飑线是一种组织性较强的中尺度对流系统，其内部对流单体排列成线状结构。飑线常出现在中纬度和热带地区，其过境时会出现气压涌升、气温骤降、风向突变、风速急增等现象，常造成较大的地面灾害，如灾害性大风、暴雨、冰雹等。过去数十年，由于雷达观测技术的进步以及许多大型科学实验(如1974年GATE(Houze et al，1981)、1987年TAMEX(Kuo et al，1990)等)的开展，飑线系统被广泛研究。典型的飑线移动较快(Zipser，1977)，其成熟期降水结构特征包括对流前缘的对流线及其后方的层云降水区，在对流区和层云区之间为降水相对较弱的过渡区。而由双多普勒雷达观测进一步揭示了热带(Chong et al，1987)、中纬度(Fankhauser et al，1992; Smull et al，1987)和副热带(Wang et al，1990)快速移动飑线内部的细致三维风场结构。这些不同区域的飑线系统在成熟期的共同特征是：系统的结构呈现准二维特征，即，气流变化主要发生在垂直飑线方向。在系统前方低层有一支高θ_e的从前向后的入流，从前缘倾斜上升至后方高层，一方面形成对流区，另一方面向后输送冰粒子，使后方的层云降水发展(Biggerstaff et al，1991)。当高层垂直风切变较强时，部分上升气流在高层翻转向前，形成砧状云。在飑线后缘低层(倾斜上升气流下方)，受中尺度下沉(层云区)运动和对流尺度下沉(对流区)运动的影响，有一支冷的从后向前气流，在对流系统前缘和前方的暖湿入流辐合，不断激发新的对流单体。在双多普勒雷达风场反演基础上，Gal-Chen(1978)首次提出利用动量方程反演热力场的方法。Roux(1985)进一步发展出用运动方程和热力学方程反演位温和气压扰动的方法，经不断改进完善后(Roux，1988; Roux et al，1993)，被成功用于研究飑线内的热动力结构。其中，Roux(1988)利用双多普勒雷达反演的风场和热动力场，通过垂直动量方程诊断，揭示飑线前缘低层因流体伯努利效应形成动力高压，其提供的垂直气压梯度力，是对流前缘暖湿气流初始上升的强迫机制；飑线对流区内的上升区由于潜热释放为正的温度扰动，上升气流下方为静力反应引起的低压扰动。 Lin等(1990)和Jorgensen等(1997)在对副热带和热带飑线研究中也注意到类似的结果。另一些研究则通过动量收支计算(Lafore et al，1988; LeMone，1983; LeMone et al，1984; Lin et al，1990)揭示对流动量传送和系统演变及其对环境的影响，结果显示: 垂直于飑线系统的水平动量的垂直输送有逆梯度输送的特性，增加垂直飑线方向环境垂直风的切变，有利于系统维持。相对的，平行飑线方向的水平动量具有顺梯度输送特征。近年来，Sun等(1997)提出了四维变分方法，同时反演风场、热力场和微物理场。然而，由于该方法比较耗时，且反演精度依赖各约束项及权重系数的选取，因此Roux等(1993)的方法仍是研究对流系统内动力和热力结构的主要方法之一。除观测外，许多高分辨率数值模式成功地模拟了飑线的三维结构和发展(Fovell et al，1989; Rotunno et al，1988; Thorpe et al，1982; Weisman et al，1988)，促进了对飑线维持机制的认识。这些研究一个共同点在于，发现环境垂直风切变对模拟飑线发展和维持起决定性作用，强调对流降水形成的冷池和低层垂直飑线方向的环境风切变的交互作用对飑线的影响。

