毛程燕 鄭倩 龔理卿 荊思佳 李浩文

(1 衢州市氣象局,浙江 衢州 324000;2 廣州市氣象臺(tái),廣州 511430)

引 言

冰雹、雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水是影響浙中西地區(qū)的主要強(qiáng)對(duì)流天氣。這類中尺度對(duì)流天氣是在有利的大尺度環(huán)流背景下,由中小尺度天氣系統(tǒng)觸發(fā)產(chǎn)生的劇烈天氣現(xiàn)象。由于強(qiáng)對(duì)流天氣突發(fā)性強(qiáng)、表現(xiàn)劇烈、落區(qū)難確定,它的預(yù)報(bào)一直是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。強(qiáng)對(duì)流天氣的產(chǎn)生有其獨(dú)特的環(huán)境條件,在不同的環(huán)流背景下,產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流類型往往并不相同;而在相同的環(huán)流形勢(shì)下,也可能由于動(dòng)力和熱力條件差異,導(dǎo)致產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象劇烈程度也不同。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者通過(guò)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行研究,提出了各種有效預(yù)報(bào)方法和量化指標(biāo)[1-3]。許愛(ài)華等[4-5]通過(guò)對(duì)中國(guó)中東部近百次強(qiáng)對(duì)流的環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行分析,提出了五類強(qiáng)對(duì)流天氣形勢(shì)配置和對(duì)應(yīng)的基本要素特征,提煉出強(qiáng)對(duì)流的主要識(shí)別方法;張一平等[6]對(duì)2001—2010年暖季發(fā)生在河南地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流環(huán)境條件進(jìn)行了綜合分析,建立了四種中尺度天氣概念模型并給出各流型下的量化指標(biāo);農(nóng)孟松等[7]將廣西冰雹天氣的環(huán)流形勢(shì)分為華北低槽型、高原東部低槽型和南支槽型,運(yùn)用指標(biāo)疊套法等方法制作了廣西冰雹的潛勢(shì)預(yù)報(bào);鄭媛媛等[8]將安徽省強(qiáng)對(duì)流天氣形勢(shì)劃分為冷渦槽后類和槽前類,提取環(huán)境場(chǎng)消空指標(biāo),以提高短臨預(yù)報(bào)水平;馮晉勤等[9]將春季強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程分為西南急流暖濕強(qiáng)迫型、斜壓鋒生型和高空冷平流型,重點(diǎn)揭示了西南急流暖濕強(qiáng)迫背景下的強(qiáng)對(duì)流主要特征規(guī)律。此外,對(duì)于預(yù)報(bào)物理量方面,樊李苗等[10]對(duì)比研究了不同強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的探空數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù),總結(jié)了純粹短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹或雷暴大風(fēng)為主的天氣背景差異和主要物理量特征;吳蓁等[11]基于配料法對(duì)河南一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào),發(fā)現(xiàn)可以提前數(shù)小時(shí)進(jìn)行正確短時(shí)臨近預(yù)報(bào);肖云等[12]對(duì)江西省地區(qū)三類強(qiáng)對(duì)流(冰雹、雷雨大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,給出了它們的主要物理量閾值范圍,為強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)提供了重要指標(biāo)。另外,應(yīng)用雷達(dá)和衛(wèi)星產(chǎn)品融合各種觀測(cè)資料對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的識(shí)別與短時(shí)臨近預(yù)報(bào)也可以提供重要指標(biāo)參考[13-17]。許彬等[18]利用強(qiáng)對(duì)流天氣概念模型對(duì)江西一次極端大風(fēng)天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行應(yīng)用分析,雖結(jié)合概念模型預(yù)報(bào)提前開(kāi)展了預(yù)報(bào)和氣象服務(wù),但對(duì)其極端性和開(kāi)始時(shí)間仍事先估計(jì)不足。因此,對(duì)于天氣學(xué)概念模型的應(yīng)用,還要結(jié)合預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)捕捉異常信號(hào),才能更好地對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)的可能性和極端性進(jìn)行判斷與調(diào)整[19]。

