海南岛雷暴大风天气形势和环境参数特征分析

柯元惠，马明明，郑艳，冯文

(1.海南省气象台，海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203；3.海南省生态环境厅，海口 570203)

引言

雷暴大风是一种典型的强对流天气，其天气现象主要表现为雷、雨，风力达到或超过7级(不同地区对风力等级的定义有差异)，当雷暴大风发生时，常伴有强降水，有时伴有冰雹，风速极大。由于其发生、发展较为迅速，因此较难提前预警，对人们的生产生活造成严重威胁。雷暴大风天气在海南是较为频发的灾害，例如2018年3月3日下午(北京时，下同)，澄迈县出现雷暴大风强对流天气，风力达8级及以上，并伴有冰雹，该过程造成农作物受损，受损瓜菜面积751 hm2，受损香蕉面积70 hm2，估算经济损失6 000万元。甚至在10月、11月海南也会出现雷暴大风天气，2013年11月8日夜间至9日凌晨，乐东县出现8级以上大风，极大风速达23.9 m·s-1，该过程造成农作物受灾面积3 121 hm2，瓦房倒塌1间，渔船损失1艘，直接经济损失5 635.14万元。

雷暴大风的形成和强对流及雷暴的形成有密切关系。雷暴内下沉气流是造成大风的主要原因之一。Fujita等(1977)将形成于地面附近风速达到17.9 m·s-1，且呈向外爆发性辐散状出流的雷暴内强烈下沉气流定义为下击暴流，认为下击暴流是造成雷暴大风的主要原因；Johns和Doswell(1992)认为绝大多数雷暴大风是由雷暴内强烈下沉气流所导致；廖晓农等(2008)、查书瑶等(2020)研究发现雷暴大风除了雷暴内下沉气流降到地面后产生剧烈的辐散风外，另一种就是多个单体内的下沉气流到达地面附近时，冷的辐散空气汇合成一个浅薄的冷池，其前沿常常以较快速度移动而产生大风。除此之外，低空暖湿气流在进入上升气流区时，受到上升气流的抽吸作用而加速也是导致地面大风的一个原因(王秀明等，2013)。

许多学者对我国不同地区雷暴大风的时空分布特征进行研究，得到很多有意义的结果。余蓉等(2012)研究指出我国东部地区雷暴大风的分布与地形相关，山地和高原多于平原，北方多于南方。张雪晨等(2013)分析发现安徽雷暴大风日空间分布特征和纬度没有太大的关系，主要是和对流天气系统的影响区域及地形因素有关。费海燕等(2016)分析表明中国强雷暴大风主要发生在中东部地区，从3月开始在西南、华南地区出现，不同地区强雷暴大风发生峰值时间不同，华中和华南有两个峰值。许霖等(2017)研究表明湖南省雷暴大风次数在20世纪90年代后显著下降，出现时段主要在夏季午后到傍晚时段。有些学者针对不同地区产生雷暴大风的天气系统和物理量参数特征进行分析，对当地雷暴大风的潜势预报具有一定的参考意义。秦丽等(2006)指出有利于北京雷暴大风产生的探空结构为低层暖湿，中高层有干冷空气，不稳定度和风垂直切变较大。杨晓霞等(2014)将山东产生雷暴大风的天气系统分为槽前型、槽后型、副高边缘型和横槽型，并分析了各天气型的物理量参数特征。柴东红等(2017)指出京津冀地区雷暴大风的形成，5、9月份需要更高的热力条件和动力条件，6—8月份需要更高的不稳定条件和能量条件。雷暴大风的临近预警主要依靠雷达回波特征的识别，研究表明，径向速度图上观测到的中层径向辐合、入流急流、中气旋、径向速度大值区和反射率因子图上观测到的弓形回波、钩状回波、阵风锋是雷暴大风预警的重要指示特征(王福侠等，2016；杨璐等，2018)。还有的学者对雷暴大风的客观预报方法进行研究，多从与雷暴大风相关的物理量参数入手，如严仕尧等(2013)计算和统计了雷暴大风发生时动力和热力指标的阈值，进一步设计指标叠套技术对华北雷暴大风进行潜势预报；吕晓娜等(2020)利用权重与概率统计相结合的方法，根据与雷暴大风联系紧密的物理量，建立潜势预报方程，结果表明雷暴大风命中率较高，同时空报率也高。

