湖南春夏季混合强对流天气过程对比分析

王起唤，姚 蓉，周长青，王 强，张 昆

（1.怀化市气象局，湖南 怀化 418000；2.湖南省气象台，长沙 410118；3.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118）

强对流天气具有发展迅速，致灾性强，预报预警难度大的特点，而混合型强对流天气更易造成各类气象灾害，是值得预报员关注的重点。樊李苗等［1］对我国多个及多种类强对流天气做了细致的环境条件分析。罗菊英等［2］指出地面暖低压与辐合线是锋前暖区强对流的较典型特征。李静等［3］同样也指出地面辐合线对强对流天气的重要作用，同时中低层冷空气的渗透能给上升运动提供有利条件。卢阿咪［4］从雷达特征指出了带来短时强降水和冰雹天气的条件，并认为三体散射特征的出现有利于提前发布冰雹预警。尤红等［5］、张桂莲等［6］指出钩状回波、弱回波区、中气旋以及高VIL 值都有利于对流风暴发展，并且三体散射对于大冰雹的生成有明显指示意义。江玉华等［7］的研究表明显著的水平和垂直风切都有利于涡度增大，是对流风暴发展的重要条件。李艳芳等［8］认为伴随飑线的雷暴高压与冷池，对灾害性大风的出现与维持有重要指示意义。孙密娜等［9］指出强垂直风切带来的中气旋和风暴顶辐散对产生地面大风有明显促进作用。许爱华等［10］对江西多次强对流天气和对应的云图资料进行了详细研究，孙继松等［11］从预报员业务角度探讨了强对流的基本概念和在实际强对流预报中的问题，姚蓉等［12］、高晓梅等［13］、黄莉等［14］、张翠艳等［15］分别对在湖南、山东、广西、辽宁出现的混合型强对流天气过程做了研究分析。

春季是湖南强对流天气多发的季节，尤其是风雹天气频发，夏季湖南强对流天气多以强雷暴、短时强降水为主，少有冰雹发生，其相关分析和研究少见。混合强对流天气的预报一直是预报员面临的挑战，对于春季混合强对流过程的预报预警明显提高，而对于夏季混合强对流的预报预警提前量和准确率仍有待提高。探究春夏强对流天气特征的相似与差异，能让预报员更准确把握不同季节强对流天气的着眼点。2019 年3 月20—21 日及8 月21 日湖南出现了两次混合强对流天气过程，春夏季混合强对流天气的发生背景、触发条件及中尺度特征的异同，是研究的重点。选取Micaps 高空、地面常规观测资料，NCEP FNL 再分析资料（时间分辨率为6 h，空间分辨率为1°×1°），以及张家界站和长沙站的S 波段多普勒天气雷达产品，通过分析研究春夏季节混合强对流天气特征，为提高混合强对流天气预报预警水平提供参考依据。

1 天气实况与环流背景

1.1 天气实况

2019 年3 月20—21 日，湖南中北部出现了区域性强对流天气，其中怀化地区出现混合型强对流天气。3 月20 日20：00 至21 日2：00，强对流天气主要发生在怀化的中北部，以冰雹和短时强降水天气为主（图1a）。其中冰雹主要出现在沅陵、溆浦、新晃以及芷江县，最大冰雹直径达20 mm（沅陵县借母溪），短时强降水主要集中在沅陵以及溆浦，最大小时雨强39.8 mm（沅陵肖家桥站3 月20 日22：00—23：00），共2 个自动站记录到大风，瞬时极大风速22.2 m/s（洪江市安江站3 月21 日00：40）。此次过程显著特点是给多地带来冰雹天气，特别是沅陵多个乡镇出现冰雹。湖南在3、4 月的冰雹日数占全年64.5%，逐旬变化中以3 月中旬出现最多，从地域分布上，湘西的雪峰山脉和武陵山脉西侧是多雹区，怀化北部沅陵县正位于武陵山以西［16］，选取3 月20 日夜间发生在沅陵县混合强对流天气过程作为春季强对流天气典型个例（以下简称“3·20”）。

2019 年8 月21 日下午，湖南中部、东部出现了区域性强对流天气，其中湘潭、娄底西部、衡阳北部地区自东向西出现了雷暴大风、短时强降水、小尺寸冰雹（图1b）。其中瞬时极大风速达25.2 m/s（湘潭县中路铺水库站8 月21 日17：10），最大冰雹直径为7 mm（湘潭县中路铺水库），最大1 h 降雨量37.2 mm（湘潭县中路铺水库站8 月21 日17：00 至18：00）。本次过程在湘东多地产生雷暴大风天气。许霖等［17］指出在夏季7、8 月是湖南雷暴大风的多发时段，同时由于地形因素，洞庭湖区、韶山也是易发区域，故选取8 月21 日下午在韶山以东的湘潭发生的混合型强对流天气作为夏季典型个例（以下简称“8·21”）。

