徐小偉，葉海龍

(衢州市氣象局，浙江 衢州 324000)

強對流天氣是浙江春夏季節(jié)多發(fā)的天氣系統(tǒng)，中尺度對流復合體(Mesoscale Convective Complex，MCC)是對流天氣發(fā)展到一定強度后出現的系統(tǒng)，當MCC發(fā)展到比較強時，會有連續(xù)的單體產生，單體中出現持久深厚的中氣旋，標志著單體加強成超級單體。馮晉勤等[1]認為，大部分超級單體風暴的中氣旋出現在4—5月，生成在12:00—20:00及30～110 km高度處，維持時間大于3個體掃，93.8%的超級單體中尺度氣旋總是與冰雹、雷雨大風、短時強降水等強天氣相聯系。陳明軒等[2]認為，大氣熱力不穩(wěn)定度(包括CAPE、熱力不穩(wěn)定度、抬升凝結高度等)是影響對流風暴組織類型最重要的熱力因子。此外，超級單體風暴出現的典型動力環(huán)境是大氣存在強垂直風切變環(huán)境，強垂直風切變對超級單體的形成和發(fā)展有重要作用[3-8]。刁秀廣等[9]指出，連續(xù)5個以上體掃出現中氣旋的超級單體壽命明顯較長，說明持續(xù)深厚的上升氣流對風暴維持起到重要作用，極易造成極端性強災害天氣。中氣旋、鉤狀回波、陣風鋒、弓形回波和中低層徑向速度輻合等雷達回波特征對雷暴大風預警具有較好的指示意義[10-11]。吳迎旭等[12]認為，水汽和熱力條件是產生強降水的基礎，動力抬升條件是降水強度的決定因素。超強的低層急流和水汽輻合與中層的干冷空氣疊置，使上升運動加強，低層輻合的水汽被抬升至對流層高層，有利于強降水的產生。強降水超級單體風暴具有熱動力場結構、水汽輸送和冷干侵入三方面的特征[13-16]。吳海英等[17]研究了長生命史超級單體內部結構演變特征，形成維持機制，得出超級單體風暴能夠較長時間維持，一方面取決于未來移經的熱力動力環(huán)境，另一方面也與風暴內部結構的演變緊密相關。此外，后側入流急流對超級單體風暴維持有明顯作用[18-20]。張琴等[21]認為，高低空的溫度平流配置與冰雹落區(qū)有很好的對應關系。郭鴻鳴等[22]認為，超級單體的傳播和多單體風暴的后向傳播均滿足一定矢量運算，通過估算可以提前預判超級單體的偏移方向和風暴單體后向傳播的區(qū)域，從而提前風雹強對流天氣的預警發(fā)布時間。

本文主要從大氣動力配置的角度研究了連續(xù)單體的發(fā)展演變，首先簡要分析環(huán)流背景，結合探空曲線、對流指數、不穩(wěn)度條件、熱力不穩(wěn)定條件對MCC發(fā)生發(fā)展的作用，由實況天氣分析得出本次對流性天氣過程是MCC中的連續(xù)2次單體(以下稱單體A，B)過程，文中主要分析了大氣動力演變對2次單體內部中尺度環(huán)流型式發(fā)展的影響，并通過動力因子(渦旋度、水汽散度等)的垂直積分時空變化，分析2次單體過程垂直運動條件變化，得出大氣層垂直動力對MCC中連續(xù)單體結構特征的影響，根據雷達回波的產品分析可以驗證單體內中尺度結構環(huán)流與環(huán)境垂直大氣動力場有較好適應關系，區(qū)域自動站氣象動力可以驗證大風和強降水的分布與單體結構類型吻合，并由此得出在農業(yè)氣象短時臨近預報預警業(yè)務中，大氣動力配置對MCC中判斷對流單體的結構特征變化有較好作用，結合雷達風暴結構(SS)和單體液體水含量C-VIL可以細化強對流單體的農林業(yè)致災氣象動力的預報預警。

1 天氣實況

2018年3月4日，衢州最高氣溫30.5 ℃，突破近50年的歷史同期極值。除了西北部和東南部海拔較高的山地外，盆地及大部分山地區(qū)域自動站最高氣溫達到30 ℃以上。熱力條件較好，受中高層冷空氣侵入和低層西南暖濕氣流共同影響，2018年3月4日17：00 —22：00，湘、贛、晥、浙等南方省份出現了大范圍的強對流性天氣，其中浙西上游有多個MCC連續(xù)發(fā)展，18：00前后對流復合體開始影響浙西。根據浙西地區(qū)5個國家基本氣象站觀測到的整點氣象數據，單體A、B生成前后各氣象動力變化主要特征見圖1。

