2019, Vol. 38 
2. 湖南省怀化市气象台, 怀化 419599;
3. 湖南省衡阳市气象台, 衡阳 421001
2. Huaihua Meteorological Observatory of Hunan Province, Huaihua 419599;
3. Hengyang Meteorological Observatory of Hunan Province, Hengyang 421001
天气尺度系统的基本要素配置结构制约着中小尺度对流的发生、发展与消亡，且会在很大程度上改变局地热力层结不稳定、垂直切变不稳定、上升运动强弱以及水汽输送，因此天气系统配置造成的对流条件差异直接影响到灾害性天气的类别与强度[1-2]。国内学者在强对流天气分型、环境条件等方面取得了较多研究成果。许爱华等[3]根据强天气发生的三要素，将中国强天气分为高空冷平流强迫类、低层暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类和高架对流类。郑媛媛等[4]将安徽省强对流天气分为冷涡槽后类和槽前类，前者主要导致雷雨大风和冰雹，而后者主要导致雷雨大风、短时强降水及龙卷。冯晋勤等[5]分析了福建春季西南急流暖湿强迫背景下强对流天气流型配置与环境条件。陈立祥等[6]归纳出广州地区强对流天气的统计特征与分类特征。蔡荣辉等[7]将湖南雷暴大风主要分为高空冷平流强迫类、低层暖平流强迫类、斜压锋生类和准正压类，其中，低层暖平流强迫类频次最大，占所有雷暴大风的46.7%，故根据中低层切变线北侧冷平流强弱，又将低层暖平流强迫类细分为强冷暖平流强迫类、强暖平流强迫类和中间类。自对低层暖平流强迫类雷暴大风细分之后，鲜有对其中的强冷暖平流强迫类和强暖平流强迫类雷暴大风个例展开对比研究。2017年5月11日和6月5日湖南在低层暖平流强迫背景下先后出现飑线过程，两次过程强对流天气实况存在一定差异:相比后一过程，前一过程强对流范围大，还出现了冰雹，但局地大风、短时强降水强度相对较弱。同样发生在低层暖平流强迫类背景下，两次过程天气实况为何会存在上述差异？两类暖平流强迫类飑线的临近预报预警着眼点又有何不同？为此，本文从天气系统配置、环境条件与多普勒天气雷达回波特征等方面对上述两次过程进行了对比分析，以期提高对低层暖平流强迫类强对流天气的认识，从而把握其短期、短时临近预报预警重点。
1 资料说明与天气实况对比 1.1 资料说明本文所用资料包括常规气象观测资料、湖南省区域自动气象站资料、地面危险报资料、NCEP/NCAR每日4次FNL全球再分析格点资料(水平分辨率1°×1°)，以及长沙、邵阳、永州S波段多普勒天气雷达资料与湖南的强天气临近预报分析系统SWAN (Severe Weather Anaysis-Nowcasting)资料。
1.2 实况对比2017年5月11日和6月5日白天即08(北京时，下同)—20时，湖南先后出现飑线过程(以下分别简称“5·11”飑线过程和“6·5”飑线过程)，给湖南带来较大范围雷暴大风天气(图 1)，“6·5”飑线过程还出现了局地龙卷(邵阳市邵东县周官桥乡)，导致当地1 800多间房屋受损。结合两次过程雷达回波特征及气象要素综合分析结果判断，参与统计的站点中仅有2个站次雷暴大风(图 1b黄色圆圈)由飑线过境前强风暴单体所致，其他均由飑线过境造成。无论是灾害性天气种类还是范围，两次过程都表现出一定差异“ : 5·11”飑线过程强对流天气范围明显大于“6·5”飑线过程，但后一过程雷暴大风和短时强降水的强度比前一过程强。其具体表现是“ : 5·11”飑线过程出现18站次雷暴大风，但仅有1站风力达9级以上(占5.6%，达黄色预警标准)，而“6·5”飑线过程出现的9站次雷暴大风中有2站次风力达到了9级或以上(占22.2%)，且局地出现龙卷(图 1b)；“5·11”飑线过程出现520站次(区域站)短时强降水，仅7站次雨强超过50 mm·h-1，最大雨强为60.2 mm·h-1，而“6·5”飑线过程出现短时强降水达391站次，其中12站次雨强超过50 mm·h-1，最强达72.2 mm ·h-1。
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图 1 2017年5月11日08—20时(a)与6月5日08—20时(b)湖南强对流天气实况(蓝色、黄色风向杆分别表示达到蓝色、黄色雷暴大风预警等级，填色区为最大小时雨量；图 1b中虚线圈表示非飑线过境产生的雷暴大风区域) Fig. 1 Observations of the two severe convective weather events in Hunan from (a) 08:00 BT to 20:00 BT 11 May, (b) 08:00 BT to 20:00 BT 5 June 2017. Blue and yellow wind barbs indicate blue and yellow thunderstorm gale warning level, respectively. Color-filled areas denote maximum hourly precipitation. In (b) the dashed circle represents the thunderstorm gale area generated by the non-squall line. |