1.2 环流形势与影响系统

春季“3·20”于3 月20 日21：00 左右开始，在20日08：00（图2a），500 hPa 中高纬地区为一槽一脊，副高脊线位置在15°N，江南地区多小槽活动，湖南地区处于南支槽前弱波动的西南气流控制下，低层700、850 hPa 在湘中以南存在低空急流，同时低层的切变线位于贵州至湘西北一带。至20 日20：00（图2b），对流活动即将开始，该时刻500 hPa 湘西地区西南气流较前一时次加强，700 hPa 在云贵高原出现暖湿急流，湘西地区处于急流出口的风速辐合区，而前一时刻已存在的低空急流仍维持在原位置，850 hPa切变东移至湘中及以北地区，怀化地区处于低层切变线南侧和低空急流出口左侧的辐合上升区，强对流天气过程的主要落区正位于此处。地面上，贵州地区有一暖性低压，湖南受到低压倒槽的控制，白天地面增温明显，沅陵站20 日最高气温达32.2 ℃，北方无明显冷空气南下引起冷暖交汇，该阶段强对流天气的系统背景符合低层暖平流强迫类［18］的天气学模型。

图2 500 hPa 高度场、风场及各层影响系统综合

夏季“8·21”于8 月21 日16：00 左右开始，在8 月21 日08：00 500 hPa（图2c）副高脊线位于30°N 以北，其西脊点已伸至西南内陆，江南地区处于副高南侧东风波系统中，并且受低压倒槽影响，湘东地区位于槽前的偏东北气流控制下，同时500 hPa 温度冷槽位于高度槽以西，叠加在低层850 hPa 温度暖脊之上，利于对流不稳定产生，给午后出现强对流天气提供潜势基础，同时在湘东至赣西一带低层有弱切变线；至21 日20：00（图2d）副高在内陆进一步西伸，500 hPa 低压倒槽西移至湘东地区，700 hPa 长江中下游有干线即露点锋存在，受偏东北气流影响，使得湘东地区在中层受干空气侵入，给该次过程中的以雷暴大风为主的混合强对流天气提供有利条件，强对流天气落区处于500 hPa 倒槽以西，和槽前温度冷槽、850 hPa 切变有较好的位置对应关系，该次过程的系统配置符合东风波系统影响的准正压类［18］强对流天气分型。

关于边界层辐合线的研究，Wilson 等［19］发现大多数风暴起源于边界层辐合线附近，且辐合线附近的风暴会加速发展，车军辉等［20］指出地面辐合线对中低层的水汽辐合起到关键作用，触发对流风暴。“3·20”的发生时间在3 月20 日21：00 之后，而20 日20：00（图3a），地面风场中贵州西部至湘西地区，已有明显地面辐合线存在，其位置和21：00 开始的强对流天气落区有较明显重叠，在湘东北同样存在一条地面辐合线，且后期此区域出现了短时强降水天气，但对流强度不及湘西地区；至3月21日02：00，对流系统向东发展，该辐合线也随之推进至湘中偏东地区。“8·21”发生在8 月21 日16：00 之后，但早在8月21 日08：00，湘东一带已有地面辐合线（图3b），之后有所摆动但仍维持在该地区，位置与后期的强对流天气落区对应。对比两个过程，地面中尺度辐合线在强对流天气发生前均已存在，而非天气过程中的产物，并且强对流落区与辐合线位置有明显对应关系。说明地面辐合线对两次过程的对流风暴起到触发作用，对预报员而言，密切关注前期的辐合线位置，能给对流落区预报订正提供有效帮助。

图3 两次过程发生前的地面风场及辐合线综合

2 中尺度对流系统分析

2.1 站点要素分析

选取强对流出现主要时段，3 月20 日22：30 至21 日00：30 和8 月21 日16：00 至18：00，“3·20”在对应时段内，沅陵自西部至东部，多个乡镇持续出现冰雹和短时强降水天气，但此过程对沅陵本站没有明显影响，所以选择受到影响的沅陵县官庄骨干气象自动站代表该过程，“8·21”在对应时段，16：40 左右出现了降雹，17：10 出现了25.2 m/s 的瞬时极大风，选择湘潭站代表此次过程。将两时段的官庄站和湘潭站进行气温、气压、相对湿度、2 min 平均风速共四要素对比（图4），发现存在一定异同。