飑线也是中国春、夏季常见的一种天气现象，过去有许多相关的研究工作。早期的研究主要是利用常规观测资料分析中国飑线发生的天气背景、触发条件等(丁一汇等，1982；李鸿洲，1988)。近年来，随着中国新一代多普勒天气雷达的布网和地面自动站的建设，中国一些典型飑线系统的中尺度特征被进一步揭示(刘淑媛等，2007;漆梁波等，2006)。与此同时，少数研究也开始利用双多普勒雷达观测资料对飑线系统的三维风场结构进行分析，如王俊等(2007)利用济南和连云港的新一代天气雷达观测资料，研究了济南一次飑线过程的三维风场结构；潘玉洁等(2008)利用单多普勒雷达资料对福建一次飑线过程中内嵌的一个强降水超级单体结构进行了分析；庄薇等(2010)利用2005年新疆外场实验观测资料，对新疆北部地区的一次强飑线进行了研究。中国华南地区是飑线多发区，但至今很少有利用双多普勒雷达对该区域飑线的三维动力和热力结构分析的研究。究其原因是缺乏观测资料。2007年4月23—24日在华南地区发生了一次强飑线过程，其持续时间超过8 h，给广东部分县市带来8—9级的雷雨大风及超过100 mm的强降水。中国华南地区新一代多普勒天气雷达网完整监测到了此飑线的发生、发展和演变过程，而广东地面自动站观测则记录了此飑线过境前后的地面气象要素特征变化。24日01时47分—02时23分(世界时，下同)，该飑线进入由广州和深圳雷达(两雷达相距约84 km)组成的双多普勒覆盖区域，为研究其内部三维风场结构以及维持机制提供了条件。本研究重点是利用双多普勒雷达风场反演和Roux等(1993)建立的热力-动力反演方法，研究此次飑线内部的三维风场、动力和热力结构。在此基础上，通过动量探讨其维持机制。此外，结合地面观测和探空等资料分析系统伴随的环境和地面中尺度特征。 2 资料及分析方法 2.1 资料

研究主要利用2007年华南的常规地面、高空观测资料和中国新一代多普勒天气雷达网的基数据(Level-Ⅱ)资料。雷达资料每6 min完成一次体扫，包括9个仰角(0.5°、1.5°、2.4°、3.3°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°)。其中，广州雷达位于(23.044°N，113.355°E)，高度180.3 m；深圳雷达位于(22.542°N，114.005°E)，高度149.4 m，两雷达相距约84 km，满足双多普勒雷达风场分析要求。图 1是广州、深圳雷达位置。

图 1 广州和深圳雷达位置(虚线圆为双多普勒雷达合成最佳区域；两虚线相交区域为基线区域，不利合成；同心圆符号代表探空站，灰阶表示地形)Fig. 1 Location of the Dual-Doppler radar network(Dashed circles depict the area of “good” coverage the circles with a solid core represent the sounding stations)

图选项

首先采用美国国家大气研究中心(NCAR)提供的SOLOII软件对雷达资料进行预处理(包括去除噪声点、地物回波、二次回波和多普勒速度退模糊(Oye et al，1995))。然后利用NCAR的REOR- DER软件将雷达资料插值到笛卡尔坐标下，其中，数据插值采用距离权重法(Cressman，1959)，影响半径设置为径向距离1 km，仰角间隔1.5°，方位1°，插值后的格点水平和垂直分辨率分别为1和0.5 km。在风场反演时，以广州雷达体积扫描时间为准，选择两雷达观测时间一致(差别小于1 min)的体扫进行风场反演。反演采用NCAR发展的CEDRIC(Custom Editing and Display of Reduced Information in Cartesian Space)软件，原理参考Ray等(1978)，参数设置详见赵坤等(2007)。为计算系统相对运动，利用对流强回波外缘估计系统的移动速度，在双多普勒雷达反演的水平风场中将其减去。

在获取三维风场后，进一步利用Roux等(1993)提出的“动力-热力反演法”。在滞弹性假设下，结合动力和热力方程反演出三维气压和位温扰动，其中，热源的变化主要根据回波强度的变化来计算液态含水量得到。在热动力反演方法中，由于风场反演的误差，粒子下落速度和降水含量估计的误差常常会造成反演的误差。因此，需要基于反演结果，计算动量检查值(Er)(Gal-Chen，1978; Hane et al，1981)，以评估反演热动力场的可靠性。一般来说，E_r在0.5以下，其反演的品质比较好。然而Hane等(1981)指出，E_r只要小于1，所求出的扰动场都是合理的。 3 飑线过程演变

