Organization and causation of a squall line under the complex terrain

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

Abstract

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

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

CLC Number:

P458.2

HU Jiaying, ZHAO Guixiang, YAN Hui, XU Yiwen, CAO Junwei. Organization and causation of a squall line under the complex terrain[J]. Journal of Arid Meteorology, 2025, 43(2): 289-299.

胡嘉缨, 赵桂香, 闫慧, 徐逸雯, 操俊伟. 复杂地形下一次飑线的组织化过程及成因分析[J]. 干旱气象, 2025, 43(2): 289-299.

Figures/Tables 10

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

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

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

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）

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

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）

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

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）

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

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）

References 26

[1]	陈明轩, 王迎春, 2012. 低层垂直风切变和冷池相互作用影响华北地区一次飑线过程发展维持的数值模拟[J]. 气象学报, 70(3): 371-386.
[2]	陈涛, 代刊, 张芳华, 2013. 一次华北飑线天气过程中环境条件与对流发展机制研究[J]. 气象, 39(8): 945-954.
[3]	褚颖佳, 郭飞燕, 高帆, 等, 2023. 冷涡影响下两次不同类型强对流过程对比分析[J]. 干旱气象, 41(2): 279-289. DOI
[4]	丁一汇, 李鸿洲, 张名立, 等, 1982. 我国飑线发生条件研究[J]. 大气科学, 6(1): 18-27.
[5]	董文晓, 苗爱梅, 屈志勇, 等, 2016. 近35年山西飑线天气的时空分布特征及概念模型[J]. 中国农学通报, 32(17): 165-171. DOI
[6]	郝寿昌, 2016. 山西省天气预报技术手册[M]. 北京: 气象出版社:352-354.
[7]	雷蕾, 孙继松, 陈明轩, 等, 2021. 北京地区一次飑线的组织化过程及热动力结构特征[J]. 大气科学, 45(2):287-299.
[8]	李强, 苗爱梅, 王洪霞, 等, 2023. 山西省雷暴大风的统计特征及概念模型[J]. 干旱气象, 41(3): 423-433. DOI
[9]	李斯荣, 苗爱梅, 王洪霞, 2019. 山西秋季一次飑线过程的云图特征及维持机制[J]. 干旱气象, 37(2): 312-321.
[10]	李朝华, 王磊, 衡志炜, 2020. 突发性强对流天气快速识别预警改进方法[J]. 高原山地气象研究, 40(3): 10-17.
[11]	黎玥君, 马昊, 勾亚彬, 等, 2024. 冷涡影响下杭州湾一次区域性极端大风的演变和机制分析[J]. 气象, 50(1): 71-83.
[12]	马淑萍, 王秀明, 俞小鼎, 2019. 极端雷暴大风的环境参量特征[J]. 应用气象学报, 30(3): 292-301.
[13]	苗爱梅, 董春卿, 王洪霞, 等, 2017. “0613”华北飑线过程的多普勒雷达回波特征[J]. 干旱气象, 35(6): 1 015-1 026.
[14]	农孟松, 翟丽萍, 屈梅芳, 等, 2014. 广西一次飑线大风天气的成因和预警分析[J]. 气象, 40(12): 1 491-1 499.
[15]	屈梅芳, 俞小鼎, 农孟松, 等, 2021. 一次弱垂直风切变环境下飑线发展维持的成因分析[J]. 暴雨灾害, 40(5): 466-473.
[16]	盛杰, 郑永光, 沈新勇, 等, 2019. 2018年一次罕见早春飑线大风过程演变和机理分析[J]. 气象, 45(2): 141-154.
[17]	王明秀, 俞小鼎, 周小刚, 等, 2012. “6·3”区域致灾雷暴大风形成及维持原因分析[J]. 高原气象, 31(2): 504-514.
[18]	韦惠红, 吴翠红, 魏凡, 等, 2023. 湖北雷暴阵风锋特征及其对流触发作用分析[J]. 干旱气象, 41(1): 73-81. DOI
[19]	姚叶青, 俞小鼎, 张义军, 等, 2008. 一次典型飑线过程多普勒天气雷达资料分析[J]. 高原气象, 27(2): 373-381.
[20]	俞小鼎, 王秀明, 李万莉, 等, 2020. 雷暴与强对流临近预报[M]. 北京: 气象出版社.
[21]	张桂莲, 赵艳丽, 黄晓璐, 等, 2019. “9·24”内蒙古东南部致灾飑线过程成因分析[J]. 暴雨灾害, 38(1): 41-47.
[22]	张宁, 苏爱芳, 史一丛, 2017. 2014年一次飑线的发展维持原因分析[J]. 气象, 43(11): 1 383-1 392.
[23]	赵桂香, 申李文, 闫慧, 等, 2020. 一次由气旋发展与边界层东北气流触发的强对流天气分析[J]. 海洋气象学报, 40(2): 29-39.
[24]	赵海英, 董文晓, 赵珺, 等, 2016. 2015年5月山西中南部一次飑线天气过程分析[J]. 中国农学通报, 32(11):127-132. DOI
[25]	FUJITA T, 1955. Results of detailed synoptic studies of squall lines[J]. Tellus, 7(4): 405-436.
[26]	MENG Z Y, YAN D C, ZHANG Y J, 2013. General features of squall lines in East China[J]. Monthly Weather Review, 141(5): 1 629-1 647.