崔　強，王春明，張　云

（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇　南京211101）

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干侵入對江淮流域一次強颮線過程的作用分析

崔強，王春明*，張云

（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101）

摘要：利用NCEP/NCAR再分析資料、雷達資料、FY-2E衛(wèi)星資料等，對2014年7月30—31日發(fā)生在江淮流域的一次強颮線天氣過程進行綜合分析，并著重分析了干侵入對此次颮線過程的作用。結(jié)果表明：中層階梯槽引導(dǎo)高層干冷空氣向下入侵后疊加在低層暖濕氣流之上，增強了大氣不穩(wěn)定，不穩(wěn)定能量累積；低空切變線促使不穩(wěn)定能量釋放，是此次颮線的重要觸發(fā)機制。對干侵入的分析結(jié)果表明：此次颮線過程中，干侵入來源于高空槽后下沉氣流，干侵入底部風(fēng)場調(diào)整使得颮線在移動過程中由東西向轉(zhuǎn)為了南北向。在颮線發(fā)展過程中，干侵入范圍擴大、強度增強；干侵入使颮線發(fā)生區(qū)域中高層大氣相對濕度降低約50%，增強了大氣不穩(wěn)定。干侵入底部的低相當(dāng)位溫空氣與颮線內(nèi)部高相當(dāng)位溫空氣混合是颮線長時間維持的重要原因。

關(guān)鍵詞：颮線；干侵入；水汽圖像；結(jié)構(gòu)特征；作用機制

崔強，王春明，張云.干侵入對江淮流域一次強颮線過程的作用分析[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：18-24.

颮線是呈線狀排列的中尺度雷暴群，包含許多雷暴單體，處于不同生命期的單體各自發(fā)展，側(cè)向排列后形成颮線[1-2]。國內(nèi)外對颮線的觸發(fā)機制、結(jié)構(gòu)特征、生命史演變等已做過大量工作，研究表明[3-5]，冷性高壓、冷渦、冷鋒、低空急流、輻合線、地形、重力波等都可作為颮線的觸發(fā)機制,而低層大氣環(huán)境風(fēng)切變、不穩(wěn)定能量、天氣系統(tǒng)等差異對颮線的發(fā)展、演變有重要影響[6-9]。

干侵入是指從對流層高層下沉到低層的干空氣，具有高位勢渦度和低濕球位溫的特征。以往研究中[10-13]，國內(nèi)學(xué)者多關(guān)注干侵入特征及其對天氣、次天氣尺度系統(tǒng)和降水的影響。關(guān)于干侵入對颮線發(fā)展演變的作用，Browning等[14]最早指出干冷空氣從對流層頂附近快速侵入低層強斜壓區(qū)并凌駕于具有高濕球位溫的邊界層之上時，有利于颮線的產(chǎn)生和發(fā)展。于玉斌等[15-18]指出當(dāng)高位勢渦度、低濕球位溫氣流從高空侵入到暖輸送帶時可產(chǎn)生颮線。羅建英等[19]對一次華南颮線過程的分析結(jié)果表明，颮線系統(tǒng)在低空增溫、增濕與對流層中層干侵入相互作用的條件下形成。那么，干侵入在颮線過程中具有怎樣的特征？干侵入對颮線發(fā)展的作用如何？這些問題值得深入研究。

本文利用FY-2E衛(wèi)星資料、NCEP/NCAR再分析資料、常規(guī)觀測資料、雷達資料等，綜合分析了2014年7月30—31日發(fā)生在我國東部的颮線過程，并討論了干侵入在此次颮線過程中的演變特征和作用，為颮線災(zāi)害預(yù)報、預(yù)警工作提供了參考依據(jù)。

1　實況分析

1.1天氣實況及災(zāi)情

2014年7月30日15時，一條東西向的颮線在江蘇、安徽北部生成后快速南下并發(fā)展，于20時前后，颮線在安徽中部逐漸由東西向轉(zhuǎn)為了南北向并向東移動，31日03時以后，颮線在江蘇中部消失，整個過程持續(xù)13 h以上。受此次颮線過程影響，河南、安徽、江蘇等地遭受了雷雨、大風(fēng)等強對流天氣襲擊，受災(zāi)嚴(yán)重。滁州市氣象臺于30日18時40分發(fā)布雷雨大風(fēng)黃色預(yù)警，明光潘村湖出現(xiàn)7級以上大風(fēng)；合肥市氣象臺于30日21時發(fā)布暴雨橙色預(yù)警，局部地區(qū)出現(xiàn)暴雨，長豐莊1 h降雨量達75 mm。大風(fēng)導(dǎo)致河南省5人死亡，大量房屋受損或倒塌。江蘇省部分地區(qū)出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、暴雨天氣，受大風(fēng)影響，多地蔬菜大棚、廣告牌、樹木等被刮倒，暴雨造成局地嚴(yán)重內(nèi)澇。

