引言

飑线通常是由若干雷暴单体排列成的、狭窄的对流云带组成，具有突发性强，移动速度快和演化迅速的特点，常伴有雷暴、短时强降水、大风、冰雹和龙卷等严重的灾害性天气，给国民经济和人民生命财产带来严重威胁。随着气象现代化监测技术的发展，许多人对飑线系统进行了大量的分析和研究^[1-13]。陶祖钰等^[1]研究表明，2004年7月北京两次过程都发生在季风极度北涌，同时冷空气又强烈南下的经向环流背景下，前者发生在暖湿舌的北端，后者发生在大尺度云带的前沿。王东法等^[2]对飑线个例研究表明，在飑线系统附近辐合主要发生在850 hPa以下, 由于高空槽线的前倾, 位于飑线上空的对流层中低层是一辐散区。杨晓霞等^[3]对一次飑线的形成机制研究表明，在对流性不稳定大气中，高空高位势涡度下传使得中低层位势涡度增大, 导致其垂直涡度增大, 使得对流层低层中尺度涡旋发展, 对流增强；较强的上升运动与风垂直切变相互作用, 促使对流系统发展形成飑线。近年来随着多普勒雷达在天气分析和预报中的应用，对飑线系统的结构特征也有大量的研究^{[4-10, 13]}。

但由于飑线等强风暴系统的时、空尺度相对较小，演变迅速和复杂，致使人们对这种中尺度系统的发生发展与演变机理还缺乏深入的了解，飑线和其带来的强对流天气的预报一直是天气预报中的难点之一，也是气象学者研究和关注的重点之一。飑线的形成机理和监测预报仍是目前气象学中亟待深入研究的重大课题。2009年6月3日、5日和14日接连在淮河中下游产生了三次飑线系统，都伴有雷雨、大风、冰雹等强对流天气，仅3日、5日，强对流天气造成河南、安徽、江苏等省59人死亡，受灾总人口达942万人，直接经济损失达36.8亿元。本文应用常规和非常规气象观测资料、雷达和卫星监测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和NCEP/GFS分析资料，对这三次飑线过程的生成环境和形成机理进行对比分析，以期为飑线天气的预报提供客观依据。

1 三次飑线天气实况分析

2009年6月3日中午开始在山西南部、陕西中部和甘肃南部出现三片雷暴区，呈东北—西南向排列，之后加强向东南方向移动，到达河南北部时形成飑线。3日20—23时飑线在河南北部时发展最强，出现弓状雷达回波，向东偏南方向移动，影响安徽北部和江苏中北部。飑线所经之处造成17~30 m·s^-1的雷雨大风、强降水(≥20 mm·h^-1)和局部冰雹等强对流天气，飑线4日05时在江苏中东部入海。这次飑线以雷暴大风为主，强降水较少，最大1小时降水量在20~36 mm，2站出现冰雹，飑线在内陆历经12小时。时隔1天，5日14时开始，在山东东南沿海和江苏东北部沿海生成飑线，向南偏西方向移动，在山东东南部、江苏、安徽、上海、浙江等地造成雷雨大风、强降水和冰雹等强对流天气，雷暴大风的极大风速在17~31 m·s^-1，最大1小时强降水在20~51 mm，21站出现冰雹，历时12个小时，6日02时在安徽南部和浙江中部减弱消失。6月14日14时开始，在安徽北部又生成飑线，向南移动，影响河南东部、安徽中东部和江苏西部。飑线带来雷雨、大风和冰雹等强对流天气，极大风速在17~29 m·s^-1，1小时最大降水量20~65 mm，18站出现冰雹，冰雹最大直径30 mm。飑线在14日23时在江苏南部减弱消失。这次过程的极大风速稍偏小，强降水偏强，冰雹直径较大，历经仅7个小时。在这三次过程中，5日下午到夜间的雷暴大风的范围最大，强降水和冰雹也比6月3日的范围大、强度强，14日的强降水和冰雹范围较大。三次飑线都是在35°~36°N、115°~120°E区域内生成，向南移动，在29°~35°N、115°~122°E的范围内活动，在29°~31°N、115°~122°E区域内消失，主要影响河南北部和东部、安徽和江苏等省。