2007年4月23日12时(飑线发生前6 h)500 hPa 上横槽在中蒙边境，后逐渐向南压，同时高空冷涡中心南压，有一槽线在四川中部、贵州西部、云南东部，广西处于槽前正涡度平流区和上升运动区。由于南方暖湿气团强大，850 hPa切变线北抬，在福建中部、江西南部、广西中部、云南南部存在一东西走向的切变线，伴随明显的辐合(图略)。广西—广东的大部分地区都处于较强的垂直风切变环境中，并具有较强的对流不稳定，有利于对流系统的发展。中国新一代多普勒雷达观测网资料显示，23日18时在广西中部有多个对流单体发展。这些对流单体不断增强，逐渐组织成东北—西南走向的线状结构，并于23日20时进入到广东北部—广州雷达监测范围(图略)。随后，飑线以17 m/s速度向东南方向快速移动，并进一步增强，至22时 进入成熟阶段(图 2a，标注为L1)。此时，系统呈显著的弓状，长度超过300 km，最强回波超过55 dBz，回波顶高超过15 km。在系统移动的后方开始有层云形成，而在系统的西侧有新的对流单体生成。地面观测表明，此对流发生在地面中尺度辐合线附近。至24日00时(图 2b)，飑线已移至广东省中部，在飑线前沿不断有新的对流系统形成，而老的对流单体则逐渐消亡、后移，在飑线对流区后方40—150 km范围内形成大范围层状云降水区。在层云区和对流区之间，存在一宽约30 km的弱回波过渡区。这些降水结构特征与过去观测的热带(Chong et al，1987; Houze，1977)、副热带(Chen et al，1993; Wang et al，1990)和中纬度(Houze et al，1989; Smull et al，1985)的成熟飑线系统相似。值得注意的是，在飑线西侧因对流单体不断激发和发展，已形成一条长度约为100 km的新线性对流系统(图 2b，标注L2)，其移动速度比L1快。另外，在飑线前沿存在明显的地面中尺度辐合线，辐合线两侧存在明显温度差异(图略)，即为地面阵风锋所在位置。至24日02时(图 2c)，L2与L1合并，形成一条长约550 km的飑线，以12 m/s的速度向东东南方向移动。飑线层云区回波范围继续扩大，但回波结构沿飑线变化 较小，呈准二维特征。此时，飑线的对流区已进入双多普勒雷达观测范围。24日04时(图 2d)，飑线的对流区已移至海面上，强度有所减弱。其后方层云区向系统东部集中，整个结构呈明显的不对称结构。Houze等(1990)的研究也发现，飑线不对称结构的发展与层云区中的中尺度对流涡旋发展有关。事实上，广东雷达径向速度揭示层云区中的涡旋存在(图略)。随后，系统逐渐减弱、消散。Parker等(2000)依据层云和对流区相对位置，以及结构演变，将飑线系统分为层云尾随(Trailing Straitform，TS)、平行(Parallel Straitform，PS)和前展(Leading Straitform，LS)型3类。按此分类，本个例应属于层云尾随型。

图 2 广州雷达3 km高度回波时序图和地面自动站观测风场(a.23日22时，b. 24日00时，c. 24日02时，d.24日04时；方框为双多普勒雷达合成范围(80 km× 60 km)；钻石符号为斗门地面自动站)Fig. 2 Radar reflectivity at 3 km height and the wind field from the automatic weather stations at(a)22:00 UTC 23 April，(b)00:00 UTC，(c)02:00 UTC，and (d)04:00 UTC 24 April(The rectangle shows the Dual-Doppler radar analysis range，and the diamond indicates the automated weather observing station at Doumen)

图选项

图 3为飑线系统过境前后的地面测站斗门(22.2°N，112.2°E)的气象要素变化。分析表明，飑线的阵风锋面约于24日02时过境，伴随气压升高约1 hPa，风向西南风转为东北风，风速增加约8 m/s；温度和露点分别骤降6和4℃，表明飑线前方近地面的空气较暖，而飑线后的空气较冷。地面降水显示，飑线对流区通过测站期间(02—04时)，地面连续出现3个降水极值区，由对流区的几个强对流单体引起。04时后，受飑线后部的层云降水影响，地面降水变弱，地面风又转为西南风。这些气象要素特征变化与过去副热带地区观测的快速移动飑线特征类似(Wang et al，1990; 陈泰然等，2002)。

