一次弱垂直风切变环境下飑线发展维持的成因分析

屈梅芳，俞小鼎，农孟松，翟丽萍，赖珍权

(1.广西壮族自治区气象台，南宁 530022；2.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081)

引言

飑线是由许多雷暴单体组成的线型强对流云带，常带来大风、短时强降水、甚至冰雹等灾害(朱乾根等，2000)。近年来，国内外许多学者对飑线的形成机制、组织形式等进行了大量的研究。飑线在我国各地均有发生，且天气背景有很大的差别，可分为高空槽后型、高压后部型、高空槽前型和台风倒槽型，中低层的锋面、切变线和风场的不连续线以及干线等可以触发飑线的形成和发展(丁一汇等，1982)。RKW 理论从低层垂直风切变和冷池相互作用来解释了最有利于飑线发展的环境特征(Rotunno et al，1988)。我国的学者也对飑线的发展的环境条件(叶成志等，2013；崔强等，2016)、飑线的组织结构(吴海英等，2013；丁治英等，2017)、飑线的触发机制(罗建英等，2006)和维持机制(姚建群等，2005；袁子鹏等，2011；张宁等，2017)以及飑线的雷达回波特征(李淑玲等，2009；侯淑梅等，2018)等进行了研究。飑线带来的灾害以大风最为严重，飑线致灾大风的形成也是近年来研究的热点(支树林等，2015；竹利等，2018；张弛等，2019)。地面强冷池形成的冷池密度流是飑线大风产生的重要原因(刘香娥等，2012)。冷池合并会加大雷暴大风的强度(王秀明等，2012)。中层入流对地面大风形成有重要作用(梁建宇等，2012)。中低层中等到强的垂直风切变(梁俊平等，2015)及有利的大尺度背景和环境层结(农孟松等，2014；刘莲等，2015)对飑线的发展具有重要意义。

基于前人的研究可知，较强的垂直风切变对飑线发展和维持具有重要影响。但是对于弱垂直风切变环境下飑线发展维持原因的研究较少。本文利用多种观测资料着重对2018 年5 月27 日发生在广西的弱垂直风切变环境下飑线过程的环境条件、触发机制、维持特征进行细致分析，以期为此类飑线的预报提供一定的参考。

1 过程概况和天气背景

1.1 天气实况

2018年5月27日中午到傍晚，广西东南部出现大范围雷暴大风天气。此次过程主要受一条西北-东南走向的飑线影响，飑线于27日11时(北京时，下同)左右在南宁到玉林一带形成，随后向东北方向移动，17时左右减弱移出广西，共持续了6 h。统计表明，过程期间广西共有17个市县出现了8级以上大风天气(图1)，最大极大风速(22.2 m·s-1)出现在梧州岑溪地面观测站。

图1 2018年5月27日10∶00—18∶00广西8级以上大风实况Fig.1 Observations for gales equal to or greater than force 8 in Guangxi from 10∶00 BT to 18∶00 BT on 27 May 2018.

1.2 天气背景

分析常规高空观测资料可知，2018年27日500 hPa环流场欧亚中高纬维持稳定的两槽一脊形势，我国东北地区为冷涡控制，冷涡后部偏北风不断引导冷空气南下。西北太平洋副热带高压逐渐加强西伸，588 dagpm等高线控制广西东南部。08∶00(图2)广西西北部有短波槽影响。850 hPa 切变线位于湖南中部到广西北部，地面冷锋位于广西北部。此次影响广西东南部的飑线形成于锋前的暖气团中。

图2 2018年5月27日08∶00高空分析综合图Fig.2 Upper-level composite chart at 08∶00 BT on 27 May 2018.

