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  高原气象  2017, Vol. 36 Issue (4): 1138-1151  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00015
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姚秀萍, 孙建元, 马嘉理. 2017. 江淮切变线研究的回顾与展望[J]. 高原气象, 36(4): 1138-1151. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00015
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Yao Xiuping, Sun Jianyuan, Ma Jiali. 2017. Advances on Research of Yangtze-Huaihe Shear Line[J]. Plateau Meteorology, 36(4): 1138-1151. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2017.00015.
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资助项目

国家自然科学基金项目(41475041,91637105);中国气象局灾害天气国家重点实验室开放课题重点项目(2014LASWA03);国家科技支撑计划项目(2015BAC03BB06)

作者简介

姚秀萍(1967-)女, 福建福州人, 教授, 主要从事天气动力学, 中尺度气象学等方面的研究.E-mail:yaoxp@cma.gov.cn

文章历史

收稿日期: 2016-09-26
定稿日期: 2017-01-16
江淮切变线研究的回顾与展望
姚秀萍1, 孙建元2, 马嘉理3     
1. 中国气象局气象干部培训学院, 北京 100081;
2. 天津市气象台, 天津 300074;
3. 辽宁省人工影响天气办公室, 沈阳 110166
摘要: 江淮切变线是中国东部特有的天气系统,与梅雨期降水密切相关,为江淮流域地区夏季降水最主要的天气系统。为了提高夏季中国东部降水的预报能力,深化对江淮切变线认识和研究,本文较为系统地回顾了江淮切变线的相关研究,包括江淮切变线的定义、分类、结构、形成发展机制、影响作用、与其他天气系统相互作用以及研究技术手段等方面,并梳理其研究成果,从经典定义和预报业务实际出发,指出江淮切变线结构的多样性和多尺度特性。同时,在回顾研究成果的基础上,展望了在多源大气探测资料不断出现的当今,江淮切变线值得进一步深入研究。
关键词: 江淮切变线    研究    回顾    展望    
1 引言

中国的雨带受东亚季风季节变化的影响(Wang et al, 2005), 通常在6月中旬至7月上旬东亚夏季风雨带主要维持在长江中下游和淮河地区, 这一期间的夏季风降水又称为江淮梅雨。梅雨期间的强降水和暴雨引发的自然灾害对当地经济社会发展构成严重威胁。长江流域梅雨与江淮切变线关系密切, 针对江淮切变线引发的天气过程, 特别是与江淮切变线配合的梅雨锋暴雨过程, 一直是气象学研究的重点之一(陶诗言, 1980; 丁一汇, 1993; 高守亭等, 2003; 赵思雄等, 2004; 张人禾和刘屹岷, 2013; 谈哲敏和赵思雄, 2013; Zhang and Zhao, 2004; 孙建华等, 2004; 钱永甫等, 2007; 何金海等, 2008; Yao et al, 2008)。

因此, 本文拟回顾江淮切变线相关的研究成果, 涉及江淮切变线定义、结构、成因、移动特征、发生发展的天气动力学过程、影响作用及其机制, 以及与其他天气系统相互作用等方面, 并在此基础上, 对江淮切变线进一步研究的主要方面做一展望。

2 江淮切变线定义

切变线一词源于流体力学, 皮捷克尼斯最初将其引入气象学中, 而后被广泛应用于热带气象和中高纬度气象学研究中(谢义炳, 1956)。

在国外, 美国气象学会AMS的《Glossary of Meteorology》(Todd, 2000)对shear line条目有如下定义: “shear line-In meteorology, a line or narrow zone across which there is an abrupt change in the horizontal wind component parallel to this line; a line of maximum horizontal wind shear ”, 即:切变线在气象学上是指一条狭窄的区域线, 与之平行的两侧有水平风分量突变, 切变线上的水平风切变最大。

