湖北省不同類型雷暴大風的時空分布及環(huán)境參數(shù)特征

韋惠紅，許冠宇，劉希文，張家國，李雙君，姜杰

(武漢中心氣象臺，武漢 430074)

引言

雷暴大風是指大氣對流活動導致的地面及近地面強風事件，主要由雷暴強下沉氣流造成，有時伴隨冷池密度流、高空動量下傳等作用(王秀明等，2013)。雷暴大風具有突發(fā)性強、持續(xù)時間短、致災性強等特點。近年來，湖北省(以下簡稱湖北)境內(nèi)局地對流大風天氣頻發(fā)。例如：2015年6月1日湖北監(jiān)利下?lián)舯┝髟斐伞皷|方之星”游船翻沉事件，使442人遇難；2021年5月10日武漢局部遭遇10級雷暴大風，造成2名高空保潔工作工人死亡；2021年5月14日武漢市蔡甸區(qū)遭遇龍卷，致使10人遇難、230人受傷，直接經(jīng)濟損失3.01億元。目前，雷暴大風短時預報準確率低(唐文苑等，2017)，臨近預警提前量小，預報預警服務遠不能滿足社會需求，如何提升雷暴大風預報預警能力是強天氣預報和研究中需要重點解決的問題。

分析雷暴大風發(fā)生的天氣尺度系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)，提高對雷暴大風形成的環(huán)流背景和環(huán)境條件的認識，是準確預報預警雷暴大風的前提。近年來，我國各地氣象工作者對雷暴大風等強對流天氣形勢、環(huán)境參數(shù)等做了大量統(tǒng)計分析工作，得出了一些對實時業(yè)務預報有指導意義的結(jié)論。根據(jù)高低空冷暖平流和水平鋒生強弱，許愛華等(2014)把中國中東部強對流天氣類型分為高空冷平流強迫型、低層暖平流強迫型、斜壓鋒生型、準正壓型、高架對流型。秦麗等(2006)、鐘利華等(2011)、楊曉霞等(2014)基于500 hPa天氣系統(tǒng)，分別對北京、廣西、山東的雷暴大風天氣進行分型，并給出當?shù)乩妆┐箫L發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。費海燕等(2016)和馬淑萍等(2019)分析中國強雷暴大風(風速≥25 m·s-1)和極端雷暴大風(風速≥30 m·s-1)的氣候特征和環(huán)境參數(shù)指出，中國強雷暴大風主要分布在華北和華東地區(qū)，強雷暴大風和極端雷暴大風中層均有明顯的干層(溫度露點差大于10℃)，對流有效位能(CAPE)平均值大于1 800 J·kg-1，0—6 km風垂直切變平均值大于14.3 m·s-1。許霖等(2017)利用2001—2010年NCEP再分析資料，統(tǒng)計分析了湖南典型站點的動力熱力參數(shù)，發(fā)現(xiàn)熱力動力不穩(wěn)定條件在湖南東西部和南北部存在區(qū)別。方翀等(2017)統(tǒng)計分析華北低海拔和高海拔地區(qū)雷暴大風的環(huán)境物理參數(shù)表明，有利的抬升指數(shù)、最大CAPE、850 hPa與500 hPa溫差等對雷暴大風有一定的指示性，但需要考慮季節(jié)因素，且每種參數(shù)對于雷暴大風是否發(fā)生、范圍大小及海拔高度的指示均不盡相同。楊曉霞等(2019)應用探空資料統(tǒng)計分析了山東省雷暴大風天氣過程的12個環(huán)境物理量參數(shù)，得到4—9月各月山東內(nèi)陸和半島地區(qū)雷暴大風物理量參數(shù)的月均值和閾值。環(huán)境參數(shù)研究有助于理解強對流天氣發(fā)生的物理過程，一些參數(shù)可作為雷暴大風的預報指標，因此有些學者在雷暴大風環(huán)境參數(shù)等研究的基礎(chǔ)上，對華北、河南雷暴大風進行潛勢預報(廖曉農(nóng)等，2009；嚴仕堯等，2013；呂曉娜等，2020)，為雷暴大風客觀化預報研究提供了有價值的參考。

湖北地處長江中下游地區(qū)，南北氣流交匯頻繁，受西、北、東三面環(huán)山及河谷地形等的影響，雷暴大風是其常見的災害性強對流天氣。目前，關(guān)于湖北雷暴大風的研究，主要集中在單個或多個雷暴大風過程環(huán)境條件的分析上(張家國等，2010；劉希文等，2018)，而對雷暴大風發(fā)生的天氣系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)的系統(tǒng)歸類總結(jié)相對較少。為此，本文在前人相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，對湖北2007—2015年雷暴大風的時空分布、天氣類型、強對流相關(guān)環(huán)境特征等進行了總結(jié)分析，并將湖北分成4個自然區(qū)域，揭示不同區(qū)域雷暴大風天氣類型與環(huán)境參數(shù)特征，再基于各區(qū)域不同天氣類型等給出環(huán)境參數(shù)閾值，為今后提高湖北雷暴大風預報預警水平和減災服務能力提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

本文選取雷暴大風個例所用資料包括：2007—2015年湖北78個地面自動觀測站風速資料、ADTD閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測資料和雷達資料。在一個觀測日內(nèi)，即當日08時(北京時，下同)至次日08時，湖北有1個及以上自動觀測站記錄到瞬時極大風速≥17 m·s-1，則確定為出現(xiàn)地面大風，由強冷空氣、地面氣旋引發(fā)的非雷暴大風，則結(jié)合閃電資料和雷達資料對其站點進行剔除。

