一次冷平流強迫背景下混合型強對流過程分析

2024-02-09 00:00:00肖湛臻陳亮熊德方范元月李子進劉俊

人民長江 2024年14期

摘要：宜昌市受復雜地形影響，強對流天氣頻發，是極端短時強降水的高發區。利用地面氣象觀測資料、多普勒雷達數據，對2023年6月11日宜昌市強對流天氣的環流背景、環境物理量場、中小尺度特征及其觸發機制進行分析。結果表明：①此次強對流為冷強迫背景下的混合型強對流，高空冷平流疊加低層暖區，大氣不穩定度增強。②前期水汽條件一般，不利于出現大范圍暴雨，但傍晚東南氣流顯著增強，造成宜昌市東部暴雨，其原因是江漢平原強降水形成冷高壓，宜昌市晴空輻射形成暖低壓，產生自東向西的梯度風，同時江漢平原雷暴冷出流形成陣風鋒，二者共同作用使得東南氣流增強。③較強的冷池密度流和變壓風在夷陵區形成12級大風。④地形對強對流的發展起到促進作用，初期山區熱力抬升產生局地對流，河谷地形使得回波穩定少動，雷暴成熟后下坡生成多單體風暴，最終發展為弓形回波，造成12級大風；傍晚突然增強的東南氣流與山脈走向垂直，暖濕氣流在迎風坡抬升產生此次過程的最強降水。研究成果可為宜昌市災害性天氣預報提供參考。

關鍵詞：強降水；冷強迫；混合型強對流；冷池密度流；地形；宜昌市

中圖法分類號：P426.6 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.013

0 引言

強對流天氣是導致水文氣象災害的重要天氣類型，與中小尺度天氣系統關系密切。宜昌市位于武陵山脈和秦巴山脈向江漢平原的過渡地帶，境內“七山二丘一分平”，受復雜地形影響，強對流天氣頻發，易造成中小河流山洪、泥石流、滑坡等次生災害，給人民的生命財產安全造成了嚴重威脅。因此加強強對流天氣的研究，對于防災減災工作意義重大^［1^］。

目前對強對流天氣成因分析的研究已經取得不少研究成果^［2-6^］。許愛華等^［⁷^］提出了中國強對流天氣的5種基本形勢配置：冷平流強迫類、暖平流強迫類、斜壓鋒生類、準正壓類、高架雷暴類。俞小鼎^［8^］、陳明軒等^［⁹^］都指出偏東風強低空急流遇到太行山地形抬升觸發對流導致的后向傳播是2012年7月21日北京市特大暴雨的成因之一。漆梁波等^［10^］討論了多普勒天氣雷達上的窄帶回波即邊界層輻合線在對流觸發臨近預報中的作用。

還有一些科研工作者針對宜昌地區的強對流進行深入分析。如姜玉印等^［11^］通過探究宜昌市一次極端短時強降水事件的形成因素，發現峽谷地形對動力抬升條件產生了顯著增強效應，而山體的阻擋作用則有助于維持降水過程的持續。范元月等^［¹²^］分析鄂西南地區復雜地形下極端短時強降水的成因，得到地形在宜昌市極端短時強降水事件中的作用。張家國等^［¹³^］研究指出，長江中游地區的局地極端降水大多發生于鄂西山地到江漢平原西部一帶。這些研究表明宜昌市是極端短時強降水的高發區。

之前的研究主要針對暖平流強迫^［14^］和斜壓鋒生^［¹⁵^］類強對流，揭示了宜昌市特殊地形下強對流天氣的成因，以及邊界層輻合線在對流觸發臨近預報中的作用。但是對于冷平流強迫背景下的強對流天氣，尤其是邊界層輻合線相互作用下觸發的混合型強對流研究很少。此類混合型強對流天氣整層濕度偏干，濕層淺薄，數值預報效果并不理想，而強對流造成的短時強降水、大風和冰雹天氣破壞性較強。因此，本文利用最新氣象觀測資料深入分析冷平流強迫背景下的強對流天氣特征，以期為宜昌市強對流天氣預報提供參考。

1 資料與方法

本文利用高空、地面、區域自動站加密觀測資料、氣象衛星資料和多普勒天氣雷達資料對2023年6月11日下午至夜間宜昌市一次冷平流強迫背景下混合型強對流過程的環流背景、環境條件、中尺度特征進行研究，分析此次混合型強對流的成因和機理，為強對流天氣的預報、預警服務提供參考。

