引言

飑线是由许多活跃的雷暴单体侧向排列成线状的中尺度对流系统，过境时常伴有雷暴、强降水、大风，有时伴有冰雹、龙卷等剧烈天气现象，因此飑线的研究和预报一直备受关注^[1]。探讨飑线发生发展过程中其结构变化特征，对飑线的预报预警具有重要作用。

潘玉洁等^[2]采用双多普勒雷达风场反演方法和热力、动力反演方法，研究了一次飑线内部的三维风场、动力和热力结构。吴海英等^[3]利用各种观测资料和数值模拟资料，分析了黄淮地区一次罕见强飑线过程的中尺度动力结构演变特征和发展机理。田荟君等^[4]利用多种观测资料和多普勒天气雷达产品，对合肥一次暖区飑线结构特征进行详细分析，并总结出飑线成熟期的雷达回波特征。高分辨率数值模式可预报强对流系统的等效反射率因子，物理量产品可以有效反映对流系统内部结构，是研究飑线内部结构的重要手段。沈杭锋等^[5]利用中尺度数值模式WRF模拟分析了浙江一次强飑线演变过程的中尺度特征。崔强等^[6]利用FNL再分析资料、WRF中尺度预报模式详细分析了江淮地区一次强飑线过程的系统结构特征，并归纳总结了飑线成熟阶段的内部结构模型。慕熙昱等^[7]指出飑线雷达回波呈现波型特征，数值模拟结果中看到在系统发生的带状区域内有多个中尺度涡旋存在，在飑线内有中尺度涡旋簇和弓形回波。李娜等^[8]利用模式输出资料，分析了飑线过程的动力和热力特征及对流线单体后向新生的环境条件。周昆等^[9]利用LAPS模式输出资料分析一次飑线过程结构以及环境特征后指出，飑线强盛期呈现明显的弓状回波，在其南北两端呈现为反气旋与气旋涡旋对。

然而，由于飑线等强风暴系统存在时空分布的局限性与演变的复杂性，以及受探测技术和设备等条件的限制，致使人们对这种中尺度系统过程的认识不足，对其预报还缺乏有效手段。本文使用中尺度数值模式WRF对2016年5月5日发生在浙江的一次强飑线过程进行高分辨率的数值模拟试验，分析飑线发生发展的结构特征，总结出有利于造成大风等灾害性天气的飑线特征，以期为相似天气形势下飑线天气的预报提供参考。

1 资料来源

天气实况分析资料来自常规观测资料、浙江省自动气象站资料和宁波新一代多普勒天气雷达资料，NCEP FNL再分析资料。其中常规观测资料为地面逐3 h资料，高空逐12 h资料；浙江省自动气象站资料为逐5 min资料，包括风向风速、温度、降水量等要素；S波段多普勒天气雷达资料为约6 min一次的体扫基数据；形势场分析和WRF模拟资料均采用NCEP FNL 1°×1°逐6 h再分析资料。

2 实况与天气形势分析

2016年5月5日下午至傍晚，飑线云带自西南向东北横扫浙江大部区域，浙江省大部分市县先后出现大雨到暴雨，局部大暴雨到特大暴雨。5日06—12时(世界时，下同)，有75个气象站降水量超过30 mm，单站1 h最大雨量出现在青田戈溪村，为54.1 mm；共113站出现8级以上雷雨大风，其中景宁上宁1083线站点风速达到33.9 m·s^-1。

