冷涡背景下致灾双飑线的触发和维持机制分析

Triggering and Maintenance Mechanisms of Disastrous Double Squall Lines in the Context of a Cold Vortex

摘要

利用区域自动站资料、ERA5再分析资料、FY-4A资料和多普勒雷达资料等，分析了2022年6月13日影响山东的双飑线过程的天气背景、环境条件、触发机制和发展维持原因。结果表明：（1）在高空冷涡背景下，由山东本地发展型飑线（简称“飑线A”）和山西河北生成后移入山东型飑线（简称“飑线B”）接连影响产生的，冷涡后部强盛的西北气流携带干冷空气与低层暖脊叠置，形成强的热力不稳定层结，有效位能和总指数较大，为飑线的发生提供了较好的环境条件。（2）山东西北部地面辐合线、850 hPa干线及渤海对流风暴南侧阵风锋是飑线A初始对流的触发机制，飑线B的触发与地面副冷锋以及太阳辐射加热有关。（3）垂直方向上系统前沿暖湿入流斜升到风暴顶产生辐散，后侧下沉气流在飑线前侧产生辐合；水平方向上表现为环境入流和风暴出流相互依存并错开的自组织结构，使飑线A在山东北部弱垂直风切变条件下发展维持。山东中部山区以南地区水汽能量条件有利于飑线A下山维持发展，后侧层状云区范围增大。（4）飑线A影响豫东—鲁西南后，低层对流条件的快速重建和中等强度垂直风切变为后期飑线B的维持提供了有利的条件。

Abstract

Using observations from regional automatic weather stations, ERA5 reanalysis, FY-4A satellite data, and Doppler radar, this study investigates the synoptic background, environmental conditions, triggering mechanisms, and sustaining dynamics of a double squall line event that impacted Shandong on June 13, 2022, under a cold vortex background. Key findings include: The event involved two consecutive squall lines,a locally developed squall line in Shandong (Squall Line A) and a squall line originating from Shanxi and Hebei(Squall Line B). Strong northwesterly flow behind the cold vortex transported cold, dry air over a low-level warm ridge, creating a thermally unstable environment with high Convective Available Potential Energy (CAPE) and significant total instability, favoring squall line development.Squall Line A was triggered by a surface convergence line in northwestern Shandong, an 850 hPa dryline, and a gust front south of a convective storm over the Bohai Sea, while Squall Line B initiation was linked to a surface secondary cold front and solar heating.Squall Line A was sustained by slantwise ascent of warm, moist inflow (generating upper-level divergence) and rear descending airflow-induced convergence. Its self-organized structure combined environmental inflow and storm outflow, persisting despite weak vertical wind shear in northern Shandong. Moisture and energy south of central Shandong further supported maintenance, with expansion of the rear stratiform cloud region.After Squall Line A affected eastern Henan and southwestern Shandong, rapid reestablishment of low-level convective conditions and moderate vertical wind shear facilitated Squall Line B's persistence. These findings enhance the understanding of squall line dynamics in Shandong under cold vortex conditions.

Graphical abstract

关键词

冷涡 / 双飑线 / 触发 / 自组织结构

Key words

cold vortex / double squall line / triggering mechanism / self-organized structure

高空冷涡是影响山东的重要天气系统之一，为强对流系统的发生发展提供了有利的环流形势和环境条件^[1-2]，冷涡不同的发展阶段和位置均可能发生各种类型的强对流天气。白人海等^[3]指出冷涡引起的强对流天气多发生在冷涡的南半部。易笑园等^[4]发现，对流天气的强度和类型与冷涡中心的距离及所处部位有关。有很多学者对冷涡背景下飑线发生的环境条件进行了深入的研究，伍志方等^[5]、张桂莲等^[6]、雷蕾等^[7]、周昆等^[8]认为飑线整体的组织结构与锋面或者地面辐合线关系紧密。郑媛媛等^[9]通过分析冷涡对飑线生成的影响，将冷涡不同时期形成的飑线分为冷涡槽前型和槽后型。孙密娜等^[10]指出，在高温高湿环境下，冷涡东南侧的风暴出流边界与华北中部地面辐合线相遇，有利于飑线强烈发展。