为说明上述两次雷暴大风过程均是由飑线过境造成(图 1b黄色圆圈所在国家站除外)，选取国家气象站逐分钟气象要素进行分析。2017年5月11日16:31—17:30“5·11”飑线过境前后，以湘潭站为例，各气象要素均表现出剧烈变化(图 2a、b):气压从16:32的999.3 hPa涌升至17:15的1 001.8 hPa后逐渐下降，温度由16:43的30 ℃骤降至17:05的22 ℃，相对湿度从16:43的62%猛升至17:08的97%；风速由16:39的3.7 m·s-1西南风迅速转为16:48的12.0 m·s-1西北风。6月5日14:01—15:00 “6·5”飑线过境前后，以攸县站为例，各气象要素变化如下(图 2c、d):气压从14:01的986.7 hPa涌升至14:21的989.1 hPa后又有所下降，温度由14:11的33.4 ℃骤降至14:24的23.8 ℃，相对湿度从14:10的61%猛升至14:26的85%；风场变化剧烈，风向顺转，风速剧增，由14:04的3.8 m·s-1西南风迅速转为14:20的15.1 m ·s-1西北风。
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图 2 2017年5月11日16:31—17:30湘潭站(a, b)与6月5日14:01—15:00攸县站(c, d)的气温和相对湿度(a, c)以及气压和风(b, d)分钟时序图 Fig. 2 Minutely variation of (a, c) temperature and relative humidity and (b, d) pressure and wind (a, b) at Xiangtan station from 16:31 BT to 17:30 BT 11 May, and (c, d) at Youxian station from 14:01 BT to 15:00 BT 11 May5 June 2017. |
综上可知，两次过程飑线过境前后站点气象要素变化都表现出了气压明显涌升、湿度增加、气温骤降、风向风速变化剧烈的特征，符合飑线型强对流的典型特征。
2 环流形势与环境条件对比分析 2.1 环流形势和影响系统分析“5 ·11”飑线过程环流形势表明(图 3a)，5月11日08时，500 hPa湖南处于高空槽前，有干舌发展，中高纬地区东北冷涡位于116.9°E、50.1°N附近，冷中心温度为-32 ℃，东北冷涡带动高空槽后西北气流与副热带高压(以下简称副高)西侧暖湿气流在长江以南交汇，且川北至湖北地区等高线和温度线存在明显夹角，说明湖南北部有较明显的干冷平流；850 hPa湖南西北部有一西南—东北向切变线，其南侧西南气流强烈发展，中低层增温增湿明显，形成上干冷、下暖湿的极不稳定层结，湖南大部分地区850 hPa与500 hPa温差(T850-500)达到25 ℃以上；且冷锋主体位于四川东部，湘西北有地面辐合线发展。由此可知，该过程强对流发生在中低层强盛西南急流不稳定大气中，在地面辐合线强烈抬升触发下导致大范围雷暴大风，且伴有冰雹、短时强降水。
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图 3 2017年5月11日08时(a)与6月5日08时(b)飑线天气过程主要系统配置 Fig. 3 Superposition of the major weather influencing systems in the squall line events at (a) 08:00 BT on 11 May and (b) 08:00 BT on 5 June 2017. |
分析“6·5”飑线过程环流形势表明(图 3b)，6月5日08时，500 hPa从内蒙古西部到云南西部有低槽(径向度达到16个纬度)发展，湖南处于高空槽前；700 hPa切变线位于重庆至云南中部；850 hPa低涡切变位于湘北，925 hPa南北向切变线穿过湖南中部，低压倒槽由贵州伸至湘南(图略)；700 hPa低空急流强盛，湖南西南风速达16~20 m·s-1，850 hPa、925 hPa急流出口区(风速大于等于12 m·s-1)分别位于湖北东部和湖南中部(表 1、图 3b)；地面湘中偏南一带有明显的地面辐合线。可见，强对流发生前低空急流强盛，低涡、地面倒槽强烈发展，在地面辐合线触发下造成区域性雷暴大风，并伴有短时强降水和局地龙卷。
