蘇愛芳 鄭永光 張 寧 王 迪 俞小鼎

1.中國氣象局（河南）農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，鄭州，450003

2.河南省氣象臺，鄭州，450003

3.國家氣象中心，北京，100081

4.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京，100081

1 引言

強對流天氣的形成過程復(fù)雜，大多數(shù)情況下需要條件不穩(wěn)定大氣層結(jié)、水汽和動力抬升等基本條件的有效配合。由于不穩(wěn)定層結(jié)和水汽條件通常較易具備，因此，對流能否被成功觸發(fā)是深厚濕對流形成和發(fā)展的關(guān)鍵（Doswell Ⅲ，2001；俞小鼎等，2012，2020b；孫繼松等，2014）。對流觸發(fā)是指近地面氣塊克服對流抑制能量被抬升至自由對流高度形成對流系統(tǒng)的過程。Doswell Ⅲ（1987）指出中尺度上升運動起主要的對流觸發(fā)作用，天氣尺度上升運動通常不直接觸發(fā)雷暴，而是使得大氣變得更加不穩(wěn)定。

邊界層輻合線（Boundary Layer Convergence Line，BLCL）是觸發(fā)對流的重要中尺度天氣系統(tǒng)之一（Doswell Ⅲ，2001）。除冷鋒外，BLCL 通常表現(xiàn)為近地面邊界層內(nèi)大氣（風(fēng)、溫度或者水汽）存在的不連續(xù)分界線或線狀延伸的氣流匯合帶，包括雷暴出流邊界（陣風(fēng)鋒）、干線、海（湖）風(fēng)鋒輻合線、邊界層水平對流卷（Weckwerth，et al，1997）以及其他由局地?zé)崃Ψ植疾痪纬傻闹谐叨容椇暇€（俞小鼎等，2012）等。陣風(fēng)鋒在雷達回波上呈現(xiàn)為窄帶回波通常有兩種解釋：（1）通過裹挾昆蟲、鳥類等產(chǎn)生強度幾至十幾dBz 的窄帶回波；（2）大氣折射指數(shù)梯度脈動導(dǎo)致的布拉格散射而形成弱窄帶回波（Wilson，et al，1994；席寶珠等，2015）。當(dāng)輻合線上有積云發(fā)展時，衛(wèi)星云圖也可以識別出輻合線，如陣風(fēng)鋒在可見光云圖上可表現(xiàn)為清晰的弧狀積云線（Purdom，1973；Wilson，et al，1993；陳渭民等，2015）。

BLCL 的存在往往對應(yīng)顯著的局地抬升運動，并造成近地面層水汽充分混合，為強對流的形成、發(fā)展提供觸發(fā)機制或有利條件。在一定的水汽和不穩(wěn)定的環(huán)境條件下，輻合線一方面若其抬升作用足夠強可促使對流沿輻合線發(fā)生，另一方面也可以通過與其他邊界層輻合線的“碰撞”或交叉增強抬升作用，從而把濕空氣塊抬升至抬升凝結(jié)高度和自由對流高度形成對流云（Doswell Ⅲ，2001）。BLCL 觸發(fā)對流的過程較為復(fù)雜，即使環(huán)境大氣具有較高的對流有效位能，但其能否觸發(fā)對流依然存在很大的不確定性（Wakimoto，et al，2010）。一般情況下，較弱的BLCL 需要與天氣尺度強迫或其他機制配合才有可能進一步發(fā)展成深對流（鄭永光等，2015；俞小鼎等，2020a）。

中外氣象學(xué)者采用氣候統(tǒng)計、觀測和診斷分析、數(shù)值模擬等多種手段針對BLCL 的對流觸發(fā)問題開展了研究，相關(guān)研究成果非常豐富。文中就BLCL（不包括冷鋒）與對流觸發(fā)關(guān)系的統(tǒng)計研究、局地溫濕擾動對BLCL 觸發(fā)對流的影響以及BLCL 對流觸發(fā)機制等方面的部分研究內(nèi)容進行梳理，為進一步深入開展BLCL 對流觸發(fā)作用研究及其預(yù)報、預(yù)警方面的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 BLCL 的分類及其成因

2.1 雷暴出流邊界

20 世紀(jì)中后期，美國氣象學(xué)者基于風(fēng)暴試驗等工作對雷暴出流邊界的成因、結(jié)構(gòu)特征及對流觸發(fā)機制開始進行深入研究，指出雷暴出流邊界是由成熟期雷暴云內(nèi)的降水拖曳、雨滴蒸發(fā)及環(huán)境干空氣夾卷形成的強烈的下沉冷氣流沖擊到地面并向四周擴散形成的弧狀外流邊界，下沉冷氣流到達地面可形成具有較低溫度和露點溫度的濕冷空氣堆（雷暴高壓）（Byers，et al，1949；Fujita，et al，1960；Goff，1976），其本質(zhì)是具有中尺度鋒面特征的輻合線，是已有對流云區(qū)內(nèi)最常見的局地輻合抬升機制，對颮線或多單體風(fēng)暴的形成、發(fā)展具有重要作用（Gurka，1976；Weaver，1979；Doswell Ⅲ，2001；Markowski，et al，2010）。出流邊界有時可以直接觸發(fā)對流，有時需要與其他低層氣流擾動（如陣風(fēng)鋒、冷鋒、干線、地形輻合線、水平對流卷等）相互作用才能觸發(fā)對流，有時可以被看作是一種潛在的對流觸發(fā)機制（具體討論見后文）。當(dāng)出流邊界溫度梯度較強時，被稱為陣風(fēng)鋒。

