强对流天气过程往往因其具有突发性、尺度小和持续时间短等特点，一直以来是预报中的难点。自20世纪50年代开始，一些国家已经将雷达用于警戒强对流天气^[1]，随后雷达和雷达探测技术都得到了快速发展，在短时临近预报预警中得到广泛应用。但雷达只能识别出一定强度的云，很难反映出强对流发生的环境场特征。俞小鼎等^[2]指出只有对环境条件充分掌握的基础上，一旦雷达上出现强对流风暴特征，才有可能迅速、准确预警。强对流云的产生离不开一定的大气层结、触发因子和水汽等条件。郑媛媛等^[3]指出这些条件在不同的大尺度环流背景下各要素的重要性不尽相同，产生的强对流天气类型也不相同，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，可以有效提高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。

卫星资料具有高时空分辨率的特征，卫星云图上云和云系的轮廓、结构等属性是在一定的热力和动力作用下产生的，在一定程度上反映了大气的温湿状态和动力特征。而且在卫星图像上，云的结构形式、范围大小、边界形状、色调、暗影和纹理等特点提供了丰富的分析内容^[4]。特别是水汽通道图像，能很好地反映对流层高层的水汽和环流特征。水汽图像上连续发展变化的暗带或暗区，更是对流层中高层的动力特征变化的直接反映。因而，深入挖掘卫星资料所反映出的云和环境场特征，对于强对流的预报预警具有一定意义。本文试图对2005—2011年造成高影响的一些强对流天气过程进行分析，并进行分类，找出产生同类强对流天气的云系特征和环流背景。

由于卫星自身的寿命影响，对于2005—2009年的强对流个例使用了FY-2C气象卫星资料，2010—2011年个例使用了FY-2E气象卫星资料。主要包括水汽通道、红外通道和可见光通道资料，对于水汽通道，还使用其导风资料。另外，还使用了NCEP再分析资料和以其为初值和边界条件的WRF模拟数据以及地面常规观测等资料。对于强对流个例的选取，分为两种情况，对于每年造成特别大影响的一些强对流天气事件，按其云系特征和环流背景直接进行分类；另一部分个例则是通过对卫星资料的普查，找出明显具备上述分类特征的过程，再通过地面观测资料、《中国气象灾害年鉴》和媒体报道等方式进行核实，确认为强对流天气后再进行选取。

主锋面或切变线云带后部的冷气团内部型强对流天气一般出现在华北、黄淮、江淮地区。发生前的卫星图像特征一般是在东北地区或鄂霍次克海附近有涡旋状云系存在，对应于东北冷涡或东北气旋，在江南或华南地区有尺度较大的锋面或切变线云带，它的东端一般与东北地区存在的涡旋云系相连。将要发生强对流天气的华北、黄淮、江淮地区处于这条锋面或切变线云带的后部，在卫星图像上表现为云带后部的晴空区内。这类强对流天气突发性强，持续时间相对较短，过程降水量一般不大，但往往带来冰雹、大风或龙卷等自然灾害。其典型个例详见表 1。

表 1

表 1 冷气团内部型强对流天气个例 Table 1 Cases of the severe convective storms within the cold air mass 日期 地点 主要灾害 2005-04-20 江苏、安徽 冰雹、龙卷 2005-04-25 山东、江苏 冰雹、龙卷 2006-07-05 河北、山东 大风、冰雹 2009-06-03 山西、河南 大风、雷电 2009-06-14 河南、安徽、江苏 大风、雷电、冰雹

表 1 冷气团内部型强对流天气个例 Table 1 Cases of the severe convective storms within the cold air mass

这类强对流天气发生前的大气环流特点：主槽已经移过将要发生强对流的区域，槽后受冷气团或变性的冷气团所控制，其高空气流一般为西北气流或偏西气流，水汽条件一般不是很好，强对流发生前几小时天气一般晴好。这种形势类似于郑媛媛等^[3]提出的冷涡槽后类，主要造成雷雨大风和冰雹天气。徐为进等^[5]指出由于这类强对流发生前一般受西北气流的控制，数值预报产品对其预报能力较差，一般很难报出。

