颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度對(duì)低層濕度和環(huán)境垂直風(fēng)切變的敏感性研究

高彥青,孫璐,馬旭林,孟澤華,程凱琪

南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044

颮線是一種由多個(gè)活躍雷暴單體側(cè)向排列而形成的傳播性線狀或帶狀的中尺度對(duì)流系統(tǒng),過(guò)境時(shí)往往帶來(lái)局地暴雨、短時(shí)大風(fēng)、雷暴、冰雹等災(zāi)害性天氣,維持時(shí)間可達(dá)幾小時(shí)至十幾小時(shí)(Trier et al.,1996;壽紹文,2003)。這種中尺度對(duì)流系統(tǒng)與其環(huán)境場(chǎng)的熱力與動(dòng)力特征密切相關(guān)。環(huán)境因子制約和影響颮線的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、組織和演變過(guò)程,所以研究不同環(huán)境條件下颮線系統(tǒng)的演變特征對(duì)預(yù)測(cè)和診斷颮線系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)颮線發(fā)生的天氣背景和環(huán)境場(chǎng)已有大量的研究。丁一匯等(1982)統(tǒng)計(jì)了我國(guó)華北和湖南地區(qū)18次颮線過(guò)程的環(huán)流場(chǎng)特征并分析了其發(fā)生時(shí)環(huán)境的動(dòng)力、熱力條件,發(fā)現(xiàn)我國(guó)南方地區(qū)颮線主要出現(xiàn)在槽后,華北地區(qū)颮線主要發(fā)生在槽前,也有一些出現(xiàn)在副高西部邊緣的偏南氣流中,少數(shù)發(fā)生在臺(tái)風(fēng)倒槽中,并指出颮線易發(fā)生在強(qiáng)烈的位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)中和較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變環(huán)境下。較強(qiáng)的環(huán)境垂直風(fēng)切變被認(rèn)為是增強(qiáng)風(fēng)暴的重要因子,Newton(1967)第一次說(shuō)明了環(huán)境垂直風(fēng)切變與強(qiáng)雷暴的相互作用可以增強(qiáng)或延長(zhǎng)雷暴的生命期。Weisman and Klemp(1982)認(rèn)為超級(jí)單體和多單體風(fēng)暴的形成與穩(wěn)定度和環(huán)境垂直風(fēng)切變有關(guān)。大量的觀測(cè)和數(shù)值模擬也揭示了環(huán)境垂直風(fēng)切變對(duì)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展和維持具有重要作用(Weisman and Klemp,1984;Bluestein et al.,1987;Parker and Johnson,2000;鄭淋淋和孫建華,2016;康兆萍和林永輝，2017；侯淑梅等，2018)。環(huán)境垂直風(fēng)切變主要反映的是環(huán)境場(chǎng)的動(dòng)力特征對(duì)颮線的影響。位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)為環(huán)境場(chǎng)重要的熱力特征并在對(duì)流運(yùn)動(dòng)中起重要作用,位勢(shì)不穩(wěn)定層結(jié)的建立與溫、濕場(chǎng)的垂直分布相關(guān),孫建華等(2014)通過(guò)改變不同層次水汽含量模擬研究了2009年6月一次颮線過(guò)程發(fā)現(xiàn)在保持整層水汽含量不變的情況下,上干下濕的層結(jié)條件更易組織成線狀且較強(qiáng)的對(duì)流系統(tǒng),但不利于對(duì)流系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間維持。Takemi(2006)指出相較于其他層次,更濕的邊界層有利于形成強(qiáng)度更強(qiáng)的颮線。Takemi(2007)利用數(shù)值理想試驗(yàn)通過(guò)改變初始環(huán)境溫度廓線來(lái)研究環(huán)境靜力穩(wěn)定度對(duì)颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)在保持對(duì)流有效位能(CAPE)不變的情況下,溫度垂直遞減率越大,環(huán)境場(chǎng)越不穩(wěn)定,越易產(chǎn)生較強(qiáng)的對(duì)流系統(tǒng)。

