一次模態(tài)變異中尺度對流系統(tǒng)的模擬與分析

汪蘭，張述文，柴旺，任星露,

(1. 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.雅安市氣象局，四川 雅安 625000)

1 引 言

中尺度對流系統(tǒng)(Mesoscale Convective Systems，簡稱MCSs)指具有旺盛對流運(yùn)動的天氣系統(tǒng)，是造成雷雨、大風(fēng)、冰雹和龍卷等災(zāi)害性天氣的重要系統(tǒng)，水平尺度為10～2 000 km，其組織結(jié)構(gòu)、演變和形成機(jī)理一直是中尺度氣象學(xué)重要研究問題[1]。受高時空分辨率觀測資料所限，數(shù)值模擬是研究中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展機(jī)制及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段之一[2-7]。

根據(jù)雷達(dá)回波，降水區(qū)域一般可分為對流區(qū)和層狀云區(qū)[8-9]，其中對流區(qū)存在垂直延伸的強(qiáng)回波核，而層狀區(qū)域水平方向較均勻且垂直方向具有層狀結(jié)構(gòu)。Parker 等[10]按照層狀云相對于對流線的位置，把美國中部線狀MCSs的組織模態(tài)分為三類，分別為拖曳層狀(Trailing stratiform，TS)、先導(dǎo)層狀(Leading stratiform，LS)、平行層狀(Parallel stratiform，PS)。TS 型和LS 型中，沿颮線移動方向的各個雷暴單體的發(fā)展演變特征相似，具有準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)，而PS 型為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)[2]。在風(fēng)場上，PS 型相對入流低層垂直于對流線，對流層平行于對流線，而TS 型的相對入流從底層到高層均垂直于對流線[3-4]。在組織結(jié)構(gòu)上，PS 型是在后向不斷有新對流單體出現(xiàn)，TS 型由前緣強(qiáng)對流區(qū)、中間弱回波過渡帶和后部寬廣的層狀云區(qū)組成。在平均維持時間上，TS型比PS型長兩倍[10]。

在對流系統(tǒng)的組織和維持方面，認(rèn)為降水蒸發(fā)作用產(chǎn)生的地面冷池出流和環(huán)境風(fēng)垂直切變是兩個主要影響因素[11-16]。RIJ 可增強(qiáng)地面冷池，并且RIJ 傾斜下沉氣流和低層氣旋式渦旋共同作用常造成地面大風(fēng)[17-19]。

國內(nèi)外對線狀MCS 的研究已經(jīng)取得很多成果，但大部分都集中于TS 型，對PS 型的研究很少，特別是在同一次天氣過程中同時出現(xiàn)兩種組織模態(tài)的分析更少。2017 年8 月19 日，江蘇大部分地區(qū)出現(xiàn)大到暴雨，并伴有8～10級雷雨大風(fēng)和短時強(qiáng)降水。此次強(qiáng)對流天氣過程最初雷達(dá)回波PS 型、TS 型模態(tài)同時存在，形成一個東北-西南向的強(qiáng)回波帶，但在演變后期，PS 型逐漸消散，TS 型發(fā)展成為強(qiáng)弓狀回波。

本文在對此天氣過程進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，探討其發(fā)展維持機(jī)制、由帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫€狀的機(jī)理、以及在不同發(fā)展階段PS 型和TS 型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并對弓狀回波形成起重要作用的RIJ進(jìn)行診斷分析。

2 資料和方法

分析此次強(qiáng)對流過程的大氣環(huán)流背景采用2017 年8 月19 日00:00(世界時，下同)的1.0 °×1.0 °的NCEP FNL 分析資料以及江蘇省南京市的探空觀測，并利用位于南京的新一代多普勒天氣雷達(dá)觀測，對MCS的模態(tài)演變過程進(jìn)行分析。

