劉佳 沈新勇 張大林 許映龍 畢明玉

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044

2馬里蘭大學(xué)大氣和海洋科學(xué)系, 美國(guó)馬里蘭州20742

3國(guó)家氣象中心, 北京100081

1 前言

颮線(xiàn)是對(duì)流性氣團(tuán)凝聚在一起形成長(zhǎng)生命史（＞3 h）的離散的實(shí)體。由于颮線(xiàn)側(cè)向排列有許多雷暴對(duì)流單體，因此可能會(huì)發(fā)生暴雨、大風(fēng)、冰雹等劇烈的災(zāi)害性天氣。以往的研究指出，颮線(xiàn)是一種準(zhǔn)線(xiàn)性的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，對(duì)于它的發(fā)生條件已經(jīng)有許多的研究（丁一匯等，1982；Laing and Fritsch，2000）。國(guó)外學(xué)者利用雷達(dá)回波資料分析了颮線(xiàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征和中尺度對(duì)流組織模型（Houze，1977；Chen and Chou，1993; Parker and Johnson，2000），并給出了成熟颮線(xiàn)的概念模型。國(guó)內(nèi)學(xué)者也從地面中尺度物理特征、非絕熱加熱過(guò)程、邊界層中尺度輻合線(xiàn)、地形對(duì)颮線(xiàn)結(jié)構(gòu)的誘發(fā)和維持以及初始對(duì)流和云物理方案對(duì)颮線(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果的影響（高坤和張大林，1994；翟國(guó)慶和俞樟孝，1991；沈杭鋒等，2010；Zhang，1992；李鴻洲等，1999；張進(jìn)和談?wù)苊簦?008；董昊等，2012；）等方面做了很多的研究。而這些研究大多以中尺度颮線(xiàn)和熱帶颮線(xiàn)為主要研究對(duì)象。

臺(tái)風(fēng)前部颮線(xiàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)臺(tái)前颮線(xiàn)）是產(chǎn)生在臺(tái)風(fēng)外圍前部的強(qiáng)對(duì)流回波帶，成弧狀的對(duì)流群。它與臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶不同之處在于臺(tái)前颮線(xiàn)的傳播速度比螺旋雨帶快的多。此外，對(duì)流發(fā)生在臺(tái)風(fēng)外圍雨帶的內(nèi)部或者尾部，而臺(tái)前颮線(xiàn)的對(duì)流則發(fā)生在其引導(dǎo)邊緣（Powell，1990）。近年來(lái)，雷達(dá)、衛(wèi)星等先進(jìn)的探測(cè)手段提供了大量的實(shí)時(shí)觀測(cè)資料。陳永林等（2009）利用多種觀測(cè)資料，對(duì)臺(tái)風(fēng)“麥莎”的螺旋云帶做了細(xì)致的研究，并發(fā)現(xiàn)在螺旋云帶登陸過(guò)程中，不斷分離出臺(tái)前颮線(xiàn)，并且定量的分析了臺(tái)前颮線(xiàn)的回波特征、組織方式及其帶來(lái)的大風(fēng)暴雨的災(zāi)害性天氣。梁佳等（2009）利用高分辨率模擬資料分析了臺(tái)前颮線(xiàn)的中尺度特征。Meng and Zhang（2010）對(duì) 17例臺(tái)前颮線(xiàn)做了觀測(cè)研究和統(tǒng)計(jì)分析，得到臺(tái)前颮線(xiàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)動(dòng)力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)與中緯度颮線(xiàn)相比，臺(tái)前颮線(xiàn)的生命史較短但是具有更強(qiáng)的回波強(qiáng)度。并通過(guò)敏感性試驗(yàn)，臺(tái)風(fēng)的尺度和強(qiáng)度增強(qiáng)均對(duì)臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)展有利。由于臺(tái)前颮線(xiàn)是由臺(tái)風(fēng)外圍螺旋云雨帶分離出來(lái)的，母體臺(tái)風(fēng)對(duì)它的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。關(guān)于臺(tái)風(fēng)和中尺度氣流之間的相互作用已經(jīng)有所研究（Chen and Pan，2010），臺(tái)前颮線(xiàn)是臺(tái)風(fēng)外圍的中小尺度系統(tǒng)，而關(guān)于臺(tái)風(fēng)具體是怎樣影響其臺(tái)前颮線(xiàn)這方面的研究工作則相對(duì)較少。本文在得到較好模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，運(yùn)用Wang and Zhang（2003）的位渦反演方法，研究母體臺(tái)風(fēng)對(duì)其臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)展過(guò)程的影響。