此前對(duì)于浙江省強(qiáng)對(duì)流天氣的研究大多選擇單次過(guò)程進(jìn)行診斷分析或多次過(guò)程對(duì)比分析,基本沒(méi)有對(duì)強(qiáng)對(duì)流過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)性的分型和指標(biāo)歸納,尤其對(duì)于浙中西地區(qū),目前還缺乏本地化的預(yù)報(bào)模型和預(yù)報(bào)指標(biāo),而這一帶暖季強(qiáng)對(duì)流頻發(fā),預(yù)報(bào)預(yù)警難度大,因此本文選取了近11 a內(nèi)發(fā)生在該區(qū)域上的強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行系統(tǒng)梳理。選取了發(fā)生在該區(qū)域上的65次典型強(qiáng)對(duì)流過(guò)程,分類建立適合本地的天氣尺度概念模型,研究其中尺度特征、物理機(jī)制,對(duì)不同環(huán)境背景參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,再結(jié)合預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)調(diào)微調(diào),可以有效提高浙中西預(yù)報(bào)的針對(duì)性,減少空?qǐng)?bào)和漏報(bào),有助于更好地把握這一地區(qū)各類強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警工作。

1 資料與方法

選取2008—2018年浙江中西部地區(qū)(麗水市、金華市、衢州市；簡(jiǎn)稱浙中西)22個(gè)國(guó)家基本站和611個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水、風(fēng)速觀測(cè)資料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料和衢州探空資料,利用中尺度分析技術(shù)對(duì)發(fā)生在該區(qū)域上的65次典型的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行天氣形勢(shì)配置,得到5種強(qiáng)對(duì)流概念模型,分別為干冷氣流型(4次)、暖濕氣流型(25次)、鋒生切變型(9次)、副高邊緣型(20次)、臺(tái)風(fēng)外圍型(7次),而后篩選出不同形勢(shì)下的動(dòng)力和能量條件,如抬升指數(shù)、IW大風(fēng)指數(shù)、K指數(shù)、0℃層高度等33個(gè)物理量[20],再應(yīng)用累積頻率法分析每種模型下主要物理量特征,提煉各5～8個(gè)不同強(qiáng)對(duì)流天氣的主要預(yù)報(bào)指標(biāo)。最后給出不同形勢(shì)下不同類型強(qiáng)對(duì)流的主要預(yù)報(bào)方法,用來(lái)作為不同形勢(shì)或天氣類型下強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2 五類強(qiáng)對(duì)流概念模型及其典型個(gè)例

2.1 干冷氣流型

干冷氣流型的觸發(fā)機(jī)制是對(duì)流層中高層強(qiáng)烈發(fā)展的干冷平流。主要表現(xiàn)為500 hPa高空槽后或高空冷渦后部存在西北氣流,500 hPa以下垂直風(fēng)切變強(qiáng)烈,850 hPa與500 hPa氣層溫差在26℃以上,地面多為低壓倒槽,濕層較淺薄(水汽集中在850 hPa以下),500 hPa有干舌存在(圖1)。該類強(qiáng)對(duì)流的主要形成機(jī)制是垂直方向上的強(qiáng)烈溫差和對(duì)流層中低層的強(qiáng)垂直風(fēng)切變?cè)跓崃Σ环€(wěn)定和動(dòng)力不穩(wěn)定作用下觸發(fā)的有組織的對(duì)流系統(tǒng)。由于對(duì)流層中高層有強(qiáng)干冷氣流,0℃層和-20℃高度較低,易形成冰雹天氣,因此該類形勢(shì)下強(qiáng)對(duì)流以雷暴大風(fēng)、冰雹天氣為主,而短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)則

