引言

作为中尺度对流天气系统（MCS)三种形式之一，飑线是满足线状或窄带状MCS标准的中尺度对流天气系统。研究表明^[1]，典型的飑线是一条规则活跃的风暴线，长宽比例至少为5:1，生命期只有几小时。镶嵌在飑线中的强雷暴常常引起局地地面风向突变，风速骤増，气压跃升，气温剧降，并伴有雷暴、冰雹、龙卷等灾害性天气^[2]。雷达回波表现为多个强回波中心，当速度最大值与反射率最大值位置重叠时往往造成灾害性大风^[3]。对飑线发展的环境场分析表明：地形的抬升作用、水体的分布往往有利飑线强烈发展^[4]。灾害性风暴最有可能在通过低层反射率因子梯度、中层悬垂及飑线前沿上方的回波顶来识别的区域^[5]。

观测事实表明：广西由于其独特的地理位置和地形特征，在初夏冷锋南压时往往容易形成飑线。2005年5月5日广西北部的桂林市自北向南出现了一次强飑线天气过程，通过对反射率和径向速度图分析可见飑线上有明显的中小尺度对流单体这些对流单体造成了灾害性大风、龙卷、暴雨和局地大冰雹。本文应用位于桂林的新一代天气雷达产品分析了这次飑线的结构和演变特征，为广西初夏的强对流天气临近预报提供客观依据。

1 天气实况

2005年5月5日14-18时受地面冷空气和高层切变线的共同影响，桂林市自北向南出现了一次强飑线引起的灾害性天气过程，龙胜、兴安、临桂、桂林4个站先后出现了大于17m·s^-1的雷雨大风天气，灌阳的文市出现了暴雨，洞井出现了龙卷，荔浦县有四个乡镇出现了高尔夫球大小的大冰雹。另外部分站还出现了强雷暴和对流性大雨。据桂林气候基准站观测，桂林本站大风风速在17时01分达到19m·s^-1，为阵风8级，伴有强雷暴和强降水，一小时雨量达26mm。飑线来临，各站的要素反映出突变特征，温度骤降，湿度剧升。以桂林站为例，大风期间桂林的气温由34.4℃下降到22℃，相对湿度由45%突升到100%。强对流天气给桂林市的航空、道路、供电、商业、建筑和农业等部门都造成了巨大损失。据统计，此次飑线系统造成的强对流灾害的影响范围和强度是1986年以来最强的。

2 天气背景及云图分析 2.1 前期环境条件

2005年5月5日强飑线灾害性天气出现的前几天，桂林的部分县乡己遭受一些分散的对流性大雨天气和龙卷风袭击。3—4日受高压后部偏南低空急流加强影响，桂林中部和北部出现了局地大雨和大风，兴安县石坑村和黄家塘村遭遇百年不遇的龙卷袭击，龙卷风持续40分钟，强度为F₀级，可见飑线前期为暖湿空气的能量聚集阶段，不稳定空气为强飑线灾害性天气提供了有利的条件。

从各种稳定性指数判断，从3日到5日不稳定性逐日増加，5日K指数升到39℃，沙氏指数降到-4.0，另外5日08:00的对流有效位能^[6]达到了1148J·kg^-1。

另外，气温的急剧増高，为强对流天气提供了热力条件。5日15:00气温达到34.4℃。这是进入2005年以来最高的温度。

2.2 天气形势分析

高低层环流形势配置有利于深对流的发展，5日08时500hPa高原东部阶梯槽发展为深槽，北段快速东移过110°E，南段槽线压到贵阳（图 1)由于北部高压逼近，850hPa冷式切变线压到贵阳与桂林之间，同时低空急流加强，桂林本站的西南风加大到16m·s^-1 (图略)，湿度増力口，T-T_d减到1.2℃; 地面冷锋南移迅速，5日08时冷锋位于贵州与四川交界，锋后高压为1020hPa，湖南到贵州为东西向的锋前低压辐合带; 高空槽、切变线和地面低压辐合带几乎垂直，有利于激发深对流的产生。飑线生成于冷锋前沿的地面低压暖区中，所以为锋前飑线。

2.3 风的垂直切变

从风矢量图（图 2)分析，5日08:00从0.68km到10.82km高度风向随高度顺转，由南风转为东南风，从10.82km到14.11km高度风向随高度逆转，由东南风转为偏东风，到18.64km转为微弱的偏西北风。可见在中低层为暖平流，高层为冷平流，暖平流的厚度远高于冷平流。从10.82km到14.11km风速的切变值为4.56m·s^-1 ·km^-1，表示风速切变较强。

