一次混合強對流天氣過程數(shù)值模擬分析

蘇 濤，姚 蓉，周長青，周 莉

（湖南省氣象臺/氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室，長沙 410118）

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展以及城市化進程的不斷加快，局地強對流天氣造成的影響變得越來越嚴(yán)重，也引起了越來越廣泛的關(guān)注［1-3］。雷暴作為一種常見的災(zāi)害性強對流天氣，是在發(fā)展旺盛的積雨云中產(chǎn)生的，常伴有雷電、大風(fēng)和陣性降水。雷暴的發(fā)展依賴于大氣的動力、熱力和水汽條件，常由近地面的中尺度系統(tǒng)觸發(fā)［4，5］，所以在常規(guī)天氣圖上沒有明顯的征兆，具有較強的隱蔽性，這也給強對流天氣的預(yù)報造成了很大的困難。

國內(nèi)外廣大氣象工作者將多種方法結(jié)合運用，從多個角度對強對流天氣進行了深入而細(xì)致的研究，分析診斷了強對流天氣發(fā)生時各種物理場，開展了強對流天氣雷達(dá)回波特征研究，模擬了強對流天氣的發(fā)生發(fā)展及相關(guān)要素特征等［6-11］。羅琪等［12］對一次罕見強弓狀颮線過程演變和機理分析表明，超過2 000 J/kg 的對流有效位能（CAPE）、強0～6 km和0～3 km 風(fēng)垂直切變?yōu)楣瓲铒R線及其相關(guān)超級單體的生成和維持、大冰雹和地面強風(fēng)的形成提供了有利條件，超級單體階段和颮線階段都有明顯的回波懸垂、弱回波區(qū)、中氣旋（颮線成熟后期為中渦旋）、強后側(cè)入流及其伴隨的入流缺口等特征。馬淑萍等［13］通過極端雷雨大風(fēng)與普通雷暴兩者之間關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)進行對比，研究了極端雷雨大風(fēng)天氣環(huán)境要素特點，揭示極端雷雨大風(fēng)事件的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)特征。仇娟娟等［14］研究了蘇滬浙地區(qū)短時強降水與冰雹天氣物理量特征，統(tǒng)計分析了冰雹與強降水天氣0 ℃層高度、K 指數(shù)、可降水量和高空風(fēng)切變等參數(shù)的平均差異。這部分研究主要基于環(huán)境參數(shù)與雷達(dá)回波特征來開展分類強對流預(yù)警及潛勢預(yù)報工作。

隨著氣象探測技術(shù)和中尺度數(shù)值模擬能力的不斷進步，針對強對流天氣的臨近預(yù)報正在向高分辨率方向發(fā)展，數(shù)值模式作為對觀測的補充，可詳細(xì)認(rèn)識強對流形成的云物理過程及云物理結(jié)構(gòu)分布演變特征［15，16］。付燁等［17］對一次冰雹過程模擬，表明水汽輻合區(qū)、能量鋒區(qū)以及雷達(dá)反射率因子高值區(qū)接近地面輻合線，模擬的雹云屬多單體風(fēng)暴，具有明顯的合并發(fā)展特征。段亞鵬等［18］對“東方之星”翻沉事件強對流天氣進行了數(shù)值模擬，探討了近地面水平風(fēng)速、垂直運動以及累積降水量與組合反射率因子高值區(qū)之間的關(guān)系。張赟程等［19］利用數(shù)值模式反演強對流事件，發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)鋒的出現(xiàn)可觸發(fā)新的雷暴單體并且對后向傳播機制的維持具有重要作用。

每年春夏季是湖南省發(fā)生強對流天氣的主要時段，以雷雨大風(fēng)、冰雹和短時強降水為主。近年來湖南省當(dāng)?shù)仡A(yù)報員開展了多個典型強對流天氣個例診斷分析研究［20-23］，但對強對流天氣的模擬研究略顯不足，對于混合強對流天氣環(huán)境參數(shù)演變過程特征無法準(zhǔn)確描述。2015 年4 月3—4 日強對流過程影響時間較長、范圍廣，在湘東北不僅出現(xiàn)了風(fēng)雹災(zāi)害，還出現(xiàn)了12 h 累積雨量200 mm 以上的極值降水。造成混合性強對流天氣強風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征、發(fā)生發(fā)展過程鮮見報道。本研究利用WRF 模式，重點對洞庭湖區(qū)混合強對流過程進行數(shù)值模擬，探討湖陸下墊面地形條件下強對流系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)、發(fā)展演變過程及其觸發(fā)機制，從熱力、動力、水汽條件等角度揭示強對流發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r，以利于更好地了解洞庭湖地區(qū)混合性強對流天氣發(fā)生發(fā)展的機理，旨在提高其預(yù)報預(yù)警水平。