飑线是一种高度组织化的线状对流系统，可产生雷暴大风、冰雹、龙卷和短时强降水等灾害性天气，20世纪50年代开始就受到了学者们的广泛关注^[11-12]。Rotunno等^[13]通过多次模拟长生命史的飑线过程研究飑线的环境特征和维持机制，形成了“RKW（Rotunno Klemp Weisman）理论”，即雷暴冷池和低层环境垂直风切变的相互作用是飑线发展维持的重要机制。Meng等^[14]研究表明位于黄淮下游的安徽、河南、山东和江苏省交界一带是飑线第一高频多发区，华北地区地形高低起伏，形成飑线的线状对流系统多产生于太行山山区，东移南压到平原地区后组织化发展成飑线，造成大范围的强天气。近年来，随着高分辨率数值模式的快速发展及探测资料的多元化，越来越多的研究发现飑线内部的细微结构特征以及产生不同类型天气的风暴内部环流形势的差异，对飑线的组织结构、发展和维持机制有了进一步的认识^[15-21]。

目前对强动力不稳定条件下单个飑线系统的结构特征分析较多，对于较弱垂直风切变环境下双飑线过程的触发机制和发展维持成因研究甚少。本文利用多源气象资料对此次双飑线过程进行综合分析，其中冷涡东南部的山东飑线持续时间长、影响范围广、发展最强盛，重点讨论飑线触发和维持发展特征；在山西河北段，飑线是在冷涡西部弱强迫条件下触发并东移南压、影响山东，分析其触发机制和移入山东后继续维持发展的原因，加深对冷涡背景下飑线系统发生发展规律的认识，以期为强对流预报和预警提供参考。

1 天气概况及影响

2022年6月13日12时在山东西北部有零散对流单体生成。14时（图1a）雷暴单体后向传播且发展旺盛，山东西南部也有线状对流单体新生发展。14时以后，回波单体向东南方向移动并合并发展，16时（图1b）潍坊—菏泽地区形成一条东北—西南向的飑线（飑线A），回波强度达55～65 dBZ。12—17时，山西、河北新生对流单体群下山后逐渐加强，并渐趋组织化，往东南方向移动到河北南部，形成一条东北—西南向的线状对流并逐渐发展成飑线（飑线B）。18时（图1c），飑线A下山后组织化发展，呈现出典型的层状云后置形态，影响山东中南部，飑线B进入河北、山东交界一带并迅速增强，回波强度达50～60 dBZ，开始影响德州及聊城西部地区。20时（图1d），飑线A南压到山东、江苏交界地带，对山东的影响趋于结束，飑线B进入山东后减弱为带状回波，在德州北部断裂，北段减弱，南段与河南北部的回波合并发展，继续向东偏南方向移动，形成强对流天气。飑线A组织程度较飑线B更加紧密，移动速度更快且影响范围更大。

受双飑线影响，6月13日午后到夜间，山东省经历了入汛以来最强的大范围风雹天气过程，共有65个区县出现冰雹，致灾损失达1.33亿元。飑线A影响山东的主要时段为13—20时，除半岛地区外，山东大部分地区出现了8～10级局部11级雷暴大风天气，并伴有短时强降水和直径约为10 mm的冰雹。飑线B于19—21时影响山东，山东西南地区出现8～9级大风，局地伴有短时强降水，强对流天气强度较飑线A弱。两次飑线过程的地面大风方向基本与飑线移动方向一致，8级以上大风均位于飑线中心轴位置。

2 环流背景及环境条件

2.1 环流特征

2022年6月13日8时，500 hPa华北上空有一冷涡低槽加深发展，冷涡中心位于内蒙古东北部，山东位于高空冷涡的底后部，槽后西北气流不断地将冷空气输送到山东（图2a）。700和850 hPa冷涡中心与500 hPa系统位置几乎一致，850 hPa低槽位于内蒙古东部到河北南部一线（图2b），低槽下游有20 ℃暖中心配合，存在显著暖平流，华北中南部至山东西部850与500 hPa的温度差＞30 ℃，说明山东中西部热力不稳定和动力抬升条件较好。地面场上，8时山东位于低压倒槽顶部，内蒙古东北部到河北北部存在地面冷锋，河北东南部有偏北风与东南风形成的南北向地面辐合线。

