干侵入对江淮流域一次强飑线过程的作用分析

崔　强，王春明，张　云

（解放军理工大学气象海洋学院，江苏　南京211101）



干侵入对江淮流域一次强飑线过程的作用分析

崔强，王春明*，张云

（解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101）

摘要：利用NCEP/NCAR再分析资料、雷达资料、FY-2E卫星资料等，对2014年7月30—31日发生在江淮流域的一次强飑线天气过程进行综合分析，并着重分析了干侵入对此次飑线过程的作用。结果表明：中层阶梯槽引导高层干冷空气向下入侵后叠加在低层暖湿气流之上，增强了大气不稳定，不稳定能量累积；低空切变线促使不稳定能量释放，是此次飑线的重要触发机制。对干侵入的分析结果表明：此次飑线过程中，干侵入来源于高空槽后下沉气流，干侵入底部风场调整使得飑线在移动过程中由东西向转为了南北向。在飑线发展过程中，干侵入范围扩大、强度增强；干侵入使飑线发生区域中高层大气相对湿度降低约50%，增强了大气不稳定。干侵入底部的低相当位温空气与飑线内部高相当位温空气混合是飑线长时间维持的重要原因。

关键词：飑线；干侵入；水汽图像；结构特征；作用机制

崔强，王春明，张云.干侵入对江淮流域一次强飑线过程的作用分析[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（2）：18-24.

飑线是呈线状排列的中尺度雷暴群，包含许多雷暴单体，处于不同生命期的单体各自发展，侧向排列后形成飑线[1-2]。国内外对飑线的触发机制、结构特征、生命史演变等已做过大量工作，研究表明[3-5]，冷性高压、冷涡、冷锋、低空急流、辐合线、地形、重力波等都可作为飑线的触发机制,而低层大气环境风切变、不稳定能量、天气系统等差异对飑线的发展、演变有重要影响[6-9]。

干侵入是指从对流层高层下沉到低层的干空气，具有高位势涡度和低湿球位温的特征。以往研究中[10-13]，国内学者多关注干侵入特征及其对天气、次天气尺度系统和降水的影响。关于干侵入对飑线发展演变的作用，Browning等[14]最早指出干冷空气从对流层顶附近快速侵入低层强斜压区并凌驾于具有高湿球位温的边界层之上时，有利于飑线的产生和发展。于玉斌等[15-18]指出当高位势涡度、低湿球位温气流从高空侵入到暖输送带时可产生飑线。罗建英等[19]对一次华南飑线过程的分析结果表明，飑线系统在低空增温、增湿与对流层中层干侵入相互作用的条件下形成。那么，干侵入在飑线过程中具有怎样的特征？干侵入对飑线发展的作用如何？这些问题值得深入研究。

本文利用FY-2E卫星资料、NCEP/NCAR再分析资料、常规观测资料、雷达资料等，综合分析了2014年7月30—31日发生在我国东部的飑线过程，并讨论了干侵入在此次飑线过程中的演变特征和作用，为飑线灾害预报、预警工作提供了参考依据。

1　实况分析

1.1天气实况及灾情

2014年7月30日15时，一条东西向的飑线在江苏、安徽北部生成后快速南下并发展，于20时前后，飑线在安徽中部逐渐由东西向转为了南北向并向东移动，31日03时以后，飑线在江苏中部消失，整个过程持续13 h以上。受此次飑线过程影响，河南、安徽、江苏等地遭受了雷雨、大风等强对流天气袭击，受灾严重。滁州市气象台于30日18时40分发布雷雨大风黄色预警，明光潘村湖出现7级以上大风；合肥市气象台于30日21时发布暴雨橙色预警，局部地区出现暴雨，长丰庄1 h降雨量达75 mm。大风导致河南省5人死亡，大量房屋受损或倒塌。江苏省部分地区出现雷暴大风、暴雨天气，受大风影响，多地蔬菜大棚、广告牌、树木等被刮倒，暴雨造成局地严重内涝。

