江淮地区致灾强对流天气流型配置及层结特征分析
发布时间：2020-03-21
摘要:利用常规高空、地面观测资料，对2000-2010年发生在江淮地区的500余次致灾强对流天气过程进行天气综合分析，结合强对流天气发生发展过程中环流形势演变及天气系统空间配置，提炼关键环流特征，建立江淮地区致灾强对流天气发生时对应的5种典型天气型:高空槽前型、冷涡(槽)后型、副高边缘型、副高控制型和热带系统型。基于上述分型，对江淮地区不同天气型下致灾强对流天气类型发生频率的统计分析表明，副高边缘型是江淮地区发生短时强降水、雷暴大风及龙卷频次最多的天气型，特别是龙卷天气在这种背景下发生频率达到66%;冰雹天气最易出现在冷涡(槽)后天气型下，55%冰雹天气发生在冷涡(槽)后天气背景下;而与热带系统相联系的天气型下，江淮地区多见短时强降水天气，发生冰雹的概率很小。通过对比分析不同天气型下各类强对流天气发生前合成探空特征讨论不同类型强对流天气发生的对流环境差异。
关键词:致灾强对流天气;流型配置;环流特征;对流环境;江淮地区
江淮地区位于中国东部，地处东亚季风区，冷暖气流交汇频繁，强对流天气频发，对流类型多、致灾性强，近年来其极端性呈现增强趋势[1-2]。加之江淮地区人口稠密，经济发达，强对流天气气象灾害风险更加突出，对社会经济发展以及人民生命财产安全造成极大威胁。据统计[3]，江淮地区是我国龙卷发生频率最高地区之一。2016年6月23日江苏盐城阜宁发生了EF4级龙卷[4]，损失惨重，期间99人失去生命。强对流天气发生在特定的大尺度环流背景下由中小尺度系统导致，其形成有三个基本条件:水汽条件、不稳定层结条件和动力抬升条件。尽管动力抬升条件通常由中小尺度系统所提供，但水汽和不稳定层结环境常与大尺度环流背景所制约的天气尺度系统发展演变相联系，因而强对流天气的发生发展依赖于大尺度环流背景。基于大量个例统计分析，Maddox等[5]归纳出致洪强降水的几种典型天气流型配置。我国不少气象学者针对中国不同区域强对流天气发生的天气尺度环流特征也进行了统计分析和总结。丁一汇等[6]研究了对飑线有触发和组织作用的几种典型形势。伍志芳等[7]针对广州前汛期强对流天气流型及关键物理量进行分类归纳与提炼。杨露华等[8]则将上海地区产生强对流的天气形势细分为六种主要类型。张一平等[9]基于流型识别和物理量要素总结了河南区域性强对流的天气学-物理量概念模型。郑媛媛等[10]基于不同类型大尺度环流背景研究了强对流天气的短时临近预报预警技术。不同的大尺度环流背景下，天气系统的空间结构及发展演变不同，导致强对流天气形成的水汽、热力或动力环境的差异，这在一定程度上影响了生长于其中的对流风暴的结构和强度[11-12]，并最终导致强对流天气类型的区别。尽管同一种环流背景下可能伴有多种类型的强对流天气，但往往不同环流背景下相对频发的主要强对流类型还是差异明显。比如，研究表明[13]，东北冷涡背景下形成发展的线状对流(飑线)或孤立的超级单体易产生雷暴大风、冰雹天气，而在热带系统影响下，短时强降水是发生频率最高的一种强对流类型，且多数产生在热带气旋向热带低压减弱阶段[14]。
强对流天气有很强的地域性，且往往造成严重的灾情，尽管针对江淮地区的强对流天气分析较多，但多为个例性开展，缺乏系统的较长时间序列的普查分析，本文将在普查统计2000-2010年江淮地区致灾强对流过程的基础上，分析提炼强对流天气发生发展过程环流形势的演变和影响天气系统的空间结构特征，建立江淮地区致灾强对流发生的典型天气型，并基于天气分型研究不同天气型下江淮地区对流类型发生频率，进一步通过对应合成探空特征分析研究不同类型的强对流天气与其发生天气型及对流环境之间的差异特征，以期对强对流天气类型的潜势预报提供可参考的依据。
