吳 濤 許冠宇 李雙君 魏 凡

武漢中心氣象臺，武漢 430074

提 要： 采用天氣雷達、高空地面觀測、1°×1° NCEP再分析場資料，分析一次春季江淮氣旋形成發(fā)展過程中混合型(冰雹、大風(fēng)、短時強降水)對流天氣特征，初步解釋了不同類型對流天氣形成發(fā)展的原因。結(jié)果表明：不同類型強對流天氣在時空分布和對流特征上存在差異，其中局地冰雹主要由氣旋形成階段離散對流線產(chǎn)生，帶狀短時強降水由氣旋形成階段人字形對流線上及發(fā)展階段S形對流線后部的列車線/鄰接層狀云類中尺度對流系統(tǒng)(MCS)產(chǎn)生，大范圍大風(fēng)主要由江淮氣旋發(fā)展階段S形對流線上尾隨層狀云降水類MCS產(chǎn)生。江淮氣旋是大尺度天氣系統(tǒng)斜壓發(fā)展的結(jié)果，對流活動使鋒面低層輻合增強，對氣旋形成發(fā)展有加強作用。強對流天氣的產(chǎn)生與江淮氣旋動力熱力場有密切關(guān)系。氣旋形成階段，西南渦結(jié)合山區(qū)地形提供了有利于鄂西南大冰雹形成的環(huán)境場，暖式切變線以及氣旋發(fā)展階段受南支槽影響的冷式切變線，提供有利于風(fēng)暴列車效應(yīng)形成的環(huán)境場而產(chǎn)生短時強降水；氣旋發(fā)展階段，冷式切變線提供有利于后部入流急流形成的環(huán)境場而產(chǎn)生大范圍大風(fēng)。

引 言

江淮氣旋屬于溫帶氣旋的一種，所引發(fā)的對流天氣具有多樣性。根據(jù)不同的天氣學(xué)成因，斯公望(1980)將溫帶氣旋內(nèi)部具有對流性質(zhì)的中尺度降水帶分為五種類型：暖鋒型、暖區(qū)型、冷鋒型、鋒前冷空氣爆流型及鋒后型。江淮氣旋暖鋒(暖式切變線)附近不穩(wěn)定性較強時有對流發(fā)展，強的鋒生、輻合及正渦度等作用有利于產(chǎn)生大范圍暴雨(張曉紅等，2016；沈陽等，2019)。在西南暖濕急流推動下，暖區(qū)暴雨北抬可轉(zhuǎn)換為暖鋒前暴雨(黃士松等，1976)。因冷暖空氣交匯導(dǎo)致的斜壓鋒生作用，冷鋒附近常形成有組織的線狀對流系統(tǒng)并產(chǎn)生大風(fēng)、暴雨等強對流天氣(陳永林等，2013；孫繼松等，2014)，而斜壓性較弱的江淮氣旋冷鋒在南壓過程中轉(zhuǎn)為東西走向，風(fēng)暴移動出現(xiàn)“列車效應(yīng)”而產(chǎn)生極端降水(張家國等，2018)。近年來鋒前暖區(qū)極端降水引起研究人員的重視，由于環(huán)境場層結(jié)不穩(wěn)定性強和水汽充足，中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展活躍易產(chǎn)生極端強降水，其觸發(fā)發(fā)展機制與地形、邊界層輻合線等關(guān)系密切(雷蕾等，2020；黃美金等，2022)。

20世紀(jì)以來，天氣雷達大量應(yīng)用于揭示中尺度對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及活動規(guī)律。趙宇等(2018)探測到冬季江淮氣旋逗點云區(qū)中來自不同性質(zhì)氣團的多條氣旋式旋轉(zhuǎn)、拉長的中尺度強降水帶。丁治英等(2019)觀測到江淮氣旋暖鋒上由重力波觸發(fā)的多條平行對流回波帶。Bluestein and Jain(1985)、Parker and Johnson(2000)、Schumacher and Johnson(2005)、王曉芳和崔春光(2012)、張小玲等(2014)、王玨等(2019)基于中尺度對流性系統(tǒng)(MCS)的雷達觀測事實，根據(jù)MCS組織結(jié)構(gòu)及運動特征總結(jié)出基本的MCS模態(tài)，主要包括尾隨層狀云降水(簡稱TS)類、平行層狀云降水(簡稱PS)類、前導(dǎo)層狀云降水(簡稱LS)類、列車線/鄰接層狀云降水(簡稱TL/AS)類、準(zhǔn)靜止/后向建立(簡稱QS/BB)類、渦旋(簡稱VS)類、合并類等。MCS組織結(jié)構(gòu)與風(fēng)暴相對氣流的垂直分布、中尺度天氣系統(tǒng)、地形等有密切關(guān)系，其中TS類MCS與颮線有關(guān)(Houze，1997)，TL/AS類MCS與靜止鋒有關(guān)(Schumacher and Johnson,2005)，而渦旋類MCS與中尺度渦旋(氣旋)密切相關(guān)(吳濤等，2017；梁建宇和孫建華，2012；易笑園等，2011)。

