湖南春夏季混合強對流天氣過程對比分析

王起喚，姚 蓉，周長青，王 強，張 昆

（1.懷化市氣象局，湖南 懷化 418000；2.湖南省氣象臺，長沙 410118；3.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118）

強對流天氣具有發展迅速，致災性強，預報預警難度大的特點，而混合型強對流天氣更易造成各類氣象災害，是值得預報員關注的重點。樊李苗等［1］對我國多個及多種類強對流天氣做了細致的環境條件分析。羅菊英等［2］指出地面暖低壓與輻合線是鋒前暖區強對流的較典型特征。李靜等［3］同樣也指出地面輻合線對強對流天氣的重要作用，同時中低層冷空氣的滲透能給上升運動提供有利條件。盧阿咪［4］從雷達特征指出了帶來短時強降水和冰雹天氣的條件，并認為三體散射特征的出現有利于提前發布冰雹預警。尤紅等［5］、張桂蓮等［6］指出鉤狀回波、弱回波區、中氣旋以及高VIL 值都有利于對流風暴發展，并且三體散射對于大冰雹的生成有明顯指示意義。江玉華等［7］的研究表明顯著的水平和垂直風切都有利于渦度增大，是對流風暴發展的重要條件。李艷芳等［8］認為伴隨颮線的雷暴高壓與冷池，對災害性大風的出現與維持有重要指示意義。孫密娜等［9］指出強垂直風切帶來的中氣旋和風暴頂輻散對產生地面大風有明顯促進作用。許愛華等［10］對江西多次強對流天氣和對應的云圖資料進行了詳細研究，孫繼松等［11］從預報員業務角度探討了強對流的基本概念和在實際強對流預報中的問題，姚蓉等［12］、高曉梅等［13］、黃莉等［14］、張翠艷等［15］分別對在湖南、山東、廣西、遼寧出現的混合型強對流天氣過程做了研究分析。

春季是湖南強對流天氣多發的季節，尤其是風雹天氣頻發，夏季湖南強對流天氣多以強雷暴、短時強降水為主，少有冰雹發生，其相關分析和研究少見。混合強對流天氣的預報一直是預報員面臨的挑戰，對于春季混合強對流過程的預報預警明顯提高，而對于夏季混合強對流的預報預警提前量和準確率仍有待提高。探究春夏強對流天氣特征的相似與差異，能讓預報員更準確把握不同季節強對流天氣的著眼點。2019 年3 月20—21 日及8 月21 日湖南出現了兩次混合強對流天氣過程，春夏季混合強對流天氣的發生背景、觸發條件及中尺度特征的異同，是研究的重點。選取Micaps 高空、地面常規觀測資料，NCEP FNL 再分析資料（時間分辨率為6 h，空間分辨率為1°×1°），以及張家界站和長沙站的S 波段多普勒天氣雷達產品，通過分析研究春夏季節混合強對流天氣特征，為提高混合強對流天氣預報預警水平提供參考依據。

1 天氣實況與環流背景

1.1 天氣實況

2019 年3 月20—21 日，湖南中北部出現了區域性強對流天氣，其中懷化地區出現混合型強對流天氣。3 月20 日20：00 至21 日2：00，強對流天氣主要發生在懷化的中北部，以冰雹和短時強降水天氣為主（圖1a）。其中冰雹主要出現在沅陵、溆浦、新晃以及芷江縣，最大冰雹直徑達20 mm（沅陵縣借母溪），短時強降水主要集中在沅陵以及溆浦，最大小時雨強39.8 mm（沅陵肖家橋站3 月20 日22：00—23：00），共2 個自動站記錄到大風，瞬時極大風速22.2 m/s（洪江市安江站3 月21 日00：40）。此次過程顯著特點是給多地帶來冰雹天氣，特別是沅陵多個鄉鎮出現冰雹。湖南在3、4 月的冰雹日數占全年64.5%，逐旬變化中以3 月中旬出現最多，從地域分布上，湘西的雪峰山脈和武陵山脈西側是多雹區，懷化北部沅陵縣正位于武陵山以西［16］，選取3 月20 日夜間發生在沅陵縣混合強對流天氣過程作為春季強對流天氣典型個例（以下簡稱“3·20”）。