1资料
本文开展的江淮地区不同类型的强对流天气统计分析，涉及资料包括:利用江苏、安徽两省重要天气报告(WS报)和同时段气候整编资料，普查并分类选取2000-2010年江淮地区的强对流天气历史个例。将强对流天气按灾害分类分为雷暴大风、冰雹、龙卷、飑线和短时强降水，各类强对流定义按照我国现行的天气业务规定。其中雷暴、雷雨大风、冰雹和龙卷个例取自2000-2010年2-9月重要天气报告(WSB)，短时强降水个例取自同期气候整编资料库;在此基础上，利用选取的各类型强对流个例发生发展过程期间的高空和地面常规观测资料开展环流特征分析。
2江淮地区强对流天气典型天气
型为归纳江淮地区致灾强对流天气产生的环流背景，选取2000-2010年江淮地区出现区域性强对流个例(相邻3个基本站出现上述定义的强对流，其中龙卷只要一站出现即纳入分析)，按天气系统影响起止记为一次过程，共计534次过程，参考强对流发生期间的高空、地面形势，提炼其共性特征。以500hPa上的主要影响系统或环流特征为基础，建立了江淮地区强对流天气的五种主要天气概念模型:高空槽前型、冷涡(槽)后型、副高边缘型、副高控制型、热带系统型(台风低压、台风倒槽或东风波)。此处需要说明的是，副高边缘型，主要考虑入梅后随着暖湿气流北推，副热带高压(以下简称副高)脊线位于21°N以北，江淮地区处于584～588gpm附近，副高进退期间导致的强对流天气，这种类型的强对流常与西风槽东移相联系。以下将分析江淮地区强对流过程的几种典型天气模型的主要特征和空间配置。
2.1高空槽前型
图1给出槽前型背景下天气系统空间配置。此时，副热带高压(以下简称副高)位置偏南，120°E的副高脊线位于20°N以南，江淮地区处于500hPa东移西风槽前，700hPa对应有高空槽，850hPa上江淮地区有切变线相配合，切变线上或伴有低涡活动，且低涡常位于500hPa高空槽前，槽前正涡度平流有利于低涡发展。对流层低层切变线南侧存在一支较强的西南风急流(850hPa西南风风速≥12m/s)，为江淮地区输送充沛的水汽。地面上，江淮地区处于自西南地区东伸的低压倒槽中，倒槽中或有气旋发展，为对流天气的产生提供有利的辐合抬升条件。纵观上述天气系统的空间配置及江淮地区所处的位置可见，在这种环流背景下，江淮地区500hPa及以下处于槽前或切变线南侧的偏南气流中，水汽输送条件有利，湿层深厚，加之低层及地面较强的辐合抬升条件，易出现以短时强降水天气为主的强对流天气。如前期对流层低层及地面有明显升温过程，大气层结不稳定发展，降水的对流性质将明显增强，期间将可能伴有雷暴大风天气。
这种环流背景常出现在江淮地区春季4-5月，暖湿气流逐渐增强，江淮地区水汽、热力条件较冬季有所改善，也可出现在入梅或出梅后，副高出现短暂的明显南落期间。
2.2冷涡(槽)后型冷涡(槽)后型
是江淮地区强对流天气较为典型的天气背景之一。这种天气型常见于4月中下旬至6月上旬，东北(华北)冷涡活动较频繁，冷涡在维持或更替过程中，涡后常伴有冷空气南下影响江淮地区，在这种天气背景下，江淮地区常会出现冰雹、雷暴大风、短时强降水甚至龙卷等强对流天气。
