7．2．4 飑 线
飑线是具有强烈对流的中尺度对流系统，其水平尺度约150～300km，生命期一般4～10小时。如果将形状近于圆形的中尺度对流系统(如MCC)称为团状的对流系统，那么，飑线则是线状的中尺度对流系统。飑线是强天气中破坏性最强和最大的，沿飑线经常可见到大风、强雷暴、强降水和冰雹等天气现象，有时还伴有下击暴流或龙卷，带来灾害性的破坏。因此，在强天气分析预报中，飑线也是最被重视的对象之一。
1．飑线的一般特征
飑线是在有利的大尺度环境条件下形成的，这些条件主要包括：大气层结呈条件性不稳定；低层水汽充沛；中空有干、冷空气入侵；高、低空存在急流并恰当耦合以及大气中具有某些动力机制以释放不稳定能等。总结表明，飑线最可能在发展中的地面低压东南方湿舌附近发生；高、低空急流相交区是最可能发生飑线的落区。
在有利的大尺度环境中，从对流单体发生，到组织成为线状的中尺度对流系统，具有多种方式。Bluestein(1984)根据美国中部地区11年40次飑线过程分析，总结出如图7.16所示的四种类型，为飑线的识别提供了方便。
飑线形成后，在其成熟阶段，伴有一系列中尺度特征，导致地面气象要素呈现急剧变化。根据观测主要有四方面特征：
(1)冷空气丘
冷空气丘呈浅圆顶形，发生于飑线后方下沉气流低层，通常称其为
引起18～28m/s风速。在下降气流前缘附近，即飑线两侧有明显的水平温度梯度，通常5℃/50km，强的可达1℃/km。因而飑线过境，温度急降。
(2)气压跳跃线
位于雷暴高压前缘，水平气压梯度约1hPa/km，造成气压倾向1hPa/(min)，导致飑线过境，气压剧增。
(3)飑锋
飑线后方强下沉出流的前缘，其两侧常伴随风向急变和风速剧增。由于下沉空气来自对流层中层，风速较强，加之雷暴高压区强水平气压梯度的加速，造成的风速很强，可酿成灾害性破坏。
(4)中尺度低压
常位于飑线后方，因而又称尾流低压。有时在飑线前方也观测到中尺度低压或低压槽，称为前中低。
如图7.17是根据详细自记纪录到的一次强飑线袭击华东地区所引起的地面气象要素变化。飑线过苏州气压涌升4hPa/15min，过东山气温骤降5℃/5min，过南京引起25.9m/s的大风，经苏州的最大瞬时风速达31m/s，并伴有短时强降水和冰雹。
2．中纬度飑线
中纬度大陆地区，包括中国和美国中、东部等地，春夏季节经常观测到飑线活动。从环境场分析，飑线可出现在对流层中上部偏南气流型中，也可出现在偏北气流型中；有的出现在地面冷锋前或气旋波的暖区，有的出现在冷锋后，也有的出现在冷、暖锋上或切变(辐合)线附近。在偏南气流型中，位势不稳定的建立主要通过差动的湿度平流；而在偏北气流型中，差动的温度平流对位势不稳定的建立起了主导作用。在中纬度地区，高、低空急流及其有利的配合，对飑线活动有多方面的影响。和干线联系的干暖盖，对能量的积累和飑线的触发有突出作用。在一次强天气过程中，通常只有一条飑线活动，有时可先后出现几条飑线，组成飑线群，这种情形对天气影响更大。
中纬度飑线的结构，尽管各飑线间存在细节上的差别，但却显示出常见的特征，包括中低层上升气流的逆切变倾斜、低层暖湿空气入流和中层干冷空气入侵，以及飑线后方低温的下沉气流等。在过去，几乎所有的对飑线结构的研究都局限于单站探空的时间剖面分析，因而缺乏对某些关键变量例如水平散度和垂直速度空间分布的定量描述。Ogura等(1980)利用美国国家强风暴实验室(NSSL)提供的加密观测资料，采用合成分析方法，详细研究了1976年5月22日通过NSSL站网强飑线的热力、动力结构，其结果有一定的代表性。