2 臺(tái)風(fēng)“麥莎”臺(tái)前颮線(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)值模擬驗(yàn)證

本文使用 WRF (Weather Research and Forecasting) 模式模擬臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸前最大強(qiáng)度[5日06時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）]到登陸時(shí)產(chǎn)生臺(tái)前颮線(xiàn)（5日16時(shí)）以及颮線(xiàn)消亡后的過(guò)程。模擬區(qū)域?yàn)?個(gè)，采用雙向嵌套，格距分別為18 km，6 km，2 km，模擬時(shí)段為24 h （2005年8月5日06時(shí)至6日06時(shí)）。積分步長(zhǎng)60 s。初始場(chǎng)采用1°×1°的NCEP每6 h一次再分析資料。微物理方案采用WSM-3混合冰相方案，僅粗網(wǎng)格采用Kain-Fritsch（new Eta）積云對(duì)流參數(shù)化方案。行星邊界層方案采用YSU方案，大氣輻射參數(shù)化方案采用 Dudhia的云輻射方案。采用細(xì)網(wǎng)格（2 km）的輸出結(jié)果對(duì)這次臺(tái)前颮線(xiàn)過(guò)程進(jìn)行分析研究。模擬區(qū)域設(shè)置見(jiàn)圖1，相關(guān)的模式參數(shù)化方案設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 模式參數(shù)設(shè)置Table 1 Configurations of the WRF model parameters in the control simulation

從模擬結(jié)果來(lái)看，模擬得到的臺(tái)風(fēng)路徑與實(shí)況基本一致（圖2），誤差不超過(guò)60 km。比較實(shí)況和模擬的臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓及最大風(fēng)速（圖 2）可以看出，前12 h，最低氣壓和實(shí)況較為吻合。12 h之后，模擬的最低氣壓比實(shí)況偏強(qiáng)一些。整個(gè)模擬過(guò)程最大風(fēng)速與觀測(cè)最大風(fēng)速非常吻合。

圖1 模式模擬區(qū)域Fig.1 Domains of the numerical simulation

陳永林等（2009）利用衛(wèi)星、雷達(dá)及自動(dòng)站資料，詳細(xì)的分析了臺(tái)風(fēng)“麥莎”螺旋云帶和臺(tái)前颮線(xiàn)在登陸過(guò)程中的回波特征。從實(shí)況的雷達(dá)回波圖[見(jiàn)陳永林等（2009）圖5] 可以看出：5日12時(shí)在臺(tái)風(fēng)東北象限海上有若干對(duì)流單體生成，隨后向西北方向運(yùn)動(dòng)并迅速發(fā)展成為成熟的臺(tái)前颮線(xiàn)（5日15時(shí)32分）。由于模擬的臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻比實(shí)況晚了3 h左右，所以模擬的颮線(xiàn)生成時(shí)刻比實(shí)況晚了3 h左右，使得模擬的颮線(xiàn)每個(gè)階段都比實(shí)況晚了3 h。且模擬的臺(tái)前颮線(xiàn)位置也比實(shí)況偏南約40 km。盡管模擬的臺(tái)前颮線(xiàn)與實(shí)況有一些差異，但是較為準(zhǔn)確的再現(xiàn)了該系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。成熟時(shí)刻回波東西寬約300 km，南北寬約20 km。生命史內(nèi)平均移動(dòng)速度為 13 m s–1，約為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度（3.8 m s–1）的3.3倍。35 dBZ回波區(qū)與母體臺(tái)風(fēng)完全分離，最大回波強(qiáng)度達(dá)65 dBZ，符合Meng and Zhang (2010)對(duì)臺(tái)前颮線(xiàn)的定義。

