許冠宇 黃龍飛 吳 濤 楊 浩 鐘 敏

1 武漢中心氣象臺，武漢 430074

2 江西省景德鎮(zhèn)市氣象局，景德鎮(zhèn) 333000

3 中國氣象局武漢暴雨研究所，武漢 430205

提 要： 基于常規(guī)高空、地面觀測資料、NCEP/NCAR再分析資料以及雷達數(shù)據(jù)對2020年5月4日冷空氣影響環(huán)流背景下,湖北隨州和荊州地區(qū)強對流觸發(fā)機制及演變特征進行分析，并揭示冷空氣對強對流觸發(fā)的作用，結(jié)果表明：此次隨州地區(qū)強對流有3次觸發(fā)過程，觸發(fā)機制分別為暖區(qū)輻合線觸發(fā)、冷鋒觸發(fā)以及低空急流觸發(fā)。同時隨州特殊地形對強對流維持起了重要作用。冷鋒觸發(fā)強對流條件與冷空氣厚度和自由對流高度有關。當冷空氣與暖濕氣流輻合層高于自由對流高度，且輻合有一定垂直厚度時，更易觸發(fā)對流。隨州地區(qū)冷空氣強度較強，對流層低層鋒區(qū)明顯，正位渦異常中東部上升氣流較強，更易觸發(fā)對流。荊州地區(qū)對流層底層鋒區(qū)減弱，冷空氣較弱，上升氣流偏弱，導致荊州南部地區(qū)無對流觸發(fā)。

引 言

強對流天氣主要包括短時強降水、冰雹、雷暴、大風和龍卷風天氣等，由于突發(fā)性強，致災嚴重是中國汛期的預報重點(王秀榮等，2007)。在對流組織發(fā)展過程中，對流觸發(fā)(convection initiation,CI)是對流系統(tǒng)生命期的關鍵環(huán)節(jié)，也是對流臨近預報中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)(黃亦鵬等，2019)。CI過程是成功預報強對流系統(tǒng)及其引發(fā)災害天氣的根本，因此研究強對流過程的CI過程則至關重要(Purdom and Marcus,1982；俞小鼎等，2012；Kain et al，2013)。

目前對CI的業(yè)務預報主要是利用地面站以及探空等常規(guī)資料以及數(shù)值天氣預報模式的物理量，分析CI發(fā)生需要的水汽、不穩(wěn)定層結(jié)以及抬升機制等三個基本條件(Doswell Ⅲ，1987)，從而做出較大范圍的CI潛勢預報(張小玲等，2012；朱月佳等，2019)。直接決定CI發(fā)生位置的抬升機制主要由中小尺度的地形、邊界層輻合線、陣風鋒(Klingle et al，1987；蘇濤等，2020)、干線(Bluestein and Parker，1993)、海風鋒(Wilson and Megenhardt，1997；Koch and Ray，1997)及重力波提供(Doswell Ⅲ，1987)，業(yè)務中可以通過分析地面加密站資料，并輔助具有高時間(分鐘到小時級別)、空間(千米級別)分辨率和連續(xù)空間覆蓋的天氣雷達和靜止氣象衛(wèi)星觀測獲得(Purdom，1976；Han et al，2009；Chen et al，2012)。通常，輻合線的生成常與大氣溫、濕度的不連續(xù)以及由地表熱力性質(zhì)差異導致的局地環(huán)流有關(查書瑤等，2020)，而冷空氣的參與則是造成熱力差異的重要因子之一。

研究表明，冷空氣容易觸發(fā)邊界層能量鋒區(qū)附近的中尺度對流系統(tǒng)(何立富等，2009)，使得暴雨區(qū)上空的大氣不穩(wěn)定度和氣旋性渦度增強，有利于中尺度系統(tǒng)發(fā)展(湯鵬宇等，2015；張雪蓉等，2021)，冷空氣能使暴雨區(qū)上空的垂直運動更旺盛(劉會榮和李崇銀，2010；陳淑琴等，2018)。但是，預報業(yè)務中發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境熱力條件滿足的情況下，冷空氣有時候不一定引起CI過程(蘇愛芳等，2022)。

