江蘇一次颮線初生的診斷分析與數(shù)值模擬

王 琛, 魏 鳴

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

颮線是一種帶(線)狀的中尺度對流系統(tǒng)，是非鋒面的狹窄的活躍雷暴帶。它是一種深厚的對流系統(tǒng)，其水平尺度通常為幾百千米，典型生命周期分析為6～12 h[1]。

颮線是中國常見的災(zāi)害性強(qiáng)對流天氣，具有突發(fā)性強(qiáng)、強(qiáng)度大、發(fā)展快、破壞力大等特點(diǎn)，易造成澇害、雹害等災(zāi)害，往往造成嚴(yán)重的社會經(jīng)濟(jì)損失。例如：2006年11月2日海南出現(xiàn)了一次颮線天氣過程，大風(fēng)和大雨給當(dāng)?shù)卦斐闪藝?yán)重的損失[2]。2009年6月3—4日，安徽北部、江蘇北部等地區(qū)出現(xiàn)了罕見的颮線天氣，帶來了短時強(qiáng)降水、雷雨、冰雹災(zāi)害性強(qiáng)對流天氣[3]。2014年7月30—31日，安徽中東部發(fā)生了一次颮線過程，造成雷暴大風(fēng)和短時強(qiáng)降水天氣[4]。因此分析颮線內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)、深入剖析形成機(jī)理，對改進(jìn)預(yù)報有重要意義。

中外對颮線的研究可追溯到20世紀(jì)60年代，Newton等[5]對颮線作了詳細(xì)的中尺度分析，提出了颮線的理論模型：包括高空風(fēng)上風(fēng)方向的斜升氣流、低層流入颮線的濕空氣入流和后方的下沉空氣。Moncrieff等[6]提出了中尺度引導(dǎo)型和熱帶傳播型兩類颮線的理論模型，揭示環(huán)境垂直風(fēng)切變對颮線流場的影響。近年來隨著大氣科學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，多普勒天氣雷達(dá)可探測颮線風(fēng)場，進(jìn)一步揭示中緯度[7-9]、副熱帶[10]、熱帶[11]和熱帶颮線內(nèi)部的三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)，這些颮線在成熟階段有共同特征：氣流的變化主要發(fā)生在颮線的法線方向，有一支高相當(dāng)位溫(θe)的入流位于系統(tǒng)前方低層，從前緣傾斜上升至后方高層，一方面形成對流區(qū)，另一方面向后輸送冰粒子。

中國利用常規(guī)天氣資料和雷達(dá)衛(wèi)星遙感資料來研究颮線的演變有很多成果。例如，李金輝等[12]指出位于颮線中的超級單體降雹具有指示作用。姚葉青等[13]利用多普勒天氣雷達(dá)研究了颮線在演變過程中垂直結(jié)構(gòu)的變化。曲曉波等[14]多種氣象資料對發(fā)生在淮河中下游地區(qū)的三次颮線天氣過程進(jìn)行了對比分析。孫虎林等[15]利用多種氣象觀測資料分析了中國黃淮地區(qū)發(fā)生的颮線天氣過程的形成背景。于華英等[16]模擬了2004年發(fā)生在湘中湘南大部分地區(qū)的颮線天氣的演變過程。陶俞鋒[17]對浙北地區(qū)一次颮線天氣的數(shù)值模擬分析。陳濤等[18]分析了一次華北颮線中環(huán)境條件與對流發(fā)展機(jī)制的關(guān)系，指出冷池邊界擴(kuò)張速度與低層風(fēng)垂直切變大致相當(dāng)。王艷春等[19]用三維變分方法反演分析了華南一次強(qiáng)颮線的三維結(jié)構(gòu)。

基于此，根據(jù)颮線的大氣動力、熱力和水汽垂直結(jié)構(gòu)特征，利用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)再分析資料、探空資料和多普勒雷達(dá)資料，分析2009年6月14日江蘇一次颮線天氣的初生原因，并用天氣研究與預(yù)報(weather research and forecasting, WRF)模式進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 天氣分析

