飑线回波带后侧强风现象特征分析

Characteristics of Strong Wind Phenomenon Behind the Squall Line Echo Belt

摘要

利用雷达拼图、风廓线雷达等数据，采用雷达气象学分析原理和方法，对2018年5月18—19日江西北部强飑线过程进行分析，结果表明：飑线过程中，有23站出现≥17.2 m/s 的大风，最大风速出现在铅山（27.9 m/s）；有3站日降水量≥50.0 mm，最大日降水出现在万年县（101.7 mm）。影响天气系统主要有高空低槽、切变线、低空急流和超低空西南急流、地面冷锋和200 hPa分流区。雷达拼图上，飑线后部强风简称“飑后强风（Strong Wind Behind Squall，SWBS），属于中小尺度，是从飑线回波带后部高空插入飑线内部的强风区（带）。飑线回波带后部是大范围混合型降水回波。500 hPa垂直速度场，飑线后部具有下沉气流负速度区和上升气流正速度中心。风廓线雷达TWP产品显示1 500 m高度飑线回波带风向突转北风，风速加大，飑线后部有≥20 m/s的强风带；飑线过境时，大气折射指数C_n^{\mathrm{2}}增至-16～-12 m^-2/3，并维持4～5 h。单部雷达PUP产品显示超级单体组合反射率因子CR强度≥60 dBZ，回波顶高ET达14～15 km，垂直积分液态水含量VIL达60 kg/m²，具有回波墙、悬挂、中气旋、中层径向辐合区等回波特征。

Abstract

To better understand the development and maintenance of the squall line echo belt and its relationship with high-altitude winds behind the squall line, radar mosaics, wind profile radar, and additional meteorological data were used to analyze the strong squall line event in northern Jiangxi Province during May 18-19, 2018, employing radar meteorological analysis principles and methods. The results indicated that 23 stations recorded strong winds ≥ 17.2 m/s during the squall line event, with the maximum wind speed recorded at Qianshan (27.9 m/s). Three stations reported daily precipitation≥ 50.0 mm, with the highest daily rainfall occurring in Wannian County (101.7 mm).Key factors influencing the weather system included the high-altitude trough, shear line, low-level jet stream, ultra-low-level southwest jet stream, surface cold front, and the 200 hPa divergence zone, which contributed to the system's development. In the radar mosaics, the Strong Wind Behind Squall (SWBS) appeared as a strong wind zone (belt) of medium to small scale, extending from the rear of the squall line echo belt. The squall line echo belt showed that the rear of the squall line was associated with a large-scale mixed precipitation echo. In the 500 hPa vertical velocity field, a downdraft zone with negative velocity and an updraft center with positive velocity were observed behind the squall line.The wind profile radar TWP product revealed that the wind direction at a height of 1500 meters within the squall line echo belt suddenly shifted to the north, accompanied by a marked increase in wind speed. A strong wind belt with speeds ≥20 m/s was identified behind the squall line. As the squall line passed through, the atmospheric refractive index (C_n²) increased to values between -16 and -12 m⁻²^/³, indicating changes in atmospheric conditions, and remained elevated for 4-5 hours. The single radar PUP product showed that the reflectivity factor (CR) of the supercell combination exceeded 60 dBZ, the echo top (ET) reached heights of 14-15 km, and the vertical integrated liquid water content (VIL) reached 60 kg/m². The echo exhibited characteristic features such as an echo wall, suspension, mesocyclone, and mid-level radial convergence zone. The findings of this study provide new insights into the development and maintenance mechanisms of squall line weather events.

Graphical abstract

关键词

江西飑线 / 飑后强风（SWBS） / 风廓线特征 / 回波特征

Key words

Jiangxi squall line / strong wind behind squall (SWBS) / wind profile characteristics / echo characteristics

2018年5月18—19日，江西北部出现强飑线天气过程，地面伴随着大范围雷暴大风天气。雷达拼图显示为南北走向的飑线回波带后部大范围混合型降水回波，飑后强风的存在，使飑线回波带持续发展，造成地面大范围出现大风天气。飑线回波带后部出现混合型较弱回波预示着飑线回波带进入减弱消散阶段，但有时这种混合型较弱回波中蕴藏着从高空而下进入飑线回波带中的强风系统，从飑线回波带后侧高空倾斜流入飑线回波带中的强风，促使飑线回波带快速移动和持续发展。飑后强风对飑线回波系统的维持发挥了重要的作用。但不是所有飑线过程都能被风廓线雷达观测记录，因此这类飑线后部强风观测难度大大增加。

