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摘要
牡丹江地区地处黑龙江省东南部，地形复杂，受中高纬天气系统和东亚季风影响显著，是短时强降水、雷雨大风等强对流天气的高发区。此类天气具有突发性强、生命史短、局地性强、致灾性重等特点，对人民生命财产安全和经济社会发展构成严重威胁。本文利用常规气象观测资料、区域自动站数据、NCEP/NCAR再分析资料及多普勒天气雷达产品，对牡丹江地区短时强降水、雷雨大风等强对流天气发生的环境背景场条件（水汽、动力、热力、不稳定层结等）进行综合分析，并提炼其物理量参数特征和预报指标。研究旨在提高对该地区强对流天气发生机理的认识，为短时临近预报预警提供科学依据和技术支撑。
关键词：牡丹江；短时强降水；雷雨大风；环境条件；预报指标；强对流天气
一、 引言
强对流天气是气象学上所指的发生突然、移动迅速、天气剧烈、破坏力强的中小尺度灾害性天气，主要包括短时强降水、雷暴大风、冰雹、龙卷等。短时强降水通常指1小时雨量≥20毫米的降水事件；雷雨大风则指伴随雷暴出现、风速≥（8级）的阵风。牡丹江市位于黑龙江省东南部，地处长白山系张广才岭与老谷岭之间，牡丹江中上游，属中温带大陆性季风气候。该地区地形复杂，山区、丘陵、河谷交错分布，这种下垫面特征极易在特定天气系统背景下触发或增强中小尺度对流系统，导致强对流天气频发。近年来，在全球气候变暖背景下，极端天气气候事件呈增多增强趋势，牡丹江地区由短时强降水和雷雨大风引发的城市内涝、山洪地质灾害、风雹灾害等也日益突出，给当地的农业、交通、水利及城市运行带来严峻挑战。
目前，对于强对流天气的预报，特别是短时临近预报，仍是业务工作中的难点。其难点在于对流系统生消迅速、空间尺度小，常规的数值天气预报模式对其捕捉能力有限。因此，深入分析本地化强对流天气发生的环境条件，建立基于多源观测资料和数值预报产品的客观化、定量化预报指标，对于提升预报预警的准确率和时效性，最大限度减轻灾害损失具有重要的现实意义。本文旨在系统总结牡丹江地区短时强降水和雷雨大风天气的气候特征、影响系统，重点剖析其发生的大尺度环流背景和物理量参数配置，并尝试建立具有本地特色的概念模型和预报指标，以期为预报员提供有效的参考工具。
二、 资料与方法
研究资料
1. 地面观测资料：收集牡丹江国家基准气候站及区域内加密自动气象站2010-2022年的逐小时降水、风向风速、气温、气压、相对湿度等数据。
2. 高空探测资料：选取哈尔滨探空站（距牡丹江约300公里，可作为本区代表）08时和20时的探空数据，分析温湿层结、风垂直切变等。
3. 再分析资料：采用美国环境预报中心和国家大气研究中心的NCEP/NCAR提供的逐6小时1°×1°格点再分析资料，用于分析大尺度环流背景和物理量场（如涡度、散度、垂直速度、水汽通量等）。
4. 雷达资料：调用哈尔滨、绥化等多普勒天气雷达基数据产品，用于分析强对流系统的反射率因子、径向速度、垂直液态水含量等结构特征。
5. 强对流天气个例：根据《灾害性天气强度等级》标准，筛选出2010-2022年间牡丹江地区出现的典型短时强降水（≥20mm/h）和雷雨大风（≥）过程共计58个作为研究样本。
研究方法
1. 气候统计分析法：对强对流天气的月际变化、日变化等发生规律进行统计分析。
2. 天气学分型法：对58个强对流个例的天气形势进行归纳分类，总结主要影响系统。
