雷州半島夜間△θse時頻特性及其與雷雨天氣關(guān)系分析

劉艷群，張 驥，朱學超，張 羽，植石群

（1.廣東省韶關(guān)市氣象局，廣東 韶關(guān) 512026；2.廣東省鶴山市氣象局，廣東 鶴山 529700；3.山東省臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004；4.廣東省氣候中心，廣東 廣州 510640）

假相當位溫θse是飽和氣塊上升過程中，水汽全部凝結(jié)所釋放的潛熱加熱空氣后達到的位溫，在干絕熱和濕絕熱過程中都是保守的，對流性不穩(wěn)定時氣層下部假相當位溫比上部的高，對流性穩(wěn)定時則相反［1］.因而兩個高度上的假相當位溫的差值△θse是大氣穩(wěn)定度判斷的指標，與雷雨天氣的變化密切關(guān)聯(lián).

對假相當位溫θse變化特征及其與天氣關(guān)系，氣象學家已經(jīng)利用常規(guī)探空資料和數(shù)值產(chǎn)品進行了大量的科學研究.丁一匯等［2］（2007）指出氣候?qū)W上梅雨鋒前具有高假相當位溫的高濕空氣柱.劉還珠等［3］（2007）得出較強的差動假相當位溫平流促使大氣層結(jié)向?qū)α鞑环€(wěn)定發(fā)展，這對于暴雨局地的再增強是不可忽視的因素.朱艷峰等［4］（2007）在東亞夏季風監(jiān)測診斷業(yè)務(wù)系統(tǒng)中把南海季風監(jiān)測區(qū)平均的緯向風和假相當位溫作為南海夏季風監(jiān)測指標.孫欣等［5］（2007）在一次遼寧秋季暴雨天氣的診斷分析中得出中尺度氣旋、高低空急流、濕位渦柱、次級環(huán)流上升支、地面高水汽含量濕區(qū)、高假相當位溫出現(xiàn)的時間、強度、位置和結(jié)構(gòu)決定了暴雨的時間和落區(qū).廖菲等［6］（2007）在河南省一次冷鋒降水過程的水汽分布特征及其增雨潛力分析中得出高空327K等假相當位溫線垂直范圍擴大有利于降水產(chǎn)生.曾小團等［7］（2007）在廣西幾次不同類型天氣系統(tǒng)造成暴雨過程的物理量分析中發(fā)現(xiàn)6次暴雨過程在強降水發(fā)生前一天，有5次過程的△θse500-850極值為負值，最小負值出現(xiàn)在“060803”，值為-15.0℃，而“040507”過程的值為正值.王安宇等［8］（1999）在我國東部夏季風進退的新定義中使用了30°N以南空氣θse必須大于340°K，在30°N 以北θse必須大于 335°K的指標.金永利等［9］（2002）在北京地區(qū)一次降雹過程和冰雹微物理特征分析中使用了500hPa與850hPaθse差值指標進行分析，發(fā)現(xiàn)在天氣過程中假相當位溫隨著高度而減小.陳威等［10］（2000）在黑龍江省暴雨落區(qū)的診斷預(yù)報方法中選取能夠反映暴雨發(fā)生的9個物理量（T-Td、水汽通量散度、鋒生函數(shù)、假相當位溫、渦度、散度、垂直速度、Q矢量渦度、Q矢量散度等）共16個要素值建立暴雨的診斷預(yù)報模型，具有較高的使用價值.何立富等［11］（2006）在2004年北京“7.10”暴雨中β尺度對流系統(tǒng)分析中得出在700hPa以下對流層低層具有明顯的假相當位溫θse暖舌，近地面層偏南風與偏東風2支氣流的輻合，以及冷空氣的侵入，導(dǎo)致行星邊界層內(nèi)能量鋒區(qū)的加強，從而有利于MβCS的發(fā)生發(fā)展.姜麟等［12］（2006）在2002 年8月24日江蘇一次夏季強雷暴天氣過程的綜合分析中發(fā)現(xiàn)該次強雷暴處于地面高能量場中，而在垂直方向上與鋒生函數(shù)、假相當位溫、渦度散度的某些分布特征有較好的對應(yīng)關(guān)系.陶詩言等［13］（2008）在2007年梅雨鋒降水的大尺度特征分析中得出華南、長江中下游、淮河東西向靜止鋒的熱力學結(jié)構(gòu)為在靜止鋒的南面，θse隨高度減小，屬不穩(wěn)定層結(jié)的氣團.在2005年5月31日至6月1日湖南暴雨過程分析中，毛冬艷等［14］（2006）在穩(wěn)定度條件分析中得出大氣中低層處于上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)，且暴雨區(qū)△θse（500-850）＜0，有利于強對流的發(fā)生，李峰等［15］（2006）指出31日20時，近地面層θse達到360K，使得湖南上空中低層形成了強烈的對流不穩(wěn)定，張芳華等［16］（2006）指出在沿28°N假相當位溫θse緯向-高度剖面圖上，暴雨區(qū)等θse線從高層下凹，中低層向上凸起，東西兩側(cè)各有一θse低值舌區(qū)，形成了類似于平面圖上的鞍形場等值線結(jié)構(gòu)，湖南暴雨即發(fā)生在該鞍形場中間部位.余蓉等［17］（2019）進行了鋒面短時強降水系統(tǒng)發(fā)展模態(tài)的環(huán)境因子分析，得出對于產(chǎn)生短時強降水的中尺度對流系統(tǒng)（MCS），地面假相當位溫（θse）等值線密集區(qū)和地面切變線的分布形態(tài)及運動是影響其系統(tǒng)模態(tài)發(fā)展和移動方向的關(guān)鍵因素.馬殿衡等［18］（2019）對伊春地區(qū)一次暴雨天氣進行分析，發(fā)現(xiàn)暴雨區(qū)低層處于θse高能舌范圍內(nèi).張俊利等［19］（2017）對2014年5月25日湖南一次暴雨過程進行分析，也發(fā)現(xiàn)暴雨發(fā)生前，700h Pa以下湖南有高達360K以上的假相當位溫高能中心.王歡等［20］（2017）對伴有區(qū)域暴雨的重慶秋季連陰雨及其暴雨特征進行分析，指出24小時變溫、低層渦度、假相當位溫、整層水汽通量以及比濕對連陰雨期間暴雨的預(yù)報有較好的指示意義.

