江淮地區(qū)致災強對流天氣流型配置及層結特征分析*

孫 燕，吳海英，蔣義芳 ，沈 陽

(1. 江蘇省氣象科學研究所，江蘇 南京 210009；2. 江蘇省氣象臺，江蘇 南京210008)

江淮地區(qū)位于中國東部，地處東亞季風區(qū)，冷暖氣流交匯頻繁，強對流天氣頻發(fā)，對流類型多、致災性強，近年來其極端性呈現(xiàn)增強趨勢[1-2]。加之江淮地區(qū)人口稠密，經(jīng)濟發(fā)達，強對流天氣氣象災害風險更加突出，對社會經(jīng)濟發(fā)展以及人民生命財產(chǎn)安全造成極大威脅。據(jù)統(tǒng)計[3]，江淮地區(qū)是我國龍卷發(fā)生頻率最高地區(qū)之一。2016年6月23日江蘇鹽城阜寧發(fā)生了EF4級龍卷[4]，損失慘重，期間99人失去生命。強對流天氣發(fā)生在特定的大尺度環(huán)流背景下由中小尺度系統(tǒng)導致，其形成有三個基本條件：水汽條件、不穩(wěn)定層結條件和動力抬升條件。盡管動力抬升條件通常由中小尺度系統(tǒng)所提供，但水汽和不穩(wěn)定層結環(huán)境常與大尺度環(huán)流背景所制約的天氣尺度系統(tǒng)發(fā)展演變相聯(lián)系，因而強對流天氣的發(fā)生發(fā)展依賴于大尺度環(huán)流背景?；诖罅總€例統(tǒng)計分析，Maddox 等[5]歸納出致洪強降水的幾種典型天氣流型配置。我國不少氣象學者針對中國不同區(qū)域強對流天氣發(fā)生的天氣尺度環(huán)流特征也進行了統(tǒng)計分析和總結。丁一匯等[6]研究了對颮線有觸發(fā)和組織作用的幾種典型形勢。伍志芳等[7]針對廣州前汛期強對流天氣流型及關鍵物理量進行分類歸納與提煉。楊露華等[8]則將上海地區(qū)產(chǎn)生強對流的天氣形勢細分為六種主要類型。張一平等[9]基于流型識別和物理量要素總結了河南區(qū)域性強對流的天氣學-物理量概念模型。鄭媛媛等[10]基于不同類型大尺度環(huán)流背景研究了強對流天氣的短時臨近預報預警技術。不同的大尺度環(huán)流背景下，天氣系統(tǒng)的空間結構及發(fā)展演變不同，導致強對流天氣形成的水汽、熱力或動力環(huán)境的差異，這在一定程度上影響了生長于其中的對流風暴的結構和強度[11-12]，并最終導致強對流天氣類型的區(qū)別。盡管同一種環(huán)流背景下可能伴有多種類型的強對流天氣，但往往不同環(huán)流背景下相對頻發(fā)的主要強對流類型還是差異明顯。比如，研究表明[13]，東北冷渦背景下形成發(fā)展的線狀對流(颮線)或孤立的超級單體易產(chǎn)生雷暴大風、冰雹天氣，而在熱帶系統(tǒng)影響下，短時強降水是發(fā)生頻率最高的一種強對流類型，且多數(shù)產(chǎn)生在熱帶氣旋向熱帶低壓減弱階段[14]。

強對流天氣有很強的地域性，且往往造成嚴重的災情，盡管針對江淮地區(qū)的強對流天氣分析較多，但多為個例性開展，缺乏系統(tǒng)的較長時間序列的普查分析，本文將在普查統(tǒng)計2000-2010年江淮地區(qū)致災強對流過程的基礎上，分析提煉強對流天氣發(fā)生發(fā)展過程環(huán)流形勢的演變和影響天氣系統(tǒng)的空間結構特征，建立江淮地區(qū)致災強對流發(fā)生的典型天氣型，并基于天氣分型研究不同天氣型下江淮地區(qū)對流類型發(fā)生頻率，進一步通過對應合成探空特征分析研究不同類型的強對流天氣與其發(fā)生天氣型及對流環(huán)境之間的差異特征，以期對強對流天氣類型的潛勢預報提供可參考的依據(jù)。

