姜勇強(qiáng) 韓銳 姜明波 周育鋒 陳超輝 王華文

摘要?利用江蘇省多部S波段多普勒天氣雷達(dá)資料，對(duì)2012年5月16日江蘇北部的一次颮線過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，颮線發(fā)生前500 hPa東北冷渦南側(cè)高空槽迅速南壓，江蘇北部槽后強(qiáng)冷平流與低空暖平流形成強(qiáng)烈的位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)。颮線發(fā)生、發(fā)展直至消亡過程中共出現(xiàn)2條帶狀回波，一條是從徐州附近開始發(fā)展，另一條則是在連云港附近的海上開始發(fā)展，隨后2條颮線合并而強(qiáng)烈發(fā)展。颮線中的強(qiáng)回波具有明顯的超級(jí)單體風(fēng)暴特征，存在懸掛回波和穹隆。徑向速度分析表明，中層存在深厚的中尺度渦旋對(duì)，雙渦之間可以吸入更多的空氣，能有效地維持風(fēng)暴內(nèi)部的高速上升氣流，使風(fēng)暴能得到維持而不受環(huán)境風(fēng)的干擾。垂直累積液態(tài)含水量（VIL）在連云港西南部160 km處冰雹發(fā)生時(shí)，由16日15：35的47.2 kg/m2躍增至15：41的98.8 kg/m2;而當(dāng)VIL由62.5 kg/m2劇減至10.2 kg/m2時(shí)，連云港西南部約53 km處出現(xiàn)了大風(fēng)，表明VIL的劇烈變化對(duì)冰雹和大風(fēng)的發(fā)生具有指示作用。

關(guān)鍵詞?颮線;組合反射率因子;徑向速度;渦旋對(duì);垂直累積液態(tài)含水量

中圖分類號(hào)?P?458.1+21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A文章編號(hào)?0517-6611（2020）01-0222-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.01.067

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis of a Squall Line Process with Doppler Weather Radar Data

JIANG Yong?qiang1， HAN Rui2， JIANG Ming?bo3 et al

（1. College of Meteorology and Oceanography， National University of Defense Technology， Nanjing， Jiangsu 211101;2. Army 93117 of PLA， Nanjing， Jiangsu 210018;3. Army 61540 of PLA， Beijing 100029）

Abstract?Using S?band Doppler weather radar data of Jiangsu Province， a squall line process in northern Jiangsu Province on May 16， 2012 was analyzed. The results showed that the 500 hPa trough to the south of the northeast cold vortex rapidly moved southward before the squall line occurred， and the strong cold advection behind the trough in northern Jiangsu formed a strong potential instability stratification with the low?level warm advection. During the occurrence， development and extinction of the squall line， two band echoes appeared. One began to develop near Xuzhou， the other began to develop in the sea near Lianyungang， and then the two squall lines merged and developed strongly. The strong echoes in squall line had obvious supercell storm characteristics， and there were suspended echo and vault. Radial velocity analysis shows that there was a mesoscale vortex couple in the middle layer， and more air could be inhaled between the two vortices， which could effectively maintain the high?speed updraft in the storm， so that the storm could be maintained without the interference of environmental wind. Vertically integrated liquid （VIL） quickly increased from 47.2 kg/m2 at 15：35 to 98.8 kg/m2 at 15：41 when hail occurred about 160 km to southwest of Lianyungang. When VIL was dramatically reduced from 62.5 kg/m2 to 10.2 kg/m2， strong winds appeared about 53 km to the southwest of Lianyungang， indicating that the drastic changes of VIL could indicate the occurrence of hail and gale.