1 資料與模擬設(shè)置

WRF-ARW 模式是新一代可壓縮的非靜力平衡模式，廣泛應(yīng)用于中小尺度對流系統(tǒng)的模擬［3，6，15］，采用中尺度模式WRF-ARW V 3.7 對此次強對流天氣的演變過程和三維結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬。

此次模擬的起始時間為2015 年4 月2 日8：00，模式共積分48 h，前16 h 為模式調(diào)整（Spin-up）時間。試驗選用合適的物理參數(shù)化方案，模式的初始場和邊界條件由NCEP-FNL 1°×1°的再分析資料提供，模擬采用雙向反饋的三重嵌套方案，模式的最外層區(qū)域覆蓋了亞洲大部分地區(qū)，包含了較大尺度的背景強迫信息；模式最里層嵌套區(qū)域為湖南省及其周邊區(qū)域，有利于描述小尺度精細(xì)化特征。模式嵌套區(qū)域的水平分辨率分別為27、9、3 km；垂直方向為不等間距的30 個σ 層，模式層頂氣壓為100 hPa。模式采用了WRF（V3.7）中新的地理數(shù)據(jù)和NCEP的MODIS_30 s 土地類型利用數(shù)據(jù)，能夠相對準(zhǔn)確地反映出湖南省的地形和土地利用情況。

2 天氣實況與影響系統(tǒng)

2.1 天氣實況

2015 年4 月3—4 日湖南省出現(xiàn)了一次大范圍強對流天氣過程（圖1），其中，3 日強對流天氣范圍最大，并出現(xiàn)了雷雨大風(fēng)、冰雹及短時暴雨等多種強對流天氣共存的現(xiàn)象。3 日18：00—19：00 湘北出現(xiàn)較大范圍冰雹和短時暴雨，3 日20：00 至4 日1：00湘東出現(xiàn)較大范圍雷雨大風(fēng)、冰雹和局地暴雨，最大小時雨強為66.7 mm，混合強對流天氣主要出現(xiàn)在湘東北，位于湘東北的岳陽市區(qū)相繼出現(xiàn)了冰雹、雷雨大風(fēng)（21.5 m/s）及極值強降雨，3 日20：00 至4 日8：00 共計12 h 累積雨量為218.3 mm，為創(chuàng)建站以來歷史極值。本次過程導(dǎo)致了較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。張家界、岳陽、常德等10 市（自治州）23 個縣（市、區(qū)）40.2 萬人受災(zāi)，3 人死亡，1 人失蹤，并導(dǎo)致房屋倒塌、農(nóng)作物絕收，直接經(jīng)濟損失3 億元。

2.2 天氣形勢與氣象要素變化

強對流天氣主要發(fā)生在3 日下午至晚上，在3日20：00 東亞為一脊一槽形勢，500 hPa 華東為高壓脊，具有東高西低形勢，是湖南省出現(xiàn)強降水的形勢之一，中緯度短波槽超前于700 hPa，前傾槽的形成，對流不穩(wěn)定加大，有利于強對流天氣發(fā)生；低空西南急流加強，達(dá)18～22 m/s，850 hPa 暖式切變線位于湘北，有利于水汽向長江北岸輸送，925 hPa 在湘東南出現(xiàn)了超低空急流。此時，地面冷空氣從北方滲透南下抵達(dá)湘北，南北溫差加大到10 ℃以上，有利于風(fēng)雹天氣的發(fā)生。3 日20：00 分析表明，500 hPa 冷槽呈南北向位于湖北省至湘西北，高、低空急流及地面輻合線基本重合，呈東北-西南向位于湘東北至湘南，850 hPa 切變線位于湘北，暖脊在湘中，屬于典型的低層暖平流強迫類強對流過程，分析表明，湖南省已具有較大范圍強對流天氣發(fā)生的環(huán)境條件。從岳陽站逐小時溫度、露點、氣壓與降水氣象要素演變（圖1b）來看，20：00 前溫度露點差小于1 ℃，之后地面基本達(dá)到飽和狀態(tài)；氣壓在20：00 前一直呈下降趨 勢，由14：00 的1 005 hPa 下 降 到1 001 hPa，21：00 氣壓升高3 hPa，在氣壓變化較大階段的19：00—21：00 相繼出現(xiàn)了冰雹和雷雨大風(fēng)天氣，此時降水較弱；22：00 氣壓再次下降約3 hPa 后持續(xù)上升，降水量3 日22：00 至4 日1：00 連續(xù)4 h 達(dá)25 mm 以上，2：00—5：00 減弱后，6：00—8：00 又出現(xiàn)了逐小時降水量達(dá)10～30 mm。