1 資料

本文開展的江淮地區(qū)不同類型的強對流天氣統(tǒng)計分析，涉及資料包括：利用江蘇、安徽兩省重要天氣報告(WS報)和同時段氣候整編資料，普查并分類選取2000-2010年江淮地區(qū)的強對流天氣歷史個例。將強對流天氣按災害分類分為雷暴大風、冰雹、龍卷、颮線和短時強降水，各類強對流定義按照我國現(xiàn)行的天氣業(yè)務規(guī)定。其中雷暴、雷雨大風、冰雹和龍卷個例取自2000-2010年2-9月重要天氣報告(WSB)，短時強降水個例取自同期氣候整編資料庫；在此基礎上，利用選取的各類型強對流個例發(fā)生發(fā)展過程期間的高空和地面常規(guī)觀測資料開展環(huán)流特征分析。

2 江淮地區(qū)強對流天氣典型天氣型

為歸納江淮地區(qū)致災強對流天氣產(chǎn)生的環(huán)流背景，選取2000-2010年江淮地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性強對流個例(相鄰3個基本站出現(xiàn)上述定義的強對流，其中龍卷只要一站出現(xiàn)即納入分析)，按天氣系統(tǒng)影響起止記為一次過程，共計534次過程，參考強對流發(fā)生期間的高空、地面形勢，提煉其共性特征。以500 hPa上的主要影響系統(tǒng)或環(huán)流特征為基礎，建立了江淮地區(qū)強對流天氣的五種主要天氣概念模型：高空槽前型、冷渦(槽)后型、副高邊緣型、副高控制型、熱帶系統(tǒng)型(臺風低壓、臺風倒槽或東風波)。此處需要說明的是，副高邊緣型，主要考慮入梅后隨著暖濕氣流北推，副熱帶高壓(以下簡稱副高)脊線位于21°N以北，江淮地區(qū)處于584～588 gpm附近，副高進退期間導致的強對流天氣，這種類型的強對流常與西風槽東移相聯(lián)系。以下將分析江淮地區(qū)強對流過程的幾種典型天氣模型的主要特征和空間配置。

2.1 高空槽前型

圖1給出槽前型背景下天氣系統(tǒng)空間配置。此時，副熱帶高壓(以下簡稱副高)位置偏南，120°E的副高脊線位于20°N以南，江淮地區(qū)處于500 hPa東移西風槽前，700 hPa對應有高空槽，850 hPa上江淮地區(qū)有切變線相配合，切變線上或伴有低渦活動，且低渦常位于500 hPa高空槽前，槽前正渦度平流有利于低渦發(fā)展。對流層低層切變線南側存在一支較強的西南風急流(850 hPa西南風風速≥12 m/s)，為江淮地區(qū)輸送充沛的水汽。地面上，江淮地區(qū)處于自西南地區(qū)東伸的低壓倒槽中，倒槽中或有氣旋發(fā)展，為對流天氣的產(chǎn)生提供有利的輻合抬升條件?？v觀上述天氣系統(tǒng)的空間配置及江淮地區(qū)所處的位置可見，在這種環(huán)流背景下，江淮地區(qū)500 hPa及以下處于槽前或切變線南側的偏南氣流中，水汽輸送條件有利，濕層深厚，加之低層及地面較強的輻合抬升條件，易出現(xiàn)以短時強降水天氣為主的強對流天氣。如前期對流層低層及地面有明顯升溫過程，大氣層結不穩(wěn)定發(fā)展，降水的對流性質(zhì)將明顯增強，期間將可能伴有雷暴大風天氣。

圖1 江淮地區(qū)強對流天氣概念模型1(高空槽前型) (圖中紫色方框區(qū)域為江淮地區(qū))

這種環(huán)流背景常出現(xiàn)在江淮地區(qū)春季4-5月，暖濕氣流逐漸增強，江淮地區(qū)水汽、熱力條件較冬季有所改善，也可出現(xiàn)在入梅或出梅后，副高出現(xiàn)短暫的明顯南落期間。