从VAD (风廓线）图（略）看到，飑线影响前，风随高度迅速増大，到15:22从600m高的2m·s^-1的西南风増加到3.7km的14 m·s^-1，表明飑线影响前桂林低层为一致西南风影响，有风速切变。1.5~1.8km高度从16:05到16:36由静风转北风，表明切变线此时过桂林；600m高度是16: 12分转北风; 5.5km高度是16:43分由西南风转西风，持续6个体扫，到17:14又转为西南风，表明500hPa此时过桂林。从16:05到17:14高低层在一个多小时过桂林本站，可见系统移速快、影响时间短、对流性强。

由于螺旋度^[7]反映了旋转和沿旋转轴方向上气流的强弱，定义为对流层低层一定厚度气层内风暴相对风矢和水平涡度矢的乘积，其数值越大越有利于风暴的发生。假定风暴的入流厚度为3km，根据探空风计算了相对风暴的螺旋度，计算出5日08:00的螺旋度值为240m²·s^-2，远远超出风暴的螺旋度临界值150m²·s^-2。

2.4 卫星云图的分析

分析红外卫星云图演变，对流云团沿850hPa切变线和地面锋前低压辐合带发展，飑线形成时逐渐发展成一东北西南向的窄带状MCS标准的中尺度对流云带（图略)。据卫星云图分析，15:00到16:00—条由积状云组成的东北西南向窄带对流云带与地面锋前辐合区相配合，覆盖了桂林市的铁路沿线和中北部地区，水平方向长度与宽度的比例达到5:1以上；云顶温度低于-50℃对流发展强烈，17:00到18:00对流云带逐渐由中部压到了桂林南部，并逐渐进入广西中部。云带的走向与锋面的走向一致。

3 多普勒天气雷达资料分析 3.1 飑线整体演变及结构

分析雷达反射率PPI资料表明，最初于10时左右在湖南境内有一些对流单体逐渐发展向南移动，12:00南移到距桂林本站北偏西方150km处，长度为120km, 同时在主体回波前40km处有一弱回波（图略)，可能为阵风锋。到13:00主体回波减弱，而前部弱回波发展并入主体发展成一长250km的回波，即为飑线。此后这条飑线回波主体基本上是由北偏西向南偏东移动，与云带和冷锋的移向相一致，移速大约为45km·h^-1，飑线整体在南移过桂林雷达站后，整体上仍然能维持它的东北西南向的走向，经6小时后移过桂林的南部，进入广西中部。分析飑线的结构可见飑线为一个个小尺度对流单体组成，图 3a (见彩页）为5日15；16沿2.4°仰角反射率的PPI水平分布，图 3b (见彩页）为沿飑线对流云团A、B和C走向的剖面，可见飑线为一个个小尺度对流单体组成反射率强度为50dBz。对应径向速度PPI图（图略）相应位置出现一条暖色和冷色相间的气旋性小涡旋组成的东偏北到西偏南向的长辐合带。另外从雷达中心沿315°方位角反射率的剖面图（图 3c，见彩页）可见有较低的回波悬垂的存在。

3.2 飑线对流单体发展演变

从反射率的PPI图演变分析飑线的内部变化可见，组成飑线的对流单体并非一成不变。一方面飑线主体的西南端不断有新的小尺度对流单体发展、东移，当飑线整体向南移动时，对流单体逐渐弥合并入飑线使得飑线在南移的过程中得以加强，保持飑线强度的连续性；同时飑线主体上的对流单体会分裂、发展，保持飑线的强度。图 3a (见彩页）中的云团A和B分别为13时于飑线西南侧几公里、十几公里处的小对流单体沿环境风（西南风）右侧15°东移发展，于14:08左右并入飑线，再次发展而来。云团C则为飑线西南小对流单体东移发展于15:10左右并入飑线，再次发展而来，云团D为飑线西南侧新生的小对流单体它将于16:24并入飑线。另外，仔细分析云团A、B和C发现它们并非独立对流单体，B是两个小的对流单体，C是3个对流单体，事实上它们在生成的最初状态是独立对流单体，并入飑线后分裂。所以此飑线既为后续线形飑线，同时又为断续线型飑线。

对流单体在弥合进入飑线前发展很快，据统计一个小时可由20dBz发展到55dBz, 范围加大（由1~2km发展到4~5km), 这样的强度一直维持到并入飑线，弥合进入飑线后强度稍减为50dBz分裂后再次发展。单体从生成到并入飑线要2个小时左右，移速为20~30km·h^-1，单体在飑线中分裂发展、造成大风（如A造成龙胜大风）要半小时。

