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  暴雨灾害   2019, Vol. 38 Issue (2): 144-151.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2019.02.006

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2019.02.006

资助项目

中国气象局公益性行业(气象)科研专项(GYHY20146002);中国气象局气象预报业务关键技术发展专项(YBGJXM2018-02-12)

第一作者

许彬, 主要从事气象预报预测与决策气象服务。E-mail:1176325432@qq.com

通信作者

许爱华, 主要从事天气预报业务与预报技术研究。E-mail:767634540@qq.com

文章历史

收稿日期:2018-08-17
定稿日期:2019-03-11
强对流天气概念模型在江西“3·4”极端大风预报中的应用
许彬1 , 许爱华2 , 陈云辉2 , 陈翔翔2     
1. 江西省气候中心, 南昌 330096;
2. 江西省气象台, 南昌 330096
摘要:对强对流天气12 h以上的潜势预报尤其是分类预报,目前仍是天气预报业务中的难点。2018年3月4日江西遭遇一次极端雷暴大风天气过程(简称"3·4"江西雷暴大风过程),虽然江西省气象台3月2日对外发布了区域性雷暴大风、冰雹等强对流天气预报,但对其极端性和开始影响江西的时间等事先估计不足。利用主流数值预报模式产品,对照强对流概念模型条件,对"3·4"江西雷暴大风过程的实时预报思路、经验和不足进行了总结分析与反思。结果表明:(1)该过程天气形势符合我国槽前暖平流强迫类强对流概念模型,其有利的环境条件为500 hPa有大经向度高空低槽东移,且槽前有干冷舌;低层有异常强盛的西南急流及脉动,其脉动加强特征与我国南方西南急流通常在早上加强的日变化特征完全不同;同时低层湿舌明显增强,与500 hPa形势对应,形成上干冷、下暖湿环境条件。(2)地面低压倒槽异常发展,超低空急流上有风向或风速辐合时,导致地面暖区辐合线生成,是判断强对流午后先在强西南气流的暖区中形成的重要判据之一。(3)3月4日江南地区850 hPa与500 hPa温差(T850-500)、对流有效位能(CAPE)等多个不稳定指数异常偏强,均明显高出其气候平均态。(4)深刻理解强对流概念模型、准确把握气象要素和物理量平均值态与异常、细致分析有别于其日变化的急流变化特征,是做好此类罕见致灾性雷暴大风潜势预报的关键着眼点。
关键词雷暴大风    概念模型    暖平流强迫    异常不稳定指数    
Application of severe convection weather conceptual model to forecast of an extreme gale event occurred in Jiangxi on 4 March 2018
XU Bin1 , XU Aihua2 , CHEN Yunhui2 , CHEN Xiangxiang2     
1. Jiangxi Climate Center, Nanchang 330096;
2. Jiangxi Meteorological Observatory, Nanchang 330096
Abstract: The severe convective weather potential forecast, especially classification forecast of more than 12 hours in future is still one of the most difficult problems in forecasting operation at present. Jiangxi province encountered an extremely thunderstorm gale event (hereinafter referred to as the "3·4" gale event) on 4 March 2018. Although a forecast for severe convective weathers like regional thunderstorm gale and hail was issued by Jiangxi Meteorological Observatory on 2 March 2018, it was underestimated for the extreme intensity and beginning time of influencing Jiangxi. Based on numerical prediction models like ECMWF and comparing with the severe convective concept model, we have made a rethink for real-time forecast ideas, experiences and shortages of the "3·4" gale event. The results are as follows. (1) The synoptic situation of the "3·4" gale event meets the concept severe convective model of low-level prior-trough warm advection forcing type in China; it occurs under eastward movement of low trough with large degree of meridionality at 500 hPa and dry and cold tongue in front of trough. There exists an abnormally strong southwest jet pulsating in the low-level, whose strengthen is mostly different from that of southwest jet in south China in the morning in general. In addition, the significantly strengthening of wet tongue in the low-level is in coherence with the synoptic situation at 500 hPa, which causes the configuration of dry and cold air in the high and warm and humid air in the low level. (2) When the wind direction or velocity convergence occurs in the ultra-lower-level jet after surface low pressure with a warm inverted trough develops intensively, surface convergence line forms in the warm sector, which is an important criterion for severe convection weather occurred in warm sector of inverted trough. (3) Several instability indices, such as the temperature difference (T850-500) between 850 hPa and 500 hPa and CAPE, are significantly strong; they are higher than their climatological mean. (4) There are three key points to better forecast the extreme disaster-causing thunderstorm gale events, i.e. completely understanding the concept model of severe convection prediction, accurately grasping the averaged and abnormal values of the meteorological elements, and carefully analyzing the southwest jet pulse apart from its diurnal variation.
Key words: thunderstorm gale    concept model    warm advection force    abnormal instability index    
引言