近地面冷池是颮線發(fā)展過(guò)程中一個(gè)重要的邊界層特征,冷池前沿為風(fēng)暴出流邊界即為陣風(fēng)鋒的位置。冷池由雨水蒸發(fā)冷卻造成并影響颮線的演變、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特征,當(dāng)?shù)蛯哟嬖谳^強(qiáng)環(huán)境垂直風(fēng)切變時(shí),會(huì)阻礙風(fēng)暴出流離開對(duì)流主體并在出流邊界處形成較強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng),有利于觸發(fā)新對(duì)流單體,冷池與低層環(huán)境垂直風(fēng)切變的相互作用是颮線維持和發(fā)展的重要機(jī)制(Rotunno et al.,1988;Weisman and Rotunno,2004;陳明軒和王迎春,2012；黃奕銘等，2015)。所以冷池的結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度變化能夠反映颮線自身的內(nèi)部熱動(dòng)力特征與環(huán)境低層動(dòng)力條件的相互作用。

從以往的個(gè)例分析和理想數(shù)值試驗(yàn)中可以看出,環(huán)境場(chǎng)的熱力與動(dòng)力特征影響和制約颮線系統(tǒng)的發(fā)展,但是之前的研究主要關(guān)注環(huán)境場(chǎng)對(duì)颮線成熟階段組織過(guò)程的影響,而環(huán)境場(chǎng)主要作用于風(fēng)暴發(fā)生和發(fā)展初期。因?yàn)?颮線系統(tǒng)一旦組織起來(lái)后,環(huán)境場(chǎng)的制約作用減弱,颮線自身的熱動(dòng)力特征開始影響環(huán)境場(chǎng)并占主導(dǎo)地位。本文利用理想數(shù)值試驗(yàn),通過(guò)改變低層濕度和低層環(huán)境垂直風(fēng)切變條件,研究初始環(huán)境場(chǎng)對(duì)颮線發(fā)生與發(fā)展初期結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響,揭示颮線系統(tǒng)預(yù)報(bào)的前導(dǎo)信號(hào)。

1 數(shù)值模式與初始條件

1.1 理想模式

采用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)發(fā)展的三維完全可壓縮流體非靜力模式WRF-ARW(v3.9)的二維理想颮線試驗(yàn)框架(Skamarock et al.,2008)來(lái)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn),該二維框架能得到垂直于颮線傳播方向?qū)α飨到y(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和演變特征(van Weverberg et al.,2012)。理想二維剖面選擇為x-z方向,模擬區(qū)域?yàn)?0 km(x,東西方向)×20 km(z,垂直方向),水平和垂直分辨率都設(shè)置為250 m,垂直方向?yàn)?0層,不考慮y(南北)方向的物理變量。y方向采用周期性側(cè)邊界條件,x方向?yàn)殚_放式側(cè)邊界條件,采用1.5階TKE湍流和次網(wǎng)格擾動(dòng)參數(shù)化方案,水平擴(kuò)散系數(shù)為300 m2/s,微物理過(guò)程采用Lin方案(Lin et al.,1983),為避免其他因素影響,故不考慮科氏力、陸面過(guò)程和大氣輻射傳輸過(guò)程。由于主要研究颮線發(fā)生與發(fā)展初期結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的變化,積分時(shí)間設(shè)置為3 h,積分時(shí)間步長(zhǎng)為3 s,每2 min輸出一次模擬結(jié)果。

1.2 模式初始條件

理想數(shù)值試驗(yàn)是在水平均一的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)中加入溫度擾動(dòng)來(lái)觸發(fā)對(duì)流。初始溫濕環(huán)境場(chǎng)理想探空曲線參考Weisman and Klemp(1982)提出的典型中緯度雷暴系統(tǒng)初始溫濕垂直廓線(圖1),具體計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

圖1 Skew-T探空分布(紫色、黑色、藍(lán)色實(shí)線分別是低層水汽混合比為12、14、16 g/kg條件下的露點(diǎn)曲線,紅色曲線為溫度曲線)

