引言

在中纬度地区的夏季，飑线是常见的一种中尺度对流系统，其长约几十至几百公里，宽约50至100公里，可持续几小时至十几小时^[1]，通常伴随短时强降水、雷暴大风、冰雹等灾害性天气，易造成重大损失，因此加强飑线的研究具有重要的现实意义。探讨飑线发展变化过程中环境热力和动力条件的变化，对飑线的预报预警具有重要作用。

飑线往往由若干更小尺度的雷暴和对流单体组成，因此要深入研究飑线的内部结构，需要采用高分辨率资料。飑线的发生发展及结构特征与众多因素相关，姚叶青等^[2]利用多普勒雷达资料研究表明，中气旋通过加速干冷空气向雷暴内的夹卷，从而加强地面大风的可能性。沈杭锋等^[3]、支树林等^[4]和翟国庆等^[5]利用多种高分辨率观测资料和模式资料进行研究表明，飑线中强对流活动与边界层内的中尺度辐合有密切联系。陈业国等^[6]用WRF模式模拟华南一次飑线过程指出，飑线发生的带状区域内有明显的低层辐合线和切变线，大气的对流性不稳定性和高低空的辐合辐散配置是飑线发展维持的重要因素。孙建华等^[7]和张建军等^[8]讨论了大气水汽含量对飑线组织结构和强度的影响指出，整层水汽增加，对流增强。由环流形势影响而形成的低层环境风垂直切变是飑线发展维持的另一关键因子，早在20世纪50年代Newton^[9]的研究就验证了这一点。姚建群等^[10]对一次较长生命史的飑线进行了分析，提出较强的环境风垂直切变和雷暴内部上升气流与下沉气流的正反馈作用是飑线系统维持较长时间的原因。周昆等^[11]利用LAPS模式和地面观测资料分析安徽飑线过程指出，冷锋的强迫抬升使得不稳定能量释放，高层辐散低层辐合使气流剧烈上升。飑线近地面冷池出流所带来的涡度变化也对其有着重要的影响。刘香娥等^[12]通过研究表明，雨水蒸发过程是影响冷池强度的关键因素，而地面强冷池对飑线灾害性大风的产生具有重要作用。Rotunno和Weisman等^[13]首次提出了地面冷池和低层环境风垂直切变的相互作用是飑线维持最为重要的动力和热力机制，形成了描述飑线发展传播的“RKW理论”。随后国内外学者^[14-16]应用多种模式对多个对象进行模拟研究，定性和定量证明了“RKW理论”的合理性。以上研究对飑线过程的三维风场、中尺度结构及演变特征等进行分析，论证了地面冷池、辐合线、低层风垂直切变等在飑线发展维持中的重要作用。本文利用WRF模式对一次发生在赣鄂皖三省交界处的一次特大暴雨中的飑线过程进行数值模拟研究，重点分析飑线的发生、发展演变过程及在飑线发展的各阶段环境热力和动力条件的影响，并对飑线过程中各阶段冷池和低层垂直风切变的作用进行探讨，以期为此类飑线的预报预警提供一定的科学依据。

1 飑线实况及分析 1.1 飑线降水实况

2016年6月19日赣鄂皖三省交界地区出现导致特大暴雨的飑线过程，此次过程的降水主要集中时段是18日20时-19日20时(北京时，下同)，降水中心位于江西北部、安徽西南部和湖北的东部。以江西省内自动站为例，18日20时-19日20时24 h内全省共有27个站达到特大暴雨级别，160站达到大暴雨级别，最大累积降水量出现在九江市湖口县武山镇，为389.6 mm；有163个站1 h降水量超过30 mm，最大小时降水量出现在宜春市奉新县赤岸，为118.7 mm。此次降水过程具有时间集中、强度大等特点，给部分城市造成严重城市内涝，对当地人们的生活生产造成重大影响。

对于此次飑线过程，各主要业务预报模式预报结果均不太理想，欧洲中心确定性预报和集合预报、日本全球模式的36 h预报中，在主要降水区域的降水预报最大量级为中到大雨，且预报位置偏北，预报误差较大。

