宜昌市一次倒槽锋生气旋混合型对流天气特征分析

2024-07-06孟芳张丽叶丹李芳

人民长江 2024年13期

孟芳张丽叶丹李芳

摘要：2023年4月2～3日宜昌市出现一次由暖倒槽锋生气旋引起的混合型对流天气，过程以冰雹、短时强降水、大风等对流天气为主，且不同类型强对流天气出现的时段及对流特征差异较大，有必要对其开展精细分析。

利用高空地面观测、天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料，分析了此次混合型对流天气特征，并初步分析了数值模式预报的偏差。结果表明：① 此次对流天气分为以短时强降水为主的暖锋锋生阶段和以短时强降水、冰雹、大风为主的冷锋锋生阶段，局部累计雨量超过100 mm，极大风速达9级。② 随着高空槽和冷空气逼近，700 hPa以下西南急流和前侧底层暖倒槽强烈发展，随着冷空气侵入暖倒槽，强斜压性气旋形成并发展。③ 天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料能够捕捉到不同类型强对流天气时空特征。④ 大尺度模式对环流背景场、中尺度模式对强降水落区预报均具有一定指示意义，但在地形对降水增幅作用上估算不足。

关键词：倒槽锋生；气旋混合型对流天气；反射率因子垂直剖面；湿度廓线; 宜昌市

中图法分类号： P458

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.006

0引言

江淮气旋是造成江淮地区暴雨的重要天气系统，是具有明显的冷暖锋结构的气旋系统，有静止锋上的波动和倒槽锋生气旋，一年四季皆可形成，以春季和初夏居多。江淮气旋所引发的对流天气具有多样性［1］，在西南暖湿急流推动下，暖区暴雨北抬可产生暖锋前暴雨［2-3］；冷暖空气交汇斜压锋生加强，冷锋附近常形成有组织的线状对流系统并产生大风、暴雨和冰雹等强对流天气［4］。

由于环境场层结不稳定性强和水汽充足，中尺度对流系统发展活跃，触发发展机制与地形、边界层辐合线等关系密切，锋前暖区极端暴雨近年来引起越来越多研究人员的重视［5-9］。因此，目前大量研究都集中在江淮气旋形成发展、结构特征及其造成的暴雨个例研究上。黄文彦等［10］研究发现，气旋中心涡度和风速大小、低空西南急流的位置和水汽通量辐合的位置是暴雨落区差异的主要原因；陈筱秋等［11］研究发现，地形抬升作用相叠加是造成强降水的主要原因；毛程燕［12］、张晓红［13］、古文保［14］等研究发现，南亚高压强高空辐散、中纬度低槽东移、副热带高压带状稳定的阻塞形势、江淮气旋后部下摆冷空气与暖湿气流交汇形成的冷式切变等共同提供了有利的环境条件；吴琼等［15］研究发现气旋移速与500 hPa引导气流的强弱有关，高空辐散场有利于低层减压，促进气旋发展。但各位学者对江淮气旋引发混合型对流天气的分析相对较少。颜佳任等［16］研究发现江淮气旋进入成熟阶段后，气旋后部风速明显增大，气旋大风叠加对流大风利于形成区域性大风；吴涛等［1］从MCS角度分析不同对流天气MCS对流特征，研究发现暖式切变线及气旋发展阶段有利于产生短时强降水，气旋发展阶段冷式切变线提供有利于后侧入流急流有利于产生大范围大风天气。这些为本文开展相关研究提供了理论基础和依据。

宜昌市位于湖北省西南部，鄂西武陵山脉和秦巴山脉向江汉平原的过渡地带境内高山、丘陵、峡谷间隔，在特殊地形及天气系统共同作用下，对流天气多发频发，且致灾性强。2023年4月2～3日宜昌市出现一次由暖倒槽锋生气旋引起的混合型对流天气，过程以冰雹、短时强降水、大风等对流天气为主，且不同类型强对流天气出现的时段及对流特征差异较大，有必要对其开展精细研究分析。由于探测手段有限，且以往研究大多建立在常规观测资料的基础上［17-18］，而近年来，宜昌市地基遥感监测系统不断建设完善，观测资料不断增加。因此本文利用高空地面观测、天气雷达、激光云雷达、GNSS/MET、微波辐射计和卫星等资料，综合分析倒槽锋生气旋形成过程中不同类型对流天气形成及发展特征，以期为类似天气形势提供技术支撑。

