引言

冷涡常能带来冰雹、雷暴、大风和短时强降水等强对流天气，是造成中国东北、华北和西北地区强对流天气的重要天气系统(房一禾等，2016；傅慎明等，2015；何晗等，2016)。64%的飑线与冷涡有关(唐晓玲等，1997)，飑线的发生发展过程中会伴随着强对流天气。因此研究冷涡背景下飑线的特征及其与冷涡的关系对冷涡背景下形成的强对流天气的研究和预报有重要意义。国内外不少专家学者针对飑线过程进行过深入研究。Bluestein等(1985)总结出中纬度飑线可能有断线型(broken line)、后续线型(back building)、离散区线型(broken areal)和嵌套区线型(embedded areal)四种形成方式。Parker等(2000)指出飑线的组织模式可分为三种：trailing stratiform(TS)、parallel stratiform (PS)和leading stratiform(LS)。Jirak等(2003)、Maddox(1980)研究指出大多数的中尺度对流系统(mesoscale convective system, MCS)形成于下午到傍晚，在夜间达到最大，在清晨消亡。Meng等(2013)对2008—2009年中国东部的飑线进行统计分析指出：冷涡是飑线产生时的6种常见天气系统之一。余志敏(1988)指出东北冷涡背景下飑线初始回波多于中午或者午后在河北北部山区产生，在由山区移向华北平原的过程中发展增强。陈贵川等(2013)指出“地面冷空气触发西南涡其东侧辐合上升运动强烈发展，高层强辐散，因而产生了对流性暴雨天气过程”。白人海等(1997)指出飑线这类强对流系统发生的天气尺度条件可以归纳为丰富的水汽、条件不稳定层结和抬升气块到凝结高度的启动机制等。冷涡常能带来冰雹、雷暴、大风和短时强降水等强对流天气，是造成中国东北、华北和西北地区强对流天气的重要天气系统。杨涵洧等(2012)指出东北冷涡出现后具有一定的静止性并可以持续发展，一般可维持四五天，最多可达十余天。64%的飑线与冷涡有关(唐晓玲等，1997)，飑线的发生发展过程中会伴随着强对流天气。王磊等(2013)指出我国东北和华北地区在冷涡背景下易产生MCS。杨吉等(2015)指出雷达资料具有时空分辨率高和覆盖范围广的优点，因此在MCSs的研究中被广泛应用。

飑线与冷涡关系密切，冷涡背景下飑线过程有其特点，但前期的研究大都集中在从个例中探讨冷涡背景下的某一次飑线的特征变化，而对于冷涡背景下飑线的统计特征分析较少。本文依据飑线的定义，挑选出73个冷涡背景下17条飑线，并对飑线的时空分布、移动特征、形成、消散方式以及飑线和冷涡的关系等方面进行详细分析，以期提高对冷涡背景下的飑线过程的认识，提高冷涡背景下的强对流天气的预报准确率。

1 冷涡及飑线的定义 1.1 冷涡的定义与识别

本文所研究的冷涡包括东北冷涡、蒙古冷涡及华北冷涡。冷涡的定义采用孙力等(1994)，郁珍艳等(2011)，张仙等(2013)的定义。将500 hPa上天气图上35°~60°N、85°~145°E范围内出现闭合等高线，并配合有冷中心或冷槽，持续时间在2 d及2 d以上的低压环流系统定义为冷涡。根据冷涡定义，利用中国气象局提供的每日两次的500 hPa天气图资料，2008—2013年4—9月共识别出73个冷涡过程，平均持续3~7 d。

73个冷涡的形成期和成熟期位置的地理分布如图 1所示。冷涡主要在蒙古地区形成(图 1a)，大都在我国东北地区发展成熟(图 1b)，极个别的在我国的华北地区。冷涡中心主要位于东北地区到贝加尔湖以东地区。产生飑线的冷涡形成位置主要为两个地区：贝加尔湖东北部到我国之间和我国东北地区的北部。大都在我国东北地区发展成熟。冷涡大都随西风带系统自西向东移动。