2.2 冷渦(槽)后型

冷渦(槽)后型是江淮地區(qū)強對流天氣較為典型的天氣背景之一。這種天氣型常見于4月中下旬至6月上旬，東北(華北)冷渦活動較頻繁，冷渦在維持或更替過程中，渦后常伴有冷空氣南下影響江淮地區(qū)，在這種天氣背景下，江淮地區(qū)常會出現(xiàn)冰雹、雷暴大風、短時強降水甚至龍卷等強對流天氣。

圖2 江淮地區(qū)強對流天氣概念模型2(冷渦槽后型)(圖中紫色方框區(qū)域為江淮地區(qū))

圖2是這種天氣背景下的概念模型。500 hPa上，江淮地區(qū)處于冷渦(槽)后部的西北氣流中，低渦深厚，氣旋性環(huán)流甚至自對流層低層達對流層高層200 hPa附近，冷渦(槽)后部有冷中心(槽)相配合。700 hPa江淮地區(qū)同樣位于冷渦(槽后)的西北氣流中。850 hPa上江淮地區(qū)或位于槽底部偏西氣流中，但溫度場與高度場配置與中高層相反，850 hPa及以下的低渦與東伸的暖舌(暖區(qū))相配合，由此形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結。地面上天氣系統(tǒng)較弱，江淮地區(qū)多數(shù)處于較為寬廣的低壓區(qū)內(nèi)，地面風場中或有輻合線形成，或有中尺度低壓活動。當500 hPa渦(槽)后有冷平流南下，在江淮上空形成西北急流或西北風明顯增強形成一支顯著西北氣流(500 hPa西北風風速≥18 m/s)，促進層結不穩(wěn)定發(fā)展及深層垂直風切變的增強，有利于強對流天氣發(fā)生。江淮地區(qū)處于槽后西北風氣流控制下，強對流發(fā)生前天氣較為晴朗，地面升溫明顯，對流往往在午后由地面輻合線或中尺度低壓附近觸發(fā)。在此背景下，700 hPa及以上水汽條件有限，強對流天氣以冰雹、雷暴大風等干對流天氣為主，但如邊界層或近地層水汽較為豐富(如近地層內(nèi)925 hPa及以下有濕區(qū)(q≥10 g/kg)，局地也將伴隨短時強降水天氣。

2.3 副高邊緣型

副高邊緣型是江淮地區(qū)強對流天氣發(fā)生頻率最多的一種環(huán)流背景，常出現(xiàn)在6月中下旬至7月上旬的梅汛期。其主要環(huán)流特征如圖3。500 hPa上，隨著副高增強，120°E副高脊線位于21°～27°N范圍內(nèi)，副高588 gpm西界伸展至大陸，此時江淮地區(qū)處于584～588 gpm附近，副高北側的的西南或偏南氣流將暖濕空氣輸送至這一地區(qū)，中緯度地區(qū)有西風槽東移，700 hPa及850 hPa有切變線與之配合，切變線上或有低渦活動，江淮地區(qū)處于槽前或切變線南側的較強的西南或偏南急流中(850 hPa西南或偏南風風速≥12 m/s，700 hPa西南或偏南風風速≥16 m/s)，水汽充沛。地面上，江淮地區(qū)處于一低壓內(nèi)，低壓內(nèi)或有氣旋生成或有靜止鋒存在，為強對流天氣的出現(xiàn)提供有利的抬升條件。

圖3 江淮地區(qū)強對流天氣概念模型3(副高邊緣型)(圖中紫色方框區(qū)域為江淮地區(qū))

江淮地區(qū)處于副高邊緣，暖濕氣流強盛，水汽充沛，濕層深厚，平均而言，大氣溫濕層結較冬春季節(jié)有明顯改變，趨向有利于對流發(fā)生的層結狀態(tài)調(diào)整，對流能量更為豐富，因此降水期間對流性較強，常伴有短時強降水、雷暴大風天氣，甚至可能會產(chǎn)生龍卷。

