周一民， 張文濱， 朱佩君

(浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 浙江 杭州 310027)

0　引　言

強(qiáng)對流天氣空間尺度小，發(fā)展迅速，生命周期短，天氣劇烈，常伴隨暴雨、大風(fēng)、冰雹、龍卷等天氣現(xiàn)象[1]，破壞性極強(qiáng)，對農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和人民財產(chǎn)造成重大損失.研究表明,中尺度對流系統(tǒng)(MCSs)是產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣的主要天氣系統(tǒng)[2-4].

強(qiáng)對流天氣的氣候分布是強(qiáng)對流天氣研究的重點.早在20世紀(jì)80年代，國內(nèi)外就對強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行了普查統(tǒng)計工作，至今已取得了不少成果.例如，DOSWELL[5]對美國不同強(qiáng)度的冰雹、龍卷風(fēng)、雷暴大風(fēng)的年頻率分布特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對流天氣易發(fā)生于中西部平原.GEERTS[6]對美國東南部MCSs進(jìn)行統(tǒng)計分析，指出全年都存在MCSs，夏季最多，且尺度小、生命史短.ZHENG 等[7]利用逐時紅外亮溫(TBB)資料對我國及周邊地區(qū)夏季的MCS活動情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析, 結(jié)果表明，我國夏季MCS主要活躍在3條東西分布的帶狀區(qū)域.日變化特征分析顯示，單峰型MCS多發(fā)生在高原與山區(qū), 多峰型MCS 多發(fā)生在平原與盆地.MENG等[8]利用氣象雷達(dá)資料研究了我國東部颮線的時間變化特征，發(fā)現(xiàn)它們主要出現(xiàn)在7月，6月次之；在日變化上，30°N以北地區(qū)的颮線發(fā)生在18：00—21：00最多，12：00—15：00次之.HE 等[9]對我國北方地區(qū)(包含部分江淮和黃淮地區(qū))的暖季降雨做了日變化統(tǒng)計，指出北方地區(qū)降水平均峰值區(qū)域出現(xiàn)在傍晚(17：00LTC)的燕山和太行山山脈以東，夜間到達(dá)中國中部平原一帶，這主要由地形引起的加熱不均以及由此引發(fā)的山地與平原之間的螺管環(huán)流導(dǎo)致.

利用TBB資料和氣象雷達(dá)資料能夠反映強(qiáng)對流系統(tǒng)(MCS)特征[7-8,10-12]，但往往忽略了小尺度強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)，而這些小尺度強(qiáng)降水也會造成城市內(nèi)澇、山洪、泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[13].通過地面自動觀測容易辨別造成局地小尺度強(qiáng)降水的對流系統(tǒng).已有研究利用地面觀測資料分析了強(qiáng)對流天氣，例如，BROOKS等[14]利用小時降水資料(hourly precipitation data，HDP)分析了美國的暴雨分布； HOUZE等[15]利用雷達(dá)資料、小時降水資料HDP以及衛(wèi)星等資料對Oklahoma春季的中尺度暴雨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計；TIAN等[16]利用逐小時降水資料對我國中東部暖季的短時強(qiáng)降水進(jìn)行了統(tǒng)計.

強(qiáng)對流天氣具有突發(fā)性和極端性，其產(chǎn)生的環(huán)境條件和特征也是重要的研究內(nèi)容[8,12,17].MENG 等[8]將我國東部的颮線環(huán)境分成了短槽、長槽、冷渦、副高和槽后型；陳翔翔等[17]根據(jù)500 hPa及其以下環(huán)流特征將華南暖季暴雨分成切變線型、低渦型以及偏南風(fēng)風(fēng)速切變輻合型(偏南風(fēng)型).強(qiáng)對流的發(fā)生對環(huán)境的靜力穩(wěn)定度、水汽條件等均有一定的要求，通常引入抬升指數(shù)LIFT，SI指數(shù)、KI指數(shù)、對流有效位能CAPE、對流抑制能量CI、抬升凝結(jié)高度LCLP、可降水量PW等參數(shù)，稱之為對流發(fā)生的環(huán)境關(guān)鍵參數(shù).中國江淮和黃淮地區(qū)是強(qiáng)對流天氣的多發(fā)區(qū)域[7-8,13,18]，本文將利用地面觀測資料對該地區(qū)的強(qiáng)對流天氣分布特征進(jìn)行討論，并在此基礎(chǔ)上分析環(huán)流背景以及關(guān)鍵參數(shù)特征，為該地區(qū)的強(qiáng)對流天氣研究和預(yù)報提供一些氣候背景信息.

