華南颮線升尺度增長過程中的多尺度能量相互作用分析

張弛，沈新勇, ，張玲，王林，郭春燕，李小凡

（1. 南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044； 2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海519082；3. 內蒙古自治區(qū)氣象服務中心，內蒙古 呼和浩特010051；4. 浙江大學地球科學學院，浙江 杭州310027）

1 引 言

颮線是一種中尺度強對流天氣系統(tǒng)，多由線狀分布的雷暴單體排列而成，常伴有劇烈的天氣現(xiàn)象和氣象災害，造成人們生命財產的嚴重損失[1]。華南地區(qū)，春季為颮線多發(fā)期，方翀等[2]指出華南西風帶颮線的形成主要在春季(3—5 月)，與江淮流域以及華北等地區(qū)颮線發(fā)生的時間不同[3]。眾多的分析指出，華南颮線發(fā)展與中緯度颮線有一定區(qū)別[4-8]，如從云貴高原、南嶺等地南下的小尺度對流帶，會發(fā)展成較大尺度的颮線，即升尺度增長：颮線的尺度從β中尺度在幾至十幾小時內增長至α中尺度。Coniglio 等[9]對一次強風暴分析后指出，環(huán)境的中尺度特征有助于颮線的升尺度增長。本文將對華南颮線的升尺度過程進行進一步的研究。

颮線的升尺度增長過程涉及了不同尺度的系統(tǒng)，包括天氣尺度的環(huán)境場，α中尺度以及β中尺度的對流系統(tǒng)等。不同尺度的系統(tǒng)之間往往存在著相互作用，天氣尺度的系統(tǒng)往往作為中、小尺度系統(tǒng)的環(huán)境場，為其發(fā)展提供條件，而中、小尺度系統(tǒng)的發(fā)展會反作用于天氣尺度系統(tǒng)[10-13]。這些相互作用過程常常伴隨著能量的轉化，因此從能量角度考慮不同尺度系統(tǒng)之間的相互作用。在多尺度能量相互作用方面，一般是對兩種尺度間的能量相互作用進行研究[14-16]，而許多中小尺度天氣往往涉及更多尺度系統(tǒng)之間的相互作用，僅從兩個尺度間的相互作用分析還有不足。沈新勇等[17]重新推導了三個尺度的能量方程，研究了三個尺度系統(tǒng)之間的能量相互作用，沙莎等[18]在此基礎上研究了梅雨鋒暴雨中三個不同尺度能量間的轉化。本文將利用沈新勇等[17]的研究成果，對一次華南颮線升尺度過程進行研究，分析此次過程中動能和位能的變化以及不同尺度系統(tǒng)之間能量的相互作用。

2 資料和方法

2.1 個例選取和資料介紹

本文選取2016 年4 月12—13 日(世界時，下同)發(fā)生在華南地區(qū)的一次颮線升尺度過程進行研究，此次過程包含有多個不同尺度的天氣系統(tǒng)，包括天氣尺度的高空急流、低空急流、高空槽脊，α中尺度的颮線以及β中尺度的颮線和對流單體。為更好研究此次過程中各個尺度系統(tǒng)之間的能量相互作用，利用WRF 模式進行數(shù)值模擬，采用模式模擬數(shù)據(jù)分析不同尺度系統(tǒng)的能量相互作用。本文所選用的資料包括NCEP(National Center for Environmental Prediction)的1 °×1 °再分析資料以及中國氣象局提供的全國雷達組合反射率資料。

2.2 WRF模式模擬方案

本文使用WRF 4.0 對颮線過程進行數(shù)值模擬，使用NCEP 1 °×1 °逐6小時再分析資料作為初始場和邊界條件。模擬采用四層雙向嵌套，分別取分辨率為40.5 km、13.5 km、4.5 km、1.5 km。從外層到內層的每一層水平網格數(shù)分別為150×120、205×181、313×208、487×454。垂直方向上的層數(shù)為35 層，模式層頂為50 hPa。模式的初始時刻為2016 年4 月12 日12 時，積分24 h。模擬的參數(shù)化方案主要包括：WSM6微物理方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia 短波輻射方案、淺對流Kain-Fritsch (new Eta) 積云參數(shù)化方案(10 km 以下不使用)、YSU邊界層方案等。

