華中地區(qū)春季一次強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)的多尺度影響機(jī)制分析*

許冠宇 黃龍飛 吳 濤 楊 浩 鐘 敏

1 武漢中心氣象臺(tái)，武漢 430074

2 江西省景德鎮(zhèn)市氣象局，景德鎮(zhèn) 333000

3 中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所，武漢 430205

提 要： 基于常規(guī)高空、地面觀測(cè)資料、NCEP/NCAR再分析資料以及雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)2020年5月4日冷空氣影響環(huán)流背景下,湖北隨州和荊州地區(qū)強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)機(jī)制及演變特征進(jìn)行分析，并揭示冷空氣對(duì)強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)的作用，結(jié)果表明：此次隨州地區(qū)強(qiáng)對(duì)流有3次觸發(fā)過(guò)程，觸發(fā)機(jī)制分別為暖區(qū)輻合線觸發(fā)、冷鋒觸發(fā)以及低空急流觸發(fā)。同時(shí)隨州特殊地形對(duì)強(qiáng)對(duì)流維持起了重要作用。冷鋒觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流條件與冷空氣厚度和自由對(duì)流高度有關(guān)。當(dāng)冷空氣與暖濕氣流輻合層高于自由對(duì)流高度，且輻合有一定垂直厚度時(shí)，更易觸發(fā)對(duì)流。隨州地區(qū)冷空氣強(qiáng)度較強(qiáng)，對(duì)流層低層鋒區(qū)明顯，正位渦異常中東部上升氣流較強(qiáng)，更易觸發(fā)對(duì)流。荊州地區(qū)對(duì)流層底層鋒區(qū)減弱，冷空氣較弱，上升氣流偏弱，導(dǎo)致荊州南部地區(qū)無(wú)對(duì)流觸發(fā)。

引 言

強(qiáng)對(duì)流天氣主要包括短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴、大風(fēng)和龍卷風(fēng)天氣等，由于突發(fā)性強(qiáng)，致災(zāi)嚴(yán)重是中國(guó)汛期的預(yù)報(bào)重點(diǎn)(王秀榮等，2007)。在對(duì)流組織發(fā)展過(guò)程中，對(duì)流觸發(fā)(convection initiation,CI)是對(duì)流系統(tǒng)生命期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是對(duì)流臨近預(yù)報(bào)中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)(黃亦鵬等，2019)。CI過(guò)程是成功預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)及其引發(fā)災(zāi)害天氣的根本，因此研究強(qiáng)對(duì)流過(guò)程的CI過(guò)程則至關(guān)重要(Purdom and Marcus,1982；俞小鼎等，2012；Kain et al，2013)。

目前對(duì)CI的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)主要是利用地面站以及探空等常規(guī)資料以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的物理量，分析CI發(fā)生需要的水汽、不穩(wěn)定層結(jié)以及抬升機(jī)制等三個(gè)基本條件(Doswell Ⅲ，1987)，從而做出較大范圍的CI潛勢(shì)預(yù)報(bào)(張小玲等，2012；朱月佳等，2019)。直接決定CI發(fā)生位置的抬升機(jī)制主要由中小尺度的地形、邊界層輻合線、陣風(fēng)鋒(Klingle et al，1987；蘇濤等，2020)、干線(Bluestein and Parker，1993)、海風(fēng)鋒(Wilson and Megenhardt，1997；Koch and Ray，1997)及重力波提供(Doswell Ⅲ，1987)，業(yè)務(wù)中可以通過(guò)分析地面加密站資料，并輔助具有高時(shí)間(分鐘到小時(shí)級(jí)別)、空間(千米級(jí)別)分辨率和連續(xù)空間覆蓋的天氣雷達(dá)和靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)獲得(Purdom，1976；Han et al，2009；Chen et al，2012)。通常，輻合線的生成常與大氣溫、濕度的不連續(xù)以及由地表熱力性質(zhì)差異導(dǎo)致的局地環(huán)流有關(guān)(查書(shū)瑤等，2020)，而冷空氣的參與則是造成熱力差異的重要因子之一。

研究表明，冷空氣容易觸發(fā)邊界層能量鋒區(qū)附近的中尺度對(duì)流系統(tǒng)(何立富等，2009)，使得暴雨區(qū)上空的大氣不穩(wěn)定度和氣旋性渦度增強(qiáng)，有利于中尺度系統(tǒng)發(fā)展(湯鵬宇等，2015；張雪蓉等，2021)，冷空氣能使暴雨區(qū)上空的垂直運(yùn)動(dòng)更旺盛(劉會(huì)榮和李崇銀，2010；陳淑琴等，2018)。但是，預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境熱力條件滿足的情況下，冷空氣有時(shí)候不一定引起CI過(guò)程(蘇愛(ài)芳等，2022)。