2.2 干 線

最早的干線定義是指在美國南部大平原西部地區(qū)，由來自其西南部墨西哥高原地區(qū)的干暖空氣和來自其東南部墨西哥灣的暖濕空氣之間的邊界，后來的研究證實印度北部、中國多個區(qū)域和西班牙等地也有干線存在（Markowski，et al，2010；方祖亮等，2020）。干線與地形分布密切相關(guān)，多發(fā)生在高原或山地與平原的交界附近（鄭永光等，2007；方祖亮等，2020）。俞小鼎等（2020a）將干線定義為：（1）干線兩側(cè)存在明顯的露點溫度梯度，但溫度對比不明顯；（2）干線附近存在風(fēng)向輻合；（3）白天干線干空氣一側(cè)溫度高于濕空氣一側(cè)，露點溫度明顯低于干線另一側(cè)，夜晚相反。滿足以上三點為嚴(yán)格意義上的干線，只滿足（1）、（2）不滿足（3）為廣義的干線（露點鋒）。干線具有日變化特征，白天通常由西向東推進，夜間反之，其形成機制與某些鋒生過程類似（Fujita，et al，1958）。干線通過局部輻合觸發(fā)對流，對輻合形成貢獻的兩種最可能的機制是：力管強迫鋒生環(huán)流和垂直動量混合（Ogura，et al，1977；

Sun，et al，1979；Parsons，et al，1991；Ziegler，et al，1993），但通常風(fēng)暴不會沿著干線所有地點形成，同樣也需要有其他機制的配合才能觸發(fā)對流（Doswell Ⅲ，2001）。目前對干線附近的輻合及伴隨的上升運動機理尚無廣泛認可的結(jié)論（俞小鼎等，2020a）。

2.3 水平對流卷

水平對流卷是在大氣邊界層頂存在較強靜力穩(wěn)定度條件下較普遍的一種對流形態(tài)。其發(fā)生條件是太陽輻射加熱下墊面形成熱力混合層，逆溫層以下大氣邊界層溫度層結(jié)近乎為中性，同時在大氣邊界層中存在一定大小的風(fēng)和風(fēng)垂直切變，其產(chǎn)生機制可歸結(jié)為邊界層中一種稱為拐點不穩(wěn)定的動力不穩(wěn)定或熱力與動力不穩(wěn)定的結(jié)合效應(yīng)（Lemone，1973；Etling，et al，1993；Weckwerth，et al，1997；Young，et al，2002）。拐點不穩(wěn)定是指邊界層風(fēng)垂直廓線演變?nèi)绻霈F(xiàn)拐點，將會導(dǎo)致一種動力不穩(wěn)定。水平對流卷的環(huán)流形狀是一條條并排排列的長長的圓筒，基本上沿著邊界層平均風(fēng)的方向排列，相鄰兩個對流卷之間輻合上升和下沉輻散環(huán)流間隔出現(xiàn)。在一定的水汽和能量條件下，對流卷之間的輻合抬升使之在高分辨率可見光云圖上有時以積云街的形式呈現(xiàn)，有時也會以并排的窄帶回波的形式呈現(xiàn)在天氣雷達低仰角反射率因子圖上，在水汽相對充足時，會導(dǎo)致積云云街發(fā)展旺盛，但一般很難自發(fā)演變?yōu)槔妆?，通常需與其他邊界層輻合線相互作用才能觸發(fā)雷暴。

2.4 由地表加熱特征差異導(dǎo)致的中尺度輻合線

地表差異引發(fā)的熱力差異會形成明顯的BLCL（Gambill，et al，2011）。夏季白天陸地升溫快于海洋（湖泊），海（湖）風(fēng)風(fēng)力增強，在近海（湖）岸內(nèi)陸地區(qū)通常會出現(xiàn)一條平行于海（湖）岸線的狹窄的輻合帶，過境時氣溫下降明顯，風(fēng)向、風(fēng)速變化劇烈，即海（湖）風(fēng)鋒（Byers，et al，1948；Koch，et al，1997；Wilson，et al，1997；Alexander，et al，2018）。海（湖）風(fēng)鋒是一種中尺度鋒面，鋒面上的上升速度通常每秒達幾十厘米，在某些情況下，由海、陸或湖的微風(fēng)提供的低空升力本身足以在邊界產(chǎn)生對流；相對的，陸風(fēng)鋒被認為是夜間近海（湖）雷暴的主要觸發(fā)機制（Williams，et al，1987）。山谷風(fēng)的對流觸發(fā)作用也很重要，如美國西部山洪多于下午爆發(fā)（Maddox，1980），表明上坡氣流所提供的輻合和抬升對風(fēng)暴發(fā)展的重要性。土壤濕度或不同的地表覆蓋（如不同的植被森林和草地）空間分布差異導(dǎo)致的熱力環(huán)流類似于海陸風(fēng)/湖陸風(fēng)輻合線，在某些有利條件下會觸發(fā)和增強深厚濕對流（Pielke，2001；Taylor，2015）。Huang 等（2019）還對中國河套地區(qū)雷達識別出由于植被差異形成的BLCL 進行了研究，發(fā)現(xiàn)其中44%引發(fā)了對流，干旱地區(qū)出現(xiàn)的輻合線明顯多于綠洲，植被差異對輻合線特征的影響十分顯著。

不同類型BLCL 的形成原因和特征不同：雷暴出流邊界為對流性降水云區(qū)中出現(xiàn)的中尺度輻合線，干線的形成受大尺度地形和天氣系統(tǒng)的影響，水平對流卷是太陽輻射影響地表熱力混合形成的，地表加熱特征差異形成的輻合線主要受下墊面影響。雷暴出流邊界、干線及地表差異形成的輻合線具有中尺度鋒的特征，水平對流卷表現(xiàn)為沿著邊界層平均風(fēng)方向排列的筒狀環(huán)流。一般情況下，雷暴出流邊界、干線、水平對流卷不易單獨觸發(fā)雷暴，需要與其他低層氣流擾動或?qū)α靼l(fā)展機制相配合才能觸發(fā)雷暴，相對而言，由地表差異形成的輻合線較易直接觸發(fā)對流。

