复杂地形下一次飑线的组织化过程及成因分析

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2025-02-0289

摘要/Abstract

摘要： 复杂地形飑线发生、发展机理及其灾害性天气预警指标一直是山西强对流天气短时临近预报关注的重点。2022年7月25日，山西南部发生一次罕见的最大瞬时风力达12级的飑线过程，本文基于多源观测及再分析资料分析了其触发、演变、组织化过程。结果表明：（1）飑线生命史分为上游离散对流单体东移发展形成线状对流系统、山区新生雷暴发展形成多单体风暴、线状对流并入多单体风暴后组织成飑线三个阶段。前两个阶段，垂直风切变较弱，但高能高湿、层结不稳定等有利环境使得对流以组织化程度较低的多单体风暴为主；第三阶段，前倾结构更加明显，层结不稳定显著增大，临近低空扰动使得局地垂直风切变明显改善，对流迅速组织为强飑线。（2）地面中尺度辐合线、露点锋以及中尺度涡旋的发展维持是主要的组织触发机制；垂直方向上前侧入流与后侧出流共存、低层辐合与高层辐散共存，水平方向上环境入流与系统出流共存的自组织结构，使得飑线得以维持发展。（3）从热力结构看，第三阶段地面冷池合并加强形成强冷池，其造成的冷池密度流是极端雷暴大风产生的关键原因。（4）地面辐合线和中尺度涡旋较对流组织加强提前20 min以上，雷达图像上低层径向速度大值区、中层径向辐合等特征比地面大风出现提前10~25 min，对监测预警有一定指示意义。

关键词: 飑线, 环境条件, 自组织结构, 组织化过程, 极端大风

Abstract:

The occurrence, development mechanism of complex terrain squall line and the warning index of severe weather have been the focus of the short time approaching forecast of severe convective weather in Shanxi Province. On July 25, 2022, a rare squall line with a maximum instantaneous wind of magnitude 12 occurred in southern Shanxi Province. Based on multi-source observations and reanalysis data, the triggering, evolution and organization of the squall line process were analyzed in this paper. The results are as follows: (1) Radar observations showed that the life history of the squall line could be divided into three stages: Firstly, the upstream discrete convective cells moving eastward to form a linear convective system, and then the development of new thunderstorms in mountainous areas formed a multi-cell storm, thereafter, the linear convective system merged into the multi-cell storm and organized into a squall line. At the former two stages, the vertical wind shear was weak, but the favorable environment such as high energy, high humidity and unstable stratification made the convection mainly dominated by multi-cell storms with a low degree of organization. At the third stage, the forward-tilting structure became more obvious, the stratification instability increased significantly, the local vertical wind shear improved significantly due to near low-level disturbance, and the convection quickly organized into a strong squall line. (2) The development and maintenance of surface mesoscale convergence line, dew point front and mesoscale vortex are the main mechanisms of system triggering. The self-organized structure of forward inflow and rear outflow co-existed, the convergence at the low level and divergence in the upper level co-existed in the vertical direction, and the coexistence of environmental inflow and system outflow in the horizontal direction made the squall line maintain and develop. (3) From the perspective of thermal structure, the strong cold pool formed by merging and strengthening of surface cold pool at the third stage is the key cause of extreme thunderstorm wind. (4) The surface convergence line and mesoscale vortex occur more than 20 min earlier than the convective organization and strengthening, and the high value area of radial velocity in the low layer and the radial convergence in the middle layer appear 10-25 min earlier than the surface gale, which has certain indication significance for monitoring and warning.

Key words: squall line, environment condition, self-organization structure, organization, extreme thunderstorm gale

中图分类号:

P458.2

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图/表 10

图1 2022年7月25日08：00—20：00山西累计降水量（填色，单位：mm）及雷暴大风（8级及以上，风羽，单位：m·s-1）分布（a），10：00—16：00不同等级短时强降水（b）与雷暴大风（17.2 m·s-1以上）（c）发生站次逐时演变

Fig.1 The spatial distribution of accumulated rainfall （the color shaded， Unit： mm） and hourly thunderstorm gale （Force 8 and above， barbs， Unit： m·s-1） from 08：00 to 20：00 （a）， and hourly evolution of numbers of station occurring short-duration heavy rainfall （b） and thunderstorm gale （above 17.2 m·s-1）（c） with different levels from 10：00 to 16：00 in Shanxi Province on 25 July 2022

图2 2022年7月25日08：00—20：00壶关单站气温、气压、极大风（风羽，单位：m·s-1）和降水量逐时演变

Fig.2 Hourly variation of air temperature， sea level pressure， extreme wind （barbs， Unit： m·s-1） and rainfall at Huguan Station from 08：00 to 20：00 on 25 July 2022