3.3 镶嵌在飑线中的对流单体径向速度特征

飑线主体中的对流单体A (图 3a)曾经于14:30左右于龙胜西北部分裂为3个更小尺度的对流小单体其中有一位于飑线的前沿，发展为强风暴，造成了龙胜的大风。径向速度PPI图14:45于西北临近龙胜处（图 4a中的小黄圈，见彩页）可看出在飑线的前沿有明显的正负速度对，范围约为4km×4km, 正负径向速度为12m·s^-1、对称位于雷达径向的两侧，为一旋转的小尺度中气旋（小黄圈）镶嵌在带状飑线前沿，单体反射率强度达到了53dBz回波顶高达到1.4km, 。垂直累积液态水含量并不高，最高只达到27kg·m^-2，14:48龙胜站出现了17m·s^-1的强对流大风天气。

龙胜出现大风后，飑线中的对流单体沿飑线向东移动，单体在东移过程中遇到南北向的越城岭山脉，发展加强为尺度更大中气旋。15:41单体发展为范围大约为9km×9km (图 4b中的小黄圈，见彩页）中气旋，正负径向速度为19m·s^-1，单体的垂直累积液态水含量达到38kg·m^-2，单体高1.4km。此时对流单体距兴安西偏北约40km, 半小时后兴安出现了大于17m·s^-1的大风天气。

此中气旋发展迅速可能与兴安西北面的越城岭山脉主峰猫儿山地形有关，猫儿山是华南的第一高峰，海拔2141m, 位于猫儿山东南侧的兴安华江镇常常是桂林暴雨的中心，由于飑线移近猫儿山这样高的低层边界，弱的中气旋逐渐发展成为超级单体风暴造成兴安大风。桂林于17:01出现19m·s^-1的大风、一小时出现26mm的降水，西郊出现小冰雹，由于临近桂林本站雷达，是雷达盲区，飑线反射率强度很弱，但从径向速度图可以看出飑线后部的入流很强，也许与入流急流在后部下沉有关。

3.4 飑线前部的冰雹超级单体

在飑线整体南压过程中，在飑线西南方生成的对流单体与飑线相距较远时，可能并不能很快并入飑线，而是沿环境风（西南风）的右侧向东移动，在并入飑线前，己发展为成熟的超级单体造成局地冰雹。造成荔浦县的马岭等四个乡大冰雹就是一个对流单体在并入飑线前发展成了冰雹超级单体造成的。最初于13:43离荔浦西面约120km处的柳城县有一小弱对流单体，此单体边向东北方向移动，边发展，一小时后分裂为两个对流单体（图 3a中的E), —对流单体继续沿东北方向向临桂和桂林方向发展移动，于16:36并入飑线（图略)，16:43临桂出现了17m·s^-1的大风天气。可能是雷达盲区的原因，当时回波顶和垂直累计液态水含量数值都不高。另一对流单体以大约30km·h^-1的速度偏离环境风（西南风）右侧20°左右东移，于16:36东移到荔浦县城西偏北方约40km处，发展为冰雹超级单体，最强强度为60dBz, 面积发展为16×16km。由于冰雹超级单体中包含有大的水汽凝结物对雷达波的非瑞利散射，在反射率因子PPI图上表现出三体散射长钉（TBSS)特征(图 5a, 见彩页)，2.4°仰角反射率核心到丁字末端有30km长；径向速度PPI图上，沿径向两侧出现风速的正负速度对，在低层表现为气旋性辐合（图 5b见彩页)，20分钟后荔浦的茶城出现了冰雹报告。单体继续东移，17:01反射率再次出现TBSS特征，15分后荔浦的马岭再次出现了降雹的报告。图 5c(见彩页）为16:36反射率垂直剖面图，40dBz的回波高度接近15km，60dBz的回波接近10km, 反射率因子垂直剖面在8km以下的上升运动区出现了有界弱回波区（BWER); 同时径向速度的剖面图上(图 5d, 见彩页)，对应5km有一正负速度对，表明中层的气旋性辐合明显。16:36丁字回波特征维持了二个体扫，17:01丁字回波特征维持了三个体扫，垂直累计液态水含量达到了70kg ·m^-2。18时左右，飑线主体到达后，此超级单体并入飑线，继续影响南面。

4 关于飑线的临近预报

新一代天气雷达（CINRAD-SA)产品风暴单体识别与跟踪主要是SCIT算法，SCIT算法由四个子功能组成：风暴单体段、风暴单体质心、风暴单体跟踪和风暴位置预报^[8]。

SCIT算法按照一个径向接一个径向的顺序处理来自WSR-88D基数据的体扫反射率因子。三维风暴单体的识别是分阶段进行的，首先是在径向反射率因子中识别“风暴段’，一个风暴段定义为一段连续的、沿着一个径向的一系列距离库，他们的反射率因子超过一个规定的阈值。当最后一个仰角扫描的段被处理完后，在空间相邻的风暴段被结合成一个二维的分量。

