盛夏蘇北地區(qū)一次颮線過程的數(shù)值模擬研究

朱娟，張立鳳，張銘

(1.國(guó)家海洋技術(shù)中心漳州基地籌建辦，廈門 361000；2.全軍危險(xiǎn)性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警研究中心，國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101)

引 言

強(qiáng)對(duì)流過程是指發(fā)生突然、移動(dòng)迅速、天氣劇烈、破壞力強(qiáng)的災(zāi)害性天氣過程，強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)屬中小尺度系統(tǒng)(劉鑫華，2012)。颮線是深厚強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，表現(xiàn)為線狀，生命期相對(duì)較長(zhǎng)(曾慶存，1979)。颮線是非鋒面的或狹窄的線狀活躍雷暴帶，其長(zhǎng)度通常為幾百公里，但寬度僅幾十公里，典型生命期約6～12 h，大于雷暴單體的生命期；其過境時(shí)有地面風(fēng)向急轉(zhuǎn)，溫度猛降，氣壓陡升等不連續(xù)現(xiàn)象出現(xiàn)(壽紹文等，2016；陳云輝等，2019；李曦，2020)。2010年7月21—23日蘇皖出現(xiàn)了強(qiáng)對(duì)流過程，并伴有雷暴和暴雨。21日05∶00(北京時(shí)，下同)—23日05∶00 2 d的累計(jì)降雨量大于100 mm。南京暴雨過程發(fā)生在22日17∶00左右，并伴有瞬時(shí)強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)。該過程主要特點(diǎn)是短時(shí)降水強(qiáng)度大。17∶00—18∶00 1 h內(nèi)，南京江寧的國(guó)家基準(zhǔn)站的雨量達(dá)到了55 mm，其中10 min雨量超過了20 mm。隨后南京主城區(qū)雨勢(shì)開始迅猛起來。18∶00—19∶00 1 h內(nèi)，江蘇省氣象局所在的北極閣雨量達(dá)45 mm，南京一中達(dá)39.4 mm，南京九中達(dá)42.4 mm，玄武湖為38.8 mm，瑞金小區(qū)為36.6 mm。19∶00之后，主城區(qū)雨勢(shì)普遍減弱；強(qiáng)降水區(qū)移至南京長(zhǎng)江以北，江北大廠的華能電廠在19∶00—20∶00 1 h內(nèi)降雨量達(dá)32 mm。在18∶30—19∶30的1 h內(nèi)，南京范圍內(nèi)最大降雨量為江寧的國(guó)家基準(zhǔn)站，降雨量61.1 mm，城區(qū)1 h降水最多的觀測(cè)點(diǎn)為省氣象局的北極閣，降雨量45.2 mm。21日20∶00—22日20∶00，南京范圍內(nèi)24 h降水量最大值為江寧國(guó)家基準(zhǔn)站的62.8 mm。這次暴雨降水強(qiáng)度極大，造成多處路段積水形成內(nèi)澇，給南京交通、水利和生產(chǎn)、生活帶來很大影響。朱娟等(2016)對(duì)這次強(qiáng)對(duì)流天氣過程及南京暴雨已做過分析診斷，并指出此強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)是由蘇北颮線以及其西南端的蘇皖MCC組成，南京位于這兩者結(jié)合部，這是導(dǎo)致南京暴雨的直接原因。然而要研究該強(qiáng)對(duì)流過程及其中颮線的細(xì)致結(jié)構(gòu)和演變，則面臨觀測(cè)資料，特別是地面以上資料的嚴(yán)重匱乏問題。雷達(dá)回波資料雖然在某種程度上能解決一定問題，但仍不夠。要解決此困難，使用中尺度數(shù)值模式對(duì)該強(qiáng)對(duì)流過程進(jìn)行數(shù)值模擬則是一種可行的手段。若模擬效果與實(shí)況接近，則該模擬結(jié)果就可代替實(shí)況資料用于研究。