Key words?Squall line;Composite reflectivity;Radial velocity;Vortex couple;Vertically integrated liquid

颮線的預(yù)報(bào)是當(dāng)前天氣預(yù)報(bào)的一個(gè)難題，部分颮線通過數(shù)值預(yù)報(bào)可以得到較好的預(yù)報(bào)，這取決于模式初始場(chǎng)和數(shù)值預(yù)報(bào)的分辨率及模式物理過程等。但大部分颮線因?yàn)槌跏紙?chǎng)缺乏足夠的中尺度信息，或者沒有選擇合適的模式物理過程，特別是云微物理過程或積云對(duì)流參數(shù)化過程，導(dǎo)致颮線的短期預(yù)報(bào)極為困難。由于常規(guī)探空觀測(cè)資料難以準(zhǔn)確分析其結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展的演變情況，因此，利用多普勒天氣雷達(dá)資料分析颮線的結(jié)構(gòu)及颮線的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理，對(duì)颮線的預(yù)報(bào)以及防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

多普勒天氣雷達(dá)回波很早就得到分析和應(yīng)用[1]。夏麗花等[2]認(rèn)為颮線在多普勒天氣雷達(dá)回波中是一種帶（線）狀的中尺度對(duì)流系統(tǒng)或狹窄的活躍雷暴帶。漆梁波等[3]在對(duì)長(zhǎng)江三角洲颮線的分析中得到，鑲嵌在颮線中的強(qiáng)雷暴或超級(jí)單體風(fēng)暴常常引起局地地面風(fēng)向突變、風(fēng)速劇增、氣壓躍升、氣溫劇降，并伴有雷暴、冰雹、龍卷等災(zāi)害性天氣。張沛源等[4]分析指出，颮線發(fā)生時(shí)，中低層為暖平流，高層為冷平流。戴建華等[5]對(duì)2009年6月5日上海部分地區(qū)出現(xiàn)的一個(gè)颮線前超級(jí)單體雷暴進(jìn)行分析，并基于常規(guī)天氣觀測(cè)、多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線儀和自動(dòng)氣象站等資料得到該風(fēng)暴呈現(xiàn)出“指”狀、“楔”狀、弱回波區(qū)（WER）等超級(jí)單體雷達(dá)反射率特征。鄭媛媛等[6]對(duì)2002年5月27日14：00—20：00發(fā)生在皖北地區(qū)的一次典型的超級(jí)單體風(fēng)暴過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該超級(jí)單體左前方的低層組合反射率因子呈現(xiàn)明顯的倒“V”型結(jié)構(gòu)，沿入流方向穿過最強(qiáng)回波位置的組合反射率因子垂直剖面呈現(xiàn)出典型的有界弱回波區(qū)（穹?。?qiáng)大的回波懸垂和有界弱回波區(qū)左側(cè)的回波墻。刁秀廣等[7]對(duì)2002年9月27日、2003年6月28日和2004年6月24日山東部分地區(qū)的3次典型超級(jí)單體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其演變過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，風(fēng)暴形成階段表現(xiàn)為不同的演變特征以及風(fēng)暴旺盛成熟階段表現(xiàn)為典型的超級(jí)單體特征，包括有界弱回波區(qū)（BWER）和中氣旋。俞小鼎等[8]對(duì)2005年7月30日發(fā)生在安徽北部的伴隨強(qiáng)烈龍卷和暴雨的強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴的環(huán)境條件和回波結(jié)構(gòu)演變特征進(jìn)行分析，將該超級(jí)單體的演化歸結(jié)為帶狀回波—典型強(qiáng)降水超級(jí)單體—弓形回波3個(gè)階段。從以上研究可以看出，對(duì)于不同的颮線，結(jié)構(gòu)也有所不同，因此需要對(duì)颮線的回波特征進(jìn)行更深入研究，并通過分析颮線系統(tǒng)多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)的演變，研究颮線的發(fā)生發(fā)展和傳播機(jī)制。

2012年5月16日，在江蘇北部地區(qū)發(fā)生一次颮線天氣過程。對(duì)流初生位置是在徐州附近，隨后逐漸發(fā)展強(qiáng)盛，并在連云港附近出現(xiàn)了最強(qiáng)盛的對(duì)流單體，此時(shí)另一條颮線在連云港附近的海上位置開始發(fā)展，這2條颮線在后來的發(fā)展過程中連成一片，向東南方向移動(dòng)，到達(dá)鹽城時(shí)該颮線強(qiáng)度減弱并逐漸消亡。筆者利用NCEP再分析資料，分析此次颮線形成的大尺度形勢(shì)，利用江蘇省多普勒雷達(dá)資料，分析回波特征、徑向速度和垂直累積液態(tài)含水量，探討颮線的發(fā)生發(fā)展機(jī)制。