圖1 3月4日MCC過程國家基本站風速和溫度變化曲線

風力有2次急增。由圖1可知，第一次單體A過程衢州站(58633)、江山站(58632)、常山站(58631)、龍游站(58547)瞬間極大風速分別達26.1、20.1、24.0、20.9 m·s-1；第二次單體B過程風力明顯減弱，僅衢州(58633)站達到18.9 m·s-1(8級大風)。

第一次單體A過程溫度先升高后驟降，第二次單體B溫度下降不明顯。

從天氣災害的變化可以看出，本次影響浙西的MCC中，2次單體(A，B)天氣過程特點不同。第一次強單體過程主要集中在18:00—19:00，2018年3月4日17：00開始，浙西地區(qū)自西向東出現強雷電、短時強降水、大風等強對流天氣，單體A過程出現了比較大的風災，出現10級以上大風的鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部集中在浙西中北部，其中又以浙西中部常山縣，柯城區(qū)最為明顯，最大衢江區(qū)周家鄉(xiāng)28.9 m·s-1，而浙西東南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)較中北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)風力則明顯偏小。19：00第一次單體A過程結束，第二次單體B過程出現在20:00—22:00，單體B過程天氣過程范圍較小，地面風力略有減小但強度更大，并出現強雷電、短時強降水、大風，常山縣東南部、衢州中南部、江山市北部個別地區(qū)出現冰雹，直徑2 cm左右。23：00之后MCC減弱，后期風雨主要是受北部冷空氣影響。本次MCC過程造成道路綠化帶及車站等處樹木被大風吹斷，農田設施大棚損毀嚴重，由于未采取適當防護，部分農田蔬菜遭冰雹損壞嚴重。

2 環(huán)流分析與不穩(wěn)定條件概述

由圖2可知，2018年3月4日14：00 200 hPa，我國華北和東南部出現大片70 m·s-1強風速區(qū)，南方西南急流核位于浙閩贛三省，20：00高空急流略有北抬，但強度基本維持，浙西位于200 hPa急流入口區(qū)右側，具有較好的高空輻散和抽吸作用。20：00副高588線略有西伸北抬，500 hPa浙西處于槽前西南氣流，風力較大，850切變線位于長江一線，浙西處在切變南側西南暖濕氣流中，低空急流由粵閩沿海北上，將切變南側暖濕氣流輸送到浙西，給MCC提供了水汽和熱力條件。中高層干冷，典型的下暖濕上干冷的大氣層結條件，有利于強對流天氣的出現。

圖a中下標箭頭為70 m·s-1風矢；虛線為急流等值線(m·s-1)。圖b中填色區(qū)域為急流區(qū)：一個三角為20 m·s-1，一個風向桿為4 m·s-1，半個風向桿為2 m·s-1；灰色等值線為等高線(dagpm)，黑色實線為588線(dagpm)。圖2 200 hPa急流(a)與500 hPa高度場及850 hPa風場(b)變化

3 大氣動力分析

3.1 大氣渦旋度垂直積分

張培昌等[20]認為，大氣對流層渦度的形成機制可以通過渦度方程來討論。由于主要考慮中尺度對流風暴所在大氣環(huán)境垂直渦度的形成機制，準地轉作用很小，故略去地轉渦度項的大氣垂直渦度方程為：

(1)

對流復合體是從地面發(fā)展到大氣頂(甚至超過大氣頂)的三維空間結構，在由于某一層渦旋度表達式不能表示對流層中大氣風場的旋轉程度輸入到對流單體內的大氣渦度，本文定義了渦度散度項的垂直質量加權積分(hPa·m·s-2)：

(2)

式(1)中，右側第二項可以寫成矢量形式：ω×s·k，稱為渦度傾側項，表示水平渦度在有垂直風切變存在的條件下，同時又有垂直運動在水平方向不均勻分布時所引起的渦旋度變化，這里引入水平渦度傾側項垂直質量加權積分(m2·s-2)：

(3)