1.2天氣形勢分析

本次過程是在30日下午開始發(fā)生的，因此主要分析30日08時的高空形勢場。30日08時200 hPa上，高空槽線位于115°E附近，槽前有一支西南風(fēng)急流，槽后有一支西北風(fēng)急流，在兩支高空急流作用下，槽后強冷空氣快速向華北上空輸送。500 hPa（圖1a）上，中緯地區(qū)槽線在華北平原上空斷裂為南、北兩支，呈階梯槽形勢，北槽位于漠河至大同一線，南槽位于天津至周口一線，北槽槽后風(fēng)速較大，有冷平流輸送，南槽附近等溫線稀疏，風(fēng)速相對小，槽區(qū)附近溫度平流較弱；在臺風(fēng)——“娜基莉”的影響下，西太副高向北突起，使南槽移速減慢，有利于北槽趕上南槽，當(dāng)兩槽趨于合并時，南槽將發(fā)展，槽線附近易產(chǎn)生強對流天氣。700 hPa高緯地區(qū)槽線與500 hPa上位置相差不大，中緯地區(qū)在石家莊附近有一冷渦，冷渦后部西北風(fēng)風(fēng)速較小，前部西南風(fēng)風(fēng)速相對較大，受海上臺風(fēng)影響，有暖濕空氣向我國東部平原上空輸送，氣流在山東半島附近上空輻合，山東與江蘇交界處有強的水汽輻合中心，強度達-3.5×10-5g/（s· cm2·hPa）。850 hPa（圖1b）山東半島中部有一暖式切變線，切變線南側(cè)風(fēng)速大，北側(cè)風(fēng)速相對小，切變線附近水汽充足，空氣濕度大于80%，強對流發(fā)生于切變線附近。30日14時，850 hPa上的暖式切變線消失，其它層次環(huán)流形勢與08時相差不大。30日20時，500 hPa上南、北兩支槽已經(jīng)合并，槽線位于哈爾濱—濟南—宜昌一線，與08時相比，槽線東移約5個經(jīng)度并有所加強，此時溫度槽仍然稍落后于高度槽，槽后有冷平流輸送；低層水汽條件仍然較好，強對流天氣得以繼續(xù)維持。

1.3衛(wèi)星云圖、雷達回波特征

相當(dāng)黑體亮度溫度（Black Body Temperature, TBB）是研究對流云團發(fā)展演變的常用資料，圖2給出30日14時至31日01時我國東部強對流天氣區(qū)內(nèi)的TBB分布。30日14時（圖2a），徐州、淮北市附近上空出現(xiàn)TBB<-32℃的對流云團。15時，對流云團有組織地排列成一條東西向?qū)α髟茙?，云團中心位于宿遷附近，TBB<-56℃，颮線形成。16時（圖2b），強對流云帶位于臨沂—宿遷—周口一線，呈“弓狀”分布，宿遷上空云團中心TBB<-58℃，東西向的颮線發(fā)展旺盛。18時（圖2c），強對流云團在南移過程中逐漸向兩端發(fā)展，東西跨度達500 km以上，但TBB<-52℃的區(qū)域逐漸變小。到20時（圖2d），對流云帶南移的過程中，在揚州附近斷裂為東、西兩支，西側(cè)的對流云帶在移動過程中發(fā)展并加強，云團中心TBB<-58℃，而東側(cè)的對流云帶在移動過程中逐漸減弱。20時之后，颮線由東西向逐漸轉(zhuǎn)為南北向并東移發(fā)展。30日23時（圖2e），強對流云帶TBB<-52℃的區(qū)域也呈“弓狀”分布，南北向的颮線發(fā)展旺盛。31日01時（圖2f），對流云帶前沿位于南京附近。03時以后，颮線在江蘇境內(nèi)逐漸消失。