模擬采用WRF3.8.1 模式，初始場和邊界條件來源于6 h一次的NCEP FNL 分析資料，使用雙重雙向嵌套(圖1a)，中心位置為116.8°E，34.2°N，水平格點(diǎn)數(shù)分別為153×189和240×315，格距分別為9 km和3 km，垂直方向30層，層頂氣壓為50 hPa。積分為2017年8月18日12:00—19日18:00。參數(shù)化方案如下：WSM6 云微物理過程方案、RRTM 長波輻射方案、Dudhia 短波輻射方案、UW 邊界層方案、Noah 陸面過程和Monin-Obukhov 近地面層方案，積云參數(shù)化方案外層采用New GD，時間步長為5 min，內(nèi)層關(guān)閉。

3 環(huán)流背景及觀測分析

3.1 天氣背景條件

2017 年8 月19 日00:00，200 hPa(圖略)安徽以及江蘇位于高空急流出口區(qū)的左側(cè)。500 hPa(圖1b)華北有一冷渦，伴隨-9°C 的冷中心，槽線從河北東部延伸至湖北中部。長江中下游位于低渦槽前和副高西北邊緣，同時受很強(qiáng)西南暖濕氣流影響。850 hPa(圖1c)有偏東風(fēng)和偏西風(fēng)切變線，且稍微落后于500 hPa 西風(fēng)槽。500 hPa 槽后干冷空氣疊加于850 hPa槽前暖濕空氣上，形成上干下濕的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。從湖南西部至安徽西南部有一支大于12 m/s 的西南低空急流，急流開始于西南地區(qū)東部，相對濕度大于80%；急流前段為強(qiáng)對流發(fā)生發(fā)展區(qū)，相對濕度為60%左右，低空急流為強(qiáng)對流發(fā)生帶來充沛水汽。00:00地面天氣圖(圖略)顯示安徽北部有一條東北-西南向中尺度輻合線，它是強(qiáng)對流觸發(fā)系統(tǒng)，并且輻合線兩側(cè)溫度梯度隨850 hPa 切變線以及500 hPa 高空槽的東移南壓不斷加強(qiáng)。南京站T-lnp圖(圖略)顯示，19日00:00近地面層存在薄的逆溫層，對流有效位能達(dá)2 589.5 J/kg，地面至700 hPa存在順時針風(fēng)垂直切變，且低層存在暖平流。此種天氣背景為對流觸發(fā)提供強(qiáng)熱力條件。以上分析表明，此次過程發(fā)生在鋒面氣旋的暖區(qū)中，黃淮氣旋切變及低空暖濕急流影響了此次強(qiáng)對流的發(fā)生發(fā)展。

圖1 模擬區(qū)域及嵌套(a)；2017年8月19日00:00 500 hPa位勢高度場(實(shí)線，單位：dagpm)和溫度場(虛線，單位：℃) (b)及850 hPa風(fēng)場(矢量，單位：m/s)和相對濕度(陰影，單位：%)(c)

3.2 中尺度對流系統(tǒng)演變

2017 年8 月19 日05:17，安徽西部阜陽、六安附近開始出現(xiàn)零星對流單體(圖2a 中黑色橢圓內(nèi))；06:36(圖2b)，這些零散對流單體發(fā)展合并成為一個強(qiáng)對流單體，并且其后向與前向還不斷有新的對流單體產(chǎn)生；07:49(圖2c)出現(xiàn)兩處明顯對流區(qū)：一處位于合肥附近零散對流，另一處是滁州附近的塊狀對流，它們共同構(gòu)成一個東北-西南向?qū)α鲙АｋS后，滁州附近的對流向東移動并逐漸發(fā)展為線狀對流，其后部有大片層狀云，對流區(qū)和層狀區(qū)之間存在反射率因子強(qiáng)度較弱的過渡帶，屬拖尾型(TS 型)線狀MCS 組織模態(tài)；合肥附近的對流也逐漸發(fā)展合并成為一個線狀對流，對流線兩側(cè)和前方有強(qiáng)的層狀回波區(qū)，移速較慢，單體運(yùn)動方向平行于對流線方向，為平行型(PS 型)模態(tài)。08:00—10:30，合肥附近和滁州附近不斷東移的線狀對流連接成帶，整個系統(tǒng)組織為一個東北-西南向的帶狀結(jié)構(gòu)。此后，合肥附近的PS 型雷達(dá)回波逐漸削弱，TS 型發(fā)展成為一個強(qiáng)弓狀颮線，中心強(qiáng)度大于55 dBZ，回波頂發(fā)展較高，前沿組合反射率梯度大，并逐漸向東移動，弓狀結(jié)構(gòu)保持3 小時以上。12:17(圖2i)，強(qiáng)回波中心不再連續(xù)，變成一些零散的對流單體，最終移入黃海后消散。