在对流层中低层副热带高压西北侧空气通常比较暖湿(朱乾根等，2000)，此次过程中500 hPa 温度场上副热带高压西北侧存在一支由南向北伸展的冷舌，这支强冷舌给广西上空带来强的负变温，24 h变温最大达到-4 ℃，这与通常认为冷空气由北向南侵入是不同的，这支冷舌对广西上空不稳定层结的建立以及最终导致飑线形成的对流发展有着重要作用，对流层中层由南向北侵入的冷空气常常容易被忽略，造成强对流天气的漏报。通过追踪前一天500 hPa温度场变化(图略)可以看出，26日08∶00 500 hPa上广西为暖中心控制，暖中心强度达到-2 ℃，南海西部存在-7 ℃冷中心，到了27日08∶00，冷中心向北扩展，冷舌侵入广西，给广西带来明显的负变温，与低层850 hPa 暖脊共同作用，加大了温度直减率，广西南部850 hPa和500 hPa温差达到26 ℃以上，这种高空冷舌叠加低层暖脊的形式，建立了广西上空条件不稳定层结，为此次强对流天气发生发展提供了很好的不稳定层结条件。

综上所述，此次飑线过程发生在副热带高压西北侧的西南气流中，从南海向北侵入广西的冷舌与低层暖脊叠加，建立上冷下暖的不稳定层结，在适当环流背景下，27日下午对流在广西南部触发并最终组织形成飑线。

2 环境条件

为研究本次对流过程中飑线的形成原因，以下对广西东南部环境条件进行综合分析。

2.1 热力条件和湿度条件

从图3a中可以看出，27日08∶00 北海上空的对流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE)为3 300 J·kg-1，表明广西沿海具备非常高的不稳定能量，与此同时，北海站的抬升凝结高度(Lifting Condensation Level,LCL)仅为950 hPa，LCL 很低，这对导致飑线形成的初始对流的发生及加强十分有利。

图3 2018年5月27日08∶00北海(a)、梧州(b)和14∶00梧州(c)探空图Fig.3 T-Logp diagram at(a)Wuzhou,(b)Beihai at 08∶00 BT,and(c)Wuzhou at 14∶00 BT on 27 May 2018.

其次，分析飑线形成下游和飑线加强发展最强烈区域附近的梧州探空发现，27 日08：00(图3b)梧州站500 hPa 以下温湿廓线几乎重合，相对湿度很大。14∶00 (图3c)梧州探空的温湿廓线明显分离，对比08∶00 和14∶00 梧州上空各层的温度露点差(T-Td)(表1)发现，08∶00 500 hPa 以下各层T-Td基本为1 ℃，空气近饱和，14∶00 500 hPa以下T-Td明显加大，700 hPa以下都在5 ℃以上，最大的T-Td出现在近地面层1 000 hPa 附近达到了9 ℃，说明午后低层湿度下降，干层层结变厚，有利于降水粒子在下降过程中持续蒸发，对下沉气流负浮力维持和加强起到了非常重要的作用，特别是近地面温湿廓线形成倒“V”型，925 hPa到地面的温度廓线接近于干绝热线，对对流系统冷池的加强和雷暴大风的发生十分有利。以往没有下午14∶00 探空，通常会把08∶00 探空的层结条件当成14∶00 的层结条件，往往容易忽略层结变干对加强的冷池和雷暴大风形成的作用，导致雷暴大风预报失败。

表1 2018年5月27日梧州站08∶00和14∶00各层温度露点差(单位：℃)对比Table 1 Comparison of the difference between temperature and dew-point(unit：℃)at 08∶00 BT and 14∶00 BT on 27 May 2018 at Wuzhou.

2.2 垂直风切变条件

研究表明(梁俊平，2015)，在飑线组织发展过程中垂直风切变起着很重要的作用。27 日08：00 梧州站0—6 km 垂直风切变(以下简称“Wsr0-6”)为6 m·s-1，0—3 km 垂直风切变(以下简称“Wsr0-3”)为7 m·s-1，属于弱的垂直风切变，午后中层风速加大，14：00 梧州站Wsr0-6 为10 m·s-1，Wsr0-3为6 m·s-1，Wsr0-6较早上有所增大，而中低层Wsr0-3变化不明显，虽然下午广西东南部的深层垂直风切变条件是趋向于对飑线组织有利的方向发展的，但垂直风切变仍然属于较弱的水平。梧州雷达风廓线产品显示(图4)15∶00 以后随着500 hPa高空浅槽的东移，梧州处于槽前，西南气流明显加大，15∶30 Wsr0-3加大到10 m·s-1，低层垂直风切变达到中等强度，梧州附近垂直风切变条件的改善是后期飑线加强发展的重要原因。

图4 2018年5月27日16∶00梧州雷达反演风廓线Fig.4 Retrieved wind profile from Wuzhou radar at 16∶00 BT on 27 May 2018.