2020年5月4日夜間，在地面冷空氣影響下，湖北省中東部大部地區(qū)發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。然而荊州南部地區(qū)，在陣風(fēng)鋒的作用下，并未觸發(fā)對(duì)流。數(shù)值模式預(yù)報(bào)在江漢平原南部出現(xiàn)大暴雨的空?qǐng)?bào)現(xiàn)象。同時(shí)，在隨州地區(qū)，強(qiáng)對(duì)流持續(xù)時(shí)間接近7 h。究竟是什么原因?qū)е略诶淇諝庥绊懴?，隨州地區(qū)不斷出現(xiàn)CI過(guò)程，而荊州南部即使有陣風(fēng)鋒過(guò)境也未觸發(fā)對(duì)流？冷空氣觸發(fā)對(duì)流的條件是什么？本文將利用常規(guī)高空、地面氣象觀測(cè)資料，區(qū)域加密自動(dòng)氣象站逐時(shí)資料、NCEP/NCAR每日4次水平分辨率為0.25°×0.25°的再分析資料和隨州及荊州兩部S波段雷達(dá)基數(shù)據(jù)，對(duì)比隨州和荊州兩個(gè)地區(qū)的對(duì)流特征并解釋對(duì)流觸發(fā)機(jī)制。

1 環(huán)流背景及天氣概況

2020年5月4日20時(shí)，500 hPa中高緯度呈現(xiàn)“兩槽一脊”經(jīng)向環(huán)流型，貝加爾湖受高壓脊控制，脊前偏北氣流引導(dǎo)地面冷空氣南下，同時(shí)中緯度地區(qū)有低槽位于川東(圖1a)；槽前正渦度平流使得低層減壓，700 hPa有低渦形成，鄂西南受低渦前偏南急流影響(圖略)；對(duì)流層低層850 hPa受北部高壓底部偏東氣流和南部偏南氣流共同影響，河南省南部形成暖式切變線，此時(shí)850 hPa冷空氣尚未進(jìn)入湖北省，從溫度分布可見(jiàn)，溫度鋒區(qū)位于河南省南部，此時(shí)12 m·s-1以上的西南低空急流出口位于鄂西北地區(qū)(圖1b)。從海平面氣壓場(chǎng)可知，此時(shí)湖北省大部地區(qū)受地面暖倒槽控制，北部地面冷高壓主要影響湖北省北部地區(qū)(圖1c)，沿113°E做溫度和水平風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)向剖面可知，此時(shí)近地面北風(fēng)已到達(dá)32°N左右，即湖北省隨州地區(qū)，該地區(qū)冷空氣主要影響1 000～900 hPa邊界層(圖1d)。

5月5日08時(shí)，原川東低槽已東移至湖北省東部(圖1e)；受冷空氣影響，湖北省東部850 hPa逐漸由暖式切變線轉(zhuǎn)為冷式切變線，并形成低渦位于鄂皖交界處，此時(shí)湖北省大部轉(zhuǎn)為北風(fēng)控制(圖1f)。由113°E的溫度和水平風(fēng)場(chǎng)經(jīng)向剖面可知，近地面北風(fēng)已影響到26°～27°N至湖南北部，30°N以北1000～500 hPa均為偏北氣流控制(圖1h)。由此時(shí)海平面氣壓分布可知，冷高壓南壓，冷鋒入暖倒槽引起地面降溫，從氣壓場(chǎng)的分布可知，在鄂東南和江西交界處，形成低壓，中心氣壓值為1002 hPa，與850 hPa低渦環(huán)流相對(duì)應(yīng)(圖1g)。

在上述環(huán)流背景下，湖北省出現(xiàn)冷空氣降溫天氣，從5月3日08時(shí)至5日08時(shí)的48 h日最低氣溫變化分布來(lái)看(圖2a)，除鄂西地區(qū)，湖北省大部地區(qū)低溫下降2℃以上，江漢平原及鄂東北出現(xiàn)4～6℃降溫，隨州地區(qū)(紅線所示)附近出現(xiàn)6℃以上降溫。依據(jù)GB/T20484—2017(中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2017)，湖北省東部大部地區(qū)日最低氣溫 48 h 內(nèi)降溫幅度小于6℃，屬于弱冷空氣，隨州地區(qū)屬于較強(qiáng)冷空氣。強(qiáng)對(duì)流主要發(fā)生在4日午后至5日凌晨，5月4日08時(shí)至5日08時(shí)24 h累計(jì)降水量空間分布顯示(圖2b)，50 mm以上強(qiáng)降水主要集中在鄂東南地區(qū)、鄂東北局部以及鄂西十堰北部、宜昌南部。鄂東大部地區(qū)出現(xiàn)降水強(qiáng)度為20～40 mm·h-1的短時(shí)強(qiáng)降水。隨州地區(qū)出現(xiàn)27.1 m·s-1極大風(fēng)及冰雹天氣，最大累計(jì)降水量達(dá)54 mm，最大降水強(qiáng)度為34 mm·h-1。荊州北部累計(jì)降水量最大為37 mm，最大降水強(qiáng)度為17 mm·h-1；南部?jī)H出現(xiàn)5 mm以下小雨，無(wú)明顯強(qiáng)對(duì)流天氣。

