强对流天气是安徽省春夏季发生频率较高的灾害性天气之一，其中雷雨大风、短时强降水和冰雹最为常见，但近几年龙卷天气基本上平均每年出现一次，造成大量人员伤亡和财产损失。因此加强强对流天气短时和临近预报技术研究，提高预报能力是非常必要的。近年来，国内外有关强对流预报方法的研究已有很多成果^[1-4]，陈秋平等^[5]、赵培娟等^[6]利用中尺度模式和探空资料在短时潜势预报方面做了大量工作，郝莹等^[7]利用T213数值预报产品开展安徽雷暴潜势预报，从实际预报检验效果来看，强对流天气空报率较高，同时还存在一定程度的漏报情况，其原因在于不同大尺度环流背景下，强对流天气的触发机制不同，水汽条件、不稳定层结、抬升触发机制、风垂直切变等要素的重要性不尽相同，产生的强对流天气类型也不相同。

通过分类建立强对流天气的天气尺度概念模型，研究其物理机制、中尺度特征，可以有效提高预报针对性，减少空报和漏报，提高对不同类型大尺度环流背景下强对流天气的短时、临近预报水平。

对安徽2001—2010年近10年共37例典型强对流天气大尺度环流背景场分析结果显示，从500 hPa形势场来分主要分为两种类型，一是冷涡槽后类19例，占典型强对流个例的54.1%，主要造成雷雨大风和冰雹天气；二是槽前类18例，占典型强对流个例的45.9%，主要导致雷雨大风、短时强降水和龙卷天气。

冷涡槽后类概念模型见图 1，其环流形势特点是在500 hPa图上，在我国东北地区，或者在朝鲜半岛附近，有一个闭合低涡，一般有低温中心相配合，在冷涡西侧，则有一条近东西向横槽，横槽南侧通常有明显的东西向锋区。在南部沿海120°E附近则有一南北向稳定低槽，安徽省为一致西北气流控制，具有较强的冷平流；850 hPa图上，在淮河上游或郑州附近，一般都有20℃以上暖中心相配合，相应地面图上，在安徽省北部35°N附近，一般有东西向冷锋，或者热低压，或者均压区相配合，强对流天气发生前天气晴好，地面吹偏南风，有利于增温增湿和低空不稳定能量的累积。强对流天气主要出现在午后至上半夜冷锋经过的地区或在热低压、均压区东南象限内产生。在这种环流形势下，安徽省西北部由于受500 hPa冷平流的影响，有利于触发雷雨大风和冰雹天气。

图 1 冷涡槽后类天气尺度概念模型 Fig. 1 The conceptual pattern of cold vortex and behind trough weather

槽前类主要出现在7—8月，概念模型见图 2，其环流形势特点为副高势力较强，江淮地区高低空均受槽前西南气流影响，850、700和500 hPa三层低槽位置比较接近，200 hPa上安徽处于分流区，有辐散场与之配合。分析发现，直接影响对流风暴生成的是槽前短波槽，其作用在两方面：一是它携带小股干冷空气向东伸展，提供中层干冷空气入侵条件；二是短波槽前的辐合上升对强对流生成有利。地面图上，强对流天气发生前安徽处于暖低压控制下，气压值大都低于1000 hPa。安徽在强天气发生前为偏南风控制，地面要素场上表现为高温高湿的特征。深厚低槽前部的上升运动为强对流的发展提供了有利条件；有利的湿度条件使槽前类强对流在产生大风的同时，在暖区一侧常伴有明显的短时强降水。2010年7月19—20日强对流过程属于典型的槽前类。

图 2 槽前类天气尺度概念模型 Fig. 2 Ahead of trough weather conceptual pattern

强对流系统得以发生、发展和维持，必须有丰富的水汽供应，这是风暴的主要能量来源，冷涡槽后类通常没有低空急流，除近地面层湿度较好外，中上层湿度都比较差。槽前类850 hPa上沿低空急流轴从广西、湖南有伸向安徽的湿舌，为强对流天气产生提供很好的水汽条件。由表 1可见槽前类有丰富的水汽供应，大气可降水量平均在57 mm, 呈现“湿”对流风暴特征，有利于雷雨大风和短时强降水的产生。而冷涡槽后类水汽条件比较差，大气可降水量平均在35 mm左右, 主要触发雷雨大风和冰雹天气，呈现“干”对流风暴特征。