国外研究中的shear line主要可以分为低层的shear line和高层的shear line。高层的shear line指存在于对流层顶的、类似国内槽线的upper tropospheric shear line (Holopainen and Rontu, 1981)。低层的shear line又可以分为以下三种情形, 其一为与季风有直接关系的monsoon shear line, 是季风出现在较低纬度850 hPa上空的风气旋性切变, 作为热带气旋的主要流型, 其在海洋上的环境场对热带气旋的生成起到促进作用(Yoshida and Ishikawa, 2013; Justin and Wang, 2007; Elizabeth and Greg, 1999; Ryan et al, 1992; Moise and Colman, 2010), 也被认为是大陆上气旋生成的有利环境场(Bou et al, 2009); 其二为因地形绕流形成的, 具有较大的水平风速梯度的边界(Lane et al, 2006); 其三为与地面锋面有关, 这部分出现在低层或地面, 或由锋面特征消失的大陆冷锋转化而来(Larson, 1976)。

另外, 还有“convergence line”, 主要是指辐合线, 对是否符合气旋性切变并没有要求(Gerald and Roger, 2008; Weinzierl et al, 2007; Crook and Klemp, 2000)。而convective line主要是指通过成排的中尺度对流系统MCS或线状的层状云等对流系统识别出的一条对流线, 在convective line上往往产生中尺度对流系统, convective line两侧的风不完全符合气旋式切变(John and Russ, 2015; Matthew, 2007; Alicia et al, 2007)。

另外, wind shear倒是经常出现在国外的研究中(Dawson et al, 2015; Juan et al, 2014; Hossein et al, 2013), 但大多指的是垂直风切变, 与国内的“切变线”所指代的水平向的风切变不同, 与以上所述的shear line也不同。

在我国, 传统的切变线是指对流层低层(850 hPa和700 hPa)在风场上表现出的气旋性切变的不连续线(朱乾根等, 2000; 伍荣生, 1999; 寿绍文等, 2003; 陆汉城和杨国祥, 2004)。

鉴于国外研究的shear line与我国江淮地区定义的“切变线”概念和天气系统有比较大的区别, 本文将不特别针对国外“切变线”的相关研究进行讨论, 主要就江淮切变线相关的研究进行综述。

我国夏季, 在6-7月, 伴随西太平洋副热带高压(简称西太副高)脊线位置的南北移动, 切变线可经常停滞在江淮流域, 此时的切变线称为江淮切变线。

江淮切变线多近于东西走向, 多位于西太副高和西风带小高压之间(通常称为两高之间), 在气压场上可视为近于东西向的横槽。在平均资料所揭示的东亚夏季风环流的典型结构中, 江淮切变线的形成和活跃可以清楚地出现在平均环流图上(陶诗言和陈隆勋, 1957)。

图 1所示, 在东亚夏季风系统中, 位于副热带地区的天气系统, 如梅雨锋面(包括江淮切变线), 被视为东亚夏季风系统中的一员(陈隆勋等, 1991), 可见, 江淮切变线在东亚夏季风系统中的重要地位。

图 1 东亚夏季风系统成员综合图 Figure 1 Schematic figure of the members of the summer monsoon over the East Asia
3 江淮切变线分类

根据江淮切变线的流场形式和移动方向, 可以将其分为冷式切变线、暖式切变线、准静止式切变线三种, 一般准静止式的江淮切变线上有低涡活动时, 低涡前方切变线称为暖式切变线, 低涡后的切变线称为冷式切变线(朱乾根等, 2000)。但是考虑到切变线与低涡的相伴出现, 所以, 又另列一种“低涡式切变线”, 使得江淮切变线分为四类, 图 2为作者用客观方法确定的四类江淮切变线示意图, 这与郑媛媛(2008)由主观方法给出的基本相似。

图 2 客观方法确定的四类江淮切变线示意图 (a) 2003年6月25日暖切变线暴雨日, (b) 2001年6月18日冷切变线暴雨日, (c) 1989年6月17日准静止切变线暴雨日, (d) 2009年7月27日低涡切变线暴雨日.实线为计算机客观识别绘制的江淮切变线, 散落的符号为站点日降水量, +表示日降水量<50 mm, ●为50 mm≤日降水量<100 mm, ▲为100 mm≤日降水量 Figure 2 Illustration of 4 types of shear line torrential rain over Yangtze-Huaihe river region. (a) warm shear line torrential rain day 25 June 2003, (b) cold shear line torrential rain day 18 June 2001, (c) quasi-stationary shear line torrential day 17 June 1989, (d) vortex shear line torrential day 27 July 2009. The solid contour indicate the shear line. The scattered symbols indicate SPI, short for station precipitation intensity. + denote SPI < 50 mm, ● denote 50 mm≤SPI < 100 mm, ▲ denote 100 mm≤SPI

