華南一次颮線過程線狀對流模態(tài)變異機(jī)理研究

康兆萍　林永輝

摘要利用高時(shí)空分辨率的地面觀測資料、探空資料、NCEP再分析資料和多普勒天氣雷達(dá)資料，并結(jié)合中尺度數(shù)值模式WRF分析2013年5月15日發(fā)生在廣西廣東地區(qū)的一次強(qiáng)颮線過程，著重分析了中尺度對流系統(tǒng)（Mesoscale Convective System，MCS）由平行型（PS）模態(tài)到拖尾型（TS）模態(tài)的轉(zhuǎn)變過程及機(jī)理。結(jié)果表明，此次颮線過程發(fā)生于高層弱輻散區(qū)，500 hPa有明顯短波槽東移發(fā)展，850 hPa有切變線和低空暖濕急流，地面有冷鋒和低壓倒槽。西側(cè)初始對流發(fā)展為PS型MCS模態(tài)，成熟期無雷暴高壓。東側(cè)減弱的初始對流再次加強(qiáng)發(fā)展后與西側(cè)PS型MCS合并發(fā)展成為TS型MCS模態(tài)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，PS型模態(tài)具有平行于對流線的氣壓梯度力和加速度分量，該分量產(chǎn)生了平行于對流線的風(fēng)分量。TS型模態(tài)中，平行于對流線的氣壓梯度力和加速度很小，而垂直于對流線的氣壓梯度力和加速度很大，正是由于平行于對流線的加速度分量的消失和垂直于對流線的加速度分量的增強(qiáng)促使對流線內(nèi)部相對系統(tǒng)流場由平行向轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕颍瑢?dǎo)致MCS模態(tài)由PS型轉(zhuǎn)為TS型。

關(guān)鍵詞平行型；拖尾型；氣壓擾動；加速度；颮線

颮線是由許多雷暴單體側(cè)向排列而成的強(qiáng)烈線性對流帶，其水平尺度為150～300 km，時(shí)間尺度為4～18 h。颮線過境常伴有強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹、龍卷等劇烈天氣現(xiàn)象，是一種破壞性極強(qiáng)的中β尺度對流系統(tǒng)（章國材，2007；陳耀登等，2017）。颮線的組織結(jié)構(gòu)、演變及形成機(jī)理的研究一直是中尺度氣象領(lǐng)域里一個(gè)非常重要的課題。

按照層狀云相對于強(qiáng)對流的位置可以將中尺度對流系統(tǒng)（Mesoscale Convective System，MCS）的組織結(jié)構(gòu)分為三類：層狀云位于前部的前導(dǎo)型（Leading Stratiform，LS）、層狀云平行于對流線的平行型（Parallel Stratiform，PS）和層狀云位于后部的拖尾型（Trailing Stratiform，TS）。其中拖尾型占60%，前導(dǎo)型和平行型各占20%，并且30%的LS型MCS和58%的PS型MCS在發(fā)展后期會向TS型轉(zhuǎn)化（Parker and Johnson，2000）。Meng et al.（2013）對2008—2009年中國東部地區(qū)96次颮線過程進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示拖尾型占62%，平行型占26%，前導(dǎo)型占12%。Parker（2007a，2007b）指出對流層中上層相對于對流線的氣流對MCS的組織結(jié)構(gòu)有決定性作用。拖尾型MCS整層表現(xiàn)出由前向后的垂直于對流線的相對系統(tǒng)風(fēng)分量。平行型MCS在1 km以下為強(qiáng)的垂直于對流線的風(fēng)分量，但在2 km以上則表現(xiàn)出深厚的平行于對流線的風(fēng)分量。這類MCS中對流層中層水汽平流沿著對流線集中輸送，但軸線里水汽輸送較弱，兩側(cè)較強(qiáng)，最終會導(dǎo)致軸線里降水弱而兩側(cè)降水強(qiáng)（Parker and Johnson，2000）。中尺度對流系統(tǒng)常發(fā)生在具有較強(qiáng)垂直風(fēng)切變的環(huán)境中（丁一匯等，1982），Parker（2007a，2007b）通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)還指出低層垂直向風(fēng)切變和深層平行向風(fēng)切變對PS型MCS的組織結(jié)構(gòu)同等重要。