普查、挑選雷暴大風日需滿足的三個條件：(1)兩個臨近自動站同一時次或相鄰時次內(nèi)有地面大風記錄；(2)大風區(qū)域有閃電觀測記錄；(3)大風區(qū)域雷達回波強度≥45 dBz且持續(xù)2個體掃以上。依據(jù)以上條件，篩選出研究時段內(nèi)湖北有54個雷暴大風日，共348站次出現(xiàn)雷暴大風。規(guī)定臨近兩個站點同一時次或相鄰時次內(nèi)出現(xiàn)大風，剔除非常局地的雷暴大風，確保計算的環(huán)境參數(shù)更具代表性。湖北雷暴大風主要從午后發(fā)展，傍晚至夜間結(jié)束，因此將08時至次日08時作為一個觀測日，這與費海燕等(2016)統(tǒng)計采用的一個觀測日(20時至次日20時)時段不同。

雷暴大風天氣類型和環(huán)境參數(shù)研究所用資料主要是每6 h一次的NCEP 0.5°×0.5°再分析資料；統(tǒng)計其天氣類型時，結(jié)合地面和高低空常規(guī)觀測資料進行輔助分析。采用天氣學方法分析2007—2015年雷暴大風發(fā)生前的環(huán)流形勢、影響系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，湖北雷暴大風天氣類型與我國中東部地區(qū)強對流天氣分類相似(許愛華等，2014；孫繼松等，2019)。因此，參考我國中東部地區(qū)強對流分型，將湖北雷暴大風天氣類型分成高空冷平流強迫型、低層暖平流強迫型、斜壓鋒生型、準正壓型。利用NCEP再分析資料計算對流不穩(wěn)定、風垂直切變、水汽等環(huán)境參數(shù)時，參考了梁愛民等(2006)的研究方法，即利用臨(鄰)近原則，統(tǒng)計雷暴大風發(fā)生站點臨近時次和鄰近網(wǎng)格點的環(huán)境參數(shù)，并以箱線圖反映不同天氣類型和季節(jié)環(huán)境參數(shù)。考慮到湖北不同地區(qū)雷暴大風天氣類型、環(huán)境參數(shù)存在差別，將湖北分為鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東4個區(qū)域，分析不同區(qū)域內(nèi)各型雷暴大風的環(huán)境參數(shù)特征。鄂西南包括恩施地區(qū)和宜昌地區(qū)，兩個地區(qū)產(chǎn)生雷暴大風的天氣類型區(qū)別較大，因此在討論天氣類型時，對這兩個地區(qū)分開討論。3月份只出現(xiàn)1次雷暴大風，分析環(huán)境參數(shù)時，將3—4月進行合并分析。

2 湖北雷暴大風類型

統(tǒng)計結(jié)果顯示，2007—2015年湖北高空冷平流強迫型、低層暖平流強迫型、斜壓鋒生型、準正壓型雷暴大風日數(shù)分別為17、14、7、16 d，高空冷平流強迫型日數(shù)最多，占雷暴大風總?cè)諗?shù)的31%；其次是準正壓型，占30%；低層暖平流強迫型占26%；斜壓鋒生型最少。

圖1a—d分別給出高空冷平流強迫型、斜壓鋒生型、低層暖平流強迫型、準正壓型雷暴大風的天氣系統(tǒng)配置。高空冷平流強迫型中(圖1a)，500 hPa槽后偏北氣流引導冷平流南下，疊加在850 hPa暖脊上，中低層不穩(wěn)定條件增強，同時邊界層有輻合線發(fā)展，加上午后地面溫度升高，不穩(wěn)定能量增大，在低槽后部、邊界層輻合線附近發(fā)生雷暴大風(圖1a黃色區(qū)域)，此類型高空強干冷平流起主導作用，上下層形成明顯的垂直溫差，產(chǎn)生的靜力不穩(wěn)定很強。

圖1 湖北高空冷平流強迫型(a)、斜壓鋒生型(b)、低層暖平流強迫型(c)、準正壓型(d)雷暴大風的天氣系統(tǒng)配置(黃色陰影為雷暴大風落區(qū)，不規(guī)則細黑線為湖北行政區(qū)邊界)Fig.1 Configuration of synoptic systems when(a)high level cold advection forced-type,(b)baroclinic frontogenesis-type,(c)low level warm advection forced-type and(d)quasi barotropic-type thunderstorm gales occur in Hubei Province.Yellow shaded areas denote thunderstorm gale areas,and irregular black lines are the administrative boundaries of Hubei.