图 3 斗门自动气象站气象要素随时间变化(粗实线：露点温度；细实线：气温；点线：气压；柱状图：6 min降水)Fig. 3 Time series of the meteorological variables from the automatic weather station at Doumen(bold solid line: dewpoint; thin solid line: temperature; dash line: pressure; and bar: 6 min accumulated precipitation)

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为进一步了解飑线成熟期所处的环境条件，对24日00时清远和香港的探空进行分析。由图 2c可知，此时两探空站分别位于飑线后方的层云区和移动前方的入流区。香港探空(图 4a)表明，飑线前环境的自由对流高度较低，约为957 hPa，850 hPa以下水汽充足，其上空气较为干燥，800—700 hPa存在一逆温层。有效位能为1083 J/kg，0—3和0—5 km垂直风切变分别为18和22 m/s，属于中等对流不稳定和中等强度风切变(Weisman et al，1988)。由探空站系统相对运动的风径图(图 4b)可知，在飑线前方10 km以下均存在深厚的系统相对入流，且3 km以下垂直风切变存在明显的垂直飑线走向分量。Weisman等(1988)指出低层垂直风切变与飑线系统对流区降水形成的冷池平衡，是飑线系统维持的一个重要原因。在飑线后方层云区，0.8—3 km高度存在从后向前的气流，与中国台湾地区过去观测的飑线结构类似(Chen et al，1993; Wang et al，1990)。

图 4 2007年4月24日00时飑线前后的探空分析(a.香港站的T-lgp图，b.相对系统移动的风径，细实线和虚线分别表示香港和清远站观测，粗实线代表飑线走向，灰色箭头表示系统运动方向)Fig. 4 Sounding and hodograph at 00:00 UTC 24 April 2007(a)Skew T-lgp diagram at Hongkong; and (b)hodograph from the soundings at Hongkong(solid line) and Qingyuan(dash line)(Bold solid line indicates the orientation of the squall line; gray arrow represents the system motion direction)

图选项

分析图 2，飑线系统的对流区于24日02—03时进入深圳和广州雷达的双多普勒雷达观测区域(图 2中的矩形框，其中，X轴平行于双多普勒雷达基线方向，Y轴垂直于双多普勒雷达基线方向)。本节将利用这一时段的双多普勒雷达反演结果，对飑线系统内的动力和热力结构进行分析，并讨论其维持机制。热力反演用香港站24日00时的探空，反演的扰动气压动量检查值小于0.5，而扰动温度动量检查值略大(约为0.7)。这说明气压反演品质较好，可信度较高，而扰动温度则误差略大，但仍可用于定性分析。 4.1 飑线动力和热力结构

图 5是02时10分、02时30分、02时50分共 3个时刻双多普勒雷达观测的低层(1.5 km)和中层(5 km)的水平风暴相对运动速度(扣除系统运动速度)。整体而言，3个时刻观测的飑线对流区风场结构非常相似: 风场的变化主要在垂直于飑线方向，呈明显的二维结构特征，类似于热带(Chong et al，1987)和副热带飑线结构(Wang et al，1990)。对流区前缘低层存在辐合线，辐合线两侧分别是飑线前侧的东南风和后侧偏北风。对比前面的探空分析(图 4)，低层东南风为系统持续输送暖湿气流，后侧偏北气流则主要来源于层云区。中层主要盛行垂直飑线的从前向后气流(偏南风)。回波场表明，飑线对流区包含多个强对流单体，其中，最强两个单体的回波强度均超过50 dBz(图 5a中的C1和C2)。在分析时段，C1逐渐减弱并移出分析区，而C2则逐渐增强，表明C1和C2处于不同的发展阶段。

图 5 双多普勒雷达反演的1.5 km(a、c、e)和5.0 km(b、d、f)高度的风暴相对风场和雷达反射率因子(填色)(a、b. 02时10分，c、d. 02时30分，e、f. 02时50分)Fig. 5 Reflectivity and storm-relative wind retrieved from the Dual-Doppler radar. a，c，e are at Z=1.5 km，b，d，f are at Z=5.0 km.(a，b)02:10 UTC，(c，d)02:30 UTC，and (e，f)02:50 UTC

