一次混合強對流天氣過程數值模擬分析

蘇 濤，姚 蓉，周長青，周 莉

（湖南省氣象臺/氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118）

隨著社會經濟的迅速發展以及城市化進程的不斷加快，局地強對流天氣造成的影響變得越來越嚴重，也引起了越來越廣泛的關注［1-3］。雷暴作為一種常見的災害性強對流天氣，是在發展旺盛的積雨云中產生的，常伴有雷電、大風和陣性降水。雷暴的發展依賴于大氣的動力、熱力和水汽條件，常由近地面的中尺度系統觸發［4，5］，所以在常規天氣圖上沒有明顯的征兆，具有較強的隱蔽性，這也給強對流天氣的預報造成了很大的困難。

國內外廣大氣象工作者將多種方法結合運用，從多個角度對強對流天氣進行了深入而細致的研究，分析診斷了強對流天氣發生時各種物理場，開展了強對流天氣雷達回波特征研究，模擬了強對流天氣的發生發展及相關要素特征等［6-11］。羅琪等［12］對一次罕見強弓狀颮線過程演變和機理分析表明，超過2 000 J/kg 的對流有效位能（CAPE）、強0～6 km和0～3 km 風垂直切變為弓狀颮線及其相關超級單體的生成和維持、大冰雹和地面強風的形成提供了有利條件，超級單體階段和颮線階段都有明顯的回波懸垂、弱回波區、中氣旋（颮線成熟后期為中渦旋）、強后側入流及其伴隨的入流缺口等特征。馬淑萍等［13］通過極端雷雨大風與普通雷暴兩者之間關鍵環境參數進行對比，研究了極端雷雨大風天氣環境要素特點，揭示極端雷雨大風事件的關鍵環境參數特征。仇娟娟等［14］研究了蘇滬浙地區短時強降水與冰雹天氣物理量特征，統計分析了冰雹與強降水天氣0 ℃層高度、K 指數、可降水量和高空風切變等參數的平均差異。這部分研究主要基于環境參數與雷達回波特征來開展分類強對流預警及潛勢預報工作。

隨著氣象探測技術和中尺度數值模擬能力的不斷進步，針對強對流天氣的臨近預報正在向高分辨率方向發展，數值模式作為對觀測的補充，可詳細認識強對流形成的云物理過程及云物理結構分布演變特征［15，16］。付燁等［17］對一次冰雹過程模擬，表明水汽輻合區、能量鋒區以及雷達反射率因子高值區接近地面輻合線，模擬的雹云屬多單體風暴，具有明顯的合并發展特征。段亞鵬等［18］對“東方之星”翻沉事件強對流天氣進行了數值模擬，探討了近地面水平風速、垂直運動以及累積降水量與組合反射率因子高值區之間的關系。張赟程等［19］利用數值模式反演強對流事件，發現陣風鋒的出現可觸發新的雷暴單體并且對后向傳播機制的維持具有重要作用。

每年春夏季是湖南省發生強對流天氣的主要時段，以雷雨大風、冰雹和短時強降水為主。近年來湖南省當地預報員開展了多個典型強對流天氣個例診斷分析研究［20-23］，但對強對流天氣的模擬研究略顯不足，對于混合強對流天氣環境參數演變過程特征無法準確描述。2015 年4 月3—4 日強對流過程影響時間較長、范圍廣，在湘東北不僅出現了風雹災害，還出現了12 h 累積雨量200 mm 以上的極值降水。造成混合性強對流天氣強風暴的結構特征、發生發展過程鮮見報道。本研究利用WRF 模式，重點對洞庭湖區混合強對流過程進行數值模擬，探討湖陸下墊面地形條件下強對流系統的精細結構、發展演變過程及其觸發機制，從熱力、動力、水汽條件等角度揭示強對流發生發展狀況，以利于更好地了解洞庭湖地區混合性強對流天氣發生發展的機理，旨在提高其預報預警水平。

