宜昌市一次倒槽鋒生氣旋混合型對流天氣特征分析

孟芳 張麗 葉丹 李芳

摘要：2023年4月2～3日宜昌市出現(xiàn)一次由暖倒槽鋒生氣旋引起的混合型對流天氣，過程以冰雹、短時強降水、大風等對流天氣為主，且不同類型強對流天氣出現(xiàn)的時段及對流特征差異較大，有必要對其開展精細分析。

利用高空地面觀測、天氣雷達、GNSS/MET和微波輻射計等資料，分析了此次混合型對流天氣特征，并初步分析了數(shù)值模式預報的偏差。結果表明：① 此次對流天氣分為以短時強降水為主的暖鋒鋒生階段和以短時強降水、冰雹、大風為主的冷鋒鋒生階段，局部累計雨量超過100 mm，極大風速達9級。② 隨著高空槽和冷空氣逼近，700 hPa以下西南急流和前側底層暖倒槽強烈發(fā)展，隨著冷空氣侵入暖倒槽，強斜壓性氣旋形成并發(fā)展。③ 天氣雷達、GNSS/MET和微波輻射計等資料能夠捕捉到不同類型強對流天氣時空特征。④ 大尺度模式對環(huán)流背景場、中尺度模式對強降水落區(qū)預報均具有一定指示意義，但在地形對降水增幅作用上估算不足。

關鍵詞：倒槽鋒生； 氣旋混合型對流天氣； 反射率因子垂直剖面； 濕度廓線; 宜昌市

中圖法分類號： P458

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.006

0引 言

江淮氣旋是造成江淮地區(qū)暴雨的重要天氣系統(tǒng)，是具有明顯的冷暖鋒結構的氣旋系統(tǒng)，有靜止鋒上的波動和倒槽鋒生氣旋，一年四季皆可形成，以春季和初夏居多。江淮氣旋所引發(fā)的對流天氣具有多樣性［1］，在西南暖濕急流推動下，暖區(qū)暴雨北抬可產(chǎn)生暖鋒前暴雨［2-3］；冷暖空氣交匯斜壓鋒生加強，冷鋒附近常形成有組織的線狀對流系統(tǒng)并產(chǎn)生大風、暴雨和冰雹等強對流天氣［4］。

由于環(huán)境場層結不穩(wěn)定性強和水汽充足，中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展活躍，觸發(fā)發(fā)展機制與地形、邊界層輻合線等關系密切，鋒前暖區(qū)極端暴雨近年來引起越來越多研究人員的重視［5-9］。因此，目前大量研究都集中在江淮氣旋形成發(fā)展、結構特征及其造成的暴雨個例研究上。黃文彥等［10］研究發(fā)現(xiàn)，氣旋中心渦度和風速大小、低空西南急流的位置和水汽通量輻合的位置是暴雨落區(qū)差異的主要原因；陳筱秋等［11］研究發(fā)現(xiàn)，地形抬升作用相疊加是造成強降水的主要原因；毛程燕［12］、張曉紅［13］、古文保［14］等研究發(fā)現(xiàn)，南亞高壓強高空輻散、中緯度低槽東移、副熱帶高壓帶狀穩(wěn)定的阻塞形勢、江淮氣旋后部下擺冷空氣與暖濕氣流交匯形成的冷式切變等共同提供了有利的環(huán)境條件；吳瓊等［15］研究發(fā)現(xiàn)氣旋移速與500 hPa引導氣流的強弱有關，高空輻散場有利于低層減壓，促進氣旋發(fā)展。但各位學者對江淮氣旋引發(fā)混合型對流天氣的分析相對較少。顏佳任等［16］研究發(fā)現(xiàn)江淮氣旋進入成熟階段后，氣旋后部風速明顯增大，氣旋大風疊加對流大風利于形成區(qū)域性大風；吳濤等［1］從MCS角度分析不同對流天氣MCS對流特征，研究發(fā)現(xiàn)暖式切變線及氣旋發(fā)展階段有利于產(chǎn)生短時強降水，氣旋發(fā)展階段冷式切變線提供有利于后側入流急流有利于產(chǎn)生大范圍大風天氣。這些為本文開展相關研究提供了理論基礎和依據(jù)。