雷暴大风是由对流活动造成的地面或近地面风速大于17 m·s-1的大风(除龙卷以外)事件。雷暴大风多由中小尺度天气系统直接造成,具有突发性强、历时短、易致灾、预报难度大等特点,其形成机理、环境条件与预报技术一直是气象工作者关注和研究的重点。近10多年来,我国在雷暴大风形成机理与环境条件研究方面取得较多成果。杨新林等[1]对比研究华南雷暴大风和普通雷暴的大尺度环境条件指出,雷暴大风发生时条件性不稳定、斜压性和动力强迫更强,并给出雷暴大风和普通雷暴的大尺度环境物理量及阈值分布。费海燕等[2]研究我国中东部25 m·s-1以上强雷暴大风的环境场指出,华东地区线状对流垂直风切变较大,其地面到500 hPa层平均为19.7 m·s-1,存在明显干层,华东地区500 hPa附近中层温度露点差大于15 ℃。也有人分析了广西[3]、山东[4]、湖南[5]地区雷暴大风天气系统配置模型以及部分物理量特征,特别是肖云等[6]对比分析江西省10 a的冰雹、雷暴大风和30 mm·h-1短时强降水过程的主要物理量特征指出,雷暴大风过程的垂直风切变中位数达到17 m·s-1,对流有效位能(CAPE)、850 hPa与500 hPa温差(T850-500)、抬升指数的中位数分别达1 924 J·kg-1、25 ℃、-5 ℃,这些物理量值(负值取绝对值)低于冰雹过程的中位数,高于短时强降水过程的中位数。另外,方翀等[7]统计分析了2011—2015年华北地区雷暴大风的物理量特征。朱凯全等[8]研究指出,表征微下击暴流潜势的物理量WIDEX指数与实际大风风速相近,对桃仙机场雷暴大风强度预报具有指示性,同时指出WIDEX指数高值区需要外流边界启动条件才可能出现雷暴大风。还有不少气象工作者[9-13]从环境条件和雷达回波演变方面分析典型雷暴大风个例成因,给出相应的若干预报着眼点。由于雷暴大风、冰雹、短时强降水同属于强对流天气,往往相伴出现,其形成环境条件相似,因此在雷暴大风、冰雹、短时强降水分类强对流预报技术方面也有一些研究。樊李苗等[14]研究中国短时强降水、强冰雹、雷暴大风以及混合型强对流天气的环境参数特征指出,通过温度对数压力图(T-logp)温湿曲线形态,500 hPa与700 hPa、850 hPa与500 hPa温差,0 ℃层、-20 ℃层和平衡层高度,地面和1.5 km高度露点温度,1.5 km高度温度露点差,CAPE,以及0—6 km垂直风切变等,可以大致区分短时强降水与以冰雹、雷暴大风为主的强对流天气的环境背景;其中,雷暴大风的环境条件主要体现在中层大气干燥,地面以上1.5 km处露点温度最低、温度露点差显著偏高,高低层温度差最大(T850-500达26~37℃),CAPE平均值为1 500 J·kg-1

