贺兰山东麓一次飑线过程演变特征分析

李 伟， 穆建华， 洪国平， 何 佳， 闫 军

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.武汉区域气候中心，湖北 武汉 430074)

飑线是一种带(线)状的中尺度(MCS)对流系统，能够产生区域性大风的多单体线状风暴.飑线水平长几十公里至几百公里，宽几十公里至二百公里，可以维持几小时至十几小时[1].飑线自身的非地转平衡和非静力平衡显著，带来的天气变化剧烈，破坏力极强.飑线发生时，常伴随雷暴、大风、冰雹及强降雨等灾害天气[2—4].飑线水平尺度小，生命期短，气象要素变化梯度大，天气变化强烈，预报难度大[5].国内学者对飑线从环流背景、层结条件、触发机制等方面进行深入的研究.飑线的产生与有利的大尺度环流背景、大气不稳定层结和触发条件息息相关[6—10].飑线过程往往伴随着短时大风，且飑线后部存在的由中尺度雷暴高压和超强冷池造成的强冷池密度流是产生大风的直接原因[11].研究表明[12—14]，弱天气尺度强迫环境下、大气热力不稳定、强的水平风及垂直风切变，有利于大气对流的强烈发展，进而导致飑线、冰雹等强对流天气的发生与发展，而对流层上层的干冷空气侵入和低层暖湿气流的强烈辐合正是飑线天气的触发机制.王秀明等的研究表明[15]，在对流层中低层强风垂直切变配置下，低层湿度成为风暴结构的决定因素，在中高湿度环境下易形成高度组织化的飑线[16].山地地形对强对流天气发生与发展的作用研究表明[17—19]，地形对低层气流和辐合强迫作用容易触发强对流，在地形坡度较大时，会产生较强的上升气流，从而使系统对流发展旺盛.陈豫英等的研究显示[20]，贺兰山地形在阻挡气流移动过程中产生的绕流、摩擦辐合及迎风坡抬升有利于加强其东侧的强降水.

地形和水体对该次飑线系统起增幅和能量补充作用.飑线系统在翻越贺兰山脉进入宁夏时，低层偏西气流受地形抬升影响，上升运动加强，进而使飑线系统得到加强.飑线东移经过沙湖时，又得到沙湖水面的水汽和能量补充，使飑线得以持续东移.宁夏地处西北地区，周边多沙漠，干旱少雨，出现飑线过程的几率相对较少，预报员对此类灾害性天气的发生与发展认识不足.笔者基于天气雷达探测资料、卫星云图、雷电监测资料、探空资料等，结合自动气象观测站逐时观测资料和贺兰山地形、沙湖水体的作用，对贺兰山东麓一次飑线过程进行诊断分析，旨在总结西北内陆干旱地区强对流天气监测、预警预报服务和防灾减灾等方面的经验，从而减少飑线天气可能造成的损失.

1 资料和方法

1.1 资料

2020-06-17高空探测资料、自动气象站观测资料、闪电定位资料、FY-2G卫星云图资料、银川多普勒天气雷达资料以及ERA5逐小时再分析资料.

1.2 方法

通过天气分析、物理量诊断分析方法，对该次飑线过程中降水分布特征、地面气象要素时间演变、闪电特征、环流背景及主要影响系统、飑线云带宏观结构、贺兰山地形和沙湖水体的作用及飑线生消过程等进行综合诊断分析.

2 天气实况特征

2.1 天气概况

2020-06-17午后，在宁夏贺兰山东麓出现一次飑线过程，飑线长约420 km，宽为30～80 km.受飑线东移影响，位于贺兰山东麓的宁夏先后出现了对流性降水天气，累计降水量为5～18 mm.同时，在沙湖、平罗和石炭井3个气象站出现8级以上雷暴大风，其中银川气象站最大瞬时风速达16 m/s.受其影响，部分温室大棚受损，田间小麦有倒伏现象；疾风骤雨使交通行车视线变差，短时间路面积水严重.

2.2 闪电特征

宁夏中北部地区的地闪共发生42次(图1)，雷暴云对地的闪击时间从16时14分08秒至18时15分27秒(北京时间，下同)，持续2 h.17时39分26秒，平罗县出现最大地闪强度(71.05 kA/μs，绝对值)，平罗县沙湖气象站同时次1 h降雨量达16.8 mm，这与闪电主要集中于降水量最大区域的相关研究吻合[21].

2.3 典型站气象要素演变特征

平罗县沙湖气象站出现最大1 h降雨量，因此选取6月17日15:30—18:30沙湖气象站逐分钟观测数据，分析飑线过境时气压p、气温T、相对湿度HR、风速v等气象要素的变化特征(图1).