1.2 冷涡背景下飑线定义及识别

对于飑线的定义，众多学者进行了定义。Chen等(1993)定义为：(1) 降水回波12 dBz区域的长轴至少150 km，并连续存在5 h以上。(2) 成熟阶段，最大雷达反射率达到36 dBz以上，长宽比例3：1以上。Geerts(1998)用于筛选飑线的定义：(1) 雷达反射率>20 dBz区域的长轴至少为100 km，并持续4 h以上。(2) 雷达反射率的>40 dBz的区域持续2 h以上。(3)40 dBz区域的长宽比例5：1以上。Parker等(2000)对于飑线的定义：(1) 一个连续的或准连续的40 dBz反射带延伸至少100 km持续3 h以上。(2) 线性或准线性对流区有一个明显边界。Meng等(2012)的定义：(1) 一个连续的或者准连续的40 dBz反射带延伸至少100 km持续3 h以上；(2) 线性或者准线性对流区有一个明显的边界；(3) 镶嵌有40 dBz区域的35 dBz区域是严格连续的。

本文冷涡背景下的飑线是指在有冷涡发生的前提下(冷涡的形成期、成熟期、消亡期均可)，从10 min一次的雷达拼图上看满足以下几个条件：(1) 一个连续的或者准连续的40 dBz反射带延伸至少100 km持续3 h以上；(2) 线性或者准线性对流区有一个明显的边界；(3) 镶嵌有40 dBz区域的35 dBz区域是严格连续的。按照这个定义对飑线进行筛选。飑线在雷达上的特征如表 1。

2 冷涡背景下飑线时空分布特征 2.1 飑线的空间分布 2.1.1 飑线的地理位置

根据飑线的标准，普查发现发生在冷涡背景下的飑线一共有17条，73个冷涡中有11个冷涡背景下产生了飑线，占冷涡总数的15%。由图 2可见：飑线主要形成于我国江淮流域(山东、河南、安徽、江苏)、华北地区(河北、北京)和东北地区(辽宁、吉林)，形成在江淮流域的飑线数量最多，长度居中; 形成在华北地区的飑线数量次之，比较长; 形成在东北地区的飑线较短，数量最少。从飑线成熟时期位置和地形图的结合，可以看出，飑线大多在海拔较低的平原地区发展成熟，这可能是由于平原地区，低层暖湿气流供应充沛(余志敏，1998)。

2.1.2 飑线与冷涡的位置关系

为了研究冷涡与飑线的位置关系采用动态合成的方法进行研究，它不同于一般意义的合成，此方法可以减少在平均时造成样本物理量的互相抵消，使得两种系统保持相对的完整。本文参考Gray等(1979)的方法，公式如下：

${\bar S_t}\left( {x,y} \right) = \frac{1}{N}\sum\limits_{n - 1}^N {{S_t}\left( {x,y} \right)} $

式中, S_t(x, y)为样本平均场，S_t(x, y)为t时刻物理量场，本文的t=1，即只有一个时刻，(x, y)为所选区域的坐标，N为样本个例总数。在动态坐标中，系统的中心位置始终是位于研究区中心的。

图 3可见：在冷涡的不同时期都可以发生飑线。飑线主要发生在冷涡形成期(8条)，形成在冷涡的东南部。发生在冷涡成熟期的飑线数量次之(6条)形成在冷涡的西南部。也有可能发生在冷涡的消亡期(3条)，形成在冷涡的西南部。

总体来看，飑线一般形成在冷涡的南部。这与白人海等(1997)、易笑园等(2010)和王磊等(2013)的研究中指出：强对流天气一般出现在冷涡南部的结论是一致的。在冷涡的不同时期形成的飑线与冷涡的相对位置不同，在冷涡的形成期产生的飑线大都位于冷涡的东南部，而在冷涡的成熟期和消亡期产生的飑线都位于冷涡的西南部。冷涡的南部各层系统的配置有利于引发对流天气。低层由南向北的偏南风将洋面的暖湿气流源源不断地输送至我国大陆地区，高空西风急流将干冷空气输送到我国北方地区，上干下湿提供了层结不稳定条件。低层有切变线存在，在冷涡的南部易形成飑线。

冷涡的南部通常是冷暖空气的交界处，冷涡西部常有冷空气不断补充南下，冷涡的三维结构有利于飑线垂直结构的形成，冷涡系统能造成低空辐合，高空辐散，形成上升运动，且冷涡的南部有利于不稳定层结的形成，为飑线提供有一个有利的天气背景和物理条件(白人海等，1997)，从而易形成飑线。

