刘鴻波等:低空急流的研究进展与展望 以有效地提高降水预报的准确率(陶诗言等,1980),时沿垂直向上方向达到最近的一个风速极小值或 增进对于极端降水过程及洪涝灾害的认识和理解,3km高度(以较低者为准)时风速下降不少于 为进一步准确预报和预防灾害性事件的发生提供科6m/s便将这种高速气流定义为1级急流,而分别 学依据。除降水外,低空急流与空气污染、风能利对应于16(20)m/s最大风速、8(10)m/s风速垂直 用、航空安全、沙尘输送、森林火灾等诸多方面也存切变的气流带则定义为2(3)级急流。这一定义方 在密切的联系( Uccellini,1980; Liechti,etal,式在后续针对南、北美洲低空急流研究工作中被广 1999; Archer,etal,2005),此类研究工作正逐渐兴泛采用( Higgins,etal,1997;Pan,etal,2004;Vera, 起,并越来越受到科学界及社会各相关领域的重视。etal,2006)。此外,研究人员还根据各个地区地形 因此,针对低空急流的研究既具有重要的理论意义高度及背景场状况等因素的不同对低空急流最大风 又具有切实的现实意义 速值、风速垂直切变强度和急流高度进行了不同的 日前,中国大多数针对低空急流的研究工作急设定与限制。例如,考虑到针对单一台站的风廓线 流选取标准比较宽泛,故在一定程度上限制了对中雷达资料进行分析时,所观测到的风速大值并不 国低空急流现象的认识(赛瀚等,2012a)。与此同定位于急流中心区域, Zhang等(2006)在研究工作 时,中国大多数研究工作仍集中于低空急流与降水中规定只要对流层低层1.5km以下的垂直风速廓 关系的研究,现有观测数据的缺乏或资料共享方面线呈现尾流状形态,且在水平风速大值中心上下 的困难使得针对低空急流结构特征与形成演变机制300m高度处分别存在负、正风速切变时,即认定为 的研究开展较少。因此,还需要开展大量的研究工一次低空急流过程 作以便更好地认识这一重要的天气现象。事实上 基于 Bonner(1968)的急流定义标准,Chen等 近年来观测资料的增多为人们提供了很好的机遇 (2005)将风速考察范围向上延伸至600hPa,在这 2低空急流的分类和定义、分布状况与结构种定义下探空资料的结果显示风速垂直廓线呈现出 显著的“双峰”特征,风速大值分别出现在925-900 特征 和850—825hPa。台湾地区低空急流的主要风速 2.1低空急流的分类和定义 大值是在地形的阻挡作用下形成的,发生频次高,出 根据低空急流最大风速轴所在高度可以将其分现范围也仅限于边界层内部(对应于阻挡急流)。位 为自由大气低空急流(850—600hPa)和边界层低空于850-700hPa的低空急流则多为移动性急流,与 急流(850hPa或1500m以下)(赛瀚等,2012a)。梅雨系统关系密切并极易导致强降水事件的发生, 自由大气低空急流经常与天气系统相伴出现,如四Du等(2012)利用风廓线雷达资料在对上海青浦站 川盆地东部西南低涡和台风边缘斜压性较强的急的分析中也发现该地区同样存在着两类低空急流 流、强对流活动诱发局地环流造成的急流等。边界分别是边界层低空急流和2100-2200m高度上与 层低空急流既有斜压性很弱——即没有明显天气系天气系统密切相关的低空急流。在此之前,受到数 统的急流,也有出现在高低压过渡区内伴随着暴雨据资料分辨率的限制,大部分针对中国大陆地区低 过程的急流,如北美落基山脉东侧低空急流和非洲空急流的研究仅对某一层等压面上的最大风速进行 东部索马里急流。当然,根据风速大值范围的不同,了限定,对于风速的垂直切变强度并没有提出明确 还可以将低空急流分为大尺度急流、天气尺度急流的要求(俞樟孝等,1983;翟国庆等,1999;徐海明等 和中尺度急流(于廖良,1986)。在本研究中,将不特2001;Qian,etal,2004) 别针对各类急流的特征及成因进行分类讨论,而是 Stensrud(1996)对低空急流和低空高速气流带 就其共性进行综述 两个概念进行了区分,指出低空急流是具有显著风 由于低空急流出现的高度、范围、风速强度以及速垂直切变的水平气流,而低空高速气流带则未对 水平和垂直切变均有一定差异,迄今为止,低空急流风速垂直切变进行限制(不一定存在强垂直切变), 的定义尚未形成统一的标准。 Bonner(1968)根据这种分类也被后来的大多数研究人员所接受。例如 最大风速及风速垂直切变强度将北美地区低空急流张文龙等(2007)就针对中国的西南低空急流和西南 分成3个等级,即当气流最大速度超过12m/s且同低层大风进行了对比分析,揭示了二者的气候学和以有效地提高降水预报的准确率（陶诗言等，１９８０）， 增进对于极端降水过程及洪涝灾害的认识和理解， 为进一步准确预报和预防灾害性事件的发生提供科 学依据。