林小紅，范能柱，蔡義勇，黃鈴光，付超，蔣滔

(1.福建省災害天氣重點實驗室，福州 350007；2.福建省氣象臺，福州 350007；3.福建省氣象科學研究所，福州 350007)

引 言

臺前颮線是在臺風環(huán)流背景下產(chǎn)生的中小尺度強對流系統(tǒng)，常發(fā)生在臺風外圍前部的強對流回波帶上，它是呈線狀分布的對流單體，水平結構呈線狀或鋸齒狀，長度可達數(shù)百千米。劉佳等(2013)指出臺前颮線與臺風外圍螺旋雨帶不同之處在于，它的傳播速度比螺旋雨帶快的多。臺前颮線往往具有突發(fā)性強、強度大等特點，會在臺風抵達前在狹長的范圍內(nèi)造成短時暴雨、雷暴大風、龍卷等災害性天氣。如2008年臺風“北冕”生成的臺前颮線自東向西影響廣東大部地區(qū)，導致廣州白云機場數(shù)千余旅客滯留。2014年臺風“威馬遜”影響華南期間，距離“威馬遜”800 km外產(chǎn)生一條臺前颮線橫掃湘贛地區(qū)，帶來了雷暴大風和短時強降水天氣。

相對于西風帶系統(tǒng)中的颮線，國內(nèi)外對臺前颮線的研究還較少，對其發(fā)生發(fā)展機制及熱動力結構特征的認識還很有限。過去由于觀測資料的時空分辨率較粗，模式模擬能力有限，學者們主要利用衛(wèi)星云圖資料研究臺風邊緣颮線特征(范惠君，1981；賀忠和林良勛，1990；Bowell，1990)。近十年來隨著探測水平提高和中尺度模式模擬能力的提高，關于臺前颮線的研究逐漸增多，對臺前颮線特征、內(nèi)部結構和發(fā)生發(fā)展演變機制等方面的研究取得一定進展。據(jù)統(tǒng)計(陳永林等，2009；張云濟，2010；Meng and Zhang，2012；唐明暉等，2016，2017；陳耀登等，2017)，臺前颮線多發(fā)生于午后至后半夜，通常發(fā)生在臺風移動路徑的右前方或前方，為弧線形排列的雷暴群。丁一匯等(1982)研究指出，臺前颮線主要發(fā)生在臺風倒槽或東風波天氣型下。許愛華等(2011)發(fā)現(xiàn)臺前颮線往往生成于臺風和副熱帶高壓(以下簡稱副高)之間，地面常伴有低壓倒槽或臺風倒槽，邊界層存在中尺度的輻合線。Meng和Zhang(2012)對2007—2009年中國沿海臺前颮線的總體特征研究發(fā)現(xiàn)，低空急流導致較強垂直風切變有利于臺前颮線發(fā)展，臺前颮線產(chǎn)生的對流有效位能(convective available potential energy,CABE)平均值為1 548 J·kg-1，0—3 km垂直風切變平均值為8 m·s-1，弱于中緯度颮線，冷池強度也弱于中緯度颮線，其生命史和水平尺度總體上也小于典型的中尺度颮線，與中緯度颮線相比，臺前颮線的生命史較短但具有更強的回波強度。對臺前颮線數(shù)值模擬方面的研究，劉佳等(2013)模擬研究2005年臺風“麥莎”颮線發(fā)現(xiàn)，低空垂直切變強度約為11 m·s-1，到了成熟期，切變強度減小到7 m·s-1，同時還發(fā)現(xiàn)臺風的尺度和強度增強對臺前颮線發(fā)展有利。梁佳等(2008)也對2005年臺風“麥莎”外圍颮線進行了模擬，但認為臺前颮線的形成與臺風中心強度關系不大，與臺風外圍環(huán)境流場關系較大。

上述研究對指導臺前颮線的預報具有重要參考價值。然而，臺前颮線的生成、結構及移動特征不盡相同，仍有必要繼續(xù)深入研究。2019年8月8日下午到夜間，我國浙閩沿海地區(qū)出現(xiàn)了一次影響范圍廣、持續(xù)時間長的臺前颮線生消過程。本研究利用多普勒雷達、風廓線雷達、FY-4A黑體亮溫(TBB)、地基微波輻射計和地面自動站等多種觀測資料以及ERA5再分析資料，對此次臺前颮線的生成位置、移動方向及長生命史這三個異常特征進行成因分析，期許得到一點有價值的研究結論。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測站與探測數(shù)據(jù)

本研究采用的探測資料包括:(1)福建9個觀測站(福鼎、羅源、屏南、福清、德化、晉江、平和、詔安、翔安站)的風廓線雷達觀測資料，可逐6 min探測地面到高空環(huán)境大氣的風向和風速。(2)1部地基微波輻射計探測資料(翔安站)，可逐秒探測邊界層及對流層大氣溫度、水汽等。(3)福州、廈門及溫州共3部多普勒雷達反射率資料，能提供基本回波反射率、速度和譜寬等多種信息，掃描半徑為230 km，數(shù)據(jù)間隔為6 min，最低仰角為0.5°，最高仰角為19.5°，空間分辨率為0.01°×0.01°。另外，福建安溪站和浙江樂清站為文中分析用到的氣象觀測站。上述觀測站地理位置見圖1。

