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局地强风暴预报

Robert H. Johns

美国国家强风暴预报中心（NSSFC），堪萨斯城，密苏里州

Charles A. Doeswell Ⅲ

美国国家强风暴实验室（NSSL），诺曼，俄克拉荷马州

来稿日期：1992年05月11日 最终形式：1992年08月13日

摘要

无论是在观测研究方面，还是在数值模式实验方面，对于局地强风暴的认知在最近几年都有很大程度的加深。本篇文章回顾了与发展局地强风暴预报有关的新的应用知识。很多这些新的应用知识都是基于对发生风暴过程中物理意义上的理解，从而可以使得预报人员减少对于经验关系的依赖。然而，对于预报人员来说，模式识别的精细化和灾害性天气的气候学经验仍然在局地强风暴预报中有重要的业务化应用价值。

本文描述了在国家强风暴预报中心预测局地强风暴的现行方法。讨论了新的预报应用的运行使用，新的“实时”数据源（如风廓线仪和多普勒雷达）以及改进的数值模型产品。

1. 简介

对流风暴产生各种各样的天气可能被认为“严重”的现象（对生命和财产的危害）。 然而，为了本篇文章讨论的目的，只有那些由国家强风暴预报中心（NSSFC）局地强风暴（SELS）单位定义的对流诱发现象将被考虑。 这些是：

（a）龙卷风

（b）有破坏性的风，或阵风ge;26米/秒（50节）

（c）冰雹直径ge;1.9厘米（3/4英寸）

Doswell等人（1993）已经描述了当今的龙卷风预报包含两个部分：预测暴风雨环境中龙卷风的潜势；在暴风雨环境中当龙卷风产生时将其识别出来。 这个两部分的预报/观察过程也适用于破坏性风和冰雹。 本篇论文仅考虑此预报过程的第一部分，重点关注了局地强风暴与其生消环境之间的关系。由于局地强风暴（SELS）的主要预报产品是恶劣天气观察（参见Ostby 于1993年对局地强风暴（SELS）预报产品的完整性描述），这是也本篇文章中的主要议题。 然而，其他关于局地强风暴（SELS）预报的产品也将被提及。

局地强风暴（SELS）预报过程利用包括参数评估，模式识别和气候学（参见Doswell等人第3a节，1993）。 强天气预报的参数评估以及在较小程度上形状参量的识别，随着对风暴过程以及风暴尺度与较大尺度环境之间的相互作用的了解越来越多。 还有，气候学上关于局地强风暴的知识很可能随着局地恶劣天气的专项研究的发展而变得更加精确（例如，Hirt 1985；Anthony 1988）和气候的参数特异性（例如，Lanicci和Warner1991）。

对于评估参数和检测模式，两者在天气尺度和中尺度分析中对局地强风暴预报员都是必不可少的工具。 读者可参考Doswell（1982）讨论的在局地强风暴中使用的基本分析手段。 自20世纪80年代初，已经开发了利用新的先进技术和发展其它分析技术了解风暴过程及与其生消环境间的相互作用。这些最新的技术和一些由Doswell提出的传统技术将在后文部分有所涉及。

虽然对局地强风暴事件的气候学知识在天气威胁的总体评价中是有用的，但对于任何一天的大气状况可能不符合统计规范。灾害性的事件可以并确实发生在所有州，在一年的所有时间，或在一天的所有时间。这是局地强风暴（SELS）监测需每天24小时不间断运行原因之一。此外，通过将他们的注意力集中在灾害性天气上，局地强风暴（SELS）预报员能为该国各地区的值班预报员提供重要的指导，特别是那些局地强风暴很少发生的地区。如果预报员不习惯于处理强对流天气事件，当它们确实发生在那些相对罕见的场合时，那些事件可能是一个令人不快的“惊喜”。

回顾由Schaefer（1986）提出的，贯穿于20世纪80年代中期的恶劣天气预报历史，感兴趣的读者可以以历史的视角来看待他所做的工作。本文的主要目的是回顾当前局地强风暴预报手段，重点放在该领域中最新的重大进展。将被讨论的知识是从观察性的研究和数字模型模拟中获得的，同时从这些知识中得出的理论和预测技术也将有所提及。也将讨论新技术在有助于评估局地强风暴发展可能性中的重要性。