最新的气候统计分析发现, 四类江淮切变线的频数特征、降水特征、系统强度特征和空间分布特征均有所差异, 其中, 暖切变线所占频数最高, 但是暖切变线引发暴雨的降水强度最小, 低涡切变线发生频数最低, 但是其引发暴雨的降水强度最大。在分布区域上, 暖切变线主要分布在江淮的西部和中部, 低涡切变线主要分布在江淮的中部地区。

4 江淮切变线结构和移动

在卫星云图上, 江淮切变线表现为一条白亮的云带, 江淮切变线上空与季风式经圈环流北侧的高层流出相联系, 每当江淮切变线降水活跃时, 直观表现为在纬向的云带南侧出现茂盛的指向西南方的卷云线(胡伯威和潘鄂芬, 1996)。

切变线是条正涡度带的轴线, 但是切变线不是一个流场上均匀的辐合线(张世烈, 1988)。切变线上经常形成类似“涡街”式的中尺度低值系统(韦统健和薛建军, 1996), 在对流层低层, 切变线表现为强的气旋性切变, 但是切变线所涉及的水平环流应该是多尺度同时并存的, 垂直环流是高、低空环流相互配合的。

与江淮切变线有关的流场, 可以涉及到整个对流层。江淮切变线和相当位温等值线的密集带有时并不一致(郑永光等, 2008), 江淮切变线风场除伴随温度锋区出现以外, 也可以在夏季副热带大尺度弱环境风场中伴随狭窄、深厚的强对流加热带而出现(胡伯威, 1996)。

江淮切变线与梅雨锋存在密切关系, 尤其与梅雨锋西段(我国东南部)有关, 在梅雨锋西段附近, 与江淮切变线相关的梅雨锋结构是一个暖心结构半热带扰动, 正压性强, 多为对流云(Chen and Chang, 1980; Kato, 1985, 1987; Akiyama, 1989, 1990)。由此可见, 江淮切变线的结构十分复杂。

个例分析研究还表明, 暖式切变和冷式切变的动力结构相似, 但热力结构却有所不同。暖式切变线在自由大气层表现为相当正压切变线, 是相当正压的浅薄系统, 物理量场呈垂直分布(张京英等, 2008), 而冷式切变线物理量场由低层到高层向北倾斜(张京英等, 2007)。冷式切变线常伴有高低空锋区和地面急行冷锋, 而暖式切变线常与地面静止锋或缓行冷锋相配合, 有时只有切变线而无锋面。对应与冷式切变线和暖式切变线所产生的暴雨的雷达回波结构和特征也具有明显的区别(黄小玉等, 2006; 周雨华, 2006)。冷式切变线较暖式切变线具有更强的动力上升运动, 冷式切变线附近强降水移动速度较快, 暖式切变线附近强降水移动缓慢(张京英等, 2007; 慕建利等, 2008)。

江淮切变线的合成分析也进一步表明, 江淮切变线出现在500 hPa以下高度, 其中低涡切变线较为深厚, 可伸展到600 hPa高度以上; 江淮切变线系统均从低到高向北倾斜; 江淮切变线西段的辐合和上升运动弱, 中段和东段的辐合和上升运动强。江淮切变线附近高空存在热力环流。

在热力结构上, 江淮切变线具有“冷湿”的特征, 江淮切变线附近700 hPa以下的大气是对流不稳定的, 在500 hPa以上是对流稳定的。

四类江淮切变线合成对比分析也发现, 暖切变线和准静止切变线附近上升气流以偏南风主导, 冷切变线和低涡切变线附近的上升气流是偏南风和偏北风共同构成的。暖切变线附近南风最强, 冷切变线附近北风最强。低涡切变线和冷切变线对应的大气暖切变线和准静止切变线具有较强的斜压性。