表 1 Table 1

表 1 2001—2010年槽前、槽后类物理量平均值 Table 1 Average physical parameters of ahead of trough pattern and behind trough pattern in 2001-2010 K/℃ CAPE /J·kg-1 Pw/mm T850-500/℃ θse 850-500 /℃ H0℃ /gpm 暖云厚度 /gpm 风切变0~1 km /10-3 s-1 风切变0~6 km /10-3 s-1 槽前 35.76 1572.46 57.21 24.38 10.65 5048.00 4532.79 7.10 2.53 槽后 28.17 821.88 35.33 28.88 8.90 4115.71 3171.88 7.50 3.23

表 1 2001—2010年槽前、槽后类物理量平均值 Table 1 Average physical parameters of ahead of trough pattern and behind trough pattern in 2001-2010

冷涡槽后类通常中低层有干暖盖，主要出现在850 hPa槽线附近至500 hPa涡槽后的范围内，它和地面的交线就是干线。低空存在温度脊，500 hPa有较强冷温度槽，中低层温度直减率大，T₈₅₀-T₅₀₀≥28℃。强的温度直减率起着维持负浮力的作用，有利地面大风的出现。

槽前类中低层温度直减率不大，对流不稳定的建立主要由湿度差动平流引起。水汽通量辐合主要存在于低层, 中层迅速减小, 两者差别接近一个量级, 水汽通量的差异大于温度平流差异。同时对流有效位能较大，平均超过1572 J·kg^-1，强对流天气出现在对流有效位能梯度大的地方。

由表 1可见冷涡槽后类0℃层高度平均在4 km左右，有利于冰雹出现，而槽前类0℃层高度平均超过5 km，暖云层厚度超过4.5 km不利于冰雹的产生。

对冷涡槽后型强对流天气的分析得知，在强对流出现前，强对流相对应的区域其中32%在500 hPa上有短波槽东移，95%有中低层切变线和干线存在，100%出现了地面辐合线，其中地面辐合线周围伴有干线发展的占68%。强对流天气在干线、辐合线附近发展，或强对流风暴移经干线、辐合线附近时有所加强。由图 3可见，2009年6月14日08时925 hPa在淮北北部维持一东西向辐合线，在辐合线北侧有干线存在，13时在干线附近有对流云团发展，14时对流云团明显加强，并向辐合线方向移动，随后不断有对流云团在辐合线附近发展加强并沿着辐合线移动。至20时在925 hPa上切变线依然维持，且切变线两侧风速明显加大，对流云团在东移南压过程中在切变线上明显加强。

图 3 2009年6月14日925 hPa辐合线、露点温度与红外云图 (a) 08时辐合线和08时云图; (b) 08时辐合线和13时云图; (c) 08时辐合线和14时云图; (d) 20时辐合线和20时云图 红色实心线：925 hPa辐合线；红色空心线：925 hPa干线 Fig. 3 Infrared satellite cloud image and 925 hPa convergence line on 14 June 2009 (a) 08:00 BT convergence line and IR image; (b) 08:00 BT convergence line and 13:00 BT IR image; (c) 08:00 BT convergence line and 14:00 BT IR image; (d) 20:00 BT convergence line and IR image The red solid line: 925 hPa convergence line; The red hollow line: 925 hPa dry line

槽前类地面图上均为暖湿结构，无一例有干线，但都伴有地面辐合线发展；94%伴有中低层切变线，70%左右500 hPa上有短波槽东移，其作用表现为两方面：一是它携带小股干冷空气向东伸展，提供中层干冷空气入侵条件；二是短波槽前的辐合上升对强对流生成有利。从2010年7月19—20日涡度与低槽的演变(见图 4)可以看到，7月19—20日，850 hPa有短波槽东移，强对流天气出现在槽前正涡度区中。

图 4 2010年7月19日20时(a)、7月20日14时(b)850 hPa涡度(单位：10-5 s-1)与低槽叠加图 Fig. 4 The 850 hPa vorticity (units: 10-5 s-1) superimposed on trough at 20:00 BT 19 (a) and 14:00 BT 20 (b), July 2010

垂直风切变是维系强对流发生、发展的必要条件^[8]，统计证实，强的垂直风切变有利于风暴的持续发展，可以增强中层干冷空气的吸入，加强风暴中下沉气流和低层冷空气外流。同时风随高度顺转有利于强风暴的产生。