1.1 颮線天氣災(zāi)害概述

2009年6月14日6:00(世界時間，下同)開始，安徽北部生成東北西南向的颮線，影響安徽中東部、河南東部和河南西部大部分地區(qū)，帶來大風(fēng)、冰雹、雷雨等強(qiáng)對流天氣，最大風(fēng)速達(dá)到了17～29.3 m/s，最大雨強(qiáng)達(dá)65 mm/h，出現(xiàn)了最大直徑30 mm的冰雹，過程最明顯的時段是09:00—11:00，有弓狀回波特征，此后颮線開始減弱，于14日18：00在江蘇南部消失。此次颮線過程因?yàn)?zāi)死亡6人，造成了嚴(yán)重的社會經(jīng)濟(jì)損失[14，20-21]。

1.2 天氣圖分析

繪制天氣圖的資料為美國國家環(huán)境預(yù)報中心提供的NCEP再分析資料[22]，包含大氣溫度、位勢高度、絕對濕度、經(jīng)向風(fēng)以及緯向風(fēng)資料，天氣圖由Python編程繪制，溫度-對數(shù)壓力圖(T-lgP圖)由美國懷俄明大學(xué)大氣科學(xué)系網(wǎng)站提供[23]。

2009年6月14日200 hPa的天氣形勢如圖1所示，200 hPa代表了對流層頂附近的大氣溫度和氣流分布。分析發(fā)現(xiàn)，高空流場雖較平直，而由圖1中等溫線可知，安徽和江蘇上空存在著強(qiáng)降溫區(qū)，溫度低于周圍，當(dāng)大氣層低層的溫度較高時，此區(qū)域形成強(qiáng)的溫度遞減率，熱力不穩(wěn)定有利于對流抬升。

分析2009年6月14日00：00—18：00 500 hPa和850 hPa天氣形勢圖(圖略)發(fā)現(xiàn)，江蘇處于槽前西南氣流中，冷空氣從蒙古東部槽后脊前的西北氣流南下，在華東地區(qū)附近與暖空氣相遇，有利于促進(jìn)對流上升。14日06：00—12：00江蘇位于低渦后側(cè)的西南氣流中，水汽供應(yīng)充沛。

UTC(世界時)，藍(lán)色實(shí)線表示等位勢高度線，gpdm；紅色虛線表示等溫線，℃；箭頭表示風(fēng)場

2 局地大氣垂直結(jié)構(gòu)分析

T-lgP圖是研究局地大氣垂直結(jié)構(gòu)及其物理特性的有效工具。由于天氣系統(tǒng)具有連續(xù)性，選取南京站及其上游的安慶和阜陽三個探空站的T-lgP圖進(jìn)行分析。

安慶站2009年6月13日00：00和12：00的探空T-lgP圖如圖2所示，13日00：00[圖2(a)]500 hPa以下溫度廓線接近干絕熱線，大氣很不穩(wěn)定；低層風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，氣層較干；500 hPa以下溫度露點(diǎn)差隨高度的增加而增加，最大約為42 ℃；對流有效位能(convective available potential energy,CAPE)為355.3；0 ℃和-20 ℃層高度分別約為4 000 m和7 500 m。至13日12時3日00：00[圖2(b)]，阜陽站在500 hPa以下溫度廓線仍貼近干絕熱線，表明大氣仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)；最大的溫度露點(diǎn)差約為42 ℃；0 ℃和-20 ℃層高度分別約為4 900 m和7 600 m。這表明安慶站上空的大氣中蘊(yùn)含著較多不穩(wěn)定能量，并向下游傳播。