以2009年6月3日发生在河北和河南的强对流天气为例，简要分析这类系统的环流背景和大气层结特征。这次强对流天气过程的主要影响区域是河南北部，造成22人死亡。图 1a是6月3日08：00 (北京时，下同) 500 hPa位势高度场和风场的叠合图，亚欧中高纬度为两槽一脊型，东北地区存在一个尺度较大的东北冷涡，在蒙古国中西部、我国新疆东部一带是一个大尺度的高压脊，在高压脊的前部河套一带有一个尺度较小的短波槽嵌在高压脊上，并沿高压脊前西北气流下滑。将要发生强对流天气的山西、河南等地位于这个短波槽的下游，高空受西北气流控制。至11：00，在山西中部开始有对流单体发展 (图 1b)，在对流单体的后面是一个位涡大值区，它与水汽图像的暗区对应。因而对流单体的初生可能与短波槽前的上升气流、高层的高位涡平流所引起的次级环流以及边界层辐合线 (地面分析图略) 有关。图 1c是沿图 1b中所示剖线所做的位温和相对湿度剖面图。在将要发生强对流天气的113°~116°E区域内，800 hPa以下位温较高，相对湿度较低，表明低层的大气状态暖而干。700 hPa以上，其位温较低，是一个相对冷区。温度分布具有上冷下暖的有利于强对流天气发生的大气层结。但从相对湿度来看，这一区域的相对湿度不高，水汽条件不利。在这种温湿配置下，动力抬升作用则成为强对流触发的关键因子。从11:00的可见光图像 (图 1d) 也可以看到，山西南部、河南北部十分晴朗，而山西中部有一些对流云团排列成线状。连续时次的卫星图像 (图略) 表明正是由于山西中部的对流云团的不断发展合并，形成飑线，移入到这样有利的大气层结环境中才出现了这种灾害性的强对流天气。

图 1

图 1. 2009年6月3日个例分析资料 (a) 08：00 500 hPa位势高度场 (单位：dagpm) 和风场，(b) FY-2C气象卫星11：00水汽图像和300 hPa位涡 (单位：PVU)，(c) 11:00沿图 1b中剖线的位温 (实线，单位：K) 和相对湿度 (阴影区，单位：%)，(d) FY-2C气象卫星11：00可见光图像 Fig 1. Analysis figures of case on 3 June 2009 (a) geopotential height field (unit:dagpm) and wind vectors at 500 hPa at 0800 BT, (b) water vapor image of FY-2C and 300 hPa potential vorticity (unit:PVU) at 1100 BT, (c) potential temperature (solid lines, unit: K) and relative humidity (shaded area, unit:%) alone the line in Fig. 1b, (d) visible image of FY-2C at 1100 BT

对于这类强对流天气的短时临近预报预警，因其初始发生地一般不是影响最严重的区域，而是在它的下游，也就是当它沿西北气流移动到更为有利的大气层结处时，发展最为强烈。分析其上游的短波槽和下游的大气层结状态，并利用连续时次的卫星云图进行云团的追踪和外推应该是短时临近预报中一种可行的方法。

这类强对流天气较为常见，在我国西北地区的中东部、华北、黄淮、内蒙古中东部、东北均可能出现，一般发生在西风槽或冷涡的天气背景下。这类强对流发生前，在卫星图像上表现为有明显的锋面云带活动，其东北部可能与冷涡或气旋相联系，天气背景一般是高空有槽过境，地面有锋面或辐合线配合。将要发生强对流的区域位于高空槽的底部，即云带的尾部。西风槽或冷涡云系尾部型强对流天气的典型个例详见表 2。以2007年7月18日济南出现特大暴雨的天气过程为例，分析这类强对流天气发生前的卫星图像特征、天气背景以及大气层结。

表 2

表 2 西风槽或冷涡云系尾部型强对流天气个例 Table 2 Cases of the severe convective storms at the rear of westerly trough or cold vortex cloud systems 日期 地点 主要灾害 2005-06-14 辽宁、山东、江苏 雷暴 2007-07-18 山东、河南 短时强降水 2009-06-05 山东、江苏、安徽 大风、雷电、冰雹 2010-08-07 甘肃、陕西 短时强降水 2010-08-08—09 山东、河北、山西、陕西 雷暴

表 2 西风槽或冷涡云系尾部型强对流天气个例 Table 2 Cases of the severe convective storms at the rear of westerly trough or cold vortex cloud systems