以上研究成果对理解雷暴大风形成条件和提高雷暴大风分析预报预警能力具有参考价值。然而,这些研究成果多采用统计分析方法,涉及物理机制的较少,且我国地域辽阔,对各地强对流天气形成条件的差异性研究不多,也未能有针对性地解决业务上的相关应用问题,譬如,如何综合各种资料在短期时效提前判断强对流天气发生时间、落区及其主要类型与强度等。同时,预报员个体因对相关研究成果的理解和应用能力参差不齐,在实际业务中对强对流的预报能力有限。如何利用好各类气象资料和相关研究成果,在雷暴大风发生前分析出有利的潜势条件,更早发布预报信息,延长雷暴大风等灾害性天气的预见期,增加灾害防御的准备时间,仍是未来一段时期预报工作的难点。要解决好这一难点,既要继续加强对各类强对流天气成因的研究,也要及时总结其预报经验和教训,不断完善预报思路和不同地区预报预警指标。2018年3月4日我国南方发生一次罕见大范围致灾性雷暴大风天气过程,尤其是江西省出现了有气象记录以来最强雷暴大风过程(以下简称“3·4”江西雷暴大风过程),江西省气象台在3月2日较早发布了4日有区域性雷暴大风、冰雹、短时强降水的预报,并向省委省政府和有关部门呈报了决策气象服务材料,通过多种媒体向公众发布了相关新闻通稿,但对雷暴大风的极端性、开始影响时间等事先估计不足。本文依据欧洲数值预报中心输出的细网格资料(以下简称EC模式),对照许爱华等[15]提出的强对流天气概念模型,分析当时雷暴大风预报思路,期望总结出对一线预报员有借鉴作用的预报经验和预报着眼点。

1 天气实况与灾情

2018年3月4日13—18时(北京时,下同),受强飑线系统影响,江西中北部出现罕见强对流天气,国家气象站观测资料(图 1)显示,南昌等60个县(市)出现8级以上大风,其中安义、都昌等20个县(市)阵风达到或超过10级,庐山、进贤高达12级以上,庐山最大达到13级(37.3 m·s-1)。区域自动气象站资料(图略)显示,江西有521个测站出现8级以上阵风,其中有172个测站超过10级,最大风速(40.8 m·s-1,13级)出现在乐平市塔山工业园站,雷暴大风从江西中部偏西地区向东偏北方向发展加强,风向以西南风为主;3月4日08时— 5日08时,全省平均雨量17.2 mm,36个县(市、区)283个测站出现暴雨,有1站(余干县洪家嘴)出现大暴雨(107.6 mm),22个县(市)共发生30 mm·h-1以上短时强降水62站次,最大小时雨量(55.5 mm) 5日01—02时出现在德兴市杨村站;另外,于都等78个县(市)出现雷电,南城、大余等县出现小冰雹。

图 1 2018年3月4日08时—5日08时江西省国家气象站大风(风向杆)分布(填色区表示风力等级) Fig. 1 Distribution of wind (wind barbs) at the national automatic weather stations over Jiangxi province from 08:00 BT 4 to 08:00 BT 5 March 2018. Color-filled areas denote the Beauford scale level of wind.

“3·4”江西雷暴大风过程有3个特点: (1) 8级以上和10级以上阵风覆盖范围之大,为江西有完整气象记录以来之最,此前江西8级雷暴大风范围最大的过程出现在1981年5月2日(覆盖56个县市),其次是1983年4月28日傍晚到夜间的大风过程(覆盖50个县市) [16],1960—2007年3—9月江西共出现10级以上大风115站次,占8级以上大风的5.7%,而2018年3月4日一天就有20个站发生10级以上大风。(2)区域性雷暴大风发生时间最早,此前江西区域性雷暴大风发生在3月上旬的只有2次,即1982年3月5日(覆盖18个县市)和1991年3月8日(覆盖15个县市),且江西3月份出现的雷暴大风仅占全省3—9月雷暴大风总数的7.5% [16]。(3)强对流类型较多、致灾性强、风灾严重,造成江西省9市26.7万人受灾、14人死亡、400余间房屋倒塌、11×103 hm2农作物受灾,直接经济损失4.1亿元。根据“3·4”雷暴大风从江西中部偏西地区向东偏北方向发展加强的特点,对照许爱华等[15]给出的我国中东部地区强对流天气的5种基本配置(或天气概念模型),该过程属于其中的低空暖平流强迫类强对流天气。

2 强对流天气概念模型在“3·4”江西雷暴大风预报中的应用

国内外将强对流天气预报分为潜势预报(或展望预报)和临近预报。潜势预报方法主要有两类,其中一种是流型判识法,即运用基于中尺度天气分析技术[17]提炼的天气系统配置结构或天气概念模型与环境物理量参数对大气环境条件作出是否有利于强对流发生的潜势判断。许爱华等在文献[15]中给出了强对流天气的5种天气概念模型,并解释了各类概念模型有利的热力、动力、水汽条件与强对流落区及其移动信息,其中,低空暖平流强迫类的概念模型见图 2;其主要机制是,发生在低层700 hPa以下强烈发展的暖湿平流中叠加上动力扰动(高空低槽),低层强烈暖湿平流对对流不稳定建立起主导作用,700—400 hPa前倾槽(垂直槽)或温度槽超前高度槽是产生强的对流不稳定的重要机制之一。

图 2 我国中东部地区低空暖平流强迫类强对流天气概念模型(阴影区为强对流天气发生区域)[15] Fig. 2 The conceptual model of a low-level warm advection forcing- type of severe convective event in the central and eastern China (from 15th reference in the paper). Shaded areas denote the severe convection event zone.