2.3.1气压 从15:30开始，沙湖气象站气压从883.0 hPa缓慢均匀下降，16:41气压降至881.9 hPa，下降1.1 hPa.随着飑线临近，气压一路涌升.17:06气压升至最高值(885.1 hPa)，增加3.2 hPa.随后，气压一直保持在885 hPa左右(±0.1 hPa)，高气压维持长达34 min，直至17:40,这是飑线过境时气压变化的典型特征.

2.3.2气温 16:52—17:25，在33 min内，气温从27 ℃以上陡降至16.8 ℃，随后维持在17～18 ℃.而地表温度从飑线过境前的55.4 ℃骤降至19.1 ℃，强烈的对流冷池和下击暴流促使地面温度迅速降低，这也是飑线过境特征之一，与沙湖气象站气压的骤升相对应.

2.3.3相对湿度 15:30—16:54，相对湿度维持在30%左右，在飑线临近时，相对湿度飙升，17：44时相对湿度达84%，增大1倍以上.降水出现后，相对湿度维持在70%左右，说明过境的飑线云团内含有大量水汽.

2.3.4风速 15:30—16:46，平均风速为2～4 m/s.随着飑线临近，风向从东南风逐渐转为东风，风速从2.0 m/s短暂降至1.3 m/s，随后风速猛增，16：58风速最大达15.2 m/s，风向转为偏北风，瞬时极大风速达21.1 m/s.

气象要素演变表明，飑线在16：46左右影响沙湖气象站.受飑线过境影响，沙湖站风向出现突变、风速剧增，随后又出现气压涌升、气温陡降和相对湿度陡增，这是由于飑线云触发的下沉气流随着飑线向前移动，下沉气流及降水的拖曳动力作用导致地面气温明显下降.沙湖气象站地处沙湖湿地，沙湖总面积198 km2，湿地面积约12.6 km2，平均水深2.2 m，最深处可达6.0 m，湖泊湿地的热容量较周边陆地高，午后湖面水汽蒸发强烈.从17时，18时贺兰山东麓地面相对湿度的空间分布(图1)看，飑线经过沙湖后，在附近出现一个相对湿度大于90%的高值中心，说明午后沙湖表面的强烈蒸发为飑线提供了较丰富的水汽和能量，这是降水量最大值出现在此地的重要原因.

3 环流背景及影响系统

从6月17日08时500 hPa高度场看(图2a)，欧亚范围中高纬度地区总体为两槽一脊，在巴尔喀什湖(简称巴湖)西北侧和黑龙江东北部各有一冷槽，在河西走廊至新疆维持一弱高压脊，在高压脊北部的贝加尔湖附近高纬度地区有一低压槽.受贝加尔湖冷槽底部扩散冷空气东移影响，在蒙古国中部到我国内蒙古西北部一带有一短波槽，宁夏处在高压脊前西北气流里.

从高低空天气系统相对位置看，17日08时，中低层天气系统呈现明显的前倾结构，850 hPa切变线落后700 hPa切变线大约140 km，700 hPa切变线落后500 hPa低压槽大约170 km.在500 hPa温度场(图2a)上，宁夏西北部存在一明显的冷槽，且冷槽位置落后于气压槽，存在明显的西北—东南方向冷平流.由700 hPa温度场(图2b)可知，在宁夏上游的河西走廊至新疆东部一带亦存在一个暖脊，中心温度最高值为13 ℃，位于河西走廊中西部，受西北偏西气流影响，存在暖平流.在850 hPa高空图上(图略)，宁夏上游的河西到新疆东部一带存在一个中心强度为27 ℃的暖脊.天气系统的前倾结构和中高层冷平流、低层暖平流的温度平流特征，有利于大气不稳定层结的进一步加强.

图2 2020-06-17 08时的环流形势场

17日白天，随着500hPa短波槽沿着高压脊前西北气流向东南移动，影响宁夏中北部地区，触发了该次飑线过程.丁一汇等总结我国飑线的发生条件[22]，将飑线分为槽后型、槽前型、高后型和倒槽型4种类型，其中槽后型多出现在华北地区.宁夏该次飑线过程，从天气系统的“前倾”结构以及低层暖平流、中层冷平流的高低空温度平流配置等特征看，符合槽后型飑线过程的特征.