20世紀(jì)80年代末，Zhang和Xu(1989)在國(guó)內(nèi)最早開展了颮線的數(shù)值模擬，討論了對(duì)流凝結(jié)加熱對(duì)颮線生成和演變的影響?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)颮線的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)已有不少。梁建宇和孫建華(2012)對(duì)2009年6月3—4日一次產(chǎn)生地面大風(fēng)的“人”字形強(qiáng)颮線過程進(jìn)行了觀測(cè)資料分析和數(shù)值模擬研究，指出成熟階段垂直于該颮線系統(tǒng)的有三股入流，即其前部向后的入流、中層從后部到前部的入流以及前部的低層入流。李娜等(2013)對(duì)2009年8月17日發(fā)生在我國(guó)華東地區(qū)的一次颮線過程做了高分辨率數(shù)值模擬，指出該颮線低層冷池外流的冷空氣與環(huán)境場(chǎng)西南暖濕氣流之間的輻合是颮線持續(xù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。岳俗?2016)針對(duì)2013年7月4—5日一次槽前型的颮線做了數(shù)值模擬和敏感性試驗(yàn)，研究了該颮線的中尺度結(jié)構(gòu)特征、內(nèi)在不穩(wěn)定機(jī)制以及凝結(jié)潛熱和地表通量對(duì)颮線的作用。Alfaro和Khairoutdinov(2015)探討了熱力環(huán)境如何影響模擬的中緯度典型颮線形態(tài)的問題，指出常用的對(duì)流有效位能(CAPE)不適合診斷颮線的特征，而應(yīng)使用完全對(duì)流有效位能(ICAPE)。French和Parke(2014)對(duì)一次颮線與對(duì)流超級(jí)單體的合并過程做了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，指出強(qiáng)切變背景風(fēng)場(chǎng)利于弓狀回波的形成，而兩者合并后會(huì)形成更緊湊的弓狀回波結(jié)構(gòu)。Liu等(2015)對(duì)2009年6月14日出現(xiàn)在蘇皖的颮線做了數(shù)值模擬，分析了該颮線的結(jié)構(gòu)特征和傳播機(jī)制，指出在第二類條件不穩(wěn)定波過程中，對(duì)流對(duì)重力波的傳播和發(fā)展持續(xù)在起影響，該颮線的傳播和發(fā)展主要依賴于中層重力波與陣風(fēng)前緣冷流出的聯(lián)合作用。Uebel和Bott(2016)利用高分辨率區(qū)域模式研究了歐洲的一次快速傳播颮線過程，指出該颮線可分成具有連續(xù)強(qiáng)對(duì)流降水線的弓狀較強(qiáng)部分，以及由強(qiáng)對(duì)流多單體組成的較弱部分，前者具有12～18 m·s-1的風(fēng)速及中到強(qiáng)的風(fēng)切變。張哲等(2018)利用觀測(cè)和高分辨率數(shù)值模擬的資料對(duì)2014年6月遼東灣的一次颮線過程做了分析，并揭示了在地面輻合線南段其發(fā)展成颮線的原因。Jensen和Harrington(2018)利用冰粒演變模型模擬了一個(gè)準(zhǔn)理想化的3D颮線個(gè)例，討論了其中的層狀降水及其過渡帶的微觀物理特性，指出冰粒的下降速度在很大程度上決定了加強(qiáng)的層狀降水區(qū)的位置以及過渡帶是否形成。張弛等(2019)推導(dǎo)出強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的必要條件，并選擇典型東北冷渦背景下的颮線過程，進(jìn)行了高精度的數(shù)值模擬試驗(yàn)，并驗(yàn)證了理論結(jié)果。Varble等(2019)利用水平網(wǎng)格距為750 m和250 m的模式對(duì)在2011年中緯度大陸對(duì)流云實(shí)驗(yàn)(MC3E)期間5月20日的颮線做了數(shù)值模擬，并比較了兩者的結(jié)果，指出模式分辨率不足會(huì)高估大氣的垂直輸送，這樣會(huì)帶來垂向位溫和動(dòng)量分布的誤差，從而影響中尺度對(duì)流系統(tǒng)的演變。

在以上研究中，除Alfaro和Khairoutdinov(2015)的研究外，均是對(duì)各實(shí)況颮線個(gè)例所作的數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)，這是由于颮線因其所處季節(jié)、地理環(huán)境和天氣尺度背景的不同，各具有自身特點(diǎn)的緣故。這樣看來，實(shí)施颮線的個(gè)例研究就不可或缺，且隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和所用模式的進(jìn)步，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)況也更加接近，對(duì)結(jié)果的揭示也更為深入，故而對(duì)各颮線個(gè)例進(jìn)行數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)仍然十分必要。對(duì)于本文上述的2010年7月21—23日的包含蘇北颮線的強(qiáng)對(duì)流過程，采用數(shù)值模擬方法，給出其細(xì)致結(jié)構(gòu)和演變過程，進(jìn)而揭示背后的物理機(jī)制，這對(duì)今后類似過程的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)以及理論研究均是十分必要的。為此本文采用三重嵌套的有限區(qū)域WRF(Weather Research and Forecast)模式對(duì)該強(qiáng)對(duì)流過程做了數(shù)值模擬，并著重于該過程中的蘇北颮線部分，對(duì)模擬該颮線的結(jié)果作了分析討論，給出了其時(shí)間演變情況和空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，揭示了其熱力和動(dòng)力機(jī)制，最后給出了該颮線的概念模型。

1 模擬方案和檢驗(yàn)