反思“3·4”江西雷暴大风实时预报过程发现,由于对概念模型的理解和应用经验不同,各预报员对该过程的强对流类型、影响范围和开始影响江西的时间等的预报意见存在分歧。为此,本文以3月1日20时为初始场的EC细网格模式预报场作为预报依据,对照暖平流强迫类强对流天气概念模型的动力、热力、不稳定条件,给出有利于此次江西雷暴大风发生的天气系统配置的预报分析过程,以进一步完善这类强对流天气的预报分析思路。

2.1 中层500 hPa预报场分析

许爱华等[15]详细总结了暖平流强迫类概念模型中强对流天气产生的有利条件:700—400 hPa具有特殊结构的低槽为前倾槽或700—500 hPa温度槽超前高度槽,或云图上槽后有清楚的S型后边界,或槽的经向度大于10个纬度且槽前有低于-3 dagpm的负变高;中层500 hPa有明显干舌时,该型强对流天气以雷雨大风和冰雹为主。“3·4”江西雷暴大风过程500 hPa天气形势预报场是否具备这些条件,以及还存在哪些有利条件或预报信号?对此分析如下。

图 3是2018年3月1日20时EC模式对4日不同时刻500 hPa高度场、风场与相对湿度大于等于70%高湿区的预报。从中看到: (1) 500 hPa青藏高原东部有尺度超过10个经纬度的低槽(高原槽和南支槽同位相)向东移动,槽前华南、江南地区西南急流达到24 m·s-1以上,4日08时后急流还呈现加强东移趋势,急流核风速达34~38 m·s-1;由位势倾向方程可知,此类大经向度低槽在槽前更易形成较强天气尺度上升运动,有利于中尺度系统发展。(2)槽前大范围相对湿度(RH)低于70%,大部分地区RH在30%~50%之间,4日14时前江西上空RH更是低至10%~20%,这表明中层湿度明显偏干。研究表明[2, 6-7],雷暴大风天气的环境场显著特征是中层为干空气层,雷暴触发后会因中层干空气的卷入,加大热力不稳定,形成较强下沉对流有效位能(DCAPE),是非常有利于形成对流性大风的环境场条件。

图 3 2018年3月1日20时EC模式预报的4日05时(a)、08时(b)、11时(c)、14时(d) 500 hPa高度场(等值线,单位: dagpm)、风场(风向杆,单位: m·s-1)与相对湿度湿高值区(填色区,大于等于70%) Fig. 3 The 500 hPa geopotential height (contours, unit: dagpm), wind (wind barbs, unit: m·s-1) and relative humidity (color-filled areas have values greater than or equal to 70%) at (a) 05:00 BT, (b) 08:00 BT, (c) 11:00 BT and (d) 14:00 BT on 4 March which is forecasted by ECWMF model initiating at 20:00 BT on 1 March 2018.

以往研究工作中,温度露点差法、相对湿度阈值法和温度露点差-相对湿度阈值结合法是判断云顶高度的常用方法。如周毓荃等[18]基于L波段探空数据,利用相对湿度阈值法,选取84%作为云顶阈值。根据这种思路和预报经验分析,低槽前部西南急流中大范围“干区”中出现RH>80%的“核”或带状区域可视为对流发展的结果。图 3a显示,4日05时广西北部局部产生强对流,08—14时RH≥80%的区域向东向北移动并扩大,表明此强对流系统向东偏北方向移动时呈发展态势,11—14时该高湿区从湖南移入江西境内(图 3cd),这为预报江西当日中午前后有强对流天气发展提供了重要信号。事后,对比相应时刻卫星云图和雷达回波产品,预报500 hPa RH≥80%的区域和实况低亮温中心区及飑线回波位置基本一致(图略),这再次说明此预报经验对判断强对流发展、移动及其影响时间有重要参考价值。