3 臺(tái)前颮線(xiàn)的生成條件和典型結(jié)構(gòu)特征

3.1 臺(tái)前颮線(xiàn)生成環(huán)境條件

5日10時(shí)（即颮線(xiàn)生成前6 h），“麥莎”處于登陸前期，中心最低氣壓為 950 hPa。500 hPa 上5880 gpm線(xiàn)主體位于臺(tái)風(fēng)環(huán)流東北側(cè)（圖3a），使得初始對(duì)流發(fā)生區(qū)域處于副高外圍的對(duì)流活躍區(qū)內(nèi)。此時(shí)副熱帶高壓與臺(tái)風(fēng)低壓環(huán)流之間很強(qiáng)的氣壓梯度形成了較強(qiáng)的偏南風(fēng)低空急流。此急流帶南北長(zhǎng)800 km, 東西寬300 km, 把“麥莎”南側(cè)海面上的暖濕氣流源源不斷的向北輸送，這也是其東側(cè)象限中尺度對(duì)流天氣系統(tǒng)多發(fā)的重要原因之一（高帆和王洪慶，2008）。而高層的高空急流位于37°N，120°E附近，沒(méi)有形成低空急流和高空急流相互配合的天氣形勢(shì)?？梢?jiàn)這一個(gè)例中、低空急流對(duì)于臺(tái)前颮線(xiàn)的影響比高空急流重要。穩(wěn)定的副高和臺(tái)風(fēng)環(huán)流使得這種有利的天氣形勢(shì)一直維持。5日16時(shí)，在低空急流的西南側(cè)、臺(tái)風(fēng)東北側(cè)螺旋雨帶外圍有若干對(duì)流單體排列成行，這些對(duì)流單體中存在一些相對(duì)獨(dú)立的較小尺度的上升運(yùn)動(dòng)中心（也是暖濕中心）。分析此時(shí)臺(tái)風(fēng)前沿 3個(gè)緯度內(nèi)各層假相當(dāng)位溫θse（圖略）可以看出，對(duì)流單體區(qū)域900 hPa高度上有一中心值為350 K的高θse向上伸展，700 hPa以下為θse的大值區(qū)，以上為θse的小值區(qū)，這意味著潛在不穩(wěn)定有利于對(duì)流的發(fā)展。從圖 3b可以看出，700 hPa和 850 hPa 之間的θse差值（700-hPaθse－850-hPaθse）最大達(dá)到－20 K，且與對(duì)流初始化的位置很好的對(duì)應(yīng)，表明低層大氣的不穩(wěn)定能量有了一定程度的積累。

圖2 臺(tái)風(fēng)麥莎的模擬和實(shí)況（a）路徑、（b）最低氣壓和最大風(fēng)速對(duì)比Fig.2 Comparison of (a) the typhoon track and (b) time series of the minimum sea-level pressure and the maximum surface wind from model simulation and observational data

圖3 2005年8月5日（a）10時(shí)、（b）16時(shí)模擬的背景場(chǎng)。陰影：700 hPa和850 hPa 之間θ se的差值（700-hPa θ se－850-hPa θ se），單位：K；粗實(shí)線(xiàn)：副高位置；箭矢：＞10 m s–1的850 hPa風(fēng)速（低空急流）；虛線(xiàn)：＞40 m s–1的200 hPa風(fēng)速（高空急流）Fig.3 The background fields at (a) 1000 UTC and (b) 1600 UTC on 5 Aug 2005.Shaded area: 700-hPa θ se－850-hPa θ se, unit: K; thick solid line: position of the subtropical high; arrow: wind speed ＞10 m s–1 at 850 hPa; short-dashed line: wind speed exceeding 40 m s–1 at 200 hPa

Meng and Zhang（2010）指出：天氣尺度的抬升不再是產(chǎn)生對(duì)流的最直接的強(qiáng)迫因子，而其減弱的對(duì)流有效抑制能（CIN）和增強(qiáng)的對(duì)流有效位能（CAPE）則為對(duì)流發(fā)展提供了有益的環(huán)境。對(duì)比對(duì)流單體生成前6 h（5日10時(shí)）及生成時(shí)（5日16時(shí)），環(huán)境CAPE從2200 J kg–1增加到2400 J kg–1，而對(duì)流單體生成位置的 CAPE則從 2200 J kg–1增加到 3000 J kg–1（圖 4a，b），可見(jiàn)此時(shí)大氣的對(duì)流不穩(wěn)定性極大地增強(qiáng)。相應(yīng)時(shí)刻的 CIN值則非常小，約為24 J kg–1左右（圖略）。對(duì)比兩個(gè)時(shí)刻的地面散度場(chǎng)可以看出（圖略），5日 10時(shí)，對(duì)流單體相應(yīng)位置地面上基本沒(méi)有輻合輻散，而5日16時(shí)對(duì)流單體相應(yīng)位置地面上則有明顯的輻合。這是由于對(duì)流單體內(nèi)的上升運(yùn)動(dòng)造成的。且在其附近右側(cè)（對(duì)流單體的后側(cè)）是輻散結(jié)構(gòu)。這種配置使得冷出流快速嵌入暖濕入流的下部，兩者之間的密度鋒區(qū)抬升加速入流（姚建群等，2005），加強(qiáng)上升氣流，使得對(duì)流單體迅速發(fā)展。地面溫度露點(diǎn)差（T－Td）達(dá)到 4°C，是較為飽和的濕區(qū)，為對(duì)流單體的發(fā)展提供了有利的水汽條件。