3 BLCL 對流觸發(fā)作用的統(tǒng)計研究

3.1 國外BLCL 觸發(fā)對流的統(tǒng)計研究

Byers 等（1949）發(fā)現(xiàn)地面輻合要比雷達回波早出現(xiàn)30 min，Purdom（1973，1976，1982）指出在衛(wèi)星云圖上出現(xiàn)代表邊界層輻合線的積云線，尤其當(dāng)這些積云線相互作用時常預(yù)示著有雷暴發(fā)生。受已有研究的啟發(fā)，Wilson 等（1986，后文稱WS86）對落基山東部平原653 個對流風(fēng)暴（回波強度≥30 dBz）與BLCL 的關(guān)系進行了分析，發(fā)現(xiàn)與風(fēng)暴有關(guān)的輻合線有陣風(fēng)鋒、地形輻合線、地面輻合線等，其中陣風(fēng)鋒出現(xiàn)概率最高（33%），有61%的陣風(fēng)鋒、71%的地形輻合線與對流初生有關(guān)；79%強度達30 dBz 和95%強度在60 dBz 以上的風(fēng)暴形成于輻合線附近，輻合線相互作用可以造成71%的風(fēng)暴初生或加強。Wilson 等（1993）對美國科羅拉多地區(qū)雷達識別的邊界層輻合線進行了統(tǒng)計研究，發(fā)現(xiàn)靜止型、移動型、碰撞型和交叉型BLCL 能觸發(fā)對流的概率分別為60%、65%、63%和54%，移動型最易觸發(fā)對流，對流初生概率與輻合線移速無明顯關(guān)聯(lián)。Koch 等（1997）發(fā)現(xiàn)在北卡羅來納州的陣風(fēng)鋒、地面低壓槽及地形輻合線的對流觸發(fā)概率均超80%，主要因沿海邊界層濕度大、對流有效位能高，易形成BLCL 并觸發(fā)對流。Wilson 等（2006）利用IHOP_2002（the International H2O Project，國際水計劃）數(shù)據(jù)證實陣風(fēng)鋒為美國南部平原對流活動的主要觸發(fā)系統(tǒng)，這與WS86 的研究結(jié)論一致。

邊界層輻合線相互作用引起許多學(xué)者關(guān)注，Wilson 等（1993，1997）的統(tǒng)計表明，約有50%的雷暴在BLCL 附近生成，當(dāng)兩條輻合線相遇時，相遇的區(qū)域附近更容易有雷暴發(fā)生。當(dāng)陣風(fēng)鋒移過水平對流卷構(gòu)成的云街時，多數(shù)情況下云街的積云會發(fā)展成雷暴。Carbone 等（2000）指出澳大利亞北部80%以上的對流系統(tǒng)都是通過強海風(fēng)鋒與雷暴出流邊界相互作用發(fā)展起來的。Harrison 等（2009）參照WS86 對BLCL 相互作用與對流初生的關(guān)系進行了深入研究，將出流邊界相互作用方式細分為5 類（圖1），指出S 和V 型碰撞觸發(fā)對流概率高，分別達40%和48%；T 和W 型碰撞觸發(fā)對流概率較低，為29%和17%；研究樣本中B 型碰撞未見觸發(fā)對流，原因是兩條出流邊界以B 或W 型方式碰撞時最終會同向而行合并，導(dǎo)致輻合減弱造成抬升氣流強度弱于S 和V 型。

圖1 出流邊界相互作用類型（鋸齒線代表出流邊界，黑箭頭代表出流邊界的移動方向，AOC 表示兩條出流邊界的交角）（Harrison，et al，2009）Fig.1 Diagram of interaction types of outflow boundaries（Saw-tooth lines represent outflow boundaries，and black arrows indicate the direction of propagation of the outflow boundaries）（Harrison，et al，2009）

Alexander 等（2018）對安大略湖西南部的BLCL與對流系統(tǒng)初生的關(guān)系進行研究，發(fā)現(xiàn)78.1%的風(fēng)暴（回波強度≥40 dBz）由移動型BLCL 觸發(fā)，14.4%的風(fēng)暴在BLCL 合并、交叉及碰并作用過程中形成。

關(guān)于BLCL 與對流活動的時間、空間相關(guān)關(guān)系，WS86 指出從時間上看，對流初生于邊界線相互作用后5—34 min（平均24 min），絕大多數(shù)對流初生于移動性輻合線后20 km 范圍內(nèi)，對準(zhǔn)靜止輻合線而言多數(shù)對流初生于其附近15 km 范圍內(nèi)，當(dāng)兩條輻合線相互作用時對流形成于輻合線交點5 km范圍內(nèi)。Alexander（2012）和Alexander 等（2018）指出安大略湖西南部超過75%的對流單體在BLCL附近30 km 范圍內(nèi)被觸發(fā)，對流初生位置一般在陣風(fēng)鋒后5 km 范圍內(nèi)，湖風(fēng)鋒觸發(fā)的對流則通常出現(xiàn)在鋒前5 km 范圍內(nèi)。BLCL 與對流初生空間相關(guān)關(guān)系研究是基于大樣本統(tǒng)計獲取的，就某一個例究竟為何BLCL 和對流初生位置有一定距離，WS86 認為機制復(fù)雜。