国内学者对飑线天气研究颇多。江西外来飑线在IR云图上主要有3种类型：中尺度对流云图MCS、狭窄积云线和冷出流边界所致的对流云带^[1]。江西3类致灾大风一是飑线回波带和超级单体引发的大风,二是冷空气和冷锋回波带共同影响的混合大风,三是无降水致灾大风^[2]。江西对流风暴触发机制主要有9种类型和8种强对流天气形势^[3-4]。地面中尺度辐合线和中尺度温度锋区是飑线及超级单体风暴形成与持续加强的有利条件^[5]。飑线系统在成熟阶段，强回波附近存在降水蒸发形成的“冷池”；飑线发展前期的弓形回波所致大风明显大于强降雨带减弱阶段的弓形回波所致大风^[6-7]。对流系统发展成为一个α中尺度弓状飑线系统，成熟阶段具有显著的回波悬垂、有界弱回波区、中气旋、强中层后侧入流、后侧入流缺口、前侧入流缺口和中层径向速度辐合等特征^[8]。飑线的组织化过程，呈现出两支强入流，一支位于雷暴冷池后侧中层（4.5～5 km），另一支位于低层飑线前侧，由强辐合区垂直于飑线指向云内；飑线后部存在的中尺度雷暴高压和超强冷池，造成了强冷池密度流，有利于产生大风^[9-10]。飑线后侧中层干入流促使降水粒子相变，剧烈降温形成的强下沉运动是导致极端大风的主要原因，后部下沉气流增强雷暴高压，动量下传作用对雷暴大风有增幅作用^[11]。负速度中心值逐渐增大到27 m/s以上且逐渐靠近雷达，预示大风天气的出现；飑线内由降水拖曳导致的下沉气流，遇到夹卷进入下沉气流内的环境干燥空气中，使得雨滴蒸发造成空气冷却，下沉到地面形成冷池^[12-13]。飑线移动前方不断产生具有云砧“前伸”后部、TBSS和虚假回波结构的超级单体回波；飑线中垂直风切变可以发展到离地面5 km 高度；风廓线雷达垂直速度的探测对研究判断降水粒子的相态和降水预报有应用价值^[14-16]。雷达PUP产品显示速度陡直“零值线”和VIL＞50 kg/m²时，回波＞50 dBZ、中心密实、边缘梯度大时，易发生强雷电天气^[17-18]。江西超级单体冰雹回波在相对风暴速度SRM和垂直剖面上，具有相邻的正负速度对结构；60～65 dBZ回波和强中心内“核”、回波梯度、回波下风方云砧“前伸”回波，能反映高空风场结构^[19-22]。飑线事件中后部存在一支“喷流结构”强风特征，常伴随下击暴流^[23-25]，以及孤立超级单体后翼下沉气流演化的强风区^[26-27]，都与飑线回波带后侧强风（SWBS）现象特征相似。上述研究主要涉及飑线天气、冰雹天气、大风天气的回波特征，对江西飑线天气的研究有指导意义，但对飑线回波带后侧的强风气流以及飑线回波带发展维持的影响研究较少。本文通过分析2018年5月18—19日江西飑线个例，旨在揭示飑线后部存在强风区现象与风场分布结构，及飑后强风（SWBS）区对飑线回波带的影响，为江西飑线天气的监测预警提供参考。

1 资料和实况

1.1 资料

地面数据来源于江西省际共享自动站要素平台；风廓线雷达资料来自江西三部TWP风廓线雷达数据平台；天气和探空数据来自MICAPS气象信息综合分析处理系统；天气雷达拼图产品来源于江西WebGIS雷达拼图显示平台，审图号：GS（2021）6375号，1 100 km×1 100 km，1 km×1 km分辨率，10 min间隔。ERA5再分析资料是由欧洲气象中心（ECMWF）近40年的全球气象观测资料、卫星资料和气象模式数据经过再分析得到的全球高分辨率气象资料集合，是全球气候第五代大气再分析产品，时间分辨率为逐小时，空间分辨率为0.25°× 0.25°。