图4 两次过程气温、气压、相对湿度、风速四要素变化时序

气温方面，“3·20”在风暴单体过境时出现气温下降，自23 ℃降至18 ℃，有5 ℃左右降幅，而“8·21”1 h 内从34 ℃降至23 ℃，降幅达11 ℃，高于“3·20”。气压方面，“3·20”2.9 hPa 的增压小于“8·21”前后3.4 hPa 的增压。相对湿度方面，“3·20”和“8·21”都有出现30% 左右的显著增湿。风速变化上，由于“3·20”中无特别明显大风，官庄站2 min 平均风速在23：15 时出现4.6 m/s 西北风，到23：20 增至10.1 m/s，但之后风速减小；“8·21”在降雹后，于单体后部出现了大风天气，湘潭站2 min 平均风速在17：05 增至14.1 m/s，而湘潭县中路铺水库站出现的瞬时极大风达25.2 m/s。

整体上，两过程在强对流天气发生前后出现压温湿风四要素变化，由于“8·21”在地面风场和增压变化上较“3·20”更明显，因此出现显著大风天气，同时“8·21”发生在夏季的下午到傍晚，气温出现更高幅度下降，降水导致气压和相对湿度呈现类似上升幅度。但两个过程的气象要素变化都基本发生在强对流天气影响开始时，单从要素变化方面着手，提前预警有一定难度。

2.2 探空资料分析

“3·20”选择3 月20 日20：00 怀化站的探空图，“8·21”选择8 月21 日08：00 长沙站的探空图分别进行分析。两次过程的探空图（图5）上，“3·20”850 ~650 hPa 为湿层，650 hPa 以上为干层，整体呈上干下湿漏斗状，风随高度顺转有暖平流，是类似带来冰雹结构的探空曲线；“8·21”为混合型强对流探空结构［1］，在600~450 hPa 有显著干层，利于干冷空气侵入，这与中尺度分析中存在露点锋相吻合，造成对流不稳定，对流高度相对较低，不稳定能量大，且近地层有逆温存在，大气层水汽分布不均，低层和高层各有一定厚度的湿层。

图5 两次过程实况探空

从两者的探空指数（表1）来看，两过程K 指数均在35 ℃以上，“3·20”SI 为-2.32 ℃，利于雷暴产生，“8·21”SI 接近于0 ℃，但其CAPE 值大于“3·20”。“3·20”的0~6 km 深层垂直风切达20.2 m/s，0~3 km垂直风切为8.2 m/s，即有较明显的深层垂直风切，给强对流天气特别是冰雹提供有利条件；“8·21”由于是东风系统影响下的准正压过程，在垂直风切方面表现不明显，0~6 km 和0~3 km 垂直风切分别为7 m/s 和4 m/s，但由于不稳定层结的存在，依然产生了明显的强对流天气［21］。“3·20”的融化层高度（由于有明显的干层存在，用湿球0℃层来作为融化层高度［22］）和-20 ℃层高度分别为3.7 km 和7.0 km，属湖南春季较为典型利于冰雹出现的高度；“8·21”两层高度分别为3.8 km 和8.5 km，比典型高度略高，会给冰雹带来融化作用。“3·20”的融化层至-20 ℃厚度为3.3 km，小于“8·21”的4.7 km，更小的厚度能够产生更强烈的对流活动以及更大尺度的冰雹；“3·20”的850 hPa与500 hPa温度差29 ℃，大于“8·21”的25 ℃，更大的条件不稳定能量对于产生大冰雹更为有利。

2.3 水汽和热力不稳定条件分析

两次过程的水汽输送条件对比存在较大的差异。“3·20”（图6a，图6b）低层水汽主要来自孟加拉湾及南海洋面，“8·21”（图6c，图6d）水汽主要从西北太平洋面自东北方向输送到江南。从水汽通量散度看，“3·20”在850 hPa 上湘西地区有中心值为-4×10-5g/（cm2∙hPa∙s）的大值辐合中心，925 hPa 的水汽辐合更为强烈，中心值低于-7×10-5g/（cm2∙hPa∙s），位于湘西北。“8·21”在湘东有水汽通量辐合中心，其强度较弱，850 hPa 上湘东地区水汽通量散度辐合中心值为-2×10-5g/（cm2∙hPa∙s），925 hPa 上湘东地区中心值为-3×10-5g/（cm2∙hPa∙s）。对比两个过程，在西风带系统影响下发生的“3·20”水汽输送条件要优于偏东气流控制下发生的“8·21”，对出现短时强降水更为有利。