為了探究雷州半島夜間△θse時頻特性及其與雷雨天氣關(guān)系，以達到提高天氣預(yù)報技術(shù)，本文利用線性時頻分析技術(shù)短時傅立葉變換、小波分解、二次型時頻分析技術(shù)平滑偽Wigner-Ville分布和數(shù)理統(tǒng)計等方法進行了分析和研究.

1 采用資料與方法

1.1 采用數(shù)據(jù)資料

采用雷州半島2007年逐日夜間02時氣象探空試驗數(shù)據(jù)及雷州半島的吳川市、湛江市、廉江市、遂溪縣、雷州市和徐聞縣六個氣象觀測站2007年的逐日氣象數(shù)據(jù).太陽直接輻射影響已經(jīng)完全消失的夜間02時氣象探空試驗資料，比08時、20時的探空資料更具代表性、穩(wěn)定性和真實性.

1.2 采用分析方法

采用溫度對數(shù)壓力圖（Emagram）分析氣象探空試驗資料，獲取大氣各層的假相當位溫θse（單位為K），求算500HPA上的θse與850HPA上的θse差值△θse，即△θse=（θse）500-（θse）850.夜間02時的△θse表示為△θse夜，對當天△θse夜和前兩天的△θse夜選取三天中的△θse夜最低值，表示為△θse3夜.

分析方法采用時頻分析技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計方法，其中采用的線性時頻分析技術(shù)為窗函數(shù)11點的hamming窗短時傅立葉變換和在SYM8小波下五層分解的小波分解方法，二次型時頻分析技術(shù)為經(jīng)有效抑制交叉項的干擾、加核函數(shù)后Wigner-Ville分布的平滑偽Wign?er-Ville分布方法.

統(tǒng)計吳川市、湛江市、廉江市、遂溪縣、雷州市和徐聞縣六個氣象觀測站每天觀測的雷暴天氣站數(shù)和最大降雨量，與△θse夜進行關(guān)系分析.

2 雷州半島夜間△θse夜統(tǒng)計特征及時頻分析

2.1 雷州半島夜間△θse夜統(tǒng)計特征

從2007年雷州半島夜間△θse夜逐日數(shù)據(jù)分析，△θse夜年平均值為-2.0，中位數(shù)為-2.8，最小值為-37.4，最大值為25.5，跨度達62.9，資料的標準差為9.475，方差為89.778，說明逐日的△θse夜差異大，離散度高.數(shù)據(jù)的偏度系數(shù)為0.138，分布形態(tài)屬正偏（右偏），偏斜程度小.峰度系數(shù)為0.539，分布不陡峭.