1 資料與模擬設置

WRF-ARW 模式是新一代可壓縮的非靜力平衡模式，廣泛應用于中小尺度對流系統的模擬［3，6，15］，采用中尺度模式WRF-ARW V 3.7 對此次強對流天氣的演變過程和三維結構進行了數值模擬。

此次模擬的起始時間為2015 年4 月2 日8：00，模式共積分48 h，前16 h 為模式調整（Spin-up）時間。試驗選用合適的物理參數化方案，模式的初始場和邊界條件由NCEP-FNL 1°×1°的再分析資料提供，模擬采用雙向反饋的三重嵌套方案，模式的最外層區域覆蓋了亞洲大部分地區，包含了較大尺度的背景強迫信息；模式最里層嵌套區域為湖南省及其周邊區域，有利于描述小尺度精細化特征。模式嵌套區域的水平分辨率分別為27、9、3 km；垂直方向為不等間距的30 個σ 層，模式層頂氣壓為100 hPa。模式采用了WRF（V3.7）中新的地理數據和NCEP的MODIS_30 s 土地類型利用數據，能夠相對準確地反映出湖南省的地形和土地利用情況。

2 天氣實況與影響系統

2.1 天氣實況

2015 年4 月3—4 日湖南省出現了一次大范圍強對流天氣過程（圖1），其中，3 日強對流天氣范圍最大，并出現了雷雨大風、冰雹及短時暴雨等多種強對流天氣共存的現象。3 日18：00—19：00 湘北出現較大范圍冰雹和短時暴雨，3 日20：00 至4 日1：00湘東出現較大范圍雷雨大風、冰雹和局地暴雨，最大小時雨強為66.7 mm，混合強對流天氣主要出現在湘東北，位于湘東北的岳陽市區相繼出現了冰雹、雷雨大風（21.5 m/s）及極值強降雨，3 日20：00 至4 日8：00 共計12 h 累積雨量為218.3 mm，為創建站以來歷史極值。本次過程導致了較大的人員傷亡和財產損失。張家界、岳陽、常德等10 市（自治州）23 個縣（市、區）40.2 萬人受災，3 人死亡，1 人失蹤，并導致房屋倒塌、農作物絕收，直接經濟損失3 億元。

2.2 天氣形勢與氣象要素變化

強對流天氣主要發生在3 日下午至晚上，在3日20：00 東亞為一脊一槽形勢，500 hPa 華東為高壓脊，具有東高西低形勢，是湖南省出現強降水的形勢之一，中緯度短波槽超前于700 hPa，前傾槽的形成，對流不穩定加大，有利于強對流天氣發生；低空西南急流加強，達18～22 m/s，850 hPa 暖式切變線位于湘北，有利于水汽向長江北岸輸送，925 hPa 在湘東南出現了超低空急流。此時，地面冷空氣從北方滲透南下抵達湘北，南北溫差加大到10 ℃以上，有利于風雹天氣的發生。3 日20：00 分析表明，500 hPa 冷槽呈南北向位于湖北省至湘西北，高、低空急流及地面輻合線基本重合，呈東北-西南向位于湘東北至湘南，850 hPa 切變線位于湘北，暖脊在湘中，屬于典型的低層暖平流強迫類強對流過程，分析表明，湖南省已具有較大范圍強對流天氣發生的環境條件。從岳陽站逐小時溫度、露點、氣壓與降水氣象要素演變（圖1b）來看，20：00 前溫度露點差小于1 ℃，之后地面基本達到飽和狀態；氣壓在20：00 前一直呈下降趨 勢，由14：00 的1 005 hPa 下 降 到1 001 hPa，21：00 氣壓升高3 hPa，在氣壓變化較大階段的19：00—21：00 相繼出現了冰雹和雷雨大風天氣，此時降水較弱；22：00 氣壓再次下降約3 hPa 后持續上升，降水量3 日22：00 至4 日1：00 連續4 h 達25 mm 以上，2：00—5：00 減弱后，6：00—8：00 又出現了逐小時降水量達10～30 mm。

