引言

强对流天气是湖南春季的主要灾害性天气，以雷雨大风、冰雹和短时强降水为主。它具有突发性强、空间尺度小且生命史短、破坏力大等特点，一直以来是天气预报业务中的重点和难题。近年来，强对流天气的研究分析与预警预报已受到专家学者的关注和重视，并取得了一系列研究成果^[1-3]。目前在实际业务工作中，气象工作者利用多普勒天气雷达、卫星资料提炼的雷达及卫星云图特征来开展强对流天气短临预报及预警，此外，通过“配料法”思想、归纳天气学概念模型，并结合探空物理量开展了强对流潜势预报^[4-7]。许爱华^[8]在分析强对流天气发生时天气尺度影响系统的基础上，提炼了引发强对流天气的中尺度对流云带(团)发生发展的典型云型特征。郑媛媛等^[9]通过分类建立强对流天气的天气尺度概念模型，研究其物理机制、中尺度特征，提高了不同类型大尺度环流背景下强对流天气的短时临近预报的针对性和水平。庞古乾等^[10]通过选取与强对流天气相关性好的多种大气物理量参数，作为预报因子建立强对流诊断预报方程，开展珠江三角洲地区未来12 h强对流天气潜势预报，对当地强对流天气临近监测预警有较好的指示意义。此外，还有部分学者对强对流天气过程进行了数值模拟研究^[11-15]。强对流天气具有一定的区域特征，各地强天气出现时，大气对流参数阈值也有差异，故针对本区域的分析研究更有必要。2015年4月初湖南出现了一次大范围冰雹、雷雨大风和短时强降水等多种强对流天气过程，岳阳本站更是先后出现了上述3种不同强对流天气。传统的强对流天气的预报经验认为，湖南强对流天气多出现在高温、高湿环境条件下，而4月初湘北气温低、不稳定能量小，能产生冰雹、雷雨大风和短时强降水等如此剧烈天气，实属罕见，打破了预报人员的传统认知。造成该次大范围不同类型强对流天气的环境条件如何？可能的成因是什么？本文将利用探空观测资料、NCEP再分析资料及多普勒天气雷达产品等多种气象资料，对这次大范围强对流天气过程的大尺度环境条件与中尺度触发条件进行分析，并研究不同类型强对流天气的气象要素和天气参数的演变，同时探讨不同类型强对流天气的典型回波特征，以期为强对流天气的监测和预报预警提供一定的参考依据。

1 天气实况及灾情 1.1 天气实况

2015年4月2—4日湖南出现了一次大范围强对流天气过程，其中3日强对流天气的范围最大，并出现了雷雨大风、冰雹及暴雨等多种强对流天气共存的现象。其中3日18—19时(北京时，下同)湘北出现较大范围冰雹，直径最大为15 mm (慈利)；3日20时—4日01时湘东北出现雷雨大风、冰雹和暴雨等混合对流天气；岳阳本站最大风速达21.5 m·s^-1，且3日20时—4日08时累积雨量达218.3 mm，创建站以来历史极值(图 1)。

1.2 灾情

据民政部门的统计数据显示，本次过程导致了较大的人员伤亡和财产损失。张家界、岳阳、常德等10市(州)23个县(市、区) 40.2万人受灾，3人死亡，1人失踪；并导致房屋倒塌、农作物绝收，直接经济损失3亿元。

2 环境条件与成因分析 2.1 大气环流调整

该强对流过程出现在4月初，而4月初大气环流较3月底出现了明显调整。一是110°—120°E、25°— 30°N范围内850 hPa经向风明显加强，持续到4月6日，且在3日及6—7日北方有冷空气南下，其中3日冷暖气流在长江北岸交汇，是导致3日强对流天气范围大、湘东北降水强的原因之一，6日后南风减弱且冷空气势力加强，出现了剧烈降温和局地较强降水。二是西风指数由高指数向低指数运行，较常年明显偏低，表明冷空气势力较3月下旬加强。三是副热带高压(以下简称副高)脊线偏北，比常年偏北2~3个纬距，副高的调整同样有利于湖南强降水发生。

2.2 大尺度天气形势

强对流天气主要发生在3日下午至晚上。在3日20时(图略)，东亚为一脊一槽形势，500 hPa华东为高压脊，具有东高西低形势，是湖南易出现极端降水的形势之一。中纬度短波槽500 hPa超前于700 hPa，前倾槽的形成导致对流不稳定加强，有利于强对流天气发生。低空西南急流加强，达18~22 m·s^-1。850 hPa暖式切变位于湘北，有利于水汽向长江北岸输送。925 hPa在湘东南出现了超低空急流，此时地面冷空气渗透南下抵达湘北，南北温差加大到10 ℃以上，有利于风雹天气的发生。500 hPa冷槽呈南北向，位于鄂西南至湘西北，高、低空急流及地面辐合线基本重合，呈东北—西南向位于湘东北至湘南，850 hPa切变线位于湘北，暖脊在湘中(图略)。由此表明，4月初湖南具备较大范围强天气发生的环境条件。