宜昌市位于湖北省西南部，鄂西武陵山脈和秦巴山脈向江漢平原的過渡地帶境內(nèi)高山、丘陵、峽谷間隔，在特殊地形及天氣系統(tǒng)共同作用下，對流天氣多發(fā)頻發(fā)，且致災性強。2023年4月2～3日宜昌市出現(xiàn)一次由暖倒槽鋒生氣旋引起的混合型對流天氣，過程以冰雹、短時強降水、大風等對流天氣為主，且不同類型強對流天氣出現(xiàn)的時段及對流特征差異較大，有必要對其開展精細研究分析。由于探測手段有限，且以往研究大多建立在常規(guī)觀測資料的基礎上［17-18］，而近年來，宜昌市地基遙感監(jiān)測系統(tǒng)不斷建設完善，觀測資料不斷增加。因此本文利用高空地面觀測、天氣雷達、激光云雷達、GNSS/MET、微波輻射計和衛(wèi)星等資料，綜合分析倒槽鋒生氣旋形成過程中不同類型對流天氣形成及發(fā)展特征，以期為類似天氣形勢提供技術支撐。

1對流天氣實況

1.1降雨情況

宜昌市自動雨量站監(jiān)測顯示，4月2～3日宜昌西北部出現(xiàn)中到大雨，東南部出現(xiàn)大到暴雨，局部大暴雨（圖1），最大累計雨量為109.3 mm，出現(xiàn)在毛湖埫站。選取毛湖埫站作為代表，分析降水的主要時間段。從該站4月2日00：00至3日23：00逐小時雨量變化可以看出（圖2），本次降水主要分為4個階段：第1階段為2日11：00～12：00、第2階段為2日17：00～3日03：00、第3階段為3日07：00～12：00、第4階段為3日19：00～21：00。其中，小時雨強在第2階段最大，為18.5 mm，第3、4階段次之，第1階段最小，為3.7 mm；持續(xù)時間在第2、3階段長，有5～10 h，第1、4階段短，在2～3 h。

1.2大風、冰雹情況

據(jù)宜昌市自動風速站監(jiān)測顯示，4月3日宜昌市東部平原和西部高山出現(xiàn)6～9級偏北陣風（圖3），其中東部平原最大陣風為18.1m/s，出現(xiàn)在當陽枯樹嶺站，西部高山最大陣風為22.1m/s（9級），出現(xiàn)在五峰北風埡站。此外，根據(jù)災情調(diào)查顯示，4月3日秭歸縣、長陽縣、五峰縣等地局部出現(xiàn)小冰雹。

2環(huán)流背景

2.1環(huán)流場特征分析

4月2日白天，500 hPa歐亞中高緯為一槽一脊的環(huán)流形勢：貝加爾湖以東地區(qū)為暖性高壓脊控制，巴爾喀什湖至貝加爾湖為一深厚冷渦，渦前脊后有偏北氣流引導冷空氣南下；青藏高原南側有南支槽活動，宜昌市位于南支槽前正渦度平流區(qū)。同時700～850 hPa為西南急流軸附近，具備較好的水汽、能量輸送和動力抬升條件。

4月2日夜間850 hPa西南急流加速至20 m/s，925 hPa出現(xiàn)≥12 m/s東南風超低空急流，水汽和不穩(wěn)定能量輸送進一步加強。隨著冷空氣南下和南支槽東移逼近，宜昌市700 hPa以下等溫線變密，暖鋒鋒生，動力抬升增強，宜昌市出現(xiàn)分散性強降水天氣。此時地面暖低壓強烈發(fā)展，中心強度達992.5 hPa，宜昌市24 h變壓達-3.5～-2.3 hPa。

4月3日白天，850 hPa川東-陜南有中尺度低渦形成，宜昌市位于其右側西南急流中，華北高壓底部偏東風與西南急流輻合，并逐漸形成氣旋環(huán)流；地面上冷鋒侵入暖倒槽，冷暖交匯觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，宜昌市出現(xiàn)冰雹、短時強降水等對流天氣，并伴有氣旋后部偏北大風。