图 2a为2007年7月18日08：00的水汽图像，可以看到, 从黑龙江东部至河北中部有一条锋面云带，这条云带的主体由中高云组成，在河北中部、天津有一个结构密实的强对流云团发展，位于这条云带的尾部。在这个强对流云团的西侧，也就是河北西部和山西中部有一条暗带，这条暗带逐渐东移南压，表明在对流层的中高层有干冷空气的侵入。至14：00，这条暗带已经移到山东西部、河南北部一带，同时在这条暗带的后面 (山西南部、河北南部、山东北部) 开始有对流云团发展。这种暗带移过以后在暗区内发展起对流云团的现象一般表明地面触发系统 (锋面、边界层辐合线等) 落后于高空系统，表现出前倾结构。

图 2

图 2. 2007年7月18日FY-2C气象卫星水汽图像 (a) 08：00，(b) 14：00 Fig 2. Water vapor image of FY-2C on 18 July 2007 (a) 0800 BT, (b) 1400 BT

刘会荣等^[6]对这次大暴雨过程中干冷空气的影响进行了详细分析，指出这次干侵入有两种表现形式，即对流层顶附近向下的干空气侵入和对流层低层由北向南的干空气侵入。高空的干侵入有利于对流有效位能在中高层的产生、积聚和释放，产生不稳定的大气层结。低层的干侵入则更可能为一种触发机制，伴随着地面冷锋触发了强对流的产生，在这次暴雨过程中起到了至关重要的作用。

文献[7-8]给出的三维锋面气旋模型包含了锋面气旋冷输送带、暖输送带和干气流3条输送带。干气流来自对流层的中高层，在下沉的过程分为两支，其中呈反气旋式弯曲的一支下沉气流前部，即冷锋的尾部是这类强对流高发区，在这个区域对流层低层冷暖空气形成的风向切变比较明显。图 3为2007年7月18日14：00 500 hPa位势高度场和700 hPa风场叠合图，在东北地区北部和俄罗斯交界的地方有一个切断低涡，从这个低涡中心往西偏南方向至蒙古国东部是一个横槽，从辽宁北部至山西南部也有一低压槽^[9]，济南处于这个低槽的槽底。700 hPa风场表明，来自蒙古国东部的西北气流在内蒙古中部、山西、河北一带呈扇形展开，与文献[7-8]中的概念模型相符。

图 3

图 3. 2007年7月18日14:00 500 hPa位势高度场 (单位：dagpm) 和700 hPa风场 Fig 3. 500 hPa geopotential height field (unit:dagpm) and 700 hPa wind field at 1400 BT 18 July 2007

由于这类强对流一般出现在西风槽或冷涡云系的尾部，对云系尾部区域的大气层结状态、低层锋面或辐合线的仔细分析，并结合卫星图像上的云系特征，特别是水汽图像上干带的发展变化，对于这类强对流天气的短时临近预报预警能够提供一些帮助。

这类强对流一般出现在切变线或梅雨锋期间，主要影响江淮、江汉、江南、华南等地。其主要特点是在上述地区存在一条梅雨锋或切变线云带，强对流一般嵌入云带之中或出现在云带的前部，由一些持续生消发展的中尺度对流系统组成，因而维持时间较长。在水汽图像上，云带的北部边界常比较清楚，与副热带急流相伴，云带的南部边界一般由丝缕状的卷云羽组成，从东北向西南方向延伸，表明高层有明显的辐散气流。

关于梅雨锋上中尺度对流系统的研究很多^[10-17]，总的来说，这类强对流天气发生前的大气环流特点是强对流出现区一般处于副热带高压的外围，从西北部有短波槽南下或从西部有短波槽东移。在对流层的低层，切变线云系北部有冷空气南下，云系南部有强盛的西南暖湿气流，带来丰富的水汽输送。在对流层的高层，位于南亚高压的东端一般有明显的辐散气流。不断发展的中尺度对流系统释放潜热和天气尺度的环流系统相互作用，形成正反馈，造成第二类条件性不稳定，有利于强对流的发展和维持，带来持续性的强降雨。其典型个例详见表 3。