斜壓鋒生型中(圖1b)，500 hPa有冷槽南壓，低層暖濕氣流發(fā)展，地面冷鋒和暖倒槽活躍，從低層到中層天氣系統(tǒng)明顯向冷空氣一側(cè)傾斜，斜壓性強，中低層強冷暖空氣強烈交匯，伴有明顯溫度鋒區(qū)和鋒生作用，隨著冷空氣進入暖倒槽，觸發(fā)雷暴并迅速發(fā)展，這種類型常發(fā)生在春季，雷暴大風出現(xiàn)在緊貼冷鋒的冷空氣大風前側(cè)，冷空氣大風與雷暴大風經(jīng)常伴隨出現(xiàn)，呈現(xiàn)混合性大風形式，大風一般發(fā)生在地面冷鋒前部、低層急流左側(cè)(圖1b黃色區(qū)域)。

低層暖平流強迫型(圖1c)發(fā)生在低層700 hPa以下強烈發(fā)展的暖濕平流中，低層有較強西南氣流發(fā)展，強烈暖濕平流對建立熱力不穩(wěn)定起主要作用，中低層水汽條件較好，動力擾動表現(xiàn)為高空低槽、急流脈動、中低層切變線等，大風發(fā)生在低槽前部、邊界層切變線附近或低層南風急流區(qū)內(nèi)以及水汽、不穩(wěn)定能量最強區(qū)域(圖1c黃色區(qū)域)。

準正壓型(圖1d)發(fā)生在冷暖平流較弱的環(huán)境條件下，主要出現(xiàn)在7—8月副熱帶高壓(以下簡稱副高)的邊緣，副高邊緣高溫高濕環(huán)境給雷暴大風發(fā)生提供了強的不穩(wěn)定條件，邊界層輻合線、地形等均為其動力強迫因子，特別是500 hPa短波槽攜帶的弱冷空氣沿副高北側(cè)東北移時，低槽前部弱冷空氣疊加在高溫高濕下墊面之上造成熱力不穩(wěn)定，常導致大范圍局地分散的雷暴大風(圖1d)，其預報難度較大。

3 湖北雷暴大風時空分布特征

3.1 時間分布特征

按月和天氣類型統(tǒng)計2007—2015年湖北雷暴大風日數(shù)，其結(jié)果顯示(表1)，湖北雷暴大風只發(fā)生在春夏季，即3—8月，9月至次年2月無雷暴大風日，7月雷暴大風日數(shù)最多，8月次之，夏季(6—8月)雷暴大風日數(shù)占其全年總數(shù)的78%。不同月份雷暴大風類型差別較大，斜壓鋒生型從3月份開始出現(xiàn)，低層暖平流強迫型和高空冷平流強迫型4月份才出現(xiàn)，準正壓型則到6月份才出現(xiàn)。6月份高空冷平流強迫型最多，7月和8月準正壓型最多。從氣候態(tài)上，7月中旬到8月湖北梅雨期結(jié)束，受增強北跳的副高影響，能量條件較好，邊界層弱的輻合條件便可導致對流發(fā)展增強。

表1 2007—2015年3—8月湖北各型雷暴大風日數(shù)Table 1 Days of the different types of thunderstorm gales in Hubei between March and August during 2007-2015.

由2007—2015年湖北雷暴大風站次日分布圖(圖2a)可見，其日變化特征明顯，大多數(shù)發(fā)生在15—19時，峰值在16時，究其原因，此時段地面溫度較高，大氣中不穩(wěn)定能量最強，對流抑制能減弱，有利于雷暴大風的發(fā)生。08—10時無雷暴大風記錄。從11—16時，雷暴大風站次迅速增多，從16時到次日01時，呈緩慢下降趨勢。

圖2 2007—2015年湖北雷暴大風站次日變化(a)及其持續(xù)時間分布(b)Fig.2 Variation of(a)hourly station numbers of thunderstorm gales in Hubei and(b)their duration during 2007-2015.

另外，上述54個雷暴大風日持續(xù)時間(指末站雷暴大風結(jié)束時間與首站雷暴大風開始時間之差)的統(tǒng)計結(jié)果顯示(圖2b)，其持續(xù)時間大多在3～4 h之間，占30%；持續(xù)5～6 h的日數(shù)次之，占20%，持續(xù)時間＞10 h的日數(shù)較少。

3.2 空間分布特征

根據(jù)本文第1節(jié)中的方法，共篩選出湖北雷暴大風348站次，其站次分布見圖3。從中可見，雷暴大風站次空間分布不均，高頻中心出現(xiàn)在鄂西南宜昌和鄂東黃石附近，最高達16站次，次高頻中心在鄂西北十堰附近，鄂西南恩施地區(qū)大風發(fā)生站次較少(＜8站次)。高頻中心分布可能與河谷地形、喇叭口地形等有關(guān)，黃石位于大別山與幕阜山之間長江河谷地帶，受兩山阻擋，沿長江河谷常有偏東風發(fā)展，與自湖南北上的偏南氣流形成邊界層輻合線；宜昌、十堰分別處于長江河谷、漢江河谷開口向東的喇叭口地形內(nèi)，偏東氣流在喇叭口地形作用下，輻合抬升增強，在一定的不穩(wěn)定和水汽條件下，上述地區(qū)更易出現(xiàn)對流天氣。另外，統(tǒng)計湖北雷暴大風日站次分布表明，2～5站次的日數(shù)占總數(shù)的54%(圖略)，6站次以上的占46%，其中10站次以上的僅占23%，這說明湖北以局部雷暴大風為主。

圖3 2007—2015年湖北雷暴大風站次空間分布與地形高度(陰影，單位:m)疊加圖(不規(guī)則黑線為湖北行政區(qū)邊界；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)分別代表鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東)Fig.3 Spatial distribution of station numbers of thunderstorm gales in Hubei during 2007-2015 superimposed with terrain height(shade,unit:m).Irregular black lines are the administrative boundaries of Hubei,and symbols I,II,III and IV denote Northwest Hubei,Southwest Hubei,Jianghan Plain and East Hubei,respectively.