针对海南岛的雷暴大风天气也有一些研究，如郑艳等(2017)对2016年发生在海南岛北部近海和陆地的一次大范围雷暴大风过程进行了天气学分析和雷达回波特征分析；符式红等(2018)对相似环流背景下海南两次不同类型强对流天气的成因和差异进行了深入探讨和分析。以上研究均是个例分析，迄今未见针对海南雷暴大风的统计特征分析。海南岛地处热带地区北缘，四面环海，海陆效应明显，高温高湿，强对流活动强烈且频繁，是雷暴大风频发的地区。同时海南岛地形特殊，中部有五指山山脉，整体地形中间高四周低，导致海南的雷暴大风形成和分布与我国内陆地区有明显差异。本文采用近5 a的海南岛观测资料，对海南岛雷暴大风的时空分布特征进行了统计分析，按照发生雷暴大风当日的环流背景进行天气分型，并对其物理量参数特征进行研究，旨在加深对海南地区雷暴大风系统性认识，为海南岛雷暴大风的预报和预警提供客观依据。

1 资料与方法

1.1 资料说明

在挑选雷暴大风日时，所采用的资料为海南省地面加密自动站资料和闪电定位资料，并加以雷达资料作为辅助，资料年限为2014—2018年。地面加密自动站使用业务中预警信号检验指标站，剔除了海岛站、船舶站、观通站、雨量站、永兴岛站、珊瑚岛站以及海拔大于400 m的站点。另外，还使用2014—2018年海口站的探空资料和ERA-Interim逐6 h再分析资料，水平分辨率为1°×1°。

1.2 统计方法

结合自动站、雷达、闪电定位等探测资料，从天气形势、各站大风持续时间、系统风向等方面进行分析，并将大风发生时间与雷暴发生时间进行对比，通过筛选和剔除气旋性大风，只研究由强对流引起的雷暴大风。

2 雷暴大风的统计特征

基于上述标准对海南岛雷暴大风天气进行统计和筛选，得到雷暴大风日：2014年50 d，2015年77 d，2016年71 d，2017年55 d，2018年47 d，共300 d，年平均为60 d。

2.1 强度特征

普查出的300 d雷暴大风日中，雷暴大风日的最大阵风风速达到32 m·s-1，平均最大阵风风速为19.5 m·s-1。其中，最大阵风风速在10级(≥24.5 m·s-1)以上的强雷暴大风出现了28 d，占总数的9.3%；最大阵风风速在9级(≥20.8 m·s-1)以上的强雷暴大风出现了88 d，占总数的29.3%；最大阵风风速在8级(≥17.2 m·s-1)以上的强雷暴大风出现了243 d，占总数的81.0%，说明海南地区出现雷暴大风时阵风风速较大、强度较强。

2.2 时间分布特征

从2014—2018年海南岛平均各月出现雷暴大风日数来看(图1)，雷暴大风易出现在春夏两季，5月最多，达13.2 d；其次为6—8月，分别为11.8 d、9.2 d和9.2 d；11月至次年2月均不足1 d；3月为1.4 d。从平均各月出现雷暴大风站点数来看(图2)，7月出现雷暴大风的站点数明显偏多，有693站，说明当7月份发生雷暴大风天气时，影响区域范围较大；其次是6月、9月和10月，分别为397站、343站和305站。

图1 2014—2018年海南岛平均各月出现雷暴大风日数(单位:d)Fig.1 The monthly mean of thunderstorm gale days(unit:d)in Hainan from 2014 to 2018.

图2 2014—2018年海南岛平均各月出现雷暴大风站点数(单位:个)Fig.2 The monthly mean number of thunderstorm gale stations in Hainan from 2014 to 2018.