1.1 方案和資料

本文所用的數(shù)值模式為三重嵌套的有限區(qū)域WRF模式V3.5版本。模擬區(qū)域中心為(118°E，32°N)；水平網(wǎng)格采用該模式的粗、中、細(xì)網(wǎng)格三重雙向嵌套方案，其網(wǎng)格距分別為30、10和3.3 km，格點(diǎn)數(shù)分別為84×84、118×103和181×139。粗、細(xì)網(wǎng)格的范圍分別如圖1、3所示。垂直分層均為28層，模式頂高取50 hPa。模式中對(duì)該三重網(wǎng)格均積分了24 h，積分起始時(shí)間為2010年7月22日08∶00，結(jié)束時(shí)間為7月23日08∶00，下文均討論22日的情況。粗、中、細(xì)網(wǎng)格的積分步長(zhǎng)分別為180、60和20 s，模擬結(jié)果輸出均是每小時(shí)一次。模式微物理過程采用WSM3簡(jiǎn)單冰方案，長(zhǎng)波輻射采用RRTM方案，短波輻射采用Dudhia方案，近地面過程采用Monin-Obukhov方案，陸面過程采用Noah方案，邊界層過程采用YSU方案，積云對(duì)流參數(shù)化采用Kain-Fritsch方案。在選用擾動(dòng)邊界層和陸面物理過程時(shí)考慮地面熱量和水汽通量，不考慮雪蓋效應(yīng)；輻射光學(xué)厚度中考慮云的影響。模擬所用的初始場(chǎng)為08∶00的1°×1°的NCEP資料。

1.2 模擬效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)區(qū)域WRF模式模擬結(jié)果的可靠性，下面分別對(duì)該強(qiáng)對(duì)流過程模擬的形勢(shì)場(chǎng)和降水場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由積分12 h(即2010年7月22日20∶00)粗網(wǎng)格模擬的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)與同時(shí)次NCEP再分析高度場(chǎng)的比較可知，模擬的副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)主體位置和強(qiáng)度與實(shí)況非常接近(圖1a、b)。

圖1 2010年7月22日20∶00實(shí)況(a)和模擬(b)的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(單位:gpm,黑色三角形為南京,下同)Fig.1(a)Observed and(b)simulated value of 500 hPa geopotential height field at 20∶00 BT on July 22,2010(unit:gpm,black triangles represent Nanjing,the same hereafter).

評(píng)價(jià)一個(gè)中尺度模式的性能優(yōu)劣，主要是看它對(duì)降水的模擬和預(yù)報(bào)能力。為考察該降水模擬的效果，使用TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)降水資料與模擬的降水情況進(jìn)行對(duì)比。TRMM是美國(guó)和日本合作開展的熱帶降雨測(cè)量計(jì)劃，其利用氣象衛(wèi)星定量測(cè)量熱帶、亞熱帶的降水情況。本文所用TRMM數(shù)據(jù)為降水率，單位為mm·h-1，其代表前一個(gè)半小時(shí)和后一個(gè)半小時(shí)的平均降水率，分辨率為0.25°×0.25°。圖2給出了2010年7月22日從TRMM資料獲得的和WRF模式模擬的16∶00—17∶00 1 h累積降雨量圖。分析可知，模擬的降水較好地再現(xiàn)了16∶00—17∶00降水實(shí)況及降水特點(diǎn)，模擬出了蘇北東北-西南向的降雨帶和南京西南方的強(qiáng)降水雨團(tuán)，降水率也大體相當(dāng)；但在該雨帶和雨團(tuán)的某些地方，模擬的降水強(qiáng)度要更大些。

由此可見，區(qū)域WRF模式對(duì)此次盛夏蘇皖強(qiáng)對(duì)流過程的大尺度環(huán)流系統(tǒng)和降雨量的模擬均與實(shí)況基本一致，可認(rèn)為模擬結(jié)果是可靠的，并可用此模擬結(jié)果分析該強(qiáng)對(duì)流過程包括颮線的發(fā)生演變機(jī)制。本文以下的颮線、降水以及各物理量均指模擬的結(jié)果，若需指實(shí)況，則以“實(shí)況”兩字說明，此外以下均指細(xì)網(wǎng)格模擬的結(jié)果。