從阜陽站2009年6月13日00：00和12：00的T-lgP圖(圖略)可知，13日00：00安慶上空的大氣實(shí)際溫度廓線貼近干絕熱線，大氣較不穩(wěn)定；低層風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)，大氣較干；風(fēng)向的垂直切變較大，850～500 hPa風(fēng)向呈上層西風(fēng)，低層?xùn)|風(fēng)，有利于對流系統(tǒng)的形成和維持；700 hPa以下溫度露點(diǎn)差較小，說明濕層較厚。700～500 hPa溫度露點(diǎn)差迅速增加，最大值為42 ℃，由西北干冷空氣引起；CAPE為218.2；0 ℃和-20 ℃層高度分別約為4 000 m和7 500 m。至13日12：00和3日00：00，阜陽在500 hPa以下，溫度遞減率仍接近干絕熱線，大氣仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)；低層偏北風(fēng)說明空氣比較干，0 ℃和-20 ℃層高度分別為4 200 m和7 600 m。這表明阜陽站上空的大氣中蘊(yùn)含著較多不穩(wěn)定能量，并向下游傳播。

從南京站6月14日00：00和12：00的T-lgP圖可知，00：00南京上空的大氣溫度廓線貼近干絕熱線，表明大氣不穩(wěn)定；400 hPa以下均為西北風(fēng)，溫度露點(diǎn)差隨高度增加而增大，最大為35 ℃；0 ℃和-20 ℃層高度分別約為4 500 m和8 000 m；CAPE為768.7。至14日12：00，南京上空實(shí)際溫度廓線貼近干絕熱線，大氣不穩(wěn)定；700 hPa以下都轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)速顯著增大，低空急流在850、700、500 hPa之間的風(fēng)向切變達(dá)到接近180°，空氣中的溫度露點(diǎn)差顯著減小；此時0 ℃和-20 ℃層高度分別約為4 000 m和7 440 m，與00時相比分別下降了500 m和560 m，意味著14日12：00大氣蓄積了更多不穩(wěn)定能量，有利于促發(fā)強(qiáng)對流天氣和冰雹。

圖2 2009年6月13日安慶氣象站的T-lgP圖(UTC)[23]

3 NCEP資料物理量分析

3.1 溫度

溫度的垂直梯度是反映大氣熱力不穩(wěn)定的物理量。2009年6月14日的850 hPa和地面的溫度場的分布如圖3所示，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)14日00：00—14日12：00，江蘇地區(qū)在低層是一個熱源，而在高層是一個冷源，加大了垂直熱力梯度，為強(qiáng)對流天氣的產(chǎn)生提供了有利的初始環(huán)境條件。

3.2 垂直速度

垂直速度(單位為Pa/s)是反映大氣動力抬升條件的一個重要指標(biāo)，若垂直速度為正值，則表示有下沉運(yùn)動，天氣晴朗；反之，垂直速度負(fù)值為上升運(yùn)動，可能會造成降水。2009年6月14日850 hPa等壓面上的垂直速度分布如圖4所示。14日00：00江蘇地區(qū)的垂直速度為正值，表明大氣為下沉運(yùn)動，天氣晴朗，與實(shí)況相符。14日06：00，垂直速度由下沉運(yùn)動轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動，有利于促發(fā)對流降水，14日12：00上升運(yùn)動更劇烈，與觀測事實(shí)相符。

3.3 水汽通量

水汽通量是反映水汽條件的重要物理量，源地的水汽通過大規(guī)模的水平氣流被輸送到降水區(qū)。2009年6月14日的850 hPa水汽通量如圖5所示，江蘇附近水汽通量較大，表明水汽輸送較強(qiáng)。14日00:00江蘇東北部有兩個水汽通量的大值中心；14日06:00江蘇東北部的兩個水汽通量大值中心逐漸合為1個水汽通量大值中心，且相較于14日00:00，水汽通量大值中心更靠近江蘇；14日12:00江蘇東北部的水汽通量極大值仍在加強(qiáng)，且大值中心逐漸靠近江蘇。水汽通量的大值區(qū)呈現(xiàn)西南-東北向，水汽源地來自北部灣。

UTC，℃；冷色調(diào)代表溫度低值，暖色調(diào)代表溫度高值

UTC；暖色調(diào)代表正值，冷色調(diào)代表負(fù)值

(UTC；箭頭表示水汽通量的方向，陰影代表水汽通量的大小

3.4 水汽通量散度

當(dāng)源地的水汽被大規(guī)模的水平氣流輸送到某地區(qū)時，必須有水汽在該地區(qū)水平輻合，才能夠上升冷卻凝結(jié)成雨。水汽的水平輻合是指水平輸送到該地區(qū)的水汽，大于水平輸出該地區(qū)的水汽，反之，稱為水汽的水平輻散。若水汽的水平通量散度為正值，則意味著水汽在該地輻散，反之若散度為負(fù)值，則表示水汽在該地輻合。