1.2 实况分析

2018年5月18—19日，江西北部出现强飑线过程，有50站出现6级（10.8 m/s）以上雷暴大风天气（图1a），覆盖赣北和赣东北区域。出现≥17.2 m/s的雷暴大风有23站，最大风速出现在铅山（27.9 m/s）。降水主要分布在赣北和赣东北（图1b），有3站日降水量≥50.0 mm，最大日降水量出现在万年县（101.7 mm）。

2018年5月18日8时，高空低槽位于湖南西部，经向度大，在高空槽前850 hPa切变线由湘北伸向赣西，925 hPa切变线位于湘北至赣北，切变线以南有低空急流和超低空西南急流，地面冷锋从安徽经湖北东南部伸向湖南、贵州。冷锋前部在湘东北、赣北等地低层有暖中心，且500 hPa干区叠加在850 hPa的湿区之上，形成上干下湿的不稳定层结，同时，200 hPa有分流区。受低槽、冷锋等系统触发影响，在低空西南急流的前端、低层辐合线附近的湘、赣交界处触发对流，发展形成近似南—北走向飑线，飑线向偏东方向移动，造成赣北、赣东北大范围的强雷电、雷暴大风、冰雹等强对流天气。

2 飑线后部高空强风区

飑线回波带后部高空强风区，简称飑后强风（Strong Wind Behind Squall，SWBS）。在雷达拼图上，江西飑线主要有3种回波形态特征：东北—西南向的飑线回波带，南北向的飑线回波带和以超级单体为主体的飑线回波带^{[2,5,15,18,20-23]}。传统飑线回波带后部出现大范围层状云和对流云混合型降水时，预示着飑线由强盛进入减弱阶段，但有些个例受到飑后强风的影响，不减反强。飑后强风成为强飑线发展、强盛和维持的重要机制之一。研究区域在江西北部，除24部S波段天气雷达组网拼图外，研究区还有4部探空雷达和2部TWP风廓线雷达（图2）。

2.1 飑后强风（<bold>SWBS</bold>）现象

由上饶TWP8对流层风廓线雷达产品可知，一条≥20.0 m/s狭窄强风区在飑线过境上饶时，自地面延伸至近9 km高空（图3a）；景德镇TWP3边界层风廓线雷达（图3b）显示，强风区延伸至5.5 km高空（边界层风廓线雷达探测极限）。强风区与位于雷暴冷池后侧中层（4.5～5 km）的干冷气流有所不同，表现在水平尺度近400 km和伸展高度超过9 km。

狭窄强风区的上下宽度约为2 km；长度需要根据时间换算。大风区时间跨度约4～5 h；按照飑线移动速度50～80 km/h换算，狭窄强风区的长度为200～400 km。狭窄强风区属于中-α尺度（200 km～2 000 km），比中-β尺度（20 km～200 km）飑线回波带的尺度大一个等级。

强飑线过境前后，风场的垂直结构十分复杂。22:54飑线过境上饶站时，飑前，1.2～1.8 km高度为东风层（受到东部走廊地形影响，风比较大且一致），1.8 km以上为西风层，两层之间为东风切变层；飑后，整层风向转为一致的西风或西南风环流，有两点值得注意：一是1.2 km以上为风速 ≥20 m/s强风区；二是0.8 km以下为东风与西风的超低空切变层。19日02:36后，低层风场转回西北风呈非均匀分布。21:50，飑线过境景德镇站时，飑前，在0.9～1.3 km高度上，其下为东风层（风比较小且杂乱），其上为西风层，两层之间为东风切变层。飑后，整层风向转为一致的西风或西南风环流，有两点值得注意：一是1.2 km以上为风速≥20 m/s的强风区；二是0.4 km以下为东风与西风的超低空切变层。19日02:10，低层风场转为西北风并且非均匀分布。

