1 引言
强对流天气主要由中小尺度天气系统影响造成， 预报难度大， 一直是预报工作中的难点， 特别是对流的初生及可能的演变机制是强对流天气预报面临的主要挑战（Olsen et al， 1995； Fritsch et al， 2004）。21世纪以来， 随着新一代天气雷达、 区域自动气象站、 气象卫星以及闪电定位系统等探测技术和能力的提高， 强对流天气预报预警业务在我国受到了重点关注。气象工作者在强对流天气分析预报（张小玲等， 2010； 郑媛媛等， 2011； 孙继松等， 2014； 许爱华等， 2014； 许东蓓等， 2015； 张一平等， 2013）、 短时临近预报预警（俞小鼎等， 2006， 2012， 2020）和分类强对流概率客观预报方法（雷蕾等， 2012； 曾明剑等， 2015）等方面进行了大量研究， 提高了我国强对流天气形成机理和发展规律的认识。众所周知， 在满足水汽、 不稳定层结条件的情况下， 对流天气的产生需要一定的抬升条件， 触发对流的抬升条件大多由低层大气中尺度系统提供， 如锋面、 干线、 边界层辐合线包括阵风锋、 海风锋和地形辐合线等， 还有中尺度地形（俞小鼎等， 2006， 2012， 2020）。在强对流天气触发方面， 以往我国学者更多关注于冷锋、 阵风锋、 海风锋以及地形等， 对干线触发对流研究很少。干线概念来自美国（Fujita， 1958； Rhea， 1966； Schaefer， 1974a， 1974b）， 其两侧具有很强的绝对湿度（露点或混合比）梯度但温度梯度较小， 是美国洛基山以东的南部平原到西部高原中间地带具有缓坡地形的区域经常出现的现象。干线与强对流天气的发生发展密切相关， 研究表明（Peterson， 1983； Schaefer， 1986； Ziegler et al， 1998； Thompson et al， 1999； Parsons et al， 2000； Hoch et al， 2005）， 干线是美国中南部触发强对流天气的一种重要机制。
我国在20世纪70 年代末， 雷雨顺等（1978）提出了能量锋概念， 认为冷锋前暖区内常有温差较小而露点差较大的中尺度能量锋， 与能量锋配合存在一条东西走向的中尺度辐合线， 强对流天气容易出现在能量锋区附近。孙淑清等（1992）利用地面资料分析了一次北京地区受中-β尺度干线影响的强对流暴雨过程， 发现干线两侧分别为干热空气和暖湿气流， 干热空气由边界层向下逐渐扩展， 在其下沉过程中受山地下坡地形影响， 导致强烈减湿增温从而形成干线并触发对流性暴雨。我国夏季暴雨过程中常常见到低层的露点有较大的不连续， 此露点梯度较温度更为明显， 边界层准静止露点梯度大值区也是中尺度暴雨的触发机制之一（王晓玲等， 2015）。2009年后， 随着我国中尺度天气分析业务的开展， 作为强对流天气重要触发机制之一， 气象业务和科研工作者对干线的分析和研究逐渐得到重视。王秀明等（2012）通过对2009年豫东强飑线分析， 认为飑线发展、 维持的原因是飑线的自组织结构， 干线及叠加在干线上扰动触发的新生回波带不断并入飑线北端使其持续强烈发展。王秀明等（2015）在分析东北地区龙卷的环境背景时发现， 东北地区龙卷母风暴主要由干线及其伴随的强边界层辐合触发而产生。综上可知， 我国干线也是触发深厚湿对流天气的重要系统之一。
最近， 方祖亮等（2020）基于常规地面观测、 高空观测和卫星、 雷达资料， 对2003 -2017年东北地区暖季（5 -8月）干线时空分布、 气象要素等进行了统计分析， 并对干线对流和无干线对流环境参数进行了统计对比， 这标志着我国强对流天气的研究开始向新的方向迈进， 填补了我国干线系统研究的空白。干线的形成与地形有很大关系， 除东北地区外， 我国其他地区也有干线出现。河套及周边地区主要位于内蒙古高原和黄土高原， 西部多为沙漠戈壁， 中部有一定的植被覆盖， 东部为华北平原， 总体地势西高东低， 具有与干线多发的美国西南部洛基山东侧和我国东北地区相似的地形、 地势条件， 雷暴、 冰雹、 短时强降水等对流性天气时有发生（许东蓓等， 2018； 王研峰等， 2019； 胡启元等， 2020； 张桂莲等， 2020）。特别是暖季， 在副高控制下， 来自南海（有时包括东海）的低层暖湿气流与我国河套地区干暖气团之间容易形成干线。而目前为止对河套及周边地区干线的相关研究还很少见。因此， 很有必要对此地区干线开展较为系统的分析， 研究干线触发雷暴和强对流的天气特征， 丰富我国强对流天气触发机制的认识。图1给出了河套及周边地区卫星地图（来自Micaps4.5）， 为分析河套及周边地区干线特征， 其上标示出了河套北部、 西北部、 东北部、 内部的大致位置， 其中东北部主要指山西北部、 河北西北部与内蒙古交界处， 西北部为内蒙中西部的部分地区。