2020年5月4日夜間，在地面冷空氣影響下，湖北省中東部大部地區(qū)發(fā)生強對流天氣過程。然而荊州南部地區(qū)，在陣風鋒的作用下，并未觸發(fā)對流。數(shù)值模式預報在江漢平原南部出現(xiàn)大暴雨的空報現(xiàn)象。同時，在隨州地區(qū)，強對流持續(xù)時間接近7 h。究竟是什么原因?qū)е略诶淇諝庥绊懴拢S州地區(qū)不斷出現(xiàn)CI過程，而荊州南部即使有陣風鋒過境也未觸發(fā)對流？冷空氣觸發(fā)對流的條件是什么？本文將利用常規(guī)高空、地面氣象觀測資料，區(qū)域加密自動氣象站逐時資料、NCEP/NCAR每日4次水平分辨率為0.25°×0.25°的再分析資料和隨州及荊州兩部S波段雷達基數(shù)據(jù)，對比隨州和荊州兩個地區(qū)的對流特征并解釋對流觸發(fā)機制。

1 環(huán)流背景及天氣概況

2020年5月4日20時，500 hPa中高緯度呈現(xiàn)“兩槽一脊”經(jīng)向環(huán)流型，貝加爾湖受高壓脊控制，脊前偏北氣流引導地面冷空氣南下，同時中緯度地區(qū)有低槽位于川東(圖1a)；槽前正渦度平流使得低層減壓，700 hPa有低渦形成，鄂西南受低渦前偏南急流影響(圖略)；對流層低層850 hPa受北部高壓底部偏東氣流和南部偏南氣流共同影響，河南省南部形成暖式切變線，此時850 hPa冷空氣尚未進入湖北省，從溫度分布可見，溫度鋒區(qū)位于河南省南部，此時12 m·s-1以上的西南低空急流出口位于鄂西北地區(qū)(圖1b)。從海平面氣壓場可知，此時湖北省大部地區(qū)受地面暖倒槽控制，北部地面冷高壓主要影響湖北省北部地區(qū)(圖1c)，沿113°E做溫度和水平風場的經(jīng)向剖面可知，此時近地面北風已到達32°N左右，即湖北省隨州地區(qū)，該地區(qū)冷空氣主要影響1 000～900 hPa邊界層(圖1d)。

5月5日08時，原川東低槽已東移至湖北省東部(圖1e)；受冷空氣影響，湖北省東部850 hPa逐漸由暖式切變線轉(zhuǎn)為冷式切變線，并形成低渦位于鄂皖交界處，此時湖北省大部轉(zhuǎn)為北風控制(圖1f)。由113°E的溫度和水平風場經(jīng)向剖面可知，近地面北風已影響到26°～27°N至湖南北部，30°N以北1000～500 hPa均為偏北氣流控制(圖1h)。由此時海平面氣壓分布可知，冷高壓南壓，冷鋒入暖倒槽引起地面降溫，從氣壓場的分布可知，在鄂東南和江西交界處，形成低壓，中心氣壓值為1002 hPa，與850 hPa低渦環(huán)流相對應(圖1g)。

在上述環(huán)流背景下，湖北省出現(xiàn)冷空氣降溫天氣，從5月3日08時至5日08時的48 h日最低氣溫變化分布來看(圖2a)，除鄂西地區(qū)，湖北省大部地區(qū)低溫下降2℃以上，江漢平原及鄂東北出現(xiàn)4～6℃降溫，隨州地區(qū)(紅線所示)附近出現(xiàn)6℃以上降溫。依據(jù)GB/T20484—2017(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會，2017)，湖北省東部大部地區(qū)日最低氣溫 48 h 內(nèi)降溫幅度小于6℃，屬于弱冷空氣，隨州地區(qū)屬于較強冷空氣。強對流主要發(fā)生在4日午后至5日凌晨，5月4日08時至5日08時24 h累計降水量空間分布顯示(圖2b)，50 mm以上強降水主要集中在鄂東南地區(qū)、鄂東北局部以及鄂西十堰北部、宜昌南部。鄂東大部地區(qū)出現(xiàn)降水強度為20～40 mm·h-1的短時強降水。隨州地區(qū)出現(xiàn)27.1 m·s-1極大風及冰雹天氣，最大累計降水量達54 mm，最大降水強度為34 mm·h-1。荊州北部累計降水量最大為37 mm，最大降水強度為17 mm·h-1；南部僅出現(xiàn)5 mm以下小雨，無明顯強對流天氣。

