影響湖南的一次強對流天氣的中尺度分析

曾欣 胡夏初 汪洪 朱勁

摘要 利用常規(guī)氣象觀測資料、中小尺度自動站資料、FY2D衛(wèi)星資料、多部多普勒雷達資料對2013年春季的一次強對流天氣過程進行了分析。結果表明，此次強對流過程是發(fā)生在中高層干冷、低層暖濕的較強不穩(wěn)定環(huán)境中，低層強烈的輻合觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，激發(fā)中小尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展；強對流天氣發(fā)生發(fā)展的熱力動力條件呈現(xiàn)明顯的中尺度天氣特征；不同雷達回波特征可以清楚地判斷冰雹、雷雨大風等中小尺度天氣的發(fā)生發(fā)展。

關鍵詞 中尺度分析；環(huán)境條件；強對流天氣；湖南

中圖分類號 S161.6 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）27-09440-05

Analysis of a Strong Convective Weather Influencing Hunan

ZENG Xin， HU Xiachu， WANG Hong et al

（Zhuzhou Meteorological Bureau， Zhuzhou， Hunan 412003）

Abstract Based on the conventional meteorological data， mesomicro automatic station data， FY2D satellite data and Doppler radar data， the strong convective weather process in the spring of 2013 was analyzed. This process occurs in a strong unstable environment where dry and cold in high level， but wet and warm in low level. The stong convergence in lower level triggers the release of unstable energy， stimulating the development of the mesomicro scale system.The result indicates： the dynamic and thermal conditions of the occurrence and development of strong convective weather present obvious mesoscale weather characteristics； and the occurrence and development of mesoscale weather such as the hail and thunderstorm weather can be judged by different radar echo characteristics.

Key words Mesoanalysis； Environmental conditions； Strong convective weather； Hunan

2013年3月19日晚，湖南中南部出現(xiàn)了一次典型的強對流性天氣過程，部分地區(qū)伴有雷暴大風、冰雹、短時強降水等強對流天氣，具有突發(fā)性強、影響大、災害損失嚴重等特點。全省共計12個縣（市）出現(xiàn)冰雹，冰雹最大直徑達50 mm（湘西南靖州），16個縣（市）出現(xiàn)雷暴大風（湘東南道縣瞬時最大風速達30.7 m/s）。短時強降水主要出現(xiàn)在19日19：00～20日06：00，共計102個鄉(xiāng)鎮(zhèn)降暴雨，其中綏寧縣寨市站日降水量最大，達90.6 mm。據初步統(tǒng)計，全省受災人口81.9萬，其中極端地面大風造成道縣3人死亡、52人受傷，直接經濟損失共計7.2億元。為此，筆者應用多種觀測資料，分析引起該過程的強對流風暴發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件及觸發(fā)機制，對進一步認識影響湖南的強對流性天氣發(fā)生發(fā)展的中尺度特征以及今后強對流性天氣的預報預警提供幫助。

1 環(huán)流背景分析

造成湘中南的這次暴雨、雷暴大風、冰雹等強對流天氣過程的主要影響系統(tǒng)是高空低槽、高原槽、南支槽同位相疊加，配合中低層切變、西南急流及地面倒槽的共同作用。 3月19日08：00（圖1a），500 hPa亞歐大陸中高緯地區(qū)呈兩脊一槽型，貝加爾湖以東為寬廣低槽區(qū)，我國東北地區(qū)有一冷渦。冷渦底部不斷有冷空氣沿著槽后西北氣流下滑，青藏高原東部、位于孟加拉灣的短波槽和南支槽疊加，有利于水汽向華南、江南地區(qū)輸送，西太平洋副熱帶高壓西脊點位于110°E，副高西側偏南氣流也為此次過程短時強降雨的形成提供了水汽條件，湖南受南支槽前和副高西北側西南氣流控制。19日20：00（圖1b），北支鋒區(qū)南壓，有利于冷空氣擴散南下，高原槽和南支槽東移并與中高緯短波槽同位相疊加，850 hPa江南、華南西南氣流建立并得到加強，最大風速達22 m/s，與之對應濕舌從北部灣向東北方向伸展，12 g/kg的比濕高值中心位于江南、華南一帶。

地面氣壓場上，貝湖附近高壓東移南壓，19日20：00，高壓移至內蒙古中東部，高壓前冷鋒壓到山東半島，低層西南暖濕氣流增溫減壓，黃淮、江南、華南受低壓倒槽控制，為降水提供不穩(wěn)定和上升運動條件。中低層冷空氣滲透南下，與西南暖濕氣流在江西、湖南、貴州一帶交匯，形成冷式切變線，同時這些地區(qū)地面風場存在東北風、西南風或東南風的輻合線。