此外，國外還有一些關(guān)于陣風(fēng)鋒（Harrison，et al，2009）、干 線（Ziegler，et al，1998；Johnson，et al，2018）、地表加熱特征差異形成的中尺度輻合線（Gambill，et al，2011）、地形輻合線（Weckwerth，et al，2014）、海風(fēng)鋒（Hughes，et al，2018）以及水平對流卷（Weckwerth，et al，1999；Banghoff，et al，2020）等雷達氣候?qū)W統(tǒng)計研究成果，揭示了不同地區(qū)不同類型BLCL 與對流系統(tǒng)的時、空相關(guān)關(guān)系。

3.2 中國BLCL 對流觸發(fā)作用的統(tǒng)計研究

丁一匯（1978）指出，弧狀云線（陣風(fēng)鋒）與鋒面、颮線和積云線（水平對流卷）相交區(qū)域是強對流發(fā)展和強對流天氣最有可能出現(xiàn)的區(qū)域。陶詩言等（1979）也論述了邊界層輻合線對強對流天氣的重要觸發(fā)作用。宋錦乾（1981）指出，山東半島對流系統(tǒng)的生成和活動都離不開半島輻合線的存在。俞樟孝（1985）、翟國慶等（1992）利用常規(guī)觀測資料將浙江冰雹過程的BLCL 進行了分類，指出冷鋒前的暖式輻合線出現(xiàn)頻次高、移速慢、維持時間長，在冰雹發(fā)生前1—2 d 就已出現(xiàn)；冷鋒式輻合線離冷鋒較遠時不會有冰雹出現(xiàn)，當(dāng)二者的距離在5 個緯距內(nèi)易發(fā)生冰雹；移動型天氣系統(tǒng)（雷暴群、颮線或鋒面）與地面輻合線相遇后，交點附近輻合迅速增強，1—2 h 后相交區(qū)域?qū)a(chǎn)生冰雹、大風(fēng)等強對流天氣，杭州灣地區(qū)由海、陸熱力差異造成的地面中尺度輻合線加強有利于強對流出現(xiàn)，受研究資料時空分辨率限制，這些研究中涉及的輻合線尺度較大，多與天氣尺度系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，雖然可能與文中定義的BLCL有差別，但是從中也可以增強對近地層輻合線對流觸發(fā)作用的認識。

隨著中國探測能力的提升，近年來氣象學(xué)者對BLCL 的認識更加深入（俞小鼎等，2020b）。盧煥珍等（2008）統(tǒng)計分析了天津2007 年晴空環(huán)境下28 次雷達識別的BLCL 的生消及演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)雷達探測到沿海岸形成的BLCL 對應(yīng)的就是渤海灣海陸風(fēng)輻合線，雷達探測的窄帶回波越強，其垂直伸展高度越高，對應(yīng)自動氣象站觀測的海風(fēng)風(fēng)速越大。王彥等（2011）指出，在天津渤海灣地區(qū)，單獨的海風(fēng)鋒不易觸發(fā)雷暴，只有當(dāng)海風(fēng)鋒輻合線與其他輻合線相交時才容易觸發(fā)雷暴。刁秀廣等（2009）在考察了多個個例后指出，山東中部遠離風(fēng)暴主體的出流邊界和順地面風(fēng)移動的風(fēng)速輻合線在熱力條件較弱的情況下一般不會產(chǎn)生對流天氣，出流邊界的疊加或出流邊界與環(huán)境風(fēng)輻合線疊加有利的環(huán)境條件可產(chǎn)生局地強風(fēng)暴，單純的近地層輻合線在有利的環(huán)境條件下可產(chǎn)生較為孤立的局地風(fēng)暴。徐亞欽（2010）對浙江沿海強對流過程進行尺度分離，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴前沿的地面輻合線對風(fēng)暴主體形狀和未來走向有較大影響，與未來暴雨中心的匹配率達78.6%。Luo 等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，華南地區(qū)有66%的中尺度對流系統(tǒng)型降水過程存在BLCL，江淮流域為72%；在季風(fēng)活躍期，江淮地區(qū)中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展較強與高頻次和高強度的BLCL 及低層低渦相關(guān)。王秀明等（2015）發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致東北地區(qū)龍卷的對流系統(tǒng)多數(shù)情況下是由伴隨地面干線的匯合流場導(dǎo)致的地面附近的輻合線所觸發(fā)。何立富等（2016）和諶蕓等（2019）的總結(jié)表明，華南暖區(qū)暴雨主要由邊界層西南風(fēng)與東南風(fēng)或偏南風(fēng)的輻合配合中尺度地形抬升以及地面中尺度輻合線、中尺度能量鋒（露點鋒）、中尺度海風(fēng)鋒等所觸發(fā)。Huang 等（2019）發(fā)現(xiàn)，黃河河套地區(qū)雷達識別的323 個BLCL 中，有44%的輻合線與對流初生有關(guān)，認為由植被差異引起的邊界層輻合線附近白天溫差大更易于觸發(fā)對流。陶嵐等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，上海地區(qū)移動型雷暴產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒可分為兩類，一類出現(xiàn)在雷暴發(fā)展、成熟階段，此類陣風(fēng)鋒與雷暴保持一定距離同向運動，移動過程中一方面不斷抬升其前側(cè)的低層暖濕空氣，另一方面在較高的對流有效位能和較強的風(fēng)垂直切變環(huán)境條件下對后側(cè)入流急流高度的維持起關(guān)鍵作用，有利于維持雷暴的發(fā)展和傳播；另一類出現(xiàn)在雷暴減弱消亡階段，出現(xiàn)后即遠離雷暴，不利于雷暴的發(fā)展。此外，還有一些統(tǒng)計工作在建立強對流天氣概念模型中有所體現(xiàn)，例如蘇愛芳等（2013）、許愛華等（2014）都指出，在一定的天氣形勢下和能量條件下BLCL 具有重要的對流觸發(fā)作用。