1.2天气形势分析

本次过程是在30日下午开始发生的，因此主要分析30日08时的高空形势场。30日08时200 hPa上，高空槽线位于115°E附近，槽前有一支西南风急流，槽后有一支西北风急流，在两支高空急流作用下，槽后强冷空气快速向华北上空输送。500 hPa（图1a）上，中纬地区槽线在华北平原上空断裂为南、北两支，呈阶梯槽形势，北槽位于漠河至大同一线，南槽位于天津至周口一线，北槽槽后风速较大，有冷平流输送，南槽附近等温线稀疏，风速相对小，槽区附近温度平流较弱；在台风——“娜基莉”的影响下，西太副高向北突起，使南槽移速减慢，有利于北槽赶上南槽，当两槽趋于合并时，南槽将发展，槽线附近易产生强对流天气。700 hPa高纬地区槽线与500 hPa上位置相差不大，中纬地区在石家庄附近有一冷涡，冷涡后部西北风风速较小，前部西南风风速相对较大，受海上台风影响，有暖湿空气向我国东部平原上空输送，气流在山东半岛附近上空辐合，山东与江苏交界处有强的水汽辐合中心，强度达-3.5×10-5g/（s· cm2·hPa）。850 hPa（图1b）山东半岛中部有一暖式切变线，切变线南侧风速大，北侧风速相对小，切变线附近水汽充足，空气湿度大于80%，强对流发生于切变线附近。30日14时，850 hPa上的暖式切变线消失，其它层次环流形势与08时相差不大。30日20时，500 hPa上南、北两支槽已经合并，槽线位于哈尔滨—济南—宜昌一线，与08时相比，槽线东移约5个经度并有所加强，此时温度槽仍然稍落后于高度槽，槽后有冷平流输送；低层水汽条件仍然较好，强对流天气得以继续维持。

1.3卫星云图、雷达回波特征

相当黑体亮度温度（Black Body Temperature, TBB）是研究对流云团发展演变的常用资料，图2给出30日14时至31日01时我国东部强对流天气区内的TBB分布。30日14时（图2a），徐州、淮北市附近上空出现TBB<-32℃的对流云团。15时，对流云团有组织地排列成一条东西向对流云带，云团中心位于宿迁附近，TBB<-56℃，飑线形成。16时（图2b），强对流云带位于临沂—宿迁—周口一线，呈“弓状”分布，宿迁上空云团中心TBB<-58℃，东西向的飑线发展旺盛。18时（图2c），强对流云团在南移过程中逐渐向两端发展，东西跨度达500 km以上，但TBB<-52℃的区域逐渐变小。到20时（图2d），对流云带南移的过程中，在扬州附近断裂为东、西两支，西侧的对流云带在移动过程中发展并加强，云团中心TBB<-58℃，而东侧的对流云带在移动过程中逐渐减弱。20时之后，飑线由东西向逐渐转为南北向并东移发展。30日23时（图2e），强对流云带TBB<-52℃的区域也呈“弓状”分布，南北向的飑线发展旺盛。31日01时（图2f），对流云带前沿位于南京附近。03时以后，飑线在江苏境内逐渐消失。

图1　2014年7月30日08时高度场（细实线）、温度场（虚线）及风场

为了加深对此次飑线转向过程的了解，图3给出了飑线由东西向转为南北向过程中合肥站多普勒雷达图，图中阵风锋所在位置用虚框标注。30日18时28分（图3a），飑线主体位于连云港—蚌埠—阜阳一线，中心回波强度大于55 dBz，阵风锋出现在飑线移动方向前部，在阵风锋前部，位于合肥站西南方向的六安附近有对流单体生成，单体中心回波强度大于50 dBz。19时02（图3b），六安附近的对流单体发展成多单体雷暴群，与此同时，东西向飑线前部的阵风锋在南下过程中开始逐渐向逆时针偏转。此后，雷暴群与阵风锋联结后触发了新的对流运动，飑线逐渐由东西向转为了南北向并继续东移发展。