2019 年8 月21 日下午，湖南中部、東部出現了區域性強對流天氣，其中湘潭、婁底西部、衡陽北部地區自東向西出現了雷暴大風、短時強降水、小尺寸冰雹（圖1b）。其中瞬時極大風速達25.2 m/s（湘潭縣中路鋪水庫站8 月21 日17：10），最大冰雹直徑為7 mm（湘潭縣中路鋪水庫），最大1 h 降雨量37.2 mm（湘潭縣中路鋪水庫站8 月21 日17：00 至18：00）。本次過程在湘東多地產生雷暴大風天氣。許霖等［17］指出在夏季7、8 月是湖南雷暴大風的多發時段，同時由于地形因素，洞庭湖區、韶山也是易發區域，故選取8 月21 日下午在韶山以東的湘潭發生的混合型強對流天氣作為夏季典型個例（以下簡稱“8·21”）。

1.2 環流形勢與影響系統

春季“3·20”于3 月20 日21：00 左右開始，在20日08：00（圖2a），500 hPa 中高緯地區為一槽一脊，副高脊線位置在15°N，江南地區多小槽活動，湖南地區處于南支槽前弱波動的西南氣流控制下，低層700、850 hPa 在湘中以南存在低空急流，同時低層的切變線位于貴州至湘西北一帶。至20 日20：00（圖2b），對流活動即將開始，該時刻500 hPa 湘西地區西南氣流較前一時次加強，700 hPa 在云貴高原出現暖濕急流，湘西地區處于急流出口的風速輻合區，而前一時刻已存在的低空急流仍維持在原位置，850 hPa切變東移至湘中及以北地區，懷化地區處于低層切變線南側和低空急流出口左側的輻合上升區，強對流天氣過程的主要落區正位于此處。地面上，貴州地區有一暖性低壓，湖南受到低壓倒槽的控制，白天地面增溫明顯，沅陵站20 日最高氣溫達32.2 ℃，北方無明顯冷空氣南下引起冷暖交匯，該階段強對流天氣的系統背景符合低層暖平流強迫類［18］的天氣學模型。

圖2 500 hPa 高度場、風場及各層影響系統綜合

夏季“8·21”于8 月21 日16：00 左右開始，在8 月21 日08：00 500 hPa（圖2c）副高脊線位于30°N 以北，其西脊點已伸至西南內陸，江南地區處于副高南側東風波系統中，并且受低壓倒槽影響，湘東地區位于槽前的偏東北氣流控制下，同時500 hPa 溫度冷槽位于高度槽以西，疊加在低層850 hPa 溫度暖脊之上，利于對流不穩定產生，給午后出現強對流天氣提供潛勢基礎，同時在湘東至贛西一帶低層有弱切變線；至21 日20：00（圖2d）副高在內陸進一步西伸，500 hPa 低壓倒槽西移至湘東地區，700 hPa 長江中下游有干線即露點鋒存在，受偏東北氣流影響，使得湘東地區在中層受干空氣侵入，給該次過程中的以雷暴大風為主的混合強對流天氣提供有利條件，強對流天氣落區處于500 hPa 倒槽以西，和槽前溫度冷槽、850 hPa 切變有較好的位置對應關系，該次過程的系統配置符合東風波系統影響的準正壓類［18］強對流天氣分型。