江淮切变线形成后, 移动一般比较缓慢, 江淮切变线的北抬、南压和西太副高北抬、南压有关。江淮切变线的移动有向平原、海面方向移动, 而远离山脉的趋势(许习华, 1987)。梅雨期江淮切变线的运动, 受暖湿气流和江淮切变线北侧的辐合共同影响而北抬, 受冷空气和江淮切变线南侧辐合影响南压, 在江淮流域摆动停滞。经向风分量和江淮切变线两侧的辐合辐散是驱驶江淮切变线运动的主要因子(童哲堂, 1993)。

5 江淮切变线的发生发展机制

对于江淮切变线形成, 在天气学上通常有如下两种解释。一种解释与“西风带短波槽”有关。一些观测事实表明(图 3, 王作述, 1963), 一次梅雨锋切变线和云雨带的初生、或者原有的一条梅雨锋明显减弱以至基本消失以后的复苏, 往往与移动性的短波扰动有关。江淮流域高空西风较平直, 在500 hPa高空槽东移过程中不发展, 而700 hPa槽线东移时, 其南端受到东西向的西太副高阻挡, 北段移速较快, 使槽线偏转为东北西南向, 槽后从河西走廊有高原侧向摩擦作用产生的一小暖高压向东移, 这时青海一带低涡已移入四川, 涡旋倒槽与北部小槽连成一条很长的东北西南向槽线, 并逐渐转成东西向。小暖高压在移到河套地区后, 与南边副热带高压在此东西向槽线的两侧对峙, 在风场上形成一条切变线。由于梅雨期形势较稳定, 上述切变线的形成过程可以重复多次(陶诗言, 1980), 因此造成在江淮流域维持一条切变线。另一种解释与“气旋性曲率东伸”有关, 高原北侧并没有西风槽东移, 只是在高原东侧低层发展起气旋性流场, 然后逐渐向东延伸, 切断原来在我国东部的南北向的“高压坝”, 最后形成一条切变线(胡伯威, 1986)。位于中高纬度的低压槽和西南低涡配合, 导致梅雨锋北侧反气旋性涡旋的形成, 对江淮切变线的增强和维持起作用(廖捷和谈哲敏, 2005)。在切变线的形成、移动和转换过程中, 江淮地区高空主要维持纬向平直的西风气流。切变线南移逆转为西风带槽或者切变线北方小高压合并于西太副高, 高空由纬向环流转为经向环流, 江淮切变线消失(朱乾根等, 2000)。

图 3 1960年6月1619日不同时间天气形势图(王作述, 1963) (a) 16日00:00 700 hPa, (b) 18日00:00 700 hPa, (c) 19日00:00 850 hPa, (d) 19日00:00 700 hPa.图中时间为世界时, 细实线为等高线(单位: dagpm); 虚线为等温线(单位: ℃), 粗实线为槽线 Figure 3 The atmospheric circulation situation from 16 to 19 June 1960 (Wang, 1963). (a) at 00:00 UTC of 16 on 700 hPa, (b) at 00:00 UTC of 18 on 700 hPa, (c) at 00:00 UTC of 19 on 850 hPa, (d) at 00:00 UTC of 19 on 700 hPa. Thin solid line denote isohypse (unit: dagpm), dashed line denote isotherm (unit: ℃), thick line denote trough line

对于江淮切变线产生发展的物理机制上, 有如下两种观点。(1) 地形作用。有研究强调地形作用, 尤其强调青藏高原对江淮切变线产生过程的影响(何溪澄和党人庆, 1988; 纪立人, 1965; 胡伯威, 1986; 胡伯威和潘鄂, 1996)。青藏高原大地形的动力和热力的强迫, 造成特殊的东亚夏季风环流形势, 将夏季风暖湿气流阻滞于江淮流域地区, 构成发展低层气旋性辐合带的背景。江淮切变线形成之后的维持发展机制, 与高原对东移低涡的作用相关联。如图 4所示, 高原不断制造和输出正涡度平流和暖平流作为扰源, 高原北侧东移的西风短波槽则往往能促进这种扰源的东移, 若扰动风场比较弱, 则在东移的暖性低涡后方留下持续的雨带和气旋性切变流场, 表现为切变线连续东伸(胡伯威和潘鄂芬, 1996)。另外, 丁治英等(2010)从位涡角度分析江淮切变线的产生机制, 指出β中尺度低涡切变线的生成与地形关系不大, 主要是由对流层高层正位涡异常引起, 地形坡度只是有利于江淮切变线上低涡的维持及降水的加强。(2) 降水的反馈作用。有观点认为, 江淮切变线在高原东侧形成之后, 其在江淮区域维持发展机制, 与降水的反馈作用密切相关。对流潜热的释放能使切变低压增强(李柏等, 2001), 加强暴雨区南北侧的高低急流, 使得低层的切变线加强发展(张晓芳和陆汉城, 2006a, 2006b), 这一点, 在冷性切变线和暖性切变线的研究中均有体现。冷锋雨带潜热释放的正反馈所引起的持续非绝热锋生是锋面以及冷锋雨带得以长时间维持的主要物理机制(Wang et al, 2002)。暖性切变受高空锋区的斜压性影响并不明显(程福庚, 1986), 但是斜压性极弱的副热带高空东移的短波扰动与低层“湿度锋”耦合触发导致的CISK, 起到使上升凝结延续和维持气旋性切变辐合流场的作用, 使暖性江淮切变线中断后复苏和维持(胡伯威, 1997)。