2.3 濾 波

采用Barnes 濾波的方法對WRF 模擬得到的各場變量進行濾波，主要為三個方向的風、氣壓、密度和位溫，得到天氣尺度、α中尺度和β中小尺度及更小尺度擾動的信息。Barnse 濾波是一種典型的中尺度濾波方式，在氣象上有廣泛的應用[19-21]，由其確定的低通濾波初值場，濾波涉及的變量和參數(shù)包括：某一氣象要素的觀測值F(xk,yk)，其中(xk,yk)為要素坐標，k為要素序號，參加濾波的樣本數(shù) M，權重系數(shù)其 中c1 為 濾 波 常 數(shù)，rk為(xk,yk)到(x,y)的距離。為得到更好的結果，采用公式(1)對低通濾波得到的初值場F0做進一步訂正得到訂正后的要素場：

由于濾波分別需要得到天氣尺度的系統(tǒng)、α中尺度的颮線和β中尺度颮線及更小尺度的對流單體等系統(tǒng)，因此需要模式資料的網格區(qū)域包含三個尺度的系統(tǒng)，采用第二層網格資料進行濾波并進一步做能量分析。

根據(jù)三種尺度的劃分：大于2 000 km 的天氣尺度，200～200 0 km 范圍的α中尺度，小于200 km的β中尺度以及更小尺度(為了后面論述問題的方便，這里暫且合并稱為“β中小尺度”)，采用上述Barnes 濾波方法對WRF 模式輸出的各場變量進行濾波，具體濾波方案如下：通過設定c1=150 000 km2，和c2=150 000 km2，G=0.3得到2 000 km以上的天氣尺度背景場和2 000 km 以下的波動；通過設 定c1=3 000 km2和c2=3 000 km2，G=0.3 得 到200 km 以上的波動和200 km 以下的β中小尺度波動；通過2 000 km 以下的波動減去200 km 以下的波動得到200～2 000 km范圍的α中尺度波動。

2.4 能量方程

本文采用沈新勇等[17]推導得到的六個能量方程進行診斷分析。本文主要研究各個尺度系統(tǒng)之間的能量轉化，因此主要對方程中動能和位能的變化項、位能向動能的轉化項以及動能之間的跨尺度轉化項進行分析。后文涉及的能量方程變量在此進行說明分別表示β中小尺度、α中尺度和天氣尺度動能分別表示β中小尺度、α中尺度和天氣尺度位能；B為動能與位能間的轉化項；TK為動能方程中動能之間的跨尺度轉化項；下標L、α、β分別表示天氣尺度、α中尺度和β中小尺度，例如Tk(β,L)表示天氣尺度動能向β中小尺度動能的轉化，方程各項的表達式見參考文獻[17]。

3 分析與結果

3.1 天氣過程分析與數(shù)值模擬結果

2016 年4 月12—13 日，華南地區(qū)出現(xiàn)一次颮線天氣過程，在颮線發(fā)展過程中，颮線對流系統(tǒng)存在升尺度增長過程，颮線的尺度從β中尺度快速增長為α中尺度。從雷達回波分析此次颮線的演變過程(圖1)。12日18時，在廣西境內的對流云團發(fā)展壯大，出現(xiàn)50 dBZ 的強雷達回波中心，整個對流系統(tǒng)長度在100～200 km 之間，同時在對流云團的東側延伸到廣東北部零散地分布著一些對流單體。19 時，廣西境內對流系統(tǒng)向東移動并且具有β中尺度颮線特征，30 dBZ 雷達回波呈線狀分布且強對流帶明顯，廣東中北部的對流單體也發(fā)展成多個β中尺度的對流系統(tǒng)，并趨于線狀結構。20 時，廣東西北部和中北部的β中尺度颮線逐漸連接成一條東北-西南走向的線狀結構，颮線合并增強，21 時出現(xiàn)明顯的α中尺度颮線，中部有明顯的弓形回波。此后直到13 日01 時颮線處于α中尺度階段，颮線發(fā)展加強，強度也趨于穩(wěn)定。13日01時以后颮線入海，逐步減弱消散。