2 资料、 方法与个例选取标准
2.1 资料与干线标准
所用资料为2013 -2017年5 -9月暖季高空、 地面、 卫星云图等观测资料。研究范围为103°E -118°E、 33°N -43°N， 主要包括河套及其周边地区（简称河套地区）。
关于干线的标准， 从国内外相关研究来看， 目前还没有统一的标准。根据当地实际情况和研究内容的不同， 干线的定义和标准也有所不同（Rhea， 1966； Schaefer， 1973； Peterson， 1983； Hoch et al， 2005； 方祖亮等， 2020）。由于本文主要是对干线触发对流天气进行分析研究， 其次考虑预报员对用露点表示水汽条件较易接受， 另外， 在实时地面天气图中露点能够及时方便获取， 因此本文将干线标准规定为在地面图上， 100 km内露点差在10 ℃以上（或者60~80 km内露点差在8 ℃以上）， 而温度差远小于露点差， 同时14:00（北京时， 下同）干空气一侧温度等于或略高于湿空气一侧温度。
2.2 个例选取标准
按照上述地面干线标准， 在研究区域结合天气实况、 卫星云图、 重要天气报， 对1天8次地面资料普查分析， 挑选出干线触发对流天气的研究个例。个例选取需满足以下3个条件： （1）地面图上， 现在、 过去天气现象有雷阵雨或阵雨（2014年后取消雷暴观测， 无雷阵雨， 需有阵雨）； （2）对流云生成和减弱期间， 相应区域至少有一站或以上有雷暴大风或冰雹重要天气报告； （3）与干线对应的卫星云图上多有线状或准线状对流云发展， 从间隔0.5 h卫星云图上识别的对流云有明显日变化， 排除大范围系统性降水云系。按照干线标准和上述个例选取标准， 对2013 -2017年5 -9月逐日资料进行普查， 共挑选出52次干线触发对流个例。需要说明的是， 根据上述标准， 在对逐日资料普查时， 剔除了冷锋、 弱冷空气、 非干线标准的地面辐合线、 地形等触发的对流过程， 确认所选个例初始对流与地面干线有明显关系。
2.3 研究方法
本文主要基于中尺度天气学和统计分析方法， 首先普查2013 -2017年每年5 -9月每天2次高空图、 8次地面图和间隔0.5 h的卫星云图， 对挑选出的52次河套地区干线触发对流的天气个例， 分析每个个例高空、 地面图及卫星云图， 统计河套地区触发对流天气的时空分布、 干线地面要素、 探空资料及环境参数特征， 初步给出定量统计结果。
在分析统计过程中， 发现我国地面站点分布很不均匀， 相邻两站之间的距离， 不同地区有较大差距， 特别是河套西部、 北部相邻观测站的距离明显大于河套南部和东部。因此在主观识别干线的基础上， 主要基于MICAPS4.5系统调取地面填图资料， 利用要素分析功能， 选取变分法对露点进行间隔1 ℃的等值线客观分析， 为便于清楚和直观显示干线的位置， 对间隔1 ℃的露点等值线进行填色（方案选Visib）处理。干线长度和宽度的统计用MICAPS4.5系统中的球面距离工具计算获取。文中底图来自中华人民共和国自然资源部批准的GS（2019）3082号的电子地图制作。
3 干线空间、 时间分布和云系特征
在研究河套干线要素和环境参数等特征前， 首先需要了解河套地区干线多发区和集中时段， 并简要统计干线的时空分布。
3.1 空间分布和云系特征
为了直观显示干线的发生区域， 图2给出了2013 -2017年河套地区的干线分布， 需要说明的是， 图2中干线位置是根据52次个例中干线最强时间的露点差最大处（露点梯度大值区的中间）用中尺度分析工具描绘。由于河套地区地形较东北地形复杂， 相对于东北干线（方祖亮等， 2020）而言， 河套干线分布及其走向也比较复杂。为便于说明问题， 根据出现区域不同， 将干线大致分为河套北部-西北部、 北部-东北部、 河套北部-内部、 河套内部和其他等几种（具体位置参见图1）。从干线的走向看， 河套北部-东北部干线走向以纬向分布为主， 多呈准东西向或东东北、 西西南走向； 河套北部-西北部干线总体呈东北-西南走向， 受河套平原（河套北部附近）测站数据（露点往往偏大）影响， 在河套平原附近有明显折角； 河套内及其东部干线以经向分布为主， 多呈准南北或北东北-南西南走向。这种不同走向的干线分布与河套地区复杂的地形有很大关系。尽管整体上看河套地区多位于高原高海拔地区， 东部为平原地带， 但从图1地形图上可以看出， 河套北部附近有狭长的河套平原， 河套西部有宁夏平原， 而位于河套以东的山西省地形更加复杂。受地形和地面观测站不同海拔的影响， 使得河套及周边地区干线较我国东北地区干线分布呈现出更为复杂的走向和分布特征。