2.2 飑线的时间分布特征 2.2.1 月变化

本文统计的冷涡包括东北冷涡、华北冷涡、蒙古冷涡，5月是蒙古冷涡的多发季节(郜彦娜，2013)，图 4可见，本文统计的冷涡高发期也是5月, 冷涡背景下的飑线基本发生在6、7和8月，其中7月的飑线10条(约58.8%)，此时是飑线产生的高峰期，发生在6月的飑线为6条，8月的飑线只有1条。7月西太平洋副热带高压发生第二次季节性北跳，季风不断带来暖湿气流，水汽充足，在冷涡背景下易产生不稳定层结，容易产生飑线过程。

2.2.2 日变化

飑线的发生有明显的日变化，从图 5可以看出，冷涡背景下飑线的形成时间(飑线40 dBz区域出现的时间)午后到傍晚(12—18 BT)为高峰期(9条)，约一半(52.9%)的飑线在此时段产生。这可能是由于在午后，太阳辐射，导致地表升温，上升速度加快，对流发展旺盛，有利于对流系统的产生(王磊等，2013；Jirak et al，2003；Maddox，1980)，且在冷涡系统下容易形成位势不稳定层结，因此易形成飑线。

飑线的成熟时间在16—18时的有6条，此时为飑线成熟期的高峰期，飑线成熟期发生在18—24时的有5条，飑线一般在午后到夜间发展成熟，在上午时段较少，飑线一般在夜间减弱消失。

2.2.3 生命史和最大强度

10条(占58.8%)飑线的生命史为6 h以上。而Meng等(2013)中国东部飑线中61条(占64.8%)飑线的生命史为3~5 h，Meng等(2012)所有台前飑线的生命史均为3~5 h，生命时长较短。冷涡背景下飑线最大强度为60~65 dBz的飑线有10条(约为64%)，Meng等(2012)对中国东部飑线的统计表明64.7%的飑线强度为55~60 dBz。冷涡背景下的飑线过程均为强飑线过程，生命史长，强度大。这可能与冷涡的生命周期较长有关，在冷涡背景下，持续不断的冷空气对对流的触发和对飑线的组织和维持机制需要做进一步的分析研究。

2.2.4 飑线与冷涡的发展阶段关系

本文根据500 hPa位势高度场的演变趋势作为划分冷涡不同阶段的标准，冷涡的发展增强阶段：500 hPa闭合等高线值降低至最低值的过程。冷涡成熟阶段：500 hPa闭合等高线值较前后时刻增强或减弱趋势不明显。冷涡的消亡阶段：闭合等高线值从最低值开始减弱。

飑线在冷涡的各个阶段都可以产生，尤其是冷涡的形成阶段较多(8条)，在冷涡的成熟阶段产生的飑线数量次之(6条)。消亡阶段生成的飑线最少(3条)，与冷涡背景下MCS形成情况一致(王磊等，2013)。产生在冷涡的形成期的飑线基本出现在我国的华北、东北地区，飑线的强度较小(55~60 dBz的有6条)，持续时间比产生在冷涡成熟期的飑线短(一半在4~5 h内)，冷涡形成期产生的飑线的移动速度大部分均在10~14 m·s^-1内，产生在冷涡的成熟期的飑线最大雷达反射率均在60~65 dBz，均在5 h以上，移动速度也较快，均在18 m·s^-1以上。

中尺度天气多发生在冷涡发展和维持阶段，白人海等(1997)指出在冷涡的发展维持阶段，温压结构不稳定、大气斜压强，这种不稳定形式有利于强对流的发生，在一定组织条件下可形成飑线。飑线也会产生在冷涡的消亡期，可能是由于当冷涡逐渐减弱，槽后还有源源不断的冷空气补充的缘故。