當(dāng)前開展江淮氣旋引發(fā)暴雨的雷達觀測特征及機制分析較多，而對春季江淮氣旋所引發(fā)混合型對流天氣的分析相對較少，江淮氣旋作為斜壓性明顯的α中尺度渦旋系統(tǒng)，在生命史各階段中尺度對流系統(tǒng)演變特征、不同類型對流天氣特點及形成機制還不夠清楚。此外，多數(shù)研究成果基于大尺度天氣形勢分析江淮氣旋成因(朱乾根等，2007)，而較少分析中尺度對流活動對江淮氣旋的作用，實際上兩者往往是協(xié)同發(fā)展的，中尺度對流活動所發(fā)揮的作用值得重視。

2019年4月8—9日，受江淮氣旋影響，長江中下游及江淮地區(qū)經(jīng)歷了一次較大范圍的短時強降水、冰雹、大風(fēng)混合型對流天氣過程，然而主要對流天氣出現(xiàn)的時段及對流特征有所不同，開展相關(guān)問題的分析很有必要。本文使用新一代天氣雷達、區(qū)域自動氣象站資料、高空/地面天氣圖、1°×1°空間分辨率/6 h間隔GFS再分析場，從雷達觀測角度揭示由江淮氣旋形成過程中不同類型對流天氣和MCS形成發(fā)展特征，并初步解釋對流天氣成因。

1 強對流天氣特征

分析自動氣象站及災(zāi)情資料可知，在江淮氣旋形成發(fā)展階段，短時強降水(3 h降水量≥50 mm)、對流大風(fēng)(瞬時極大風(fēng)速≥17.2 m·s-1，需滿足雷達組合反射率因子≥40 dBz，以下大風(fēng)均指對流大風(fēng))和冰雹(災(zāi)情信息結(jié)合雷達資料，組合反射率因子≥60 dBz)天氣均有出現(xiàn)(圖1a～1c)，影響時間近24 h，且各類對流天氣的時空分布存在差異。

圖1 2019年4月8日20時至9日20時逐6 h(a)大風(fēng)、(b)短時強降水、(c)冰雹位置分布和(d)河南南部Q8233自動氣象站8日21時至9日20時逐小時降水量演變(圖1a中“·、+、-、o”分別表示20—02、02—08、08—14、14—20時大風(fēng)位置；圖1b中時間標(biāo)記同圖1a，天氣類型為短時強降水，矩形框R1、R2表示24 h降水量≥100 mm的主要區(qū)域；圖1c中時間標(biāo)記同圖1a，天氣類型為冰雹)Fig.1 Spatial distribution of (a) gale，(b) short-time heavy precipitation，(c) hail every six hours from 20:00 BT 8 to 20:00 BT 9 April 2019 and (d) the hourly rainfall evolution diagram of No.Q8233 automatic weather station in southern Henan from 21:00 BT 8 to 20:00 BT 9 April 2019(“·，+，-，o” in Fig.1a represent gale location in 20:00-02:00 BT, 02:00-08:00 BT, 08:00-14:00 BT,14:00-20:00 BT; time markers in Fig.1b are same as those in Fig.1a, weather type is short-time severe precipitation， and rectangle represents the region with 24 h precipitation ≥100 mm; time markers in Fig.1c are same as those in Fig.1a, severe weather type is hail)

大風(fēng)主要出現(xiàn)在江淮氣旋發(fā)展階段，自西向東影響東長江中下游及江南北部地區(qū)，51個區(qū)域自動氣象站極大風(fēng)速超過25 m·s-1，從范圍和強度看，此次大風(fēng)過程符合我國Derecho事件(陳曉欣等，2022)的特征。此外，主要大風(fēng)區(qū)與短時強降水區(qū)不重疊，表明產(chǎn)生大風(fēng)與短時強降水的對流系統(tǒng)不同。

兩條不同走向的強降水雨帶R1、R2分別出現(xiàn)在江淮氣旋形成及發(fā)展階段，其中R1長度明顯大于R2。兩條雨帶上均出現(xiàn)大暴雨，其中R1上局部降水量達150 mm，小時降水強度達40 mm·h-1，連續(xù)4個時次的小時降水強度超過20 mm·h-1(圖1d)，這在春季江淮地區(qū)并不多見。

此外，零散分布的冰雹主要出現(xiàn)在8日夜間鄂西南山區(qū)及江漢平原西部地區(qū)。

2 中尺度對流系統(tǒng)演變特征

中尺度對流系統(tǒng)是雷暴大風(fēng)、冰雹、短時強降水天氣的直接制造者。根據(jù)雷達觀測的中尺度對流系統(tǒng)形態(tài)演變特征分三個階段進行分析，其中不同階段的天氣類型有所不同。