2是这种天气背景下的概念模型。500hPa上，江淮地区处于冷涡(槽)后部的西北气流中，低涡深厚，气旋性环流甚至自对流层低层达对流层高层200hPa附近，冷涡(槽)后部有冷中心(槽)相配合。700hPa江淮地区同样位于冷涡(槽后)的西北气流中。850hPa上江淮地区或位于槽底部偏西气流中，但温度场与高度场配置与中高层相反，850hPa及以下的低涡与东伸的暖舌(暖区)相配合，由此形成上冷下暖的不稳定层结。地面上天气系统较弱，江淮地区多数处于较为宽广的低压区内，地面风场中或有辐合线形成，或有中尺度低压活动。当500hPa涡(槽)后有冷平流南下，在江淮上空形成西北急流或西北风明显增强形成一支显著西北气流(500hPa西北风风速≥18m/s)，促进层结不稳定发展及深层垂直风切变的增强，有利于强对流天气发生。江淮地区处于槽后西北风气流控制下，强对流发生前天气较为晴朗，地面升温明显，对流往往在午后由地面辐合线或中尺度低压附近触发。在此背景下，700hPa及以上水汽条件有限，强对流天气以冰雹、雷暴大风等干对流天气为主，但如边界层或近地层水汽较为丰富(如近地层内925hPa及以下有湿区(q≥10g/kg)，局地也将伴随短时强降水天气。
2.3副高边缘型
副高边缘型是江淮地区强对流天气发生频率最多的一种环流背景，常出现在6月中下旬至7月上旬的梅汛期。其主要环流特征如图3。500hPa上，随着副高增强，120°E副高脊线位于21°～27°N范围内，副高588gpm西界伸展至大陆，此时江淮地区处于584～588gpm附近，副高北侧的的西南或偏南气流将暖湿空气输送至这一地区，中纬度地区有西风槽东移，700hPa及850hPa有切变线与之配合，切变线上或有低涡活动，江淮地区处于槽前或切变线南侧的较强的西南或偏南急流中(850hPa西南或偏南风风速≥12m/s，700hPa西南或偏南风风速≥16m/s)，水汽充沛。地面上，江淮地区处于一低压内，低压内或有气旋生成或有静止锋存在，为强对流天气的出现提供有利的抬升条件。
江淮地区处于副高边缘，暖湿气流强盛，水汽充沛，湿层深厚，平均而言，大气温湿层结较冬春季节有明显改变，趋向有利于对流发生的层结状态调整，对流能量更为丰富，因此降水期间对流性较强，常伴有短时强降水、雷暴大风天气，甚至可能会产生龙卷。
2.4副高控制型
7月中下旬至8月，暖湿气流进一步增强，副高脊线越过28°N，此时江淮地区处于副高控制下(图4)，冷空气活动偏北，主要雨带由江淮北推至黄淮及以北地区。而此时江淮地区大气平均的湿热层结较之前进一步发展，对流潜在能量非常充沛。据统计[15]，此时江淮地区大气平均的对流有效位能达一年中的最大值，约为1300J/kg，而表征大气中水汽丰沛程度的大气可降水量PW同样高于其它季节，平均值约为50mm。
尽管江淮地区处于反气旋环流控制下，以下沉气流为主，多为晴热高温天气，但由于江淮地区下垫面性质不均匀，水陆交界面较多，或由于城市化效应，午后易产生局地的热力环流，在较有利的湿热环境中，激发局地对流天气，在一定的抬升条件下(地面上往往形成风场辐合线或弱锋区)，大气中蕴含的潜在对流能量得以释放，会促进对流进一步发展。此天气型下，对流往往产生在午后，地面辐合线附近或温度锋区附近，此类对流往往生消迅速，生命史较短。
2.5热带系统型