1对流天气实况

1.1降雨情况

宜昌市自动雨量站监测显示，4月2～3日宜昌西北部出现中到大雨，东南部出现大到暴雨，局部大暴雨（图1），最大累计雨量为109.3 mm，出现在毛湖埫站。选取毛湖埫站作为代表，分析降水的主要时间段。从该站4月2日00：00至3日23：00逐小时雨量变化可以看出（图2），本次降水主要分为4个阶段：第1阶段为2日11：00～12：00、第2阶段为2日17：00～3日03：00、第3阶段为3日07：00～12：00、第4阶段为3日19：00～21：00。其中，小时雨强在第2阶段最大，为18.5 mm，第3、4阶段次之，第1阶段最小，为3.7 mm；持续时间在第2、3阶段长，有5～10 h，第1、4阶段短，在2～3 h。

1.2大风、冰雹情况

据宜昌市自动风速站监测显示，4月3日宜昌市东部平原和西部高山出现6～9级偏北阵风（图3），其中东部平原最大阵风为18.1m/s，出现在当阳枯树岭站，西部高山最大阵风为22.1m/s（9级），出现在五峰北风垭站。此外，根据灾情调查显示，4月3日秭归县、长阳县、五峰县等地局部出现小冰雹。

2环流背景

2.1环流场特征分析

4月2日白天，500 hPa欧亚中高纬为一槽一脊的环流形势：贝加尔湖以东地区为暖性高压脊控制，巴尔喀什湖至贝加尔湖为一深厚冷涡，涡前脊后有偏北气流引导冷空气南下；青藏高原南侧有南支槽活动，宜昌市位于南支槽前正涡度平流区。同时700～850 hPa为西南急流轴附近，具备较好的水汽、能量输送和动力抬升条件。

4月2日夜间850 hPa西南急流加速至20 m/s，925 hPa出现≥12 m/s东南风超低空急流，水汽和不稳定能量输送进一步加强。随着冷空气南下和南支槽东移逼近，宜昌市700 hPa以下等温线变密，暖锋锋生，动力抬升增强，宜昌市出现分散性强降水天气。此时地面暖低压强烈发展，中心强度达992.5 hPa，宜昌市24 h变压达-3.5～-2.3 hPa。

4月3日白天，850 hPa川东-陕南有中尺度低涡形成，宜昌市位于其右侧西南急流中，华北高压底部偏东风与西南急流辐合，并逐渐形成气旋环流；地面上冷锋侵入暖倒槽，冷暖交汇触发不稳定能量释放，宜昌市出现冰雹、短时强降水等对流天气，并伴有气旋后部偏北大风。

2.2环境场特征分析

4月2日20：00，宜昌站850 hPa露点达11.5 ℃，K指数为34 ℃，暖云层厚度为3.6 km，抬升凝结高度（LCL）0.29 km（表1），水汽条件较好且有利于高效率降水，利于形成短时强降水［19-21］。0～6 km垂直风切变加强至14.4 m/s，利于对流的有组织发展和维持。3日08：00，宜昌站水汽条件和抬升凝结高度与2日20：00相当，但850 hPa与500 hPa温差增加至25.7 ℃，K指数增大至37.5 ℃，BLI下降为-5.2，层结不稳定加剧，抬升条件变好，更有利于对流天气发生。同时0～6 km垂直风切变加大至18.9 m/s，更有利于雷暴大风和短时强降水维持。此时，湿球0 ℃层高度为3.7 km，-20 ℃层高度为6.4 km，也有利于冰雹形成。

从宜昌站GNSS/MET水汽含量监测来看，2～3日宜昌市水汽含量呈现波动上升趋势，2日白天随着南风急流的发展加强，水汽含量迅速从37 mm增长至47 mm，并在19：00前后达到峰值，2日15：00至3日02：00稳定维持在45 mm以上（图4）。3日03：00水汽含量有所下降，降水也有所减弱，11：00前后再度增加至45 mm以上，并稳定维持至16：00。16：00以后水汽含量降低至40 mm以下，主要降水过程趋于结束。

从宜昌站微波辐射计探测的整层湿度分布图来看，2日至3日13：00，宜昌市上空近地层相对湿度维持在80%以上，并有向下扩展趋势（图5）。3日上午近地层湿度进一步转好，达到90%以上。下午存在干空气侵入，中上层湿度迅速转差，但近地层湿度仍然维持在90%以上，23：00整层湿度降低。