圖1　2014年7月30日08時高度場（細實線）、溫度場（虛線）及風(fēng)場

為了加深對此次颮線轉(zhuǎn)向過程的了解，圖3給出了颮線由東西向轉(zhuǎn)為南北向過程中合肥站多普勒雷達圖，圖中陣風(fēng)鋒所在位置用虛框標(biāo)注。30日18時28分（圖3a），颮線主體位于連云港—蚌埠—阜陽一線，中心回波強度大于55 dBz，陣風(fēng)鋒出現(xiàn)在颮線移動方向前部，在陣風(fēng)鋒前部，位于合肥站西南方向的六安附近有對流單體生成，單體中心回波強度大于50 dBz。19時02（圖3b），六安附近的對流單體發(fā)展成多單體雷暴群，與此同時，東西向颮線前部的陣風(fēng)鋒在南下過程中開始逐漸向逆時針偏轉(zhuǎn)。此后，雷暴群與陣風(fēng)鋒聯(lián)結(jié)后觸發(fā)了新的對流運動，颮線逐漸由東西向轉(zhuǎn)為了南北向并繼續(xù)東移發(fā)展。

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

1.4能量指數(shù)特征分析

大氣中不穩(wěn)定能量的積累和釋放是產(chǎn)生強對流天氣的關(guān)鍵，對流有效勢能（CAPE）和對流抑制能量（CIN）能很好地表征大氣中潛在不穩(wěn)定能量的分布。研究表明[20-23]，當(dāng)CAPE值在1 000 J/kg以內(nèi)，大氣處于輕微不穩(wěn)定狀態(tài)，CAPE值約為1 000 J/kg時就有可能形成一般的颮線系統(tǒng)；當(dāng)CAPE處于1 000～2 500 J/kg之間，大氣中度不穩(wěn)定，CAPE值超過2 200 J/kg時可能會形成較強的颮線系統(tǒng)；當(dāng)CAPE大于2 500 J/kg時，大氣非常不穩(wěn)定，極易形成強對流天氣，會造成嚴(yán)重的自然災(zāi)害。

圖3　2014年7月30日18:28（a）、19:02（b）合肥站雷達組合反射率因子/dBz

圖4給出2014年7月30日08時我國東部地區(qū)CAPE、CIN分布（圖4a）和南京站探空曲線（圖4b）。從圖4a可以看出，此次颮線發(fā)生前，我國東部大部分地區(qū)CAPE值超過1 000 J/kg，安徽南部、江蘇西南部地區(qū)CAPE超過2 500 J/kg，說明這些地區(qū)極易發(fā)生強對流天氣。圖4b是08時南京站T-log P圖，從圖中可以看出，颮線發(fā)生前南京站600 hPa以下空氣水汽濕度很大（溫度露點差小于5℃），600 hPa以上空氣變干，這種“上干下濕”的層結(jié)條件十分有利于強對流天氣的發(fā)生發(fā)展。此時南京站CAPE達到3259.3 J/kg，CIN為-42.9 J/kg，對流抑制能量較小，而對流有效勢能很大，大氣處于真潛在不穩(wěn)定狀態(tài)，若存在合適的抬升條件，極易產(chǎn)生強對流天氣。

圖4　2014年7月30日08時我國東部地區(qū)CAPE、CIN分布（a），南京站?，攬D（b）

上述分析表明，此次強颮線形成的有利條件有：在200 hPa高空影響槽槽后西北風(fēng)急流和槽前西南風(fēng)急流共同作用下，槽后干冷空氣快速向華北平原上空輸送；500 hPa階梯槽受臺風(fēng)影響，南槽移速減慢，有利于北槽與南槽合并，并引導(dǎo)干冷空氣繼續(xù)南下；700 hPa，海上暖濕氣流在臺風(fēng)和副高外圍西南氣流引導(dǎo)下向我國東部平原輸送，并在山東、江蘇二省交界處附近形成強的水汽輻合中心；850 hPa上暖式切變線促使低層空氣輻合上升，是此次颮線的重要觸發(fā)機制。從不穩(wěn)定能量角度分析來看，颮線發(fā)生前，高層干冷空氣疊加在低層暖濕氣流之上，增強了對流發(fā)生區(qū)域大氣不穩(wěn)定，不穩(wěn)定能量得以累積；850 hPa上暖式切變線促使不穩(wěn)定能量釋放，引發(fā)強對流天氣；高層持續(xù)的干冷空氣輸送和低層充足的水汽供應(yīng)，使颮線得以長時間維持。