其中:θ為位溫；RH為相對(duì)濕度；ztr和θ0分別為對(duì)流層頂高度和地面位溫，分別取為12 km和300 K；θtr和Ttr為對(duì)流層頂?shù)奈粶睾蛯?shí)際溫度，其值分別取為343 K和213 K；g為垂直加速度；cp為干空氣比定壓熱容;混合層高度為1.2 km,其下的水汽混合比恒為14 g/kg,該探空下CAPE值為1 969 J/kg。初始環(huán)境風(fēng)為東風(fēng),垂直風(fēng)切變垂直高度設(shè)為0～2.5 km,風(fēng)速?gòu)牡孛娴?.5 km線性減小為0,2.5 km以上風(fēng)速為0(圖1)。初始擾動(dòng)采用熱泡啟動(dòng)(Klemp and Wilhelmson,1978),水平和垂直擾動(dòng)半徑分別為4 km和1.5 km,中心位置處于離地面1.5 km處,熱泡中心初始擾動(dòng)位溫為3 K,由余弦函數(shù)從中心向熱泡邊界處遞減為0。由于不同試驗(yàn)中颮線系統(tǒng)移速不同,為保證各試驗(yàn)颮線系統(tǒng)位于模擬區(qū)域內(nèi),文中只選取120 min時(shí)間內(nèi)颮線系統(tǒng)的演變情況進(jìn)行分析。

2 低層濕度敏感性研究

將Weisman and Klemp(1982)提出的初始溫濕環(huán)境場(chǎng)作為控制試驗(yàn),控制試驗(yàn)中地面風(fēng)速Us設(shè)為11 m/s。通過(guò)增加和減少控制試驗(yàn)中混合層以下的水汽混合比qv來(lái)改變低層濕度,設(shè)置兩組濕度敏感性試驗(yàn),qv分別設(shè)為12和16 g/kg。環(huán)境CAPE值隨低層濕度改變而改變,CAPE值分別對(duì)應(yīng)為992、3 111 J/kg。

圖2 不同低層比濕條件下模擬的30 min雷達(dá)反射率垂直分布(陰影為模擬的雷達(dá)反射率(單位:dBZ),紅色等值線為-1 K擾動(dòng)位溫線,箭頭為風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s),紅色和藍(lán)色箭頭分別表示垂直速度為正值和負(fù)值,x=0 km為初始擾動(dòng)點(diǎn)):(a)qv=12 g/kg;(b)qv=14 g/kg;(c)qv=16 g/kg

2.1 颮線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特征

對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)后,雨水落到地面,因蒸發(fā)作用而導(dǎo)致低層降溫,使低層冷空氣堆積開始形成近地面冷池,隨后冷池沿颮線向東西兩側(cè)擴(kuò)展。由于環(huán)境垂直風(fēng)切變會(huì)阻礙冷出流離開對(duì)流主體,冷池產(chǎn)生的水平負(fù)渦度環(huán)流和東風(fēng)切變產(chǎn)生的正渦度環(huán)流相互作用產(chǎn)生輻合而利于觸發(fā)對(duì)流,則輻合更易在冷池東側(cè)前沿發(fā)生,有利于新對(duì)流單體的生成,所以颮線向新生對(duì)流單體方向即東側(cè)移動(dòng)。本文選取30 min和120 min分別為觸發(fā)階段和發(fā)展初期的代表時(shí)刻。圖2為各組試驗(yàn)在30 min的模擬雷達(dá)反射率垂直剖面。因?yàn)閷?duì)流系統(tǒng)剛剛觸發(fā),三組試驗(yàn)中雷達(dá)回波呈單體形式,對(duì)流主體強(qiáng)度較強(qiáng),強(qiáng)對(duì)流區(qū)模擬雷達(dá)反射率都超過(guò)50 dBZ,但可以明顯看出低層濕度越大,雷達(dá)回波高度越高,回波范圍越廣且對(duì)流主體區(qū)域垂直速度更大,對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)分布范圍更廣。將近地面擾動(dòng)位溫小于等于-1 K的區(qū)域定義為冷池區(qū)域(Bryan and Morrison,2012),因?yàn)榇藭r(shí)雨水剛剛落到地面,近地面雖已開始形成冷池結(jié)構(gòu),但各組試驗(yàn)中冷池差異并不明顯,且冷池強(qiáng)度都較弱,在低層環(huán)境風(fēng)切變作用下,雷達(dá)回波隨高度有向前傾的趨勢(shì)。

圖3 不同低層比濕條件下模擬的120 min雷達(dá)反射率垂直分布.陰影為模擬的雷達(dá)反射率(單位:dBZ),紅色等值線為-1 K擾動(dòng)位溫線,箭頭為風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s),紅色和藍(lán)色箭頭分別表示垂直速度為正值和負(fù)值,x=0 km為初始擾動(dòng)點(diǎn):(a)qv=12 g/kg;(b)qv=14 g/kg;(c)qv=16 g/kg