2.1 離散線狀對流階段

8日20時至9日00時，鄂西南至豫南一帶有東北—西南走向的離散線狀對流發(fā)展，主要產(chǎn)生局地冰雹、大風(fēng)天氣。

8日20時，鄂西南山區(qū)有局地強風(fēng)暴發(fā)展，向東北方向移動。隨鄂西南風(fēng)暴進入江漢平原，以及鄂東北一帶風(fēng)暴發(fā)展，多個零散分布的對流風(fēng)暴構(gòu)成一條結(jié)構(gòu)松散的線狀對流線(圖2a)向東偏北移動。這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)暴也稱為斷裂線狀MCS(Gallus et al，2008)，一般出現(xiàn)在線狀MCS初期階段，其中鄂西南山區(qū)局地對流具有強雹暴特征，組合反射率因子達60 dBz，災(zāi)情調(diào)查表明該區(qū)域出現(xiàn)直徑超過2 cm的地面降雹且伴有大風(fēng)。

2.2 人字形對流階段

9日00—08時，離散線狀MCS發(fā)展為具有冷暖鋒結(jié)構(gòu)的人字形對流線，其中暖鋒擾動TL/AS類MCS發(fā)展旺盛，因?qū)α骶€沿自身走向移動的列車效應(yīng)導(dǎo)致短時強降水發(fā)展，后期冷鋒擾動TS類MCS發(fā)展并產(chǎn)生大風(fēng)。

00時后，離散對流線南段移出鄂西南后，由東北西南走向轉(zhuǎn)為近南北走向，而北段對流線走向維持不變， 01時整個對流線呈人字形(圖2b)，且風(fēng)暴單體通過合并相互連接，結(jié)構(gòu)趨于完整。人字形對流常由氣旋擾動產(chǎn)生(易笑園等，2011；梁建宇和孫建華，2012)，其中兩條對流線L1、L2分別對應(yīng)冷、暖鋒式擾動，對流模態(tài)特征及天氣不同。對流線L2北側(cè)為大片層狀云降水，南側(cè)有不斷有45～55 dBz的雷暴新生發(fā)展，原地維持近5 h，因?qū)α骶€沿自身走向移動而產(chǎn)生明顯的列車效應(yīng)，屬TL/AS類MCS模態(tài)，對應(yīng)短時強降水雨帶R1；而對流線L1快速東移逐漸北收，05時移至鄂東北已發(fā)展出弓形回波結(jié)構(gòu)，對流移向幾乎垂直于其走向，屬 TS類MCS模態(tài)(圖2c)，主要產(chǎn)生大風(fēng)天氣。

2.3 S形渦旋對流階段

9日08—20時，人字形對流線在江淮地區(qū)演變成S形渦旋對流線，其中冷鋒TS類MCS發(fā)展，東移南壓影響長江中下游地區(qū)，產(chǎn)生大范圍大風(fēng)、局地短時強降水及冰雹天氣，而暖鋒TL/AS類MCS上列車效應(yīng)不明顯，強降水減弱。

與人字形回波結(jié)構(gòu)類似， S形渦旋對流由對流線L1、L2共同構(gòu)成，然氣旋性彎曲結(jié)構(gòu)更明顯，且L1后部弱回波區(qū)(缺口)擴大，整個尺度大于人字形回波(圖2d)。這種S形結(jié)構(gòu)對應(yīng)強度較強的渦旋環(huán)流，氣旋后部偏北氣流的侵入導(dǎo)致出現(xiàn)回波缺口(吳濤等，2017)。

冷鋒對流線上不同位置的對流模態(tài)不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的對流天氣不同。其中冷鋒中北部對流線L1維持TS類MCS模態(tài)，快速東移中導(dǎo)致與L2的連接斷開，在長江中下游地區(qū)產(chǎn)生大范圍的偏西大風(fēng)(圖2e)。而這一階段前期，L1后部的對流線呈近東西走向(圖2d)，表現(xiàn)出TL/AS類MCS模態(tài)特征，對應(yīng)短時強降水雨帶R2，后期加快南壓，轉(zhuǎn)換為東北—西南走向的TS類MCS(圖2f)，產(chǎn)生大風(fēng)和局地冰雹。

圖2 2019年4月8日21時至9日16時雷達組合反射率因子演變(三角形表示冰雹，圓圈表示短時強降水，風(fēng)桿表示大風(fēng)；圖2d，2e中虛線表示對流線形狀；圖2c中方框表示列車效應(yīng)區(qū)域，箭頭表示對流線移動方向)Fig.2 Evolution of radar composite reflectivity factor from 21:00 BT 8 to 16:00 BT 9 April 2019(Triangles represent hail, circles represent short-time severe precipitation, barbs represent strong wind; dashed lines in Figs.2d, 2e represent convective line pattern; in Fig.2c box represents the area with the train effect, arrow presents the moving direction of convective line)

此外，隨向北的氣旋性運動加強，暖鋒對流線L2由直線型轉(zhuǎn)為向北凸起的弧狀。由于風(fēng)暴單體移向不再平行于對流線，列車效應(yīng)消失，短時強降水逐漸減弱。

2.4 不同類型天氣風(fēng)暴的垂直結(jié)構(gòu)

分析反射率因子垂直剖面可知，產(chǎn)生不同類型天氣(冰雹、短時強降水、大風(fēng))風(fēng)暴的強度和結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別。