圖2 2020年5月(a)3日08時(shí)至5日08時(shí)48 h日最低氣溫變化場(chǎng)(填色)(紅線為隨州市邊界，藍(lán)線為荊州市邊界)和(b)4日08時(shí)至5日08時(shí)24 h累計(jì)降水量分布Fig.2 (a) Variation field of daily low temperature (colored) for 48 h from 08:00 BT 3 to 08:00 BT 5 May (red line： Suizhou City boundary, blue line： Jingzhou City boundary) and (b) 24 h precipitation distribution from 08:00 BT 4 to 08:00 BT 5 May 2020

2 強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)概況

下文將重點(diǎn)分析強(qiáng)對(duì)流過(guò)程初期，隨州和荊州兩個(gè)地區(qū)的對(duì)流觸發(fā)過(guò)程。國(guó)外的研究普遍將35或40 dBz的回波視為強(qiáng)對(duì)流的標(biāo)志(Mecikalski and Bedka，2006；Roberts and Rutledge，2003；Bai et al，2020)，為更清楚地表示對(duì)流風(fēng)暴，本文統(tǒng)一使用40 dBz作為反射率因子閾值進(jìn)行對(duì)流風(fēng)暴的識(shí)別，在半徑20 km的圓形區(qū)域內(nèi)發(fā)生對(duì)流風(fēng)暴初生事件，且距離該區(qū)域上一次事件的發(fā)生時(shí)間超過(guò)20 min，則被定義為一次CI過(guò)程。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，隨州地區(qū)先后有3次CI過(guò)程，荊州地區(qū)則出現(xiàn)2次CI過(guò)程。

2.2 隨州地區(qū)

隨州地區(qū)3次CI過(guò)程分別出現(xiàn)在5月4日15:04、17:30和21:47，整個(gè)對(duì)流過(guò)程持續(xù)近7 h。下文利用隨州S波段雷達(dá)組合反射率因子來(lái)分析3次CI過(guò)程及其演變趨勢(shì)特征。為了清楚顯示對(duì)流風(fēng)暴特征，圖中填色區(qū)域僅顯示反射率因子超過(guò)35 dBz 的區(qū)域。

第一次CI過(guò)程出現(xiàn)在4日15:04，在隨州西南部分別觸發(fā)A、B兩個(gè)孤立對(duì)流風(fēng)暴，兩個(gè)風(fēng)暴相距27 km，40 dBz以上強(qiáng)回波面積較小(圖3)，但對(duì)流發(fā)展旺盛，回波頂高達(dá)8～10 km(圖略)；15:10對(duì)流風(fēng)暴A、B突然減弱，并在A、B之間新生對(duì)流風(fēng)暴C，至16:34對(duì)流風(fēng)暴C不斷加強(qiáng)，最大反射率因子達(dá)55～60 dBz，回波頂高達(dá)9～12 km，16:56對(duì)流風(fēng)暴C分裂成對(duì)流風(fēng)暴C1、C2并繼續(xù)向東北方向移動(dòng)(圖3)。

圖3 2020年5月4日15:04—17:07隨州雷達(dá)組合反射率因子分布(a)15:04,(b)15:10,(c)15:27,(d)16:34,(e)16:56,(f)17:07(字母為風(fēng)暴編號(hào)，紅線為隨州市邊界，下同)Fig.3 Distribution of composite reflectivity factor of Suizhou Radar in 15:04-17:07 BT 4 May 2020(a) 15:04 BT, (b) 15:10 BT, (c) 15:27 BT, (d) 16:34 BT, (e) 16:56 BT, (f) 17:07 BT(Letters represent storm number， red line represents Suizhou； the same below)

第一階段對(duì)流在隨州地區(qū)西南部觸發(fā)后向東北方向移動(dòng)，對(duì)流風(fēng)暴面積較小，移動(dòng)較快，影響范圍較小。

第二次CI過(guò)程發(fā)生在17:30(圖4)，C1、C2在向北移動(dòng)過(guò)程中合并增強(qiáng)為對(duì)流風(fēng)暴D，強(qiáng)回波大于60 dBz的面積明顯增大，回波頂高上升至12～15 km，同時(shí)在強(qiáng)回波南部有對(duì)流風(fēng)暴E、F被觸發(fā)，與北部回波的距離大約為30 km，且距離上次事件發(fā)生超過(guò)20 min，符合CI過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)。E、F被觸發(fā)后，逐漸合并加強(qiáng)。至18:14形成對(duì)流風(fēng)暴G，此時(shí)D強(qiáng)回波范圍減小，回波呈現(xiàn)南傳特征。18:37對(duì)流風(fēng)暴D減弱消失，同時(shí)G加強(qiáng)發(fā)展，45 dBz以上的強(qiáng)回波面積明顯增大，20:06強(qiáng)度增強(qiáng)至60 dBz以上，值得注意的是G在隨州中部一帶持續(xù)1.5 h，維持時(shí)間較長(zhǎng)。20:51以后G逐漸減弱東移，至 21:36 隨州地區(qū)中部強(qiáng)回波完全消散。第二階段強(qiáng)對(duì)流呈現(xiàn)向南傳播特征，同時(shí)強(qiáng)回波在隨州地區(qū)中部維持時(shí)間較長(zhǎng)，最大反射率因子達(dá)到60 dBz以上，20：00—21：00隨州地區(qū)出現(xiàn)27.1 m·s-1極大風(fēng)以及冰雹天氣。