圖1 2015 年4 月3 日8：00 至4 日8：00 天氣實況演變

3 模擬結果與分析

3.1 風暴特征及演變

WRF 模式模擬的3 日16：00—19：00、22：00—23：00 逐小時雷達反射率與10 m 風場疊加如圖2所示，16：00 在常德南部與益陽境內有2 個相距約100 km 左右、基本反射因子分別為40～45 dBz 與50～55 dBz 的回波沿地面輻合線生成，氣旋性輻合最大曲率處的益陽境內，回波單體生成后迅速加強，其東部為一致的南風控制，但湘中以南南風較強，17：00—19：00 風暴單體合并加強發展成超級單體，呈東北西南向移經洞庭湖區，其中，17：00 左右地面輻合為最強階段，有利于對流單體的發展，18：00—19：00 多單體合并成帶狀回波，地面風場輻合演變為輻散氣流，且強回波帶內局地出現了15 m/s 以上較大風速。結合17：00—20：00 探空曲線分析，岳陽市上空呈現了上干下濕的“喇叭口”層結，且0 ℃層與-20 ℃層高度分別為4.1 km 與7.3 km 左右，滿足降雹條件，對應著該階段出現在湘東北的冰雹和雷雨大風，20：00—21：00 回波逐漸變成塊狀緩慢向南移動，岳陽市南部及長沙市風仍呈發散狀，并有局地雷雨大風出現；3 日22：00 至4 日0：00，全省風力減小，湘東北又有較弱的氣旋性輻合生成，西側不斷有新生對流云生成，線狀回波緩慢向東移動，本階段實況探空曲線湘東北上空濕層深厚，且有多個風暴單體移過，引發了湘東北強降水發生。

圖2 3 日16：00—19：00（a 至d）、22：00—23：00（e、f）逐小時雷達反射率（陰影，單位：dBz）10 m 風場疊加（矢量，單位：m/s）

從3 日18：00—19：00、22：00—23：00 逐小時沿著岳陽站（113.083°E，29.383°N）的雷達反射率緯向剖面（圖3）可以看出，18：00 有強風暴單體自西向東移至岳陽市附近，50 dBz 強回波頂高達12 km，強風暴前側入流反射率因子梯度較大，中低層出現了有界弱回波，且風暴頂位于低層反射率因子梯度區上空，并有斜升氣流，后側5 km 以下為下沉氣流，隨著時間推移地面輻散氣流加強，云中上升氣流的抽吸造成其下方地面氣壓的降低，為入流的增強提供了原動力，呈現了超級單體風暴發展階段結構特征；19：00 強回波東移到岳陽市東部的臨湘站附近，從風暴結構來看，前部的對流單體明顯減弱，后部對流單體加強并入，形成多單體風暴，風暴尺度加大，在移過洞庭湖附近的幕阜山時，山前低層下沉氣流明顯加強，垂直風切變加大，風暴的強度更強，55 dBz反射率因子達13 km 以上，說明上升氣流和垂直風切變環境相互作用的動力過程能強烈影響風暴的結構和發展，新單體將在前期單體的有利一側形成，強的垂直風切變環境下，有利于組織完好的超級單體風暴，強風暴的生成導致了本階段降雹和雷雨大風的發生，之后雷暴云團移出岳陽市。22：00 岳陽當地又有弱回波生成，其西部有回波生成，在環境風引導下向東移動，23：00 岳陽市附近回波迅速發展加強，45 dBz 回波頂高達10 km，西部東移回波移動緩慢，回波強度弱于20：00 前，40 dBz 回波頂高達8 km，多個雷暴單體呈“列車效應”移經岳陽站。模擬結果表明，3 日18：00—19：00 雷達回波從單體移速、強回波高度與形狀、風場特征與風暴結構判斷，湘東北出現冰雹、雷雨大風可能性較大，而23：00 左右由于環境風較弱，回波移速慢，并有多單體風暴移過，降水效率高，湘東北可能出現強降水，模擬結果與實況強對流類型和發展演變基本相符。

圖3 3 日18：00—19：00（a、b）、22：00—23：00（c、d）逐小時沿著岳陽站（113.083°E，29.383°N）的雷達反射率（陰影，單位：dBz）和風場（矢量箭頭，W×10，單位：m/s）緯向剖面