图2　2014年7月30日14时（a）、16时（b）、18时（c）、20时（d）、23时（e）、31日01时（f）TBB分布

1.4能量指数特征分析

大气中不稳定能量的积累和释放是产生强对流天气的关键，对流有效势能（CAPE）和对流抑制能量（CIN）能很好地表征大气中潜在不稳定能量的分布。研究表明[20-23]，当CAPE值在1 000 J/kg以内，大气处于轻微不稳定状态，CAPE值约为1 000 J/kg时就有可能形成一般的飑线系统；当CAPE处于1 000～2 500 J/kg之间，大气中度不稳定，CAPE值超过2 200 J/kg时可能会形成较强的飑线系统；当CAPE大于2 500 J/kg时，大气非常不稳定，极易形成强对流天气，会造成严重的自然灾害。

图3　2014年7月30日18:28（a）、19:02（b）合肥站雷达组合反射率因子/dBz

图4给出2014年7月30日08时我国东部地区CAPE、CIN分布（图4a）和南京站探空曲线（图4b）。从图4a可以看出，此次飑线发生前，我国东部大部分地区CAPE值超过1 000 J/kg，安徽南部、江苏西南部地区CAPE超过2 500 J/kg，说明这些地区极易发生强对流天气。图4b是08时南京站T-log P图，从图中可以看出，飑线发生前南京站600 hPa以下空气水汽湿度很大（温度露点差小于5℃），600 hPa以上空气变干，这种“上干下湿”的层结条件十分有利于强对流天气的发生发展。此时南京站CAPE达到3259.3 J/kg，CIN为-42.9 J/kg，对流抑制能量较小，而对流有效势能很大，大气处于真潜在不稳定状态，若存在合适的抬升条件，极易产生强对流天气。

图4　2014年7月30日08时我国东部地区CAPE、CIN分布（a），南京站埃玛图（b）

上述分析表明，此次强飑线形成的有利条件有：在200 hPa高空影响槽槽后西北风急流和槽前西南风急流共同作用下，槽后干冷空气快速向华北平原上空输送；500 hPa阶梯槽受台风影响，南槽移速减慢，有利于北槽与南槽合并，并引导干冷空气继续南下；700 hPa，海上暖湿气流在台风和副高外围西南气流引导下向我国东部平原输送，并在山东、江苏二省交界处附近形成强的水汽辐合中心；850 hPa上暖式切变线促使低层空气辐合上升，是此次飑线的重要触发机制。从不稳定能量角度分析来看，飑线发生前，高层干冷空气叠加在低层暖湿气流之上，增强了对流发生区域大气不稳定，不稳定能量得以累积；850 hPa上暖式切变线促使不稳定能量释放，引发强对流天气；高层持续的干冷空气输送和低层充足的水汽供应，使飑线得以长时间维持。

可见，高层干冷气流向低层输送对强飑线的发生和维持有重要作用。下面分析干侵入在此次飑线过程中的特征及其对此次飑线过程的作用。

2　飑线发生前后干侵入特征分析

2.1干侵入在水汽图像上的特征

干侵入的空气来源于对流层高层上部，具有干而且冷的性质，该性质决定了干侵入在水汽云图上表现为“暗区”，而水汽云图色调浅白的地区则对应对流层上部的湿区，一般与上升运动相联系，这为初步识别干侵入所在位置提供了依据。图5给出30日08时与20时水汽图像与500 hPa高度场、风场的叠加。08时（图5a）水汽图像上，暗区主体位于宁夏至山西上空，干侵入前沿位于河南省西北部，在500 hPa上阶梯槽引导下，高空干冷空气向低层入侵；此时，干侵入前部西北风风速较大，这有利于干冷气流向我国东南部推进。与08时相比，20时（图5b）水汽图像上暗区颜色明显加深且范围有所扩大，说明干侵入有所增强，干侵入前沿位于安徽北部交界处，暗区前部出现一条东西向的白色亮带，横跨豫、皖、苏三省，白色亮带所在位置即飑线所在位置。从图中风场调整来看，08时，干侵入底部以偏西风为主，飑线呈东西走向，到20时，干侵入底部受偏北气流控制，飑线由东西向逐渐转为南北向。

