“利奇馬”(2019)臺(tái)前颮線過程演變和異常特征分析

林小紅，范能柱，蔡義勇，黃鈴光，付超，蔣滔

(1.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350007；2.福建省氣象臺(tái)，福州 350007；3.福建省氣象科學(xué)研究所，福州 350007)

引 言

臺(tái)前颮線是在臺(tái)風(fēng)環(huán)流背景下產(chǎn)生的中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，常發(fā)生在臺(tái)風(fēng)外圍前部的強(qiáng)對(duì)流回波帶上，它是呈線狀分布的對(duì)流單體，水平結(jié)構(gòu)呈線狀或鋸齒狀，長度可達(dá)數(shù)百千米。劉佳等(2013)指出臺(tái)前颮線與臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶不同之處在于，它的傳播速度比螺旋雨帶快的多。臺(tái)前颮線往往具有突發(fā)性強(qiáng)、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，會(huì)在臺(tái)風(fēng)抵達(dá)前在狹長的范圍內(nèi)造成短時(shí)暴雨、雷暴大風(fēng)、龍卷等災(zāi)害性天氣。如2008年臺(tái)風(fēng)“北冕”生成的臺(tái)前颮線自東向西影響廣東大部地區(qū)，導(dǎo)致廣州白云機(jī)場數(shù)千余旅客滯留。2014年臺(tái)風(fēng)“威馬遜”影響華南期間，距離“威馬遜”800 km外產(chǎn)生一條臺(tái)前颮線橫掃湘贛地區(qū)，帶來了雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水天氣。

相對(duì)于西風(fēng)帶系統(tǒng)中的颮線，國內(nèi)外對(duì)臺(tái)前颮線的研究還較少，對(duì)其發(fā)生發(fā)展機(jī)制及熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)還很有限。過去由于觀測資料的時(shí)空分辨率較粗，模式模擬能力有限，學(xué)者們主要利用衛(wèi)星云圖資料研究臺(tái)風(fēng)邊緣颮線特征(范惠君，1981；賀忠和林良勛，1990；Bowell，1990)。近十年來隨著探測水平提高和中尺度模式模擬能力的提高，關(guān)于臺(tái)前颮線的研究逐漸增多，對(duì)臺(tái)前颮線特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展演變機(jī)制等方面的研究取得一定進(jìn)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)(陳永林等，2009；張?jiān)茲?jì)，2010；Meng and Zhang，2012；唐明暉等，2016，2017；陳耀登等，2017)，臺(tái)前颮線多發(fā)生于午后至后半夜，通常發(fā)生在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑的右前方或前方，為弧線形排列的雷暴群。丁一匯等(1982)研究指出，臺(tái)前颮線主要發(fā)生在臺(tái)風(fēng)倒槽或東風(fēng)波天氣型下。許愛華等(2011)發(fā)現(xiàn)臺(tái)前颮線往往生成于臺(tái)風(fēng)和副熱帶高壓(以下簡稱副高)之間，地面常伴有低壓倒槽或臺(tái)風(fēng)倒槽，邊界層存在中尺度的輻合線。Meng和Zhang(2012)對(duì)2007—2009年中國沿海臺(tái)前颮線的總體特征研究發(fā)現(xiàn)，低空急流導(dǎo)致較強(qiáng)垂直風(fēng)切變有利于臺(tái)前颮線發(fā)展，臺(tái)前颮線產(chǎn)生的對(duì)流有效位能(convective available potential energy,CABE)平均值為1 548 J·kg-1，0—3 km垂直風(fēng)切變平均值為8 m·s-1，弱于中緯度颮線，冷池強(qiáng)度也弱于中緯度颮線，其生命史和水平尺度總體上也小于典型的中尺度颮線，與中緯度颮線相比，臺(tái)前颮線的生命史較短但具有更強(qiáng)的回波強(qiáng)度。對(duì)臺(tái)前颮線數(shù)值模擬方面的研究，劉佳等(2013)模擬研究2005年臺(tái)風(fēng)“麥莎”颮線發(fā)現(xiàn)，低空垂直切變強(qiáng)度約為11 m·s-1，到了成熟期，切變強(qiáng)度減小到7 m·s-1，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的尺度和強(qiáng)度增強(qiáng)對(duì)臺(tái)前颮線發(fā)展有利。梁佳等(2008)也對(duì)2005年臺(tái)風(fēng)“麥莎”外圍颮線進(jìn)行了模擬，但認(rèn)為臺(tái)前颮線的形成與臺(tái)風(fēng)中心強(qiáng)度關(guān)系不大，與臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)境流場關(guān)系較大。

上述研究對(duì)指導(dǎo)臺(tái)前颮線的預(yù)報(bào)具有重要參考價(jià)值。然而，臺(tái)前颮線的生成、結(jié)構(gòu)及移動(dòng)特征不盡相同，仍有必要繼續(xù)深入研究。2019年8月8日下午到夜間，我國浙閩沿海地區(qū)出現(xiàn)了一次影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長的臺(tái)前颮線生消過程。本研究利用多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、FY-4A黑體亮溫(TBB)、地基微波輻射計(jì)和地面自動(dòng)站等多種觀測資料以及ERA5再分析資料，對(duì)此次臺(tái)前颮線的生成位置、移動(dòng)方向及長生命史這三個(gè)異常特征進(jìn)行成因分析，期許得到一點(diǎn)有價(jià)值的研究結(jié)論。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測站與探測數(shù)據(jù)