圖1 2015 年4 月3 日8：00 至4 日8：00 天氣實況演變

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)暴特征及演變

WRF 模式模擬的3 日16：00—19：00、22：00—23：00 逐小時雷達(dá)反射率與10 m 風(fēng)場疊加如圖2所示，16：00 在常德南部與益陽境內(nèi)有2 個相距約100 km 左右、基本反射因子分別為40～45 dBz 與50～55 dBz 的回波沿地面輻合線生成，氣旋性輻合最大曲率處的益陽境內(nèi)，回波單體生成后迅速加強，其東部為一致的南風(fēng)控制，但湘中以南南風(fēng)較強，17：00—19：00 風(fēng)暴單體合并加強發(fā)展成超級單體，呈東北西南向移經(jīng)洞庭湖區(qū)，其中，17：00 左右地面輻合為最強階段，有利于對流單體的發(fā)展，18：00—19：00 多單體合并成帶狀回波，地面風(fēng)場輻合演變?yōu)檩椛饬鳎覐娀夭◣?nèi)局地出現(xiàn)了15 m/s 以上較大風(fēng)速。結(jié)合17：00—20：00 探空曲線分析，岳陽市上空呈現(xiàn)了上干下濕的“喇叭口”層結(jié)，且0 ℃層與-20 ℃層高度分別為4.1 km 與7.3 km 左右，滿足降雹條件，對應(yīng)著該階段出現(xiàn)在湘東北的冰雹和雷雨大風(fēng)，20：00—21：00 回波逐漸變成塊狀緩慢向南移動，岳陽市南部及長沙市風(fēng)仍呈發(fā)散狀，并有局地雷雨大風(fēng)出現(xiàn)；3 日22：00 至4 日0：00，全省風(fēng)力減小，湘東北又有較弱的氣旋性輻合生成，西側(cè)不斷有新生對流云生成，線狀回波緩慢向東移動，本階段實況探空曲線湘東北上空濕層深厚，且有多個風(fēng)暴單體移過，引發(fā)了湘東北強降水發(fā)生。

圖2 3 日16：00—19：00（a 至d）、22：00—23：00（e、f）逐小時雷達(dá)反射率（陰影，單位：dBz）10 m 風(fēng)場疊加（矢量，單位：m/s）