圖4 2020年5月4日17:30—21:36隨州雷達(dá)組合反射率因子分布(a)17:30,(b)17:52,(c)18:14,(d)18:37,(e)18:59,(f)20:06,(g)20:51,(h)21:13,(i)21:36Fig.4 Distribution of composite reflectivity factor of Suizhou Radar in 17:30-21:36 BT 4 May 2020(a) 17:30 BT, (b) 17:52 BT, (c) 18:14 BT, (d) 18:37 BT, (e) 18:59 BT, (f) 20:06 BT, (g) 20:51 BT, (h) 21:13 BT, (i) 21:36 BT

21:52隨州地區(qū)中部有兩個(gè)孤立對(duì)流單體H、I新生(圖5)。在分別以H、I為圓心半徑為20 km的圓形區(qū)域內(nèi)，距離上一次CI過(guò)程發(fā)生已超過(guò)20 min，此為隨州地區(qū)第三次CI過(guò)程。21:58對(duì)流單體H、I發(fā)展回波強(qiáng)度增強(qiáng)，有合并趨勢(shì)，同時(shí)在隨州南部有對(duì)流單體J新生并向北移動(dòng)。至22:32 對(duì)流單體H、I、J、K呈南北線狀排列，向北移動(dòng)。22:54對(duì)流單體合并為對(duì)流風(fēng)暴L，并于23:05東移減弱，此時(shí)隨州地區(qū)西南部有對(duì)流發(fā)展，但北抬后減弱，在此不做討論。

圖5 2020年5月4日21:52—23:05隨州雷達(dá)組合反射率因子分布(a)21:52,(b)21:58,(c)22:09,(d)22:32,(e)22:54,(f)23:05Fig.5 Distribution of composite reflectivity factor of Suizhou Radar in 21:52-23:05 BT 4 May 2020(a) 21:52 BT, (b) 21:58 BT, (c) 22:09 BT, (d) 22:32 BT, (e) 22:54 BT, (f) 23:05 BT

2.2 荊州地區(qū)

對(duì)于荊州地區(qū)，強(qiáng)對(duì)流主要集中在荊州北部、潛江一帶，荊州南部未觸發(fā)對(duì)流。因此本節(jié)主要討論荊州北部的回波觸發(fā)及演變特征(圖6)。5月5日00:24荊門(mén)地區(qū)有片狀對(duì)流回波出現(xiàn)(紫色方框所示)，回波結(jié)構(gòu)較為松散，這是冷空氣激發(fā)的對(duì)流回波，同時(shí)宜昌地區(qū)受到700 hPa低渦影響，有分散性回波發(fā)展。00:30在荊州西北部圖6a～6c中紫色方框代表的A區(qū)有多個(gè)分散性對(duì)流發(fā)展，這是荊州地區(qū)第一次CI過(guò)程。00:48對(duì)流單體A東西兩側(cè)距離20 km以外的潛江、枝江地區(qū)觸發(fā)出新的對(duì)流并于00:48形成一條東西向的對(duì)流帶，該對(duì)流帶長(zhǎng)100 km左右，為荊州地區(qū)的第二次CI過(guò)程。至01:12該對(duì)流帶迅速減弱，在南部激發(fā)出新的對(duì)流單體，回波頂高為7～9 km，強(qiáng)回波前沿有陣風(fēng)鋒(紅色箭頭表示)。01:36陣風(fēng)鋒脫離母體繼續(xù)向南移動(dòng)，陣風(fēng)鋒影響的地方并未激發(fā)出新的對(duì)流，02:00 荊州地區(qū)回波減弱。

圖6 2020年5月5日00:24—02:00荊州雷達(dá)組合反射率因子分布(a)00:24,(b)00:30,(c)00:48,(d)01:12,(e)01:36,(f)02:00(字母為風(fēng)暴編號(hào),藍(lán)線為荊州市邊界,紅色箭頭為陣風(fēng)鋒所在位置,紫色方框線為關(guān)鍵區(qū)域)Fig.6 Distribution of composite reflectivity factor of Jingzhou Radar in 00:24-02:00 BT 5 May 2020(a) 00:24 BT, (b) 00:30 BT, (c) 00:48 BT, (d) 01:12 BT, (e) 01:36 BT, (f) 02:00 BT(Letters represent the storm number， blue line represents the boundary of Jingzhou， red arrow represents the position of gust front， purple frame line represents the key area)

3 強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)機(jī)制

上文主要了解了對(duì)流風(fēng)暴的觸發(fā)及演變趨勢(shì)，本節(jié)將利用地面加密場(chǎng)，雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及再分析資料重點(diǎn)分析隨州和荊州北部的CI過(guò)程的形成和對(duì)流風(fēng)暴演變機(jī)制。

3.3 隨州地區(qū)