本研究采用的探測資料包括:(1)福建9個(gè)觀測站(福鼎、羅源、屏南、福清、德化、晉江、平和、詔安、翔安站)的風(fēng)廓線雷達(dá)觀測資料，可逐6 min探測地面到高空環(huán)境大氣的風(fēng)向和風(fēng)速。(2)1部地基微波輻射計(jì)探測資料(翔安站)，可逐秒探測邊界層及對(duì)流層大氣溫度、水汽等。(3)福州、廈門及溫州共3部多普勒雷達(dá)反射率資料，能提供基本回波反射率、速度和譜寬等多種信息，掃描半徑為230 km，數(shù)據(jù)間隔為6 min，最低仰角為0.5°，最高仰角為19.5°，空間分辨率為0.01°×0.01°。另外，福建安溪站和浙江樂清站為文中分析用到的氣象觀測站。上述觀測站地理位置見圖1。

圖1 觀測站的地理位置分布(為風(fēng)廓線雷達(dá)站,為雷達(dá)觀測和常規(guī)探空兼有站,為地基微波輻射儀和風(fēng)廓線雷達(dá)兼有站,和為氣象站)Fig.1 The geographical distribution of vertical observation stations(presents the wind profile radar station,presents the radar and conventional sounding station,presents ground-based microwave radiometer and wind profile radar station,and present meteorological station).

1.2 自動(dòng)站數(shù)據(jù)及天氣現(xiàn)象定義

本文根據(jù)浙江、福建和廣東三個(gè)省稠密地面自動(dòng)站的風(fēng)和降水資料，將雷暴大風(fēng)(≥17.2 m·s-1)和短時(shí)強(qiáng)降水(≥20 mm·h-1)作為表征臺(tái)前颮線過程的強(qiáng)烈天氣現(xiàn)象，并以此作為天氣實(shí)況的分析對(duì)象。

1.3 再分析數(shù)據(jù)與FY-4A T BB數(shù)據(jù)

本文使用ERA5 0.25°×0.25°逐1 h再分析資料(http://apps.ecmwf.int)，分析變量包括地面的海平面氣壓、溫度、相對(duì)濕度、經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)，高空標(biāo)準(zhǔn)層1 000—100 hBa的位勢高度、溫度、相對(duì)濕度、經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)。

黑體亮溫TBB數(shù)據(jù)來自FY-4A輻射成像儀4 km分辨率L1級(jí)數(shù)據(jù)(有14個(gè)通道，覆蓋了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外等波段)。觀測時(shí)效最高可達(dá)到1 min·次-1，空間分辨率最高可達(dá)500 m，全圓盤成像儀數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為15 min，中國區(qū)域時(shí)間分辨率為5 min(張曉蕓等，2019)。

2 臺(tái)前颮線概況及特征

2.1 臺(tái)前颮線概況

此次颮線過程是在1909號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”外圍環(huán)流背景下產(chǎn)生的臺(tái)前颮線(圖2)。臺(tái)前颮線位于臺(tái)風(fēng)的左側(cè)(圖2a橢圓圈處)，8日19:00(北京時(shí)，下同)FY-4A TBB顯示，該臺(tái)前颮線云頂溫度最低值低于-80℃，對(duì)流發(fā)展非常旺盛。由圖2b可見，臺(tái)前颮線距離臺(tái)風(fēng)中心均在600 km以上；水平結(jié)構(gòu)呈線狀分布，長度最長可達(dá)260 km；雷達(dá)最強(qiáng)反射率因子值為55~60 dBz；移向與東南海岸線幾乎平行，平均移速為13.9 m·s-1；生命史達(dá)10 h。張?jiān)茲?jì)(2010)、Meng和Zhang(2012)對(duì)中國臺(tái)前颮線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到幾個(gè)初步判據(jù):產(chǎn)生在距離臺(tái)風(fēng)中心600 km以外的前右象限上；生命期內(nèi)長度不超過220 km；雷達(dá)最強(qiáng)反射率因子值為57~62 dBz；持續(xù)時(shí)間3~9 h(平均4 h左右)；以平均12.5 m·s-1的速度遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心并與臺(tái)風(fēng)同向運(yùn)動(dòng)。“利奇馬”臺(tái)前颮線的特征與上述學(xué)者給出的判據(jù)有相同之處，但也存在顯著差異，具體表現(xiàn)在:此次臺(tái)前颮線是發(fā)生在臺(tái)風(fēng)的左側(cè)象限上，而不是通常的前右側(cè)；移動(dòng)并不與臺(tái)風(fēng)同向，而是自北向南移動(dòng)，與臺(tái)風(fēng)行徑方向近乎垂直；持續(xù)時(shí)間長達(dá)10 h，大大超過統(tǒng)計(jì)的4 h平均值，甚至超過9 h的上限值?？梢?，“利奇馬”臺(tái)前颮線是一次典型的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，在生成位置、移動(dòng)方向和長生命史上明顯異于以往臺(tái)前颮線特征，其成因值得探究。

圖2 2019年8月8日19:00 FY-4A T BB分布(a,單位:℃，橢圓圈處為臺(tái)前颮線)和8日12:42—23:00臺(tái)前颮線的雷達(dá)組合反射率因子拼圖(≥35 dBz)及颮線生命期內(nèi)“利奇馬”臺(tái)風(fēng)路徑(b,為臺(tái)風(fēng)位置)Fig.2(a)Distribution of FY-4A black body temperature T BB(unit:℃,the oval circle is the pre-TC squall line)at 19:00 BT 8 August 2019,(b)radar composite reflectivity factor mosaic(≥35 dBz)of the pre-TC squall line and the path of super Typhoon Lekima at the pre-TC squall line life period from 12:42 BT to 23:00 BT on 8 August 2019(presents the typhoon path).