從3 日18：00—19：00、22：00—23：00 逐小時沿著岳陽站（113.083°E，29.383°N）的雷達(dá)反射率緯向剖面（圖3）可以看出，18：00 有強風(fēng)暴單體自西向東移至岳陽市附近，50 dBz 強回波頂高達(dá)12 km，強風(fēng)暴前側(cè)入流反射率因子梯度較大，中低層出現(xiàn)了有界弱回波，且風(fēng)暴頂位于低層反射率因子梯度區(qū)上空，并有斜升氣流，后側(cè)5 km 以下為下沉氣流，隨著時間推移地面輻散氣流加強，云中上升氣流的抽吸造成其下方地面氣壓的降低，為入流的增強提供了原動力，呈現(xiàn)了超級單體風(fēng)暴發(fā)展階段結(jié)構(gòu)特征；19：00 強回波東移到岳陽市東部的臨湘站附近，從風(fēng)暴結(jié)構(gòu)來看，前部的對流單體明顯減弱，后部對流單體加強并入，形成多單體風(fēng)暴，風(fēng)暴尺度加大，在移過洞庭湖附近的幕阜山時，山前低層下沉氣流明顯加強，垂直風(fēng)切變加大，風(fēng)暴的強度更強，55 dBz反射率因子達(dá)13 km 以上，說明上升氣流和垂直風(fēng)切變環(huán)境相互作用的動力過程能強烈影響風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)和發(fā)展，新單體將在前期單體的有利一側(cè)形成，強的垂直風(fēng)切變環(huán)境下，有利于組織完好的超級單體風(fēng)暴，強風(fēng)暴的生成導(dǎo)致了本階段降雹和雷雨大風(fēng)的發(fā)生，之后雷暴云團移出岳陽市。22：00 岳陽當(dāng)?shù)赜钟腥趸夭ㄉ?，其西部有回波生成，在環(huán)境風(fēng)引導(dǎo)下向東移動，23：00 岳陽市附近回波迅速發(fā)展加強，45 dBz 回波頂高達(dá)10 km，西部東移回波移動緩慢，回波強度弱于20：00 前，40 dBz 回波頂高達(dá)8 km，多個雷暴單體呈“列車效應(yīng)”移經(jīng)岳陽站。模擬結(jié)果表明，3 日18：00—19：00 雷達(dá)回波從單體移速、強回波高度與形狀、風(fēng)場特征與風(fēng)暴結(jié)構(gòu)判斷，湘東北出現(xiàn)冰雹、雷雨大風(fēng)可能性較大，而23：00 左右由于環(huán)境風(fēng)較弱，回波移速慢，并有多單體風(fēng)暴移過，降水效率高，湘東北可能出現(xiàn)強降水，模擬結(jié)果與實況強對流類型和發(fā)展演變基本相符。

圖3 3 日18：00—19：00（a、b）、22：00—23：00（c、d）逐小時沿著岳陽站（113.083°E，29.383°N）的雷達(dá)反射率（陰影，單位：dBz）和風(fēng)場（矢量箭頭，W×10，單位：m/s）緯向剖面

3.2 環(huán)境參數(shù)演變

強對流天氣主要發(fā)生在大氣處于不穩(wěn)定層結(jié)、一定的水汽條件和適當(dāng)?shù)拇怪憋L(fēng)切變的環(huán)境下。為此，本研究將重點模擬垂直風(fēng)切變、垂直速度、大氣層結(jié)、不穩(wěn)定能量以及500～850 hPa 溫度差等相關(guān)環(huán)境參數(shù)。

3.2.1 動力特征 在給定的大氣熱力條件下，中等以上環(huán)境垂直風(fēng)切變（即環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速隨高度的變化）對雷暴的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、生命史以及活動有著重要的影響；而垂直速度能一定程度上反映上升氣流和下沉氣流強度，強烈的上升運動對風(fēng)暴的加強和維持及降水強度的影響起著關(guān)鍵作用。因此環(huán)境垂直風(fēng)切變和垂直速度是表征風(fēng)暴強度和有組織程度的重要環(huán)境參數(shù)。

從模擬的全省逐小時0～3 km 垂直風(fēng)切變和700 hPa 垂直速度演變（圖4）來看，18：00 在洞庭湖區(qū)出現(xiàn)了4 m/s 的上升運動，后側(cè)不足10 km 處出現(xiàn)了下沉氣流，垂直速度達(dá)-4 m/s，上升和下沉運動并存，呈現(xiàn)典型的傾斜上升態(tài)勢，同時強上升和下沉區(qū)表現(xiàn)為弓狀，19：00—21：00 垂直運動區(qū)隨著風(fēng)暴逐漸向東南移動，弓狀結(jié)構(gòu)破壞，垂直運動減弱，湘東北產(chǎn)生的風(fēng)雹天氣也有所減弱；從同時刻的垂直風(fēng)切變可以看出，垂直風(fēng)切變大值區(qū)主要集中在湘東北，強對流發(fā)生區(qū)域的風(fēng)切變基本大于20 m/s，局地超過30 m/s；垂直風(fēng)切大值與上升運動和風(fēng)暴位置對應(yīng)，隨著風(fēng)暴逐漸向東南移動，強的垂直風(fēng)切變可使得垂直氣流發(fā)生傾斜，上升和下沉支共存且互不干擾，同時產(chǎn)生通風(fēng)作用，帶走高層的潛熱能量，維持上冷下暖的分布和不穩(wěn)定層結(jié)，為風(fēng)暴的有組織發(fā)展以及垂直運動的不斷加強提供了條件。