图3（a）给出了河套地区干线发生区域相应的统计次数， 其中河套北部-东北部出现次数最多， 有17次， 其次为河套北部-西北部和河套内部， 均为11次， 河套北部到河套内部出现7次。总体来看， 河套北部（包括西北和东北）共出现28次， 占53.8%； 河套内部（包括河套北部-内部）18次， 占总数的34.6%； 其他地区出现次数较少。可见， 干线主要分布在河套北部（包括西北和东北）和河套内。图3（b）是52次干线长度的散点分布。从图3（b）中可以看出， 河套干线长度多在300~800 km， 集中出现在400~700 km， 统计结果表明， 干线长度多在α中尺度， 这与暖季我国大陆多为大范围暖低压或低压带、 河套以东多位于东南沿海高压后部有密切关系。从干线宽度看， 52次个例中有41次干线宽度在80~100 km， 占总次数的78.8%； 11次在60~80 km， 占总次数的21.2%（图略）。
分析52次触发对流干线对应的卫星云图， 对流云带长度通常小于干线长度， 由于卫星云图的时空分辨率高于地面图观测记录， 因此， 地面干线最强时间不能完全反映出对流云生成的时间， 即对流云生成的时间和地面干线最强时间有时不能很好对应。相对于干线最强时次的干线位置而言， 对流云往往出现在干线湿空气一侧附近或距干线几十到百十公里范围内。从干线触发对流云的形状特征看， 52次个例中， 明显线状对流云有15次， 准线状32次， 另外5次无明显线状特征。可见， 线状、 准线状对流云是河套地区干线触发的对流云的主要特征。
如2017年9月21日河套地区出现了一次干线触发线状对流云并造成大范围强对流天气的典型个例， 从21日14:00地面观测和FY-2G 静止气象卫星可见光云图（图4）中可以看出， 11:00（图略）蒙古东部气旋发展， 中心气压低至1000 hPa， 河套地区位于气旋底部， 在乌拉特中旗到银川东部出现明显干线， 干线两侧温度在22 ℃左右， 湿侧露点在8~9 ℃， 干侧露点在-9~-8 ℃， 同时伴有偏西风和偏南风辐合（汇合）。12:00 -13:00， 在干线湿空气一侧沿着干线有线状对流云生成并发展（图略）。14:00地面图上， 蒙古气旋进一步发展， 中心气压降至997.5 hPa， 干线东移至呼和浩特到延安北部一线［图4（a）］。干线两侧温度升高， 湿侧温度在22~27 ℃， 干侧温度在23~28 ℃， 略高于湿侧。同时露点较11:00也有所升高， 湿侧露点多在8~12 ℃， 干侧附近露点多在-5~-3 ℃， 干线两侧相邻站点露点差值多在10~15 ℃。由于气旋的发展， 干线两侧偏西风和偏南风风速有所增大（4级左右）， 汇合性流场进一步增强。14:00卫星云图上［图4（b）］， 与干线对应的河套线状对流云进一步东移， 在干线湿空气一侧附近沿着干线已有雷暴发展（甘南和陕北已出现雷阵雨， 受降水影响温度略有降低）。随后， 此线状对流云在继续东移的过程中在山西、 河北等地出现了大范围飑线雷暴大风、 局地冰雹等强对流天气， 这是河套地区干线触发线状对流云并造成大范围强对流天气的一次典型个例。
图4 2017年9月21日河套地区干线14:00地面图（a， 红色数字表示温度， 蓝色数字表示露点， 黑色连续半圆线表示地面干线位置）和FY-2G可见光卫星云图（b）Fig.4 The surface chart （a， the red numbers indicate the temperature， the blue numbers indicate the dew point， and the black continuous semicircle lines indicate the location of the dryline on the ground） and FY-2G satellite image of visible light（b） at 14:00 of the dryline in Hetao area on September 21， 2017 |
3.2 时间分布
