雷蕾孫繼松陳明軒秦睿荊浩

1北京市氣象臺(tái)，北京100089

2中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

3北京城市氣象研究院，北京100089

4 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京210009

1 引言

颮線作為一種高度組織化，影響范圍廣，可能產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)、龍卷、冰雹和強(qiáng)降水災(zāi)害天氣的一種強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，從20世紀(jì)中期開始就受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。Fujita（1955）對(duì)颮線的天氣學(xué)概念模型進(jìn)行了細(xì)致的描述，包括颮線過境時(shí)表現(xiàn)為明顯的氣壓涌升、雷暴高壓和尾部弱低壓。后來，隨著中尺度觀測(cè)網(wǎng)的逐漸成熟，對(duì)應(yīng)不同強(qiáng)對(duì)流現(xiàn)象的不同尺度風(fēng)暴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸被揭示出來。早期利用探空和天氣雷達(dá)等資料，科學(xué)家對(duì)于美國(guó)中東部大量的颮線過程進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)颮線有一些共同的結(jié)構(gòu)特征，包括云體內(nèi)傾斜的上升氣流、低層前側(cè)的暖濕入流，后側(cè)中層比較干的、具有低相當(dāng)位溫的入流，即后側(cè)的干冷空氣下沉氣流（Newton,1950）。Ogura and Liou（1980）利用美國(guó)國(guó)家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室（NSSL）春季計(jì)劃所獲取的資料對(duì)一次中緯度颮線過程進(jìn)行了綜合分析，給出了成熟時(shí)期的颮線內(nèi)部熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)，并且分析了其維持過程中的物理機(jī)制,同樣發(fā)現(xiàn)了上述一些共同的結(jié)構(gòu)特征。隨著二維和三維云模式的發(fā)展，Rotunno et al.（1988）模擬了多次颮線過程，用來研究長(zhǎng)生命史的颮線所具有的環(huán)境特征和維持機(jī)制，模擬表明大多數(shù)颮線都是由若干短生命史單體不斷生消演變形成的長(zhǎng)生命史颮線，而雷暴冷池和低層風(fēng)切變之間的相互“平衡”是颮線維持長(zhǎng)生命史的重要熱動(dòng)力因素，形成了著名的“RKW 理論”。

國(guó)內(nèi)在颮線結(jié)構(gòu)特征研究方面，利用觀測(cè)資料來分析颮線成熟階段的中尺度特征和觸發(fā)條件（蔡則怡等, 1988;丁青蘭等,2008;王國(guó)榮等,2010）；此外，利用單（雙）多普勒雷達(dá)反演技術(shù)反演降水云系的水平（三維）風(fēng)場(chǎng)分析颮線中尺度動(dòng)力學(xué)過程和結(jié)構(gòu)演變（劉淑媛等,2007;王俊等,2007;潘玉潔等,2012）。近年來，WRF等中尺度模式或ARPS風(fēng)暴尺度云模式被應(yīng)用于對(duì)颮線進(jìn)行模擬，從而對(duì)于颮線的結(jié)構(gòu)、發(fā)生、發(fā)展的機(jī)制及其作用有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)（梁建宇和孫建華,2012;劉香娥和郭學(xué)良,2012;吳海英等,2013;張哲等,2016）。

華北中南部是僅次于黃淮下游的颮線第二高頻多發(fā)地區(qū)（Meng et al.,2013）。華北地區(qū)地形復(fù)雜，形成颮線的線狀或帶狀對(duì)流系統(tǒng)多發(fā)源于河北西部和北部山區(qū)（Meng et al.,2013），移動(dòng)到下游組織成颮線后對(duì)大規(guī)模城市群產(chǎn)生嚴(yán)重的風(fēng)、雹、短時(shí)暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣。近年來，上游雷暴下山后加強(qiáng)還是減弱的問題，一直是北京強(qiáng)對(duì)流天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵問題，也成為研究熱點(diǎn)（Wilson et al.,2010;陳雙等,2011;黃榮等,2012;肖現(xiàn)等,2013,2015;孫靖和程光光,2017）。前期研究大多是針對(duì)分散的雷暴單體下山強(qiáng)度變化的研究，而對(duì)于帶狀或線狀對(duì)流系統(tǒng)下山強(qiáng)度如何變化研究相對(duì)較少，對(duì)于華北地區(qū)為什么有的帶狀對(duì)流下山減弱消失，而有些缺乏組織性的對(duì)流系統(tǒng)下山后反而能夠組織成為颮線？認(rèn)識(shí)還不清楚。揭示對(duì)流系統(tǒng)與環(huán)境大氣之間，風(fēng)暴單體之間的熱動(dòng)力相互作用過程，不僅關(guān)系到對(duì)流系統(tǒng)形成和發(fā)展機(jī)制的理解，同時(shí)也是分類強(qiáng)對(duì)流天氣精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警的基本物理邏輯。本文將以北京一次強(qiáng)颮線天氣為例，分析初始組織化程度較低的對(duì)流單體如何在下山過程中組織成颮線；颮線與環(huán)境大氣之間、颮線中的風(fēng)暴單體之間存在怎樣的相互作用。