2 天氣實況

2023年6月11日下午至夜間，宜昌市自西向東北、由北向南先后出現雷雨大風、短時強降水和冰雹等強對流過程。此次強對流過程呈現強度大、局地性強、多種災害性天氣并存的特點：①雷暴大風主要出現在三峽河谷、沿江地區和北部山區（圖1），2023年6月11日17∶00至12日00∶00宜昌市共有47個站極大風速達到8級以上，11日19∶48夷陵國家站的極大風速達到36.1 m/s（12級），打破了該站極大風速的記錄。②強降雨區主要位于夷陵區、宜昌城區、遠安、宜都、枝江西部、秭歸、長陽東部，2023年6月11日17∶00至12日00∶00宜昌市共有1站大暴雨、46站暴雨。最大累計雨量108.2 mm，出現在遠安縣嫘祖鎮殷家溝站；最大小時雨量81.4 mm，11日19∶00～20∶00出現在夷陵區小溪塔街道龍泉山村站（圖2～3）。③此次強對流過程還伴有冰雹，秭歸縣的郭家壩鎮、楊林橋鎮、九畹溪鎮午后出現冰雹。

3 環流形勢和主要天氣系統發展演變

此次強對流過程發生在高空深厚的東北冷渦配合低層弱風向輻合的環流背景下，是典型的高空冷平流強迫類。2023年6月11日08∶00（圖4（a）），500 hPa貝加爾湖附近有一個高壓脊穩定維持，在高壓脊的東南側有一個強盛穩定的東北冷渦，高壓脊前不斷有偏北氣流帶動冷空氣在東北冷渦附近堆積，使得低渦冷中心達到-19℃。東北冷渦轉動帶動低槽東移，槽后有冷空氣南下，影響華中區域；副高位置偏南，位于西太平洋海面，其北側有2023年3號臺風“古超”，臺風沿著副高外圍北上。

從中國中東部地區500 hPa實況圖（圖4（b））可見，2023年11日08∶00宜昌市上空500 hPa的溫度為-8℃，河西走廊上空500 hPa的溫度為-12℃，沿著槽后的西北氣流有明顯的冷平流輸送，后期500 hPa的溫度會進一步下降。

2023年6月11日20∶00（圖4（c）），500 hPa東北冷渦南部的低壓槽經向性有所加強，向南延伸至東海。槽后的冷空氣繼續向南擴散，冷平流進一步增強。

2023年6月11日08∶00 700 hPa（圖5（a））華中區域受反氣旋高壓環流控制，在恩施附近有一個312 dagpm的高壓中心和12℃的暖中心。20∶00 700 hPa（圖5（b））華中區域仍受反氣旋控制、冷平流侵入的影響，宜昌地區有一個8℃的冷中心。

2023年6月11日08∶00 850 hPa（圖6（a））宜昌市處于暖區之中，溫度達到23℃，較周邊地區偏高，是一個暖中心。宜昌市850 hPa的風場較弱，比濕為12 g/kg，對于夏季來說水汽條件一般。20∶00 850 hPa（圖6（b））宜昌市仍受東南氣流控制，東南氣流沒有明顯加強，比濕有所減小。

2023年6月11日08∶00 925 hPa（圖7（a））宜昌市受暖脊控制，溫度達到27℃，與850 hPa對應也是一個暖中心。宜昌市925 hPa的比濕為14 g/kg，有一定的比濕但無明顯急流，水汽條件一般。20∶00 925 hPa（圖7（b））宜昌市氣溫和比濕下降明顯，變為一個冷中心。

綜上所述，冷渦背景下對流層中層的干入侵、低層暖倒槽的配置，形成了“上冷下暖”的不穩定層結，有利于強對流天氣的發展；但是宜昌市本地低層水汽條件一般，沒有明顯急流，且風場輻合較弱，因此不利于出現大范圍的暴雨。

4 中小尺度系統發展演變

此次天氣過程中雷達回波的演變過程主要分為6個階段。

（1）階段一，回波初生（16∶00～17∶00）。16∶00～17∶00在秭歸縣郭家壩南部的河谷（圖8（b）方框內）中生成了一個對流單體，受地形影響初期穩定少動但發展迅速。16∶49回波強度達到65 dBz以上，在6°仰角的基本反射率圖（圖8（a））上可見三體散射和旁瓣回波，在強回波對應的郭家壩鎮、楊林橋鎮出現冰雹，小時雨強達到17.9 mm/h（圖8（c）），過冷卻水滴凝結成冰雹，導致雨強并不大。

（2）階段二，回波下坡移入三峽河谷（17∶00～18∶00）。回波逐漸向東北方向移至三峽河谷一帶（圖9（c）箭頭處）。雷暴發展旺盛，冷出流沿著下坡方向流出，在三峽河谷附近激發生成新的對流單體，強度達到60 dBz（圖9（a）），回波高度超過6 km。雨強明顯增強，達到31.9 mm/h（圖9（b）），秭歸共19站出現5級以上陣風，最大風速24.4 m/s（圖9（d））。