從表1的2007年雷州半島夜間△θse夜各月統(tǒng)計量可看出，1、10、11、12月的△θse夜平均值為正值，2、3、4、5、6、7、8、9月的△θse夜平均值為負值，1月和11月的△θse夜平均值最大，達9.0，12月次之；7月△θse夜平均值最小，為-8.7.2007年最大△θse夜值出現(xiàn)在1月9日，最小△θse夜值出現(xiàn)在5月2日.2007年△θse夜各月的最小值均為負值，除9月外，其他各月的最大值均為正值，跨度最大月為5月.

表1 2007年雷州半島夜間△θse夜各月統(tǒng)計量（單位：K）

2.2 雷州半島夜間△θse夜線性時頻分析

圖1（a）為2007年全年逐日雷州半島夜間△θse夜變化曲線，采用窗函數(shù)為11點的hamming窗短時傅立葉變換和在SYM8小波下五層分解的小波分解方法對其進行分析研究.

從圖1（b）2007年雷州半島夜間△θse夜的短時傅立葉變換分析，在時頻分析圖上可看出：在冷空氣頻繁活動季節(jié)內(nèi)的時間域上0-100（1月至4月上旬）和275-365（10月至12月）、頻率域上0-0.5和0.9-1.0，值較大、變化波動明顯，有多個明顯的大值中心；在高溫炎熱季節(jié)內(nèi)的時間域上100-275（4月上旬至9月）、頻率域上0.5-0.9，△θse夜值小，變化相對較為平緩，只存在較小值的弱中心.

采用SYM8小波對2007年雷州半島夜間△θse夜進行五層分解，可分別獲得△θse夜變化的近似系數(shù)A和細節(jié)系數(shù)D.從圖1（c）△θse夜的SYM8小波五層分解近似系數(shù)A可分析，各層△θse夜變化的近似系數(shù)A走勢較為相近，值較大、變幅大時段在冷空氣頻繁活動的季節(jié)內(nèi)，出現(xiàn)了全年最大值；變化相對較為平緩時段出現(xiàn)在高溫炎熱季節(jié)內(nèi)，值小.第三層、第四層、第五層的△θse夜變化近似系數(shù)A3、A4和A5，已經(jīng)能明顯表現(xiàn)了2007年雷州半島夜間△θse夜的全年趨勢變化，但A3、A4中還包含有△θse夜變化的低頻變化信號.第一層和第二層的近似系數(shù)A1、A2中包含△θse夜變化的高頻或較為高頻變化信號.

從圖1（c）的SYM8小波五層分解的△θse夜變化細節(jié)系數(shù)D可分析，D包含△θse夜變化信號的頻率逐層降低，低層為最高，第一層、第二層、第三層的△θse夜變化細節(jié)系數(shù)D1、D2和D3中包含有高頻或較為高頻的變化信號，第四層、第五層的△θse夜變化細節(jié)系數(shù)D4和D5中包含的變化信號頻率已經(jīng)很低.在全年中，D4、D5變化較為相近，波動大、振幅大、出現(xiàn)全年最大振幅時段在冷空氣頻繁活動季節(jié)；振幅小、變化較為平緩時段在高溫炎熱季節(jié).在全年各季節(jié)中，D1、D2、D3均出現(xiàn)△θse夜變化高頻或較為高頻波動信號，但△θse夜變化波動較為明顯、振幅較大時段還是在冷空氣頻繁活動的季節(jié).

圖1 2007年雷州半島夜間△θse夜線性時頻分析圖（單位：K）

2.3 雷州半島夜間△θse夜二次型時頻分析

從圖2雷州半島夜間△θse夜2007年的平滑偽Wigner-Ville分布分析，在△θse夜變化等高線圖和三維圖上可看出：在冷空氣頻繁活動季節(jié)內(nèi)的時間域上0-100（1月至4月上旬）和240-365（9月至12月）、頻率域上0-0.1，出現(xiàn)了幅值變化明顯的峰和谷；在雷州半島高溫炎熱季節(jié)（4月中旬至9月）和頻率域上0.1-1.0，△θse夜幅值變化較為平緩，幅值小，波動小.

圖2 2007年雷州半島夜間△θse夜平滑偽Wigner-Ville分布（單位：K）

3 雷州半島夜間△θse夜與雷雨天氣關(guān)系分析

3.1 雷州半島夜間△θse夜與雷暴天氣關(guān)系分析

經(jīng)統(tǒng)計，在2007年365天中，雷州半島六個氣象觀測站觀測到雷暴天氣128天，124天為雷暴與降水相伴的雷雨天氣，4天只觀測到?jīng)]伴有降雨的雷暴.在128天雷暴天氣中，平均△θse夜為-7.0，最大△θse夜為8.2，最小△θse夜為-31.6，負△θse夜為115天，占總雷暴天氣天數(shù)90.0%；平均△θse3夜為-11.6，最大△θse3夜為-2.0，最小△θse3夜為-37.4，負△θse3夜為128天，為100%.