2 資料

本文采用（1）北京觀象臺(tái)SA 多普勒天氣雷達(dá)逐6分鐘體掃觀測(cè)資料，用于分析對(duì)流系統(tǒng)的演變及中尺度結(jié)構(gòu)。（2）FY-2G 衛(wèi)星可見光圖像和相當(dāng)黑體亮溫（TBB）資料，用于分析對(duì)流發(fā)生的環(huán)境以及云系的發(fā)展強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等圖像特征。（3）北京地區(qū)加密自動(dòng)站資料，用于分析降水、氣溫、風(fēng)等要素。2015年北京區(qū)域自動(dòng)站約368 個(gè)，氣溫和雨量資料均進(jìn)行質(zhì)控。（4）ERA Interim（0.125°×0.125°）再分析資料，用于天氣尺度形勢(shì)和物理量診斷。（5）基于京津冀6 部雷達(dá)觀測(cè)的四維變分同化系統(tǒng)（VDRAS）反演高時(shí)空分辨率要素場(chǎng)（Sun and Crook,2001;Chen et al.,2007;Sun et al.,2010;陳明軒等,2011,2016;陳明軒和王迎春,2012），已被成熟的應(yīng)用到華北地區(qū)雷暴的研究中（Wilson et al.,2010;陳雙等, 2011;陳明軒和王迎春,2012;黃榮等,2012;肖現(xiàn)等,2013,2015;劉蓮等,2015），用于揭示颮線發(fā)展過程的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)。

3 天氣實(shí)況及影響

2015年8月7日午后開始，華北發(fā)生大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣。上游斷線狀對(duì)流系統(tǒng)自西北向東南移動(dòng)，并且在由山區(qū)向平原地區(qū)移動(dòng)過程中與多單體雷暴合并、組織，最終加強(qiáng)形成強(qiáng)颮線（圖1）。受其影響，8月7日16～22時(shí)（北京時(shí)，下同），北京多地出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水（圖2a），雨量分布極不均勻，最大雨量85.7 mm（朝陽(yáng)區(qū)金盞站），最大雨強(qiáng)72.3 mm h-1（17～18時(shí)，延慶區(qū)東門營(yíng)站）。對(duì)流發(fā)展和移動(dòng)的過程中，北京自北向南二十余處還上報(bào)出現(xiàn)冰雹（圖2a），測(cè)站上記錄的最大冰雹直徑為15 mm（朝陽(yáng)）。此外，京津冀地區(qū)伴有7～9級(jí)雷暴大風(fēng)（圖2b），北京最大風(fēng)力22.8 m s-1（9級(jí)）。以最大降水朝陽(yáng)金盞站為例，17:40～17:50陣風(fēng)鋒先于降水影響本站，東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速迅速增大到5 級(jí)（圖3），且氣溫迅速下降；18:15～18:50，颮線主體過境，最大5分鐘雨量10.6 mm，并伴有7級(jí)大風(fēng)（18:30～19:55，16.1 m s-1），氣溫再次下降；19:00～19:20，颮線后部雷暴高壓影響，氣壓快速上升，風(fēng)速再次增大。這次強(qiáng)對(duì)流天氣影響非常大，北京郊區(qū)的農(nóng)作物出現(xiàn)不同程度的毀損，城區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的道路積水?dāng)嗦?、地下通道進(jìn)水，首都機(jī)場(chǎng)大量航班延誤和取消。

