單次強對流天氣特征與觸發(fā)機制分析

摘要 為加強對研究區(qū)農(nóng)業(yè)氣象強對流天氣發(fā)生發(fā)展情況的分析和研究，利用高空觀測中的位勢高度、風(fēng)向風(fēng)速和溫度等常規(guī)觀測資料，地面自動站逐小時降水、風(fēng)向風(fēng)速及露點溫度等地面加密資料，以及雷達回波等實況資料，對2023年6月11日研究區(qū)強對流天氣的大氣環(huán)境特征與觸發(fā)機制進行分析。結(jié)果表明：（1）在500 hPa副高偏弱，受東部沿海低槽的槽后西北風(fēng)擬制的情況下，中低層無明顯輻合系統(tǒng)和低空西南急流，而在有利的不穩(wěn)定層結(jié)、能量條件和觸發(fā)機制共同作用下，研究區(qū)仍有可能出現(xiàn)強對流天氣。由于中低層無明顯輻合系統(tǒng)和低空西南急流，水汽輸送和輻合條件較差，導(dǎo)致強降水的范圍不大、強度較弱。（2）受高空500 hPa東部沿海低槽的槽后西北氣流影響，高空有弱冷平流，低層有弱暖平流，為強對流天氣的發(fā)生提供了一定的環(huán)流條件。本次強對流天氣主要是由強烈的熱力不穩(wěn)定和對流觸發(fā)條件造成的，對流有效位能達2 593.1 J/kg、對流穩(wěn)定度指數(shù)Δθse850-500為17.8 ℃、K指數(shù)37.5 ℃、沙氏指數(shù)SI為-3.16 ℃、抬升指數(shù)LI達-7.38 ℃、下沉對流有效位能DCAPE達1 145.5 J/kg，有利于雷雨大風(fēng)天氣的發(fā)生。而動力不穩(wěn)定條件較差，垂直風(fēng)切變較弱，因而大冰雹不容易生成。（3）本次強對流天氣是由地面中尺度輻合線，低層850、925 hPa和地面干線，925 hPa和地面濕舌等共同觸發(fā)而產(chǎn)生的，其中850、925 hPa和地面的露點溫度梯度分別達5.5、3.9和6.6 ℃/100 km。目的在于為后續(xù)的強對流天氣預(yù)警預(yù)報提供參考。

關(guān)鍵詞 強對流；大氣環(huán)境；觸發(fā)機制；雷達回波

中圖分類號 S165" "文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）12-0111-04

強對流天氣是在有利的大尺度天氣形勢下由中小尺度擾動而直接產(chǎn)生的[1-2]，包括冰雹、短時強降水和雷暴大風(fēng)。由于持續(xù)時間短，水平尺度小，局地性強，往往會給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等造成一定威脅，所以強對流天氣預(yù)報及預(yù)警是農(nóng)業(yè)氣象天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中需要突破的難點之一[3-4]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，強對流天氣預(yù)警預(yù)報的要求逐漸提高[5]。葉東[6]通過對一次強風(fēng)雹天氣過程進行診斷分析，認(rèn)為對流單體的移動方向與地面輻合線一致，中氣旋的產(chǎn)生比大風(fēng)冰雹產(chǎn)生提前0.5 h。崔新艷等[7]對近年來對流初生機理的研究成果進行分析，認(rèn)為該機理研究是提高局地突發(fā)強對流天氣演變的科學(xué)認(rèn)知和短時臨近預(yù)報水平的關(guān)鍵。趙強等[8]對2015—2018年西北某地區(qū)出現(xiàn)的4次強對流天氣進行分析，認(rèn)為盛夏在受副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）控制時，地面高溫高濕有利于觸發(fā)強對流，而大尺度模式預(yù)報對此類降水預(yù)報能力有限。陸飛等[9]對2021年7月華東某地區(qū)一次強冰雹過程進行分析，認(rèn)為雷達回波中三體散射現(xiàn)象的長釘回波充分預(yù)示了強冰雹的出現(xiàn)，多單體風(fēng)暴中組合反射率在60 dBz以上且回波頂高超過17 km的區(qū)域與冰雹發(fā)生地較為吻合。趙娟等[10]對2020年西北某地區(qū)盛夏兩次強對流過程環(huán)境場進行對比分析，認(rèn)為強降水和冰雹落區(qū)位于中尺度云團的云頂亮溫等值線密集的區(qū)域，降水最強時段和大冰雹發(fā)生時段位于中尺度云團的合并加強階段。