3天气雷达回波特征分析

此次极端天气过程自2日09：00左右南部开始有分散性对流回波开始发展，至3日21：00前后宜昌市境内回波减弱消亡，大致可以分为3个阶段。

第1阶段为2日09：00～15：00（图6），出现东北-西南向降水回波带，回波强度基本在45 dBz以下，回波发展高度基本维持3 km以下，在西南气流的引导下向东北方向移动，移速达60 km/h，宜昌市东部和南部出现小雨天气。

第2阶段为2日15：00至3日16：00，随着西南急流的发展，贵州-湖南一带不断有回波生成并向东北方向移动影响宜昌市。17：13，湖南张家界-常德有多条分散新生回波，在西南气流的引导下，向东北方向移动陆续影响宜昌市。19：33，在西南急流的发展加强、925 hPa东南急流叠加地形的影响下，宜昌市东部—湖南一带出现地面辐合线，回波组织性和强度明显加强，城区及周边、五峰县和长阳县出现大片≥45 dBz强回波（图7），回波发展高度伸展至5 km左右，因辐合区偏东，回波北抬影响宜昌市东部和南部县市，期间多个站点出现20 mm以上的短时强降水，因回波移动方向和引导气流一致，存在列车效应，宜昌市南部出现大雨，最大小时雨量35.3 mm，出现在猇亭区21：00～22：00。23：50随着925 hPa由东南急流转为偏南急流，前期回波移出宜昌市，后续随着暖切北抬，贵州至湖南一带回波不断生成并继续北抬东移影响宜昌市东部和南部县市，回波面积较前期有所扩大。同时中西部辐合加强，宜昌市西部秭归县、兴山县一带有回波生成并缓慢东移，西部降水逐步发展，出现小到中雨。01：09出现零度层亮带，降水趋于稳定。04：36随着川东低涡发展并东移，宜昌市西部不断有回波生成并影响西部地区。08：03西部县市位于气旋后部冷切中，回波不断生成并向东北方向移动（图8）；东部和南部县市位于西南急流暖区，对流再度发展，表现为分散对流单体，回波强度达45 dBZ以上，与前期的回波特征类似，新生回波沿着平行于对流线方向移动影响我市南部和东部县市，对流线上强回波单体排成一列，类似于“列车效应”，但因为回波较为分散，移动性强，小时雨强在10 mm左右。

第3阶段为3日16：00～21：00，随着冷锋入暖倒槽，西部出现线状对流并东移影响宜昌市大部地区。16：45恩施、神农架一带有回波东移影响秭归县、兴山县，中心强度最强达60 dBZ（图9）。17：07秭归县-长阳县交界处出现60 dBZ以上强回波，呈现悬垂结构，出现冰雹天气；秭归县北部回波中心强度达45 dBZ以上，强回波发展高度在5 km以下，强回波质心较低，降水效率较高，秭归县水田坝乡出现40 mm以上短时强降水。17：41回波移至长阳榔坪镇并发展加强，中心强度达65 dBZ以上，回波呈现悬垂结构和三体散射特征，长阳县出现冰雹天气，伴有6～7级雷雨大风（图10～11）。18：20回波组织性加强，呈现带状并进一步东移（图12），回波带南段存在风速辐合区伴有后侧入流急流，回波强度稳定维持在60 dBZ以上，呈现悬垂结构，榔坪镇-贺家坪镇-火烧坪乡沿线出现冰雹、雷雨大风天气，同时五峰县一带回波处于持续发展中，整体回波以50 km/h的速度东移，造成沿线出现小到中雨，伴有雷雨大风。19：33出现零度层亮带，降水趋于稳定，降水强度减小，于此同时后侧入流急流达22.5 m/s，20：45达到27 m/s，东部县市风力持续加大，21：09当阳市出现18.1 m/s的8级大风。21：36雨带移出。

4数值模式预报偏差分析

4.1EC 700和850hPa风场预报分析

对EC全球模式1日20：00和2日08：00起报的2日20：00 700 hPa和850 hPa风场进行检验。其中模式1日20：00起报的2日20：00 700 hPa/850 hPa风场与实况基本一致，但模式预报贵州-湖南一带西南急流较实况偏强，辐合区偏东，且850 hPa偏东急流明显偏强，导致降水预报较实况偏强，落区偏东。模式2日08：00起报的2日20：00 700 hPa/850 hPa风场与实况基本一致，且两次起报场形势稳定，只是对南风气流的偏西分量较1日20：00有所加大，导致强降水落区较实况偏东，但同时对宜昌市南部的急流强度有所调弱，降水强度略有下调。整体而言，EC预报风场与实况较为一致，且较为稳定，但急流强度预报偏强，随着预报临近有向弱调整趋势，降水强度与实况趋于一致，今后对模式预报的急流强度要及时依据实况作调整。