从海南岛各月雷暴大风出现频率的日分布来看(图3)，4—8月在午后14—17时有一个峰值区。这是由于午后近地面温度升高，热力效应造成地面层增温达到最强，使得大气层结不稳定度加大，对流抑制减少；同时海陆温差大，午后海陆风辐合提供触发条件，易在海南岛发生雷暴大风等强对流天气。另外，6—9月在01—05时也有一个次峰值，频率较低，仅在5%左右，说明在海南汛期夜间也会有雷暴大风的发生，但概率比较小，统计表明(表略)，这多与季风槽的活动相关。10月至次年4月雷暴大风发生的时间与冷空气南下影响海南的时间有关，4月和10月是冷暖空气势力相当、交汇比较明显的时期，发生雷暴大风日数相对较多；11月至次年3月冷空气势力较强，热力条件较差，发生雷暴大风日数较少。

图3 2014—2018年海南岛各月雷暴大风出现频率的日分布(单位:%)Fig.3 Daily frequencies(unit:%)of thunderstorm gale in Hainan in each month from 2014 to 2018.

3 雷暴大风的环流形势分析

根据雷暴大风发生当日925 hPa天气形势和地面形势，对上述雷暴大风日进行综合分析，可以将产生雷暴大风的天气背景主要分为三大类：西南热低压型、季风槽型和冷锋型，其中季风槽型根据其槽线位置可以分为华南沿海槽型和南海低压槽型(蔡亲波等，2013)。此三类天气型占了所有雷暴大风日的85.3%，下面分别对这三类天气型的环流背景场进行合成分析。合成资料为ERA-Interim逐6 h再分析资料，所选时间为距离雷暴大风发生前最近时刻。

3.1 西南热低压型

西南热低压是海南春季和夏季出现比较频繁的天气形势之一。图4a、b为2014—2018年所有西南热低压型雷暴大风日的环流形势场合成图。从中可见，500 hPa中纬度西风槽偏北偏弱，低纬有南支槽东移，槽线位于105°E附近，副热带高压(以下简称副高)西伸控制南海东部海域，脊线位于17°N附近，海南岛处于南支槽前和副高西北侧的西南气流控制之下，具有较好的大尺度抬升条件和大气不稳定条件。低层850 hPa和925 hPa存在明显的西南季风，在四川、贵州附近有暖性气旋性环流维持，称为西南热低压，海南岛低层受暖湿的西南风控制，气流呈气旋性弯曲，风力为6～8 m·s-1。孟加拉湾和南海南部的水汽向海南岛输送，为海南岛提供了充足的水汽和位势不稳定能量。地面气压场上在广西、越南和北部湾交界处有闭合的暖性低压环流，气压中心达到1 003 hPa，海南处于低压带中。在西南热低压的控制之下，海南岛的西北部极易出现高温天气。受地形和热力的共同作用，午后易在海南岛的西北部形成海陆风辐合线，为雷暴大风的发生提供触发抬升条件，而后辐合线沿着背景西南风的方向向东北移动，造成海南岛东北部雷暴大风天气。

图7为微型涡轮发动机涡轮熔模铸造浇注系统设计[8]。设置侧注式且设计4个内浇道来提高其对铸件本体的补缩能力。

根据统计结果显示(表略)，此类雷暴大风日有88 d，占比为29.3%，是出现雷暴大风较多的天气类型。2—8月均可出现，主要集中在5—6月，5月共出现34 d。雷暴大风发生时段主要为午后13—18时，以热力作用为主。出现雷暴大风日数较多的站点主要集中在海南岛东北部澄迈-琼中-琼海以北一带(图4c)，发生区域和海陆风辐合线的走向以及水汽通量散度辐合区(图略)基本吻合。

图4 西南热低压型合成形势场:(a)500 hPa高度场(单位:dagpm)和风场(单位:m·s-1);(b)925 hPa风场(单位:m·s-1)和海平面气压场(单位:hPa);(c)2014—2018年西南热低压型海南岛各站点年平均出现雷暴大风日数分布(单位:d)Fig.4 The southwest trough synoptic situation:(a)500 hPa geopotential height(unit:dagpm)and horizontal wind(unit:m·s-1),(b)925 hPa horizontal wind(unit:m·s-1)and sea level pressure(unit:hPa),and(c)distribution of annual mean thunderstorm gale frequency(unit:d)in each station of Hainan under southwest trough from 2014 to 2018.