可見，高層干冷氣流向低層輸送對強颮線的發(fā)生和維持有重要作用。下面分析干侵入在此次颮線過程中的特征及其對此次颮線過程的作用。

2　颮線發(fā)生前后干侵入特征分析

2.1干侵入在水汽圖像上的特征

干侵入的空氣來源于對流層高層上部，具有干而且冷的性質(zhì)，該性質(zhì)決定了干侵入在水汽云圖上表現(xiàn)為“暗區(qū)”，而水汽云圖色調(diào)淺白的地區(qū)則對應(yīng)對流層上部的濕區(qū)，一般與上升運動相聯(lián)系，這為初步識別干侵入所在位置提供了依據(jù)。圖5給出30日08時與20時水汽圖像與500 hPa高度場、風(fēng)場的疊加。08時（圖5a）水汽圖像上，暗區(qū)主體位于寧夏至山西上空，干侵入前沿位于河南省西北部，在500 hPa上階梯槽引導(dǎo)下，高空干冷空氣向低層入侵；此時，干侵入前部西北風(fēng)風(fēng)速較大，這有利于干冷氣流向我國東南部推進。與08時相比，20時（圖5b）水汽圖像上暗區(qū)顏色明顯加深且范圍有所擴大，說明干侵入有所增強，干侵入前沿位于安徽北部交界處，暗區(qū)前部出現(xiàn)一條東西向的白色亮帶，橫跨豫、皖、蘇三省，白色亮帶所在位置即颮線所在位置。從圖中風(fēng)場調(diào)整來看，08時，干侵入底部以偏西風(fēng)為主，颮線呈東西走向，到20時，干侵入底部受偏北氣流控制，颮線由東西向逐漸轉(zhuǎn)為南北向。

2.2干侵入在等熵面上的特征

位渦作為一個綜合反映大氣動力學(xué)、熱力學(xué)性質(zhì)的物理量，在絕熱條件下具有守恒性質(zhì)，周小剛等[18]指出，由于位渦的變化主要與非絕熱加熱和冷卻有關(guān)，在等熵坐標(biāo)系下分析位渦更加直接。在等位溫（θ）面上分析等位渦線稱為等熵位渦分析方法（IPV分析方法），IPV分析時，一般應(yīng)選取與極鋒地區(qū)對流層頂相重合的等位溫面，北半球夏季可選θ= 325 K進行分析[19]。位渦PV的數(shù)量級為：PV≈10-6m2·K·s-1·kg-1≡1 PVU，PVU是位渦的單位，在對流層高層，中緯度地區(qū)典型的位渦為1 PVU。

圖6給出30日08時（6a）和20時（6b）325 K等熵面上風(fēng)場、溫度場和位渦的分布。從圖中風(fēng)場來看，颮線發(fā)生前（圖6a），325 K等熵面上商丘至宿遷一帶受偏西風(fēng)控制，強冷空氣底部呈東西走向；颮線轉(zhuǎn)向前（圖6b），商丘附近風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，偏北風(fēng)推動干侵入東移，預(yù)示著颮線會發(fā)生轉(zhuǎn)向。從等位渦線分布來看，颮線發(fā)生前，325 K等熵面上中緯度地區(qū)存在兩個高位渦中心，影響颮線發(fā)展的高位渦氣團中心位于石家莊上空，到20時，高位渦中心移至山東半島，前沿位于魯、皖、蘇3省交界附近。從位渦強度變化可以看出，從颮線發(fā)生前到颮線轉(zhuǎn)向前，高空位渦強度有所增強，也意味著高層干侵入是增強的。

圖5　2014年7月30日08時（a）、20時（b）水汽圖像與500　hPa位勢高度（單位：dagpm）和風(fēng)場的疊加

以上分析結(jié)果表明：從颮線發(fā)生前到颮線發(fā)展過程中，高層干侵入是加強的；干侵入前沿與500 hPa槽線有很好的對應(yīng)關(guān)系，干侵入底部風(fēng)場調(diào)整使得颮線在移動過程中發(fā)生轉(zhuǎn)向。

3　干侵入對此次颮線過程的作用機制分析

圖7中以低相對濕度（60%）、高位渦（1 PVU）空氣代表干侵入活動。干侵入從颮線發(fā)生前（30日08時）就已經(jīng)開始向下發(fā)展，從圖7a中陰影區(qū)來看，影響此次颮線過程的干空氣前沿位于36°N，高空“干舌”形成，相對濕度低于60%的空氣下沉至700 hPa附近，高層相對濕度低于40%的干空氣仍停留在對流層頂附近，高位渦空氣前沿位于600 hPa高度處。30日20時，颮線主體位于34°N附近，從圖7b來看，颮線發(fā)生區(qū)域上空600 hPa至400 hPa附近空氣濕度垂直梯度非常大，相對濕度由60%迅速減小到10%，說明從08時到20時高空“干舌”持續(xù)加強，增強了大氣對流不穩(wěn)定；高位渦氣團底部距地面高度與08時相比變化不大，也就是說颮線發(fā)展過程中，干侵入下沉至對流層低層后不再向?qū)α鲗拥讓尤肭?，這與陶祖鈺等[24]的研究結(jié)果一致。