2.2 風(fēng)雨演變

臺(tái)前颮線帶來的雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水在8日14∶00之后產(chǎn)生(圖3)，風(fēng)雨站數(shù)在14∶00—20∶00呈遞增趨勢，期間出現(xiàn)兩次躍增，17∶00達(dá)到首次峰值，20∶00達(dá)到最大峰值，之后站數(shù)快速減少。14∶00—17∶00，雷暴大風(fēng)站數(shù)多于強(qiáng)降水站數(shù)，以對(duì)流大風(fēng)為主導(dǎo)；17∶00—20∶00，雷暴大風(fēng)與強(qiáng)降水站數(shù)均顯著增多，對(duì)流性質(zhì)較為復(fù)雜，該階段雷暴大風(fēng)極值達(dá)到32.5 m·s-1(11級(jí)，位于廈門同安區(qū)蓮花鎮(zhèn)白交祠村，見圖4e)，最大降水為42.5 mm·h-1(位于泉州南安眉山鄉(xiāng)天山中學(xué)，見圖4d)；20∶00—23∶00，風(fēng)雨站數(shù)快速減少，雷暴大風(fēng)站數(shù)仍多于強(qiáng)降水站數(shù)，又以對(duì)流大風(fēng)為主?？梢?，17∶00—20∶00風(fēng)雨站數(shù)最多，強(qiáng)度最強(qiáng)，是此次臺(tái)前颮線影響范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)的強(qiáng)盛階段。

圖3 2019年8月8日13:00—23:00雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水站數(shù)的時(shí)間演變Fig.3 Time evolution of observed thunderstorm gale and short-term heavy precipitation at meteorological stations from 13:00 BT to 23:00 BT on 8 August 2019.

圖4 臺(tái)前颮線過程不同時(shí)刻(a.12∶42;b.14∶30;c.17∶00;d.18∶42;e.19∶30;f.22∶00)的雷達(dá)組合反射率因子拼圖(單位:dBz,圖c橢圓為短線對(duì)流系統(tǒng),圖d中為短時(shí)強(qiáng)降水極值位置,圖e中為大風(fēng)極值位置)Fig.4 Radar composite reflectivity factor mosaic(unit:dBz)of the pre-TC squall line period(The ellipse is a short-line convective system in Fig.c,presents the locations of short-term extreme precipitation in Fig.d,and presents the locations of extreme wind in Fig.e)at different time(a.12∶42,b.14∶30,c.17∶00,d.18∶42,e.19∶30,f.22∶00).

2.3 臺(tái)前颮線的結(jié)構(gòu)及演變特征

由雷達(dá)組合反射率因子拼圖(圖4)顯示，臺(tái)前颮線生成之初，浙江東南沿岸初生一條短線對(duì)流系統(tǒng)(圖4a)，回波強(qiáng)度為35~45 dBz，尺度不足100 km，未達(dá)到羅琪等(2019)定義的颮線100 km尺度要求。該短線對(duì)流系統(tǒng)快速向兩端擴(kuò)展，尺度增大、強(qiáng)度增強(qiáng)，其前端于14∶00進(jìn)入閩東北；14∶30(圖4b)，長線狀對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展形成，水平尺度增至220×30 km，回波強(qiáng)度達(dá)45~50 dBz，尺度、強(qiáng)度特征與Geerts(1998)對(duì)臺(tái)前颮線的定義相符(對(duì)流系統(tǒng)長與寬比例大于5∶1，且40 dBz以上區(qū)域至少持續(xù)2 h)；之后，颮線向南移動(dòng)中繼續(xù)發(fā)展，17∶00，颮線內(nèi)多個(gè)雷暴單體凝聚合并形成240×40 km的長線狀颮線，回波強(qiáng)度達(dá)50 dBz，后部有層狀云特征的弱回波帶，同時(shí)在颮線出流邊界前方約40 km處觸發(fā)出一條短線對(duì)流系統(tǒng)(圖4c橢圓處)；17∶48，前方短線對(duì)流系統(tǒng)與移速較快的颮線前端合并，此時(shí)颮線再次加強(qiáng)并表現(xiàn)出較強(qiáng)的前導(dǎo)對(duì)流線(圖略)；18∶42，颮線前導(dǎo)對(duì)流線上的回波強(qiáng)度達(dá)55 dBz以上，相伴隨的地面風(fēng)雨范圍廣而強(qiáng)，18∶35—19∶00的25 min內(nèi)颮線前部的降水達(dá)到42.5 mm(站點(diǎn)位置見圖4d)；19∶30，颮線前部對(duì)流回波仍可達(dá)50~55 dBz，19∶35測到颮線前部11級(jí)雷暴大風(fēng)(站點(diǎn)位置見圖4e)，颮線的中后部對(duì)流帶結(jié)構(gòu)開始松散，后部有寬闊的弱回波帶，具有典型的尾流層云降水結(jié)構(gòu)；20∶00之后，颮線后部回波快速衰減，結(jié)構(gòu)變得更加松散，但前導(dǎo)對(duì)流回波強(qiáng)度仍可達(dá)45 dBz，轉(zhuǎn)為短線形態(tài)；22∶00—23∶00，對(duì)流帶尺度繼續(xù)變小，颮線過程趨于結(jié)束(圖4f)。

根據(jù)上述臺(tái)前颮線過程的尺度、結(jié)構(gòu)、雷達(dá)回波強(qiáng)度及地面風(fēng)雨強(qiáng)弱、范圍等特征變化，可將此次臺(tái)前颮線過程劃分為三個(gè)階段，即:發(fā)展形成(13:00—17:00)、加強(qiáng)成熟(17:00—20:00)和減弱消亡(20:00—23:00)，其中第二階段17∶00—20∶00為臺(tái)前颮線成熟期。