2.2干侵入在等熵面上的特征

位涡作为一个综合反映大气动力学、热力学性质的物理量，在绝热条件下具有守恒性质，周小刚等[18]指出，由于位涡的变化主要与非绝热加热和冷却有关，在等熵坐标系下分析位涡更加直接。在等位温（θ）面上分析等位涡线称为等熵位涡分析方法（IPV分析方法），IPV分析时，一般应选取与极锋地区对流层顶相重合的等位温面，北半球夏季可选θ= 325 K进行分析[19]。位涡PV的数量级为：PV≈10-6m2·K·s-1·kg-1≡1 PVU，PVU是位涡的单位，在对流层高层，中纬度地区典型的位涡为1 PVU。

图6给出30日08时（6a）和20时（6b）325 K等熵面上风场、温度场和位涡的分布。从图中风场来看，飑线发生前（图6a），325 K等熵面上商丘至宿迁一带受偏西风控制，强冷空气底部呈东西走向；飑线转向前（图6b），商丘附近风向由偏西风转为偏北风，偏北风推动干侵入东移，预示着飑线会发生转向。从等位涡线分布来看，飑线发生前，325 K等熵面上中纬度地区存在两个高位涡中心，影响飑线发展的高位涡气团中心位于石家庄上空，到20时，高位涡中心移至山东半岛，前沿位于鲁、皖、苏3省交界附近。从位涡强度变化可以看出，从飑线发生前到飑线转向前，高空位涡强度有所增强，也意味着高层干侵入是增强的。

图5　2014年7月30日08时（a）、20时（b）水汽图像与500　hPa位势高度（单位：dagpm）和风场的叠加

以上分析结果表明：从飑线发生前到飑线发展过程中，高层干侵入是加强的；干侵入前沿与500 hPa槽线有很好的对应关系，干侵入底部风场调整使得飑线在移动过程中发生转向。

3　干侵入对此次飑线过程的作用机制分析

图7中以低相对湿度（60%）、高位涡（1 PVU）空气代表干侵入活动。干侵入从飑线发生前（30日08时）就已经开始向下发展，从图7a中阴影区来看，影响此次飑线过程的干空气前沿位于36°N，高空“干舌”形成，相对湿度低于60%的空气下沉至700 hPa附近，高层相对湿度低于40%的干空气仍停留在对流层顶附近，高位涡空气前沿位于600 hPa高度处。30日20时，飑线主体位于34°N附近，从图7b来看，飑线发生区域上空600 hPa至400 hPa附近空气湿度垂直梯度非常大，相对湿度由60%迅速减小到10%，说明从08时到20时高空“干舌”持续加强，增强了大气对流不稳定；高位涡气团底部距地面高度与08时相比变化不大，也就是说飑线发展过程中，干侵入下沉至对流层低层后不再向对流层底层入侵，这与陶祖钰等[24]的研究结果一致。

图6　2014年7月30日08时（a）、20时（b）325K等熵面上位涡（单位：PVU）与温度场（单位：dagpm）、风场（单位：m/s）的叠加

从图7中相当位温等值线的变化来看，干侵入底部存在相当位温低值中心，并且该低值中心与干侵入移动方向一致。从飑线发生前到飑线维持期间，干侵入底部相当位温中心值减小，且飑线主体下方的高相当位温空气向上输送增强，使中低层相当位温等值线密集，导致对流不稳定性增强。Rotunno[25]指出，低相当位温空气和高相当位温空气团的混合有利于飑线下方“冷池”的发展，而在冷池的作用下又会激发新的上升气流，这是延长飑线生命史的重要途径之一。飑线发展期间，当干侵入下方低相当位温空气侵入飑线主体，与飑线内部低层大气的高相当位温空气混合后，会促使飑线下方“冷池”发展，对延长飑线生命史具有重要意义。