圖1 干冷氣流型天氣尺度概念模型Fig.1 Conceptual model of dry and cold advection type

圖2 2011年4月27日08時(shí)干冷氣流型強(qiáng)對(duì)流天氣形勢(shì)：(a) 500 hPa高度場(chǎng)(實(shí)線,單位: dagpm)和700 hPa等溫線(虛線,單位:℃)；(b)海平面氣壓(藍(lán)實(shí)線,單位: hPa)、700 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)、850 hPa與500 hPa溫差(紅色等值線,單位:℃)以及 500 hPa與1 000 hPa風(fēng)切變(陰影,單位:m·s-1)Fig.2 Severe convective weather situation of dry and cold air flow pattern at 08∶00 BST on April 27, 2011: (a) height field at 500 hPa (solid, unit: dagpm) and isotherm at 700 hPa (dashed, unit:℃); (b) composite fields of sea level pressure (blue solid lines, unit: hPa), wind field at 700 hPa (barb), temperature difference between 850 hPa with 500 hPa (red solid lines, unit:℃) and vertical wind shear from 1 000 hPa to 500 hPa (shaded, unit: m·s-1)

比較分散。

選取2011年4月27日出現(xiàn)在浙中西的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析(圖2),發(fā)現(xiàn)27日08時(shí)(北京時(shí),下同),500 hPa高空槽處于我國(guó)東部沿海,浙中西處于槽后西北氣流中,700 hPa等溫線位于浙江省南部,溫度梯度加大,高空冷平流顯著(圖2a)。700 hPa西北急流強(qiáng)烈(風(fēng)速14～20 m·s-1),850 hPa西北氣流顯著(風(fēng)速8～12 m·s-1)(圖略),850 hPa與500 hPa氣層溫差為28℃,500 hPa 與1 000 hPa垂直風(fēng)切變很強(qiáng)(≥28 m·s-1),對(duì)流層中層以下有強(qiáng)烈的動(dòng)力不穩(wěn)定；地面處于冷鋒前沿的低壓環(huán)流中(圖2b)。由探空形勢(shì)可知(圖略),500 hPa附近有明顯的干侵入,500 hPa以下溫度露點(diǎn)差較小,850 hPa以下有弱的鋒面逆溫;中層(500～700 hPa)風(fēng)力較強(qiáng),有利于大動(dòng)量氣塊卷夾;CAPE值小、LI指數(shù)為正,但K指數(shù)對(duì)于這個(gè)季節(jié)來(lái)說(shuō)較大(37℃)。IW大風(fēng)指數(shù)較大(23.4 m·s-1),有利于雷雨大風(fēng)等強(qiáng)雷暴的發(fā)展,0℃層高度為3.7 km(較低),-20℃層在6.5 km左右,適宜大冰雹發(fā)展。因此,本次過(guò)程中浙中西出現(xiàn)了明顯的冰雹、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣。

2.2 鋒生切變型

鋒生切變型是發(fā)生在對(duì)流層中低層冷、暖空氣強(qiáng)烈交匯處,并伴有低層鋒生作用、地面冷鋒活動(dòng)。高空冷槽,槽后強(qiáng)烈的冷平流使溫度梯度加大,中低層暖濕平流也形成明顯的溫度梯度,兩支平流形成顯著的鋒生作用。鋒面北側(cè)700 hPa或850 hPa有較強(qiáng)的偏北急流,其南側(cè)中低層有較強(qiáng)的西南急流,形成冷式切變,斜壓作用強(qiáng),其上常誘發(fā)出有組織的中尺度對(duì)流系統(tǒng),造成劇烈天氣如颮線等(圖3)。

