线状对流系统（Quasi-linear convective systems，QLCS）由于组织性强，生命期长，易于导致较大范围的大风、冰雹、强降水甚至龙卷等强天气，社会影响大，是中外中尺度对流系统（MCS）研究的重要对象之一（Bluestein，et al，1985；Rotunno，et al，1988；Weisman，et al，2004；王秀明等，2012；陈明轩等，2012；Meng，et al，2013；孙继松等，2015；罗琪等，2019）。俞小鼎等（2020）综述了中国强对流研究和业务进展，其中非常重要的一部分内容就是关于中国线状对流系统的环境条件、组织结构特征和维持机制等方面的研究成果。
针对线状对流系统分类有多种方法，经典的如Parker等（2000）按雷达回波形态将线状对流系统分为TS（trailing stratiform），LS（leading stratiform）和PS （parallel stratiform）3种类型，引起了广泛关注（Zheng，et al，2013；Yang，et al，2015）。中国也有较多按照形态进行分类的工作，如王晓芳（2012）、Zheng等（2013）的工作。按照影响线状对流系统的天气尺度系统进行分型也是研究的重要方面，如丁一汇等（1982）将华北飑线分为槽后、槽前、高压后部、台风倒槽4种类型，Meng等（2013）、郑媛媛等（2014）、杨珊珊等（2016）、吴瑞姣等（2019）进一步细化了天气尺度系统分类。
孙继松等（2013）根据中尺度对流系统传播机制的不同将北京地区多单体雷暴分为2类，一类移动快，中尺度冷池驱动雷暴单体传播，产生大风天气；另一类移动缓慢，列车效应明显，产生强降水天气。大量个例研究也表明，移速较快并伴有显著中尺度雷暴高压的线状对流系统容易造成雷暴大风天气，如河南2009年“6.3飑线”强风过程（梁建宇等，2012）、江西2018年“3.4飑线”极端大风过程（盛杰等，2019）。移速缓慢、持续时间长的线状对流系统常引起暴雨，如江淮地区梅雨锋上的中尺度对流系统研究（赵宇等，2017）、北京2012年“7.21特大暴雨”的线状回波特征研究等（方翀等，2012；孙军等，2012；陈明轩等，2013）。
华北地处中纬度西风带区，夏季（6—8月）是强对流和强降水发生的主要时段。已有研究（Zheng，et al，2007；郑永光等，2007）表明，该区域5—6月的对流活动特点和气候背景与7—8月显著不同，5、6月主要为冰雹对流天气，为相对的“干对流”；7、8月则进入暴雨季节，为相对的“湿对流”。虽然基于雷达拼图获得了华北地区对流风暴的日变化等特征（Chen，et al，2012，2014），但针对线状对流系统的气候特征研究还非常少见。Meng等（2013）统计显示，华北中部平原地区是中国东部线状对流系统的高频区域之一，但其仅使用了2 a的雷达资料，给出的线状对流系统分布空间分辨率也较低。华北导致显著大风天气的线状对流系统在地面冷池、水汽垂直分布、能量等环境场上虽然存在一些共性特征（陈明轩等，2012；陈涛等，2013；郑丽娜等，2016；罗琪等，2019），但缺乏基于长序列数据的统计分析。华北地区产生强降水甚至极端强降水的线状对流系统个例也受到一些关注，谌芸等（2012）、陈明轩等（2013）在分析北京“7.21特大暴雨”回波特征时指出当锋面逼近北京城区前，雷达回波沿山方向形成了明显线状结构；孙继松等（2015）则阐明线状回波中的多单体“列车效应”是华北地区造成极端暴雨的重要机制，可见线状对流系统也是造成华北暴雨的一种重要天气系统，但尚未见到较为系统性地研究中国产生强降水的线状对流系统的分布特征等。
上述分析表明，中国发生极端强天气的线状对流系统至少存在以产生强雷暴大风为主和以产生强降水为主的两种类型，介于这两类线状对流系统之间，还有部分线状对流系统可能同时产生雷暴大风和强降水，但天气极端性相对较弱，文中更关注的是发生极端强天气的线状对流系统。如前所述，华北地区线状对流系统的精细气候分布尚未获得，更为重要的是，缺乏对产生不同天气类型的线状对流系统气候活动规律和系统特征的相关研究。因此，在普查华北地区2013—2018年线状对流系统基础上，对比分析产生强雷暴大风和强降水两类极端性强烈天气的线状对流系统的分布特征，进一步结合其发展机理和极端天气的成因来探究这两类线状对流系统的环境条件和冷池特征等的差异，为加深对线状对流系统的认识和提高对该类系统产生的强对流天气的预报、预警能力提供参考依据。
2 资料与方法使用的雷达探测数据为国家气象中心业务应用的雷达组合反射率因子拼图数据，分辨率为0.01°×0.01°，2016年6月15日之前时间间隔为10 min，之后为6 min。该数据已经被广泛用于中国对流系统的研究（Meng，et al，2013；Zheng，et al，2013；Yang，et al，2018）。统计线状对流系统产生的天气类型时，使用了国家气象中心业务强对流天气监测数据，包含有降水及雷暴大风的阵风（瞬时极大风）监测实况，图1所示的研究区域内，包括519个国家站和8296个自动气象站，时间分辨率为1 h。基于美国NCEP 6 h时间间隔、1°×1°全球分析资料，取线状对流系统发生之前最近时次的资料对环境条件和环流形势进行统计分析。所用时间均为北京时。