UTC；暖色調(diào)代表正值，冷色調(diào)代表負(fù)值

2009年6月14日850 hPa等壓面上的水汽通量散度圖如圖6所示。14日00:00江蘇地區(qū)的水汽通量散度為正值，表明江蘇地區(qū)的水汽是輻散的，水汽雖然流經(jīng)江蘇，但無法在此聚集，所以14日00:00江蘇地區(qū)并無強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣發(fā)生。14日06:00，江蘇地區(qū)的水汽通量散度已經(jīng)由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，表明水汽開始輻合，這與14日06:00颮線剛開始生成的觀測事實(shí)相符。14日12:00水汽相較于14日06:00的輻合程度更強(qiáng)，與觀測事實(shí)相符。

UTC，0.5°仰角

4 雷達(dá)回波分析

4.1 反射率因子分析

圖7為2009年6月14日10:00—11:00的0.5°仰角雷達(dá)反射率因子圖，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，回波形狀變化較快，颮線前端強(qiáng)回波由東北-西南走向逐漸偏轉(zhuǎn)為南北走向。10:00颮線前方距雷達(dá)東南90 km處小回波迅速發(fā)展，到10:30已發(fā)展為強(qiáng)對流，回波最強(qiáng)可達(dá)到60 dBZ(基本反射率因子)以上，到11:00強(qiáng)回波已與颮線回波合并。11:00颮線內(nèi)下沉氣流到地面與環(huán)境氣流匯合激發(fā)出陣風(fēng)鋒。陣風(fēng)鋒隨強(qiáng)回波移動而向前推移。此外，可以發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)回波區(qū)在颮線的曲率最大處。

UTC，0.5°仰角

4.2 徑向速度分析

圖8為2009年6月14日10:00—11:00的0.5°仰角徑向速度，此次過程伴隨著較大的風(fēng)速，大風(fēng)速區(qū)域與強(qiáng)回波區(qū)相對應(yīng)。10:00時大風(fēng)區(qū)徑向速度表現(xiàn)為風(fēng)速輻合，存在逆風(fēng)區(qū)；10:30回波移過雷達(dá)站，風(fēng)速有所減弱，回波前方仍然輻合。11:00雷達(dá)站上方由負(fù)速度區(qū)轉(zhuǎn)為正速度區(qū)，回波前方輻合上升，后方輻散下沉伴隨降水。回波向東南方向移動與新生回波合并，正負(fù)速度區(qū)相遇，形成輻合，有利于新生回波的發(fā)展。與反射率因子相似，最大風(fēng)速區(qū)在颮線的曲率最大處。

4.3 反射率因子垂直剖面(RCS)分析

圖9為從雷達(dá)中心向105.3方位角做垂直剖面得到的反射率因子垂直剖面(RCS)圖，發(fā)現(xiàn)新生單體垂直剖面，由RCS圖可以看到中層回波較強(qiáng)，回波頂高已位于10 km左右回波處于發(fā)展階段，氣流輻合上升，回波未來將得到發(fā)展。10:30 RCS上回波強(qiáng)中心迅速向下延伸，強(qiáng)回波接地，回波發(fā)展到成熟階段。新生回波移速緩慢，但由于主回波的東移南下，兩回波逐漸靠近。11:00 RCS上兩回波已合并，原颮線回波強(qiáng)度漸減弱，新生回波逐漸變?yōu)橹鲗?dǎo)回波，回波移向也受新生回波影響轉(zhuǎn)為東移。