孝感市（30°23′～31°52′ N，113°19′～114°35' E）位于湖北東北中部，長江以北，漢江以東，全境南北長約163 km，東西寬約122 km。2023年6月11日，該地區(qū)出現(xiàn)了一次雷雨大風(fēng)、局地短時強降水和冰雹天氣，為加強對研究區(qū)該次強對流天氣發(fā)生發(fā)展的情況進行分析和研究，本文利用高空觀測中的位勢高度、風(fēng)向風(fēng)速和溫度等常規(guī)觀測資料，分析了該次強對流天氣的大氣環(huán)境特征與觸發(fā)機制，目的在于為后續(xù)的強對流天氣預(yù)警預(yù)報提供參考。

1 材料與方法

1.1 天氣實況

2023年6月11日午后至傍晚，研究區(qū)大部出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)、局部短時強降水和冰雹天氣，大風(fēng)區(qū)和強降水區(qū)主要位于研究區(qū)西南部，附近出現(xiàn)了小冰雹。區(qū)域自動氣象站監(jiān)測顯示，6月11日8：00—20：00，研究區(qū)全域有47站極大風(fēng)速在7級以上，其中1站11級、3站10級、2站9級、17站8級和24站7級。10級風(fēng)速及以上的有應(yīng)城義和31.7 m/s（11級）、漢川西部26.0 m/s（10級）、麻河25.9 m/s（10級）和灣潭25.1 m/s（10級）。應(yīng)城西南部、漢川西北部局部出現(xiàn)短時強降水，漢川新堰降水量59.7 mm、應(yīng)城南垸降水量52.9 mm，應(yīng)城南垸小時雨強最大，為37.6 mm（11日16：00）。

1.2 大氣形勢特征與對流觸發(fā)機制

1.2.1 大氣環(huán)流形勢" 利用高空氣象觀測站觀測的要素數(shù)據(jù)（包括位勢高度、風(fēng)向風(fēng)速和溫度等資料），通過計算機軟件得出高空觀測天氣圖，來分析當(dāng)時強對流天氣的高空大氣環(huán)流形勢，包括低槽、急流、副熱帶高壓和低渦等的強度以及位置變化情況，以此體現(xiàn)當(dāng)時強對流天氣的環(huán)流特征。

1.2.2 大氣環(huán)境特征" 利用高空氣象觀測站的T-logP探空結(jié)果、地面自動站的風(fēng)向風(fēng)速及露點溫度數(shù)據(jù)來分析此次強對流天氣過程的大氣環(huán)境特征。（1）不穩(wěn)定層結(jié)。利用T-logP探空結(jié)果中的狀態(tài)曲線和層結(jié)曲線之間的特定區(qū)域面積大小來分析不穩(wěn)定層結(jié)的指標(biāo)是否明顯，面積越大，不穩(wěn)定層結(jié)越明顯，不穩(wěn)定能量越強，發(fā)生強對流天氣概率越大。（2）特征層高度。利用T-logP探空結(jié)果中的0和-20 ℃所處的高度來判斷分析特征層高度，特征層高度處于夏季形成冰雹的較理想高度時，較容易產(chǎn)生冰雹天氣。（3）垂直風(fēng)切變。利用T-logP探空結(jié)果中高空和低空的風(fēng)向風(fēng)速形勢來判斷垂直風(fēng)切變的強弱。

1.2.3 對流觸發(fā)機制" 采用地面自動站的風(fēng)向風(fēng)速及露點溫度等資料得出地面天氣結(jié)果，并以此來分析地面中尺度輻合線、露點鋒的存在和位置，露點溫度梯度越大，露點鋒越明顯，地面風(fēng)向的切變越大，中尺度輻合線越明顯，說明其對流觸發(fā)機制越好；利用雷達回波資料來分析正在發(fā)生強對流天氣的地區(qū)位置、系統(tǒng)的實況路徑和強度的變化，回波強度越強，代表該地區(qū)強對流天氣越強烈。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣環(huán)流形勢分析

本次強對流天氣發(fā)生時段在6月11日8：00—20：00，受東北低渦南落，特別是2023年第3號“古超”臺風(fēng)北上的影響，南北夾擊，副高強度偏弱、位置偏東。由于副高偏弱，加之受500 hPa與東北低渦相配合的東部沿海低槽的槽后西北風(fēng)的擬制，低層（700～925 hPa）長江以南的西南風(fēng)沒有發(fā)展，低空西南急流更沒有出現(xiàn)。