1　數(shù)據(jù)和方法

利用2010—2012年4—10月地面氣象觀測數(shù)據(jù)(525個站點分布如圖1(a)所示)，根據(jù)雷暴大風(fēng)(風(fēng)速≥17.2 m·s-1)或短時強(qiáng)降水(降水量≥20 mm·h-1)的強(qiáng)對流標(biāo)準(zhǔn)[19]，對我國江淮和黃淮地區(qū)(30°N～37°N，110°E～122°E)3年的強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行了分析和統(tǒng)計.其中，定義： (1) 強(qiáng)對流過程開始定義為有測站達(dá)到強(qiáng)對流標(biāo)準(zhǔn)；(2) 強(qiáng)對流過程結(jié)束定義為在原強(qiáng)對流運(yùn)動方向的200 km范圍內(nèi)連續(xù)3 h觀察不到符合強(qiáng)對流標(biāo)準(zhǔn)的測站；(3) 對于單個胞體，強(qiáng)對流分散，但在200 km范圍內(nèi)，又屬于同一大環(huán)境場，此分散的強(qiáng)對流系統(tǒng)歸為同一過程.本文主要統(tǒng)計分析的是持續(xù)時間≥3 h的強(qiáng)對流系統(tǒng).

根據(jù)地面觀測資料統(tǒng)計信息,包括強(qiáng)對流發(fā)生的位置、強(qiáng)對流過程的開始時間以及經(jīng)緯度、開始降水中心強(qiáng)度、過程結(jié)束時間、過程結(jié)束中心降水強(qiáng)度、維持時長、最強(qiáng)降水發(fā)生的經(jīng)緯度、最強(qiáng)降水強(qiáng)度、最強(qiáng)降水時間、不同氣壓場環(huán)流形勢、最強(qiáng)風(fēng)發(fā)生時間、最強(qiáng)風(fēng)經(jīng)緯度等.利用分辨率為0.5°×0.5°的NCEP GFS(global forecasting system)資料(時間： 2010年4—10月，2011年4、5、7—9月)和1°×1°的NCEP FNL (final)資料(時間： 2012年4—10月)對強(qiáng)對流天氣過程的高空形勢場進(jìn)行了分析，并根據(jù)500 hPa形勢場特征進(jìn)行環(huán)流背景的分型和分析.利用強(qiáng)對流天氣發(fā)生前附近探空資料做關(guān)鍵參數(shù)的統(tǒng)計分析，有關(guān)探空站分布如圖1(b)所示，探空資料來自懷俄明大學(xué)大氣科學(xué)系網(wǎng)站.并利用風(fēng)云2號衛(wèi)星0.1°×0.1° TBB資料篩選探空資料(利用TBB資料,剔除受污染的探空測站，使獲得的數(shù)據(jù)更貼近實際).

圖1　站點分布情況Fig.1　Distribution of the observation stations黑色方框為研究區(qū)域，黑色三角為探空測站，各山脈用黑色虛線框出;填色代表海拔高度大于200 m，間隔為200 m. The black rectangle represents the region of research, the black triangles represent the radiosonde stations, and the black dotted lines represent the mountain ranges. The shading shows the elevations are higher than 200 m, and the interval is 200 m.

2　江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流過程的一般特征

2.1　江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流過程的空間分布與季節(jié)分布特征

利用上文的條件和方法，共篩選出強(qiáng)對流過程時間大于等于3 h的個例418個，其中414例只有強(qiáng)降水，1例只有大風(fēng)，3例既有大風(fēng)又有強(qiáng)降水.圖2為2010—2012年4—10月我國江淮和黃淮地區(qū)發(fā)生強(qiáng)對流過程總次數(shù)的月分布圖，可以明顯看到，發(fā)生強(qiáng)對流過程最多的是8月，共158次，占總數(shù)的37.8%，其次是7月，共發(fā)生137次，占總數(shù)的32.8%.這與全國范圍短時強(qiáng)降水以及中國東部颮線統(tǒng)計結(jié)果(7月最多)有一定的差別[8,13]，其原因可能與研究區(qū)域和研究對象不同有關(guān).

由強(qiáng)對流系統(tǒng)區(qū)域分布可知(見圖3)，中國江淮和黃淮地區(qū)有3塊明顯的強(qiáng)對流過程發(fā)生區(qū)，分別是山東泰山周邊地區(qū)、東部平原地區(qū)、大別山和黃山一帶，主要集中在東部平原地區(qū)，約占整體的35.3%，大別山和黃山一帶約占16%，山東泰山周邊地區(qū)約占11%.強(qiáng)對流過程集中發(fā)生在山地周邊的規(guī)律，可能與山脈對氣流的抬升作用或繞山氣流輻合有關(guān).而東部平原強(qiáng)對流較多的部分原因是東部平原的水汽條件和CAPE值明顯大于其他區(qū)域.從季節(jié)區(qū)域分布來看(圖略)，強(qiáng)對流天氣過程有明顯隨季節(jié)變化的特征，4月份后逐漸增多，8月達(dá)到頂峰，隨后迅速減少.在強(qiáng)對流逐漸增多的過程中，東部平原成了集中發(fā)生的區(qū)域.