当当前体扫的所有仰角扫描都处理完后，这些分量按照质量的大小从小到大排列，然后做垂直相关。分量的质量是该分量的等效液态水含量的一个估计。每一个确定的3D风暴单体由两个或更多个在相继仰角上的2D分量构成，垂直相关的过程是一个叠代的过程，从最低仰角开始。由于只用最强的2D分量来确定3D风暴单体, 最终产品实际是一个3D风暴单体质心。这些风暴单体按它们的基于单体的垂直累积液态水(VIL)值排列。

垂直累计液态水含量（VIL)表示的是将反射率因子数据转换成等价的液态水值，并且假定反射率因子是完全由液态水反射得到VIL方程为：

这里M为液态水含量，Z为雷达反射率因子，从每个网格里导出值M, 然后再垂直积分得到VIL。据文献[8]分析VIL有如下优点：能确定大多数强风暴的位置；一旦临界值确定，可用于辨别带有大冰雹的风暴；持续高的VIL值可能与超级单体有关。

风暴单体跟踪方法主要是对在两个相继体扫中识别的风暴单体进行时间相关处理以确定每一个被识别的风暴单体的路径。利用前一体扫单体质心的位置确定目前体扫中该单体的初猜位置。单体跟踪是计算当前与其所有可能匹配的旧单体的当前初猜位置的距离，具有最小距离的匹配被认做与当前识别的单体时间上相关联，认为是同一单体。

风暴单体位置预报是根据单体的运动向量直接外推得到的。单体运动向量的计算使用线性最小二乘拟合从风暴单体目前直到前10个体扫的位置。如果是新单体其移动预报算法处理采用下述二种之一：1)采用所有己被识别单体的平均移动；2)如果没有其它单体被确定，则采用用户直接输入单体运动向量的方式。

目前桂林天气雷达（SB型），用VIL来判断强对流天气是一个很好的指标。从图 3d可以看出，VIL值的大小能反映大多数对流风暴单体的位置。近两年桂林的强对流天气雷达资料统计表明：VIL大于27kg·m^-2有可能出现对流性大风，VIL持续大于48kg·m^-2可能与冰雹超级单体有关，此次冰雹单体的VIL最高达到了70kg·m^-2。经统计，当VIL值稳定在一较高值(一般为48kg·m^-2，此次为60kg·m^-2)和VIL突增（如每小时增20kg·m^-2)，都有可能出现降雹。另外反射率的三体散射长丁特征（TBSS)是大冰雹的充分条件，椐统计，TBSS出现后15到20分钟开始降雹。

5 结语

利用位于桂林的新一代天气雷达对2005年5月5日14一18时发生在桂林的一次典型飑线过程进行了详细的分析。

(1) 飑线天气过程的天气背景特征为：风暴前期高温高能聚集；风暴发生时中低层为暖平流，高层为冷平流；高空槽、切变线和地面低压辐合带几乎垂直，有利于激发深对流的产生。飑线生成于冷锋前沿的地面低压带中，为锋前飑线。

(2) 飑线整体是从距桂林北偏西方150km处往南偏东移动。飑线由一个个小尺度对流单体组成窄带回波。形成飑线的对流单体由飑线的西南端小对流单体生成、发展，沿环境风（西南风）的右侧15°左右移动，逐渐弥合并入飑线，所以为后续线形飑线，同时对流单体在飑线中又分裂，发展，所以同时又为断续线型飑线。

(3) 龙胜大风是由飑线前沿小尺度超级单体造成，从径向速度分析可见明显正负速度对。另外飑线中的中气旋遇到有利地形有可能得到发展，造成了兴安大风。

(4) 荔浦的冰雹是飑线前部西南暖湿气流中的一个右移型超级单体风暴造成的，PPI显示有TBSS特征，垂直剖面有BWER特征，径向速度PPI显示有相邻的正负速度对，表明为中气旋。速度剖面有明显的中低层辐合和明显的上升运动特征。垂直累积液态水含量（VIL)最强为70kg·m^-2。

(5) 新一代天气雷达（CINRAD-SA)产品风暴单体识别与跟踪主要是SCIT算法。对于桂林SB型雷达，目前对强对流天气临近预报可以考虑下面几个方面：前期増温増能状况，冷暖平流分布，高低层天气系统配置，特别要考虑飑线的整体移速（一般为45km·h^-1左右）、飑线内部和前部对流单体的发展和移速（一般为20~30km·h^-1)。

(6) VIL值能反映大多数对流风暴单体的位置，VIL大于27kg·m^-2有可能出现对流性大风，VIL大于48kg·m^-2可能与冰雹超级单体有关，VIL持续维持高值或突増，有可能出现大冰雹。反射率TBSS特征出现后一段时间（15到20分钟）可能有大冰雹产生。