3.2 環境參數演變

強對流天氣主要發生在大氣處于不穩定層結、一定的水汽條件和適當的垂直風切變的環境下。為此，本研究將重點模擬垂直風切變、垂直速度、大氣層結、不穩定能量以及500～850 hPa 溫度差等相關環境參數。

3.2.1 動力特征 在給定的大氣熱力條件下，中等以上環境垂直風切變（即環境風向風速隨高度的變化）對雷暴的結構、形態、生命史以及活動有著重要的影響；而垂直速度能一定程度上反映上升氣流和下沉氣流強度，強烈的上升運動對風暴的加強和維持及降水強度的影響起著關鍵作用。因此環境垂直風切變和垂直速度是表征風暴強度和有組織程度的重要環境參數。

從模擬的全省逐小時0～3 km 垂直風切變和700 hPa 垂直速度演變（圖4）來看，18：00 在洞庭湖區出現了4 m/s 的上升運動，后側不足10 km 處出現了下沉氣流，垂直速度達-4 m/s，上升和下沉運動并存，呈現典型的傾斜上升態勢，同時強上升和下沉區表現為弓狀，19：00—21：00 垂直運動區隨著風暴逐漸向東南移動，弓狀結構破壞，垂直運動減弱，湘東北產生的風雹天氣也有所減弱；從同時刻的垂直風切變可以看出，垂直風切變大值區主要集中在湘東北，強對流發生區域的風切變基本大于20 m/s，局地超過30 m/s；垂直風切大值與上升運動和風暴位置對應，隨著風暴逐漸向東南移動，強的垂直風切變可使得垂直氣流發生傾斜，上升和下沉支共存且互不干擾，同時產生通風作用，帶走高層的潛熱能量，維持上冷下暖的分布和不穩定層結，為風暴的有組織發展以及垂直運動的不斷加強提供了條件。

圖4 3 日18：00—21：00 逐小時低層（0～3 km）垂直風切變分布（等值線，單位：m/s）和700 hPa 垂直速度分布（陰影，單位：m/s）

3.2.2 能量條件和溫濕層結 CAPE 是指氣塊在自由對流高度和平衡高度之間受環境正浮力累積做的功，是可能轉換為對流上升運動動能的一種能量，并且是風暴潛在強度的一個重要指標。從逐小時對流有效位能分布（圖5）來看，16：00—18：00 是全省不穩定能量最高階段，省內大部分地區在1 200 J/kg以上，湘東部分及湘西局部地區在2 000 J/kg，其中，16：00—17：00 湘東北局部地區高達3 000 J/kg，19：00 開始CAPE 逐漸減弱，高能區分裂成2 塊，范圍緩慢縮小，維持到4 日0：00，湘東能量高于湘西，局部地區仍有2 100 J/kg，高不穩定能量的積累有利于強對流天氣的發生發展。

高低空的溫差反映了大氣垂直溫度梯度，大的垂直溫差有利于對流不穩定產生。從500～850 hPa全省垂直溫度差演變分布（圖6）來看，16：00—17：00全省大部分地區在22 ℃以上，湘中及湘東部分地區達26～28 ℃，為此次過程最強階段；18：00—19：00全省垂直溫度差開始減弱，湘東北的岳陽市垂直溫度差顯著減小，為18 ℃左右，較之前下降了近10 ℃。此后，湘中以北垂直溫度差逐漸減小，其中，湘西北為18～20 ℃，熱力不穩定層結有所減弱，但湘東南局部地區仍有26～27 ℃。表明強對流發生前，湘東及湘中以南積累了較高的熱力不穩定能量，當垂直溫度差迅速減小時，能量逐漸釋放，強對流天氣開始出現。