2.4 地面氣象要素特征

颮線過境前后，地面氣象要素變化劇烈。圖5給出臺(tái)前颮線成熟階段其前導(dǎo)對(duì)流線過境福建安溪站前后的溫度、氣壓、風(fēng)、降水及相對(duì)濕度的氣象要素變化情況。由圖可見，8日18∶35左右，安溪站氣溫開始下降，至19∶05，氣溫從34.1℃下降至24.2℃，氣溫降幅高達(dá)9.9℃(圖5a)；氣壓由995 hBa一路猛升至998.5 hBa，氣壓升幅達(dá)3.5 hBa(圖5b)；大氣相對(duì)濕度也由54%迅增至99%(圖5c)，30 min內(nèi)伴隨23.5 mm的降水產(chǎn)生(圖5d)；風(fēng)向由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，瞬時(shí)風(fēng)速從3.3 m·s-1急增至26.9 m·s-1(10級(jí))，大風(fēng)持續(xù)了5 min后快速下降(圖5e、f)。此次臺(tái)前颮線過境時(shí)伴隨的氣壓、相對(duì)濕度猛升、氣溫驟降、風(fēng)向突變、風(fēng)力急增等氣象要素的劇烈變化符合典型的颮線過境特征。氣壓升幅3.5 hBa及氣溫降幅9.9℃較Meng和Zhang(2012)統(tǒng)計(jì)的中國沿海臺(tái)前颮線過境期間的氣壓升幅1.2 hBa及氣溫降幅6℃要明顯偏大，與西風(fēng)帶颮線過境下的氣壓升幅4 hBa及氣溫降幅9.8℃值比較相當(dāng)(Barker and Johnson，2000)?？梢?，此次臺(tái)前颮線造成地面冷池強(qiáng)度與中緯度颮線造成的地面冷池強(qiáng)度基本相當(dāng)，從氣象要素變化角度看，具有極端性。

圖5 2019年8月8日18:00—20:00福建安溪站的氣象要素的時(shí)間演變(站點(diǎn)位置見圖1,a.氣溫,單位:℃;b.氣壓,單位:hPa;c.相對(duì)濕度,單位:%;d.降水量,單位:mm;e.風(fēng)向,單位:°;f.風(fēng)速,單位:m·s-1)Fig.5 Time evolutions of meteorological parameters at Anxi station from 18:00 BT to 20:00 BT on 8 August 2019(The station location is shown in Fig.1,a.temperature,unit:℃;b.pressure,unit:hPa;c.relative humidity,unit:%;d.precipitation,unit:mm;e.direction of wind,unit:°;f.wind speed,unit:m·s-1).

3 臺(tái)前颮線生成的環(huán)境大氣條件

從8日08∶00和14∶00的高空形勢圖(圖6a、b)可見，臺(tái)前颮線形成前，浙閩沿海處于臺(tái)風(fēng)外圍東北氣流控制。500 hBa，08∶00東亞為西低東高形勢，副高位于日本附近，西風(fēng)槽位于副高脊線以北；14∶00，海上副高略有西伸，5 860 gpm線快速深入內(nèi)陸，大陸高壓增強(qiáng)，轉(zhuǎn)變成北高南低形勢。850 hBa，08∶00和14∶00，臺(tái)風(fēng)左側(cè)東北風(fēng)風(fēng)速輻合和水汽通量大值區(qū)位于浙閩沿海地區(qū)，該區(qū)域水汽通量值最大達(dá)21 g·㎝-1·hBa-1·s-1，臺(tái)風(fēng)為浙閩沿海颮線的發(fā)生發(fā)展提供了有利的水汽和動(dòng)力條件。200 hBa，浙閩沿海位于高空急流右側(cè)，輻散較強(qiáng)(圖略)。地面能量場顯示(圖6c、d)，08∶00，浙東南到福建沿海對(duì)流有效位能CABE值未超過1 000 J·kg-1，14∶00，該區(qū)域CABE值明顯增大至1 300 J·kg-1以上；對(duì)流抑制能量CIN變化顯著，08∶00 CIN值最大達(dá)到120 J·kg-1，14∶00 CIN僅為5 J·kg-1，表明午后較小的CIN只需要較淺薄的低空或地面輻合抬升就能發(fā)展為自由對(duì)流，配合強(qiáng)的不穩(wěn)定環(huán)境產(chǎn)生大的CABE非常有利午后對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展。

圖6 2019年8月8日08∶00(a)和14∶00(b)的高空形勢(陰影表示850 hPa水汽通量,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1;藍(lán)色虛線為5 860 gpm等高線,藍(lán)色實(shí)線為5 880 gpm等高線;箭矢表示850 hPa風(fēng)速,長箭矢表示>10 m·s-1),08∶00(c)和14∶00(d)地面對(duì)流有效位能C ABE(陰影,單位:J·kg-1)、對(duì)流抑制能量C IN(黑色虛線,單位:J·kg-1)Fig.6 Upper-air sounding at(a)08∶00 BT and(b)14∶00 BT on Aug 8,2019(Shadow represent water vapor flux at 850 hPa,unit:g·㎝-1·hPa-1·s-1.The dashed blue line is the 5 860 gpm contour line,and the solid blue line is 5 880 gpm.Arrow represents wind speed at 850 hPa,and long arrow is>10 m·s-1).(c)08∶00 BT and(d)14∶00 BT C ABE(shadow,unit:J·kg-1),C IN(black dotted line,unit:J·kg-1)at surface.