2.2環(huán)境場特征分析

4月2日20：00，宜昌站850 hPa露點達11.5 ℃，K指數(shù)為34 ℃，暖云層厚度為3.6 km，抬升凝結高度（LCL）0.29 km（表1），水汽條件較好且有利于高效率降水，利于形成短時強降水［19-21］。0～6 km垂直風切變加強至14.4 m/s，利于對流的有組織發(fā)展和維持。3日08：00，宜昌站水汽條件和抬升凝結高度與2日20：00相當，但850 hPa與500 hPa溫差增加至25.7 ℃，K指數(shù)增大至37.5 ℃，BLI下降為-5.2，層結不穩(wěn)定加劇，抬升條件變好，更有利于對流天氣發(fā)生。同時0～6 km垂直風切變加大至18.9 m/s，更有利于雷暴大風和短時強降水維持。此時，濕球0 ℃層高度為3.7 km，-20 ℃層高度為6.4 km，也有利于冰雹形成。

從宜昌站GNSS/MET水汽含量監(jiān)測來看，2～3日宜昌市水汽含量呈現(xiàn)波動上升趨勢，2日白天隨著南風急流的發(fā)展加強，水汽含量迅速從37 mm增長至47 mm，并在19：00前后達到峰值，2日15：00至3日02：00穩(wěn)定維持在45 mm以上（圖4）。3日03：00水汽含量有所下降，降水也有所減弱，11：00前后再度增加至45 mm以上，并穩(wěn)定維持至16：00。16：00以后水汽含量降低至40 mm以下，主要降水過程趨于結束。

從宜昌站微波輻射計探測的整層濕度分布圖來看，2日至3日13：00，宜昌市上空近地層相對濕度維持在80%以上，并有向下擴展趨勢（圖5）。3日上午近地層濕度進一步轉好，達到90%以上。下午存在干空氣侵入，中上層濕度迅速轉差，但近地層濕度仍然維持在90%以上，23：00整層濕度降低。

3天氣雷達回波特征分析

此次極端天氣過程自2日09：00左右南部開始有分散性對流回波開始發(fā)展，至3日21：00前后宜昌市境內(nèi)回波減弱消亡，大致可以分為3個階段。

第1階段為2日09：00～15：00（圖6），出現(xiàn)東北-西南向降水回波帶，回波強度基本在45 dBz以下，回波發(fā)展高度基本維持3 km以下，在西南氣流的引導下向東北方向移動，移速達60 km/h，宜昌市東部和南部出現(xiàn)小雨天氣。

第2階段為2日15：00至3日16：00，隨著西南急流的發(fā)展，貴州-湖南一帶不斷有回波生成并向東北方向移動影響宜昌市。17：13，湖南張家界-常德有多條分散新生回波，在西南氣流的引導下，向東北方向移動陸續(xù)影響宜昌市。19：33，在西南急流的發(fā)展加強、925 hPa東南急流疊加地形的影響下，宜昌市東部—湖南一帶出現(xiàn)地面輻合線，回波組織性和強度明顯加強，城區(qū)及周邊、五峰縣和長陽縣出現(xiàn)大片≥45 dBz強回波（圖7），回波發(fā)展高度伸展至5 km左右，因輻合區(qū)偏東，回波北抬影響宜昌市東部和南部縣市，期間多個站點出現(xiàn)20 mm以上的短時強降水，因回波移動方向和引導氣流一致，存在列車效應，宜昌市南部出現(xiàn)大雨，最大小時雨量35.3 mm，出現(xiàn)在猇亭區(qū)21：00～22：00。23：50隨著925 hPa由東南急流轉為偏南急流，前期回波移出宜昌市，后續(xù)隨著暖切北抬，貴州至湖南一帶回波不斷生成并繼續(xù)北抬東移影響宜昌市東部和南部縣市，回波面積較前期有所擴大。同時中西部輻合加強，宜昌市西部秭歸縣、興山縣一帶有回波生成并緩慢東移，西部降水逐步發(fā)展，出現(xiàn)小到中雨。01：09出現(xiàn)零度層亮帶，降水趨于穩(wěn)定。04：36隨著川東低渦發(fā)展并東移，宜昌市西部不斷有回波生成并影響西部地區(qū)。08：03西部縣市位于氣旋后部冷切中，回波不斷生成并向東北方向移動（圖8）；東部和南部縣市位于西南急流暖區(qū)，對流再度發(fā)展，表現(xiàn)為分散對流單體，回波強度達45 dBZ以上，與前期的回波特征類似，新生回波沿著平行于對流線方向移動影響我市南部和東部縣市，對流線上強回波單體排成一列，類似于“列車效應”，但因為回波較為分散，移動性強，小時雨強在10 mm左右。