由此看出，穩(wěn)定維持的臺(tái)風(fēng)環(huán)流和副高之間形成的強(qiáng)的低空急流將南部充沛的水汽源源不斷的輸送到臺(tái)風(fēng)東北側(cè)的氣旋環(huán)流中。低層水汽增加導(dǎo)致了CAPE的增加，大氣不穩(wěn)定能量積累，同時(shí)低層輻合的增強(qiáng)都為對(duì)流單體的生成提供了重要的條件，與Meng and Zhang（2010）得到的臺(tái)前颮線(xiàn)生成時(shí)期的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征相吻合。

圖4 模擬的地面有效位能（陰影，＞1800 J kg–1）和溫度露點(diǎn)差（等值線(xiàn)，＞2°C）：（a）2005年8月5日10時(shí)；（b）2005年8月5日16時(shí)Fig.4 The simulated CAPE (shaded, ＞1800 J kg–1) and temperature–dewpoint spread (T?Td) (contour, ＞2°C) at the surface at (a) 1000 UTC and (b) 1600 UTC on 5 Aug 2005

3.2 成熟颮線(xiàn)的發(fā)展過(guò)程及其三維結(jié)構(gòu)

此次模擬很好的再現(xiàn)了臺(tái)前颮線(xiàn)的整個(gè)發(fā)展過(guò)程。模擬的雷達(dá)回波圖顯示：5日 16時(shí)，海上30°N，124°E附近出現(xiàn)若干點(diǎn)狀回波（圖5a）。1 h后點(diǎn)狀回波強(qiáng)度增強(qiáng)，范圍擴(kuò)大（圖 5b），并向西北偏西方向移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中在其前方陸上也有點(diǎn)狀回波生成，此時(shí)回波較為離散（圖5c）。5日19時(shí)，離散的點(diǎn)狀回波繼續(xù)向西運(yùn)動(dòng)，同時(shí)強(qiáng)度增強(qiáng)，在海上和陸上分別形成兩個(gè)短弧回波。這些短弧回波迅速發(fā)展并向西快速移動(dòng)（圖 5d），移動(dòng)前方同時(shí)有新的短弧回波生成，回波強(qiáng)度也進(jìn)一步增強(qiáng)。20時(shí)到21時(shí)，這些短弧回波在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)合并使得范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，最大回波強(qiáng)度達(dá)65 dBZ，形成成熟時(shí)刻的臺(tái)前颮線(xiàn)（圖5e、f）。發(fā)展成熟的時(shí)期有中尺度輻合線(xiàn)與強(qiáng)回波帶對(duì)應(yīng)（圖略）。