圖3 鋒生切變型天氣尺度概念模型Fig.3 Conceptual model of frontogenesis and shear type

2013年4月28—30日出現(xiàn)在浙中西的雷雨大風(fēng)過(guò)程就符合本類型的強(qiáng)對(duì)流概念模型。30日08時(shí),500 hPa高空冷渦位于日本海上空,南支槽則位于華南到江南一帶,浙中西處于北支槽槽后、南支槽槽前兩支氣流交匯處(圖略)。850 hPa冷式切變線位于江南北部,南、北風(fēng)對(duì)吹明顯,兩支氣流均較強(qiáng)盛,南側(cè)的西南氣流為10～14 m·s-1、北側(cè)的東北急流為12～16 m·s-1,對(duì)流活動(dòng)自北向南產(chǎn)生影響(圖4a)。850 hPa上有濕舌,比濕為12～14 g·kg-1,925 hPa切變線位于浙江中部,北支偏東急流(風(fēng)速12～16 m·s-1)強(qiáng)盛,南支西南氣流風(fēng)速較小,冷式和暖式切變組合成“人”字形切變,低渦中心位于江西中部,地面有氣旋波活動(dòng),此時(shí)鋒生函數(shù)在28°N附近有明顯的正值區(qū),最大值達(dá)15×10-10K·m-1·s-1,中心位于浙江西部地區(qū),表明此時(shí)這一帶有強(qiáng)鋒生作用(圖4b),14時(shí)鋒生函數(shù)大值中心南壓至浙江南部。本次過(guò)程是以雷雨大風(fēng)為主,并伴有落區(qū)較為分散的短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

圖4 2013年4月30日08時(shí)鋒生切變型強(qiáng)對(duì)流天氣形勢(shì)：(a) 為850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿,單位:m·s-1)和850 hPa比濕(陰影,單位:g·kg-1)；圖b為海平面氣壓(實(shí)線,單位:hPa)和925 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)以及鋒生函數(shù)(陰影,單位:10-10 K·m-1·s-1)Fig.4 Severe convective weather situation of frontogeneticshear type at 08∶00 BST on April 30, 2013:(a) wind field at 850 hPa (barb, unit: m·s-1) and specific humidity (shaded, unit: g·kg-1); (b) composite fields of sea level pressure (solid lines, unit: hPa), wind field at 700 hPa (barb) and frontogenesis function (shaded, unit: 10-10 K·m-1·s-1)

2.3 暖濕氣流型

暖濕氣流型是指發(fā)生在高空槽前700 hPa或以下暖濕平流中的對(duì)流性天氣。對(duì)流層中低層往往有西南或東南急流,動(dòng)力強(qiáng)迫以低層暖濕平流擾動(dòng)為主。主要表現(xiàn)為500 hPa低槽、對(duì)流層中低層急流或切變線、地面低壓倒槽等(圖5)。這類強(qiáng)對(duì)流天氣多以雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水為主,有時(shí)也可伴有冰雹。

選取2016年4月19—21日出現(xiàn)在浙中西的雷雨大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行天氣學(xué)診斷分析(圖6)。20日08時(shí),華南至江南上空200 hPa存在西南高空急流,其以下有較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變(圖略)。500 hPa高空槽位于我國(guó)西南地區(qū),浙中西處于槽前西南暖濕氣流中(圖6a)。700 hPa以下有強(qiáng)烈發(fā)展的西南急流,其中700 hPa風(fēng)速為18～20 m·s-1、850 hPa風(fēng)速為16～18 m·s-1,暖濕平流脈動(dòng),有利于熱力不穩(wěn)定層結(jié)建立,而高、低空急流的耦合作用造成了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng);中低層均有強(qiáng)烈的風(fēng)速輻合,500 hPa與1 000 hPa垂直風(fēng)切變較強(qiáng)(≥20 m·s-1);地面處于冷鋒前沿的低壓環(huán)流中(圖6b)。由探空形勢(shì)可知(圖略),500 hPa以上有干侵入,550 hPa以下溫度露點(diǎn)差很小,925 hPa以下有淺薄的逆溫層;對(duì)流層中層(500～850 hPa)風(fēng)力很強(qiáng),700 hPa以下風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn),有明顯的暖平流。0℃層高度為4.3 km,-20℃層在7.5 km左右,適宜小冰雹發(fā)展。抬升凝結(jié)高度較低、濕層較深厚,本次過(guò)程出現(xiàn)了大范圍的短時(shí)強(qiáng)降水、雷雨大風(fēng)天氣,局地有小冰雹出現(xiàn)。