總之，此次過程雷達(dá)回波由東北-西南向帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫€狀，帶狀回波中同時存在PS 型和TS 型模態(tài)，并且對流系統(tǒng)的組織模態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖2 2017年8月19日05:17—12:17南京雷達(dá)觀測的組合反射率演變

4 結(jié)果與分析

4.1 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

選取與觀測時刻最接近的模擬結(jié)果，對比觀測(圖2)和模擬的雷達(dá)組合反射率(圖3)可看出，模擬能再現(xiàn)對流系統(tǒng)演變過程中PS 型模態(tài)和TS 型模態(tài)，10:00后PS 型消散、TS 型繼續(xù)發(fā)展演變?yōu)閺?qiáng)弓狀颮線，以及系統(tǒng)由東北-西南向帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)槟媳毕蚓€狀結(jié)構(gòu)的全過程。應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，模擬層云區(qū)相對較小、強(qiáng)度較弱，PS型模態(tài)與實(shí)況相比長度較短，約提前半小時消散，模擬的TS 型強(qiáng)度略強(qiáng)于實(shí)況，但這對分析模態(tài)轉(zhuǎn)變影響較小。因此，以下將以模式輸出結(jié)果進(jìn)行機(jī)理分析。

圖3 模擬的不同時次雷達(dá)組合反射率 單位：dBZ，其中線段a、b為圖5垂直剖面位置。

4.2 發(fā)生發(fā)展機(jī)制及模態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)理

選取能夠代表此次過程演化的四個時刻，分別對應(yīng)06:30、07:30、09:00、10:00，從低層垂直風(fēng)切變和冷池入手進(jìn)行分析，其中風(fēng)切變由250 m 和3 250 m 高度的模擬風(fēng)場計(jì)算得到。從擾動位溫分布來看，在初步形成的TS 型對流線后部，有小范圍冷池(圖4a)，由孤立對流單體降水產(chǎn)生，而前方大范圍冷區(qū)是上一次強(qiáng)對流過程殘留的冷空氣。從0～3 km 垂直風(fēng)切變來看，前部切變大小接近20 m/s，強(qiáng)度較強(qiáng)，切變方向?yàn)槠保刂湟苿臃较蛏系姆至枯^小。07:30，東段(即TS 型；圖4b)冷池范圍和強(qiáng)度均增大，其中心值達(dá)到-6 K 以上，帶狀回波前沿仍為偏南風(fēng)與偏北風(fēng)的輻合。此時，TS 型前沿低層風(fēng)垂直切變加強(qiáng)，切變在颮線移動方向的分量增強(qiáng)，表明垂直于颮線的切變分量增加，上升氣流強(qiáng)盛并不斷激發(fā)新的強(qiáng)對流。06:30—07:30，PS型MCS附近冷池強(qiáng)度較弱，垂直風(fēng)切變的方向和對流線平行，對流區(qū)垂直風(fēng)切變?yōu)?5 m/s 左右，為中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變環(huán)境。受地面冷空氣堆影響，單體下方的下沉氣流產(chǎn)生水平外流，并且在垂直風(fēng)切變的影響下，外流產(chǎn)生的地面輻合不對稱，最強(qiáng)的輻合出現(xiàn)在有組織單體的順切變方向，并且沿此輻合帶新生單體沿同一方向移動，即PS 型單體沿著對流線的方向發(fā)展和傳播。