4 物理量诊断分析

4.1 探空分析

从6月17日08时银川气象站T-lnp图(图3)看，该次飑线过程当天，整层大气湿度较低，只有600 hPa附近温度露点差在2 ℃左右，其他高度层的露点差均大于3 ℃，距地面2～3 km气层内露点差维持在6～13 ℃，400 hPa以上露点差基本在8～30 ℃.因此从低层到高层大气，湿度整体呈“干-湿-干”的垂直分布特征.在中低层存在明显的对流不稳定能量和对流抑制能量，对流有效位能(CAPE)为140.1 J/kg，对流抑制能(CIN)为155.5 J/kg，冷空气扰动容易触发对流天气发生.0～6 km垂直风切变差为14 m/s， 850～700 hPa的垂直风切变为12 m/s，表明大气存在强的垂直风切变，利于强对流天气发生.基于银川气象站主要对流指数阈值及6月17日08 h银川的气象探空资料，计算得到主要的对流指数(表1).K指数、沙氏指数IS、对流有效位能ECAP等相关参数显示，银川上空有对流不稳定层结存在;强天气威胁指数ISWEAT和风暴强度指数ISS均超过强对流天气时的阀值，表明银川气象站上空的大气层结不稳定.

图3 2020-06-17 08时银川气象站的T-ln p图

表1 2020-06-17银川气象站的主要对流指数

4.2 贺兰山地形的强迫作用

从该次飑线过程在经过贺兰山时的雷达回波演变看(图4)，飑线系统上的各回波中心在经过贺兰山时强度和范围均明显增大.17时东西向垂直剖面图(图略)显示，在贺兰山附近700 hPa处出现一个上升运动中心.08时银川站探空资料显示，自由对流高度在2 800 m左右，而贺兰山海拔在2 000～3 000 m，其中主峰海拔3 556 m，雷达回波在移近贺兰山时迅速增强并处于贺兰山附近空中上升运动中心，说明系统在东移翻越贺兰山时，地形强迫抬升触发了雷暴产生.

图4 2020-06-17 17时沙湖气象站(106.366°E,38.827°N)东西向风、气温和垂直速度剖面分析

5 飑线的雷达回波演变

基于6月17日14:00—17:00银川多普勒天气雷达资料，对该次飑线回波演变特征进行分析，发现总体上可分为初生、发展、成熟和消亡4个阶段，生命史4 h左右，回波体高度在300 km左右(图5).

图5 2020-06-17 14:03—17:31银川多普勒天气雷达组合反射率演变及雷达回波剖面分析

5.1 初生阶段

17日14:03，在内蒙古乌海市西北方向，距离宁夏石嘴山市大约138 km处有一长约70 km、宽约25 km的较强对流回波体，其内部有3个回波强度在45～50 dBz的小单体，此时雷达回波呈现团状分布的多单体对流风暴特征.14：31，对流回波体在移动过程中发展并加强，长度达100 km，宽度达40 km，回波强度大于50 dBz，其西南侧70 km处及偏西方向约50 km处又相继生成2个对流单体，强度为15～20 dBz.此时形成了后向发展型飑线，即在已经生成的孤立雷暴单体移动方向的后侧不断有新的单体形成，且新的单体发展壮大并与旧单体合并.说明此阶段的大气环境极利于飑线系统的对流发展.

5.2 发展阶段

15:05，对流回波体继续东移南压，并与在阿拉善盟的西北方向对流单体合并，形成长约210 km，中心由3个回波强度为45～50 dBz的回波单体组成的带状回波，影响范围向东延伸至内蒙古乌海市北端黄河段.位于阿拉善盟偏西50 km处的对流单体与其西南侧腾格里沙漠地带的新生单体合并，形成一条新的带状回波.15：32，2条回波在向东南移动过程中合并成东北—西南向的狭长带状飑线，回波结构密实，轮廓分明，呈现南北非对称结构，即北部宽大、南部细长的逗点形态.

5.3 成熟和消亡阶段

16：02，飑线翻越宁夏北部贺兰山段，继续发展达到成熟阶段，形成中心强度为45～55 dBz、多单体带状分布的回波带，长度达300 km，其中，乌海市至石嘴山市局地雷达回波强度大于50 dBz，此时内蒙古乌海市及其周边区域受飑线影响.16：35，飑线北端已侵入宁夏石嘴山市，回波中心强度达68 dBz，气象要素出现剧烈变化，3个国家气象站出现了8级以上雷暴大风.16：41，从雷达回波垂直剖面图上看，回波顶高度最大值为16 km，表现为多单体形态，回波强度为65 dBz.16：53，雷达回波垂直剖面图中强中心范围缩小，回波顶高度下降至14 km，但强中心回波强度达68 dBz，此时，沙湖气象站正处在强雷暴影响区域.17：03，在石嘴山市平罗县出现强回波，中心强度最大值接近70 dBz，沙湖气象站位于平罗县境内，此时与沙湖气象站局地产生强烈天气现象的时间段相吻合.飑线整体移动方向为西北—东南，横扫宁夏中北部区域.飑线在宁夏北部长达2 h.17日20:00左右，该系统移出宁夏并逐渐减弱.