2.4 副高控制型

7月中下旬至8月，暖濕氣流進一步增強，副高脊線越過28°N，此時江淮地區(qū)處于副高控制下(圖4)，冷空氣活動偏北，主要雨帶由江淮北推至黃淮及以北地區(qū)。而此時江淮地區(qū)大氣平均的濕熱層結較之前進一步發(fā)展，對流潛在能量非常充沛。據(jù)統(tǒng)計[15]，此時江淮地區(qū)大氣平均的對流有效位能達一年中的最大值，約為1 300 J/kg，而表征大氣中水汽豐沛程度的大氣可降水量PW同樣高于其它季節(jié)，平均值約為50 mm。

圖4 江淮地區(qū)強對流天氣概念模型4(副高控制型)(圖中紫色方框區(qū)域為江淮地區(qū))

盡管江淮地區(qū)處于反氣旋環(huán)流控制下，以下沉氣流為主，多為晴熱高溫天氣，但由于江淮地區(qū)下墊面性質(zhì)不均勻，水陸交界面較多，或由于城市化效應，午后易產(chǎn)生局地的熱力環(huán)流，在較有利的濕熱環(huán)境中，激發(fā)局地對流天氣，在一定的抬升條件下(地面上往往形成風場輻合線或弱鋒區(qū))，大氣中蘊含的潛在對流能量得以釋放，會促進對流進一步發(fā)展。此天氣型下，對流往往產(chǎn)生在午后，地面輻合線附近或溫度鋒區(qū)附近，此類對流往往生消迅速，生命史較短。

2.5 熱帶系統(tǒng)型

與臺風低壓、臺風倒槽、東風波等熱帶系統(tǒng)相聯(lián)系，并導致江淮地區(qū)出現(xiàn)強對流天氣的天氣背景，這里歸納為熱帶系統(tǒng)型。這種背景下水汽異常充沛，多屬暖云降水，抬升凝結高度較低，降水效率極高，因此出現(xiàn)的強對流天氣以短時強降水發(fā)生頻率最高，江淮地區(qū)短時強降水中極值雨強多與熱帶系統(tǒng)有關。如“1211”?？_風在響水造成了511 mm/24h的特大暴雨，期間多個時次的小時雨量超過100 mm。在這種天氣背景下偶見龍卷天氣。

圖5 江淮地區(qū)強對流天氣概念模型5(熱帶系統(tǒng)型) (圖中紫色方框區(qū)域為江淮地區(qū))

圖5顯示了這種背景下的主要環(huán)流特征。500 hPa上，登陸減弱臺風低壓直接影響江淮地區(qū)，或臺風低壓雖位于30°N以南地區(qū)，臺風倒槽北伸至江淮地區(qū)，副高位置偏東，與大陸高壓相對峙，中高緯地區(qū)常有西風槽東移，形成一鞍型場背景。臺風低壓或倒槽與副高之間維持強盛偏南或東南急流，水汽輸送通道完整，北上暖濕氣流與冷空氣相結合將促進降水對流性發(fā)展，雨強明顯增強。對應地，對流層低層700 hPa、850 hPa、地面亦有減弱低壓環(huán)流或倒槽。

3 不同天氣型下不同類型強對流發(fā)生頻次

以上通過對2000-2010年江淮地區(qū)強對流過程分析，歸納了該地區(qū)不同類型的強對流天氣發(fā)生時常見的天氣背景，提煉幾種類型的共性特征，建立了以天氣系統(tǒng)空間配置為基礎的江淮地區(qū)強對流天氣主要概念模型。進一步地，統(tǒng)計了這幾種天氣型下不同類型的強對流發(fā)生頻次(表1)。

由表1可見，副高邊緣型是江淮地區(qū)發(fā)生短時強降水、雷暴大風及龍卷頻次最多的天氣背景，發(fā)生頻次分別占總頻次的57%、59%和66%，2016年6月23日阜寧發(fā)生的EF4級龍卷伴隨在這種背景下的暴雨過程中發(fā)生。冰雹則是在冷渦(槽)后型這種天氣型下最易出現(xiàn)，占總次數(shù)的55%。盛夏季節(jié)，江淮地區(qū)處于副高控制下時，盡管各類強對流均有發(fā)生可能，但出現(xiàn)頻次明顯少于其它幾種天氣型。與熱帶系統(tǒng)相聯(lián)系的天氣型下，江淮地區(qū)多見短時強降水天氣，如與西風帶系統(tǒng)相結合常會伴有雷暴大風天氣，偶見龍卷，29次龍卷天氣中有3次發(fā)生在這種背景下，但未見冰雹出現(xiàn)。