表 3

表 3 梅雨锋或切变线云系上嵌入型强对流天气个例 Table 3 Cases of the severe convective storms imbedded in Meiyu front or shear line 日期 地点 主要灾害 2007-06-06—09 贵州、广东、广西 暴雨 2007-07-01—10 江淮、江南、江汉 暴雨、龙卷 2009-07-02—03 江南、华南 暴雨 2010-06-19—20 江南 暴雨 2010-07-05—06 江南 暴雨 2010-07-13—14 江南 暴雨

表 3 梅雨锋或切变线云系上嵌入型强对流天气个例 Table 3 Cases of the severe convective storms imbedded in Meiyu front or shear line

以2007年7月1—10日淮河流域出现持续性强降雨天气为例，简要分析这类强对流产生的云系特征和环流背景特征。其中7月3日和8日，是两次对流天气发展比较强烈的过程。在强对流发生时，在华北和黄淮一带有短波槽东移，副热带高压 (简称副高) 588 dagpm线位于华南东部，副高外围有强盛的西南暖湿气流从华南沿海一直延伸到江淮地区，其中7月3日的850 hPa最大风速达到20 m/s，7月8日的850 hPa最大风速达到12 m/s，与其北侧伴随短波槽所带来的冷空气在江淮、江汉一带交汇 (图 4a，4b)。FY-2C气象卫星水汽图像及其导风可以揭示对流层高层的环流形势特征^[18-20]。7月3日19：30 (图 4c)，强对流出现在湖北东部、安徽南部和江苏南部，位于整个切变线云系的前部，在切变线云系的北部，有色调比较黑的暗区，与槽后高空下沉气流相对应。从导风风场可以看到, 在切变线云系的北部边界比较整齐，与一支副热带急流相伴；切变线云系的南部边界由出流的卷云组成，呈丝缕状随东北气流向西南方向辐散。从导风风场还可以看到, 南亚高压东段高空脊的位置大概位于湖南北部至浙江中部一带，与切变线云系北部的副热带急流的距离很近，约为5个纬距。个例分析表明，当对流层高层副热带西风急流和南亚高压脊之间的距离靠的很近时，在它们之间易出现强对流天气。7月8日19：30的高空环流形势具有类似的特征，切变线云系北部同样有一支西风急流，急流和南亚高压高空脊也大概在同样的位置，只是切变线云系北部的暗区没有3日明显，因而其北部边界不如3日整齐。另外，暗区位置整体略微偏西，表明其对应的短波槽也略微偏西，强对流出现的位置也有所偏西。

图 4

图 4. 2007年7月3日和8日分析图 (a) 3日14：00 500 hPa位势高度场 (单位：dagpm) 和850 hPa风场，(b) 8日14：00 500 hPa位势高度场 (单位：dagpm) 和850 hPa风场，(c) 3日19：30水汽图像和云导风叠加图，(d) 8日19：30水汽图像及其导风叠加图 Fig 4. Analysis figures of 3 July 2007 and 8 July 2007 (a) 500 hPa geopotential height field (unit:dagpm) and 850 hPa wind vectors at 1400 BT 3 July 2007, (b) 500 hPa geopotential height field (unit:dagpm) and 850 hPa wind vectors at 1400 BT 8 July 2007, (c) water vepor image and cloud-derived wind at 1930 BT 3 July 2007, (d) water vapor image and cloud-derived wind at 1930 BT 8 July 2007

这类强对流天气主要发生在西南地区东部或华南西部，即四川、重庆、贵州或广西等地。夏季这一区域位于副热带高压的外围，受南亚季风的影响，经常具有比较有利的大气层结和水汽条件，强对流发生时往往出现暴雨洪涝从而引发灾害，其关键影响系统是从青藏高原东部移出的短波槽，在有利的大气层结和水汽条件下激发出强对流，引起强降雨。从青藏高原东部移出的短波槽往往较弱，同时海拔高度较高，探空资料比较稀少，给这类天气系统的分析带来了一定的困难。而在卫星图像上，这类强对流有明显的特征，表现为在青藏高原东部有高空槽云系移出，在水汽图像上云系或水汽带的后部有暗带或暗区存在，在云系上或水汽带的前部出现白亮的强对流云团。其典型个例详见表 4。