圖4 3 日18：00—21：00 逐小時低層（0～3 km）垂直風(fēng)切變分布（等值線，單位：m/s）和700 hPa 垂直速度分布（陰影，單位：m/s）

3.2.2 能量條件和溫濕層結(jié) CAPE 是指氣塊在自由對流高度和平衡高度之間受環(huán)境正浮力累積做的功，是可能轉(zhuǎn)換為對流上升運動動能的一種能量，并且是風(fēng)暴潛在強度的一個重要指標(biāo)。從逐小時對流有效位能分布（圖5）來看，16：00—18：00 是全省不穩(wěn)定能量最高階段，省內(nèi)大部分地區(qū)在1 200 J/kg以上，湘東部分及湘西局部地區(qū)在2 000 J/kg，其中，16：00—17：00 湘東北局部地區(qū)高達(dá)3 000 J/kg，19：00 開始CAPE 逐漸減弱，高能區(qū)分裂成2 塊，范圍緩慢縮小，維持到4 日0：00，湘東能量高于湘西，局部地區(qū)仍有2 100 J/kg，高不穩(wěn)定能量的積累有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。

高低空的溫差反映了大氣垂直溫度梯度，大的垂直溫差有利于對流不穩(wěn)定產(chǎn)生。從500～850 hPa全省垂直溫度差演變分布（圖6）來看，16：00—17：00全省大部分地區(qū)在22 ℃以上，湘中及湘東部分地區(qū)達(dá)26～28 ℃，為此次過程最強階段；18：00—19：00全省垂直溫度差開始減弱，湘東北的岳陽市垂直溫度差顯著減小，為18 ℃左右，較之前下降了近10 ℃。此后，湘中以北垂直溫度差逐漸減小，其中，湘西北為18～20 ℃，熱力不穩(wěn)定層結(jié)有所減弱，但湘東南局部地區(qū)仍有26～27 ℃。表明強對流發(fā)生前，湘東及湘中以南積累了較高的熱力不穩(wěn)定能量，當(dāng)垂直溫度差迅速減小時，能量逐漸釋放，強對流天氣開始出現(xiàn)。

圖5 3 日16：00—19：00 逐小時不穩(wěn)定能量（CAPE）分布（陰影，單位：J/kg）

能量和水汽分布是判斷未來雷雨大風(fēng)潛勢的重要動力與熱力環(huán)境參數(shù)［24］。能量演變可決定強對流的發(fā)展強度，高低層的濕度分布能反映大氣上空是否具有“上干下濕”的強對流天氣特征，判斷可能出現(xiàn)的強對流種類。對比岳陽站強對流發(fā)生前后的T-lnP（探空圖）（圖7）可以看出，3 日17：00，岳陽市附近具有較大的不穩(wěn)定能量，0 ℃和20 ℃分別位于600 hPa 和400 hPa 高度附近，水汽呈現(xiàn)“上干下濕” 的特征，有利于冰雹和大風(fēng)等強對流天氣出現(xiàn)；3 日20：00，由于岳陽市有風(fēng)雹發(fā)生，能量開始耗散，對流有效位能低于強對流發(fā)生前，但融化層高度和“上干下濕”特征依然有利；3 日23：00 和4 日2：00，抬升凝結(jié)高度降低，暖云層厚度增加，同時整層大氣加濕，濕層深厚，有利于3 日22：00 之后岳陽市短時強降水的出現(xiàn)。

綜合以上環(huán)境參數(shù)分析表明，在強對流天氣發(fā)生期間，湘東北較高的不穩(wěn)定能量、強的垂直風(fēng)切變的維持有利于強風(fēng)暴的組織化和多單體形成與合并加強，配合風(fēng)暴中層干空氣入侵，加強了風(fēng)暴中的下沉氣流和低層冷空氣外流。通過動力強迫抬升，流入的暖濕空氣上升更強烈，加強了對流發(fā)展，湘東北上空溫濕結(jié)構(gòu)演變，由“上干下濕”轉(zhuǎn)為整層高濕的環(huán)境，同時，動力、熱力與不穩(wěn)定的環(huán)境參數(shù)均已達(dá)到湖南省產(chǎn)生風(fēng)雹等強對流天氣的閾值［21］，有利于風(fēng)雹與對流性強降水混合性強對流天氣的發(fā)生。

