湖北一次颮線天氣過程對流發(fā)展機(jī)制分析

尹恒沈定成夏金,李易楊占婷,廖小華

（1 湖北省十堰市氣象局，十堰 442000；2 湖北省氣象局，武漢 430074；3 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430074）

湖北一次颮線天氣過程對流發(fā)展機(jī)制分析

尹恒1沈定成1夏金1,2李易1楊占婷1,3廖小華1

（1 湖北省十堰市氣象局，十堰 442000；2 湖北省氣象局，武漢 430074；3 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430074）

利用常規(guī)氣象觀測、區(qū)域加密自動站、FY-2E衛(wèi)星、多普勒天氣雷達(dá)及組網(wǎng)產(chǎn)品等資料，對2011年7月下旬發(fā)生在湖北省的一次大范圍雷雨大風(fēng)天氣過程進(jìn)行分析，探討了強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生的天氣學(xué)條件和物理機(jī)制。結(jié)果表明：雷雨大風(fēng)是高空槽、切變線、低空急流與河套南下冷空氣相互作用的結(jié)果，西太平洋副熱帶高壓西側(cè)的偏南氣流為雷雨大風(fēng)提供了水汽和能量輸送，衛(wèi)星和雷達(dá)監(jiān)測反映出中尺度對流體生消發(fā)展中有多個較小尺度對流體新生和發(fā)展，雷雨大風(fēng)出現(xiàn)在中尺度云團(tuán)前端及強(qiáng)回波地區(qū)。

雷雨大風(fēng)，天氣學(xué)條件，穩(wěn)定度

1 引言

2011年7月26日湖北省出現(xiàn)了一次大范圍雷雨大風(fēng)強(qiáng)對流天氣，強(qiáng)度之強(qiáng)、范圍之大為近年少有，而湖北省西北門戶十堰市更是10年沒有遇過。雷雨大風(fēng)天氣使得供電通信、襄渝鐵路等一度中斷。本文利用常規(guī)氣象觀測、區(qū)域加密自動站觀測、衛(wèi)星等資料，以及短時臨近預(yù)報系統(tǒng)（SWAN）和雷達(dá)組網(wǎng)產(chǎn)品等信息，結(jié)合局地天氣氣候特點(diǎn)，探討了雷雨大風(fēng)天氣發(fā)生的天氣學(xué)條件和機(jī)理，為強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警提供參考。

2 天氣實況與災(zāi)害

受副高外圍偏南氣流及四川盆地東部對流云團(tuán)東移影響，2011年7月26日中午到夜間，湖北省大部分地區(qū)出現(xiàn)雷雨大風(fēng)強(qiáng)對流天氣（圖1），7月26日08時—27日08時（北京時，下同）國家氣象站中19縣市出現(xiàn)暴雨，主要分布在江漢平原、鄂東北、鄂西南地區(qū)。日降水量最大的測站為應(yīng)城，為87.0mm；最大小時降水量出現(xiàn)在潛江，為43.9mm。鄉(xiāng)鎮(zhèn)加密自動站顯示有241個鄉(xiāng)鎮(zhèn)降暴雨、24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)到大暴雨，其中日最大降水量出現(xiàn)在潛江總口農(nóng)場，為187.2mm，小時最大降水量出現(xiàn)在宜昌夷陵區(qū)秀水，為80.2mm。10分鐘平均風(fēng)速的最大值出現(xiàn)在26日午后及27日凌晨前后，有24個站達(dá)到10m·s-1以上，鄖縣、老河口、秭歸、谷城、興山和金沙6站在15m·s-1以上，其中最大值出現(xiàn)在鄂東南的金沙，為19.5m·s-1；瞬時風(fēng)速的最大值有14站在20m·s-1以上，其中金沙、秭歸、巴東、老河口、咸寧、興山、谷城、鄖縣8站在25m·s-1以上，最大值出現(xiàn)在鄂西北的鄖縣，為32.0m·s-1。據(jù)統(tǒng)計，此

次雷雨大風(fēng)災(zāi)害造成9縣（區(qū)）58.1萬人受災(zāi)，其中鄖縣14人受傷，農(nóng)作物受災(zāi)20.9千公頃，倒塌房屋99戶260間，損壞房屋3345間，直接經(jīng)濟(jì)損失9703萬元。

圖1 2011年7月26日08時—27日08時湖北省降水量（a，單位：mm）與極大風(fēng)速分布（b，單位：m·s-1）

3 天氣尺度環(huán)流系統(tǒng)

