1、第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology山西省雷暴大风的统计特征及概念模型李强1，苗爱梅2，王洪霞2，张丽梅3（1.山西省气象灾害防御技术中心，山西 太原 030032；2.山西省气象台，山西 太原 030006；3.山西工商学院，山西 太原 030051）摘要：利用山西省近40 a雷暴大风资料和近18 a的常规和新型监测资料，采用聚类分析、中尺度天气分析等方法，对山西雷暴大风的时空分布特征及天气型、物理量阈值进行研究并建立了概念模型。结果表明：山西年均雷暴大风日数具有北部多、南部少，山区
2、多、盆地少，西部山区多于东部山区的地域分布特征；极端雷暴大风主要出现在山西的北部和吕梁山区；西部山区年雷暴大风日数为增多趋势，其他区域为无变化和减少趋势。雷暴大风集中发生在58月，占全年雷暴大风总日数的75%；日内雷暴大风出现最多的时次为16：00和21：00（北京时）。山西雷暴大风主要包括前倾槽、后倾槽、横槽、副热带高压与低空暖式切变线、副热带高压与低空冷式切变线、西北气流等6种流型配置；各型K指数阈值45月明显低于69月，而850 hPa与500 hPa温差45月却明显高于69月；各型在满足各月特征物理量阈值时均可触发山西强雷暴大风，而前倾槽型触发极端雷暴大风的百分比最大。同一时期，后倾槽
3、、副热带高压与低空暖式和冷式切变线型的K指数阈值明显高于前倾槽和西北气流型，而前倾槽型的Si指数阈值明显高于其他类型，说明前倾槽型触发雷暴大风的动力不稳定条件优于热力不稳定条件；副热带高压与低空暖式和冷式切变线型的CAPE及0 层高度阈值明显高于其他4型，而低层的T-Td阈值和云顶亮温则明显低于其他4型。利用各月各型0 层高度阈值可以准确判断雷暴大风过程是否伴有冰雹。关键词：雷暴大风；特征物理量阈值；概念模型文章编号：1006-7639（2023）03-0423-11 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0423中图分类号：P446 文献标志码：A引
4、言雷暴大风尤其是极端雷暴大风（费海燕等，2016；马淑萍等，2019）是一种破坏力极强的强对流天气现象，具有突发性和致灾性强等特点，精准预报此类强对流天气难度很大（唐文苑等，2017）。但随着中尺度监测站网的建立，21世纪以来对此类强对流天气的研究取得较大进展。美国研究表明，区域性雷暴大风一般产生在极端不稳定和低层高湿环境下（地面露点温度一般大于20），且中层和低层水平风垂直切变较大（500 hPa到地面的切变约20 ms-1，700 hPa到地面的切变约15 ms-1），雷暴大风发生区域的不稳定性和切变可以在更大范围内变 化（Evans and Doswell ，2001；Coniglio
5、et al.，2004）。Joseph和Walker（2011）对19982007年的191 个非龙卷雷暴大风事件进行分类研究，发现45的雷暴大风事件属于无组织、准组织的单体风暴；有组织的多单体风暴只占19，有组织的线性风暴中飑线占19，弓形回波占24。对北京地区雷暴大风气候特征及环境参量的研究（秦丽等，2006；梁爱民等，2006；廖晓农，2009；何志强等，2014）指出，该地雷暴大风一般发生在49月，湿型雷暴大风占94，探空环境为低层暖湿、中高层干冷，干型雷暴大风与湿型雷暴大风相比，温度直减率更大。对于雷暴大风天气的分型和中尺度特征也有不少研究成果（钟利华等，2011；王伏村等，2014
6、；许爱华等，2014；韦惠红等，2022；李强等，李 强，苗爱梅，王洪霞，等.山西省雷暴大风的统计特征及概念模型 J.干旱气象，2023，41（3）：423-433，LI Qiang，MIAO Aimei，WANG Hongxia，et al.Statistical characteristics and conceptual models of thunderstorm gales in Shanxi Province J.Journal of Arid Meteorology，2023，41（3）：423-433，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03
7、-0423收稿日期：2022-05-26；改回日期：2022-08-18基金项目：山西省重点研发计划项目（201603D321125）和山西省气象局重点项目（SXJZCGYY202201）共同资助作者简介：李强（1965），男，高级工程师，主要从事气象灾害防御技术研究。E-mail:389051810 。通信作者：苗爱梅（1960），女，正研级高工，主要从事强对流天气预报技术研究。E-mail:。41 卷干旱气象2022），许爱华等（2014）根据高低空冷暖平流和水平锋生强弱，将中国中东部强对流天气分为高空冷平流强迫型、低层暖平流强迫型、斜压锋生型、准正压型、高架对流型等；秦丽等（2006）、
8、钟利华等（2011）、杨晓霞等（2014）、韦惠红等（2022）分别对北京、广西、山东、湖北的雷暴大风天气进行了天气学分型，并给出了当地雷暴大风发生的关键环境参数。罗爱文等（2015）对20092012年江淮地区弓状回波引起的雷暴大风进行分析，指出弓状回波主要发生在东北冷涡和高空槽天气背景下，中层存在明显的干层，具有中等强度的对流不稳定度（CAPE均值为 1 780 Jkg-1）和垂直风切变（1 000700 hPa风切变均值为11.6 ms-1）。华北处于全国雷暴大风高发区（余蓉等，2012），因此针对此类强对流天气也开展了一系列研究，主要表现在环流背景分型和形成机理（廖晓农，2009；闵晶
