單次強對流天氣特征與觸發機制分析

摘要 為加強對研究區農業氣象強對流天氣發生發展情況的分析和研究，利用高空觀測中的位勢高度、風向風速和溫度等常規觀測資料，地面自動站逐小時降水、風向風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日研究區強對流天氣的大氣環境特征與觸發機制進行分析。結果表明：（1）在500 hPa副高偏弱，受東部沿海低槽的槽后西北風擬制的情況下，中低層無明顯輻合系統和低空西南急流，而在有利的不穩定層結、能量條件和觸發機制共同作用下，研究區仍有可能出現強對流天氣。由于中低層無明顯輻合系統和低空西南急流，水汽輸送和輻合條件較差，導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，為強對流天氣的發生提供了一定的環流條件。本次強對流天氣主要是由強烈的熱力不穩定和對流觸發條件造成的，對流有效位能達2 593.1 J/kg、對流穩定度指數Δθse850-500為17.8 ℃、K指數37.5 ℃、沙氏指數SI為-3.16 ℃、抬升指數LI達-7.38 ℃、下沉對流有效位能DCAPE達1 145.5 J/kg，有利于雷雨大風天氣的發生。而動力不穩定條件較差，垂直風切變較弱，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而產生的，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。目的在于為后續的強對流天氣預警預報提供參考。

關鍵詞 強對流；大氣環境；觸發機制；雷達回波

中圖分類號 S165" "文獻標識碼 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生的[1-2]，包括冰雹、短時強降水和雷暴大風。由于持續時間短，水平尺度小，局地性強，往往會給農業生產等造成一定威脅，所以強對流天氣預報及預警是農業氣象天氣預報業務中需要突破的難點之一[3-4]。近年來，隨著科學技術的發展，強對流天氣預警預報的要求逐漸提高[5]。葉東[6]通過對一次強風雹天氣過程進行診斷分析，認為對流單體的移動方向與地面輻合線一致，中氣旋的產生比大風冰雹產生提前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，認為該機理研究是提高局地突發強對流天氣演變的科學認知和短時臨近預報水平的關鍵。趙強等[8]對2015—2018年西北某地區出現的4次強對流天氣進行分析，認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強對流，而大尺度模式預報對此類降水預報能力有限。陸飛等[9]對2021年7月華東某地區一次強冰雹過程進行分析，認為雷達回波中三體散射現象的長釘回波充分預示了強冰雹的出現，多單體風暴中組合反射率在60 dBz以上且回波頂高超過17 km的區域與冰雹發生地較為吻合。趙娟等[10]對2020年西北某地區盛夏兩次強對流過程環境場進行對比分析，認為強降水和冰雹落區位于中尺度云團的云頂亮溫等值線密集的區域，降水最強時段和大冰雹發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，該地區出現了一次雷雨大風、局地短時強降水和冰雹天氣，為加強對研究區該次強對流天氣發生發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、風向風速和溫度等常規觀測資料，分析了該次強對流天氣的大氣環境特征與觸發機制，目的在于為后續的強對流天氣預警預報提供參考。

1 材料與方法

1.1 天氣實況

2023年6月11日午后至傍晚，研究區大部出現了雷雨大風、局部短時強降水和冰雹天氣，大風區和強降水區主要位于研究區西南部，附近出現了小冰雹。區域自動氣象站監測顯示，6月11日8：00—20：00，研究區全域有47站極大風速在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級風速及以上的有應城義和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）。應城西南部、漢川西北部局部出現短時強降水，漢川新堰降水量59.7 mm、應城南垸降水量52.9 mm，應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機制

1.2.1 大氣環流形勢" 利用高空氣象觀測站觀測的要素數據（包括位勢高度、風向風速和溫度等資料），通過計算機軟件得出高空觀測天氣圖，來分析當時強對流天氣的高空大氣環流形勢，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，以此體現當時強對流天氣的環流特征。

1.2.2 大氣環境特征" 利用高空氣象觀測站的T-logP探空結果、地面自動站的風向風速及露點溫度數據來分析此次強對流天氣過程的大氣環境特征。（1）不穩定層結。利用T-logP探空結果中的狀態曲線和層結曲線之間的特定區域面積大小來分析不穩定層結的指標是否明顯，面積越大，不穩定層結越明顯，不穩定能量越強，發生強對流天氣概率越大。（2）特征層高度。利用T-logP探空結果中的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，較容易產生冰雹天氣。（3）垂直風切變。利用T-logP探空結果中高空和低空的風向風速形勢來判斷垂直風切變的強弱。