2.2 飑后强风（<bold>SWBS</bold>）属于中小尺度天气系统

后向入流和低层显著干区加强了降水粒子的蒸发、冷却，形成了强烈的下沉气流；高空动量下传，对地面大风有增幅作用；在前向传播作用下飑线移动迅速，有利于大风的产生。

飑线周边4部探空雷达的测风数据（表1）显示，在0.7～16 km高空，最大风速只有18 m/s；9 km高度上最大风速为12 m/s，时间间隔12 h和空间间隔几百公里的探空站无法观测到大风区的存在。但上饶TWP8和景德镇TWP3风廓线雷达显示存在≥20 m/s的强风区。原因主要有：一是飑后强风（SWBS）为中小尺度天气系统，一般飑线尺度在200～400 km范围，飑线周边4站探空间隔距离超过400 km，出现漏网现象；二是探空站观测时间为8、20时，由于时间的错开，探空站观测时机很难与大风吻合。

3 <bold>SWBS</bold>观测特征

3.1 回波廓线

2018年5月18日23时，雷达拼图显示回波带呈南北向，回波带前沿经过上饶市（图4a），带上强单体回波强度为55～60 dBZ；飑线回波带后部有大范围混合型降水回波，飑线回波带前方有超级单体回波活动。飑线回波带（图4b）分为南北两段，南段回波带的回波强度和雷电发生次数都强于北段回波带。飑线回波带后侧出现混合型降水回波，表明飑线从旺盛期开始减弱，后侧回波范围紧贴飑线回波带,达百余公里，飑线回波带后部混合型降水回波有深厚的范围。500 hPa垂直速度（图4c）可知，飑线后部具有下沉气流负速度区（白方框，最大为-2.5 Pa·s^-1）和上升气流正速度中心（白圆圈，最大为0.5 Pa·s^-1），两支气流都位于飑线回波带的后部。图4c上风场并不大，风速为12～14 m/s，但风廓线雷达观测到≥20 m/s的强风区，可能与风廓线雷达探测精度高于ERA5有关。由116.3°E剖面图（图4d）可知，两支气流结构十分清晰，飑线后部存在正负两支气流，使得飑线回波系统持续发展（图4d）。

3.2 回波剖面

2018年5月18日23时，上饶SA雷达显示出飑后强风（SWBS）的垂直结构。在组合反射率CR回波图上，有3个特征：一是南北向的飑线回波带；二是飑线回波带后部的大范围混合型降水回波并伴随大范围负速度区；三是飑线回波带前面的超级单体回波。沿233°方位角作径向剖线（图5a），基本上是沿飑线回波带的移动路径的来向，得到2张垂直剖面图：反射率因子CR（图5b）和径向速度RHI（图5c）。在垂直反射率因子图上，20 dBZ回波一直伸展到 9 km高度，近距离（30 km内）飑线回波过境上饶市，后面是大范围混合型降水回波，强度虽然不强，但伸展高度很高。20 dBZ回波一般都是层状云回波，发展高度常在5 km以下，可伸展到9 km高度，正好与飑后强风（SWBS）伸展高度吻合。在垂直径向速度RHI图上，10 km以下均为负速度区，在负速度区中，有一支狭窄负速度大值带，从上限9 km处倾斜向下注入飑线回波带中，负速度大值达-19 m/s。负速度大值带（中层径向速度辐合带）就是图3风廓线雷达观测到的飑后强风（SWBS）。

3.3 <bold>TWP8</bold>上饶对流层风廓线雷达产品特征

2018年5月18日23时，飑线回波带过境上饶站，回波带呈南北走向，组合反射率CR强度为55 dBZ（图6a、c、e），飑线回波带分为南北两段，南段回波带较强，雷电较为密集，且分布在回波带后侧，时间间隔为30 min。风廓线雷达产品主要有6种，选取风场、垂直速度W、大气折射指数C_n^{\mathrm{2}}产品进行分析（图6b、d、f），时间间隔为30 min，跨度为12 h。