此次臺(tái)前颮線初生對(duì)流最初為兩個(gè)孤立的對(duì)流單體，12∶30 TBB顯示，對(duì)流單體云頂溫度達(dá)-52℃；12∶42，浙江東南沿岸多個(gè)新生對(duì)流單體快速連接，其云頂溫度-50℃范圍向南北方向擴(kuò)展，面積增大(圖略)。由地面自動(dòng)站風(fēng)場與渦度場(圖7a)可見，12∶30，浙江東南部到福建東北部區(qū)域處于臺(tái)風(fēng)外圍的東北氣流輻合區(qū)內(nèi)，該區(qū)域也為假相當(dāng)位溫(θse)大于366 K的高濕高能區(qū)(圖7b)，東北向岸潮濕氣流受到海岸地形摩擦作用，沿著海岸線輻合抬升。邊界層1 000 hBa風(fēng)場與渦度場也顯示(圖7c)，12∶00，浙江東南沿岸東北氣流輻合抬升過程中新對(duì)流單體在沿岸θse梯度密集區(qū)內(nèi)不斷觸發(fā)生成，低空1 000—700 hBa垂直風(fēng)切變值在12 m·s-1以上(圖7d)，有利該區(qū)域初生對(duì)流組織化成對(duì)流系統(tǒng)。浙江樂清站探空圖(圖7e、f，該站位置見圖1)顯示，12∶00和13∶00，樂清站上空700 hBa以下水汽均接近飽和，600 hBa以上空氣較干，這種上干下濕加強(qiáng)了不穩(wěn)定層結(jié)。

圖7 2019年8月8日12:30地面自動(dòng)站風(fēng)場(單位:m·s-1)與渦度場(<0,陰影,單位:10-5s-1)(a)、12:30假相當(dāng)位溫(θse)(陰影,單位:K)(b)以及12:00的1 000 hPa風(fēng)場(陰影表示地形,藍(lán)色箭矢為≥8 m·s-1,紅色箭矢為<8 m·s-1)與渦度場(虛線,單位:10-5 s-1)(c)、12:00的1 000—700 hPa垂直風(fēng)切變(陰影,單位:m·s-1)(d)、12:00(e)和13:00(f)的浙江樂清站探空圖Fig.7(a)Wind field of ground station(unit:m·s-1)and vorticity(<0,shadow,unit:10-5 s-1)at 12:30 BT,(b)saturation equivalent potential temperatureθse(shadow,unit:K)at 12:30 BT,(c)wind field at 1 000 hPa(shadow represent the terrain,unit:m·s-1,blue arrows are≥8 m·s-1,red arrows are<8 m·s-1)and vorticity(dashed line,unit:10-5 s-1)at 12:00 BT,(d)vertical wind shear(shadow,unit:m·s-1)at 1 000-700 hPa at 12:00 BT,sounding from Yueqing Station of Zhejiang Province at(e)12:00 BT and(f)13:00 BT.

可見，此次臺(tái)前颮線發(fā)生在增強(qiáng)的大陸高壓與臺(tái)風(fēng)之間的濕區(qū)帶上，與丁一匯等(1982)研究指出的臺(tái)前颮線發(fā)生在臺(tái)風(fēng)倒槽或東風(fēng)波下、Meng和Zhang(2012)以及許愛華等(2011)研究指出的臺(tái)前颮線生成于臺(tái)風(fēng)和副高之間的天氣形勢背景均不同。“利奇馬”臺(tái)風(fēng)為浙閩沿岸提供了良好的水汽條件，臺(tái)風(fēng)外圍左側(cè)東北向岸氣流及與地形摩擦造成的輻合抬升作用、上干下濕的熱力不穩(wěn)定層結(jié)、低空強(qiáng)的垂直風(fēng)切變以及地面顯著CABE和弱CIN的環(huán)境大氣條件下導(dǎo)致此次臺(tái)前颮線的觸發(fā)生成。

4 臺(tái)前颮線移向分析

由臺(tái)前颮線區(qū)域上空平均風(fēng)場隨高度-時(shí)間演變(圖8a)顯示，臺(tái)前颮線上空1 000—300 hBa為一致的東北風(fēng)控制，900—600 hBa風(fēng)速隨時(shí)間增大，可見東北氣流是引導(dǎo)颮線向西南方向移動(dòng)的主因，因此本文將900—600 hBa平均風(fēng)場作為引導(dǎo)氣流。12∶00—15∶00為颮線觸發(fā)及形成階段，其上空平均引導(dǎo)氣流小于14 m·s-1，從雷達(dá)動(dòng)畫中得到該階段颮線的移速大小為43 km·h-1；16∶00之后，引導(dǎo)氣流增大至18 m·s-1，受增大的引導(dǎo)氣流的平流作用，颮線向西南移動(dòng)速度加快，其移速達(dá)到58 km·h-1，對(duì)于快速移動(dòng)的颮線，環(huán)境風(fēng)低空往往存在較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，切變向量幾乎與颮線的走向垂直(Barnes and Sieckman，1984；Corfidi，2003)。颮線整體平流速度除了與引導(dǎo)氣流強(qiáng)度有關(guān)外，還與引導(dǎo)氣流的夾角有關(guān)，由雷達(dá)回波圖(圖8b)可見，該南北向結(jié)構(gòu)的颮線形態(tài)與東北風(fēng)引導(dǎo)氣流夾角大，二者移動(dòng)方向一致，颮線移速加快，有利于該區(qū)域地面大風(fēng)的增幅(陳云輝等，2019)。

圖8 2019年8月8日(a)12:00—21:00臺(tái)前颮線區(qū)域(118°—121°E,23°—30°N)上空的平均風(fēng)場(單位:m·s-1,紅色風(fēng)向桿為≥14 m·s-1)的高度-時(shí)間演變和(b)18:00的900—600 hPa平均風(fēng)場和雷達(dá)組合反射率因子(陰影,單位:dBz)疊加圖Fig.8(a)The height-latitude cross section of average wind field(unit:m·s-1,red wind bar is≥14 m·s-1)over the pre-TC squall line area(118°—121°E,23°—30°N)from 12:00 BT to 21:00 BT,and(b)the superposition diagram of 900-600 hPa average wind field and radar composite reflectivity factor(shadow,unit:dBz)at 18:00 BT 8 August 2019.