選取5日20時(shí)臺(tái)前颮線(xiàn)成熟時(shí)刻診斷分析臺(tái)前颮線(xiàn)系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)。由于臺(tái)前颮線(xiàn)位于強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)環(huán)流之中，因此5日20時(shí)海平面氣壓場(chǎng)上并沒(méi)有像中緯度颮線(xiàn)或熱帶颮線(xiàn)強(qiáng)度的雷暴高壓中心，但是臺(tái)前颮線(xiàn)區(qū)域有兩個(gè)弱的變壓中心（變壓1.2 hPa），分別與雷達(dá)回波強(qiáng)中心對(duì)應(yīng)。過(guò)最強(qiáng)雷達(dá)回波中心（圖5e中ab直線(xiàn)）的垂直剖面圖（圖6a，b）可以看出：颮線(xiàn)發(fā)生在等θse線(xiàn)漏斗區(qū)域。其前部7 km以下均為正渦度，最大渦度中心位于3 km左右。颮線(xiàn)后部1.5 km、5 km均有負(fù)的渦度中心。7 km以上颮線(xiàn)前后均為負(fù)渦度中心。颮線(xiàn)前部有兩條入流，一條位于低層1 km附近，是θse值較大的暖濕空氣入流。通過(guò)輻合上升進(jìn)入颮線(xiàn)內(nèi)部，而在其后部低層則有很強(qiáng)的干冷氣流流出，在后部低層形成了輻散區(qū)。這與王曉芳等（2010），梁建宇和孫建華（2012）的研究結(jié)果一致。和中緯度颮線(xiàn)熱帶颮線(xiàn)相比，由于臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的充沛的水汽，臺(tái)前颮線(xiàn)具有更強(qiáng)的低層暖濕空氣入流。另一條位于中層3～5 km處，是θse值較小的干冷空氣入流，這條入流通過(guò)颮線(xiàn)中層的輻合上升在颮線(xiàn)后部高層流出。與臺(tái)風(fēng)外圍中尺度系統(tǒng)的高空出流在高層形成高空急流（孫建華等，2006）不同的是，臺(tái)前颮線(xiàn)的出流在高層沒(méi)有形成高空急流。

選取颮線(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)的一定點(diǎn)（圖 5e中的 O點(diǎn)），做颮線(xiàn)過(guò)境前后物理量場(chǎng)時(shí)間高度剖面圖（圖7a、b），可以看出：12時(shí)到 19時(shí)，颮線(xiàn)經(jīng)過(guò)該點(diǎn)之前，4 km以下始終保持?z＜0的位勢(shì)不穩(wěn)定狀態(tài)，上下層差值約為18 K，非常有利于對(duì)流的發(fā)展。低層3 km以下均為相對(duì)濕度85%以上濕區(qū)，而中高層則相對(duì)濕度較小。陶詩(shī)言等（1980）指出暴雨過(guò)程的強(qiáng)盛期常對(duì)應(yīng)濕垂直運(yùn)動(dòng)的中心區(qū)，此次颮線(xiàn)過(guò)程也不例外。20時(shí)颮線(xiàn)經(jīng)過(guò)該點(diǎn)時(shí)，垂直方向存在著深厚的等區(qū)，即濕垂直運(yùn)動(dòng)的中性區(qū)，低層濕區(qū)向上延伸到7 km高度處。此時(shí)低層2～6 km均為正渦度，高層有負(fù)渦度，相應(yīng)低層輻合高層輻散。這種垂直結(jié)構(gòu)使得低層入流進(jìn)入颮線(xiàn)內(nèi)部后形成深厚的上升運(yùn)動(dòng)，平衡低層輻合和高層的輻散，加快颮線(xiàn)后部的兩條流出氣流，使得颮線(xiàn)迅速的發(fā)展。6日00時(shí)，颮線(xiàn)移出該點(diǎn)，由于颮線(xiàn)尾部小對(duì)流單體的影響，低層只有較弱的輻散。

4 臺(tái)前颮線(xiàn)影響因子敏感性試驗(yàn)

研究臺(tái)前颮線(xiàn)的方法除了與中緯度颮線(xiàn)和熱帶颮線(xiàn)對(duì)比研究以外（因?yàn)殛P(guān)于中緯度颮線(xiàn)和熱帶颮線(xiàn)的構(gòu)成類(lèi)型、運(yùn)動(dòng)、生命史等的特征都有了較多、較完善的研究），由于臺(tái)前颮線(xiàn)是發(fā)生在臺(tái)風(fēng)環(huán)流環(huán)境中的準(zhǔn)線(xiàn)性中尺度對(duì)流系統(tǒng)，有必要考慮臺(tái)風(fēng)會(huì)對(duì)它的發(fā)展起到怎樣的作用。因此我們通過(guò)敏感性試驗(yàn)，分析研究母體臺(tái)風(fēng)對(duì)其臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)展過(guò)程的影響。