1?颮線天氣過程

2012年5月16日發(fā)生在江蘇北部地區(qū)的一次颮線天氣過程，該颮線發(fā)生發(fā)展直至消亡歷時(shí)約7 h，自江蘇徐州沿路途經(jīng)宿遷、淮安、連云港、鹽城，出海消亡，初生位置是在徐州附近的柳泉站（114.2°E，39.5°N）。16日14：34，柳泉開始出現(xiàn)幾個(gè)孤立的對(duì)流單體，隨后發(fā)展逐漸強(qiáng)盛，對(duì)流單體也連成一片，并且在0.5°仰角多普勒雷達(dá)組合反射率因子圖上呈現(xiàn)出一條帶狀結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的回波強(qiáng)度為50～60 dBz;16：31，對(duì)流單體發(fā)展到最強(qiáng)盛，強(qiáng)度達(dá)到最大值65 dBz，此時(shí)雷達(dá)回波圖上呈現(xiàn)2條帶狀結(jié)構(gòu)，并且都是自西北向東南方向移動(dòng)。17：01，2條帶狀結(jié)構(gòu)在組合反射率因子圖上開始出現(xiàn)回波的相接與合并，隨后連成一整片，但強(qiáng)度開始減弱。19：04，整片對(duì)流單體移至鹽城，此時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)很弱直至入海消失。在這過程中蘇北大片地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)、冰雹和強(qiáng)降水天氣，這些地區(qū)出現(xiàn)的最大風(fēng)速達(dá)24 m/s，1 h降水量最大達(dá)20 mm，地面氣溫最低降至14 ℃，海平面氣壓最高躍升至1 005 hPa。

2?大尺度形勢(shì)分析

此次罕見的颮線天氣過程主要受東北冷渦的影響，蘇北地區(qū)高空氣溫比較低，而近地面氣溫又比較高，形成了很強(qiáng)的位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)。在東北冷渦天氣背景條件下，高空槽的迅速南壓導(dǎo)致中高層的流場(chǎng)發(fā)生了迅速的變化。

圖1為采用NCEP 1°×1°資料繪制的2012年5月16日08：00形勢(shì)場(chǎng)。200 hPa高空?qǐng)D上，颮線發(fā)生位置位于高空西風(fēng)急流區(qū)域內(nèi)，從溫度場(chǎng)上看，蘇北地區(qū)位于冷渦底部。500 hPa高空?qǐng)D上，颮線發(fā)生位置對(duì)應(yīng)于低壓南側(cè)，高空西風(fēng)急流區(qū)域內(nèi)風(fēng)速較大，高空急流是地面颮線發(fā)生發(fā)展的有利條件。700 hPa高空?qǐng)D上，颮線發(fā)生位置對(duì)應(yīng)于低壓南側(cè)，槽線西側(cè)風(fēng)場(chǎng)西風(fēng)分量較大，風(fēng)速較大，且位于西南氣流和西北氣流的輻合帶中，有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，冷暖空氣交匯，斜壓性較強(qiáng)，易形成不穩(wěn)定能量，可為颮線的發(fā)展提供一定的能量來源。850 hPa高空?qǐng)D上，颮線發(fā)生位置位于槽線前緣，南側(cè)盛行西南氣流，北側(cè)盛行西北氣流，西南氣流和西北氣流在此交匯輻合，上升運(yùn)動(dòng)明顯，易形成對(duì)流性天氣，釋放不穩(wěn)定能量。