圖5 暖濕氣流型天氣尺度概念模型Fig.5 Conceptual model of warm and wet advection type

2.4 副高邊緣型

副高邊緣型是指發(fā)生在副熱帶高壓邊緣、地面均壓場(chǎng)或弱低壓情況下出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣的形勢(shì)類型。主要表現(xiàn)為連續(xù)多日的晴好天氣,白天升溫幅度大、積溫明顯,當(dāng)?shù)孛娼邮仗?yáng)輻射不均時(shí),易形成邊界層輻合線;850 hPa以下有暖脊,高空有冷溫度槽,形成熱力不穩(wěn)定。當(dāng)588 dagpm東退南壓,其西北部或北部邊緣不穩(wěn)定度加強(qiáng),在地面輻合線上觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣(圖7)。該類強(qiáng)對(duì)流分布較分散,在盛夏以雷雨大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水為主,春夏之際也可伴有小冰雹。

圖6 2016年4月20日08時(shí)暖濕氣流型強(qiáng)對(duì)流天氣形勢(shì)：(a) 500 hPa等高線(實(shí)線,單位:dagpm)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿,單位:m·s-1);(b) 海平面氣壓(實(shí)線,單位:hPa)、700 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)以及500 hPa與1 000 hPa風(fēng)切變(陰影,單位:m·s-1)Fig.6 Severe convective weather situation ofwarm and wet advection type at 08∶00 BST on April 20, 2016:(a) height field at 500 hPa (solid lines, unit: m·s-1) and wind field at 850 hPa (barb, unit: m·s-1); (b) composite fields of sea level pressure (solid lines, unit: hPa), wind field at 700 hPa (barb) and vertical wind shear from 1 000 hPa to 500 hPa (shaded, unit: m·s-1)

選取2010年9月11日出現(xiàn)在副熱帶高壓邊緣的雷雨大風(fēng)過(guò)程進(jìn)行應(yīng)用分析(圖8)。11日08時(shí),副熱帶高壓發(fā)展強(qiáng)盛(圖8a),“盤(pán)踞”在西南至江南北部地區(qū),浙江中部地區(qū)位于588 dagpm線邊緣,高空槽位于華北西部,700 hPa西南風(fēng)速為16 m·s-1,浙中西有小范圍的輻合切變,850 hPa有低渦輻合;200 hPa南亞高壓控制,高空輻散抽吸作用有利于強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)(圖略)。925～850 hPa有暖脊,850 hPa假相當(dāng)位溫在355 K以上,有明顯的能量舌;白天氣溫升幅顯著,熱力條件較好(圖8b)。對(duì)衢州探空進(jìn)行分析(圖略),溫度和露點(diǎn)層結(jié)曲線呈“喇叭狀”開(kāi)口,表現(xiàn)出上干下暖濕;K指數(shù)很大(40℃),有利于強(qiáng)雷暴和短時(shí)強(qiáng)降水的出現(xiàn)。0℃層(5.1 km)和-20℃層(8.7 km)高度不適宜冰雹天氣,因此本次過(guò)程是副熱帶高壓邊緣不穩(wěn)定能量積聚而產(chǎn)生的雷雨大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

2.5 臺(tái)風(fēng)外圍型

臺(tái)風(fēng)外圍型一般是在臺(tái)風(fēng)外圍倒槽影響下形成的強(qiáng)對(duì)流天氣,是臺(tái)風(fēng)本體和螺旋雨帶中出現(xiàn)的積云性降水。臺(tái)風(fēng)一般在福建或者廣東北部登陸,浙中西850 hPa東南急流輸送西太平洋水汽,配合地面輻合線,以短時(shí)強(qiáng)降水天氣為主(圖9)。