9、晶等，2015）、环境参数及预警指标（严仕尧等，2013；方翀等，2017）、卫星和雷达回波特征（苗爱梅等，2017；李斯荣等，2019）、预警方法（廖晓农，2009；俞小鼎，2011）等方面。在对京、津、冀雷暴大风研究的基础上，方翀等（2017）还分析了华北高海拔地区雷暴大风的时空分布特征及物理量平均阈值，为该区域雷暴大风预报提供了参考依据。由于山西地形地貌复杂，雷暴大风发生发展机理与京津冀地区并不完全一样，尤其是高低空流型配置和特征物理量阈值存在明显差异，且该区域在雷暴大风概念模型建立方面还是空白。本研究试图利用近40 a的历史资料和近18 a（20012018年）378个雷暴大风个例，采
10、用较高的历史概括率确定特征物理量阈值，减少采用平均物理量指标（阈值）造成的空漏报，构建基于高低空流型配置和物理量阈值相结合的山西省雷暴大风概念模型，旨在为山西复杂地形下雷暴大风的预报预警提供技术支撑。1资料与方法1.1资 料雷暴大风日统计均基于台站数据，即某日出现雷暴天气并伴有大风（风速17.2 ms-1），则记为一个雷暴大风日，若风速25 ms-1或风速30 ms-1，则分别记为强雷暴大风日（费海燕等，2016）和极端雷暴大风日（马淑萍等，2019）。用于年、月雷暴大风日数和风速极值及年雷暴大风日数变化趋势统计的109站资料均来自山西省气象信息中心，资料起止时间为19792018年；用于日内
11、逐时雷暴大风频次统计和中尺度天气分析的雷暴大风个例实况资料为20012018年的多要素自动站资料，时间分辨率为1 min；雷暴大风发生前逐 6 h 一次的 NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析资料（20012018年，分辨率为0.50.5）用于建立概念模型时高低空流型的配置；雷暴大风发生起止时间内对应的云顶黑体亮温和雷达组合反射率因子是与雷暴大风发生最接近时刻的葵花8号和FY-2C卫星资料（时间分辨率分别为10和30 min）和山西省及周边14部多普勒雷达观测资料（时间分辨率为6 min）。文中附图涉及的地图均基于国家测绘
12、地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2022）4309号的标准地图制作，底图无修改；文中所有时间均为北京时。1.2方 法1.2.1雷暴大风典型个例定义山西境内 24 h 内（08：0008：00）出现雷暴的站点数20个且相伴随的大风站点数5个时，定义为一个雷暴大风典型个例。经统计20012018年期间共有378个雷暴大风典型个例。聚类分析和中尺度天气分析方法用于建立雷暴大风概念模型。1.2.2聚类分析法层次选择 500、700、850 hPa 和地面，格点资料范围为95E125E、30N50N，采用的聚类方法为系统聚类法（系统树）（方开泰和潘恩沛，1982）。（1）系统聚类法（以50
13、0 hPa为例）在聚类之前，作为样本的 500 hPa形势场分别对应所选的样本资料各自为一类，每进行一步将距离最小的两类合并成一类；并类后，计算新类与其他类的距离，构成新的距离矩阵。新类之间的距离有多种不同的定义方法，雷暴大风试验中采用的是类平均法。（2）样本矩阵设某一数值预报产品在所取地域范围有m个网格点，对n份资料（n个样本）来说，可以得到1组样本矩阵X，记为X=|x11x12x1jx1mx21x22x2jx2mxi1xi2xijximxn1xn2xnjxnm对于本文所选资料一共有6141个格点，即m=6141=2 501，378个典型雷暴大风个例，即n=378。424第 3 期李强等：山
14、西省雷暴大风的统计特征及概念模型2山西雷暴大风的统计特征2.1雷暴大风日数和风速极值的空间分布图 1 为 19792018 年年平均雷暴大风日数及其极大风速空间分布。可以看出，年平均雷暴大风日数具有北部多、南部少，山区多、盆地少及西部山区多于东部山区的分布特征；其极大风速也呈现为北部大、南部小，山区大、盆地小及西部山区大于东部山区的分布特征。大同、朔州、忻州的西部和东部及吕梁、临汾北部属于强雷暴大风区，年均雷暴大风日数多且风速极值大；大同、吕梁及忻州北部属于极端雷暴大风区。2.2雷暴大风日数月际变化及年变化趋势空间分布2.2.1雷暴大风日数的月际变化及日内逐时变化19792018年，山西雷暴大
15、风天气最早发生在3 月 2 日，最晚出现在 11 月 27 日。58 月为高发期，雷暴大风日数占全年的74.95%，其中6月最多、7月次之，5、8月占比分别为 17.89%、14.34%，4、9月雷暴大风日数占比不足10.00%，3、11月出现次数很少，12、1、2月没有出现过雷暴大风天气（表1）。统计分析表明，一日内雷暴大风有2个高发时刻，分别为16：00和21：00；03：00和04：00雷暴大风出现次数最少（图略）。2.2.2年雷暴大风日数变化趋势空间分布图 2 为 19792018 年山西省年雷暴大风日数变化趋势的空间分布。可以看出，近40 a来山西省51%的县（市）年雷暴大风日数呈现
16、减少趋势，27%图119792018年山西年平均雷暴大风日数（a，单位：d）及其风速极值（b，单位：ms-1）空间分布Fig.1The spatial distribution of annual mean thunderstorm-gale days（a，Unit：d）and maximum wind speed of thunderstorm gales（b，Unit：ms-1）in Shanxi Province during 1979-2018表119792018年山西省逐月平均雷暴大风日数及占比Tab.1The monthly average number and proportion of thunderstorm-gale days in Shanxi Province from 1979 to 2018月份123456789101112雷暴大风日数/d0.000.001.487.8214.8218.5516.8511.887.583.240.640.00占比/%0.000.001.799.4417.8922.3820.3414.349.143.910.770.00425