与台风低压、台风倒槽、东风波等热带系统相联系，并导致江淮地区出现强对流天气的天气背景，这里归纳为热带系统型。这种背景下水汽异常充沛，多属暖云降水，抬升凝结高度较低，降水效率极高，因此出现的强对流天气以短时强降水发生频率最高，江淮地区短时强降水中极值雨强多与热带系统有关。如“1211”海葵台风在响水造成了511mm/24h的特大暴雨，期间多个时次的小时雨量超过100mm。在这种天气背景下偶见龙卷天气。图5显示了这种背景下的主要环流特征。500hPa上，登陆减弱台风低压直接影响江淮地区，或台风低压虽位于30°N以南地区，台风倒槽北伸至江淮地区，副高位置偏东，与大陆高压相对峙，中高纬地区常有西风槽东移，形成一鞍型场背景。台风低压或倒槽与副高之间维持强盛偏南或东南急流，水汽输送通道完整，北上暖湿气流与冷空气相结合将促进降水对流性发展，雨强明显增强。对应地，对流层低层700hPa、850hPa、地面亦有减弱低压环流或倒槽。
3不同天气型下不同类型强对流发生频次
以上通过对2000-2010年江淮地区强对流过程分析，归纳了该地区不同类型的强对流天气发生时常见的天气背景，提炼几种类型的共性特征，建立了以天气系统空间配置为基础的江淮地区强对流天气主要概念模型。进一步地，统计了这几种天气型下不同类型的强对流发生频次(表1)。
由表1可见，副高边缘型是江淮地区发生短时强降水、雷暴大风及龙卷频次最多的天气背景，发生频次分别占总频次的57%、59%和66%，2016年6月23日阜宁发生的EF4级龙卷伴随在这种背景下的暴雨过程中发生。冰雹则是在冷涡(槽)后型这种天气型下最易出现，占总次数的55%。盛夏季节，江淮地区处于副高控制下时，尽管各类强对流均有发生可能，但出现频次明显少于其它几种天气型。与热带系统相联系的天气型下，江淮地区多见短时强降水天气，如与西风带系统相结合常会伴有雷暴大风天气，偶见龙卷，29次龙卷天气中有3次发生在这种背景下，但未见冰雹出现。
4不同天气型下各类型强对流生成环境—合成探空分析
上节分析可以看出，不同天气背景下，强对流天气类型及发生频次是有明显差异的，那么，不同的环流背景如何影响对流天气的类型?两者如何联系?本节将基于3节中针对江淮地区强对流天气的分型，结合各天气型下发生频次占优势的强对流天气类型开展合成探空分析，了解不同天气型下，各类强对流发生发展过程中大气平均温湿垂直分布特征。
根据前面对强对流天气环流背景的分型，选取典型天气背景下，江淮地区不同类型强对流天气个例发生前附近站点的探空资料合成不同背景下不同对流类型的大气温湿廓线，其中包括:高空槽前型短时强降水10例，热带系统型短时强降水10例(或伴有雷暴大风)，副高边缘型龙卷(或伴短时强降水或雷暴大风)5例，冷涡(槽)后型冰雹及雷暴大风10例。
图6显示了不同天气背景下不同类型强对流天气的合成探空分布。图6a是高空槽前型江淮地区发生短时强降水前大气平均的温湿结构特征。图6a中可见，T-LnP图温湿廓线呈“漏斗”状分布，对流层中层500hPa及以下大气层结曲线与露点曲线较为接近，为近饱和状态，湿层深厚，500hPa以上，大气层结逐渐转干。从合成风场的垂直分布可以看出，除近地面风场较弱略显凌乱外，850～200hPa几乎为一致的西到西南风。结合合成探空资料计算的表征湿热环境特征的参数来看(表2)，高空槽前型短时强降水天气对应的对流有效位能(CAPE)较小，平均值仅为149J/kg，大气可降水量为50mm。热带系统型下的短时强降水过程对应的合成探空图(图6b)显示，其温湿廓线形态与槽前型短时强降水平均特征有一定相似，湿层主要集中在对流层中低层，但从温度廓线与露点廓线的分布来看，较前者更趋近饱和，500hPa以上为干层。合成风场中，对流层中低层为东南风，且边界层存在明显的东南风急流(850～925hPa东南风为16m/s)，风随高度逐渐顺转为西风，对流层中低层暖平流明显，有利于大气层结不稳定的发展。