从2013 -2017年河套地区干线出现时间分布（图5）看， 干线出现次数年际变化大， 最多出现在2013年， 为17次， 最少出现在2015年， 仅为5次， 年平均次数为10.4次。月变化看， 干线触发对流天气集中出现在6 -8月， 其中6月最多为16次； 5月和9月出现次数较少， 分别为6次和3次。另外在普查统计时发现， 干线持续时间有明显的连续性。52次个例中， 有11次是连续2天或以上出现干线对流， 最长为2013年8月1 -4日， 连续4天在河套北部、 东部出现干线并触发对流天气。干线出现的时间可以看出， 14:00出现次数最多， 共计49次， 占总数的94.2%， 且绝大多数个例14:00地面图上干线特征最明显。其次为17:00， 共36次， 占总数的69.2%， 11:00和20:00出现次数较少， 仅为10次。从干线的持续性来看， 14:00 -17:00出现次数最多， 为24次， 14:00为13次， 11:00 -20:00干线维持有6次， 其他时次均较少， 当天20:00至次日08:00干线减弱， 达不到本文干线统计标准。由此可以看出， 与对流天气相关的河套干线具有明显的日变化特征， 干线多出现在白天（11:00 -17:00）， 集中出现在14:00 -17:00（图略）。
4 干线触发对流的天气背景和影响系统
真实的天气过程是多种尺度天气系统和多种因子共同作用的结果， 干线的形成及干线触发对流除了与大气层结不稳定及水汽等条件（后面有统计分析）有关外， 还与天气背景和影响系统有关。通过分析52次个例的高空图（图6）可知， 500 hPa河套地区干线触发对流天气多发生在西北气流和蒙古低涡形势下。其中24次（46.2%）发生在西北气流形势下， 这种形势下中高纬度多为西高东低的位势高度场， 东北地区附近常为深厚低涡； 22次发生在蒙古冷涡形势下（其中18次河套地区受蒙古冷涡南部低槽影响， 2次受蒙古冷涡南部槽后西北气流影响， 2次受蒙古低涡南部偏西气流影响）。此外平直西风环流形势下干线对流天气出现6次， 次数较少。700 hPa有29次存在河套低槽（或浅槽）， 占总数的55.8%； 其次为西北气流， 有20次， 占38.5%， 西南和偏西气流很少， 仅为3次。850 hPa有46次有切变线（或辐合线）， 占总数的88%［图6（c）］， 850 hPa位势高度多在1500 m， 河套地区海拔多在1000 m以上， 与地面非常接近， 与干线相伴随的边界层辐合切变线对河套地区对流的产生起到触发作用， 伴随中尺度上升气流， 易导致深厚湿对流的产生。
以上分析可以看出， 干线触发对流天气个例中， 高空多受西北气流和蒙古低涡影响， 两种形势下， 受槽后下沉增温和海陆下垫面性质差异的影响， 使得暖季我国大陆地面常出现暖低压或低压带。低压后部多为源于新疆、 内蒙古西部和蒙古国等地的干暖空气， 经过高原地形下沉增温和辐射增温， 再加上下垫面多为高原、 荒漠和草原， 水汽较少， 使得河套北部、 西部地面常出现更加暖而干的空气。而受夏季风影响， 在河套及附近的南部、 东部近地面多为明显的暖湿气流， 暖干和暖湿气团相遇时往往形成露点梯度大值带。
干线的形成与地面形势有很大关系， 不同的地面形势对干线强度也有重要影响。研究表明， 与大尺度的变形场在锋生过程中所起的作用类似， 大尺度的变形场对干线形成具有重要作用。美国西南地区干线强度与大尺度汇合流场强度成呈正相关， 而大尺度汇合流场强度本身又与落基山背风坡低槽密切相关， 落基山背风坡地面气压场上的低压槽将墨西哥湾的暖湿气流吸引向西北， 而将美国西南或墨西哥北部的干暖空气吸引向东北， 背风坡低槽越强， 汇合流场就越强， 干线强度就越大， 触发深厚湿对流的可能性就越大（Schultz et al， 2007）。分析我国河套及周边地区干线的地面形势［图6（d）］， 可知干线多发生在东高西低的气压场（大陆暖低压前部和沿海高压后部）中， 东部均为沿海高压。这与我国显著的季风气候有直接关系。52次个例中有32次（61%）发生在大陆暖低压前部或底部， 16次（31%）发生在蒙古气旋（或低压）底部或前部， 需要说明的是， 蒙古低压属于大陆暖低压的一种， 因其多出现在蒙古低涡形势下且地面常有气旋特征因而进行单独分类。另外4次发生在大陆暖低压带前部。地面大陆暖低压或蒙古低压前部多盛行偏西干暖气流， 沿海高压后多盛行偏南气流， 暖湿空气不断向北输送， 这支气流在华北大多来源于我国东部海面， 受黄土高原影响转为偏南气流。暖低压底部或前部的暖干空气与沿海高压后部的偏南暖湿空气在河套地区多形成汇合流场， 尤其是蒙古气旋或低压维持时， 河套地区多位于其底部， 偏西与偏南风的汇合流场更明显， 从而在河套地区多形成干线并触发对流天气（图4）。