由圖3可知，2018年3月4日上午浙西渦度散度項的垂直積分為負值，14：00浙西垂直大氣渦旋度垂直積分較小中心值達20 hPa·m·s-2，單體A處在弱的大氣渦旋度中，對流單體強度較弱，上升運動不明顯，發(fā)展主要集中在低層，以地面大風災害為主，未出現中氣旋和冰雹。20：00江西中北部地區(qū)的大氣渦旋度開始增強，大氣渦旋度強中心位于浙西中北部，和單體B強降水冰雹實況基本一致，江西北部也有一定的垂直上升運動和中尺度渦旋運動，20：00后發(fā)展為贛東北強渦旋度中心，單體B處在大氣渦旋度大值區(qū)，中心數值達到80 hPa·m·s-2。大氣渦旋度也有顯著增大，強渦旋中心主要位于贛東北地區(qū)，晥南地區(qū)也有較高的渦旋度，表明單體B過程初始階段就有較高大氣渦旋度背景場，在單體B的發(fā)展過程中大氣渦旋度明顯加強，上升運動明顯，單體B發(fā)展為更強的對流單體，實況單體B產生了標志超級單體的中氣旋，并出現了降雹?？芍獙α鲉误w結構類型與大氣渦旋度質量垂直積分的強度有顯著關系。

等值線為垂直風暴渦旋度積分(hPa·m·s-2)，正值表示對流層大氣正渦旋度積分，負值表示對流層大氣負渦旋度積分圖3 垂直風暴渦旋度積分分布

3.2 水汽散度作用

3.2.1 水汽散度垂直剖面

暖濕氣流輸送體現了水汽平流條件，水汽散度表達式為：

(4)

由圖4可知，用衢州單點(119°E，27°N)水汽散度垂直時間剖面分析高低層水汽散度配置，20：00前，中高層以水汽輻合，低層水汽輻散，有較明顯的下沉運動，單體A處在水汽輻散下沉的大氣層中；20：00后，低層水汽輻合明顯加強，高層以水汽輻散為主，水汽輻合上升條件明顯增強。由此證實，單體B的水汽垂直輸送條件更顯著。

3.2.2 整層水汽散度積分

考慮MCC所在的整個大氣層的水汽散度條件可以更好的反應大氣的水汽散合項對流單體發(fā)展的作用，定義水汽散度的垂直積分，表達式為：

(5)

從水汽散度的垂直積分來看，大氣整層水汽散度分布更具連續(xù)性，大氣動力的空間分布與實際MCC的發(fā)生發(fā)展更為接近。圖4表明，單體A處在水汽通量散度較弱的環(huán)境場中出現了分散性的降水中心，且強度較弱；單體B發(fā)生發(fā)展時處于上游水汽散度強中心區(qū)，其降水更集中，且強度明顯超過單體A。20：00后，浙西強水汽中心位于浙西中部地區(qū)，強水汽輻合帶與MCC的分布趨同，與單體B的降水落區(qū)基本一致。

4 對流單體結構特征驗證

4.1 雷達資料分析

單體A、B雷達風暴結構(SS)產品的時間曲線從單體內部強反射率中心位置說明了大氣層垂直動力作用對單體發(fā)展的影響。

由圖5、6可知，在大氣下沉運動作用下，A在浙西發(fā)展過程中回波頂高存在下降的趨勢，C-VIL和強中心高度同步下降。強中心高度下降2 km附近，C-VIL至少減少10 kg·m-2。預測大風的時間提前量在0～30 min。

a陰影為水汽散度(g·m·s-1)，正負值分別表示水汽輻散和輻合；b陰影為水汽散度積分(hPa·g·m·s-1)，正負值分別表示水汽輻散和輻合。圖4 3月4日08：00至3月5日08：00(119°E，27°N)水汽散度垂直時間剖面和3月4日20：00水汽散度積分分布

圖5 3月4日單體A和B回波中心高度變化

20:00之前為單體A的變化曲線；20:00后為單體B的變化曲線。圖6 3月4日單體液態(tài)水含量和單體厚度的變化

相反，由于單體B所在大氣動力配置主要為抬升運動，對流單體B強回波中心隨時間上升。C-VIL和強中心高度同步增長。強中心高度增長到6 km以上，C-VIL至少增加18 kg·m-2。預測冰雹的時間提前量在7～11 min。單體厚度升高，產生大冰雹的概率增大，21：00后單體厚度下降，降雹過程結束，預測冰雹時間的提前量在10～15 min之間(圖7)。

18:30之前單體A厚度沒有明顯變化趨勢(圖6)，而18:00—19：00產生了地面大風，所以單體厚度減小，大風發(fā)生概率增大。C-VIL在大風發(fā)生前有明顯的下降，在單體A強中心高度降至2 km(圖5)以下后產生了大風(31 m·s-1)。大風結束后C-VIL明顯升高(圖6)，在單體B強中心高度增長到6 km(圖5)以上時，產生了降雹。綜合分析單體中心高度和C-VIL的變化對大風和冰雹的預報提前量有較好的提升作用。