圖2 2020年5月(a)3日08時至5日08時48 h日最低氣溫變化場(填色)(紅線為隨州市邊界，藍線為荊州市邊界)和(b)4日08時至5日08時24 h累計降水量分布Fig.2 (a) Variation field of daily low temperature (colored) for 48 h from 08:00 BT 3 to 08:00 BT 5 May (red line： Suizhou City boundary, blue line： Jingzhou City boundary) and (b) 24 h precipitation distribution from 08:00 BT 4 to 08:00 BT 5 May 2020

2 強對流觸發(fā)概況

下文將重點分析強對流過程初期，隨州和荊州兩個地區(qū)的對流觸發(fā)過程。國外的研究普遍將35或40 dBz的回波視為強對流的標志(Mecikalski and Bedka，2006；Roberts and Rutledge，2003；Bai et al，2020)，為更清楚地表示對流風暴，本文統(tǒng)一使用40 dBz作為反射率因子閾值進行對流風暴的識別，在半徑20 km的圓形區(qū)域內(nèi)發(fā)生對流風暴初生事件，且距離該區(qū)域上一次事件的發(fā)生時間超過20 min，則被定義為一次CI過程。根據(jù)此標準，隨州地區(qū)先后有3次CI過程，荊州地區(qū)則出現(xiàn)2次CI過程。

2.2 隨州地區(qū)

隨州地區(qū)3次CI過程分別出現(xiàn)在5月4日15:04、17:30和21:47，整個對流過程持續(xù)近7 h。下文利用隨州S波段雷達組合反射率因子來分析3次CI過程及其演變趨勢特征。為了清楚顯示對流風暴特征，圖中填色區(qū)域僅顯示反射率因子超過35 dBz 的區(qū)域。

第一次CI過程出現(xiàn)在4日15:04，在隨州西南部分別觸發(fā)A、B兩個孤立對流風暴，兩個風暴相距27 km，40 dBz以上強回波面積較小(圖3)，但對流發(fā)展旺盛，回波頂高達8～10 km(圖略)；15:10對流風暴A、B突然減弱，并在A、B之間新生對流風暴C，至16:34對流風暴C不斷加強，最大反射率因子達55～60 dBz，回波頂高達9～12 km，16:56對流風暴C分裂成對流風暴C1、C2并繼續(xù)向東北方向移動(圖3)。

圖3 2020年5月4日15:04—17:07隨州雷達組合反射率因子分布(a)15:04,(b)15:10,(c)15:27,(d)16:34,(e)16:56,(f)17:07(字母為風暴編號，紅線為隨州市邊界，下同)Fig.3 Distribution of composite reflectivity factor of Suizhou Radar in 15:04-17:07 BT 4 May 2020(a) 15:04 BT, (b) 15:10 BT, (c) 15:27 BT, (d) 16:34 BT, (e) 16:56 BT, (f) 17:07 BT(Letters represent storm number， red line represents Suizhou； the same below)

第一階段對流在隨州地區(qū)西南部觸發(fā)后向東北方向移動，對流風暴面積較小，移動較快，影響范圍較小。

第二次CI過程發(fā)生在17:30(圖4)，C1、C2在向北移動過程中合并增強為對流風暴D，強回波大于60 dBz的面積明顯增大，回波頂高上升至12～15 km，同時在強回波南部有對流風暴E、F被觸發(fā)，與北部回波的距離大約為30 km，且距離上次事件發(fā)生超過20 min，符合CI過程標準。E、F被觸發(fā)后，逐漸合并加強。至18:14形成對流風暴G，此時D強回波范圍減小，回波呈現(xiàn)南傳特征。18:37對流風暴D減弱消失，同時G加強發(fā)展，45 dBz以上的強回波面積明顯增大，20:06強度增強至60 dBz以上，值得注意的是G在隨州中部一帶持續(xù)1.5 h，維持時間較長。20:51以后G逐漸減弱東移，至 21:36 隨州地區(qū)中部強回波完全消散。第二階段強對流呈現(xiàn)向南傳播特征，同時強回波在隨州地區(qū)中部維持時間較長，最大反射率因子達到60 dBz以上，20：00—21：00隨州地區(qū)出現(xiàn)27.1 m·s-1極大風以及冰雹天氣。