这种天气型下，对流有效位能(CAPE)平均值达到了1497J/kg，大气可降水量为60mm，就平均湿热条件而言，与槽前型短时强降水相比较，这种与热带系统相联系的背景更有利于强对流天气的发生，因此强降水发生时常伴有雷暴大风天气。副高边缘型龙卷过程(或伴短时强降水或雷暴大风)合成的温湿结构(图6c)显示出整层湿度较高的环境特征，与前两者不同的是，其中层以上并无明显干层，边界层存在逆温结构，有利于对流发生前能量的前期蓄积。风场中，400hPa及以下为一致的西南风，之上逐渐顺转为西北风，对流层低层对应强的西南急流，850～700hPa西南风分别为14m/s和16m/s。对流有效位能(CAPE)平均值略高于热带系统型，为1642J/kg，水汽环境非常充沛，大气可降水量平均为60mm，与热带系统型强降水过程相同。冷涡(槽)后型冰雹过程(或伴雷暴大风)的合成探空(图6d)与上述几类有明显的区别，主要表现在:对流能量蓄积最为丰富的，CAPE平均值达到2118J/kg;整层为非常干的层结，层结曲线与露点曲线的分布呈X型，整层以西或西北风为主，700hPa以下风力较弱，500hPa以上风速明显增大。与其它几种类型相比，水汽最为稀少，对流层中上层尤为干燥，平均的大气可降水量仅为20mm。在相对较干的环境中生成的对流风暴，在其发展过程中，当中层干燥的空气夹卷进入风暴内时，会增强降水粒子蒸发冷却作用，促进下沉气流，形成雷暴外流边界(阵风锋)而导致雷暴大风，并有利风暴组织化发展。
5小结与讨论
江淮地区致灾强对流天气开展了天气综合分析，建立了江淮地区强对流天气的典型天气型，进一步研究不同天气型下所伴生的各类对流天气发生频率、不同类型对流发展过程中对流环境的差异。主要结论如下:(1)基于2000-2010年江淮地区强对流历史个例统计，结合强对流发生期间的高空、地面影响天气系统的演变，提炼环流共性特征，建立了江淮地区强对流天气概念模型:高空槽前型、冷涡(槽)后型、副高边缘型、副高控制型、热带系统型。
(2)在不同天气型下，江淮地区各类强对流天气发生频率差异明显。副高边缘型是江淮地区发生短时强降水、雷暴大风及龙卷频次最多的天气型，而冰雹天气最易出现在冷涡(槽)后天气型下，55%冰雹天气发生在冷涡(槽)后天气背景下。与热带系统相关的天气背景中，江淮地区多见短时强降水天气，偶见龙卷，冰雹天气发生概率较低。盛夏季节处于副高控制下的江淮地区，尽管各类强对流均有发生可能，但强对流发生频次明显少于其它天气型。
(3)不同天气型所对应的天气系统配置及其发展不同，导致强对流天气发生的大气温湿环境特征各异。不同天气型下各类强对流天气发生前的合成探空表明，江淮地区发生短时强降水过程前，高空槽前型与热带系统型两种天气背景平均的温湿廓线形态特征较相似，层结曲线与露点曲线形成上干下湿的“漏斗”状，对流层中层500hPa以上由湿逐渐转干，但后者边界层内存在明显的东南风急流，水汽更充沛，对流层中低层暖平流明显，促进了大气层结不稳定的发展，更有利于降水对流性增强。副高边缘型龙卷过程平均温湿结构显示出整层相对湿度较高的环境特征，对流层中低层存在明显的西南风急流，边界层存在的逆温结构有利于对流发生前能量的蓄积。冷涡(槽)后型冰雹过程的合成探空表现出与其它类型强对流天气明显不同的温湿环境特征，对流能量蓄积最为丰富，大气整层非常干，水汽最为稀少，平均的大气可降水量仅为20mm。
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