2 颮線結(jié)構(gòu)及演變

2.1 颮線的水平演變

盛夏江淮間降水多為對(duì)流性，故用降水強(qiáng)度來表征對(duì)流強(qiáng)弱是合理的。颮線是線狀深厚對(duì)流系統(tǒng)，故通?？捎肳RF模式模擬的帶狀降雨量演變來表征颮線演變的情況。圖3給出了2010年7月22日不同時(shí)段WRF模式模擬的1 h累積降雨量，16∶00—17∶00的累積降雨量如圖2b所示。15∶00—16∶00(圖3a)，從蘇北過長(zhǎng)江直至南京以東有一條東北西南向的線狀降水帶，帶上有較強(qiáng)降水中心，其中在蘇北沿海和蘇皖交界處的降水更強(qiáng)，此時(shí)颮線已經(jīng)發(fā)展成熟。16∶00—17∶00(圖2b)，降水帶的東段南壓，西段維持，降水強(qiáng)度維持，此時(shí)颮線東段南移，西段少動(dòng)，其強(qiáng)度維持。17∶00—18∶00(圖3b)，降水帶的東段仍在南壓，西段有所北抬，降水強(qiáng)度繼續(xù)維持，此時(shí)颮線東段仍在南移，颮線西段開始與南京西南方生成并北移的MCC合并。19∶00—20∶00(圖3c)，該降水帶東段分裂，已不呈帶狀，原西段降水帶則區(qū)域擴(kuò)大后也不呈帶狀，并繼續(xù)在北抬，此時(shí)東段颮線已消亡，西段颮線也已并入該MCC。21∶00—22∶00(圖3d)，該降水范圍收縮成橢圓狀，這表明降水已屬M(fèi)CC。由圖3還可見，在模擬的線狀強(qiáng)降水帶上，1 h降雨量呈不均勻分布，有的地方強(qiáng)，有的地方弱。該降水帶上還有降水極大之處(圖3上的黃、紅色斑)。這表明颮線是由很多尺度更小的強(qiáng)對(duì)流單體和多單體構(gòu)成。

圖2 2010年7月22日TRMM資料(a)和WRF模式模擬的(b)16∶00—17∶00 1 h累積降雨量(單位:mm)Fig.2 One hour cumulative precipitation distribution of(a)TRMM and(b)simulation from 16∶00 BT to 17∶00 BT on July 22,2010(unit:mm).

圖3 2010年7月22日15∶00—16∶00(a)、17∶00—18∶00(b)、19∶00—20∶00(c)、21∶00—22∶00(d)1 h累積降雨量(單位:mm)Fig.3 Simulated 1 h cumulative precipitation(a)from 15∶00 BT to 16∶00 BT,(b)from 17∶00 BT to 18∶00 BT,(c)from 19∶00 BT to 20∶00 BT,and(d)from 21∶00 BT to 22∶00 BT(unit:mm).

為進(jìn)一步驗(yàn)證WRF模式對(duì)颮線的模擬效果，圖4給出了2010年7月22日17∶38南京站雷達(dá)回波圖。從中可見，存在一條東北-西南向的帶狀回波帶，帶上有多個(gè)強(qiáng)回波區(qū)，南京西南面也有一片強(qiáng)回波區(qū)，這與WRF模式模擬的17∶00—18∶00 1 h累積降雨量(圖3b)的位置和強(qiáng)度總體很相近，這也進(jìn)一步表明，用模擬的線狀強(qiáng)降水帶的位置和強(qiáng)度來確定颮線的位置和強(qiáng)度是可行的。

圖4 2010年7月22日17∶38南京站雷達(dá)反射率因子圖(單位：dBz)Fig.4 Radar echo map at Nanjing station at 17∶38 BT on July 22,2010(unit:dBz).

2.2 颮線物理量場(chǎng)的垂直分布

因該颮線大體呈現(xiàn)東西方向走勢(shì)，為更具體細(xì)致分析東、西段颮線的物理量場(chǎng)垂直分布結(jié)構(gòu)，分別沿120.5°E和119.5°E經(jīng)強(qiáng)對(duì)流中心作高度-緯度剖面。下面對(duì)這兩個(gè)剖面上的物理量場(chǎng)分布進(jìn)行分析。

2.2.1 散度場(chǎng)

由2010年7月22日16∶00、18∶00沿120.5°E和119.5°E經(jīng)強(qiáng)對(duì)流中心的散度高度-緯度剖面圖(圖略)可知，16∶00沿120.5°E的剖面上，在32.8°N附近500 hPa以下有呈柱狀的強(qiáng)輻合存在，該柱狀強(qiáng)輻合處可代表颮線的位置，這也表明東段颮線此時(shí)即位于該地；18∶00，上述柱狀強(qiáng)輻合減弱南壓至32.2°N左右，柱狀已不清晰并略呈彎曲狀，輻合區(qū)高度下降至700 hPa以下，不過在920 hPa以下至近地面輻合仍較強(qiáng)，這表明東段颮線南壓減弱并即將消散。16∶00沿119.5°E的剖面上，31.9°N附近400 hPa以下存在柱狀強(qiáng)輻合，西段颮線即位于此處；18∶00，在32.4°E處700 hPa以下仍存在柱狀輻合區(qū)，這表明西段颮線開始與北抬的MCC合并。

2.2.2 垂直速度場(chǎng)

