引言

强对流天气是指雷暴、冰雹、龙卷、雷雨大风和飑线等剧烈的天气现象，属于中小尺度天气系统。它们的水平尺度变化可以从几公里范围的浓积雨云一直到几百公里的飑线，其垂直范围可以伸展到10 km以上，或占据整个对流层，是气象灾害中历时短（有时强对流从发生到结束仅30~50 min，有时可达数小时）、局地性强、天气剧烈、破坏性强的灾害性天气，也是目前陆地监测、预报、预警难点之一^[1-5]，较强的强对流天气系统对区域经济会造成较大影响，直接威胁人类生命和财产安全。2015年6月1日21时30分（北京时，下同）左右，由于遭受强对流天气的突然袭击，一艘载有456人的由南京驶往重庆的“东方之星”客轮在长江湖北段监利县附近倾覆，造成442人遇难的特大事故（以下简称沉船事件）。

本文根据自身天气预报实际工作经验，尤其是强天气预报中所遇到的问题，结合2015年6月1日强对流天气进行分析，提出强对流天气的预报思路和预报着眼点。

1 强对流天气预报中存在的若干问题 1.1 对于强对流天气监测能力不足

强对流天气发生时尺度非常小，带有明显的局地性和突发性，因此需要高时空分辨率的天气监测网。目前对于强对流天气监测的能力有限，仅有卫星、雷达和地面加密观测网可以对强对流天气进行监测。卫星观测是风云2号双星观测，空间分辨率红外云图 5 km，可见光云图 1.25 km，时间分辨率为30 min。雷达观测是由常规雷达和多普勒雷达网进行监测，湖北目前有8部雷达，其中有5部多普勒雷达分别位于十堰、恩施、宜昌、荆州和武汉，其空间分辨率为1 km×1°，时间分辨率为6 min，每部多普勒雷达有效观测半径是反射率观测460 km，多普勒风场观测230 km。虽然天气雷达和多普勒天气雷达是目前探测预警强对流天气最有效工具之一，但其本身也存在一定的局限性，随着探测距离的增加其探测能力减弱。而地面加密观测网是温度、风、雨量三参数自动观测，目前湖北共有自动站2 427个，空间分辨率为5~10 km，时间分辨率为10 min。龙卷、下击暴流、局地大风等强对流的空间尺度只有几十米到几公里，时间尺度只有几分钟到十几分钟，显然依靠这些观测网对于强对流天气进行监测是不足的。

对于这次沉船事件的天气监测记录是：2015年6月1日21时06分，监利县气象观测站出现最大瞬时风9.2 m·s^-1，22时03分，监利县东南方向靠近长江边的尺八自动气象站（距事发点约35 km）最大瞬时风16.4 m·s^-1。21—22时监利站1 h降雨量64.9 mm。在距事发地92 km的多普勒雷达监测资料表明，事发时段当地出现水平尺度1~2 km，持续时间15~20 min的中气旋。实事上所有这些监测资料并没有完全反映当时的天气实况。

1.2 对强对流天气形成的机理认识不足

由于目前对于强对流天气的监测只能靠雷达、卫星等中尺度观测工具进行，而这些中尺度观测工具本身也具有一定的局限性，因此对它的形成机理认识有限。早期Miller^[6]在研究美国的强风暴后认为：在强热力不稳定和强动力学因子都出现时，才有强风暴的发展。后来的研究发现，这些并不能包含发生风暴天气的所有典型条件。Maddox等^[7]指出：在强热力条件和弱的动力学条件下以及弱热力学条件和强动力条件下也可出现强对流性天气。Wilson等^[8]统计表明，大约有一半的雷暴在边界层辐合线附近生成，而当两条辐合线相遇时，其相遇的区域附近更容易有雷暴生成。付丹红等^[9]利用中尺度非静力平衡模式(MM5V3)，模拟研究了一次发生在北京的强对流天气过程得到，积云合并对中尺度对流系统(MCS)的形成有着重要作用。积云合并过程导致云内上升—下沉气流增强，对流运动发展加强，有利于水汽转化，形成大量过冷云水和冰相粒子，大量冰晶和霰的形成有利于强降水和大风天气的产生。