由2007—2015年湖北不同區(qū)域四型雷暴大風日空間分布(表2)可知(若某日多個區(qū)域出現(xiàn)雷暴大風，則每區(qū)均統(tǒng)計1次)，鄂東雷暴大風日數(shù)最多，恩施地區(qū)最少。各區(qū)域出現(xiàn)雷暴大風的主要天氣類型差別較大，鄂西北冷平流強迫型最多，占該區(qū)雷暴大風總數(shù)的71%，且此型雷暴大風也主要出現(xiàn)在鄂西北；鄂東暖平流強迫型、斜壓鋒生型和準正壓型均較多，斜壓鋒生型幾乎均出現(xiàn)在該地區(qū)；宜昌地區(qū)冷平流強迫型、暖平流強迫型和準正壓型均較多；江漢平原暖平流強迫型最多；恩施地區(qū)各型雷暴大風次數(shù)均偏少，其中準正壓型相對較多。

表2 2007—2015年湖北不同區(qū)域各型雷暴大風日數(shù)(單位:d)Table 2 Days(unit：d)of the different types of thunderstorm gales in the different regions of Hubei during 2007-2015.

由于河套南下冷槽、高原東移低槽以及自孟加拉灣、南海北上的西南氣流等系統(tǒng)，受秦巴山脈、云貴高原等大尺度地形影響，湖北不同區(qū)域受上述天氣系統(tǒng)影響的強弱不同；天氣尺度系統(tǒng)給強對流天氣提供了有利的環(huán)境條件，而本區(qū)域及周邊中尺度地形、地貌等對邊界層中尺度系統(tǒng)的發(fā)展、維持有較大影響。為了進一步了解湖北雷暴大風的空間分布特點，綜合天氣類型和邊界層中尺度系統(tǒng)的演變特征，結(jié)合區(qū)域地形，對各型雷暴大風在不同區(qū)域的發(fā)生機理簡要分析如下：1)高空冷平流強迫型。此型雷暴大風受500 hPa東北冷渦或河套東移冷槽影響，一般冷渦或冷槽以東移或北收為主，南壓較少，強冷平流主要影響鄂西北，該區(qū)域大部為山地，在偏北氣流控制下山區(qū)午后氣溫迅速升高，上下層形成強的靜力不穩(wěn)定層結(jié)，在邊界層輻合線的抬升作用下，對流得到發(fā)展，特別是邊界層為偏東風時，偏東氣流在山區(qū)喇叭口地形內(nèi)匯合抬升，觸發(fā)強雷暴。2)低層暖平流強迫型。經(jīng)桂、湘的低層偏南急流向北發(fā)展，在武陵山脈與幕阜山之間加強，加上低槽引導冷空氣南下，江漢平原附近常有氣旋波發(fā)展、東移，導致宜昌地區(qū)東部、江漢平原和鄂東暴雨、雷暴大風等對流天氣頻發(fā)，這與張家國等(2013)研究得到的相關(guān)結(jié)果類似。3)斜壓鋒生型。此型雷暴大風主要發(fā)生在春季，低層西南急流偏東偏南，位于江漢平原南部到鄂東地區(qū)，隨著地面和邊界層冷空氣南下，鄂西北的襄陽至江漢平原一帶迅速轉(zhuǎn)為偏北風，不利于對流系統(tǒng)的發(fā)展維持，而冷暖氣流交匯最充分的地區(qū)位于鄂東，導致該型雷暴大風幾乎都發(fā)生在該區(qū)域。4)準正壓型。此型雷暴大風大多發(fā)生在副高外圍，弱的邊界層輻合線就能觸發(fā)強雷暴，該型雷暴大風主要出現(xiàn)在鄂東和宜昌地區(qū)，鄂東及周邊地區(qū)有桐柏山、大別山和幕阜山，宜昌地區(qū)處于長江峽谷、山區(qū)地區(qū)與平原的過渡帶，山地熱力加熱不均、地形抬升等均有利于邊界層對流觸發(fā)(俞小鼎等，2012)。

4 湖北雷暴大風的環(huán)境參數(shù)特征

歸納雷暴大風的環(huán)境參數(shù)特征，有助于了解其發(fā)生前的物理過程并將其用于實際預報。根據(jù)環(huán)境參數(shù)的物理意義和預報員的預報經(jīng)驗，本文選取了K指數(shù)、對流有效位能(CAPE)、850 hPa與500 hPa的溫差(ΔT85)三個大氣對流不穩(wěn)定參數(shù)以及動力參數(shù)中低層、低層風垂直切變和水汽參數(shù)850 hPa露點溫度。下文從不同天氣類型、自然區(qū)域、月份等對湖北雷暴大風發(fā)生站次環(huán)境參數(shù)從小到大排列，以箱線圖反映各類參數(shù)的區(qū)間范圍。

4.1 對流不穩(wěn)定參數(shù)

K指數(shù)是綜合了垂直溫度梯度、低層水汽含量和濕層厚度的一個氣團屬性量，側(cè)重反映中低層溫濕分布對穩(wěn)定度的影響。ΔT85表示大氣的靜力穩(wěn)定度狀況，其值越大，表明下沉氣塊溫度與環(huán)境溫度相差越大，越有利于負浮力產(chǎn)生及下沉氣流增強，是強對流天氣預報業(yè)務中最常用的物理量。CAPE是指氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時正浮力產(chǎn)生的能量，大氣中位能轉(zhuǎn)換為動能的最大值，其值越大，越有利于產(chǎn)生強對流天氣，是判斷對流發(fā)生潛勢的重要參數(shù)。