圖3為120 min模擬雷達(dá)反射率垂直剖面,在發(fā)展階段,雷達(dá)回波范圍擴(kuò)大,沿颮線移動(dòng)方向開始有新對(duì)流單體生成,沿水平方向呈多單體形式,強(qiáng)對(duì)流帶延長(zhǎng)。冷池前沿有明顯的垂直上升運(yùn)動(dòng)并不斷激發(fā)新對(duì)流單體生成。此時(shí)對(duì)流增強(qiáng),降水累計(jì)導(dǎo)致冷池發(fā)展并開始向東擴(kuò)展,各組試驗(yàn)中強(qiáng)對(duì)流區(qū)域(模擬雷達(dá)反射率大于50 dBZ)明顯,可見三組試驗(yàn)所模擬的颮線都能得到較好的發(fā)展。其中,低層濕度越大,強(qiáng)回波區(qū)域越大,雷達(dá)回波高度越高,層云區(qū)域(模擬雷達(dá)反射率小于25 dBZ)也發(fā)展較好。在qv=16 g/kg試驗(yàn)中(圖3c),冷池前沿垂直速度最大,則對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)最強(qiáng),更容易激發(fā)新對(duì)流單體,且近地面冷池最大高度達(dá)到3 km;另外兩組試驗(yàn)中垂直速度相對(duì)較小,冷池最大高度只有2 km,以上說(shuō)明低層濕度越大,颮線強(qiáng)度越強(qiáng)并有利于新對(duì)流單體的生成,系統(tǒng)發(fā)展得更快。

圖4 不同低層比濕條件下最大垂直速度(a)和最小垂直速度(b)的時(shí)間演變

為進(jìn)一步比較不同低層濕度條件下,颮線強(qiáng)度隨時(shí)間的演變情況,圖4給出了各試驗(yàn)中最大垂直速度(圖4a)和最小垂直速度(圖4b)隨時(shí)間的演變情況。從圖中可以看出各組試驗(yàn)中上升運(yùn)動(dòng)和下沉運(yùn)動(dòng)大小差異顯著,低層濕度越大,最大垂直速度也相對(duì)越大,上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng);最大垂直速度與對(duì)流的激發(fā)相聯(lián)系,最大垂直速度越大說(shuō)明激發(fā)對(duì)流的能力越強(qiáng),對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展增強(qiáng);較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)伴隨著較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng),發(fā)展階段較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)可能與降水拖曳作用相關(guān),也是造成地面大風(fēng)的主要因素,以上說(shuō)明低層濕度越大,颮線在發(fā)展演變過(guò)程中強(qiáng)度也更強(qiáng)。

圖5 不同低層比濕條件下最小擾動(dòng)位溫的時(shí)間演變

2.2 冷池演變特征和強(qiáng)度

圖6 不同低層比濕條件下120 min浮力垂直分布(陰影為浮力,單位:m/s2):(a)qv=12 g/kg;(b)qv=14 g/kg;(c)qv=16 g/kg

近地面冷池是颮線發(fā)展過(guò)程中重要的內(nèi)部熱動(dòng)力特征,其結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度與初始環(huán)境場(chǎng)緊密聯(lián)系并影響著颮線系統(tǒng)的發(fā)展和演變。冷池的形成和發(fā)展與降水的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)有關(guān),所以近地面最小擾動(dòng)位溫的變化可以反映冷池的強(qiáng)度。圖5為近地面最小擾動(dòng)位溫隨時(shí)間的演變趨勢(shì),從圖中可以看出隨著颮線系統(tǒng)的發(fā)展,對(duì)流增強(qiáng),降水不斷增加,近地面蒸發(fā)冷卻效應(yīng)導(dǎo)致冷池增強(qiáng),最小擾動(dòng)位溫隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)。在1 h之前,三組試驗(yàn)中最小擾動(dòng)位溫變化趨勢(shì)基本一致,冷池強(qiáng)度差異并不明顯;1 h之后,可以看出在低層濕度更大的情況下,最小擾動(dòng)位溫下降趨勢(shì)更大。qv=16 g/kg試驗(yàn)在120 min時(shí)最小擾動(dòng)位溫可以達(dá)到-10 K,而在qv=14 g/kg和qv=12 g/kg試驗(yàn)中最小擾動(dòng)位溫在120 min時(shí)分別為-7 K和-5 K,下降趨勢(shì)也較平緩。特別是在qv=12 g/kg試驗(yàn)中最小擾動(dòng)位溫在1 h以后基本沒有變化。由于低層濕度越大,向高層輸送的水汽則更多,形成更多的降水,蒸發(fā)冷卻作用更強(qiáng),最小擾動(dòng)位溫隨時(shí)間下降越快,則近地面冷池發(fā)展更快,強(qiáng)度也更強(qiáng)。