圖1 觀測站的地理位置分布(為風廓線雷達站,為雷達觀測和常規(guī)探空兼有站,為地基微波輻射儀和風廓線雷達兼有站,和為氣象站)Fig.1 The geographical distribution of vertical observation stations(presents the wind profile radar station,presents the radar and conventional sounding station,presents ground-based microwave radiometer and wind profile radar station,and present meteorological station).

1.2 自動站數(shù)據(jù)及天氣現(xiàn)象定義

本文根據(jù)浙江、福建和廣東三個省稠密地面自動站的風和降水資料，將雷暴大風(≥17.2 m·s-1)和短時強降水(≥20 mm·h-1)作為表征臺前颮線過程的強烈天氣現(xiàn)象，并以此作為天氣實況的分析對象。

1.3 再分析數(shù)據(jù)與FY-4A T BB數(shù)據(jù)

本文使用ERA5 0.25°×0.25°逐1 h再分析資料(http://apps.ecmwf.int)，分析變量包括地面的海平面氣壓、溫度、相對濕度、經(jīng)向風和緯向風，高空標準層1 000—100 hBa的位勢高度、溫度、相對濕度、經(jīng)向風和緯向風。

黑體亮溫TBB數(shù)據(jù)來自FY-4A輻射成像儀4 km分辨率L1級數(shù)據(jù)(有14個通道，覆蓋了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段)。觀測時效最高可達到1 min·次-1，空間分辨率最高可達500 m，全圓盤成像儀數(shù)據(jù)時間分辨率為15 min，中國區(qū)域時間分辨率為5 min(張曉蕓等，2019)。

2 臺前颮線概況及特征

2.1 臺前颮線概況

此次颮線過程是在1909號超強臺風“利奇馬”外圍環(huán)流背景下產(chǎn)生的臺前颮線(圖2)。臺前颮線位于臺風的左側(圖2a橢圓圈處)，8日19:00(北京時，下同)FY-4A TBB顯示，該臺前颮線云頂溫度最低值低于-80℃，對流發(fā)展非常旺盛。由圖2b可見，臺前颮線距離臺風中心均在600 km以上；水平結構呈線狀分布，長度最長可達260 km；雷達最強反射率因子值為55~60 dBz；移向與東南海岸線幾乎平行，平均移速為13.9 m·s-1；生命史達10 h。張云濟(2010)、Meng和Zhang(2012)對中國臺前颮線進行統(tǒng)計得到幾個初步判據(jù):產(chǎn)生在距離臺風中心600 km以外的前右象限上；生命期內(nèi)長度不超過220 km；雷達最強反射率因子值為57~62 dBz；持續(xù)時間3~9 h(平均4 h左右)；以平均12.5 m·s-1的速度遠離臺風中心并與臺風同向運動?！袄骜R”臺前颮線的特征與上述學者給出的判據(jù)有相同之處，但也存在顯著差異，具體表現(xiàn)在:此次臺前颮線是發(fā)生在臺風的左側象限上，而不是通常的前右側；移動并不與臺風同向，而是自北向南移動，與臺風行徑方向近乎垂直；持續(xù)時間長達10 h，大大超過統(tǒng)計的4 h平均值，甚至超過9 h的上限值?？梢姡袄骜R”臺前颮線是一次典型的中尺度對流系統(tǒng)，在生成位置、移動方向和長生命史上明顯異于以往臺前颮線特征，其成因值得探究。

圖2 2019年8月8日19:00 FY-4A T BB分布(a,單位:℃，橢圓圈處為臺前颮線)和8日12:42—23:00臺前颮線的雷達組合反射率因子拼圖(≥35 dBz)及颮線生命期內(nèi)“利奇馬”臺風路徑(b,為臺風位置)Fig.2(a)Distribution of FY-4A black body temperature T BB(unit:℃,the oval circle is the pre-TC squall line)at 19:00 BT 8 August 2019,(b)radar composite reflectivity factor mosaic(≥35 dBz)of the pre-TC squall line and the path of super Typhoon Lekima at the pre-TC squall line life period from 12:42 BT to 23:00 BT on 8 August 2019(presents the typhoon path).