Johnson and Hamilton（1988）總結(jié)出成熟期颮線系統(tǒng)在地面由雷暴中高壓、中高壓后部的尾流低壓和中高壓前部的中低壓組成。Houze et al.（1989）通過拖尾型颮線個(gè)例分析得到颮線成熟期垂直結(jié)構(gòu)模型：系統(tǒng)由強(qiáng)對流區(qū)、層狀云區(qū)以及兩者之間的弱回波過渡帶組成；垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)上看，對流區(qū)前沿為強(qiáng)烈的傾斜上升氣流，過渡區(qū)對應(yīng)由降水的拖曳作用呈現(xiàn)出明顯下沉氣流，層狀云中上層為由前向后的上升氣流及中下層向前的下沉氣流。

雖然國內(nèi)外對颮線的研究已經(jīng)有很多，但大量的分析都集中于拖尾型（TS型）颮線（孫虎林等，2011），對于平行型（PS型）颮線的的分析比較少，特別是對同一個(gè)颮線過程中線性對流模態(tài)組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的分析更少。2013年5月15—16日，一次強(qiáng)颮線天氣過程襲擊了廣西、廣東地區(qū)，此次颮線過程最初以PS型MCS組織結(jié)構(gòu)發(fā)展，但在演變后期MCS轉(zhuǎn)變?yōu)門S型結(jié)構(gòu)。本文擬采用多種常規(guī)觀測資料、探空資料、NCEP再分析資料和多普勒雷達(dá)組網(wǎng)資料，分析此次颮線過程的形成背景、降水分布和系統(tǒng)演變過程，并利用中尺度WRF模式輸出的高時(shí)空分辨率資料重點(diǎn)分析兩種模態(tài)的變異機(jī)理。

1資料和方法

本文使用的資料有：2013年5月15—16日我國地面自動氣象站逐小時(shí)加密觀測資料，包括海平面氣壓、溫度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量等要素；廣西、廣東兩省多普勒雷達(dá)組網(wǎng)資料；每日4次1°×1°的NCEP/NCAR再分析全球格點(diǎn)資料及中尺度WRF模式輸出資料。本文分析時(shí)除特殊說明外均為世界時(shí)。

本文利用中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的多普勒天氣雷達(dá)三維數(shù)字組網(wǎng)系統(tǒng)對廣西省桂林、柳州、梧州和廣東省廣州、陽江共五部雷達(dá)資料進(jìn)行三維組網(wǎng)，所得組網(wǎng)資料的水平分辨率為001°×001°，時(shí)間分辨率為6 min，高度范圍為05～160 km，垂直分辨率6 km以下為05 km，6 km以上為1 km，共23層。

2天氣過程簡述

2013年5月15日15時(shí)—16日06時(shí)（世界時(shí)，下同），廣西、廣東兩省遭受了一次強(qiáng)降水過程，此次降水于15日15時(shí)開始于廣西省中部地區(qū)，之后降水隨系統(tǒng)向東南方向移動進(jìn)入廣東，至16日06時(shí)基本結(jié)束。15日18時(shí)—16日06時(shí)12 h累計(jì)降水呈西北—東南向帶狀分布，大部分降水落于廣西境內(nèi)。其中，兩個(gè)大暴雨中心分別位于來賓（圖1中以“Lb”所示）東北和玉林（圖1中以“Yl”所示）西北，12 h累計(jì)降水量均超過100 mm。

15日12時(shí)（圖略），對流觸發(fā)區(qū)處于高層200 hPa弱輻散區(qū)，500 hPa上有明顯的短波槽，850 hPa存在東北—西南向切變線，切變線南側(cè)有低空急流和密集的等溫線，地面場相應(yīng)可見準(zhǔn)東—西向冷鋒，地面圖上有低壓倒槽和明顯的暖濕空氣，這種環(huán)流背景條件極其利于強(qiáng)對流的觸發(fā)和發(fā)展，強(qiáng)對流就發(fā)生于地面冷鋒附近及低壓倒槽里。