此外,由3月1日20时EC模式对4日不同时刻500 hPa的-12 ℃等温线预报结果(图 4)可知,低槽前有明显温度槽东移发展,有利槽前建立“上冷下暖”层结,加大中低层对流不稳定,这也是槽前类强对流不稳定建立的重要机制[15];4日8—11时-12 ℃温度槽移至湘南,湖南境内出现强对流天气,14时湘中、赣中各有一-12 ℃温度槽,江西境内强对流天气发展。4日预报场还显示广西、湖南、江西大部T850-500达到28~33 ℃,这在江南地区尤为罕见。在低槽等天气系统影响下,江西T850-500超过27 ℃时出现强对流天气概率为85%[19]

图 4 2018年3月1日20时EC模式预报的4日不同时刻500 hPa温度-12℃线 Fig. 4 The -12 ℃ isotherm at 500 hPa at different times of 4 March which is forecasted by ECWMF modal initiating at 20:00 BT on 1 March 2018.
2.2 低层预报场分析 2.2.1 低空急流异常强盛

应用暖平流概念模型时,对低层强暖湿平流的分析至关重要。这种低层强暖湿平流与低空急流的关系十分密切,低空急流对中尺度天气系统发展的作用主要体现在有利于热力不稳定增强、水汽输送和低空垂直风切变维持以及启动不稳定能量释放的抬升运动[20]

“3·4”江西雷暴大风过程从3日夜间开始,低层925—700 hPa华南北部到江南地区西南急流异常发展,风速达到多年平均值的2倍以上(表 1),其中700 hPa急流强度达到20~26 m·s-1,850 hPa急流强度达18~30 m·s-1 (图略),4日08—14时急流核主要位于湖南中南部,因此对流可能在湘中南得到较快发展。925 hPa超低空西南急流达16~26 m·s-1(图 5),强度超过平均值2~5个标准差(表 1),尤其是14—17时江西中北部大多地区风速增加4~8 m·s-1,具有明显的风速中心或核,即有风速脉动或风速辐合。王东阡等[21]研究中国东部西南急流日变化指出,在夜间(02LST)和早晨(08LST)中国东南部大部分地区急流发生频率较高,而在白天(14LST)和傍晚(20LST)低空急流发生频率较低。本次过程低空急流加强与上述日变化特征正好相反,急流是在14—17时明显加强。此时段低空急流发展可能同南支槽系统发展东移有关,而低空急流(核)加强表明低层动力抬升条件趋于更好,更易启动和触发条件不稳定能量释放。不稳定条件下动量下传[8]有利于形成地面大风。同时,对流层中低层强盛的西南急流造成异常强的垂直风切变,则有利于长生命史中尺度对流系统维持。

图 5 2018年3月1日20时EC模式预报的4日08时(a)、11时(b)、14时(c)与17时(d) 925 hPa风场(风向杆,单位: m·s-1;填色区为风速大于等于12 m·s-1急流) Fig. 5 Same as Fig.3, but for the 925 hPa wind (wind barbs, unit: m·s-1) and color-filled areas show where wind speed is above 12 m·s-1.

表 1 2000—2018年3月各站不同高度风向为180°~260°时风速平均值(v)及其标准差(s) Table 1 Mean (v) and standard deviation (s) of wind speed in March at different stations and altitudes when wind direction is between 180° and 260°during 2000-2018.
2.2.2 地面天气系统分析

暖平流强迫概念模型中,暖低压槽中的辐合线是重要的地面天气系统,地面辐合线往往是强对流触发系统。“3·4”江西雷暴大风过程中,EC模式并未预报出4日08—14时湘赣有地面暖区辐合线生成,给强对流预报带来一定难度和不确定性。江西预报实践表明,各类数值模式对地面暖区辐合线漏报较多,而实况天气图上江南地区地面低压倒槽明显发展期间,经常伴随着地面暖区辐合线生成;尤其是925 hPa急流上有风向或风速辐合时,地面倒槽中易形成辐合线[22]。EC模式预报从3日14时—4日14时南昌(图 6ab)气压大约下降了5 hPa;4日14时气压为1 002.5 hPa,异常偏低,明显低于历年3月上旬南昌14时平均气压(1 020.5 hPa),锋面式辐合线位于30°N附近,而模式对实况位于赣北南部到赣中(27°N附近)的暖区辐合线并未提前报出。结合对925 hPa急流脉动和地面倒槽强烈发展的分析,判断地面有暖区辐合线生成的可能性较大,这是预报强对流在地面倒槽内先发展起来的动力触发条件的关键判据之一,且该判据分析对形成“午后在强西南气流中暖区形成强对流”的正确预报结论至关重要,而不是判断傍晚冷锋南下时在锋面附近激发出强对流。这两种判断,除动力触发机制存在本质差别外,对强对流影响江西的时间判断也相差了关键的6 h左右。