图选项

因分析时段飑线的风场结构类似，故利用02时10分反演结果，研究飑线内部热动力场结构。 图 6是1.5和5 km高度的垂 直速度、扰动气压和温度。 在低层，飑线前缘为上升区，呈带状分布(图 6a)。最大垂直速度约4 m/s，位于低层强回波的前缘(图 5a)，同风场辐合区位置一致。紧邻上升区后部存在一些下沉运动，最大值约1 m/s。气压扰动表明在飑线前缘为一高压(图 6c)，和低层辐合线位置一致。温度扰动表明除了在单体C1以外，基本为负的温度扰动(图 6e)。其中，系统后侧下沉区内的负温度扰动可能由降水的蒸发冷却造成，而系统前缘上升区内的负温度扰动则可能是由于高的云水含量和较冷的环境空气夹卷造成的。在5 km高度，雷达反射率因子最大值已经向飑线系统后侧偏移(图 5a、b)，表明存在一倾斜的由前向后上升气流。上升气流区结构呈明显的单体结构，最大上升速度达到9 m/s。气压扰动表明上升运动区呈明显的低压扰动(图 6d)，相应的温度扰动为正扰动(图 6f)，表明凝结潜热释放增暖效果。

图 6 02时10分双多普勒雷达反演的1.5 km(a、c、e)和5.0 km(b、d、f)高度垂直速度(a、b，单位：m/s)，扰动气压(c、d，单位:0.1 hPa)，和扰动温度(e、f，单位:0.1 ℃)Fig. 6 Vertical velocity and perturbed pressure retrieved from the Dual-Doppler radar，a，c，e are at Z=1.5 km，b，d，f are at Z=5.0 km.(a，b)vertical velocity(m/s);(c，d)perturbation pressure(in 0.1 hPa) and (e，f)perturbation buoyancy(in 0.1℃)

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为了解飑线垂直结构，沿垂直和平行飑线走向(图 5a中的AB、CD)做垂直剖面(图 7、8)。结果表明，系统前方0—10 km高度存在深厚的从前向后气流，而系统后部低层(Z<3 km)存在冷的从后向前的气流(图 7a、d)，这与前面探空资料分析结果也相当一致(图 4)。这两支气流在对流区前缘低层辐合后，系统前方的暖湿入流向系统后方倾斜上升，到达高层(Z>10 km)后，部分反转为从后向前的运动。垂直速度剖面(图 7b)上，在上升气流中存在两个极大值。其中一个值约8 m/s，位于R=45 km，Z=5 km处，此最大上升运动伴随由阵风锋激发的新对流单体。另一极值约7 m/s，位于R=30 km，Z=10 km处。这种垂直速度双极值的分布结构在过去的飑线中也常观测到(Jorgensen et al，1997)。在强回波区后侧(R=10—30 km)，倾斜上升区以下有一弱下沉运动区，为降水拖曵和雨滴的蒸发冷却所致。扰动气压图(图 7c)上，1.5 km高度以下，系统前缘(R=45—55 km)水平气流辐合区存在一高压，其对应的扰动温度为正，表明其并非由于静力反应所引起。此低层高压在过去的研究中(Lin et al，1990; Roux，1988; Roux et al，1984)也常被观测到，是由于低层气流的动能差异引起(流体的伯努利效应)，被称为动力高压。其产生的垂直向上气压梯度力，也是对流前缘低层暖湿气流初始上升的强迫机制。此外，在高层存在另一个高压区，在飑线后侧上升气流下方。6 km高度以下均为低压扰动区。对应的扰动温度显示(图 7d)在上升区内存在正的温度扰动，表明倾斜对流下方的低压应为潜热释放增暖的静力反应(LeMone，1983)。在飑线后方(R=0—20 km)为对流下沉，造成低层负浮力扰动。平行飑线方向的垂直剖面(图 8)显示，对流区由多个对流单体组成。每个单体伴随强回波中心和上升气流，同时单体间存在对流尺度的下沉运动(约 -1—-2 m/s)，造成低层负扰动温度。另外，在 C1和C2移动前方3 km高度以下存在弱的相对入流，同时在上升区存在正的温度扰动;在高层存在出流。配合图 7，高层的气流同飑线移动方向接近。同时，垂直剖面也表明，平行飑线方向的水平气流变化显著小于垂直飑线方向，进一步表明此飑线具有准二维结构。