圖7 副高邊緣型天氣尺度概念模型Fig.7 Conceptual model of the edge of subtropical high type

選取2016年9月27—29日出現(xiàn)在浙中西的臺(tái)風(fēng)“鲇魚(yú)”產(chǎn)生的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程作為典型個(gè)例分析(圖10)。臺(tái)風(fēng)“鲇魚(yú)”雖然在福建中南部登陸,但由于云系范圍廣,加上后期受冷空氣影響,造成了浙中西累積降水量大、暴雨強(qiáng)度較強(qiáng)。28日20時(shí),臺(tái)風(fēng)“鲇魚(yú)”中心已經(jīng)在福建登陸,浙江省處于臺(tái)風(fēng)倒槽的東南側(cè),850 hPa東南急流達(dá)24～30 m·s-1,低層暖舌發(fā)展,1 000 hPa有冷空氣滲透,與東南急流形成顯著的低層輻合系統(tǒng),850 hPa比濕為12～16 g·kg-1,有明顯的濕舌伸展,CAPE值強(qiáng)度中等(529.5 J·kg-1),副高588 dagpm線位于浙江沿海,高空冷槽中心位于東北地區(qū)(圖10a)。200 hPa為南亞高壓控制,高空強(qiáng)輻散場(chǎng),850 hPa最大上升速度為30×10-3hPa·s-1,高、低空系統(tǒng)的疊加非常有利于強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng);副熱帶高壓南側(cè)的西太平洋水汽通道,將水汽源源不斷地輸送到浙江中部上空,浙中西水汽通量中心值達(dá)24 g·cm-1·hPa-1·s-1(圖10b)。由20時(shí)衢州探空(圖略)可知,整層大氣相對(duì)濕度非常大,抬升凝結(jié)高度很低;700 hPa以下為偏東風(fēng),500 hPa以上偏南分量較大。當(dāng)然,本次過(guò)程降水量最大的是在麗水、溫州全市和衢州東部,沿山脈、地形的迎風(fēng)坡降水顯著增大,地形抬升作用對(duì)該區(qū)域降水起到一定的增幅作用。因此本次過(guò)程是臺(tái)風(fēng)外圍云系與地形輻合抬升帶來(lái)共同作用帶來(lái)的強(qiáng)降水天氣。

圖8 2010年9月11日08時(shí)副高邊緣型強(qiáng)對(duì)流天氣形勢(shì)：(a)500 hPa高度場(chǎng)(單位:dagpm)；(b) 850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿,單位:m·s-1)和850 hPa假相當(dāng)位溫(陰影,單位:K)Fig.8 Severe convective weather situation ofthe edge of subtropical high type at 08∶00 BST on September 11, 2010:(a) height field at 500 hPa (unit: dagpm); (b) wind field at 850 hPa (barb, unit: m·s-1) and pseudo-equivalent potential temperature at 850 hPa (shaded, unit: K)

3 物理量特征

3.1 不同流型下物理量特征

強(qiáng)對(duì)流天氣具有明顯的中尺度特征,其發(fā)生發(fā)展與特定的環(huán)境場(chǎng)有關(guān)。強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生主要需要 豐富的水汽、不穩(wěn)定層結(jié)和有利的抬升觸發(fā)機(jī)制。但這些條件在不同的天氣過(guò)程中的重要性不盡相同。

3.1.1 同一物理量在浙中西不同天氣類型下的表現(xiàn)特征

由表1可見(jiàn),同一物理量在浙中西不同流型下主要有以下特點(diǎn):(1)SI指數(shù)在鋒生切變型中、短時(shí)強(qiáng)降水天氣下平均為正值,其他情況下為負(fù)值;(2)不同流型下混合類強(qiáng)對(duì)流天氣LI指數(shù)最小,負(fù)值最顯著;(3)干冷氣流型0℃層和-20℃層高度最低,500 hPa相對(duì)濕度一般都低于20%,其他流型中尤其是有短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)一般500 hPa相對(duì)濕度較大。干冷氣流型強(qiáng)對(duì)流一般出現(xiàn)在春季,CAPE值最小,850 hPa與500 hPa溫度差在27℃以上。副高邊緣型中出現(xiàn)冰雹天氣時(shí)CAPE值達(dá)到最大,可達(dá)3 000 J·kg-1以上,850 hPa與500 hPa溫度差在23℃以上,而河南強(qiáng)對(duì)流天氣在此類形勢(shì)下氣層溫差平均為25℃[6],臨界要求高于浙中西地區(qū)的溫差條件, LI抬升指數(shù)(-6.1℃)也大大高于浙中西地區(qū)臨界條件(-0.85℃),同時(shí),0℃層高度(≤5 260 m)和-20℃層高度(≤8 520 m)均高于河南此類型下的臨界高度(≤4 959 m、≤8 320 m);(4)臺(tái)風(fēng)外圍型強(qiáng)對(duì)流CAPE值也較大,一般出現(xiàn)在7—9月。5種類型中短時(shí)強(qiáng)降水天氣平均CAPE值最小,整層水汽條件好,相對(duì)濕度大,850 hPa比濕很高;(5)IW大風(fēng)指數(shù)在雷雨大風(fēng)或者有冰雹天氣時(shí)往往在20 m·s-1以上。