第3階段為3日16：00～21：00，隨著冷鋒入暖倒槽，西部出現(xiàn)線狀對流并東移影響宜昌市大部地區(qū)。16：45恩施、神農(nóng)架一帶有回波東移影響秭歸縣、興山縣，中心強度最強達60 dBZ（圖9）。17：07秭歸縣-長陽縣交界處出現(xiàn)60 dBZ以上強回波，呈現(xiàn)懸垂結構，出現(xiàn)冰雹天氣；秭歸縣北部回波中心強度達45 dBZ以上，強回波發(fā)展高度在5 km以下，強回波質(zhì)心較低，降水效率較高，秭歸縣水田壩鄉(xiāng)出現(xiàn)40 mm以上短時強降水。17：41回波移至長陽榔坪鎮(zhèn)并發(fā)展加強，中心強度達65 dBZ以上，回波呈現(xiàn)懸垂結構和三體散射特征，長陽縣出現(xiàn)冰雹天氣，伴有6～7級雷雨大風（圖10～11）。18：20回波組織性加強，呈現(xiàn)帶狀并進一步東移（圖12），回波帶南段存在風速輻合區(qū)伴有后側入流急流，回波強度穩(wěn)定維持在60 dBZ以上，呈現(xiàn)懸垂結構，榔坪鎮(zhèn)-賀家坪鎮(zhèn)-火燒坪鄉(xiāng)沿線出現(xiàn)冰雹、雷雨大風天氣，同時五峰縣一帶回波處于持續(xù)發(fā)展中，整體回波以50 km/h的速度東移，造成沿線出現(xiàn)小到中雨，伴有雷雨大風。19：33出現(xiàn)零度層亮帶，降水趨于穩(wěn)定，降水強度減小，于此同時后側入流急流達22.5 m/s，20：45達到27 m/s，東部縣市風力持續(xù)加大，21：09當陽市出現(xiàn)18.1 m/s的8級大風。21：36雨帶移出。

4數(shù)值模式預報偏差分析

4.1EC 700和850hPa風場預報分析

對EC全球模式1日20：00和2日08：00起報的2日20：00 700 hPa和850 hPa風場進行檢驗。其中模式1日20：00起報的2日20：00 700 hPa/850 hPa風場與實況基本一致，但模式預報貴州-湖南一帶西南急流較實況偏強，輻合區(qū)偏東，且850 hPa偏東急流明顯偏強，導致降水預報較實況偏強，落區(qū)偏東。模式2日08：00起報的2日20：00 700 hPa/850 hPa風場與實況基本一致，且兩次起報場形勢穩(wěn)定，只是對南風氣流的偏西分量較1日20：00有所加大，導致強降水落區(qū)較實況偏東，但同時對宜昌市南部的急流強度有所調(diào)弱，降水強度略有下調(diào)。整體而言，EC預報風場與實況較為一致，且較為穩(wěn)定，但急流強度預報偏強，隨著預報臨近有向弱調(diào)整趨勢，降水強度與實況趨于一致，今后對模式預報的急流強度要及時依據(jù)實況作調(diào)整。

4.2多家模式降水預報分析

為分析各家模式預報效果，對比分析兩種大尺度模式（EC、CMA-GFS）和華東中尺度模式不同起報時次（1日20：00、2日20：00）預報的4月2日20：00至3日20：00宜昌市的降水落區(qū)和量級。