圖2　我國江淮和黃淮地區(qū)發(fā)生強(qiáng)對流過程的月分布Fig.2　Monthly variation of the convection weather processes over Jianghuai and Huanghuai region藍(lán)色為低槽型；橙色為副高型；綠色為冷渦型；紫色為臺風(fēng)型.The blue bars represent trough cases, the oranges represent subtropical-high cases, the greens represent cold-vortex cases, the purples represent typhoon cases.

圖3　江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流過程區(qū)域分布圖Fig.3　Distribution of the convection weather processes with the number of the frequency occurred in the grid box數(shù)字為強(qiáng)對流過程在格點范圍內(nèi)的發(fā)生頻率.The numbers indicate the frequency of the convection weather processes in the corresponding data square.

2.2　江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流過程的日變化特征

從圖4(a)中可以看出，我國江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流過程日變化在統(tǒng)計上呈雙峰型，下午至傍晚(15：00—18：00)和夜間(18：00—21：00)最多，其次是上午06：00—09：00，最不活躍的是09：00—12：00，這與我國中東部暖季降水時段一致[20]；與全國短時強(qiáng)

降水日變化[13]對比，最不活躍的時間段幾乎一致，但與最活躍的時間段有一定差別，江淮和黃淮地區(qū)最活躍段為18：00—21:00，全國為16：00—17：00；與MENG 等[8]中國東部颮線日變化分布對比，主峰都在18：00—21：00，次峰不同，文中強(qiáng)對流過程為06：00—09：00，東部颮線為12：00—15：00；與YU 等[21]對中國夏季短時強(qiáng)降水的研究結(jié)果一致.

由月變化圖可知(見圖4(b))，7、8月雖然都是爆發(fā)強(qiáng)對流過程的月份，但7月與其他月類似，呈雙峰型，而8月呈三峰型.從出現(xiàn)強(qiáng)對流的時間看，基本上各月強(qiáng)對流的高發(fā)時段在15：00—21：00，5月和7月在03：00—06：00出現(xiàn)了次峰，6、8、9月在06：00—09：00出現(xiàn)次峰，4月和8月在00：00—03：00出現(xiàn)了小峰值.所以，各月的傍晚及傍晚后是強(qiáng)對流的多發(fā)時段.

從日變化的區(qū)域分布來看(見圖5)，00：00—06：00(見圖5(a))強(qiáng)對流系統(tǒng)主要分布在山東西部及其以南區(qū)域、江蘇與安徽交界以東區(qū)域、河南西南部，06：00—12：00(見圖5(b))強(qiáng)對流系統(tǒng)主要分布在江蘇東北部和安徽西南部，12：00—18：00和18：00—00：00(見圖5(c)(d))是強(qiáng)對流系統(tǒng)的爆發(fā)期，2個時段分別占總數(shù)的29%和29.1%，主要分布在東部平原地區(qū).從區(qū)域分布的時間演變圖看，強(qiáng)對流集中區(qū)域從早至晚呈自西北向東南演變的趨勢，即從早上在地勢較高的西北地區(qū)逐漸向地勢較低的東部平原地區(qū)發(fā)展，這種傳播現(xiàn)象與文獻(xiàn)[9, 20,22-23]的研究結(jié)果類似，其可能是高原和平原區(qū)域加熱效應(yīng)產(chǎn)生環(huán)流觸發(fā)對流并移動的結(jié)果[9].18：00—00：00(見圖5(d))，在西北部也存在一塊強(qiáng)對流集中發(fā)生區(qū)域，位于太行山腳下，此時間段在該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)對流可能是夜間山地與平原氣流相互作用的結(jié)果[9,24].

圖4　江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流過程日變化Fig.4　The diurnal variations of the convection weather processes over Jianghuai and Huanghuai region

圖5　江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流過程日變化區(qū)域分布 Fig.5　The diurnal variations of spatial distribution of the convection weather processes

3　江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流的環(huán)境場特征

3.1　強(qiáng)對流天氣過程的天氣形勢

通過對江淮和黃淮地區(qū)418個強(qiáng)對流過程的500 hPa形勢場進(jìn)行特征分析，可分為4種類型： 低槽型、副高型、冷渦型和臺風(fēng)型.其中,低槽型個例284個，占總數(shù)的67.9%；副高型個例101個，占總數(shù)的24.2%；冷渦型16個，臺風(fēng)型17個.