3 冷涡背景下飑线的移动特征 3.1 移动方向

将飑线的形成(40 dBz区域第一次出现的时刻)、成熟(飑线达到最大长度的时刻)、消散(飑线不再维持最大长度时刻)位置(形心位置)点绘在图中，并将三个位置连接，即飑线的移动路径(图 6)。从图 6a中可以看出，冷涡背景下的飑线一部分受西风带系统影响自西向东偏南方向移动。另一部分(图 6b，6c，6d)由西北向东南方向移动，这可能是由于多单体结构风暴的运动是平流和传播的合成(吴正华等，1992)。飑线的移动与对流回波、出流边界以及引导气流等相关(郑媛媛等，2014)，再加上冷涡系统的影响，所以冷涡背景下飑线的移动方向存在不一致性。

3.2 移动速度

冷涡背景下的飑线的移动速度比台前飑线(Meng et al，2012)的移动速度均较大，82%的台前飑线移动速度在14 m·s^-1以内，而本文统计的飑线一半以上(58%)在14 m·s^-1以上。飑线离冷涡中心越近，飑线的移动速度越慢。靠近冷涡中心的三条飑线，速度均在10~14 m·s^-1，远离冷涡中心位置的飑线的移动速度较大，但又存在差异，有9条飑线的移动速度达到了18 m·s^-1以上，占52.9%。

发生在冷涡不同阶段的飑线移动速度不一样，在冷涡形成期产生的飑线的移动速度明显比在冷涡成熟期产生的飑线的移动速度慢，在冷涡形成期产生的飑线的移动速度大部分均在10~14 m·s^-1，而在冷涡成熟期产生的飑线的移动速度均在18 m·s^-1以上，最大的达到了26 m·s^-1。这可能是由于在冷涡的发展成熟阶段，对流发展旺盛。

4 冷涡背景下飑线形成与消散方式 4.1 冷涡背景下飑线的形成方式

Bluestein等(1985)将飑线的形成方式分为四类(图 7)：(1) 嵌套区线型(embedded areal，EA)：中尺度对流回波带嵌在大片降水回波中而形成飑线。(2) 断续线型(broken line，BL)：在低层辐合带上，当对流发生的条件成熟时，沿辐合带不断形成小的对流单体，形成飑线。(3) 离散区线型(broken areal，BA)：小的对流单体大片零星形成，一旦受到某种中尺度系统的组织，零星单体集合成带，镶嵌移动或者传播形成飑线。(4) 后续线型(back building，BB)：在低层辐合带的某一部分不断有对流单体生成，或在老单体后部生成新单体并与老单体合并，移出的单体不断发展成熟，最后形成飑线。根据此分类方案，如表 2本文统计飑线的形成方式中主导方式为EA型，共10条飑线(图 8a~8j)，比例达58.8%。Meng等(2013)对中国东部飑线统计中EA型有20条，占21%，Bluestein等(1985)对Oklahoma春季飑线的统计中EA型有5条，占12.5%，本文统计的飑线有4条形成方式是BL型(图 8k~8n)，占23.5%。Meng等(2013)统计的中国东部飑线中BL型占38%，Bluestein等(1985)对Oklahoma春季飑线的统计中BL型有14条，占35%。本文统计的形成方式为BA型(11.8%，图 8o，8p)和BB型(5.9%，图 8q)的飑线所占的比例低于Meng等(2013)所统计的结果(BA 19%，BB 22%)和Bluestein等(1985)对Oklahoma春季飑线的统计结果(BA 20%，BB 32.5%)。

冷涡背景下的飑线过程大都伴随着短时强降水(14条)，3条飑线伴随着冰雹天气。最大短时降水可达112 mm·h^-1。图 9a~9d显示的是2013年7月1日一次嵌套区线型(EA)飑线过程，在飑线的形成过程中，对应地区均出现短时强降水(黑框内区域降水为20 mm·h^-1以上)。图 9e~9h显示的是断续线型(BL)，对流单体一边发展，一边逐渐弥合组成一带状对流回波并向前移动，形成飑线，伴随此次过程的短时强降水在16时达最大61 mm·h^-1。图 9i~9l显示的是2009年6月5日江苏、安徽交界处的一次离散区线型(BA)飑线过程，小时雨量在19时最大达42 mm·h^-1。图 9m~9p显示的是2011年8月1日吉林省和内蒙古交界处的一次后续线型(BB)飑线过程，这种形成方式的飑线范围比其他形成方式的飑线的长度宽度都小，小时雨量在17时达最大47 mm·h^-1。

