一次弱垂直風切變環(huán)境下颮線發(fā)展維持的成因分析

屈梅芳，俞小鼎，農(nóng)孟松，翟麗萍，賴珍權(quán)

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象臺，南寧 530022；2.中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081)

引言

颮線是由許多雷暴單體組成的線型強對流云帶，常帶來大風、短時強降水、甚至冰雹等災害(朱乾根等，2000)。近年來，國內(nèi)外許多學者對颮線的形成機制、組織形式等進行了大量的研究。颮線在我國各地均有發(fā)生，且天氣背景有很大的差別，可分為高空槽后型、高壓后部型、高空槽前型和臺風倒槽型，中低層的鋒面、切變線和風場的不連續(xù)線以及干線等可以觸發(fā)颮線的形成和發(fā)展(丁一匯等，1982)。RKW 理論從低層垂直風切變和冷池相互作用來解釋了最有利于颮線發(fā)展的環(huán)境特征(Rotunno et al，1988)。我國的學者也對颮線的發(fā)展的環(huán)境條件(葉成志等，2013；崔強等，2016)、颮線的組織結(jié)構(gòu)(吳海英等，2013；丁治英等，2017)、颮線的觸發(fā)機制(羅建英等，2006)和維持機制(姚建群等，2005；袁子鵬等，2011；張寧等，2017)以及颮線的雷達回波特征(李淑玲等，2009；侯淑梅等，2018)等進行了研究。颮線帶來的災害以大風最為嚴重，颮線致災大風的形成也是近年來研究的熱點(支樹林等，2015；竹利等，2018；張弛等，2019)。地面強冷池形成的冷池密度流是颮線大風產(chǎn)生的重要原因(劉香娥等，2012)。冷池合并會加大雷暴大風的強度(王秀明等，2012)。中層入流對地面大風形成有重要作用(梁建宇等，2012)。中低層中等到強的垂直風切變(梁俊平等，2015)及有利的大尺度背景和環(huán)境層結(jié)(農(nóng)孟松等，2014；劉蓮等，2015)對颮線的發(fā)展具有重要意義。

基于前人的研究可知，較強的垂直風切變對颮線發(fā)展和維持具有重要影響。但是對于弱垂直風切變環(huán)境下颮線發(fā)展維持原因的研究較少。本文利用多種觀測資料著重對2018 年5 月27 日發(fā)生在廣西的弱垂直風切變環(huán)境下颮線過程的環(huán)境條件、觸發(fā)機制、維持特征進行細致分析，以期為此類颮線的預報提供一定的參考。

1 過程概況和天氣背景

1.1 天氣實況

2018年5月27日中午到傍晚，廣西東南部出現(xiàn)大范圍雷暴大風天氣。此次過程主要受一條西北-東南走向的颮線影響，颮線于27日11時(北京時，下同)左右在南寧到玉林一帶形成，隨后向東北方向移動，17時左右減弱移出廣西，共持續(xù)了6 h。統(tǒng)計表明，過程期間廣西共有17個市縣出現(xiàn)了8級以上大風天氣(圖1)，最大極大風速(22.2 m·s-1)出現(xiàn)在梧州岑溪地面觀測站。

圖1 2018年5月27日10∶00—18∶00廣西8級以上大風實況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 天氣背景

分析常規(guī)高空觀測資料可知，2018年27日500 hPa環(huán)流場歐亞中高緯維持穩(wěn)定的兩槽一脊形勢，我國東北地區(qū)為冷渦控制，冷渦后部偏北風不斷引導冷空氣南下。西北太平洋副熱帶高壓逐漸加強西伸，588 dagpm等高線控制廣西東南部。08∶00(圖2)廣西西北部有短波槽影響。850 hPa 切變線位于湖南中部到廣西北部，地面冷鋒位于廣西北部。此次影響廣西東南部的颮線形成于鋒前的暖氣團中。

圖2 2018年5月27日08∶00高空分析綜合圖Fig.2 Upper-level composite chart at 08∶00 BT on 27 May 2018.

