2020, Vol. 46 
2. 江苏省气象科学研究所, 南京 210009；
3. 南京气象科技创新研究院, 南京 210009
2. Jiangsu Institute of Meteorological Sciences, Nanjing 210009;
3. Nanjing Joint Institute for Atmospheric Sciences, Nanjing 210009
飑线常常伴有强烈的大风、雷暴和冰雹等灾害天气，甚至是具有强破坏性的龙卷。经常造成严重的财产损失，甚至是人员伤亡。如2009年6月3—4日黄淮飑线，造成多达27人死亡。由于飑线的快速发展和移动，对于业务预报还是一个较大的挑战。
随观测技术的发展，学者们利用各种资料对飑线进行了分析(刘莲等，2015；王俊等，2016；高梦竹等，2017；唐明晖等，2017；徐燕等，2018)。丁一汇等(1982)分析了飑线发生的天气背景、触发条件和形成热动力条件。Meng et al(2013)统计了华东地区飑线日变化、月变化、生命史以及环境特征。随着数值模拟技术的发展，模拟分析在研究飑线触发和维持方面得到广泛的应用，由于降水拖曳作用和蒸发冷却导致对流下方形成的冷空气堆被叫做冷池，冷池向外扩散可以与环境气流相互作用，起到触发和维持对流的作用(Luo et al, 2014；陈明轩等，2017；张宁等，2017；郑丽娜和刁秀广, 2016)。在这个过程中，起关键作用的是环境垂直风切变与冷池的相互作用，它们决定了抬升气流的强度，从而决定了新单体的生成和系统的维持，被叫做RKW理论(Rotunno et al, 1988; Weisman et al, 1988; Weisman and Rotunno, 2004)。以上结论在国内的研究中也被重点关注，陈明轩和王迎春(2012)利用多普勒雷达四维变分同化分析系统(VDRAS)模拟华北一次飑线过程发现，低层环境垂直风切变和冷池相互作用是该次飑线过程维持发展和传播的关键机制，且低层风切变和冷池相互作用达到平衡时，飑线发展最旺盛。Luo et al(2014)利用WRF模拟发现一次极端降水过程的触发机制，因为下午到晚上的对流活动产生冷池，晚上潮湿的西南气流沿冷池上升，触发了该次过程。此外还有针对不同地区、不同飑线过程的研究，得到许多有意义的结果(漆梁波等，2006；陶岚等，2009；俞小鼎，2012；杨珊珊等，2016；王俊等，2016；陈淑琴等，2017；周围等，2018；张哲等，2018)。但是对东北冷涡影响下江淮飑线的模拟研究相对较少。
江淮地区地处我国华东地区，经济发达，人口密集，是我国飑线高发区之一(Meng et al, 2013)。东北冷涡是在东北地区形成的深厚冷性低值系统，干冷空气在其影响下被不断输送到江淮地区。郑媛媛等(2014)统计近10年东北冷涡背景下强对流天气特征，发现西北气流控制下冷空气与低层的暖温度脊配合，形成较强的静力不稳定条件，为飑线的发生发展提供了非常重要的条件，此外，所有个例都存在地面辐合线是一个重要的特征。吴海英等(2013)模拟分析了黄淮地区2009年6月3—4日飑线，结果表明东北冷涡环境下，冷平流叠加在低层暖脊之上，形成了不稳定条件，地面中尺度辐合线与飑线发生发展密切相关，水平涡管的倾斜和传播对飑线发展和传播有重要作用。以上研究表明，不稳定条件是江淮飑线的重要影响因子。
2012年5月16日，江苏从北至南发生一次弱飑线过程，据民政等部门统计，大风造成小麦倒伏上万亩，树木倒伏或折断上千，经济总损失超过2 000万元。该次过程发生前, 徐州、射阳08时探空CAPE值分别为191.4、50.5 J·kg-1，在不稳定条件较差的情况下，飑线如何被触发以及维持，是本文关注的一个重点。康红等(2016)从观测的角度重点分析了后方入流特征对飑线的作用。本文着重利用模拟分析热动力场，研究东北冷涡影响下，不稳定条件较差情况下飑线的触发和维持机制。1方法和模拟检验
1.1 模拟方法文中使用多普勒雷达四维变分同化分析系统(VDRAS)、三维云模式和4DVar同化技术(Sun and Crook, 1996; 1997; 2001;Chen et al, 2007; Sun and Zhang, 2008; Sun et al, 2010)，实现对多部多普勒雷达的快速更新循环同化，得到三维热动力场。该次过程中，模式分辨率被设置为3 km，垂直分辨率为375 m，最底层为187.5 m，网格点范围为555 km×555 km，中心点在(33.0385°N、119.3466°E)，同化南京、常州、南通、盐城、连云港和徐州6部多普勒天气雷达和江苏及周边地区10 min间隔加密自动站资料，中尺度背景场由逐小时输出的WRF模式得到，每18 min输出一次分析场。
对于雷达资料预处理，包括基数据插值、平滑处理和漏洞填补，以及两步径向速度退模糊算法的处理、地物回波和超折射地物回波(刘黎平等，2007)的处理等步骤，得到适用于同化的雷达资料。自动站资料经过基于9点平均的方差检查步骤，剔除可疑的站点。
1.2 模拟检验采用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室研发的多普勒天气雷达三维数字组网系统将上述6个雷达资料转化成雷达拼图资料，再利用拼图资料对VDRAS输出雷达回波进行检验(图 1)。图 1a~1d为观测，图 1e~1h为模拟，对比分析可以看出，模拟前期(图 1a，1e)两个系统的回波位置和强度，以及合并(图 1b，1f)等主要特征都被较好地模拟。图 1d中系统南侧的回波细线为阵风锋，因阵风锋一般高度较低, 图 1统一展示3 km高度回波，且由于受组网拼图时插值的影响，导致图中阵风锋较弱，实况该次阵风锋较强，从图 1h来看，该次过程中的阵风锋被成功模拟。根据以上对比分析，表明这次模拟过程具有一定可靠性，可以用于分析这次弱飑线过程。