5 臺(tái)前颮線持續(xù)發(fā)展加強(qiáng)導(dǎo)致長生命史

“利奇馬”臺(tái)前颮線初始對(duì)流系統(tǒng)于8日12∶42左右觸發(fā)生成，14∶00進(jìn)入福建后在向南移動(dòng)過程中颮線得到持續(xù)發(fā)展加強(qiáng)是導(dǎo)致其生命期較長的重要原因。因此，下文著重對(duì)颮線進(jìn)入福建后持續(xù)發(fā)展加強(qiáng)的成因進(jìn)行分析。

5.1 異常不穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間長

用同時(shí)表征溫度和水汽的綜合參數(shù)假相當(dāng)位溫(θse)來反映此次臺(tái)前颮線大氣層結(jié)穩(wěn)定度變化情況。圖9a顯示，15∶00，對(duì)流層中層600—500 hBa附近有干冷空氣侵入(339~342 K的θse低值)，低空為強(qiáng)暖濕氣流(925 hBa θse值為360 K)，此時(shí)1 000—700 hBa的“Ω”型θse結(jié)構(gòu)不明顯，即低空暖濕不穩(wěn)定表現(xiàn)不明顯，但颮線上空大氣垂直上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，其回波強(qiáng)度最大達(dá)50 dBz，颮線處于形成階段；18∶00(圖9b)，1 000—700 hBa的θse線顯著向上凸起，呈現(xiàn)“Ω”型結(jié)構(gòu)，360 K高θse線抬升至850 hBa以上，1 000 hBa颮線前方θse值顯著增加至372 K，較臺(tái)前颮線形成階段的θse增幅約10 K，可見低空暖濕不穩(wěn)定顯著增強(qiáng)且暖濕層發(fā)展深厚；1 000—600 hBa上下位溫差值達(dá)到27 K，使得福建中部沿海層結(jié)不穩(wěn)定度顯著增強(qiáng)；20∶00(圖9c)，颮線上空大氣垂直層結(jié)顯著不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及垂直上升運(yùn)動(dòng)與18∶00表現(xiàn)一致，颮線的回波強(qiáng)度增至55 dBz以上，顯著不穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間長；22∶00(圖9d)，低空357 K和360 K高θse線向下凹，360 K下降至850 hBa以下，低空暖濕不穩(wěn)定逐漸減弱，促使低空輻合抬升和垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱，臺(tái)前颮線強(qiáng)度減弱。

圖9 2019年8月8日臺(tái)前颮線過程沿最強(qiáng)回波處的假相當(dāng)位溫(θse)和垂直速度的高度-緯向剖面(a.15:00沿27.5°N做剖面;b.18:00沿26.5°N做剖面;c.20:00沿25°N做剖面;d.22:00沿23.5°N做剖面;陰影表示<342 K;藍(lán)色等值線表示θse,單位:K;紅色虛線表示垂直速度,單位:Pa·s-1;橢圓圈表示臺(tái)前颮線位置)Fig.9 The height-latitude cross section of saturation equivalent potential temperature(θse)and vertical velocity through Strongest echo position along(a)27.5°N at 15:00 BT,(b)26.5°N at 18:00 BT,(c)25°N at 20:00 BT,and(d)23.5°N at 22:00 BT 8 August 2019 in the process of the pre-TC squall line(Shadow represents<342 K.Blue contour line representsθse,unit:K.Red dotted line represents vertical velocity,unit:Pa·s-1.The oval circle is the position of the pre-TC squall line).

地基微波輻射計(jì)能夠較好的反映出邊界層的溫濕特征，可以連續(xù)獲得高時(shí)空分辨率的大氣溫度、相對(duì)濕度、水汽以及液態(tài)水等垂直廓線資料，是強(qiáng)對(duì)流天氣層結(jié)條件的重要工具(韓芳蓉等，2017；宋靜等，2020)。魏東等(2011)探討了微波輻射資料的可靠性中指出∶微波探測的各要素與常規(guī)探空具有較一致的變化趨勢，定性分析使用時(shí)可有效彌補(bǔ)常規(guī)探空時(shí)間分辨率低的不足。Chan(2009)研究指出微波輻射資料計(jì)算的熱力對(duì)流參數(shù)K指數(shù)對(duì)雷電、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣有很好的指示作用。本文利用廈門市翔安站微波輻射計(jì)資料的熱力對(duì)流參數(shù)來分析廈門市及周邊區(qū)域在臺(tái)前颮線第二階段影響前后大氣的穩(wěn)定度情況。這里采用熱力對(duì)流參數(shù)K指數(shù)、TT指數(shù)和A指數(shù)來判斷對(duì)流不穩(wěn)定條件，公式如下

上式中，T500、T700、T850、Td500、Td700、Td850分別代表500 hBa、700 hBa、850 hBa溫度和露點(diǎn)溫度。

8日19∶00—20∶30廈門市及周邊區(qū)域受臺(tái)前颮線影響自北而南出現(xiàn)了8—11級(jí)雷暴大風(fēng)。該時(shí)段內(nèi)K、TT和A這3個(gè)指數(shù)值均較大(圖10)，表明此次颮線影響過程，廈門市一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)。K、TT和A指數(shù)變化均在19∶30達(dá)到峰值，19∶30廈門同安區(qū)自動(dòng)站出現(xiàn)10級(jí)大風(fēng)，19∶35該站大風(fēng)增至11級(jí)，可見，K、TT和A指數(shù)的峰值與雷暴大風(fēng)極值有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該時(shí)段內(nèi)，K指數(shù)在37~43℃之間波動(dòng)，A指數(shù)在11~20℃之間波動(dòng)，這2個(gè)指數(shù)變化較為同步，波動(dòng)幅度也基本一致，且在大風(fēng)出現(xiàn)之前，其熱力條件均處于增溫中；而TT指數(shù)演變中有兩個(gè)波峰，在18∶30前后，TT熱力指數(shù)值達(dá)45.06℃，而此時(shí)地面為弱風(fēng)，該指數(shù)與實(shí)況不大相符。由此可見，可以選擇K≥37℃和A≥11℃指數(shù)作為廈門市強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警指數(shù)。

圖10 2019年8月8日18∶00—20∶30廈門翔安站逐5 min的熱力對(duì)流參數(shù)K、T T和A指數(shù)的時(shí)間演變(單位∶℃,淺藍(lán)色虛線為K指數(shù),深藍(lán)色虛線為A指數(shù),橙色實(shí)線為T T指數(shù))Fig.10 Time evolution of thermally convection parameters K,T T,and A indices from Xiangan station of Xiamen in 5 min from 18∶00 BT to 20∶30 BT on 8 August 2019(unit∶℃.The light blue dotted line is K.The dark blue dotted line is A.The solid orange line is T T).