这次过程总体来说，强热力不稳定层结建立，同时环境具有较大的CAPE，为飑线形成和发展提供了有利的环境条件，但天气尺度系统强迫较弱，中低层风垂直切变小，动力条件并不利于回波的组织性发展形成飑线。但后期环境垂直风切变条件的改善对飑线的发展有利。那么在初始弱垂直风切变环境下，对流是如何组织发展成为飑线的？这将是本文要探讨的问题。

3 飑线的触发机制

具有明显对流有效位能的大气，要受到抬升触发后，才能形成深厚湿对流。27 日07∶00 广西南部沿海开始有对流形成，此时锋面位于广西北部，所以广西沿海对流的触发并不是锋面造成。分析地面风场发现，广西沿海由于特殊的海陆地形形成并维持的中尺度辐合线为飑线初始对流的发展提供了触发条件。27 日早晨(图5)，北部湾海面为偏南风，陆地为弱的偏北风或偏东风，形成一条中尺度辐合线。辐合线上有多处对流的发生，并沿着辐合线快速的加强发展，可见中尺度辐合线是此次飑线过程初始对流的触发机制，并对对流最初组织化的发展起到重要作用：对流单体相继沿着辐合线形成构成最初的线状对流结构。此外，在防城港附近辐合线北侧的偏北风比其他地方大，这使得辐合线辐合强度加强，造成防城港附近对流最早被触发，辐合线北侧偏北风的加大与防城港北部的十万大山夜间形成的山风有关。

图5 2018年5月27日07∶00地面风场和地形叠加图Fig.5 Surface wind field and topography at 07∶00 BT on 27 May 2018.

4 飑线形成与发展过程

此次飑线形成过程包括以下三个阶段：第一阶段为暖区飑线发展阶段，多个对流单体沿辐合线生成，逐渐合并成飑线。第二阶段飑线与冷锋云系相互作用阶段，飑线系统在逐渐东北移过程中与冷锋云系上的对流合并加强。第三阶段为飑线与其南侧对流合并加强阶段，飑线在东北移过程中与其南侧北上的对流合并，飑线发展达到最强盛阶段。

4.1 暖区飑线阶段

从组合反射率演变可看出，此次飑线以碎块型形式形成，即开始时在沿海辐合线上有多个分散对流单体生成，每个单体自分裂几次，沿着单体间的外流边界又有新对流发展，最后多个对流联结成一条飑线。27 日07∶00—08∶00 在广西沿海中尺度辐合线上防城港和北海附近分别有对流单体生成(图略)，并沿着辐合线加强发展，两个单体在移到钦州附近时各自分裂为南北两个单体，北部两个单体北移过程中又继续分裂，11∶00 左右(图略)多个单体之间排列成线状形成一条西北东南向的飑线。飑线形成之初，结构较为松散。飑线向东北方向移动，并不断与前侧对流单体合并，12∶00(图6a)飑线呈现出弓形回波的形态。

4.2 飑线与冷锋云系相互作用阶段

27 日13∶00(图6b)飑线中部出现断裂，其北段移动到武宣、桂平一带，此时冷锋正好位于武宣到金秀一线，冷锋上有多个对流单体发展。13∶30(图略)飑线北段与冷锋上对流单体开始合并，回波强度明显增强。14∶00(图略)回波形成东西向的线状，桂平、武宣多地出现8 级以上大风，这与回波增强有很好的对应。研究表明(俞小鼎等，2006)，如果飑线移近某些边界层辐合线(冷锋、干线、阵风锋、海风锋辐合线等)，则在飑线与边界层辐合线交汇处附近的风暴将强烈发展，并一直持续到飑线离开边界之时。本次过程中飑线北段强烈发展与冷锋关系密切，飑线北段因与冷锋交汇而持续强烈发展。