圖1 2016年4月12日18:00(a)、19:00(b)、20:00(c)、21:00(d)、22:00(e)、23:00(f)實況雷達組合反射率(單位：dBZ)

采用數(shù)值模式模擬此次颮線過程，從模擬場看(圖2)，模擬的颮線的生命周期與實況基本一致，颮線移動的路徑也大體相同，雖然雷達回波部分位置稍有偏差，但颮線的升尺度過程被很好地模擬出來，因此采用此次模擬的數(shù)據(jù)分析升尺度過程中不同尺度系統(tǒng)之間的能量轉化。

圖2 2016年4月12日18:00(a)、19:00(b)、20:00(c)、21:00(d)、22:00(e)、23:00(f)模擬的雷達組合反射率(單位：dBZ)

3.2 三個尺度動能與位能變化

排除颮線活動區(qū)域地形引起的缺測，對2～15 km高度三個尺度動能和位能的變率進行分析，同時為考察三個尺度系統(tǒng)動能在颮線過程各個發(fā)展階段的變化，選取包含三個系統(tǒng)的區(qū)域(100～120 °E，20～30 °N)做區(qū)域平均動能隨時間高度變化的分布圖。

分析颮線過程中天氣尺度系統(tǒng)動能的變化(圖3a)，高層和中低層的動能變化總體上相反。颮線運動區(qū)域高層12 km 高度主要的天氣尺度系統(tǒng)為200 hPa 的高空急流，中層5～9 km 高度主要對應有高空的槽脊系統(tǒng)，而2.5 km 左右高度則有明顯的低空急流。12 日12 時(圖4a)，華南位于高空急流出口區(qū)右側，受高空急流次級環(huán)流下沉氣流影響，對流的發(fā)生發(fā)展有一定的抑制作用，低層則主要位于低空急流的急流核處，低空急流對對流的發(fā)展幫助也較小，對流的發(fā)展條件還不成熟。而隨著時間的推移，在對流發(fā)生前的12 日15 時開始，高空急流所在位置動能快速增強，對應高空急流向東延伸，華南區(qū)域脫離急流出口區(qū)，不再受高空急流次級環(huán)流下沉支的影響，高空急流對對流的抑制作用減弱，而此時低層動能增強，對應低空急流增強，但急流位置向南偏移，華南出現(xiàn)在低空急流左側，受低空急流影響對流系統(tǒng)開始發(fā)展，18時(圖4b)，對流生成在低空急流左側，此后21 時前，低空急流開始減弱，對颮線的影響減小。13日00時以后，高空急流斷裂，對應高層動能減少。而在中層主要高空槽脊系統(tǒng)，開始時華南位于槽前，隨著時間的推移槽線減弱，對應動能的減少，而13日00時以后，后來的脊線逐漸發(fā)展加強，對應動能的增加?？傮w來看，天氣尺度系統(tǒng)中高空急流開始時抑制對流的發(fā)展，此后急流增強，對流的發(fā)展不再受高空急流的抑制，此次颮線的激發(fā)主要受低層低空急流的影響，對流發(fā)展階段低空急流增強且向南移動，低空急流左側的上升運動使得對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展，而在颮線形成后，低空急流影響減弱。