3.1.1低槽型

低槽型包括短波槽和長波槽.短波槽長度不超過1 000 km，這種短槽一般在其東南面有暖濕氣流的輸送，其西北面經(jīng)常有冷渦生成，使得常常有小股冷空氣滲入江淮和黃淮地區(qū)與暖濕氣團(tuán)交匯，形成對流性天氣(見圖6(a)).長波槽長度一般超過1 500 km，江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流常發(fā)生在長波槽槽前的底部地區(qū)，此地區(qū)往往充滿水汽和一定的垂直切變(見圖6(b)).在圖6的個例形勢場中，可降水量大于55 kg·m-2、低空急流和垂直風(fēng)切變大于10 m·s-1的區(qū)域都與強(qiáng)對流系統(tǒng)中心基本一致.低槽型個例每個季節(jié)均較多，在強(qiáng)對流爆發(fā)的7、8月份尤其多(見圖2).

圖7為低槽型平均形勢場，可以看出強(qiáng)對流系統(tǒng)平均發(fā)生位置在安徽西北部，高空大槽的前部，槽前的上升氣流為強(qiáng)對流的發(fā)生提供了觸發(fā)條件，其CAPE值約為600 J·kg-1，發(fā)生區(qū)域及其以南大范圍區(qū)域可降水量大于50 mm，處于低層正渦度和輻合區(qū)域，并且有一定的垂直風(fēng)切變和低空急流配合.通過分析強(qiáng)對流發(fā)生的環(huán)境條件發(fā)現(xiàn)，其間都有較好的對應(yīng)關(guān)系，在此情況下極易發(fā)生強(qiáng)對流天氣.這樣的對應(yīng)關(guān)系在很多研究中均有所體現(xiàn)，MENG等[8]發(fā)現(xiàn)颮線發(fā)生的位置也是低空急流、垂直風(fēng)切變以及水汽的大值區(qū).除此之外，在圖7(a)中可以看到，850 hPa的溫度場上有條冷舌(紅色箭頭)向江淮和黃淮地區(qū)伸展，說明高空槽線引導(dǎo)的冷空氣活動對低槽型強(qiáng)對流個例的生成有一定作用.

3.1.2副高型

副高型指在副熱帶高壓邊緣或內(nèi)部有強(qiáng)對流天氣過程產(chǎn)生，如圖8中的個例所示.副高型個例常伴有強(qiáng)水汽輸送，當(dāng)北方有冷空氣活動或者西南側(cè)有倒槽活動時容易形成強(qiáng)對流天氣. 從圖8的個例形勢場圖中可以發(fā)現(xiàn)，副高型水汽資源充足，而低空急流和垂直風(fēng)切變特征則和強(qiáng)對流發(fā)生區(qū)域有關(guān)(見圖8(a)、(b)).副高型個例主要發(fā)生在7—9月，尤其是7月和8月(見圖2)，副高南側(cè)的偏東氣流和夏季的西南季風(fēng)相互配合，將大量水汽輸送到江淮和黃淮地區(qū)，使得該地區(qū)在副高型下具有充足的水汽.7月中旬至8月，雖然長江中下游地區(qū)進(jìn)入盛夏，但是黃淮流域卻雨量增多，是強(qiáng)對流爆發(fā)的季節(jié).本文研究區(qū)域既有7月份強(qiáng)對流系統(tǒng)較多的長江中下游地區(qū)，也包含8月份強(qiáng)對流系統(tǒng)較多的黃淮流域.

圖6　低槽型個例500 hPa形勢場圖Fig.6　Examples of environment flow map for the trough pattern at 500 hPa藍(lán)色等值線為500 hPa位勢高度(間隔： 40 gpm)，紅色等值線為500 hPa溫度場(單位： K)，綠色等值線為可降水量(PW)大于55 kg·m-2的區(qū)域，風(fēng)矢量為垂直風(fēng)切變(700～1 000 hPa)大于10 m·s-1的區(qū)域(風(fēng)矢量在(a)的左下角)，底部的陰影為850 hPa風(fēng)速大于10 m·s-1的區(qū)域，中間的紅點為強(qiáng)對流中心位置，褐色實線為槽線.Plotted are geopotential height [blue contours, interval: 40 gpm], temperature (dashed red contours, units: K) at 500 hPa,column-integrated PW is greater than 55 kg·m-2 (green contours, units: kg·m-2), vertical shear vector is between 700 and 1 000 hPa with the magnitude larger than 10 m·s-1 [the representative wind vector is given in the bottom-left corner of (a)], and wind speed is larger than 10 m·s-1 at 850 hPa (shaded, interval: 2 m·s-1). The places where the convection weather process occur are marked by red dots. The brown line represents trough-line.