4.3 飑线与其南侧对流合并阶段

27 日15∶00(图6c)飑线再次减弱，线状形态已不明显，16∶00 (图6d)飑线前侧与其南侧北上的对流单体合并，飑线再次加强发展，此时飑线形态上具有前端的线状强对流回波区和后部的层状云降水回波区。16∶30(图略)飑线呈现出弓形回波形态，此时飑线发展到最强盛阶段，之后飑线在东北移过程中快速减弱消亡。

图6 2018年5月27日12∶00(a)、13∶00(b)、15∶00(c)、16∶00(d)SWAN 雷达组合反射率因子(单位：dBz)Fig.6 Doppler radar composite reflectivity of SWAN(color area，unit:dBz)at(a)12∶00 BT,(b)13∶00 BT,(c)15∶00 BT,and(d)16∶00 BT on 27 May 2018.

5 飑线维持机制

飑线从11∶00 开始形成，17∶00 减弱之后移出广西，共维持了6 h，飑线自组织性的形成，使其在弱垂直风切变条件下得以发展(张宁等，2017)。对流系统的自组织性在垂直风切变较强情况下形成的几率较高，而在弱垂直风切变环境下形成的几率较低，但仍有形成的可能(Rotunno et al.，1988)。

从飑线发展最强阶段，即飑线与南侧对流单体合并阶段的雷达回波显示，16∶00(图7a)在飑线前侧有多个对流单体新生发展，单体A 和单体B 的回波强度达到55 dBz，径向速度图上风暴主入流和主出流相互错开，使得系统维持时间较长，体现了飑线系统一定程度的自组织性。16∶30(图7b)飑线东移过程中与单体A 和单体B 合并，飑线强烈的发展并演变成弓形，反射率因子图上存在明显的后侧入流槽口，飑线出现断裂，相应的速度图上，弓形回波后侧形成明显的后侧入流急流，最大径向速度为12 m·s-1，从反射率因子图上可以判断后侧入流急流为西南风，与雷达径向近乎垂直，所以真实的后侧入流急流应该远大于12 m·s-1，这表明弓形回波后侧存在强的后侧入流急流。已有的研究发现(何宽科，2012)，在回波即将合并到完全合并之时天气最为激烈。本次过程飑线与前侧对流单体合并之后迅速发展为弓形回波，达到飑线发展最强的阶段。可见，前侧对流单体与飑线合并为其发展提供了能量条件，是飑线持续发展的重要原因。16∶30 径向速度垂直剖面(图8b)上入流速度为8 m·s-1，低层环境入流较强。在强回波线后侧的层云区下沉气流强，在风暴前沿形成速度达17 m·s-1的阵风出流。同时，环境的入流以很陡的角度进入风暴，并在风暴顶形成辐散。中层的后侧入流与上升气流形成辐合，在3 km 高度附近正负速度差值达25 m·s-1，是一个显著的中层径向辐合。飑线的这种垂直环流配置表明飑线此时具有较高程度的自组织结构特征：前侧低层暖湿入流进入飑线汇入上升气流，降水的形成导致下沉气流，后侧干冷空气入流使降水粒子蒸发加剧，负浮力加大，下沉气流加强，伴随动量下传，到地面附近形成冷池和强阵风。冷池前沿阵风锋抬升前侧暖湿入流，新的对流单体形成，逐渐替代旧的衰亡的单体，使得上述过程不断反复循环，达到一种动态的近似平衡和准稳定状态。

图7 2018年5月27日16∶00(a1、a2)和16∶30(b1、b2)梧州雷达组合反射率因子(a1、b1，单位：dBz)和0.5°仰角径向速度(a2、b2，单位：m·s-1)Fig.7 Composite reflectivity(a1,b1,unit:dBz)and radial velocity(a2,b2,unit:m·s-1)with 0.5°elevation angle from Wuzhou radar at(a)16∶00 BT and(b)16∶30 BT on 27 May 2018.