對于1日20：00起報的24 h（2日20：00～3日20：00）降水，各家模式對雨帶的位置和落區(qū)預報較為一致，兩家大尺度模式對宜昌市東部降水預報與實況較為一致，但對南部降水強度預報偏弱，EC模式報出局部暴雨點，但對西南部降水只報出小到中雨量級，但對興山縣、秭歸縣大雨落區(qū)預報較好；CMA-GFS也只報出中雨量級，暴雨出現(xiàn)漏報，且西部降水偏弱。中尺度模式對本地強降水落區(qū)和強度與實況偏強，暴雨范圍偏大，但大暴雨點與實況暴雨落區(qū)較為一致，有一定的指示意義。

對于2日20：00起報的24 h（2日20：00～3日20：00）降水，各家模式對宜昌市主雨帶的位置和落區(qū)預報較為一致，并且隨著預報時效的臨近3種模式對降水強度都有向弱調(diào)整的趨勢。EC模式臨近預報強度較實況偏弱，對宜昌市東部和南部降水只報出中雨，局部大雨量級，暴雨漏報；CMA-GFS對宜昌市南部降水量級有所調(diào)強，與實況較為接近，報出大雨量級，但暴雨出現(xiàn)漏報，同時對宜昌市東部降水強度明顯調(diào)弱；華東臨近預報宜昌市強降水落區(qū)和強度較實況較為接近，成功報出大雨，局部暴雨，并且對興山縣、秭歸縣大雨落區(qū)預報較好，雖然暴雨落區(qū)范圍偏大，但整體預報效果較好。

總體而言，針對此次強降水，大尺度模式和中尺度模式對宜昌市主雨帶的落區(qū)把握均較好，大尺度模式對宜昌市主雨帶的中心強度預報偏小1～2個量級。本次極端天氣過程以對流性降水為主，華東模式在對流性降水中表現(xiàn)較好，隨著臨近調(diào)整，對宜昌市主雨帶的中心強度預報更為接近實況，有一定的指示意義。

5結論與啟示

本文利用高空地面觀測、天氣雷達、GNSS/MET和微波輻射計等資料，分析了2023年春季宜昌市一次由暖倒槽鋒生氣旋引起的混合型對流天氣特征，并初步分析了數(shù)值模式預報的偏差。主要結論如下：

（1） 此次混合型對流天氣分為以短時強降水為主的暖鋒鋒生階段和以短時強降水、冰雹、大風為主的冷鋒鋒生階段，局部累計雨量超過100 mm，極大風速達9級。地面高空觀測資料、天氣雷達、GNSS/MET和微波輻射計等資料能夠捕捉到不同類型強對流天氣的時空變化特征。

（2） 在高空槽分裂東移形勢下，西南急流和前側底層暖倒槽強烈發(fā)展，與華北高壓底部偏東風結合部有明顯鋒區(qū)形成，且隨著冷渦轉動不斷有小股冷空氣侵入暖倒槽，強斜壓性氣旋在倒槽切變線中形成并發(fā)展。4月2日夜間開始宜昌市處于高層輻散低層輻合區(qū)，CAPE和K指數(shù)發(fā)展，不穩(wěn)定條件和抬升條件轉好，同時位于水汽通量的大值區(qū)和輻合區(qū)，GNSS/MET水汽含量迅速增長并維持45 mm以上，微波輻射計探測的近地層相對濕度達到90%以上并向下擴展，暖云層深厚，0～6 km深層垂直風切變加強，環(huán)境條件有利于強對流天氣的產(chǎn)生。

（3） 過程分為暖鋒鋒生和冷鋒鋒生階段，降水表現(xiàn)特征有所差別。暖鋒鋒生階段，在西南急流發(fā)展加強、925 hPa東南急流疊加地形的影響下，出現(xiàn)地面輻合線，以45 dBZ以上低質(zhì)心暖云降水為主，加之列車效應，東部和南部縣市主要表現(xiàn)為短時強降水；冷鋒鋒生階段，隨著冷鋒入暖倒槽，西部縣市出現(xiàn)近2 h的冰雹天氣伴隨短時強降水，江淮氣旋后部偏北氣流導致東部平原及沿江河谷出現(xiàn)6～8級偏北大風。

（4） 大尺度模式的風場與實況較為一致，但對急流強度和輻合區(qū)較實況有所差別，導致主降水中心較實況偏強，落區(qū)偏東。同時宜昌市地形復雜，呈現(xiàn)西高東低向東開口的喇叭口地形，各家模式對850 hPa以下偏東氣流在宜昌西部山區(qū)的降水估算不足，對主雨帶的中心強度預報偏小1～2個量級。華東模式表對強降水落區(qū)有一定的指示意義。

參考文獻：

［1］吳濤，許冠宇，李雙君，等.一次春季江淮氣旋混合型對流天氣特征及成因分析［J］.氣象，2023，49（1）：27-38.