3?多普勒雷達(dá)資料分析

3.1?組合反射率因子分析

資料采用江蘇省各地區(qū)的雷達(dá)基數(shù)據(jù)，包括組合反射率因子和徑向風(fēng)速。從2012年5月16日連云港站0.5°仰角組合反射率因子演變過程（圖2）可以看出，14：28在徐州附近柳泉站（相對(duì)于雷達(dá)的位置方位261°，198 km）開始有孤立單體生成，此后對(duì)流單體發(fā)展加強(qiáng)并向東偏南方向移動(dòng);16：02，該系統(tǒng)已發(fā)展成由多個(gè)對(duì)流單體連成一片、尺度約為200 km的中尺度對(duì)流系統(tǒng);16：31，中尺度對(duì)流系統(tǒng)中有2條發(fā)展比較強(qiáng)盛的帶狀結(jié)構(gòu)，其中西南部一條發(fā)展最強(qiáng)，東北部一條發(fā)展也比較強(qiáng)盛;17：01，上述的2條帶狀結(jié)構(gòu)在仰角為0.5°的組合反射率因子上顯示出回波的合并與相接;18：09，在距離鹽城10 km處新生一條強(qiáng)度較強(qiáng)的帶狀回波，其后回波強(qiáng)度逐漸減弱;19：00，颮線消失東移入海。

圖3a為圖2c所示實(shí)線AA′穿過主要回波帶的組合反射率因子垂直剖面圖。由圖可見，颮線帶狀回波帶中鑲嵌著一個(gè)個(gè)強(qiáng)回波區(qū)，最大組合反射率因子超過60 dBz，此時(shí)颮線對(duì)流發(fā)展到最強(qiáng)盛階段;該片區(qū)域出現(xiàn)了大風(fēng)和冰雹，且最大風(fēng)力達(dá)24 m/s。對(duì)于圖2c中最強(qiáng)回波區(qū)（AA′和BB′交叉處），該強(qiáng)回波區(qū)水平尺度約25 km，與超級(jí)單體風(fēng)暴尺度相當(dāng)。圖3b為圖2c所示實(shí)線BB′穿過最強(qiáng)回波位置的組合反射率因子垂直剖面圖?；夭ň哂忻黠@的超級(jí)單體風(fēng)暴特征，回波主要在8 km高度以下，超過50 dBz的回波主要在4 km高度以下，主回波區(qū)向前傾斜，前方有黃色區(qū)域懸掛回波，懸掛回波和主回波區(qū)之間有相對(duì)弱的回波區(qū)，為穹隆。因?yàn)樵搯误w強(qiáng)度比典型的超級(jí)大體風(fēng)暴弱，因此，懸掛回波和穹隆特征不夠典型。

3.2?徑向速度分析

從5月16日16：31連云港2.4°仰角徑向速度圖（圖4a）可看出，連云港南部（東南部）距雷達(dá)約30 km處，有一個(gè)正-負(fù)-正排列的徑向速度區(qū)，南部正速度中心達(dá)11.5 m/s，負(fù)速度中心為-8.0 m/s，速度差達(dá)19.5 m/s;而在連云港東南部的正速度區(qū)，其最大中心值為17.5 m/s，該速度對(duì)一直伸展到約6 km高度。根據(jù)這種排列的徑向速度可以判斷出該處存在一個(gè)渦旋對(duì)，西南方為氣旋，東北方為反氣旋。此時(shí)環(huán)境風(fēng)場(chǎng)為西北風(fēng)，即沿著背景風(fēng)場(chǎng)，右側(cè)為氣旋，左側(cè)為反氣旋。對(duì)流層的這一雙渦結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)閷?duì)流體上升運(yùn)動(dòng)中含有大量凝結(jié)物，可以看成剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)境風(fēng)遇到對(duì)流體時(shí)產(chǎn)生繞流，氣流繞過風(fēng)暴前進(jìn)方向右側(cè)有利于形成氣旋性渦旋，氣流繞過左側(cè)有利于形成反氣旋。同時(shí)在風(fēng)暴中層發(fā)展起來的渦旋對(duì)，其旋轉(zhuǎn)方向有助于把環(huán)境氣流阻塞住，而低層氣流由于同環(huán)境相對(duì)風(fēng)的方向相反，雙渦之間便將吸入更多的空氣，能有效地維持風(fēng)暴內(nèi)部的高速上升氣流，從而風(fēng)暴能維持而不受環(huán)境風(fēng)的干擾。