2 中尺度特征分析

2.1 中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展

陳濤等對一次南方春季強對流過程中影響對流發(fā)展的環(huán)境場特征分析中指出，強對流的發(fā)生發(fā)展與αMCS及βMCS尺度的中尺度系統(tǒng)有著密切的關系^[1]。分析影響湖南的這次強對流天氣過程發(fā)現(xiàn)，強對流天氣的發(fā)生發(fā)展與中尺度對流系統(tǒng)密切相關。此次強雹暴過程出現(xiàn)時間在夜間，影響時間相對較長，達8～9 h，影響范圍廣，幾乎影響湘中湘南，但中尺度特征仍然非常明顯。

19日20：00前后，在湘中長沙、湘潭、株洲北部就開始有強的回波出現(xiàn)，對應有冰雹、雷暴短時強降水出現(xiàn)，此時在貴州至湘西也有強回波單體，強回波20：50開始影響湖南，21：00～22：30先后有2個強風暴單體先后掃過靖州，22：30這2個超級單體風暴合并，范圍開始增大，呈東北—西南向帶狀，23：49帶狀強回波與東面強回波合并發(fā)展成颮線，東移南壓，颮線維持時間長達4.5 h；20日05：30后颮線斷裂減弱為強風暴單體。整個過程呈現(xiàn)明顯的中尺度特征。

2.2 中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的熱力動力條件

強對流天氣的發(fā)生與各種氣象條件有關，即要求存在較強的對流不穩(wěn)定、充分的水汽條件、一定的抬升條件。

分析19日湖南境內的地面天氣實況，19日午后至17：00湘中以南天空明顯放晴，氣溫回升，有利于對流性天氣發(fā)生。計算19日20：00 850

hPa與500 hPa的θse之差Δθse（850-500）發(fā)現(xiàn)，湖南南部Δθse（850-500）達 15 K以上，表明大氣存在明顯的對流不穩(wěn)定層結，非常有利于該區(qū)域強對流天氣發(fā)生發(fā)展。同時分析3月19～20日期間3個時次長沙、懷化、郴州的對流參數(shù)（表1）發(fā)現(xiàn)，19日20：00前后，無論是K指數(shù)、沙氏指數(shù)SI、總濕度TT、抬升指數(shù)LI還是對流有效位能Cape的值均有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展；而在此之前的19日08：00與20日08：00各種對流參數(shù)均表明對流較弱，說明19日08：00具備一定的對流潛勢，對流在開始發(fā)展階段；至20日08：00，對流發(fā)展逐漸減弱消亡。

計算19日20：00懷化與郴州的溫度垂直梯度可以發(fā)現(xiàn)，懷化500 hPa與850 hPa的溫度差達29 ℃，郴州達27 ℃；500 hPa溫度露點差（TTd）懷化為39 ℃，郴州為41 ℃；而700 hPa及以下無論長沙、懷化還是郴州及華南大部的溫度露點差TTd ≤3 ℃以下。以上特征表明19日20：00前后，湖南中南部高層干冷、低層暖濕，存在較強的對流不穩(wěn)定。

進一步分析長沙站、懷化站、郴州站19日20：00 TlnP探空曲線（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，500 hPa以上的溫度露點差明顯增大，呈上干下濕的“喇叭口”，表明湘中南上干下濕的特征非常明顯。雖然長沙、懷化未經訂正的Cape值為0，但郴州站Cape值在19日20：00達1 268.5 J/kg；三站探空圖上0 ℃層高度位于3～4 km，-20 ℃層高度位于6～7 km，這種條件非常有利于冰雹的發(fā)生；同時垂直風切變非常明顯，0～6 km垂直風切變長沙達21 m/s，懷化達29 m/s，郴州達27 m/s，風垂直方向的變化隨著高度的增加，風向隨高度順轉，有明顯的暖平流，表明湘中南在對流發(fā)展前均存在明顯的風的垂直切變。風的垂直切變影響對流云的發(fā)展、移動和分裂等過程，強的風垂直切變有助于普通風暴組織成持續(xù)性強風暴，