4.1.1 各型雷暴大風的對流參數(shù)特征

圖4給出2007—2015年湖北各型雷暴大風的對流不穩(wěn)定參數(shù)箱線圖。圖4a顯示，冷平流強迫型、斜壓鋒生型、準正壓型、暖平流強迫型雷暴大風的K指數(shù)平均值為36～38℃不等，冷平流強迫型略低，其他三型相差不大。冷平流強迫型K指數(shù)的25百分位值僅33℃，說明此型雷暴大風有25%的站次發(fā)生在K指數(shù)較低環(huán)境下，其他三型25百分位值均超過36℃。四型雷暴大風的K指數(shù)最高值均較高，42～43℃不等；其最低值差別較大，準正壓型最低為22℃，斜壓鋒生型為30℃，冷平流強迫型為25℃，暖平流強迫型為29℃。由于低層暖平流強迫型中低層水汽條件較好，使得K指數(shù)整體偏高，離散度較小。圖4b顯示，冷平流強迫型雷暴大風ΔT85平均值最高，達28.2℃，斜壓鋒生型最低，僅24℃，準正壓型、暖平流強迫型分別為25.5℃和26.5℃。四型雷暴大風ΔT85的25百分位平均值為24.8℃，冷平流強迫型最大(26℃)，斜壓鋒生型最小(23℃)。暖季濕絕熱曲線的ΔT85為20～21℃，干絕熱層結(jié)ΔT85為40℃左右，上述四型雷暴大風的ΔT85分布區(qū)間為21～34℃，均具有條件性不穩(wěn)定層結(jié)特征。圖4c顯示，四型雷暴大風的CAPE平均值為1 250～2 100 J·kg-1不等，而其25百分位值在600～1 700 J·kg-1之間，準正壓型主要發(fā)生在盛夏副高外圍，CAPE平均值和25百分位值比其他類型明顯偏高，斜壓鋒生型主要出現(xiàn)在春季，CAPE整體偏低，其最小值僅250 J·kg-1。

圖4 2007—2015年湖北各型雷暴大風的K指數(shù)(a，單位:℃)、850 hPa與500 hPa溫度差ΔT85(b，單位:℃)和對流有效位能CAPE(c，單位:J·kg-1)箱線圖(最高短橫線為統(tǒng)計最大值，最低短橫線為統(tǒng)計最小值，箱形的上部框線為上四分位值、下部框線為下四分位值，箱內(nèi)線為中位數(shù)線，空心小四邊形為平均值，實心小菱形為異常值。下同)Fig.4 Boxplots of(a)K-index(unit:℃),(b)the temperature difference(ΔT85,unit:℃)between 850 hPa and 500 hPa and(c)convective available potential energy(CAPE,unit:J·kg-1)for the different types of thunderstorm gales in Hubei during 2007-2015.The highest and lowest short horizontal lines indicate the maximum and the minimum,respectively.The top and the bottom lines in the boxes indicate the top and the bottom quartile,respectively.The lines within the boxes indicate the median lines,the hollow quadrilaterals indicate mean values,and the solid diamonds indicate outliers.The same hereafter.

4.1.2 不同區(qū)域?qū)α鲄?shù)特征

湖北各區(qū)域引發(fā)雷暴大風的主要天氣類型差別較大，因此有必要分區(qū)對對流參數(shù)作進一步分析。圖5是鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東和湖北全省雷暴大風的K指數(shù)、ΔT85和CAPE箱線圖。從圖5a中可見，鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東的K指數(shù)平均值在35～39℃之間，鄂東比其他地區(qū)明顯偏低；鄂東K指數(shù)離散度最大，分布區(qū)間為26～40℃，鄂西北次之，分布區(qū)間為31～42℃，鄂西南和江漢平原其離散度較?。?個區(qū)域中，鄂西北K指數(shù)的中位數(shù)最高，達40℃，說明鄂西北有50%雷暴大風日發(fā)生在高K指數(shù)環(huán)境下，高K指數(shù)主要是中層強冷平流形成強上下層溫差所致；準正壓型低K指數(shù)幾乎都發(fā)生在鄂東地區(qū)，導致鄂東25百分位數(shù)僅為33℃。從圖5b中可見，鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東的ΔT85均值為25.9～27.7℃不等，鄂西北略偏高，其他3個地區(qū)差別不大；鄂西北ΔT85整體偏高，25百分位值達26℃，鄂東25百分位值偏低，僅24℃；鄂東ΔT85離散度最大，其分布區(qū)間為21～29℃，鄂西北次之，為25～33℃，鄂西南為24～30℃，江漢平原為23～27℃。從圖5c中可見，鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東的CAPE均值為1 430～1 610 J·kg-1不等，鄂西北略偏低；鄂西北的CAPE分布區(qū)間為500～3 100 J·kg-1，鄂西南為700～3 100 J·kg-1，江漢平原為600～2 900 J·kg-1，鄂東為250～3 200 J·kg-1，其中鄂東的CAPE低值最低，其高值也最高。

圖5 鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東和全省雷暴大風的K指數(shù)(a，單位:℃)、850 hPa與500 hPa溫度差ΔT85(b，單位:℃)和對流有效位能CAPE(c，單位:J·kg-1)箱線圖Fig.5 Boxplots of(a)K-index(unit:℃),(b)the temperature difference(ΔT85,unit:℃)between 850 hPa and 500 hPa and(c)convective available potential energy(CAPE,unit:J·kg-1)for the thunderstorm gales in Northwest Hubei,Southwest Hubei,Jianghan Plain,East Hubei and whole Hubei.