［2］黃士松，林元弼，韋統(tǒng)健，等.江淮氣旋發(fā)生發(fā)展和暴雨過程及有關預報問題的研究［J］.大氣科學，1976（1）：27-41.

［3］梁軍，李英，隋洪起，等.兩次大連春季暴雨的環(huán)流特征和診斷分析［J］.高原氣象，2011，30（5）：12.

［4］陳永林，曹曉崗，劉敏，等.一次源于高原東側低渦的江淮氣旋形成及結構分析［J］.熱帶氣象學報，2013，29（5）：793-802.

［5］黃美金，俞小鼎，林文，等.福建沿海冷鋒前暖區(qū)和季風槽大暴雨環(huán)境背景與對流系統(tǒng)特征［J］.氣象，2022，48（5）：605-617.

［6］諶蕓，陳濤，汪玲瑤，等.中國暖區(qū)暴雨的研究進展［J］.暴雨災害，2019，38（5）：483-493.

［7］汪玲瑤，諶蕓，肖天貴，等.夏季江南地區(qū)暖區(qū)暴雨的統(tǒng)計分析［J］.氣象，2018，44（6）：771-780.

［8］何立富，陳濤，孔期.華南暖區(qū)暴雨研究進展［J］.應用氣象學報，2016，27（5）：559-569.

［9］諶蕓，呂偉綺，于超，等.北方一次暖區(qū)大暴雨降水預報失敗案例剖析［J］.氣象，2018.44（1）：15-25.

［10］黃文彥，孫燕，盧楚翰，等.春季江淮氣旋及影響的統(tǒng)計分析［J］.氣象與環(huán)境科學，2020，43（1）：43-51.

［11］陳筱秋，王詠青.基于NECP資料的一次東移引發(fā)暴雨的江淮氣旋結構特征分析［J］.暴雨災害，2016，35（1）：53-60.

［12］毛程燕，潘欣，馬依依，等.浙江一次江淮氣旋后部強對流暴雨過程診斷研究［J］.熱帶氣象學報，2021，37（4）：530-540.

［13］張曉紅，羅靜，陳興，等.一次春季江淮氣旋形成發(fā)展特征及暴雨診斷分析［J］.氣象，2016，42（6）：716-723.

［14］古文保，屈梅芳.江淮氣旋影響下廣西強弱降雨天氣過程的對比分析［J］.氣象研究與應用，2016，37（1）：1-5.

［15］吳瓊，劉婷，張波，等.2次江淮氣旋暴雨過程的對比分析［J］.安徽農(nóng)學通報，2020，26（9）：161-171.

［16］顏佳任，王偉健，張紅華，等.2019年江蘇兩次江淮氣旋暴雨大風過程分析［J］.氣象研究與應用，2021，42（2）：83-88.

［17］張媛，袁淑文，向曦子.強對流天氣過程的典型案例分析［J］.大氣與環(huán)境光學學報，2014，9（3）：194-200.

［18］王正大，徐佳，過霽冰，等.一次上海春季強對流天氣過程的診斷分析［J］.氣候變化研究快報，2023，12（5）：896-903.

［19］郝瑩，姚葉青，鄭媛媛，等.短時強降水的多尺度分析及臨近預警［J］.氣象，2012，38（8）：903-912.

［20］周晉紅，趙彩萍，董春卿.太原汛期短時強降水環(huán)流分型及環(huán)境參量分析［J］.干旱氣象，2019，37（3）：392.

［21］雷蕾，邢楠，周璇，等.2018年北京"7.16"暖區(qū)特大暴雨特征及形成機制研究［J］.氣象學報，2020，78（1）：1-17.

（編輯：劉 媛）