1.2 环流形势分析

分析环流形势(图略)可知，2016年6月18日20时200 hPa有冷温槽移过，赣鄂皖边界位于槽后西北风中；500 hPa上赣鄂皖处副热带高压(以下简称副高) 5 880gpm附近，以8 m·s^-1偏西风为主，温度脊从高原沿长江延伸至东海，赣鄂皖边界处于暖区中；850 hPa江南地区西南暖湿气流强盛，急流强度达14 m·s^-1。19日08时，赣鄂皖边界200 hPa处西北风与北风的分流区中，从高原地区有温度脊延伸至江西北部；500 hPa上副高5 880 gpm略有南退，维持弱西风控制；低层850 hPa切变线南压至长江沿江一线，江南地区的西南急流加强至22 m·s^-1，赣鄂皖边界位于急流顶端强辐合区中，饱和温度在18 ℃左右。这种中高层干冷、低层暖湿的层结有利于对流的维持。

1.3 飑线对流组织过程分析

图 1给出此次飑线过程不同时次的红外卫星云图，以此分析对流云团的发展情况并对飑线发展的各阶段进行划分。18日20时-19日01时为飑线的初生阶段，在18日23时(图 1a)，江西北部主要受对流云团A和B影响，分别位于江西宜春、新余地区和景德镇、上饶地区，云团A对流活动加强，其西北部有单独的对流中心生成，对流中心云顶亮温达201 K。19日02-04时为飑线的发展阶段，02时(图 1b)云团B东移减弱，移出江西，云团A在原地加强发展，覆盖整个江西北部地区；发展后的云团A最强对流中心位于九江，云顶亮温为200 K，对流中心趋于组织化；在随后几小时，对流云团A向北发展，影响区域北抬至赣鄂皖三省交界处，强对流中心进一步组织化，出现线状强对流中心，形成飑线。05-10时为飑线的成熟阶段，06时(图 1c)云顶亮温小于203 K的区域达到28 037 km²，这种大范围的强对流中心03时开始发展，07时达到最强，09时(图 1d)范围略有缩小，但是依然存在低于203 K的亮温中心，此阶段云顶亮温低于203 K的区域一直维持在赣鄂皖边界地区，该对流云团范围广、强度大且稳定少动，直接导致了此次特大暴雨过程。11时(图略)开始飑线进入消亡阶段，此时云顶的低亮温中心变得松散，对流开始减弱。

2 数值模式设计与结果检验 2.1 数值模拟设计

利用WRF模式对2016年6月19日发生在赣鄂皖边界的一次特大暴雨过程进行数值模拟。采用水平分辨率为1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料为背景场，同时利用WRFV3.5中的ARW非静力平衡动力框架。采用双重嵌套网格方案，网格中心位于(113°E，30°N)，第一重网格水平分辨率为12.0 km，水平格点数为168×135；第二重网格的水平分辨率为4.0 km，水平格点数为298×202；垂直方向均取不等距的35个σ层，模式层顶为50 hPa。采用的物理方案为：第一重网格为新Thompson微物理参数化方案^[17]，Kain-Fritsch积云对流参数化方案^[18-20]，YSU边界层方案^[21]，RRTM长波辐射方案^[22]和Dudhia短波辐射方案^[23]；第二重网格关闭积云对流参数化方案，其余方案与第一重网格相同。模式从6月18日08时开始积分42 h。

2.2 模式模拟结果检验

为检验模拟结果，首先对比实况和模拟的24 h累积降水量，图 2为18日20时-19日20时的24 h累积降水量的实况与模拟结果，从中可见，实况的降水落区(图 2a)主要位于江西北部，呈东西走向，中心降水量达250 mm以上，位于江西九江、景德镇境内；安徽南部和湖北东部也存在较小的降水中心，中心降水量在150 mm以上。模拟的24 h累积降水量(图 2b)，50 mm的暴雨区范围与实况基本一致；100 mm以上强降水中心位置与实况一致，但范围比实况更广；模拟结果中250 mm的降水强中心有两个，分别位于湖北东部和江西北部，江西北部的降水中心范围和实况接近，中心强度略强，模拟结果好，湖北东部的强降水中心与实况相比范围更广，强度偏强。以上分析表明，模拟的降水落区及范围基本能反映实况，模拟试验较好地再现了此次强降水过程。