2 环流特征和影响系统分析

分析500 hPa高空环流形势可见，这三次飑线过程都是产生在当天08时东北低涡的西南部较强的西北气流控制下，西北风风速在12~18 m·s^-1，不同的是6月3日08时、14日08时在41°~42°N、110°~120°E附近范围内均有一横槽随西北气流南移下滑，而在5日的过程中则有持续的16~20 m·s^-1槽后西北气流。补充冷空气南下，分别在当日20时影响河南北部、安徽北部和江苏北部等地，在上述500 hPa温度场上均为冷槽区，温度在-12~-14 ℃之间。低层850 hPa上，3日08时和14日08时在未来飑线活动区有明显的风切变，而5日08时850 hPa在未来强对流活动区为一致的西北气流(图略)，三次过程在850 hPa温度场上都为暖脊控制，温度在16~20 ℃之间，风向都与等温线有一定的交角，从暖区吹向冷区，有暖平流，有利于大气向不稳定层结发展。850 hPa与500 hPa之间的温度差在31~35 ℃。大气上冷下暖，形成不稳定层结。高层为较强的西北风，低层风较弱，850~500 hPa有较强的风向/风速垂直切变(图 1a、b)。不稳定层结和较强的风垂直切变都有利于对流产生。

在地面气压场和风场上，当天08时，三次过程的地面气压场非常相似，强对流都是产生在从西向东伸展的低压槽中，风场上有弱的气旋性环流和风向辐合，都为暖湿切变线(图 1c)。3日08时在河套地区有一低压中心，低压槽向东南方向伸展到河南北部，在淮河下游，也就是未来飑线经过的区域为鞍型场的中心；5日08时华东北部为较深的低压槽区，14时在低压槽和风的辐合线附近生成对流云团，发展南移形成飑线；14日08时在飑线生成的黄淮地区也为低压槽区，在低压槽中心和风的辐合中心生成对流云团，向东南移动发展成飑线。

3 卫星云图和雷达回波特征

在三次飑线的FY2D-IR1卫星云图上都是由近于圆形的对流云团产生，边缘整齐。2009年6月3日12：00时在山西中部生成对流云团，发展并向东南方向移动，16：00时移到河北南部和河南北部，19：00时演变成由多个小对流云团组成的东北—西南向的云带，一椭圆形的小尺度的对流云团位于商丘上空，快速发展，21：00时在河南北部和山东西南部发展成边缘整齐的椭圆形的中尺度对流云团，向东偏南方向移动，4日03：00时在连云港附近进入黄海，之后减弱消失。在对流云团的东南部产生雷雨、大风、局部地区冰雹。从雷达组合反射率拼图中可以看到，3日19：00时在郑州的东北方向生成块状回波，最强回波强度达到60 dBz，快速发展并向东偏南方向移动，19:50时在河南与山东交界处发展成带状回波(图 2a，b，c)，21:50时移到商丘附近时发展成弓状回波，产生雷雨大风。22：30时开始，在江苏北部生成由多个小对流单体组成的东南—西北向的对流回波带，与弓状回波的北端相衔接，23:00时在安徽和江苏境内形成人字型回波。4日00：00时发展到最强，4日00：40时开始减弱。回波在江苏境内向东南方向移动，05：50时移出江苏到达东海。受弓状回波和人字形回波的影响，河南北部、安徽北部和江苏中北部产生雷雨大风。

6月5日产生强对流天气的对流云团是在自西向东移动的东北—西南向的对流云带的南端发展起来的。5日11：00时，对流云团移到山东半岛的南部时重新发展，并且沿着山东半岛南部的海岸线向西移动发展。与此同时，在江苏中部新生对流云团，快速发展。13：00时分别在鲁东南和江苏中部发展成两个近于圆形的对流云团，分别向西南和东南方向移动，15：00时两个云团在江苏中部沿海相衔接，北部的云团向西南方向移动，南部的云团向东南方向移动。南部的云团18:00时在长江入海口进入东海，减弱消失。北部的云团在向西移的过程中加强，19:00时在安徽和江苏交界处发展成近于圆形的对流云团，向南偏西方向移动，22:00时在安徽南部和江苏南部明显减弱，23:00时以后减弱消失。对流发展期间有三个圆形的对流云团生成，经历了合并、分离、再生的过程。在雷达回波上，5日14:30时在山东东南沿海和江苏沿海及中部发展成条状和带状回波，向偏南方向移动，14：50时，江苏南部的回波发展成弓状(图 2d，e，f)，向东南方向移动，17:00时弓状回波到达长江口时，在其回波的西部太湖附近生成新的回波单体，迅速发展。与此同时，16:40时在江苏和安徽中部新生大片的回波单体，向偏南方向移动发展。17：20时，在上海与杭州之间新的弓状回波发展，其东段回波移到东海减弱。18:00时弓状回波移到杭州湾上空，在江苏西部的北段回波已进入安徽境内。18:20时在安徽东北部的回波发展成弓状，19：30时弓状回波消失，发展成由多个对流单体组成的片状回波。20:10时，在南京至马鞍山一线又有弓状回波发展，向南移动，在21：00时达到最强，在弓形回波的西北部有多个新生的回波单体发展，21:40时，在弓形回波的西北部形成强的带状回波，同时在合肥附近又有弓状回波发展，两个回波同时向南移动，在22：30时开始减弱。23:00时以后在浙江北部和安徽南部消失。对流期间有三个弓状回波发展。