從對流發(fā)展強度看，離散線狀階段雹暴的強度最強，55 dBz反射率因子的頂部超過-20℃高度(8日20時宜昌探空顯示，-20℃高度約為7.5 km)(圖3a)，風(fēng)暴體顯著傾斜，表明雹暴內(nèi)部上升運動劇烈，屬超級單體強雹暴(恩施雷達徑向速度圖中有中氣旋特征，圖略)。人字形階段，對流線L2上短時強降水風(fēng)暴的強度明顯弱于雹暴，呈直立結(jié)構(gòu)，多個風(fēng)暴單體沿西南—東北方向排列且高度升高(圖3b)。而對流線L1產(chǎn)生大風(fēng)的弓形回波后部有大片層狀云降水回波(圖3c)，是TS類MCS的典型結(jié)構(gòu)特征。值得注意的是，與冰雹、短時強降水相比，沿弓形回波頂點方向的對流發(fā)展強度最弱，強回波高度未超過6 km(圖3c)，這不同于強烈發(fā)展并產(chǎn)生大風(fēng)的脈沖風(fēng)暴(俞小鼎等，2006)。

圖3 2019年4月(a)8日21時沿(29.722°N、109.322°E)和(29.440°N、109.761°E)雹暴雷達反射率因子剖面(兩條紅線分別表示0℃、-20℃層高度)，(b)9日05時沿(31.799°N、114.863°E)和(32.580°N、116.398°E)短時強降水風(fēng)暴雷達反射率因子剖面，(c)9日12時沿(31.824°N、119.113°E)和(31.597°N、120.722°E)弓形回波風(fēng)暴雷達反射率因子剖面Fig.3 Vertical profile of radar reflectivity factor of (a) hail storm along (29.722°N, 109.322°E) to(29.440°N, 109.761°E) at 21:00 BT 8 April (The two red lines respectively represent the height of 0℃, -20℃ level)； (b) short-term severe precipitation along (31.799°N, 114.863°E) to (32.580°N, 116.398°E) at 05:00 BT 9 April；(c) bow-echo storm along (31.824°N, 119.113°E) to (31.597°N, 120.722°E) at 12:00 BT 9 April 2019

3 江淮氣旋形成發(fā)展成因

3.1 大尺度天氣系統(tǒng)作用

由大尺度天氣形勢分析可知，江淮氣旋形成發(fā)展是大氣斜壓發(fā)展的結(jié)果，與高空槽、西南渦暖倒槽及北方高壓有密切關(guān)系。在高空槽東移形勢下，西南渦前側(cè)低層暖倒槽切變線發(fā)展，與北方高壓結(jié)合部有明顯鋒區(qū)形成，且高壓底部小股冷空氣侵入暖倒槽，隨高空槽東移，強斜壓性氣旋在倒槽切變線中形成發(fā)展。

8日20時，有利于江淮氣旋形成的大尺度形勢場已建立。高空圖上(圖4a,4b)，500 hPa南支槽與北支槽接近于同位相疊加，冷平流有利于低槽加深，我國中東部地區(qū)受深厚高壓脊控制，脊后西南急流深厚且低層暖平流明顯。925～850 hPa，西南低渦前側(cè)暖式切變線控制江淮地區(qū)(圖4c)，與北方高壓之間的溫度等值線密集，高壓底部小股東北冷空氣侵入暖式切變線西段(圖4d)。地面圖上(圖5a)華北小股冷空氣沿太行山東側(cè)侵入暖倒槽。8日夜間，隨南支槽緩慢東移，西南渦暖倒槽切變線發(fā)展，同時冷空氣進一步侵入暖倒槽產(chǎn)生氣旋性擾動。

圖4 2019年4月8日20時(a)500 hPa,(b)700 hPa,(c)850 hPa,(d)925 hPa高空天氣圖(棕色等值線表示位勢高度，間距4 dagpm；紅色等值線表示溫度，間距4℃；棕色粗實線表示槽線；雙細(xì)線表示切變線；D表示西南渦，G表示北方高壓)Fig.4 (a) 500 hPa，(b) 700 hPa， (c) 850 hPa， (d) 925 hPa synoptic chart at 20:00 BT 8 April 2019 (Brown isolines represent geopotential height with 4 dagpm interval, red isolines represent temperature with 4℃ interval, thick solid brown lines represent high trough, double thin lines represent shear line, D represents southwest vortex and G represents high pressure in North China)

9日08時，南支槽仍位于四川盆地，而北支槽東移至江淮地區(qū)，強斜壓性江淮氣旋形成，海平面氣壓場上有1002 hPa的閉合等值線區(qū)域形成(圖5b)。

圖5 2019年4月(a)8日20時和(b)9日08時地面圖(等值線表示海平面氣壓，間隔2 hPa;D表示江淮氣旋，G表示北方高壓;帶箭頭線條表示地面氣流)Fig.5 Surface map (a) at 20:00 BT 8 and (b) 08:00 BT 9 April 2019(Isolines represent sea level pressure with 2 hPa interval, D represents the Jianghuai cyclone, G represents high pressure in North China, and line with arrows represent the surface airflow)