3.2 季风槽型

季风槽型是出现雷暴大风最多的天气类型，季风槽的位置不同，对雷暴大风的影响也有一定的差异。一般将925 hPa上切变线位于海口以北到华南地区的天气系统称为华南沿海槽型，将切变线位于海口以南到南海地区的天气系统称为南海低压槽型(蔡亲波等，2013)。

3.2.1 华南沿海槽型

从华南沿海槽型的合成环流形势场(图5a、b)可以看出，500 hPa中高纬西风槽位于黄渤海地区，槽底位于山东半岛附近，低纬度受平直的偏西到西南风控制，副高偏东偏弱，主体位于菲律宾以东的西太平洋地区，海南岛上空吹弱的西南风。低层850 hPa和925 hPa有一近东西向的切变线位于华南中北部地区，在切变线南侧有明显的风速辐合区。海南岛北半部处于辐合区中，受西南气流控制，风速约为6 m·s-1。切变线南侧的辐合上升运动为主要的大尺度动力抬升条件。暖湿的西南气流将孟加拉湾和北部湾的水汽向海南岛输送，在海南岛的东北部产生水汽的辐合(图略)，提供充足不稳定能量和水汽条件。地面海南处于闭合的暖性低压控制，有利于午后温度的升高。午后热力条件好转，海陆风辐合线也是抬升触发条件之一。

统计结果表明(表略)，这种形势下的雷暴大风日有73 d，占比为24.3%，在4—9月均有出现，集中出现在5—8月，8月最多，有23 d。在华南沿海槽控制之下，雷暴大风天气在早上也有出现，但主要出现时间段为12—17时。出现雷暴大风日数较多的站点主要集中在海南岛东北部和西部，出现日数最多的是北部的海口地区，达到年均4 d(图5c)。

图5 同图4，但为华南沿海槽型合成形势场Fig.5 Same as Fig.4,but for the South China coastal trough synoptic situation.

3.2.2 南海低压槽型

受南海低压槽影响时(图6a、b)，500 hPa中高纬西风槽位于渤海地区，槽底在山东附近，副高偏北，脊线位于26°N附近，西伸控制长江以南大部地区，海南岛受副高西南侧的东南气流控制，具有位势不稳定条件。850 hPa和925 hPa在南海北部海域到海南岛南部附近有一条近似东西向的切变线存在，海南岛处于切变线北侧，吹东南风。低层切变线为主要的动力抬升条件。地面气压场上在北部湾有一个闭合低压中心。

据统计(表略)，南海低压槽形式下的雷暴大风日有54 d，总占比为18%，5—10月均可出现，7—8月最多。从早上到傍晚均有雷暴大风发生，最多时间段为午后13—18时，这与午后气温升高，不稳定能量加大相关。从雷暴大风的分布图(图6c)看出，海南岛四周出现雷暴大风天气比内陆地区概率大，特别是在海南岛东部、北部和南部。出现日数最多的是东部的文昌市，达到3.6 d。落区分布与切变线的强度、位置密切相关。在低层东南风的控制下，由于地形的抬升作用，在东部和南部沿海一带雷暴大风出现频次比较高。西部和北部的雷暴大风主要还是由午后海陆风的辐合抬升作用而产生的。

图6 同图4，但为南海低压槽型合成形势场Fig.6 Same as Fig.4,but for the South China sea trough synoptic situation.

3.3 冷锋型

从冷锋型雷暴大风日的形势场合成(图7a、b)可以看出，500 hPa中高纬深厚的西风槽位于我国东部沿海地区，槽底位于长江附近，引导冷空气南下。副高偏弱偏南，控制南海大部海域，海南岛受副高北侧的西到西南气流控制。925 hPa冷高中心位于四川附近，海南岛上空有冷高底部的东北气流和暖空气一侧的偏东-东南气流的辐合切变，提供动力抬升条件。地面气压场上，锋面南压至华南沿海地区，海南岛北部海平面气压达到1 014 hPa，冷暖空气的交汇提供了大量的位势不稳定能量。

此类雷暴大风日为41 d，总占比为13.7%，主要发生在春季和秋季冷暖空气势力相当交汇比较明显的时期，4月和10月发生概率最大(表略)。雷暴大风发生时间与冷空气影响海南的时间密切相关。地形对冷空气有明显的阻挡作用，因此雷暴大风主要出现在五指山以北地区，且沿海地区发生的日数比内陆地区多一些(图7c)。

图7 同图4，但为冷锋型合成形势场Fig.7 Same as Fig.4,but for the cold air synoptic situation.