表1 不同流型下浙中西不同類型強(qiáng)對(duì)流物理量參數(shù)表Table 1 Different types of convection physical indexes in different patterns

圖9 臺(tái)風(fēng)外圍型天氣尺度概念模型Fig.9 Conceptual model of typhoon periphery type

3.1.2 同一流型下浙中西不同類別強(qiáng)對(duì)流天氣物理量比較

經(jīng)統(tǒng)計(jì),同一流型下,雷雨大風(fēng)、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水三類物理量也有差別?？傮w來(lái)說(shuō),混合類天氣的動(dòng)力不穩(wěn)定大于僅出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)的動(dòng)力條件。暖濕氣流型中,SI指數(shù)和LI指數(shù)條件在混合類強(qiáng)對(duì)流中,比僅有雷雨大風(fēng)和僅有短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)時(shí)更高,前者分別為-2.3℃、-2.28℃,后者分別為-2.04℃、4.01℃和-0.15℃、-0.27℃,三種強(qiáng)天氣下差別較為明顯;暖濕氣流下混合型強(qiáng)對(duì)流CAPE值一般大于2 500 J·kg-1,而福建暖濕急流下混合型強(qiáng)對(duì)流的CAPE平均值為1 427 J·kg-1。浙中西暖濕氣流型混合強(qiáng)對(duì)流和僅出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水天氣的強(qiáng)對(duì)流,0℃層高度分別為4 555 m和4 952 m、-20℃層分別為7 587 m和8 461 m,而福建暖濕氣流強(qiáng)迫背景下0℃層和-20℃層平均值分別為4 286.9 m、7 479.7 m[9],由此可見(jiàn),相似形勢(shì)下浙中西不同類別強(qiáng)對(duì)流物理量有其特定條件。鋒生切變型在混合類強(qiáng)對(duì)流和短時(shí)強(qiáng)降水為主時(shí),500 hPa溫度露點(diǎn)差的差異顯著,分別為大于31℃、4.5℃。有短時(shí)強(qiáng)降水天氣出現(xiàn)時(shí),抬升凝結(jié)高度都是最低的。

4 結(jié)論

浙中西地區(qū)5種天氣形勢(shì)配置下出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流,形成的機(jī)制有顯著差異,分析的潛勢(shì)預(yù)報(bào)條件也各有不同。主要結(jié)論如下:

圖10 2016年9月28日20時(shí)臺(tái)風(fēng)外圍型強(qiáng)對(duì)流天氣形勢(shì):(a)海平面氣壓場(chǎng)(黑實(shí)線,單位:hPa)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿,單位:m·s-1)以及 850 hPa比濕(陰影,單位:g·kg-1);(b)850 hPa垂直速度(虛線,單位:10-3 hPa·s-1)和850 hPa水汽通量(陰影,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)Fig.10 evere convective weather situation of typhoon periphery type at 20:00 BST on 28 September 2016: (a) composite fields of sea level pressure(black solid lines, unit: hPa), wind field at 850 hPa (barb, unit: m·s-1) and specific humidity at 850 hPa (shaded, unit: g·kg-1); (b) vertical velocity at 850 hPa (dashed lines, unit: 10-3hPa·s-1) and vapour flux at 850 hPa (shaded, unit: g·cm-1·hPa-1·s-1)