(3)

圖6為各組試驗(yàn)在120 min浮力的垂直分布,Xue et al.(2017)將冷池區(qū)域定義為低層浮力B≤-0.01 m/s2的區(qū)域,B=-0.01 m/s2相當(dāng)于擾動(dòng)位溫-0.3 K。而此處將冷池區(qū)域定義為低層浮力B≤-0.05 m/s2(擾動(dòng)位溫為-1 K)的區(qū)域即圖中低層藍(lán)綠色區(qū)域,冷池結(jié)構(gòu)和分布與圖3一致。從圖中可以看出低層濕度越大,降水蒸發(fā)冷卻效應(yīng)以及凝結(jié)項(xiàng)作用更強(qiáng)導(dǎo)致低層負(fù)浮力越大且分布區(qū)域更廣,則冷池強(qiáng)度越強(qiáng),與上述結(jié)論一致;中高層紅色區(qū)域?yàn)檎×^(qū)域,低層濕度越大,正浮力越大,而正浮力與正擾動(dòng)位溫緊密相關(guān),低層濕度越大,向高層輸送的水汽越多,釋放凝結(jié)潛熱增多,所以導(dǎo)致正擾動(dòng)位溫增大。中高層水汽凝結(jié)潛熱釋放的增加也是導(dǎo)致中高層上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的原因。

3 低層垂直風(fēng)切變的敏感性影響

環(huán)境垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的正渦度環(huán)流通過(guò)與近地面冷池產(chǎn)生的負(fù)渦度環(huán)流相互作用來(lái)影響颮線的演變特征,本文只考慮低層環(huán)境垂直風(fēng)切變的影響。與控制試驗(yàn)中環(huán)境風(fēng)場(chǎng)設(shè)置一致,環(huán)境風(fēng)為東風(fēng),垂直風(fēng)切變高度為0～2.5 km,保持溫濕場(chǎng)不變,通過(guò)增大和減小控制試驗(yàn)中地面風(fēng)速Us來(lái)改變低層環(huán)境風(fēng)切變,另設(shè)兩組分別為15 m/s與8 m/s的Us值,代表強(qiáng)和弱兩種環(huán)境風(fēng)切變(圖7)。

圖7 各試驗(yàn)低層(0～2.5 km)風(fēng)速隨高度的變化

圖8 不同低層垂直風(fēng)切變條件下模擬的30 min雷達(dá)反射率垂直分布.陰影為模擬的雷達(dá)反射率(單位:dBZ),紅色等值線為-1 K擾動(dòng)位溫線,箭頭為風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s),紅色和藍(lán)色箭頭分別表示垂直速度為正值和負(fù)值,x=0 km為初始擾動(dòng)點(diǎn):(a)Us=8 m/s;(b)Us=15 m/s

3.1 颮線冷池演變與強(qiáng)度

圖8為強(qiáng)弱兩組低層環(huán)境風(fēng)切變?cè)囼?yàn)30 min模擬雷達(dá)反射率垂直剖面，可以看出，雷達(dá)回波的結(jié)構(gòu)與圖2相似,雷達(dá)回波呈單體形式,冷池初步形成,此時(shí)冷池強(qiáng)度較弱,冷池產(chǎn)生的負(fù)渦度環(huán)流不足以平衡環(huán)境風(fēng)切變產(chǎn)生的正渦度環(huán)流,在環(huán)境風(fēng)切變的作用下,對(duì)流主體向順切變方向傾斜即向前傾。對(duì)比圖8a與圖8b可以發(fā)現(xiàn),低層環(huán)境風(fēng)切變?cè)酱?對(duì)流主體在環(huán)境風(fēng)切變產(chǎn)生的正渦度作用下前傾趨勢(shì)越大。但前傾的對(duì)流主體并不利于冷池前沿的垂直上升運(yùn)動(dòng),只有當(dāng)環(huán)境垂直風(fēng)切變作用與冷池強(qiáng)度相當(dāng)時(shí),正負(fù)渦度環(huán)流平衡,對(duì)流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)直立狀態(tài)才最有利于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展,這就是Rotunno et al.(1988)提出的“最優(yōu)態(tài)”即RKW理論。從強(qiáng)對(duì)流區(qū)域分布可以看出,圖8b強(qiáng)對(duì)流區(qū)域范圍明顯小于圖8a與圖2b,對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)度更弱,說(shuō)明較大的低層環(huán)境垂直風(fēng)切變?cè)趯?duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)階段有阻礙作用。