圖4 2020年5月4日17:30—21:36隨州雷達組合反射率因子分布(a)17:30,(b)17:52,(c)18:14,(d)18:37,(e)18:59,(f)20:06,(g)20:51,(h)21:13,(i)21:36Fig.4 Distribution of composite reflectivity factor of Suizhou Radar in 17:30-21:36 BT 4 May 2020(a) 17:30 BT, (b) 17:52 BT, (c) 18:14 BT, (d) 18:37 BT, (e) 18:59 BT, (f) 20:06 BT, (g) 20:51 BT, (h) 21:13 BT, (i) 21:36 BT

21:52隨州地區(qū)中部有兩個孤立對流單體H、I新生(圖5)。在分別以H、I為圓心半徑為20 km的圓形區(qū)域內(nèi)，距離上一次CI過程發(fā)生已超過20 min，此為隨州地區(qū)第三次CI過程。21:58對流單體H、I發(fā)展回波強度增強，有合并趨勢，同時在隨州南部有對流單體J新生并向北移動。至22:32 對流單體H、I、J、K呈南北線狀排列，向北移動。22:54對流單體合并為對流風暴L，并于23:05東移減弱，此時隨州地區(qū)西南部有對流發(fā)展，但北抬后減弱，在此不做討論。

圖5 2020年5月4日21:52—23:05隨州雷達組合反射率因子分布(a)21:52,(b)21:58,(c)22:09,(d)22:32,(e)22:54,(f)23:05Fig.5 Distribution of composite reflectivity factor of Suizhou Radar in 21:52-23:05 BT 4 May 2020(a) 21:52 BT, (b) 21:58 BT, (c) 22:09 BT, (d) 22:32 BT, (e) 22:54 BT, (f) 23:05 BT

2.2 荊州地區(qū)

對于荊州地區(qū)，強對流主要集中在荊州北部、潛江一帶，荊州南部未觸發(fā)對流。因此本節(jié)主要討論荊州北部的回波觸發(fā)及演變特征(圖6)。5月5日00:24荊門地區(qū)有片狀對流回波出現(xiàn)(紫色方框所示)，回波結(jié)構(gòu)較為松散，這是冷空氣激發(fā)的對流回波，同時宜昌地區(qū)受到700 hPa低渦影響，有分散性回波發(fā)展。00:30在荊州西北部圖6a～6c中紫色方框代表的A區(qū)有多個分散性對流發(fā)展，這是荊州地區(qū)第一次CI過程。00:48對流單體A東西兩側(cè)距離20 km以外的潛江、枝江地區(qū)觸發(fā)出新的對流并于00:48形成一條東西向的對流帶，該對流帶長100 km左右，為荊州地區(qū)的第二次CI過程。至01:12該對流帶迅速減弱，在南部激發(fā)出新的對流單體，回波頂高為7～9 km，強回波前沿有陣風鋒(紅色箭頭表示)。01:36陣風鋒脫離母體繼續(xù)向南移動，陣風鋒影響的地方并未激發(fā)出新的對流，02:00 荊州地區(qū)回波減弱。

圖6 2020年5月5日00:24—02:00荊州雷達組合反射率因子分布(a)00:24,(b)00:30,(c)00:48,(d)01:12,(e)01:36,(f)02:00(字母為風暴編號,藍線為荊州市邊界,紅色箭頭為陣風鋒所在位置,紫色方框線為關鍵區(qū)域)Fig.6 Distribution of composite reflectivity factor of Jingzhou Radar in 00:24-02:00 BT 5 May 2020(a) 00:24 BT, (b) 00:30 BT, (c) 00:48 BT, (d) 01:12 BT, (e) 01:36 BT, (f) 02:00 BT(Letters represent the storm number， blue line represents the boundary of Jingzhou， red arrow represents the position of gust front， purple frame line represents the key area)

3 強對流觸發(fā)機制

上文主要了解了對流風暴的觸發(fā)及演變趨勢，本節(jié)將利用地面加密場，雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及再分析資料重點分析隨州和荊州北部的CI過程的形成和對流風暴演變機制。

3.3 隨州地區(qū)

隨州地區(qū)3次CI過程的觸發(fā)機制不同，分為暖區(qū)對流觸發(fā)、冷鋒觸發(fā)以及低空急流觸發(fā)三個階段，下面僅分析有冷空氣參與的第二、三階段。

3.1.1 冷鋒觸發(fā)