由图6b可知，22:30之前，1.5 km以下存在较为一致的东北偏东风，风速为 4～8 m/s；1.5 km以上为西南风，1.5 km高度上形成切变层。23:00，1.5 km以下风向突转北风，风速为4～8 m/s，直接灌下，是飑线回波带过境特征。23:30，飑线回波带移过上饶，低层方向转为西风，风速为12～18 m/s；飑线后部为一致的西风。1.5～8.5 km高空有一支向左倾斜的≥20 m/s的强风带，是飑后强风（SWBS）在垂直风场上的反映。23:00之前，垂直速度W比较小，为 -2～2 m/s；23:30之后，垂直速度W为4～8 m/s（图6d），表明飑线过境时加大了垂直速度W；大气折射指数C_n^{\mathrm{2}}（图6f）与垂直速度W都是在23:30发生转折，并维持4～5 h，且C_n^{\mathrm{2}}为-16～-12 m^-2/3。

3.4 飑线前超级单体

2018年5月18日23时，在飑线移动正前方（距离飑线50 km）出现发展旺盛、具有冰雹回波特征的超级单体回波（图7）。飑线回波带移动前方辐合最强，不断产生新的单体回波，有些单体发展成为超级单体而产生冰雹等灾害；单体回波会不断并入飑线回波带之中，促使飑线回波带持续发展壮大。

超级单体回波与飑线回波带相比，面积小，CR 强度达到60 dBZ（图7a），大于飑线回波带（55 dBZ），回波顶高ET在14～15 km（图7b），垂直积分液态水量VIL达60 kg/m²（图7c）。在垂直剖面图上，超级单体具有典型的冰雹云回波特征，具有回波墙、悬挂回波、三体散射、虚假回波等特征（图7d），及中气旋M 结构和中层径向辐合区MARC 特征（图7e）。

4 结论与讨论

通过使用天气系统中分析图、地面要素、雷达拼图、风廓线雷达资料、ERA5再分析等资料，对这次飑线过程的飑后强风现象进行分析，得出结论如下：

（1）强飑线过程有23站出现8级（≥17.2 m/s）的雷暴大风，最大风速出现在铅山（27.9 m/s）；日降水≥50.0 mm的有3站，最大降水出现在万年（101.7 mm）。影响天气系统主要有高空低槽、850、925 hPa切变线、低空急流和超低空西南急流、地面冷锋和200 hPa分流区。

（2）飑后强风（SWBS）属于中-α尺度，上下宽度为2 km，长度为 200～400 km。飑后强风（SWBS）是飑线后部高空强风区从低层倾斜延伸至高层，强风造成的切变系统是一个高层强风不断下沉和动量下传的过程；是飑线回波系统后部的高空风场沿着飑线内部下沉气流旋转出现的强风。天气雷达和风廓线雷达能够很好地监测这类中小尺度天气系统。

（3）飑线回波带后部是大范围混合型降水回波，20 dBZ回波一直伸展到 9 km高度，与飑后强风（SWBS）伸展高度吻合。在大片负速度区中，有一支狭窄负速度大值带，从上限9 km处倾斜向下注入飑线回波带中，负速度大值带就是风廓线雷达观测到的飑后强风（SWBS）。ERA5再分析资料500 hPa垂直速度场上，飑线后部具有下沉气流负速度区和上升气流正速度中心；垂直速度剖面图上两支气流结构清晰。

（4）在风廓线雷达产品上，1.5 km切变层，飑线回波带过境时风向突转北风，过境后转西风，风速加大，飑线后部有一支≥20 m/s向左倾斜的强风带；飑线过境前，垂直速度W较小，飑线过境时，垂直速度W明显加大；大气折射指数C_n^{\mathrm{2}}为-16～-12 m^-2/3，并维持4～5 h。

（5）在雷达PUP产品上，飑线回波带前方出现的超级单体回波组合反射率因子CR强度达到60 dBZ，回波顶高ET为14～15 km，垂直积分液态水含量VIL达到60 kg/m²；具有回波墙、悬挂回波、三体散射、虚假回波、中气旋M结构和中层径向辐合区MARC等特征。

定义飑后强风（SWBS）是一次新的尝试，对其形成机理有待更多个例进行分析和完善。飑后强风（SWBS）对飑线的影响，更多体现在促进飑线回波带的发展、加强和维持等方面，至于SWBS下沉气流是否可以直接造成地面大风，还需要更多的个例证明。

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基金资助

中国科学院战略性先导科技专项(A类- XDA19040202)

国家自然科学基金项目(41975001)

国家自然科学基金项目(41675029)

江西省科学技术厅2021年省级科技计划项目(20212ABC03A29)