3. 物理量诊断分析：利用再分析资料和探空资料，计算并对比强对流发生前后各类物理量参数的特征和阈值，如对流有效位能、抬升指数、风垂直切变、K指数、比湿、水汽通量散度等。
4. 合成分析：选取典型个例，对强对流发生前6-12小时的环境场进行合成分析，提炼预报着眼点。
三、 牡丹江强对流天气的气候特征与影响系统
时空分布特征
1. 月际变化：短时强降水和雷雨大风主要发生在5月至9月，其中7月和8月是集中爆发期，占总数的70%以上。这与夏季风水汽输送加强、热力条件最为充沛密切相关。
2. 日变化：强对流天气具有明显的日变化特征，多发生在午后至傍晚（14-20时），这与一天中热力不稳定能量积累达到峰值的时间吻合。夜间至清晨也可能发生，多与中尺度系统（如飑线、中尺度对流复合体）过境有关。
3. 地域分布：受地形抬升和局地热力差异影响，强对流天气在山区和丘陵地带发生频率高于平原和河谷地区，呈现一定的局地性。
主要影响天气系统
统计分析表明，引发牡丹江地区强对流天气的天气尺度系统主要有以下几类：
1. 东北冷涡：是夏季影响该地区最重要的系统。其底部分裂南下的冷空气与暖湿气流交汇，提供了持续的动力抬升条件和不稳定能量，易造成区域性、连续性的强对流天气。
2. 高空槽（切变线）：移动性高空槽或切变线是触发强对流的常见系统。槽前正涡度平流有利于上升运动，槽后干冷空气侵入加剧层结不稳定。
3. 地面气旋与冷锋：蒙古气旋、华北气旋发展东移，或其伴随的冷锋过境，是春季和秋季强对流的重要触发机制。
4. 副热带高压：当副高脊线位置偏北，其西北侧边缘的西南暖湿气流为强对流的发生提供了充沛的水汽和能量。副高边缘的不稳定区是强对流易发区。
四、 短时强降水与雷雨大风的环境条件对比分析
虽然短时强降水和雷雨大风同属强对流天气，但其主导的物理过程和环境条件存在差异，导致其预报侧重点不同。
短时强降水的环境条件特征
短时强降水更强调高效率的降水过程，要求环境具备“丰沛的水汽、强烈的上升运动、较长的持续时间”等条件。
1. 水汽条件：要求整层大气可降水量大，通常≥40mm。低层（850hPa）比湿需较高，一般要求≥10g/kg。近地面露点温度高，反映低层空气接近饱和。
2. 不稳定能量：需要较强的不稳定能量支撑深厚对流，但对流有效位能值不一定要求极端高（通常1000-2000 J/kg即可），但要求有较厚的湿层。
3. 动力条件：中等偏强的深层（0-6km）风垂直切变（通常10-15m/s）有利于对流组织化，形成多单体风暴或中尺度对流系统，从而延长降水时间。低空（通常850hPa或925hPa）存在明显的辐合线或切变线，提供持续触发机制。
4. 0℃层高度：0℃层高度适中（通常4000-5000米），有利于暖雨过程（碰并过程）充分进行，提高降水效率。
雷雨大风的环境条件特征
雷雨大风（尤其是下击暴流）更强调下沉气流的强度和地面风速的极端性，其环境条件具有以下特点：
1. 不稳定层结：往往需要极强的不稳定能量，对流有效位能值通常很高（常>1500 J/kg，甚至更高），抬升指数LI通常<-4℃或更低。
2. 干暖盖与垂直风切变：中低空（700-500hPa）常存在明显的干层（相对湿度低）和较强的垂直风切变。干空气卷入云中，通过蒸发冷却产生负浮力，从而激发强烈的下沉气流。较强的垂直风切变有助于风暴倾斜，将上升气流和下沉气流分离，维持风暴强度并将下沉气流引导至地面。
3. 中层干冷空气侵入：500hPa附近常有干冷空气平流，这加剧了大气的不稳定度和蒸发冷却潜力。
4. 水汽条件：相对于短时强降水，雷雨大风对整层水汽含量的要求可稍低，但低层仍需有一定的湿度。
