冷涡背景下江苏强对流天气特征

摘要：冷涡背景下的强对流天气常常错报和漏报。为了提高此类强对流天气的预报准确率，利用2013—2022年常规地面和高空观测资料以及地面区域自动站资料，运用统计分析方法，对江苏地区116次冷涡强对流的天气特征进行分析。结果表明：冷涡强对流类型主要有短时强降水、雷暴大风和混合型，其中混合型发生频率最高（90%），最大小时雨强主要集中在30～49.9mm/h和50～79.9mm/h，雷暴大风风力大多为8～9级（48%），其次是10级以上（36%）；对流触发时间呈双峰型分布，主要分布在夜间和午后，最高峰为00—02时；不同类型冷涡下的强对流天气既有共性特征，也存在一定的差异性；短时强降水和雷暴大风比较容易发生在沿淮、淮北地区和沿江、苏南地区这两大区域，冰雹落区则相对比较分散。

关键词：冷涡强对流天气特征短时强降水雷暴大风

中图分类号：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

江苏地处中国东部，属于东亚季风区，冷暖气流交汇频繁，强对流天气多发，对流类型多、致灾性强，其极端性显著增强。东北冷涡（简称：冷涡）是深厚的大尺度环流系统，可以引导高空冷空气南下，易形成上冷下暖的不稳定层结，为强对流天气的发生提供不稳定层结环境，诱发中小尺度系统的发展。近年来，冷涡背景下极端强对流导致的灾难性事件常有发生，北京7.21特大暴雨最大小时雨强达100.3mm/h，造成严重城市内涝，危害人民生命财产安全；江苏4.30冰雹大风天气是一次冷涡背景下的强对流过程。2022年7月20日江苏宿迁、淮安、连云港和盐城多地发生龙卷，2023年江苏6.10南通龙卷和8.13盐城龙卷都是在冷涡影响下发生的。

强对流天气空间尺度小、生命史短、发展迅速、变化剧烈，常会伴随短时强降水、雷暴大风、冰雹、龙卷等灾害性天气，是江苏地区汛期主要的灾害性天气之一。研究冷涡背景下的江苏强对流天气特征，可以加深对该天气类型的认识，更好地助力防灾减灾。

1目的和意义

东北冷涡在全年皆可生成，在4、5月生成最多，在3、8月生成较少[1]。相关研究表明：除了东北、内蒙古、华北和黄淮等地显著受冷涡影响外，冷涡中心最南可位于山东附近，外围最南可以影响到华南[2]。

在冷涡背景控制下，江苏省高空受西北气流控制，天气晴好，往往缺乏良好的水汽条件，但是存在较好热力条件，形成了不稳定层结，因此可以把大气层结稳定度变化和后部冷空气的渗透作为预报着眼点。应爽等人[3]发现，在东北冷涡不同阶段其冷暖空气的主导作用是不同的，从而产生不同的水汽分布、不稳定层结和触发机制，衰减期的冷涡后部高空槽带动大范围冷空气南下，出现短时强降水、雷暴大风和冰雹天气。曹艳察等人[4]的研究表明，短时强降水主要出现在冷涡中心南部或东南部，雷暴大风型和强降水型过程主要出现在东北冷涡的发展和成熟阶段，而混合型过程主要发生在东北冷涡的成熟阶段。齐铎等人[5]发现冷涡背景下降水区水汽净收入与降水强度之间存在明显的正相关关系。张一平等[6]通过统计河南强对流天气的历史发现，40%区域性强对流天气发生在东北低涡槽后型天气形势下。孙燕等[7]的研究表明，冷涡（槽）后型是江淮地区强对流天气较为典型的天气背景之一。这种天气型常见于4月中下旬至6月上旬，东北（华北）冷涡活动较频繁，冷涡在维持或更替过程中，涡后常伴有冷空气南下影响江淮地区，在这种天气背景下，江淮地区常会出现冰雹、雷暴大风、短时强降水甚至龙卷等强对流天气。李新新等人[8]的研究发现，冷涡背景下江苏极端短时强降水频次呈缓慢上升趋势。

以往的研究多针对个别典型强对流天气过程，很少涉及不同类型强对流天气特征分析。为了提高对强对流天气的预报预警能力，本研究选取近10年江苏地区在冷涡背景下发生强对流天气过程，对比研究这些强对流的天气特征，为科学认识该背景下强对流天气的变化特征以及短临预报服务提供参考。

2资料和方法

2.1资料来源

本研究采用的资料主要包括：（1）2013—2022年4—9月江苏地区国家观测站及地面区域自动站观测资料；（2）Micaps高空及地面观测资料、重要天气报以及南京站、徐州站和射阳站的探空资料；（3）江苏S波段雷达观测产品资料。

