黄淮地区触发对流天气的干线特征

王金兰 俞小鼎 汤兴芝 于海敬 胡亮帆

1)(中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003) 2)(河南省新乡市气象局，新乡 453003) 3)(中国气象局干部培训学院，北京 100081) 4)(中国气象局干部培训学院湖北分院，武汉 430074)

引 言

强对流天气突发性强、历时短、局地性强，是导致气象灾害的重要天气类型，主要包括冰雹、雷暴大风、短时强降水和龙卷[1-2]。该类天气是多尺度天气系统相互作用的结果，其演变方式难于把握，预报上有很大不确定性。因此，强对流天气研究对于防灾减灾意义重大。多年来，中外气象学者在强对流天气研究和业务应用方面做了大量工作[1-7]。同时，朱士超等[8]对江淮地区孤立对流云特征进行统计，得到孤立对流云的发生规律。马瑞阳等[9]通过构建雷暴云特征数据集，分析我国陆地和毗邻海域的雷暴活动特征。俞小鼎等[10]总结了冰雹、龙卷、雷暴大风和短时强降水4类强对流天气发生的有利条件和多普勒天气雷达回波特征。

边界层辐合线是强对流触发机制之一，主要包括冷锋和干线伴随的辐合(切变)线、雷暴出流边界(阵风锋)、海风锋辐合线、地形辐合线以及水平对流卷(云街)等[2，11-12]，相关研究[13-18]表明：边界层辐合线在雷暴生成、发展和减弱过程中发挥重要作用。

干线伴随的辐合线是触发强对流天气的机制之一，干线又称为干锋(dry fronts)或露点锋(dew point fronts)，该概念起源于美国[19-21]，指出现在美国南部大平原中西部地区的干暖空气和暖湿空气之间的边界，这里的干暖空气来自西南部的墨西哥高原地区，暖湿空气来自东南部的墨西哥湾。干线的主要特征是其两侧露点温度或比湿差异明显，而温度差异较小，干侧温度通常午后略高于湿侧，夜间则略低于湿侧。

近年，随着我国强对流天气分析业务的开展，干线也逐渐引起关注。王秀明等[22]认为2009年豫东强飑线的发展和维持是飑线自组织机制建立的结果，干线及叠加在干线上的风场辐合扰动触发的新生回波带不断并入飑线北端使其持续强烈发展。郑媛媛等[23]指出东北冷涡背景下，江淮飑线生成时，850 hPa，925 hPa和地面有辐合线或干线存在。王晓玲等[24]研究发现，干线两侧干湿平流加强产生的局部露点锋生促进了上升运动发展。王秀明等[6]发现东北地区龙卷由汇合流场导致的地面辐合线触发造成，这种汇合流场多伴随地面干线。周雪英等[25]分析新疆库尔勒地区产生强降水的触发抬升机制，将其分为干线触发类、冷锋触发类和混合触发类3种。Qin等[26]分析发生在北京西北部的对流个例，发现其由干线和冷锋合并后触发。Bai等[27]指出2009年6月3日傍晚豫北平原地区一次强对流是前期雷暴下沉气流形成的扇状阵风锋冲到山下，与山下的干线相交汇造成。方祖亮等[28]统计了东北地区2003—2017年5—8月干线的气象要素和时空分布特征，并对触发对流天气的干线和未触发对流天气的干线环境参数进行对比。

在我国，干线经常出现在东北地区。黄淮地区地势西高东低，西部为山区，东部为平原，具有与干线多发的美国西南部和我国东北地区一定程度上相似的地形和地势条件，雷暴、冰雹、强降水、龙卷等对流性天气时有发生[29]。因此，有必要系统研究黄淮地区干线的时空分布特征及触发对流条件。

1 资料、方法与个例选取标准

1.1 资 料

本文所用资料为2010—2019年暖季(4—9月)常规高空和地面观测、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析资料ERA5(空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h)及FY-2E气象卫星云图。研究范围为30°～40°N，110°～122°E的平原地区，主要包括黄淮地区及华北南部(简称黄淮地区)。