图 6 2018年3月1日20时EC模式预报的3日14时(a)和4日14时(b)海平面气压(黑色数值,单位: hPa)及10 m风场(风向杆,单位: m·s-1) 黑色粗实线为14时实况地面天气图中的暖区辐合线,×代表南昌位置 Fig. 6 Sea level pressure (black numbers, unit: hPa) and the wind (wind barbs, unit: m·s-1) at 10 m height at (a) 14:00 BT 3 and (b) 14:00 BT 4 March which is forecasted by ECWMF model initiating at 20:00 BT on 1 March 2018. Thick black line indicates convergence line in the warm sector in the surface synoptic map observed, while Nanchang station is shown by symbol"×"
2.2.3 水汽条件

低层强盛西南急流可为强对流发展提供水汽输送条件。为了分析“3·4”江西雷暴大风过程低层水汽变化,图 7给出EC数值模式1日20时对4日11时、14时850 hPa比湿(q)的预报。4日11时(图 7a),比湿舌位于广西、湖南东部到江西西部,江西中北部大部地区q<10 g·kg-1;4日14时(图 7b),比湿舌东移并加强,江西大部q增加到10~12 g·kg-1,达到江南早春产生暴雨的比湿条件。结合上述500 hPa相对湿度预报,可清楚地判断出4日14时江南上空“上干下湿”的湿度结构。这种湿度环境条件下[23],既有利引发灾害性大风,也使得雷暴群更有组织性和具有更长生命史。因此,根据预报场中“上干下湿”特点可判断3月4日江西具备了出现雷暴大风的典型环境场的湿度特征。

图 7 2018年3月1日20时EC模式预报的4日11时(a)和14时(b) 850 hPa比湿(等值线间隔2 g·kg-1,阴影区比湿大于等于12 g·kg-1) Fig. 7 The 850 hPa specific humidity (unit: g·kg-1) at (a) 11:00 BT and (b) 14:00 BT on 4 March which is forecasted by ECWMF model initiating at 20:00 BT on 1 March 2018. Contours interval is 2 g·kg-1, and shaded areas indicate where specific humidity is above 12 g·kg-1.
2.3 不稳定能量场分析

“3·4”江西雷暴大风过程中,低层强盛西南急流导致江南增暖,EC模式提前预报出850 hPa 3月4日江南地区24 h普遍增温2~3 ℃,而中层500 hPa又有温度槽东移,导致江南地区T850-500达28~33 ℃,加剧了热力不稳定。3月4日08—14时湖南、江西中北部CAPE不断加大并向东发展(图 8),达到1 500~2 000 J·kg-1。利用2001—2010年NCEP资料计算得到江西历年3月上旬CAPE的平均值为10~65 J·kg-1,江西雷暴大风过程全年CAPE的中位数[6]为1 924 J·kg-1。这说明3月4日14时江西不稳定能量处于高值区,而4日17时大部降到1 500 J·kg-1以下,CAPE由最大值迅速减小(能量释放)往往表明浮力可能已转化为动能,强对流天气已经发生。

图 8 2018年3月1日20时EC模式预报4日11时(a)和14时(b)的对流有效位能(单位: J·kg-1;阴影区对流有效位能大于等于1 500 J·kg-1) Fig. 8 Same as Fig.7, but for Convective Available Potential Energy (CAPE, unit: J·kg-1) and the shaded areas indicate where CAPE is above 1 500 J·kg-1.
2.4 其他预报信息分析

EC模式输出的地面逐3 h最大阵风预报结果(图略)显示,4日08—20时江西省境内有较大范围13~~20 m·s-1阵风,表明地面环境场的风可能较大,在对流系统发展时,环境风与对流系统风可能产生叠加,从而增大了对流性强风发生概率。同时,EC模式预报3月4日14—20时江西中北部降水较弱,6 h降水量大多在5 mm以下。预报经验表明,在分析出有强对流发展的潜势条件下,模式的弱降水预报结果可以辅助判断强对流过程的类型将会以雷暴大风(干对流)为主。

