北京地区一次飑线的组织化过程及热动力结构特征

2021-04-14雷蕾孙继松陈明轩秦睿荆浩

大气科学 2021年2期

关键词：线状雷暴对流

雷蕾孙继松陈明轩秦睿荆浩

1北京市气象台，北京100089

2中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京100081

3北京城市气象研究院，北京100089

4 南京气象科技创新研究院，南京210009

1 引言

飑线作为一种高度组织化，影响范围广，可能产生强风、龙卷、冰雹和强降水灾害天气的一种强对流系统，从20世纪中期开始就受到了科学家们的广泛关注。Fujita（1955）对飑线的天气学概念模型进行了细致的描述，包括飑线过境时表现为明显的气压涌升、雷暴高压和尾部弱低压。后来，随着中尺度观测网的逐渐成熟，对应不同强对流现象的不同尺度风暴系统结构逐渐被揭示出来。早期利用探空和天气雷达等资料，科学家对于美国中东部大量的飑线过程进行分析研究，发现飑线有一些共同的结构特征，包括云体内倾斜的上升气流、低层前侧的暖湿入流，后侧中层比较干的、具有低相当位温的入流，即后侧的干冷空气下沉气流（Newton,1950）。Ogura and Liou（1980）利用美国国家强风暴实验室（NSSL）春季计划所获取的资料对一次中纬度飑线过程进行了综合分析，给出了成熟时期的飑线内部热动力结构，并且分析了其维持过程中的物理机制,同样发现了上述一些共同的结构特征。随着二维和三维云模式的发展，Rotunno et al.（1988）模拟了多次飑线过程，用来研究长生命史的飑线所具有的环境特征和维持机制，模拟表明大多数飑线都是由若干短生命史单体不断生消演变形成的长生命史飑线，而雷暴冷池和低层风切变之间的相互“平衡”是飑线维持长生命史的重要热动力因素，形成了著名的“RKW 理论”。

国内在飑线结构特征研究方面，利用观测资料来分析飑线成熟阶段的中尺度特征和触发条件（蔡则怡等, 1988;丁青兰等,2008;王国荣等,2010）；此外，利用单（双）多普勒雷达反演技术反演降水云系的水平（三维）风场分析飑线中尺度动力学过程和结构演变（刘淑媛等,2007;王俊等,2007;潘玉洁等,2012）。近年来，WRF等中尺度模式或ARPS风暴尺度云模式被应用于对飑线进行模拟，从而对于飑线的结构、发生、发展的机制及其作用有了进一步的认识（梁建宇和孙建华,2012;刘香娥和郭学良,2012;吴海英等,2013;张哲等,2016）。

华北中南部是仅次于黄淮下游的飑线第二高频多发地区（Meng et al.,2013）。华北地区地形复杂，形成飑线的线状或带状对流系统多发源于河北西部和北部山区（Meng et al.,2013），移动到下游组织成飑线后对大规模城市群产生严重的风、雹、短时暴雨等强对流天气。近年来，上游雷暴下山后加强还是减弱的问题，一直是北京强对流天气短时临近预报中的难点和关键问题，也成为研究热点（Wilson et al.,2010;陈双等,2011;黄荣等,2012;肖现等,2013,2015;孙靖和程光光,2017）。前期研究大多是针对分散的雷暴单体下山强度变化的研究，而对于带状或线状对流系统下山强度如何变化研究相对较少，对于华北地区为什么有的带状对流下山减弱消失，而有些缺乏组织性的对流系统下山后反而能够组织成为飑线？认识还不清楚。揭示对流系统与环境大气之间，风暴单体之间的热动力相互作用过程，不仅关系到对流系统形成和发展机制的理解，同时也是分类强对流天气精细化预报预警的基本物理逻辑。本文将以北京一次强飑线天气为例，分析初始组织化程度较低的对流单体如何在下山过程中组织成飑线；飑线与环境大气之间、飑线中的风暴单体之间存在怎样的相互作用。