由天气形势可知，5月5日06时，200 hPa上浙江处在高空急流带中(图 1a黑色箭头)，急流风速超过50 m·s^-1。500 hPa上低涡中心位于内蒙古东北部一带，588 dagpm线位于南海至台湾岛，高空槽位于华东西侧，自山东南部向西南延伸至南岭地区(图 1b黑色虚线)，浙江处在高空槽前西南气流之中，西南气流风速超过50 m·s^-1。700 hPa(图略)和850 hPa上高空槽自低涡中心向南延伸至山东北部(图 1c黑色粗实线)，低涡后部西北气流扩散南下，与副热带高压边缘西南气流在长江中下游地区形成切变线，位于江苏、安徽至湖北、湖南地区(图 1c黑色虚线)，浙江大部处在切变线南侧西南气流之中并伴有低空西南急流，西南急流最大风速超过16 m·s^-1，为对流发展提供了充沛的水汽供应。通过飑线系统移动方向前侧的探空观测进一步分析飑线发生时的环境特征。飑线初生阶段的06时绍兴站t-lnp图(图 1d)上，近地面至200 hPa高空湿度都较大，对流有效位能CAPE值为878 J·kg^-1，对流抑制能量CIN值为12 J·kg^-1，有一定的触发条件就易触发对流发生发展。地面至200 hPa高度为一致的西南气流，0~3 km以及0~6 km存在中等强度垂直风切变，强度超过15 m·s^-1。可见飑线发生在充沛的水汽条件，较弱的对流有效位能和中等强度的垂直风切变大气环境下。

由宁波站的雷达回波图可以大致看出此次飑线发展演变过程。图 2为此次飑线过程中宁波站多普勒天气雷达组合反射率因子。5日04时，在切变线前进方向的浙江、安徽交界地区出现分散性对流单体，对流单体随着切变线向偏东方向移动(图略)。05:58，多个雷暴单体在浙江西北部侧向排列形成带状分布，回波中心强度超过45 dBz，此时飑线初步形成(图 2a)。06:58，飑线组织化程度加强并东移至杭州湾南部，呈东北—西南向分布在绍兴—丽水地区(图 2b)，属于飑线发展阶段。08:15，飑线发展成熟，主体位于宁波至台州一带，回波中心强度超过55 dBz，飑线北段呈现明显的“弓状”特征(图 2c)。10:04后飑线东移入海减弱(图 2d)，整个过程持续约4 h。此次飑线过程历时长、强度大、灾害强，导致不少城市出现雷雨大风、内涝、交通堵塞及人员和物品的损伤，造成了严重影响。

3 模式设计与模拟结果分析 3.1 模式设计

数值模拟试验采用的模式为WRF V3.6版本，试验采用Lambert地图投影的三重双向嵌套网格(图 3)，网格分辨率分别为27 km、9 km、3 km；网格格点分别为120×90、166×157、307×295。数值试验的三重嵌套同时启动，模拟启动时间为2016年5月4日12时，结束时间为2016年5月5日12时，共24 h，积分步长为180 s。垂直方向均取不等距的35个σ层，模式顶层气压50 hPa。d01采用Grell三维集成积云对流方案，d02、d03关闭积云对流方案。三重网格都采用新Thompson微物理参数化方案，RRTM长波辐射方案及Dudhia短波辐射方案，MYJ边界层方案，Noah陆面层方案，地形数据选用MODIS_30S。初始场及d01侧边界条件由NCEP FNL 1°×1°逐6 h再分析资料提供，内层网格的侧边界条件由外网格插值得到。下文采用3 km分辨率(d03)资料用于分析。

3.2 模拟结果验证

图 4a-b为模拟的最大雷达反射率因子分布图。受切变线东移南压影响，自5日上午04时开始，模拟的浙江西北侧连续出现分散性对流单体(图略)。06时浙江西南部山区有多个对流单体侧向排列形成线形对流云带，此时为飑线初生阶段(图略)，模拟的飑线初生时刻与实况(图 2a)相似，位置略为偏西。07时模拟的飑线自西向东移动，回波强度不断加强，主体位于衢州市、金华市等地(图略)，此时为模拟的飑线发展阶段。08—09时为模拟的飑线成熟阶段，飑线东移至绍兴至金华一带，呈现出较明显的弓形回波特征(图 4a黑色虚线)，此时模拟的飑线形态、强度和位置分布上都与实况飑线成熟阶段(图 2c)相似，位置略微偏西南。10时模拟的飑线(图 4b黑色虚线)上对流单体组织化程度不断减弱，12时飑线入海后消亡，对流过程结束。短时强降水是飑线天气带来的主要灾害之一，而在数值模拟中降水既受大尺度环流场影响，又与内部的云微物理过程有关。由图 4c可知，实况累积降水从浙江西南向东北扩展，强降水中心数值超过50 mm，主要分布在衢州和杭州交界处，以及丽水、台州至宁波一线。模拟的降水落区(图 4d)与实况基本一致，并且模式也模拟出了此次飑线过程的强降水中心。逐小时要素对比图上，降水位于宁波—绍兴—丽水一带，1 h实况累计降水量(07—08时)为15~20 mm(图 5a)；风向以西南风至东南风为主，温度分布区间20~28 ℃；模拟的1 h风向和温度分布与实况类似(图 5b)，模拟的1 h累计降水量大小与实况类似，位置偏西南(图 5b)。综上所述，模式对此次飑线的演变过程和降水分布有较好的模拟能力，但累计降水量略有偏高，主要原因是模拟的飑线持续时间比实况的要长。