5.2 低空垂直風(fēng)切變異常強(qiáng)

臺(tái)前颮線三個(gè)階段，由颮線過境風(fēng)廓線站點(diǎn)區(qū)域的0—3 km垂直風(fēng)切變對(duì)比可知(表1)，臺(tái)前颮線第一階段(14∶00—17∶00)，福鼎、羅源、福清三站的低空垂直風(fēng)切變值在13 m·s-1左右，進(jìn)入臺(tái)前颮線第二階段(17∶00—20∶00)，屏南、德化、翔安站的低空垂直風(fēng)切變值明顯增大，達(dá)到16~22 m·s-1，其中翔安站的22 m·s-1低空垂直風(fēng)切變值與毗鄰廈門站的24 m·s-1低空垂直風(fēng)切變值接近；臺(tái)前颮線第三階段(20∶00—23∶00)，詔安站低空垂直風(fēng)切變值為14 m·s-1。可見，午后福建沿海地區(qū)的低空垂直風(fēng)切變值明顯增大，表現(xiàn)為臺(tái)前颮線第二階段顯著躍增，臺(tái)前颮線第三階段又減弱的變化特征?？傮w上，此次臺(tái)前颮線過程，低空垂直風(fēng)切變值均明顯高于Meng和Zhang(2012)統(tǒng)計(jì)的低空8 m·s-1的平均風(fēng)切值，尤其在臺(tái)前颮線第二階段，還顯著高于Chen和Chou(1993)統(tǒng)計(jì)的中緯度颮線所需的低空10~14 m·s-1風(fēng)切值。可見，臺(tái)前颮線加強(qiáng)成熟期，其低空垂直風(fēng)切變值異常強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間長，使得颮線維持時(shí)間長。

表1 2019年8月8日臺(tái)前颮線過境福建風(fēng)廓線站點(diǎn)區(qū)域的低空垂直風(fēng)切變Table 1 The low-level vertical wind shear of the pre-TC squall line passing through the station area of Fujian wind profile on 8 August 2019.

午后強(qiáng)的低空垂直風(fēng)切變加強(qiáng)了邊界層暖濕氣流的輻合抬升作用，由圖9a—c可見，颮線上空為劇烈的上升運(yùn)動(dòng)，且上升氣流發(fā)生傾斜利于對(duì)流層中層干冷空氣卷入，干冷空氣的夾卷作用促使蒸發(fā)加劇、下沉氣流加強(qiáng)。從德化站風(fēng)廓線(圖11a)可見，臺(tái)前颮線過境該站期間(18∶54—20∶06)，1.5 km至地面東北風(fēng)明顯增大了8~10 m·s-1，而下沉氣流到達(dá)地面時(shí)密度增大、溫度降低，造成強(qiáng)的地面冷池。由地面氣溫圖(圖11b)進(jìn)一步顯示，19∶00，德化站及安溪站均出現(xiàn)了22.4℃和24.2℃的地面冷池中心，其中安溪站18∶35—19∶05氣溫降幅高達(dá)9.9℃，與中緯度颮線造成的地面冷池強(qiáng)度基本相當(dāng)。Bluestein等(1987)研究發(fā)現(xiàn)颮線系統(tǒng)主要通過對(duì)流活動(dòng)誘發(fā)的地面冷池與垂直于颮線前端的環(huán)境風(fēng)垂直切變分量之間的相互作用，激發(fā)出新的上升流使得颮線系統(tǒng)得以發(fā)展增強(qiáng)。

圖11 2019年8月8日福建德化站風(fēng)廓線(a,單位:m·s-1)、19:00地面氣溫(黑色實(shí)線,單位:℃)與雷達(dá)組合反射率(陰影,單位:dBz)拼圖(b,▲表示德化和安溪站位置)Fig.11(a)Wind profile from Dehua station of Fujian(unit:m·s-1),and(b)ground temperature and radar composite reflectivity at 19:00 BT 8 August 2019(Black solid line represents temperature,unit:℃.Speckle represents radar combined reflectivity,unit:dBz.▲represents Dehua and Anxi station location).

綜上分析可見，臺(tái)前颮線進(jìn)入福建后，上干下濕的大氣垂直層結(jié)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)，尤其在臺(tái)前颮線第二階段，低空垂直風(fēng)切變異常增強(qiáng)促使臺(tái)前颮線強(qiáng)烈發(fā)展并高度組織化，其維持時(shí)間長是颮線生命期長的重要成因之一。