2 资料

本文采用（1）北京观象台SA 多普勒天气雷达逐6分钟体扫观测资料，用于分析对流系统的演变及中尺度结构。（2）FY-2G 卫星可见光图像和相当黑体亮温（TBB）资料，用于分析对流发生的环境以及云系的发展强度、结构等图像特征。（3）北京地区加密自动站资料，用于分析降水、气温、风等要素。2015年北京区域自动站约368 个，气温和雨量资料均进行质控。（4）ERA Interim（0.125°×0.125°）再分析资料，用于天气尺度形势和物理量诊断。（5）基于京津冀6 部雷达观测的四维变分同化系统（VDRAS）反演高时空分辨率要素场（Sun and Crook,2001;Chen et al.,2007;Sun et al.,2010;陈明轩等,2011,2016;陈明轩和王迎春,2012），已被成熟的应用到华北地区雷暴的研究中（Wilson et al.,2010;陈双等, 2011;陈明轩和王迎春,2012;黄荣等,2012;肖现等,2013,2015;刘莲等,2015），用于揭示飑线发展过程的热动力结构。

3 天气实况及影响

2015年8月7日午后开始，华北发生大范围强对流天气。上游断线状对流系统自西北向东南移动，并且在由山区向平原地区移动过程中与多单体雷暴合并、组织，最终加强形成强飑线（图1）。受其影响，8月7日16～22时（北京时，下同），北京多地出现短时强降水（图2a），雨量分布极不均匀，最大雨量85.7 mm（朝阳区金盏站），最大雨强72.3 mm h-1（17～18时，延庆区东门营站）。对流发展和移动的过程中，北京自北向南二十余处还上报出现冰雹（图2a），测站上记录的最大冰雹直径为15 mm（朝阳）。此外，京津冀地区伴有7～9级雷暴大风（图2b），北京最大风力22.8 m s-1（9级）。以最大降水朝阳金盏站为例，17:40～17:50阵风锋先于降水影响本站，东南风转为西北风，风速迅速增大到5 级（图3），且气温迅速下降；18:15～18:50，飑线主体过境，最大5分钟雨量10.6 mm，并伴有7级大风（18:30～19:55，16.1 m s-1），气温再次下降；19:00～19:20，飑线后部雷暴高压影响，气压快速上升，风速再次增大。这次强对流天气影响非常大，北京郊区的农作物出现不同程度的毁损，城区出现严重的道路积水断路、地下通道进水，首都机场大量航班延误和取消。

4 天气背景及环境特征

8月7日08时，500 hPa 我国中东部有低涡低槽加深发展，低涡中心位于内蒙古东北部，低涡后部有-12°C冷中心；西太平洋副热带高压中心位于日本海。京津冀地区位于低涡低槽前、副高西北侧的西南气流中（图4a）。14时，850 hPa 内蒙古与河北北部交界地区处于低压槽区，有切变线并配合暖舌发展，高低空温差超过30°C（图4b）。与850 hPa 切变线相配合，地面存在辐合线和干线，京津冀平原受东南风影响，露点温度22～24°C，具有高湿的特征。

上述天气背景表明，8月7日午后华北北部存在强对流天气发生的动力、水汽和层结不稳定条件。FY2G 可见光图像（图4d）上，7日午后华北北部较大范围的对流云团正是高空槽、低层切变线和地面干线附近触发、组织起来的，成为后来演变为飑线的主体。此外，在云图上华北平原存在浅对流云街，渤海湾的对流系统前侧有小范围积云线（雷暴出流）向北京地区移动，这些云图特征均表征平原地区大气存在不稳定和有利于雷暴下山的能量条件。14时探空显示，北京地区对流有效位能（CAPE）高达3270 J kg-1，400～600 hPa 存在显著干层，但是7 km 以下的垂直风切变不足10 m s-1，3 km 以下垂直切变更弱，属于弱切变环境（图4c）。

图2 2015年8月7日（a）16～22时北京地区降雨量（单位：mm）和降雹位置（黑色三角）；（b）14～22时京津冀地区极大风风速（单位：m s-1）分布Fig.2 Distributions of (a)the precipitation(contours and shaded area,units: mm)and hail location(black tangle)in the Beijing area from 1600 BJT to 2200 BJT;(b)extremewind speed (units: m s-1)in Beijing-Tianjin-Hebeifrom 1400 BJT to 2200 BJT on 7 Aug 2015