2.2 風雨演變

臺前颮線帶來的雷暴大風和短時強降水在8日14∶00之后產(chǎn)生(圖3)，風雨站數(shù)在14∶00—20∶00呈遞增趨勢，期間出現(xiàn)兩次躍增，17∶00達到首次峰值，20∶00達到最大峰值，之后站數(shù)快速減少。14∶00—17∶00，雷暴大風站數(shù)多于強降水站數(shù)，以對流大風為主導；17∶00—20∶00，雷暴大風與強降水站數(shù)均顯著增多，對流性質較為復雜，該階段雷暴大風極值達到32.5 m·s-1(11級，位于廈門同安區(qū)蓮花鎮(zhèn)白交祠村，見圖4e)，最大降水為42.5 mm·h-1(位于泉州南安眉山鄉(xiāng)天山中學，見圖4d)；20∶00—23∶00，風雨站數(shù)快速減少，雷暴大風站數(shù)仍多于強降水站數(shù)，又以對流大風為主?？梢姡?7∶00—20∶00風雨站數(shù)最多，強度最強，是此次臺前颮線影響范圍最廣、強度最強的強盛階段。

圖3 2019年8月8日13:00—23:00雷暴大風和短時強降水站數(shù)的時間演變Fig.3 Time evolution of observed thunderstorm gale and short-term heavy precipitation at meteorological stations from 13:00 BT to 23:00 BT on 8 August 2019.

圖4 臺前颮線過程不同時刻(a.12∶42;b.14∶30;c.17∶00;d.18∶42;e.19∶30;f.22∶00)的雷達組合反射率因子拼圖(單位:dBz,圖c橢圓為短線對流系統(tǒng),圖d中為短時強降水極值位置,圖e中為大風極值位置)Fig.4 Radar composite reflectivity factor mosaic(unit:dBz)of the pre-TC squall line period(The ellipse is a short-line convective system in Fig.c,presents the locations of short-term extreme precipitation in Fig.d,and presents the locations of extreme wind in Fig.e)at different time(a.12∶42,b.14∶30,c.17∶00,d.18∶42,e.19∶30,f.22∶00).

2.3 臺前颮線的結構及演變特征

由雷達組合反射率因子拼圖(圖4)顯示，臺前颮線生成之初，浙江東南沿岸初生一條短線對流系統(tǒng)(圖4a)，回波強度為35~45 dBz，尺度不足100 km，未達到羅琪等(2019)定義的颮線100 km尺度要求。該短線對流系統(tǒng)快速向兩端擴展，尺度增大、強度增強，其前端于14∶00進入閩東北；14∶30(圖4b)，長線狀對流系統(tǒng)發(fā)展形成，水平尺度增至220×30 km，回波強度達45~50 dBz，尺度、強度特征與Geerts(1998)對臺前颮線的定義相符(對流系統(tǒng)長與寬比例大于5∶1，且40 dBz以上區(qū)域至少持續(xù)2 h)；之后，颮線向南移動中繼續(xù)發(fā)展，17∶00，颮線內(nèi)多個雷暴單體凝聚合并形成240×40 km的長線狀颮線，回波強度達50 dBz，后部有層狀云特征的弱回波帶，同時在颮線出流邊界前方約40 km處觸發(fā)出一條短線對流系統(tǒng)(圖4c橢圓處)；17∶48，前方短線對流系統(tǒng)與移速較快的颮線前端合并，此時颮線再次加強并表現(xiàn)出較強的前導對流線(圖略)；18∶42，颮線前導對流線上的回波強度達55 dBz以上，相伴隨的地面風雨范圍廣而強，18∶35—19∶00的25 min內(nèi)颮線前部的降水達到42.5 mm(站點位置見圖4d)；19∶30，颮線前部對流回波仍可達50~55 dBz，19∶35測到颮線前部11級雷暴大風(站點位置見圖4e)，颮線的中后部對流帶結構開始松散，后部有寬闊的弱回波帶，具有典型的尾流層云降水結構；20∶00之后，颮線后部回波快速衰減，結構變得更加松散，但前導對流回波強度仍可達45 dBz，轉為短線形態(tài)；22∶00—23∶00，對流帶尺度繼續(xù)變小，颮線過程趨于結束(圖4f)。

根據(jù)上述臺前颮線過程的尺度、結構、雷達回波強度及地面風雨強弱、范圍等特征變化，可將此次臺前颮線過程劃分為三個階段，即:發(fā)展形成(13:00—17:00)、加強成熟(17:00—20:00)和減弱消亡(20:00—23:00)，其中第二階段17∶00—20∶00為臺前颮線成熟期。