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表 1 2017年5月11日08时、6月5日08时湖南不同层次干湿状况与急流强度比较 Table 1 Comparison of dry/wet condition and jet stream intensity at the ifferent levels in Hunan at 08:00 BT 11 May and 08:00 BT 5 June 2017. |
上述分析表明，两次飑线过程的环流特征(表 1)都符合许爱华等[6]提出的低层暖平流强迫类，即湖南处于500 hPa高空槽前，湿层扩展到700 hPa，且低层强烈发展的暖湿平流对热力不稳定的建立起主导作用，在地面辐合线的触发下导致飑线。
两次过程天气系统配置存在以下差异: (1)“ 5 · 11”飑线过程副高位置呈带状，副高脊线伸至广东—福建一带，高空槽位置偏北、偏西，而“6 ·5”飑线过程副高退居海上且呈块状，高空槽位置较前者偏南，经向度更大；(2) “5 · 11”飑线过程中层有明显干冷空气侵入，致使其与底层的垂直温度递减率更大；(3“) 6 · 5”飑线过程700 hPa低空急流较“5 ·11”飑线过程更强，更有利于水汽、能量输送；(4“) 6 · 5”飑线过程地面有倒槽发展，前一过程则无。
由于“5·11”飑线过程500 hPa冷平流较明显而“6·5”飑线过程倒槽发展过程中温度脊线有所北推，依据蔡荣辉等[7]对低层暖平流强迫类的细分，前者属于强冷暖平流强迫类，后者属于强暖平流强迫类。
2.2 探空曲线对比为了直观分析局地大气的垂直结构与特征，根据探空资料分析遵循的时空临近原则，分别选取5月11日08时怀化探空站(当日15:20、15:10，距该站33 km的芷江站出现雷暴大风)和6月5日08时郴州探空站(14:15，距该站93 km的常宁站出现雷暴大风)资料(图 4)对上述两次过程的大气层结状况进行分析。
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图 4 2017年5月11日08时怀化站(a)与6月5日08时郴州站(b)探空图T-lnp Fig. 4 T-lnp charts at (a) Huaihua station at 08:00 BT 11 May and (b) Chenzhou station at 08:00 BT 5 June 2017. |
图 4显示，两次过程0—6 km、0—2 km高度均存在一定的垂直风切变，但不同于斜压锋生类、高空冷平流强迫类强对流天气以风向切变为主的垂直风切变，而是表现为典型的以风速切变为主的低层暖平流强迫类强对流的垂直风切变。虽然两次过程大气层结都呈现上干下湿的不稳定状态，但“5·11”飑线过程怀化站因有明显干空气侵入，其“喇叭口”特征更明显。分析两次过程各稳定度参数(表 2)可知，“5·11”飑线过程因中层偏干，K指数比“6·5”飑线过程小，更有利于出现较大范围的雷暴大风。“6·5”飑线过程自由对流高度(LFC)为829.9 hPa，明显比“5·11”飑线过程(525.8 hPa)的低，LFC越低，表明低层水汽含量越大、低层上升运动越强，因此对应的水汽辐合也越强，也越有利于强对流性降水发生；0 ℃度层高度(图 4中黑色横线所示)，后一过程要比前一过程高，表明该过程暖云层更厚，更有利于大雨滴增长，这是“6.05”飑线过程小时雨强(≥50 mm ·h-1)大于前一过程的原因之一。
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表 2 2017年5月11日08时怀化和6月5日08郴州探空站稳定度参数(其中CAPE值订正到14时) Table 2 Stability parameters from Huaihua sounding station at 08:00 BT 11 May and Chenzhou sounding station at 08:00 BT 5 June 2017, CAPE value is revised to 14:00 BT. |
表 2显示，“5·11”飑线过程和“6·5”飑线过程0 ℃层高度都超过了4.0 km，此高度不利于冰雹发生，但实况前一过程有国家站观测到小冰雹。究其原因，前一过程0 ℃层附近存在明显干层(图 4a)，导致冰雹云实际融化高度(3.6 km)即湿球温度0 ℃层高度低于0 ℃高度(4.7 km)，冰雹在下降过程中融化几率大大减小[10]，有利于冰雹在中层碰并增长，但又因该过程边界层暖湿气流非常强盛(850 hPa为14 m·s-1，925 hPa为12 m·s-1)，故虽有降雹发生但局地仍以小冰雹为主；而“6·5”飑线过程由于0 ℃层附近干层不明显(图 4b)，湿球温度0 ℃层高度为4.3 km，且随着白天低层暖湿气流发展使得融化层增厚，更不利冰雹在高空生成后碰并增长降落到地面。