圖5 2005年8月5日16～20時(shí)模擬的850 hPa雷達(dá)回波（單位：dBZ）：（a）5日16時(shí)；（b）5日17時(shí)；（c）5日18時(shí)；（d）5日19時(shí)；（e）5日20時(shí)；（f）5日21時(shí)。ab線(xiàn)段為圖6中的剖線(xiàn)；O點(diǎn)是圖7的定點(diǎn)Fig.5 The simulated radar reflectivity (unit: dBZ) at 850 hPa at (a) 1600 UTC, (b) 1700 UTC, (c) 1800 UTC, (d) 1900 UTC, (e) 2000 UTC, (f) 2100 UTC on 5 Aug 2005.Line ab indicates the location of cross section shown in Fig.6; point O indicates the position of cross section shown in Fig.7

圖6 5日20時(shí)沿著圖5e中ab直線(xiàn)的垂直剖面：（a）散度（陰影，單位：10–5 s–1）、風(fēng)場(chǎng)（箭矢：(u，w×10)，u和w單位：m s–1）；（b）渦度（陰影，單位：10–5 s–1）、θ se（實(shí)線(xiàn)，單位：K）Fig.6 Vertical cross sections along line ab in Fig.5e at 2000 UTC 5 Aug 2005: (a) Divergence (shaded, unit: 10–5 s–1); wind vectors (u，w×10), units of uand w: m s–1); (b) relative vorticity (shaded, unit: 10–5 s–1), θ se (contour, unit: K)

圖7 2005年8月5日12時(shí)至6日03時(shí)（a）散度場(chǎng)（陰影，單位：10–5 s–1）、θ se（等值線(xiàn)，單位：K）和（b）渦度場(chǎng)（陰影, 單位：10–5 s–1）、相對(duì)濕度（等值線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)：＜55%；虛線(xiàn)：＞85%）在定點(diǎn)O的時(shí)間—高度剖面Fig.7 Time–height cross section at point O from 1200 UTC 5 to 0300 UTC 6 Aug 2005: (a) Divergence (shaded, unit: 10–5 s–1), θ se (contour, unit: K); (b)relative vorticity (shaded, unit: 10–5 s–1), relative humidity (solid lines: ＜55%, dashed lines: ＞85%)

4.1 位渦反演方法和敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

自1985年Hoskins et al.（1985）詳細(xì)闡述了位渦反演的性質(zhì)以來(lái)，位渦反演方法逐步發(fā)展成熟。Charney（1955）提出的非線(xiàn)性平衡基礎(chǔ)上的位渦反演方法得到了廣泛地應(yīng)用。然而這種方法也有不少的缺點(diǎn)，最主要的一點(diǎn)是略去了輻合輻散而不能夠很好的反演出中尺度系統(tǒng)。Wang and Zhang（2003）提出了PV–ω反演方法。其做法是在通過(guò)PV方程和非線(xiàn)性平衡方程反演得到平衡流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，利用準(zhǔn)平衡ω方程得出準(zhǔn)平衡條件下的垂直運(yùn)動(dòng)和輻散風(fēng)分量，使得位渦反演方法能夠很好的應(yīng)用于中尺度系統(tǒng)的診斷，也使得反演技術(shù)在包含天氣尺度和中尺度大氣運(yùn)動(dòng)的理解、診斷和預(yù)測(cè)方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)用背景。

為了研究臺(tái)風(fēng)對(duì)臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)展過(guò)程的影響，我們運(yùn)用 Wang and Zhang（2003）的 PV–ω位渦反演方法，通過(guò)改變某一時(shí)刻的相應(yīng)范圍內(nèi)的位渦值，從而達(dá)到改變TC的目的。并將改變強(qiáng)度后的臺(tái)風(fēng)渦旋做為初始條件，再次放到模式主模塊里面積分，得到敏感性試驗(yàn)的模擬結(jié)果。本文中我們選取控制試驗(yàn)的初始積分時(shí)刻作為位渦反演的時(shí)刻，分別設(shè)計(jì)三組敏感性試驗(yàn)，三組試驗(yàn)采用同樣的邊界條件：

第一組：以臺(tái)風(fēng)中心為圓心，半徑550 km區(qū)域內(nèi)的位渦擾動(dòng)減小為原始位渦擾動(dòng)的0.25倍；

第二組：以臺(tái)風(fēng)中心為圓心，半徑550 km區(qū)域內(nèi)的位渦擾動(dòng)減小為原始位渦擾動(dòng)的0.5倍；

第三組：以臺(tái)風(fēng)中心為圓心，半徑550 km區(qū)域內(nèi)的位渦擾動(dòng)增大為原始位渦擾動(dòng)的1.5倍；

反演后，初始時(shí)刻的臺(tái)風(fēng)變化如表2所示：

表2 控制和敏感性試驗(yàn)中臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓、最大風(fēng)速的對(duì)比Table 2 Comparison of the control-simulated minimum sea-level pressure and maximum surface wind to those in sensitivity simulations