2.4 地面氣象要素特征

颮線過境前后，地面氣象要素變化劇烈。圖5給出臺前颮線成熟階段其前導對流線過境福建安溪站前后的溫度、氣壓、風、降水及相對濕度的氣象要素變化情況。由圖可見，8日18∶35左右，安溪站氣溫開始下降，至19∶05，氣溫從34.1℃下降至24.2℃，氣溫降幅高達9.9℃(圖5a)；氣壓由995 hBa一路猛升至998.5 hBa，氣壓升幅達3.5 hBa(圖5b)；大氣相對濕度也由54%迅增至99%(圖5c)，30 min內(nèi)伴隨23.5 mm的降水產(chǎn)生(圖5d)；風向由西北風轉為東北風，瞬時風速從3.3 m·s-1急增至26.9 m·s-1(10級)，大風持續(xù)了5 min后快速下降(圖5e、f)。此次臺前颮線過境時伴隨的氣壓、相對濕度猛升、氣溫驟降、風向突變、風力急增等氣象要素的劇烈變化符合典型的颮線過境特征。氣壓升幅3.5 hBa及氣溫降幅9.9℃較Meng和Zhang(2012)統(tǒng)計的中國沿海臺前颮線過境期間的氣壓升幅1.2 hBa及氣溫降幅6℃要明顯偏大，與西風帶颮線過境下的氣壓升幅4 hBa及氣溫降幅9.8℃值比較相當(Barker and Johnson，2000)。可見，此次臺前颮線造成地面冷池強度與中緯度颮線造成的地面冷池強度基本相當，從氣象要素變化角度看，具有極端性。

圖5 2019年8月8日18:00—20:00福建安溪站的氣象要素的時間演變(站點位置見圖1,a.氣溫,單位:℃;b.氣壓,單位:hPa;c.相對濕度,單位:%;d.降水量,單位:mm;e.風向,單位:°;f.風速,單位:m·s-1)Fig.5 Time evolutions of meteorological parameters at Anxi station from 18:00 BT to 20:00 BT on 8 August 2019(The station location is shown in Fig.1,a.temperature,unit:℃;b.pressure,unit:hPa;c.relative humidity,unit:%;d.precipitation,unit:mm;e.direction of wind,unit:°;f.wind speed,unit:m·s-1).

3 臺前颮線生成的環(huán)境大氣條件

從8日08∶00和14∶00的高空形勢圖(圖6a、b)可見，臺前颮線形成前，浙閩沿海處于臺風外圍東北氣流控制。500 hBa，08∶00東亞為西低東高形勢，副高位于日本附近，西風槽位于副高脊線以北；14∶00，海上副高略有西伸，5 860 gpm線快速深入內(nèi)陸，大陸高壓增強，轉變成北高南低形勢。850 hBa，08∶00和14∶00，臺風左側東北風風速輻合和水汽通量大值區(qū)位于浙閩沿海地區(qū)，該區(qū)域水汽通量值最大達21 g·㎝-1·hBa-1·s-1，臺風為浙閩沿海颮線的發(fā)生發(fā)展提供了有利的水汽和動力條件。200 hBa，浙閩沿海位于高空急流右側，輻散較強(圖略)。地面能量場顯示(圖6c、d)，08∶00，浙東南到福建沿海對流有效位能CABE值未超過1 000 J·kg-1，14∶00，該區(qū)域CABE值明顯增大至1 300 J·kg-1以上；對流抑制能量CIN變化顯著，08∶00 CIN值最大達到120 J·kg-1，14∶00 CIN僅為5 J·kg-1，表明午后較小的CIN只需要較淺薄的低空或地面輻合抬升就能發(fā)展為自由對流，配合強的不穩(wěn)定環(huán)境產(chǎn)生大的CABE非常有利午后對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。

圖6 2019年8月8日08∶00(a)和14∶00(b)的高空形勢(陰影表示850 hPa水汽通量,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1;藍色虛線為5 860 gpm等高線,藍色實線為5 880 gpm等高線;箭矢表示850 hPa風速,長箭矢表示>10 m·s-1),08∶00(c)和14∶00(d)地面對流有效位能C ABE(陰影,單位:J·kg-1)、對流抑制能量C IN(黑色虛線,單位:J·kg-1)Fig.6 Upper-air sounding at(a)08∶00 BT and(b)14∶00 BT on Aug 8,2019(Shadow represent water vapor flux at 850 hPa,unit:g·㎝-1·hPa-1·s-1.The dashed blue line is the 5 860 gpm contour line,and the solid blue line is 5 880 gpm.Arrow represents wind speed at 850 hPa,and long arrow is>10 m·s-1).(c)08∶00 BT and(d)14∶00 BT C ABE(shadow,unit:J·kg-1),C IN(black dotted line,unit:J·kg-1)at surface.

此次臺前颮線初生對流最初為兩個孤立的對流單體，12∶30 TBB顯示，對流單體云頂溫度達-52℃；12∶42，浙江東南沿岸多個新生對流單體快速連接，其云頂溫度-50℃范圍向南北方向擴展，面積增大(圖略)。由地面自動站風場與渦度場(圖7a)可見，12∶30，浙江東南部到福建東北部區(qū)域處于臺風外圍的東北氣流輻合區(qū)內(nèi)，該區(qū)域也為假相當位溫(θse)大于366 K的高濕高能區(qū)(圖7b)，東北向岸潮濕氣流受到海岸地形摩擦作用，沿著海岸線輻合抬升。邊界層1 000 hBa風場與渦度場也顯示(圖7c)，12∶00，浙江東南沿岸東北氣流輻合抬升過程中新對流單體在沿岸θse梯度密集區(qū)內(nèi)不斷觸發(fā)生成，低空1 000—700 hBa垂直風切變值在12 m·s-1以上(圖7d)，有利該區(qū)域初生對流組織化成對流系統(tǒng)。浙江樂清站探空圖(圖7e、f，該站位置見圖1)顯示，12∶00和13∶00，樂清站上空700 hBa以下水汽均接近飽和，600 hBa以上空氣較干，這種上干下濕加強了不穩(wěn)定層結。