除降水外，低空急流与空气污染、风能利 用、航空安全、沙尘输送、森林火灾等诸多方面也存 在 密 切 的 联 系 （Ｕｃｃｅｌｌｉｎｉ，１９８０；Ｌｉｅｃｈｔｉ，ｅｔａｌ， １９９９；Ａｒｃｈｅｒ，ｅｔａｌ，２００５），此类研究工作正逐渐兴 起，并越来越受到科学界及社会各相关领域的重视。 因此，针对低空急流的研究既具有重要的理论意义 又具有切实的现实意义。 目前，中国大多数针对低空急流的研究工作急 流选取标准比较宽泛，故在一定程度上限制了对中 国低空急流现象的认识（赛瀚等，２０１２ａ）。与此同 时，中国大多数研究工作仍集中于低空急流与降水 关系的研究，现有观测数据的缺乏或资料共享方面 的困难使得针对低空急流结构特征与形成演变机制 的研究开展较少。因此，还需要开展大量的研究工 作以便更好地认识这一重要的天气现象。事实上， 近年来观测资料的增多为人们提供了很好的机遇。 ２ 低空急流的分类和定义、分布状况与结构 特征 ２．１ 低空急流的分类和定义 根据低空急流最大风速轴所在高度可以将其分 为自由大气低空急流（８５０—６００ｈＰａ）和边界层低空 急流（８５０ｈＰａ或 １５００ ｍ 以下）（赛 瀚 等，２０１２ａ）。 自由大气低空急流经常与天气系统相伴出现，如四 川盆地东部西南低涡和台风边缘斜压性较强的急 流、强对流活动诱发局地环流造成的急流等。边界 层低空急流既有斜压性很弱———即没有明显天气系 统的急流，也有出现在高低压过渡区内伴随着暴雨 过程的急流，如北美落基山脉东侧低空急流和非洲 东部索马里急流。当然，根据风速大值范围的不同， 还可以将低空急流分为大尺度急流、天气尺度急流 和中尺度急流（于廖良，１９８６）。在本研究中，将不特 别针对各类急流的特征及成因进行分类讨论，而是 就其共性进行综述。 由于低空急流出现的高度、范围、风速强度以及 水平和垂直切变均有一定差异，迄今为止，低空急流 的定义尚未形成统一的标准。Ｂｏｎｎｅｒ（１９６８）根据 最大风速及风速垂直切变强度将北美地区低空急流 分成３个等级，即当气流最大速度超过１２ｍ／ｓ且同 时沿垂直向上方向达到最近的一个风速极小值或 ３ｋｍ 高 度 （以 较 低 者 为 准）时 风 速 下 降 不 少 于 ６ｍ／ｓ便将这种高速气流定义为１级急流，而分别 对应于１６（２０）ｍ／ｓ最大风速、８（１０）ｍ／ｓ风速垂直 切变的气流带则定义为２（３）级急流。这一定义方 式在后续针对南、北美洲低空急流研究工作中被广 泛采用（Ｈｉｇｇｉｎｓ，ｅｔａｌ，１９９７；Ｐａｎ，ｅｔａｌ，２００４；Ｖｅｒａ， ｅｔａｌ，２００６）。此外，研究人员还根据各个地区地形 高度及背景场状况等因素的不同对低空急流最大风 速值、风速垂直切变强度和急流高度进行了不同的 设定与限制。例如，考虑到针对单一台站的风廓线 雷达资料进行分析时，所观测到的风速大值并不一 定位于急流中心区域，Ｚｈａｎｇ等（２００６）在研究工作 中规定只要对流层低层１．５ｋｍ 以下的垂直风速廓 线呈现尾 流 状 形 态，且 在 水 平 风 速 大 值 中 心 上 下 ３００ｍ 高度处分别存在负、正风速切变时，即认定为 一次低空急流过程。 基于 Ｂｏｎｎｅｒ（１９６８）的急流定义标准，Ｃｈｅｎ等 （２００５）将风速考察范围向上延伸至６００ｈＰａ，在这 种定义下探空资料的结果显示风速垂直廓线呈现出 显著的“双峰”特征，风速大值分别出现在９２５—９００ 和８５０—８２５ｈＰａ。台湾地区低空急流的主要风速 大值是在地形的阻挡作用下形成的，发生频次高，出 现范围也仅限于边界层内部（对应于阻挡急流）。位 于８５０—７００ｈＰａ的低空急流则多为移动性急流，与 梅雨系统关系密切并极易导致强降水事件的发生。 Ｄｕ等（２０１２）利用风廓线雷达资料在对上海青浦站 的分析中也发现该地区同样存在着两类低空急流， 分别是边界层低空急流和２１００—２２００ｍ 高度上与 天气系统密切相关的低空急流。在此之前，受到数 据资料分辨率的限制，大部分针对中国大陆地区低 空急流的研究仅对某一层等压面上的最大风速进行 了限定，对于风速的垂直切变强度并没有提出明确 的要求（俞樟孝等，１９８３；翟国庆等，１９９９；徐海明等， ２００１；Ｑｉａｎ，ｅｔａｌ，２００４）。 Ｓｔｅｎｓｒｕｄ（１９９６）对低空急流和低空高速气流带 两个概念进行了区分，指出低空急流是具有显著风 速垂直切变的水平气流，而低空高速气流带则未对 风速垂直切变进行限制（不一定存在强垂直切变）， 这种分类也被后来的大多数研究人员所接受。例如 张文龙等（２００７）就针对中国的西南低空急流和西南 低层大风进行了对比分析，揭示了二者的气候学和 刘鸿波等：低空急流的研究进展与展望 １９３