3MCS演變過程分析

31PS型和TS型MCS模態(tài)

本文根據(jù)Parker and Johnson（2000）的颮線分類研究方法，依據(jù)層狀云相對于強(qiáng)對流的位置，對本次颮線演變過程中強(qiáng)對流的組織模態(tài)進(jìn)行了分類，發(fā)現(xiàn)共有兩種模態(tài)：第一種為強(qiáng)對流區(qū)兩側(cè)有極弱層狀云的平行型（PS型）模態(tài)；第二種為強(qiáng)對流區(qū)后部發(fā)展出大片層狀云的拖尾型（TS型）模態(tài)。

311PS型MCS模態(tài)

2013年5月15日15時(shí)，強(qiáng)對流開始出現(xiàn)于廣西省北部地區(qū)，共有三處比較明顯的對流區(qū)域（圖2a1）：一是桂林附近西南—東北向的線狀對流；二是來賓附近的零散對流；三是來賓西北較弱的對流。桂林附近的線狀對流隨后向東南方向移動并逐漸減弱（圖2a1—2a10中紅色橢圓所示），來賓附近的零散對流單體逐漸發(fā)展合并成為一個(gè)對流單體（圖2a1—2a7中南側(cè)黑色橢圓所示）。與此同時(shí)，來賓西北部的對流單體不斷發(fā)展，并在該對流單體的后向不斷有新的對流單體產(chǎn)生（圖2a1—2a7中北側(cè)黑色橢圓所示）。15日21時(shí)30分，來賓附近的對流單體與其西北側(cè)的對流單體合并組織成為一個(gè)明顯的西北—東南向的線狀對流帶（圖2a8中黑色橢圓所示），強(qiáng)對流帶兩側(cè)有平行的層狀云分布，這種形態(tài)是典型的平行型（PS型）MCS組織模態(tài)。

312TS型MCS模態(tài)

15日23時(shí)，來自桂林附近的對流單體在梧州附近重新發(fā)展起來，并最終和其西南側(cè)的PS型MCS完全合并在一起，形成了一個(gè)完整的弓形回波，回波的頂點(diǎn)就在容縣附近（圖2b1）。系統(tǒng)后部可見大片層狀云存在，颮線系統(tǒng)已經(jīng)由PS型完全轉(zhuǎn)變?yōu)門S型模態(tài)，隨后系統(tǒng)移至廣東（圖2）。

32兩種MCS模態(tài)地面要素場分析

321PS型MCS地面要素場

15日15時(shí)，廣西北部桂林附近為西南—東北向的線狀對流，這些對流出現(xiàn)在地面低壓倒槽北側(cè)的冷鋒附近，倒槽的南側(cè)是大片的暖濕氣流（圖3a1）。在隨后的演變過程中，出現(xiàn)于桂林附近的線狀對流在向東南方向移動的過程中逐漸減弱（圖3），該線狀對流向前的地面冷出流加強(qiáng)抬升倒槽內(nèi)偏南的暖濕空氣，導(dǎo)致冷池前沿為輻合大值區(qū)，新對流就激發(fā)于該輻合區(qū)（圖3a2、3a3、3b2、3b3）。需要指出的是，在PS型MCS成熟期時(shí)的地面并沒有出現(xiàn)雷暴高壓（圖3a4、3b4），這可能是PS型MCS和TS型MCS在結(jié)構(gòu)方面一個(gè)較大的差別。

322TS型MCS地面要素場

15日23時(shí)，在梧州西側(cè)有冷池中心和輻合大值區(qū)（圖3d1），這導(dǎo)致從桂林移過來的已經(jīng)減弱了的對流體又重新發(fā)展起來（圖2b1）。這個(gè)重新發(fā)展起來的對流在16日00時(shí)左右和其西南側(cè)的PS型MCS完全合并在一起，并形成了一個(gè)完整的弓形回波，回波頂點(diǎn)就位于容縣（圖2b3）。此時(shí)，與弓形回波對應(yīng)的地面冷池超過了-4 ℃（圖3d2），隨后在01時(shí)左右，地面雷暴高壓和尾流低壓開始形成，這和Johnson and Hamilton（1988）總結(jié)出的颮線系統(tǒng)成熟期的結(jié)構(gòu)特征一致。