图3 2015年8月7日17:05～20:00朝阳区金盏站气温（单位：°C），气压（单位：hPa）和极大风风速（单位：m s-1）（实线表示气压，点线表示气温，虚线表示极大风风速）Fig.3 Temperature(dotted line,units:°C), pressure(line,units: hPa),and extreme wind speed(dash line,units:m s-1)at Jinzhan (JZ)auto-weatherstation in Beijing from 1705 BJT to 2000 BJT on 7 Aug 2015

5 飑线的组织化过程及中尺度特征

付丹红和郭学良（2007）研究表明，80%以上的雷暴合并过程都能使对流发展并使其具有较长的生命史。本次飑线生命史超过七小时，其复杂的组织化过程可分为三个阶段：上游线状对流的发展移动、平原多个雷暴的新生和合并、线状对流系统并入本地多单体后组织成飑线。

第一阶段：上游线状对流的发展移动。8月7日11时之后，在500 hPa 高空槽区（冷中心）、850 hPa 切变线（暖舌）和地面干线附近，生成断线状雷暴群（broken line）(Bluestein and Jain, 1985)，云顶亮温（TBB）低于-40°C。在西北气流引导下缓慢向北京西北部山区移动。此时，下游天津也有单体雷暴生成，北京处于上下游雷暴之间的“空当”区。14:30北京朝阳区局地有小单体生成，反射率因子强度50 dB Z，从地面向上垂直发展5～6 km。但是，该孤立单体历时20分钟左右后减弱消失。此后两小时，河北西北部和天津的对流仍然加强发展，但北京平原地区无任何对流新生，这种状况从某种意义上讲预示着平原地区存在抑制对流的条件，在短临预报中增加了判断上游断线状对流能否下山的难度。

图4 2015年8月7日（a）08时500 hPa 位势高度（实线，间隔4 dgpm，“D”表示低压中心，粗黑线表示槽线）、温度（虚线，间隔2°C，单位：°C）及风场（单位：m s-1）；（b）14时850 hPa 位势高度（实线，间隔1 dgpm，“D”表示低压中心，粗黑线表示槽线、切变线）、温度（虚线，间隔2°C，单位：°C）及风场（单位：m s-1）；（c）14时北京观象台探空[图中线条从左向右依次为相对湿度、露点、层结曲线、状态曲线；红色表示对流有效位能（CAPE）、蓝色表示对流抑制能量]；（d）14时FY2G 可见光图像Fig.4(a)Distribution of geopotential height(contoured at 40-gpm intervals, units:gpm,the trough line denoted by the black bold lines and the low pressure center by “D”, temperature(dashed lineat 2°Cintervals, units:°C),and wind field (units:m s-1)at 500 hPa at 0800 BJT;(b)asin fig.(a), but for 850 hPa(at 10-gpm intervals，the trough line and wind shear line denoted by the black bold lines)at 1400 BJT;(c)sounding at Guanxiangtai station(GXT)in Beijing at 1400 BJT(lines in the chart are relative humidity,dew point,stratification curve,and state curve from left to right;red shading indicates convective available potential energy (CAPE)and blue shading indicates convective inhibition);(d)FY2G visiblespectrum image at 1400 BJT 7 Aug 2015

第二阶段：平原地区小范围内多个雷暴新生并逐渐合并加强。15时后，天津地区的雷暴单体出现阵风锋，向北京东南部推进（图5a 中白色虚线所示）；此时上游线状对流也移入北京延庆、怀柔北部地区（图5a 中A），在A 前部和下游阵风锋之间，有孤立的对流单体生成（顺义北部地区），反射率因子强度迅速增强到60 dB Z，回波顶高达到12 km，它距离A 和阵风锋均为50 km 左右；该单体没有像第一阶段单体雷暴那样减弱消失，反而在其西南侧迅速有雷暴新生、发展，并逐渐形成西南—东北向线状排列的对流系统B（图5b），其中成熟单体有“悬垂”结构（图5b），在顺义造成局地冰雹天气，但降雨不足2 mm，未伴随雷暴大风。与此同时，西部山区回波也在发展东移，形成对流系统C。此后，C、B之间不断有雷暴单体新生，17:30左右B的强反射率因子（>55 dB Z）高度明显下降，逐渐演变为低质心结构（图5c），但由于边界层相对湿度较差，顺义、朝阳等地雨量不足5 mm，但有小冰雹出现。对应卫星云图上南北两条平行分布的对流云带，TBB达到-30°C和-40°C 以下（图6a）。