综上，此次飑线过程发生在冷涡后部的西北气流中，中高层干冷空气扩散东南下和低层暖平流叠加，形成热力不稳定层结，华北地区具备发生强对流天气的潜势条件。

2.2 环境场条件

雷暴的生成需要静力不稳定、水汽和抬升触发机制3个条件^[22-23]。对流有效位能（CAPE）和总指数（TT）能较好地反映大气中潜在不稳定能量的分布特点。孟宪贵等^[24]研究表明ERA5再分析数据在山东具有一定的适用性，且学者采用该数据分析影响山东的强对流过程环境条件^[25-26]。ERA5能准确分析出高空冷涡的位置和移速，但是风场强度偏弱，为2～4 m/s，而850～500 hPa温度场偏差＜2 ℃。山东6月有利于强对流发生的指标为TT≥52 ℃，CAPE≥1 200 J/kg。13日8时山东中西部地区TT为50～52 ℃，CAPE为1 000～1 200 J/kg，已具备一定的不稳定能量。12时（图3a）TT指数增加到54 ℃以上，CAPE大值区范围显著增大，山东西北部CAPE中心值≥1 600 J/kg，山东西南部CAPE≥2 000 J/kg，飑线A初始对流主要发生在TT指数和CAPE大值区。受飑线A影响，19时山东大部分地区不稳定能量释放，CAPE较小，但是河北中南部到山东德州南部CAPE值≥1 000 J/kg，有利于山西雷暴带进入河北中南部后迅速发展为飑线B，移入山东维持发展。

6月13日8时章丘站探空显示（图3b），CAPE为942.6 J/kg，12时章丘站订正CAPE增至2 114 J/kg，有利于产生深厚湿对流。近地面层有浅薄逆温层，有利于不稳定能量积聚，自由对流高度（LFC）较低，当地面辐合线和低层切变线东移到山东西北部，在强的动力辐合抬升作用下触发雷暴。由于南方降水带截断作用，水汽输送不明显。800 hPa以上温度露点差较大，850 hPa到地面存在浅薄湿层，“上干下湿”特征明显，有利于雷暴大风的发生。根据探空资料计算出0～6 km风垂直切变为15 m/s，达到中等强度，而深层垂直风切变增大到20 m/s，山东南部垂直风切变条件的改善是后期飑线A下山加强发展的重要原因。

3 飑线抬升触发机制

天气尺度的上升运动不足以触发雷暴，触发雷暴的上升气流大多是由中尺度系统提供的，如边界层辐合线、重力波、地形抬升等^[27]。6月13日上午，山东西北部具备有利的层结和热力条件，有一定的触发因子就能产生强对流天气。飑线A的对流触发主要分为两段，南段是移入的边界层辐合线和850 hPa干线相遇触发对流，北段是由渤海中尺度对流系统（MCS）前沿的阵风锋触发。

河北东北部12日夜间发生强降水，形成冷池，13日上午仍有弱降水，13日12时（图4a），河北中南部到山东西北部为晴天，温度为30～32 ℃，东北风加强。受850 hPa暖平流的减压作用，太行山脉东部华北平原有一暖低压，低压南部的偏南风和冷池前部的偏北风构成了东北—西南向的地面辐合线，辐合线附近有明显的温度锋区，两侧温差为4～6 ℃。850 hPa露点温度在山东西南部到豫东附近有宽广的干线，干线西北侧有明显的干区，干区中心850 hPa露点温度为2 ℃，温度露点差＞20 ℃；干线东南侧有显著的湿区，湿区850 hPa露点温度在10 ℃以上，温度露点差＜4 ℃（图4b）。12时干线与地面辐合线在山东聊城至河南东北部基本重合，地面辐合线和干线耦合并加强促使飑线A南段爆发。随着温度梯度区与风场辐合向东南发展，对流单体向东南传播并发展成飑线。