在對流層中低層副熱帶高壓西北側(cè)空氣通常比較暖濕(朱乾根等，2000)，此次過程中500 hPa 溫度場上副熱帶高壓西北側(cè)存在一支由南向北伸展的冷舌，這支強冷舌給廣西上空帶來強的負變溫，24 h變溫最大達到-4 ℃，這與通常認為冷空氣由北向南侵入是不同的，這支冷舌對廣西上空不穩(wěn)定層結(jié)的建立以及最終導致颮線形成的對流發(fā)展有著重要作用，對流層中層由南向北侵入的冷空氣常常容易被忽略，造成強對流天氣的漏報。通過追蹤前一天500 hPa溫度場變化(圖略)可以看出，26日08∶00 500 hPa上廣西為暖中心控制，暖中心強度達到-2 ℃，南海西部存在-7 ℃冷中心，到了27日08∶00，冷中心向北擴展，冷舌侵入廣西，給廣西帶來明顯的負變溫，與低層850 hPa 暖脊共同作用，加大了溫度直減率，廣西南部850 hPa和500 hPa溫差達到26 ℃以上，這種高空冷舌疊加低層暖脊的形式，建立了廣西上空條件不穩(wěn)定層結(jié)，為此次強對流天氣發(fā)生發(fā)展提供了很好的不穩(wěn)定層結(jié)條件。

綜上所述，此次颮線過程發(fā)生在副熱帶高壓西北側(cè)的西南氣流中，從南海向北侵入廣西的冷舌與低層暖脊疊加，建立上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)，在適當環(huán)流背景下，27日下午對流在廣西南部觸發(fā)并最終組織形成颮線。

2 環(huán)境條件

為研究本次對流過程中颮線的形成原因，以下對廣西東南部環(huán)境條件進行綜合分析。

2.1 熱力條件和濕度條件

從圖3a中可以看出，27日08∶00 北海上空的對流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE)為3 300 J·kg-1，表明廣西沿海具備非常高的不穩(wěn)定能量，與此同時，北海站的抬升凝結(jié)高度(Lifting Condensation Level,LCL)僅為950 hPa，LCL 很低，這對導致颮線形成的初始對流的發(fā)生及加強十分有利。

圖3 2018年5月27日08∶00北海(a)、梧州(b)和14∶00梧州(c)探空圖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，分析颮線形成下游和颮線加強發(fā)展最強烈區(qū)域附近的梧州探空發(fā)現(xiàn)，27 日08：00(圖3b)梧州站500 hPa 以下溫濕廓線幾乎重合，相對濕度很大。14∶00 (圖3c)梧州探空的溫濕廓線明顯分離，對比08∶00 和14∶00 梧州上空各層的溫度露點差(T-Td)(表1)發(fā)現(xiàn)，08∶00 500 hPa 以下各層T-Td基本為1 ℃，空氣近飽和，14∶00 500 hPa以下T-Td明顯加大，700 hPa以下都在5 ℃以上，最大的T-Td出現(xiàn)在近地面層1 000 hPa 附近達到了9 ℃，說明午后低層濕度下降，干層層結(jié)變厚，有利于降水粒子在下降過程中持續(xù)蒸發(fā)，對下沉氣流負浮力維持和加強起到了非常重要的作用，特別是近地面溫濕廓線形成倒“V”型，925 hPa到地面的溫度廓線接近于干絕熱線，對對流系統(tǒng)冷池的加強和雷暴大風的發(fā)生十分有利。以往沒有下午14∶00 探空，通常會把08∶00 探空的層結(jié)條件當成14∶00 的層結(jié)條件，往往容易忽略層結(jié)變干對加強的冷池和雷暴大風形成的作用，導致雷暴大風預報失敗。

表1 2018年5月27日梧州站08∶00和14∶00各層溫度露點差(單位：℃)對比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 垂直風切變條件

研究表明(梁俊平，2015)，在颮線組織發(fā)展過程中垂直風切變起著很重要的作用。27 日08：00 梧州站0—6 km 垂直風切變(以下簡稱“Wsr0-6”)為6 m·s-1，0—3 km 垂直風切變(以下簡稱“Wsr0-3”)為7 m·s-1，屬于弱的垂直風切變，午后中層風速加大，14：00 梧州站W(wǎng)sr0-6 為10 m·s-1，Wsr0-3為6 m·s-1，Wsr0-6較早上有所增大，而中低層Wsr0-3變化不明顯，雖然下午廣西東南部的深層垂直風切變條件是趨向于對颮線組織有利的方向發(fā)展的，但垂直風切變?nèi)匀粚儆谳^弱的水平。梧州雷達風廓線產(chǎn)品顯示(圖4)15∶00 以后隨著500 hPa高空淺槽的東移，梧州處于槽前，西南氣流明顯加大，15∶30 Wsr0-3加大到10 m·s-1，低層垂直風切變達到中等強度，梧州附近垂直風切變條件的改善是后期颮線加強發(fā)展的重要原因。

圖4 2018年5月27日16∶00梧州雷達反演風廓線Fig.4 Retrieved wind profile from Wuzhou radar at 16∶00 BT on 27 May 2018.