根據(jù)06:30 的假相當(dāng)位溫剖面圖(圖5a)，PS 型MCS的剖面位置為沿著對流區(qū)，其后向6 km 以下和前向5 km 以下均為不穩(wěn)定層結(jié)，以上為穩(wěn)定層結(jié)，這種層結(jié)分布有利于不穩(wěn)定能量的積聚，利于PS型MCS沿著對流線的方向不斷激發(fā)新的對流。09:00—10:00(圖4c、4d)，PS 型MCS 前沿垂直風(fēng)切變方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，且2 km 以下假相當(dāng)位溫(圖5b)隨高度增加，為穩(wěn)定層結(jié)，PS 型不再繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)，并逐漸減弱，最后消失。此時，東段由于降水持續(xù)且不斷增強(qiáng)，冷空氣下沉擴(kuò)散，冷池進(jìn)一步加強(qiáng)，垂直風(fēng)切變方向與颮線方向的垂直特性更加明顯，并且TS 型MCS 的后部中層存在干冷空氣的入侵，并下沉至低層與暖濕空氣相遇，促進(jìn)TS型發(fā)展成弓狀颮線。

4.3 MCS結(jié)構(gòu)特征

4.3.1 PS型三維結(jié)構(gòu)

考慮到PS 型MCS 具有三維結(jié)構(gòu)，選取0.75 km、3 km、7 km 高度的雷達(dá)反射率、相對風(fēng)暴風(fēng)速來探討PS型MCS結(jié)構(gòu)特征，其中相對風(fēng)暴風(fēng)速為風(fēng)速減去系統(tǒng)平均移速。從圖6 可看出，在PS 型MCS 的不同發(fā)展階段，強(qiáng)雷達(dá)回波中心強(qiáng)度由低層到高層均先增后減，強(qiáng)對流區(qū)域范圍在3 km 最大，高層范圍小；從PS型MCS的發(fā)展至成熟階段，在不同的高度上，對流帶的長度都逐漸增加，新的對流單體是在對流區(qū)的后部觸發(fā)。

從不同發(fā)展階段的相對風(fēng)暴風(fēng)速來看，0.75 km 高度上(圖6a)，對流區(qū)南側(cè)的風(fēng)場為東南風(fēng)，相對入流垂直于對流線，西側(cè)的氣旋式環(huán)流結(jié)構(gòu)有利于對流增強(qiáng)。3 km 高度上，對流區(qū)域內(nèi)的相對入流在垂直于對流線方向的分量較0.75 km 高度上弱，為反氣旋式環(huán)流；對比0.75～3 km 相對風(fēng)暴風(fēng)矢量，低層風(fēng)場隨高度順時針旋轉(zhuǎn)。7 km 高度上(圖6c)，在對流系統(tǒng)前側(cè)垂直向的相對入流和平行向的相對入流都較小，后側(cè)為平行向的相對入流。所以，此次過程中PS型MCS在對流層中層存在深厚的平行于對流線的氣流分量；對比3～7 km相對風(fēng)暴風(fēng)矢量，高層風(fēng)場隨高度逆時針旋轉(zhuǎn)。從09:00 沿著對流線的垂直剖面(圖7)看出，4 個對流單體依次排列，對應(yīng)上升氣流和下沉氣流的交替排列。單體1中垂直向上運(yùn)動很強(qiáng)，對流在繼續(xù)增強(qiáng)，增強(qiáng)區(qū)位于地面出流邊界和冷池邊緣(圖5b)；單體3 和單體4 的垂直運(yùn)動變?yōu)橄蛳拢跍p弱消散。

圖4 模擬的950 hPa擾動位溫(陰影，單位：K)、0～3 km垂直風(fēng)切變(矢量箭頭，單位：m/s)實(shí)線為組合反射率大于35 dBZ的區(qū)域。a. 06:30；b. 07:30；c. 09:00；d. 10:00。