4 雷暴大风的物理量参数特征

雷暴大风的发生，除了需要不稳定条件、水汽条件和动力条件之外，还需有利于强烈下沉气流的条件。利用雷暴大风发生前最近12 h内海口站08时或20时探空资料，对雷暴大风发生当日的相关大气物理量参数进行分析，若雷暴大风发生在下午，则用14时的地面温度和露点温度对对流有效位能CAPE和下沉对流有效位能DCAPE进行订正。通过研究不同天气型下雷暴大风的物理量参数特征，探讨各参数的差异，以期为预报员制作强对流潜势预报提供理论依据。

4.1 不稳定条件

对流有效位能CAPE从理论上能反映出对流上升运动可能发展的最大强度，即环境正浮力对气块做功所产生的动能，其值越大，越有利于强对流的产生。统计分析表明，海南岛大部分雷暴大风强对流天气均发生在中等到强的对流不稳定能量条件下。西南热低压型的CAPE均值最高，达2 884 J·kg-1；其次为华南沿海槽型和南海低压槽型，CAPE均值分别为2 295 J·kg-1和2 410 J·kg-1；冷锋型CAPE均值最小，为1 206 J·kg-1(图8)，说明在春夏季西南热低压型频繁控制下，低层大气暖湿，有较高的对流不稳定能量储存。西南热低压型雷暴大风由对流不稳定能量释放产生的最大上升速度平均为53.7 m·s-1，最大达71.6 m·s-1。

图8 各天气型CAPE值箱线图(单位:J·kg-1)Fig.8 Box and whisker plot of CAPE(unit:J·kg-1)for different patterns.

850 hPa与500 hPa的温差(T850-500)反映了大气的垂直温度梯度，能很好地表征大气层结的稳定性，温差越大，越有利于对流不稳定的发生。由图9可知，西南热低压型、华南沿海槽型、南海低压槽型和冷锋型T850-500平均值分别为25.4℃、24℃、23.4℃和23.8℃，区别并不大。25%～75%分位覆盖范围平均值基本在22～26℃之间，具有明显的条件不稳定层结，说明虽然不同天气型发生雷暴大风所需要的对流不稳定能量有所差异，但均需要一定的不稳定层结。

图9 各天气型T850-500箱线图(单位:℃)Fig.9 Box and whisker plot of T850-500(unit:℃)for different patterns.

4.2 水汽条件

低层高湿度和中高层低湿度的配置有利于雷暴大风的发生。850 hPa与500 hPa的相对湿度差(RH850-500)在一定程度上能反映大气是否存在上干下湿的情况。由图10可知，冷锋型和西南热低压型的RH850-500平均值最大，分别为48.4%和34.9%，说明此类型上干下湿的特征明显。华南沿海槽型和南海低压槽型的RH850-500分别为16.9%和22.2%，25%～75%分位覆盖范围分别为-5.5%～37%和2%～40%，说明二者的中低层相对湿度差别不大，可能出现整层较湿的情况。该天气背景下除了出现雷暴大风，可能还会伴随短时强降水的发生。

图10 各天气型RH850-500箱线图(单位:%)Fig.10 Box and whisker plot of RH850-500(unit:%)for different patterns.

4.3 动力条件

垂直风切变对对流风暴的结构、形态和生命史有重要的作用。将地面至700 hPa和地面至500 hPa垂直风切变分别近似于0—3 km和0—6 km垂直风切变。图11给出各天气型垂直风切变箱线图，由于低层冷空气的侵入造成高低空风向和风速的切变，冷锋型的0—6 km垂直风切变均值最大，为12.1 m·s-1，25%～75%分位覆盖范围为6.0～16.2 m·s-1。华南沿海槽型和南海低压槽型的切变最小，均值均为5.7 m·s-1。各类型0—3 km的切变均值分别为7.6 m·s-1、7.4 m·s-1、5.5 m·s-1和8.7 m·s-1，冷锋型最大，其次为西南热低压型和华南沿海槽型。统计分析表明，除冷锋型外，低层0—3 km垂直风切变比中层0—6 km垂直风切变更明显，说明在海南地区对雷暴大风动力条件的关注应主要在低层。

图11 各天气型0—6 km(a)和0—3 km(b)垂直风切变箱线图(单位:m·s-1)Fig.11 Box and whisker plot of(a)0-6 km and(b)0-3 km vertical wind shears(unit:m·s-1)for different patterns.