這次過程總體來說，強熱力不穩(wěn)定層結(jié)建立，同時環(huán)境具有較大的CAPE，為颮線形成和發(fā)展提供了有利的環(huán)境條件，但天氣尺度系統(tǒng)強迫較弱，中低層風垂直切變小，動力條件并不利于回波的組織性發(fā)展形成颮線。但后期環(huán)境垂直風切變條件的改善對颮線的發(fā)展有利。那么在初始弱垂直風切變環(huán)境下，對流是如何組織發(fā)展成為颮線的？這將是本文要探討的問題。

3 颮線的觸發(fā)機制

具有明顯對流有效位能的大氣，要受到抬升觸發(fā)后，才能形成深厚濕對流。27 日07∶00 廣西南部沿海開始有對流形成，此時鋒面位于廣西北部，所以廣西沿海對流的觸發(fā)并不是鋒面造成。分析地面風場發(fā)現(xiàn)，廣西沿海由于特殊的海陸地形形成并維持的中尺度輻合線為颮線初始對流的發(fā)展提供了觸發(fā)條件。27 日早晨(圖5)，北部灣海面為偏南風，陸地為弱的偏北風或偏東風，形成一條中尺度輻合線。輻合線上有多處對流的發(fā)生，并沿著輻合線快速的加強發(fā)展，可見中尺度輻合線是此次颮線過程初始對流的觸發(fā)機制，并對對流最初組織化的發(fā)展起到重要作用：對流單體相繼沿著輻合線形成構(gòu)成最初的線狀對流結(jié)構(gòu)。此外，在防城港附近輻合線北側(cè)的偏北風比其他地方大，這使得輻合線輻合強度加強，造成防城港附近對流最早被觸發(fā)，輻合線北側(cè)偏北風的加大與防城港北部的十萬大山夜間形成的山風有關。

圖5 2018年5月27日07∶00地面風場和地形疊加圖Fig.5 Surface wind field and topography at 07∶00 BT on 27 May 2018.

4 颮線形成與發(fā)展過程

此次颮線形成過程包括以下三個階段：第一階段為暖區(qū)颮線發(fā)展階段，多個對流單體沿輻合線生成，逐漸合并成颮線。第二階段颮線與冷鋒云系相互作用階段，颮線系統(tǒng)在逐漸東北移過程中與冷鋒云系上的對流合并加強。第三階段為颮線與其南側(cè)對流合并加強階段，颮線在東北移過程中與其南側(cè)北上的對流合并，颮線發(fā)展達到最強盛階段。

4.1 暖區(qū)颮線階段

從組合反射率演變可看出，此次颮線以碎塊型形式形成，即開始時在沿海輻合線上有多個分散對流單體生成，每個單體自分裂幾次，沿著單體間的外流邊界又有新對流發(fā)展，最后多個對流聯(lián)結(jié)成一條颮線。27 日07∶00—08∶00 在廣西沿海中尺度輻合線上防城港和北海附近分別有對流單體生成(圖略)，并沿著輻合線加強發(fā)展，兩個單體在移到欽州附近時各自分裂為南北兩個單體，北部兩個單體北移過程中又繼續(xù)分裂，11∶00 左右(圖略)多個單體之間排列成線狀形成一條西北東南向的颮線。颮線形成之初，結(jié)構(gòu)較為松散。颮線向東北方向移動，并不斷與前側(cè)對流單體合并，12∶00(圖6a)颮線呈現(xiàn)出弓形回波的形態(tài)。

4.2 颮線與冷鋒云系相互作用階段

27 日13∶00(圖6b)颮線中部出現(xiàn)斷裂，其北段移動到武宣、桂平一帶，此時冷鋒正好位于武宣到金秀一線，冷鋒上有多個對流單體發(fā)展。13∶30(圖略)颮線北段與冷鋒上對流單體開始合并，回波強度明顯增強。14∶00(圖略)回波形成東西向的線狀，桂平、武宣多地出現(xiàn)8 級以上大風，這與回波增強有很好的對應。研究表明(俞小鼎等，2006)，如果颮線移近某些邊界層輻合線(冷鋒、干線、陣風鋒、海風鋒輻合線等)，則在颮線與邊界層輻合線交匯處附近的風暴將強烈發(fā)展，并一直持續(xù)到颮線離開邊界之時。本次過程中颮線北段強烈發(fā)展與冷鋒關系密切，颮線北段因與冷鋒交匯而持續(xù)強烈發(fā)展。