如图7.18给出横截飑线剖面上相对于飑线的u、v速度分量、垂直速度ω及由u、ω合成而来的二维气流分布。由图7.18a可见，在低层飑线前部存在强的相对入流，速度约-15m/s；后部有同样强度的相对出流，出流和入流之间几乎是静风。在高层，飑线前方约200hPa层有一个出流的极大区，厚度约250hPa；后方300hPa层附近也存在一个出流区。在对流层中层，有气流从后部流入。图7.18b表明，风暴前低层是偏南风，且正值v动量向上和向北输送，形成一条倾斜的正值v动量带。这条带的右侧(飑线前部)环境场是偏西风，左侧是偏北风，偏北风区域由强出流所控制。图7.18a、b揭示出一个很重要的特征：上升气流到达高层出流区前，空气的水平动量u、v近于守恒。这个特征和云中的垂直速度足够大有关。散度场表明，低层飑线前缘附近为辐合，后方为辐散，高层也表现出辐散特征。在对流层中层飑线后方约120km的550hPa层附近，由于起源于低层入流层的大水平动量向上携带，和中层进入的空气相遇，而产生第二个最大辐合区。与此对应，形成了两个上升气流中心(如图7.18c)，分别位于飑线后方700和400hPa附近，量级达3×10-2hPa·s-1。在上升气流带的左下方存在下沉气流，中心位于飑线后方100km的700hPa附近，强度大于上升气流速度。飑线区涡度分布的主要特点是中低层为气旋式涡度，而高层为反气旋式涡度，显然，这种特征受散度场制约。二维合成流场(如图7.18d)清晰地显示，从地面到500hPa深厚层次内，都是流入飑线的气流，这与环境西风同飑线移速相比较弱，以及环境西风垂直切变较小有关。中层从飑线后部的入侵气流也是明显的。
剖面上的相当位温(θe)揭示出，与上升气流对应的是高θe区，而与后部下沉气流对应的则是低θe空气；沿流线θe并非常量。水汽混合比场表明，湿舌沿上升气流向上和向后延伸。在飑线后部的下沉气流区内。是低值混合比。这些特征反映了飑线区不同属性空气的来源，并和飑线大气特征对应。
需要指出，上述结构是飑线成熟阶段的平均特征，实际上飑线的天气和相应的结构是变化的。通过NSSL站网的这条飑线宽度随时间增大，其前缘有的峰值降水随时间减小。这种减小和低层相对入流强度及高层相对出流强度随时间减小相对应。Ogura设想，在飑线发展的初期阶段，其前缘附近存在一个上升气流最大值；当飑线继续发展，大值u动量在倾斜上升气流中被向上携带，和来自中层的入流空气相遇，造成第二个辐合(上升)最大。对一些实例的观测表明，这种结构演变过程与深对流积雨云的迅速增长有明显的关系。
应当注意，对中纬度飑线，不仅要特别关心其强烈的对流部分，还要注意其尾随的层状降水区。如图7.19是通过详细的个例分析概括的中纬度成熟飑线的概念模式。图中最外的扇形线表示云区范围，最外围的实线标志可探测的雷达回波等值线，其中闭合的粗实线为强回波，点影区表示相对系统的风自左向右(即从后向前)，其他地方的相对气流从右向左，斜影区表示此气流中层最强，且范围最广，细实箭矢线表示相对流线，星号和双箭矢线表示设想的冰粒轨迹，“H”和“L”分别表示地面中高压和中低压位置。由图可见，在飑线系统前缘对流区后方2～4km高度，显示出一个明显的亮带，近于水平分布，且位于融化层以下，这就是飑线的尾随层状降水区，其水平范围达100km量级。层状降水区在系统初生后约12小时达最强。中层向后的相对运动在融化层以上达最大。这种由前向后的相对气流将对流区外的冰粒输送到层状区，当冰粒降落融化，便在雷达上出现标志层状区的亮带。中层向后的流动显然会和后部的入流相遇，这种反向气流之间倾斜的界面，标志尾部层状区的云底高度。
我国春末、夏季亦多飑线活动，例如，据统计1970—1986年17年间，发生在华北平原的飑线达146条，平均每年近9条。可能出现飑线的最早和最晚时间分别为4月下旬和9月下旬，以6～7月居多，其频率占全年的70％。一天中13～16时发生飑线的频率最高，达84％。飑线多在19时后消失，约占90％。飑线生成后的移动路径主要有三条：①自西北向东南移动(包括由北向南和由西向东)，占90％；②自西南向东北(或自南向北)移动，占6～7％；③自东北向西南移动，此类极少，不足4％。分析表明，不论飑线移动取何种路径，其动向均受大尺度环境气流制约。