图 4 1982年6月19日低涡切变线东伸天气图(胡伯威和潘鄂芬, 1996) (a) 08:00 850 hPa天气形势(实线为等高线, 单位: dagpm; 虚线为等温线, 单位: ℃; 粗实线为槽线), (b) 20:00 500 hPa涡度平流(实线, 单位: 10-10s-2). 图 4b中阴影为雨区 Figure 4 The synoptic chart of the shear line vortex eastward on 19 June 1982 (Hu and Pan, 1996). (a) 850 hPa pattern at 08:00 LST on 19 June (thin solid line: isohypse, unit: dagpm; dashed line: isotherm, unit: ℃; thick line: trough line), (b) 500 hPa vorticity advection at 20:00 LST on 19 June (solid line: isovorticity advection, unit: 10-10s-2; shadow: rain area)

另外, 从江淮切变线与降水之间存在密切关系角度看, 江淮切变线上必然存在扰动, 也就必然涉及不稳定性机制。寿绍文等(2001)指出沿江淮切变线存在中尺度涡管, 涡管强度与中低空的条件性对称不稳定有关, 涡管增强时降水增强。高守亭和周玉淑(2001)打破了传统的切变不稳定的观点, 提出涡层不稳定理论, 从理论上给出了江淮切变线上形成涡层不稳定必要条件的判据。周玉淑等(2003)研究指出涡层不稳定是造成长江中游地区局地大暴雨的主要原因之一, 同时发现切变越强, 不稳定扰动波长越短, 强对流天气系统的尺度越小。但是, 并不是所有梅雨锋切变线的不稳定都表现为涡层不稳定, 江淮切变线也影响重力惯性波和重力波不稳定发展(赵平等, 1989), 惯性重力波不稳定也会导致江淮切变线上扰动的发生(许小峰和孙照渤, 2003), 梅雨锋上暴雨云团的发生发展很可能与重力波的能量频散有关(胡伯威, 2005)。Hoskins(1974) 指出, 对称不稳定可能是锋前降水的触发机制之一, 之后该理论被广泛地应用于解释锋面降水成因(Bennetts and Hoskins, 1979; Emanuel, 1983)。Zhao and Li(1990)发现条件性对称不稳定和对流不稳定并存的混合型不稳定可能是梅雨锋暴雨的触发机制之一。

6 江淮切变线影响作用

江淮切变线的影响作用主要体现在对暴雨的贡献上。江淮切变线的形成、停滞、加强、移动往往会造成长时间持续的暴雨过程(张洪英, 2008; 张吉等, 2012)。江淮切变线是引发暴雨的重要天气尺度系统, 并对产生暴雨的中尺度环流的起源和发展起控制作用(陶诗言, 1980; Bosart, 1984)。需指出的是, 大多数江淮切变线可产生暴雨, 但是并不是所有的江淮切变线都能引发暴雨(朱乾根等, 2000; 李晓容等, 2014)。

最近30多年资料统计研究表明, 6-7月江淮地区有近2/3的江淮切变线能够产生暴雨(日降水量达到50 mm以上的降水过程), 由江淮切变线引发的暴雨占到江淮流域暴雨总数的75%(马嘉理和姚秀萍, 2015)。