（3）階段三，回波沿三峽河谷迅速東移，同時夷陵區南部有對流單體快速發展（18∶00～18∶35）。回波沿三峽河谷東移發展為多單體風暴并形成了一條弓狀回波（圖10（a）），18∶29回波東移影響三峽壩區，最強回波中心位于回波前側曲率最大處，對應18∶35徑向速度圖上出現27 m/s的大風核（圖10（d）），造成壇子嶺站23.5 m/s的大風。

此時夷陵區南部有對流單體快速生成。從地面最大風速和地面比濕圖（圖10（d））可見，夷陵區南部受一致東南氣流控制，這支氣流的水汽條件非常好，比濕達到了24 g/kg，東南氣流從水汽大值區（松滋—宜都—枝江一線）把水汽輸送至夷陵區。該氣流的流向與夷陵區南部山脈的走向垂直，暖濕氣流在迎風坡地形的作用下抬升，與當陽、枝江東部西移而來的陣風鋒（圖10（c））交匯，觸發生成了對流。

（4）階段四，兩塊回波合并（18∶35～19∶00）。沿著三峽河谷東移的回波，與夷陵區南部的回波在夷陵區西部合并（圖11（d）方框內），強回波中心位于對流單體前部速度輻合最強的區域，合并后回波面積增大，具有東北、西南兩個強反射率中心，北部的回波繼續向東北方向移動，最終脫離回波主體。南部的回波向西南方向傳播，強反射率中心向南延伸至點軍區，中心強度達到55 dBz。

從三峽站三要素圖（圖11（c））可見，18∶35三峽站風速陡增，氣溫在20 min內下降10℃，10 min后產生強降水，說明三峽河谷的冷出流非常強盛。

地面風場和氣溫圖（圖11（b））可見，從三峽河谷流出的西北氣流為雷暴的冷出流，其溫度明顯小于宜昌城區的東南暖濕氣流，冷暖氣流交匯形成中尺度鋒區，使得回波不斷維持并加強。18∶00～19∶00時的降水主要集中在三峽河谷及夷陵區，小時雨強達到21.7 mm/h。

（5）階段五，強回波向東南移動（19∶00～20∶00）。隨著地面中尺度冷鋒的移動，強回波向東南方向推進（圖12（c）），從組合反射率圖（圖12（a））可見回波強度維持在55 dBz，回波主體抵達葛洲壩壩區，長陽北部有對流單體發展，向西北方向移動，和葛洲壩西部的回波合并后增強，最終形成了一條南北向接近100 km的回波。19∶42，0.5°仰角（圖12（b））大風核達22 m/s。降水主要集中在夷陵區至遠安縣一線（圖12（d）），最大小時雨強出現在夷陵區龍泉山莊站，達到81.4 mm/h。極大風速出現在夷陵國家站，達到36.1 m/s。

（6）階段六，強回波向東南移動（20∶00～21∶00）。20∶00后受高空西北引導氣流作用，回波向東南快速移動（圖13（a）），造成宜都、枝江大到暴雨（圖13（c）），并伴有7～9級陣風（圖13（d）），21∶00后宜昌市大部轉為層狀云降水（圖13（b）），強降水過程結束。

5 關鍵物理量診斷分析

5.1 不穩定條件

2023年6月11日08∶00（圖14），宜昌站探空圖可見“喇叭狀”的上干下濕的層結條件，高層冷空氣的卷入有利于下沉氣流的蒸發，加速冷卻，利于雷暴大風的出現。

對流抑制能量達到419 J/kg，適量的對流抑制有利于能量在低層聚積，當抑制能量被上升氣流沖破后，隨之觸發的對流強度會更強；沙氏指數-4.6℃，表明大氣層結不穩定；T_850-500=32℃，表明大氣溫度垂直遞減率很大；訂正后的cape高達4 420 J/kg，大氣的不穩定能量充足；600 hPa以下的DCape為1 461 J/kg，有利于下沉氣流加速，使得地面出現大風的可能性增大。綜合分析，上述物理量場均有利于強對流天氣的發生。

0～6 km的垂直風切變較弱，表明地面至500 hPa的環境風場并不強。0℃層高度為4.4 km，較為適宜，-20℃層高度為8 km，略偏高，因此出現小冰雹的可能性比較大。