1.2 方 法

本文采用主客观结合的方法识别干线，普查2010—2019年4—9月每日8次地面图所有常规地面观测资料，利用MICAPS4.6系统中的要素分析功能，选取变分法对露点温度进行间隔为1℃的等值线客观分析，挑选出符合标准的干线，挑选时需在地面天气图上叠加高分辨率地形图，以避免将一些受到地形影响的虚假干线误判为干线。通过分析个例的高空、地面图及卫星云图，统计黄淮地区触发对流天气的干线时空分布特征、干线两侧地面要素和探空资料及参数特征，给出定量统计结果。

统计过程中，采用MICAPS4.6系统中球面距离工具获取干线的长度和宽度。地面比湿由MICA-PS4.6系统中的比湿计算功能获取。由于探空站分布稀疏，无法精确获取干线两侧的探空参数，因此选取干线两侧附近的探空站，利用探空资料分析显示系统(SANDS)，采用干线两侧14:00(北京时，下同)地面平均温度和平均露点温度对08:00的T-lnp图进行订正，订正后的探空参数用于近似代表干线两侧大气的环境参数。同时，利用ERA5再分析资料中位于干线附近网格点的平均值，验证干线两侧比湿、对流有效位能和温度递减率等特征。

1.3 干线标准

从国内外研究看，在不同时期、不同研究区域对干线的定义也不相同[20，28，30-32]。方祖亮等[28]在研究我国东北地区干线时，界定的干线标准为露点温度水平梯度不小于6℃·(100 km)-1，且午后温度最高时，干空气一侧温度略高于或大致等于湿空气一侧温度。考虑到国内预报员常用露点温度表示地面湿度条件，且黄淮地区的地形和地势条件与我国东北地区有一定相似度，本文参照文献[28]，将干线标准规定为地面图上100 km范围内露点温度差高于6℃，温度差远小于露点温度差，同时14:00干空气一侧温度等于或略高于湿空气一侧温度。

1.4 触发对流天气的干线选取标准

按照上述地面干线标准，结合黄淮地区的天气实况、卫星云图、重要天气报，普查每日8次地面资料，干线个例需满足以下条件：地面图上，现在、过去天气现象有雷阵雨或阵雨(2014年后取消雷暴观测，不再有雷阵雨记录，但需有阵雨)；在干线露点温度密集带或其两侧50 km范围内有对流云团出现。根据上述条件共挑选出16个典型个例，表1为这16个典型干线个例发生的时间、地点和伴随的天气现象。

表1 2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线信息Table 1 Convection-triggering drylines in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers from 2010 to 2019

2 干线时空分布特征

2.1 时间分布特征

由2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线出现时间可知，干线出现次数的年际变化不大，出现最多的年份为2010年和2012年，各3次，2016年未出现符合条件的干线，2010—2019年的年平均次数为1.6次。触发对流天气的干线多出现在5—6月，其中6月最多，为8次；9月未出现符合条件的干线。

个例在14:00地面图上干线特征最明显，且出现次数最多，共计14次，占87.5%；其余为17:00，共2次，占12.5%，其他时次未出现符合条件个例。因此，黄淮地区触发对流天气的干线具有明显的日变化特征，出现在14:00或17:00。

目前,国内本科生的培养方式迫切需要改革,研究生导师制的成功实践为本科生培养提供了新的思路,部分高校开始尝试将本科生导师制作为大学生教育教学管理的新模式。但是,在本科生中实施导师制受到专业特点、师生配比等因素的限制。目前,在我国高校中实行的本科生导师制并没有形成统一的模式,各种本科生导师制基本上都是因校而异的。总体而言,我国高校已经实施的本科生导师制可以分为五种模式。

2.2 空间分布特征

2010—2019年黄淮地区16次触发对流天气的干线个例空间分布特征与地形密切相关(图略)，集中在两个区域：一是河北山东交界处的德州附近，共7次，占43.8%，其中6次呈准西北—东南向；二是豫北周边地区，共7次，占43.8%，其中6次呈准东北—西南向。另外，徐州附近出现2次，占12.5%；淮河沿岸则未出现触发对流天气的干线。