鄭永光等（2007）使用2000—2005 年平均的美國環(huán)境預(yù)報中心（National Center for Environmental Prediction，NCEP）最終分析資料975 hPa（代表近地面層）相對濕度，分析了華北地區(qū)5、6 月可能的干線氣候背景，即分析相對濕度的大梯度區(qū)。結(jié)果表明，5 月（圖略）和6 月（圖2a）北京以西近地面層大氣的相對濕度非常小、以東相對濕度明顯增大，形成了北京東、西兩側(cè)差異顯著的相對濕度分布，反映出可能的北京及其附近地區(qū)近地面層容易產(chǎn)生干線的氣候背景。方祖亮等（2020）統(tǒng)計分析了東北地區(qū)（40°—53°N，115°—135°E）2003—2017 年15 年間5—8 月干線時、空分布特征（圖2b）；干線頻發(fā)地為遼寧中、西部，其中西南部最高；次頻發(fā)區(qū)為通遼附近的科爾沁沙地到吉林中、西部平原。這種干線空間分布特征與圖2a 揭示的東北近地面層相對濕度梯度分布具有一定的相似性。

圖2 （a）2000—2005 年6 月平均（06 時，世界時）975 hPa 相對濕度分布（鄭永光等，2007），（b）2003—2017 年暖季（5—8 月）中國東北區(qū)域干線出現(xiàn)頻次網(wǎng)格分布（等經(jīng)緯度網(wǎng)格顏色越深表示該區(qū)域內(nèi)干線出現(xiàn)頻次越高，網(wǎng)格上的數(shù)字表示該網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)干線發(fā)生頻次，發(fā)生頻次為0 的網(wǎng)格則默認不標(biāo)記數(shù)字；紅色和藍色實線分別為1000 和800 m 等高線）（方祖亮等，2020）Fig.2 （a）Monthly mean relative humidity in 975 hPa at 06：00 UTC of June from 2000 to 2005（Zheng，et al，2007），（b）Gridded frequency distribution of drylines in Northeast China during the warm season（May—August）from 2003 to 2017（the deeper the color of the longitude and latitude grid，the higher the occurrence frequency of drylines in the region.The number on the grid indicates the frequency of drylines in the region.If the occurrence frequency is 0 within a grid，the number is not marked by default.The red and blue solid lines in the figure represent 1000 and 800 m isohypse lines，respectively）（Fang，et al，2020）

總之，國際上現(xiàn)有研究成果表明不同地區(qū)BLCL的類型（陣風(fēng)鋒、海風(fēng)鋒、地形輻合線等）、表現(xiàn)形式（靜止型、移動型、相互作用型等）不同，其觸發(fā)對流的概率、與對流風(fēng)暴的相對位置、時間的相關(guān)性也有所不同；BLCL 相互作用較常見，但相互作用的方式不同對流初生的概率也會有所不同。受探測能力限制，中國早期關(guān)于BLCL 的對流觸發(fā)作用的統(tǒng)計研究有限，主要針對沿海地區(qū)。近年來的研究成果更有針對性，揭示了一些特殊地形區(qū)的BLCL 與對流活動的特有規(guī)律。但中國幅員遼闊，目前對于不同區(qū)域、不同類型BLCL 對流觸發(fā)概率、BLCL 與對流初生位置、時間的統(tǒng)計研究還十分有限。

4 局地溫濕擾動對BLCL 觸發(fā)對流的影響

大量的觀測和模擬研究（Ziegler，et al，1997；Parsons，et al，2000）表明，濕度變化在對流形成過程中起重要的作用，邊界層水汽的深層抬升是觸發(fā)對流的必需條件。邊界層局地溫度、濕度差異和變化會影響對流有效位能、對流抑制能量、抬升凝結(jié)高度、自由對流高度等，高對流有效位能，低對流抑制能量、自由對流高度低和抬升凝結(jié)高度低有利于對流觸發(fā)（Crook，1996）。Mueller 等（1987）指出，地面2—4℃的溫度或露點溫度擾動足以影響對流形成。陣風(fēng)鋒附近的露點溫度高于其周邊的露點溫度將會使陣風(fēng)鋒附近的抬升凝結(jié)高度較低，氣塊更易被抬升成云。垂直方向上1℃的溫度擾動就可影響陣風(fēng)鋒碰撞點附近是否出現(xiàn)對流，水汽梯度變化達到1 g/kg 對深對流能否被觸發(fā)的影響更大（Mueller，et al，1993；鄭永光等，2017）。Harrison等（2009）指出，15—20 dBz 的強陣風(fēng)鋒附近的溫度低于環(huán)境4℃以上、露點溫度高于環(huán)境2℃以上；10 dBz 左右中等強度和強度較弱的0—5 dBz 陣風(fēng)鋒的溫度分別低于環(huán)境2.4℃和3.0℃、露點溫度高于環(huán)境1.5℃和0.9℃，陣風(fēng)鋒附近局地水汽及環(huán)境熱力條件的不同配置能夠在很大程度上影響對流初生的概率，若對流抑制能量大且自由對流高度高，即使較為強烈的陣風(fēng)鋒碰撞有時也無法觸發(fā)深對流。Bodine 等（2010）的個例模擬研究表明，在一定的對流潛勢條件下，較強的低層逆溫和較高的自由對流高度將阻止對流發(fā)生，因為克服對流抑制能量所需的上升氣流速度比輻合區(qū)通常觀測到的上升氣流速度要高得多；輻合區(qū)內(nèi)因水汽增加會導(dǎo)致對流抑制能量降低，露點溫度升高2℃，則使得自由對流高度下降約500 m，對流有效位能增大2.5 倍，局地濕度變化可能創(chuàng)造一個更有利深對流初生的熱力學(xué)環(huán)境，通過對局地濕度變化進行評估可以改善對流起始預(yù)報。Wu 等（2016）對2015 年華南地區(qū)暖區(qū)極端暴雨過程進行的診斷研究表明，造成極端降水的地面中尺度輻合線由前期對流系統(tǒng)產(chǎn)生的冷池與來自海上的西南暖濕氣流對峙形成，弱冷池出流與弱西南暖濕氣流勢力相當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)移動緩慢，邊界層輻合線兩側(cè)溫差為2—3℃，雖然中尺度邊界較為淺薄，但在自由對流高度較低（約500 m）的環(huán)境條件仍然能夠激發(fā)對流，導(dǎo)致極端強降水。張寧等（2017）在研究太行山東側(cè)地形輻合線時也發(fā)現(xiàn)，輻合線附近的露點溫度較非對流區(qū)高4℃，這種濕度擾動有利于深厚對流的初生。

