中国东部飑线的基本特征研究外文翻译资料

 2022-11-27 14:29:49

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中国东部飑线的基本特征研究

孟智勇，颜大椿，张云济

气候和大气研究实验室，大气和海洋科学系，物理学院，北京大学，北京，中国

（2012年7月27日收到初稿，2012年11月4日定稿）

摘要：根据2008-09年复合雷达反射率的组合回波，两年间中国东部总计有96次飑线活动，其中最高频率发生在中国北部，活动范围在山东、河南、安徽、江苏等省之间。飑线出现在三月到十月，七月发展最为旺盛。飑线的日变化显示出其主要峰值出现在傍晚，而两个次要峰值出现在清晨和午后。飑线的形成和第一个回波出现的时间间隔大约4.8小时。飑线一般是东北-西南向，以14.4 m s-1向东移动，最大的长度范围为243 km，最大的回波强度为58-63 dBZ，平均持续4.7小时。飑线通常以不连续的模式形成，显示尾随层状云，并以反向不连续模式消散。无线电探空仪资料显示，在美国相近稳定背景场，华东中纬度地区的飑线更容易生成于潮湿和弱风切的环境。无线电探空仪资料还综合了不同的形成发展模式，将飑线高频发生的环流背景分为了六个天气模式：短槽前部，大槽前部，冷涡，亚热带高压，热带气旋（TC）和槽后型，其中大约三分之一的飑线形成位于短槽前部。并从水汽输送，不稳定能量，垂直风切变，低空急流等方面考察了各种生成形式的有利条件。

  1. 引言

呈线性的飑线系统或准线性中尺度对流系统（MCSs），可以产生大雨，大风，冰雹，甚至是龙卷风。飑线被定义为“连续的或不连续的一条雷暴带，包括雷暴引起的连续降水区域（Glickman 2000）。”飑线的雷达回波信号带为宽度为几十公里，长达几百公里的对流雨带，其次是大面积的层状降水。在对流区域通常有一个靠近地表的明显的冷池，冷池前缘被称为阵风前沿。在冷池前出现强烈的上升气流，而在对流区出现下沉气流，在层状区域有一些的上升下沉运动。阵风前沿通常会有压力、温度、风等的突变，并发生灾难性的天气。例如，阵风前沿阵风锋和冷池风暴高压之间的强梯度力与地表出现的大风紧密相关。飑线通常形成于中到大的不稳定和低水平垂直风切变的环境中。Rotunno-Klemp-Weisman（RKW）理论（Rotunno等人，1988）表示飑线通常触发于冷池斜压和风切变产生的垂直运动区。飑线可能在不同环境条件的地区具有不同的特征和灾害形势（周和陈1993年；孟和张2012年，以下简称MZ12）。由于其发展迅速，移动迅速和造成严重的灾难性天气，对MCSs尤其是飑线的发展预报一直很重要。因此对飑线发生发展的时空分布、形态和形成环境等一般特征的了解可以显著地帮助预报员进行短时预报。

在美国飑线经常造成灾害性天气的发生，这些灾害性天气的形势和灾情被完整的记录（例如，Bluestein and Jain 1985； Wyss and Emanuel 1988； Houzeetal 1990；Geerts 1998；Parker and Johnson 2000；Jirak 2003等）。 飑线也常常造成中国的灾害性天气。例如，2009年6月，河南省的一条飑线（图1中约34°N，114°E的位置），造成了29.1 m s-1的强风，导致27人死亡（张 等2012）。以前还有台湾海峡亚热带飑线的研究（陈和周，1993）和热带气旋（TCs）在中国登陆前期的特征(MZ12)。这些研究表明，中国的亚热带和热带气旋前飑线趋向于具有较短的最大长度，相近的运动速度，相对亚热带飑线（台前飑线）的更长（更短）的寿命，但具有相似的地层环境不稳定，较低的垂直风切变，并且相对于美国而言更为潮湿。然而，中国大部分地区的飑线的一般特征，以及它们的气候特征和与其他地区如美国的飑线之间的区别是未知的。

图1:华东地区雷达站相关的省份位置地图（黑点）。

在美国，雷达组合回波已经广泛应用于飑线的统计研究（Wyss和Emanuel 1988；Geerts 1998；Parker和Johnson 2000）。华东地区的雷达网络（图1）已经足够密集以研究飑线的一般特征。本文旨在记录华东飑线的基本特征，包括其时空分布、广度、强度、持续时间、方向、移动、形成、耗散和发展模式，以及基于2008年和2009年的全年复合雷达反射率组合回波得出的环境特征。同时将进行华东与美国之间的飑线特征的比较。这项工作对中国实时飑线预测具有重要意义，有助于在全球不同气候条件下总结出共同的特征。

第2节描述了数据和方法，第3节描述了飑线的雷达特征。第4节介绍了飑线发生高频区域的环境特征，第5节提出了弱化飑线的定义标准可能会影响其统计特征，第6节进行了总结。

