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

（解放軍理工大學氣象海洋學院，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

（解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101）

摘要：利用NCEP/NCAR再分析資料、雷達資料、FY-2E衛星資料等，對2014年7月30—31日發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。結果表明：中層階梯槽引導高層干冷空氣向下入侵后疊加在低層暖濕氣流之上，增強了大氣不穩定，不穩定能量累積；低空切變線促使不穩定能量釋放，是此次颮線的重要觸發機制。對干侵入的分析結果表明：此次颮線過程中，干侵入來源于高空槽后下沉氣流，干侵入底部風場調整使得颮線在移動過程中由東西向轉為了南北向。在颮線發展過程中，干侵入范圍擴大、強度增強；干侵入使颮線發生區域中高層大氣相對濕度降低約50%，增強了大氣不穩定。干侵入底部的低相當位溫空氣與颮線內部高相當位溫空氣混合是颮線長時間維持的重要原因。

關鍵詞：颮線；干侵入；水汽圖像；結構特征；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展，側向排列后形成颮線[1-2]。國內外對颮線的觸發機制、結構特征、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機制,而低層大氣環境風切變、不穩定能量、天氣系統等差異對颮線的發展、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]，國內學者多關注干侵入特征及其對天氣、次天氣尺度系統和降水的影響。關于干侵入對颮線發展演變的作用，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，有利于颮線的產生和發展。于玉斌等[15-18]指出當高位勢渦度、低濕球位溫氣流從高空侵入到暖輸送帶時可產生颮線。羅建英等[19]對一次華南颮線過程的分析結果表明，颮線系統在低空增溫、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？干侵入對颮線發展的作用如何？這些問題值得深入研究。

本文利用FY-2E衛星資料、NCEP/NCAR再分析資料、常規觀測資料、雷達資料等，綜合分析了2014年7月30—31日發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，為颮線災害預報、預警工作提供了參考依據。

1　實況分析

1.1天氣實況及災情

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展，于20時前后，颮線在安徽中部逐漸由東西向轉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、大風等強對流天氣襲擊，受災嚴重。滁州市氣象臺于30日18時40分發布雷雨大風黃色預警，明光潘村湖出現7級以上大風；合肥市氣象臺于30日21時發布暴雨橙色預警，局部地區出現暴雨，長豐莊1 h降雨量達75 mm。大風導致河南省5人死亡，大量房屋受損或倒塌。江蘇省部分地區出現雷暴大風、暴雨天氣，受大風影響，多地蔬菜大棚、廣告牌、樹木等被刮倒，暴雨造成局地嚴重內澇。

1.2天氣形勢分析

本次過程是在30日下午開始發生的，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，槽前有一支西南風急流，槽后有一支西北風急流，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，北槽槽后風速較大，有冷平流輸送，南槽附近等溫線稀疏，風速相對小，槽區附近溫度平流較弱；在臺風——“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，當兩槽趨于合并時，南槽將發展，槽線附近易產生強對流天氣。700 hPa高緯地區槽線與500 hPa上位置相差不大，中緯地區在石家莊附近有一冷渦，冷渦后部西北風風速較小，前部西南風風速相對較大，受海上臺風影響，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，切變線南側風速大，北側風速相對小，切變線附近水汽充足，空氣濕度大于80%，強對流發生于切變線附近。30日14時，850 hPa上的暖式切變線消失，其它層次環流形勢與08時相差不大。30日20時，500 hPa上南、北兩支槽已經合并，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維持。

1.3衛星云圖、雷達回波特征

相當黑體亮度溫度（Black Body Temperature, TBB）是研究對流云團發展演變的常用資料，圖2給出30日14時至31日01時我國東部強對流天氣區內的TBB分布。30日14時（圖2a），徐州、淮北市附近上空出現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對流云帶，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℃，東西向的颮線發展旺盛。18時（圖2c），強對流云團在南移過程中逐漸向兩端發展，東西跨度達500 km以上，但TBB<-52℃的區域逐漸變小。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，西側的對流云帶在移動過程中發展并加強，云團中心TBB<-58℃，而東側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為南北向并東移發展。30日23時（圖2e），強對流云帶TBB<-52℃的區域也呈“弓狀”分布，南北向的颮線發展旺盛。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）及風場

為了加深對此次颮線轉向過程的了解，圖3給出了颮線由東西向轉為南北向過程中合肥站多普勒雷達圖，圖中陣風鋒所在位置用虛框標注。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，陣風鋒出現在颮線移動方向前部，在陣風鋒前部，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展成多單體雷暴群，與此同時，東西向颮線前部的陣風鋒在南下過程中開始逐漸向逆時針偏轉。此后，雷暴群與陣風鋒聯結后觸發了新的對流運動，颮線逐漸由東西向轉為了南北向并繼續東移發展。