1.2.3 對流觸發機制" 采用地面自動站的風向風速及露點溫度等資料得出地面天氣結果，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，地面風向的切變越大，中尺度輻合線越明顯，說明其對流觸發機制越好；利用雷達回波資料來分析正在發生強對流天氣的地區位置、系統的實況路徑和強度的變化，回波強度越強，代表該地區強對流天氣越強烈。

2 結果與分析

2.1 大氣環流形勢分析

本次強對流天氣發生時段在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的擬制，低層（700～925 hPa）長江以南的西南風沒有發展，低空西南急流更沒有出現。

武漢高空氣象觀測站（以下簡稱“武漢站”）是距離研究區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10 m/s，高空有弱的冷平流，低層850、925 hPa轉為高壓底部，吹偏南或偏東風，有弱暖平流，如11日20：00，武漢站500、925 hPa在24 h內變溫分別為-3.5、1.2 ℃。長江以南沒有出現低空西南急流，前期持續晴熱高溫天氣，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，研究區南部有露點≥24 ℃的濕區。這種上干冷、下暖濕的熱力不穩定層結，有利于強對流天氣發展。同時，由于中低層無明顯輻合系統和低空西南急流，水汽輸送和輻合條件較差，導致強降水的范圍不大、強度較弱。

2.2 大氣環境特征分析

2.2.1 不穩定層結" 對流有效位能（Convective

Available Potential Energy，CAPE）一般對強對流天氣的發生有較好的指示意義[11-12]。從2023年6月11日武漢站的環境參數來看（表1），6月11日8：00條件不穩定特征明顯，狀態曲線和層結曲線之間的紅色區域面積較大，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。對流穩定度指數Δθse850-500為17.8 ℃、K指數37.5 ℃、沙氏指數SI為-3.16 ℃、抬升指數LI達到-7.38 ℃，大氣層結處于強烈的熱力不穩定狀態；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天氣的發生。

6月11日20：00，溫濕層結曲線出現了“上濕下干”的情況；對流穩定度指數明顯減小，Δθse850-500為1.3 ℃，12 h減小了16.5 ℃；K指數有所降低，為28.7 ℃，12 h降低了8.8 ℃；沙氏指數SI有所增長，為1.36 ℃，12 h增長了4.52 ℃。這說明此時大氣層結不穩定狀態明顯減弱。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大氣層結處于強烈不穩定狀態，20：00大氣不穩定狀態明顯減弱，層結趨向于穩定狀態。因此，6月11日午后至傍晚研究區大部分地區出現了雷雨大風、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[13-14]。-20～0 ℃層負溫區是供雹胚運動增長的重要區域，適宜的高度差使得雹胚在過冷水含量豐富的環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，在夏季較大的不穩定能量作用下，研究區多地出現冰雹天氣。

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

2.3 對流觸發機制分析

通過分析大氣環流形勢和環境條件發現，6月11日8：00以后不穩定層結和能量條件有利于強對流天氣的發生發展，但是強對流天氣的出現，還需要觸發條件，下面對該次強對流天氣發生的觸發條件進行分析。

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北部有對流回波發展，之后，對流回波向東南方向移動，進入干線區域后，對流回波強度得到迅速發展增強，13：12強回波中心位于中南部，中心強度達68 dBz，致使部分區域出現了37.3 m/s的極大風，局地下冰雹。此時，在地面南輻合線的觸發作用下，武漢部分區域有對流回波發展；在低層偏南風氣流作用下，該回波向西北方向移動，進入干線和濕舌區域后，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，致使部分地區出現31.7 m/s的極大風，另有地區在15：00—16：00的1 h內降水量達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，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已消失。

3 結論與討論

本文利用高空觀測中的位勢高度、風向風速和溫度等常規觀測資料，地面自動站逐小時降水、風向風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日研究區強對流天氣的大氣環境特征與觸發機制進行分析，得出如下結論。

（1）在500 hPa副高偏弱，受東部沿海低槽的槽后西北風擬制的情形下，中低層無明顯輻合系統和低空西南急流，但在有利的不穩定層結、能量條件和觸發機制共同作用下，研究區仍有可能出現強對流天氣。同時，由于中低層無明顯輻合系統和低空西南急流，水汽輸送和輻合條件較差，導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，為強對流天氣發生提供了一定的環流條件。本次強對流天氣主要是由強烈的熱力不穩定和對流觸發條件造成的，對流有效位能達2 593.1 J/kg、對流穩定度指數Δθse850-500為17.8 ℃、K指數37.5 ℃、沙氏指數SI為-3.16 ℃、抬升指數LI達-7.38 ℃、下沉對流有效位能DCAPE達1 145.5 J/kg，有利于雷雨大風天氣的發生。而動力不穩定條件較差，垂直風切變較弱，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產生的，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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（責編：楊 歡）