武漢高空氣象觀測站（以下簡稱“武漢站”）是距離研究區(qū)最近的高空氣象觀測站。6月11日8：00左右，在高空500 hPa的東部沿海低槽的槽后西北氣流作用下，武漢站為西北風(fēng)10 m/s，高空有弱的冷平流，低層850、925 hPa轉(zhuǎn)為高壓底部，吹偏南或偏東風(fēng)，有弱暖平流，如11日20：00，武漢站500、925 hPa在24 h內(nèi)變溫分別為-3.5、1.2 ℃。長江以南沒有出現(xiàn)低空西南急流，前期持續(xù)晴熱高溫天氣，潮濕的下墊面受到的太陽輻射而加熱劇烈，積聚了強大的不穩(wěn)定能量，11日8：00，武漢站ΔT850-500達到28 ℃（T為氣溫），ΔQ850-500達到13 g/kg（Q為比濕），925 hPa氣溫達到26 ℃、比濕達到16 g/kg，地面圖上為均壓區(qū)，研究區(qū)南部有露點≥24 ℃的濕區(qū)。這種上干冷、下暖濕的熱力不穩(wěn)定層結(jié)，有利于強對流天氣發(fā)展。同時，由于中低層無明顯輻合系統(tǒng)和低空西南急流，水汽輸送和輻合條件較差，導(dǎo)致強降水的范圍不大、強度較弱。

2.2 大氣環(huán)境特征分析

2.2.1 不穩(wěn)定層結(jié)" 對流有效位能（Convective

Available Potential Energy，CAPE）一般對強對流天氣的發(fā)生有較好的指示意義[11-12]。從2023年6月11日武漢站的環(huán)境參數(shù)來看（表1），6月11日8：00條件不穩(wěn)定特征明顯，狀態(tài)曲線和層結(jié)曲線之間的紅色區(qū)域面積較大，對流有效位能較強，其CAPE值高達2 593.1 J/kg。500 hPa附近有明顯的干空氣卷入，溫濕層結(jié)曲線形成向上開口的喇叭形狀，“上干冷、下暖濕”特征明顯。對流穩(wěn)定度指數(shù)Δθse850-500為17.8 ℃、K指數(shù)37.5 ℃、沙氏指數(shù)SI為-3.16 ℃、抬升指數(shù)LI達到-7.38 ℃，大氣層結(jié)處于強烈的熱力不穩(wěn)定狀態(tài)；抑制對流有效位能（Cervical Intraepithelial Neoplasia，CIN）僅6.4 J/kg，只需較弱的抬升強迫就能產(chǎn)生熱對流；下沉對流有效位能（Downdraft CAPE，DCAPE）較強，達1 145.5 J/kg，有利于地面雷雨大風(fēng)天氣的發(fā)生。

6月11日20：00，溫濕層結(jié)曲線出現(xiàn)了“上濕下干”的情況；對流穩(wěn)定度指數(shù)明顯減小，Δθse850-500為1.3 ℃，12 h減小了16.5 ℃；K指數(shù)有所降低，為28.7 ℃，12 h降低了8.8 ℃；沙氏指數(shù)SI有所增長，為1.36 ℃，12 h增長了4.52 ℃。這說明此時大氣層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)明顯減弱。20：00 CAPE值高達3 203.6 J/kg，12 h增加了610.5 J/kg，這主要受夏季午后日變化影響。總體來看，6月11日8：00大氣層結(jié)處于強烈不穩(wěn)定狀態(tài)，20：00大氣不穩(wěn)定狀態(tài)明顯減弱，層結(jié)趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，6月11日午后至傍晚研究區(qū)大部分地區(qū)出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)、局部短時強降水和冰雹等強對流天氣，而11日晚上沒有對流天氣發(fā)生。

2.2.2 特征層高度" 0和-20 ℃層高度是判斷是否有利于冰雹形成的重要參數(shù)[13-14]。-20～0 ℃層負(fù)溫區(qū)是供雹胚運動增長的重要區(qū)域，適宜的高度差使得雹胚在過冷水含量豐富的環(huán)境中相互碰撞的機會增多，雹粒增長速度快，有利于形成大的冰雹。11日8：00武漢探空站0和-20 ℃層高度分別為4 197.2和7 831.3 m，處于夏季形成冰雹的理想高度，即有利的凍結(jié)層高度、大水滴自然成冰高度和冰雹融化層高度，在夏季較大的不穩(wěn)定能量作用下，研究區(qū)多地出現(xiàn)冰雹天氣。

2.2.3 垂直風(fēng)切變" 根據(jù)11日8：00武漢探空站T-logP結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，底層850 hPa及以下吹東南風(fēng)，有弱暖平流，700 hPa及以上吹偏西北風(fēng)，有冷平流，風(fēng)向形成“對頭風(fēng)”。700～1 000 hPa垂直風(fēng)切變6.2 m/s，500～1 000 hPa垂直風(fēng)切變8.8 m/s，垂直風(fēng)切變較小，造成斜升氣流抬升作用減弱，動力不穩(wěn)定條件較差，不利于較高組織化的風(fēng)暴產(chǎn)生，因而大冰雹不容易生成。