在国内，近些年来随着新一代多普勒天气雷达探测网的建设和投入业务应用，气象工作者对强对流天气的形成机理进行了较多的研究和分析，但也存在一些问题，主要表现在以下四个方面:一是对强对流天气形成机理的认识大多停留在天气尺度系统上, 对中尺度系统发生发展的物理机制研究不够深入; 二是涉及到物理本质的相关探讨显得薄弱, 大多停留在天气学、运动学分析上, 从动力学、热力学以及不稳定等方面所作的分析尚嫌不够; 三是对中小尺度系统的三维动力、热力结构缺少细致剖析, 尤其是通过观测资料分析揭示其三维结构特征方面少有建树; 四是针对中小尺度天气系统发生发展演变规律所作探讨的精细化程度不高, 也缺乏对大尺度和中小尺度天气系统之间相互作用机制的研究。

1.3 数值预报模式对强对流天气预报能力不足

20世纪初，Bjerknes首次将天气预报问题提升为数学上的初值问题，即根据某时刻实测的气象资料，通过描述大气运动的动力方程组，计算出将来某时刻大气的运动和状态。但是，到目前为止，大气动力方程组还没有解析解，只能求它的数值解。这就是数值天气预报的思想。目前, 无论是全球数值预报模式还是区域数值模式对强对流天气预报的水平还很有限, 其原因是多方面的。一方面模式的物理过程、资料同化方法对于强对流天气的描述还不全面, 另一方面我国复杂的地理地形因素对数值预报也有较大的影响, 数值模式对强对流天气的预报偏差的原因还不清楚。预报业务人员虽注意到了数值模式对强对流天气模拟的偏差, 但难以改进数值模式。数值模式研发人员要提高对强对流天气演变规律的认识, 全面掌握其初始状态, 并依此改进数值模式。

1.4 强对流天气预报方法不足

目前对于强对流天气的预报主要依靠预报员的主观判断，还没有行之有效的客观预报方法和工具。在业务中运用较多的是短时临近预报，主要采用线形外推方法，即基于多普勒雷达回波特征，结合地面加密观测（降水和风场）、卫星云图、闪电定位信息和强对流实况等，以预报员主观分析预报为主，对卫星云图、雷达回波强度加以判断和外推预报。

1.5 强对流天气预报预警难度大

强对流天气由于其尺度小、生命史短、发展迅猛，所以其预报预警难度比较大。对于生命史较长的大范围强对流天气，根据形势和影响系统及雷达监测，可以提前进行预报预警服务；而对于从生成到消亡仅仅十几分钟到三十分钟的局地强对流天气则难以预报预警。目前，新一代多普勒天气雷达是探测强对流天气最有效工具之一，在美国利用多普勒天气雷达，对局地强对流天气预警提前时间也仅仅只有14~17 min，龙卷的预警提前时间平均近8.8 min，预报成功率也仅有46%^[10]。而在我国对于龙卷这样少发的小尺度强对流天气，也是在近些年随着新一代天气雷达投入业务应用后，才不断地探测到并进行研究的，所以在预报预警方面还存在很大的难度和差距。这也是气象预报工作者今后努力的方向之一。

2 强对流天气预报的着眼点

尽管强对流天气预报存在许多难点，但在实际天气预报分析中可以尝试在以下几个方面进行强对流天气的预报工作。

2.1 强对流天气发生的气候背景

了解本地区强对流天气的气候特征对于做好强对流天气预报是非常重要的。统计发现^[11]，湖北省强对流天气主要出现在3—8月，其中又以4—6月为最多。这是因为，4—6月冷暖空气的强烈交锋、冲突有利于强对流天气的形成。强对流天气较多发生在午后到傍晚这段时间内。影响湖北省的强对流天气雷雨大风最多，冰雹次之，龙卷最少。湖北省的强对流天气的地理分布极不均匀，山区雷雨大风、冰雹多于平原，而龙卷则是平原多于山区。对于湖北省1955— 1983年春季（3—5月）31年发生的冰雹天气进行统计发现，存在以下几个冰雹多发中心：鄂西南和江汉平原西部，鄂北的保康、随州一带，以及鄂东的沔阳、孝感、黄陂、三汉（汉口、汉川、汉阳）地区。每年的3—8月是湖北省强对流天气的多发时期，春季强对流以冰雹和龙卷天气较多，而夏季强对流则以雷雨大风天气较多。湖北省的强对流天气一般发生在一日之中的下午到上半夜这段时间。