關于邊界層輻合線的研究，Wilson 等［19］發現大多數風暴起源于邊界層輻合線附近，且輻合線附近的風暴會加速發展，車軍輝等［20］指出地面輻合線對中低層的水汽輻合起到關鍵作用，觸發對流風暴。“3·20”的發生時間在3 月20 日21：00 之后，而20 日20：00（圖3a），地面風場中貴州西部至湘西地區，已有明顯地面輻合線存在，其位置和21：00 開始的強對流天氣落區有較明顯重疊，在湘東北同樣存在一條地面輻合線，且后期此區域出現了短時強降水天氣，但對流強度不及湘西地區；至3月21日02：00，對流系統向東發展，該輻合線也隨之推進至湘中偏東地區。“8·21”發生在8 月21 日16：00 之后，但早在8月21 日08：00，湘東一帶已有地面輻合線（圖3b），之后有所擺動但仍維持在該地區，位置與后期的強對流天氣落區對應。對比兩個過程，地面中尺度輻合線在強對流天氣發生前均已存在，而非天氣過程中的產物，并且強對流落區與輻合線位置有明顯對應關系。說明地面輻合線對兩次過程的對流風暴起到觸發作用，對預報員而言，密切關注前期的輻合線位置，能給對流落區預報訂正提供有效幫助。

圖3 兩次過程發生前的地面風場及輻合線綜合

2 中尺度對流系統分析

2.1 站點要素分析

選取強對流出現主要時段，3 月20 日22：30 至21 日00：30 和8 月21 日16：00 至18：00，“3·20”在對應時段內，沅陵自西部至東部，多個鄉鎮持續出現冰雹和短時強降水天氣，但此過程對沅陵本站沒有明顯影響，所以選擇受到影響的沅陵縣官莊骨干氣象自動站代表該過程，“8·21”在對應時段，16：40 左右出現了降雹，17：10 出現了25.2 m/s 的瞬時極大風，選擇湘潭站代表此次過程。將兩時段的官莊站和湘潭站進行氣溫、氣壓、相對濕度、2 min 平均風速共四要素對比（圖4），發現存在一定異同。

圖4 兩次過程氣溫、氣壓、相對濕度、風速四要素變化時序

氣溫方面，“3·20”在風暴單體過境時出現氣溫下降，自23 ℃降至18 ℃，有5 ℃左右降幅，而“8·21”1 h 內從34 ℃降至23 ℃，降幅達11 ℃，高于“3·20”。氣壓方面，“3·20”2.9 hPa 的增壓小于“8·21”前后3.4 hPa 的增壓。相對濕度方面，“3·20”和“8·21”都有出現30% 左右的顯著增濕。風速變化上，由于“3·20”中無特別明顯大風，官莊站2 min 平均風速在23：15 時出現4.6 m/s 西北風，到23：20 增至10.1 m/s，但之后風速減小；“8·21”在降雹后，于單體后部出現了大風天氣，湘潭站2 min 平均風速在17：05 增至14.1 m/s，而湘潭縣中路鋪水庫站出現的瞬時極大風達25.2 m/s。

整體上，兩過程在強對流天氣發生前后出現壓溫濕風四要素變化，由于“8·21”在地面風場和增壓變化上較“3·20”更明顯，因此出現顯著大風天氣，同時“8·21”發生在夏季的下午到傍晚，氣溫出現更高幅度下降，降水導致氣壓和相對濕度呈現類似上升幅度。但兩個過程的氣象要素變化都基本發生在強對流天氣影響開始時，單從要素變化方面著手，提前預警有一定難度。

2.2 探空資料分析

“3·20”選擇3 月20 日20：00 懷化站的探空圖，“8·21”選擇8 月21 日08：00 長沙站的探空圖分別進行分析。兩次過程的探空圖（圖5）上，“3·20”850 ~650 hPa 為濕層，650 hPa 以上為干層，整體呈上干下濕漏斗狀，風隨高度順轉有暖平流，是類似帶來冰雹結構的探空曲線；“8·21”為混合型強對流探空結構［1］，在600~450 hPa 有顯著干層，利于干冷空氣侵入，這與中尺度分析中存在露點鋒相吻合，造成對流不穩定，對流高度相對較低，不穩定能量大，且近地層有逆溫存在，大氣層水汽分布不均，低層和高層各有一定厚度的濕層。