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能量指數特征分析

大氣中不穩定能量的積累和釋放是產生強對流天氣的關鍵，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定能量的分布。研究表明[20-23]，當CAPE值在1 000 J/kg以內，大氣處于輕微不穩定狀態，CAPE值約為1 000 J/kg時就有可能形成一般的颮線系統；當CAPE處于1 000～2 500 J/kg之間，大氣中度不穩定，CAPE值超過2 200 J/kg時可能會形成較強的颮線系統；當CAPE大于2 500 J/kg時，大氣非常不穩定，極易形成強對流天氣，會造成嚴重的自然災害。

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，此次颮線發生前，我國東部大部分地區CAPE值超過1 000 J/kg，安徽南部、江蘇西南部地區CAPE超過2 500 J/kg，說明這些地區極易發生強對流天氣。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”的層結條件十分有利于強對流天氣的發生發展。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定狀態，若存在合適的抬升條件，極易產生強對流天氣。

圖4　2014年7月30日08時我國東部地區CAPE、CIN分布（a），南京站埃瑪圖（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急流和槽前西南風急流共同作用下，槽后干冷空氣快速向華北平原上空輸送；500 hPa階梯槽受臺風影響，南槽移速減慢，有利于北槽與南槽合并，并引導干冷空氣繼續南下；700 hPa，海上暖濕氣流在臺風和副高外圍西南氣流引導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機制。從不穩定能量角度分析來看，颮線發生前，高層干冷空氣疊加在低層暖濕氣流之上，增強了對流發生區域大氣不穩定，不穩定能量得以累積；850 hPa上暖式切變線促使不穩定能量釋放，引發強對流天氣；高層持續的干冷空氣輸送和低層充足的水汽供應，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，該性質決定了干侵入在水汽云圖上表現為“暗區”，而水汽云圖色調淺白的地區則對應對流層上部的濕區，一般與上升運動相聯系，這為初步識別干侵入所在位置提供了依據。圖5給出30日08時與20時水汽圖像與500 hPa高度場、風場的疊加。08時（圖5a）水汽圖像上，暗區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上階梯槽引導下，高空干冷空氣向低層入侵；此時，干侵入前部西北風風速較大，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，暗區前部出現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。從圖中風場調整來看，08時，干侵入底部以偏西風為主，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、熱力學性質的物理量，在絕熱條件下具有守恒性質，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，在等熵坐標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，一般應選取與極鋒地區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等熵面上風場、溫度場和位渦的分布。從圖中風場來看，颮線發生前（圖6a），325 K等熵面上商丘至宿遷一帶受偏西風控制，強冷空氣底部呈東西走向；颮線轉向前（圖6b），商丘附近風向由偏西風轉為偏北風，偏北風推動干侵入東移，預示著颮線會發生轉向。從等位渦線分布來看，颮線發生前，325 K等熵面上中緯度地區存在兩個高位渦中心，影響颮線發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，從颮線發生前到颮線轉向前，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）和風場的疊加

以上分析結果表明：從颮線發生前到颮線發展過程中，高層干侵入是加強的；干侵入前沿與500 hPa槽線有很好的對應關系，干侵入底部風場調整使得颮線在移動過程中發生轉向。

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。干侵入從颮線發生前（30日08時）就已經開始向下發展，從圖7a中陰影區來看，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，颮線發生區域上空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”持續加強，增強了大氣對流不穩定；高位渦氣團底部距地面高度與08時相比變化不大，也就是說颮線發展過程中，干侵入下沉至對流層低層后不再向對流層底層入侵，這與陶祖鈺等[24]的研究結果一致。

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）、風場（單位：m/s）的疊加

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

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

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

4　結論

對2014年7月30—31日發生在我國東部的一次強颮線過程進行天氣學分析，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生的。低空切變線是此次颮線過程的重要觸發機制。

（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。從颮線發生前到颮線發展過程中，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，增強了大氣對流不穩定。干侵入底部風場調整對颮線在移動過程中發生轉向具有重要作用。干侵入底部低相當位溫空氣與颮線內部高相當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。水汽云圖和常規資料分析并不能反映干侵入在颮線內的全部特征，需要通過數值模式進一步研究。

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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：中尺度數值模擬、天氣學與天氣預報。E-mail：wchm1970@163.com