6月14日的对流云团，12：00时在山东南部发展，向东南方向移动，13:00时进入江苏境内，14:00时开始在江苏北部和安徽北部迅速发展，15:00时开始形成椭圆形的边缘整齐的对流云团，18:00时移到江苏中部时发展成近圆形的对流云团，强度达到最强，19:00时开始减弱，20:00时以后在江苏南部减弱消失。18:00时开始在河南东部又有对流云团发展，19:00时发展成近圆形，向东南方向移动，影响安徽北部，23:00时开始减弱，15日02:00时以后在安徽和江苏中部减弱消失。由6月14日的雷达组合反射率拼图可见，12:20时在鲁南和鲁中有多个小对流单体发展，形成东北—西南向的对流回波带，向东南方向移动。13:00时其西南端进入江苏北部，13:30时在回波带的西部即安徽北部有回波发展。16:30时，在江苏和安徽的北部发展成由多个回波单体排列成的弓形回波(图略)，在安徽和江苏的交界处发展向南偏东方向移动，17:50时到达蚌埠附近，继续南移，18:50时弓状回波到达南京附近时有所减弱，之后在向东南移动的过程中弓形回波变得越来越不明显，回波强度逐渐减弱，回波范围逐渐减小。23:40时回波在浙江北部减弱消失。历时约10个小时。

从三次强对流期间的云图演变可见(图略)，这些对流云团的生命史在2~6个小时，在其移动方向的前部产生雷雨大风、短时强降水和冰雹。成熟期的对流云团边界的云顶亮温梯度较大。在对流云团成熟期，3日23:15时近于圆形的冷云盖为TBB小于-42 ℃的等值线所包围，云顶最低亮温为－52 ℃，5日20:15时和14日18:15时近于圆形的冷云盖为TBB小于-52 ℃的等值线所包围，云顶最低亮温为－62 ℃。可见3日的对流云团云顶高度低于后两次云顶高度。在雷达回波上都有弓状回波发展，3日和14日的强对流天气只有1个弓状回波系统，而5日强对流期间则有3个弓状回波系统发展。

4 水汽和不稳定条件分析 4.1 水汽条件分析

形成强对流的三个重要条件为：水汽、不稳定和抬升。分析反映大气中水汽条件的物理量参数水汽通量、比湿和相对湿度可见，在三次飑线过程中，水汽主要集中在850 hPa以下，在飑线产生前12小时内，向飑线活动区输送的水汽较少，水汽通量基本上都小于5 g·(cm·hPa ·s)^-1。6月3日飑线活动区的水汽来源于低层江苏东部沿海的偏东气流的输送，水汽通量的高值舌从江苏东部沿海伸向飑线活动区；5日飑线活动区的水汽来源于渤海，由偏北气流输送，水汽通量的高值舌从山东北部伸向江苏和安徽；14日的水汽来源于东部沿海，由东南气流输送，江苏南部为水汽通量的高值中心(图 3)。大气湿度较低，在飑线活动区低层850 hPa以下为弱湿舌区或等湿线梯度密集区，比湿在6~12 g·kg^-1，相对湿度在40%~70%的区域(图略)。