6 飑线FY-2G卫星遥感特征

选取6月17日15:00—18:00逐小时FY-2G卫星红外云图,对飑线系统云的演变特征进行分析.

15：00，在内蒙古中北部-宁夏中西部上空有一条东北—西南走向的强对流云带，对流云带长约590 km，宽度最宽约120 km，最窄处仅20 km.云团的平均尺度大，云体厚实，边缘较整齐.云团尺度大表明云发展旺盛，云体较厚.对流云的水平尺度与垂直尺度相同，表明此时在超长云带内已存在若干对流云块(多个对流单体组成)，已形成成熟的线状多单体风暴.强对流云带云顶的亮度温度从东北至西南呈缓慢递减趋势，云带东北端云顶的亮度温度大约为-50 ℃；内蒙古河套地区云顶的亮度温度大约为-40 ℃；宁夏北部地区云顶的亮度温度大约为-36 ℃，亮度温度梯度较大，云顶高度在9～15 km，云顶高度已触及对流层顶部，此时飑线的雏形已显现.

16：00，飑线向东南方向移动80～100 km，云带连片，范围加宽增大，云体更加厚实，云顶色斑颜色层次分明，云顶的亮度温度呈多点连片式分布，云顶的平均亮度温度为-39 ℃，此时飑线已是发展成熟阶段,其前锋已入宁夏北端，宁夏局地出现雷暴天气.

17：00，宁夏北部与内蒙古交界处被大片云系覆盖，沙湖一带被密实云团覆盖，云顶的亮度温度梯度加大，云顶的亮度温度为-40 ℃，强对流云团产生剧烈天气变化，云体内不稳定能量快速释放.在贺兰山中部，银川市至中卫市西北部云带的水平尺度较小，垂直上升运动相对较弱，对流单体相对较少，云顶的亮度温度为-23.73 ℃，对流单体云顶的高度为10～12 km.

18:00，影响宁夏北部地区云带已基本移出，影响宁夏中南部地区混合云中的对流云团能量衰竭，云带减少、变薄，势力减弱，对流单体逐渐变得松散并开始解体.

7 结论与讨论

1)飑线系统过境时出现了雷暴大风、短时强降水等强对流天气，风向、风速、气压、湿度、气温等气象要素短时间内出现了剧烈变化，具有典型的飑线天气特征.飑线发生在夏季午后，经历了初生、发展、成熟和消亡4个阶段，生命史4 h左右，回波体最长300 km，具有明显的中小尺度特征.

2)17：08，欧亚范围内中高纬度为两槽一脊环流形势，宁夏北部处于贝加尔湖低压槽底部，850 hPa切变线位于700 hPa切变线后，700 hPa切变线位于500 hPa冷槽后，天气系统呈现明显的前倾结构.贺兰山东麓对流有效位能为140.1 J/kg,对流抑制能为155.5 J/kg,中低层(0～6 km)垂直风切变为14 m/s，存在明显的层结不稳定特征.贝加尔湖冷槽底部扩散冷空气受脊前西北气流引导东移南下，于17日午后影响宁夏中北部及周边地区，受冷空气触发，出现了飑线天气.

3)分析雷达回波及卫星云图，发现飑线自生成至发展成熟，持续近2 h，飑线发展成熟时雷达反射强度最大值接近70 dBz，回波顶高度最大值为16 km，回波强中心云顶的亮度温度达40 ℃.飑线系统在经过贺兰山时得到迅速发展，强度大于45 dBz的回波范围明显扩大，回波中心强度由50 dBz增加至68 dBz，表明贺兰山地形进一步加强了飑线系统对流的发展.飑线经过沙湖后，在沙湖附近出现1个相对湿度大于90%的高值中心，说明午后沙湖表面的强烈蒸发为飑线提供了较丰富的水汽和能量，这是降水量最大值出现在此地的重要原因.

4)该次飑线天气过程是在有利的大尺度环流形势和不稳定层结条件下产生的.从雷达回波演变和地面相对湿度变化看，贺兰山地形和沙湖水体对飑线系统的发展起加强作用.说明在西北内陆地区，大尺度天气系统在局地地形和有利下垫面条件下，能够触发中小尺度强对流天气.但在内陆干旱地区，有关局地特殊地形和地貌(如贺兰山地形、沙湖水体等)对中小尺度系统的触发机制，有待基于数值模拟和物理机制的进一步深入研究.