图 7 02时10分沿垂直对流线方向的垂直剖面(剖面位置为图 5a中实线AB；a.雷达反射率因子和风暴相对运动风场，b.垂直速度，单位：m/s，c.扰动气压，单位:0.1 hPa，d.扰动温度，单位:0.1℃)Fig. 7 Cross section along the line AB in Fig. 5a;(a)Reflectivity(dBz) and storm-relative wind，(b)vertical velocity(m/s);(c)perturbation pressure(in 0.1 hPa)，and (d)perturbation buoyancy(in 0.1℃)

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图 8 同图 7，剖面位置为平行对流线方向(沿图 5a中实线CD)Fig. 8 As in fig.7 but along the line CD in Fig. 5a

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为进一步探讨飑线维持机制，对飑线内的对流区质量收支进行诊断分析，以明确三维气流的作用。这里参考Chong等(1987)的方法，采用飑线坐标系，该坐标下X方向代表平行飑线系统方向，Y方向代表垂直飑线方向。因此，需将图 2中的双多普勒雷达反演结果顺时针旋转40°至平行飑线走向。由于雷达观测资料的局限，在低层0.5 km以下，不进行任何诊断，同时为回避反演结果中的缺省值所在位置，选取诊断区域如图 5a中的矩形区，大小45 km×35 km，其长、宽边分别平行、垂直飑线。

按照质量通量的定义，面积A上单位时间垂直质量通量为

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按照质量守衡的原则，垂直质量通量辐合(辐散)应和水平质量通量辐散(辐合)平衡。F_x、F_y和F_z垂直廓线(图 9a)表明，F_y和F_z在所有高度上均是主要的贡献项，而F_x则小一个量级，表明其对整个气柱的质量传输贡献较小。在5 km以下(上)垂直飑线方向(F_y)为水平通量辐合(辐散)，相应的垂直通量(F_z)为辐散(辐合)，两者数值接近，接近平衡。这从另一角度证实此飑线内对流区气流为准二维结构。图 9b显示区域平均的垂直质量通量在9 km以下均为正值，表明对流区透过上升运动向上传输质量。其中，最大垂直质量通量为1.8×10⁹ kg/s，约位于高度5 km。这主要是因为5 km高度已转为水平辐散，垂直速度开始减弱。总体而言，此飑线垂直质量通量的分布特征与Chong等(1987)、Lin等(1990)的研究结果相似。不同之处在于，Chong等(1987)观测的热带飑线内对流区最大的垂直质量通量位于2.5 km，而Lin等(1990)观测的最大值位于3.5 km，均低于此研究中的高度。造成此差异的一个主要原因是平均上升速度不同，本研究中平均上升速度最大值(2 m/s)的高度较高(约6 km，图 10)。

图 9 飑线对流区内(a)水平(Fx、Fy)、垂直(Fz)质量通量辐合/辐散和(b)垂直质量通量(Mz)(实线)及质量净通量盈余的垂直廓线(点线)(分析区域见图 5a中的矩形框，单位为108 kg/s)Fig. 9 Vertical profiles of the(a)mass flux divergence/convergence，Fx，Fy(horizontal) and Fz(vertical)，and (b)vertical mass flux Mz(solid line) and the mass flux excess，averaged over the rectangle domain in Fig. 5a(unit:108 kg/s)

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图 10 02时10分区域平均的U(平行飑线)、V(垂直飑线)和W垂直廓线(单位：m/s，分析区为图 5a中矩形框)Fig. 10 Profile of the mean wind U(parallel to the squall line)，V(normal to the squall line) and W，averaged over the rectangle domain in Fig. 5a，at 02:10 UTC(unit: m/s)

图选项

已有研究表明，飑线系统内的对流尺度垂直运动会造成水平动量在垂直高度上重新分布，因此动量垂直传输不仅和对流系统的演变、维持密切相关，也可能对大尺度环流产生一定的影响(LeMone，1983; LeMone et al，1984; Lin，1990)。本节采用Lin等(1990)的动量诊断方法，对系统内的水平动量收支进行分析，分析区域和时间与质量通量诊断区域一致。其中，平行飑线系统(u方向)平均、扰动和总体水平动量垂直通量