以上天气形势分析可以看出， 河套干线多发生在西北气流和蒙古低涡形势下， 边界层多伴有辐合线或切变线， 地面图上主要位于大陆暖低压、 蒙古低压（气旋）底部或前部的辐合流场中。
5 干线两侧地面气象要素和探空环境参数特征
暖季对于河套地区来说， 受地形影响多有干线出现， 干线与对流发展有明显关系。实际业务中， 对于触发对流的干线来说， 干线两侧地面气象要素和探空环境参数特征是值得我们关注的重要问题。为此， 普查了52次干线个例的地面和高空气象要素和环境参数， 统计其分布特征， 为进一步增强对河套地区干线触发对流天气的认识提供帮助。
5.1 干线两侧地面要素特征
气压、 温度、 湿度和风向、 风速是重要的地面气象要素， 各种气象要素不同的分布对天气的变化有不同的指示意义（陶祖钰等， 2016）。以下分析统计了52次个例干线最强时次其两侧温度、 露点、 风向和海平面气压。另外还统计了干线两侧温度、 露点和海平面气压差值（或梯度）。
5.1.1 干线两侧温度、 露点和气压及相应差值
在分析统计过程中， 干线两侧气象要素主要为平均值， 对于东北、 西南向干线， 由于其南北跨度较大， 两侧的气象要素南北方向上有时也存在一些差异， 统计时主要选择干线中间点（同时也兼顾干线触发对流位置）附近干线两侧的气象要素值。图7给出了各种气象要素统计结果的箱线图， 该图能够直观地反映各要素最大值、 最小值、 主体分布、 平均值和中位值等统计特征。图中线的最上端表示统计的最大值， 最下端表示统计最小值， 箱体上限为75%分位数， 下限为25%分位数， 箱内横线为中位线， 圆点表示平均值（箱线图说明下同）。为了清楚说明问题， 表1给出了与箱线图对应的主要特征值。首先， 从温度统计［图7（a）］来看， 湿侧温度（T_wet）均值在28.5 ℃， 干侧温度（T_dry）均值在30 ℃， 干侧平均温度略高于湿侧。两侧温度最小值在23 ℃， 下限25%分位值在28~29 ℃， 也即干线触发对流天气的温度都在23 ℃以上， 75%的个例的干侧温度位于23~30 ℃， 最高温度在36~38 ℃。对于干线触发对流的个例来说， 干线东侧近地面为明显的暖湿气流。实际业务中常用等露点线表示湿度场， 普查上述个例等露点线， 可以看出干、 湿两种不同性质气团分界线（干线）附近的等露点线非常密集。统计结果为干线湿侧露点（Td_wet）均值在13 ℃， 中间50%（25%~75%百分位）集中在12~15 ℃， 而干侧露点（Td_dry）均值仅在2℃， 中间50%（25%~75%百分位）集中在-2~4 ℃， 湿侧露点明显高于干侧， 当然这也是干线的确认所要求的。干线两侧的海平面气压统计结果来看［图7（b）］， 湿侧均值在1001.8 hPa， 干侧均值在999.4 hPa， 湿侧海平面气压略高于干侧。另外， 从图7可以看出， 露点离散度较温度离散度明显增大， 其中干侧露点离散度最大， 而干线两侧温度较露点更集中， 海平面气压湿侧和干侧离散度分布基本相当。
图7 2013 -2017年河套地区干线两侧地面气象要素百分位分布Fig.7 Box diagrams of percentage distribution of surface meteorological elements on both sides of drylines in Hetao area from 2013 to 2017 |
表1 2013 -2017年河套地区干线两侧地面气象要素统计表Table 1 Statistics of surface meteorological elements on both sides in Hetao area from 2013 to 2017 |
| 平均值 | 最小值 | 下四分位数 | 中位数 | 上四分位数 | 最大值 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 温度/℃ | 湿 | 28.5 | 23 | 28 | 28.8 | 30 | 36 |
| 干 | 30 | 23 | 29 | 29.9 | 31 | 38 | |
| 露点温度/℃ | 湿 | 13 | 5 | 12 | 13.2 | 15 | 20 |
| 干 | 2 | -10 | -2 | 1.1 | 4 | 8 | |
| 气压/hPa | 湿 | 1001.8 | 993.4 | 998.9 | 1001.5 | 1003.1 | 1009.5 |
| 干 | 999.4 | 991.1 | 998 | 1000 | 1002.4 | 1007.2 | |