综上预报员依据概念模型对此次强对流天气形成的环境条件的主观分析过程的总结和预报再现可知,对照强对流暖平流概念模型,从EC模式36—48 h形势和要素预报场中可分析出大经向度的高空低槽及槽前干冷、异常强盛的低空急流(急流核)及暖湿、地面异常发展的低压倒槽,正是多系统共同作用形成了3月4日有利的动力、热力、水汽环境条件,特别是925 hPa急流上有风向或风速辐合时,地面倒槽中易形成辐合线的推断是预报强对流在地面暖倒槽内先触发的关键判据之一。另外,中层500 hPa大范围干区中RH≥80%的“核”或“窄带状区”的发展和移动、地面最大阵风、大的不稳定能量及释放、小雨等级降水等预报信息有助于判断强对流过程开始的时间和主要落区以及以大风为主的强对流类型。因此,应用暖平流强迫类概念模型,可作出3月4日下午江西有明显区域性雷暴大风天气过程的潜势预报,但不足的是概念模型没有涉及对8级以上大风进行风力级别的判识和预报。对此,可从多个不稳定指数异常[24]、西南急流异常判断出强对流天气过程的极端性较高。

3 结论与讨论

本文利用EC模式预报产品,对照暖平流强迫类强对流天气概念模型,对“3·4”江西雷暴大风的潜势预报进行了再现与分析总结,主要得出以下结论:

(1)“3·4”江西雷暴大风过程是一次典型的以暖区雷暴大风为主的春季强对流天气过程,符合我国暖平流强迫类概念模型。依据该模型,可分析出EC模式预报中有利于区域性强对流天气发生的环境条件: 500 hPa大经向度高空低槽和槽前干冷;低层异常强盛的西南急流及脉动(尤其是超低空急流)、低层湿舌;地面异常发展的低压倒槽;多个异常不稳定指数等。

(2) 本次过程低空急流加强(脉动)的特征与我国南方西南急流通常在早上加强的日变化特征完全不同,而是在4日下午14—17时急流明显加强;此时段低空急流发展同南支槽系统发展东移有关,而低空急流(核)加强表明低层动力抬升条件趋于更好,更易启动和触发条件不稳定能量释放。

(3) 在具备强天气尺度强迫、上干下湿、强热力不稳定等条件下,对强对流具体发生时间、落区、类型的判断,值得关注的辅助预报信息还包括: 500 hPa低槽前部西南急流区大范围干区中出现相对湿度大于80%的“核”或“窄带状区”, 这可视为对流发展结果,据此判断对流发生的具体时间和落区;模式预报中低层700—500 hPa很干,同时预报有弱降水,有助于判断强对流天气类型以雷暴大风为主。

结合概念模型,3月2日江西省气象台提前开展了预报和气象服务,但对雷暴大风极端性事先估计不足,部分预报员对暖区强对流由多个系统共同组织和触发认识不够;或对925 hPa急流上有风向或风速辐合时地面倒槽中易形成辐合线[22]的触发机制判断不明,只分析了在紧邻冷锋的地区可能产生强对流。而实况是在暖区出现大范围雷暴大风后能量大量释放,紧邻冷锋地区并未发展出强对流系统。今后,要做好类似罕见致灾性雷暴大风潜势预报:一要深刻理解强对流概念模型,尤其是触发条件分析,或由地面辐合线单个触发,或由多系统共同组织触发;二要熟悉各季节主要物理量平均值态,捕捉单次过程异常信号,更好地分析强对流出现的可能性、强度或极端性;三要在有利环境条件下,注重分析和判断细节,如与日变化不同步的急流强度的异常变化,500 hPa大范围干区中的湿区(核)可能是对流发展的结果,弱降水预报结果可能更多预示强对流类型主要为大风(干对流),CAPE值迅速降低(如3月4日14—17时降低300~500 J·kg-1)可能预示强对流系统减弱等。

另外,从该研究中还得到一点启发:在EC精细化格点预报场相对准确的情况下,综合应用一些有价值的研究成果、预报方法、预报经验,可增强原有预报场对极端天气的预报能力,有助于提高雷暴大风业务预报水平,其预报关键点的提炼与综合应用思路也可作为今后机器学习订正的典型案例。

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