图 1 研究区域的地形高度 （色阶，单位：m）、雷达站 （红色三角） 及自动气象站 （黑色点） 分布Fig. 1 Terrain （shaded，unit：m），radar stations （red triangles） and automatic observation stations （black dot） in the study area图选项华北区域范围定义为（35°—43°N，111°—122°E）（图1），主要包括山西、河北、北京和天津等省、市，也包含了山东大部分区域、河南北部和辽宁西部。如果发生的线状对流系统不影响山西、河北、北京和天津，将不计入线状对流系统统计个例中。
基于雷达拼图数据，应用盛杰等（2020）发展的“线状对流系统骨干”识别技术来判识线状对流系统，判识标准为“大于40 dBz的回波带长轴超过100 km，长、短轴比超过5∶1，且持续时间超过3 h的准连续回波带”。需要说明的是，这里的“骨干”指的是识别出来的线状对流系统结构。该技术依据Lee等（1994）发展成熟的图形骨架提取技术来判识雷达拼图中线状对流系统的骨架，然后修剪成骨干，再利用该骨干具备的中轴特性对线状对流系统的长、短轴进行量化，最终得到符合判识标准的线状对流系统识别结果。盛杰等（2020）对2016年6月黄淮地区线状对流系统过程进行识别试验表明，该技术可有效地判识符合标准的线状对流系统过程，并给出线状对流系统移动、维持时间等特征信息。为了分析华北线状对流系统的气候空间分布，对线状对流系统骨干所经过的0.1°×0.1°格点的发生次数进行了统计，参考盛杰等（2020）的量化算法，还对线状对流系统的生命期、移速、移动方向与主轴的夹角进行了计算。
本研究进一步统计与线状对流系统关系最密切的雷暴大风和强降水两类灾害性天气。按照中国天气预报业务中的强对流天气定义标准（郑永光等，2013），雷暴大风是指由强对流产生的超过8级（17.2 m/s）的阵风，其强度分类主要依据中国气象局（2007）制定的雷暴大风和暴雨两类灾害天气的预警信号标准（表1）。下节将给出华北线状对流系统产生的不同类型天气的统计结果，根据这些结果，文中将重点对比分析产生极端强雷暴大风和极端强降水两类致灾性天气的线状对流系统。
表 1 中国气象局制定的雷暴大风和暴雨预警信号标准Table 1 Warning signal standards of thunderstorm wind gust and rainstorm issued by China Meteorological Administration雷暴大风预警信号标准暴雨预警信号标准黄色12 h内可能受大风影响，平均风力可达8级以上，或者阵风9级以上；或者已经受大风影响，平均风力为8—9级，或者阵风9—10级并可能持续。6 h内降雨量将达50 mm以上，或者已达50 mm以上且降雨可能持续。橙色2 h内可能受雷暴大风影响，平均风力可达10级以上，或阵风11级以上，并伴有强雷电；或者已经受雷暴大风影响，平均风力为10—11级，或阵风11—12级并伴有强雷电，且可能持续。3 h内降雨量将达50 mm以上，或者已达50 mm以上且降雨可能持续。红色2 h内可能受雷暴大风影响，平均风力可达12级以上并伴有强雷电；或者已经受雷暴大风影响，平均风力为12级以上并伴有强雷电，且可能持续。3 h内降雨量将达100 mm以上，或者已达100 mm以上且降雨可能持续。表选项 3 线状对流系统分布、灾害天气特征和分类3.1 线状对流系统总体分布“线状对流系统骨干”技术识别出2013—2018年华北地区共171例线状对流系统。0.1°×0.1°水平分辨率的线状对流系统骨干发生总次数分布及形成次数分布情况如图2。其中，线状对流系统的形成指的是“线状对流系统骨干”技术识别出来的第一个时刻的线状对流系统，也就是线状结构的形成，与对流初生或者触发存在差异。对流初生或者触发则通常指的是对流的雷达反射率因子达到35 dBz。因此，大多数情况下，具有线状结构的对流系统需要对流在触发后发展一段时间才能够形成。
图 2 2013—2018年线状对流系统（a）总次数分布和（b） 形成次数分布（灰色等值线为地形高度，单位：m）Fig. 2 Distributions of （a） the number of QLCSs during 2013—2018 and （b） formation （gray isolines represent the terrain height，unit：m）图选项华北线状对流系统主要分布在平原地区（图2a），有2个高频区域；一个位于京津冀地区太行山和燕山山脚附近，呈带状分布，基本与地形平行；另一中心位于天津南部至河北山东交界处，呈现西南—东北的大致椭圆状走向，该中心与Meng等（2013）给出的结果基本一致。线状对流系统形成次数地理分布显示部分线状对流系统的开始形成位置可追溯到山西、河北的山区甚至内蒙古（图2b），其中北京到河北中部的太行山附近分布较为集中，另外一个形成次数高发区域位于河北、山东交界处。Meng等（2013）指出华北地区线状对流系统的高频中心位于北京以南的华北中部地区，但该研究仅使用了2 a的雷达资料，给出的线状对流系统分布空间分辨率为较粗的2°×2°。