圖5 兩次過程實況探空

從兩者的探空指數（表1）來看，兩過程K 指數均在35 ℃以上，“3·20”SI 為-2.32 ℃，利于雷暴產生，“8·21”SI 接近于0 ℃，但其CAPE 值大于“3·20”。“3·20”的0~6 km 深層垂直風切達20.2 m/s，0~3 km垂直風切為8.2 m/s，即有較明顯的深層垂直風切，給強對流天氣特別是冰雹提供有利條件；“8·21”由于是東風系統影響下的準正壓過程，在垂直風切方面表現不明顯，0~6 km 和0~3 km 垂直風切分別為7 m/s 和4 m/s，但由于不穩定層結的存在，依然產生了明顯的強對流天氣［21］。“3·20”的融化層高度（由于有明顯的干層存在，用濕球0℃層來作為融化層高度［22］）和-20 ℃層高度分別為3.7 km 和7.0 km，屬湖南春季較為典型利于冰雹出現的高度；“8·21”兩層高度分別為3.8 km 和8.5 km，比典型高度略高，會給冰雹帶來融化作用。“3·20”的融化層至-20 ℃厚度為3.3 km，小于“8·21”的4.7 km，更小的厚度能夠產生更強烈的對流活動以及更大尺度的冰雹；“3·20”的850 hPa與500 hPa溫度差29 ℃，大于“8·21”的25 ℃，更大的條件不穩定能量對于產生大冰雹更為有利。

2.3 水汽和熱力不穩定條件分析

兩次過程的水汽輸送條件對比存在較大的差異。“3·20”（圖6a，圖6b）低層水汽主要來自孟加拉灣及南海洋面，“8·21”（圖6c，圖6d）水汽主要從西北太平洋面自東北方向輸送到江南。從水汽通量散度看，“3·20”在850 hPa 上湘西地區有中心值為-4×10-5g/（cm2?hPa?s）的大值輻合中心，925 hPa 的水汽輻合更為強烈，中心值低于-7×10-5g/（cm2?hPa?s），位于湘西北。“8·21”在湘東有水汽通量輻合中心，其強度較弱，850 hPa 上湘東地區水汽通量散度輻合中心值為-2×10-5g/（cm2?hPa?s），925 hPa 上湘東地區中心值為-3×10-5g/（cm2?hPa?s）。對比兩個過程，在西風帶系統影響下發生的“3·20”水汽輸送條件要優于偏東氣流控制下發生的“8·21”，對出現短時強降水更為有利。

圖6 兩次過程水汽通量和水汽通量散度綜合

沿兩個過程的經向垂直剖面，選取假相當位溫和相對濕度分析熱力不穩定條件。對于“3·20”（圖7），沿110°E 的垂直剖面20 日20：00，強對流即將發生時，在25°N—30°N 的中低層區域，存在明顯假相當位溫隨高度減小的變化，有對流不穩定層結存在，該區域的低層為相對濕度大值區，400~700 hPa 中層為相對濕度小于40% 的干區，有明顯高層干冷空氣卷入，低層暖濕，中層干冷，構成了該區域的熱力不穩定，結合對流不穩定層結，都是觸發強對流發生的有利條件，與此同時在35°N 低層可見假相當位溫線密鋒區的存在。到了21 日02：00，強對流接近結束，不穩定層結南移，中低層都成為濕度大值區，同時鋒區也相應南移。

圖7 兩次過程假相當位溫和相對濕度剖面

從“8·21”，沿113°E 垂直剖面可看出，強對流開始前，同樣在25°N—30°N 的中低層區域有假相當位溫隨高度減小的結構，即低層有不穩定層結，從600 hPa 往上轉為穩定層結，從相對濕度的剖面可見在不穩定層結處為相對濕度大值區，而其上部，有從高層侵入的干空氣，整體上來看是與“3·20”一致的低層暖濕，高層干冷的不穩定結構，為強對流天氣的觸發提供有利條件。