2.2研究方法

本研究中冷涡的定义为：500hPa天气图上，35～60˚N、105～145˚E范围内出现闭合等高线，并有冷中心或者冷槽配合，持续2天或以上的低压环流系统，并根据孙力等的定义，按地理位置将冷涡划分为北涡（50～60˚N）、中间涡（40～50˚N）和南涡（35～40˚N）。若冷涡跨越50˚N或40˚N移动，则按实际发生位置对其进行归类。此外，把冷涡中心500hPa位势高度的变化情况作为冷涡发展、成熟和衰亡阶段的划分依据。当冷涡中心某时次的500hPa位势高度值较上一次有所降低时，称此时次为冷涡发展阶段，反之为冷涡减弱消亡阶段，若变化趋势不明显，则认为是成熟阶段。

强对流天气类型分为短时强降水、雷暴大风、混合型（短时强降水、雷暴大风和冰雹发生2种或以上）3种类型，其中短时强降水的强度等级分为20～29.9、30～49.9、50～79.9和≥80mm/h四个等级，雷暴大风分为13.9～17.1、17.2～24.4和≥24.5m/s三个等级。

首先，利用国家观测站、地面区域自动站观测资料和重要天气报，结合强对流天气过程汇编和雷达观测产品资料，选出2013—2022年4—9月江苏地区发生的强对流天气过程。其次，结合Micaps500hPa高度场和温度场，筛选出2013—2022年4—9月冷涡背景下发生的强对流天气过程，并将这些个例根据具体类型分门别类，主要分为短时强降水、雷暴大风和混合型3种类型。最后，统计分析3种类型强对流的强度、对流触发时间、时空分布等特征。进一步对比不同类型冷涡（北涡、中间涡和南涡）背景下，强对流天气特征。

3冷涡强对流天气特征分析

3.1强对流类型特征

利用上述研究方法筛选出2013—2022年4—9月江苏地区发生的强对流天气过程共计116例，将这些过程按照短时强降水、雷暴大风、混合型3种类型进行划分统计，结果如图1所示。在冷涡背景形势下，江苏地区3种类型的强对流天气均有可能发生，其中混合型强对流发生频次最多（104次），其次是雷暴大风（10次），只发生短时强降水的频次最少，只有2次。单独一种强对流（短时强降水或雷暴大风）发生的概率为仅为10%，远低于混合型强对流发生的概率（90%），未发生单独出现冰雹的天气个例。

根据冷涡位置的差异，将这些天气个例进一步细分为北涡、中间涡和南涡3种类型，并统计不同冷涡背景下强对流的类型，结果显示，中间涡发生的频次最多（65次），其次是北涡（47次），南涡发生的频次最少，只有4次。中间涡背景下，江苏地区3种类型的强对流天气均有发生，混合型最多（58），雷暴大风次之（5），短时强降水最少（2）。北涡形势下，只出现过雷暴大风（4）和混合型（43）。南涡时，同样只发生了雷暴大风（1）和混合型（3）。3种冷涡背景下，均表现为混合型强对流发生的频率最高。同时，可以发现单纯的短时强降水型天气过程，只会出现在中间涡的背景形势下。单纯的雷暴大风天气主要发生在北涡和中间涡的形势下，南涡背景形势下出现得较少。

3.2对流强度特征

根据短时强降水和雷暴大风的强度等级划分方法，统计116次冷涡背景下江苏强对流过程中对流强度特征。104例有短时强降水样本中，不同强度等级均有发生（图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。降水强度主要集中在30～49.9mm/h和50～79.9mm/h，占比达70%，雨强≥80mm/h的样本也占据了近1/4（24%），雨强为20～29.9mm/h的过程出现最少。

不同冷涡背景下，短时强降水的雨强分布呈现一定的共性特征，同时也有差异。北涡[图3（a）]和中间涡[图3（b）]背景下，各强度等级分布形态与冷涡背景下总体（图2）分布形态类似，都是表现为雨强为50～79.9mm/h的最多，30～49.9mm/h次之，≥80mm/h的紧随其后，20～29.9mm/h出现最少。南涡[图3（c）]背景下出现短时强降水的强度分布与北涡、中间涡以及总体情况均不相同，主要表现为20～29.9mm/h、50～79.9mm/h和≥80mm/h雨强出现次数相同，均为1次，30～49.9mm/h没有出现过。

在116例冷涡强对流过程中，有114例样本发生雷暴大风天气。这些样本中，8～9级（17.2～24.4m/s）大风出现频次最多（55次），占比48%；10级以上（≥24.5m/s）大风有37次，占比36%；7级（13.9～17.1m/s）大风出现最少，只有22次。