2.3 环境场物理量特征对比分析因上述两次过程均是在当天14时由线状对流单体初始化组织发展成飑线的，故用两次过程当天14时的相关资料对其发生的水汽、热力、动力条件进行对比分析。
2.3.1 水汽条件对比强对流系统的发展与维持，必须有充分的水汽供应。从850 hPa风场和比湿分布图上可见(图 5)，两次过程所需的水汽都是由西南风源源不断地输送到湖南上空，湖南境内西南气流最强达到20 m·s-1或以上，850 hPa比湿超过12 g · kg-1，相比“5 · 11”飑线过程，“6 · 5”飑线过程水汽条件(图 5b)明显更为有利，湘南各地比湿大于14 g·kg-1、局地甚至超过16 g·kg-1。两次过程水汽条件呈现的差异与副高位置有一定关系:前一过程副高呈东西带状分布，其西伸脊点到达102°E以西，在一定程度上阻挡了水汽向湖南输送，而“6·5”飑线过程副高西伸脊位于102°E左右，更有利于水汽从海上输送至湖南。
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图 5 2017年5月11日14时(a)与6月5日14时(b) 850 hPa比湿(阴影，单位: g ·kg-1)和风场(箭矢，单位: m ·s-1)叠加图(蓝色实线为588 dagpm等高线) Fig. 5 Superposition of specific humidity (shaded, unit: g·kg-1) and wind field (arrow, unit: m·s-1) at 850 hPa at (a) 14:00 BT 11 May and (b) 14:00 BT 5 June 2017. Blue solid lines denote 588 dagpm contours. |
不稳定能量的聚集和释放贯穿于强对流天气的整个过程，也是决定强对流天气发展与维持的关键因子之一。从两次过程当天14时对流有效位能(CAPE)和下沉对流有效位能(DCAPE)分布看，“5·11”飑线过程湖南全省CAPE达到1 000 J.kg-1或以上(图 6a1)，而“6·5”飑线过程CAPE≥1 000 J.kg-1的大值区则位于湘中以南(图 6b1)；对流层中层环境大气越干冷，则产生强下沉气流的潜势越大，“5.11”飑线过程湖南大部分地区DCAPE达到400 J.kg-1或以上(图 6a1)，而“6·5”飑线过程DCAPE≥400J·kg-1的大值区则位于湘中以南(图 6b1)。可见，“5.11”飑线过程比“6.05”飑线过程更有利于出现大范围雷暴大风。
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图 6 2017年5月11日14时(a1, a2)与6月5日14时(b1, b2)对流有效位能(CAPE，阴影，单位: g ·kg-1)与下沉对流有效位能(DCAPE，等值线，单位: g ·kg-1)分布(a1, b1)以及K指数(K，阴影，单位:℃)与沙氏指数(SI，等值线，单位: ℃)分布(a2, b2)。图b2中，黑色实线框为强对流指数叠加区，绿色虚线区为SI梯度大值区 Fig. 6 Distribution of (a1, b1) convective available potential energy (shaded, unit: g·kg-1) and downdraft convective available potential energy (contours, unit: g ·kg-1) and (a2, b2) K index (shaded, unit: ℃) and Sa's index (SI, contours, unit:℃) at (a1, a2) 14:00 BT 11 May and (b1, b2) 14:00 BT 5 June 2017. In (b2), black solid line rectangle denotes the superposition area of severe convection indices, and the area formed by green dashed lines denotes the area of big values of SI gradient. |