從氣旋動力和熱力垂直結(jié)構(gòu)看(圖6)，與氣旋相關(guān)的渦度大值區(qū)主要位于600 hPa以下，且渦度中心和鋒區(qū)均向北明顯傾斜，具有典型溫帶氣旋的強斜壓性特征，預(yù)示氣旋將發(fā)展(熊秋芬等，2016)。在高空槽引導(dǎo)下江淮氣旋發(fā)展并向東北移動，14時位于沿海，而西南渦被氣旋后部的冷空氣填充(圖略)。

圖6 2019年4月9日08時沿117°E方向的江淮氣旋渦度(等值線，單位：10-5 s-1)和假相當(dāng)位溫(填色)垂直剖面Fig.6 Vertical profile of vorticity (isoline, unit: 10-5 s-1) and pseudo-equivalent potential temperature (colored) in Jianghuai cyclone along 117°E at 08:00 BT 9 April 2019

3.2 中尺度對流系統(tǒng)作用

以上分析表明大尺度天氣形勢對江淮氣旋形成發(fā)展的根本作用，實際上江淮氣旋是在中尺度對流活動中形成發(fā)展的，中尺度對流系統(tǒng)由β中尺度發(fā)展至α中尺度，在空間尺度上已具備影響江淮氣旋的能力。以下分析可知，對流活動使鋒面低層輻合增強，對氣旋形成發(fā)展有加強作用。

由9日08時合肥雷達組合反射率和8級以上極大風(fēng)站點分布圖(圖7)可知，S形渦旋對流線L1位于冷鋒后側(cè)，具有明顯弓形結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生的大風(fēng)遠離氣旋后部的冷空氣大風(fēng)區(qū)，可見對流大風(fēng)產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒與氣旋冷鋒疊加，明顯增強了低層輻合。在圖12雷達徑向速度圖上，對流區(qū)域的水平輻合區(qū)從近地層伸展至3 km高度，伴有后部入流急流，低層輻合強度可能大于大尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的輻合。從9日05、08、12時雷達圖看(圖2)，對流線L1上地面大風(fēng)的范圍隨弓形回波尺度增大而不斷擴大，表明陣風(fēng)鋒不斷發(fā)展，對應(yīng)這期間江淮氣旋形成發(fā)展。由于輻合使氣旋性渦度加強(朱乾根等，2007)，因此陣風(fēng)鋒的輻合有利于江淮氣旋形成發(fā)展。

圖7 2019年4月9日08時合肥雷達0.5°仰角基本反射率因子(填色)疊加地面7級以上大風(fēng)(瞬時極大風(fēng)≥13.9 m·s-1)(D表示地面氣旋位置，L1、L2分別表示冷鋒、暖鋒對流線)Fig.7 Superposition diagram of the base reflectivity factor (colored) of Hefei Radar at 0.5° elevation and the max wind speed above 13.9 m·s-1 on the ground at 08:00 BT 9 April 2019(D represents the position of the ground cyclone, L1 and L2 represent the convective lines on the cold front and the warm front, respectively)

4 強對流天氣成因

對比中尺度對流系統(tǒng)與江淮氣旋形成發(fā)展過程可知，離散線狀、人字形對流出現(xiàn)在江淮氣旋形成階段(8日20時至9日08時)，而S形渦旋對流出現(xiàn)在江淮氣旋發(fā)展階段(9日08時之后)，兩個階段對流產(chǎn)生的主要天氣類型有明顯區(qū)別。以下分析可知，這種區(qū)別與江淮氣旋的動力熱力特征以及地形有密切關(guān)系。

4.1 西南渦結(jié)合山區(qū)地形提供有利于鄂西南強冰雹形成的環(huán)境場

江淮氣旋形成階段初期，西南渦暖倒槽切變線發(fā)展，渦前有大范圍偏南急流(圖8)，850 hPa暖脊(圖9)且700 hPa暖平流明顯(圖略)，有利于在鄂西南地區(qū)建立不穩(wěn)定層結(jié)和強垂直風(fēng)切變。實況探空分析表明，該地區(qū)環(huán)境場具有一定到中等強度的不穩(wěn)定能量和強垂直風(fēng)切變，有利于強風(fēng)暴形成。由于8日20時恩施附近雷暴發(fā)展，相鄰的宜昌實況探空圖(圖8)上，地面溫度26℃，高于當(dāng)月的日最高氣溫氣候平均值(22℃)，850 hPa與500 hPa溫差為26℃，對流有效位能為1387.6 J·kg-1，K指數(shù)為36℃，具有中等強度的不穩(wěn)定能量。雖然夜間地面溫度降低使對流有效位能下降，但低層暖平流仍可維持層結(jié)不穩(wěn)定。并且500 hPa、700 hPa風(fēng)速分別達20 m·s-1、16 m·s-1，具有強的深層(0～6 km高度)和低層(0～3 km高度)垂直風(fēng)切變，考慮到鄂西南位于多山地區(qū)，實際的垂直風(fēng)切變應(yīng)更強。