2.3 不同类型强对流天气发生的环境条件 2.3.1 水汽条件

暴雨、大暴雨的发生，不仅要有强烈的上升运动和不稳定条件，而且还需要源源不断的水汽供应。3日14时(图略)，湘东南水汽通量较大，水汽辐合主要在湘西，随着时间的变化，水汽通量与水汽辐合也发生了较明显的变化。图 2a给出2015年4月3日20时850 hPa水汽通量与水汽通量散度叠加图，从中可见，3日20时水汽通量明显加强，达到24 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1，且湘东大于湘西，而水汽辐合中心在湘东北，为-60× 10^-5 g·s^-1·cm^-2·hPa^-1。图 2b给出3日20时沿113°E的水汽通量和水汽通量散度的垂直剖面图，从中可见，14—20时，850 hPa以下水汽辐合出现了明显增强且向高层扩展，在14时(图略)，湘东上空700—500 hPa出现了中层辐散，导致了下午至傍晚前后这一带发生雷雨大风，但降水不明显。而20时开始，湘东北大暴雨中心水汽通量辐合中心明显加强，并向上扩展到600 hPa附近；而高层则出现了辐散，高层辐散与低层辐合的抽吸作用，是湘东北产生极端暴雨的主要原因之一。

2.3.2 温度平流

图 3给出4月3日20时沿110°E和113°E的温度平流垂直剖面图，从中可见，湘西(图 3a)在650 hPa以下有深厚的暖平流区，之上则为冷平流区。暖平流是低空急流和超低空急流强烈发展的结果，有利于中低层暖湿层结的形成；而高层冷平流形成干冷层结叠加在暖湿层结之上，导致热力不稳定层结强烈发展，在高空低槽与地面辐合线等系统触发下，有利于冰雹等强对流天气发生。湘东(图 3b)在500—700 Pa中层有明显的干冷空气卷入，而低层有暖平流自南向北发展，有利于雷雨大风等强对流天气发生。

2.3.3 不稳定条件

图 4给出4月3日14时850 hPa风场与露点温度场叠加图以及850 hPa与500 hPa假相当位温差，从中可见，3日14时湘中以南850 Pa急流强盛(图 4a)，为本次过程提供了充沛的水汽条件，且急流加强使低层垂直风切变发展，有利于动力不稳定增强，以及对流风暴有组织地发展和维持。湘东北处于850 Pa切变线南侧及急流出口区左侧，且湘北850 hPa有明显的露点温度梯度区(即干线存在)，表明湘东北具有强气旋性切变和湿斜压强迫作用，促使不稳定能量释放，导致雷雨大风、冰雹和暴雨天气的发生。此外，850 hPa与500 hPa的假相当位温差(图 4b)显示，湖南省内大部分地区处于热力不稳定条件下，20时(图略)湘东北热力不稳定增强，达15 K以上，有利于湘东北极端强降水天气的发生发展。

2.3.4 中尺度系统触发条件

强降水的产生是多尺度系统共同影响的结果。本文通过对3日20时不同层次的流场进行滤波分析，来揭示中尺度雨团发展维持机制。图 5给出4月3日20时— 4日08时12 h降水量与3日20时barness带通滤波后的不同高度中尺度流场叠加图。从100 hPa流场分布来看(图 5a)，湘东北处于强辐散气流中；700 hPa (图 5b)湘东北存在一个中尺度低涡；850 hPa滤波场(图 5c)依然为辐合气流，与强降水位置基本重合；低层950 hPa (图 5d)在湘东北也为较明显的中尺度辐合系统。从950 hPa到700 hPa均为辐合上升气流，垂直运动较强，低层辐合、高层辐散的抽吸作用，有利于中尺度系统发展和维持，导致湘东北出现12 h降水量达218.3 mm极端降水。