4.2 不稳定条件分析

分析三次飑线活动区对流不稳定能量(CAPE)和抬升指数(LI)的分布和变化可见，2009年6月3日08时在河南东部和安徽为高能区和对流不稳定区，河南东北部的商丘附近为高能中心，CAPE的中心值达到1300 J·kg^-1 (图 4a)，LI达到-6 ℃(图略)。3日下午到夜间的飑线产生在高能中心和向东南方向伸展的高能舌区及层结不稳定区。5日08时(图 4b)在山东东南部、江苏、浙江北部为高能区，两个高能中心分别位于江苏北部和南部，CAPE的高值中心的中心值分别为1100 J·kg^-1和1600 J·kg^-1，在安徽北部为低值区，低值中心为100 J·kg^-1，14时，山东东南部、安徽北部和江苏的能量升高，江苏北部的CAPE中心值达到1300 J·kg^-1，安徽北部变成了CAPE在500~1000 J·kg^-1的高能舌区，说明有能量积累；5日08时，在山东、江苏、安徽、浙江北部和河南上空LI为负值区，负值中心位于浙江北部和河南上空，中心值达到-5~-6 ℃，大气强烈的不稳定，非常有利于强对流发展。5日下午到夜间，在高能中心附近和层结不稳定中心产生强对流，6日08时，江苏和安徽北部的对流不稳定能量明显减弱，高能中心移到安徽南部，在江苏和安徽境内LI变成了正值。说明有能量释放，大气由不稳定层结变成了稳定层结；14日08时(图 4c)，在江苏和安徽也为高能中心和不稳定中心，但对流不稳定能量比前两次小，高能中心位于安徽和江苏两省交界处，中心值为900 J·kg^-1。在江淮流域抬升指数为负值(图略)，中心位于长江下游，中心值达到-5 ℃，大气层结不稳定。14日下午到夜间，在高能中心和层结不稳定中心产生强对流天气。由此可见，三次强对流天气都是产生在对流有效位能的高值区和抬升指数的负值区。CAPE的中心值在900~1600 J·kg^-1，LI的中心值在-5~-6 ℃。

5 动力条件分析 5.1 低层辐合触发条件

从以上分析可见，在强对流发生的区域，大气中储备了较高的对流有效位能，大气层结不稳定度也较高，这是产生强对流天气的内因，动力触发作用是产生强对流天气的外因。分析散度场的分布可见，三次强对流过程，低层850 hPa以下都有明显的辐合，在700 hPa附近有明显的辐散，高层又有辐合和辐散相间出现。6月3日20时925 hPa辐合中心在河南北部(图 5a)，正位于对流有效位能的高值中心和抬升指数的负值中心附近。辐合产生的上升运动触发对流不稳定能量释放，产生强对流。

5日08时925 hPa在山东中部和长江口附近生成中尺度辐合中心，14时(图 5b)辐合区扩大，覆盖山东、江苏和安徽。辐合区也与对流有效位能高值区和抬升指数的负值中心相叠。5日下午到夜间的强对流也在辐合区和对流有效位能高值区及抬升指数负值区发展。14日14时华东沿海的东南风增大，在山东、江苏、安徽和河南境内产生风速辐合(图略)，辐合区也与对流有效位能的高值区和抬升指数的负值中心相对应，14日下午到夜间也在三者相重合的区域产生强对流天气。三次强对流都是产生在辐合区与高能区及层结不稳定相重合的区域，说明低层辐合产生的上升运动触发对流不稳定能量释放，产生强对流。

分析垂直速度分布可见，在强对流期间，低层有明显的上升运动发展。3日20时沿116°E垂直剖面中，在强对流发展区34°N附近，850 hPa附近为上升运动中心，中心值达到-9×10^-4 hPa·s^-1，上升运动持续到600 hPa，两侧为下沉气流，形成经向垂直环流圈，强对流产生在两个中尺度垂直环流圈的上升支气流中，低层900 hPa以下为辐合，高层600 hPa附近为辐散中心(图 6a)。5日20时沿117°E的垂直剖面中，在强对流区的34°N附近，强对流区为较强的向南和向东的斜升运动，上升运动从低层一直伸展到200 hPa，中心在750 hPa附近，中心值-7×10^-4 hPa·s^-1，上升运动的两侧为下沉运动，高层为较强的西北气流，在强对流区的南部和东部形成垂直环流，中心在850 hPa附近(图 6b)，在低层900 hPa以下有东南气流汇入到强对流区的上升运动中。在14日20时沿117°E的垂直剖面中，33°N附近强对流区上空上升运动中心在850 hPa附近(图略)，在33°N的中心值为-5×10^-4 hPa·s^-1，上升运动同样一直到达200 hPa。强对流发展区的周围为下沉运动，在其南部和东部形成垂直环流圈，中心在850 hPa附近，900 hPa以下的偏东和偏南气流汇入到上升气流中。三次过程对比来看，都有中尺度垂直环流圈，强对流的上升运动区范围在2~4个纬度，即200~500 km。辐合都在850 hPa以下的低层，高层有辐散相对应。3日的上升运动中心高度较低，但上升运动强，5日和14日的上升运动虽然强度略小，但向上的伸展高度都达到大气顶层。