江淮流域暴雨发生发展与江淮切变线结构和演变存在相互作用(高守亭等, 2003; 倪允琪和周秀骥, 2004; 赵思雄等, 2004)。

一些研究强调江淮切变线对暴雨的天气尺度作用(温市耕, 1999), 研究发现, 江淮切变线系统所造成的低空气流水平辐合, 对云和降水的形成具有重要作用。低空江淮切变线附近的上升速度和维持时间可以导致强烈的对流活动(陶诗言, 1980), 梅雨的降水与江淮切变线上的水汽辐合直接有关(郑永光等, 2008), 江淮切变线中的暴雨和非暴雨类的判别在于, 是否存在南北风的加强而导致江淮切变线发展及风向辐合加强的情况(李晓容等, 2014), 暖切变型梅雨锋中边界层的浅层锋生倾斜环流可造成持续大暴雨(胡伯威和彭广, 1996), 偏南风愈大, 锋面坡度愈陡, 降水愈强(朱乾根等, 2000)。

除了江淮切变线的天气尺度影响, 江淮切变线暴雨与江淮切变线附近的中尺度系统发展也有关(高坤和徐亚梅, 2001)。在中尺度低压发生阶段, 风场的动力作用不容忽视(周晓平等, 1984), 江淮切变线上不断出现的涡旋具有明显的中尺度特征, 与雨带配合较好(翟国庆等, 1999)。江淮切变线上的降水分布不均匀, 当低层出现明显涡旋时, 暴雨增强(孙淑清等, 1993; 韦统健和薛建军, 1996)。可见, 江淮切变线与暴雨发生发展及落区密切相关, 低层大气的天气尺度扰动流场中的江淮切变线对区域暴雨具有指示意义(钱维宏等, 2012; 孙建华等, 2004; 周玉淑和李柏, 2010)。

同时, 暴雨对江淮切变线维持和发展具有反馈作用。暴雨中尺度对流系统的潜热释放可加强江淮切变线上的低层辐合, 江淮切变线上水平风切变强度不均匀, 促使切变低涡的形成(廖捷和谈哲敏, 2005; 王晓芳等, 2007), 而江淮切变线南侧水汽的变化可导致降水强度及雨带分布的改变(李晓容等, 2014), 同时, 降水的凝结潜热释放在垂直涡度发展中起着重要作用(Shen et al, 1986)。

7 江淮切变线与天气尺度系统之间关系

由于江淮切变风场结构不同, 类型不同、位置不同、尺度不同, 甚至处在不同的发展阶段, 江淮切变线的物理性质和天气表现都可能有所不同, 众多的研究结论反映出江淮切变线的复杂性, 同时, 也体现江淮切变线与许多天气尺度系统之间存在的密切关联(陶诗言, 1980)。

下面从地面梅雨锋、气旋扰动、高低空急流等角度, 介绍江淮切变线与这些系统之间的相互作用。

7.1 梅雨锋

梅雨锋系统的天气学定义中, 梅雨锋区是位于夏季风北侧的相当位温强梯度带, 强调梅雨锋在湿度场上具有不连续特征(郑永光等, 2008)。而江淮切变线一般作为梅雨锋系统在低层的动力学表现, 在很多情况下, 对流层低层(700 hPa以下)都有江淮切变线和地面梅雨锋相配合(张建海等, 2009)。

江淮切变线与锋面结构有关, 在相关文献(王作述, 1963; 郑永光等, 2007)中, 直接将对流层下部相当位温密集带和西南风与偏东风之间的江淮切变线作为梅雨锋本身来讨论。但是, 谢义炳(1956)认为虽然梅雨锋在大气低层风场上经常表现为风向的切变, 在不同阶段的梅雨锋大气低层的江淮切变线并非总是同梅雨锋相配合, 有时江淮切变线位于梅雨锋前表现为暖切变, 也会出现梅雨锋的锋区和江淮切变线相分离的现象(图 5), 梅雨锋的前倾现象可能是梅雨锋的风切变垂直轴线向南倾斜的反映。江淮切变线附近铅直环流的加强可导致低空锋区的加强, 伴随梅雨期江淮切变线的形成、成熟和消失, 梅雨锋从后倾逐渐变陡, 最后变为等相当位温线的密集带向南倾斜, 完成了从极锋型向赤道锋型的转化(王作述, 1963)。梅雨最盛时, 对流层低层因逐渐失去锋面性质而成为具有热带特征的气流辐合区或切变线(邱炳焕和丁一汇, 1979)。梅雨锋的多样性与切变线配置的差别, 可以从郑永光等(2007)给出的两次梅雨锋个例的垂直剖面中看出, 存在对流层低层切变线与梅雨锋相配合以及锋区与切变线分离较远(图略)两种情况。