分别为ρ₀U W 、ρ₀u′w′和ρ₀uw ；垂直飑线系统(v方向)平均、扰动和总体水平动量垂直通量分别为ρ₀V W 、ρ₀v′w′和ρ₀vw。

图 10表明所选区域平均为上升气流(W>0)； 平均的U在4 km以下为负，以上转为正，最大值在7.5 km左右；平均V在2.2 km以下为负(从后向前的气流)，往上转为正(从前向后的气流)，至6 km时达到最大。u方向的动量垂直通量(图 11a)表明，平均场(ρ₀U W )在4 km以下基本都为向下传输，而4 km以上为向上传输，最大值位于7.5 km左右，和区域平均气流的分布特征一致(图 10)。而扰动场(ρ₀u′w′)除在6.5—8 km为向上传输，其他层均向下，向下传送最大值发生在2.5 km处。总的动量垂直通量在4.5 km以上(以下)为向上(向下)传输，其中4.5 km以下(以上)分布特征接近扰动项(平均项)，表明对流尺度运动对动量分配的贡献在4.5 km高度以下相当重要。与u方向相比，v方向(图 11b)平均场(ρ₀V W )垂直输送在2.5 km以下为向下传输，以上为向上传输，最大值在5.5 km处。扰动项(ρ₀v′w′)除5—8 km为负值外，其他高 度均为正(向上传输)。总的动量垂直通量几乎在所 有高度上均为正，最大值位于5.5 km处，这同前面分析的在垂直飑线方向存在深厚的从前向后上升气流一致(图 7、10)。3 km以下扰动场起主导作用，反映在这些高度上对流尺度运动对动量分配的贡献相当重要；3 km以上平均场起主导作用，这同V垂直分布一致。值得注意的是，在2 km以上，v方向总动量通量明显高于u方向的值。

图 11 02时10分区域平均的(a、b)水平动量垂直通量(单位：kg/(m·s2))和(c、d)垂直通量辐合廓线(单位：10-3 m/s2)，(a、c)为平行飑线分量；(b、d)为垂直飑线分量(短划线、细点线和实线分别代表平均场、扰动场和两者总合的贡献；粗圆点表示垂直风切变(单位: 10-3 s-1)；分析区域为图 5a中矩形框)Fig. 11 Profiles of(a，b)the vertical transport of the horizontal momentum and (c，d)the vertical momentum flux convergence/divergence with(a，c)for the components parallel to the squall line; and (b，d)for the ones normal to the squall line，averaged over the rectangle in Fig. 5a(dashed line，dot line and solid line denotes the contribution from the mean，eddy and total terms，respectively; bold dot represents the vertical mean wind shear(unit: 10-3 s-1).

图选项

进一步计算u和v方向水平动量的垂直通量辐合，结果表明：u方向(图 11c)在2.5 km以下和7 km以上，总垂直通量辐合(-)为正(通量辐合)，而其余高度为负(通量辐散)。该结果表明平均场和扰动场的垂直通量辐合造成2.5 km以下U增加，而2.5—7 km的U减少，其结果是减小U的垂直风切变。故u方向的水平动量为顺梯度传输。相比之下，v的总动量通量辐合值在2.5 km以上均显著高于u方向，因此，对水平动量的垂直再分配起主要作用，这同前面分析的此飑线具有准二维结构特征一致。v方向总垂直通量辐合(-)在5 km以下(上)为负(正)，表明V在5 km以下(上)减少(增加)。故v方向垂直风切变将增加，这是逆梯度传输的行为。对于对流水平动量垂直传送的特性，其动量通量可用参数化表达为

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如K>0代表混合的过程，即对流效果具有均匀化环境风垂直梯度的作用。然而，从图 11b中看出，在垂直飑线方向，6 km高度以下，v′w′和符号相同，因此K是负值。从湍流的角度来看，意味着对流的组织性可以对抗环境风垂直梯度均匀化的趋势，有利于系统的维持(Houze，2004)，即动量逆梯度垂直传输是组织性对流的一个重要特征。事实上，过去许多研究都注意到飑线在平行方向上具有顺梯度传送特性，而在垂直方向对流具有逆梯度传送特性(Chong，2010; Chong et al，1987; Gao et al，1990; LeMone，1983; LeMone et al，1984，1991; Yang et al，1996)。 5 结论和讨论