5.3 臺(tái)前颮線與前緣對(duì)流風(fēng)暴相互作用

由圖12可見，15∶30(圖12a)，颮線前進(jìn)方向的右前方約60 km處有對(duì)流單體生成(圖12a圓圈A處)，回波強(qiáng)度達(dá)40 dBz；16∶30(圖12b)和17∶06(圖12c)，A處對(duì)流單體后側(cè)不斷觸發(fā)新生對(duì)流單體并快速排列形成南北向的短線對(duì)流系統(tǒng)，與颮線前端距離縮短至40 km左右；17∶12(圖略)開始，A處對(duì)流系統(tǒng)回波明顯增強(qiáng)至50 dBz，其后側(cè)對(duì)流逐漸向東北方向伸展于17∶48(圖12d)并入颮線主體，之后，颮線前端B處對(duì)流系統(tǒng)快速脫離颮線主體后迅速減弱消亡；18∶30(圖12e)，A處對(duì)流系統(tǒng)并入颮線主體后取代原來的B處成為颮線前端，此時(shí)颮線表現(xiàn)出較強(qiáng)的前導(dǎo)對(duì)流線，前導(dǎo)對(duì)流回波強(qiáng)度達(dá)到55 dBz以上，且液態(tài)含水量迅速增至62 kg·m-2，隨后地面大風(fēng)及降水極值產(chǎn)生，其位置與前導(dǎo)對(duì)流線強(qiáng)回波均有很好的對(duì)應(yīng)(圖12f)。由雷達(dá)觀測可知，臺(tái)前颮線與前緣激發(fā)生成的對(duì)流風(fēng)暴合并是臺(tái)前颮線強(qiáng)度增強(qiáng)的重要成因之一。

圖12 2019年8月8日15:30(a)、16:30(b)、17:06(c)、17:48(d)、18:30(e)、18:45(f)雷達(dá)組合反射率因子拼圖(單位:dBz)Fig.12 Radar composite reflectivity factor mosaic(unit:dBz)at(a)15:30 BT,(b)16:30 BT,(c)17:06 BT,(d)17:48 BT,(e)18:30 BT and(f)18:45 BT on 8 August 2019.

Orville等(1980)研究指出，云下層水平氣壓分布不均所產(chǎn)生的氣壓梯度力及其空間分布是造成對(duì)流云合并的主要因素之一。由17∶00地面自動(dòng)站的海平面氣壓(圖13a)和地面氣溫(圖13b)顯示，氣壓場上，颮線系統(tǒng)內(nèi)的雷暴高壓(G)和颮線前方的熱低壓(D)產(chǎn)生較強(qiáng)的氣壓梯度力。同時(shí)地面有明顯的冷池(L)，冷中心氣溫為24℃，冷池前方為35℃的暖中心(H)，與熱低壓D對(duì)應(yīng)，冷暖中心之間等溫線密集，溫度水平梯度較大，從而出現(xiàn)鋒生。從925 hBa風(fēng)場(圖13c)可見，福州西部存在中尺度輻合線(短虛線)，由于地面鋒生產(chǎn)生的對(duì)流不穩(wěn)定以及低空強(qiáng)垂直風(fēng)切有利于近地面暖濕氣流輻合抬升，從而在颮線前方不斷觸發(fā)新生對(duì)流單體，新對(duì)流單體與颮線對(duì)流系統(tǒng)之間的上升氣流-強(qiáng)下沉氣流之間的相互作用也是二者合并的主要原因(黃美元等，1987；付丹紅和郭學(xué)良，2007)。

圖13 2019年8月8日17:00地面自動(dòng)站(a)海平面氣壓(單位:hPa)、(b)氣溫(單位:℃)、(c)925 hPa風(fēng)場(紅色箭矢為≥12 m·s-1，紫色短虛線為輻合線)和渦度場(虛線,單位:10-5s-1)Fig.13 Ground automatic station measured(a)sea level pressure(unit:hPa),(b)temperature(unit:℃),and(c)wind field(red arrows are≥12 m·s-1,short purple dashed line is convergence line)and vorticity(dashed line,unit:10-5 s-1)at 925 hPa at 17:00 BT 8 August 2019.

6 結(jié)論

本文利用多普勒雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、FY-4A黑體亮溫(TBB)、地基微波輻射計(jì)、地面自動(dòng)站等多種觀測資料以及ERA5再分析資料，對(duì)“利奇馬”(2019)臺(tái)前颮線過程演變及生成位置、移向及長生命史的異常特征進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論∶

(1)“利奇馬”臺(tái)前颮線發(fā)生于臺(tái)風(fēng)路徑的左側(cè)、自北向南移動(dòng)、生命史長達(dá)10 h。其過程演變分為發(fā)展形成、加強(qiáng)成熟和減弱消亡三個(gè)階段，其中第二階段為臺(tái)前颮線影響范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)階段，對(duì)流性質(zhì)較為復(fù)雜。臺(tái)前颮線過境造成最大氣壓升幅達(dá)3.5 hBa及最大氣溫降幅為9.9℃，與歷史統(tǒng)計(jì)的氣象要素變化比較，具有極端性。地面中尺度雷暴高壓、颮前熱低壓、冷池、暖中心特征明顯。

(2)大陸高壓的增強(qiáng)、良好的高低空配置、臺(tái)風(fēng)靠近提供了充沛的水汽條件，地面增溫及東北向岸氣流在浙閩沿岸輻合抬升，上干下濕的熱力不穩(wěn)定層結(jié)、低空強(qiáng)的垂直風(fēng)切變以及地面顯著CABE和弱CIN的天氣背景下導(dǎo)致了此次臺(tái)前颮線在東南沿岸觸發(fā)生成。

(3)臺(tái)前颮線進(jìn)入福建后，上干下濕的大氣層結(jié)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)、低空垂直風(fēng)切變異常增強(qiáng)以及臺(tái)前颮線與前緣激發(fā)生成的對(duì)流風(fēng)暴合并促使臺(tái)前颮線獲得發(fā)展增強(qiáng)，颮線成熟期持續(xù)時(shí)間長是導(dǎo)致其生命期較長的重要原因。臺(tái)前颮線移動(dòng)中受東北氣流引導(dǎo)向西南方向移動(dòng)，其與引導(dǎo)氣流夾角大，二者移動(dòng)方向一致，移速加快，有利地面大風(fēng)增幅。

(4)用地基微波輻射資料計(jì)算的熱力對(duì)流參數(shù)K、TT和A指數(shù)的峰值與臺(tái)前颮線造成的大風(fēng)極值有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，K≥37℃和A≥11℃指數(shù)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警有一定的指示意義。