3 多普勒雷達特征對比分析

對于“3·20”，沅陵縣位于懷化市最北部，與懷化雷達站距離超過120 km，遠距離容易造成雷達回波衰減，而張家界雷達站與沅陵距離僅60 km，因此選用張家界站的雷達產品。

3 月20 日20：15 位于沅陵縣左側的古丈縣境內開始有對流單體風暴B0 生成，之后沿東北方向移動，21：03 其后部有一新單體E0 生成，同樣沿東北向發展，并在21：27 開始影響沅陵，至21：39 該單體質心最大反射率已達68 dBZ，最大垂直液態水含量（VIL）達48 kg/m2，且從該時刻3.4°仰角的基本反射率見有三體散射和旁瓣回波出現，至21：45（圖8a）兩個特征表現得更為明顯，在該時刻的組合反射率剖面上（圖8b），可見有明顯的懸垂強回波質心，穹隆結構，上部的上沖云頂，以及下方的弱回波區，以上特征現象對冰雹的出現有重要指示意義。而從E0 單體的風暴屬性表（圖8c）可見，21：45 的垂直液態含水量（VIL）增至53 kg/m2，21：51 時VIL 降至48 kg/m2，同時從21：39 至21：51，風暴單體質心所在高度出現了明顯的下降，說明此刻已開始降雹。至22：03 風暴E0 強回波質心高度再度上升，說明在移動過程中繼續發展，22：09 回波質心高度和VIL 出現下降，指示著新的降雹過程。

20 日22：09 后風暴E0 逐步衰減并消亡，而其前部的風暴R0 開始發展起來，在22：15 之后其質心最大反射率達到65 dBZ 以上，在對應的風暴屬性表上可見其垂直液態水含量基本都在40 kg/m2以上，其回波質心和強回波中心的高度也如風暴E0 一樣，出現反復發展上升和降雹導致的下降，說明風暴R0 在東移過程中，也給沅陵東部帶來冰雹天氣。從0.5°仰角基本速度中可見（圖8d），22：03 在沅陵西北部有氣旋式輻合中心存在，對應強回波所處位置，直至23：09 持續了12 個體掃都有該輻合中心存在，對于強降水有顯著指示意義，對應了該階段在沅陵7 個站點出現的短時強降水，其中最強的沅陵肖家橋站出現了39.8 mm/h 雨強的短時強降水。

“8·21”選取21 日16：00 至18：00 出現在湘潭的過程，主要強對流天氣包括雷暴大風、短時強降水、小冰雹。選用的雷達產品是長沙站。

8 月21 日下午在江西至湘東一帶開始有對流單體組織活動，至16：00 在湘潭縣西部有一超級單體逐步生成，該風暴最大雷達反射率達60 dBZ 以上（圖9a），從16：39 反射率剖面看（圖9b），單體質心發展至9 km 高度，回波頂高接近16 km，具有高懸強回波結構，但其穹隆結構不如“3·20”明顯。從風暴屬性（圖9c）可見，單體發展旺盛且迅速，VIL 在16：39達到了66 kg/m2，也是在該時刻給湘潭帶來了冰雹，但在降雹后VIL 迅速下降，質心高度和最大反射率高度同樣下降，維持了約4 個體掃。

從基本徑向速度和中氣旋產品中可見在該單體有一明顯的中氣旋生成（圖9d），并維持3 個體掃時間，在速度剖面可見，4~5 km 高度有中層徑向輻合（MARC）的出現，利于風暴中產生強烈下沉氣流，在0.5°仰角的基本速度中，可見該單體中在1.8 km 高度有出現24 m/s 的徑向速度。中低層的中氣旋、中層徑向輻合、低層徑向速度大值區對于地面大風都有很好的指示意義［10］，對應湘潭境內監測到的25.2 m/s的瞬時極大風。