斜壓鋒生型和準正壓型對流參數(shù)低值多出現(xiàn)在鄂東地區(qū)，導致該區(qū)域CAPE、K指數(shù)、ΔT85離散度均最大。從湖北全省分布看，K指數(shù)、ΔT85和CAPE的25百分位值分別為35℃、25℃、925 J·kg-1，其平均值分別為37℃、26.7℃、1 580 J·kg-1。湖北雷暴大風的對流參數(shù)與其他省份相比差異明顯。如，華北西北氣流型和西南氣流型雷暴大風的ΔT85平均值均超過28℃(嚴仕堯等，2013)，大于湖北的ΔT85平均值，而其CAPE和K指數(shù)則低于湖北的平均值。魯中地區(qū)雷暴大風的ΔT85、CAPE的25百分位值分別為25℃和300 J·kg-1(高曉梅等，2018)，其ΔT85與湖北相同，但CAPE值明顯低于湖北。湖南地區(qū)雷暴大風的ΔT85中位值最高為23.3℃(許霖等，2017)，低于湖北的ΔT85中位值(26℃)。

4.1.3 不同季節(jié)對流參數(shù)特征

統(tǒng)計湖北4—8月逐月雷暴大風發(fā)生時的K指數(shù)、ΔT85和CAPE可知，K指數(shù)平均值為36.8～38.7℃不等，ΔT85平均值在26.0～27.1℃之間，CAPE平均值在699～1 922 J·kg-1之間，K指數(shù)和ΔT85逐月變化不明顯，K指數(shù)7月略高，CAPE表現(xiàn)為逐月增長特征。本文CAPE以地面為起始抬升高度，地面溫度和露點、中低層垂直溫度遞減率均與CAPE大小密切相關(guān)，夏季地面溫度、露點整體比春季高，使得6—8月的CAPE值比4—5月的明顯偏高。CAPE最低值各月為300～500 J·kg-1，其差別不大，4月和5月最低值主要出現(xiàn)在斜壓鋒生型影響下的鄂東地區(qū)，6月和7月其最低值主要出現(xiàn)在冷平流強迫影響下的鄂西北地區(qū)。

4.2 動力參數(shù)

環(huán)境風向風速隨高度變化形成的風垂直切變對風暴的組織、結(jié)構(gòu)和演變影響較大，并很大程度上決定了對流風暴的類型。在一定的水汽、不穩(wěn)定條件下，風垂直切變越大，風暴組織程度越高，其生命史越長、強度越強(俞小鼎等，2012)。本文選取中低層(925—500 hPa)風垂直切變(SL95)和低層(925—700 hPa)風垂直切變(SL97)來分析雷暴大風的動力參數(shù)特征。圖6給出湖北各型、全省以及4—8月各月雷暴大風的不同層次風垂直切變箱線圖。從中看到(圖6a、b)，冷平流強迫型、斜壓鋒生型、準正壓型、暖平流強迫型SL95平均值為6～17 m·s-1不等，SL97平均值為5～12 m·s-1不等，斜壓鋒生型風垂直切變比其他類型明顯偏高，特別是SL97，冷平流強迫型和暖平流強迫型SL95較高。從全省分布看，SL95、SL97的25百分位值分別為8 m·s-1和5 m·s-1，平均值分別為12 m·s-1和6 m·s-1，準正壓型風垂直切變較低，導致全省風垂直切變平均值偏低。按照切變值≥15 m·s-1且＜20 m·s-1為中等以上風垂直切變的標準(樊李苗和俞小鼎，2013)，斜壓鋒生型有半數(shù)以上的雷暴大風日出現(xiàn)了中等以上風垂直切變，冷平流強迫型和暖平流強迫型有1/4的日數(shù)出現(xiàn)中等以上風垂直切變。準正壓型的風垂直切變較小，造成此型雷暴大風的風暴多是孤立的，在強不穩(wěn)定條件下孤立風暴可引發(fā)強下?lián)舯┝?，?018年7月28日受單體風暴影響，武漢東西湖站最大地面陣風達31.4 m·s-1。從全省逐月風垂直切變看(圖6c、d)，SL95、SL97平均值和中位數(shù)基本呈逐月遞減變化，春季不穩(wěn)定能量偏弱，意味著產(chǎn)生強雷暴需要更強的動力抬升條件。

圖6 2007—2015年湖北各型和全省(a,b)以及4—8月逐月(c,d)雷暴大風的925—500 hPa風垂直切變S L95(a,c)和925—700 hPa風垂直切變S L97(b,d)箱線圖(單位:m·s-1)Fig.6 Boxplots of wind vertical shear(unit:m·s-1)between(a,c)925 hPa and 500 hPa(S L95),(b,d)925 hPa and 700 hPa(S L97)for(a,b)the different types and whole Hubei of thunderstorm gales and(c,d)monthly thunderstorm gales from April to August in Hubei during 2007-2015.