2.3 地面中尺度特征

分析19日08：00～20日08：00地面觀測資料發(fā)現(xiàn)，整個湖南處在地面倒槽之中，19日08：00地面圖上可以清楚地分析出2條地面中尺度輻合線，一條位于湘西至貴州，一條位于湘東南，強度與范圍均不強，至17：00，湘南至贛南的中尺度輻合進一步發(fā)展加強，呈東西向，南北風速達4 m/s，一直維持至20：00，23：00地面輻合線位于湘東南，呈東北—西南向，20日02：00地面輻合明顯減弱。進一步對湖南中小尺度站資料進行分析（圖3），可以發(fā)現(xiàn)湘中南寬廣的輻合帶內可以分析出多條中小尺度輻合線和氣旋性輻合區(qū)，隨著時間的發(fā)展，輻合線（區(qū)）位置與強度有所加強與變化，20日02：00前后湘南涌現(xiàn)多個中小尺度的輻合線（區(qū)）地面輻合最為強盛，隨后隨著對流系統(tǒng)的減弱，地面輻合也隨著減弱消失。

2.4 MCS的中尺度特征

分析此次過程的衛(wèi)星云圖可以發(fā)現(xiàn)，19日19：30強對流過程出現(xiàn)之初，衛(wèi)星云圖上在湖南表現(xiàn)為2塊對流云團，一塊位于湘中偏東的位置，這塊對流云團給湘中帶來了局地冰雹、雷雨大風等強對流性天氣，1 h后迅速移出湖南發(fā)展影響江西；另一塊位于貴州與湘西交界處，這個對流云團在以后的2 h內迅速發(fā)展維持一個較強的MCS云團結構特征，至23：20云團達到最為強盛，MCS云團面積達3個緯距、7個經距，長短比為0.43，云頂亮溫最低達-71 ℃（圖4），呈現(xiàn)明顯的MCS云團特征。隨后這個MCS云團東移減弱，影響湘東南，隨著這個MCS云團的發(fā)生發(fā)展東移，所經之處先后出現(xiàn)了冰雹、雷風大風等強對流性天氣。

3 多普勒雷達回波特征分析

3.1 強對流風暴雷達回波演變

此次強雹暴過程影響湘中南，范圍廣，影響時間長達7～8 h，因此在此采用長沙、邵陽、永州雷達觀測資料來分析此次過程的雷達回波演變。

長沙雷達觀測強對流回波于19日19：00～22：00自西向東影響湘潭、長沙、株洲北部，19：00～20：30這一段時間較強，回波呈帶狀分布，回波帶上有多個強回波中心，強回波中心在60～65 dBz，且能觀測到高仰度角基本反射率因子回波形態(tài)呈三體散射特征；邵陽雷達觀測到20：30從貴陽至湘西有強對流單體發(fā)展，20：49可清楚看到回波三體散射特征，21：51邵陽雷達西部2個強對流單體發(fā)展影響靖州，后一個回波單體低層反射率因子65 dBz，回波形態(tài)呈“V”型缺口，向東偏南緩慢移動，強對流回波于20：00～23：00一直在湘中呈東北-西南帶狀發(fā)展，回波帶鑲嵌多個強回波中心，反射率因子超65 dBz，回波呈“V”型缺口形態(tài)，回波不斷自西向東南方向發(fā)生發(fā)展生消；23：55，強對流回波帶發(fā)展為颮線，颮線在偏西氣流引導下東移，掃過邵陽地區(qū)。永州雷達上高仰度角上，20日00：30颮線東段與邵陽雷達東面強回波合并后，出現(xiàn)“弓形”回波特征，回波中心強度達65 dBz，颮線前沿有多個強風暴單體側向排列，且有明顯的反射率因子梯度；20日02：04，帶狀回波逐漸演變成兩塊弓形回波，東北方向的弓形回波迅速東移減弱，西南方向的弓形回波此時達最強盛階段，當它橫掃永州時導致永州自北向南出現(xiàn)雷暴大風，局地冰雹；此后1 h，颮線強度維持不變，向東南移動經過郴州、株洲南部，導致湘東南颮線過程。

3.2 冰雹出現(xiàn)時的雷達回波特征

從邵陽雷達與長沙雷達回波基本反射率因子圖上可以看到，多個強回波單體鑲嵌在東北—西南向的強回波帶上（圖5～6）。仔細分析強回波帶及強

對流單體回波特征發(fā)現(xiàn)，19日22：10前后，多個強回波單體反射率超過60 dBz，回波形態(tài)具有明顯的“V”型缺口、三體散射特征，對應強回波均存在較高的垂直積分液態(tài)水含量（VIL），一般均超過55 kg/m²，最大達65～70 kg/m²（圖5a、b）；回波頂高強盛時達18 km以上（圖5d）；沿高反射率因子的強回波單體做垂直剖面（圖5c），可以看到回波內部明顯的高懸垂穹隆結構，大于65 dBz強回波中心超過-20 ℃層高度，0 ℃層高度一般位于3～4 km，憑強回波單體的這些回波特征可以較易判斷有冰雹的發(fā)生，同時也伴有雷暴大風、短時強降水^[2]。