圖7 2019年8月8日12:30地面自動站風場(單位:m·s-1)與渦度場(<0,陰影,單位:10-5s-1)(a)、12:30假相當位溫(θse)(陰影,單位:K)(b)以及12:00的1 000 hPa風場(陰影表示地形,藍色箭矢為≥8 m·s-1,紅色箭矢為<8 m·s-1)與渦度場(虛線,單位:10-5 s-1)(c)、12:00的1 000—700 hPa垂直風切變(陰影,單位:m·s-1)(d)、12:00(e)和13:00(f)的浙江樂清站探空圖Fig.7(a)Wind field of ground station(unit:m·s-1)and vorticity(<0,shadow,unit:10-5 s-1)at 12:30 BT,(b)saturation equivalent potential temperatureθse(shadow,unit:K)at 12:30 BT,(c)wind field at 1 000 hPa(shadow represent the terrain,unit:m·s-1,blue arrows are≥8 m·s-1,red arrows are<8 m·s-1)and vorticity(dashed line,unit:10-5 s-1)at 12:00 BT,(d)vertical wind shear(shadow,unit:m·s-1)at 1 000-700 hPa at 12:00 BT,sounding from Yueqing Station of Zhejiang Province at(e)12:00 BT and(f)13:00 BT.

可見，此次臺前颮線發(fā)生在增強的大陸高壓與臺風之間的濕區(qū)帶上，與丁一匯等(1982)研究指出的臺前颮線發(fā)生在臺風倒槽或東風波下、Meng和Zhang(2012)以及許愛華等(2011)研究指出的臺前颮線生成于臺風和副高之間的天氣形勢背景均不同?！袄骜R”臺風為浙閩沿岸提供了良好的水汽條件，臺風外圍左側東北向岸氣流及與地形摩擦造成的輻合抬升作用、上干下濕的熱力不穩(wěn)定層結、低空強的垂直風切變以及地面顯著CABE和弱CIN的環(huán)境大氣條件下導致此次臺前颮線的觸發(fā)生成。

4 臺前颮線移向分析

由臺前颮線區(qū)域上空平均風場隨高度-時間演變(圖8a)顯示，臺前颮線上空1 000—300 hBa為一致的東北風控制，900—600 hBa風速隨時間增大，可見東北氣流是引導颮線向西南方向移動的主因，因此本文將900—600 hBa平均風場作為引導氣流。12∶00—15∶00為颮線觸發(fā)及形成階段，其上空平均引導氣流小于14 m·s-1，從雷達動畫中得到該階段颮線的移速大小為43 km·h-1；16∶00之后，引導氣流增大至18 m·s-1，受增大的引導氣流的平流作用，颮線向西南移動速度加快，其移速達到58 km·h-1，對于快速移動的颮線，環(huán)境風低空往往存在較強的垂直風切變，切變向量幾乎與颮線的走向垂直(Barnes and Sieckman，1984；Corfidi，2003)。颮線整體平流速度除了與引導氣流強度有關外，還與引導氣流的夾角有關，由雷達回波圖(圖8b)可見，該南北向結構的颮線形態(tài)與東北風引導氣流夾角大，二者移動方向一致，颮線移速加快，有利于該區(qū)域地面大風的增幅(陳云輝等，2019)。

圖8 2019年8月8日(a)12:00—21:00臺前颮線區(qū)域(118°—121°E,23°—30°N)上空的平均風場(單位:m·s-1,紅色風向桿為≥14 m·s-1)的高度-時間演變和(b)18:00的900—600 hPa平均風場和雷達組合反射率因子(陰影,單位:dBz)疊加圖Fig.8(a)The height-latitude cross section of average wind field(unit:m·s-1,red wind bar is≥14 m·s-1)over the pre-TC squall line area(118°—121°E,23°—30°N)from 12:00 BT to 21:00 BT,and(b)the superposition diagram of 900-600 hPa average wind field and radar composite reflectivity factor(shadow,unit:dBz)at 18:00 BT 8 August 2019.