FY-4A可见光图上，13日上午渤海存在结构密实的对流云团，11:30（图5a）渤海风暴南侧出流处有明显的弧状云线并逐渐远离母体向山东移动，南侧的滨州有松散的层状云，山东西北侧有浅对流云街，表明山东西部大气存在静力不稳定和湿度条件。12:30（图5b）弧状云线的南侧有对流单体新生并强烈发展，说明新生对流是由渤海对流风暴的阵风锋触发。山东西北侧的对流云街中有一条东北—西南向的积云线迅速发展，积云线与干线和地面辐合线位置一致，说明对流是由辐合线和干线的共同强迫抬升而触发。

13日山西、河北整层位于冷涡后部西北气流控制，地面冷锋东移南压到黄淮流域，冷锋后部不断有冷空气分裂南下，在华北中部有副冷锋过境。地面气温时序图显示，上午山西太原、河北中南部辐射增温效应明显，位于太行山与平原过渡地区的任县站地面气温11时升至31 ℃，太原站11—12时地面气温迅速升至27～28 ℃（图6a）。结合8时太原探空曲线（图6b）可知，大气层结存在逆温层，干暖盖特征明显，有利于对流能量积累。太原站对流温度为27.8 ℃，对流抑制能量为0，只需要较弱的辐合抬升强迫就能够产生热对流。尽管华北地区位于冷涡后部西北气流之下，但具备强对流发生的条件。13日上午太阳辐射增温导致逆温层消失，12时在地面副冷锋作用下，山西高原触发雷暴，雷暴下山迅速发展为飑线B。

4 飑线<bold>A</bold>发展维持原因

此次过程飑线A发展最强盛，持续长达8 h，飑线自组织结构形成，使系统在中等到弱的垂直风切变条件下得以维持。飑线A发展期间，济南雷达显示，15:07飑线水平尺度达300 km，飑线中镶嵌着弓形回波，反射率因子图上表现出显著的后侧入流缺口（图7a），相应时次的速度场上形成显著的后侧入流急流，出现速度模糊，径向速度大值区达30 m/s（图7b），说明出流阵风极强。出流区北侧和南侧存在环境的显著入流区，在弓形回波北端和南端分别形成气旋式和反气旋涡旋。水平方向上出流和入流相互依存并错开，互不干扰又相互促进，是风暴流场自组织的一种机制^[28]。

垂直方向上，风暴高度超过15 km，＞45 dBZ回波垂直伸展高度＞12 km，最强回波核强度＞65 dBZ，对流具有明显的回波悬垂结构（图7c）。对应的径向速度垂直剖面上（图7d），环境的入流气流倾斜上升进入风暴中，造成强烈的风暴顶辐散。3～9 km高度，由前向后的强上升气流和后侧入流急流之间的过渡区形成中层径向辐合（MARC），最大正负速度差值达40 m/s，MARC显著。在飑线后侧的层状云区，由于降水蒸发冷却产生的下沉气流到达地面并产生水平辐散，在山东中部产生大范围8～9级、局部10级的阵风。低层冷空气外流，通过强迫抬升暖湿空气使对流发生发展，新单体在前期单体有利的一侧有规律地形成，逐渐代替衰亡的单体，使飑线向前传播。

在低空偏南气流作用下，山东中部山区南侧水汽、能量聚集，16时大部分地区温度为30～32 ℃，云图上有充分发展的积云，表明该区域低层暖湿条件较好，有利于雷暴下山维持原有强度甚至加强。临沂雷达显示，16：25之后，飑线越过山东中部山区重新加强，形成西南—东北向超长飑线系统，飑线后部存在宽广的层云区。层云区内存在0 ℃层亮带，表明飑线后侧层状云降水中气流稳定，以稳定性降水为主，山东东南部无明显强降水。