K指数(K)分布显示，两次过程基本达到湖南对流天气发生的K值条件(≥32 ℃)，“5·11”飑线过程因中层有干冷平流侵入，导致K值略偏小(图 6a2)，而“6·5”飑线过程因地面倒槽加强，底层暖平流更强，K值在湘中以南达到36 ℃以上，甚至出现成片大于40 ℃的K值区域(图 6b2黑框所示)。另外，沙氏指数(SI)分布显示，前一过程湖南全省大部地区SI都小于-2 ℃(图 6a2)，而后一过程除湘西北外，大部地区SI都小于0 ℃(图 6b2)，且存在明显的梯度大值区(图 6b2中绿色虚线区)，这也正是龙卷发生的区域。
从K、SI、CAPE、DCAPE四个热力指数的配置关系看，“6·5”飑线过程比“5·11”飑线过程的热力条件更有利于局地强对流天气发生，尤其是6月5日14时湘中以南为上述四种指数大/小值中心的叠加区(图 6b2中黑框所示)，特别是CAPE≥2 200 J·kg-1、DCAPE≥ 500 J·kg-1、K≥40℃、SI≤-2 ℃所在区域与雷暴大风区域(图 1b)对应很好，这也可解释“6·5”飑线过程带来的强对流天气的极端性为什么会更强。
2.3.3 动力条件对比分析两次飑线天气过程当天14时散度场显示:其200 hPa散度场均大于0 (图略)；850 hPa散度场，“5 · 11”飑线过程除湘东南外湖南均处于辐合区(图 7a1)，后一过程湘中以南都处于辐合区(图 7b1)，与强对流发生区对应较好(图 1)。可见，两次过程都具有低层辐合、高层辐散的结构特征。5月11日14:06常德和6月5日14:23攸县分别出现雷暴大风，从两站14时涡度纬向剖面图上可见，常德站(图 7a2)近地层为正涡度，900— 600 hPa为负涡度，500 hPa存在一向东倾斜的正涡度中心(2.0×10-5 s-1)，其上则为负涡度；攸县站(图 7b2)，900 hPa以下为正涡度，之上为负涡度。从上述两站垂直速度时间演变图上看到:常德站(图 7a3)14时为整层的上升运动，-1.0 Pa·s-1的强上升运动中心位于850 hPa；攸县站(图 7b3)14时也为整层的上升运动，-1.6 Pa·s-1的强上升运动中心位于700 hPa。综合以上分析表明，两次飑线过程都是发生在低层辐合与正涡度、高层辐散与负涡度以及整层上升运动的环境条件下，相比而言，“6·5”飑线过程上升运动要强于“5·11”飑线过程。
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图 7 2017年的5月11日14时(a1)与6月5日14时(b1) 850 hPa散度场(三角形分别为常德、攸县站)，5月11日14时过常德站(a2)与6月5日14时过攸县站(b2)的涡度纬向剖面图，以及5月11日02—20时常德站(a3)与6月5日02—20时攸县站(b3)垂直速度时间-高度垂直剖面图(单位:散度、涡度为10-5 s-1，垂直速度为Pa·s-1) Fig. 7 Divergence fields at 850 hPa at (a1) 14:00 BT 11 May and (b1) 14:00 BT 5 June in 2017, and triangles in (a1) and (b1) mark Changde and Youxian stations, respectively. Zonal cross section of vorticity (a2) across Changde station at 14:00 BT on 11 May and (b2) across Youxian station at 14:00 BT 5 June in 2017. Height-time cross section of vertical velocity (a3) at Changde station from 02:00 BT to 20:00 BT 11 May and (b3) at Youxian station from 02:00 BT to 20:00 BT 5 June 2017. Units for divergence and vorticity are 10-5 s-1, and for vertical velocity is Pa·s-1. |
上述两次飑线过程均发生在低层暖平流强迫背景下，其天气系统配置类似，除“6·5”飑线过程宁远、郴州的雷暴大风(图 1圆圈所示)是由强风暴单体产生外，其余雷暴大风均由飑线过境产生，本文结合飑线定义，通过对其回波演变的分析，探讨其中小尺度特征的差异。