1. 局地强风暴预报中的哲学意义及方法

恶劣天气监测（Ostby 1992）并不对每一个因局地强风暴所致的灾害性天气事件都行之有效。工作数据网络的密度，对气象状态的理解以及局地强风暴预报的时间与面积规模不能在试图预报所有孤立的、临界的（即很弱的）灾害性事件时都有合理的准确性。因此，局地强风暴预报着力于发布有效的灾害性天气事件监测信息（即巨大冰雹，强烈且极具破坏性的龙卷风等；见Hales 1988），以及对灾害性天气事件的集中统计[例如，20份报告关于在密苏里州北部发生的直径为2.5厘米（1英寸）的冰雹事件]。因此，孤立的、临界的灾害性天气事件将由当地国家气象局（NWS）办公室处理，这在他们发布常规的天气预警职责之内。

局地强风暴的预报方法利用局地强风暴随时间尺度变化的预报产品（参见Doswell等人1993和Ostby 1992的定义和详细信息）。 对流外推预报的准备（至52小时）主要包含对国家气象中心（NMC）数值模式预报产品的解释和修正（见第3节）。 对于那些外推预报有效期限在预定发布时间12小时内开始的，进行一些基于对当前天气尺度和次天气尺度诊断的额外调整。

在时间尺度为0-7小时的范围内，局地强风暴发布三种类型的预报产品：中尺度论述，局地强风暴监测（强雷暴和龙卷风）和状态报告（Ostby 1992）。这些短期产品是主要是对性质的诊断，如果它们及时且准确，“实时”的天气状况则需要持续对细节和趋势变化的关注（参见Doswell 1986a）。例如，对区域次天气尺度表地面数据的分析（可用的最密集数据采集网络）是短期灾害性天气威胁评估的必要方式（Doswell 1982），所以典型的地面分析通常每小时都要进行。进一步，这些主观的地表分析来源于地表数据场的参数补充。中尺度局地强风暴的预报员^[1]还会仔细查看来源于卫星（例如Scofield和Purdom 1986），雷达（例如，Burgess和Ray 1986），闪电（例如，Lewis 1989）和风廓线仪（例如，Leftwich和Beckman 1992）的遥感图像以帮助准确诊断重要的天气和中尺度特征。这些数据可以涵盖从几乎连续（闪电）到每小时（风廓线）的区间范围。

随着附加数据来源的获得和国家强风暴预报中心（NSSFC）数据显示的手段有所提高，状态报告和中尺度论述在最近几年也更加及时和详细（见图1和2）。 除了它们的原始用途（参见Doswell以及其他人 1993），这些信息现在有时被利用于给外勤人员发出特别危险的中尺度对流发展的预警（例如，图1b），或用于讨论局部的严重威胁，当预期强度、受影响区域、和（或）持续时间太有限以至于不能正确地用于监测发布的预警时（例如，图2b）。

图1.（a）在1991年4月26日06：46（世界时）发布的状态报告，讨论了时间上临近于当前监测的潜在监测发布。缩写形式与联邦航空管理局相一致。手册编号为7340.1L和7350.6E。（b）如（a）所述，除了发布日期为1991年4月26日19：24（世界时），并讨论了一个出现在堪萨斯州中北部危险的中尺度系统的发展。

图2.如图1（a）所示，除了时间上是1991年7月22日星期一18：29（世界时）发布的中尺度系统讨论，讨论了可能导致监测发布的天气尺度和次天气尺度条件和趋势。（b）如（a）所述，除了时间上是在1991年3月2日10：45（世界时）发布的，并讨论了一个小区域内可能受限于持续时间的灾害性威胁。

虽然短期的局地强风暴预报主要是性质诊断（Doswell 1986b），但动态数值天气预报（NWP）模式也在预报中起到了作用。 通常在开始运行时，一个中尺度局地强风暴预报员检测短期预报模式（6，12和有时18小时），以确保那些的模式参数和发展趋势与局地强风暴的相关性。 通常要与当前的对流发展相联系，它们帮助中尺度预报员聚焦到需要更加详细分析的区域。 其它的短期预报产品以当前地面数据和模式数据相结合的方式来辅助预报员对当前的参数值加以评估（见第3节）。

1. 深层对流的产生

几乎所有的局地强风暴事件都与深层对流有关。要达到深层对流需有三种必要因素（如Doswell 1987所描述的）：

• 1. 在中低对流层大气中有厚度充分的潮湿层，
  2. 有足够陡峭的垂直减温率以出现一个实质性的 “确定性的区域”，
  3. 充分的外力抬升，使得潮湿层的气块可以达到其自由对流高度（LFC）。

由于形成深层对流的根本问题是看能否达到自由对流高度（LFC），这些必要因素的充分性问题是由一个气块是否可以如期待的那样上浮通过深层。湿度，条件不稳定和外力提升都是必要的，并且每个因素都以不同的方式影响对流的形成潜势。