湖北省强对流天气的多发地与特定的地形条件密切相关。大别山位于湖北省东北部，呈东南—西北走向，幕阜山位于湖北省东南部，呈西南—东北走向，两山在鄂东构成喇叭型。九江至汉口的长江段和汉江，呈东南—西北走向从大别山和幕阜山之间流过，岳阳至汉口的长江段呈西南—东北走向，它们在武汉相连成“人”字型。在西南气流型强对流过程中，山脉与河流的分布和走向恰好与低层盛行的偏南风一致，地形的增幅作用，致使鄱阳湖—九江—黄石—汉口形成一支大于5 m· s^-1的东南风。另一支风速大于5 m· s^-1的西南风则从洞庭湖—岳阳—洪湖—嘉鱼北上至汉口。两支气流分别来自鄱阳湖和洞庭湖，暖而潮湿，沿长江北上在武汉汇合。在“人”字型西侧的嘉鱼到监利附近常常可以分析出一条中尺度辐合线，午后随着偏南风的增强而向北移动，易导致这一带龙卷等强对流天气的发生。所以仙桃、孝感、黄陂、三汉（汉口、汉川、汉阳）地区成为强对流天气的多发中心。

2.2 配料法为主的强对流潜势预报方法

在强对流预报中，引入对强对流形成关键物理因子的诊断分析，优于常用的天气分型方法，如在实际预报中，实际天气形势与典型天气型不一致时仍可能出现强对流，这是因为天气形势的演变只是为强对流的形成提供大尺度的背景，而强对流是否发生取决于其形成的内在物理机制。陶诗言先生将这种基于暴雨等强对流天气物理机制认识基础上，通过分析关键物理因子互相配合和演变过程的预报方法形象概括总结为“配料法”。实际应用中，可以通过定量计算或定性分析对强对流发生发展起重要作用的基本物理量，从这些基本量的搭配方式，预测是否会产生强对流天气。

在对强对流发生的物理过程认识的基础上，分析造成强对流天气形成的基本要素，作为预报“配料”。强对流天气发生的基本条件为不稳定层结的存在、充分的水汽供应和一定的启动机制。强对流配料主要有：层结不稳定包括对流有效位能（CAPE）和对流抑制位能，对流指数K、SI，850和500 hPa温度差等；水汽包括水汽通量散度、比湿等；抬升机制包括天气尺度辐合系统、边界层辐合线和中尺度地形等。

诊断因子的选取：与强对流形成基本要素对应的诊断因子很多，如何选取适当的表征强对流发生、发展的诊断因子是建立配料法模型的关键。诊断因子的选取应针对不同地域、气候背景和影响系统来灵活选择。最后是计算诊断量，研究其与强对流的对应关系。可以运用统计的方法或定性分析诊断因子在强对流发生发展中的演变特征，注重多种因子的综合叠套，单一因子的作用是难以引发较强对流的。具体应用中，因子的选择可以变化，计算出的诊断因子的量值，具有一定的指标意义，但很难作为严格的阈值使用，这种因子的选择和量值的确定具有很大的灵活性。