3 不同类型强对流天气的气象要素及对流参数差异 3.1 探空资料分析

单站探空是分析本地大气环境热力稳定度、动力稳定度的重要手段，从探空曲线图上能一定程度上识别不同强对流天气的类型^[16-17]，由于湖南仅有3个探空站，故利用NCEP再分析探空资料，对4月3日湖南不同区域所发生的不同类型强对流天气进行分析。强对流实况显示，湘西、湘北4月3日18—19时开始出现冰雹，湘东北约20时先后出现风雹和短时强降水，出现强对流天气的时间跟高空低槽及地面冷空气南下影响的时间有关。本文选取新晃、汉寿和岳阳3个站分别代表湘西、湘北和湘东北，而这3个站的影响机制不同。图 6给出4月3日14时新晃、汉寿、岳阳探空图和3日20时订正后的岳阳探空图。3日19时新晃出现冰雹，14时新晃探空图(图 6a)表明，地面温度28 ℃，整层是偏南风，风向随高度顺转；对流有效位能CAPE为1 530.5 J·kg^-1，热力不稳定条件较好。20时探空图(图略)显示，850 hPa以下湿度明显增大，新晃地面转为北风，暖湿气流在冷气团上抬升，对流不稳定能量释放，且具备合适的0 ℃与-20 ℃层高度，有利于出现冰雹天气。3日14时汉寿探空图(图 6b)显示，925 hPa以下为偏北风控制，存在较明显的冷垫结构，850—925 hPa存在较明显的逆温，700 hPa以上为较强偏南风，0—3 km垂直风切变达20 m·s^-1以上，中层300—600 hPa存在明显干区，600 hPa以下为湿区，具有上干下湿特征，具备合适的0 ℃与-20 ℃层高度，因此汉寿出现了冰雹天气。3日14时岳阳探空图(图 6c)上，温、湿层结曲线表现为向上开口的“喇叭状”形状，具有上干下湿等特征，同时具有强的垂直风切变且中层有干空气入侵，加强了风暴中的下沉气流和低层冷空气外流。通过强迫抬升，流入的暖湿空气上升更强烈，加强了对流，导致岳阳站冰雹、雷雨大风天气的出现。3日20时(图 6d)，中层干冷空气减弱，湿层加厚，不稳定能量增大到860 J·kg^-1 (订正后)，有利于短时强降水的产生。

新晃存在较强的热力不稳定，冷空气侵入触发冰雹天气。汉寿受500 hPa低槽东移及中低层暖湿急流加强低层锋区的抬升作用影响，在逆温层以上激发冰雹等强对流天气，符合典型的高架雷暴特征^[18]。岳阳14时表现为上干下湿的湿度层结，且有强垂直风切变及热力不稳定，20时随着整层湿度加大，不稳定条件维持，因此先后出现风雹、短时强降水等混合对流天气。

3.3 对流参数演变及差异分析

表 1给出4月3日08时—4日02时汉寿、新晃、岳阳对流参数特征，从中可见，4月3日午后到傍晚，汉寿、新晃及岳阳分别出现了冰雹天气。汉寿3日14— 20时，K指数上升到38 ℃，SI指数下降到-2.33 ℃，CAPE达到570.6 J·kg^-1，0—3 km垂直风切变加大到24.1 m·s^-1，反映热力不稳定和动力不稳定在加强，为冰雹产生提供有利条件。新晃在3日14时和20时，均存在较高的热力不稳定，20时CAPE值达1 912.6 J·kg^-1，但0—3 km垂直风切变明显小于汉寿站，说明新晃站的热力作用更显著，在冷空气南下过程中触发了冰雹天气。岳阳14—20时，存在热力不稳定和动力不稳定明显加强的过程，20时SI指数达-3.78 ℃，CAPE为860 J·kg^-1 (订正后)，0—3 km垂直风切变加大到24.6 m·s^-1。汉寿、新晃、岳阳3站中，岳阳的热力和动力不稳定条件最有利于强对流天气的发生发展，3站的0 ℃层、-20 ℃层高度均满足当地冰雹出现的高度阈值，因此3站均出现了冰雹天气。

4 雷达回波特征

由于此次强对流天气过程范围大，且同时出现了多种强对流天气类型，本节将利用不同的雷达，从不同角度对出现在不同区域不同类型的强对流天气的雷达回波特征进行分析。在雷达的选取上，采用就近的原则，对新晃、岳阳和汉寿的强对流天气，分别利用怀化、岳阳和常德的雷达进行分析。

4.1 冰雹的回波特征

新晃、汉寿及岳阳站4月3日出现了冰雹，综上分析可知，大气环境条件不仅满足强烈和持续的上升运动，同时还具有强垂直风切变和较大的对流有效位能。根据冰雹增长的特征，与上升气流强度和区域大小有关的强度回波特征是冰雹天气很有价值的指标^[19]，下面分别从基本反射率及垂直液态水的角度，对新晃及汉寿出现冰雹时的雷达回波特征进行分析。

图 7给出4月3日18:57怀化雷达站1.5°基本反射率和19:10沿雷达径向的反射率垂直剖面，从基本反射率特征(图 7a)可见，怀化雷达18:57在1.5°—6.0°仰角存在明显的三体散射(TBSS)特征，最强反射率达60 dBz以上，垂直液态含水量VIL达70 kg·m^-2以上。从19:10沿此强单体风暴的反射率垂直剖面(图 7b)可知，新晃强单体具有高悬垂的穹窿结构和有界弱回波，而强垂直风切变正是对流风暴悬垂结构的动力因子。此外，65 dBz强回波扩展到-20 ℃层高度以上，有利于大冰雹的产生。