另外，由太陽輻射引起的感熱通量、中低層濕度、低層溫度直減率等都在日間局地對流形成中起重要作用（Couvreux，et al，2012）。Behrend 等（2011）的研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境的對流抑制能量不利于山頂積云發(fā)展為深對流情況下，BLCL 附近持續(xù)穩(wěn)定的抬升運動導(dǎo)致的潛熱及感熱垂直輸送可觸發(fā)深對流。前文指出，在WS86 中對流一般初生于移動型輻合線后部20 km 范圍內(nèi)，而Alexander 等（2018）的研究指出安大略湖西南部對流初生于移動型輻合線后部15 km，這種距離上的差異部分原因是WS86 中科羅拉多邊界層較為干燥、冷池出流更冷促使陣風(fēng)鋒移速較快，而安大略湖西南部較潮濕、湖風(fēng)鋒移動較慢。Huang 等（2019）認為，由植被差異引起的邊界層輻合線附近白天溫差大更宜于對流觸發(fā)。蘇愛芳等（2019）在研究城市下墊面對強降水的影響時發(fā)現(xiàn)，城市熱島作用可促進陣風(fēng)鋒兩側(cè)溫度對比增強進而促進對流雨帶發(fā)展。

可見，在一定的對流潛勢條件下，局地溫濕擾動通過影響B(tài)LCL 附近的對流有效位能、對流抑制能量、抬升凝結(jié)高度和自由對流高度等熱力狀況進而影響對流是否被觸發(fā)，但是這種溫濕擾動對BLCL 觸發(fā)對流影響的研究尚不夠充分?；诘孛婕用苡^測及雷達邊界層監(jiān)測，不同地區(qū)以個例診斷結(jié)合多樣本統(tǒng)計分析的方式開展典型BLCL 附近溫濕擾動特征與對流初生關(guān)系研究，對于改進對流初生預(yù)報能力必然具有促進作用。

5 BLCL 對流觸發(fā)機制的診斷分析和模擬研究

邊界層動力擾動是影響積云和降水等中尺度過程的重要物理機制（張強等，2001）。邊界層擾動產(chǎn)生的中尺度垂直運動通過增加對流有效位能、克服對流抑制能量、使氣塊增濕的方式觸發(fā)對流。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展及精細監(jiān)測能力的提高，針對BLCL 有利于對流觸發(fā)的機制研究更加豐富（Atkins，et al，1998；Roberts，et al，2003；Murphey，et al，2006；Weckwerth，et al，2008，2014；Rousseau-Rizzi，et al，2017）。

從理論上講，在一定的有利對流環(huán)境條件下，BLCL 一般都能通過增加抬升強度觸發(fā)對流，值得關(guān)注的是，并非所有的BLCL 在看似適宜的環(huán)境條件下都能觸發(fā)對流，即使環(huán)境具有較大的對流有效位能和弱的對流抑制能量，BLCL 的存在也并不一定意味著對流發(fā)展（Richter，et al，2002；Cai，et al，2006；Wakimoto，et al，2010）。淺薄的BLCL 需要與天氣尺度上升運動或大氣低層風(fēng)垂直切變或適當(dāng)?shù)拇髿鉄崃l件相配合才能形成深對流，局地潛熱和感熱釋放也會影響深對流的形成（Behrendt，et al，2011；鄭永光等，2015），諸如環(huán)境干空氣夾卷和不利的垂直氣壓梯度等因素都會限制初生積云的生長（Houston，et al，2007）。Wakimoto 等（2010）用IHOP_2002 數(shù)據(jù)研究了6 次具有對流潛勢條件的過程，發(fā)現(xiàn)BLCL 抬升氣流強度與對流初生沒有顯著關(guān)聯(lián)，邊界層抬升力最強的一次過程反倒沒觸發(fā)任何對流，可能是由于過程中邊界層上升運動過于傾斜造成的。對流能否發(fā)展的焦點在于近地面濕飽和氣塊能否在邊界層動力抬升作用下沖破對流抑制達到自由對流高度、釋放潛熱產(chǎn)生正浮力推動氣塊進一步上升（Ziegler，et al，1998；Markowski，et al，2006），克服對流抑制能量形成對流所需的上升速度比輻合區(qū)通常觀測到的上升氣流速度高得多，達到對流觸發(fā)的程度需要更多水汽凝結(jié)釋放潛熱增強抬升力（Bodine，et al，2010），這些不僅需要對BLCL 的對流觸發(fā)能力有充分認識，而且需要對潛熱釋放過程有更深刻的理解，但實際上準(zhǔn)確理解這些微物理過程存在較大難度。雷達反射率因子的分布是水汽輻合的綜合反映，漆梁波等（2006）指出可以通過弱窄帶回波出現(xiàn)初始回波中心或強度躍增來預(yù)測輻合加強、對流的抬升變得更加有利。張文龍等（2014）指出北京周邊地區(qū)的雷暴通過其雷暴冷池出流沿著溝谷地形或向平原地區(qū)流動，與山谷或城區(qū)的邊界層暖濕空氣形成輻合抬升機制，觸發(fā)雷暴新生，復(fù)雜地形使冷空氣在一定范圍內(nèi)流動，在邊界層產(chǎn)生碰撞和輻合，起到觸發(fā)和增強對流的作用，使對流風(fēng)暴的形態(tài)和走向與地形呈現(xiàn)出緊密相關(guān)性。Luo 等（2014）對中國梅雨鋒附近的中尺度對流系統(tǒng)進行診斷研究，結(jié)果表明傍晚時段對流活動形成的中尺度冷池與夜間初生對流的相互作用導(dǎo)致線性中尺度對流系統(tǒng)形成并產(chǎn)生極端強降水。