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图 1 2012年5月16日16：42(a, e)，18：00(b, f), 18:36(c, g), 19:18(d, h)3 km高度雷达反射率(a, b, c, d)三维组网系统, (e, f, g, h)VDRAS Fig. 1 Radar reflectivity at 3 km AGL at 16:42 BT (a, e), 18:00 BT (b, f), 18:36 BT (c, g), 19:18 BT (d, h) 16 May 2012 (a, b, c, d) 3-D digital mosaic system, (e, f, g, h) VDRAS |
应用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室开发的多普勒天气雷达三维数字组网系统把原始雷达资料转化成雷达拼图资料。中尺度对流系统识别跟踪方法采用杨吉等(2012;2015)提出的方法，为了尽量展现该过程中系统随时间的变化，对识别阈值等参数进行了相应的调整。以35 dBz为阈值计算的层云中的对流面积≥ 50 km2，识别为一个系统，相应识别参数被保留下来。
2012年5月16日14:48对流触发，其形成之后向东南方向传播，并演变成飑线。在触发之后的40 min内，对流最大反射率因子、第75%最大反射率因子和第50%最大反射率因子表现为一致的迅速增加，最大反射率因子达到65 dBz以上(图 2)。面积增长(图 2a)落后于反射率因子(图 2b)，在16：30左右与东北方的一个对流系统发生合并，其后系统面积达到最大。由于系统内新生出一条新的带状对流，导致形成双带状的回波结构(康红等，2016)，18:00—18:48反射率因子和面积同时增加。其后，冷池进一步加强，形成阵风锋，并将辐合阻断在飑线系统外，飑线逐渐消亡。
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图 2 2012年5月16日飑线(a)面积，(b)对流最大反射率因子、第75%最大反射率因子和第50%最大反射率因子 Fig. 2 (a) Area, (b) the 100 th, the 75 th and the 50 th percentile maximum radar reflectivity of squall line on 16 May 2012 |
在飑线经过的地区从北至南选取3个自动站，飑线分别在17时左右(图 3a)、接近19时(图 3b)和19时左右(图 3c)经过站点。飑线过站风速明显增加，温度下降，气压升高。温度下降接近10 ℃，图 3b，3c风速增加10 m·s-1以上，达到近20 m·s-1。这些要素的变化是飑线过境的重要特征。
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图 3 2012年5月16日飑线过境时站点(a)M8032，(b)M8027和(c)M8008的风速、温度和气压变化 Fig. 3 Wind speed, temperature and pressure change with time at stations M8032 (a), M8027 (b) and M8008 (c) during the squall line process on 16 May 2012 |
从大尺度环流背景来看(图 4)，500 hPa(图 4a)上东北冷涡中心位于(18°N、126°E)附近，冷涡中心到内蒙古附近有一横槽，横槽下摆带动冷空气进入河南、山东和江淮地区，且在江淮地区有中空急流。850 hPa (图 4b)上也表现为东北冷涡控制，由于干冷空气输送，暖湿气流被限制在30°N以南，对比NECP 14时850 hPa江苏中南部相对湿度明显增加(图略)，主要是低层南风加强，暖湿气流输送造成。16日08时徐州探空(图 5a)的CAPE为191.4 J·kg-1，受东北冷涡影响，在925 hPa往上都非常干燥，最大温度露点差达到30 ℃。在14时地面图(图 4c)上，山东半岛到江苏北部存在冷锋，这与对流在江苏徐州触发有密切的联系。17时(图 4d)，地面冷锋继续往南推进，此时对流已经组织起来，冷锋有利于冷池的加强，并在前侧与环境气流碰撞，加强辐合。
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图 4 2012年5月16日08时(a)500 hPa位势高度(蓝线)、风场、温度(红线)，(b)850 hPa位势高度(蓝线)、风场、温度露点差(红线)，(c)14时和(d)17时地面图 Fig. 4 (a) Geopotential height (blue line), wind and temperature (red line) at 500 hPa, (b) geopotential height (blue line), wind and dewpoint depression (red line) at 850 hPa at 08:00 BT, surface weather charts at (c) 14:00 BT and (d) 17:00 BT 16 May 2012 |