4.3 水汽參數(shù)

4.3.1 低層水汽特征

水汽含量和水汽垂直分布是影響雷暴強度及其結(jié)構(gòu)特征的重要因子。雷暴大風的發(fā)生需要一定的低層水汽條件，統(tǒng)計分析和預報經(jīng)驗表明，850 hPa露點溫度(Td85)是衡量湖北低層水汽含量的重要因子。因此，本文選用Td85分析低層絕對水汽含量特征。圖7給出湖北各型、全省以及4—8月各月雷暴大風的Td85箱線圖。從中可見，高空冷平流強迫型的Td85離散度最大，分布區(qū)間為8～20℃，25百分位值為11℃，4—8月Td85最低值為8～14℃不等，進一步分析發(fā)現(xiàn)，各月Td85最低值均出現(xiàn)在發(fā)生該類型雷暴大風的鄂西北地區(qū)；斜壓鋒生型雷暴大風的Td85離散度次大，分布區(qū)間為10～19℃，其25百分位值為12℃、平均值為16℃、最低值為10℃，最低值出現(xiàn)在4月和5月的鄂東地區(qū)；準正壓型雷暴大風出現(xiàn)在6—8月，其Td85整體較大，分布區(qū)間在16～20℃，其25百分位值為17℃、平均值為17.9℃；暖平流強迫型雷暴大風的Td85分布區(qū)間在13～20℃，其25百分位值為16℃、最低值13℃、平均值16.7℃，最低值發(fā)生在4月和5月的鄂東地區(qū)。

圖7 2007—2015年湖北各型和全省(a)以及4—8月各月(b)雷暴大風的850 hPa露點溫度(T d85,單位:℃)箱線圖Fig.7 Boxplots of dew point(T d85,unit:℃)at 850 hPa for(a)the different types and whole Hubei of thunderstorm gales and(b)monthly thunderstorm gales from April to August in Hubei during 2007-2015.

由上述分析可知，在絕對水汽條件較弱的情況下，鄂西北可出現(xiàn)冷平流強迫型雷暴大風，鄂東可出現(xiàn)斜壓鋒生型和暖平流強迫型雷暴大風。

4.3.2 水汽垂直分布特征

大多數(shù)雷暴大風是由雷暴內(nèi)強烈的下沉氣流產(chǎn)生的，強降水引發(fā)向下的加速度，往往是雷暴內(nèi)下沉氣流的最初觸發(fā)因素(俞小鼎等，2012)。對流層中層若存在干層，由降水引發(fā)的下沉氣流因雷暴周邊干空氣的夾卷，可使雨滴或冰雹迅速蒸發(fā)造成下沉氣流降溫，雷暴下沉氣流內(nèi)溫度明顯低于環(huán)境溫度而產(chǎn)生向下的負浮力導致下沉氣流加速下降，負浮力在激發(fā)強下沉氣流中起最主要作用(徐煥斌，2012)。以某層溫度露點差T-Td≤5℃為濕層，T-Td＞5℃為干層，統(tǒng)計湖北54個雷暴大風日的垂直方向925—400 hPa共8個層次的干濕程度可以得到4種水汽垂直分布類型，即整層高濕類、上干下濕類(600 hPa以上為干層，其下為濕層)、上干中濕下干類(600 hPa以上和850 hPa以下為干層，850—600 hPa為濕層)、整層干燥類。表3給出4種水汽垂直分布結(jié)構(gòu)下湖北各型雷暴大風日數(shù)，從中可見，整層高濕、上干下濕、上干中濕下干和整層干燥水汽條件下發(fā)生的雷暴大風日數(shù)分別為6、32、12、4 d，這與雷暴大風發(fā)生的環(huán)境條件基本相符，即雷暴大風一般發(fā)生在上干下濕的環(huán)境下，上干中濕下干和上干下濕條件下發(fā)生的雷暴大風日數(shù)共占其總數(shù)的80%。整層干燥下發(fā)生的雷暴大風最少，且都為高空冷平流強迫型，均發(fā)生在鄂西北。整層高濕下雷暴大風主要發(fā)生在鄂東地區(qū)和江漢平原南部，其中斜壓型日數(shù)為2 d，低層暖平流強迫型日數(shù)為4 d，雷暴大風的發(fā)生雖無干空氣加入，但中低層存在較強動力抬升條件是關(guān)鍵。

表3 2007—2015年不同水汽垂直分布條件下湖北各型雷暴大風的日數(shù)(單位:d)Table 3 Days(unit：d)of the different types of thunderstorm gales in Hubei under the different vertical distribution of water vapor during 2007-2015.

上述分析表明，干空氣引發(fā)的負浮力在湖北雷暴大風發(fā)生過程中起重要作用，但即使無干空氣參與，也可發(fā)生雷暴大風。

4.4 環(huán)境參數(shù)閾值

在根據(jù)箱線圖顯示的參數(shù)范圍設(shè)定湖北全省和不同區(qū)域各型雷暴大風的適宜閾值時，如果采用箱線圖中的最低值作為該參數(shù)的閾值，將會造成較高的虛警率，因此對于各型雷暴大風，動力參數(shù)和水汽參數(shù)以25百分位值作為其最低閾值(表4)。不同區(qū)域各型雷暴大風的對流參數(shù)存在一定差異，用同一閾值對雷暴大風作潛勢預報會帶來較多空報和漏報。鄂西南、江漢平原的對流參數(shù)離散度較小，因此鄂西南、江漢平原雷暴大風的對流參數(shù)閾值主要參考全省閾值，全省雷暴大風的K指數(shù)、ΔT85和CAPE閾值分別為35℃、25℃、925 J·kg-1，其中江漢平原雷暴大風的ΔT85閾值比全省閾值略低。鄂東、鄂西北雷暴大風的對流參數(shù)離散度較大，尤其是鄂東，斜壓鋒生型、準正壓型、低層暖平流強迫型雷暴大風的對流參數(shù)低值主要出現(xiàn)在鄂東，使得鄂東對流參數(shù)的閾值比其他區(qū)域低。鄂西北雷暴大風以冷平流強迫型為主，其對流參數(shù)閾值參考該類型箱線圖中的25百分位值，其他類型參考全省閾值。表4未從季節(jié)上對環(huán)境參數(shù)作進一步劃分，一般來說，春季大氣對流不穩(wěn)定條件較差，以動力強迫為主，各區(qū)域斜壓鋒生型的ΔT85、CAPE比全省閾值低；夏季對流不穩(wěn)定條件較好，弱的抬升條件就可觸發(fā)強風暴，各區(qū)域準正壓型的CAPE比全省閾值高。