4 天氣背景及環(huán)境特征

8月7日08時(shí)，500 hPa 我國(guó)中東部有低渦低槽加深發(fā)展，低渦中心位于內(nèi)蒙古東北部，低渦后部有-12°C冷中心；西太平洋副熱帶高壓中心位于日本海。京津冀地區(qū)位于低渦低槽前、副高西北側(cè)的西南氣流中（圖4a）。14時(shí)，850 hPa 內(nèi)蒙古與河北北部交界地區(qū)處于低壓槽區(qū)，有切變線并配合暖舌發(fā)展，高低空溫差超過30°C（圖4b）。與850 hPa 切變線相配合，地面存在輻合線和干線，京津冀平原受東南風(fēng)影響，露點(diǎn)溫度22～24°C，具有高濕的特征。

上述天氣背景表明，8月7日午后華北北部存在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的動(dòng)力、水汽和層結(jié)不穩(wěn)定條件。FY2G 可見光圖像（圖4d）上，7日午后華北北部較大范圍的對(duì)流云團(tuán)正是高空槽、低層切變線和地面干線附近觸發(fā)、組織起來的，成為后來演變?yōu)轱R線的主體。此外，在云圖上華北平原存在淺對(duì)流云街，渤海灣的對(duì)流系統(tǒng)前側(cè)有小范圍積云線（雷暴出流）向北京地區(qū)移動(dòng)，這些云圖特征均表征平原地區(qū)大氣存在不穩(wěn)定和有利于雷暴下山的能量條件。14時(shí)探空顯示，北京地區(qū)對(duì)流有效位能（CAPE）高達(dá)3270 J kg-1，400～600 hPa 存在顯著干層，但是7 km 以下的垂直風(fēng)切變不足10 m s-1，3 km 以下垂直切變更弱，屬于弱切變環(huán)境（圖4c）。

圖2 2015年8月7日（a）16～22時(shí)北京地區(qū)降雨量（單位：mm）和降雹位置（黑色三角）；（b）14～22時(shí)京津冀地區(qū)極大風(fēng)風(fēng)速（單位：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

圖3 2015年8月7日17:05～20:00朝陽(yáng)區(qū)金盞站氣溫（單位：°C），氣壓（單位：hPa）和極大風(fēng)風(fēng)速（單位：m s-1）（實(shí)線表示氣壓，點(diǎn)線表示氣溫，虛線表示極大風(fēng)風(fēng)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 颮線的組織化過程及中尺度特征

付丹紅和郭學(xué)良（2007）研究表明，80%以上的雷暴合并過程都能使對(duì)流發(fā)展并使其具有較長(zhǎng)的生命史。本次颮線生命史超過七小時(shí)，其復(fù)雜的組織化過程可分為三個(gè)階段：上游線狀對(duì)流的發(fā)展移動(dòng)、平原多個(gè)雷暴的新生和合并、線狀對(duì)流系統(tǒng)并入本地多單體后組織成颮線。

第一階段：上游線狀對(duì)流的發(fā)展移動(dòng)。8月7日11時(shí)之后，在500 hPa 高空槽區(qū)（冷中心）、850 hPa 切變線（暖舌）和地面干線附近，生成斷線狀雷暴群（broken line）(Bluestein and Jain, 1985)，云頂亮溫（TBB）低于-40°C。在西北氣流引導(dǎo)下緩慢向北京西北部山區(qū)移動(dòng)。此時(shí)，下游天津也有單體雷暴生成，北京處于上下游雷暴之間的“空當(dāng)”區(qū)。14:30北京朝陽(yáng)區(qū)局地有小單體生成，反射率因子強(qiáng)度50 dB Z，從地面向上垂直發(fā)展5～6 km。但是，該孤立單體歷時(shí)20分鐘左右后減弱消失。此后兩小時(shí)，河北西北部和天津的對(duì)流仍然加強(qiáng)發(fā)展，但北京平原地區(qū)無任何對(duì)流新生，這種狀況從某種意義上講預(yù)示著平原地區(qū)存在抑制對(duì)流的條件，在短臨預(yù)報(bào)中增加了判斷上游斷線狀對(duì)流能否下山的難度。