3.3 飑线的演变与水平结构特征

图 6为模拟的最大雷达反射率因子和1 h变压，10 m高度风场和1 h变温分布图。雷暴高压和地面冷池是飑线风暴的重要边界层特征。蔡雪薇等^[10]模拟研究了冷涡对飑线系统结构演变作用后指出，飑线发展过程中地面低压辐合带内形成的小尺度对流单体导致地面出现雷暴高压和冷池。08时为模拟的飑线成熟阶段，此时飑线位于绍兴至金华一带(图 6a黑色虚线)，飑线后部1 h气压增加超过4 hPa，表明飑线后部出现雷暴高压。地面辐合线附近湿度增大，低层垂直风切变较强，有利于飑线的发展和维持^[5]。由08时的10 m高度风场分布可知，在飑线成熟阶段，飑线前侧为东南气流，对流单体在近地面的扩散气流和东南气流在飑线前进方向形成阵风锋(图 6b黑色虚线)，有利于飑线的发展和维持，此时对流单体在地面的扩散气流风速为12~16 m·s^-1。强降水和下沉气流给飑线后部带来较为明显的降温，降温幅度最大超过5 ℃，地面出现冷池，新的对流单体在冷池前沿的阵风锋上触发，模拟的飑线不断向前移动，其移动速度由风暴产生的冷池的移动速度控制^[11-12]。10时为模拟的飑线消亡阶段，此时飑线位于宁波、台州至丽水一带(图 6c黑色虚线)，飑线上对流单体组织化程度减弱。飑线后部1 h气压增加超过4 hPa，飑线后部出现雷暴高压。10时飑线后部降温超过5 ℃，近地面有冷池，对流单体在近地面的扩散气流在飑线前进方向形成阵风锋(图 6d黑色虚线)，虽然飑线逐渐减弱，但是飑线后侧扩散气流风速加强，达16~20 m·s^-1，给地面带来雷暴大风。

3.4 飑线的垂直结构特征

根据RKW理论以及其他很多学者的研究^[13-15]，飑线具有明显的准二维特征。在由孤立风暴单体逐渐发展为飑线的过程中，飑线的发展方向将逐渐与低层垂直风切变垂直，以适应冷池和低层垂直风切变对其发展演变的影响，使其进一步发展和加强。飑线发展阶段，在飑线任意一处绘制垂直于飑线的剖面图，其低层的热力和动力特征均类似。因此沿着08时(图 6a的AB线)和10时(图 6c的CD线)飑线移动方向做反射率因子、相当位温以及风矢量的垂直剖面(图 7)。08时模拟的飑线处于成熟阶段，沿着飑线移动方向的垂直剖面图上，飑线主体位于119.73°E附近，对流单体发展旺盛，倾斜上升运动使回波顶高接近10 km，高回波质心从地面伸展至5 km高度(图 7a)，回波中心最大强度≥60 dBz。强回波中心后侧0~2 km和前侧2~4 km范围大气θ_e等值线密集，说明附近大气层结很不稳定，有利于对流运动的加强。飑线后部低层有明显的倾斜上升气流，上升气流在6 km高度变为前后两支辐散气流。飑线后侧偏东气流叠加在中层干冷空气入流上，形成气旋性闭合环流圈(图 7a黑色实线圆圈)，加强的垂直风切变，有利于飑线发展和维持。上升气流上升至对流层顶后沿飑线前进方向出流，对流顶部层云向出流方向扩展形成云砧。回波较弱(≤30 dBz)的层状云区域宽度超过80 km，向上伸展至12 km。孙凌峰等^[16]、付丹红^[17]研究指出，强下沉气流是造成地面瞬时大风的关键因素。由于降水的拖曳作用和下降过程蒸发冷却，图 7a中强回波核后侧4 km高度以下出现超过16 m·s^-1的强烈的垂直下沉气流，是造成此次雷暴大风的关键因素。强回波核后侧2 km高度以下出现中尺度雷暴高压(图 7a黑色虚线圆圈)，前侧为10~12 m·s^-1的低层入流。垂直上升和下沉气流在强回波核中心形成超过25 m·s^-1的低层垂直风切变，同时降水粒子在下落过程中强烈蒸发吸收热量，飑线后部地面存在冷池，低层垂直风切变和冷池的相互作用有利于飑线系统的维持和发展，与陈明轩和王迎春^[18]研究得出的结论相一致。新的对流单体在地面冷池出流边界上生成(图 7a的119.82°E位置)，使得飑线不断发展和向前传播。