本文用露点温度等值线密集带的宽度(密集带两侧50 km内露点温度分布均匀)表示干线宽度，用露点温度等值线密集带的长度(密集带宽度基本不变时延伸的长度)表示干线的长度。黄淮地区触发对流天气的干线长度为100～430 km，主要集中在100～200 km；干线宽度为50～100 km，16次触发对流天气的干线个例中有11次个例宽度为60～70 km，占68.8%。

3 干线触发对流天气的环流背景及影响系统

由16次触发对流天气的干线个例的高空图(图略)可知，在500 hPa，黄淮地区干线触发对流天气有10次发生在冷涡形势下，占62.5%，其中东北冷涡形势下6次，华北冷涡形势下4次；平直西风和西北气流、西南气流形势下各2次。相应地，在700 hPa，7次为西北气流，7次为切变线(或辐合线)，各占43.8%；平直的偏西气流和西南气流各1次。在850 hPa，8次为切变线(或辐合线)，占50%；4次为偏南气流，4次为西北气流，各占25%。因此，黄淮地区触发对流天气的干线个例中，多数在500 hPa东北冷涡或华北冷涡形势下产生，低层常有切变线(或辐合线)配合。

地面形势对干线也有影响，黄淮地区干线多发生在入海高压后部的低压带内，这与我国的季风气候有关，16次触发对流天气的干线个例中，11次(占68.8%)发生在入海高压后部的低压带内，2次处在北高南低的气压场中，2次处在高压内部，1次处在南高北低的气压场中。

4 干线两侧地面气象要素和探空参数特征

4.1 干线两侧地面气象要素特征

选取16次触发对流天气的干线个例中最强时次，统计其两侧温度、露点温度、比湿、海平面气压、风向、风速等要素的平均值，以及干线两侧温度、露点温度、比湿和海平面气压平均值差值(或梯度)。箱线图能够直观反映各要素主体分布、平均值、最大值、最小值和中位数等特征，采用箱线图表示各种气象要素的特征值。

需要说明的是，由于不同干线个例的干线宽度不同，在计算干线要素梯度时，将梯度单位统一为(100 km)-1，这里的梯度是指湿侧值减去干侧值(每100 km)。由于午后干侧温度略高于湿侧，所以温度的特征值为负值。

图1为2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线两侧地面气象要素箱线图。箱线图中，线的最上端表示统计的最大值，最下端表示统计的最小值，箱体上限为75%分位值，下限为25%分位值，箱内横线为中位线，圆点表示平均值(下同)。由温度统计可知，干线湿侧温度最小值为22.0℃，即干线触发对流天气的温度在22.0℃以上；湿侧温度平均值为29.9℃，25%～75%分位值集中在27.0～32.5℃；干侧温度平均值为31.8℃，25%～75%分位值集中在30.0～34.3℃；湿侧平均温度较干侧偏低1.9℃，干线两侧最高温度为37.0～40.0℃。露点温度的显著变化往往反映局地气团性质变化[33]，由露点温度统计可知，干线附近的等露点温度线非常密集，干线湿侧露点平均值为18.0℃，干侧平均值为11.2℃，湿侧露点温度明显高于干侧，两者相差6.8℃；湿侧25%分位值为16.5℃，75%分位值为21.0℃。这与地面露点温度小于15℃时，一般不会有强对流的研究一致[33]。研究表明：地面比湿与大气可降水量的关系接近线性[34]，因为露点温度为比湿的对数函数。由比湿统计可知，地面干线湿侧比湿平均值为13.0 g·kg-1，干侧平均值为9.0 g·kg-1，湿侧比湿较干侧偏高4.0 g·kg-1；湿侧25%分位值为11.0 g·kg-1，75 %分位值为15.3 g·kg-1。由海平面气压统计可知，湿侧平均值为1004.3 hPa，干侧平均值为1004.1 hPa，两侧海平面气压相当。

图1 2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线两侧地面气象要素箱线图Fig.1 Surface meteorological elements on both sides of convection-triggering dryline in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers from 2010 to 2019

