冷渦背景下江蘇強(qiáng)對(duì)流天氣特征

摘要：冷渦背景下的強(qiáng)對(duì)流天氣常常錯(cuò)報(bào)和漏報(bào)。為了提高此類強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，利用2013—2022年常規(guī)地面和高空觀測(cè)資料以及地面區(qū)域自動(dòng)站資料，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)江蘇地區(qū)116次冷渦強(qiáng)對(duì)流的天氣特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：冷渦強(qiáng)對(duì)流類型主要有短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和混合型，其中混合型發(fā)生頻率最高（90%），最大小時(shí)雨強(qiáng)主要集中在30～49.9mm/h和50～79.9mm/h，雷暴大風(fēng)風(fēng)力大多為8～9級(jí)（48%），其次是10級(jí)以上（36%）；對(duì)流觸發(fā)時(shí)間呈雙峰型分布，主要分布在夜間和午后，最高峰為00—02時(shí)；不同類型冷渦下的強(qiáng)對(duì)流天氣既有共性特征，也存在一定的差異性；短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)比較容易發(fā)生在沿淮、淮北地區(qū)和沿江、蘇南地區(qū)這兩大區(qū)域，冰雹落區(qū)則相對(duì)比較分散。

關(guān)鍵詞：冷渦強(qiáng)對(duì)流天氣特征短時(shí)強(qiáng)降水雷暴大風(fēng)

中圖分類號(hào)：P468

CharacteristicsofSevereConvectiveWeatherinJiangsuProvinceUndertheBackgroundofColdVortex

LUWei1XUQinchen2

1.TaizhouMeteorologicalBureau，Taizhou，JiangsuProvince，225300China;2.JiangsuMeteorologicalDisasterPreventionTechnologyCenter，Nanjing，JiangsuProvince，210019China

Abstract：Severeconvectiveweatherunderthebackgroundofcoldvortexisoftenmisreportedandunderreported.Inordertoimprovetheaccuracyofforecastingsuchsevereconvectiveweather，StatisticalAnalysismethodisusedtoanalyzetheweathercharacteristicsof116coldvortexstrongconvectioneventsinJiangsuregionusingconventionalgroundandupperairobservationdatafrom2013to2022，aswellasgroundregionautomaticstationdata.Theresultsshowthatthemaintypesofcoldvortexstrongconvectionareshort-termheavyprecipitation，thunderstormgale， andmixedtypes.Amongthem，themixedtypehasthehighestfrequencyofoccurrence（90%），andthemaximumhourlyrainfallintensityismainlyconcentratedin30-49.9mm/hand50-79.9mm/h，withthunderstormgalemostlyrangingfromlevel8-9（48%），followedbylevel10orabove（36%）;Thetriggeringtimeofconvectionshowsabimodaldistribution，mainlydistributedatnightandafternoon，withthehighestpeakoccurringfrom00to02o'clock;Strongconvectiveweatherunderdifferenttypesofcoldvortexhasbothcommoncharacteristicsandcertaindifferences;Short-termheavyprecipitationandthunderstormgalesaremorelikelytooccurinHuaiRiverandnorthofHuaiRiverregions，aswellastheYangtzeRiverandsouthernJiangsuregions，whilehailareasarerelativelyscattered.

KeyWords：Coldvortex;Strongconvection;Weathercharacteristics;Short-termheavyprecipitation;Thunderstormsgale

江蘇地處中國(guó)東部，屬于東亞季風(fēng)區(qū)，冷暖氣流交匯頻繁，強(qiáng)對(duì)流天氣多發(fā)，對(duì)流類型多、致災(zāi)性強(qiáng)，其極端性顯著增強(qiáng)。東北冷渦（簡(jiǎn)稱：冷渦）是深厚的大尺度環(huán)流系統(tǒng)，可以引導(dǎo)高空冷空氣南下，易形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，為強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生提供不穩(wěn)定層結(jié)環(huán)境，誘發(fā)中小尺度系統(tǒng)的發(fā)展。近年來(lái)，冷渦背景下極端強(qiáng)對(duì)流導(dǎo)致的災(zāi)難性事件常有發(fā)生，北京7.21特大暴雨最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)100.3mm/h，造成嚴(yán)重城市內(nèi)澇，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全；江蘇4.30冰雹大風(fēng)天氣是一次冷渦背景下的強(qiáng)對(duì)流過(guò)程。2022年7月20日江蘇宿遷、淮安、連云港和鹽城多地發(fā)生龍卷，2023年江蘇6.10南通龍卷和8.13鹽城龍卷都是在冷渦影響下發(fā)生的。