综上，飑线在水平和垂直方向上表现的自组织结构以及山东东南部的热力不稳定，均有利于飑线A在山东西北部发展和下山后维持强度。

5 飑线<bold>B</bold>移入发展机制

13日中午河北中南部存在零散的积云，山西中北部有浅对流云向华北平原移动，午后华北中南部晴朗，升温快，说明华北平原大气存在对流不稳定和有利于雷暴下山的能量条件。16:30对流系统下山组织化发展成飑线B迅速东移南压，19时影响山东西部地区，北段进入山东后明显减弱，南段强度维持再次影响山东西南部到河南北部。

由山东西南部东明站、河南北部淇县站及山东北部齐河站13日8—20时地面温度的逐时演变（图8）可知，14时齐河站地面温度为31.1 ℃，15时受飑线A影响后，气温陡降至19.4 ℃，后期温度没有明显上升，说明山东北部不稳定能量释放后没有重建。东明和淇县站气温演变具有双峰结构，二者受飑线A影响，午后温度骤降至23 ℃左右，后期温度逐渐上升至28～30 ℃，热力条件有所改善与重建。

由19时假相当位温（θ_se）及其平流沿116°E垂直剖面（图9a）可知，在飑线B影响区（35°～37.5°N），850 hPa以下形成θ_se等值线密集区，θ_se随高度迅速递减，存在明显的不稳定层结。θ_se平流在低层呈现强的暖湿平流，中高层受西北风影响，有冷平流入侵，冷暖平流的交汇有利于不稳定能量的触发。低层暖湿平流为飑线B的维持和发展提供了暖湿能量和不稳定层结。飑线A影响过后，19时山东大部分地区0～6 km垂直风切变处于较弱的水平（图9b），而河南北部—山东西南部深层垂直风切变≥12 m/s，维持中等强度，对于飑线的组织化发展具有重要作用。因此，飑线A影响河南东部至山东西南部后，低层对流条件的快速重建和适当的垂直风切变条件为飑线B南段的维持提供了有利的条件。

6 结论与讨论

2022年6月13日，山东发生一次大范围双飑线过程，飑线A在山东境内生成并发展，飑线B在山西、河北等地触发，东南移至平原地区迅速加强形成飑线系统移入山东后维持发展。分析此次过程的天气背景、环境条件、触发机制和发展维持原因，得出以下结论：

（1）此次过程发生在高空冷涡背景下，中高层干冷空气叠加在低层暖平流上，有利于热力不稳定增长。山东大部分地区CAPE和TT较大，为飑线的发生发展提供了有利的环境条件，而山东南部垂直风切变条件的改善是后期飑线A下山组织化发展的重要原因。

（2）山东西北部地面辐合线、850 hPa干线和渤海湾MCS南侧阵风锋为飑线A快速组织形成提供了触发条件。13日上午华北地区干暖盖特征明显，太阳辐射增温导致逆温层消失，受地面副冷锋触发，形成飑线B的初始对流。

（3）发展阶段的飑线A对流发展最旺盛，在垂直方向上系统前侧暖湿入流斜升到风暴顶造成辐散，后侧下沉气流则在飑线前侧造成辐合，水平方向上表现为环境入流和系统出流相互错开的结构。飑线A形成的自组织结构，是其在中等偏弱垂直风切变条件下发展维持的重要原因。山东中部山区以南地区水汽能量条件有利于飑线A下山维持发展，后侧层状云区水平范围最大。

（4）13日午后到夜间，高空冷涡、低层暖脊和地面暖低压的稳定维持，有利于多飑线的发生。飑线B移入山东后，在低层对流条件快速重建地区能继续维持发展，而进入受飑线A影响后能量没有重建地区的飑线减弱至消亡。

由于冷涡背景下的双飑线过程个例较少，在预报业务中容易漏报冷涡西侧弱动力强迫下的对流系统，低估对流发展的强度，数值预报很难对双飑线过程做出较好预报。本文对冷涡背景下双飑线过程的触发机制和发展维持成因进行分析研究，下一步将继续收集类似个例，并利用高分辨率数值模式结果详细分析高空冷涡对多飑线系统发生发展的作用，建立适用于本地区的双飑线天气学概念模型。

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基金资助

山东省气象局预报员专项(SDYBY2020-06)

枣庄市气象局重点课题(ZZQXZ2023-02)

中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室创新基金项目(2023CPML-B07)