利用广州和深圳双多普勒雷达对2007年4月23—24日发生在华南地区的一次飑线过程进行了分析。分析结果表明：

(1) 该系统发生在强垂直风切变和中等对流不稳定环境下，其结构和演变与已有热带、副热带和中纬度地区观测的层云尾随型快速移动飑线系统相似。在系统成熟期，从前向后，降水结构依次为对流区、过渡区和层云区。飑线对流区气流呈显著的准二维结构特征。系统前方10 km高度以下为深厚的从前向后气流，而系统后部低层(Z ＜3 km)存在从后向前气流。这两支气流在系统前缘低层辐合后形成一动力高压。此高压提供的垂直向上气压梯度力是对流前缘低层暖湿气流初始上升的强迫机制，不断触发新的对流单体，有利于对流系统的维持。低层的暖湿入流从前向后方倾斜上升，部分气流在高层(9 km高度以上)翻转流向系统前侧。另外，在对流区的后侧形成对流尺度下沉气流。倾斜上升气流区因凝结潜热释放增暖的效应而伴随正的温度扰动，在其下方存在增暖导致的静力反应低压。该个例一个有趣的特征是，在系统西侧也不断形成新的对流单体，促进对流系统尺度的增加和维持。地面常规观测资料显示此对流的触发和中尺度辐合线有关。

(2) 质量通量分析显示，飑线系统对流区的质量收支具有明显的二维性。在水平方向上，垂直于飑线的质量传输占主导，其在5 km高度以下(上)为水平通量辐合(辐散)，与垂直通量相反，两者接近平衡。动量收支分析表明，垂直于飑线系统的水平动量的垂直输送有逆梯度输送的特性，这意味着对流的组织性可以对抗环境风垂直梯度均匀化的趋势，有利于系统维持。而平行于飑线方向的水平动量则具有顺梯度输送特征，该方向上风切变分量有被匀滑趋势，对流行为在此扮演湍流混合角色。这一水平动量垂直传送特征类似于过去观测的热带地区和副热带快速移动飑线。

(3) 地面观测表明，当系统通过时，出现风向突变、风速骤增、气压上升、温度与露点骤降等现象，与过去观测的快速移动副热带飑线一致。其阵风锋面伴有强度较大的对流性降水，随后为持续的层状降水。综合雷达观测、反演结果，以及地面和高空观测，构建出此次飑线系统三维结构概念图(图 12a)。沿飑线移动方向飑线结构则与Houze(1989)中纬度飑线概念图相似(图 12b)。

图 12(a)飑线系统三维结构示意图，(b)飑线系统沿移动方向结构概念图Fig. 12(a)Three-dimensional conceptual model of the squall line and (b)the two-dimensional conceptual model along the squall line travelling direction

图选项

尽管本文已通过双多普勒雷达反演结果，初步揭示了2007年4月23—24日广东一次飑线的对流区三维风场、动力和热力场结构，以及伴随的地面气象要素特征。然而，值得注意的是，因观测资料分析方法的限制，对于该个例的了解仍然相当有限。例如：(1)双多普勒雷达分析区域太小，无法观测到完整的飑线结构和演变，特别是缺乏对其初生到成熟阶段的观测，以及对层云区三维结构的观测。此外，由于广西地区自动站资料的缺失，无法深入研究飑线西侧对流单体生成的机制;(2)由于双多普勒雷达距离(84 km)略高于理想基线距离(60—80 km)，部分区域存在低层采样不足，会引起双多普勒风场反演误差。同时因双多普勒雷达观测时间间隔较长(6 min一次体扫)，以及由雷达回波估计的粒子末速度、液态水含量误差等影响，使得本研究中热力-动力方法反演的温度误差略大，在局部地区同其他气象要素不匹配，因此，对热力结构仅能定性分析;(3)在垂直结构分析中，为了同中外研究结果对比，采用了国际通用的相对气流分析方法，有一定人为性。 在下一步的研究中，将结合高分辨率数值模式模拟结果，深入研究其形成和演变机制。