图7　飑线发生区域相对湿度（60%，阴影，单位：%）、位涡（实线，单位：PVU）和相当位温（虚线，单位：K）沿117°E垂直剖面（a）30日08时，（b）30日20时

以上分析结果表明：干侵入下沉时在高空形成“干舌”，飑线发生前至飑线发展过程中，“干舌”逐步加强，使低湿、高位涡空气向强对流发生区域上空输送，形成“上干下湿”的大气层结，增强了对流不稳定。干侵入底部低相当位温空气与飑线内部高相当位温空气混合对延长飑线生命史也有重要作用。

4　结论

对2014年7月30—31日发生在我国东部的一次强飑线过程进行天气学分析，并分析了干侵入在此次飑线过程中的演变特征和干侵入对此次飑线过程的作用，得到的主要结论有：

（1）此次飑线是在高空槽后有强冷空气输送、中层阶梯槽引导干冷空气南下并叠加在低层暖湿气流之上的有利背景条件下产生的。低空切变线是此次飑线过程的重要触发机制。

（2）此次飑线过程中，干侵入来源于高空槽后下沉气流，干侵入前沿与500 hPa高空槽线位置相当。从飑线发生前到飑线发展过程中，干侵入范围扩大、强度增强。

（3）干侵入下沉过程中高空形成“上干下湿”的大气层结，增强了大气对流不稳定。干侵入底部风场调整对飑线在移动过程中发生转向具有重要作用。干侵入底部低相当位温空气与飑线内部高相当位温空气混合是此次飑线过程得以长时间维持的重要原因。需要说明的是，本文是中纬度地区最典型的高空槽前型飑线的个例研究，干侵入是否是这类飑线的一般特征还有待于大量的个例来验证。水汽云图和常规资料分析并不能反映干侵入在飑线内的全部特征，需要通过数值模式进一步研究。

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AnalysisofImpactofDry Intrusion in a Strong SquallLine Processin Eastern China

CUIQiang，W ANG Chunming，ZHANG Yun
（InstituteofMeteorologyand Oceanography，PLA UniversityofScienceand Technology，Nanjing211101，China）

AbstractUsing the NCEP/NCAR reanalysis data, radar and satellite data in this paper the synopticcharacteristicsofastrong squallline processin eastern Chinaduring30th～31stJuly,2014 were analyzed.The mechanism ofdry intrusion in the process were revealed.The results indicate that:themid-levelstairs-shapetrough introduced dry-cold airfrom thehigh-levelsuperimposed on the low-levelwarm air,the atmospheric instability enhanced and unstable energy accumulated;low levelshearline prompted unstable energy released,itwas an importanttriggermechanism forthe squallline.The analysisresultsofdry intrusion show that:in thissquallline process,dry intrusion originated from downdraft behind the high-level trough,wind adjustment at the bottom of dry intrusion urged the squallline to change the moving direction.Dry intrusion was expanded and strengthened duringthedevelopmentofsquallline;Dryintrusion madeairoverthesqualllinecame colderand dryer and increased atmospheric instability.Low equivalenttemperature air underdry intrusion mixed with high equivalenttemperature air inside the squall line, itis the important reason forsqualllinetomaintain foralongtime.

Key wordssquallline；dryintrusion；watervaporimages；structuralfeature；mechanism

中图分类号：P458.2

文献标识码：A

文章编号：1002-0799（2016）02-0018-07

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.003

收稿日期：2014-07-15；修回日期：2015-09-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41275128）。

作者简介：崔强（1990-），男，硕士研究生，研究方向：中尺度数值模拟。E-mail：18751909879@163.com

通讯作者：王春明（1970-），男，副教授，研究方向：中尺度数值模拟、天气学与天气预报。E-mail：wchm1970@163.com