5月4日17:30隨州地區(qū)出現(xiàn)第二次CI過程，這個階段隨州地區(qū)對流風暴范圍明顯增大，強度增強，且持續(xù)時間近3 h，強回波呈現(xiàn)明顯的南傳特征。通過再分析資料對14時環(huán)境場的熱力條件分析可知，隨州地面溫度升高，自由對流有效位能(CAPE)08：00由163 J·kg-1躍增至1588 J·kg-1，自由對流高度(LFC)由6 km下降至2 km以上，且對流層低層的層結(jié)曲線接近于干絕熱遞減率，環(huán)境條件有利于雷暴大風形成(圖略)。動力抬升方面，圖7給出17：00—20：00逐小時地面加密站風場和溫度場分布疊加臨近時刻雷達反射率因子，分析可得，隨著冷空氣南侵，17：00地面北風前沿逐漸南壓至襄陽中部一帶，但圖中清晰地反映出，冷空氣在隨州地區(qū)分東西兩路南下。西路冷空氣在襄陽地區(qū)激發(fā)出分散對流；東路北風出現(xiàn)回流，在隨州地區(qū)西北部出現(xiàn)東北氣流，并在地面鋒區(qū)前沿激發(fā)新的對流(圖7a)。18：00冷空氣逐漸向南推進，隨州地區(qū)回波呈現(xiàn)南北線狀對流帶(圖7b)。值得注意的是19:21—20:06，強回波在隨州中部地區(qū)維持加強，最大反射率因子強度達到60 dBz以上，回波頂高達8～10 km(圖7c～7d)。從地面溫度分布來看，19：00—20：00地面鋒南壓緩慢。

圖7 2020年5月4日(a)17:30，(b)18:14，(c)19:21，(d)20:06隨州雷達組合反射率因子(填色)，疊加17：00—20：00逐小時地面加密站風場(風矢)和溫度場(實線，單位：℃)(藍色粗實線代表冷鋒)Fig.7 Composite reflectivity factor of Suizhou Radar at (a) 17:30 BT, (b) 18:14 BT, (c) 19:21 BT and (d) 20:06 BT 4 May (colored) overlaid by wind field (vector) and temperature field (solid line, unit: ℃) based on hourly surface densified stations from 17:00 BT to 20:00 BT May 2020(Thick blue line represents the cold front)

冷空氣在隨州地區(qū)出現(xiàn)回流且鋒區(qū)南壓緩慢的原因與隨州特殊地形密切相關。圖8為隨州地形高度，由圖可知隨州南、北、西部為海拔200 m左右的低山丘陵，境內(nèi)南北兩地分別以大洪山和桐柏山為脈，呈西北—東南向分布。因此當?shù)孛胬滗h前沿北風到達隨州地區(qū)北部時，受桐柏山影響，冷空氣分東西兩路南下；同時隨州地區(qū)中部呈三面環(huán)山的低洼地帶，東路冷空氣南下時倒灌進入隨州地區(qū)中部，南下受到大洪山阻擋，鋒面阻滯，移動緩慢，強回波在該地區(qū)停滯。隨著鋒面南壓，冷空氣厚度逐漸增厚，超過山地所在高度，鋒面則快速東移南壓。

圖8 隨州地區(qū)地形高度Fig.8 Topographic height of Suizhou Area

3.1.2 低空急流觸發(fā)

5月4日21:52隨州地區(qū)中部觸發(fā)第三次CI過程，回波觸發(fā)后逐漸向北移動，在回波南側(cè)出現(xiàn)傳播特征，為南北向多單體風暴，過程持續(xù)1 h。由于前期冷空氣南下，地面已轉(zhuǎn)為北風，同時對流風暴使得地面溫度明顯降低至22～24℃，此時的CI過程能量從何而來。雷達徑向速度的時間分辨率較高，可以捕捉到大氣環(huán)流的變化。從隨州雷達的2.24°仰角的徑向速度場能明顯看出(圖9)，20:06—21:47 隨州南部西南風加強，徑向風速逐漸增大到15～17 m·s-1，高度為2～3 km，達到西南低空急流的標準。同時，同高度雷達北部地區(qū)西南風速為10～12 m·s-1，隨州地區(qū)為西南急流出口，存在風速輻合，這是對流觸發(fā)的動力條件。