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图 5 2012年5月16日(a)08时徐州探空，(b)11时订正探空，(c)14时订正探空 Fig. 5 T-logp plot from Xuzhou sounding at 08:00 BT (a), revised T-logp plots according to automatic weather station at 11:00 BT (b) and 14:00 BT (c) 16 May 2012 |
对流触发时间在14:42，从上文天气形势分析看，08—14时南风加强暖湿空气输送有利于增加大气不稳定条件，另外由于太阳辐射作用也是贡献大气不稳定条件的重要因素之一。利用11时和14时(图 5b，5c)地面资料订正探空得到CAPE值分别达到约800和1100 J·kg-1, 低于Meng et al(2013)统计东部飑线平均CAPE值(1480 J·kg-1)。从其后模拟的CAPE分布来看，总体表现为江苏北部相对较弱，南部较强。
08时徐州探空显示自由对流高度约为2.7 km。对流触发时刻(图 6a)，强辐合中心位置初形成强烈的上升气流达到4 km高度附近(图 6b)，并触发对流，远高于2.7 km。从时间演变上来看(图略)，地面辐合一直处于维持加强的过程中，在对流触发后半个小时内，该处的辐合维持导致着飑线系统迅速发展，雷达回波反射率因子迅速增加，系统面积增加(图 2)，基本达到雷达回波定义飑线的标准(Meng et al，2013)，这一时期也是该系统在整个生命周期内强度发展最快的时期。郑媛媛等(2014)和吴海英等(2013)的研究指出，地面辐合线是东北冷涡背景条件下飑线发生发展的一个重要特征，该次过程触发和维持与他们的研究结果较为一致。
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图 6 2012年5月16日14:48(a)风场、散度和雷达回波(填色为3 km高度反射率因子；红线为187.5 m高度散度, 单位：10-4 s-1；风场为187.5 m高度，单位：m·s-1)，(b)沿图 6a中做AB剖面 (红线为散度，单位：10-4 s-1；风场垂直速度：10 m·s-1；填色为反射率因子) Fig. 6 (a) Wind, divergence and radar echo (color shading reflectivity at 3 km altitude; red line divergence at 187.5 m altitude, unit: 10-4 s-1; wind at 187.5 m altitude, unit: m·s-1), (b) vertical cross section at AB in Fig. 6a (red line: divergence, unit: 10-4 s-1; vertical velocity: 10 m·s-1; color shading: reflectivity) at 14:48 BT 16 May 2012 |
到16:12(图 7)，飑线向东南方向移动，原地面辐合线已消失。东北冷涡影响下中层不断输送干冷空气到江淮地区，探空表明925 hPa以上高度为干冷空气。飑线内对流部分由降水拖曳导致的下沉气流遇到夹卷进入下沉气流内的环境干空气，使得其中雨滴蒸发造成空气冷却，到地面附近形成冷池和强辐散风，而夹卷的干空气动量和移动的飑线本身动量在下沉气流中部分传送到地面附近，导致辐散风在动量方向上大大加强并影响冷池的移动速度和方向(Zipser，1977；de Szoeke et al, 2017)，而形成地面大风。此结果与康红等(2016)的观测一致。模拟显示187.5 m高度最大风速达21.5 m·s-1。从图 7c中可以看出整个系统范围内都是冷空气，剖面图可以看到冷池最强到-6 ℃以下(图 7d)。0~3 km垂直风切变不完全垂直于系统(图 8a)，约为12 m·s-1，与冷池相互作用，冷池形成水平涡度明显较强(Rotunno et al, 1988; Weisman et al, 1988)，导致风暴向后方倾斜(图 8b)，但它们之间差异较小，仍然能够较好地维持系统发展，系统内主要为上升气流。