由2010年7月22日16∶00、18∶00沿120.5°E和119.5°E經(jīng)強(qiáng)對(duì)流中心的垂直速度高度-緯度剖面圖(圖略)可知，16∶00沿120.5°E的剖面上，東段颮線處有深厚且強(qiáng)烈的呈柱狀結(jié)構(gòu)的上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，其上升速度最大可達(dá)12 m·s-1，高度達(dá)200 hPa以上，表明此時(shí)對(duì)流強(qiáng)烈，颮線處旺盛階段；18∶00東段颮線上的上述柱狀上升運(yùn)動(dòng)區(qū)南壓至32.2°N附近，但強(qiáng)度已經(jīng)減弱，上升運(yùn)動(dòng)僅出現(xiàn)在500 hPa以下，最大上升速度只有0.6 m·s-1，這也表明東段颮線在南壓減弱中。16∶00沿119.5°E的剖面上，在31.9°N處300 hPa以下也有柱狀強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，該處為西段颮線所在，該柱兩側(cè)均伴有下沉運(yùn)動(dòng)，這表明此時(shí)該颮線發(fā)展旺盛且其寬度約為10 km；18∶00，該柱狀強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)北抬至32.4°N附近，其高度達(dá)400 hPa，這同樣表明西段颮線與北抬的MCC開始合并。

2.2.3 二維流場(chǎng)

圖5分別給出2010年7月22日16∶00、18∶00沿120.5°E和119.5°E經(jīng)強(qiáng)對(duì)流中心的v-w(w放大了100倍)二維流場(chǎng)高度-緯度剖面圖。從16∶00沿120.5°E的剖面圖(圖5a)可見，16∶00在東段颮線的二維流場(chǎng)上，颮線處即在32.4°—32.8°N有一支強(qiáng)上升氣流，高度可達(dá)200 hPa以上，在該上升氣流南側(cè)高層300 hPa附近有一逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的次級(jí)環(huán)流渦旋，該渦旋中心以下有深厚的偏南風(fēng)為颮線提供了入流。在該上升氣流北側(cè)低層則有一順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的次級(jí)環(huán)流渦旋，該渦旋中心以下的淺薄偏北風(fēng)也為颮線提供了入流。以上兩支入流在32.5°N近地面處交匯，該處為颮鋒所在。颮線有兩支出流，分別出現(xiàn)在颮線南側(cè)的高層和颮線北側(cè)的中高層。從18∶00沿120.5°E的剖面圖(圖5b)可見，此時(shí)颮鋒南移至32.1°N，颮線處的上升氣流南移，流速減小，高度僅至200 hPa，颮線北側(cè)低層次級(jí)環(huán)流渦旋中心以下的淺薄偏北風(fēng)減弱。此時(shí)低層南側(cè)的水平入流仍然維持，然而強(qiáng)度也減弱；颮鋒南移，上升氣流減弱以及颮線南、北兩支入流均減弱，東段颮線在南移減弱中。從16∶00沿119.5°E的剖面圖(圖5c)可見，此時(shí)西段颮線位于31.8°—32.0°N處，同樣有很強(qiáng)的上升氣流，颮鋒則位于31.9°N處。颮線南側(cè)中低層為南風(fēng)，其提供了颮線入流，高層為出流。颮線北側(cè)中層為出流，低層順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦旋中心以下的淺薄北風(fēng)為颮線提供了入流。18∶00(圖5d)，原颮線處的強(qiáng)上升氣流北抬至32.4°N處，其北側(cè)的低層渦旋已消失，在中低層均為上升氣流，并與之上的下沉氣流在700 hPa附近形成輻合帶。此時(shí)在中低層均為南風(fēng)。這表明此時(shí)雖上升氣流仍強(qiáng)，但因颮線與MCC開始合并融合，颮線的特征趨于消失。

圖5 2010年7月22日16∶00(a)、18∶00(b)沿120.5°E和16∶00(c)、18∶00(d)沿119.5°E的v-w(w擴(kuò)大了100倍)二維流場(chǎng)高度-緯度剖面圖Fig.5 The height-latitude cross section of v-w(w expands 100 times)two-dimensional flow field through the center of strong convection along 120.5°E at(a)16∶00 BT and(b)18∶00 BT,and along 119.5°E at(c)16∶00 BT and(d)18∶00 BT on July 22,2010.