图 3给出此次飑线过程不同时次实况和模拟的雷达组合反射率。从实况来看，19日01时(图 3a)飑线的初生阶段，研究区域内对流单体分散，组织程度不高，在江西宜春和湖北黄冈存在50 dBz以上的强回波中心。随后回波不断发展增强，对流单体范围增大并逐渐组织化，飑线逐渐发展成熟；19日05时(图 3b)飑线进入成熟阶段，此时飑线发展最强，呈西北-东南走向线状分布，长约250 km，其中南段发展最为强烈，中心强度达60 dBz，风场上具有明显的中气旋特征，之后不断有对流单体从飑线后部发展，使飑线强降水区域稳定少动，这与卫星红外云图分析结果相对应。随着不稳定能量的不断释放，飑线进入消亡阶段，组织结构趋于模糊，飑线北段逐渐消亡；13时(图 3c)飑线特征已经消失，转为层状云降水回波为主。对比同时刻的模拟结果(图 3d-f)可知，模拟的雷达回波较好地反映了飑线的生消过程，模拟的飑线由两块小的回波慢慢地发展成为西北-东南向的线状飑线，稳定维持在湖北东部、安徽西南部和江西北部，飑线的初生(图 3d)和成熟(图 3e)阶段回波在影响范围和中心强度方面与实况基本吻合，模拟效果好。而在飑线消散阶段，实况中湖北东部的北段飑线消散较快，但模拟结果显示，19日08时之后在湖北东部仍在存在较强的回波(图略)，这也是模拟结果中湖北东部出现250 mm特大暴雨中心的原因。

综上所述，在飑线形成和发展的过程中伴随着对流单体的组织合并增长及新旧单体更替，飑线的后向传播性质使得飑线在传播过程中得以维持并发展，拥有较长的生命史。

3 飑线发展的动力和热力特征 3.1 对流有效位能和对流抑制能量

对流飑线是大气不稳定能量释放的产物，不稳定能量的多少与对流飑线的强度有关，可以通过对流有效位能(CAPE)来指示，强对流的发生需要在CAPE为2 500~4 000 J·kg^-1的环境中。强对流发生前往往需要一个能量的积累过程，能量的积累与行星边界层顶的稳定层或逆温层有关，其对对流有一定的抑制作用，使对流活动不能轻易发生，从而利于不稳定能量积累，当不稳定能量积累到一定程度会冲破抑制层而使对流剧烈发展。

图 4给出18日18时飑线发展前研究区域的CAPE和对流抑制能量CIN的模拟结果，从中可见，湖北东部及下游的安徽南部、江西中北部地区CAPE值基本大于2 000 J·kg^-1 (图 4a)，未来单体将持续发展的江西北部CAPE值更是达2 500~3 000 J· kg^-1，达到了深对流发展的标准，与高CAPE值相对应的CIN (图 4b)在10~20 J· kg^-1。从对应的18日20时探空资料(图略)分析可知，南昌站和安庆站的CAPE值分别是2 407.4 J·kg^-1和2 332.8 J·kg^-1，CIN值分别为20.1 J·kg^-1和10.3 J·kg^-1，表明该过程不稳定能量的模式模拟结果较好。高CAPE值和较低的CIN值有利于不稳定能量的积累，但又不至于抑制对流的发展，使强对流迅速发生发展。19日02时飑线处于发展阶段，对流活动明显，不稳定能量得以释放，此时整个区域的CAPE值明显下降，降水最明显的赣鄂皖边界地区此时CAPE甚至降到500 J· kg^-1以下(图略)。

3.2 地面冷池和辐合线

下面通过分析地面3 h变温、风场和垂直速度场来探讨地面冷池特征与飑线附近空气流动情况。图 5给出19日07时、10时10 m风场和地面3 h变温以及07时、10时850 hPa风场和垂直速度的模拟结果。从中可见，19日01时(图略)飑线的初生阶段，赣鄂皖交界地区为弱的正变温区，正变温区内存在若干个负变温中心，此时飑线后部冷池初步形成。19日04时(图略)飑线的发展阶段，飑线两侧的东南风和西南风风速加大，辐合力量更加明显；3 h变温场上，零散的负变温中心开始连成片，负变温区域范围扩大，出现-2 K左右的负变温中心，此时降水明显，降水的蒸发吸热作用导致飑线后部近地面温度明显下降，使得地面冷池范围变大。19日07时(图 5a)飑线的成熟阶段，此时飑线前沿辐合区分为两段，一段是湖北东部地区的强辐合区，该辐合区的西南风与前期相比明显增加，最大风速达10 m·s^-1，辐合明显增强，与此同时在江西北部地区也出现了一条偏南风和东北风的辐合带，辐合明显的区域正是飑线回波最强的区域；地面冷池中心与此时的强降水区域对应，冷池结构也随着降水的不断增强而更加明显，飑线后部的负变温中心强度不断加强，达到-4 K。07时850 hPa垂直速度场上(图 5b)，正速度为上升气流，负速度为下沉气流，飑线附近有明显的上升气流，飑线后部为下沉气流，飑线后部的下沉气流使得中高层干冷空气抵达地面，加深地面冷池的结构，而冷池向外的辐散气流，进一步促进地面辐合线的发展。10时(图 5c)飑线向西向南移动，地面辐合线也随之移动；负变温中心强度不断增强，达-7 K；与之对应时刻的垂直速度场(图 5d)中飑线后部的下沉气流明显减弱，表明下沉气流对冷池的加强作用开始减弱，冷池进入消散阶段。13时(图略)飑线的消亡阶段，辐合区继续向西向南移动，与之对应的雷达回波和降水区域也发生相应的移动；飑线附近仍然是飑前正变温、飑后负变温，但是赣鄂皖交界地区的负变温区已逐渐变成正变温区，冷池结构逐渐被破坏，强降水也趋于结束。