5 臺前颮線持續(xù)發(fā)展加強導致長生命史

“利奇馬”臺前颮線初始對流系統(tǒng)于8日12∶42左右觸發(fā)生成，14∶00進入福建后在向南移動過程中颮線得到持續(xù)發(fā)展加強是導致其生命期較長的重要原因。因此，下文著重對颮線進入福建后持續(xù)發(fā)展加強的成因進行分析。

5.1 異常不穩(wěn)定持續(xù)時間長

用同時表征溫度和水汽的綜合參數(shù)假相當位溫(θse)來反映此次臺前颮線大氣層結穩(wěn)定度變化情況。圖9a顯示，15∶00，對流層中層600—500 hBa附近有干冷空氣侵入(339~342 K的θse低值)，低空為強暖濕氣流(925 hBa θse值為360 K)，此時1 000—700 hBa的“Ω”型θse結構不明顯，即低空暖濕不穩(wěn)定表現(xiàn)不明顯，但颮線上空大氣垂直上升運動較強，其回波強度最大達50 dBz，颮線處于形成階段；18∶00(圖9b)，1 000—700 hBa的θse線顯著向上凸起，呈現(xiàn)“Ω”型結構，360 K高θse線抬升至850 hBa以上，1 000 hBa颮線前方θse值顯著增加至372 K，較臺前颮線形成階段的θse增幅約10 K，可見低空暖濕不穩(wěn)定顯著增強且暖濕層發(fā)展深厚；1 000—600 hBa上下位溫差值達到27 K，使得福建中部沿海層結不穩(wěn)定度顯著增強；20∶00(圖9c)，颮線上空大氣垂直層結顯著不穩(wěn)定結構及垂直上升運動與18∶00表現(xiàn)一致，颮線的回波強度增至55 dBz以上，顯著不穩(wěn)定持續(xù)時間長；22∶00(圖9d)，低空357 K和360 K高θse線向下凹，360 K下降至850 hBa以下，低空暖濕不穩(wěn)定逐漸減弱，促使低空輻合抬升和垂直上升運動明顯減弱，臺前颮線強度減弱。

圖9 2019年8月8日臺前颮線過程沿最強回波處的假相當位溫(θse)和垂直速度的高度-緯向剖面(a.15:00沿27.5°N做剖面;b.18:00沿26.5°N做剖面;c.20:00沿25°N做剖面;d.22:00沿23.5°N做剖面;陰影表示<342 K;藍色等值線表示θse,單位:K;紅色虛線表示垂直速度,單位:Pa·s-1;橢圓圈表示臺前颮線位置)Fig.9 The height-latitude cross section of saturation equivalent potential temperature(θse)and vertical velocity through Strongest echo position along(a)27.5°N at 15:00 BT,(b)26.5°N at 18:00 BT,(c)25°N at 20:00 BT,and(d)23.5°N at 22:00 BT 8 August 2019 in the process of the pre-TC squall line(Shadow represents<342 K.Blue contour line representsθse,unit:K.Red dotted line represents vertical velocity,unit:Pa·s-1.The oval circle is the position of the pre-TC squall line).

地基微波輻射計能夠較好的反映出邊界層的溫濕特征，可以連續(xù)獲得高時空分辨率的大氣溫度、相對濕度、水汽以及液態(tài)水等垂直廓線資料，是強對流天氣層結條件的重要工具(韓芳蓉等，2017；宋靜等，2020)。魏東等(2011)探討了微波輻射資料的可靠性中指出∶微波探測的各要素與常規(guī)探空具有較一致的變化趨勢，定性分析使用時可有效彌補常規(guī)探空時間分辨率低的不足。Chan(2009)研究指出微波輻射資料計算的熱力對流參數(shù)K指數(shù)對雷電、大風等強對流天氣有很好的指示作用。本文利用廈門市翔安站微波輻射計資料的熱力對流參數(shù)來分析廈門市及周邊區(qū)域在臺前颮線第二階段影響前后大氣的穩(wěn)定度情況。這里采用熱力對流參數(shù)K指數(shù)、TT指數(shù)和A指數(shù)來判斷對流不穩(wěn)定條件，公式如下

上式中，T500、T700、T850、Td500、Td700、Td850分別代表500 hBa、700 hBa、850 hBa溫度和露點溫度。

8日19∶00—20∶30廈門市及周邊區(qū)域受臺前颮線影響自北而南出現(xiàn)了8—11級雷暴大風。該時段內(nèi)K、TT和A這3個指數(shù)值均較大(圖10)，表明此次颮線影響過程，廈門市一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)。K、TT和A指數(shù)變化均在19∶30達到峰值，19∶30廈門同安區(qū)自動站出現(xiàn)10級大風，19∶35該站大風增至11級，可見，K、TT和A指數(shù)的峰值與雷暴大風極值有著很好的對應關系。該時段內(nèi)，K指數(shù)在37~43℃之間波動，A指數(shù)在11~20℃之間波動，這2個指數(shù)變化較為同步，波動幅度也基本一致，且在大風出現(xiàn)之前，其熱力條件均處于增溫中；而TT指數(shù)演變中有兩個波峰，在18∶30前后，TT熱力指數(shù)值達45.06℃，而此時地面為弱風，該指數(shù)與實況不大相符。由此可見，可以選擇K≥37℃和A≥11℃指數(shù)作為廈門市強對流天氣預警指數(shù)。

圖10 2019年8月8日18∶00—20∶30廈門翔安站逐5 min的熱力對流參數(shù)K、T T和A指數(shù)的時間演變(單位∶℃,淺藍色虛線為K指數(shù),深藍色虛線為A指數(shù),橙色實線為T T指數(shù))Fig.10 Time evolution of thermally convection parameters K,T T,and A indices from Xiangan station of Xiamen in 5 min from 18∶00 BT to 20∶30 BT on 8 August 2019(unit∶℃.The light blue dotted line is K.The dark blue dotted line is A.The solid orange line is T T).