图7.20分别给出影响北京地区西北路和东北路飑线的实例。如图7.20a是西北路飑线成熟阶段的例子，前述的飑线附近要素场特征均可见到。紧靠飑线的前方为中低压，后方存在中高压；飑线附近流场辐合，飑线后方流场辐散；飑线前、后分别为暖区和冷区；飑线附近等压线和等温线密集，水平气压梯度和温度梯度分别达2hPa/10km和1℃/10km，这里也是强风和强天气的所在。如图7.20b是东北路飑线及其相伴的大风等时线。飑线于1991年8月10日约15时在平泉和遵化之间生成，其后向西南方移动，约18时影响北京地区，20时后在易县和石家庄之间消失。这两次飑线过程均带来雷雨、冰雹，并伴有大风和飑(风速大于17m/s)等强烈对流天气。特别是飑线后方强冷出流引起的强风已冲到飑线的前方，强风的前缘(即飑锋)位于飑线之前(如图7.20b)。据详细资料分析，这次过程引起的大风平均14～16m/s，最大达20～22m/s，强风超前雷雨的时间约5～20分钟，因而飑线来临时常出现先见强风、后降雷雨的所谓“风是雨的头”的独特现象。
3．热带飑线
热带海洋地区，由于水汽充沛和层结常呈条件性不稳定而多对流活动。但观测表明，热带地区极少发现孤立的积雨云，大部分积雨云常集合在中尺度对流系统内，飑线就是其中的一种。它们的通常特征是对流单体群呈现组织化，以至使系统作为一个整体运行。
与中纬度飑线相比，热带飑线有与其相似和相异的特征。二者相似表现在飑线系统的天气都含有前缘强烈对流区和尾随的层状区；在飑线结构上，二者都有两支来自环境的入流作为环流的骨架等。二者的主要差别表现在环境风切变和热力学结构上。在热带，风的切变较弱，因而热带飑线不经常出现像中纬度飑线那样向前伸出的云砧；热带的弱不稳定导致垂直气流比中纬度弱，只有2～5m/s，而在中纬度，通常比热带强2.5倍，因此，在热带地区最初的雷达回波比中纬度的高度要低。此外，大部分热带飑线个例来自海洋野外试验，如全球大气研究计划大西洋热带试验(GARPGATE)，常处于弱天气尺度形势强迫下，而中纬度的许多研究则和强的陆地对流联系，且常和强天气尺度强迫相关。研究表明，热带和中纬度地区科氏参数的差别对中尺度飑线系统不是重要的。
如图7.21是根据上述热带试验期间个例研究的相当湿球位温(θm)结构，以及雷达和飞机观测资料综合而得的关于热带飑线的合成分析。图中表示了这种系统中的所有主要气流，可看成是热带飑线的概念模式。在飑线区有一支来自前方边界层的对流上升气流，其层结呈对流不稳定。在对流层中层，上升气流时空分布不均，中层环境低θm空气可以从前向后通过对流上升区，来自较新较强单体群的上升空气在飑线区形成高耸的云塔，构成飑线系统的强烈对流区；而来自较老较弱云塔的上升气流充满广宽的尾随云砧区，在融化层以上逐渐倾斜，组织成中尺度上升气流，构成飑线系统的层状降水区。
飑线系统中有两支下沉气流，一支是对流尺度的饱和下沉气流，它在对流层中层和环境空气有明显的混合。这支对流下沉的空气在砧云下方的最低层展开，其中一部分流向前方，增强对流区的辐合，另一部分向系统后方流去。图中宽形箭矢表示的是另一支中尺度下沉气流，它是来自飑线系统前方和侧面空气的组合。侧面空气起源于融化层下方，而且在垂直方向上被0℃层以上速度约10m/s的中尺度上升气流分开，二者间的界面可视为相变切变带。这支中尺度下沉气流是未饱和的，而且通过融化和降水蒸发而冷却。中尺度上升气流下方的降水和下沉气流的强度均较小，与系统前缘单体群下方相比更具层状特征。在云砧下方，流向系统尾部的近地层对流尺度下沉气流和其上方中尺度下沉气流之间由一个稳定层隔开，其底高约100～400m，顶高1000～1500m，表明稳定层上下两支气流具有不同的来源和特征。