综上所述，飑线的发生发展和地面辐合线、飑线冷池密切相关，地面辐合线在对流活动初期激发对流，使相对零散、孤立的对流串联起来，逐渐发展成飑线。发展成熟的飑线后部下沉气流引导中高层干冷空气抵达地面，配合降水的蒸发吸热作用，在地面形成冷池，冷池向外辐散的气流，促进了地面辐合线的发展，使飑线进一步组织化。飑线发展过程是地面冷池不断扩大的过程，当地面冷池完全占据原来的对流区域时，飑线组织结构被破坏，飑线趋于消亡。

3.3 风垂直切变作用

低层风垂直切变环境是飑线系统维持传播的一个必要条件，本文计算地面至700 hPa的风垂直切变来分析飑线的低层风垂直切变特征。图 6给出飑线过程不同时次的低层风垂直切变和切变矢量图，从中可见，19日01时(图 6a)飑线的初生阶段，低层风垂直切变的大值区位于飑线的前部，方向偏东，数值在10 m· s^-1以上，与飑线系统方向夹角约45°。03时(图 6b)飑线的发展阶段，低层风垂直切变的方向仍然为偏东方向，但切变的数值增大，湖北东部的风切变达16 m·s^-1，江西北部出现强度超过24 m·s^-1的中心，其位置位于飑线附近；由低层风垂直切变导致的垂直抬升作用明显增强，有利于飑线中对流的发展。06时(图 6c)飑线的成熟阶段，低层风垂直切变中心位于飑线附近偏向于飑线后部，呈线状、西北-东南向排列，此时对流不稳定能量因前期的释放明显减小，仅有500~1 000 J·kg^-1，维持其发展的能量无明显增强，飑线中飑线发展机制与飑线消亡机制达到动态平衡。13时(图 6d)飑线进入消亡阶段，此时的雷达强回波中心呈现散乱化，组织性减弱，北段回波强于南段，此时北段飑线前部风垂直切变方向与飑线近乎垂直，大部分区域强度在24 m·s^-1以上；南段飑线转变成东西走向，风垂直切变与飑线夹角约45°，南段飑线附近风垂直切变强于北段飑线。

以上分析表明，风垂直切变与飑线强对流密切相关，飑线发展过程中，低层垂直风切变中心方向与飑线方向变化一致，且逐渐由飑前移至飑后；飑线发展强度与低层风垂直切变和飑线之间的夹角有一定关系，可能与风暴相对入流对水平涡度的转换作用有关。飑线成熟至消亡阶段，最强回波与最强低层风垂直切变对应不是很好，即低层风垂直切变最强时并不一定能激发出最强的对流，这其中的原因需要进一步分析。

3.4 风暴相对螺旋度

风暴相对螺旋度是用来衡量风暴入流强弱以及沿入流方向的水平涡度分量的参数，其值越大，表明该环境中的垂直风切变越大，就会产生水平方向上的涡管。考虑到风暴入流主要来自于对流层低层几公里范围内，故计算0-3 km的风暴相对螺旋度。Davies-Jones等^[24]将螺旋度等于150 m²·s^-2作为对流风暴发生发展的临界值。

