一次冷平流強迫背景下混合型強對流過程分析

摘要：宜昌市受復(fù)雜地形影響，強對流天氣頻發(fā)，是極端短時強降水的高發(fā)區(qū)。利用地面氣象觀測資料、多普勒雷達數(shù)據(jù)，對2023年6月11日宜昌市強對流天氣的環(huán)流背景、環(huán)境物理量場、中小尺度特征及其觸發(fā)機制進行分析。結(jié)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(qū)，大氣不穩(wěn)定度增強。②前期水汽條件一般，不利于出現(xiàn)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(chǎn)生自東向西的梯度風(fēng)，同時江漢平原雷暴冷出流形成陣風(fēng)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(fēng)在夷陵區(qū)形成12級大風(fēng)。④地形對強對流的發(fā)展起到促進作用，初期山區(qū)熱力抬升產(chǎn)生局地對流，河谷地形使得回波穩(wěn)定少動，雷暴成熟后下坡生成多單體風(fēng)暴，最終發(fā)展為弓形回波，造成12級大風(fēng)；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(fēng)坡抬升產(chǎn)生此次過程的最強降水。研究成果可為宜昌市災(zāi)害性天氣預(yù)報提供參考。

關(guān) 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(dǎo)致水文氣象災(zāi)害的重要天氣類型，與中小尺度天氣系統(tǒng)關(guān)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(nèi)“七山二丘一分平”，受復(fù)雜地形影響，強對流天氣頻發(fā)，易造成中小河流山洪、泥石流、滑坡等次生災(zāi)害，給人民的生命財產(chǎn)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(zāi)減災(zāi)工作意義重大^［1］。

目前對強對流天氣成因分析的研究已經(jīng)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(fēng)強低空急流遇到太行山地形抬升觸發(fā)對流導(dǎo)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(fā)臨近預(yù)報中的作用。

還有一些科研工作者針對宜昌地區(qū)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(fā)現(xiàn)峽谷地形對動力抬升條件產(chǎn)生了顯著增強效應(yīng)，而山體的阻擋作用則有助于維持降水過程的持續(xù)。范元月等^［12］分析鄂西南地區(qū)復(fù)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(qū)的局地極端降水大多發(fā)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(fā)區(qū)。

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(fā)臨近預(yù)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(fā)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(shù)值預(yù)報效果并不理想，而強對流造成的短時強降水、大風(fēng)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(yù)報提供參考。

1 資料與方法

本文利用高空、地面、區(qū)域自動站加密觀測資料、氣象衛(wèi)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(huán)流背景、環(huán)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(yù)報、預(yù)警服務(wù)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(xiàn)雷雨大風(fēng)、短時強降水和冰雹等強對流過程。此次強對流過程呈現(xiàn)強度大、局地性強、多種災(zāi)害性天氣并存的特點：①雷暴大風(fēng)主要出現(xiàn)在三峽河谷、沿江地區(qū)和北部山區(qū)（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(fēng)速達到8級以上，11日19∶48夷陵國家站的極大風(fēng)速達到36.1 m/s（12級），打破了該站極大風(fēng)速的記錄。②強降雨區(qū)主要位于夷陵區(qū)、宜昌城區(qū)、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(xiàn)在遠安縣嫘祖鎮(zhèn)殷家溝站；最大小時雨量81.4 mm，11日19∶00～20∶00出現(xiàn)在夷陵區(qū)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(zhèn)、楊林橋鎮(zhèn)、九畹溪鎮(zhèn)午后出現(xiàn)冰雹。

3 環(huán)流形勢和主要天氣系統(tǒng)發(fā)展演變

此次強對流過程發(fā)生在高空深厚的東北冷渦配合低層弱風(fēng)向輻合的環(huán)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(wěn)定維持，在高壓脊的東南側(cè)有一個強盛穩(wěn)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(zhuǎn)動帶動低槽東移，槽后有冷空氣南下，影響華中區(qū)域；副高位置偏南，位于西太平洋海面，其北側(cè)有2023年3號臺風(fēng)“古超”，臺風(fēng)沿著副高外圍北上。