UTC

5 數(shù)值模擬

目前，數(shù)值預(yù)報已成為對颮線等強(qiáng)對流天氣進(jìn)行預(yù)報的主要手段之一。試驗(yàn)所采用的預(yù)報模式為WRF中尺度預(yù)報模式。該模式由美國國家大氣研究中心(NCAR)、國家海洋和大氣管理局等美國多家科研機(jī)構(gòu)共同開發(fā)，被廣泛應(yīng)用于目前的天氣預(yù)報和大氣科學(xué)研究中。WRF模式是完全可壓縮的非流體靜力學(xué)模型，該模式采用二階三階龍格-庫塔(Runge-Kutta)時間積分格式，以及水平和垂直方向上的二階到六階平流格式，包含6個預(yù)報方程和1個靜力診斷方程。

5.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用WRF版本v3.8。水平方向采用荒川C網(wǎng)格，垂直方向采用跟隨地形的質(zhì)量坐標(biāo)。模擬區(qū)域的中心為(33°N，120°E)，水平格點(diǎn)數(shù)為701×701，格距為3 km，垂直方向分為不等距的53層，模式層頂氣壓為50 hPa。主要的參數(shù)化方案見表1。初始場采用NCEP全球預(yù)報系統(tǒng)(GFS)提供的再分析資料，水平分辨率為1°×1°，時間間隔為6 h。從2009年6月14日06:00開始模擬，積分時長為12 h，該時段包含了這次颮線的整個發(fā)展過程。

表1 主要的參數(shù)化方案

5.2 模擬結(jié)果

圖10顯示了WRF模式模擬的組合反射率因子以及對應(yīng)時次雷達(dá)觀測的組合反射率因子實(shí)況。

對比模擬結(jié)果和觀測實(shí)況，可以發(fā)現(xiàn)在6月14日07：00—14日09：00(圖略)，模擬結(jié)果與觀測實(shí)況的誤差較大，這是由WRF模式的起轉(zhuǎn)延遲(spin-up)所致，它是指在非靜力平衡條件下或者在擾動的條件下，模式進(jìn)行調(diào)整從而使模式與觀測資料之間達(dá)到平衡的一種過程[24]。

6月14日10：00—14日12：00(圖10)，模擬結(jié)果與雷達(dá)回波較接近，即模式較好地還原了颮線的初生過程，但仍然存在著模擬位置偏東、模擬的強(qiáng)對流過強(qiáng)及颮線位置滯后等不足，但總體而言通過這次過程的數(shù)值模擬，有助于理解颮線初生時的物理機(jī)制和三維結(jié)構(gòu)演變。

圖10 WRF模式模擬的組合反射率因子以及對應(yīng)時次觀測的組合反射率因子

6 結(jié)論與討論

利用NCEP再分析資料、探空資料、多普勒雷達(dá)資料和數(shù)值模擬等手段，對2009年6月14日發(fā)生在江蘇的一次颮線的初生過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要結(jié)論如下。

(1)通過分析天氣形勢和NCEP高低空溫度分布，發(fā)現(xiàn)江蘇地區(qū)在低層是熱源，而在高層是冷源，200 hPa代表了對流層頂?shù)拇髿鉁囟群蜌饬鞣植迹不蘸徒K上空存在著冷區(qū)，溫度低于周圍，當(dāng)大氣層低層的溫度較高時，此區(qū)域就形成較強(qiáng)的溫度垂直梯度，造成熱力不穩(wěn)定，有利于對流的發(fā)展。這是發(fā)生強(qiáng)對流天氣的一個重要原因。

(2)通過局地的T-lgP圖，分析了大氣垂直方向的動力、熱力和水汽條件，深入認(rèn)識大氣不穩(wěn)定能量的垂直特征，本次颮線天氣過程在江蘇附近不穩(wěn)定能量最明顯，因此促發(fā)了颮線天氣過程。

(3)NCEP資料的溫度、水汽通量及水汽通量散度，也揭示了江蘇地區(qū)在低層是熱源，高層是冷源，存在強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定，水汽充足，有利于強(qiáng)對流天氣的初生。

(4)分析颮線過程的雷達(dá)回波，發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)回波區(qū)在颮線的曲率最大處，此處也是最大風(fēng)速區(qū)。

(5)WRF模式的模擬發(fā)現(xiàn)，spin-up階段之后，模式較好地模擬了颮線的初生。