4月3日18:38—19:45汉寿出现冰雹，图 8给出该日常德雷达站不同时次不同仰角的基本反射率以及相关反射率垂直剖面。从中可见，多次体扫不同仰角的反射率因子图上(图 8a、b、c)出现了三体散射，VIL也多次达到65 kg·m^-2 (图略)，雷达特征反映出汉寿的多次降雹天气。19:02反射率垂直剖面图(图 8d)上表现为弱回波区，而在19:21 (图 8e)已发展为有界弱回波区，同时低层勾状回波明显，两个时刻基本反射率剖面上，-20 ℃层高度(约7.3 km)以上出现了大于55 dBz的回波，上述回波特征均有利于大冰雹的产生。

4.2 雷雨大风的回波特征

出现在汉寿的超级单体伴有的中气旋持续了6个体扫(19:02—19:39)，图 9给出4月3日19:21常德雷达站不同仰角的径向速度，从中可见，中气旋垂直方向深厚(约7.5 km)，可见此超级单体对流组织性强，且在19:21表现为经典的中气旋结构：低层气旋式辐合、中层纯粹的旋转、较高层气旋式辐散旋转、高层纯辐散。

岳阳气象站在20:49和20:51观测到19 m·s^-1和20 m·s^-1的大风，图 10给出4月3日岳阳雷达站不同时次不同仰角的径向速度，从中可见，50 km距离圈内(1 km高度以下)出现了大于20 m·s^-1的速度大值区，且这种速度大值区在东移的过程中，呈现出向下发展的趋势。在20:40—20:52 (图 10d—f)有超过20 m·s^-1的风速下降到200 m以下，这种大风区的下降很可能引起地面产生雷雨大风。

4月3日产生的雷雨大风，发生在强垂直风切变环境下，且有中层较强干冷空气的卷入。综上分析可知，汉寿站的雷雨大风是由中气旋所致；而较强的下沉气流与高空动量下传，是岳阳站出现雷雨大风的重要原因。

4.3 短时强降水的回波特征

图 11给出4月3日23:35岳阳雷达站组合反射率和相关反射率垂直剖面，从中可见，影响岳阳地区的对流系统为多单体风暴，单体沿直线呈东北—西南向排列，同时每个单体的移动方向和多单体风暴走向基本一致，具有明显的“列车效应”。约有9个单体呈直线排列，多个单体具有中高层回波悬垂的特征，每个单体的质心和最强反射率均在0 ℃层以下，是高效的降水回波特征。由此在岳阳造成长时间的强降水，创下岳阳站建站以来的多项历史降水极值。

岳阳站温湿层结曲线(图 6)显示，短时强降水是在上干下湿环境转变为整层高湿环境的条件下发生的，且中尺度滤波分析(图 5)表明，岳阳站位于低层强辐合、高层辐散区域，此外具备产生“列车效应”的环流配置，故岳阳站出现了极端强降水。岳阳地区的强对流天气过程，前期的对流活动伴有雷雨大风，后期以短时强降水为主，这种强对流天气类型的演变和水汽、温度等气象要素在垂直方向的层结变化有密切关系(图 10、11)。

5 结论

本文利用探空观测资料、NCEP再分析资料及多普勒天气雷达产品等多种气象资料，对2015年4月3日湖南出现的一次大范围不同类型强对流天气过程中大尺度环境条件与中尺度触发条件进行了分析，得出如下结论：

(1) 冷空气势力较常年偏强、偏南，副高较常年偏强、脊线偏北，有利于暖湿气流加强，冷暖气流在湘北交汇，从而诱发中尺度对流系统发生发展，这是强对流天气发生的成因之一。

(2) 本次大范围强对流天气的主要影响系统为前倾槽、中低层急流及边界层急流、地面辐合线等。

(3) 汉寿在逆温层之上暖湿气流抬升和强垂直风切变作用下产生冰雹，具有高架雷暴特征。新晃具有较高热力不稳定，在冷暖空气交汇时产生冰雹。岳阳风雹天气则是中层干冷空气卷入、强垂直风切变、强热力不稳定共同作用的结果，其极端强降水是中低层西南急流和强热力不稳定作用所致。

(4) 雷达资料分析表明，冰雹发生时具有三体散射特征；雷雨大风发生时中高层辐散明显；而短时强降水发生时具有低质心和高效降水的雷达回波特征，且列车效应特征明显，有利于对流风暴有组织的发展与极端降水发生。