BLCL 相互作用的對流觸發(fā)問題也較復(fù)雜。有研究認為當(dāng)兩條BLCL 持續(xù)相對而行發(fā)生碰撞將形成更強的輻合上升運動，更有利于對流觸發(fā)，并可通過促使近地面動力不穩(wěn)定明顯增強，克服不利于對流新生的熱力條件導(dǎo)致對流初生并快速增強（Droegemeier，et al，1985；Intrieri，et al，1990；Weckwerth，et al，2008，2014）。中國多數(shù)研究（沈杭鋒等，2010；劉彬賢等，2015；陳明軒等，2017；Qin，et al，2017）也認為BLCL 相互作用能強化對流動力抬升機制。沈杭鋒等（2010）指出，當(dāng)兩條輻合線相遇時導(dǎo)致相遇區(qū)濕層增厚和加強從而促進邊界層垂直上升運動的增強，使得該地區(qū)成為未來強風(fēng)暴發(fā)展地區(qū)。陳明軒等（2017）針對一個發(fā)生在京津冀地區(qū)包含3 次風(fēng)暴過程的強對流事件，研究了在京津冀復(fù)雜地形條件下導(dǎo)致對流風(fēng)暴局地新生及快速增強的對流尺度熱力和動力機制，討論了地形、陣風(fēng)鋒和低層暖濕氣流之間相互作用導(dǎo)致對流生成和加強的機制，并指出在多單體風(fēng)暴出流邊界之間碰撞形成的動力不穩(wěn)定配合下，多單體對流風(fēng)暴的出流邊界與沿山坡上行的低層暖濕氣流相互作用，增強了低層輻合和垂直上升運動是導(dǎo)致風(fēng)暴新生和增強的關(guān)鍵特征，兩條陣風(fēng)鋒在風(fēng)暴附近的碰撞及其和低層偏南暖濕氣流的相互作用，具有復(fù)雜地形條件下導(dǎo)致風(fēng)暴新生和加強的“三重點”關(guān)鍵區(qū)特征。Qin 等（2017）指出，當(dāng)冷鋒接近干線時，干線斜壓鋒生對冷鋒前的深對流起一定作用；當(dāng)冷鋒與干線合并時干線的斜壓性增強，更多深厚對流會被觸發(fā)。

然而，并非所有BLCL 相互作用都可以觸發(fā)或加強對流，BLCL 兩側(cè)不同旋轉(zhuǎn)方向的水平渦度環(huán)流能否達到平衡、抬升氣流是否更直立、輻合是否更深厚對深對流觸發(fā)都有影響。Bai 等（2019）利用多種觀測資料和高分辨率數(shù)值模擬資料，指出2009 年6 月3 日傍晚河南位于黃河以北平原地區(qū)一次強對流系統(tǒng)的觸發(fā)是不斷有前期雷暴下沉氣流形成的冷涌（間歇性陣風(fēng)鋒）沖到山下，與山下伴隨氣流匯合的干線相遇，在干線匯合流場的交點處，觸發(fā)強對流。公衍鐸等（2019）和鄭永光等（2020）通過個例分析發(fā)現(xiàn)已有地面輻合線加強并同其他對流系統(tǒng)的陣風(fēng)鋒共同作用來觸發(fā)對流。2016 年6 月30 日07 時（北京時，下同），鋒面在河北省東南部與山東省西北部交界區(qū)域演變?yōu)殪o止鋒；08—09 時（圖3a），偏南氣流增強，鋒面有所北退；10—11 時，受渤海中尺度對流系統(tǒng)（雷達觀測顯示是一條颮線）和河北省中部中尺度對流系統(tǒng)的出流氣流影響（圖3b），北側(cè)冷空氣加強，鋒面有所南壓，初生對流系統(tǒng)生成（公衍鐸等，2019）。

圖3 2016 年6 月30 日09（a）、10（b）時（北京時）滄州雷達0.5°仰角徑向速度場、自動氣象站風(fēng)場、散度和氣溫（黑色圓點分別表示滄州雷達站和石家莊市位置；色階為徑向速度場，單位：m/s；藍色風(fēng)羽表示偏北風(fēng)，黑色風(fēng)羽表示偏南風(fēng)；L 代表冷區(qū)，N 代表暖區(qū)）（公衍鐸等，2019）Fig.3 Radial velocity of radar at 0.5° elevation in Cangzhou，and wind，divergence and temperature of automatic weather stations at 09：00（a）and 10：00 BT（b）30 June 2016（black dots indicate the location of radar station in Cangzhou and the location of Shijiazhuang city；shaded：radial velocity；blue barbs：northerly；black barbs：southerly，unit：m/s）（Gong，et al，2019）