5.2 低空垂直風切變異常強

臺前颮線三個階段，由颮線過境風廓線站點區(qū)域的0—3 km垂直風切變對比可知(表1)，臺前颮線第一階段(14∶00—17∶00)，福鼎、羅源、福清三站的低空垂直風切變值在13 m·s-1左右，進入臺前颮線第二階段(17∶00—20∶00)，屏南、德化、翔安站的低空垂直風切變值明顯增大，達到16~22 m·s-1，其中翔安站的22 m·s-1低空垂直風切變值與毗鄰廈門站的24 m·s-1低空垂直風切變值接近；臺前颮線第三階段(20∶00—23∶00)，詔安站低空垂直風切變值為14 m·s-1?？梢?，午后福建沿海地區(qū)的低空垂直風切變值明顯增大，表現(xiàn)為臺前颮線第二階段顯著躍增，臺前颮線第三階段又減弱的變化特征?？傮w上，此次臺前颮線過程，低空垂直風切變值均明顯高于Meng和Zhang(2012)統(tǒng)計的低空8 m·s-1的平均風切值，尤其在臺前颮線第二階段，還顯著高于Chen和Chou(1993)統(tǒng)計的中緯度颮線所需的低空10~14 m·s-1風切值?？梢?，臺前颮線加強成熟期，其低空垂直風切變值異常強且持續(xù)時間長，使得颮線維持時間長。

表1 2019年8月8日臺前颮線過境福建風廓線站點區(qū)域的低空垂直風切變Table 1 The low-level vertical wind shear of the pre-TC squall line passing through the station area of Fujian wind profile on 8 August 2019.

午后強的低空垂直風切變加強了邊界層暖濕氣流的輻合抬升作用，由圖9a—c可見，颮線上空為劇烈的上升運動，且上升氣流發(fā)生傾斜利于對流層中層干冷空氣卷入，干冷空氣的夾卷作用促使蒸發(fā)加劇、下沉氣流加強。從德化站風廓線(圖11a)可見，臺前颮線過境該站期間(18∶54—20∶06)，1.5 km至地面東北風明顯增大了8~10 m·s-1，而下沉氣流到達地面時密度增大、溫度降低，造成強的地面冷池。由地面氣溫圖(圖11b)進一步顯示，19∶00，德化站及安溪站均出現(xiàn)了22.4℃和24.2℃的地面冷池中心，其中安溪站18∶35—19∶05氣溫降幅高達9.9℃，與中緯度颮線造成的地面冷池強度基本相當。Bluestein等(1987)研究發(fā)現(xiàn)颮線系統(tǒng)主要通過對流活動誘發(fā)的地面冷池與垂直于颮線前端的環(huán)境風垂直切變分量之間的相互作用，激發(fā)出新的上升流使得颮線系統(tǒng)得以發(fā)展增強。

圖11 2019年8月8日福建德化站風廓線(a,單位:m·s-1)、19:00地面氣溫(黑色實線,單位:℃)與雷達組合反射率(陰影,單位:dBz)拼圖(b,▲表示德化和安溪站位置)Fig.11(a)Wind profile from Dehua station of Fujian(unit:m·s-1),and(b)ground temperature and radar composite reflectivity at 19:00 BT 8 August 2019(Black solid line represents temperature,unit:℃.Speckle represents radar combined reflectivity,unit:dBz.▲represents Dehua and Anxi station location).

綜上分析可見，臺前颮線進入福建后，上干下濕的大氣垂直層結不穩(wěn)定結構顯著增強，尤其在臺前颮線第二階段，低空垂直風切變異常增強促使臺前颮線強烈發(fā)展并高度組織化，其維持時間長是颮線生命期長的重要成因之一。