圖4 2015年8月7日（a）08時(shí)500 hPa 位勢(shì)高度（實(shí)線，間隔4 dgpm，“D”表示低壓中心，粗黑線表示槽線）、溫度（虛線，間隔2°C，單位：°C）及風(fēng)場(chǎng)（單位：m s-1）；（b）14時(shí)850 hPa 位勢(shì)高度（實(shí)線，間隔1 dgpm，“D”表示低壓中心，粗黑線表示槽線、切變線）、溫度（虛線，間隔2°C，單位：°C）及風(fēng)場(chǎng)（單位：m s-1）；（c）14時(shí)北京觀象臺(tái)探空[圖中線條從左向右依次為相對(duì)濕度、露點(diǎn)、層結(jié)曲線、狀態(tài)曲線；紅色表示對(duì)流有效位能（CAPE）、藍(lán)色表示對(duì)流抑制能量]；（d）14時(shí)FY2G 可見光圖像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

第二階段：平原地區(qū)小范圍內(nèi)多個(gè)雷暴新生并逐漸合并加強(qiáng)。15時(shí)后，天津地區(qū)的雷暴單體出現(xiàn)陣風(fēng)鋒，向北京東南部推進(jìn)（圖5a 中白色虛線所示）；此時(shí)上游線狀對(duì)流也移入北京延慶、懷柔北部地區(qū)（圖5a 中A），在A 前部和下游陣風(fēng)鋒之間，有孤立的對(duì)流單體生成（順義北部地區(qū)），反射率因子強(qiáng)度迅速增強(qiáng)到60 dB Z，回波頂高達(dá)到12 km，它距離A 和陣風(fēng)鋒均為50 km 左右；該單體沒有像第一階段單體雷暴那樣減弱消失，反而在其西南側(cè)迅速有雷暴新生、發(fā)展，并逐漸形成西南—東北向線狀排列的對(duì)流系統(tǒng)B（圖5b），其中成熟單體有“懸垂”結(jié)構(gòu)（圖5b），在順義造成局地冰雹天氣，但降雨不足2 mm，未伴隨雷暴大風(fēng)。與此同時(shí)，西部山區(qū)回波也在發(fā)展東移，形成對(duì)流系統(tǒng)C。此后，C、B之間不斷有雷暴單體新生，17:30左右B的強(qiáng)反射率因子（>55 dB Z）高度明顯下降，逐漸演變?yōu)榈唾|(zhì)心結(jié)構(gòu)（圖5c），但由于邊界層相對(duì)濕度較差，順義、朝陽(yáng)等地雨量不足5 mm，但有小冰雹出現(xiàn)。對(duì)應(yīng)衛(wèi)星云圖上南北兩條平行分布的對(duì)流云帶，TBB達(dá)到-30°C和-40°C 以下（圖6a）。

圖5 2015年8月7 日颮線組織化過程中不同時(shí)段雷達(dá)組合反射率（單位：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

第三階段：18時(shí)之后，上游線狀對(duì)流并入平原多單體雷暴后高度組織化發(fā)展，最終形成颮線。西北部線狀對(duì)流下山逐漸形成西南—東北向大范圍中尺度對(duì)流系統(tǒng)，多個(gè)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展成熟，TBB低于-45°C（圖6b），出現(xiàn)沿地形走向分布的“人字形”回波（圖5d）。東南部陣風(fēng)鋒移動(dòng)至朝陽(yáng)區(qū)多單體雷暴群附近，其北端與對(duì)流系統(tǒng)相接，造成單體新生和對(duì)流系統(tǒng)顯著加強(qiáng)，金盞站雨強(qiáng)達(dá)60.7 mm h-1，并伴有雷暴大風(fēng)。19時(shí)前后，上下游對(duì)流系統(tǒng)形成兩條線狀對(duì)流，并逐漸合并組織成強(qiáng)颮線（圖5e）。受嵌在其中的強(qiáng)單體影響，中心城區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水，朝陽(yáng)區(qū)多地出現(xiàn)冰雹天氣。強(qiáng)颮線前側(cè)出現(xiàn)陣風(fēng)鋒，水平尺度約60 km，移速約50 km h-1，出現(xiàn)大范圍6～8級(jí)大風(fēng)，最大18.3 m s-1。20時(shí)之后，陣風(fēng)鋒逐漸遠(yuǎn)離颮線，對(duì)流系統(tǒng)逐漸減弱，TBB升高，颮線趨于減弱和消亡（圖5f，圖6c）。