Wakimoto 等（2010）對IHOP_2002中觀測到的6 條BLCL 進行了中尺度分析發(fā)現(xiàn)，其中3 d 的風(fēng)暴都與2 條相鄰的BLCL 有關(guān)，這2 條BLCL 在其中的1 d 相交、另外2 d 在5—15 km 的距離內(nèi)平行，其中浮力的水平梯度是產(chǎn)生水平渦度變化的最大來源，兩個方向相反的低層環(huán)流可以促進垂直上升運動的發(fā)展而觸發(fā)對流；他們進一步將Rotunno 等（1988）基于數(shù)值模擬提出的低層線性風(fēng)垂直切變環(huán)境中沿著輻合線有利于颮線維持的示意圖（圖4a）修改為雷暴生成示意圖（圖4b），圖4b 中用相鄰的β 中尺度邊界（BLCL）由力管項產(chǎn)生的水平渦度形成的正渦度環(huán)流代替了由低層環(huán)境風(fēng)切變形成的正渦度環(huán)流，對流沿著輻合線生成。他們指出低層氣流的流入會使邊界（BLCL）附近的輻合及正渦度環(huán)流進一步增強，從而有利于對流的觸發(fā)（圖4b），并指出雷暴的發(fā)展并不一定需要BLCL 相交，即使兩個相近的保持分離狀態(tài)BLCL，由力管產(chǎn)生的水平正渦度環(huán)流也可以產(chǎn)生有利于對流生成的條件。

圖4 BLCL（陣風(fēng)鋒）附近對流初生示意（a.Rotunno 等（1988）提出的模型，b.Wakimoto 等（2010）總結(jié)的模型；“+”表示正水平渦度，“?”表示負水平渦度，單矢線表示環(huán)流，雙矢線表示上升運動，鋸齒線表示邊界）Fig.4 Schematic model illustration of days when thunderstorm initiated along boundaries（a.model proposed by Rotunno，et al（1988），b.model summarized by Wakimoto，et al（2010）；"+" represents positive horizontal vorticity，"?" represents negative horizontal vorticity，single-arrow line represents circulation，double-vector line represents upward movement and saw-tooth line represents boundary）

綜合來看，中外許多學(xué)者關(guān)注到BLCL 有利于對流觸發(fā)并開展了深入研究。但是，BLCL 與環(huán)境動力和熱力相互作用產(chǎn)生的局地變化都會使對流觸發(fā)問題變得更加復(fù)雜，邊界層輻合線相互作用能否觸發(fā)對流還與其作用方式有關(guān)。盡管國外學(xué)者對這些復(fù)雜機制已經(jīng)開展了一些研究，但相關(guān)的研究還比較有限，例如，BLCL 附近抬升氣流與水平面的夾角、輻合的深厚程度與對流觸發(fā)的關(guān)系還缺乏精細的數(shù)值模擬試驗研究。

6 總結(jié)和未來發(fā)展

文中概述了BLCL 的對流觸發(fā)作用，回顧了BLCL 對流觸發(fā)作用的統(tǒng)計研究、其造成的局地溫濕擾動對觸發(fā)對流的影響以及BLCL 對流觸發(fā)機制的復(fù)雜性等方面的中外研究進展。

（1）BLCL 的對流觸發(fā)作用不僅具有地域特征，而且還會因輻合線的形成原因、表現(xiàn)形式、相互作用方式等差異影響對流初生的時間、相對位置并導(dǎo)致對流或深對流初生概率不同。綜合來看，目前基于不同天氣背景條件（槽前、槽后、冷渦、副熱帶高壓邊緣、梅雨等），針對不同類型BLCL 對流觸發(fā)作用的統(tǒng)計研究還不是很充分，另外，不同類型BLCL觸發(fā)不同類型對流比如孤立對流、颮線、多單體等的統(tǒng)計研究也不多見。

（2）在高對流有效位能、低對流抑制能量環(huán)境下，BLCL 的存在有利于對流活動，但能否形成深厚濕對流還會受自身性質(zhì)、天氣尺度系統(tǒng)、近地層溫濕擾動及抬升、潛熱釋放機制等因素的影響，同一類型BLCL 在相似的環(huán)境下或者在具備對流潛勢的環(huán)境條件下不一定都能觸發(fā)對流。

（3）總體來看，美國的BLCL 研究較為系統(tǒng)，而中國受高時、空分辨率監(jiān)測布網(wǎng)較晚等因素的影響，基于大樣本的BLCL 對流觸發(fā)作用的統(tǒng)計分析及對流觸發(fā)機制的深入研究還存在較多欠缺。

隨著中國高時、空分辨率監(jiān)測站網(wǎng)的日益完善和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，通過增加研究樣本、采用更加精細的監(jiān)測資料和數(shù)值模擬技術(shù)針對這些復(fù)雜問題開展深入系統(tǒng)的研究是可行的：從統(tǒng)計分析的角度，選取大樣本開展BLCL 對流初生特征及其與對流初生位置、時間的相關(guān)關(guān)系的系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上診斷分析BLCL 觸發(fā)深對流的環(huán)境條件物理量分布特征和近地面溫濕擾動特征等，選取具有對流有利條件的典型BLCL，就其能否觸發(fā)深厚對流進行對比研究，以精細的觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬試驗進一步探索BLCL 的對流觸發(fā)機制，將是非常有價值的工作。

參考現(xiàn)有一些高分辨率區(qū)域數(shù)值模式和云模式的系統(tǒng)框架，結(jié)合高分辨率地形和下墊面特征等資料，利用各種觀測資料和高分辨率數(shù)值預(yù)報資料，發(fā)展一個簡單的、定量的能夠在臨近或者短時段內(nèi)（0—6 h）有效預(yù)報BLCL 觸發(fā)深厚濕對流的有效模式，對于研究和業(yè)務(wù)預(yù)報BLCL 對流觸發(fā)作用是極其重要的一項工作。