2.3 天气学分型的强对流天气预报方法

天气学分型方法是预报员进行天气预报常用的一种方法。该方法体现了预报员的经验和对于天气的理解。主要用来确定有无强对流天气发生。

湖北省强对流天气发生的大尺度背景主要有三种类型：西南气流型、西北气流型和东风波型。西南气流型的主要特征是：500 hPa低槽位于104°—107°E或70°—90°E，从大气低层一直到中高层，湖北省处在一致的强西南暖湿气流之中。西北气流型的主要特征是：500 hPa低槽位于114°E附近，较西南气流型的低槽偏东，湖北省处在一致的西北气流之中。这两种类型的地面形势场表现为有明显的冷空气从蒙古或华北南下，长江流域有强烈的暖倒槽发展。东风波型的主要特征是，西太平洋副热带高压比较强盛，基本上控制长江流域，500 hPa副高脊线在武汉以北，30°N以南为台风倒槽或东风波动。春季（3—5月），湖北省强对流天气过程以西南气流型居多，占绝对多数，西北气流型很少，东风波型几乎没有。夏季（6—8月），湖北省强对流天气随着月份的向后推移，西南气流型逐月减少，西北气流型与东风波型则逐渐增多，其中东风波型8月份最多，7月次之，7—8月几乎没有西南气流型的强对流天气过程。

强对流天气过程的成功预报，一般基于具体的天气型分析并结合一些相关物理参数大小来进行预测。若从不同尺度系统的相互作用来考虑，大尺度系统对中小尺度系统的发生起着控制作用，因而我们可以综合各种大尺度条件来预报对流天气的发生，而这些基本条件是否满足可以通过对数值预报模式产品的进一步诊断来判别。

2.4 雷达、卫星资料等相结合的临近预报方法

目前，利用卫星云图和新一代天气雷达及区域加密自动监测资料等综合分析，对短时效内可能出现的强对流天气性质和落区进行判断和外推，是较为有效的方法之一。湖北省强对流临近预报和预警主要按照以下步骤进行：

（1）卫星云图分析。卫星云图是大气综合状况的反映，可以监测到天气系统与大、中、小尺度云团的变化。卫星云图可以直观给出整个云系的云型结构特征和局地中小尺度对流云团的发展变化，中小尺度云团亮温下降或者合并等都表示对流系统正在发展。

（2）雷达回波外推和经验判断。从以下几个方面判断雷达回波的发展或维持：1）两个或多个回波合并；2）回波带与辐合线相遇；3）回波强度增强或者结构变得紧密有组织性；4)回波带移入山地或峡谷，山地迎风坡使降水增强；5）回波移入不稳定、动力、水汽条件好的区域。

（3）实况资料分析。主要包括雷达回波实况、加密站逐小时、逐10 min雨量和风速、闪电定位信息、强对流实况报告。从实况资料的分析结合前期的强对流潜势预报，确定强对流天气演变和类型。

（4）强对流天气类型分析。1)冰雹。强冰雹最基本的雷达回波特征是“高悬的强回波”，具体的指标是50 dBz以上的强回波扩展到环境大气-20 ℃等温线高度以上，同时0 ℃层的高度不超过5 km，或者是雷达回波强度大于等于60 dBz；有明显的风暴顶辐散、相对大的垂直累积液态水含量和三体散射的出现。在实际工作中，雷达回波达到55 dBz以上，50 dBz扩展到8 km以上一般考虑发布冰雹预警。2)雷雨大风。其在径向速度图上表现为中层径向辐合（MARC）特征、中气旋、地面辐散、大风区等，在基本反射率图上出现弓形回波、超级单体回波、飑线回波等，都可能会导致大风天气。其中最强大风或是下击暴流常出现在弓形回波的向前凸起部分。实际工作中，45 dBz强回波到达7~8 km，可能会出现雷雨大风天气。3)对流性暴雨。其主要由2个因素确定：雨强大小和降水持续时间。从雷达回波与加密站降水的对应关系，对雷达回波强度与雨强的关系进行推测。降水的持续时间跟雷达回波的移动速度有关，另外还要考虑雷达回波的走向和移动方向的关系，如列车效应容易产生强的降水。