6 山前對(duì)流的觸發(fā)與傳播

午后雖然西北部山區(qū)有很好的大尺度動(dòng)力條件，但是平原地區(qū)中高層卻處于下沉運(yùn)動(dòng)和水汽輻散區(qū)域中（圖7a，b），這可能是這一階段朝陽(yáng)區(qū)孤立對(duì)流無法維持的重要原因之一。但另一方面，探空顯示平原地區(qū)的能量和層結(jié)不穩(wěn)定條件卻非常有利，且抬升凝結(jié)高度和自由對(duì)流高度非常低（900 hPa以下）（圖4c），在這種環(huán)境中，當(dāng)日午后最高氣溫升至30°C 以上，就有可能出現(xiàn)熱對(duì)流，如果配合一定的動(dòng)力抬升條件使氣塊抬升至自由對(duì)流高度，正浮力作用將迅速使對(duì)流獲得強(qiáng)烈發(fā)展。那么第二階段中小范圍多個(gè)單體雷暴是如何被觸發(fā)并發(fā)展起來的？

在對(duì)流新生前，地面東南風(fēng)在順義、昌平和朝陽(yáng)交界（圖8a 圈內(nèi)）出現(xiàn)比較明顯的局地風(fēng)速輻合，并且溫度較周圍低1～2°C，尤其南側(cè)溫度梯度明顯。地面局地?zé)崃Ψ植疾痪浜巷L(fēng)場(chǎng)輻合的狀況持續(xù)增強(qiáng)，約20分鐘后雷暴被觸發(fā)。造成局地溫度差異的原因，可能與下墊面物理屬性的差異（南部朝陽(yáng)區(qū)為CBD商業(yè)區(qū)）導(dǎo)致太陽(yáng)輻射加熱不均或天空云量多寡有關(guān)。此后，由于北部山前對(duì)流造成地面降溫（冷池）范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，熱力不均的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，溫度梯度區(qū)和風(fēng)速輻合區(qū)向南發(fā)展（圖8b），造成新生對(duì)流向南傳播（圖5c，d）。平原地區(qū)的對(duì)流不斷新生發(fā)展，預(yù)示著上游線狀對(duì)流將在下山后可能增強(qiáng)發(fā)展成颮線（Wilson et al.,2010）。

圖6 2015年8月7日颮線不同階段TBB（單位：°C）分布：（a）17:00（發(fā)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)

圖7 2015年8月7日14 時(shí)（a）假相當(dāng)位溫 θse（黑色實(shí)線，單位：K）、比濕（灰度填色，單位：g kg-1）及水汽通量輻合（黑色虛線，單位：g cm-2 hPa-1 s-1）剖面；（b）垂直速度（等值線，負(fù)值表示上升運(yùn)動(dòng)，單位：Pa s-1）和流場(chǎng)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 垂直風(fēng)切變與颮線熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化

7.1 垂直風(fēng)切變的變化

Thorpe et al.（1982），Rotunno et al.（1988）研究表明垂直于颮線的0～3 km 垂直風(fēng)切變對(duì)于形成組織化程度較高的強(qiáng)颮線有重要的影響，陳明軒和王迎春（2012）研究表明垂直于颮線的0～6 km垂直風(fēng)切變也有一定的指示性作用。但是本次颮線形成前，0～6 km 垂直風(fēng)切變不足10 m s-1，0～3 km垂直風(fēng)切變更弱。從雷達(dá)回波來看，18時(shí)前后已經(jīng)形成了“人字形”回波結(jié)構(gòu)（圖5e），其上鑲嵌有多個(gè)回波強(qiáng)度超過60 dB Z 的雷暴單體。VDRAS反演的颮線后方垂直風(fēng)切變矢量的方向?yàn)槲鞅薄獤|南方向，切變大小仍小于10 m s-1（圖9a），其前側(cè)風(fēng)切變矢量弱且方向性不明顯。這與探空得到的弱垂直風(fēng)切變是一致的，似乎為不利于颮線組織化的切變條件。19時(shí)前后，線狀對(duì)流進(jìn)入平原地區(qū)，“人字形”回波東端逐漸與平原地區(qū)的對(duì)流系統(tǒng)合并，移速加快，此時(shí)垂直于颮線的前側(cè)南風(fēng)矢量加大，0～6 km 垂直風(fēng)切變顯著加大到17 m s-1，0～3 km 垂直風(fēng)切變加強(qiáng)到14 m s-1（圖9b），這顯然與對(duì)流系統(tǒng)前側(cè)的入流加強(qiáng)有關(guān)，颮線進(jìn)入成熟期。由此可見，盡管初期環(huán)境垂直風(fēng)切變較弱，但是從對(duì)流系統(tǒng)合并（對(duì)應(yīng)颮線形成初期）到颮線成熟期，垂直于颮線的垂直風(fēng)切變?cè)谕矫黠@增強(qiáng)。