2.3 對流觸發(fā)機制分析

通過分析大氣環(huán)流形勢和環(huán)境條件發(fā)現(xiàn)，6月11日8：00以后不穩(wěn)定層結(jié)和能量條件有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展，但是強對流天氣的出現(xiàn)，還需要觸發(fā)條件，下面對該次強對流天氣發(fā)生的觸發(fā)條件進行分析。

由6月11日8：00地面天氣資料可知，在湖北北部交界處有一地面中尺度輻合線（以下簡稱“北輻合線”），近似呈南北向，長度約240 km，同時在湖北中部也有一地面中尺度輻合線（以下簡稱“南輻合線”），近似呈東西向，長度約260 km。在對流層低層850、925 hPa和地面，均有明顯干線（露點鋒）存在，其上下位置基本一致，位于鄂西北至鄂東北一線，長度約240 km，其在850、925 hPa和地面的露點溫度梯度分別達到5.5、3.9和6.6 ℃/100 km。在925 hPa和地面存在明顯的濕舌。

6月11日11：00，上述兩條地面輻合線繼續(xù)維持，位置略向東西或南北方向擺動。在地面北輻合線和桐柏山對低層偏南氣流抬升的共同作用下，11：36北部有對流回波發(fā)展，之后，對流回波向東南方向移動，進入干線區(qū)域后，對流回波強度得到迅速發(fā)展增強，13：12強回波中心位于中南部，中心強度達68 dBz，致使部分區(qū)域出現(xiàn)了37.3 m/s的極大風(fēng)，局地下冰雹。此時，在地面南輻合線的觸發(fā)作用下，武漢部分區(qū)域有對流回波發(fā)展；在低層偏南風(fēng)氣流作用下，該回波向西北方向移動，進入干線和濕舌區(qū)域后，對流回波強度得到增強，14：54強回波中心位于東北部，中心強度達62 dBz，回波頂高19 km，致使部分地區(qū)下小冰雹。15：36南、北兩個對流回波合并，回波中心位于西南部，中心強度達61 dBz，回波頂高19 km，致使部分地區(qū)出現(xiàn)31.7 m/s的極大風(fēng)，另有地區(qū)在15：00—16：00的1 h內(nèi)降水量達37.6 mm。之后，合并后的對流回波迅速南壓減弱，18：00移出研究區(qū)，并且回波強度明顯減弱。由在6月11日20：00的天氣資料可知，原來的地面輻合線和干線等中尺度系統(tǒng)已消失。

3 結(jié)論與討論

本文利用高空觀測中的位勢高度、風(fēng)向風(fēng)速和溫度等常規(guī)觀測資料，地面自動站逐小時降水、風(fēng)向風(fēng)速及露點溫度等地面加密資料，以及雷達回波等實況資料，對2023年6月11日研究區(qū)強對流天氣的大氣環(huán)境特征與觸發(fā)機制進行分析，得出如下結(jié)論。

（1）在500 hPa副高偏弱，受東部沿海低槽的槽后西北風(fēng)擬制的情形下，中低層無明顯輻合系統(tǒng)和低空西南急流，但在有利的不穩(wěn)定層結(jié)、能量條件和觸發(fā)機制共同作用下，研究區(qū)仍有可能出現(xiàn)強對流天氣。同時，由于中低層無明顯輻合系統(tǒng)和低空西南急流，水汽輸送和輻合條件較差，導(dǎo)致強降水的范圍不大、強度較弱。

（2）受高空500 hPa東部沿海低槽的槽后西北氣流影響，高空有弱冷平流，低層有弱暖平流，為強對流天氣發(fā)生提供了一定的環(huán)流條件。本次強對流天氣主要是由強烈的熱力不穩(wěn)定和對流觸發(fā)條件造成的，對流有效位能達2 593.1 J/kg、對流穩(wěn)定度指數(shù)Δθse850-500為17.8 ℃、K指數(shù)37.5 ℃、沙氏指數(shù)SI為-3.16 ℃、抬升指數(shù)LI達-7.38 ℃、下沉對流有效位能DCAPE達1 145.5 J/kg，有利于雷雨大風(fēng)天氣的發(fā)生。而動力不穩(wěn)定條件較差，垂直風(fēng)切變較弱，因而大冰雹不容易生成。

（3）本次強對流天氣是由地面中尺度輻合線，低層850、925 hPa和地面干線，925 hPa和地面濕舌等共同觸發(fā)產(chǎn)生的，其中850、925 hPa和地面的露點溫度梯度分別達到5.5、3.9和6.6 ℃/100 km。

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（責(zé)編：楊 歡）