4.2 臺(tái)前颮線(xiàn)影響因子敏感性試驗(yàn)

分析敏感性試驗(yàn)1的雷達(dá)反射回波（圖略）可以看出，當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減小到一定程度時(shí)，沒(méi)有臺(tái)前颮線(xiàn)產(chǎn)生?？梢?jiàn)母體臺(tái)風(fēng)對(duì)臺(tái)前颮線(xiàn)的發(fā)生發(fā)展過(guò)程起重要的作用。下面將通過(guò)敏感性試驗(yàn) 2、3的結(jié)果，分析討論母體臺(tái)風(fēng)對(duì)臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)展過(guò)程的影響。

分析敏感性試驗(yàn) 2、3的雷達(dá)反射回波可以看出：與控制試驗(yàn)相比，試驗(yàn)2中（圖8a、b）由于臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓增加15 hPa，眼墻及其外圍區(qū)域的回波范圍減小了很多。5日14時(shí)，臺(tái)風(fēng)東北象限海上有若干對(duì)流單體生成，之后的4 h中，一部分對(duì)流單體消亡，一部分對(duì)流單體向西移動(dòng)進(jìn)入陸上。這些離散的對(duì)流單體逐漸發(fā)展并向西偏北方向移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中與新生成的對(duì)流單體合并發(fā)展。到了成熟時(shí)刻形成一長(zhǎng)約為200 km，寬70 km的回波帶，長(zhǎng)寬比約為3，35 dBZ以上的大值回波區(qū)較為連續(xù)，基本符合臺(tái)前颮線(xiàn)的定義。

圖8 850 hPa雷達(dá)反射回波：（a）敏感性試驗(yàn)2，5日14時(shí)；（b）敏感性試驗(yàn)2，6日01時(shí)；（c）敏感性試驗(yàn)3，5日14時(shí)；（d）敏感性試驗(yàn)3，6日01時(shí)Fig.8 The simulated radar reflectivity at 850 hPa: (a) 1400 UTC 5 Aug in sensitivity experiment 2; (b) 0100 UTC 6 Aug in sensitivity experiment 2; (c) 1400 UTC 5 Aug in sensitivity experiment 3; (d) 0100 UTC 6 Aug in sensitivity experiment 3

試驗(yàn)3中（圖8c、d），臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓減小了25 hPa，眼墻及其外圍區(qū)域的回波范圍和強(qiáng)度均有明顯的增加。臺(tái)前颮線(xiàn)生成時(shí)刻（5日14時(shí)），臺(tái)風(fēng)東北象限海上30.5°N，123°E附近的對(duì)流單體成線(xiàn)狀排列，回波較強(qiáng)。其西側(cè)臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶外圍也有若干對(duì)流單體排列成行。隨后的幾小時(shí)內(nèi)（5日15時(shí)至6日01時(shí)），這些線(xiàn)狀的對(duì)流單體迅速發(fā)展，像西北偏西方向移動(dòng)，在移動(dòng)的過(guò)程中逐漸合并。形成了長(zhǎng)度達(dá)到500 km，寬度達(dá)80 km的成熟時(shí)刻的臺(tái)前颮線(xiàn)，長(zhǎng)寬比約為 6，最大回波強(qiáng)度達(dá)65 dBZ，生命史持續(xù)了10 h，是一條劇烈的臺(tái)前颮線(xiàn)。