3.1 環(huán)流形勢

2011年7月，北半球極渦呈多極型分布，有三個中心，分別位于中西伯利亞以北、阿拉斯加地區(qū)和加拿大東北部[1]。在距平圖上鄂霍次克海阻塞高壓，為正距平，500hPa距平值達(dá)+80gpm，有利于中西伯利亞北部極渦中的冷空氣沿極渦左側(cè)高壓脊前的偏北氣流南下，冷空氣經(jīng)貝加爾湖西側(cè)由河套南侵到漢水上游，它是造成鄂西北乃至全省出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣的主要環(huán)流因素。7月下旬亞歐地區(qū)環(huán)流形勢出現(xiàn)調(diào)整，遠(yuǎn)東地區(qū)的阻塞高壓依然維持但略有東移，其上游的高空槽進(jìn)一步東移，同時其底部不斷分裂弱的短波槽東移南壓，青藏高原上空也不斷有高空槽東移，7月26日兩者在我國中北部地區(qū)疊加，副高的西伸加強(qiáng)有利于其西側(cè)暖濕氣流向湖北西北部輸送（圖2）。

3.2 系統(tǒng)演變

7月24—25日我國華北大部分地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水，強(qiáng)降水是由高空槽后不斷東移南壓的冷空氣與副高西側(cè)偏南氣流交匯所造成的。從24日08時500hPa形勢和850hPa風(fēng)場（圖略）中可以看到，蒙古國以北存在一個寬廣的低渦系統(tǒng)，冷空氣沿渦后偏北氣流南下，使得河套地區(qū)500hPa低槽向南加深。此時副高西脊線伸至華南西部，西風(fēng)帶高壓與副高打通，同時850hPa存在一條明顯的西南急流帶，強(qiáng)度達(dá)12m·s-1。冷暖空氣在河套地區(qū)交匯，華北出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣。24日20時蒙古國北部的低渦系統(tǒng)東移緩慢，依然有冷空氣由低渦南部向東南方向輸送，由于遠(yuǎn)東地區(qū)南部的阻塞高亞強(qiáng)盛，河套地區(qū)高空槽緩慢東移至華北西部，槽前高壓脊與副高疊加加強(qiáng)，四川盆地低渦開始生成并發(fā)展，850hPa西南急流呈加強(qiáng)趨勢，最大風(fēng)速達(dá)16m·s-1。25日08時新疆北部淺槽的主體位于蒙古國以西，華北低槽減弱。25日20時新疆北部的小槽進(jìn)一步東移，華北地區(qū)高空槽前高壓脊開始崩潰，26日08時陜西中部到川東北低槽形成（圖2），700hPa在陜南地區(qū)有一若東北―西南向切變存在，在500hPa引導(dǎo)氣流帶動下向東南方向移動，850hPa低渦發(fā)展，川東北對流旺盛，中尺度對流云團(tuán)沿副高外圍氣流向東北方向移動，從26日上午至夜間四川盆地東北部、湖北大部出現(xiàn)雷雨大風(fēng)天氣。

圖2 2011年7月26日08時500hPa（a）、850hPa（b）高度和風(fēng)場

在地面圖上，24日08時我國東北地區(qū)到河套南部為地面冷鋒前的低壓帶（圖略），南疆盆地到青藏高原東部為暖低壓控制，冷空氣中心位于貝加爾湖南部，鋒面向中蒙邊境移動。25日02時位于河套地區(qū)，其后冷空氣擴(kuò)散南侵，08時抵達(dá)黃河中游河南西北部，這時地面圖上已經(jīng)沒有閉合高壓環(huán)流。26日08時冷空氣該地區(qū)堆積形成1002.5hPa閉合環(huán)流，冷鋒已達(dá)秦嶺，此時湖北大部分地區(qū)正處于鋒前的熱低壓控制之中，當(dāng)河套地區(qū)南下的冷空氣與前期增暖的暖空氣相遇時，就形成了強(qiáng)烈的對流性雷雨大風(fēng)天氣。

4 中小尺度（環(huán)流）系統(tǒng)