圖7　低槽型平均形勢場圖Fig.7　The mean environment flow maps for the trough pattern(a)圖中藍(lán)色等值線為850 hPa位勢高度(間隔： 20 gpm)，紅色虛線為850 hPa溫度場(間隔： 4℃)，風(fēng)矢量為垂直風(fēng)切變(700～1 000 hPa)大于4 m·s-1的區(qū)域，850 hPa正渦度區(qū)(陰影,單位： 10-5s-1)，橙色等值線為CAPE大于500 J·kg-1的區(qū)域(間隔： 100 J·kg-1)，紅色箭頭為冷舌區(qū)，黑色虛線框為研究區(qū)域，中間的紅點為強(qiáng)對流平均位置；(b)圖中藍(lán)色等值線為500 hPa位勢高度(間隔： 40 gpm)，紅色等值線為500 hPa溫度場(單位： ℃)，850 hPa輻合區(qū)(陰影，單位： -10-5s-1)，風(fēng)矢量為850 hPa風(fēng)場大于2 m·s-1，綠色等值線為PW大于44 kg·m-2的區(qū)域(間隔： 2 kg·m-2)，黑色虛線框同(a)，中間的紅點同(a)，褐色實線為槽線.(a) The plotted are geopotential height [blue contours, interval: 20 gpm], temperature (dashed red contours, interval: 4 ℃) at 850 hPa, vertical shear vector between 700 and 1 000 hPa with the magnitude larger than 4 m·s-1 [the representative wind vector is given in the bottom-right corner of (a)]. Positive vorticity area is at 850 hPa(shaded, units: 10-5s-1) and CAPE is greater than 500 J·kg-1(orange contours, interval: 100 J·kg-1) with the area of cold tongue(red arrows) and the research area(dashed black contour).The places where the mean center of the convection weather process occured are marked by red dots.(b) The plotted are geopotential height [blue contours, interval: 40 gpm], temperature (dashed red contours, units: ℃ ) at 500 hPa, convergence area at 850 hPa(shaded, units: -10-5s-1), vector at 850 hPa with the wind speed larger than 2 m·s-1 at 850 hPa [the representative wind vector is given in the bottom-right corner of (b)], PW greater than 44 kg·m-2 (green contours, interval: 2 kg·m-2),the dashed black contour and the red dots are the same as in (a), and the brown line represents trough-line.

圖8　副高型個例500 hPa形勢場圖Fig.8　Examples of environment flow map for the subtropical-high pattern at 500 hPa圖注說明參照圖6. The notes of fig.8 are the same as fig. 6.

在圖9的副高型平均形勢場中(見圖9(b))，強(qiáng)對流系統(tǒng)發(fā)生的平均位置在安徽的中西部(圖中紅色小圓點)，位于副高588線的西北側(cè)，是副高型發(fā)生的典型區(qū)域.環(huán)境CAPE值約為1 200 J·kg-1，明顯高于其他類型，可降水量在56 kg·m-2左右，其渦度和散度大值區(qū)不明顯，渦度大值區(qū)在西南部，可能與低層西南渦活動有關(guān)，垂直風(fēng)切變大于4 m·s-1的區(qū)域主要在研究區(qū)域北部，850 hPa處大于2 m·s-1的區(qū)域主要分布在東南部.在副高型中，850 hPa處也有一條冷舌向江淮和黃淮地區(qū)伸展，且比低槽型深很多，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的產(chǎn)生.

圖9　副高型平均形勢場圖Fig.9　The mean environment flow maps for the subtropical-high pattern圖注說明同圖7. The notes of fig. 9 are the same as fig.7.

綜上所述，江淮和黃淮地區(qū)副高型強(qiáng)對流一般特征為弱的低空急流和弱的垂直風(fēng)切變，但具有豐富的水汽資源和層結(jié)不穩(wěn)定性，常發(fā)生在副高588線的西北側(cè).

3.1.3冷渦型

冷渦型定義為在冷渦附近(離冷渦中心不超過500 km)或者冷渦橫槽前的西北氣流區(qū)發(fā)生的強(qiáng)對流天氣過程(見圖10)，該類型所占的比例非常小，與部分研究有所差別.統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，常有受冷渦底部槽線影響(距離冷渦中心超過2 000 km)形成的強(qiáng)對流天氣，本文將此歸為低槽型而非冷渦型，所以低槽型較多，而冷渦型較少.冷渦型個例主要發(fā)生在5—7月，6月最多(見圖2).從圖12(a)、(b)中可明顯看到冷渦型個例的水汽條件與其他類型相差很多，但垂直風(fēng)切變很強(qiáng)，低空急流主要發(fā)生在強(qiáng)對流的南部.