表 4

表 4 高原东移高空槽云系型强对流天气个例 Table 4 Cases of the severe convective storms of upper trough moving eastward from the Tibetan Plateau 日期 地点 主要灾害 2006-06-12—13 贵州望谟、广西 暴雨、山洪 2007-06-08—09 贵州、广西 暴雨、洪涝 2009-07-30—31 四川 暴雨 2009-08-28—29 四川、重庆 暴雨 2010-06-16—17 贵州、广西、湖南 暴雨、山洪 2011-06-05—06 贵州 暴雨、泥石流 2011-06-16—17 四川、重庆 暴雨

表 4 高原东移高空槽云系型强对流天气个例 Table 4 Cases of the severe convective storms of upper trough moving eastward from the Tibetan Plateau

陈栋等^[21-22]分析1981—2000年四川夏季暴雨大尺度环流背景特征指出，西伸的西太平洋副热带高压、北上东进的伊朗高压及青藏高原东部的弱高压、活跃的孟加拉湾低压和影响四川北部的中高纬长波分裂的低压槽共同作用形成了四川暴雨发生阶段的特殊的鞍型大尺度环流背景。刘开宇等^[23]利用卫星水汽图像和位势涡度场对2008年发生在贵州省的一次强对流天气进行分析，为强对流天气的预报提供了一种途径。

图 5分别给出2011年6月6日和17日两次强对流天气过程发展时期的水汽图像，其中2011年6月6日强对流天气出现在贵州和广西，17日强对流天气出现在四川和重庆，图像上标出了主要影响系统。由图 5可以看到，这两次强对流天气过程都出现在副高外围的西北侧，季风云系活跃。在这样有利的大尺度环流背景下，从青藏高原东部东移的短波槽对于强对流的发生发展起着重要的作用。其中2011年6月6日与青藏高原东移短波槽对应的水汽带后部的暗带较窄，对应的高空短波槽较弱。17日的东移高原槽云系后部的暗区范围较大，对应的高空短波槽较强，其后部有明显的冷空气活动。另外，这两次强对流天气均发生在与水汽暗边界有一定距离的云带或水汽带前部的暖区里。

图 5

图 5. 2011年6月6日00：00 (a) 及2011年6月17日00：00 (b) FY-2E气象卫星水汽图像 Fig 5. Water vapor image of FY-2E at 0000 BT 6 June 2011 (a) and at 0000 BT 17 June 2011 (b)

通过对2005—2011年造成高影响的一些强对流天气过程进行普查，按其在卫星图像上的云系特征和天气背景进行分类分析，归纳为以下4种类型：冷气团内部型、西风槽或冷涡云系尾部型、梅雨锋或切变线云系上嵌入型、高原东移高空槽云系型，它们的特点如下：

1) 冷气团内部型强对流一般发生在华北、黄淮、江淮地区，冰雹、大风或龙卷是其产生的主要灾害。发生前的卫星图像特征一般是在江南或华南地区有尺度较大的锋面或切变线云带。强对流天气将要发生区域位于这条锋面或切变线云带后部的晴空区内，高空为偏西或西北气流控制，其关键影响因子是向东南方向移动的对流云团或沿西北气流下滑的短波槽。

2) 西风槽或冷涡云系尾部型强对流在长江以北中东部大部分区域内均可出现，其造成的主要灾害为雷暴、冰雹、大风，当水汽条件较好时，也可以带来强降雨。将要发生强对流的区域位于西风槽或冷涡云系尾部，云带后部干气流的反气旋式侵入是其主要特征。虽然高低空都有明显的天气系统配置，但由于它处于云带的尾部，即高空槽的底部，相对来说比较隐蔽。

3) 梅雨锋或切变线云系上嵌入型强对流一般出现在江淮、江南或华南切变线或梅雨锋期间，主要灾害为暴雨。强对流云团由一些持续生消发展的中尺度对流系统组成，嵌入在梅雨锋或切变线云带中，维持时间较长。在水汽图像上，云带的北部边界常比较清楚，它与副热带急流相伴，云带的南部边界一般由丝缕状的出流卷云羽组成，在水汽导风图像上，强对流云团出现时云带北部的急流与高空的反气旋脊线距离较近。

4) 高原东移高空槽云系型强对流一般出现在西南地区东部和华南西部，其造成的主要灾害为暴雨及其引发的山洪或泥石流。它一般发生在副热带高压外围和季风云系活跃时的大尺度环流背景下，其关键影响系统是从青藏高原东部移出的短波槽云系，从水汽图像上可以看到它的后部常有暗区或暗带相伴。