4.1 近地層中小尺度風(fēng)場

低層流場對雷雨大風(fēng)的發(fā)生發(fā)展有重要的作用。從實況流場看，26日08時925hPa四川盆地東部—鄂西北—河南西南部從南到北有一西南風(fēng)和偏西風(fēng)形成的輻合線，對應(yīng)在地面上這種輻合明顯，鄂西北以南地區(qū)為一反環(huán)流，江漢平原為一氣旋性環(huán)流，鄂西北輻合線寬度較窄，而江漢平原氣旋性環(huán)流場的水平尺度較前者大2～3倍，反映出強(qiáng)風(fēng)區(qū)輻合帶窄，強(qiáng)降水區(qū)的輻合區(qū)水平尺度相對要寬一些（圖3）。26日02時輻合線位于鄂西北西側(cè)的陜南地區(qū)，地面偏南氣流最強(qiáng)盛并延伸至四川北部到陜西南部，08時輻合線東移在湖北西部與陜西、重慶交界地帶形成南北向輻合帶，11時輻合線西側(cè)西北氣流加強(qiáng)，河南西北部冷空氣主體南下，輻合帶東移，這種南北流場形成的輻合線一直維持到20時，雷雨大風(fēng)發(fā)生在近地層中尺度輻合線上。

4.2 云圖的中小尺度特征

7月24日08時地面冷鋒從蒙古東部經(jīng)由河套地區(qū)延伸至四川西北一帶，云圖上冷鋒云帶清晰，從孟加拉灣到四川盆地有對流云北移，鄂西北地區(qū)為弱的中低云覆蓋。26日08時從內(nèi)蒙古中部經(jīng)河套到四川盆地的主云帶上有2個對流云團(tuán)（MCC），分別位于陜西西南部和重慶中北部，二者迅速靠近加強(qiáng)。11時鋒面云帶斷裂，隨著冷鋒的東移，地面冷暖空氣交綏于陜西南部、河南西南部—鄂西北地區(qū)，陜南—四川盆地東部云團(tuán)合并加強(qiáng)，形成邊界整齊的圓狀云團(tuán)（圖4）。

由于副高南托作用，鋒面云帶少動，云帶上不斷有新單體生成，這種對流單體的生成、發(fā)展、消亡一直維持到27日02時，對流云團(tuán)是26日下午到夜間造成湖北省雷雨大風(fēng)天氣的始作俑者，其結(jié)構(gòu)呈邊界較整齊的橢圓狀云團(tuán)。從云圖動畫上看，26日15時整個湖北西部被其籠罩，17時當(dāng)鄂西北對流減弱時，對流云團(tuán)覆蓋了湖北省大部分地區(qū)，MCC在冷鋒云帶上不斷從西南方生成發(fā)展并向東北移動，形成“列車效應(yīng)”，是造成湖北多地短時間強(qiáng)對流天氣持續(xù)發(fā)生的主要原因。一般認(rèn)為云頂溫度≤―48℃，則表示云頂已抵達(dá)對流層上部，對流發(fā)展非常旺盛，伴隨的強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象比較嚴(yán)重[2]，而26日16時強(qiáng)中心達(dá)到―124℃，可見對流之強(qiáng)盛。

圖3 2011年7月26日08時地面風(fēng)場及輻合線

4.3 多普勒雷達(dá)分析

十堰天氣雷達(dá)2.4°仰角的基本反射率圖上顯示，7月26日10:25在重慶東北部出現(xiàn)兩個回波體，其與衛(wèi)星云圖相對應(yīng)。10:37在神農(nóng)架西南部、湖北鄖西西北部和陜西南部有回波單體出現(xiàn)，在向東北方向移動過程中發(fā)展迅速；11:01重慶和陜南的回波單體發(fā)展合并為兩個單體；11:19兩單體逐漸向湖北竹溪西部發(fā)展東移；12:08形成帶（線）狀回波，水平尺度約75km，最大回波強(qiáng)度55dBz，在向東北方向移動的過程中范圍繼續(xù)擴(kuò)大。12:51（圖5a）與神農(nóng)架處的回波單體連接，水平尺度加大到150km，同時鄖西西部的單體在發(fā)展過程中分裂成三個單體向西南方向移動，并與東移的帶狀回波趨于合并。13:03回波帶50dBz長度達(dá)160km，從這條回波帶上可以清楚地看到多個對流單體（圖5b）呈弓形分布，形成明顯的前側(cè)寬廣的入流槽口區(qū)和后側(cè)下沉氣流區(qū)，并逐漸形成西北—東南向的颮線回波，自西南向東北方向快速經(jīng)過十堰地區(qū)，其后部形成大片混合型降水回波（圖5c）。

颮線上最大垂直累積液態(tài)含水量達(dá)60kg·m-2，回波頂高達(dá)18km。15:48颮線已過十堰到達(dá)河南南部，之后右轉(zhuǎn)向東南方向移動，在移動過程中仍保持旺盛的勢頭，且繼續(xù)在湖北中東部和南部地區(qū)造成強(qiáng)風(fēng)暴雨等災(zāi)害。從徑向速度圖可以看到，高層風(fēng)速明顯大于低層，回波向東北移動過程中低層風(fēng)速逐漸加大，低層存在風(fēng)速輻合，還可以看到有明顯的中層徑向輻合存在（圖5d），弓形回波后部入流槽口急流區(qū)強(qiáng)盛，為雷雨大風(fēng)典型的徑向速度特征[3]。