圖8 2019年4月8日20時宜昌探空圖Fig.8 Sounding chart of Yichang at 20:00 BT 8 April 2019

圖9 2019年4月8日20時雷達組合反射率因子加850 hPa GFS再分析場(等值線表示溫度，間隔2℃，粗虛線表示切變線，藍色填色區(qū)表示組合反射率因子超過30 dBz的區(qū)域，填色表示地形高度，D表示西南渦)Fig.9 Superposition diagram of radar composite reflectivity factor and 850 hPa GFS reanalysis field at 20:00 BT 8 April 2019(Isolines represent temperature with interval 2℃, thick dashed lines represent shear line, blue colored represents area with composite reflectivity factor exceeding 30 dBz, colored area represents terrain height， and D represents southwest vortex)

從風(fēng)暴觸發(fā)條件看，發(fā)展西南渦前側(cè)受地形影響的輻合有利于強風(fēng)暴觸發(fā)。20時850 hPa GFS再分析場上(圖9)，西南渦前偏南急流出口位于鄂西南山區(qū)，風(fēng)速輻合明顯。顯然，輻合與地形阻擋有密切關(guān)系，并且輻合隨西南渦發(fā)展而增強，為風(fēng)暴提供了抬升觸發(fā)條件，導(dǎo)致20時后分散風(fēng)暴在該區(qū)域初生發(fā)展。

從強冰雹形成環(huán)境條件看，鄂西南溫度層結(jié)及山區(qū)地形有利于強冰雹形成。8日20時宜昌實況探空圖(圖8)中，0℃度層高度約為4.4 km，濕球0℃層高度約為3.6 km，考慮到鄂西南東部山地海拔高度超過1.0 km，實際濕球0℃層距地面高度小于3 km。合適的0℃度和濕球0℃層高度，不僅有利于冰雹粒子在高空增長，并且由于下落融化時間較短，更容易在地面形成強冰雹(俞小鼎等，2006)。從氣候特征看，湖北冰雹主要出現(xiàn)在西部山區(qū)，可能與山區(qū)濕球0℃層高度低于平原地區(qū)有關(guān)。

4.2 氣旋形成階段暖式切變線以及發(fā)展階段受南支槽影響的冷式切變線提供有利于風(fēng)暴列車效應(yīng)形成的環(huán)境場而產(chǎn)生短時強降水

從降水環(huán)境場條件看，江淮氣旋形成發(fā)展階段，暖區(qū)低層水汽和層結(jié)不穩(wěn)定有利于產(chǎn)生較高降水強度。夜間暖鋒強降水對流線L2主要位于河南南部，上游地區(qū)的武漢探空圖(圖略)中， 850 hPa比濕為11 g·kg-1，略低于江淮地區(qū)短時強降水(小時降水強度≥30 mm·h-1)的氣候閾值13 g·kg-1(郝瑩等，2012)，K指數(shù)為34℃表明大氣層結(jié)不穩(wěn)定，可通過浮力上升運動向風(fēng)暴供應(yīng)水汽從而提高降水強度(孫繼松，2017)。9日白天冷鋒對流線L1東移至長江下游，08時安慶探空圖(圖略)中850 hPa比濕為13 g·kg-1，K指數(shù)為39℃，水汽和不穩(wěn)定均有利于短時強降水生成。

江淮氣旋形成階段，925 hPa暖式切變線發(fā)展，冷暖空氣交匯有利于對流線L2發(fā)展，其中暖式切變線中西段的中低層風(fēng)場配置有利于對流線L2出現(xiàn)列車效應(yīng)，是雨帶R1上大暴雨主要成因之一。分析9日02時GFS再分析場和雷達圖(圖10a,10b)可知，發(fā)展的925 hPa暖式切變線附近等溫線密集，兩側(cè)均有急流配合，且大尺度分析表明地面冷空氣侵入暖倒槽，斜壓發(fā)展有利于對流線L2上加強。受冷高壓底部東北氣流阻擋影響，切變線中西段呈西南—東北走向，且該區(qū)域上空一致的700 hPa西南急流平行于切變線走向。由于對流線L2沿切變線組織發(fā)展，在強西南引導(dǎo)氣流下風(fēng)暴單體沿對流線移動、整個對流線沿自身走向移動而產(chǎn)生列車效應(yīng)，這種列車效應(yīng)在極端降水個例中較多見(茍阿寧等，2019)。而在氣旋發(fā)展階段，強烈渦旋運動使925 hPa暖式切變線大部轉(zhuǎn)為近東西走向，因700 hPa西南引導(dǎo)氣流不再平行于對流線導(dǎo)致列車效應(yīng)不明顯，且北抬過程中層結(jié)不穩(wěn)定條件變差，短時強降水減弱消失。