由圖11的冷渦型平均形勢場可知，其發(fā)生的平均位置較其他類型偏西北一些，位于河南中西部，這與冷渦中心位置偏北有關(guān).冷渦型較其他類型平均可降水量少，遠(yuǎn)小于50 kg·m-2，CAPE值小于600 J·kg-1，正渦度最大值區(qū)在平均位置的東北側(cè)低渦附近，輻合中心在強(qiáng)對流平均位置西北方向的橫槽上.環(huán)境垂直風(fēng)切變明顯大于低槽型和副高型，在其南部有明顯的低空急流帶(見圖11(b)).冷渦型強(qiáng)對流系統(tǒng)產(chǎn)生的主要原因是冷渦所引導(dǎo)的南下干冷空氣與低空急流引導(dǎo)的北上暖濕氣流的相互作用[25].說明低空急流對于冷渦型強(qiáng)對流天氣過程的產(chǎn)生具有舉足輕重的作用.與前兩類類似，在冷渦型中也有一條冷舌向江淮和黃淮地區(qū)伸展.

3.1.4臺風(fēng)型

臺風(fēng)型指主要由臺風(fēng)外圍影響所產(chǎn)生的強(qiáng)對流天氣，包括臺風(fēng)登陸前的強(qiáng)對流天氣過程(臺前颮線[11])和登陸后的強(qiáng)對流天氣過程.臺風(fēng)型個例主要出現(xiàn)在8月(見圖2).在臺風(fēng)型個例500 hPa形勢場中(見圖12)，可降水量、垂直風(fēng)切變、低空急流均很強(qiáng).

在臺風(fēng)型平均形勢場中(見圖13)，臺風(fēng)型個例的平均位置(紅色圓點)在研究地區(qū)的東南區(qū)域，位于江蘇中南部，這與影響江淮和黃淮地區(qū)的臺風(fēng)主要在浙江福建一帶登陸有關(guān)，強(qiáng)對流發(fā)生的平均位置在臺風(fēng)的東北部區(qū)域.臺風(fēng)型個例的CAPE值在1 000 J·kg-1左右，可降水量達(dá)到了60 kg·m-2，在4種環(huán)境類型中渦度最大，垂直風(fēng)切變強(qiáng)，也有很強(qiáng)的低空急流，且在急流區(qū)附近.所以，臺風(fēng)條件下強(qiáng)對流極容易發(fā)生，統(tǒng)計數(shù)據(jù)也證明，臺風(fēng)影響區(qū)域基本都會有強(qiáng)對流天氣發(fā)生.

圖10　冷渦型個例500 hPa平均形勢場圖Fig.10　Examples of environment flow map for the cold-vortex pattern and at 500 hPa圖注說明同圖6.　The notes of fig. 10 are the same as fig.6.

圖11　冷渦型平均形勢場Fig.11　The mean environment flow maps for the cold-vortex pattern(a) 中紅色箭頭為冷舌位置，(b) 中紫色區(qū)域為急流帶，其他圖注說明同圖7.The red arrow in fig.11 (a) indicates the cold tongue, and the purple contour represents low-level jet stream, other notes are the same as fig.7.

圖12　臺風(fēng)型個例500 hPa平均形勢場圖Fig.12　Examples of environment flow map for the typhoon pattern and at 500 hPa臺風(fēng)中心用臺風(fēng)符號標(biāo)出，其他注釋同圖6.The typhoon center is marked by typhoon symbol, and the other notes are the same as fig.6.

3.2　強(qiáng)對流過程發(fā)生前的環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)對比