4.3 颮線與其南側(cè)對流合并階段

27 日15∶00(圖6c)颮線再次減弱，線狀形態(tài)已不明顯，16∶00 (圖6d)颮線前側(cè)與其南側(cè)北上的對流單體合并，颮線再次加強發(fā)展，此時颮線形態(tài)上具有前端的線狀強對流回波區(qū)和后部的層狀云降水回波區(qū)。16∶30(圖略)颮線呈現(xiàn)出弓形回波形態(tài)，此時颮線發(fā)展到最強盛階段，之后颮線在東北移過程中快速減弱消亡。

圖6 2018年5月27日12∶00(a)、13∶00(b)、15∶00(c)、16∶00(d)SWAN 雷達組合反射率因子(單位：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 颮線維持機制

颮線從11∶00 開始形成，17∶00 減弱之后移出廣西，共維持了6 h，颮線自組織性的形成，使其在弱垂直風切變條件下得以發(fā)展(張寧等，2017)。對流系統(tǒng)的自組織性在垂直風切變較強情況下形成的幾率較高，而在弱垂直風切變環(huán)境下形成的幾率較低，但仍有形成的可能(Rotunno et al.，1988)。

從颮線發(fā)展最強階段，即颮線與南側(cè)對流單體合并階段的雷達回波顯示，16∶00(圖7a)在颮線前側(cè)有多個對流單體新生發(fā)展，單體A 和單體B 的回波強度達到55 dBz，徑向速度圖上風暴主入流和主出流相互錯開，使得系統(tǒng)維持時間較長，體現(xiàn)了颮線系統(tǒng)一定程度的自組織性。16∶30(圖7b)颮線東移過程中與單體A 和單體B 合并，颮線強烈的發(fā)展并演變成弓形，反射率因子圖上存在明顯的后側(cè)入流槽口，颮線出現(xiàn)斷裂，相應的速度圖上，弓形回波后側(cè)形成明顯的后側(cè)入流急流，最大徑向速度為12 m·s-1，從反射率因子圖上可以判斷后側(cè)入流急流為西南風，與雷達徑向近乎垂直，所以真實的后側(cè)入流急流應該遠大于12 m·s-1，這表明弓形回波后側(cè)存在強的后側(cè)入流急流。已有的研究發(fā)現(xiàn)(何寬科，2012)，在回波即將合并到完全合并之時天氣最為激烈。本次過程颮線與前側(cè)對流單體合并之后迅速發(fā)展為弓形回波，達到颮線發(fā)展最強的階段。可見，前側(cè)對流單體與颮線合并為其發(fā)展提供了能量條件，是颮線持續(xù)發(fā)展的重要原因。16∶30 徑向速度垂直剖面(圖8b)上入流速度為8 m·s-1，低層環(huán)境入流較強。在強回波線后側(cè)的層云區(qū)下沉氣流強，在風暴前沿形成速度達17 m·s-1的陣風出流。同時，環(huán)境的入流以很陡的角度進入風暴，并在風暴頂形成輻散。中層的后側(cè)入流與上升氣流形成輻合，在3 km 高度附近正負速度差值達25 m·s-1，是一個顯著的中層徑向輻合。颮線的這種垂直環(huán)流配置表明颮線此時具有較高程度的自組織結(jié)構(gòu)特征：前側(cè)低層暖濕入流進入颮線匯入上升氣流，降水的形成導致下沉氣流，后側(cè)干冷空氣入流使降水粒子蒸發(fā)加劇，負浮力加大，下沉氣流加強，伴隨動量下傳，到地面附近形成冷池和強陣風。冷池前沿陣風鋒抬升前側(cè)暖濕入流，新的對流單體形成，逐漸替代舊的衰亡的單體，使得上述過程不斷反復循環(huán)，達到一種動態(tài)的近似平衡和準穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 2018年5月27日16∶00(a1、a2)和16∶30(b1、b2)梧州雷達組合反射率因子(a1、b1，單位：dBz)和0.5°仰角徑向速度(a2、b2，單位：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.