图5 2015年8月7 日飑线组织化过程中不同时段雷达组合反射率（单位：dB Z）分布：（a）16:35；（b）16:47；（c）17:35；（d）18:06；（e）19:18；（f）19:42Fig.5 Distribution of the composite radar reflectivity(units:dB Z)of the squall line in its different stages on 7 Aug 2015:(a)1635 BJT;(b)1647 BJT;(c)1735 BJT;(d) 1806 BJT;(e)1918 BJT;(f) 1942 BJT

第三阶段：18时之后，上游线状对流并入平原多单体雷暴后高度组织化发展，最终形成飑线。西北部线状对流下山逐渐形成西南—东北向大范围中尺度对流系统，多个对流系统发展成熟，TBB低于-45°C（图6b），出现沿地形走向分布的“人字形”回波（图5d）。东南部阵风锋移动至朝阳区多单体雷暴群附近，其北端与对流系统相接，造成单体新生和对流系统显著加强，金盏站雨强达60.7 mm h-1，并伴有雷暴大风。19时前后，上下游对流系统形成两条线状对流，并逐渐合并组织成强飑线（图5e）。受嵌在其中的强单体影响，中心城区出现强降水，朝阳区多地出现冰雹天气。强飑线前侧出现阵风锋，水平尺度约60 km，移速约50 km h-1，出现大范围6～8级大风，最大18.3 m s-1。20时之后，阵风锋逐渐远离飑线，对流系统逐渐减弱，TBB升高，飑线趋于减弱和消亡（图5f，图6c）。

6 山前对流的触发与传播

午后虽然西北部山区有很好的大尺度动力条件，但是平原地区中高层却处于下沉运动和水汽辐散区域中（图7a，b），这可能是这一阶段朝阳区孤立对流无法维持的重要原因之一。但另一方面，探空显示平原地区的能量和层结不稳定条件却非常有利，且抬升凝结高度和自由对流高度非常低（900 hPa以下）（图4c），在这种环境中，当日午后最高气温升至30°C 以上，就有可能出现热对流，如果配合一定的动力抬升条件使气块抬升至自由对流高度，正浮力作用将迅速使对流获得强烈发展。那么第二阶段中小范围多个单体雷暴是如何被触发并发展起来的？

在对流新生前，地面东南风在顺义、昌平和朝阳交界（图8a 圈内）出现比较明显的局地风速辐合，并且温度较周围低1～2°C，尤其南侧温度梯度明显。地面局地热力分布不均配合风场辐合的状况持续增强，约20分钟后雷暴被触发。造成局地温度差异的原因，可能与下垫面物理属性的差异（南部朝阳区为CBD商业区）导致太阳辐射加热不均或天空云量多寡有关。此后，由于北部山前对流造成地面降温（冷池）范围进一步扩大，热力不均的区域进一步扩大，温度梯度区和风速辐合区向南发展（图8b），造成新生对流向南传播（图5c，d）。平原地区的对流不断新生发展，预示着上游线状对流将在下山后可能增强发展成飑线（Wilson et al.,2010）。

图6 2015年8月7日飑线不同阶段TBB（单位：°C）分布：（a）17:00（发展期）；（b）18:00（成熟期）；（c）20:00（消亡期）Fig.6 Distribution of the black body temperature(TBB,units:°C)of thesquall line at its different stages on 7 Aug 2015:(a)1700 BJT(development period);(b)1800 BJT(mature period);(c) 2000 BJT (decay period)

图7 2015年8月7日14 时（a）假相当位温 θse（黑色实线，单位：K）、比湿（灰度填色，单位：g kg-1）及水汽通量辐合（黑色虚线，单位：g cm-2 hPa-1 s-1）剖面；（b）垂直速度（等值线，负值表示上升运动，单位：Pa s-1）和流场剖面（沿116.375°E，黑色三角表示北京位置）Fig.7(a)Equivalent temperature (θ se, black solid line,units:K),specific humidity (gray shaded area,units:g kg-1)and water vapor flux convergence(black dashed line,units:g cm-2 hPa-1 s-1);(b) the vertical velocity(contour,units:Pa s-1,negative value denotes upward motion),and flow field(along 116.375°E, black tangleindicatesthelocation of Beijing)at 1400 BJT on 7 Aug 2015