图8给出了干线两侧温度、 露点和气压的差值（均为湿侧减去干侧）。从图8中可以看出， 干线两侧温度和气压变化不大， 干侧温度和湿侧温度相当， 或略高于湿侧温度（最大高于3 ℃）， 湿侧与干侧温度差值多在-2~-1 ℃， 集中在-1.5 ℃； 海平面气压除个别个例干线两侧相当外， 其他均低于湿侧， 湿侧与干侧海平面气压差值多在1.5~2 hPa， 最大达4 hPa。而从干线两侧露点差值来看， 湿侧与干侧露点差值较大， 平均相差11 ℃， 集中在10~16 ℃， 最大达20 ℃。由上可知， 本文约80%的个例干线宽度在80~100 km， 仅少数个例干线宽度在60~80 km， 通过均一化处理， 河套地区干线露点梯度多在10 ℃·（100 km） -1或以上， 最大可达20 ℃·（100 km） -1或以上。
5.1.2 干线两侧风的特征
普查统计干线两侧地面风场情况， 除了较强蒙古气旋南部干线两侧风速有时较大外（4级左右）， 其他大多数干线两侧风速一般都不大， 多在2~3级， 而干线两侧风向存在明显差异。从干线风向的统计结果（图9）中可知， 干侧风向以偏西风（包括西西北和西西南）为主， 52次个例中出现37次， 占总数的71.2%， 其次为西北和北风， 分别出现6次和4次。而湿侧风向以偏南风（包括南东南和南西南）为主， 共出现33次， 占总数的63.5%， 其次为西南风， 出现10次。可以看出， 干线两侧除了明显的湿度差异外， 其风向也有明显差别， 其两侧多伴有偏西风和偏南风的辐合， 特别是位于蒙古气旋东南部的干线， 干湿两侧偏西风和偏南风形成的汇合流场更明显。这与王秀明等（2015）得出的东北地区龙卷对流系统多由伴随地面干线的汇合流场导致的辐合线触发的结论基本一致。干线两侧地面风场多表现为偏西风和偏南风辐合的特征与前面第4节分析的地面天气系统有很大关系， 偏西风主要出现在大陆暖低压前部， 偏南风主要出现在沿海高压后部， 西侧暖干气团和东侧暖湿气团常常在河套地区交汇从而形成干线。由于干线两侧两种气团来向不同， 且一般伴随有明显的风场辐合， 其前侧湿空气由于低层露点较大和午后不低的温度而形成明显的对流有效位能CAPE。
5.2 干线两侧探空环境参数分析
对于对流性天气来说， 大气垂直层结不稳定和水汽是必要条件， 强对流的发生还需要较强的垂直风切变。干线及其触发的对流多发生在14:00前后， 日常业务工作中， 常用14:00温度、 露点对08:00邻近探空资料进行订正， 从而得到观测站上空不稳定能量（对流有效位能CAPE和对流抑制CIN）等对流参数。另外， 前面分析可知， 由于河套地区地面具有复杂的热力、 动力作用， 气象要素水平分布变化很大， 而实况探空1天只有2次， 且相邻探空站之间空间距离多在200~300 km， 因此干线两侧触发对流时的环境参数很难获取。考虑干线两侧在一、 二百公里内高空气象要素一般变化不是很大， 因此选取对流天气发生地附近干线两侧的平均温度和平均露点分别对干线两侧距离最近的探空资料进行订正， 得到个例中能够基本代表干线两侧大气的环境参数， 并进行统计分析。
5.2.1 水汽条件
反映水汽条件的气象要素有两种， 一种是相对湿度， 表示空气接近饱和的程度， 相对湿度多应用于大范围稳定或混合降水过程中。另一种是绝对湿度， 表示大气中包含水汽的质量。河套干线触发的对流天气多发生在西北气流、 高空冷涡形势下， 反映空气饱和程度的相对湿度一般都不大。反映绝对湿度的物理量如大气可降水量Pw、 比湿等虽然比大范围降水如暴雨过程小， 但能够较好地反映干线两侧空气中实际的水汽含量， 因而有必要统计2013 -2017年河套地区触发对流天气的干线两侧大气可降水量和中低层比湿。图10（a）结合表2可以看出， 湿侧大气可降水量（pw_wet）均值在2.5 cm， 干侧大气可降水量（pw_dry）均值在1.5 cm， 其差值为1 cm， 可见， 除了干线两侧地面露点反映的湿度差异外， 整层水汽含量湿侧也好于干侧。从700 hPa比湿［图10（b）］看， 湿侧比温（Q700_wet）和干侧比温（Q700_dry）均值分别在5 g·kg-1和3 g·kg-1， 其差值为2 g·kg-1。850 hPa比湿明显大于700 hPa， 湿侧和干侧均值分别在9.5 g·kg-1和6 g·kg-1， 其差值在3.5 g·kg-1［图10（c）］。以上统计分析表明， 干线两侧水汽条件的差异在大气边界层及以下较大， 随着高度的升高而减小。