2、数据和方法

这项研究基于2008年和2009年的复合多普勒雷达反射率（垂直最大雷达反射率的水平分布）的组合回波，2008年9月22日之前（后）的时间间隔为20（10）分钟，4 km x4 km的水平分辨率，观测时间覆盖了85％。雷达组合回波是基于中国气象局新一代天气雷达网的业务观测获得（其位置由图1中的黑点给出）。中国东部和沿海地区的雷达是S波段雷达，西北和东北部是C波段雷达。中国使用的S波段雷达类似于同时应用于美国软硬件的天气监控雷达：多普勒1988（WSR-88D）（朱和朱2004）。这与MZ12中使用的数据源相同。

如表1所列，文献中对飑线的定义使用了几种不同的标准。MZ12使用了与Parker和Johnson（2000）类似的标准：1）反射率因子40-dBZ的回波连续或准连续延伸至少100公里，持续至少3小时；2）反射率因子40-dBZ的回波具有线性或准线性特征，并且具有共同的回波前缘。本次研究中除了 要求反射率因子40dBZ回波带完全连续以外，采用了以上判断标准。这个额外的要求使得样本识别更客观，更关注强飑线系统。根据以上标准得到的飑线的雷达特征，包括形成时间、耗散时间、持续时间、最大长度、方向、移动速度、强度、形成模式和发展模式如表2所示。

  1. 华东地区飑线的一般特征

根据第2节中定义的标准，确定了96条飑线。其形成频率的空间分布如图2a所示。在35°N，117°E附近，靠近安徽、河南、山东、江苏边界附近，飑线形成的频率最大（图2a中的B区，省份的名称如图1所示）。形成频率的第二高值区在河北省（A区），另有两个较小的高频出现区位于福建南部（C区）和广东省西南部（D区）。一个有趣的特点是，大多数飑线形成在平坦的区域，这一特征一方面可能是由于山区雷达的观测局限性和波束的地形阻挡，另一方面，在相对平坦的地区多有飑线形成，与基于卫星衍生降水，造成的华北暖季降水的分布的原因类似（何和张 2010；包 等 2011）。

约87％的飑线具有东移动的运动分量（图2b-e）。在高纬度地区，飑线的向东运动尤其显著。秋季，低纬地区观测到较少的向东运动，可能是飑线与副热带高和热带气旋相关，这将在第4节中详细讨论。不同季节的平均轨迹清晰显示了飑线向东的运动（图2e）。同时也显示，华东地区飑线的形成位置平均出现在春季27°N附近，夏季向北移动至32°N附近，秋季再次向南移动至26°N附近。

图2b-e和3a也观察到飑线形成频率有明显季节变化。共有18次（约19％）飑线活动出现在春季（图2b和3a）。近74％的飑线发生在夏季，7月份为高峰期（图2c和3a），其中大部分出现在中国北部A区和B区附近（图2c）。秋天只有七条飑线，全部在35°N以南（图2d和3a）。以前在美国的调查中也观察到七月份是飑线发生的峰值（Geerts 1998； Jirak等，2003）。昼夜变化中有三个飑线形成的峰值：一个主峰值为北京时间1800-2100（世界时间加8时）和两个次峰值为北京时间0300-0600和1200-1500（图3b）。清晨和深夜的峰值与美国的中尺度对流系统情况相似（Parker和Johnson 2000）。在美国中部地区研究中尺度对流系统时，Jirak等人（2003年）也观察到峰值主要发生在晚间。Geerts（1998）发现，美国东南部的中尺度对流系统的主要高峰是在下午晚些时候，文献中没有记录峰值出现在下午早些时候的情况。

昼夜变化与飑线发生的纬度密切相关。30°N以南形成飑线与30°N以北形成时的昼夜特征不同（图3c）。在这两个地区观察到 峰值为北京时间1800 - 2100。然而，北京时间0300-0600 的高峰主要是30°N以南的飑线，而1200-1500 LST的高峰主要归于30°N以北的飑线。这个结果表明，在高纬度地区北京时间1200-1500期间飑线形成的可能性增加。

飑线的对流起始特征也被列入了考察，每次飑线活动都追溯到其第一次出现40-dBZ对流回波（图2b-e中飑线轨迹的虚线部分）。这些第一次回波的地理分布如图2f所示，第一次雷达回波的高频发生地相对于飑线的形成位置明显地移动到26°N的西北部和26°N的东南方。第一次回波出现与飑线形成之间的时间分布如图3d所示，结果表明，大多数飑线需要1-5小时发展，平均时间为4.8小时，这与飑线的平均寿命相似。第一次回波与飑线形成之间的时间似乎与纬度无太大关系（图3f）， 30°N以南（北）平均时差为4.7时（4.9 时）。第一次雷达回波频率的日变化在0900-1200附近有一个峰值（图3b），比飑线形成的主峰值（1800-2100）早9个小时。