图 7给出飑线过程不同时次0-3 km风暴相对螺旋度的模拟结果，从中可见，19日01时(图 7a)飑线的初生阶段，飑线前部为正螺旋度高值区，飑线后部为螺旋度低值区域，在湖北东部和江西北部有两个正负风暴螺旋度对，其正中心分别为400 m²·s^-2和900 m²·s^-2，相对应的负螺旋度中心均达到-400 m²·s^-2。表明湖北东部和江西北部地区存在强烈的水平涡度向垂直涡度转换，此时相应位置上对流单体回波达到50 dBz以上。03时(图 7b)飑线的发展阶段，飑线前部正相对风暴螺旋度加强，飑线后部负相对风暴螺旋度也增强，在飑线附近形成多个正负风暴相对螺旋度对。06时(图 7c)飑线的成熟阶段，飑线前部正螺旋度大于600 m²·s^-2的范围增大，在湖北东部、安徽西南部和江西北部出现了900 m²·s^-2以上的正螺旋度的大值中心，呈西北-东南向线状分布；飑线后部负螺旋度也呈现同样的特征，形成多个正负相对风暴螺旋度对。正负螺旋度对的存在表明此处存在强烈的水平涡度向垂直涡度的转换，从而形成中气旋，利于对流的维持，同时也解释了此次飑线过程的后向发展特征。13时(图 7d)飑线的消亡阶段，与雷达回波相对应，正负风暴相对螺旋度对分布零散，且正负中心距离增大；飑线前部正螺旋度强度减弱，飑线后部负螺旋度范围继续增大，原来的对流区域被负螺旋度占据。

综上分析可知，整个飑线过程中相对风暴螺旋度以正负螺旋度对的形式存在，在飑线形成的初期，正负螺旋度对的值均较小；随着飑线发展成熟，正螺旋度的值在明显增大，并变得有组织性，螺旋度达到最大值，表明低层环境风状况处于最利于强对流系统和气旋性涡旋发展的时期；而在飑线消散的阶段，正螺旋度值明显减小，与负螺旋度距离加大，飑线组织性被破坏。正负螺旋度对的存在，能够使得输送到对流体内的水平涡度转化成较大的垂直涡度，有利于强对流的发展，对对流单体位置与强度预报具有很强的指示意义，当相对风暴螺旋度强时，对流发展旺盛。

4 结论与讨论

本文利用多普勒天气雷达和卫星等观测资料和WRF模式模拟资料，对2016年6月19日发生在赣鄂皖交界地区一次飑线过程的演变特征和环境热力、动力条件进行分析，得到以下结论：

(1) 该过程发生在200 hPa有冷温槽过境，高层冷平流叠加中低层暖脊，低层西南急流加强的环流背景中；成熟飑线由多个强对流单体组成，中高层引导气流较弱，飑线移动缓慢，使得降水云团稳定少动，给赣鄂皖交界地区带来特大暴雨过程。

(2) 此次飑线的发生发展与地面辐合线、冷池密切相关，地面辐合线在飑线发展初期对对流单体有激发、组织作用，随着飑线系统的发展在其后部产生下沉气流，引导中高层干冷空气抵达地面，配合降水的蒸发吸热作用，形成地面冷池，冷池向外辐散的气流与西南环境气流在飑线后部形成地面辐合线，新单体在地面辐合线附近发展，使飑线具有“后向”传播特征。

(3) 飑线在高CAPE值环境中发展，垂直于飑线系统方向的低层风垂直切变利于飑线强对流组织发展，表现为风暴相对入流对水平涡度的转换作用；但是低层风垂直切变最强时并不一定能激发出最强的对流。

(4) 风暴相对螺旋度可用来衡量风暴入流强弱以及沿入流方向的水平涡度分量的大小。随着飑线的不断发展，正螺旋度的数值在逐渐增大，飑线成熟时期达到最大，表明低层环境风状况处于最利于强对流系统和气旋性涡旋发展的时期，而后随着飑线系统的消亡逐渐减小。正负螺旋度对的存在，能够使得输送到对流体内的水平涡度转化成较大的垂直涡度，有利于强对流的发展。

本文通过对一次暖区飑线过程进行研究，分析了此次飑线过程中不同阶段的演变特征，对此次飑线发展维持过程中冷池和低层垂直风切变的作用进行了数值模拟和定性分析，但是并未能对冷池和低层垂直风切变的相互作用在飑线发展不同阶段的影响进行指标化和定量计算，该项工作有待进一步研究探讨。