強(qiáng)對(duì)流天氣空間尺度小、生命史短、發(fā)展迅速、變化劇烈，常會(huì)伴隨短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷等災(zāi)害性天氣，是江蘇地區(qū)汛期主要的災(zāi)害性天氣之一。研究冷渦背景下的江蘇強(qiáng)對(duì)流天氣特征，可以加深對(duì)該天氣類型的認(rèn)識(shí)，更好地助力防災(zāi)減災(zāi)。

1目的和意義

東北冷渦在全年皆可生成，在4、5月生成最多，在3、8月生成較少[1]。相關(guān)研究表明：除了東北、內(nèi)蒙古、華北和黃淮等地顯著受冷渦影響外，冷渦中心最南可位于山東附近，外圍最南可以影響到華南[2]。

在冷渦背景控制下，江蘇省高空受西北氣流控制，天氣晴好，往往缺乏良好的水汽條件，但是存在較好熱力條件，形成了不穩(wěn)定層結(jié)，因此可以把大氣層結(jié)穩(wěn)定度變化和后部冷空氣的滲透作為預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。應(yīng)爽等人[3]發(fā)現(xiàn)，在東北冷渦不同階段其冷暖空氣的主導(dǎo)作用是不同的，從而產(chǎn)生不同的水汽分布、不穩(wěn)定層結(jié)和觸發(fā)機(jī)制，衰減期的冷渦后部高空槽帶動(dòng)大范圍冷空氣南下，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹天氣。曹艷察等人[4]的研究表明，短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在冷渦中心南部或東南部，雷暴大風(fēng)型和強(qiáng)降水型過(guò)程主要出現(xiàn)在東北冷渦的發(fā)展和成熟階段，而混合型過(guò)程主要發(fā)生在東北冷渦的成熟階段。齊鐸等人[5]發(fā)現(xiàn)冷渦背景下降水區(qū)水汽凈收入與降水強(qiáng)度之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。張一平等[6]通過(guò)統(tǒng)計(jì)河南強(qiáng)對(duì)流天氣的歷史發(fā)現(xiàn)，40%區(qū)域性強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生在東北低渦槽后型天氣形勢(shì)下。孫燕等[7]的研究表明，冷渦（槽）后型是江淮地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣較為典型的天氣背景之一。這種天氣型常見(jiàn)于4月中下旬至6月上旬，東北（華北）冷渦活動(dòng)較頻繁，冷渦在維持或更替過(guò)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(huì)出現(xiàn)冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水甚至龍卷等強(qiáng)對(duì)流天氣。李新新等人[8]的研究發(fā)現(xiàn)，冷渦背景下江蘇極端短時(shí)強(qiáng)降水頻次呈緩慢上升趨勢(shì)。

以往的研究多針對(duì)個(gè)別典型強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，很少涉及不同類型強(qiáng)對(duì)流天氣特征分析。為了提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警能力，本研究選取近10年江蘇地區(qū)在冷渦背景下發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，對(duì)比研究這些強(qiáng)對(duì)流的天氣特征，為科學(xué)認(rèn)識(shí)該背景下強(qiáng)對(duì)流天氣的變化特征以及短臨預(yù)報(bào)服務(wù)提供參考。

2資料和方法

2.1資料來(lái)源

本研究采用的資料主要包括：（1）2013—2022年4—9月江蘇地區(qū)國(guó)家觀測(cè)站及地面區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)資料；（2）Micaps高空及地面觀測(cè)資料、重要天氣報(bào)以及南京站、徐州站和射陽(yáng)站的探空資料；（3）江蘇S波段雷達(dá)觀測(cè)產(chǎn)品資料。