10时为模拟的飑线进入消亡阶段，强回波中心位于120.87°E附近，中心回波强度>55 dBz，回波顶高位于12 km附近(图 7b)。消亡阶段飑线前进方向前侧低层入流将高相当位温的暖湿空气带入飑线内部后沿着强回波中心上升，在中层5~7 km高度，上升运动达到最强，上升气流达16~20 m·s^-1。上升气流到达对流层顶后在飑线前进方向前侧形成辐散出流，对流顶部层云向出流方向扩展形成云砧。强回波中心附近θ_e等值线梯度与成熟阶段相比有所减小，说明飑线发生后，强对流运动使飑线主体附近大气中不稳定能量得以释放，从飑线消亡阶段开始，大气不稳定度开始减弱。由于10时模拟的飑线前侧低层入流减弱，飑线主体垂直上升气流也减弱至8~10 m·s^-1，新的对流单体并没有在飑线前进方向前侧生成(图 7b)，飑线逐渐趋于减弱。

4 结论

利用常规观测资料、自动气象站资料、NCEP FNL再分析资料和高分辨率WRF模式对2016年5月5日发生在浙江地区的一次强飑线过程进行模拟研究，主要结论如下：

1) 切变线是影响此次强飑线过程的主要天气系统。5月5日06时，850~700 hPa上切变线位于江苏、安徽至湖北、湖南地区，浙江大部处在切变线南侧西南气流之中并伴有低空西南急流，西南急流最大风速超过16 m·s^-1，为对流发展提供了充沛的水汽供应。分析06时绍兴站t-lnp图可知，飑线发生在充沛的水汽，较弱的对流有效位能和中等强度垂直风切变大气环境下。

2) WRF模式对此次飑线的演变过程和降水分布有较好的模拟能力。模拟的飑线初生时刻比实况晚约1 h，位置略为偏西。模拟的成熟阶段飑线形态、强度和位置分布都与实况飑线成熟阶段相似，出现时间晚约3 h。模拟的降水落区和强降水中心与实况基本一致。模拟的1 h累计降水量、风向和温度分布与实况相似。

3) 雷暴高压和地面冷池是此次飑线过程的重要中尺度特征，边界层辐合线有利于飑线的发展和维持。飑线后侧对流层中层以下的强下沉气流，是造成此次雷暴大风的关键因素。模拟的08时飑线垂直结构图上，由于降水的拖曳作用和下降过程蒸发冷却，强回波核后侧4 km高度以下出现超过16 m·s^-1的强烈的垂直下沉气流，强的垂直下沉气流在近地面向四周扩散形成强烈的辐散气流，造成了此次雷暴大风。垂直上升和下沉气流在强回波核中心形成强的低层垂直风切变，配合地面冷池，有利于飑线系统的维持和发展。与水平结构相对应，飑线垂直结构图上强回波核后侧也出现中尺度雷暴高压。