3.3 湘東北降水與近地面風(fēng)速數(shù)值模擬

湘東北混合強對流活動區(qū)域平均（112.5°E—114.2°E，28.5°N—29.7°N）風(fēng)雨隨時間的模擬結(jié)果如圖8 所示。從逐小時降水與近地面風(fēng)的演變可知，降水在16：00—19：00 呈明顯加強趨勢，且18：00—19：00 為最強階段，20：00 后逐漸減小；風(fēng)的演變則不同于降水，20：00 前風(fēng)速呈逐漸增大趨勢，整體加大較平緩，風(fēng)速最大時段在19：00—20：00，由此說明，19：00 前后，湘東北的強對流天氣最為活躍，強降水和近地面大風(fēng)災(zāi)害處于鼎盛時段，從模擬與實況降水演變來看，模擬的較強降水超前于實況，近地面風(fēng)速的加大時間與實況基本一致，模擬效果優(yōu)于降水量的模擬。

區(qū)域平均小時降水量與對流有效位能CAPE 的演變（圖9a）表明，當(dāng)能量不斷積累達(dá)到最高之時（14：00），對應(yīng)1 h 后降水加大（15：00），最強降水出現(xiàn)在能量高峰后的第4 小時（19：00），此后降水量逐漸減小。分析10 m 風(fēng)速與對流有效位能CAPE 的演變（圖9b）表明，風(fēng)力最大時段比對流有效位能最高時段的15：00 滯后4 h，與降水量最大時段相似。

圖6 3 日16：00—19：00 逐小時垂直（500～850 hPa）溫度差分布（陰影，單位：℃）

圖7 3 日17：00 至4 日2：00 逐3 h 岳陽站T-lnP 演變

圖8 區(qū)域平均降水量與10 m 風(fēng)速（近地面大風(fēng)）的演變

從近地面相對濕度與降水及風(fēng)的關(guān)系（圖10）來看，由于午后氣溫升高，相對濕度逐漸減小，在16：00 出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，濕度開始上升，降水強度開始加大，上升3 h 即19：00 對應(yīng)的降水強度為最大，此后盡管相對濕度加大，但小時降水量開始減弱。10 m風(fēng)速在相對濕度最低的16：00 上升時加大，19：00達(dá)最大，此后開始減小。由此可以看出，降水強度和風(fēng)速的加大時間與相對濕度的變化有一定的相關(guān)性，相對濕度在最低值開始回升時，降水強度和風(fēng)力同時開始加大，并在3 h 后達(dá)最大。

螺旋度不僅表達(dá)風(fēng)場旋轉(zhuǎn)性的強弱，而且還能反映對旋轉(zhuǎn)性的輸送，螺旋度被廣泛地用來研究強風(fēng)暴天氣的發(fā)生、發(fā)展。分析區(qū)域平均降水量與螺旋度演變（圖11a）可知，二者具有很好的對應(yīng)關(guān)系，17：00 螺旋度加大，到19：00 達(dá)最大，表明此時旋轉(zhuǎn)和輸送最強，此時，區(qū)域平均小時降水量由16：00 開始加大，至19：00 達(dá)最大，隨后螺旋度減小，小時降水量也逐漸減小。而10 m 風(fēng)速則是與螺旋度加大時間一致（圖11b），從17：00 加大，19：00—20：00 風(fēng)速達(dá)最大，隨后到4 日0：00 螺旋度減小，風(fēng)速減小。綜上可知，本次混合性強對流過程對流有效位能、地面相對濕度與700 hPa 垂直螺旋度變化與對流性降水、風(fēng)速有一定的相關(guān)性，模擬效果對混合強對流的發(fā)生發(fā)展過程及預(yù)報預(yù)警有一定的指示作用。

圖9 區(qū)域平均降水量、10 m 風(fēng)速與對流有效位能（CAPE）的演變

圖10 區(qū)域平均降水量、10 m 風(fēng)速與2 m 相對濕度的演變

圖11 區(qū)域平均降水量、10 m 風(fēng)速與700 hPa 垂直螺旋度的演變

4 小結(jié)