(1)干冷氣流型主要是對(duì)流層中高層強(qiáng)干冷氣流位于邊界層內(nèi)暖輻合帶上,一般高濕區(qū)集中在850 hPa以下,動(dòng)力強(qiáng)迫是高空干冷平流,主要機(jī)制是垂直方向上的溫差平流和強(qiáng)垂直風(fēng)切變;暖濕氣流型一般是高空槽前強(qiáng)暖濕氣流,地面輻合線或低壓倒槽強(qiáng)烈發(fā)展,低層暖濕平流是主要的熱力機(jī)制,常伴有顯著的低空急流脈動(dòng);鋒生切變型主要特征是冷暖氣流強(qiáng)烈交匯產(chǎn)生的深對(duì)流,切變線兩側(cè)偏北和偏南氣流發(fā)展都很強(qiáng)烈,低層斜壓鋒生作用,常表現(xiàn)為低空切變、低渦和鋒面等;副高邊緣型則主要出現(xiàn)在6—9月,200 hPa南亞高壓控制下,副熱帶高壓東退或南北擺動(dòng),在邊界層輻合線上觸發(fā)的熱對(duì)流;而臺(tái)風(fēng)外圍型產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流往往是臺(tái)風(fēng)倒槽影響,對(duì)流層中低層有東南急流脈動(dòng),這種形勢(shì)下以短時(shí)強(qiáng)降水為主。(2)不同流型下出現(xiàn)不同類型的強(qiáng)對(duì)流,且閾值有顯著差異,一般只有短時(shí)強(qiáng)降水天氣時(shí),所有環(huán)流類型下IW大風(fēng)指數(shù)均不大,但500 hPa相對(duì)濕度均較大,即濕層較為深厚。干冷氣流型出現(xiàn)的強(qiáng)對(duì)流以雷雨大風(fēng)和冰雹天氣為主,500 hPa相對(duì)濕度平均只有15%、IW大風(fēng)指數(shù)為26.1 m·s-1、850 hPa與500 hPa溫差可達(dá)27.5℃、0℃層和-20℃層高度為5種類型中最低,多出現(xiàn)在春季和夏初。暖濕氣流型3種類型的強(qiáng)天氣均可出現(xiàn),且以短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的頻率最高,這種情況下500 hPa以下相對(duì)濕度都很高,K指數(shù)平均為36.1℃;有雷雨大風(fēng)和冰雹出現(xiàn)時(shí),IW大風(fēng)指數(shù)則較大,且混合型強(qiáng)對(duì)流的CAPE值一般大于2 500 J·kg-1。而鋒生切變型混合強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn)前SI指數(shù)和LI指數(shù)均為顯著負(fù)值,850 hPa與500 hPa溫差也有25.9℃。副高邊緣型的強(qiáng)對(duì)流,SI指數(shù)和LI指數(shù)均為負(fù)值,尤其是混合型強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)前,CAPE會(huì)出現(xiàn)極端值(大于3 000 J·kg-1)。5種類型下只有臺(tái)風(fēng)型沒(méi)有冰雹類強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn),IW大風(fēng)指數(shù)小(平均12.4 m·s-1),850 hPa比濕平均為14.7 g·kg-1,500 hPa相對(duì)濕度也較大。

通過(guò)對(duì)浙中西地區(qū)的強(qiáng)對(duì)流天氣分析,在天氣學(xué)分型的基礎(chǔ)上,又探索出每種強(qiáng)天氣出現(xiàn)的主要閾值,如此能使預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確高效。但本文方法仍存在一定的局限性,由于探空數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率較低,對(duì)于短時(shí)臨近預(yù)報(bào)誤差較大,因此還需要結(jié)合雷達(dá)和衛(wèi)星產(chǎn)品做好短臨監(jiān)測(cè)工作,更為準(zhǔn)確地把握好強(qiáng)對(duì)流的預(yù)報(bào)預(yù)警工作。