图10 2013 -2017年河套地区干线两侧探空水汽参数百分位分布箱线图Fig.10 Box diagram of percentage distribution of the parameters of water vapor on both sides of drylines in Hetao area from 2013 to 2017 |
表2 2013 -2017年河套地区干线两侧探空环境参数Table 2 Statistics of sounding elements on both sides of drylines in Hetao area from 2013 to 2017 |
| 平均值 | 最小值 | 下四分位数 | 中位数 | 上四分位数 | 最大值 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水汽条件 | PW/cm | 湿 | 2.5 | 1.3 | 1.8 | 2.5 | 2.9 | 4.8 |
| 干 | 1.5 | 0.5 | 1.2 | 1.5 | 1.8 | 2.4 | ||
| q700/（g·kg-1） | 湿 | 5 | 1 | 3 | 5 | 6 | 10 | |
| 干 | 3 | 1 | 3 | 3.5 | 5 | 6 | ||
| q850/（g·kg-1） | 湿 | 9.5 | 3 | 8 | 9.5 | 12 | 15 | |
| 干 | 6 | 2 | 5 | 6.3 | 8 | 12 | ||
| 热力不稳定条件 | CAPE/（J·kg-1） | 湿 | 1442.5 | 2 | 687 | 1433.3 | 1866 | 3777 |
| 干 | 8.7 | 0 | 0 | 164.6 | 198 | 1248 | ||
| ΔT7-5/℃ | 湿 | 20 | 14 | 18 | 19.7 | 22 | 26 | |
| 干 | 21 | 16 | 20 | 20.8 | 22 | 26 | ||
| ΔT8-5/℃ | 湿 | 28 | 19 | 25 | 27.8 | 30 | 34 | |
| 干 | 31 | 25 | 29 | 30.9 | 33 | 40 | ||
| LI/℃ | 湿 | -4.8 | -11.6 | -6.8 | -4.6 | -3.1 | 4.5 | |
| 干 | 0.2 | -5.9 | -1.7 | 0.3 | 1.8 | 6.3 | ||
| 风切变 | 0~6 km风矢量差/（m·s-1） | 湿 | 12.2 | 2.1 | 8.2 | 12.5 | 15.5 | 24.5 |
| 干 | 13.1 | 0.5 | 9.1 | 13.4 | 17.7 | 27.9 | ||
5.2.2 热力不稳定条件
反映热力不稳定的对流参数很多（曾明剑等， 2015）， 根据业务实践与预报经验， 从众多物理参数中筛选出对强天气有很好指示意义的能量类和层结稳定度类物理量， 如对流有效位能（CAPE）、 700与500 hPa温度差（ΔT 7-5）、 850与500 hPa 温度差（ΔT 8-5）和抬升指数（LI）等4个对流参数（图11）。2013 -2017年河套干线触发对流湿侧CAPE（CAPE_wet）［图11（a）］均值在1442.5 J·kg-1， 为中等强度的对流有效位能， 其百分位分布25%~75%之间的CAPE值在687~1866 J·kg-1， 对应100%百分位的最大CAPE达3777 J·kg-1， 最小仅为2 J·kg-1（由于探空站时空分辨率较低， 应该与根据订正探空资料计算的CAPE不能很好反映对流云发生时的不稳定能量有关）。而干侧CAPE（CAPE_dry）平均值很小， 不足10 J·kg-1， 可见湿侧CAPE远大于干侧， 这也是干线触发的对流均发生在干线湿侧附近的重要原因。
从700与500 hPa温度递减率ΔT 7-5和850与500 hPa 温度递减率ΔT 8-5看，ΔT 7-5干线湿侧（20 ℃）略小于干侧（21 ℃）；ΔT 8-5干线湿侧（28 ℃）也小于干侧（31 ℃）。比较来看，干线两侧温度递减率（需要用ΔT 7-5和ΔT 8-5分别除以相应等压面之间厚度）ΔT 8-5较ΔT 7-5大，这主要是干侧低层温度明显偏高，而向上两侧温度差值逐渐减小的缘故。另外，无论ΔT 7-5还是ΔT 8-5，均表现为干侧大于湿侧，而干线所触发的对流大都发生在干线的湿侧，其主要原因在于干线西侧空气干燥，偏向于干空气，湿侧为未饱和的湿空气，两种不同性质的气团达到层结不稳定所要求的温度递减率不同，也即尽管干侧递减率大于湿侧，但因湿空气一侧水汽条件明显好于干侧，更易形成充分大小的对流有效位能CAPE。不同的对流参数表示不同的意义，抬升指数（LI）是指一个气块从自由对流高度出发沿湿绝热线上升到500 hPa时的温度与500 hPa实际温度的差值，其负值越大，产生对流的可能性越大。从统计结果来看，干线湿侧LI基本都为负值，均值在-4.8 ℃，中间的25%~75%的值在-6.8~-3.1 ℃，明显低于干侧。以上分析可以看出，对流有效位能、抬升指数均表明干线湿侧对流发生潜势更好，这主要与干线湿侧具有较好的水汽条件有直接关系。