冷涡槽后类低层80%均没有低空急流，但中层400~500 hPa均有急流活动，中低空垂直风切变主要表现在风向的变化上，850~500 hPa风向顺转可达90°以上，槽后类强对流0~1 km的垂直风切变平均值为7.1×10^-3 s^-1，0~6 km垂直风切变平均值为3.2×10^-3 s^-1。0~1 km和0~6 km风切变都较大。2009年6月3、5和14日三次飑线过程均出现大范围雷雨大风等强对流天气，且持续时间较长，其中5日和14日过程在安徽持续时间在6小时左右。从三次过程最靠近探空站的高低空风场分布(图 5b)可见，低层均没有低空急流，但中层400~500 hPa均有急流活动，中低空垂直风切变主要表现在风向的变化上，850~500 hPa风向顺转可达90°以上。利用NECP资料分别计算了2009年6月3、5和14日0~3 km、0~6 km风切变(图略)，可见三次过程在江淮地区均存在明显的垂直风切变，并且最大风切变区域与500 hPa急流轴有很好的对应关系，强对流天气就出现在500 hPa急流轴的垂直下方，表明中空急流对强对流活动有明显的影响。

图 5 探空垂直剖面图 (a) 2003年7月8日20时安庆、2005年6月26日08时南京、2010年7月19日08时徐州；(b) 2009年6月3日20时射阳、5日08时阜阳和14日08时阜阳 Fig. 5 Vertical profiles by radiosondes at (a) Anqing 20:00 BT 8 July 2003, Nanjing 08:00 BT 26 June 2005, and Xuzhou 08:00 BT 19 July 2010; and (b) Sheyang 20:00 BT 3, Fuyang 08:00 BT 5 and 08:00 BT 14 June 2009

相比之下槽前类高低空均受槽前西南气流影响，槽前类中有70%出现了低空急流，10%没有出现中空急流，90%以上850、700和500 hPa三层中某层有急流存在(见图 5a)，槽前类强对流0~1 km的垂直风切变平均值为7.5×10^-3 s^-1，可见近地面垂直风切变平均比冷涡槽后类强。0~6 km垂直风切变平均值为2.6×10^-3 s^-1，低于冷涡槽后类型。

从2010年7月19日08时高空综合图(见图 6)可见，低槽位置比较接近，对流风暴出现在急流大风核的左前方，风的水平和垂直切变都比较大，且低层风切变更明显。研究表明^[9], 0~1 km风切变大有利于龙卷天气的产生，利用NCEP计算的2010年7月19日08时和14时0~1 km风切变很大(见图 7)，超过10×10^-3 s^-1以上，导致在河南许昌长葛市出现龙卷，并在河南、山东、安徽先后出现雷雨大风天气，并伴有短时强降水。

图 6 2010年7月19日08时实况高低空综合分析图 Fig. 6 Comprehensive analysis of lower-level and upper-level observations at 08:00 BT 19 July 2010

图 7 2010年7月19日08时(a)和14时(b)0~1 km垂直风切变(单位：10-3 s-1) Fig. 7 The 0~1 km vertical wind shears (units: 10-3 s-1) at 08:00 BT (a) and 14:00 BT (b) 19 July 2010

目前多普勒雷达在强对流天气临近预报业务中发挥重要作用, 但基于多普勒雷达反射率因子和平均径向速度的龙卷预警算法由于没有考虑到环境因子的影响, 会出现空报情况。安徽龙卷主要发生槽前类大尺度环流背景下，通过统计槽前类强对流天气地面温度、地面气压、大气可降水量、K指数、0℃层高度，建立了消空指标，地面温度≤21℃；地面气压≥1008 hPa；可降水量≤18 mm；K指数≤-5℃；0℃层高度≤3000 m，只要满足上述任何一项指标，则不可能出现龙卷, 经检验空报率下降30%左右。冰雹指数算法中虽然增加了实时探空资料，但空报依然很高，相信结合环境因子消空会在一定程度上减少空报率。

不同类型大尺度环流背景下强对流天气水汽条件、大气层结稳定度、抬升触发机制不尽相同，产生的强对流天气类型也不相同。冷涡槽后类对流不稳定表现在中低层温度直减率大；风垂直切变强，风随高度强烈顺转，400~500 hPa有西风急流存在，且与强对流天气的发生区域紧密相关；主要触发机制是中尺度低压和辐合线、干线。主要造成雷雨大风和冰雹天气。槽前类对流不稳定的建立主要由湿度差动平流引起，通常对流有效位能比较大，强对流天气的发生区域主要位于对流有效位能的大梯度区域；中低层有急流存在，风速水平和垂直切变大；快速东移的短波槽是触发强对流天气的主要机制；低层水汽条件较好。主要导致雷雨大风、短时强降水和龙卷天气。

通过对不同类型大尺度环流背景下强对流天气各天气要素和物理量统计，提取环境场消空指标，可以弥补目前基于多普勒雷达反射率因子和平均径向速度的冰雹、龙卷预警算法空报偏多的情况，提高临近预报水平。

为了在实际业务中发挥概念模型对预报员的指导作用，目前已经初步尝试用决策树方法实现天气尺度概念模型自动识别。