從表2的2007年雷州半島雷暴天氣的夜間△θse夜分析表可看出，當雷州半島出現(xiàn)雷暴天氣時，大多數(shù)的△θse夜為負值，全部的△θse3夜為負值，觀測到雷暴天氣時，平均△θse夜在-4.8及以下，平均△θse3夜在-9.4及以下.但在無雷暴天氣時，也有不少天數(shù)的△θse夜和△θse3夜為負數(shù)，甚至值很小.說明由于△θse為大氣層結(jié)穩(wěn)定度指標，為小值時代表大氣層結(jié)不穩(wěn)定，當發(fā)生雷暴天氣時，必須當天或近三天中的夜間△θse夜至少有一天為負值，大氣不穩(wěn)定是雷暴天氣的必要條件；但在大氣層結(jié)不穩(wěn)定條件下，層結(jié)變性過快或不具備觸發(fā)條件，也不一定會產(chǎn)生雷暴天氣，因而有時在△θse夜很小時，也沒有雷暴天氣發(fā)生.

表2 2007年雷州半島雷暴天氣的夜間△θse分析表（單位：K）

3.2 雷州半島夜間△θse夜與降水天氣關(guān)系分析

經(jīng)統(tǒng)計，2007年雷州半島六個氣象觀測站觀測到降水天氣244天，其中120天只有降雨，沒有雷暴.在244天降水天氣中，平均△θse夜為-4.6，最大△θse夜為27.4，最小△θse夜為-31.6，負△θse夜為187天，占降水天數(shù)76.6%；平均△θse3夜為-9.0，最大△θse3夜為13.4，最小△θse3夜為-37.4，負△θse3夜為 220天，占降水天數(shù)90.2%.

表3 2007年雷州半島降水天氣的夜間△θse分析表（單位：K）

從表3的2007年雷州半島降水天氣的夜間△θse夜分析表可看出，當雷州半島出現(xiàn)大暴雨、暴雨和大雨天氣時，大多數(shù)的△θse夜為負值，全部的△θse3夜為負值，并且平均△θse夜在-3.6及以下，平均△θse3夜在-10.4及以下.但在無雨時，也有不少天數(shù)的△θse夜和△θse3夜為負數(shù)，甚至值很小.說明當發(fā)生大暴雨、暴雨和大雨等強度大的降水天氣時，必須當天或近三天的夜間△θse夜至少有一天為負值，大氣不穩(wěn)定是必要條件；但在大氣不穩(wěn)定條件下，層結(jié)變性過快或不具備觸發(fā)條件，也不一定會產(chǎn)生強度大的降水天氣，有時在△θse夜很小條件下，也沒有強度大的降水天氣發(fā)生.

中雨及以下的降水，由于部分是在冷空氣活動的季節(jié)，這時陰冷天氣對應(yīng)的△θse夜值較大，一般為正值.

4 結(jié)論

論文采用時頻分析技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計方法分析了雷州半島夜間△θse時頻特性及其與雷雨天氣關(guān)系，得出以下幾點結(jié)論：

（1）2007年雷州半島夜間△θse平均值為-2.0，最小值為-37.4，最大值為25.5，變化波動，分布形態(tài)屬正偏（右偏），分布不陡峭.1、10、11、12月的夜間△θse平均值為正值，2、3、4、5、6、7、8、9月的夜間△θse平均值為負值.

（2）線性時頻分析技術(shù)短時傅立葉變換、小波分解和二次型時頻分析技術(shù)平滑偽Wigner-Ville分布分析得出：在冷空氣頻繁活動季節(jié)內(nèi)，雷州半島夜間△θse變化波動明顯，變幅大，值較大，出現(xiàn)全年最大值和幅值變化明顯的峰和谷，有多個大值中心；在高溫炎熱季節(jié)內(nèi)，△θse變化較為平緩，值小，只存在較小值的弱中心.在雷州半島，冷空氣活動是影響夜間△θse值、振幅和波動頻率的主要因素之一.

（3）雷州半島出現(xiàn)雷暴、大暴雨、暴雨和大雨天氣時，必須當天或近三天的夜間△θse至少有一天為負值，大氣不穩(wěn)定是必要條件；但有時在夜間△θse很小條件下，層結(jié)變性過快或不具備觸發(fā)條件，也不一定會產(chǎn)生雷暴、大暴雨、暴雨和大雨天氣.

（4）中雨及以下的降水，由于部分是在冷空氣影響后的陰冷天氣背景下發(fā)生，冷空氣影響后低溫陰雨天氣對應(yīng)的夜間△θse值較大，多為正值.