同時這支冷墊之上西南暖濕氣流的加強使得大氣的穩(wěn)定度逐漸下降。從隨州地區(qū)對流觸發(fā)位置的T-lnp圖可看出(圖9d)，在2 km高度以上出現(xiàn)了192.1 J·kg-1的CAPE，此時LFC為748.8 hPa，這意味著當氣塊抬升至748.8 hPa(2.5 km)以后，可不依靠外力，僅憑借浮力抬升，CAPE與前期相比較小，但隨著暖濕氣流的發(fā)展，CAPE會繼續(xù)增大，足以觸發(fā)短暫對流。

圖9 2020年5月4日(a)20:06，(b)20:51，(c)21:47隨州雷達2.24°仰角徑向速度和(d)20:00隨州T-lnp圖Fig.9 (a, b, c) The 2.24° elevation radial velocity of Suizhou Radar at (a) 20:06 BT, (b) 20:51 BT, (c) 21:47 BT and (d) Suizhou T-lnp map at 20:00 BT 4 May 2020

圖10給出4日08時至5日02時850 hPa與500 hPa假相當位溫的差值分布，從而分析大氣環(huán)境熱力條件的變化。4日08—14時，受暖濕氣流影響，湖北省上空假相當位溫隨高度減小呈對流不穩(wěn)定，14時隨著溫度升高大氣不穩(wěn)定度增強，隨州地區(qū)溫差由16℃增大至20℃。20時，隨著地面冷鋒入暖倒槽，隨州地區(qū)假相當位溫隨高度增大，850 hPa 與500 hPa假相當位溫差轉(zhuǎn)為負值，大氣趨于穩(wěn)定；但5日02時隨著低空急流的發(fā)展，隨州地區(qū)數(shù)值由-4℃增大至0℃以上，說明隨著低層暖濕氣流發(fā)展，大氣不穩(wěn)定層結(jié)再次建立。

圖10 2020年5月4日(a)08時，(b)14時，(c)20時和(d)5日02時850 hPa與500 hPa假相當位溫差值(單位：℃)(紅線表示正值，藍線表示負值)Fig.10 Potential pseudo-eqllivalent temperature difference (unit: ℃) between 850 hPa and 500 hPa at (a) 08:00 BT, (b) 14:00 BT, (c) 20:00 BT 4 May and (d) 02:00 BT 5 May 2020(Red line represents positive and the blue line represents negative)

3.3 荊州地區(qū)

5月5日00:24和00:48荊州地區(qū)北部分別出現(xiàn)2次CI過程，并在荊州地區(qū)北部形成東西向回波帶。01:36當陣風鋒掃過荊州南部時并未再次觸發(fā)對流。事實上荊州的熱力條件較隨州更好，從850 hPa 假相當位溫的分布來看，4日08:00，假相當位溫的高溫高濕舌位于荊州地區(qū)，此時荊州和隨州都具備500 J·kg-1的CAPE。4日14:00，隨州地面升溫，熱力條件轉(zhuǎn)好，荊州地區(qū)的CAPE躍增到2000 J·kg-1以上，而隨州地區(qū)的CAPE則不到2 000 J·kg-1。至荊州對流發(fā)生后，荊州的CAPE仍然有200 J·kg-1(圖略)，但事實上荊州并未發(fā)生很強的對流，特別是在南部地區(qū)。因此本節(jié)重點分析對流的動力觸發(fā)機制。

圖11給出5月5日00:48組合反射率因子疊加01:00地面加密站風場和溫度場，由圖可知，此時北風前沿位于荊州西北部，而強對流觸發(fā)位置并不位于冷空氣前沿，而是位于北風前沿的偏北一側(cè)，說明觸發(fā)位置冷空氣達到一定厚度。從4日20:00荊州南部松滋站的T-lnp圖可知，LFC達到2 km以上，CAPE為1083 J·kg-1，這說明低層輻合要達到一定強度能將氣塊抬升到LFC，才能觸發(fā)對流。

圖11 2020年5月(a)5日00:48荊州雷達組合反射率因子(填色)疊加5日01:00逐小時地面加密站風場(風矢)和溫度場(實線，單位：℃)(三角代表松滋探空站位置)和(b)4日20時松滋T-lnp圖Fig.11 (a) Composite reflectivity factor (colored) of Jingzhou Radar at 00:48 BT 5 May 2020 superimposed by wind field (vector) and temperature field (solid line, unit: ℃) of hourly surface densified stations at 01:00 BT 5 May (triangle: position of Songzi Sounding Station) and (b) Songzi T-lnp at 20:00 BT 4 May 2020