2.2研究方法

本研究中冷渦的定義為：500hPa天氣圖上，35～60?N、105～145?E范圍內(nèi)出現(xiàn)閉合等高線，并有冷中心或者冷槽配合，持續(xù)2天或以上的低壓環(huán)流系統(tǒng)，并根據(jù)孫力等的定義，按地理位置將冷渦劃分為北渦（50～60?N）、中間渦（40～50?N）和南渦（35～40?N）。若冷渦跨越50?N或40?N移動(dòng)，則按實(shí)際發(fā)生位置對(duì)其進(jìn)行歸類。此外，把冷渦中心500hPa位勢(shì)高度的變化情況作為冷渦發(fā)展、成熟和衰亡階段的劃分依據(jù)。當(dāng)冷渦中心某時(shí)次的500hPa位勢(shì)高度值較上一次有所降低時(shí)，稱此時(shí)次為冷渦發(fā)展階段，反之為冷渦減弱消亡階段，若變化趨勢(shì)不明顯，則認(rèn)為是成熟階段。

強(qiáng)對(duì)流天氣類型分為短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、混合型（短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和冰雹發(fā)生2種或以上）3種類型，其中短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度等級(jí)分為20～29.9、30～49.9、50～79.9和≥80mm/h四個(gè)等級(jí)，雷暴大風(fēng)分為13.9～17.1、17.2～24.4和≥24.5m/s三個(gè)等級(jí)。

首先，利用國(guó)家觀測(cè)站、地面區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)資料和重要天氣報(bào)，結(jié)合強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程匯編和雷達(dá)觀測(cè)產(chǎn)品資料，選出2013—2022年4—9月江蘇地區(qū)發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程。其次，結(jié)合Micaps500hPa高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，篩選出2013—2022年4—9月冷渦背景下發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，并將這些個(gè)例根據(jù)具體類型分門別類，主要分為短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和混合型3種類型。最后，統(tǒng)計(jì)分析3種類型強(qiáng)對(duì)流的強(qiáng)度、對(duì)流觸發(fā)時(shí)間、時(shí)空分布等特征。進(jìn)一步對(duì)比不同類型冷渦（北渦、中間渦和南渦）背景下，強(qiáng)對(duì)流天氣特征。

3冷渦強(qiáng)對(duì)流天氣特征分析

3.1強(qiáng)對(duì)流類型特征

利用上述研究方法篩選出2013—2022年4—9月江蘇地區(qū)發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程共計(jì)116例，將這些過(guò)程按照短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、混合型3種類型進(jìn)行劃分統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。在冷渦背景形勢(shì)下，江蘇地區(qū)3種類型的強(qiáng)對(duì)流天氣均有可能發(fā)生，其中混合型強(qiáng)對(duì)流發(fā)生頻次最多（104次），其次是雷暴大風(fēng)（10次），只發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的頻次最少，只有2次。單獨(dú)一種強(qiáng)對(duì)流（短時(shí)強(qiáng)降水或雷暴大風(fēng)）發(fā)生的概率為僅為10%，遠(yuǎn)低于混合型強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的概率（90%），未發(fā)生單獨(dú)出現(xiàn)冰雹的天氣個(gè)例。

根據(jù)冷渦位置的差異，將這些天氣個(gè)例進(jìn)一步細(xì)分為北渦、中間渦和南渦3種類型，并統(tǒng)計(jì)不同冷渦背景下強(qiáng)對(duì)流的類型，結(jié)果顯示，中間渦發(fā)生的頻次最多（65次），其次是北渦（47次），南渦發(fā)生的頻次最少，只有4次。中間渦背景下，江蘇地區(qū)3種類型的強(qiáng)對(duì)流天氣均有發(fā)生，混合型最多（58），雷暴大風(fēng)次之（5），短時(shí)強(qiáng)降水最少（2）。北渦形勢(shì)下，只出現(xiàn)過(guò)雷暴大風(fēng)（4）和混合型（43）。南渦時(shí)，同樣只發(fā)生了雷暴大風(fēng)（1）和混合型（3）。3種冷渦背景下，均表現(xiàn)為混合型強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的頻率最高。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)單純的短時(shí)強(qiáng)降水型天氣過(guò)程，只會(huì)出現(xiàn)在中間渦的背景形勢(shì)下。單純的雷暴大風(fēng)天氣主要發(fā)生在北渦和中間渦的形勢(shì)下，南渦背景形勢(shì)下出現(xiàn)得較少。