4數(shù)值模擬結(jié)果分析

41模擬方案

本文采用美國環(huán)境預(yù)測中心（NCEP）、美國國家大氣中心（NCAR）等科研機(jī)構(gòu)共同研發(fā)的中尺度數(shù)值模式WRFV34對此次颮線過程進(jìn)行模擬。模式采用雙重單向嵌套網(wǎng)格，試驗(yàn)區(qū)域最外層中心為梧州，水平分辨率分別為12 km、4 km，垂直方向30層，模式頂層氣壓為50 hPa。模式積分時(shí)間為15日00時(shí)至16日06時(shí)共30 h，初始場和邊界條件采用NCEP/FNL再分析資料，并使用觀測松弛同化（Observation Nudging）方法，加入15日00時(shí)起100～120°E、18～30°N范圍內(nèi)逐3 h地面觀測及12 h一次的探空風(fēng)場和溫度資料。本文采用細(xì)網(wǎng)格輸出資料進(jìn)行分析，模擬參數(shù)設(shè)定如表1所示。

42模擬效果檢驗(yàn)

對颮線系統(tǒng)傳播路徑的實(shí)況和模擬結(jié)果（圖4a、4b）比較可知，實(shí)況中對流系統(tǒng)在PS型模態(tài)階段以157 m·s-1，南偏東559°方向移動，在TS型階段以152 m·s-1，南偏東572°方向移動。與實(shí)況相比，模擬出的對流系統(tǒng)整體移動速度偏小，系統(tǒng)在PS型模態(tài)階段以126 m·s-1，南偏東52°方向移動，在TS型模態(tài)階段以127 m·s-1，南偏東43°方向移動。

模擬的15日18時(shí)—16日06時(shí)的12 h累計(jì)降水量（圖4c）也呈現(xiàn)出與實(shí)況（圖1）相似的西北—東南向帶狀分布，特別是玉林以西北的強(qiáng)降水中心與實(shí)況相吻合。模式還模擬出了系統(tǒng)成熟期（圖4d）地面出現(xiàn)的雷暴高壓、尾流低壓和超過-2 ℃冷池中心。雖然此次模擬的對流系統(tǒng)較實(shí)況在時(shí)間方面有些差異，且對流系統(tǒng)位置偏南05個(gè)緯度，但這些偏差本質(zhì)上并不會影響進(jìn)一步分析。

5模擬的MCS模態(tài)變異及機(jī)理分析

51模擬的PS型和TS型MCS

數(shù)值模式同樣模擬出了對流系統(tǒng)演變過程中的PS型模態(tài)和TS型模態(tài)。

511PS型MCS模態(tài)

15日17時(shí)30分左右，廣西省中部地區(qū)有對流體出現(xiàn)，在來賓的東北面有比較明顯的線狀對流系統(tǒng)（圖5a1中以紅色橢圓所示），在其西面有零散的對流單體出現(xiàn)（圖5a1中以黑色橢圓所示）。之后，西部對流單體不斷發(fā)展，在20時(shí)已經(jīng)發(fā)展成西北—東南向的線狀對流系統(tǒng)（圖5a5），此過程與實(shí)況（15日15時(shí)—22時(shí)30分的來賓西北部的線狀對流發(fā)展過程）相吻合，對流系統(tǒng)表現(xiàn)為PS型模態(tài)。

512TS型MCS模態(tài)

20時(shí)30分左右，原來在來賓東北面的東移線狀對流系統(tǒng)在容縣和梧州之間再度發(fā)展起來，并于21時(shí)左右和西面的PS型MCS合并在一起，合并后的對流系統(tǒng)在中段開始向前凸起，逐漸組織為弓形回波結(jié)構(gòu)，其北面有大片層狀云，為典型的TS模態(tài)（圖5b6—5b10）。