圖9 不同低層垂直風(fēng)切變條件下模擬的120 min雷達(dá)反射率垂直分布.陰影為模擬的雷達(dá)反射率(單位:dBZ),紅色等值線為-1 K擾動(dòng)位溫線,箭頭為風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s),紅色和藍(lán)色箭頭分別表示垂直速度為正值和負(fù)值,x=0 km為初始擾動(dòng)點(diǎn):(a)Us=8 m/s;(b)Us=15 m/s

颮線發(fā)展階段,隨著降水增多,冷池得到發(fā)展且強(qiáng)度不斷增加,冷池產(chǎn)生的負(fù)渦度環(huán)流也隨之增強(qiáng),與環(huán)境風(fēng)切變的相互作用增強(qiáng)。圖9為低層環(huán)境風(fēng)切變?cè)囼?yàn)在120 min的模擬雷達(dá)反射率垂直剖面圖,從冷池的擴(kuò)展速度來(lái)看,在弱切變?cè)囼?yàn)中(圖9a),冷池前沿已達(dá)到距初始擾動(dòng)位置20 km處,而在強(qiáng)切變?cè)囼?yàn)中(圖9b)冷池前沿只達(dá)到5 km處,說(shuō)明環(huán)境風(fēng)切變?cè)叫?冷池的擴(kuò)展速度越大;因?yàn)榄h(huán)境風(fēng)切變?cè)酱?對(duì)冷出流阻礙作用更強(qiáng),所以影響冷池的擴(kuò)展速度。冷池的擴(kuò)展速度不僅與環(huán)境風(fēng)切變有關(guān),還與冷池強(qiáng)度有關(guān),圖9a冷池高度比圖9b和圖3b更高,范圍更大,表明弱環(huán)境風(fēng)切變下,冷池強(qiáng)度也更強(qiáng),克服環(huán)境風(fēng)切變阻礙作用的能力更強(qiáng),移動(dòng)速度也更快。從雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)可以看出,環(huán)境風(fēng)切變?cè)叫?雷達(dá)回波范圍越大,颮線系統(tǒng)發(fā)展得越快,更易到達(dá)成熟階段。張建軍等(2016)通過(guò)低層環(huán)境風(fēng)切變敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低層環(huán)境風(fēng)切變減小,颮線移動(dòng)速度增加,會(huì)使得冷池前沿激發(fā)的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)與中高層垂直運(yùn)動(dòng)相分離從而導(dǎo)致颮線強(qiáng)度減弱。但其主要研究的是颮線成熟階段的總體特征,因?yàn)榇藭r(shí)冷池發(fā)展更加成熟,對(duì)颮線系統(tǒng)影響更大,在較強(qiáng)環(huán)境風(fēng)切變作用下更易使對(duì)流結(jié)構(gòu)呈直立狀態(tài)。而本文中颮線系統(tǒng)處在發(fā)展初期,冷池強(qiáng)度較弱,反而在更弱的風(fēng)切變作用下有利于使對(duì)流結(jié)構(gòu)呈直立狀態(tài),系統(tǒng)強(qiáng)度更強(qiáng),發(fā)展更快。