3 强对流天气预报个例

下面以2015年6月1日21时30分左右监利大风天气为例，介绍强对流天气的分析和临近预报。

3.1 卫星云图分析

图 1为2015年6月1日17—20时卫星红外云图演变图，从图中可以看出，江汉平原南部有小尺度对流云团剧烈发展，≤-53 ℃冷云罩面积从4×10³ km²增大到3×10⁴ km²，云团内部最低亮温急剧下降至-80 ℃以下。在对流云团发展过程中，从湖南北部有亮温高值区向对流云团靠近，说明此处是低云或无云区，即相对干区，当干区逐渐向鄂东对流云团靠近时，从卫星云图分析，降水系统是在发展，而且有干区加入导致系统发展更加剧烈。

3.2 雷达回波外推和经验判断分析

图 2为6月1日19:30—20:30的雷达回波演变和剖面图（剖面图给出的是最强回波单体剖面）。从图中可见，江汉平原到鄂西南有大片回波带向东偏北方向移动，在回波带的前沿有局地55~60 dBz强回波发展，19:30分，从湖南北部有对流单体北上与荆州东部回波合并，20: 00时，荆州东部强回波单体合并排列形成西南－东北向回波带，此时强回波单体相对来说还比较松散，21:30，雷达回波结构变得紧密和有组织性，从形态结构上表现为紧密带状，不是弓形回波，且强度略有减弱。从剖面图演变上看，强回波中心质心有所下降，但是并不是迅速下降。20:00以后，大于等于50 dBz回波几乎都在6 km以下，说明主要为暖云降水回波。从回波的强度和形态、垂直剖面来看，前期主要以降水为主，局部可能出现雷雨大风天气。

3.3 雷达径向速度分析

利用径向速度图，可以分析中气旋、大风区等特征。通过荆州多普勒雷达对18:30—21:30径向速度场分析发现，荆州东部的强回波单体间断地出现中气旋，但是中气旋仅仅维持不到2~3个体扫，然后减弱消亡。中气旋的出现对局地强降水、雷暴大风、龙卷的发生有较好的先兆性和指示意义，但是有中气旋不一定就会发生上述天气，还要结合加密站实况资料进行分析。图 3为19:30和20:30在1.5o仰角雷达径向速度。由图可见，两个时次都出现了中气旋，但是中气旋维持的时间较短；湖南北部出现小范围的15 m·s^-1大风区，大风区的高度在3.5 km附近，700 hPa附近出现入流大风与地面大风没有对应关系。因此从径向速度产品无法判断一定会有大风天气。

3.4 实况资料分析

从区域站加密资料看（图略），从6月1日17—19时，小时最大雨量从38 mm增大到44 mm，降水雨强在增大，说明降水过程在增强；加密站风场显示无大风站点，闪电资料显示有中等强度雷电发展并东移，且无灾情、大风实况报告。

3.5 强对流天气类型分析

上述对径向速度分析中，18:30到21:30内间断地出现了中气旋，但加密站风场无大风出现，所以出现大范围大风的可能性不大。综合上述的分析，发布临近预报和预警时，考虑以短时强降水为主，伴有雷电，但不排除伴随暴雨发生的局地雷雨大风天气。

4 结论与讨论

根据以上分析，得到如下两点结论：

(1) 在日常业务中，强对流预报存在的主要问题是对于强对流天气监测能力不足、强对流天气形成的机理认识不足、数值预报模式对强对流天气预报能力不足和强对流天气预报方法不足。

(2) 目前在实际业务工作中较为可行的进行强对流天气预报的思路是：首先要具有较全面的本地区强对流天气发生的气候背景知识，然后按照配料法为主的强对流潜势预报方法和天气学分型的强对流天气预报方法等进行强对流天气的落区预报，最后是按照雷达、卫星资料等相结合的强对流外推临近预报方法进行强对流天气预警预报。

目前基于数值模式的要素预报（温度、晴雨、风等）客观释用技巧已经逐渐与预报员相当，预报员的职责将主要是极端天气和灾害性天气的预警预报。强对流预报是世界性难题，可以预见在今后相当长的时间仍然是困扰预报员的一大难题。预报员只有在实际工作中不断总结，积累经验，包括对于监测资料的仔细分析，对本地气候特征的全面掌握，对成因的深入研究等，提高对于本地区强对流天气的分析和理解能力，才能不断提高强对流天气的预报预警水平，为防灾减灾提供有力的支持。