從雷達(dá)回波基本反射率拼圖可以看出，26日12時高空槽回波帶位于河南西側(cè)到陜西東南部，四川盆地對流體回波位于川渝交界地的北部，回波強(qiáng)度達(dá)50dBz，水平尺度超過50km（圖6a）。這時湖北境內(nèi)

雷雨大風(fēng)天氣開始，14時開始雷雨大風(fēng)區(qū)迅速向東擴(kuò)展，襄陽及以東地區(qū)風(fēng)力加大，從SWAN監(jiān)測產(chǎn)品來看，影響范圍隨之?dāng)U大，與近地層冷空氣快速擴(kuò)散相一致。15時鄂西北為強(qiáng)對流所覆蓋（圖6b），18時強(qiáng)回波區(qū)位于河南南部到湖北中部地區(qū)，雷雨大風(fēng)回波帶的前沿回波強(qiáng)度明顯高于中后部，有6個大小不等的強(qiáng)對流中心相伴（圖6c），比較相同時刻衛(wèi)星云圖，紅外云圖上為一中尺度云團(tuán)，云團(tuán)前沿較雷達(dá)回波前沿要偏東50～80km，21時鄂北地區(qū)回波減弱，強(qiáng)中心斷裂開來，江漢平原東部的兩個強(qiáng)對流中心對應(yīng)了這次雷雨大風(fēng)過程的強(qiáng)降雨中心（圖6d）。

圖4 2011年7月26日FY-2E紅外云圖

5 穩(wěn)定度條件

深對流指數(shù)（DCI）指的是伸展高度具有或大于均質(zhì)大氣高度（約為7991m）的對流系統(tǒng)。李耀東等[4]指出深對流指數(shù)和對流有效位能可反映對流上升運(yùn)動的潛勢和強(qiáng)度，對流有效位能還隱含地反映了對流層大氣總體垂直熱力結(jié)構(gòu)。利用26日08時高空資料進(jìn)行計算：安康DCI=47.9℃，南陽DCI=39.2℃，恩施DCI=47.9℃，宜昌DCI=47.3℃，武漢DCI=47.4℃，均表征為指數(shù)的高值區(qū)，該數(shù)值超過了姚建群等[5]研究

長三角地區(qū)一次強(qiáng)颮線的情形，深對流指數(shù)越大預(yù)示條件不穩(wěn)定越強(qiáng)，提示存在發(fā)生強(qiáng)對流的潛在可能性越大。

圖5 2011年7月26日十堰多普勒雷達(dá)回波圖

這次雷雨大風(fēng)天氣出現(xiàn)在湖北中北部到河南南部，計算了安康、南陽兩個測站的對流有效位能（CAPE）和對流抑制能量（CIN）。統(tǒng)計看到在雷雨大風(fēng)發(fā)生之前CAPE有一個升高過程，主要表現(xiàn)為從25日08時—26日08時安康和南陽CAPE數(shù)值分別升高了1014.7J·kg-1和1003.1J·kg-1，能量升高聚集，表明強(qiáng)對流天氣觸發(fā)條件極為有利。26日隨著雷雨大風(fēng)天氣的產(chǎn)生和不穩(wěn)定能量的釋放，CAPE急劇降低，安康從08時1105.5J·kg-1下降到20時的378.6J·kg-1，南陽由1602.4J·kg-1降到205.4J·kg-1，較好地揭示了雷雨大風(fēng)發(fā)生前后能量變化機(jī)理（表1），地處湖北西部的恩施、宜昌兩站CAPE和CIN的時間變化與前者一致，而位于湖北東部的武漢站變化要滯后一些，在26日20時CAPE達(dá)到5999.6J·kg-1，27日08時回落到835.5J·kg-1。

對流天氣可以探空資料上CIN的大小來評估雷雨大風(fēng)發(fā)生的可能。當(dāng)CIN隨時間變小時應(yīng)引起注意。安康和南陽7月25日08時的CIN比26日08時的CIN大，即CIN隨時間變?。ū?），因此，當(dāng)有抬升力時，由于CIN變小氣塊易抬升，形成了強(qiáng)對流天氣，即7月26日午后出現(xiàn)強(qiáng)雷雨及大風(fēng)。