圖8 2018年5月27日16∶30梧州雷達組合反射率(a)、0.5°仰角徑向速度(b)和沿圖(b)藍色實線的徑向速度垂直剖面(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.

綜上所述，颮線與前側(cè)對流單體合并和颮線系統(tǒng)較高的自組織性是其在弱垂直風切變環(huán)境下維持的重要原因。

6 大風與冷池關系

王秀明等(2012)研究顯示，冷池的強度直接影響地面災害性大風的強度。分析此次過程1 h變溫演變發(fā)現(xiàn)，10∶00(圖略)防城港和北海附近的對流單體由于降水的蒸發(fā)和降溫作用，各形成一個冷池，冷池中心負變溫分別為-5 ℃和-3 ℃。11∶00(圖9a)兩塊回波發(fā)展合并，其后的冷池合并成一個大冷池，強度加強，冷池中心負變溫達到-6 ℃，冷池的前部橫縣和博白出現(xiàn)8級大風。13∶00(圖9b)颮線斷裂成南北兩段，其后的冷池也分裂成南北兩個，南部冷池較強，負變溫中心達到-9 ℃，強冷池造成的冷池密度流形成強的雷暴出流，造成玉林多處大風的形成。隨后南部颮線逐漸減弱，造成的大風也逐漸減弱，而北段颮線北側(cè)有多個小冷池，這是由于冷鋒上對流單體降水所造成。14∶00(圖略)北段颮線和冷鋒對流合并，其后的冷池逐漸合并加強，15∶00(圖9c)颮線再次和南側(cè)對流合并冷池發(fā)展到最強，中心負變溫達到-9 ℃，造成的地面大風的站數(shù)和強度也達到最強，共有4 個自動站出現(xiàn)8 級以上大風，其中岑溪的9級大風就出現(xiàn)在此時。16∶00(圖d)強冷池導致了颮線北側(cè)昭平附近形成小的弓形回波，并最終導致颮線斷裂，颮線發(fā)展達到最強階段。17∶00(圖略)之后冷池逐漸減弱，大風出現(xiàn)的強度和范圍也隨之減弱?？梢?，大風出現(xiàn)的范圍和強度和冷池的強度和范圍有明顯的正相關。

圖9 2018年5月27日11∶00(a)、13∶00(b)、15∶00(c)、16∶00(d)地面1 h變溫(等值線，單位：℃)與SWAN 雷達組合反射率因子(大于30dBz)疊加圖(陰影,單位：dBz)(圖中綠色圓點為8級大風，藍色三角形為9級大風)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 結(jié)論

本文分析了2018 年5 月27 日發(fā)生在廣西東南部的一次颮線過程的環(huán)流背景、環(huán)境條件、發(fā)展機制及大風的成因，得到以下主要結(jié)論：

(1)500 hPa 短波槽東移影響廣西，副高西伸至廣西東南部，南海北上的冷舌疊加低層的暖脊有利于強條件不穩(wěn)定層結(jié)的建立，同時環(huán)境具有較大CAPE，為颮線的形成提供了有利的環(huán)境條件。

(2)廣西沿海形成的中尺度輻合線，是此次颮線初始對流系統(tǒng)形成的重要觸發(fā)機制，夜間山風造成偏北風加強了廣西西部沿海輻合線的輻合強度。對流單體沿著輻合線不斷產(chǎn)生形成初始結(jié)構(gòu)松散的線狀對流，為颮線最終形成打下基礎。

(3)此次颮線系統(tǒng)發(fā)展演變主要包括暖區(qū)發(fā)展、與冷鋒云系共同作用和與颮線南側(cè)對流合并加強三個階段。前期颮線結(jié)構(gòu)松散，與冷鋒云系合并后，強度加強，最后與南側(cè)的對流再次合并，颮線發(fā)展到最強階段，孤立對流云不斷合并進入颮線系統(tǒng)，是颮線系統(tǒng)維持和發(fā)展的重要原因。

(4)颮線前側(cè)強入流到風暴頂形成輻散，風暴后側(cè)強的中層下沉氣流形成的出流在風暴前側(cè)形成輻合，以及入流和出流明顯錯開形成的自組織結(jié)構(gòu)，是其發(fā)展維持的重要原因。

(5)近地面冷池合并加強，造成的冷池密度流是多處大風形成的主要原因，冷池的范圍和強度與大風出現(xiàn)的范圍和強度有明顯正相關。