隨州地區(qū)3次CI過(guò)程的觸發(fā)機(jī)制不同，分為暖區(qū)對(duì)流觸發(fā)、冷鋒觸發(fā)以及低空急流觸發(fā)三個(gè)階段，下面僅分析有冷空氣參與的第二、三階段。

3.1.1 冷鋒觸發(fā)

5月4日17:30隨州地區(qū)出現(xiàn)第二次CI過(guò)程，這個(gè)階段隨州地區(qū)對(duì)流風(fēng)暴范圍明顯增大，強(qiáng)度增強(qiáng)，且持續(xù)時(shí)間近3 h，強(qiáng)回波呈現(xiàn)明顯的南傳特征。通過(guò)再分析資料對(duì)14時(shí)環(huán)境場(chǎng)的熱力條件分析可知，隨州地面溫度升高，自由對(duì)流有效位能(CAPE)08：00由163 J·kg-1躍增至1588 J·kg-1，自由對(duì)流高度(LFC)由6 km下降至2 km以上，且對(duì)流層低層的層結(jié)曲線接近于干絕熱遞減率，環(huán)境條件有利于雷暴大風(fēng)形成(圖略)。動(dòng)力抬升方面，圖7給出17：00—20：00逐小時(shí)地面加密站風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布疊加臨近時(shí)刻雷達(dá)反射率因子，分析可得，隨著冷空氣南侵，17：00地面北風(fēng)前沿逐漸南壓至襄陽(yáng)中部一帶，但圖中清晰地反映出，冷空氣在隨州地區(qū)分東西兩路南下。西路冷空氣在襄陽(yáng)地區(qū)激發(fā)出分散對(duì)流；東路北風(fēng)出現(xiàn)回流，在隨州地區(qū)西北部出現(xiàn)東北氣流，并在地面鋒區(qū)前沿激發(fā)新的對(duì)流(圖7a)。18：00冷空氣逐漸向南推進(jìn)，隨州地區(qū)回波呈現(xiàn)南北線狀對(duì)流帶(圖7b)。值得注意的是19:21—20:06，強(qiáng)回波在隨州中部地區(qū)維持加強(qiáng)，最大反射率因子強(qiáng)度達(dá)到60 dBz以上，回波頂高達(dá)8～10 km(圖7c～7d)。從地面溫度分布來(lái)看，19：00—20：00地面鋒南壓緩慢。

圖7 2020年5月4日(a)17:30，(b)18:14，(c)19:21，(d)20:06隨州雷達(dá)組合反射率因子(填色)，疊加17：00—20：00逐小時(shí)地面加密站風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)和溫度場(chǎng)(實(shí)線，單位：℃)(藍(lán)色粗實(shí)線代表冷鋒)Fig.7 Composite reflectivity factor of Suizhou Radar at (a) 17:30 BT, (b) 18:14 BT, (c) 19:21 BT and (d) 20:06 BT 4 May (colored) overlaid by wind field (vector) and temperature field (solid line, unit: ℃) based on hourly surface densified stations from 17:00 BT to 20:00 BT May 2020(Thick blue line represents the cold front)

冷空氣在隨州地區(qū)出現(xiàn)回流且鋒區(qū)南壓緩慢的原因與隨州特殊地形密切相關(guān)。圖8為隨州地形高度，由圖可知隨州南、北、西部為海拔200 m左右的低山丘陵，境內(nèi)南北兩地分別以大洪山和桐柏山為脈，呈西北—東南向分布。因此當(dāng)?shù)孛胬滗h前沿北風(fēng)到達(dá)隨州地區(qū)北部時(shí)，受桐柏山影響，冷空氣分東西兩路南下；同時(shí)隨州地區(qū)中部呈三面環(huán)山的低洼地帶，東路冷空氣南下時(shí)倒灌進(jìn)入隨州地區(qū)中部，南下受到大洪山阻擋，鋒面阻滯，移動(dòng)緩慢，強(qiáng)回波在該地區(qū)停滯。隨著鋒面南壓，冷空氣厚度逐漸增厚，超過(guò)山地所在高度，鋒面則快速東移南壓。

圖8 隨州地區(qū)地形高度Fig.8 Topographic height of Suizhou Area

3.1.2 低空急流觸發(fā)

5月4日21:52隨州地區(qū)中部觸發(fā)第三次CI過(guò)程，回波觸發(fā)后逐漸向北移動(dòng)，在回波南側(cè)出現(xiàn)傳播特征，為南北向多單體風(fēng)暴，過(guò)程持續(xù)1 h。由于前期冷空氣南下，地面已轉(zhuǎn)為北風(fēng)，同時(shí)對(duì)流風(fēng)暴使得地面溫度明顯降低至22～24℃，此時(shí)的CI過(guò)程能量從何而來(lái)。雷達(dá)徑向速度的時(shí)間分辨率較高，可以捕捉到大氣環(huán)流的變化。從隨州雷達(dá)的2.24°仰角的徑向速度場(chǎng)能明顯看出(圖9)，20:06—21:47 隨州南部西南風(fēng)加強(qiáng)，徑向風(fēng)速逐漸增大到15～17 m·s-1，高度為2～3 km，達(dá)到西南低空急流的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，同高度雷達(dá)北部地區(qū)西南風(fēng)速為10～12 m·s-1，隨州地區(qū)為西南急流出口，存在風(fēng)速輻合，這是對(duì)流觸發(fā)的動(dòng)力條件。