對于α中尺度系統(tǒng)動能(圖2b)，和β中小尺度系統(tǒng)動能(圖2c)，15 時對流單體開始發(fā)生發(fā)展，對應β中小尺度動能的增長，而隨著颮線結構的形成，19 時左右8 km 高度β中小尺度系統(tǒng)動能快速增長，颮線對流的發(fā)展越來越旺盛，21 時出現(xiàn)β中小尺度系統(tǒng)動能的增長的大值中心，且在垂直方向上位于10 km 高度上，表明颮線形成后強度快速增長，垂直方向上對流發(fā)展旺盛，颮線對流云達到10 km 高度以上，使得高層的β中小尺度系統(tǒng)動能增強。而此時α中尺度系統(tǒng)動能從低層到高空都有所增長，對應颮線的升尺度增長，β中尺度的颮線逐漸發(fā)展為α中尺度的颮線。22 時左右β中小尺度動能增長幅度變小甚至開始減弱，而此時α中尺度系統(tǒng)動能還在繼續(xù)增長，表明此時颮線主要以α中尺度系統(tǒng)的形式存在，颮線的發(fā)展對應著α中尺度系統(tǒng)動能的增強。這點從颮線的入海減弱也可看出，13日01時颮線入海減弱消亡，對應圖3b中α中尺度系統(tǒng)動能的減弱，而β中小尺度系統(tǒng)動能早在颮線減弱前的12日23時就開始減弱。

對于天氣尺度位能的變化(圖3d)，在颮線發(fā)展階段，中低層有明顯的位能的減少，天氣尺度位能向動能轉化。α中尺度位能和β中小尺度位能的變化量級相對較小(圖3e、3f)，在颮線發(fā)展階段都有平均位能的減少，α中尺度位能的減少主要對應颮線的形成和升尺度增長階段，而β中小尺度系統(tǒng)平均位能的減少在低層最明顯。

圖3 區(qū)域平均的動能和位能隨時間高度變化 a. 天氣尺度動能；b. α中尺度動能；c. β中小尺度動能；d. 天氣尺度位能；e. α中尺度位能；f. β中小尺度位能。橫坐標為時間(12日12時—13日12時)，縱坐標為高度(單位：km)，等值線表示能量的變率(單位：10-3 J/(kg· s))，實線為正，虛線為負。在100～120°E，20～30°N范圍計算三個尺度動能和位能變率的區(qū)域平均值。

圖4 12日12時高空急流(陰影，單位：m/s)和低空急流(等值線，單位：m/s)(a)，12日18時雷達組合反射率(陰影，單位：dBZ)和低空急流(等值線，單位：m/s)(b)

總的來看，動能的變化與此次颮線過程中各尺度系統(tǒng)的演變有較好的對應，β中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展對應β中小尺度系統(tǒng)動能的變化，而在颮線升尺度增長過程中，α中尺度系統(tǒng)動能快速增長。

3.3 三個尺度之間動能與位能的轉化

考察颮線發(fā)生發(fā)展期間位能向動能的轉化，分析天氣尺度位能的轉化(圖5a～5c)，在整個颮線過程中，主要有天氣尺度位能向三個尺度系統(tǒng)的動能進行轉化，但向天氣尺度動能的轉化最強。對于天氣尺度系統(tǒng)動能和位能之間的轉化(圖5a)，12 日12—21 時在低層有天氣尺度位能向天氣尺度動能的轉化，低空急流得到發(fā)展，而00時左右位能向動能的轉化中心位于中層，對應高空脊的發(fā)展，而在后期高空急流分裂減弱階段，對應負的轉化中心，高空急流動能減少。對于天氣尺度位能向α中尺度以及β中小尺度系統(tǒng)動能的轉化而言(圖5b、5c)，兩者大體上較相似，都能從天氣尺度位能中得到一定的能量轉化為動能使系統(tǒng)發(fā)展，且主要在對流發(fā)生階段和颮線形成階段的中低層，而這一階段α中尺度系統(tǒng)的動能變化不大，可能是此時α中尺度颮線形成，得到的動能通過轉化、耗散所消耗。而在颮線升尺度增長階段，α中尺度系統(tǒng)轉化得到的動能有所減少，12 日21 時—13 日00 時正是颮線α中尺度動能快速增長的階段，這點在天氣尺度位能向動能的轉化上沒有體現(xiàn)出來，一定程度上說明并不是天氣尺度位能向動能的轉化引起颮線的升尺度增長。最后在颮線入海消亡階段，中高層的α中尺度以及β中小尺度系統(tǒng)還能從天氣尺度系統(tǒng)得到能量，但低層位能向動能的轉化為負值，加速了颮線系統(tǒng)的減弱消亡。