4 不同天氣型下各類型強對流生成環(huán)境—合成探空分析

上節(jié)分析可以看出，不同天氣背景下，強對流天氣類型及發(fā)生頻次是有明顯差異的，那么，不同的環(huán)流背景如何影響對流天氣的類型？兩者如何聯(lián)系？本節(jié)將基于3節(jié)中針對江淮地區(qū)強對流天氣的分型，結合各天氣型下發(fā)生頻次占優(yōu)勢的強對流天氣類型開展合成探空分析，了解不同天氣型下，各類強對流發(fā)生發(fā)展過程中大氣平均溫濕垂直分布特征。

根據(jù)前面對強對流天氣環(huán)流背景的分型，選取典型天氣背景下，江淮地區(qū)不同類型強對流天氣個例發(fā)生前附近站點的探空資料合成不同背景下不同對流類型的大氣溫濕廓線，其中包括：高空槽前型短時強降水10例，熱帶系統(tǒng)型短時強降水10例(或伴有雷暴大風)，副高邊緣型龍卷(或伴短時強降水或雷暴大風)5例，冷渦(槽)后型冰雹及雷暴大風10例。

圖6顯示了不同天氣背景下不同類型強對流天氣的合成探空分布。圖6a是高空槽前型江淮地區(qū)發(fā)生短時強降水前大氣平均的溫濕結構特征。圖6a中可見，T-LnP圖溫濕廓線呈 “漏斗”狀分布，對流層中層500 hPa及以下大氣層結曲線與露點曲線較為接近，為近飽和狀態(tài)，濕層深厚，500 hPa以上，大氣層結逐漸轉干。從合成風場的垂直分布可以看出，除近地面風場較弱略顯凌亂外，850～200 hPa幾乎為一致的西到西南風。結合合成探空資料計算的表征濕熱環(huán)境特征的參數(shù)來看(表2)，高空槽前型短時強降水天氣對應的對流有效位能(CAPE)較小，平均值僅為149 J/kg，大氣可降水量為50 mm。熱帶系統(tǒng)型下的短時強降水過程對應的合成探空圖(圖6b)顯示，其溫濕廓線形態(tài)與槽前型短時強降水平均特征有一定相似，濕層主要集中在對流層中低層，但從溫度廓線與露點廓線的分布來看，較前者更趨近飽和，500 hPa以上為干層。合成風場中，對流層中低層為東南風，且邊界層存在明顯的東南風急流(850～925 hPa東南風為16 m/s)，風隨高度逐漸順轉為西風，對流層中低層暖平流明顯，有利于大氣層結不穩(wěn)定的發(fā)展。這種天氣型下，對流有效位能(CAPE)平均值達到了1497 J/kg，大氣可降水量為60 mm，就平均濕熱條件而言，與槽前型短時強降水相比較，這種與熱帶系統(tǒng)相聯(lián)系的背景更有利于強對流天氣的發(fā)生，因此強降水發(fā)生時常伴有雷暴大風天氣。副高邊緣型龍卷過程(或伴短時強降水或雷暴大風)合成的溫濕結構(圖6c)顯示出整層濕度較高的環(huán)境特征，與前兩者不同的是，其中層以上并無明顯干層，邊界層存在逆溫結構，有利于對流發(fā)生前能量的前期蓄積。風場中，400 hPa及以下為一致的西南風，之上逐漸順轉為西北風，對流層低層對應強的西南急流，850～700 hPa西南風分別為14 m/s和16 m/s。對流有效位能(CAPE)平均值略高于熱帶系統(tǒng)型，為1 642 J/kg，水汽環(huán)境非常充沛，大氣可降水量平均為60 mm，與熱帶系統(tǒng)型強降水過程相同。冷渦(槽)后型冰雹過程(或伴雷暴大風)的合成探空(圖6d)與上述幾類有明顯的區(qū)別，主要表現(xiàn)在：對流能量蓄積最為豐富的， CAPE平均值達到2 118 J/kg；整層為非常干的層結，層結曲線與露點曲線的分布呈X型，整層以西或西北風為主，700 hPa以下風力較弱，500 hPa以上風速明顯增大。與其它幾種類型相比，水汽最為稀少，對流層中上層尤為干燥，平均的大氣可降水量僅為20 mm。在相對較干的環(huán)境中生成的對流風暴，在其發(fā)展過程中，當中層干燥的空氣夾卷進入風暴內(nèi)時，會增強降水粒子蒸發(fā)冷卻作用，促進下沉氣流，形成雷暴外流邊界(陣風鋒)而導致雷暴大風，并有利風暴組織化發(fā)展。