圖中數值為瞬時極大風速(m·s-1)；灰度等值線為降水量(mm)，強降水量中心有分散冰雹落點。圖7 2018年3月4日17：00—22：00單體A、B過程降水量和極大風速分布

4.2 自動站實況驗證

圖7表明，單體A降水分散且強度較弱，但地面極大風速明顯大于單體B，單體B有標志超級單體的中氣旋產生并降雹，而地面極大風速較小。圖中區(qū)域自動站數據表明單體A過程浙西中北部極大風速普遍達到10～11級，個別站點達到31 m·s-1(暴風)，而單體B的過程極大風速主要為7～10級，但單體B降水集中且強度大，落區(qū)主要分布在中南部地區(qū)。天氣災害動力變化表明對流單體動力結構特征的變化，從天氣實況角度反映了大氣動力配置對MCC中連續(xù)單體結構特征的影響。

5 小結與討論

本次MCC過程產生于近地層充沛水汽條件，熱力不穩(wěn)定能量高的大氣層中，底層暖濕中高層干冷的不穩(wěn)定層結，有利于產生中尺度對流復合體MCC，急流和垂直風切變有利于對流單體的發(fā)展加強。

相同大氣熱力不穩(wěn)定層結下，不同MCC天氣過程的單體數目，強度，結構型式和演替過程都是不同的，本次MCC中出現的連續(xù)單體有各自不同的特點。除了熱力不穩(wěn)定層結的作用，大氣垂直動力配置對MCC中單體結構類型演替起重要作用，本次MCC在20：00前后分別有兩個帶狀對流單體(單體A，B)影響浙西，通過風暴渦旋度，水汽散度和渦旋度的質量加權垂直積分等大氣動力的分析，表明20：00前大氣以下沉運動層結為主，20：00后大氣垂直上升動力更強，通過分析大氣動力要素垂直積分變化可綜合的診斷出MCC中對流單體發(fā)展的趨勢，在同一熱力不穩(wěn)定條件下，大氣動力配置由抑制上升運動轉為促進上升運動，以及整層渦旋度強中心向本地區(qū)發(fā)展，預示風暴單體由直線下沉型中尺度垂直環(huán)流結構向強渦旋上升型結構的演替，所以單體A中下沉氣流引起下擊暴流，造成近地面層大風災害，但降水較弱。單體B以強垂直上升運動為主，對流發(fā)展高度更高，單體B的大氣層抬升條件更好，出現了中氣旋，風力有所減弱，但降水強度更大，并出現分散性的降雹，表明MCC連續(xù)單體隨大氣動力場變化而發(fā)展為不同結構特征對流單體的過程。

多普勒雷達產品和區(qū)域自動站數據具有時空分辨率高的特點，對MCC中單體結構特征分析有明顯優(yōu)勢，回波結構(SS 62)產品從單體內強回波中心的高度，回波厚度以及回波液態(tài)水含量C-VIL變化驗證了大氣動力配置對MCC中單體結構類型演替起重要作用這一結論，此外，回波中心下降配合VIL減小可以增大大風預報提前量，回波中心上升配合VIL增大可以增大冰雹預報提前量，單體厚度變化趨勢與大風的發(fā)生概率呈反相關，單體厚度與冰雹的發(fā)生概率成正相關。此外，區(qū)域自動站實況從地面天氣災害要素變化驗證了單體A，B結構特征，與多普勒雷達產品分析相一致。

目前天氣預報技術對短時強降水，大風，冰雹等天氣的預報預警工作仍有局限性。而這些天氣動力是造成災害的主要因子，本文中分析的個例出現在20：00前后，可以用整點模式產品分析大氣動力配置，預估對流單體結構特征，可以進一步細化強對流致災因子預報預警，提高災農林害性天氣的預報預警的時間提前量，及時做好設施大棚，林木等的防風加固，減少損失。而目前模式產品的時間分辨率主要為6 h，由于強對流天氣發(fā)展快持續(xù)時間短。本文的分析方法需建立在時空分辨率更高的模式產品上，所以目前應用還有很多局限性，但隨著模式的改進和預報產品時空分變率的提高而存在應用前景。此外，本文對流單體結構分析比較簡單，沒有從單體的垂直結構進一步分析大氣動力對單體內部中尺度結構的影響，可以通過基數據反演得到組合反射率(CR)，徑向速度(V)的產品的垂直剖面，進一步分析MCC中單體的內部結構特征，未來將對這部分工作做更深入的研究。