4.2 干线两侧探空参数特征

雷暴产生的3个基本条件是静力不稳定、水汽和抬升触发机制；大冰雹、对流性强阵风、龙卷等强对流天气产生，还需要较强的垂直风切变；而对于暴雨或短时强降水，有时弱的垂直风切变更有利[2]。为进一步认识黄淮地区干线及其触发对流的条件，统计16次触发对流天气的干线个例干湿两侧的探空参数(表2)，包括大气可降水量、中低层比湿(q)、对流有效位能、700 hPa与500 hPa温度差、850 hPa与500 hPa 温度差和抬升指数以及0～6 km垂直风切变(风矢量差)。

表2 2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线两侧探空参数统计Table 2 Soundings on both sides of convection-triggering drylines in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers from 2010 to 2019

4.2.1 水汽条件

实际预报业务中，常用整层大气可降水量衡量大气中的水汽条件。由图2可以看到，黄淮地区触发对流天气的干线湿侧可降水量略高于干侧；湿侧平均值为2.5 cm，25%～75%分位值集中在2.0～3.2 cm；干侧平均值为2.3 cm，25%～75%分位值集中在1.6～2.8 cm。由图3可以看到，在低层，随着高度升高干线两侧比湿平均值均明显减小。925 hPa 和700 hPa比湿均为湿侧较干侧偏高；925 hPa 湿侧和干侧比湿平均值分别为9.4 g·kg-1和7.4 g·kg-1，差值为2.0 g·kg-1；700 hPa湿侧和干侧比湿平均值分别为3.2 g·kg-1和2.4 g·kg-1，差值为0.8 g·kg-1;但850 hPa湿侧比湿较干侧略小，差值为-0.3 g·kg-1，此结论能否代表黄淮地区干线两侧大气温湿风廓线的比湿特征存在疑问，需采用ERA5再分析资料进一步分析。由表3可以看到，在中低层，干线两侧比湿均随高度升高而明显减小，925 hPa，850 hPa和700 hPa比湿均为湿侧较干侧偏高，因此探空站较稀疏地区应利用ERA5再分析资料进行分析。

4.2.2 热力不稳定条件

对流有效位能是表示大气垂直不稳定度大小的重要参数之一，2010—2019年黄淮地区16次触发对流天气的干线湿侧对流有效位能平均值远大于干侧(图4)，湿侧平均值为2214 J·kg-1，25%～75%分位的对流有效位能为1725～3184 J·kg-1，最大对流有效位能达4348 J·kg-1。干侧对流有效位能平均值仅为614 J·kg-1，25%～75%分位的对流有效位能为236～800 J·kg-1，远小于湿侧，这与干线触发对流均发生在干线附近湿侧的绝大多数观测事实吻合。由700 hPa与500 hPa温度差和850 hPa与500 hPa温度差(图4)可知，干线两侧700 hPa与500 hPa温度差无明显差别，干线两侧850 hPa与500 hPa温度差也非常接近。利用ERA5再分析资料进一步验证干线附近对流有效位能值与温度差特征(表3)，结果表明：对流有效位能在干线湿侧平均值为1000 J·kg-1，远大于干侧平均值331 J·kg-1，干线两侧温度差也较为接近，与上述结论一致。

图2 2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线两侧大气可降水量箱线图Fig.2 Precipitable water on both sides of convection-triggering dryline in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers from 2010 to 2019

图3 2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线两侧中低层比湿箱线图Fig.3 Specific humidity on both sides of convection-triggering drylines in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers from 2010 to 2019

表3 2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线两侧ERA5再分析资料统计Table 3 Statistics of specific humidity and convective available potential energy on both sides of convection-triggering drylines in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers using ERA5 reanalysis from 2010 to 2019

续表3

图4 2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线两侧对流有效位能、700 hPa与500 hPa温度差、850 hPa与500 hPa温度差箱线图Fig.4 Convective available potential energy, temperature differences of 700 hPa to 500 hPa and 850 hPa to 500 hPa on both sides of convection-triggering drylines in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers from 2010 to 2019