本研究利用常規(guī)觀測資料分析了2015 年4 月3 日湘東北一次混合性強對流天氣過程的天氣形勢與地面要素特征，同時，采用中尺度模式WRFARW V3.7 對此次混合強對流天氣過程進行了數(shù)值模擬，重點探究雷暴演變的三維結(jié)構(gòu)和強風(fēng)暴發(fā)展加強的環(huán)境條件，得出主要結(jié)論如下。

1）常規(guī)觀測資料分析發(fā)現(xiàn)，本次混合性強對流過程發(fā)生在暖平流強迫天氣背景下，湘東北受前傾槽與高、低空急流及地面輻合線共同影響下發(fā)生了強對流天氣。湘東北岳陽站強對流發(fā)生期間，地面相對濕度接近飽和，無明顯變化，而在氣壓發(fā)生降-升-降約4 hPa 突變時，對應(yīng)時段相繼發(fā)生了冰雹、雷雨大風(fēng)及對流性強降水天氣。由此說明，在低層暖平流天氣強迫有利背景下，當(dāng)氣壓出現(xiàn)多次明顯升降變化時，可能伴有多種類型混合性強對流天氣發(fā)生。

2）模擬的雷暴單體3 日16：00—17：00 在地面輻合線氣旋性曲率最大處湘東北形成并向東移動，從湘東北強風(fēng)暴演變?nèi)S空間結(jié)構(gòu)可知，強對流過程發(fā)展時期，風(fēng)暴最強雷達(dá)反射率因子為55 dBz 左右，強回波頂高達(dá)12 km，且強風(fēng)暴前側(cè)入流反射率因子梯度較大，中低層出現(xiàn)了有界弱回波，風(fēng)暴頂位于低層反射率因子梯度區(qū)上空，并有斜升氣流相伴，后側(cè)下沉強輻散氣流，冰雹云結(jié)構(gòu)明顯，同時多單體合并形成超級單體風(fēng)暴，受地形影響及動量下傳作用，造成了湘東北的雷雨大風(fēng)，之后，不斷有風(fēng)暴生成并移經(jīng)岳陽市，產(chǎn)生了典型的“列車效應(yīng)”風(fēng)暴結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果成功再現(xiàn)了風(fēng)暴的合并加強及地形影響特征，對于研究洞庭湖區(qū)特殊地形下風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展機制與混合強對流天氣的三維結(jié)構(gòu)模型具有較好的參考作用。

3）模擬的環(huán)境參數(shù)在湘東北區(qū)域存在持續(xù)強垂直風(fēng)切變，最強超過30 m/s，不穩(wěn)定能量在2 000～3 000 J/kg，700 hPa 風(fēng)暴附近上升與下沉氣流相伴，相距10 km 左右，500～850 hPa 垂直溫度差可達(dá)26～28 ℃，對應(yīng)的探空曲線在前期表現(xiàn)為“上干下濕”，后期濕層深厚，環(huán)境參數(shù)達(dá)到了湖南省產(chǎn)生強對流天氣閾值，環(huán)境條件有利于強風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展。分析表明，持續(xù)強的垂直風(fēng)切變與上升氣流的相互作用，有利于風(fēng)暴加強和維持，并由多單體合并發(fā)展形成強對流風(fēng)暴；不穩(wěn)定能量積聚，局地?zé)釋α?、地形等抬升作用，低層流場急劇輻合并有強烈的旋轉(zhuǎn)上升運動，觸發(fā)了不穩(wěn)定能量的釋放，為冰雹、雷雨大風(fēng)及暴雨等強對流天氣提供了動力與不穩(wěn)定條件。模擬結(jié)果很好地刻畫了環(huán)境參數(shù)的演變與不同類型強對流的發(fā)生發(fā)展關(guān)系，對于混合性強對流天氣的預(yù)警預(yù)報有一定的指示作用。

4）模擬的湘東北區(qū)域逐小時平均風(fēng)速效果優(yōu)于逐小時降水，降水加強及風(fēng)速加大時間與CAPE、相對濕度的變化有一定的相關(guān)性，均在CAPE、相對濕度最低值開始上升時，降水強度和風(fēng)力加大，且分別在4、3 h 后達(dá)最大。此外，降水量和低層大風(fēng)與螺旋度的演變基本同步，也具有很好的對應(yīng)關(guān)系。