2.2.4 假相當(dāng)位溫

假相當(dāng)位溫θse是在大氣的干、濕、假絕熱過程中均守恒的一個(gè)重要參數(shù)，θse的垂直分布可以反映大氣的位勢(shì)不穩(wěn)定(趙世軍和周軍元，2002)。θse水平分布常用來反映大氣中潛在能量的分布，其高值區(qū)為高溫高濕能量區(qū)，θse等值線密集區(qū)對(duì)應(yīng)能量鋒區(qū)(徐雙柱等，2012)。位勢(shì)不穩(wěn)定是一種潛在的不穩(wěn)定，在無(wú)觸發(fā)機(jī)制時(shí)真實(shí)的大氣仍是穩(wěn)定的，然而一旦受到觸發(fā)，產(chǎn)生了潛熱釋放，此時(shí)潛在的不穩(wěn)定就轉(zhuǎn)化為真實(shí)的濕對(duì)流不穩(wěn)定。

圖6分別是2010年7月22日16∶00、18∶00沿120.5°E經(jīng)強(qiáng)對(duì)流中心的θse高度-緯度剖面圖和θse沿(120.5°E，32.8°N)處在不同時(shí)刻的垂直分布，其反映了東段颮線上θse的演變。16∶00(圖6a)，東段颮線已進(jìn)入強(qiáng)盛期，潛在的位勢(shì)不穩(wěn)定已被激發(fā)。此時(shí)在32.8°N附近從近地面至200 hPa有一高θse值的柱向上伸展，該柱所在處即為颮線位置，該柱為對(duì)流凝結(jié)加熱釋放所導(dǎo)致(張銘和鄧冰，2003)。低層900 hPa以下颮線兩側(cè)為θse的高值區(qū)，南側(cè)尤甚；而在900—300 hPa，在該柱兩側(cè)則為低值區(qū)。由于假絕熱過程中θse保守，故流體微團(tuán)只能在等θse面上運(yùn)動(dòng)，故在該過程中等θse線即相應(yīng)于流線；對(duì)比圖5a、6a，兩圖相像，這表明該颮線過程的確大體可看作是假絕熱的(注意到圖5a對(duì)w場(chǎng)放大了100倍，夸大了垂直運(yùn)動(dòng))。此時(shí)颮線南側(cè)的入流具有很高的θse值，其為颮線提供了大量的潛熱能和水汽。18∶00(圖6b)，隨著颮線的南壓，原先颮線處的柱狀θse高值區(qū)現(xiàn)已南壓至32.2°N附近，且該柱已退化為在800—600 hPa上高θse值的峰，這說明颮線已減弱南壓至此處。圖6b與圖5b相比仍較相像。16∶00東段颮線正位于該處，由圖6c上短虛線可見，950 hPa以下存在?θse/?z＞0，但在900—700 hPa上則有?θse/?z＜0；在700—200 hPa區(qū)間上θse隨高度變化很小，層結(jié)大致呈中性，這表明在此區(qū)間凝結(jié)潛熱大量釋放，并對(duì)應(yīng)有很強(qiáng)的降水，這也說明此時(shí)颮線處于強(qiáng)盛期。陶詩(shī)言(1980)指出，暴雨過程的強(qiáng)盛期常常對(duì)應(yīng)著垂直方向存在著深厚的等θse的中性層結(jié)區(qū)；而16∶00正對(duì)應(yīng)于這種情況。由圖6c可見，18∶00和20∶00，因颮線已移過該處，該處已不在颮線上，此時(shí)在950 hPa以上兩者θse的垂直分布接近，在700 hPa以上θse的值均較16∶00有所減小，在500 hPa以上層結(jié)則均穩(wěn)定。

圖6 2010年7月22日16∶00(a)、18∶00(b)沿120.5°E經(jīng)強(qiáng)對(duì)流中心的θse高度-緯度剖面圖以及沿(120.5°E，32.8°N)處不同時(shí)刻的θse垂直分布(c,單位:K;短虛線為16∶00,長(zhǎng)虛線為18∶00,實(shí)線為20∶00)Fig.6 The height-latitude cross section ofθse through the center of strong convection along 120.5°E at(a)16:00 BT,(b)18∶00 BT and(c)vertical distribution ofθse along(120.5°E,32.8°N)at different time on July 22,2010(Short dashed line denotes 16∶00 BT,long dashed line denotes 18∶00 BT and solid line denotes 20∶00 BT,unit:K).

圖7分別是16∶00、18∶00沿119.5°E經(jīng)強(qiáng)對(duì)流中心的θse高度-緯度剖面圖和沿(119.5°E，31.9°N)處不同時(shí)刻的θse垂直分布，其對(duì)應(yīng)于西段颮線θse的演變。16∶00(圖7a)，在31.9°N處也有一高θse值的柱狀突起，此處即西段颮線所在，颮線處高θse值的伸展高度到500 hPa。18∶00(圖7b)，因西段颮線與北抬MCC開始合并，該柱狀突起的位置已北移至32.4°N，且僅向上伸展至600 hPa。從圖7c上可見，16∶00(短虛線)西段颮線位于該處，并處于強(qiáng)盛期，中性層結(jié)出現(xiàn)在650—750 hPa，其厚度較颮線東段要薄，這表明該處凝結(jié)潛熱釋放及降水量均較東段颮線要少；此時(shí)在650 hPa以上θse隨高度增加，濕層結(jié)穩(wěn)定；18∶00與20∶00θse的分布曲線兩者也較接近，并與圖6c中相應(yīng)時(shí)次的分布曲線類似，此時(shí)該處的對(duì)流已不強(qiáng)。

