向的變化。強(qiáng)烈的深垂直風(fēng)切變有助于維持冰雹的旋轉(zhuǎn)和持續(xù)發(fā)展。冰雹通常在0 ℃層以下融化，因此大氣中0 ℃層的高度不宜過高。需要注意整個微物理?xiàng)l件，尤其是冰雹實(shí)際生長層的溫度范圍要覆蓋充足的過冷水滴。強(qiáng)雹天氣雷達(dá)具有相應(yīng)的回波特征，回波中心強(qiáng)度增強(qiáng)和高度顯著上升。這些特征可以表明強(qiáng)冰雹的風(fēng)險(xiǎn)增加，并且最初估計(jì)的冰雹直徑可能會增加。

3.2 雷暴大風(fēng)

雷暴大風(fēng)是強(qiáng)對流天氣中的重要現(xiàn)象，準(zhǔn)確的臨近預(yù)警至關(guān)重要。在多普勒天氣雷達(dá)的觀測下，根據(jù)回波的基本特征可以對雷暴大風(fēng)進(jìn)行估計(jì)。在強(qiáng)雷暴下，周圍相對干燥的空氣逐漸被吸入，整個風(fēng)暴下沉，導(dǎo)致了短時(shí)間向下加速。雷暴過程中，中層干空氣混入雷暴，表現(xiàn)為徑向輻合。通常，在垂直方向上，這些特征出現(xiàn)在2～7 km的高度范圍內(nèi)。一般情況下，雷暴大風(fēng)環(huán)境的垂直速度差應(yīng)大于25 m/s，為強(qiáng)垂直運(yùn)動。結(jié)合實(shí)際情況，可以判斷其是否具有較強(qiáng)的特點(diǎn)。在有利的雷暴風(fēng)環(huán)境下，超級單體中的中氣旋可以有效地將周圍干燥空氣困入雷暴的下沉氣流中，進(jìn)一步加速雨滴的蒸發(fā)冷卻，形成向下加速。這一過程導(dǎo)致氣旋表面附近的壓力下降，并產(chǎn)生相應(yīng)的壓力梯度。當(dāng)下沉氣流到達(dá)地面時(shí)，受到壓力梯度的影響，風(fēng)速明顯加快。

3.3 龍卷風(fēng)

龍卷風(fēng)是一種常見的惡劣天氣現(xiàn)象，危害嚴(yán)重。龍卷風(fēng)內(nèi)部最大風(fēng)速可達(dá)140 m/s，可分為5級。龍卷風(fēng)可能在全球范圍內(nèi)發(fā)生。龍卷風(fēng)臨近預(yù)警主要依靠多普勒氣象雷達(dá)對中氣旋的探測，龍卷風(fēng)發(fā)生的概率約為20%。當(dāng)中氣旋底部與地面的距離小于1 km時(shí)，產(chǎn)生龍卷風(fēng)的概率升至40%，這意味著中氣旋離地面越近，發(fā)生龍卷風(fēng)的可能性越大。龍卷風(fēng)的發(fā)生通常伴隨著較高的垂直風(fēng)切變和低層相對濕度，當(dāng)探測到強(qiáng)中氣旋或中等及以上強(qiáng)度的中氣旋時(shí)，龍卷風(fēng)發(fā)生的概率顯著上升，而底部距離地面通常不超過1 km。

綜上所述，龍卷風(fēng)預(yù)警作為一種嚴(yán)重的惡劣天氣現(xiàn)象，主要基于多普勒天氣雷達(dá)對中氣旋的探測。龍卷風(fēng)發(fā)生的概率約為20%，但當(dāng)中氣旋接近地面，環(huán)境條件滿足低空垂直風(fēng)切變和高相對濕度時(shí)，龍卷風(fēng)發(fā)生的概率會顯著上升。準(zhǔn)確的龍卷風(fēng)預(yù)警對及時(shí)采取安全措施至關(guān)重要。

3.4 對流性暴雨

預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性對引起暴洪的對流風(fēng)暴預(yù)警至關(guān)重要。各小流域產(chǎn)生的山洪是否超過實(shí)際降水閾值是預(yù)報(bào)的關(guān)鍵內(nèi)容。這一閾值與整個盆地的地貌特征和前期降水密切相關(guān)。在地形復(fù)雜的地區(qū)，小流域的山洪閾值較低。假設(shè)存在先前的降水，這個閾值可能更低。因此，預(yù)測各子流域當(dāng)天的降水量是否超過山洪閾值就成為一項(xiàng)必要的任務(wù)。在大陸對流降水估計(jì)中，冰雹的存在是降雨強(qiáng)度估計(jì)的一個關(guān)鍵誤差源。表1列出了當(dāng)反射率因子分別為40、45、50 dBz時(shí)，大陸對流降水類型和熱帶降水類型對應(yīng)的降雨強(qiáng)度。

綜上所述，對流風(fēng)暴引起暴洪的預(yù)警需要關(guān)注暴洪閾值與地貌特征之間的相關(guān)性，并估計(jì)各子流域當(dāng)天的降水量是否超過暴洪閾值。此外，降雨強(qiáng)度的估計(jì)受冰雹的影響，不同的反射率因子對應(yīng)不同的降雨強(qiáng)度。準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)可以提前采取相應(yīng)的措施，以減少流暴雨可能帶來的災(zāi)害。

4 高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式的應(yīng)用

高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式在實(shí)際預(yù)報(bào)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模型，可以在短時(shí)間內(nèi)提供更新后的環(huán)境參數(shù)。其中，美國開發(fā)的快速更新周期（RUC）是最具代表性的制度之一。RUC系統(tǒng)采用先進(jìn)的三維變分技術(shù)，每小時(shí)更新一次，生成相應(yīng)的分析場，并以此為基礎(chǔ)生成18 h預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)員可以主動選擇合適的系統(tǒng)，提供相應(yīng)的參數(shù)條件，并利用實(shí)際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。同時(shí)，需要對18 h預(yù)報(bào)進(jìn)行嚴(yán)格的測試，以評估系統(tǒng)計(jì)算的各種參數(shù)的精度。由于大多數(shù)雷暴的雷達(dá)回波的實(shí)際應(yīng)用時(shí)間小于1 h，為了解決這一問題，需要及時(shí)將雷達(dá)回波外推與高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)充分結(jié)合起來，形成完善的預(yù)報(bào)方法，這種綜合方法可以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

雷暴和強(qiáng)對流是天氣系統(tǒng)中高度不穩(wěn)定和潛在有害的現(xiàn)象。準(zhǔn)確預(yù)測和及時(shí)預(yù)警這些天氣事件對保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)值預(yù)報(bào)模型，提取臨近天氣的關(guān)鍵參數(shù)和特征，如龍卷風(fēng)、山洪閾值、降雨強(qiáng)度等。同時(shí)，多普勒天氣雷達(dá)和高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)模式等工具的應(yīng)用，為雷暴和強(qiáng)對流的預(yù)報(bào)和監(jiān)測提供了更全面、更準(zhǔn)確的方法。然而，仍然存在一些挑戰(zhàn)。例如，在復(fù)雜地形和冰雹等現(xiàn)象的預(yù)測中仍然存在一定的誤差。此外，提前預(yù)測時(shí)間，也需要提高預(yù)測精度。綜上所述，發(fā)展雷暴和強(qiáng)對流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)對提高預(yù)警能力、降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。通過不斷地研究和改進(jìn)，可以不斷提高預(yù)報(bào)和預(yù)警的準(zhǔn)確性，為社會提供更可靠的天氣信息，以應(yīng)對雷暴和強(qiáng)對流帶來的挑戰(zhàn)。

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