五、 预报指标与概念模型
关键物理量参数阈值
基于历史个例的统计和诊断分析，初步提炼出牡丹江地区强对流天气发生的物理量参数参考阈值（见表1）。需注意，这些阈值是综合指示，需结合天气形势综合判断。
表1：牡丹江地区强对流天气关键物理量参数参考阈值
| 物理量参数 | 短时强降水倾向指标 | 雷雨大风倾向指标 | 通用高威胁指标 |
| :— | :— | :— | :— |
| 对流有效位能 | 1000 - 2000 J/kg | > 1500 J/kg | > 2000 J/kg |
| 抬升指数 | -3 ~ -6 ℃ | < -4 ℃ | < -6 ℃ |
| K指数 | ≥ 35 ℃ | ≥ 36 ℃ | ≥ 38 ℃ |
| 沙氏指数 | ≤ 0 ℃ | ≤ -1 ℃ | ≤ -2 ℃ |
| 0-6km垂直风切变 | 10 - 15 m/s | 12 - 20 m/s | > 15 m/s |
| 850hPa比湿 | ≥ 10 g/kg | ≥ 8 g/kg | ≥ 12 g/kg |
| 850hPa与500hPa温差 | ≥ 25 ℃ | ≥ 27 ℃ | ≥ 29 ℃ |
| 低空辐合/切变线 | 必需 | 有利 | 必需 |
短时强降水概念模型
形势配置：处于东北冷涡底部或高空槽前，低层有暖湿舌伸入，850hPa有切变线或低空急流，地面有辐合线或低压倒槽。
预报着眼点：
1. 关注水汽通道的建立和维持，特别是低空急流对水汽的输送。
2. 分析抬升触发机制，如边界层辐合线、地形抬升效应。
3.
监测雷达回波特征，关注高反射率因子（>45dBZ）核区是否持续少动、列车效应是否出现、垂直液态水含量是否持续高值。
雷雨大风概念模型
形势配置：多位于高空槽后或冷涡后部，中层有干冷空气侵入，中低层垂直风切变较大。
预报着眼点：
1. 重点关注大气不稳定能量的积累程度和中层干空气。
2. 分析垂直风切变的大小和方向，判断风暴组织化程度和类型（如超级单体、飑线）。
3. 雷达监测中，重点关注弓形回波、中层径向辐合、低层强烈出流边界等特征。
六、 结论与展望
主要结论
1. 牡丹江地区短时强降水和雷雨大风天气主要发生在5-9月，午后至傍晚为高发时段，地形对发生地点有重要影响。
2. 东北冷涡、高空槽、地面气旋与冷锋、副高边缘是主要影响系统。
3. 短时强降水和雷雨大风所需的环境条件侧重点不同：短时强降水更依赖充沛的水汽供应和持续的动力抬升；雷雨大风则对大气不稳定能量、垂直风切变和中层干空气有更高要求。
4. 初步建立了基于物理量参数的预报参考阈值和天气概念模型，为业务预报提供了定量化、客观化的判断依据。
展望
未来研究和工作可在以下方面进一步加强：
1. 高分辨率数值模式应用：深化对流可分辨率模式（如WRF等）产品的释用技术，提高对中小尺度系统发生发展的预报能力。
2. 多源资料融合分析：加强卫星、雷达、闪电定位、GPS水汽监测等非常规资料的融合应用，特别是利用快速更新同化预报系统，实现对强对流天气的精细监测和短临预警。
3. 地形触发机制研究：针对牡丹江复杂地形，开展更精细化的观测和模拟研究，深化对地形强迫触发对流机制的认识。
4. 人工智能技术应用：探索利用机器学习、深度学习等方法，从海量历史数据中挖掘强对流天气发生的复杂非线性关系，建立智能识别和预报模型。
通过持续深入的研究和技术创新，必将逐步提升对牡丹江地区短时强降水、雷雨大风等强对流天气的预报预警能力，为防灾减灾决策提供更加精准、及时的气象服务保障。