圖7 2010年7月22日16∶00(a)、18∶00(b)沿119.5°E經(jīng)強(qiáng)對(duì)流中心的θse高度-緯度剖面圖以及沿(119.5°E,31.9°N)處不同時(shí)刻的θse垂直分布(c,單位:K;短虛線為16∶00,長(zhǎng)虛線為18∶00,實(shí)線為20∶00)Fig.7 The height-latitude cross section ofθse through the center of strong convection along 119.5°E at(a)16∶00 BT,(b)18∶00 BT and(c)vertical distribution ofθse along(119.5°E,31.9°N)at different time on July 22,2010(Short dashed line denotes 16∶00 BT,long dashed line denotes 18∶00 BT and solid line denotes 20∶00 BT,unit:K).

3 多尺度相互作用及颮線概念模型

3.1 颮線中多尺度相互作用

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可見，該蘇北颮線的生成是在行星、天氣系統(tǒng)的背景下，首先由中γ尺度的對(duì)流單體發(fā)展而來，在颮線生成前500 hPa未來颮線發(fā)生處位于行星尺度的西太平洋副高邊緣，700 hPa和850 hPa該處存在中α尺度的切變線，這為輻合上升運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了有利條件(朱娟等，2016)。由于午后太陽(yáng)輻射增強(qiáng)造成地面氣溫增高，易發(fā)生對(duì)流，而在副高邊緣，水汽也充沛，故層結(jié)處于位勢(shì)不穩(wěn)定狀態(tài)；一旦發(fā)生對(duì)流，就會(huì)形成凝結(jié)潛熱釋放，從而潛在的位勢(shì)不穩(wěn)定就轉(zhuǎn)化為真實(shí)的對(duì)流不穩(wěn)定，導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生，形成中γ及小尺度的對(duì)流單體。然而對(duì)流單體究竟在何處首先形成則與具體的小氣候環(huán)境密切有關(guān)。本文數(shù)值模擬的情況與真實(shí)情況雖然總體類似，但在細(xì)節(jié)上也有差異，這是因?yàn)檫@種小氣候環(huán)境如小地形、下墊面及受其影響局地的溫度、水汽和流場(chǎng)等目前尚不能被該WRF模式準(zhǔn)確描寫的緣故。當(dāng)對(duì)流單體形成后，在以上大環(huán)境下，會(huì)迅速發(fā)展，并與鄰近的對(duì)流單體合并壯大，形成中γ尺度的多單體，進(jìn)而各單體和多單體彼此相連，最終形成中β尺度的颮線(圖3、4)。

該颮線一旦形成就向前方(東南方)移動(dòng)(圖3)，從模擬的散度場(chǎng)和垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)(圖略)上可見，在颮線處，輻合和上升運(yùn)動(dòng)均較大，且在垂直方向呈柱狀分布(張銘和鄧冰，2003)。這表明颮線屬于非平衡運(yùn)動(dòng)，具有重力波的特點(diǎn)，Zhang(1992)中將其看作非線性重力波行波解則不是沒有道理的。因颮線的該特點(diǎn)，故其形成后，運(yùn)動(dòng)就較天氣背景系統(tǒng)要快。

當(dāng)中β尺度的颮線移入行星尺度的副高中時(shí)，副高中的下沉運(yùn)動(dòng)，使得颮線處的對(duì)流減弱，對(duì)流減弱又進(jìn)一步削弱了凝結(jié)加熱釋放，從而造成颮線減弱消亡，上述東段颮線的演變即是如此。而西段颮線情況有所不同。由于在該颮線過程中整個(gè)西太平洋副高略有西伸，表現(xiàn)為重力波的颮線雖然傳播到副高內(nèi)會(huì)導(dǎo)致其減弱消亡，但是作為天氣背景的中低層切變線仍然存在少動(dòng)(朱娟等，2016)，此時(shí)在切變線處對(duì)流強(qiáng)降水生成的條件仍具備，故在該處仍有對(duì)流強(qiáng)降水發(fā)生；如此原颮線降水就會(huì)與MCC降水發(fā)生合并融合，此時(shí)對(duì)流強(qiáng)降水區(qū)位置也因副高西伸而有所北抬。這是東段颮線與西段颮線的差異所在。