圖5 模擬的假相當(dāng)位溫(陰影，單位：K)、雷達(dá)反射率(黑色實(shí)線，單位：dBZ)、擾動位溫(黑色虛線，單位：K)、風(fēng)場(矢量箭頭，單位：m/s)的垂直剖面圖 a. 06:30；b. 09:00。

圖6 模擬的PS型MCS在0.75 km(a)、3 km(b)、7 km(c)高度上雷達(dá)反射率(填色，單位：dBZ)、相對風(fēng)暴風(fēng)矢量(單位：m/s)第一行為06:30；第二行為07:30；第三行為09:00。

圖7 模擬的09:00平行于PS型對流線的雷達(dá)反射率(黑色實(shí)線，單位：dBZ)、擾動位溫(陰影，單位：K)和相對風(fēng)暴風(fēng)矢量(單位：m/s)的垂直剖面

4.3.2 TS型三維結(jié)構(gòu)

由于TS 型具有準(zhǔn)二維特征，只分析沿颮線曲率最大處垂直剖面。09:00(圖8a)，TS 型處于發(fā)展階段，內(nèi)部上升運(yùn)動強(qiáng)烈，最大上升速度大于9 m/s；對流主體在119.1 °E，32.4 °N 附近，強(qiáng)雷達(dá)反射率從近地面一直延伸到13 km 以上。10:00(圖8b)處于成熟階段，強(qiáng)回波核位于119.8 °E 附近，最大雷達(dá)反射率大于55 dBZ，回波頂較高。颮線前部低層有相對入流，進(jìn)入回波中心后沿著強(qiáng)回波核爬升。強(qiáng)入流在對流區(qū)內(nèi)為傾斜上升，在6.5 km 附近上升運(yùn)動最強(qiáng)，并在高層10 km 以上分裂成向前和向后兩支氣流流出強(qiáng)回波主體。對流區(qū)后部中層有一支由后向前的入流，在強(qiáng)對流區(qū)中低層為自后向前入流主導(dǎo)。由于受到前方對流阻擋及降水拖曳，中層入流在過渡區(qū)下沉。

從以上的三維結(jié)構(gòu)(圖8)分析發(fā)現(xiàn)，在弓狀颮線發(fā)展及成熟階段，在強(qiáng)對流區(qū)域后部低層存在后部入流。以往研究表明，低層后部入流是弓狀回波形成的重要原因，在發(fā)展階段中低層渦旋對對RIJ 貢獻(xiàn)約為50%，在成熟和消散階段超過70%[20]。從圖9 可看出，由于受陣風(fēng)鋒附近水平風(fēng)切變的影響，對流區(qū)存在帶狀分布的氣旋式渦旋。06:30(圖9a)，垂直渦度分布為正負(fù)渦旋對，颮線后部受反氣旋控制，偏西風(fēng)分量的大值區(qū)對應(yīng)后部入流的大值區(qū)，即反氣旋性渦旋中心的北側(cè)風(fēng)場對后部入流作用更大。09:00(圖9b)，氣旋性和反氣旋性渦旋中心范圍變大，強(qiáng)度變強(qiáng)，對應(yīng)RIJ 也變強(qiáng)。在成熟階段(圖9c)，氣旋式渦旋強(qiáng)度減弱，渦旋對位于颮線前部。因此，在此次弓狀回波形成過程中，存在氣旋-反氣旋渦旋對，RIJ 位于渦旋對中間區(qū)域。

圖8 模擬的沿TS型MCS移動方向的雷達(dá)反射率(黑色實(shí)線，單位：dBZ)、擾動位溫(陰影，單位：K)和相對風(fēng)暴風(fēng)矢量(單位：m/s)的垂直剖面 實(shí)線箭頭為RIJ。a. 09:00；b. 10:00。