52模態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)理

根據(jù)前面的分析研究，分別選取15日20時(shí)和16日00時(shí)表征PS型和TS型模態(tài)成熟階段。

15日20時(shí)，圖6b所示為沿垂直于對流線的斜線L2的垂直剖面，此時(shí)對流發(fā)展已至11 km，強(qiáng)對流區(qū)兩側(cè)有弱的層狀云。55 km高度上相對系統(tǒng)流場（圖6d）顯示，強(qiáng)對流線西南側(cè)為由A指向C的西南—東北向流場，東南側(cè)為由B指向C的東南—西北向流場，對流線內(nèi)部表現(xiàn)為平行于對流線的東南—西北向流場。對流線內(nèi)為負(fù)氣壓擾動且存在小于-70 Pa的負(fù)氣壓擾動中心（氣壓擾動由各點(diǎn)氣壓減去圖6a中黑色方框內(nèi)平均氣壓得到）。對比后發(fā)現(xiàn)，該氣壓擾動量級與Parker（2007b）中描述的浮力和動力擾動氣壓為同一量級。

圖6e、6g所示為沿平行于對流線的斜線L1做的垂直剖面。圖6g顯示6 km高度以下的對流層，對流線內(nèi)部表現(xiàn)出深厚的平行向氣流，這和Parker and Johnson（2000）總結(jié)的PS型MCS在2 km以上表現(xiàn)出深厚的平行于對流線的風(fēng)分量一致。圖6e顯示，3～8 km高度范圍內(nèi)對流線內(nèi)部（C所示）均為負(fù)氣壓擾動，但對流線南側(cè)（B所示）為正的氣壓擾動。圖6f、6h所示為沿著垂直于對流線的斜線L2的垂直剖面。圖6h顯示8 km以下對流線南側(cè)表現(xiàn)出深厚的垂直向氣流，圖6f所示3～8 km高度范圍內(nèi)對流線南側(cè)（A所示）為正的氣壓擾動，對流線內(nèi)部（C所示）為負(fù)的氣壓擾動。

Parker and Johnson（2000）對比PS型MCS和TS型MCS相對系統(tǒng)風(fēng)場后指出，兩種MCS中層狀云的分布是由對流層中上層相對于系統(tǒng)的流場決定的，PS型MCS在對流層中上層表現(xiàn)出平行于對流線的流場，而TS型MCS表現(xiàn)出垂直于對流線向后的流場。Parker（2007b）還指出，氣壓擾動影響動力場分布，由其所引起的加速度是影響氣流流向最為重要的因子。PS型MCS模態(tài)中，對流線西南側(cè)為正的氣壓擾動，對流線內(nèi)為負(fù)的氣壓擾動，因此在對流線西南側(cè)具有垂直于對流線并指向東北方向的氣壓梯度力和加速度，相對系統(tǒng)流場也指向東北。但在平行于對流線方向上，由于對流線東南側(cè)為正的氣壓擾動，對流線內(nèi)為負(fù)的氣壓擾動，因此氣壓梯度力和加速度由東南指向西北方向，相對系統(tǒng)流場也指向西北。本文的模擬結(jié)果清楚地描述了這一動力特征。

16日00時(shí)，對流系統(tǒng)進(jìn)入TS型模態(tài)成熟階段，對流線后部有大片層狀云（圖7b）。55 km高度上對流線內(nèi)相對系統(tǒng)流場轉(zhuǎn)為垂直于對流線的西南—東北向，對流線內(nèi)部仍存在負(fù)的氣壓擾動中心，對流線西南側(cè)仍為正的氣壓擾動，但其東南側(cè)的正的氣壓擾動消失了（圖7d）。