為了對比荊州北部和南部的觸發(fā)條件，分別根據(jù)圖12a,12c中01:36荊州雷達1.5°反射率因子和徑向速度圖中AB、CD實線所在位置做徑向速度垂直剖面(圖12b,12d)。由圖可明顯看出，荊州北部回波觸發(fā)位置(沿實線AB所做徑向速度剖面)，偏北風厚度達到2～3 km，冷空氣楔入暖空氣底部，從徑向速度的垂直分布來看，冷暖空氣輻合高度達到3 km，超過了LFC(圖12b)。而在荊州南部陣風鋒位置(沿實線CD所做速度剖面)可以看出動力輻合的差異，南部地區(qū)冷空氣較淺薄，與偏南風輻合的高度在1～1.5 km，低于LFC，且輻合厚度淺薄(圖12d)，動力抬升作用較弱不足以將氣塊抬升到LFC之上。因此，楔入暖濕氣流之下冷空氣的厚度與LFC是決定荊州北部觸發(fā)對流，而南部未觸發(fā)對流的原因。

圖12 2020年5月5日01:36荊州雷達(a)1.5°反射率因子,(c)徑向速度圖;(b,d)沿圖12a,12c中(b)AB紅色實線，(d)CD紅色實線所做徑向速度剖面(圖12b、12d中黑色箭頭為徑向風)Fig.12 (a) The 1.5° elevation reflectivity factor and (c) radial velocity of Jingzhou Radar at 01:36 BT 5 May 2020, and (b， d) radial velocity profile along (b)AB red solid line and (d) CD red solid line in Figs.12a and 12c(Black arrows in Figs.12b and 12d represent the radial wind)

4 冷空氣在強對流觸發(fā)中的作用

本次過程對流觸發(fā)與冷空氣參與密切相關，下文主要研究冷空氣在CI過程中起到了什么作用。研究表明，位渦是表征冷空氣的最優(yōu)指標(趙亮和丁一匯，2009)，因此本文選取位渦作為表征冷空氣的指標。在等壓坐標系當中，假定垂直速度的水平變化比水平速度的垂直切變小得多，由此可得等壓位渦的表達式：

P=-g(fk+p×v)·pθ

式中:P為等壓位渦，k為垂直方向矢量，v為三維風矢，θ為位溫，f為牽連渦度，g為重力加速度。圖13根據(jù)該式計算各等壓面的等壓位渦，并給出113°E位渦、位溫以及正渦度的經(jīng)向垂直剖面，可反映出隨州(32°N)到荊州(30°N)一線冷空氣對渦度以及大氣層結(jié)變化的影響。

由圖13可知，5月4日08時，隨州至荊州上空對流層內(nèi)均無正位渦異常，表明此時無干冷空氣影響(圖13a)。4日14時，在30°N 對流層中高層500～300 hPa出現(xiàn)正位渦異常，表明該區(qū)域內(nèi)靜力穩(wěn)定度及渦度值增大，此時正位渦異常表征的冷空氣位于荊州地區(qū)的對流層中高層，而在正位渦中心的西側(cè)出現(xiàn)弱的下沉運動，東側(cè)則有弱的上升運動，此時冷空氣的作用尚不明顯(圖13b)。至4日20時，冷高壓侵入地面暖倒槽，冷空氣活動明顯，由位渦的經(jīng)向剖面可明顯看出32°N和30°N 對流層高層高位渦與對流層中低層的高位渦打通，32°N 2 PVU以上的正位渦異常中心從對流層頂向下延伸至600～500 hPa，而30°N高空400～200 hPa 1 PVU以上的正位渦異常中心向下延伸至400 hPa，但冷空氣強度相對較弱。在對流層低層32°N以北900～800 hPa有位溫線密集帶，與鋒區(qū)相對應，但鋒面坡度較小，同時有正位渦中心位于32°N附近及其以北地區(qū)，32°N隨州地區(qū)在正位渦異常中心的北側(cè)有明顯的下沉氣流，右側(cè)有約10-1m·s-1的上升氣流，對隨州的CI過程的動力觸發(fā)起到重要作用。至5日02時，當冷空氣繼續(xù)南下，從位渦的垂直分布來看對流層中層的正位渦異常沿320 K等熵面向南移動，30°N荊州地區(qū)正位渦異常向下延伸至900 hPa，但強度較隨州偏弱，僅為1 PVU，且正位渦中心的北側(cè)上升運動明顯偏弱，位溫的垂直梯度也較隨州地區(qū)明顯偏弱，表明鋒區(qū)減弱。因此冷空氣偏弱也是荊州地區(qū)CI過程較隨州地區(qū)偏弱的原因之一。