表1 2000-2010年江淮地區(qū)不同天氣型下各類強對流發(fā)生頻次

表2 不同天氣型下各類對流的部分對流參數(shù)平均值

圖6 江淮地區(qū)不同對流類型個例合成探空

綜上，強對流天氣過程中對流風暴形成發(fā)展的差異性及對流天氣類型的多樣性，一定程度上取決于不同天氣型所對應的天氣系統(tǒng)配置和大氣溫濕、動力等環(huán)境條件，因此，認識和理解不同類型的強對流天氣形成與發(fā)展的環(huán)境有助于提高強對流天氣分類潛勢預報的能力。

5 小結與討論

本章利用多種觀測資料針對江淮地區(qū)致災強對流天氣開展了天氣綜合分析，建立了江淮地區(qū)強對流天氣的典型天氣型，進一步研究不同天氣型下所伴生的各類對流天氣發(fā)生頻率、不同類型對流發(fā)展過程中對流環(huán)境的差異。主要結論如下：

(1)基于2000-2010年江淮地區(qū)強對流歷史個例統(tǒng)計，結合強對流發(fā)生期間的高空、地面影響天氣系統(tǒng)的演變，提煉環(huán)流共性特征，建立了江淮地區(qū)強對流天氣概念模型：高空槽前型、冷渦(槽)后型、副高邊緣型、副高控制型、熱帶系統(tǒng)型。

(2)在不同天氣型下，江淮地區(qū)各類強對流天氣發(fā)生頻率差異明顯。副高邊緣型是江淮地區(qū)發(fā)生短時強降水、雷暴大風及龍卷頻次最多的天氣型，而冰雹天氣最易出現(xiàn)在冷渦(槽)后天氣型下，55%冰雹天氣發(fā)生在冷渦(槽)后天氣背景下。與熱帶系統(tǒng)相關的天氣背景中，江淮地區(qū)多見短時強降水天氣，偶見龍卷，冰雹天氣發(fā)生概率較低。盛夏季節(jié)處于副高控制下的江淮地區(qū)，盡管各類強對流均有發(fā)生可能，但強對流發(fā)生頻次明顯少于其它天氣型。

(3)不同天氣型所對應的天氣系統(tǒng)配置及其發(fā)展不同，導致強對流天氣發(fā)生的大氣溫濕環(huán)境特征各異。不同天氣型下各類強對流天氣發(fā)生前的合成探空表明，江淮地區(qū)發(fā)生短時強降水過程前，高空槽前型與熱帶系統(tǒng)型兩種天氣背景平均的溫濕廓線形態(tài)特征較相似，層結曲線與露點曲線形成上干下濕的“漏斗”狀，對流層中層500 hPa以上由濕逐漸轉干，但后者邊界層內(nèi)存在明顯的東南風急流，水汽更充沛，對流層中低層暖平流明顯，促進了大氣層結不穩(wěn)定的發(fā)展，更有利于降水對流性增強。副高邊緣型龍卷過程平均溫濕結構顯示出整層相對濕度較高的環(huán)境特征，對流層中低層存在明顯的西南風急流，邊界層存在的逆溫結構有利于對流發(fā)生前能量的蓄積。冷渦(槽)后型冰雹過程的合成探空表現(xiàn)出與其它類型強對流天氣明顯不同的溫濕環(huán)境特征，對流能量蓄積最為豐富，大氣整層非常干，水汽最為稀少，平均的大氣可降水量僅為20 mm。