由“5·11”飑线过程回波强度大于45 dBz的组合反射率因子演变(图 8a)可知，该过程有三组(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)飑线(见图 8a中紫色边、蓝色边、黄色边强回波单体)先后发展并扫过湖南。这三组飑线初生之后，其南部不断有强盛西南暖湿气流输送(图 3a)，飑线回波后侧不断地有新生单体并入，三组飑线回波整体上都是向东向南移动。对其具体演变特征(图 8a)分析如下:第Ⅰ组飑线5月11日14:00在怀化北部到常德一带得到组织化发展，其东移南压过程中给益阳带来小冰雹，15:00飑线最大水平尺度达231 km，该组飑线平均移速为39.7 km·h-1左右；第Ⅱ组飑线当天15:00在怀化中部地区生成，之后扫过湘中地区，该组飑线平均移速为34.0 km·h-1；第Ⅲ组飑线也是当天15:00左右在怀化东部生成，此后1 h其东移南下过程中强度略有减弱，并断裂为强度为45 dBz的多单体风暴，16:00以后其弓状特征更为明显，给邵阳、永州造成多站次的雷暴大风天气，该组飑线平均移速达86.0 km·h-1。上述三组飑线演变过程显示，其初生均在怀化地区，移动方向同为东移南压，从其在湖南境内生成到移出湖南境内，时间超过6.5 h，其移出湖南后还影响了江西西部地区。
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图 8 2017年5月11日15:00—20:00 (a)与6月5日08:00—16:00 (b)强度大于45 dBz的SWAN拼图组合反射率因子演变 Fig. 8 Evolutions of composite reflectivity factor with intensity over 45 dBz from SWAN radar mosaic from (a) 15:00 BT to 20:00 BT on 11 May and (b) 08:00 BT to 16:00 BT on 5 June 2017. |
由“6·5”飑线过程回波强度大于45 dBz的组合反射率因子演变(图 8b)可知，该过程有两组(Ⅰ、Ⅱ)飑线(见图 8b中紫边、蓝边强回波单体)先后发展并扫过湖南。对其具体演变特征(图 8b)分析如下:第Ⅰ组飑线于6月5日08:00在怀化东部得到组织化发展，其最强反射率因子(不超过45 dBz)相对偏低，其逐渐东移影响邵阳，进入邵阳后移速有所加快；11:00其在扫过邵阳地区的过程中发生断裂，由于西南气流旺盛，飑线南部不断有新的雷暴单体生成后与之合并而使之再次强烈发展，飑线内部明显可见弓状回波生成，反射率因子最大达60 dBz，并伴有低于1 km的中气旋，11:40飑线给邵阳东部带来局地龙卷(图略)；此后飑线继续东移北上，14:00在湖南东部断裂并逐渐衰亡，该组飑线平均移速为28.0 km·h-1。第Ⅱ组飑线当天13:00在永州北部生成，向东略偏北移动；15:00后飑线断裂成南北两段，其南段在东移北上过程中又有新的回波单体生成；16:00其移到株洲南部和郴州北部，该组飑线平均移速为56.0 km·h-1。上述两组飑线演变过程显示，从其在湖南境内生成到移出湖南，时间超过8.0 h，其移出湖南后继续影响江西中西部。
上述两次低层暖平流强迫类飑线过程期间，由于西南气流旺盛，导致飑线回波南侧不断有强回波单体新生。总体而言，前一过程飑线以东移南压为主，后一过程以东移缓慢北上为主。前后两次过程飑线移动方向不同, 关键在于两次过程冷暖平流存在差异(图 3、表 2):“5·11”飑线过程，对流触发后随中低层冷平流加强，中低层切变线东移南压，飑线随之南压并向东南方向移动；“6·5”飑线过程，对流触发后中低层偏南气流持续加强，低涡切变在湘北维持，飑线沿低涡向东伸展出的西南—东北向切变线移动，促使其向东偏北方向移动。
3.2 风廓线产品(VWP)资料对比分析VWP产品是多个连续体扫描的水平风垂直廓线，其反演的水平风可较好地代表距离雷达站60 km范围内的环境风场[15]。长沙雷达站60 km范围内，长沙、株洲、湘潭在“5·11”飑线过程、攸县在“6·5”飑线过程出现了雷暴大风，因此选取长沙雷达站VWP产品分析飑线过境时段的环境风场。
受“5·11”飑线过程影响，长沙、湘潭、株洲在5月11日16:41—17:14先后出现四个时次18~20 m·s-1雷暴大风。分析对应的VWP图演变(图 9a)可知: 15:55前，底层到高层均受西南风控制，此后0.9 km高度有偏北风侵入(图 9a中红色方框所示)，浅薄冷空气从边界层内南下侵入时并未改变边界层上部的暖湿环境，而是触发了对流，并加剧强风暴发展，有利于边界层水汽输送[11]；此后偏北风从底层向上扩展，冷暖空气交汇明显加剧，长沙境内16:37可见明显中气旋发展(图略)，导致长沙、株洲、湘潭等地雷暴大风；17:42偏北风扩展到3.0 km高度，飑线东移南压到江西与湖南交界地区，长沙、株洲、湘潭已转为受飑线后部混合性降水回波影响。
