丁文文

摘 要：雷暴和強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的研究和應(yīng)用對(duì)準(zhǔn)確預(yù)警和防范極端天氣事件具有重要意義?；诖?，對(duì)雷暴與強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了我國(guó)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(duì)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(duì)流；臨近天氣預(yù)報(bào)

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

雷暴和強(qiáng)對(duì)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(cè)和及時(shí)預(yù)警這些天氣事件對(duì)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(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)具有重要意義。在過(guò)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(cè)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(duì)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(cè)提供了新的思路和方法。然而，在雷暴和強(qiáng)對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)的不確定性等問(wèn)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(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。

1 我國(guó)臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)的現(xiàn)狀

中國(guó)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(guó)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(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心開(kāi)發(fā)的GRAPES模式，可以提供逐時(shí)到長(zhǎng)期的預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(guó)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(cè)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(guó)建立了一套完善的雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降水情況和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，這些觀測(cè)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(cè)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(guó)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(cè)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(guò)組合多個(gè)初始條件和參數(shù)來(lái)估計(jì)不確定范圍。我國(guó)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(guó)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(gè)復(fù)雜的過(guò)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(duì)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(gè)重要因素，高濕度有助于增加對(duì)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(guò)程中，存在強(qiáng)迫擾動(dòng)，如鋒面系統(tǒng)、對(duì)流輻合線或其他類型的氣象擾動(dòng)，會(huì)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(guó)規(guī)定的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)對(duì)相關(guān)對(duì)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(duì)流的產(chǎn)生提供依據(jù)。對(duì)流的實(shí)際有效勢(shì)能與實(shí)際抑制能成反比。因此，當(dāng)對(duì)整個(gè)大氣對(duì)流層的主輻合進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以觀察到對(duì)流有效勢(shì)能的持續(xù)增加趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合對(duì)應(yīng)的對(duì)流能量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這種分析方法有助于評(píng)價(jià)大氣對(duì)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(píng)價(jià)大氣靜力穩(wěn)定度和水汽狀況。通過(guò)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(duì)流的發(fā)展趨勢(shì)。在分析過(guò)程中，可及時(shí)將探空計(jì)算的對(duì)流有效位能進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算和動(dòng)態(tài)化優(yōu)化?？紤]平流過(guò)程的變化，可以獲得更準(zhǔn)確的對(duì)流能量信息，有助于更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)雷暴的產(chǎn)生。綜上所述，為了檢驗(yàn)整層大氣對(duì)流的主要趨勢(shì)，需要綜合分析大氣靜力穩(wěn)定度、水汽條件和對(duì)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(dòng)態(tài)校正探空方法，可以更好地評(píng)價(jià)大氣對(duì)流的潛力和可能性。這些分析方法對(duì)預(yù)測(cè)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(duì)流有效位能（CAPE）是大氣中對(duì)流能量的度量，對(duì)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?duì)流有效勢(shì)能時(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(wú)積云進(jìn)一步確定。此外，高分辨率氣象衛(wèi)星的可見(jiàn)云圖也是精細(xì)分析的重要工具。雷達(dá)通過(guò)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(gè)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(guò)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(duì)流有效位能的評(píng)價(jià)非常重要，通常選擇最不穩(wěn)定的對(duì)流有效位能作為評(píng)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(duì)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(duì)雷暴預(yù)報(bào)具有一定的難度。架空雷暴在我國(guó)比較常見(jiàn)，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(huì)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(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉歉呒芾妆?，并可能引發(fā)冰雹、龍卷風(fēng)等[3]。

2.4 自動(dòng)外推算法

2.4.1 風(fēng)暴單體識(shí)別與跟蹤算法（SCIT）

風(fēng)暴單體識(shí)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(guò)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(guò)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(cè)未來(lái)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(guò)對(duì)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(shí)別動(dòng)態(tài)跟蹤分析（TITAN）

雷暴識(shí)別動(dòng)態(tài)跟蹤分析算法主要用于雷暴識(shí)別、動(dòng)態(tài)跟蹤和近場(chǎng)預(yù)報(bào)，起源于美國(guó)，經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化升級(jí)。TITAN采用直角坐標(biāo)系，根據(jù)其具體規(guī)格和要求確定對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)別技術(shù)為核心進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。通過(guò)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(duì)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(gè)回波的實(shí)際運(yùn)動(dòng)矢量。TREC算法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算反射率因子區(qū)域的降水率場(chǎng)，結(jié)合時(shí)間段積累預(yù)測(cè)未來(lái)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(duì)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(duì)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(zhǎng)的強(qiáng)上升氣流，有利于冰雹的形成和發(fā)生。對(duì)流勢(shì)能是大氣釋放對(duì)流勢(shì)能的能力的量度。大的對(duì)流有效勢(shì)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(guò)高。需要注意整個(gè)微物理?xiàng)l件，尤其是冰雹實(shí)際生長(zhǎng)層的溫度范圍要覆蓋充足的過(guò)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(huì)增加。

3.2 雷暴大風(fēng)

雷暴大風(fēng)是強(qiáng)對(duì)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(cè)下，根據(jù)回波的基本特征可以對(duì)雷暴大風(fēng)進(jìn)行估計(jì)。在強(qiáng)雷暴下，周圍相對(duì)干燥的空氣逐漸被吸入，整個(gè)風(fēng)暴下沉，導(dǎo)致了短時(shí)間向下加速。雷暴過(guò)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(dòng)。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(jí)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(guò)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(jiàn)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(jí)。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(duì)中氣旋的探測(cè)，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(duì)濕度，當(dāng)探測(cè)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(guò)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(duì)中氣旋的探測(cè)。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(duì)濕度時(shí)，龍卷風(fēng)發(fā)生的概率會(huì)顯著上升。準(zhǔn)確的龍卷風(fēng)預(yù)警對(duì)及時(shí)采取安全措施至關(guān)重要。

3.4 對(duì)流性暴雨

預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性對(duì)引起暴洪的對(duì)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(guò)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(gè)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(gè)閾值可能更低。因此，預(yù)測(cè)各子流域當(dāng)天的降水量是否超過(guò)山洪閾值就成為一項(xiàng)必要的任務(wù)。在大陸對(duì)流降水估計(jì)中，冰雹的存在是降雨強(qiáng)度估計(jì)的一個(gè)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(duì)流降水類型和熱帶降水類型對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度。

綜上所述，對(duì)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(guò)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(duì)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(lái)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(guò)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(guó)開(kāi)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(chǎng)，并以此為基礎(chǔ)生成18 h預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)員可以主動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。同時(shí)，需要對(duì)18 h預(yù)報(bào)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，以評(píng)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(wèn)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(lái)，形成完善的預(yù)報(bào)方法，這種綜合方法可以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

雷暴和強(qiáng)對(duì)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(cè)和及時(shí)預(yù)警這些天氣事件對(duì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。通過(guò)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(duì)流的預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)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(cè)中仍然存在一定的誤差。此外，提前預(yù)測(cè)時(shí)間，也需要提高預(yù)測(cè)精度。綜上所述，發(fā)展雷暴和強(qiáng)對(duì)流臨近天氣預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)提高預(yù)警能力、降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。通過(guò)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(huì)提供更可靠的天氣信息，以應(yīng)對(duì)雷暴和強(qiáng)對(duì)流帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

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