7 垂直风切变与飑线热动力结构变化

7.1 垂直风切变的变化

Thorpe et al.（1982），Rotunno et al.（1988）研究表明垂直于飑线的0～3 km 垂直风切变对于形成组织化程度较高的强飑线有重要的影响，陈明轩和王迎春（2012）研究表明垂直于飑线的0～6 km垂直风切变也有一定的指示性作用。但是本次飑线形成前，0～6 km 垂直风切变不足10 m s-1，0～3 km垂直风切变更弱。从雷达回波来看，18时前后已经形成了“人字形”回波结构（图5e），其上镶嵌有多个回波强度超过60 dB Z 的雷暴单体。VDRAS反演的飑线后方垂直风切变矢量的方向为西北—东南方向，切变大小仍小于10 m s-1（图9a），其前侧风切变矢量弱且方向性不明显。这与探空得到的弱垂直风切变是一致的，似乎为不利于飑线组织化的切变条件。19时前后，线状对流进入平原地区，“人字形”回波东端逐渐与平原地区的对流系统合并，移速加快，此时垂直于飑线的前侧南风矢量加大，0～6 km 垂直风切变显著加大到17 m s-1，0～3 km 垂直风切变加强到14 m s-1（图9b），这显然与对流系统前侧的入流加强有关，飑线进入成熟期。由此可见，尽管初期环境垂直风切变较弱，但是从对流系统合并（对应飑线形成初期）到飑线成熟期，垂直于飑线的垂直风切变在同步明显增强。

图9 2015年8月7日（a）18:30 和（b）19:00的0～6 km 高度垂直风切变（灰度填色，单位：m s-1），0～3 km 高度垂直风切变（箭头为风切变矢量，单位：m s-1，虚线表示风速切变大小）和大于40 dB Z 的京津冀雷达拼图组合反射率（等值线，单位：dB Z）Fig.9 Vertical wind shear above 0-6 km(grey shaded area,units: m s-1)and 0-3 km(arrows denote wind shear vectors,units: m s-1,dotted line indicates wind shear value),and the Beijing-Tianjin-Hebei radar composition reflectivity(isogram,≥40 dB Z）at 1830 BJT and 1900 BJT 7 Aug 2015

7.2 飑线热动力结构的变化及β中尺度锋面

初始，北京西北部山区的断线状对流结构松散（图10a1，a2），其上雷暴A 强度较强，呈现“TS型”（Parker and Johnson,2000）。后侧有弱冷池，扰动温度-4°C，前侧出流较弱，但在地面造成1小时负变温超过2°C（图略），导致了向平原暖气团一侧的温度梯度加大，产生了β中尺度锋面（随后出现阵风锋）。与此同时，前部偏南风加大到6～8 m s-1，云体前侧辐合加强，出现显著上升气流，最大上升中心在2500 m 附近，强度约0.3 Pa s-1。这支上升气流在高度3500 m 向前流出云体，并形成沿雷暴传播方向的顺时针垂直环流，水平尺度30 km，环流中心位于1000～1500 m。β中尺度锋区上辐合上升运动加强，进一步促进了线状对流发展，这是一个正反馈的过程。

18时30分，线状对流下山后逐渐与平原地区的雷暴B结合（图10b1），冷池强度加强（图b2，扰动温度中心-7°C）、厚度1 km（参考Weisman and Rotunno,2004，选取从冷池前沿向后的100 km范围内-5°C等温线的平均高度作为冷池厚度），线状对流前侧垂直上升速度显著增大。前部垂直环流的下沉支消失，有利于加快与雷暴B的合并，之后在其前侧出现新的顺时针垂直环流。