3.2對(duì)流強(qiáng)度特征

根據(jù)短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)的強(qiáng)度等級(jí)劃分方法，統(tǒng)計(jì)116次冷渦背景下江蘇強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中對(duì)流強(qiáng)度特征。104例有短時(shí)強(qiáng)降水樣本中，不同強(qiáng)度等級(jí)均有發(fā)生（圖2），20～29.9mm/h有6例、30～49.9mm/h有28例、50～79.9mm/h有45例、≥80mm/h有25例。降水強(qiáng)度主要集中在30～49.9mm/h和50～79.9mm/h，占比達(dá)70%，雨強(qiáng)≥80mm/h的樣本也占據(jù)了近1/4（24%），雨強(qiáng)為20～29.9mm/h的過(guò)程出現(xiàn)最少。

不同冷渦背景下，短時(shí)強(qiáng)降水的雨強(qiáng)分布呈現(xiàn)一定的共性特征，同時(shí)也有差異。北渦[圖3（a）]和中間渦[圖3（b）]背景下，各強(qiáng)度等級(jí)分布形態(tài)與冷渦背景下總體（圖2）分布形態(tài)類似，都是表現(xiàn)為雨強(qiáng)為50～79.9mm/h的最多，30～49.9mm/h次之，≥80mm/h的緊隨其后，20～29.9mm/h出現(xiàn)最少。南渦[圖3（c）]背景下出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度分布與北渦、中間渦以及總體情況均不相同，主要表現(xiàn)為20～29.9mm/h、50～79.9mm/h和≥80mm/h雨強(qiáng)出現(xiàn)次數(shù)相同，均為1次，30～49.9mm/h沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。

在116例冷渦強(qiáng)對(duì)流過(guò)程中，有114例樣本發(fā)生雷暴大風(fēng)天氣。這些樣本中，8～9級(jí)（17.2～24.4m/s）大風(fēng)出現(xiàn)頻次最多（55次），占比48%；10級(jí)以上（≥24.5m/s）大風(fēng)有37次，占比36%；7級(jí)（13.9～17.1m/s）大風(fēng)出現(xiàn)最少，只有22次。

在不同冷渦背景下，雷暴大風(fēng)的強(qiáng)度分布呈現(xiàn)一定的差異性。北渦[圖5（a）]背景下，各強(qiáng)度等級(jí)分布形態(tài)與冷渦背景下總體（圖4）分布形態(tài)相同，都表現(xiàn)為8～9級(jí)大風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，10級(jí)以上次之，7級(jí)大風(fēng)出現(xiàn)頻率最低。中間渦[圖5（b）]的強(qiáng)度等級(jí)分布形態(tài)與北渦[圖5（a）]和總體情況（圖4）類似，只是10級(jí)以上和7級(jí)大風(fēng)出現(xiàn)頻率差異縮小，比較接近。南渦[圖5（c）]背景下的雷暴大風(fēng)強(qiáng)度分布與北渦、中間渦以及總體情況均不相同，只出現(xiàn)8～9級(jí)和10級(jí)以上大風(fēng)，并且10級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)頻率更高。

11次出現(xiàn)冰雹的個(gè)例中，最大冰雹的直徑主要集中在2～3cm，極大值可達(dá)4～5cm，最小的為1cm左右。

3.3對(duì)流觸發(fā)時(shí)間特征

在這116例強(qiáng)對(duì)流中，每個(gè)個(gè)例最早記錄到較明顯對(duì)流活動(dòng)的發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)情況如圖6所示。從圖6可以看出，冷渦型強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)時(shí)間呈雙峰形分布，主要分布在夜間和午后，有明顯的日變化。最高峰為00—02時(shí)，占比40%，這可能與低空急流的日變化有關(guān)，低空急流常在夜間增強(qiáng)。作為熱量、動(dòng)量和水汽的集中帶，常常承擔(dān)對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的建立者和維持者的角色。次高峰為13—17時(shí)，占比29%，這和午后輻射增溫有關(guān)，地表下墊面吸收太陽(yáng)短波輻射，致使上下層溫差加大，容易形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，利于對(duì)流的產(chǎn)生。

強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)時(shí)間在不同的冷渦背景形勢(shì)下，呈現(xiàn)比較相似的分布特征（圖7），主要分布在午后和夜間。北渦形勢(shì)下略有不同，觸發(fā)時(shí)間表現(xiàn)出多波型，存在00—02時(shí)、11—14時(shí)和16—18時(shí)三個(gè)峰值。