图3 2022年7月25日08：00 500 hPa（a）、700 hPa（b）、850 hPa（c）位势高度（黑色实线，单位：dagpm）、温度（红色虚线，单位：℃）和风场（风矢，单位：m·s-1）及海平面气压场（黑色实线，单位：hPa）（d）

Fig.3 The 500 hPa （a）， 700 hPa （b） and 850 hPa （c） geopotential height （black soild lines， Unit： dagpm）， temperature （red dashed lines， Unit： ℃） and wind （wind vectors， Unit： m·s-1） fields， and sea level pressure field （black soild lines， Unit： hPa）（d） at 08：00 on 25 July 2022

图4 2022年7月25日飑线组织化过程中临汾（a、b、c、d）及长治（e、f、g、h）雷达组合反射率因子演变（单位：dBZ）（红色圈代表新生对流单体，黑色圈代表已存在的风暴，黑色三角为壶关站）

Fig.4 The evolution of radar composite reflectivity （Unit： dBZ） from Linfen （a， b， c， d） and Changzhi （e， f， g， h） stations on 25 July 2022 （The red and black circles represent new convective cells and existing storms， respectively， and the black triangle indicates Huguan Station）

图5 区域划分、山西地形及部分站点分布（黑色、红色框分别代表区域Ⅰ和区域Ⅱ）

Fig.5 Regional division， topography of Shanxi and distribution of some stations （The black and red boxes represent ZoneⅠ and ZoneⅡ， respectively）

图6 2022年7月25日08：00—17：00两区域所有格点850 hPa与500 hPa温度差（a）、对流有效位能（b）、400~700 hPa最大温度露点差（c）及850 hPa与500 hPa假相当位温差（d）箱线图（箱的上下边缘线分别为统计最大值和最小值，上、下框线分别对应75%和25%百分位值，箱内线为中位数）

Fig.6 The box plots of 850 hPa and 500 hPa temperature difference （a）， convective effective potential energy （b）， 400-700 hPa maximum temperature dew point difference （c）， 850 hPa and 500 hPa pseudo equivalent potential temperature difference （d） for all grid points in the two zones from 08：00 to 17：00 on July 25， 2022 （The upper and lower edge lines of the box are the statistical maximum and minimum values， respectively， the upper and lower box lines correspond to 75% and 25% percentile values， respectively， and the lines inside the box are the median）

图7 2022年7月25日12：31—13：28长治雷达速度方位显示风廓线（风羽，单位：m·s-1）

Fig.7 The vertical wind profile of Changzhi radar （barbs， Unit： m·s-1） from 12：31 to 13：28 on 25 July 2022

图8 2022年7月25日11：00（a）、12：00（b）、13：00（c）、14：00（d）地面中尺度分析综合图（虚线为等露点温度线，点划线为地面辐合线，矢量箭头为地面显著流线，即小时极大风）

Fig.8 The surface mesoscale composite analysis at 11：00 （a）， 12：00 （b）， 13：00 （c） and 14：00 （d） on 25 July 2022 （Dotted lines represent dew-point temperature， dot dashed lines are surface convergence line， vector arrows are significant streamlines， which is obtained from hourly extreme wind）

图9 2022年7月25日12：48长治雷达组合反射率（单位：dBZ）（a）、径向速度沿图（a）黑线的剖面（单位：m·s-1）（b），13：39基本反射率因子（2.4°仰角）（c）及反射率因子沿图（c）黑线的剖面（d）（单位：dBZ）和0.5°（e）、1.5°（f）仰角径向速度（单位：m·s-1）

Fig.9 The composite reflectivity （Unit： dBZ）（a） and the cross-section （b） of radial velocity along the black line in fig.a （Unit： m·s-1） at 12：48， reflectivity （Unit： dBZ） at 2.4° elevation （c）， the cross-section of reflectivity （Unit： dBZ） along the black line in fig.c （d）， and radial velocity （Unit： m·s-1） at 0.5°（e） and 1.5° （f） elevation at 13：39 of Changzhi radar on 25 July 2022

图10 2022年7月25日10：00（a）、11：00（b）、12：00（c）、13：00（d）、14：00（e）、15：00（f）地面1 h负变温场（阴影，虚线间隔3 ℃，单位：℃）和1 h正变压场（蓝色和红色实线分别代表1、2 hPa气压扰动）（红三角为壶关站）

Fig.10 The surface 1 h negative temperature change （the shaded， Dotted lines are 3 ℃ apart， Unit： ℃） and 1 h positive allobaric field （the blue and red line represent 1 hPa and 2 hPa pressure disturbance， respectively） at 10：00 （a）， 11：00 （b）， 12：00 （c）， 13：00 （d）， 14：00 （e）， 15：00 （f） on 25 July 2022 （The red triangle indicates Huguan Station）

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