從中國中東部地區(qū)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(jīng)向性有所加強，向南延伸至東海。槽后的冷空氣繼續(xù)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(qū)域受反氣旋高壓環(huán)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(qū)域仍受反氣旋控制、冷平流侵入的影響，宜昌地區(qū)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(qū)之中，溫度達到23℃，較周邊地區(qū)偏高，是一個暖中心。宜昌市850 hPa的風(fēng)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(yīng)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?yōu)橐粋€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(wěn)定層結(jié)，有利于強對流天氣的發(fā)展；但是宜昌市本地低層水汽條件一般，沒有明顯急流，且風(fēng)場輻合較弱，因此不利于出現(xiàn)大范圍的暴雨。

4 中小尺度系統(tǒng)發(fā)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(nèi)）中生成了一個對流單體，受地形影響初期穩(wěn)定少動但發(fā)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(yīng)的郭家壩鎮(zhèn)、楊林橋鎮(zhèn)出現(xiàn)冰雹，小時雨強達到17.9 mm/h（圖8（c）），過冷卻水滴凝結(jié)成冰雹，導(dǎo)致雨強并不大。

（2）階段二，回波下坡移入三峽河谷（17∶00～18∶00）?；夭ㄖ饾u向東北方向移至三峽河谷一帶（圖9（c）箭頭處）。雷暴發(fā)展旺盛，冷出流沿著下坡方向流出，在三峽河谷附近激發(fā)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(xiàn)5級以上陣風(fēng)，最大風(fēng)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(qū)南部有對流單體快速發(fā)展（18∶00～18∶35）?；夭ㄑ厝龒{河谷東移發(fā)展為多單體風(fēng)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(qū)，最強回波中心位于回波前側(cè)曲率最大處，對應(yīng)18∶35徑向速度圖上出現(xiàn)27 m/s的大風(fēng)核（圖10（d）），造成壇子嶺站23.5 m/s的大風(fēng)。

此時夷陵區(qū)南部有對流單體快速生成。從地面最大風(fēng)速和地面比濕圖（圖10（d））可見，夷陵區(qū)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(qū)（松滋—宜都—枝江一線）把水汽輸送至夷陵區(qū)。該氣流的流向與夷陵區(qū)南部山脈的走向垂直，暖濕氣流在迎風(fēng)坡地形的作用下抬升，與當陽、枝江東部西移而來的陣風(fēng)鋒（圖10（c））交匯，觸發(fā)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(qū)南部的回波在夷陵區(qū)西部合并（圖11（d）方框內(nèi)），強回波中心位于對流單體前部速度輻合最強的區(qū)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(xù)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(qū)，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(fēng)速陡增，氣溫在20 min內(nèi)下降10℃，10 min后產(chǎn)生強降水，說明三峽河谷的冷出流非常強盛。

地面風(fēng)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(qū)的東南暖濕氣流，冷暖氣流交匯形成中尺度鋒區(qū)，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(qū)，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(qū)，長陽北部有對流單體發(fā)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(fēng)核達22 m/s。降水主要集中在夷陵區(qū)至遠安縣一線（圖12（d）），最大小時雨強出現(xiàn)在夷陵區(qū)龍泉山莊站，達到81.4 mm/h。極大風(fēng)速出現(xiàn)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(dǎo)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(fēng)（圖13（d）），21∶00后宜昌市大部轉(zhuǎn)為層狀云降水（圖13（b）），強降水過程結(jié)束。

5 關(guān)鍵物理量診斷分析

5.1 不穩(wěn)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(jié)條件，高層冷空氣的卷入有利于下沉氣流的蒸發(fā)，加速冷卻，利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)。

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(fā)的對流強度會更強；沙氏指數(shù)-4.6℃，表明大氣層結(jié)不穩(wěn)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(wěn)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(xiàn)大風(fēng)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(fā)生。

0～6 km的垂直風(fēng)切變較弱，表明地面至500 hPa的環(huán)境風(fēng)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(xiàn)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(fēng)潛勢條件好。