圖9 2015年8月7日（a）18:30 和（b）19:00的0～6 km 高度垂直風(fēng)切變（灰度填色，單位：m s-1），0～3 km 高度垂直風(fēng)切變（箭頭為風(fēng)切變矢量，單位：m s-1，虛線表示風(fēng)速切變大?。┖痛笥?0 dB Z 的京津冀雷達(dá)拼圖組合反射率（等值線，單位：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 颮線熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)的變化及β中尺度鋒面

初始，北京西北部山區(qū)的斷線狀對(duì)流結(jié)構(gòu)松散（圖10a1，a2），其上雷暴A 強(qiáng)度較強(qiáng)，呈現(xiàn)“TS型”（Parker and Johnson,2000）。后側(cè)有弱冷池，擾動(dòng)溫度-4°C，前側(cè)出流較弱，但在地面造成1小時(shí)負(fù)變溫超過2°C（圖略），導(dǎo)致了向平原暖氣團(tuán)一側(cè)的溫度梯度加大，產(chǎn)生了β中尺度鋒面（隨后出現(xiàn)陣風(fēng)鋒）。與此同時(shí)，前部偏南風(fēng)加大到6～8 m s-1，云體前側(cè)輻合加強(qiáng)，出現(xiàn)顯著上升氣流，最大上升中心在2500 m 附近，強(qiáng)度約0.3 Pa s-1。這支上升氣流在高度3500 m 向前流出云體，并形成沿雷暴傳播方向的順時(shí)針垂直環(huán)流，水平尺度30 km，環(huán)流中心位于1000～1500 m。β中尺度鋒區(qū)上輻合上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)了線狀對(duì)流發(fā)展，這是一個(gè)正反饋的過程。

18時(shí)30分，線狀對(duì)流下山后逐漸與平原地區(qū)的雷暴B結(jié)合（圖10b1），冷池強(qiáng)度加強(qiáng)（圖b2，擾動(dòng)溫度中心-7°C）、厚度1 km（參考Weisman and Rotunno,2004，選取從冷池前沿向后的100 km范圍內(nèi)-5°C等溫線的平均高度作為冷池厚度），線狀對(duì)流前側(cè)垂直上升速度顯著增大。前部垂直環(huán)流的下沉支消失，有利于加快與雷暴B的合并，之后在其前側(cè)出現(xiàn)新的順時(shí)針垂直環(huán)流。

圖10c，d 分別代表颮線發(fā)展期和成熟期。在颮線發(fā)展期，動(dòng)力結(jié)構(gòu)是以兩支強(qiáng)入流為典型特征的。一支位于雷暴冷池后側(cè)中層（4500～5000 m），另一支位于低層颮線前側(cè)，垂直于颮線指向云內(nèi)。這兩支強(qiáng)入流分別構(gòu)成颮線前側(cè)和后側(cè)兩個(gè)獨(dú)立的順時(shí)針垂直環(huán)流圈C1和C2。后側(cè)中層入流進(jìn)入云體下沉，在低層分為向前側(cè)（颮線移動(dòng)方向）和后側(cè)兩支出流，前側(cè)出流與暖濕氣流在颮線移動(dòng)前方形成強(qiáng)輻合，形成新的垂直上升支和高空出流，逐漸形成前側(cè)的閉合垂直環(huán)流圈；而后側(cè)下沉氣流與颮線后側(cè)層狀云區(qū)的弱上升支氣流形成后側(cè)垂直環(huán)流圈。后側(cè)入流形成的下沉氣流造成地面雷暴高壓與冷池進(jìn)一步加強(qiáng)（-8.5°C，深度1.5 km），冷池出流與前側(cè)入流在1500 m 以下輻合，垂直方向上表現(xiàn)為在云體前側(cè)兩支上升氣流合并，造成2000～2500 m 高度上更強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)（>0.9 Pa s-1）。在這一過程中，颮線前后兩側(cè)不同高度、不同性質(zhì)的兩支入流加強(qiáng)，造成垂直環(huán)流和垂直風(fēng)切變隨之加強(qiáng)，即6.1 節(jié)提到的0～6 km 和0～3 km 的垂直風(fēng)切變?cè)龃蟮谋举|(zhì)實(shí)際上是颮線發(fā)展反饋的結(jié)果，也是驅(qū)動(dòng)颮線快速向前移動(dòng)和發(fā)展的重要因素。當(dāng)后側(cè)中層入流消失、前側(cè)垂直環(huán)流減弱時(shí)，颮線開始減弱消亡。圖11給出這次颮線熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)概念模型。