表4 湖北各型雷暴大風的分區(qū)環(huán)境參數(shù)閾值Table 4 Thresholds of environmental parameters for the different types of thunderstorm gales in the different regions of Hubei.

5 結(jié)論與討論

本文利用常規(guī)觀測資料、NCEP再分析資料、閃電定位資料和雷達資料，對湖北省2007—2015年54個雷暴大風日的時空分布特征、天氣系統(tǒng)配置和環(huán)境參數(shù)特征進行了分析，統(tǒng)計分析了全省以及不同自然區(qū)域和不同季節(jié)各型雷暴大風的環(huán)境參數(shù)分布特征及閾值。主要得出以下結(jié)論：

(1)湖北雷暴大風分為高空冷平流強迫型、低層暖平流強迫型、斜壓鋒生型、準正壓型四種類型，主要發(fā)生在3—8月，7月最多，夏季雷暴大風日數(shù)占全年總數(shù)的78%。雷暴大風的日變化特征明顯，其主要發(fā)生在15—19時，峰值在16時，08—10時無雷暴大風記錄。雷暴大風空間分布不均，鄂西南的宜昌和鄂東的黃石附近出現(xiàn)高頻中心，鄂西北的十堰附近為次高頻中心，鄂西南的恩施地區(qū)發(fā)生頻率較小。

(2)湖北各型雷暴大風中，高空冷平流強迫型最多，占總數(shù)的31%，其次是準正壓型，占30%，低層暖平流強迫型占26%，斜壓鋒生型最少。斜壓鋒生型主要發(fā)生在春季，其他類型主要發(fā)生在夏季，斜壓鋒生型從3月開始出現(xiàn)，低層暖平流強迫型和高空冷平流強迫型從4月開始出現(xiàn)，準正壓型6月才出現(xiàn)；6月發(fā)生最多的雷暴大風是高空冷平流強迫型，7月和8月準正壓型最多。

(3)湖北不同區(qū)域各型雷暴大風的分布差別較大。鄂西北冷平流強迫型最多，且此型主要出現(xiàn)在該區(qū)域；鄂東暖平流強迫型、斜壓鋒生型和準正壓型均較多，斜壓鋒生型幾乎均出現(xiàn)該區(qū)域；宜昌地區(qū)冷平流強迫型、暖平流強迫型和準正壓型均較多；江漢平原暖平流強迫型最多；恩施地區(qū)各型雷暴大風均偏少，其中準正壓型相對較多。

(4)湖北各型雷暴大風的環(huán)境參數(shù)存在差異。高空冷平流強迫型的850 hPa與500 hPa溫差和中低層風垂直切變較大、850 hPa露點偏低；低層暖平流強迫型的K指數(shù)和中低層風垂直切變均較大；準正壓型的CAPE較高、中低層和低層風垂直切變較小；斜壓鋒生型的中低層和低層風垂直切變均較大。大多數(shù)雷暴大風發(fā)生在上干下濕的環(huán)境條件下，但是少數(shù)整層干燥和整層高濕的環(huán)境條件也可產(chǎn)生雷暴大風。

(5)湖北不同區(qū)域各型雷暴大風的對流參數(shù)不同，鄂西南、江漢平原雷暴大風的對流參數(shù)離散度較小，主要參考全省閾值，即K指數(shù)≥35℃、ΔT85≥25℃、CAPE≥925 J·kg-1；鄂東、鄂西北雷暴大風的對流參數(shù)離散度較大，尤其是鄂東，按區(qū)域歸納各型雷暴大風的對流參數(shù)閾值，對其預報預警的指導意義更大。

環(huán)境參數(shù)可從不同側(cè)面反映大氣的能量及動量、水汽等分布狀況，不同區(qū)域、不同天氣背景下，不同環(huán)境參數(shù)貢獻大小不同。在相似的環(huán)流背景和環(huán)境參數(shù)條件下，雷暴大風的有無、落區(qū)、強度均有較大區(qū)別。因此，使用環(huán)境參數(shù)閾值制作雷暴大風潛勢預報會帶來較多空報和漏報。湖北各區(qū)域天氣影響系統(tǒng)、周邊地形和地貌區(qū)別較大，今后應加強大尺度分型和環(huán)境參數(shù)細化研究，并充分考慮區(qū)域地形以及邊界層觸發(fā)抬升系統(tǒng)的差異，進一步分析地形地貌、大尺度與邊界層中小尺度系統(tǒng)對雷暴大風發(fā)生發(fā)展的作用，不斷提高湖北雷暴大風的預報預警和氣象服務能力。