江淮氣旋發(fā)展階段前期，受南支槽緩慢東移影響，冷式切變線底部的中低層風(fēng)場配置也有利于冷鋒對流線L1底部出現(xiàn)列車效應(yīng)，是雨帶R2上大暴雨主要成因之一。分析08—14時925 hPa、700 hPa風(fēng)場和雷達圖(圖10c,10d)可知，對流線L1底部位于925 hPa冷式切變線后部，呈近東西走向且南壓不明顯，這可能與南支槽緩慢東移有關(guān)。由于南支槽位于氣旋后部，槽前西南急流阻擋氣旋后部西北氣流南下，從而使對流線底部不呈近南北走向，并且因700 hPa高空風(fēng)平行于對流線，造成對流向偏東移動的列車效應(yīng)。后期隨冷空氣加強南下，對流線L1底部轉(zhuǎn)為東北—西南走向，列車效應(yīng)消失。

圖10 2019年4月9日(a,b)02時、(c,d)08時、(e,f)14時雷達組合反射率因子(填色)疊加GFS再分析場(a，c，e)700 hPa，(b，d，f)925 hPa風(fēng)場(風(fēng)羽)和溫度場(等值線，間距2℃)(藍色/紅色粗虛線表示冷鋒/暖鋒切變線，方框表示列車效應(yīng)出現(xiàn)區(qū)域，L1、L2表示對流線)Fig.10 Superposition diagram of radar composite reflectivity factor and GFS reanalysis field of wind (barb) and temperature field lisoline with the 2℃ interval at (a, c, e) 700 hPa， (b, d, f) 925 hPa at (a, b) 02:00 BT, (c, d) 08:00 BT and (e, f) 14:00 BT 9 April 2019 (The blue/red thick dotted lines represent the cold front/warm front shear line, and the boxs show the area with the train effect, L1 and L2 represent convective lines)

4.3 氣旋發(fā)展階段冷式切變線提供有利于后部入流急流形成的環(huán)境場而產(chǎn)生大范圍對流大風(fēng)

江淮氣旋發(fā)展階段，環(huán)境場具有一定到中等強度的不穩(wěn)定能量和強垂直風(fēng)切變，且中層偏西風(fēng)急流與對流線的配置有利于后部入流急流(rear inflow jet,RIJ)形成，從而有利于TS類MCS在長江中下游產(chǎn)生大范圍對流大風(fēng)。

江淮氣旋隨北支槽東移而發(fā)展，主要表現(xiàn)為渦旋環(huán)流、冷鋒斜壓性加強以及地面降壓，有利于對流線L1組織發(fā)展。從9日08—14時低層風(fēng)場和溫度場變化(圖10f)看，925～700 hPa西南急流加強北抬，而925 hPa氣旋后部偏北氣流轉(zhuǎn)為西北氣流，氣旋性環(huán)流更加閉合，溫度等值線更密集，冷空氣進一步侵入使得冷鋒鋒區(qū)向前凸起，表明大氣斜壓性增強。地面圖上，08—14時氣旋中心海平面氣壓下降(圖略)也表明氣旋發(fā)展。發(fā)展斜壓氣旋的冷鋒有利于大范圍雷暴形成并組織成線狀外形。

從環(huán)境場條件看，冷式切變線前側(cè)具有一定到中等強度的不穩(wěn)定能量和強的垂直風(fēng)切變，有利于風(fēng)暴發(fā)展。9日08—14時NCEP再分析場對流有效位能CAPE圖上(圖11)，冷式切變線前側(cè)的CAPE呈北低南高分布，大值區(qū)主要位于江南地區(qū)，且隨午后地面升溫CAPE最大達1650 J·kg-1。需要指出的是，GFS再分析場低估了長江沿線及北岸地區(qū)時段(08—14時)的不穩(wěn)定狀態(tài)，將08時南京探空圖中地面溫度訂正為25℃后，CAPE為145 J·kg-1(圖略)。從垂直風(fēng)切變看，受冷式切變線前側(cè)深厚西南急流影響，0～3 km和0～6 km高度垂直風(fēng)切變達到中等強度以上，有利于強風(fēng)暴發(fā)展。

圖11 2019年4月9日(a)08 時和(b)14時雷達組合反射率因子(填色)疊加GFS再分析場(風(fēng)桿表示925 hPa風(fēng);等值線表示對流有效位能，間距為100 J·kg-1)Fig.11 Superposition diagram of radar composite reflectivity factor (colored) and GFS reanalysis field at (a) 08:00 BT and (b) 14:00 BT 9 April 2019 (Wind barbs represent 925 hPa wind, isolines represent CAPE with the 100 J·kg-1 interval)