8 結(jié)論

這次颮線過程，初始上游斷線狀對(duì)流形成于高空槽前、低層切變線、地面輻合線和干線附近，下山后組織成強(qiáng)颮線影響北京城區(qū)。初期，平原地區(qū)中高層存在下沉運(yùn)動(dòng)、水汽輻散、弱垂直風(fēng)切變等不利條件，但是又存在高能高濕、層結(jié)不穩(wěn)定等有利的環(huán)境條件，對(duì)于線狀對(duì)流下山后的強(qiáng)度和形態(tài)變化，臨近預(yù)報(bào)仍存在較大的不確定性。本文基于多源資料的綜合分析，基本厘清了這次颮線過程的形成、演變機(jī)制，同時(shí)也為今后此類天氣的臨近預(yù)報(bào)提供思考。（1）斷線狀對(duì)流系統(tǒng)逐漸演變?yōu)轱R線的過程可分為三個(gè)階段：上游線狀對(duì)流發(fā)展移動(dòng)、平原多個(gè)單體雷暴的新生和合并、線狀對(duì)流并入本地多單體后組織成颮線。平原地區(qū)近地面熱力分布不均和風(fēng)場(chǎng)局地輻合導(dǎo)致局地雷暴單體被觸發(fā)，形成冷池后，熱力不均的區(qū)域擴(kuò)大，溫度梯度區(qū)與風(fēng)速輻合區(qū)向南發(fā)展，造成新生對(duì)流向南傳播。由于這些對(duì)流單體處于弱垂直風(fēng)切變環(huán)境中，其組織化程度相對(duì)較差。（2）颮線的組織化過程，呈現(xiàn)出兩支強(qiáng)入流為典型特征的動(dòng)力結(jié)構(gòu)：一支位于雷暴冷池后側(cè)中層（4500～5000 m），另一支位于低層颮線前側(cè)，垂直于颮線指向云內(nèi)。這兩支強(qiáng)入流分別構(gòu)成颮線前側(cè)和后側(cè)兩個(gè)獨(dú)立的順時(shí)針垂直環(huán)流圈。后側(cè)入流和前側(cè)入流的同時(shí)加強(qiáng)，造成颮線前側(cè)垂直環(huán)流不斷強(qiáng)化，與之對(duì)應(yīng)的垂直風(fēng)切變也同步增強(qiáng)，這一動(dòng)力過程形成了有利于颮線組織化的中尺度垂直風(fēng)切變環(huán)境，而垂直風(fēng)切變?cè)龃蟮谋举|(zhì)實(shí)際上是颮線發(fā)展反饋的結(jié)果，也是驅(qū)動(dòng)颮線快速向前移動(dòng)和發(fā)展的重要因素。當(dāng)后側(cè)中層入流消失，前側(cè)垂直環(huán)流也逐漸減弱，預(yù)示著颮線從成熟開始減弱消亡。（3）從熱力結(jié)構(gòu)看，下山的線狀對(duì)流與平原地區(qū)多單體雷暴的合并，形成了擾動(dòng)溫度低于-8°C、厚度加深到1.5 km 的強(qiáng)冷池，其前沿的β中尺度鋒面附近的輻合上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)了平原地區(qū)的颮線發(fā)展加強(qiáng)，并出現(xiàn)陣風(fēng)鋒。

圖10 （a1-d1）2015年8月7日京津冀雷達(dá)拼圖組合反射率（填色，單位：dB Z）疊加四維變分同化系統(tǒng)（VDRAS）反演的200 m 高度風(fēng)場(chǎng)（箭頭，單位：m s-1）和散度場(chǎng)（等值線，負(fù)值表示輻合，單位：10-5 s-1），圖中黑直線表示剖面位置；（a2-d2）沿（a1-d1）中黑直線位置的垂直流場(chǎng)、擾動(dòng)溫度（等值線，單位：°C）和上升速度（填色，單位：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

圖11 2015年8月7日颮線上雷暴發(fā)展的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)概念模型Fig.11 Conceptual model of thermal dynamic structural of thethunderstorm in developing squall line on 7 Aug 2015