仍然沿著平行于對流線的斜線L1和垂直于對流線的斜線L2做垂直剖面。圖7g顯示平行于對流線的方向上，對流層中低層不再表現(xiàn)出深厚的平行向流場，反而垂直于對流線方向上的風(fēng)分量大大加強(qiáng)（圖7h）。同樣，圖7e顯示，2～8 km范圍內(nèi)，平行于對流線方向上整個(gè)對流線內(nèi)部均為負(fù)的氣壓擾動（B所示），在垂直于對流線方向上，對流線南側(cè)為正的氣壓擾動（圖7f中A所示）。

綜合對比分析PS型和TS型MCS模態(tài)成熟階段的流場和氣壓擾動分布后可知，無論是PS型還是TS型模態(tài)，對流系統(tǒng)中層內(nèi)部均為負(fù)的氣壓擾動。不同的是PS型對流線東南側(cè)具有較強(qiáng)的正氣壓擾動，因此PS型MCS模態(tài)在平行于對流線的方向上具有氣壓梯度力和加速度分量，該分量直接導(dǎo)致了平行于對流線方向的風(fēng)分量。而對于TS型MCS模態(tài)而言，對流線東南側(cè)沒有明顯的正氣壓擾動，平行于對流線方向的氣壓梯度力和加速度很小，相反在垂直于對流線的方向上則有較大的氣壓梯度力和加速度。正是這種壓力場的變異導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部流場由平行向轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕?，最終導(dǎo)致對流系統(tǒng)由PS型模態(tài)向TS型模態(tài)的轉(zhuǎn)變。

6結(jié)論

本文利用常規(guī)觀測資料、探空資料、多普勒雷達(dá)組網(wǎng)資料及NCEP再分析資料，并利用中尺度數(shù)值模式WRFV34輸出的高分辨率資料，對2013年5月15—16日發(fā)生在廣西廣東地區(qū)一次強(qiáng)颮線過程的環(huán)境背景場、降水分布、演變過程進(jìn)行了分析，并主要研究了對流系統(tǒng)由PS型模態(tài)向TS型模態(tài)的轉(zhuǎn)變過程及機(jī)理，得到以下主要結(jié)論：

1）此次颮線過程發(fā)生于高層弱輻散區(qū)，500 hPa有明顯短波槽東移發(fā)展，850 hPa有切變線和低空暖濕急流，地面有冷鋒和低壓倒槽。

2）初始對流出現(xiàn)在低壓倒槽的北側(cè)，西側(cè)初始對流在地面冷池和風(fēng)場輻合的作用下逐漸發(fā)展成為PS型MCS模態(tài)，但在其成熟期對流線附近并沒有雷暴高壓出現(xiàn)。東側(cè)減弱的初始對流在東移過程中，在靠近兩廣交界時(shí)再度發(fā)展起來，并和西側(cè)的PS型MCS合并在了一起，并逐漸形成了完整的弓形回波，發(fā)展成為典型的TS型MCS模態(tài)。

3）模擬結(jié)果顯示無論是PS型還是TS型MCS模態(tài)，對流系統(tǒng)中層內(nèi)部均為負(fù)的氣壓擾動，不同的是PS型模態(tài)對流線東南側(cè)具有較強(qiáng)的正氣壓擾動，此模態(tài)中在平行于對流線的方向上具有氣壓梯度力和加速度分量，該分量直接導(dǎo)致了平行于對流線方向的風(fēng)分量；而對于TS型模態(tài)而言，對流線東南側(cè)沒有明顯的正氣壓擾動，平行于對流線方向的氣壓梯度力和加速度很小，相反在垂直于對流線的方向上則有較大的氣壓梯度力和加速度，正是由于沿平行于對流線方向的加速度分量的消失和沿垂直方向的加速度分量的增強(qiáng)促使對流線內(nèi)部相對系統(tǒng)流場由平行向轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪毕?，?dǎo)致MCS模態(tài)由PS型轉(zhuǎn)為TS型。

本文討論了MCS模態(tài)由PS型轉(zhuǎn)為TS型的問題，并探討了其中的動力機(jī)理，但所用的診斷方法較為簡單，還無法揭示其中復(fù)雜的動力熱力過程，這方面的工作還有待后續(xù)進(jìn)一步完善。

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