分析α中尺度位能的轉化(圖5d～5f)，在整個颮線發(fā)展過程中能量主要轉化方向也是由位能向動能轉化，且在強度上轉化為天氣尺度的動能最多?？疾煳荒苻D化的分布，α中尺度位能向天氣尺度系統(tǒng)的動能轉化出現(xiàn)在10 km 以下，對應低空急流和高空槽脊。而α中尺度位能向α中尺度系統(tǒng)和β中小尺度系統(tǒng)的動能轉化較相似，在颮線形成發(fā)展階段都有α中尺度位能向動能的轉化，且在颮線形成階段存在轉化的大值中心，促進了β中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展。此外颮線的升尺度增長過程中動能的快速增長在α中尺度位能向α中尺度系統(tǒng)動能的轉化中并沒有很好地體現(xiàn)出來。

對于β中小尺度位能的轉化(圖5g～5i)，β中小尺度位能向天氣尺度動能的轉化主要集中在低層18 時之前，而在中高層總體為負值，β中小尺度環(huán)境場不利于中高層天氣尺度系統(tǒng)的發(fā)展。β中小尺度位能向α中尺度系統(tǒng)和β中小尺度系統(tǒng)動能的轉化主要在中低層(圖5h、5i)，且向β中小尺度系統(tǒng)轉化的動能比向α中尺度系統(tǒng)轉化的動能更大，使得β中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展迅速，此外向α中尺度系統(tǒng)動能轉化的大值中心出現(xiàn)在颮線形成階段，颮線升尺度增長過程動能的變化與之沒有很好的對應，而向β中小尺度系統(tǒng)動能轉化的大值中心出現(xiàn)在00時左右，且對應的高度較低，一定程度上減緩了颮線入海后的消亡過程。

圖5 區(qū)域平均的三個尺度間動能和位能轉化隨時間高度變化 橫坐標為時間(12日12時—13日12時)，縱坐標為高度(單位：km)，等值線表示能量的變率(單位：10-3 J/(kg·s))，實線為正，虛線為負，正值表示位能向動能的轉化。

總的來看，在颮線的發(fā)生發(fā)展過程中都能從環(huán)境場中得到位能轉化為系統(tǒng)的動能，使得β中小尺度對流系統(tǒng)能快速發(fā)展，而此時α中尺度的颮線還未形成，向α中尺度轉化的動能基本被耗散，使得α中尺度動能變化不大。在颮線的升尺度增長過程中，從環(huán)境場中得到的能量有所減少，颮線的升尺度增長時動能的快速增長在位能向動能的轉化方面沒有很好地體現(xiàn)出來，一定程度上說明并不是位能向動能的轉化引起颮線的升尺度增長。

分析三個尺度系統(tǒng)之間動能的轉化，對于α中尺度系統(tǒng)動能向天氣尺度系統(tǒng)的動能轉化項(圖6a)，轉化的大值中心出現(xiàn)在8～12 km 的高層，在颮線升尺度增長階段存在正的轉化中心，使得天氣尺度對應的高空急流有所加強，這一階段α中尺度系統(tǒng)從位能轉化得到的動能部分轉化成為天氣尺度動能。而在12日22時—13日03時，對應α中尺度颮線成熟到減弱階段，8 km以上存在負的轉化中心，對應高空急流的斷裂減弱，此后13日03時以后的轉化為正，α中尺度系統(tǒng)的動能再次向天氣尺度動能轉化。對于β中小尺度動能向天氣尺度動能的轉化(圖6b)，在颮線發(fā)展過程中對應有高層8～12 km 的動能減少，颮線對流單體的發(fā)展一定程度上抑制了高層天氣尺度系統(tǒng)的增強。