同時(shí)這支冷墊之上西南暖濕氣流的加強(qiáng)使得大氣的穩(wěn)定度逐漸下降。從隨州地區(qū)對(duì)流觸發(fā)位置的T-lnp圖可看出(圖9d)，在2 km高度以上出現(xiàn)了192.1 J·kg-1的CAPE，此時(shí)LFC為748.8 hPa，這意味著當(dāng)氣塊抬升至748.8 hPa(2.5 km)以后，可不依靠外力，僅憑借浮力抬升，CAPE與前期相比較小，但隨著暖濕氣流的發(fā)展，CAPE會(huì)繼續(xù)增大，足以觸發(fā)短暫對(duì)流。

圖9 2020年5月4日(a)20:06，(b)20:51，(c)21:47隨州雷達(dá)2.24°仰角徑向速度和(d)20:00隨州T-lnp圖Fig.9 (a, b, c) The 2.24° elevation radial velocity of Suizhou Radar at (a) 20:06 BT, (b) 20:51 BT, (c) 21:47 BT and (d) Suizhou T-lnp map at 20:00 BT 4 May 2020

圖10給出4日08時(shí)至5日02時(shí)850 hPa與500 hPa假相當(dāng)位溫的差值分布，從而分析大氣環(huán)境熱力條件的變化。4日08—14時(shí)，受暖濕氣流影響，湖北省上空假相當(dāng)位溫隨高度減小呈對(duì)流不穩(wěn)定，14時(shí)隨著溫度升高大氣不穩(wěn)定度增強(qiáng)，隨州地區(qū)溫差由16℃增大至20℃。20時(shí)，隨著地面冷鋒入暖倒槽，隨州地區(qū)假相當(dāng)位溫隨高度增大，850 hPa 與500 hPa假相當(dāng)位溫差轉(zhuǎn)為負(fù)值，大氣趨于穩(wěn)定；但5日02時(shí)隨著低空急流的發(fā)展，隨州地區(qū)數(shù)值由-4℃增大至0℃以上，說(shuō)明隨著低層暖濕氣流發(fā)展，大氣不穩(wěn)定層結(jié)再次建立。

圖10 2020年5月4日(a)08時(shí)，(b)14時(shí)，(c)20時(shí)和(d)5日02時(shí)850 hPa與500 hPa假相當(dāng)位溫差值(單位：℃)(紅線表示正值，藍(lán)線表示負(fù)值)Fig.10 Potential pseudo-eqllivalent temperature difference (unit: ℃) between 850 hPa and 500 hPa at (a) 08:00 BT, (b) 14:00 BT, (c) 20:00 BT 4 May and (d) 02:00 BT 5 May 2020(Red line represents positive and the blue line represents negative)

3.3 荊州地區(qū)

5月5日00:24和00:48荊州地區(qū)北部分別出現(xiàn)2次CI過(guò)程，并在荊州地區(qū)北部形成東西向回波帶。01:36當(dāng)陣風(fēng)鋒掃過(guò)荊州南部時(shí)并未再次觸發(fā)對(duì)流。事實(shí)上荊州的熱力條件較隨州更好，從850 hPa 假相當(dāng)位溫的分布來(lái)看，4日08:00，假相當(dāng)位溫的高溫高濕舌位于荊州地區(qū)，此時(shí)荊州和隨州都具備500 J·kg-1的CAPE。4日14:00，隨州地面升溫，熱力條件轉(zhuǎn)好，荊州地區(qū)的CAPE躍增到2000 J·kg-1以上，而隨州地區(qū)的CAPE則不到2 000 J·kg-1。至荊州對(duì)流發(fā)生后，荊州的CAPE仍然有200 J·kg-1(圖略)，但事實(shí)上荊州并未發(fā)生很強(qiáng)的對(duì)流，特別是在南部地區(qū)。因此本節(jié)重點(diǎn)分析對(duì)流的動(dòng)力觸發(fā)機(jī)制。

圖11給出5月5日00:48組合反射率因子疊加01:00地面加密站風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，由圖可知，此時(shí)北風(fēng)前沿位于荊州西北部，而強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)位置并不位于冷空氣前沿，而是位于北風(fēng)前沿的偏北一側(cè)，說(shuō)明觸發(fā)位置冷空氣達(dá)到一定厚度。從4日20:00荊州南部松滋站的T-lnp圖可知，LFC達(dá)到2 km以上，CAPE為1083 J·kg-1，這說(shuō)明低層輻合要達(dá)到一定強(qiáng)度能將氣塊抬升到LFC，才能觸發(fā)對(duì)流。