圖6 2011年7月26日12—21時華中區(qū)域雷達(dá)基本反射率拼圖

6 小結(jié)與討論

通過對這次大范圍雷雨大風(fēng)的分析可以看出，500hPa引導(dǎo)氣流和地面冷空氣在短期預(yù)報中的提示作用，近地面風(fēng)場輻合線（帶）對于雷雨大風(fēng)移動路徑的短時預(yù)警有明確指示意義，同時也要關(guān)注其他相關(guān)因素時空分布及變化。

（1）高空槽、低渦切變線、低空急流與經(jīng)由河套南侵冷空氣為雷雨大風(fēng)提供了好的背景條件，西太平洋副高西側(cè)的偏南氣流為對流云團(tuán)東移提供了水汽和能量，使盆地低壓系統(tǒng)沿東北路徑移動。

（2）低層輻合、高層輻散造成的強(qiáng)烈上升運(yùn)動為大量水汽持續(xù)輸送、雷雨云的發(fā)展和維持提供了有利的環(huán)境條件，散度垂直分布促進(jìn)了動力抬升，低空急流有利于地面鋒生發(fā)展，對中小尺度系統(tǒng)的加速移動起關(guān)鍵作用，對颮線系統(tǒng)的發(fā)展和維持起到積極作用，使得天氣過程維持較長的生命史。

（3）衛(wèi)星和雷達(dá)監(jiān)測反映出中尺度對流體生消發(fā)展中有多個較小尺度對流體新生和發(fā)展，是雷雨大風(fēng)的始作俑者，前沿雷達(dá)監(jiān)測對流高度（18km）及液態(tài)含水量（60kg·m-2）反映出雷雨大風(fēng)對流強(qiáng)盛，云圖與回波落區(qū)提示雷雨大風(fēng)出現(xiàn)在中尺度云團(tuán)前部的強(qiáng)回波區(qū)。

（4）雷雨大風(fēng)多普勒雷達(dá)回波對雷雨大風(fēng)臨近預(yù)報指示性強(qiáng)。多雷達(dá)拼圖在MCS移動發(fā)展判定上較衛(wèi)星云圖更為直接明確，強(qiáng)回波區(qū)的移向移速是雷雨大風(fēng)短時臨近預(yù)報的關(guān)鍵依據(jù)。

（5）不穩(wěn)定層結(jié)是雷雨大風(fēng)產(chǎn)生的重要條件，深對流指數(shù)（DCI）、對流有效位能（CAPE）和對流抑制能量（CIN）等物理量的分布顯示雷雨大風(fēng)區(qū)上游在強(qiáng)對流天氣發(fā)生前存在著不穩(wěn)定層結(jié)， CAPE明顯增大及與CIN減少的過程在雷雨大風(fēng)預(yù)報預(yù)警中有明顯的提示作用。

表1 雷雨大風(fēng)區(qū)探空測站CAPE和CIN變化比較（單位：J·kg-1）

[1]于超. 2011年7月大氣環(huán)流和天氣分析. 氣象, 2011, 37(10): 1314-1319．

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Analysis on Ambient Condition and Initialization Mechanism of Convection in a Severe Squall Line Storm Event in Hubei

Yin Heng1, Shen Dingcheng1, Xia Jin1,2, Li Yi1, Yang Zhanting1,3, Liao Xiaohua1
(1 Shiyan Meteorological Bureau of Hubei Province, Shiyan 442000 2 Hubei Meteorological Service, Wuhan 430074 3 Hubei Provincial Meteorological Service Center, Wuhan 430074)

By using the conventional meteorological observation, regional automatic station, FY-2E satellites, Doppler radar and networking products such as data, the thunderstorm weather process which occurred in Hubei Province on a large scale is analyzed, and the causes of convective weather conditions and physical mechanism are discussed. The results show that the thunderstorm gale is due to the upper trough, shear line, low-level jet and the cold air southward interaction results. The southerly airf l ow on the west side of West Pacif i c subtropical high provided the water vapor and energy transport for thunderstorm gale. Satellite and radar monitoring ref l ects a plurality of a small scale on the generation. The development of mesoscale convective fl uid body dissipation development, in effect, is a thunderstorm. The thunderstorm appears in the mesoscale-cloud-cluster front end and the strong echo area, strong weather of deep convective index and convective inhibition energy high value area, located in the upstream of strong convective weather which occurred.

thunderstorms, weather conditions, stability

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.01.007

2013年9月30日；

2014年1月10日

尹恒（1963—），Email：cnyinh@163.com