4.2多家模式降水预报分析

为分析各家模式预报效果，对比分析两种大尺度模式（EC、CMA-GFS）和华东中尺度模式不同起报时次（1日20：00、2日20：00）预报的4月2日20：00至3日20：00宜昌市的降水落区和量级。

对于1日20：00起报的24 h（2日20：00～3日20：00）降水，各家模式对雨带的位置和落区预报较为一致，两家大尺度模式对宜昌市东部降水预报与实况较为一致，但对南部降水强度预报偏弱，EC模式报出局部暴雨点，但对西南部降水只报出小到中雨量级，但对兴山县、秭归县大雨落区预报较好；CMA-GFS也只报出中雨量级，暴雨出现漏报，且西部降水偏弱。中尺度模式对本地强降水落区和强度与实况偏强，暴雨范围偏大，但大暴雨点与实况暴雨落区较为一致，有一定的指示意义。

对于2日20：00起报的24 h（2日20：00～3日20：00）降水，各家模式对宜昌市主雨带的位置和落区预报较为一致，并且随着预报时效的临近3种模式对降水强度都有向弱调整的趋势。EC模式临近预报强度较实况偏弱，对宜昌市东部和南部降水只报出中雨，局部大雨量级，暴雨漏报；CMA-GFS对宜昌市南部降水量级有所调强，与实况较为接近，报出大雨量级，但暴雨出现漏报，同时对宜昌市东部降水强度明显调弱；华东临近预报宜昌市强降水落区和强度较实况较为接近，成功报出大雨，局部暴雨，并且对兴山县、秭归县大雨落区预报较好，虽然暴雨落区范围偏大，但整体预报效果较好。

总体而言，针对此次强降水，大尺度模式和中尺度模式对宜昌市主雨带的落区把握均较好，大尺度模式对宜昌市主雨带的中心强度预报偏小1～2个量级。本次极端天气过程以对流性降水为主，华东模式在对流性降水中表现较好，随着临近调整，对宜昌市主雨带的中心强度预报更为接近实况，有一定的指示意义。

5结论与启示

本文利用高空地面观测、天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料，分析了2023年春季宜昌市一次由暖倒槽锋生气旋引起的混合型对流天气特征，并初步分析了数值模式预报的偏差。主要结论如下：

（1）此次混合型对流天气分为以短时强降水为主的暖锋锋生阶段和以短时强降水、冰雹、大风为主的冷锋锋生阶段，局部累计雨量超过100 mm，极大风速达9级。地面高空观测资料、天气雷达、GNSS/MET和微波辐射计等资料能够捕捉到不同类型强对流天气的时空变化特征。

（2）在高空槽分裂东移形势下，西南急流和前侧底层暖倒槽强烈发展，与华北高压底部偏东风结合部有明显锋区形成，且随着冷涡转动不断有小股冷空气侵入暖倒槽，强斜压性气旋在倒槽切变线中形成并发展。4月2日夜间开始宜昌市处于高层辐散低层辐合区，CAPE和K指数发展，不稳定条件和抬升条件转好，同时位于水汽通量的大值区和辐合区，GNSS/MET水汽含量迅速增长并维持45 mm以上，微波辐射计探测的近地层相对湿度达到90%以上并向下扩展，暖云层深厚，0～6 km深层垂直风切变加强，环境条件有利于强对流天气的产生。

（3）过程分为暖锋锋生和冷锋锋生阶段，降水表现特征有所差别。暖锋锋生阶段，在西南急流发展加强、925 hPa东南急流叠加地形的影响下，出现地面辐合线，以45 dBZ以上低质心暖云降水为主，加之列车效应，东部和南部县市主要表现为短时强降水；冷锋锋生阶段，随着冷锋入暖倒槽，西部县市出现近2 h的冰雹天气伴随短时强降水，江淮气旋后部偏北气流导致东部平原及沿江河谷出现6～8级偏北大风。

（4）大尺度模式的风场与实况较为一致，但对急流强度和辐合区较实况有所差别，导致主降水中心较实况偏强，落区偏东。同时宜昌市地形复杂，呈现西高东低向东开口的喇叭口地形，各家模式对850 hPa以下偏东气流在宜昌西部山区的降水估算不足，对主雨带的中心强度预报偏小1～2个量级。华东模式表对强降水落区有一定的指示意义。

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