图 5 锋面和切变线相分离的示意图(谢义炳, 1956) 斜实线与粗斜断线为梅雨期间存在的多层锋区, 细虚线为切变线 Figure 5 Schematic of the separation between front and the shear line (Xie, 1956). Slash solid line and bold dashed line indicate frontal zone, thin dashed line indicate the shear line
7.2 气旋扰动

梅雨锋上反复发生的暴雨过程多与梅雨锋和中低层江淮切变线上自西向东相继移经长江中下游的低层气旋性扰动有直接关联(高坤和徐亚梅, 2001)。

与江淮切变线相关的两类气旋性扰动有两类, 一类是与西风带相关的斜压涡, 另一类是串行于江淮切变线上的弱气旋性扰动(胡伯威和潘鄂芬, 1996)。大多数低涡就是江淮切变线上所产生的气旋性扰动。江淮切变线上的降水与扰动分不开(孙淑清等, 1993; 周晓平等, 1984)。但是在雨团区域, 辐合区不一定与气旋性涡度区重合。冯伍虎和程麟生(2002)对典型梅雨切变线低涡的动力学机制进行了分析, 沿着梅雨锋锋区上的雨团呈不均匀分布, 垂直于梅雨锋区方向会有中尺度双雨带结构(Wang et al, 2007)。还有一些研究也涉及非典型梅雨切变线的低涡触发机制和结构特征(孙建华, 2004; 隆霄等, 2009)。

7.3 高低空急流

东亚副热带西风急流和梅雨雨带密切相关(Jin et al, 2011)。江淮切变线一般与低空急流伴生, 江淮切变线的变化趋势与高空急流的变化过程相呼应(熊文兵等, 2007)。高低空急流的配置对江淮切变线暴雨的发生发展起着重要作用(张晓芳和陆汉城, 2006a, 2006b; 程庚福, 1986; 孙素琴等, 2015)。

8 江淮切变线研究技术手段

江淮切变线在业务天气预报中常常被关注, 江淮切变线通常以人工方式, 通过风场判断进行主观确定的, 随着计算技术和绘图软件的不断完善, 在明确江淮切变线物理本质和天气学意义后, 可以根据纬向风的经向切变、相对涡度和纬向零风速线三个客观判据来确定切变线:

$\frac{{\partial u}}{{\partial y}}\left\langle {0,vor} \right\rangle 0,\quad u = 0$ (1)

式中: u为纬向风速; vor为相对涡度; y为南北向坐标。

上文图 2所示的江淮切变线就是这种客观分析的结果。

利用多普勒天气雷达资料和气象卫星遥感资料及加工反演产品可以对江淮切变线系统进行详尽的特征分析(方宗义等, 2005; 肖艳娇等, 2005; 覃丹宇等, 2006; 韦惠红等, 2010)发现, 在卫星图像上, 位于江淮流域的带状云带即是江淮切变线所在, 体现了江淮切变线是由处于不同发展阶段的云系组成的特征, 在多普勒天气雷达图像上可以部分揭示到江淮切变线上对流的特征。

除了常规物理量动力诊断分析, 螺旋度、Q矢量、位涡度、动能收支等诊断工具也用以研究江淮切变线物理机制(侯瑞钦等, 2003; 胡伯威, 1997; 岳彩军, 2008; 吴君等, 2007)。