3.4強(qiáng)對(duì)流空間分布特征

根據(jù)篩選出4—9月冷渦背景下江蘇地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，針對(duì)經(jīng)常發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的區(qū)域，根據(jù)發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流現(xiàn)象劃分落區(qū)（圖略）。對(duì)于沿淮、淮北地區(qū)和沿江、蘇南地區(qū)這兩大區(qū)域，短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)都比較容易發(fā)生。短時(shí)強(qiáng)降水在江淮之間南部的部分地區(qū)也較易發(fā)生，雷暴大風(fēng)在江淮之間北部的部分地區(qū)容易發(fā)生。冰雹的落區(qū)相對(duì)比較分散一點(diǎn)，冰雹頻發(fā)的落區(qū)主要集中在徐州和鹽城的大部分地區(qū)，連云港北部、淮安南部和南通中北部的部分地區(qū)也存在冰雹落區(qū)。在沿江和蘇南地區(qū)，存在零星的冰雹發(fā)生點(diǎn)。

4結(jié)論與討論

利用國(guó)家觀測(cè)站、地面區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)資料、重要天氣報(bào)和Micaps500hPa高空資料，篩選出近10年（2013—2022年）4—9月江蘇地區(qū)發(fā)生的冷渦背景下強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程總計(jì)116例。將這些個(gè)例按照短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)和混合型分為3類，統(tǒng)計(jì)分析這3種類型強(qiáng)對(duì)流的強(qiáng)度、對(duì)流觸發(fā)時(shí)間、時(shí)空分布等特征。本文也對(duì)不同類型冷渦（北渦、中間渦和南渦）背景下，強(qiáng)對(duì)流天氣的表現(xiàn)特征進(jìn)行了研究。得出的主要結(jié)論如下。

（1）冷渦背景下，3種類型的強(qiáng)對(duì)流天氣在江蘇均有可能發(fā)生，其中混合型強(qiáng)對(duì)流發(fā)生頻次最多（104次，占比90%），其次是雷暴大風(fēng)（10次），只發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的頻次最少（2次）。單純一種強(qiáng)對(duì)流（短時(shí)強(qiáng)降水或雷暴大風(fēng)）發(fā)生的概率為僅為10%，未出現(xiàn)單獨(dú)發(fā)生冰雹的天氣個(gè)例。

（2）出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的個(gè)例中，最大小時(shí)雨強(qiáng)主要集中在30～49.9mm/h和50～79.9mm/h，占比達(dá)70%，雨強(qiáng)≥80mm/h的樣本占比接近1/4（24%），雨強(qiáng)為20～29.9mm/h的個(gè)例出現(xiàn)最少；發(fā)生雷暴大風(fēng)的個(gè)例中，8～9級(jí)大風(fēng)出現(xiàn)頻次最多（48%）；10級(jí)以上大風(fēng)占比達(dá)36%；7級(jí)大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最少。

（3）中間渦樣本最多，其次是北渦，南渦樣本最少。3種冷渦背景下，均表現(xiàn)為混合型強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn)頻率最高，單純的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，只會(huì)發(fā)生在中間渦形勢(shì)下。單純的雷暴大風(fēng)天氣主要發(fā)生在北渦和中間渦的形勢(shì)下，南渦背景形勢(shì)下出現(xiàn)得較少。

（4）北渦和中間渦最大小時(shí)雨強(qiáng)特征與總體分布形態(tài)類似。南渦的短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度與北渦、中間渦以及總體情況均不相同。北渦和中間渦的雷暴大風(fēng)強(qiáng)度特征與總體情況類似，南渦背景下的雷暴大風(fēng)強(qiáng)度分布與北渦、中間渦以及總體情況均不相同，只出現(xiàn)8～9級(jí)和10級(jí)以上大風(fēng)，并且10級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)頻率更高。

（5）冷渦型強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)時(shí)間呈雙峰形分布，主要集中在夜間和午后，有明顯的日變化。最高峰為00—02時(shí)，這可能與低空急流的日變化有關(guān)。強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)時(shí)間在不同冷渦背景形勢(shì)下，呈現(xiàn)比較相似的分布特征，主要分布在午后和夜間，北渦強(qiáng)對(duì)流略有不同，觸發(fā)時(shí)間呈現(xiàn)出多波型。

（6）短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴大風(fēng)在沿淮、淮北地區(qū)和沿江、蘇南地區(qū)這兩大區(qū)域經(jīng)常發(fā)生，冰雹的落區(qū)相對(duì)比較分散一點(diǎn)。

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