图6 两次过程水汽通量和水汽通量散度综合

沿两个过程的经向垂直剖面，选取假相当位温和相对湿度分析热力不稳定条件。对于“3·20”（图7），沿110°E 的垂直剖面20 日20：00，强对流即将发生时，在25°N—30°N 的中低层区域，存在明显假相当位温随高度减小的变化，有对流不稳定层结存在，该区域的低层为相对湿度大值区，400~700 hPa 中层为相对湿度小于40% 的干区，有明显高层干冷空气卷入，低层暖湿，中层干冷，构成了该区域的热力不稳定，结合对流不稳定层结，都是触发强对流发生的有利条件，与此同时在35°N 低层可见假相当位温线密锋区的存在。到了21 日02：00，强对流接近结束，不稳定层结南移，中低层都成为湿度大值区，同时锋区也相应南移。

图7 两次过程假相当位温和相对湿度剖面

从“8·21”，沿113°E 垂直剖面可看出，强对流开始前，同样在25°N—30°N 的中低层区域有假相当位温随高度减小的结构，即低层有不稳定层结，从600 hPa 往上转为稳定层结，从相对湿度的剖面可见在不稳定层结处为相对湿度大值区，而其上部，有从高层侵入的干空气，整体上来看是与“3·20”一致的低层暖湿，高层干冷的不稳定结构，为强对流天气的触发提供有利条件。

3 多普勒雷达特征对比分析

对于“3·20”，沅陵县位于怀化市最北部，与怀化雷达站距离超过120 km，远距离容易造成雷达回波衰减，而张家界雷达站与沅陵距离仅60 km，因此选用张家界站的雷达产品。

3 月20 日20：15 位于沅陵县左侧的古丈县境内开始有对流单体风暴B0 生成，之后沿东北方向移动，21：03 其后部有一新单体E0 生成，同样沿东北向发展，并在21：27 开始影响沅陵，至21：39 该单体质心最大反射率已达68 dBZ，最大垂直液态水含量（VIL）达48 kg/m2，且从该时刻3.4°仰角的基本反射率见有三体散射和旁瓣回波出现，至21：45（图8a）两个特征表现得更为明显，在该时刻的组合反射率剖面上（图8b），可见有明显的悬垂强回波质心，穹隆结构，上部的上冲云顶，以及下方的弱回波区，以上特征现象对冰雹的出现有重要指示意义。而从E0 单体的风暴属性表（图8c）可见，21：45 的垂直液态含水量（VIL）增至53 kg/m2，21：51 时VIL 降至48 kg/m2，同时从21：39 至21：51，风暴单体质心所在高度出现了明显的下降，说明此刻已开始降雹。至22：03 风暴E0 强回波质心高度再度上升，说明在移动过程中继续发展，22：09 回波质心高度和VIL 出现下降，指示着新的降雹过程。

20 日22：09 后风暴E0 逐步衰减并消亡，而其前部的风暴R0 开始发展起来，在22：15 之后其质心最大反射率达到65 dBZ 以上，在对应的风暴属性表上可见其垂直液态水含量基本都在40 kg/m2以上，其回波质心和强回波中心的高度也如风暴E0 一样，出现反复发展上升和降雹导致的下降，说明风暴R0 在东移过程中，也给沅陵东部带来冰雹天气。从0.5°仰角基本速度中可见（图8d），22：03 在沅陵西北部有气旋式辐合中心存在，对应强回波所处位置，直至23：09 持续了12 个体扫都有该辐合中心存在，对于强降水有显著指示意义，对应了该阶段在沅陵7 个站点出现的短时强降水，其中最强的沅陵肖家桥站出现了39.8 mm/h 雨强的短时强降水。

“8·21”选取21 日16：00 至18：00 出现在湘潭的过程，主要强对流天气包括雷暴大风、短时强降水、小冰雹。选用的雷达产品是长沙站。

8 月21 日下午在江西至湘东一带开始有对流单体组织活动，至16：00 在湘潭县西部有一超级单体逐步生成，该风暴最大雷达反射率达60 dBZ 以上（图9a），从16：39 反射率剖面看（图9b），单体质心发展至9 km 高度，回波顶高接近16 km，具有高悬强回波结构，但其穹隆结构不如“3·20”明显。从风暴属性（图9c）可见，单体发展旺盛且迅速，VIL 在16：39达到了66 kg/m2，也是在该时刻给湘潭带来了冰雹，但在降雹后VIL 迅速下降，质心高度和最大反射率高度同样下降，维持了约4 个体扫。