为了评估深层对流的潜势，预报员必须能够诊断出对流层当前的热力结构并预测热力平流，湿度平流和垂直运动场的变化。 目前，这些气象要素的诊断是通过每天两次（世界时00：00和12：00）的无线电探空仪从世界各地的气象台站网络获取。无线电探空仪为预报员抓拍到遍及各地的站点垂直热力和风廓线数据。具有挑战性的是利用有限的探测数据推断观测在空间和时间上的结构，并在可能的预报期内预测此结构中时序变化。

在早期的探空分析中，预报员在热力图表上标绘局地无线电探空数据（例如，假绝热图），并基于对日加热预期等的因素，以图表的方式对深层对流的潜力进行估计。对静态不稳定（正面积）和上限（负面积）的估计是该过程的重要组成部分。由于当时的技术还不能及时的定量测量正负面积，因此发展了一些稳定性指数（如局地强风暴抬升指数，Galway 1956）。这样的指数（很多仍为今天所使用）主要是强制的气压级数据。这使得它们灵敏于对细节上的探测，因此它们可能不代表数据的真实性质。此外，在计算中使用的探测在对流发生和发展之间的时间内可能会发生显着变化，因此其数值也可能不具有代表性。随着技术和我们对风暴过程理解的改变，新的技术和参数正在不断发展，这样就可以比传统的指数更好地利用探空信息。当前在局地强风暴预报中，预报员使用VAS [VISSR（可见和红外旋转扫描辐射计）大气探测仪]数据利用中心（VDUC）的交互式计算机系统（Browning 1991,1992）业务化的显示热力廓线分布并确定其派生参数。局地分析计算机程序，如CONVECT（Stone 1988），以及交互程序，如斜交T-logp / 速度图分析和研究程序（SHARP；Hart和Korotky 1991）正在为本地天气预报员所广泛利用来协助定量探空的资料分析。这些交互程序将新旧的天气指数相结合（例如，对流潜势或对流有效位能（CAPE））并允许预报员将探空数据进行修正以试图解释风暴环境中预期的时空变化。

为了辅助局地强风暴预报员在雷暴发展中定义（在时间和时间上）的短期潜势（0-7 h），每小时地面数据用于参数场的计算，其中一些则是为了预期的变化而有所修改。^[2]通过这种方式，预报员可以获得参数的每小时估计诸如地表气块抬升指数（正面积），有覆盖强度（负面面积），低层辐合（意味着局地抬升，通常沿边界；参见，例如Wilson等人1988）及其它等等。

长期预报（例如，局地强风暴于世界时07：00的对流潜势预报，提前预报在发布时间29小时后的普通雷暴的潜势）主要涉及对数值模式产品的解释。通常，局地强风暴预报员一旦分析了最新的无线电探空仪数据，就可以构建一个包括“初始”条件的复合图表（见Doswell 1982，II 31-32）。 从这个复合图表中可以看出“初始”天气模式与气象参数场之间的三维关系。

然后做出从构建“初始”复合图表（图3）时起之后的12小时至48小时间隔的复合潜势预报，主要方法是通过从国家气象中心（NMC）中同化数值天气预报（NWP）模式产品。利用合量预报表上的模式和参数值来准备对深层对流和强天气事件的预​​测（见第4,5和6节）。就深层对流发展而言，包括在图表中的模式参数有涉及垂直运动，不稳定性（正面积）和覆盖逆温（负面积）等的因素。最近，国家强风暴预报中心开发了一套能够使预报员在数值天气预报（NWP）允许范围内（Cope 1992）构建组合程序并使用多种可操作预报的程序。该过程为每个参数区间分配了特定的颜色，并具有循环功能，允许预报员查看模式预报区间随时间变化的关系。任何区间的组合都可以相互叠加（例如，不稳定性和垂直运动；图4）。

图3.一个描述影响强雷暴发展的那些地表和高空参数的12小时位置预报的综合预测例子。根据1991年4月26日的12：00（世界时）的初始数据，预报时间为1991年4月27日00：00（世界时）的位置。这是Doswell等人的彩色原件的黑白版本。1993（图1）；可以在其中找到参数编码的细节，但在这里并不重要。相反，在这里的目的仅仅是为了举例证明综合预测后出现的现象。

图4.来自局地强风暴显示的多窗口页面环，其描绘了嵌套网格模式（NGM）最佳的抬升指数场的预测（对于值le;0的2℃间隔的实等值线）和嵌套网格模式（N

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