Eagleman等[9]根據(jù)雙多普勒雷達(dá)的聯(lián)合觀測(cè)表明，在風(fēng)暴的中間層（3～7 km）有明顯的雙渦發(fā)展，而且在5～6 km高度上發(fā)展得最強(qiáng)。分析通過中尺度氣旋中心東北—西南向的徑向速度的垂直剖面（圖4b）可以看出，徑向速度剖面中最顯著的一個(gè)特征是從低層向上擴(kuò)展到約6 km存在中尺度負(fù)速度區(qū)。負(fù)速度區(qū)隨高度范圍變小，其兩邊為正速度區(qū)包圍，表明對(duì)流云體中確實(shí)存在中尺度渦旋。

3.3?垂直累積液態(tài)含水量分析

垂直累積液態(tài)含水量被定義為云底上部單位面積上懸掛的可降水質(zhì)量。分析此次颮線發(fā)生、發(fā)展至消亡過程垂直累積液態(tài)含水量（VIL）變化發(fā)現(xiàn)，在颮線發(fā)生期間，VIL值出現(xiàn)明顯的躍增和劇減，同時(shí)伴隨著激烈的天氣現(xiàn)象。

王煒等[10]對(duì)天津市2000年汛期11次天氣過程的研究指出，VIL值的迅猛增加對(duì)冰雹預(yù)報(bào)有很好的指示意義，當(dāng)VIL≥20 kg/m2時(shí)，出現(xiàn)冰雹天氣的可能性極大。房春琴等[11]研究指出，雷達(dá)探測(cè)范圍50～150 km，VIL≥50 kg/m2會(huì)出現(xiàn)降雹，VIL≥60 kg/m2時(shí)可出現(xiàn)大冰雹。5月16日15：35連云港西南部距離雷達(dá)位置約160 km（114°E，39°N）處，VIL由47.2 kg/m2躍增至15：41的98.8 kg/m2（圖5紅色圓圈處），實(shí)況該處出現(xiàn)冰雹天氣。而俞小鼎等[12]分析指出，快速降低的VIL值也許意味著破壞性大風(fēng)的開始。連云港西南部距離雷達(dá)位置約53 km（116°E，39°N）處，VIL由16：12的62.5 kg/m2劇減至16：18的10.2 kg/m2，該處出現(xiàn)了大風(fēng)，這與上述觀點(diǎn)是一致的，表明VIL的劇烈變化對(duì)冰雹和大風(fēng)的發(fā)生具有指示作用。

4?結(jié)論

該研究采用NCEP再分析資料和S波段多普勒天氣雷達(dá)資料對(duì)2012年5月16日發(fā)生在江蘇蘇北地區(qū)颮線的背景以及發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行了分析，分別對(duì)各個(gè)仰角的組合反射

率因子、徑向速度、垂直累積液態(tài)含水量進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）在東北冷渦天氣背景條件下，高空槽的迅速南壓導(dǎo)致中高層的流場(chǎng)發(fā)生較為迅速的變化，而其后部的高空強(qiáng)冷平流與低空暖平流形成的強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)是此次強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生、發(fā)展的主要背景。

（2）颮線中的強(qiáng)回波具有明顯的超級(jí)單體風(fēng)暴特征，存在懸掛回波和穹隆。

（3）不同仰角徑向速度分析表明，中層存在中尺度渦旋對(duì)，雙渦之間可以吸入更多的空氣，能有效地維持風(fēng)暴內(nèi)部的高速上升氣流，使風(fēng)暴能得到維持而不受環(huán)境風(fēng)的干擾。

（4）VIL值的迅猛增加對(duì)冰雹預(yù)報(bào)有很好的指示意義，快速降低的VIL值也許意味著破壞性大風(fēng)的開始。

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