選取離強(qiáng)對流過程最強(qiáng)時刻所在的經(jīng)緯度最近的測站(見圖1(b)),利用強(qiáng)對流發(fā)生前00：00(UTC)或12：00(UTC)的探空資料，并用衛(wèi)星TBB資料對探空數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，對強(qiáng)對流發(fā)生前的環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，了解江淮和黃淮地區(qū)不同環(huán)境背景下對流參數(shù)的統(tǒng)計特征.在選取測站時有4種情況： 1) 強(qiáng)對流正好向該測站方向移動，該地區(qū)的不穩(wěn)定能量尚未釋放，這是符合本文要求的最好情況；2) 該測站已經(jīng)發(fā)生過強(qiáng)對流，不穩(wěn)定能量已經(jīng)釋放，這種情況對數(shù)據(jù)真實性有一定影響；3) 該測站正在發(fā)生強(qiáng)對流，此情況對數(shù)據(jù)真實性也有一定影響；4) 從強(qiáng)對流開始至結(jié)束，該測站沒受任何影響，即強(qiáng)對流系統(tǒng)沒有朝該測站方位移動.本文選取的時間是強(qiáng)對流的開始時刻，沒有選取強(qiáng)對流發(fā)生最強(qiáng)時刻，是為了防止第2、3種情況的發(fā)生.加上利用衛(wèi)星TBB資料對探空數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選(方法： 以測站為中心，在1個經(jīng)緯距為邊長的正方形范圍內(nèi)剔除云頂亮溫(TBB)≤-24 °C的測站)，大大降低了出現(xiàn)第3種情況的可能性，使數(shù)據(jù)更具真實性.通過對比計算，進(jìn)一步驗證了以上結(jié)果(表略).

圖13　江淮和黃淮地區(qū)臺風(fēng)型平均形勢場圖Fig.13　The mean environment flow maps for the typhoon pattern over Jianghuai and Huanghuai region圖注說明同圖7. The notes of fig.13 are the same as fig.7.

3.2.1水汽條件

由表1可知，在強(qiáng)對流發(fā)生之前，可降水量PW在冷渦環(huán)境中是最小的，平均值只有37.2 kg·m-2,按照鄭淋淋等[29]對強(qiáng)對流干濕環(huán)境的劃分，冷渦型應(yīng)屬于干環(huán)境下的中尺度對流過程.臺風(fēng)型環(huán)境下PW最大，為62.3 kg·m-2，其次為副高型.500 m以下平均水汽混合比(mean mixed layer mixR，mimR(g·kg-1))也是冷渦型最小，為14.3 g·kg-1，低槽型次之，副高型最大.可降水量，副高型水汽更多集中在邊界層低層，而臺風(fēng)型水汽分布在更深厚的對流層中.在TIAN 等[16]的統(tǒng)計中，PW和水汽混合比對我國暖季短時強(qiáng)降水有很強(qiáng)的指示作用，PW數(shù)值主要集中在59 kg·m-2左右，除冷渦型外，本文中其他類型的平均值均大于59 kg·m-2，對于本文中的水汽混合比，也同樣有很強(qiáng)的指示對比作用.

表1　2010—2012年強(qiáng)對流過程發(fā)生前平均探空要素值以及與已有研究的對比

抬升凝結(jié)高度的氣壓(LCLP)決定了強(qiáng)對流初始對流發(fā)生的難易程度，其大小主要由低層水汽條件決定，LCLP值越大，說明水汽越容易達(dá)到飽和，需要的抬升能量越少，越容易發(fā)生強(qiáng)對流.表1中，臺風(fēng)型LCLP最大(高度最低)，為939.6 hPa，低槽型和副高型次之，冷渦型最小(高度最高).

3.2.2不穩(wěn)定條件

對流有效位能(CAPE)是強(qiáng)對流潛在強(qiáng)度的一個重要指標(biāo)， CAPE值在判斷是否發(fā)生冰雹時有一定的指示意義[30]，一般CAPE值大于700 J·kg-1有利于較強(qiáng)對流天氣的發(fā)生，但通常達(dá)到1 000 J·kg-1以上時才易發(fā)生強(qiáng)對流，冰雹天氣時CAPE值更高.在江淮和黃淮地區(qū)(見表1)，副高型在強(qiáng)對流發(fā)生前所具有的CAPE值最大，達(dá)到了1 275.9 J·kg-1,低槽型次之，為931 J·kg-1，冷渦型最小.從圖14中可以看出，副高型中位數(shù)超過1 000 J·kg-1，低槽型、冷渦型、臺風(fēng)型中位數(shù)均在800 J·kg-1左右.通過與短時強(qiáng)降水等比較，中位數(shù)大于短時強(qiáng)降水(629 J·kg-1).極大值方面，在低槽型中有例極端異常值，超過5 000 J·kg-1，短時強(qiáng)降水為3 114 J·kg-1[16].其他從與大氣層結(jié)穩(wěn)定性有關(guān)的要素中亦可看出，副高型最不穩(wěn)定，如KI指數(shù)，副高型達(dá)到了35.4 ℃，抬升指數(shù)(LIFT)為-2.6 K.