圖5 3 日16：00—19：00 逐小時不穩定能量（CAPE）分布（陰影，單位：J/kg）

能量和水汽分布是判斷未來雷雨大風潛勢的重要動力與熱力環境參數［24］。能量演變可決定強對流的發展強度，高低層的濕度分布能反映大氣上空是否具有“上干下濕”的強對流天氣特征，判斷可能出現的強對流種類。對比岳陽站強對流發生前后的T-lnP（探空圖）（圖7）可以看出，3 日17：00，岳陽市附近具有較大的不穩定能量，0 ℃和20 ℃分別位于600 hPa 和400 hPa 高度附近，水汽呈現“上干下濕” 的特征，有利于冰雹和大風等強對流天氣出現；3 日20：00，由于岳陽市有風雹發生，能量開始耗散，對流有效位能低于強對流發生前，但融化層高度和“上干下濕”特征依然有利；3 日23：00 和4 日2：00，抬升凝結高度降低，暖云層厚度增加，同時整層大氣加濕，濕層深厚，有利于3 日22：00 之后岳陽市短時強降水的出現。

綜合以上環境參數分析表明，在強對流天氣發生期間，湘東北較高的不穩定能量、強的垂直風切變的維持有利于強風暴的組織化和多單體形成與合并加強，配合風暴中層干空氣入侵，加強了風暴中的下沉氣流和低層冷空氣外流。通過動力強迫抬升，流入的暖濕空氣上升更強烈，加強了對流發展，湘東北上空溫濕結構演變，由“上干下濕”轉為整層高濕的環境，同時，動力、熱力與不穩定的環境參數均已達到湖南省產生風雹等強對流天氣的閾值［21］，有利于風雹與對流性強降水混合性強對流天氣的發生。

3.3 湘東北降水與近地面風速數值模擬

湘東北混合強對流活動區域平均（112.5°E—114.2°E，28.5°N—29.7°N）風雨隨時間的模擬結果如圖8 所示。從逐小時降水與近地面風的演變可知，降水在16：00—19：00 呈明顯加強趨勢，且18：00—19：00 為最強階段，20：00 后逐漸減小；風的演變則不同于降水，20：00 前風速呈逐漸增大趨勢，整體加大較平緩，風速最大時段在19：00—20：00，由此說明，19：00 前后，湘東北的強對流天氣最為活躍，強降水和近地面大風災害處于鼎盛時段，從模擬與實況降水演變來看，模擬的較強降水超前于實況，近地面風速的加大時間與實況基本一致，模擬效果優于降水量的模擬。

區域平均小時降水量與對流有效位能CAPE 的演變（圖9a）表明，當能量不斷積累達到最高之時（14：00），對應1 h 后降水加大（15：00），最強降水出現在能量高峰后的第4 小時（19：00），此后降水量逐漸減小。分析10 m 風速與對流有效位能CAPE 的演變（圖9b）表明，風力最大時段比對流有效位能最高時段的15：00 滯后4 h，與降水量最大時段相似。

圖6 3 日16：00—19：00 逐小時垂直（500～850 hPa）溫度差分布（陰影，單位：℃）

圖7 3 日17：00 至4 日2：00 逐3 h 岳陽站T-lnP 演變

圖8 區域平均降水量與10 m 風速（近地面大風）的演變

從近地面相對濕度與降水及風的關系（圖10）來看，由于午后氣溫升高，相對濕度逐漸減小，在16：00 出現轉折，濕度開始上升，降水強度開始加大，上升3 h 即19：00 對應的降水強度為最大，此后盡管相對濕度加大，但小時降水量開始減弱。10 m風速在相對濕度最低的16：00 上升時加大，19：00達最大，此后開始減小。由此可以看出，降水強度和風速的加大時間與相對濕度的變化有一定的相關性，相對濕度在最低值開始回升時，降水強度和風力同時開始加大，并在3 h 后達最大。