圖6 同圖5，但為三個尺度之間動能的轉化

對于天氣尺度動能向α中尺度系統(tǒng)動能的轉化(圖6c)，大值中心出現(xiàn)在12 日12—15 時以及13日06—12 時的高層，而在颮線升尺度增長階段沒有明顯的動能轉化中心與α中尺度颮線動能增長的中心對應，表明颮線的升尺度增長受天氣尺度動能的轉化影響較小，結合前面位能轉化的分析，天氣尺度系統(tǒng)對于颮線的升尺度增長過程的直接影響相對較小。分析β中小尺度系統(tǒng)動能向α中尺度系統(tǒng)動能的轉化(圖6d)，7～12 km 的高度上，在颮線升尺度增長發(fā)展對應的12 日21 時—13 日01 時存在β中小尺度系統(tǒng)向α中尺度颮線動能轉化的大值中心，這與颮線升尺度增長過程中α中尺度颮線動能的快速增長相對應，表明颮線升尺度增長主要是由β中小尺度對流系統(tǒng)組織合并加強形成的，在升尺度增長過程中β中小尺度系統(tǒng)的動能大量轉化為α中尺度颮線的動能，促進α中尺度颮線的進一步發(fā)展。對于天氣尺度動能向β中小尺度系統(tǒng)動能的轉化(圖6e)，總體為正的轉化，在颮線的形成到升尺度增長過程中有明顯的轉化中心，表明天氣尺度系統(tǒng)的配置有總體上有助于β中小尺度對流的發(fā)展加強，并促進β中尺度颮線的形成。最后分析α中尺度系統(tǒng)動能向β中小尺度動能的轉化，在颮線升尺度增長并加強的過程中，4～6 km 為正值中心，有助于β中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展，而在6～10 km 的高度為負中心，有一定的抑制作用。

總的來看，在颮線的升尺度增長過程中，β中小尺度對流系統(tǒng)一方面組織增長為α中尺度颮線，一方面將β中小尺度動能轉化為α中尺度動能使得颮線增強，在此過程中環(huán)境場對颮線升尺度增長過程的直接影響較小，環(huán)境場主要為β中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展加強提供了條件。

4 結 論

本文從多尺度能量相互作用角度對2016 年4月12—13日的一次華南颮線升尺度增長過程進行了研究。在數(shù)值模擬基礎上，利用Barnse 濾波將三個尺度系統(tǒng)分離，并利用三個尺度的動能和位能方程研究了颮線升尺度增長過程中動能和位能的變化，以及三個尺度間能量的轉化。

(1) 此次颮線過程中對流發(fā)生在低空急流左側，低空急流左側的上升運動對對流的發(fā)展起到激發(fā)作用，且在颮線發(fā)生發(fā)展過程中存在有位能向動能的轉化，使得β中小尺度對流快速發(fā)展加強。

(2) 動能的變化與此次颮線過程中各尺度系統(tǒng)的演變有較好的對應，β中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展對應β中小尺度系統(tǒng)動能的變化，而在颮線升尺度增長過程中，α中尺度系統(tǒng)動能快速增長。

(3) 在α中尺度颮線形成前，通過位能轉化得到的α中尺度動能多被轉化耗散，而在颮線升尺度增長過程中，位能轉化得到的α中尺度動能有所減少，與α中尺度動能的快速增長沒有很好的對應，此次颮線的升尺度增長不是由環(huán)境場直接導致的。

(4)β中尺度颮線的合并加強導致了颮線的升尺度增長，在颮線升尺度增長過程中，β中小尺度動能轉化為α中尺度動能使颮線增強，而環(huán)境場通過位能向β中小尺度動能的轉化使β中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展加強。