4.2.3 垂直风切变

统计2010—2019年黄淮地区16次触发对流天气的干线两侧的0～6 km垂直风切变(图5)，湿侧的平均值是12.5 m·s-1，为中等强度风切变；干侧的平均值是11.2 m·s-1，为相对弱的垂直风切变，湿侧的垂直风切变比干侧略强，说明湿侧更有利于强对流的产生和发展，这与前面对流有效位能的分析一致。由图5还可以看到，干线两侧的垂直风切变离散度均很大，湿侧的25%分位值仅为7.5 m·s-1，该条件下发生的对流很难发展为组织程度较高的强对流。

图5 2010—2019年黄淮地区触发对流天气的干线两侧0～6 km垂直风切变箱线图Fig.5 The vertical wind shear of 0-6 km on both sides of convection-triggering drylines in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers from 2010 to 2019

5 干线触发对流天气典型个例

2011年6月11日08:00东北冷涡东移过程中在华北北部又切断出一小冷涡，涡后伸出的横槽位于锡林浩特至呼和浩特一线。当日14:00地面图上，山西、河北、河南等地受暖低压控制，暖低压中心为1002.5 hPa，华北南部出现南北向干线(图6)，干线两侧温度相当，干侧露点温度为12～14℃，湿侧露点温度为18～20℃，干线两侧露点温度差不低于6℃。17:00干线维持，对应红外云图上(图略)，在干线中段河南濮阳附近出现小块对流云，随后原地发展加强，范围逐渐扩大，在濮阳周边产生雷暴、大风、局地冰雹等强对流天气。这是一次干线触发的对流天气。11:00—14:00干线两侧存在东南风(干侧)和西南风(湿侧)之间的汇合流场，该汇合流场伴随的辐合上升运动触发对流。2011年6月11日黄淮地区触发对流天气的干线系统配置见图7。

图6 2011年6月11日黄淮地区干线14:00地面图Fig.6 The surface chart of dryline in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers at 1400 BT 11 Jun 2011

图7 2011年6月11日黄淮地区触发对流天气的干线系统配置图(箭头表示气流方向)Fig.7 The system configuration of convection-triggering dryline in the drainage area of Huanghe and Huaihe Rivers on 11 Jun 2011(the arrow denotes the direction)

6 结论与讨论

研究表明：

1)黄淮地区干线主要出现在两处：一是河北山东交界的德州附近，多呈准西北—东南向；二是豫北周边地区，多呈准东北—西南向。干线长度主要为100～200 km，宽度为50～100 km。干线出现次数年际变化不大，6月最多，有明显的日变化特征，多出现在14:00或17:00。

2)干线触发对流天气个例多发生在高空冷涡形势下，低层多有切变线(或辐合线)配合，地面多发生在入海高压后部的低压带内。

3)地面气象要素统计结果表明：干线湿侧温度平均值为29.9℃，干侧温度平均值为31.8℃，干侧温度略高于湿侧。干线湿侧露点温度平均值为18.0℃，较干侧平均值偏高6.8℃，湿侧露点温度集中在16.5～21.0℃，最大为25.0℃。干线湿侧比湿平均值为13.0 g·kg-1，较干侧平均值偏高4.0 g·kg-1。干线两侧海平面气压相当。干线两侧温度梯度为-2.7℃·(100 km)-1，露点梯度为10.1℃·(100 km)-1，比湿梯度为5.9 g·kg-1·(100 km)-1。

4)探空参数统计结果表明：干线湿侧更有利于对流发生。干线湿侧大气可降水量平均值略高于干侧；干线湿侧比湿在925 hPa，850 hPa和700 hPa均大于干侧；对流有效位能湿侧平均值远大于干侧平均值；干线两侧700 hPa，850 hPa与500 hPa温度差均没有明显差别。即干线两侧对流有效位能差异主要由两侧低层水汽条件差异造成。干线湿侧的0～6 km垂直风切变略强于干侧。

本文仅统计了黄淮地区触发对流天气的干线个例特征，普查过程中发现大量干线未触发对流且多出现在5—6月，触发对流天气的干线和未触发对流天气的干线的参数特征及空间结构有何异同，有待后续深入研究。