5.2.3深层垂直风切变
强对流天气的发生通常需要一定的垂直风切变相配合，才能使得干线对流系统有组织化发展而长时间维持。统计0~6 km深层垂直风切变（风矢量差）可知，干线两侧垂直风切变多在中等强度或以上，湿侧、干侧切变均值分别为12.2 m·s-1和13.1 m•s-1，干侧切变值略大于湿侧，这与方祖亮等（2020）研究结论一致。另外，从所有个例统计来看，仍有一部分个例发生在弱垂直风切变条件下，这种情况下触发的对流很难发展为较高组织程度的强对流。干线触发对流深层垂直风切变统计结果与Meng et al（2013）统计的中国飑线和费海燕等（2016）统计的中国雷暴大风的垂直风切变明显小于美国（Johns et al，1987）的结论基本一致。
6 结论与讨论
利用高空、 地面、 卫星云图等资料， 对2013 -2017年5 -9月河套地区52次干线触发对流天气个例进行了初步分析， 统计了干线的时空分布特征、 影响天气系统及干线两侧地面气象要素和探空环境参数等特征， 得出以下结论：
（1） 河套地区干线主要出现在河套北部（包括其西北部、 东北部）和河套内， 其走向以东东北-西西南和东北-西南向为主， 发生区域和走向与复杂下垫面有直接关系。干线宽度多在80~100 km， 长度多在300~800 km， 最长1200 km。干线频次年际变化大， 上述5年间年平均10.4次， 集中出现在6 -8月， 干线主要出现在每天11:00 -17:00， 14:00干线特征最明显。
（2） 干线触发对流天气个例多发生在高空西北气流和蒙古低涡（低涡南部低槽影响）形势下， 大气边界层内多有辐合线和/或切变线， 地面图上干线多位于大陆低压和蒙古低压（或气旋）南部、 东南部偏西气流与沿海高压后部偏南气流交汇处。
（3） 地面要素统计结果看， 干线湿侧温度均值在28.5 ℃， 干侧温度均值在30 ℃， 干侧温度略高于湿侧； 海平面气压湿侧均值在1001.8 hPa， 干侧均值在999.4 hPa， 湿侧气压略高于干侧。干线湿侧露点均值在13 ℃， 而干侧均值仅在2 ℃， 明显低于湿侧， 也是干线最突出的特征； 干线两侧露点湿侧与干侧差值大， 平均相差11 ℃， 集中在10~16 ℃， 最大达20 ℃。对不同宽度干线均一化处理， 河套地区干线露点梯度多在10 ℃•（100 km）-1或以上， 最大可达20 ℃•（100 km） -1或以上。干侧风向以偏西风为主， 占总数的71.2%， 其次为西北和北风。而湿侧风向以偏南风为主， 占总数的63.5%， 其次为西南风。干湿两侧的风常常构成汇合流场， 这也是干线常常触发对流的重要原因。
（4） 干线两侧探空环境参数统计结果为： 湿侧大气可降水量均值在2.5 cm， 干侧均值在1.5 cm， 其差值为1 cm， 干线两侧比湿差700 hPa和850 hPa层及边界层及以下差别较大， 随着高度的升高而减小。对流有效位能、 抬升指数均表明干线湿侧热力不稳定条件更好， 湿侧CAPE均值在1442.5 J·kg-1， 为中等强度的对流有效位能， 而干侧CAPE平均值很小， 不足10 J·kg-1。干线两侧深层垂直风切变多在中等偏弱强度， 湿侧、 干侧均值分别为12.2 m·s-1和13.1 m·s-1， 干侧垂直风切变值略大于湿侧。
干线是对流天气重要的触发机制之一， 我国气象工作者对其研究不多。本论文对2013 -2017年5年河套及周边地区触发对流的干线个例时空特征和地面要素及关键环境参数特征进行了初步分析， 通过上述研究对我国河套及附近地区触发对流干线的天气特征有了初步认识。但所用资料时间序列不长， 特别是在干线时空特征统计方面还需增加资料的年限， 使得研究结论更有代表性。另外， 本文仅分析了干线触对流的天气形势和影响系统， 在建立河套干线触发对流天气的系统配置模型方面还需大量研究工作。在干线普查分析中还发现， 并非所有干线都能触发对流天气， 而对流天气的发生除了干线触发， 还有冷锋、 地形等触发系统， 这些都是值得关注的问题。