圖14　4種類型強(qiáng)對流過程的對流有效位能箱式圖Fig.14　Box-and-whisker plot for CAPE of the four categoriesTr代表低槽型，STH代表副高型，CV代表冷渦型，TC代表臺風(fēng)型，上線和下線分別代表Q3+1.5IQR和Q1—1.5IQR，空心圓代表異常值，星代表極端異常值.Tr represents the trough pattern, STH represents the subtropical-high pattern, CV represents the cold-vortex pattern, TC represents the typhoon pattern.The upper and lower horizontal lines represent the Q3+1.5IQR and the Q1-1.5IQR of the CAPE distribution, hollow rounds represent outliers，star represents extreme outlier.

對比國內(nèi)外研究(見表1)發(fā)現(xiàn)，江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流過程的不穩(wěn)定性(CAPE和LIFT)小于美國俄克拉荷馬州的颮線[26]、美國中部中尺度對流系統(tǒng)[10]、熱帶地區(qū)颮線[27]、全美國風(fēng)暴來臨前的颮線前部[28]、中國臺風(fēng)前颮線[11]中國東部颮線[8]中國東部強(qiáng)對流系統(tǒng)[12]，大于中國暖季短時強(qiáng)降水[16].本文統(tǒng)計的是持續(xù)時間3 h及以上的強(qiáng)對流過程，不同于前文的颮線過程，MENG 等[8,11]以及ZHENG等[12]均通過雷達(dá)資料嚴(yán)格篩選颮線的強(qiáng)度，此颮線強(qiáng)度本應(yīng)強(qiáng)于或等于本文中的強(qiáng)對流過程.平均可降水量(PW)和我國臺風(fēng)前颮線[11]、中國東部颮線[8]、我國短時強(qiáng)降水[16]幾乎相等，約是美國的2倍，這在平均抬升凝結(jié)高度(LCLP)上同樣得到了驗證，我國大約高出美國70 hPa.

4　結(jié)論與討論

利用地面觀測資料和再分析資料，以地面短時強(qiáng)降水和大風(fēng)為判別標(biāo)準(zhǔn)，對2010—2012年江淮和黃淮地區(qū)418個強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得到以下結(jié)論：

4.1研究地區(qū)強(qiáng)對流天氣主要發(fā)生在6—9月，8月最多，呈單峰型.空間上，江淮和黃淮地區(qū)有3塊明顯的強(qiáng)對流發(fā)生區(qū)域，分別是山東泰山周邊地區(qū)、東部平原地區(qū)、大別山和黃山一帶.隨著強(qiáng)對流過程逐漸增多，東部平原成為其集中發(fā)生的區(qū)域，占比最高，達(dá)到35.3%.

4.2從日變化來看，強(qiáng)對流主要發(fā)生在15：00—21：00與06：00—09：00，呈雙峰型，并且在空間走勢上從早至晚呈現(xiàn)自西北向東南的發(fā)展規(guī)律.

4.3根據(jù)500 hPa形勢場，研究區(qū)域的強(qiáng)對流環(huán)境背景主要有低槽型、副高型、冷渦型、臺風(fēng)型4種類型.其中低槽型個例為284個，占總數(shù)的67.9%；副高型101個，占總數(shù)的24.2%；臺風(fēng)型17個，冷渦型16個.低槽型強(qiáng)對流平均位置在槽的前部，槽前上升氣流為強(qiáng)對流的發(fā)生提供了觸發(fā)條件；副高型強(qiáng)對流平均位置在副高588線的西北側(cè)邊緣，是副高型個例的典型發(fā)生位置；冷渦型平均位置在冷渦槽前部且離冷渦較近，冷渦型垂直風(fēng)切變明顯大于其他類型，其南部有明顯的低空急流帶；臺風(fēng)型的平均位置在臺風(fēng)東北側(cè)，臺風(fēng)條件下強(qiáng)對流極易發(fā)生.

4.4對比強(qiáng)對流發(fā)生前的各關(guān)鍵參數(shù)發(fā)現(xiàn)，副高型潛在不穩(wěn)定度最大，低層水汽充沛；臺風(fēng)型整層水汽最多，臺風(fēng)凝結(jié)高度低；低槽型各項參數(shù)適中；冷渦型最干.相對已統(tǒng)計的颮線，我國江淮和黃淮地區(qū)強(qiáng)對流過程相對較弱，但強(qiáng)于東部短時強(qiáng)降水[16]；我國的強(qiáng)對流水汽條件好于美國，部分可降水量甚至是美國的2倍.

通過地面自動觀測站對觀測到的短時強(qiáng)降水和大風(fēng)資料進(jìn)行了分析和判別，由于未包含冰雹等其他災(zāi)害性天氣，與該區(qū)域?qū)嶋H發(fā)生的強(qiáng)對流天氣存在一些偏差.此外，本文未進(jìn)一步細(xì)分降水強(qiáng)度和大風(fēng)強(qiáng)度，有待后續(xù)研究.

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