綜上所述，此次過程水汽條件一般，但雷暴大風潛勢條件好。

5.2 熱力條件

另外前期華中區域受地面暖低壓控制（圖15（a）），白天氣溫上升明顯，三峽壩區連續2 d出現35℃以上高溫，暴雨前1 d的日最高氣溫達到37.1℃，表明前期地面增暖效果顯著；6月11日宜昌市以多云到晴天為主，白天輻射增溫明顯，三峽站氣溫升至35.3℃（圖15（b））。高空冷平流疊加在低層暖區之上，大氣的對流不穩定度較大，白天輻射增溫顯著，大氣不穩定度進一步增強，提供了較好的熱力和不穩定能量條件。

5.3 水汽條件

2023年6月11日08∶00氣柱總含水量圖（圖16）可見，主要有2個大值區，一個位于江漢平原至宜昌市的枝江、宜都一線，另一個位于重慶市東北部。三峽至宜昌區間為相對濕區，濕度條件一般，氣柱總含水量為37 kg/m²。

綜合以上環境場分析，11日午后到夜間兩壩間出現雷暴大風和小冰雹的可能性較大，出現大范圍暴雨的可能性小。

6 預報難點分析

6.1 回波移出三峽河谷后降水強度顯著增強的原因

查看實況降水發現，回波在三峽河谷時小時雨強為20～30 mm/h，回波移出三峽河谷后小時雨強增長至80 mm/h以上，回波移出三峽河谷后降水強度顯著增強。結合前期的形勢場和物理量場來看，此次過程雷暴大風的潛勢條件較好，但是水汽條件一般。從6月11日08∶00氣柱總含水量圖（圖16）可見，三峽河谷沒有明顯的水汽輸送，水汽來源主要是本地大氣中的水汽，水汽的大值區位于江漢平原至宜昌市的枝江、宜都一線。與19∶00地面風場比較分析，發現在水汽大值區的江漢平原至宜昌市的枝江、宜都一帶，有一支強盛的東南氣流，水汽輸送顯著增強，暖濕的東南氣流和雷暴冷出流相互作用，導致降水強度大幅增大；東南氣流顯著增強可能是因為此前江漢平原的強降水在東部形成冷高壓，宜昌市受晴空輻射形成暖低壓，產生東南-西北方向的梯度風，同時雷暴高壓后側冷出流形成陣風鋒，二者共同作用使得荊州至宜昌枝江、宜都地區的東南氣流顯著增強，這支突然增強的東南氣流，使得對流在移出三峽河谷之后降水強度顯著增強，形成宜昌地區東部大面積的暴雨。

6.2 極端大風形成機理

分析此次極端大風的性質組成主要有2點：最關鍵的因素是冷池密度流，天氣尺度的因素是變壓風。

6.2.1 冷池密度流

研究表明^［14^］，雷暴大風易出現在“上干下濕”的環境中，低層越濕，中層越干，冷池越強、地面風速越大。干層的存在有利于雨水、冰雹等降水粒子的蒸發和融化冷卻降溫，形成負浮力，從而加強下沉氣流導致地面大風。劉香娥等^［⁶^］研究發現，降水粒子的蒸發冷卻過程對冷池強度的影響十分重要，且降水粒子相態變化導致的冷卻會使得地面大幅度降溫，有利于地面大風的生成。

從18∶00的變溫場（圖17）和雷達組合反射率圖（圖10（c））可見：隨著三峽河谷地區回波的東移發展，17∶30～18∶00在宜昌市秭歸縣附近附近形成了-7℃的冷池；鄂西北也有冷池自北向南移動，其變溫中心達到-10℃；與此同時，荊門市東部的強降水產生后向冷出流（對應雷達圖中的陣風鋒）向西移動，從變溫場圖可見冷出流的變溫達到-4℃。此時鄂西南山區為負變溫，東側低層為暖空氣，在水平方向上形成明顯的擾動溫度梯度，有利于地面風速的加強。

從19∶00的變溫場（圖18）可見，系統最強時刻是在2個冷池和冷出流合并時出現的。在陣風鋒的觸發下，移出三峽河谷的對流進一步發展，冷池的強度和面積都有所增大，最后在夷陵區北部與鄂西北南下的冷池合并，其變溫中心達到-10℃，造成冷池密度流。冷池與垂直風切變相互作用后期，冷池的加強導致對流前部的上升氣流向冷池一方傾斜，同時耦合的下沉氣流向前傾斜，發展為后側入流急流，有利于后期發展成為弓形回波。后側入流急流在下沉過程中，由于降水的拖曳效應和蒸發冷卻作用使氣流加速下沉，在地面出現極端大風。