图8 2018年5月27日16∶30梧州雷达组合反射率(a)、0.5°仰角径向速度(b)和沿图(b)蓝色实线的径向速度垂直剖面(c)Fig.8 (a)Composite reflectivity and(b)radial velocity with 0.5°elevation angle of Wuzhou radar and(c)radial velocity cross-section along blue line in Fig.7(b)at 16∶30 BT on 27 May 2018.

综上所述，飑线与前侧对流单体合并和飑线系统较高的自组织性是其在弱垂直风切变环境下维持的重要原因。

6 大风与冷池关系

王秀明等(2012)研究显示，冷池的强度直接影响地面灾害性大风的强度。分析此次过程1 h变温演变发现，10∶00(图略)防城港和北海附近的对流单体由于降水的蒸发和降温作用，各形成一个冷池，冷池中心负变温分别为-5 ℃和-3 ℃。11∶00(图9a)两块回波发展合并，其后的冷池合并成一个大冷池，强度加强，冷池中心负变温达到-6 ℃，冷池的前部横县和博白出现8级大风。13∶00(图9b)飑线断裂成南北两段，其后的冷池也分裂成南北两个，南部冷池较强，负变温中心达到-9 ℃，强冷池造成的冷池密度流形成强的雷暴出流，造成玉林多处大风的形成。随后南部飑线逐渐减弱，造成的大风也逐渐减弱，而北段飑线北侧有多个小冷池，这是由于冷锋上对流单体降水所造成。14∶00(图略)北段飑线和冷锋对流合并，其后的冷池逐渐合并加强，15∶00(图9c)飑线再次和南侧对流合并冷池发展到最强，中心负变温达到-9 ℃，造成的地面大风的站数和强度也达到最强，共有4 个自动站出现8 级以上大风，其中岑溪的9级大风就出现在此时。16∶00(图d)强冷池导致了飑线北侧昭平附近形成小的弓形回波，并最终导致飑线断裂，飑线发展达到最强阶段。17∶00(图略)之后冷池逐渐减弱，大风出现的强度和范围也随之减弱。可见，大风出现的范围和强度和冷池的强度和范围有明显的正相关。

图9 2018年5月27日11∶00(a)、13∶00(b)、15∶00(c)、16∶00(d)地面1 h变温(等值线，单位：℃)与SWAN 雷达组合反射率因子(大于30dBz)叠加图(阴影,单位：dBz)(图中绿色圆点为8级大风，蓝色三角形为9级大风)Fig.9 The 1 h variable temperature field(contour，unit:℃)and radar composite reflectivityof SWANgreaterthan 30dBz(shaded area，unit:dBz)at(a)11∶00 BT,(b)13∶00 BT,(c)15∶00 BT,and(d)16∶00 BT on 27 May 2018.The green dots are force 8 gales and the blue triangle are force 9 gales.

7 结论

本文分析了2018 年5 月27 日发生在广西东南部的一次飑线过程的环流背景、环境条件、发展机制及大风的成因，得到以下主要结论：

(1)500 hPa 短波槽东移影响广西，副高西伸至广西东南部，南海北上的冷舌叠加低层的暖脊有利于强条件不稳定层结的建立，同时环境具有较大CAPE，为飑线的形成提供了有利的环境条件。

(2)广西沿海形成的中尺度辐合线，是此次飑线初始对流系统形成的重要触发机制，夜间山风造成偏北风加强了广西西部沿海辐合线的辐合强度。对流单体沿着辐合线不断产生形成初始结构松散的线状对流，为飑线最终形成打下基础。

(3)此次飑线系统发展演变主要包括暖区发展、与冷锋云系共同作用和与飑线南侧对流合并加强三个阶段。前期飑线结构松散，与冷锋云系合并后，强度加强，最后与南侧的对流再次合并，飑线发展到最强阶段，孤立对流云不断合并进入飑线系统，是飑线系统维持和发展的重要原因。

(4)飑线前侧强入流到风暴顶形成辐散，风暴后侧强的中层下沉气流形成的出流在风暴前侧形成辐合，以及入流和出流明显错开形成的自组织结构，是其发展维持的重要原因。

(5)近地面冷池合并加强，造成的冷池密度流是多处大风形成的主要原因，冷池的范围和强度与大风出现的范围和强度有明显正相关。