圖11 2020年5月(a)5日00:48荊州雷達(dá)組合反射率因子(填色)疊加5日01:00逐小時(shí)地面加密站風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)和溫度場(chǎng)(實(shí)線，單位：℃)(三角代表松滋探空站位置)和(b)4日20時(shí)松滋T-lnp圖Fig.11 (a) Composite reflectivity factor (colored) of Jingzhou Radar at 00:48 BT 5 May 2020 superimposed by wind field (vector) and temperature field (solid line, unit: ℃) of hourly surface densified stations at 01:00 BT 5 May (triangle: position of Songzi Sounding Station) and (b) Songzi T-lnp at 20:00 BT 4 May 2020

為了對(duì)比荊州北部和南部的觸發(fā)條件，分別根據(jù)圖12a,12c中01:36荊州雷達(dá)1.5°反射率因子和徑向速度圖中AB、CD實(shí)線所在位置做徑向速度垂直剖面(圖12b,12d)。由圖可明顯看出，荊州北部回波觸發(fā)位置(沿實(shí)線AB所做徑向速度剖面)，偏北風(fēng)厚度達(dá)到2～3 km，冷空氣楔入暖空氣底部，從徑向速度的垂直分布來(lái)看，冷暖空氣輻合高度達(dá)到3 km，超過(guò)了LFC(圖12b)。而在荊州南部陣風(fēng)鋒位置(沿實(shí)線CD所做速度剖面)可以看出動(dòng)力輻合的差異，南部地區(qū)冷空氣較淺薄，與偏南風(fēng)輻合的高度在1～1.5 km，低于LFC，且輻合厚度淺薄(圖12d)，動(dòng)力抬升作用較弱不足以將氣塊抬升到LFC之上。因此，楔入暖濕氣流之下冷空氣的厚度與LFC是決定荊州北部觸發(fā)對(duì)流，而南部未觸發(fā)對(duì)流的原因。

圖12 2020年5月5日01:36荊州雷達(dá)(a)1.5°反射率因子,(c)徑向速度圖;(b,d)沿圖12a,12c中(b)AB紅色實(shí)線，(d)CD紅色實(shí)線所做徑向速度剖面(圖12b、12d中黑色箭頭為徑向風(fēng))Fig.12 (a) The 1.5° elevation reflectivity factor and (c) radial velocity of Jingzhou Radar at 01:36 BT 5 May 2020, and (b， d) radial velocity profile along (b)AB red solid line and (d) CD red solid line in Figs.12a and 12c(Black arrows in Figs.12b and 12d represent the radial wind)

4 冷空氣在強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)中的作用

本次過(guò)程對(duì)流觸發(fā)與冷空氣參與密切相關(guān)，下文主要研究冷空氣在CI過(guò)程中起到了什么作用。研究表明，位渦是表征冷空氣的最優(yōu)指標(biāo)(趙亮和丁一匯，2009)，因此本文選取位渦作為表征冷空氣的指標(biāo)。在等壓坐標(biāo)系當(dāng)中，假定垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，由此可得等壓位渦的表達(dá)式：

P=-g(fk+p×v)·pθ

式中:P為等壓位渦，k為垂直方向矢量，v為三維風(fēng)矢，θ為位溫，f為牽連渦度，g為重力加速度。圖13根據(jù)該式計(jì)算各等壓面的等壓位渦，并給出113°E位渦、位溫以及正渦度的經(jīng)向垂直剖面，可反映出隨州(32°N)到荊州(30°N)一線冷空氣對(duì)渦度以及大氣層結(jié)變化的影響。

由圖13可知，5月4日08時(shí)，隨州至荊州上空對(duì)流層內(nèi)均無(wú)正位渦異常，表明此時(shí)無(wú)干冷空氣影響(圖13a)。4日14時(shí)，在30°N 對(duì)流層中高層500～300 hPa出現(xiàn)正位渦異常，表明該區(qū)域內(nèi)靜力穩(wěn)定度及渦度值增大，此時(shí)正位渦異常表征的冷空氣位于荊州地區(qū)的對(duì)流層中高層，而在正位渦中心的西側(cè)出現(xiàn)弱的下沉運(yùn)動(dòng)，東側(cè)則有弱的上升運(yùn)動(dòng)，此時(shí)冷空氣的作用尚不明顯(圖13b)。至4日20時(shí)，冷高壓侵入地面暖倒槽，冷空氣活動(dòng)明顯，由位渦的經(jīng)向剖面可明顯看出32°N和30°N 對(duì)流層高層高位渦與對(duì)流層中低層的高位渦打通，32°N 2 PVU以上的正位渦異常中心從對(duì)流層頂向下延伸至600～500 hPa，而30°N高空400～200 hPa 1 PVU以上的正位渦異常中心向下延伸至400 hPa，但冷空氣強(qiáng)度相對(duì)較弱。在對(duì)流層低層32°N以北900～800 hPa有位溫線密集帶，與鋒區(qū)相對(duì)應(yīng)，但鋒面坡度較小，同時(shí)有正位渦中心位于32°N附近及其以北地區(qū)，32°N隨州地區(qū)在正位渦異常中心的北側(cè)有明顯的下沉氣流，右側(cè)有約10-1m·s-1的上升氣流，對(duì)隨州的CI過(guò)程的動(dòng)力觸發(fā)起到重要作用。至5日02時(shí)，當(dāng)冷空氣繼續(xù)南下，從位渦的垂直分布來(lái)看對(duì)流層中層的正位渦異常沿320 K等熵面向南移動(dòng)，30°N荊州地區(qū)正位渦異常向下延伸至900 hPa，但強(qiáng)度較隨州偏弱，僅為1 PVU，且正位渦中心的北側(cè)上升運(yùn)動(dòng)明顯偏弱，位溫的垂直梯度也較隨州地區(qū)明顯偏弱，表明鋒區(qū)減弱。因此冷空氣偏弱也是荊州地區(qū)CI過(guò)程較隨州地區(qū)偏弱的原因之一。