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图 7 2012年5月16日16:12(a)风场、散度和雷达回波(同图 6a)，(b)沿图 7a中做AB剖面(红线为散度，单位：10-4 s-1；风场为流线；填色为反射率因子) (c)扰动温度(填色)、风场和3 km高度15 dBz回波等值线(红线)，(d)沿图 7c中AB剖面扰动温度(填色)，风场和15 dBz回波等值线(红线) Fig. 7 (a) Wind, divergence and radar echo (same as in Fig. 6a), (b) vertical cross section at AB in Fig. 7a of divergence (red line, unit: 10-4 s-1), wind (steam line), reflectivity (color shading), (c) perturbation temperature (color shading) and wind, 15 dBz radar echo (red line) at 3 km altitude, (d) vertical cross section at AB in Fig. 7c of perturbation temperature (color shading), wind (steam line), 15 dBz radar echo (red solid line) at 16:12 BT 16 May 2012 |
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图 8 2012年5月16日(a, d)16:42, (b, e)18：00, (c, f)18:36的0~3 km(a, b, c)和0~6 km(d, e, f)风切变矢量和风切变(填色)、3 km高度15 dBz雷达回波(白色实线) Fig. 8 The 0-3 km (a, b, c) and 0-6 km (d, e, f) vertical wind shear vectors, vertical wind shear (color shading) and 15 dBz radar echo (white solid line) at 3 km altitude at 16:42 BT (a, d), 18:00 BT (b, e), 18:36 BT (c, f) 16 May 2012 |
随着飑线的东移南压，从16:30(图 9a)到17:06 (图 9b)，持续的蒸发导致冷池逐渐加强，并快速向系统前部移动。17:42(图 9c)冷池加强到-8 ℃以下，主要部分位于系统前部，西南侧的冷池甚至已经部分领先于系统，而冷池前沿的西南侧和南侧出流边界更是领先于系统前沿，此时出流边界与环境气流的低层辐合区也位于系统前沿(图略)，17:42风切变方向发生偏转，与系统接近于垂直(图 8b), 0~6 km垂直风切变(图 8e)方向与系统夹角略有增加，有利于冷池和风切变形成水平涡度的平衡，造成上升气流旺盛。强上升气流在系统前沿引发新的对流，逐渐形成一条新生带状对流，从而导致“双带状”结构形成。“双带状”结构在康红等(2016)的研究中也被关注到，是造成图 2中反射率因子和系统面积增大的原因。冷池加强并前移虽然有利于新对流带生成，但同时也影响了“老”回波带的低层辐合来源，导致“老”回波带逐渐减弱。
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图 9 2012年5月16日(a)16:30, (b)17:06, (c)17:42, (d)18:18的187.5 m扰动温度(填色)、风场和3 km高度15 dBz雷达回波(红线) Fig. 9 Perturbation temperature (color shading) and wind at 187.5 m altitude, radar echo of 15 dBz (red line) at 3 km altitude at 16:30 BT (a), 17:06 BT (b), 17:42 BT (c), 18:18 BT (d) 16 May 2012 |
18:18开始风切变方向再次向原来的方向偏转(图 8c)，且风切变减弱，造成冷池和风切变形成水平涡度不平衡加剧，系统再一次减弱，面积和反射率因子减小(图 2)。系统再次减弱之后，冷池不断加强，并继续将冷池向前推进，出流边界与环境气流形成的辐合气流在系统主体之外，飑线内主要为下沉气流(图 10)。中层后方入流进入系统后，下沉气流更加旺盛，形成地面冷池达到-8℃以下(图 10d)，在盐城多个站点观测到灾害性大风(康红等，2016)。风切变方向偏转后与飑线不再垂直，并且减弱到6~10 m·s-1(图 8c)，形成的水平涡度不平衡，不利于风暴继续维持，造成飑线向后倾斜。随后冷池继续加强，并在系统前沿形成阵风锋，系统逐渐消亡。
3 结论
利用VDRAS模拟2012年5月16日东北冷涡影响下的一次弱飑线过程，结合雷达资料，分析在较差的不稳定条件下该过程如何触发与维持。通过分析研究得出以下结论。
(1) 与郑媛媛等(2014)和吴海英等(2013)的研究结果一致，地面辐合线是触发该次飑线过程的非常重要的触发机制，而且该过程中地面辐合持久和强盛，上升气流达到4 km高度附近，是系统前期快速发展的重要因素。
(2) 系统冷池增强之后，冷池前沿出流边界与环境气流的辐合是飑线维持的重要因素，但较弱的底层垂直风切变，且大部分时间段风切变方向不与系统垂直，影响了系统的发展。此外，较差的不稳定条件和水汽条件也是重要因素之一。
(3) 在该次过程中，东北冷涡影响下中层不断输送干冷空气到江淮地区，降水拖曳导致的下沉气流遇到夹卷进入下沉气流内的环境干空气，使得其中雨滴蒸发，导致空气冷却，到达地面附近形成冷池，而夹卷的干空气动量和移动的飑线本身动量在下沉气流中部分传送到地面附近，导致辐散风在动量方向上大大加强并影响冷池的移动速度和方向。
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