從中低層風(fēng)場配置及對流動力結(jié)構(gòu)看，中層風(fēng)向垂直于對流線有利于RIJ形成，而RIJ下降對地面大風(fēng)及線狀對流維持有重要作用。以上風(fēng)暴演變分析可知長江沿線一帶的大范圍大風(fēng)由較弱風(fēng)暴產(chǎn)生，由此提出大風(fēng)成因問題。從對流大風(fēng)形成機制看，除下?lián)舯┝魍猓瑒恿肯聜饕彩堑孛娲箫L(fēng)形成的主要原因之一(王秀明等，2012)，F(xiàn)ujita(1978)指出RIJ下降到地面導(dǎo)致了大風(fēng)。分析對流線L1上弓形回波垂直結(jié)構(gòu)(圖12)可知，RIJ在接近風(fēng)暴過程中高度呈下降趨勢。結(jié)合1.5°、0.5°仰角基本徑向速度圖(圖略)可知，從B點到A點，20 m·s-1大值區(qū)高度由1.6 km下降至0.5 km，A點徑向速度基本代表了近地層水平風(fēng)分量。由于風(fēng)暴發(fā)展不高，對流下沉氣流在A點產(chǎn)生的水平輻散風(fēng)可能不強，因此A點大風(fēng)可能主要由RIJ通過對流下沉運動下傳至近地層所造成的，這種高水平動量下降至近地面的現(xiàn)象也出現(xiàn)在2009年6月3日河南颮線過程中(王秀明等，2012)。數(shù)值模擬和觀測表明后部入流與中尺度過程密切相關(guān)(Weisman，1992；Gallus and Johnson，1995；康紅等，2016)，然而其強弱與環(huán)境場關(guān)系密切。從環(huán)境風(fēng)場(圖10c,10e)來看，對流線上方700 hPa為偏西風(fēng)急流，風(fēng)向與對流線的夾角較大，尤其在弓形回波區(qū)域，風(fēng)向幾乎垂直于回波線走向，即與RIJ風(fēng)向接近一致，風(fēng)向與對流線的這種配置有利于高動量的環(huán)境風(fēng)卷入風(fēng)暴內(nèi)部，從而有利于RIJ形成。

圖12 2019年4月9日10:55以常州雷達為中心(261°，131.5 km)至(0°，0 km)連線上的風(fēng)暴垂直剖面(a)雷達反射率因子，(b)雷達徑向速度(圖中A位置為相對雷達：261°,27.9 km,海拔高度：0.5 km;B位置為相對雷達：261°，94 km,海拔高度：1.6 km)Fig.12 Vertical profile of windstorm on the line from (261°, 131.5 km) to (0°, 0 km) to Changzhou Radar at 10:55 BT 9 April 2019 (a) reflectivity factor, (b) radial velocity(A: location 261°, 27.9 km to radar; sea level height: 0.5 km; B: location 261°, 94 km to radar; sea level height: 1.6 km)

5 結(jié) 論

使用天氣雷達、常規(guī)高空地面觀測、地面加密觀測、1°×1° NCEP再分析場資料，分析一次春季江淮氣旋形成發(fā)展過程中混合型(冰雹、大風(fēng)、短時強降水)強對流天氣特征，初步解釋了不同類型對流天氣形成發(fā)展的可能原因，結(jié)論如下：

江淮氣旋引發(fā)的大風(fēng)、短時強降水、冰雹天氣在時空分布和對流特征上存在差異。局地冰雹主要由氣旋形成階段離散對流線產(chǎn)生，帶狀短時強降水由氣旋形成階段人字形對流線及發(fā)展階段S形對流線后部的列車線/鄰接層狀云類MCS產(chǎn)生，大范圍大風(fēng)主要由江淮氣旋發(fā)展階段S形對流線上尾隨層狀云降水類MCS產(chǎn)生。三種天氣類型的風(fēng)暴中，雹暴強度最強，短時強降水風(fēng)暴強度次之，弓形回波強度最弱。

江淮氣旋是大尺度天氣系統(tǒng)斜壓發(fā)展的結(jié)果，中尺度對流活動對氣旋形成發(fā)展有加強作用。大尺度天氣系統(tǒng)與高空槽、西南渦暖倒槽及北方高壓有密切關(guān)系，在高空槽東移形勢下，西南渦前側(cè)低層暖倒槽切變線發(fā)展，與北方高壓結(jié)合部有明顯鋒區(qū)形成，且高壓底部小股冷空氣侵入暖倒槽，隨高空槽東移，強斜壓性氣旋在倒槽切變線中形成發(fā)展。大尺度天氣系統(tǒng)演變過程伴有中尺度對流系統(tǒng)活動，對流使冷鋒低層輻合增強，對氣旋形成發(fā)展有加強作用。

強對流天氣與江淮氣旋動力熱力場有密切關(guān)系。離散線狀、人字形對流線主要位于江淮氣旋形成階段，隨江淮氣旋發(fā)展演變成S形渦旋對流線。氣旋形成階段，西南渦結(jié)合山區(qū)地形提供有利于鄂西南強冰雹形成的環(huán)境場，暖式切變線以及發(fā)展階段受南支槽影響的冷式切變線，提供有利于風(fēng)暴列車效應(yīng)形成的環(huán)境場從而產(chǎn)生短時強降水；氣旋發(fā)展階段冷式切變線，提供有利于后部入流急流形成的環(huán)境場而產(chǎn)生大范圍大風(fēng)。

致謝：感謝武漢中心氣象臺張家國首席預(yù)報員對本文分析提出的指導(dǎo)意見，浙江舟山氣象局趙海林提供的部分雷達資料。