19日19：30～20：30在長沙、湘潭、株洲北部一帶出現(xiàn)了小冰雹，分析長沙雷達的回波特征可以看到，強回波中心反射率達55～65 dBz，大于60 dBz的強回波擴展到了-20 ℃層高度。從19日20：14開始，連續(xù)3個掃體在高仰度角可見明顯的三體散射。垂直積分液態(tài)水含量（VIL），19日20：26 VIL值超過55 kg/m²，最強達55～60 kg/m²；回波頂高（ET）為14～15 km，這些回波特征表明株洲西部、北部對流發(fā)展非常旺盛，有冰雹等強對流性天氣出現(xiàn)。

3.3 雷暴大風出現(xiàn)時的雷達回波特征

葉成志等根據永州雷達資料分析了此次颮線過程導致永州雷暴大風的回波特征^[3]，從邵陽雷達觀測資料來看，20日00：39在綏寧、城步兩縣開始形成弓形回波，此時雙峰-祁東北部-東安北部-武岡-綏寧為一條東北—西南向的回波帶，回波帶上的強回波單體具有高反射率因子，多處弓形回波、鉤狀回波與三體散射回波形態(tài)，此時颮線特征基本形成^[4]。隨著回波帶向東南方向移動，湘東南颮線于20日02：16發(fā)展強盛，出現(xiàn)了明顯的弓形回波，弓形回波前沿存在高反射率因子梯度區(qū)，弓形回波后側存在弱回波通道。從反射率因子垂直剖面可以看出，55 dBz擴展到-20 ℃層高度，明顯的回波懸垂，有界弱回波，強回波中心超過65 dBz。低仰角存在較大的徑風風速中心，風暴中心自西往東南方向移動，發(fā)展生消。

從長沙多普勒雷達資料分析，20日02：16長沙雷達2.4°仰角的基本反射率因子圖上表現(xiàn)為一個超強風暴，由多個強風暴單體組成，最大反射率因子達60 dBz，范圍長約120 km、寬約30 km（圖7）；至02：30，超強風暴發(fā)展成2個強風暴，一個朝東北方向移動，一個朝東偏南方向移動影響茶陵與炎陵，于20日02：31～02：37影響茶陵，影響茶陵時強度較強，呈釘子狀回波，同時探測到的垂直積分液態(tài)水含量的值高達 65～70 kg/m²（圖8），于20日02：49～02：55影響炎陵，此時強度較弱，回波強度僅45～50 dBz。 這種回波往往給影響區(qū)域帶來冰雹、雷暴、大風等強對流天氣。

從雷達速度圖（圖9）上，此次過程低層從過程開始就存

4 小結

（1）此次強對流天氣的發(fā)生發(fā)展具備較好的潛勢條件。強對流天氣發(fā)生前，湘中及湘南地面晴空輻射增溫、對流層結不穩(wěn)定，強的垂直風切變以及近地面層較好的水汽條件均為這次強對流發(fā)生發(fā)展提供了良好的潛勢條件。

（2）此次強對流天氣過程無論從環(huán)流背景還是地面中尺度分析、衛(wèi)星云圖分析及多部雷達資料分析均具備顯著的中尺度特征，根據對多種資料分析，不同強對流類型的判斷及短臨預警主要還是依賴雷達的短臨監(jiān)測與預警。在短臨預警中，冰雹預警需主要關注強回波最大值，強回波區(qū)相對于0 ℃層和-20 ℃層高度的位置、有界弱回波區(qū)、垂直液態(tài)水含

量、三體散射等。雷暴大風預警則需關注是否有颮線或弓形回波生成等，低層是否出現(xiàn)徑向輻合與速度大值區(qū)等特征。

（3）利用多部雷達較好地監(jiān)測到了此次湘中南的強對流天氣過程，單憑一部雷達對中小尺度的識別存在一定的困難，因此發(fā)揮短時系統(tǒng)與多部雷達聯(lián)合監(jiān)測預警對強對流天氣的準備預報預警發(fā)揮了較大的作用。

參考文獻

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