總的說來，颮線這種中β尺度系統(tǒng)受500 hPa上行星尺度的副高和天氣尺度的西風(fēng)槽以及850 hPa上中α尺度的切變線控制，然而中β尺度系統(tǒng)的颮線卻如上所述是由中γ尺度甚至是小尺度的對(duì)流單體發(fā)展而來，這表明在該颮線生成演變中存在各種尺度系統(tǒng)的相互作用。該行星、天氣和中α尺度的系統(tǒng)影響中β尺度的颮線主要體現(xiàn)在動(dòng)力作用方面，表現(xiàn)為控制其移動(dòng)等；而中γ尺度和小尺度的對(duì)流單體生成中β尺度的颮線則主要體現(xiàn)在熱力作用方面，表現(xiàn)為強(qiáng)對(duì)流發(fā)生造成的凝結(jié)潛熱釋放等。這個(gè)問題值得深入研究。

3.2 颮線徑向剖面的概念模型

根據(jù)這次颮線過程發(fā)生演變特點(diǎn)，可用圖8來描述該颮線成熟期徑向剖面的概念模型。從圖8可見，該颮線前方即颮線移動(dòng)的方向，對(duì)流層中低層有較強(qiáng)的高θse的入流，表現(xiàn)為較深厚的偏南風(fēng)。在颮線后方低層有一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的次級(jí)環(huán)流渦旋，注意這里颮線的移動(dòng)方向是向右，與圖5中顯示的方向相反，該次級(jí)環(huán)流渦旋中心以下也有入流，表現(xiàn)為淺薄的偏北風(fēng)。颮線過境時(shí)近地面風(fēng)向出現(xiàn)由偏南風(fēng)到偏北風(fēng)的急劇轉(zhuǎn)變。在颮線處則有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)、強(qiáng)輻合區(qū)和強(qiáng)θse高值區(qū)，這三者均在該處呈柱狀垂直向上伸展的態(tài)勢(shì)，且伸展到對(duì)流層中層以上，并導(dǎo)致颮線過境時(shí)有很強(qiáng)的對(duì)流降水。高層在颮線處的兩側(cè)則為出流區(qū)。

圖8 颮線徑向剖面的概念模型圖(深色陰影為高θse區(qū),淺色陰影為低θse區(qū),斜線填充箭頭為上升帶,白色箭頭表示颮線移動(dòng)方向,黑色實(shí)箭頭為氣流運(yùn)動(dòng)方向,藍(lán)色三角形為地面颮鋒位置所在)Fig.8 Conceptual model diagram of squall line(Dark shadow denotes high value ofθse,light shadow denotes low value ofθse,slash area filled with arrow denotes rising zone,white arrow denotes moving direction of squall line,black arrow denotes the moving direction of airflow,and the blue triangle is the located of squall line).

4 結(jié)論

采用區(qū)域三重嵌套WRF模式，對(duì)2010年7月22日一次蘇北颮線過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析討論，主要結(jié)論如下：

(1)三重嵌套最細(xì)水平網(wǎng)格為3.3 km的區(qū)域WRF模式對(duì)此次強(qiáng)對(duì)流過程中的颮線具有較強(qiáng)模擬能力，模擬的颮線與實(shí)際颮線非常接近，具有與實(shí)況相同的性質(zhì)和特點(diǎn)；利用模擬的線狀強(qiáng)降水帶及其降水強(qiáng)度來確定模擬颮線的位置和強(qiáng)度具有可行性。

(2)發(fā)展成熟颮線的熱力結(jié)構(gòu)為，颮線處存在向上伸展的高θse值柱；低層颮線兩側(cè)為高θse區(qū)，在颮線前方有高θse值入流，為颮線帶入大量水汽和能量；中層為θse值大致不變的中性層結(jié)，這與對(duì)流凝結(jié)潛熱釋放有關(guān)；該颮線過程可大體看成是假絕熱過程，θse值具有準(zhǔn)保守性。

(3)發(fā)展成熟颮線的動(dòng)力結(jié)構(gòu)為，颮線處存在強(qiáng)輻合區(qū)，垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯，兩者均呈柱狀向上伸展，構(gòu)成了強(qiáng)輻合上升流；颮線前方(颮線移動(dòng)的方向)低層有較深厚入流(偏南風(fēng))，后方低層存在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的次級(jí)環(huán)流渦旋，其中心以下也有淺薄的入流(偏北風(fēng))，這使得颮線過境時(shí)地面風(fēng)向發(fā)生由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)偏北風(fēng)的急劇變化。

(4)在該颮線生成演變中，存在多尺度系統(tǒng)的相互作用；行星、天氣和中α尺度系統(tǒng)影響中β尺度的颮線主要體現(xiàn)在動(dòng)力方面，而中γ尺度和小尺度的對(duì)流單體生成中β尺度的颮線則主要體現(xiàn)在熱力方面。