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图 9 2017年5月11日15:44—16:43 (a1)、16:43—17:42 (a2)与6月5日10:37—11:36 (b1)、13:04—14:03 (b2)长沙雷达垂直风廓线产品(VWP) 图a1中红色方框所示为底层有偏北风侵入，图b2中紫色方框内西南风速达20 m·s-1 Fig. 9 Vertical wind profile product (VWP) from Changsha radar from (a1) 15:44 BT to 16:43 BT and (a2) 16:43 BT to17:42 BT 11 May, (b1) 10:37 BT to11:36 BT and (b2) 13:04 BT to14:03 BT 5 June 2017. In (a1) red dashed line rectangle marks the intrusion of northerly wind in the bottom layer, and in (b2) purple dashed line rectangle marks where wind speed is above 20 m·s-1. |
受飑线过境影响，“6·5”飑线过程攸县先后出现2个时次雷暴大风，即6月5日14:18 (18 m·s-1z)与14:23 (21 m·s-1)。分析对应的VWP图演变(图 9b)可知:当天10:00底层到高层(0.9—12 km)均为强西南风控制，大部分时段西南风速大于等于12 m·s-1 (图略)；13:28西南气流进一步加强，3 km高度以上甚至超过20 m·s-1 (图 9b2紫色方框所示)。此阶段边界层并无弱冷空气侵入，强西南急流上风速脉动可能是导致攸县雷暴大风的重要触发条件，这与前人给出的雷暴大风易发生在低空急流风速脉动加强(即风速突然增大)时段的结论[12]一致。
通过VWP产品对比两次飑线过程的环境风场看出，“6·5”飑线过程西南风整体强于“5·11”飑线过程；虽然两次过程都属于低层暖平流强迫类，但后一过程强暖平流特征更明显(部分时段西南风超过20 m·s-1)，而前一过程西南风相对偏弱(12~16 m·s-1)，且低层有浅薄冷空气侵入。
3.3 两次过程的中气旋对比分析持续3个体扫以上的中气旋对风暴与冰雹、雷雨大风、短时强降水等强对流天气具有很好的指示作用[13]。考虑雷达难以探测到距其较近或较远的中气旋，本文综合怀化、邵阳、长沙、永州的4部雷达对“5·11”飑线过程以及邵阳、长沙、永州的3部雷达对“6·5”飑线过程中的中气旋进行对比分析，结合反射率因子产品进行人工主观判断，排除其“误警率”。统计结果表明:前一过程共出现7个中气旋(持续时间超过3个体扫)，其中5月11日17:31不到25 km范围内可见3个中气旋集中发展(图 10a紫色方框所示)，强对流发展旺盛，而后一过程仅出现1个中气旋(S0)，其持续时间达到3个体扫(图 10b)；前一过程中气旋(L7)持续时间最长达1.5 h (16:37—18:12)，而后一过程中气旋持续时间仅18 min。
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图 10 2017年5月11日17:31长沙雷达(a)与6月5日10:06邵阳雷达(b)组合反射率因子图 (黄色圆圈表示中气旋；图a中紫色方框表示3个中气旋集中发展所在区域) Fig. 10 Composite reflectivity factors from (a) Shangsha radar at 17:31 BT 11 May and (b) Shaoyang radar at 10:06 BT 5 June 2017. Yellow circles denote mesocyclones, and purple rectangle in (a) denotes the area where the three mesocyclones is concentrated. |
考虑湖南冷水滩站在“5·11”飑线过程(5月11日19:53风速为19 m·s-1)和“6·5”飑线过程(6月5日12:57风速为17 m·s-1)均出现雷暴大风，选择该站对与雷暴大风密切相关的垂直积分液态水含量(VIL)、移动速度(MV)进行分析。结果表明(图 11):前一过程冷水滩雷暴大风产生前MV持续增加(从12 m·s-1增至16 m·s-1)，在扫过冷水滩后高的MV维持且继续加大，给下游地区带来大风(如祁阳站出现9级大风)；“6·5”飑线过程冷水滩出现灾害性大风前30 min，MV已达到16 m·s-1，风暴单体扫过冷水滩后，MV减到13 m·s-1，因此预报员密切监测风暴移动和发展对其临近预警具有参考价值。