5.2 中高层干冷空气侵入

分析θ_se的垂直分布可见，在对流产生的当日08—14时，中高层700~500 hPa都有一股干冷的偏北下沉气流叠置在低层的暖湿空气之上，干冷空气对应着θ_se的低值区，低值中心在600~550 hPa，中心值在-44~-48 ℃(图 7)。上午随着地面的辐射加热，低层空气迅速增暖，850 hPa以下的θ_se迅速增大，14时在低层形成高值中心，高值舌向北向上伸展，到达700 hPa附近。低层与中高层之间的θ_se之差也迅速增大，14时低层近地面附近975 hPa与中层550 hPa附近的θ_se之差达到12 ℃以上。高层干冷的偏北下沉气流叠置在低层较暖的弱上升空气之上，使得上冷下暖的空气产生不稳定层结。

5.3 较强的风垂直切变

以往的研究表明^[10]，强的风垂直切变对一般雷暴不利，而对有组织的雷暴系统发展有利。选取对流发生区域的郑州和南京两探空站，分析对流产生前当日08时风的垂直分布(图 8)可见，500 hPa以下的风速都较小，在4~6 m·s^-1，500 hPa以上风速随高度迅速增大，在250~200 hPa风速达到最大，26~44 m·s^-1。3日08时在郑州上空，低层为东南风，风随高度顺时针旋转，到700 hPa转为西北风，风向随高度顺时针旋转有暖平流，说明低层在增暖，层结不稳定度增大，有利于产生对流。5日08时和14日08时南京上空都为一致的西北气流，低层风较小，700 hPa以上风速随高度迅速增大。环境场的风随高度增大，有较强的风垂直切变，水平涡度发展，形成水平涡管。上升气流和垂直风切变相互作用，使得水平涡管向垂直方向倾斜，垂直涡度增大，有利于形成有组织的对流风暴。较强的风垂直切变能够使上升气流倾斜，使上升气流中形成的降水质点向前脱离上升气流，而不会因拖带作用减弱上升气流的浮力；垂直风切变还增强中层干冷空气的侵入，加强风暴中的下沉气流和低层冷空气外流，再通过强迫抬升使得入流的暖湿气流更强烈地上升，从而加强对流。风垂直切变和上升运动相互作用，使得对流进一步加强，发展成有组织的飑线系统。

6 小结

上述分析表明，2009年6月三次飑线天气过程存在如下共同特点，可以为今后同样条件下飑线天气预报提供依据。

(1) 有利的天气形势：关注在500 hPa东北低涡的西南部弱的横槽南下时，中高层冷空气叠置在850 hPa暖脊之上，850 hPa上有暖平流和弱的风切变或风辐合，地面上为从西向东伸展的低压槽。

(2) 较强的不稳定能量积累：飑线产生在对流有效位能CAPE的高能中心和抬升指数LI的负值中心附近，CAPE的中心值在900~1600 J·kg^-1，LI的中心值在-5~-6 ℃。

(3) 适量的水汽条件：在飑线活动区，低层850 hPa以下有弱的水汽输送，飑线形成在弱湿舌区或等湿线梯度密集区，比湿在6~12 g·kg^-1，相对湿度在40%~70%的区域。

(4) 适当的触发机制：对流产生前和对流期间，低层辐合上升触发对流不稳定能量释放产生剧烈的上升运动；中高层700~500 hPa有干冷的弱下沉气流，叠置在低层暖空气之上导致上下层温差迅速增大，形成明显的不稳定层结现象。

(5) 合适的动力条件：较强的风垂直切变，水平涡度增大，形成水平涡管，使得对流进一步加强，发展成有组织的飑线系统。

(6) 直观的观测事实：在卫星云图上，有近于圆形的对流云团发展，边缘整齐；在雷达回波上，有弓状回波发展。