结合前文分析，西南热低压型的大气不稳定能量最大，上干下湿特征明显，在较小的垂直风切变下，对流组织也能发展产生雷暴大风；冷锋型的大气不稳定能量最小，上干下湿特征明显，在较大的垂直风切变下，才能使对流组织发展产生雷暴大风；季风槽型的大气不稳定能量较大，水汽条件较好，在槽线附近有较好的动力抬升条件，因此在较小的垂直风切变下，对流组织也会发展产生雷暴大风。

4.4 下沉气流强度

风暴自身的强下沉气流是产生雷暴大风的主要因素，下沉对流有效位能DCAPE反映了对流云中下沉气流到达地面时可能具有的最大动能。存在一定的CAPE值时DCAPE的增大对雷暴大风有较强的意义。DCAPE可以估算大气下沉时的能量，其值越大，下冲能量越大，造成的风速也越强。从各个类型的DCAPE箱线图(图12)可以看出，西南热低压型的DCAPE均值最大，为424 J·kg-1，约为其他类型的2倍，其由DCAPE产生的最大下冲速度的平均值为29.1 m·s-1，最大值为39 m·s-1，有利于强风和下击暴流的发生。华南沿海槽型、南海低压槽型和冷锋型的DCAPE均值较小，分别为252 J·kg-1、205 J·kg-1和249 J·kg-1。从DCAPE值看，西南热低压型天气形势下的雷暴大风风力更大，这也与实际统计相符。

图12 各天气型DCAPE值箱线图(单位:J·kg-1)Fig.12 Box and whisker plot of DCAPE(unit:J·kg-1)for different patterns.

5 结论与讨论

本文将海南岛近5 a的雷暴大风日进行筛选与统计，对其强度、时空分布、天气形势和物理量参数特征进行研究，得到如下结论：

(1)海南岛年均雷暴大风日数为60 d，集中出现在5—8月，其中5月最多。雷暴大风日变化特征明显，4—8月大部分地区出现的雷暴大风主要集中在午后14—17时，与午后热力效应相关；6—9月在01—05时还存在一个次峰值，与季风槽的活动相关；10月至次年4月雷暴大风发生时间与冷空气影响海南的时间相关。海南地区出现的雷暴大风最大阵风均在8级及以上，风速较大、强度较强。

(2)产生雷暴大风的形势主要可以分成三类：西南热低压型、季风槽型和冷锋型，其中季风槽型根据槽线位置可以分为华南沿海槽型和南海低压槽型。西南热低压型主要出现在5—6月的午后到傍晚时间段，以热力作用为主，对应的雷暴大风落区主要位于海南岛东北部；华南沿海槽型集中出现在5—8月的午后时间段，易在海南岛东北部和西部产生雷暴大风天气；南海低压槽型主要出现在7—8月，从早上到傍晚均有发生，最多时间段为午后，主要雷暴大风落区位于海南岛北部、东部和南部的沿海地区；冷锋型主要发生在4月和10月，雷暴大风出现时段与冷空气影响海南的时间密切相关，落区主要位于五指山以北的沿海地区。

(3)环境物理量参数特征分析表明，西南热低压型的大气不稳定能量最大，上干下湿特征明显，在较小的垂直风切变下，对流组织也能发展产生雷暴大风；冷锋型的大气不稳定能量最小，上干下湿特征明显，在较大的垂直风切变下，才能使对流组织发展产生雷暴大风；季风槽型的大气不稳定能量较大，水汽条件较好，在槽线附近有较好的动力抬升条件，因此在较小的垂直风切变下，对流组织也会发展产生雷暴大风。季风槽型中低层相对湿度差别不大，可能出现整层较湿的情况，该类型发生雷暴大风天气时，可能会伴随短时强降水的天气。西南热低压型的下沉气流强度最大，约为其他类型的2倍，该类型下出现的雷暴大风风力会比其他类型的更大。

本文研究了在雷暴大风不同天气型下代表大气环境特征的物理量参数特征，如何利用这些物理量参数选取指标阈值，建立海南岛雷暴大风潜势客观预报方法，是值得进一步探讨的科学问题。