从基本径向速度和中气旋产品中可见在该单体有一明显的中气旋生成（图9d），并维持3 个体扫时间，在速度剖面可见，4~5 km 高度有中层径向辐合（MARC）的出现，利于风暴中产生强烈下沉气流，在0.5°仰角的基本速度中，可见该单体中在1.8 km 高度有出现24 m/s 的径向速度。中低层的中气旋、中层径向辐合、低层径向速度大值区对于地面大风都有很好的指示意义［10］，对应湘潭境内监测到的25.2 m/s的瞬时极大风。

“3·20”和“8·21”均是具有超级单体结构的风暴，分别从它们发展旺盛时期截取反射率剖面，可见存在高悬强回波。“3·20”有更明显的穹隆和有界弱回波，从平面反射率上可见“3·20”在21：38 有钩状回波特征，后半段出现了三体散射和旁瓣回波。表2 参数对比，两个过程都有超过60 dBZ 的最大反射率和近似的回波顶高，但“8·21”有更高的平均高度和液态水含量，这是因为夏季的融化层相对春季更高，风暴需要足够的高度和充沛的水汽，才能产生冰雹，以及冰雹降至地面时没有完全融化，最后的冰雹尺寸仍小于春季的“3·20”。在实际短临预报中，观测到大于60 dBZ 的强回波质心，且具有高悬结构，对发布冰雹预警而言是一个重要判据。三体散射是由包含大的水凝结物，如大的冰雹对雷达回波的非瑞利散射所引起，是大冰雹存在的充分条件［23］，所以其出现是冰雹的重要指标，对发布冰雹预警更有把握。从风暴的生命史看，“3·20”风暴从成熟到消亡，到后部新单体的发展，再次成熟，生命史长，强回波维持时间长，造成了沅陵多个站点的冰雹和短时强降水天气，更长的生命史让此次过程的预警发布更及时有效；“8·21”生命史较短，缩预警提前量短，难度大。

表2 两次过程的雷达特征参数对比

4 结论

1）春季的“3·20”是在中层西风槽和低层暖湿气流控制下产生的，夏季的“8·21”是受东风波准正压系统影响出现的，两次过程均在地面中尺度辐合线作用下触发，强对流天气落区与辐合线、低层切变线位置有对应关系，给湖南春夏季强对流天气预报提供了着眼点。春季暖平流强迫类型虽无较深的经向环流和明显冷暖气流交汇，但同样会产生强对流天气，夏季副高边缘的准正压类型过程，在无明显深层垂直风切时，同样也会带来雷暴大风。

2）中小尺度特征上，“3·20”探空曲线上干下湿，暖平流控制明显，“8·21”上下湿度分布不均，中低层为冷平流，“3·20”比“8·21”的0 ℃和-20 ℃的高度及之间的厚度小，都更有利于冰雹出现；两个过程在发生前后都出现了气温陡降，气压、湿度、风速陡升的变化特点，“8·21”的气温降幅更明显，出现的瞬时最大风速也更大，但由于均在过程发生时才出现了明显变化，因此对提前预警强对流天气带来难度。“3·20”水汽输送条件强于“8·21”，在热力条件方面，都具有低层暖湿对流不稳定层结，上部干冷空气侵入的特征，给强对流天气发展提供有利条件。

3）雷达回波特征上，两过程的风暴均为超级单体风暴，“3·20”生命史更长，增大了预警提前量，高悬强回波、三体散射、长时间维持的辐合中心对于冰雹和短时强降水混合强对流有较好指示意义；“8·21”出现了中层径向辐合、中气旋以及低仰角径向速度大值区，对大风预警信号发布起到有利作用，但较短生命史给预警信号的提前量增加难度。两次过程同样是超级单体，但强对流过程的季节和时间不一致，出现冰雹的范围和尺寸存在较大差异，“8·21”有更高的对流发展高度，VIL 更大，但较高的融化层、夏季午后更高的气温，以及短暂生命史，使其没有类似“3·20”出现多地的大尺寸冰雹，也导致“8·21”有更高预报难度，雷达特征上的差异体现了不同类型强对流天气内在机制。