“3·20”和“8·21”均是具有超級單體結構的風暴，分別從它們發展旺盛時期截取反射率剖面，可見存在高懸強回波。“3·20”有更明顯的穹隆和有界弱回波，從平面反射率上可見“3·20”在21：38 有鉤狀回波特征，后半段出現了三體散射和旁瓣回波。表2 參數對比，兩個過程都有超過60 dBZ 的最大反射率和近似的回波頂高，但“8·21”有更高的平均高度和液態水含量，這是因為夏季的融化層相對春季更高，風暴需要足夠的高度和充沛的水汽，才能產生冰雹，以及冰雹降至地面時沒有完全融化，最后的冰雹尺寸仍小于春季的“3·20”。在實際短臨預報中，觀測到大于60 dBZ 的強回波質心，且具有高懸結構，對發布冰雹預警而言是一個重要判據。三體散射是由包含大的水凝結物，如大的冰雹對雷達回波的非瑞利散射所引起，是大冰雹存在的充分條件［23］，所以其出現是冰雹的重要指標，對發布冰雹預警更有把握。從風暴的生命史看，“3·20”風暴從成熟到消亡，到后部新單體的發展，再次成熟，生命史長，強回波維持時間長，造成了沅陵多個站點的冰雹和短時強降水天氣，更長的生命史讓此次過程的預警發布更及時有效；“8·21”生命史較短，縮預警提前量短，難度大。

表2 兩次過程的雷達特征參數對比

4 結論

1）春季的“3·20”是在中層西風槽和低層暖濕氣流控制下產生的，夏季的“8·21”是受東風波準正壓系統影響出現的，兩次過程均在地面中尺度輻合線作用下觸發，強對流天氣落區與輻合線、低層切變線位置有對應關系，給湖南春夏季強對流天氣預報提供了著眼點。春季暖平流強迫類型雖無較深的經向環流和明顯冷暖氣流交匯，但同樣會產生強對流天氣，夏季副高邊緣的準正壓類型過程，在無明顯深層垂直風切時，同樣也會帶來雷暴大風。

2）中小尺度特征上，“3·20”探空曲線上干下濕，暖平流控制明顯，“8·21”上下濕度分布不均，中低層為冷平流，“3·20”比“8·21”的0 ℃和-20 ℃的高度及之間的厚度小，都更有利于冰雹出現；兩個過程在發生前后都出現了氣溫陡降，氣壓、濕度、風速陡升的變化特點，“8·21”的氣溫降幅更明顯，出現的瞬時最大風速也更大，但由于均在過程發生時才出現了明顯變化，因此對提前預警強對流天氣帶來難度。“3·20”水汽輸送條件強于“8·21”，在熱力條件方面，都具有低層暖濕對流不穩定層結，上部干冷空氣侵入的特征，給強對流天氣發展提供有利條件。

3）雷達回波特征上，兩過程的風暴均為超級單體風暴，“3·20”生命史更長，增大了預警提前量，高懸強回波、三體散射、長時間維持的輻合中心對于冰雹和短時強降水混合強對流有較好指示意義；“8·21”出現了中層徑向輻合、中氣旋以及低仰角徑向速度大值區，對大風預警信號發布起到有利作用，但較短生命史給預警信號的提前量增加難度。兩次過程同樣是超級單體，但強對流過程的季節和時間不一致，出現冰雹的范圍和尺寸存在較大差異，“8·21”有更高的對流發展高度，VIL 更大，但較高的融化層、夏季午后更高的氣溫，以及短暫生命史，使其沒有類似“3·20”出現多地的大尺寸冰雹，也導致“8·21”有更高預報難度，雷達特征上的差異體現了不同類型強對流天氣內在機制。