6.2.2 變壓風

從圖19可見，冷空氣南下的過程中鋒區不斷加強，至20∶00鄂西北生成一個7.5 hPa/h的正變壓中心，江漢平原西部有一個-1.5 hPa/h的負變壓中心，兩個中心之間為變壓梯度大值區。由于氣壓的局地變化會導致氣壓梯度力和地轉偏向力不平衡，形成地轉偏差，即變壓風。變壓風的方向由西北指向東南。

對比變溫場（圖18）和變壓場（圖19）可見，變壓高中心與變溫低中心重合，在冷池出流與變壓風輻散共同作用下，地面風速增加，形成西北大風，在夷陵國家基本氣象站打破極大風記錄，達到36.1 m/s。

7 結論

（1）此次宜昌市強對流為典型冷強迫背景下的混合型強對流，2023年6月11日下午至夜間，宜昌市自西向東北、由北向南先后出現雷雨大風、短時強降水和冰雹等強對流天氣。此次過程具有強度大、局地性強、多種災害性天氣并存的特點。極大風速達到36.1 m/s（12級），最大累計雨量108.2 mm，最大小時雨量81.4 mm，并出現冰雹。

（2）此次強對流過程主要影響系統是東北冷渦后部的冷平流，高空干區疊加在低層濕舌之上，高空冷平流疊加在低層暖區之上，白天高空冷平流使得中高層氣溫下降，地面輻射增溫使得低層氣溫上升，大氣不穩定度進一步增強。由于前期水汽條件一般，因此在上午的預報考慮可能出現以雷暴大風和冰雹為主的強對流天氣，出現大范圍暴雨的可能性不大。但是下午18∶00之后東南氣流顯著增強，暖濕的東南氣流和雷暴冷出流相互作用，形成了宜昌市東部的暴雨過程。

（3）東南氣流顯著增強的原因可能是此前江漢平原的強降水在東部形成冷高壓，宜昌市受晴空輻射形成暖低壓，因此產生自東向西的梯度風，同時江漢平原雷暴高壓后側冷出流形成陣風鋒，二者共同作用使得東南氣流增強，東南氣流的水汽輸送使宜昌市東部降水強于西部。

（4）對20∶00的變溫場和變壓場進行分析，存在較強的冷池密度流和變壓風，使得宜昌市極大風風向由東南風轉為西北風，在夷陵區形成12級大風。

（5）地形對強對流的觸發起到了一定的作用。初期山區熱力抬升產生局地強對流，河谷地形使得回波穩定少動、迅速發展，導致秭歸縣出現冰雹，雷暴成熟后冷出流下坡移入三峽河谷并激發出多單體風暴，回波合并最終發展為弓形回波，先后在三峽和夷陵區形成12級大風；傍晚突然增強的東南氣流與夷陵區南部的山脈走向幾乎垂直，暖濕氣流在迎風坡地形的作用下抬升，產生本次過程最強的降水。

參考文獻：

［1］俞小鼎，鄭永光.中國當代強對流天氣研究與業務進展［J］.氣象學報，2022，78（3）：391-418.

［2］李銀娥，吳翠紅，陳賽男，等.峽谷地形對兩次極端降水的作用［J］.氣象科學，2021，41（4）：484-494.

［3］黃菊梅，鄒用昌，趙光平，等.中小尺度地形對降水影響研究［J］.人民長江，2013，44（增1）：28-31.

［4］劉裕祿，邱學興，黃勇.發生短時強降雨的對流云合并作用分析［J］.暴雨災害，2015，34（1）：47-53.

［5］成丹，陳正洪，方怡.宜昌市區短歷時暴雨雨型特征［J］.暴雨災害，2015，34（3）：249-253.

［6］劉香娥，郭學良.災害性大風發生機理與颮線結構特征的個例分析模擬研究［J］.大氣科學，2012，36（6）：1150-1164.

［7］許愛華，孫繼松，許東蓓，等.中國中東部強對流天氣的天氣形勢分類和基本要素配置特征［J］.氣象，2014，40（4）：400-411.

［8］俞小鼎.2012年7月21日北京特大暴雨成因分析［J］.氣象，2012，38（11）：1313-1329.

［9］陳明軒，王迎春，肖現，等.北京“7.21”暴雨雨團的發生和傳播機理［J］.氣象學報，2013，71（4）：569-592.

［10］漆梁波，陳春紅，劉強軍.弱窄帶回波在分析和預報強對流天氣中的應用［J］.氣象學報，2006，64（1）：112-120.

［11］姜玉印，盧楚翰，范元月，等.宜昌一次致災極端短時強降水成因分析［J］.氣象科學，2020，40（2）：232-240.