圖6　2014年7月30日08時（a）、20時（b）325K等熵面上位渦（單位：PVU）與溫度場（單位：dagpm）、風(fēng)場（單位：m/s）的疊加

從圖7中相當(dāng)位溫等值線的變化來看，干侵入底部存在相當(dāng)位溫低值中心，并且該低值中心與干侵入移動方向一致。從颮線發(fā)生前到颮線維持期間，干侵入底部相當(dāng)位溫中心值減小，且颮線主體下方的高相當(dāng)位溫空氣向上輸送增強，使中低層相當(dāng)位溫等值線密集，導(dǎo)致對流不穩(wěn)定性增強。Rotunno[25]指出，低相當(dāng)位溫空氣和高相當(dāng)位溫空氣團的混合有利于颮線下方“冷池”的發(fā)展，而在冷池的作用下又會激發(fā)新的上升氣流，這是延長颮線生命史的重要途徑之一。颮線發(fā)展期間，當(dāng)干侵入下方低相當(dāng)位溫空氣侵入颮線主體，與颮線內(nèi)部低層大氣的高相當(dāng)位溫空氣混合后，會促使颮線下方“冷池”發(fā)展，對延長颮線生命史具有重要意義。

圖7　颮線發(fā)生區(qū)域相對濕度（60%，陰影，單位：%）、位渦（實線，單位：PVU）和相當(dāng)位溫（虛線，單位：K）沿117°E垂直剖面（a）30日08時，（b）30日20時

以上分析結(jié)果表明：干侵入下沉?xí)r在高空形成“干舌”，颮線發(fā)生前至颮線發(fā)展過程中，“干舌”逐步加強，使低濕、高位渦空氣向強對流發(fā)生區(qū)域上空輸送，形成“上干下濕”的大氣層結(jié)，增強了對流不穩(wěn)定。干侵入底部低相當(dāng)位溫空氣與颮線內(nèi)部高相當(dāng)位溫空氣混合對延長颮線生命史也有重要作用。

4　結(jié)論

對2014年7月30—31日發(fā)生在我國東部的一次強颮線過程進行天氣學(xué)分析，并分析了干侵入在此次颮線過程中的演變特征和干侵入對此次颮線過程的作用，得到的主要結(jié)論有：

（1）此次颮線是在高空槽后有強冷空氣輸送、中層階梯槽引導(dǎo)干冷空氣南下并疊加在低層暖濕氣流之上的有利背景條件下產(chǎn)生的。低空切變線是此次颮線過程的重要觸發(fā)機制。

（2）此次颮線過程中，干侵入來源于高空槽后下沉氣流，干侵入前沿與500 hPa高空槽線位置相當(dāng)。從颮線發(fā)生前到颮線發(fā)展過程中，干侵入范圍擴大、強度增強。

（3）干侵入下沉過程中高空形成“上干下濕”的大氣層結(jié)，增強了大氣對流不穩(wěn)定。干侵入底部風(fēng)場調(diào)整對颮線在移動過程中發(fā)生轉(zhuǎn)向具有重要作用。干侵入底部低相當(dāng)位溫空氣與颮線內(nèi)部高相當(dāng)位溫空氣混合是此次颮線過程得以長時間維持的重要原因。需要說明的是，本文是中緯度地區(qū)最典型的高空槽前型颮線的個例研究，干侵入是否是這類颮線的一般特征還有待于大量的個例來驗證。水汽云圖和常規(guī)資料分析并不能反映干侵入在颮線內(nèi)的全部特征，需要通過數(shù)值模式進一步研究。

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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

中圖分類號：P458.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：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

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（41275128）。

作者簡介：崔強（1990-），男，碩士研究生，研究方向：中尺度數(shù)值模擬。E-mail：18751909879@163.com

通訊作者：王春明（1970-），男，副教授，研究方向：中尺度數(shù)值模擬、天氣學(xué)與天氣預(yù)報。E-mail：wchm1970@163.com