在不同冷涡背景下，雷暴大风的强度分布呈现一定的差异性。北涡[图5（a）]背景下，各强度等级分布形态与冷涡背景下总体（图4）分布形态相同，都表现为8～9级大风出现频率最高，10级以上次之，7级大风出现频率最低。中间涡[图5（b）]的强度等级分布形态与北涡[图5（a）]和总体情况（图4）类似，只是10级以上和7级大风出现频率差异缩小，比较接近。南涡[图5（c）]背景下的雷暴大风强度分布与北涡、中间涡以及总体情况均不相同，只出现8～9级和10级以上大风，并且10级以上大风出现频率更高。

11次出现冰雹的个例中，最大冰雹的直径主要集中在2～3cm，极大值可达4～5cm，最小的为1cm左右。

3.3对流触发时间特征

在这116例强对流中，每个个例最早记录到较明显对流活动的发生时间统计情况如图6所示。从图6可以看出，冷涡型强对流触发时间呈双峰形分布，主要分布在夜间和午后，有明显的日变化。最高峰为00—02时，占比40%，这可能与低空急流的日变化有关，低空急流常在夜间增强。作为热量、动量和水汽的集中带，常常承担对流不稳定层结的建立者和维持者的角色。次高峰为13—17时，占比29%，这和午后辐射增温有关，地表下垫面吸收太阳短波辐射，致使上下层温差加大，容易形成上冷下暖的不稳定层结，利于对流的产生。

强对流触发时间在不同的冷涡背景形势下，呈现比较相似的分布特征（图7），主要分布在午后和夜间。北涡形势下略有不同，触发时间表现出多波型，存在00—02时、11—14时和16—18时三个峰值。

3.4强对流空间分布特征

根据筛选出4—9月冷涡背景下江苏地区强对流天气过程，针对经常发生强对流的区域，根据发生的强对流现象划分落区（图略）。对于沿淮、淮北地区和沿江、苏南地区这两大区域，短时强降水和雷暴大风都比较容易发生。短时强降水在江淮之间南部的部分地区也较易发生，雷暴大风在江淮之间北部的部分地区容易发生。冰雹的落区相对比较分散一点，冰雹频发的落区主要集中在徐州和盐城的大部分地区，连云港北部、淮安南部和南通中北部的部分地区也存在冰雹落区。在沿江和苏南地区，存在零星的冰雹发生点。

4结论与讨论

利用国家观测站、地面区域自动站观测资料、重要天气报和Micaps500hPa高空资料，筛选出近10年（2013—2022年）4—9月江苏地区发生的冷涡背景下强对流天气过程总计116例。将这些个例按照短时强降水、雷暴大风和混合型分为3类，统计分析这3种类型强对流的强度、对流触发时间、时空分布等特征。本文也对不同类型冷涡（北涡、中间涡和南涡）背景下，强对流天气的表现特征进行了研究。得出的主要结论如下。

（1）冷涡背景下，3种类型的强对流天气在江苏均有可能发生，其中混合型强对流发生频次最多（104次，占比90%），其次是雷暴大风（10次），只发生短时强降水的频次最少（2次）。单纯一种强对流（短时强降水或雷暴大风）发生的概率为仅为10%，未出现单独发生冰雹的天气个例。

（2）出现短时强降水的个例中，最大小时雨强主要集中在30～49.9mm/h和50～79.9mm/h，占比达70%，雨强≥80mm/h的样本占比接近1/4（24%），雨强为20～29.9mm/h的个例出现最少；发生雷暴大风的个例中，8～9级大风出现频次最多（48%）；10级以上大风占比达36%；7级大风出现次数最少。

（3）中间涡样本最多，其次是北涡，南涡样本最少。3种冷涡背景下，均表现为混合型强对流出现频率最高，单纯的短时强降水过程，只会发生在中间涡形势下。单纯的雷暴大风天气主要发生在北涡和中间涡的形势下，南涡背景形势下出现得较少。

（4）北涡和中间涡最大小时雨强特征与总体分布形态类似。南涡的短时强降水强度与北涡、中间涡以及总体情况均不相同。北涡和中间涡的雷暴大风强度特征与总体情况类似，南涡背景下的雷暴大风强度分布与北涡、中间涡以及总体情况均不相同，只出现8～9级和10级以上大风，并且10级以上大风出现频率更高。

（5）冷涡型强对流触发时间呈双峰形分布，主要集中在夜间和午后，有明显的日变化。最高峰为00—02时，这可能与低空急流的日变化有关。强对流触发时间在不同冷涡背景形势下，呈现比较相似的分布特征，主要分布在午后和夜间，北涡强对流略有不同，触发时间呈现出多波型。

（6）短时强降水和雷暴大风在沿淮、淮北地区和沿江、苏南地区这两大区域经常发生，冰雹的落区相对比较分散一点。

参考文献

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