颮線系統(tǒng)強(qiáng)度可以用大于等于1 m/s垂直速度所覆蓋的區(qū)域表示,圖10為不同環(huán)境風(fēng)切變條件下垂直速度大于等于1 m/s區(qū)域所占總區(qū)域比例隨高度的變化,可以看出,垂直速度覆蓋區(qū)域從低層到中層逐漸增加,低層的垂直速度與近地面冷池前沿激發(fā)的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)有關(guān),中低層所覆蓋區(qū)域隨環(huán)境風(fēng)切變?cè)龃蠖鴾p小且切變值越大峰值越大;在弱切變?cè)囼?yàn)中,低層和中層出現(xiàn)兩個(gè)明顯峰值,低層在2.5 km,中層在8 km;而在較強(qiáng)環(huán)境風(fēng)切變下低層峰值并不明顯。低層峰值由冷池強(qiáng)迫作用導(dǎo)致,說(shuō)明此時(shí)近地面冷池已得到較好的發(fā)展;而中層的峰值與凝結(jié)釋放潛熱導(dǎo)致的垂直上升運(yùn)動(dòng)有關(guān)。另外,中層的峰值與夾帶過(guò)程也有關(guān)系(Takemi,2007)。

圖10 不同低層風(fēng)切變條件下垂直速度大于1 m/s區(qū)域所占總區(qū)域比例隨高度的變化

3.2 RKW理論分析

根據(jù)RKW理論提出的“最優(yōu)態(tài)”,當(dāng)冷池產(chǎn)生的逆切變加速與環(huán)境風(fēng)切變產(chǎn)生的順切變加速相平衡時(shí),冷池前沿將產(chǎn)生更強(qiáng)和更深的上升運(yùn)動(dòng),并利用冷池強(qiáng)度(C)與風(fēng)切變(Us)的比值來(lái)定量評(píng)估該“最優(yōu)態(tài)”。Weisman and Rotunno (2004)指出當(dāng)C/Us接近于1時(shí)最有利于颮線的發(fā)展;當(dāng)C/Us>1時(shí),冷池強(qiáng)度大于環(huán)境垂直風(fēng)切變,不利于颮線發(fā)展或者颮線趨于消亡;當(dāng)C/Us<1時(shí),冷池強(qiáng)度小于環(huán)境風(fēng)切變,也不利于颮線發(fā)展或者颮線處于發(fā)生或發(fā)展初期。式(4)為冷池強(qiáng)度C的計(jì)算公式,H為冷池高度,B為浮力。因?yàn)轱R線處于發(fā)展階段,冷池區(qū)域較小,將冷池前沿至其后側(cè)10 km范圍作為冷池水平區(qū)域計(jì)算冷池區(qū)域平均強(qiáng)度。

(4)

圖11 冷池強(qiáng)度(a)、C/Us(b)和最大雨水混合比(c)隨時(shí)間的演變

圖11為冷池強(qiáng)度(圖11a),C/Us(圖11b)和最大雨水混合比(圖11c)隨時(shí)間的演變情況,從冷池強(qiáng)度可以看出,在颮線發(fā)展階段,環(huán)境風(fēng)切變?cè)叫?冷池強(qiáng)度越大,冷池移速也越大,與圖8結(jié)果相符。對(duì)流系統(tǒng)在觸發(fā)與發(fā)展初期,冷池強(qiáng)度較弱,在弱的環(huán)境風(fēng)切變作用下更容易保持“最優(yōu)態(tài)”(圖11b),最大雨水混合比更大(圖11c)。此時(shí)有利于對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展并激發(fā)更多的降水,進(jìn)一步促進(jìn)冷池的發(fā)展,所以冷池強(qiáng)度迅速增強(qiáng),但冷池的迅速增強(qiáng)使冷池強(qiáng)度開始大于環(huán)境風(fēng)切變(C/Us>1),不利于颮線的發(fā)展,系統(tǒng)發(fā)展相對(duì)于風(fēng)切變較大的試驗(yàn)趨于減弱,從最大雨水混合比可以看出50 min后,風(fēng)切變?cè)叫?最大雨水混合比反而越小。從圖9a可以看出,此時(shí)冷池前沿新生對(duì)流單體與后側(cè)對(duì)流主體分離較遠(yuǎn),阻礙上游暖濕空氣向?qū)α髦黧w的供給,不利于組織成線狀對(duì)流以及對(duì)流進(jìn)一步發(fā)展。Us=11 m/s試驗(yàn)在50 min后,颮線系統(tǒng)逐漸趨向于“最優(yōu)態(tài)”(C/Us≈1),冷池強(qiáng)度得到加強(qiáng);Us=15 m/s試驗(yàn)在發(fā)展階段冷池強(qiáng)度較弱(C/Us<1),對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展較慢。但較強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)切變會(huì)阻礙冷出流離開對(duì)流主體有利于颮線的維持,隨著颮線進(jìn)一步發(fā)展,最大雨水混合比增加,環(huán)境垂直風(fēng)切變?cè)酱?最大雨水混合比越大。以上說(shuō)明在颮線觸發(fā)與發(fā)展初期,初始環(huán)境風(fēng)切變的增加并不利于對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展,颮線系統(tǒng)和冷池強(qiáng)度減弱;而隨著冷池的發(fā)展,較大的環(huán)境垂直風(fēng)切變使颮線系統(tǒng)趨向于“最優(yōu)態(tài)”,系統(tǒng)強(qiáng)度增強(qiáng)。