螺旋度不僅表達風場旋轉性的強弱，而且還能反映對旋轉性的輸送，螺旋度被廣泛地用來研究強風暴天氣的發生、發展。分析區域平均降水量與螺旋度演變（圖11a）可知，二者具有很好的對應關系，17：00 螺旋度加大，到19：00 達最大，表明此時旋轉和輸送最強，此時，區域平均小時降水量由16：00 開始加大，至19：00 達最大，隨后螺旋度減小，小時降水量也逐漸減小。而10 m 風速則是與螺旋度加大時間一致（圖11b），從17：00 加大，19：00—20：00 風速達最大，隨后到4 日0：00 螺旋度減小，風速減小。綜上可知，本次混合性強對流過程對流有效位能、地面相對濕度與700 hPa 垂直螺旋度變化與對流性降水、風速有一定的相關性，模擬效果對混合強對流的發生發展過程及預報預警有一定的指示作用。

圖9 區域平均降水量、10 m 風速與對流有效位能（CAPE）的演變

圖10 區域平均降水量、10 m 風速與2 m 相對濕度的演變

圖11 區域平均降水量、10 m 風速與700 hPa 垂直螺旋度的演變

4 小結

本研究利用常規觀測資料分析了2015 年4 月3 日湘東北一次混合性強對流天氣過程的天氣形勢與地面要素特征，同時，采用中尺度模式WRFARW V3.7 對此次混合強對流天氣過程進行了數值模擬，重點探究雷暴演變的三維結構和強風暴發展加強的環境條件，得出主要結論如下。

1）常規觀測資料分析發現，本次混合性強對流過程發生在暖平流強迫天氣背景下，湘東北受前傾槽與高、低空急流及地面輻合線共同影響下發生了強對流天氣。湘東北岳陽站強對流發生期間，地面相對濕度接近飽和，無明顯變化，而在氣壓發生降-升-降約4 hPa 突變時，對應時段相繼發生了冰雹、雷雨大風及對流性強降水天氣。由此說明，在低層暖平流天氣強迫有利背景下，當氣壓出現多次明顯升降變化時，可能伴有多種類型混合性強對流天氣發生。

2）模擬的雷暴單體3 日16：00—17：00 在地面輻合線氣旋性曲率最大處湘東北形成并向東移動，從湘東北強風暴演變三維空間結構可知，強對流過程發展時期，風暴最強雷達反射率因子為55 dBz 左右，強回波頂高達12 km，且強風暴前側入流反射率因子梯度較大，中低層出現了有界弱回波，風暴頂位于低層反射率因子梯度區上空，并有斜升氣流相伴，后側下沉強輻散氣流，冰雹云結構明顯，同時多單體合并形成超級單體風暴，受地形影響及動量下傳作用，造成了湘東北的雷雨大風，之后，不斷有風暴生成并移經岳陽市，產生了典型的“列車效應”風暴結構。模擬結果成功再現了風暴的合并加強及地形影響特征，對于研究洞庭湖區特殊地形下風暴的發生發展機制與混合強對流天氣的三維結構模型具有較好的參考作用。

3）模擬的環境參數在湘東北區域存在持續強垂直風切變，最強超過30 m/s，不穩定能量在2 000～3 000 J/kg，700 hPa 風暴附近上升與下沉氣流相伴，相距10 km 左右，500～850 hPa 垂直溫度差可達26～28 ℃，對應的探空曲線在前期表現為“上干下濕”，后期濕層深厚，環境參數達到了湖南省產生強對流天氣閾值，環境條件有利于強風暴的發生發展。分析表明，持續強的垂直風切變與上升氣流的相互作用，有利于風暴加強和維持，并由多單體合并發展形成強對流風暴；不穩定能量積聚，局地熱對流、地形等抬升作用，低層流場急劇輻合并有強烈的旋轉上升運動，觸發了不穩定能量的釋放，為冰雹、雷雨大風及暴雨等強對流天氣提供了動力與不穩定條件。模擬結果很好地刻畫了環境參數的演變與不同類型強對流的發生發展關系，對于混合性強對流天氣的預警預報有一定的指示作用。

4）模擬的湘東北區域逐小時平均風速效果優于逐小時降水，降水加強及風速加大時間與CAPE、相對濕度的變化有一定的相關性，均在CAPE、相對濕度最低值開始上升時，降水強度和風力加大，且分別在4、3 h 后達最大。此外，降水量和低層大風與螺旋度的演變基本同步，也具有很好的對應關系。