5.2 熱力條件

另外前期華中區(qū)域受地面暖低壓控制（圖15（a）），白天氣溫上升明顯，三峽壩區(qū)連續(xù)2 d出現(xiàn)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(qū)之上，大氣的對流不穩(wěn)定度較大，白天輻射增溫顯著，大氣不穩(wěn)定度進一步增強，提供了較好的熱力和不穩(wěn)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(qū)，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(qū)間為相對濕區(qū)，濕度條件一般，氣柱總含水量為37 kg/m²。

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

6 預(yù)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(fā)現(xiàn)，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(jié)合前期的形勢場和物理量場來看，此次過程雷暴大風(fēng)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(qū)位于江漢平原至宜昌市的枝江、宜都一線。與19∶00地面風(fēng)場比較分析，發(fā)現(xiàn)在水汽大值區(qū)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(dǎo)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(chǎn)生東南-西北方向的梯度風(fēng)，同時雷暴高壓后側(cè)冷出流形成陣風(fēng)鋒，二者共同作用使得荊州至宜昌枝江、宜都地區(qū)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(qū)東部大面積的暴雨。

6.2 極端大風(fēng)形成機理

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

6.2.1 冷池密度流

研究表明^［14］，雷暴大風(fēng)易出現(xiàn)在“上干下濕”的環(huán)境中，低層越濕，中層越干，冷池越強、地面風(fēng)速越大。干層的存在有利于雨水、冰雹等降水粒子的蒸發(fā)和融化冷卻降溫，形成負浮力，從而加強下沉氣流導(dǎo)致地面大風(fēng)。劉香娥等^［6］研究發(fā)現(xiàn)，降水粒子的蒸發(fā)冷卻過程對冷池強度的影響十分重要，且降水粒子相態(tài)變化導(dǎo)致的冷卻會使得地面大幅度降溫，有利于地面大風(fēng)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(qū)回波的東移發(fā)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(chǎn)生后向冷出流（對應(yīng)雷達圖中的陣風(fēng)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(qū)為負變溫，東側(cè)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(fēng)速的加強。

從19∶00的變溫場（圖18）可見，系統(tǒng)最強時刻是在2個冷池和冷出流合并時出現(xiàn)的。在陣風(fēng)鋒的觸發(fā)下，移出三峽河谷的對流進一步發(fā)展，冷池的強度和面積都有所增大，最后在夷陵區(qū)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(fēng)切變相互作用后期，冷池的加強導(dǎo)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(fā)展為后側(cè)入流急流，有利于后期發(fā)展成為弓形回波。后側(cè)入流急流在下沉過程中，由于降水的拖曳效應(yīng)和蒸發(fā)冷卻作用使氣流加速下沉，在地面出現(xiàn)極端大風(fēng)。

6.2.2 變壓風(fēng)

從圖19可見，冷空氣南下的過程中鋒區(qū)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(qū)。由于氣壓的局地變化會導(dǎo)致氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力不平衡，形成地轉(zhuǎn)偏差，即變壓風(fēng)。變壓風(fēng)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(fēng)輻散共同作用下，地面風(fēng)速增加，形成西北大風(fēng)，在夷陵國家基本氣象站打破極大風(fēng)記錄，達到36.1 m/s。

7 結(jié)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(xiàn)雷雨大風(fēng)、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(zāi)害性天氣并存的特點。極大風(fēng)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(xiàn)冰雹。

（2）此次強對流過程主要影響系統(tǒng)是東北冷渦后部的冷平流，高空干區(qū)疊加在低層濕舌之上，高空冷平流疊加在低層暖區(qū)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(wěn)定度進一步增強。由于前期水汽條件一般，因此在上午的預(yù)報考慮可能出現(xiàn)以雷暴大風(fēng)和冰雹為主的強對流天氣，出現(xiàn)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(chǎn)生自東向西的梯度風(fēng)，同時江漢平原雷暴高壓后側(cè)冷出流形成陣風(fēng)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(fēng)，使得宜昌市極大風(fēng)風(fēng)向由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，在夷陵區(qū)形成12級大風(fēng)。

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

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（編輯：謝玲嫻）