图10c，d 分别代表飑线发展期和成熟期。在飑线发展期，动力结构是以两支强入流为典型特征的。一支位于雷暴冷池后侧中层（4500～5000 m），另一支位于低层飑线前侧，垂直于飑线指向云内。这两支强入流分别构成飑线前侧和后侧两个独立的顺时针垂直环流圈C1和C2。后侧中层入流进入云体下沉，在低层分为向前侧（飑线移动方向）和后侧两支出流，前侧出流与暖湿气流在飑线移动前方形成强辐合，形成新的垂直上升支和高空出流，逐渐形成前侧的闭合垂直环流圈；而后侧下沉气流与飑线后侧层状云区的弱上升支气流形成后侧垂直环流圈。后侧入流形成的下沉气流造成地面雷暴高压与冷池进一步加强（-8.5°C，深度1.5 km），冷池出流与前侧入流在1500 m 以下辐合，垂直方向上表现为在云体前侧两支上升气流合并，造成2000～2500 m 高度上更强烈的上升运动（>0.9 Pa s-1）。在这一过程中，飑线前后两侧不同高度、不同性质的两支入流加强，造成垂直环流和垂直风切变随之加强，即6.1 节提到的0～6 km 和0～3 km 的垂直风切变增大的本质实际上是飑线发展反馈的结果，也是驱动飑线快速向前移动和发展的重要因素。当后侧中层入流消失、前侧垂直环流减弱时，飑线开始减弱消亡。图11给出这次飑线热动力结构概念模型。

8 结论

这次飑线过程，初始上游断线状对流形成于高空槽前、低层切变线、地面辐合线和干线附近，下山后组织成强飑线影响北京城区。初期，平原地区中高层存在下沉运动、水汽辐散、弱垂直风切变等不利条件，但是又存在高能高湿、层结不稳定等有利的环境条件，对于线状对流下山后的强度和形态变化，临近预报仍存在较大的不确定性。本文基于多源资料的综合分析，基本厘清了这次飑线过程的形成、演变机制，同时也为今后此类天气的临近预报提供思考。（1）断线状对流系统逐渐演变为飑线的过程可分为三个阶段：上游线状对流发展移动、平原多个单体雷暴的新生和合并、线状对流并入本地多单体后组织成飑线。平原地区近地面热力分布不均和风场局地辐合导致局地雷暴单体被触发，形成冷池后，热力不均的区域扩大，温度梯度区与风速辐合区向南发展，造成新生对流向南传播。由于这些对流单体处于弱垂直风切变环境中，其组织化程度相对较差。（2）飑线的组织化过程，呈现出两支强入流为典型特征的动力结构：一支位于雷暴冷池后侧中层（4500～5000 m），另一支位于低层飑线前侧，垂直于飑线指向云内。这两支强入流分别构成飑线前侧和后侧两个独立的顺时针垂直环流圈。后侧入流和前侧入流的同时加强，造成飑线前侧垂直环流不断强化，与之对应的垂直风切变也同步增强，这一动力过程形成了有利于飑线组织化的中尺度垂直风切变环境，而垂直风切变增大的本质实际上是飑线发展反馈的结果，也是驱动飑线快速向前移动和发展的重要因素。当后侧中层入流消失，前侧垂直环流也逐渐减弱，预示着飑线从成熟开始减弱消亡。（3）从热力结构看，下山的线状对流与平原地区多单体雷暴的合并，形成了扰动温度低于-8°C、厚度加深到1.5 km 的强冷池，其前沿的β中尺度锋面附近的辐合上升运动加强，进一步促进了平原地区的飑线发展加强，并出现阵风锋。

图10 （a1-d1）2015年8月7日京津冀雷达拼图组合反射率（填色，单位：dB Z）叠加四维变分同化系统（VDRAS）反演的200 m 高度风场（箭头，单位：m s-1）和散度场（等值线，负值表示辐合，单位：10-5 s-1），图中黑直线表示剖面位置；（a2-d2）沿（a1-d1）中黑直线位置的垂直流场、扰动温度（等值线，单位：°C）和上升速度（填色，单位：Pa s-1）。（a1,a2）16:29，（b1, b2）18:29，（c1,c2）19:05，（d1,d2）19:23Fig.10(a1-d1)The Beijing-Tianjin-Hebei combined composite reflectivity(units:dB Z), retrieved wind field at 200 m(vector,units:m s-1)and divergence(contour,negative value denotes convergence, units:10-5 s-1) by VDRAS(Variational Doppler Radar Analysis System);(a2-d2) vertical flow fields, perturbation temperature(contour,units:°C),and the upward speed(shaded area,units:Pa s-1)along the black line on the（a1-d1）on 7 Aug 2015.(a1,a2)1629 BJT,(b1,b2)1829 BJT,(c1,c2)1905 BJT,(d1,d2)1923 BJT