同时, 随着数值模拟技术的发展, 中尺度数值模拟也可以弥补常规观测资料对中尺度系统分析的不足, 可用以进一步分析江淮切变线的结构演变和影响因子。例如, 尹宜舟等(2009)赵玉春等(2012)利用数值模拟分析地形对江淮切变线的影响; 程麟生和郭英华(1992)用高分辨行星边界层参数化的湿物理过程模拟江淮切变线低涡持续发展的特征; 王康康等(2004)指出地表潜热通量结合低空急流的水平输送是夏季江淮切变线强降水形成的主要原因之一。Meng et al(2008)张吉等(2012)通过数值模拟发现了江淮切变线与中尺度对流系统(MCC)之间的关系, 即江淮切变线南侧偏南气流中有利于MCC的形成和发展。

总之, 在对江淮切变线数值模拟研究和诊断的基础上, 可以获得更多的关于江淮切变线产生、发展和维持的机理, 更好地认识江淮切变线引发暴雨的过程及其机制。同时, 对江淮切变线的数值模拟研究, 可以揭示江淮切变线上不同尺度系统之间相互作用的过程和机制。其中模式物理过程对江淮切变线的准确模拟比较重要。

9 结论与讨论

通过综述已有的江淮切变线研究及其成果, 发现江淮切变线研究取得了较大的进展, 并且在实际天气预报应用中成效显著。基于江淮切变线对天气过程的影响作用, 尤其在多源资料的不断提供下, 对江淮切变线系统的认识还有不少值得研究者继续探讨的方面。

(1) 江淮切变线结构特征研究值得进一步加强。中国梅雨锋为副热带扰动, 江淮切变线的流场可伸展到整个对流层, 但是, 由于观测系统多源资料没有被充分应用, 使得对江淮切变线结构认识不够全面。如今, 多源探测资料和野外科学试验资料的积累, 使得对江淮切变线三维结构相关尺度特征的进一步研究成为可能。

(2) 迄今, 对江淮切变线研究主要集中在天气分析, 机制研究较少。对江淮梅雨暴雨的机制研究还显不够, 江淮切变线发生发展的概念模型值得建立。

(3) 江淮切变线与周围天气系统相互作用的研究需要深入。当涉及到江淮切变线和周围天气系统相互关系时, 江淮切变线往往不是主要的研究对象, 只是作为一个条件因素进行研究。而江淮切变线的位置、强度和持续时间往往是多种尺度天气系统相互作用的结果。因此对江淮切变线研究有必要分阶段、分区域进行; 江淮切变线与天气系统之间不同尺度的相互作用有待加强。

总之, 江淮切变线对江淮流域的天气过程影响很大, 完善对其的认识有利于加深对江淮切变线系统的理解, 为夏季中国东部地区天气系统及天气过程预报提供更为坚实的基础。值得一提的是, 在夏季风盛行的东亚地区, 从短期天气预报来看, 江淮切变线是一个不可或缺的天气系统, 因此, 中国气象学者有必要把这个具有中国特色的天气系统—江淮切变线(Yangtze-Huaihe shear line)带到国际去, 让同行逐渐认知。

最后, 应该指出, 本文所列参考文献可能不能够涵盖江淮切变线研究的所有工作, 仅提供给有兴趣的读者进行查阅。

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Advances on Research of Yangtze-Huaihe Shear Line
YAO Xiuping1 , SUN Jianyuan2 , MA Jiali3     
1. Chinese Meteorological Administration Training Centre, Beijing 100081, China;
2. Tianjin Weather Observatory, Tianjin 300074, China;
3. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: The Yangtze-Huaihe shear line is a specific weather system in the East China, which is closely related to the heavy rain during the Meiyu period. Therefore, a comprehensive understanding of the Yangtze-Huaihe shear line is significant to improve the ability of weather forecast in East China. This paper reviews the recent advances on the researches of the Yangtze-Huaihe shear line related to the definition, classification, structure, mechanism of formation and development, the impacts and the interaction with other weather systems. The shear lines, including warm shear line, cold shear line, quasi-static shear line and vortex shear line have differences as for the weather systems distribution of different levels. The position and intensity of other systems have strong impact on the formation and development of shear line and shear line torrential rain. The diversity of the structure and the multi-scale property about the Yangtze-Huaihe shear line are released focusing on the classical definition and the operational needs. Moreover, the further investigation aspects, such as 3-dimensional dynamical structure, thermal structure and other multiformity feature, associated with the Yangtze-Huaihe shear line are given under the background of the increasing observational dataset.
Key Words: Yangtze-Huaihe shear line    Research    Advance    Outlook