5.3 臺前颮線與前緣對流風暴相互作用

由圖12可見，15∶30(圖12a)，颮線前進方向的右前方約60 km處有對流單體生成(圖12a圓圈A處)，回波強度達40 dBz；16∶30(圖12b)和17∶06(圖12c)，A處對流單體后側不斷觸發(fā)新生對流單體并快速排列形成南北向的短線對流系統(tǒng)，與颮線前端距離縮短至40 km左右；17∶12(圖略)開始，A處對流系統(tǒng)回波明顯增強至50 dBz，其后側對流逐漸向東北方向伸展于17∶48(圖12d)并入颮線主體，之后，颮線前端B處對流系統(tǒng)快速脫離颮線主體后迅速減弱消亡；18∶30(圖12e)，A處對流系統(tǒng)并入颮線主體后取代原來的B處成為颮線前端，此時颮線表現(xiàn)出較強的前導對流線，前導對流回波強度達到55 dBz以上，且液態(tài)含水量迅速增至62 kg·m-2，隨后地面大風及降水極值產(chǎn)生，其位置與前導對流線強回波均有很好的對應(圖12f)。由雷達觀測可知，臺前颮線與前緣激發(fā)生成的對流風暴合并是臺前颮線強度增強的重要成因之一。

圖12 2019年8月8日15:30(a)、16:30(b)、17:06(c)、17:48(d)、18:30(e)、18:45(f)雷達組合反射率因子拼圖(單位:dBz)Fig.12 Radar composite reflectivity factor mosaic(unit:dBz)at(a)15:30 BT,(b)16:30 BT,(c)17:06 BT,(d)17:48 BT,(e)18:30 BT and(f)18:45 BT on 8 August 2019.

Orville等(1980)研究指出，云下層水平氣壓分布不均所產(chǎn)生的氣壓梯度力及其空間分布是造成對流云合并的主要因素之一。由17∶00地面自動站的海平面氣壓(圖13a)和地面氣溫(圖13b)顯示，氣壓場上，颮線系統(tǒng)內(nèi)的雷暴高壓(G)和颮線前方的熱低壓(D)產(chǎn)生較強的氣壓梯度力。同時地面有明顯的冷池(L)，冷中心氣溫為24℃，冷池前方為35℃的暖中心(H)，與熱低壓D對應，冷暖中心之間等溫線密集，溫度水平梯度較大，從而出現(xiàn)鋒生。從925 hBa風場(圖13c)可見，福州西部存在中尺度輻合線(短虛線)，由于地面鋒生產(chǎn)生的對流不穩(wěn)定以及低空強垂直風切有利于近地面暖濕氣流輻合抬升，從而在颮線前方不斷觸發(fā)新生對流單體，新對流單體與颮線對流系統(tǒng)之間的上升氣流-強下沉氣流之間的相互作用也是二者合并的主要原因(黃美元等，1987；付丹紅和郭學良，2007)。

圖13 2019年8月8日17:00地面自動站(a)海平面氣壓(單位:hPa)、(b)氣溫(單位:℃)、(c)925 hPa風場(紅色箭矢為≥12 m·s-1，紫色短虛線為輻合線)和渦度場(虛線,單位:10-5s-1)Fig.13 Ground automatic station measured(a)sea level pressure(unit:hPa),(b)temperature(unit:℃),and(c)wind field(red arrows are≥12 m·s-1,short purple dashed line is convergence line)and vorticity(dashed line,unit:10-5 s-1)at 925 hPa at 17:00 BT 8 August 2019.

6 結論

本文利用多普勒雷達、風廓線雷達、FY-4A黑體亮溫(TBB)、地基微波輻射計、地面自動站等多種觀測資料以及ERA5再分析資料，對“利奇馬”(2019)臺前颮線過程演變及生成位置、移向及長生命史的異常特征進行分析，得到如下結論∶

(1)“利奇馬”臺前颮線發(fā)生于臺風路徑的左側、自北向南移動、生命史長達10 h。其過程演變分為發(fā)展形成、加強成熟和減弱消亡三個階段，其中第二階段為臺前颮線影響范圍最廣、強度最強階段，對流性質較為復雜。臺前颮線過境造成最大氣壓升幅達3.5 hBa及最大氣溫降幅為9.9℃，與歷史統(tǒng)計的氣象要素變化比較，具有極端性。地面中尺度雷暴高壓、颮前熱低壓、冷池、暖中心特征明顯。

(2)大陸高壓的增強、良好的高低空配置、臺風靠近提供了充沛的水汽條件，地面增溫及東北向岸氣流在浙閩沿岸輻合抬升，上干下濕的熱力不穩(wěn)定層結、低空強的垂直風切變以及地面顯著CABE和弱CIN的天氣背景下導致了此次臺前颮線在東南沿岸觸發(fā)生成。

(3)臺前颮線進入福建后，上干下濕的大氣層結不穩(wěn)定結構顯著增強、低空垂直風切變異常增強以及臺前颮線與前緣激發(fā)生成的對流風暴合并促使臺前颮線獲得發(fā)展增強，颮線成熟期持續(xù)時間長是導致其生命期較長的重要原因。臺前颮線移動中受東北氣流引導向西南方向移動，其與引導氣流夾角大，二者移動方向一致，移速加快，有利地面大風增幅。

(4)用地基微波輻射資料計算的熱力對流參數(shù)K、TT和A指數(shù)的峰值與臺前颮線造成的大風極值有很好的對應關系，K≥37℃和A≥11℃指數(shù)對強對流天氣預警有一定的指示意義。