如前所述，30°N南北飑线形成时间的昼夜差异特征可能是由于第一次回波的日变化特征的差异（图3e）。图3c中清晨峰值主要归因于30°N以南的飑线，与同一地区第一次回波的清晨峰值明显相关，而主要30°N以北飑线的下午峰值显然与同一区域的第一次回波的中午峰值相关。考虑到30°N北部和南部地区第一次回波与飑线形成之间的相似时间（图3f），得出结论飑线形成频率的日变化主要取决于其第一次回波的昼夜变化。

图2:（a）飑线形成频率的地理分布（蓝色阴影）。较暗的阴影表示较高的频率。数字表示在一块2°x2°区域发生飑线的频率，并表示在其形成时间，飑线的质心位于网格平方内的次数。A-D中（a）表示发生表现的高频区域；（b）3月至五月飑线路径轨迹；（c）6月至8月飑线路径轨迹；（d）9月至10月飑线路径轨迹；（e）春季（（b）中的）、夏季、（（c）中的）和秋季、（（d）中的）平均轨迹。（b） -（e）中的虚线（实线）表示在打开（填充）第一雷达回波的重心表示的圆圈（飑线处于形成期）之前（后）飑线的形成轨迹，飑线轨迹与标题中同月份的颜色相同；（f）第一雷达回波频率为40 dBZ的地理分布（蓝色阴影）。灰色阴影（a）和（f）表示地形高度（每200m至1600m）。（b）-（d）中的灰色阴影表示相应时期的飑线形成频率。（e）中的灰色阴影表示飑线形成的频率，与（a）中的蓝色阴影相同。

图 3:（a）每月和（b）每日飑线的形成频率（深灰色）以及第一对流回波（浅灰色）的变化。还绘制了（c）飑线形成频率的日变化，以及（e）南方（浅灰色）和北方（深灰色）30°N的第一次回波。（d）在第一次回波与相应飑线形成的时间内所有飑线的频率；（f）在第一次回波与相应飑线形成的时间内30°N以南（浅灰色）和30°N以北（深灰色）的飑线频率。

飑线形成初期雷达第一次捕捉到的雷达回波形态各异。和Bluestein和Jain（1985）提出的观点一致，飑线的形成模式可以分为不连续发展类（BL，新单体在老单体之间形成并与它们合并形成连续或准连续线），后部新生类（BB，新单体形成在原始单体的上游并与之并列形成一条线），不连续区发展类（BA，分散单体组成对流带）和隐含对流云区发展型（EA，在广泛的层状区域形成对流带）。Jirak等人（2003）基于层云出现与否（包括嵌入式和非嵌入式），对流单体（包括线，面和组合）的位置以及对流簇（包括孤立，合并和非对称）的相互作用，将Bluestein和Jain（1985）的分类扩展到更加全面的三维方案，共17个类别。为了使更容易的应用分类，本工作遵循广泛使用的Bluestein和Jain分类方案（1985）。结果表明，37（38％）的飑线为BL模式（例如，图4a-d）；21（22％）的飑线为BB模式（例如，图4e-h）；18（19％）的飑线为BA（例如，图4i-l）；20（21％）的为EA（例如，图4m-p）。BL的主要形成模式与MZ12的结果一致，但与俄克拉荷马州的飑线的结果略有不同，俄克拉荷马州BL和BB模式的频率是相近的（Bluestein and Jain 1985）。通过EA模式形成的飑线的百分比明显大于俄克拉荷马州的热带气旋前形成的飑线以及美国中部的中尺度对流系统（Jirak等人2003）。 EA 模式的飑线主要形成在6月至8月35°N以南，这可能与中国梅雨前和高湿度环境有关，这将在第4节中详细阐述。

图4：具有不同形成和组织模式的飑线的四个实例的复合雷达反射率（阴影以dBZ为单位划分）。（a）-（d）为主导层状和断裂线；（e）-（h）为平行的层状和后部区域；（i）-（l）为后面的层状和断裂的面；（m）-（p ）为落后的层状和嵌入面。 每个案例的最后一个面板中的空白箭头表示在所示期间飑线的移动方向。 地理位置在第2行是固定的，1、3、4行重新定位。

除了形成模式之外，本研究还探讨了华东飑线的组织模式。主要的组织模式（62％）是Parker 和Johnson（2000）所定义的后部层状云模式（TS，如图4l，p），其中层状降雨位于相对于飑线运动方向的对流降水的后部。在96次飑线活动中，25次（26％）为平行层状云模式（PS，其中层状降水与对流降水平行，例如图4h）；11例（12％）为层状前部模式（LS，相对于飑线的移动方向在对流降水之前观察到层状降水，例如图4d）。具有不同组织模式的飑线的百分比与美国中部飑线的结果一致（TS为60％，LS为20％，PS

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