圖9 模擬的弓形回波演變過程中1.5 km高度層垂直渦度(填色，單位：10-5 s-1)、相對風(fēng)暴風(fēng)矢量(單位：m/s)，拉伸項(xiàng)(a1、b1、c1；黑色等值線，單位：10-7 s-2)，傾側(cè)項(xiàng)(a2、b2、c2；黑色等值線，單位：10-7 s-2)

基于上述討論，對弓狀回波發(fā)展階段(以06:30、09:00 為代表)以及成熟階段(以10:00 為代表)1.5 km 高度層渦旋場進(jìn)行診斷分析。不考慮黏性效應(yīng)，在Boussinesq近似下垂直渦度ζ滿足方程：

其中右端兩項(xiàng)分別為傾側(cè)項(xiàng)和拉伸項(xiàng)，ωH為水平方向上的渦度矢量。由圖9中拉伸項(xiàng)、傾側(cè)項(xiàng)與垂直渦度的相對位置可看出，拉伸項(xiàng)與氣旋性渦度在位置上匹配較好且數(shù)值較大，因此可認(rèn)為氣旋式渦旋主要由拉伸項(xiàng)決定；雖然反氣旋式渦旋中心與傾側(cè)項(xiàng)的極小值中心稍有偏差，但仍然能看出傾側(cè)項(xiàng)對反氣旋式渦旋有加強(qiáng)作用，同時傾側(cè)項(xiàng)對氣旋式環(huán)流也有加強(qiáng)的作用。

5 結(jié) 論

利用1.0 °×1.0 ° NCEP FNL 分析資料、南京多普勒雷達(dá)觀測以及WRF 模式輸出數(shù)據(jù)，對2017年8 月19 日發(fā)生在長江中下游地區(qū)一次MCS 演變過程進(jìn)行深入分析。此次過程既復(fù)雜又特征鮮明，同時存在PS 型MCS 和TS 型MCS，并且雷達(dá)回波先呈帶狀分布，最后伴隨PS 型消散，TS 型又演變?yōu)閺?qiáng)弓狀颮線。

(1) 此次過程發(fā)生于鋒面氣旋的暖區(qū)，黃淮氣旋切變及低空急流是此次天氣過程發(fā)生發(fā)展的重要影響系統(tǒng)。

(2) 初始對流是由前一次過程遺留的地面冷池以及風(fēng)場輻合作用觸發(fā)的，其中東側(cè)對流系統(tǒng)(TS 型)冷池發(fā)展強(qiáng)盛，垂直風(fēng)切變在垂直于對流線方向的分量增加，新對流不斷被激發(fā)，并最終演變?yōu)閺?qiáng)弓狀颮線；西側(cè)對流系統(tǒng)(PS 型)冷池不明顯，垂直風(fēng)切變方向平行于對流線，在平行于對流線的方向不斷激發(fā)新的對流單體，但由于垂直風(fēng)切變方向發(fā)生轉(zhuǎn)向，PS型MCS最終消散。環(huán)境風(fēng)場上，PS 型MCS 低層為垂直于對流線的相對入流，高層轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏趯α骶€的相對入流；TS 型MCS低層前部和后部分別為強(qiáng)的相對入流和相對出流，中層后部為相對入流，高層前后部均為相對出流。

(3) TS 型發(fā)展演變并最終成為強(qiáng)弓狀回波與對流區(qū)后部存在很強(qiáng)RIJ有關(guān)，而中低層渦旋對又是RIJ得以維持和加強(qiáng)的因素之一，其中氣旋式和反氣旋式渦旋主要由渦度方程中拉伸項(xiàng)和傾側(cè)項(xiàng)分別決定的。

需要說明的是，上述分析是基于高分辨率的模擬結(jié)果，今后需進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)設(shè)置和同化雷達(dá)數(shù)據(jù)，減小模擬與實(shí)際的偏差。此外，本文診斷方法較簡單，還無法揭示其中復(fù)雜的熱動力過程，且對于不同模態(tài)MCS 的觸發(fā)機(jī)制的研究有待完善。

致 謝：感謝蘭州大學(xué)超算中心對本研究工作的支持。