图 10是形成方式为EA型的飑线过程：在冷涡的东南部出现大片降水回波。在00时(图 10a)大片降水回波中出现对流单体，06时(图 10b)降水回波内的对流单体个数增多，12时(图 10c)多个对流单体发展合并成线状，飑线发展成熟。图 10所示伴随飑线的形成过程925 hPa有辐合线出现，飑线沿辐合线形成。925 hPa上超低空急流由湖北一直伸至河北中部，南方暖湿空气源源不断地向北输送。飑线成熟阶段对应地区水汽通量散度为负(图 10c)，水汽供应充足，为飑线的发生提供了很好的水汽条件。

在冷涡背景下，冷涡的南部往往有很强的自南输送来的水汽通量，南方潮湿空气源源不断的输送至冷涡前半部分，而且在冷涡的前半部易存在水汽辐合，在冷涡的前部容易有不稳定层结的形成(白人海等，1997)，东北冷涡型强对流区域850 hPa或925 hPa有辐合线存在(郑媛媛，2014)，Meng等(2013)指出EA型飑线多产生于高潮湿环境中。因此冷涡背景下易形成EA型飑线。

4.2 冷涡背景下飑线的消散方式

根据Meng等(2013)对飑线消散方式的分类方法将飑线分为三类(图 11)：(1) 颠倒破碎面型(reversed broken areal，RBA)：对流带逐渐消散，变成分散的对流单体。(2) 倒虚线型(reversed broken line，RBL)：连续的40 dBz带分解成几个对流细胞并逐渐消散。(3) 收缩线型(shrinking line，SL)：40 dBz带连续收缩，飑线逐渐消散。根据本文的统计，冷涡背景下飑线中RBA型有10条，4条为RBL型，收缩线型SL有3条，SL型所占比例最少。如图 12所示，EA型飑线的消散方式大部分为RBA型。

飑线消散阶段也会伴随着短时强降水，强度明显比飑线形成过程弱。图 13为三种典型的飑线消散方式的雷达回波拼图，其中图 13a~13c是2009年6月5日安徽境内的一次飑线过程，这次飑线过程的消散方式呈明显的倒虚线型。图 13d~13f为2013年7月2日河南境内的一次飑线过程，此次飑线过程的消散方式呈现典型的收缩线型，此过程中21时的小时雨量达16 mm·h^-1。图 13g~3i为2008年6月2日江苏境内的一次飑线过程，其消散方式呈典型的颠倒破碎面型。

5 结论

本文探讨的2008—2013年期间冷涡背景下飑线的时空特性和冷涡的关系等，基于500 hPa天气图识别筛选出冷涡过程、利用雷达资料是被筛选出飑线过程，利用FNL资料等，对冷涡背景下飑线进行统计分析，并得出下面几点结论：

(1) 2008—2013年6年共识别出73个冷涡，主要形成在蒙古和我国东北地区。73个冷涡过程共识别出了17条飑线，飑线主要形成于我国江淮流域、华北地区和东北地区。

(2) 冷涡背景下的飑线基本发生在6、7和8月，约58.8%发生在7月，而且冷涡背景下飑线的发生有明显的日变化，约52.9%的飑线发生于午后到傍晚。

(3) 冷涡背景下的飑线主要形成在冷涡的南部，东南部也有一小部分。在冷涡的不同时期形成的飑线与冷涡的相对位置不同，在冷涡的形成期产生的飑线大都位于冷涡的东南部，而在冷涡的成熟期和消亡期产生的飑线都位于冷涡的西南部。

(4) 冷涡背景下的飑线一部分受西风带系统影响自西向东偏南方向移动，另一部分由西北向东南方向移动，但是由于受对流回波、出流边界引导气流和冷涡系统的影响，具体移动方向具有不一致性。冷涡背景下的飑线移速较快。

(5) 本文统计的冷涡背景下飑线过程大都伴随短时强降水，主要形成方式为嵌套区线型(EA型)，主要消散方式为颠倒破碎面型(RBA型)，EA型飑线多产生于高潮湿环境中，东北冷涡往往伴有很强的向北输送的水汽通道，使水汽源源不断地从南向冷涡前半部输送，且在那里辐合，水汽供应充足。