4 總結(jié)與討論

利用WRF數(shù)值模式的二維理想颮線模型,通過(guò)改變低層濕度和低層環(huán)境垂直風(fēng)切變的理想數(shù)值試驗(yàn),初步分析和揭示了初始環(huán)境場(chǎng)對(duì)颮線在觸發(fā)與發(fā)展初期結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響及其可能的前導(dǎo)信號(hào)。得到以下主要結(jié)論:

1)低層濕度試驗(yàn)表明,增加初始場(chǎng)低層濕度,使得初始時(shí)刻環(huán)境對(duì)流有效位能增加,釋放更多不穩(wěn)定能量,有利于初始啟動(dòng)階段對(duì)流的發(fā)生從而使對(duì)流系統(tǒng)強(qiáng)度更強(qiáng)。低層濕度增加,向中高層輸入的水汽增加,水汽凝結(jié)釋放更多潛熱,使得垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),同時(shí)伴隨更強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng),則颮線強(qiáng)度增強(qiáng)。冷池反映了颮線系統(tǒng)內(nèi)部熱動(dòng)力特征,增加低層濕度,產(chǎn)生更多強(qiáng)降水,降水累積使地面蒸發(fā)冷卻效應(yīng)增強(qiáng)以及凝結(jié)物的拖曳作用導(dǎo)致低層負(fù)浮力增大,使得冷池強(qiáng)度增強(qiáng)。冷池前沿產(chǎn)生更強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng),有利于新生對(duì)流單體的生成,從而促進(jìn)颮線系統(tǒng)的發(fā)展。

2)低層環(huán)境垂直風(fēng)切變?cè)囼?yàn)表明,在颮線觸發(fā)階段,對(duì)流結(jié)構(gòu)在環(huán)境垂直風(fēng)切變作用下前傾,不利于垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展。環(huán)境垂直風(fēng)切變?cè)酱?對(duì)流主體前傾趨勢(shì)越大,所以低層環(huán)境垂直風(fēng)切變?cè)酱笤讲焕陲R線的觸發(fā)。颮線進(jìn)入發(fā)展階段,降水增多,地面蒸發(fā)冷卻作用增強(qiáng),冷池得到發(fā)展且強(qiáng)度不斷增強(qiáng),與環(huán)境垂直風(fēng)切變的相互作用也隨之增強(qiáng)?；赗KW理論,在颮線發(fā)展初期,近地面冷池相對(duì)較弱,在更弱的環(huán)境垂直風(fēng)切變作用下更容易使對(duì)流結(jié)構(gòu)呈直立狀態(tài)從而產(chǎn)生更強(qiáng)和更深的上升運(yùn)動(dòng),颮線強(qiáng)度增強(qiáng)。

本文通過(guò)二維颮線理想數(shù)值試驗(yàn),重點(diǎn)討論了低層濕度和環(huán)境垂直風(fēng)切變對(duì)颮線觸發(fā)和發(fā)展階段結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響,試圖揭示颮線預(yù)報(bào)的前導(dǎo)信號(hào),但對(duì)于三維颮線系統(tǒng)初生階段的實(shí)際結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度演變特征,還需要將理想的二維數(shù)值試驗(yàn)框架進(jìn)一步擴(kuò)展到三維,并結(jié)合實(shí)際颮線個(gè)例進(jìn)行分析診斷。

致謝:本文的數(shù)值計(jì)算得到了南京信息工程大學(xué)高性能計(jì)算中心的支持和幫助.