除此之外，進一步對比隨州和荊州的水汽條件。從850 hPa水汽通量以及水汽通量散度的空間分布可知，4日20時荊州的水汽通量數(shù)值達到12 g·s·cm-1·hPa-1，隨州地區(qū)僅達到8 g·s-1·cm-1·hPa-1，但隨州地區(qū)和荊州北部有明顯的水汽通量輻合，且荊州南部為水汽輸送通道而不是匯集地，荊州南部水汽通量輻合在850 hPa以下層次低于自由對流高度(圖略)，這也是由于冷空氣厚度南北分布不同導致，因此對流的觸發(fā)動力機制不足。5日02時，隨著冷空氣的進一步南下，隨州和荊州的水汽通量均減弱到4 g·s-1·cm-1·hPa-1(圖略)。但從水汽條件來看荊州地區(qū)850 hPa的水汽通量數(shù)值要高于隨州地區(qū)，荊州的熱力及水汽條件都滿足對流觸發(fā)的條件，而最終決定是否發(fā)生CI過程取決于動力抬升條件。

5 結(jié)論與討論

本文基于多種觀測資料對 2020 年5月 4日冷空氣影響的環(huán)流背景下隨州和荊州地區(qū)對流風暴系統(tǒng)的演變特征及觸發(fā)機制進行較為詳細的分析，并進一步探討冷空氣對強對流觸發(fā)的作用，主要結(jié)論如下:

(1)此次強對流過程是在冷空氣影響背景下發(fā)生的，隨州地區(qū)共有3次CI過程，對流過程維持7 h。荊州地區(qū)北部有2次CI過程，南部地區(qū)未觸發(fā)對流。

(2)隨州地區(qū)3次CI過程分別為暖區(qū)對流觸發(fā)、冷鋒觸發(fā)和低空急流觸發(fā)。隨州地區(qū)的特殊地形使得冷空氣在南下過程中受阻，鋒面移動緩慢。低空急流發(fā)展重新建立大氣不穩(wěn)定度，使得對流再次觸發(fā)。

(3)荊州地區(qū)冷空氣觸發(fā)對流條件與冷空氣厚度和自由對流高度有關。荊州北部冷空氣與暖濕氣流輻合層次高于自由對流高度，且輻合相對較厚，動力觸發(fā)條件較好。荊州南部陣風鋒影響區(qū)域，輻合淺薄且層次低于自由對流高度，因此未觸發(fā)對流。

(4)以位渦表征冷空氣，對比隨州和荊州兩地動力抬升條件可得，隨州和荊州在冷空氣影響階段，對流層高層高位渦與中低層高位渦打通，正位渦異常中心的西側(cè)為下沉氣流，東側(cè)為上升氣流。隨州地區(qū)冷空氣強度較強正位渦達到2 PVU以上，對流層低層鋒區(qū)在隨州地區(qū)明顯，低層正位渦異常中東部上升氣流較強。荊州地區(qū)對流層底層鋒區(qū)減弱，冷空氣較弱正位渦僅為1 PVU，正位渦東部上升氣流明顯較隨州地區(qū)偏弱，導致荊州南部地區(qū)無CI過程。

CI過程不僅與大尺度環(huán)境特征密切相關，也與風暴附近局地中小尺度環(huán)境特征存在密切關系，本文并未詳盡分析后者的影響。后期將利用風廓線雷達數(shù)據(jù)以及微波輻射計資料，分析局地水平風場的垂直結(jié)構(gòu)特征和環(huán)境溫濕要素的演變特征，研究中小尺度環(huán)境對CI過程的作用。此外，可利用高分辨率模式模擬CI的物理過程，研究風暴形成后是否影響局地環(huán)境場從而進一步觸發(fā)對流，同時分析冷空氣的強度、厚度對CI過程的影響。