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图 11 2017年5月11日19:22—20:16 (a)、6月5日12:23—13:17(b)垂直积分液态水含量(VIL，实线)与移动速度(MV，虚线)变化 Fig. 11 Variation of vertically integrated liquid water content (VIL, solid line) and moving velocity (MV, dashed line) from (a) 19:22 BT to 20:16 BT 11 May, and (b) 12:23 BT to13:17 BT 5 June 2017. |
风暴的VIL值与其到雷达站的距离有关，特别是当风暴离雷达很近或很远时，受雷达扫描仰角限制，风暴VIL值会明显偏低[14]。由于冷水滩(距离雷达中心仅18.6 km)处于永州雷达静锥区内，且冷水滩受永州雷达站北面山体的阻挡，导致风暴的VIL值被低估(≤ 20 kg·m-2)，该VIL值与湖南本地专家研究雷暴大风个例(发生在非永州区域)得到VIL值[15-16]相比明显偏低。上述两次飑线大风产生前即5月11日19:53和6月5日12:57，VIL值均出现快速下降(图 11)。1个体扫内，前一过程VIL由19:40的11 kg·m-2下降到19:46的5 kg·m-2，后一过程由12:47的18 kg·m-2下降到12:53的14 kg·m-2。这与文献[17]统计得到的“快速降低的VIL值预示着强风开始”的结果是吻合的。
一般来说，对流云云顶高度与上升气流强度有关，云内上升气流越强，对流发展越旺盛，VIL值越大[18]。因“6·5”飑线过程的暖湿条件更有利，上升气流更明显，相比而言，其对应的VIL值高于“5·11”飑线过程。
3.5 预警难度对比分析两次过程虽然同属低层暖平流强迫类，但其预警难度不同。“5·11”飑线过程为强冷暖平流类，伴有多个时次的中气旋，且对流增强阶段有多个中气旋集中发展(图 10a)、维持时间长，较易引起预报员关注。“6·5”飑线过程，仅伴随1个中气旋发展(超过3个体扫)，且维持时间短，特别是对邵东龙卷雷达产品未能自动识别出中气旋和龙卷涡旋特征(TVS)，因此预警难度明显大于“5·11”飑线过程。
对于“5·11”飑线过程，在有利强对流潜势背景下，关注VWP演变，有助于提前发布预警:低层偏北风侵入使对流加强，导致长沙、株洲、湘潭大风，提前量达到30 min及以上。此外，从对应雷达径向速度图也分析出(图略)第一个距离圈内(1.2 km高度)负速度面积明显大于正速度面积，强辐合有利于飑线系统东移南压到达下游地区后强度维持甚至增大。因此实时短临预警业务中，加强风场有利特征分析，可对下游地区大风提前作出预报预警。
对于“6·5”飑线过程，由于VWP图显示各高度层均为西南风，雷暴大风发生在低空急流风速脉动加强(即风速突然增大)时段，短临预报人员只能在识别出飑线特征后根据“强暖平流强迫类”其东移逐渐北上为主的特征进行预警，因此相对“5·11”飑线过程其预警难度增大。
4 结论与讨论本文利用多种资料，从天气实况、环境条件、雷达回波特征、预警难度等方面，对2017年发生在低层暖平流强迫背景下的湖南两次飑线过程进行了对比分析，主要得出以下结论：
(1) 两次过程均发生在低层暖平流强迫背景下，“5 · 11”飑线过程属于该类中强冷暖平流强迫类“，6·5”飑线过程属于强暖平流强迫类。前一过程冷平流较明显，后一过程暖湿气流更强盛。副高位置不同导致两次过程水汽条件存在一定差异，后一过程水汽条件更好。
(2) 探空曲线分析结果表明“ : 5·11”飑线过程中层更干，0 ℃度层高度更低，有利于出现范围较大的雷暴大风和小冰雹；而“6·5”飑线过程自由对流高度(LFC)相对较低、低层湿度更大，则有利于导致更大强度的短时降水。
(3) 对比分析两次过程对流物理量环境参数表明: “5·11”飑线过程产生大范围雷暴大风的环境条件明显好于“6·5”飑线过程，但后一过程因地面倒槽发展，暖湿气流更强、低涡东移使得大气对流不稳定增大，特别是CAPE≥2 200 J·kg-1、DCAPE≥500 J·kg-1、K≥ 40 ℃、SI≤-2 ℃区域在湘中以南叠置，更有利于产生强的局地大风。
(4) 两次过程的预警难度不同。“5·11”飑线过程，对流增强阶段有多个中气旋集中发展且维持时间长，VWP产品低层有浅薄冷空气侵入，径向速度图上强辐合特征，均为雷暴大风提前预警提供了有效信息；而“6·5”飑线过程，仅出现1个中气旋且维持时间短，VWP图显示各高度层均为西南风，低空急流风速脉动加强。因此，相对“5·11”飑线过程，“6·5”飑线过程的预警难度更大。
需要指出的是，本文对低层暖平流强迫背景下产生的湖南两次飑线过程作了对比分析，但未涉及地形对强对流天气的影响，故得出的结论是否具有普适性，还需通过更多个例的对比研究加以验证。
国家气象中心黄小玉研究员对本文撰写给予了技术指导并提出宝贵意见，特此致谢。| [1] |
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