除此之外，進(jìn)一步對(duì)比隨州和荊州的水汽條件。從850 hPa水汽通量以及水汽通量散度的空間分布可知，4日20時(shí)荊州的水汽通量數(shù)值達(dá)到12 g·s·cm-1·hPa-1，隨州地區(qū)僅達(dá)到8 g·s-1·cm-1·hPa-1，但隨州地區(qū)和荊州北部有明顯的水汽通量輻合，且荊州南部為水汽輸送通道而不是匯集地，荊州南部水汽通量輻合在850 hPa以下層次低于自由對(duì)流高度(圖略)，這也是由于冷空氣厚度南北分布不同導(dǎo)致，因此對(duì)流的觸發(fā)動(dòng)力機(jī)制不足。5日02時(shí)，隨著冷空氣的進(jìn)一步南下，隨州和荊州的水汽通量均減弱到4 g·s-1·cm-1·hPa-1(圖略)。但從水汽條件來(lái)看荊州地區(qū)850 hPa的水汽通量數(shù)值要高于隨州地區(qū)，荊州的熱力及水汽條件都滿足對(duì)流觸發(fā)的條件，而最終決定是否發(fā)生CI過(guò)程取決于動(dòng)力抬升條件。

5 結(jié)論與討論

本文基于多種觀測(cè)資料對(duì) 2020 年5月 4日冷空氣影響的環(huán)流背景下隨州和荊州地區(qū)對(duì)流風(fēng)暴系統(tǒng)的演變特征及觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行較為詳細(xì)的分析，并進(jìn)一步探討冷空氣對(duì)強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)的作用，主要結(jié)論如下:

(1)此次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程是在冷空氣影響背景下發(fā)生的，隨州地區(qū)共有3次CI過(guò)程，對(duì)流過(guò)程維持7 h。荊州地區(qū)北部有2次CI過(guò)程，南部地區(qū)未觸發(fā)對(duì)流。

(2)隨州地區(qū)3次CI過(guò)程分別為暖區(qū)對(duì)流觸發(fā)、冷鋒觸發(fā)和低空急流觸發(fā)。隨州地區(qū)的特殊地形使得冷空氣在南下過(guò)程中受阻，鋒面移動(dòng)緩慢。低空急流發(fā)展重新建立大氣不穩(wěn)定度，使得對(duì)流再次觸發(fā)。

(3)荊州地區(qū)冷空氣觸發(fā)對(duì)流條件與冷空氣厚度和自由對(duì)流高度有關(guān)。荊州北部冷空氣與暖濕氣流輻合層次高于自由對(duì)流高度，且輻合相對(duì)較厚，動(dòng)力觸發(fā)條件較好。荊州南部陣風(fēng)鋒影響區(qū)域，輻合淺薄且層次低于自由對(duì)流高度，因此未觸發(fā)對(duì)流。

(4)以位渦表征冷空氣，對(duì)比隨州和荊州兩地動(dòng)力抬升條件可得，隨州和荊州在冷空氣影響階段，對(duì)流層高層高位渦與中低層高位渦打通，正位渦異常中心的西側(cè)為下沉氣流，東側(cè)為上升氣流。隨州地區(qū)冷空氣強(qiáng)度較強(qiáng)正位渦達(dá)到2 PVU以上，對(duì)流層低層鋒區(qū)在隨州地區(qū)明顯，低層正位渦異常中東部上升氣流較強(qiáng)。荊州地區(qū)對(duì)流層底層鋒區(qū)減弱，冷空氣較弱正位渦僅為1 PVU，正位渦東部上升氣流明顯較隨州地區(qū)偏弱，導(dǎo)致荊州南部地區(qū)無(wú)CI過(guò)程。

CI過(guò)程不僅與大尺度環(huán)境特征密切相關(guān)，也與風(fēng)暴附近局地中小尺度環(huán)境特征存在密切關(guān)系，本文并未詳盡分析后者的影響。后期將利用風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)以及微波輻射計(jì)資料，分析局地水平風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)特征和環(huán)境溫濕要素的演變特征，研究中小尺度環(huán)境對(duì)CI過(guò)程的作用。此外，可利用高分辨率模式模擬CI的物理過(guò)程，研究風(fēng)暴形成后是否影響局地環(huán)境場(chǎng)從而進(jìn)一步觸發(fā)對(duì)流，同時(shí)分析冷空氣的強(qiáng)度、厚度對(duì)CI過(guò)程的影響。