對(duì)比臺(tái)前颮線(xiàn)生成時(shí)期的環(huán)境條件可以看出，控制試驗(yàn)中（圖9a、b），颮線(xiàn)生成時(shí)期（5日14時(shí)到16時(shí)）對(duì)流單體位置及附近區(qū)域均有地表輻合，只不過(guò)附近區(qū)域的輻合較弱。而敏感性試驗(yàn)2中僅在對(duì)流單體位置（29°N，123°E）附近有較弱的輻合（圖9c、d），對(duì)比地面水汽混合比，雖然數(shù)值達(dá)到21×10–3g kg–1，但水汽范圍較小。而控制試驗(yàn)中水汽范圍更大。敏感性試驗(yàn)3中颮線(xiàn)生成時(shí)刻（圖 9e、f）地表輻合強(qiáng)度強(qiáng)，范圍大。水汽混合比（Qv, water vapor mixing ratio）的強(qiáng)度和敏感性試驗(yàn)2相當(dāng)，但是范圍大許多，為臺(tái)前颮線(xiàn)創(chuàng)造了有利的生成條件。從敏感性試驗(yàn)中臺(tái)前颮線(xiàn)成熟時(shí)期的環(huán)境條件可以看出，對(duì)比控制試驗(yàn)（圖10a、b），較弱的臺(tái)前颮線(xiàn)（敏感性試驗(yàn) 2）對(duì)應(yīng)較弱的冷池（圖 10c、d），降溫約為 3°C，而較強(qiáng)的臺(tái)前颮線(xiàn)（敏感性試驗(yàn)3）對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的冷池（圖10e、f）,降溫達(dá)到6°C。控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)的水汽強(qiáng)度相當(dāng)，只是強(qiáng)的臺(tái)前颮線(xiàn)對(duì)應(yīng)的水汽范圍更大。上述分析表明，強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)為臺(tái)前颮線(xiàn)對(duì)流發(fā)生時(shí)提供了更加充沛的水汽和地表的輻合條件，增加環(huán)境輸送，從而給颮線(xiàn)提供更多的外部強(qiáng)迫使其迅速發(fā)展。

圖9 模擬的地面散度（陰影，單位：10–5 s–1）、水汽混合比（等值線(xiàn)，單位：10–3 g kg–1）。（a）控制試驗(yàn)：5日14時(shí);（b）控制試驗(yàn)：5日16時(shí)；（c）敏感性試驗(yàn)2：5日14時(shí)；（d）敏感性試驗(yàn)2：5日16時(shí)；（e）敏感性試驗(yàn)3：5日14時(shí)；（f）敏感性試驗(yàn)3：5日16時(shí)Fig.9 The simulated divergence (shaded, unit: 10–5 s–1) and Qv (contour, unit: 10–3 g kg–1) at the surface: (a) 1400 UTC and (b) 1600 UTC on 5 Aug in control experiment; (c) 1400 UTC and (d) 1600 UTC on 5 Aug in sensitivity experiment 2; (e) 1400 UTC and (f) 1600 UTC on 5 Aug in sensitivity experiment 3

圖10 模擬的地面溫度（陰影，單位：°C）、水汽混合比（等值線(xiàn)，單位：10–3g kg–1）。（a）控制試驗(yàn)：5日20時(shí)；（b）控制試驗(yàn)：6日01時(shí)；（c）敏感性試驗(yàn)2：5日20時(shí)；（d）敏感性試驗(yàn)2：6日01時(shí)；（e）敏感性試驗(yàn)3：5日20時(shí)；（f）敏感性試驗(yàn)3：6日01時(shí)Fig.10 The simulated temperature (shaded, unit: °C) and Qv (contour, unit: 10–3g kg–1) at the surface: (a) 2000 UTC 5 Aug and (b) 0100 UTC 6 Aug in control experiment; (c) 2000 UTC 5 Aug and (d) 0100 UTC 6 Aug in sensitivity experiment 2; (e) 2000 UTC 5 Aug and (f) 0100 UTC 6 Aug in sensitivity experiment 3

以往的研究表明，地面冷出流與環(huán)境切變的相互作用經(jīng)由前沿新單體的再生促成了對(duì)流系統(tǒng)的組織化和維持（Rotunno et al., 1988；Weisman and Davis, 1998）。Laing and Fritsch (2000) 指出低空垂直風(fēng)切變對(duì)對(duì)流風(fēng)暴的發(fā)展有重要的影響。由于臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)生在臺(tái)風(fēng)背景中，在臺(tái)風(fēng)北部區(qū)域生成，因此我們選取臺(tái)前颮線(xiàn)生成到發(fā)展成熟階段內(nèi)母體臺(tái)風(fēng)北部2緯度范圍內(nèi)700 hPa、850 hPa、900 hPa等壓面上水平風(fēng)的u、v分量做區(qū)域平均，計(jì)算得到低空垂直風(fēng)切變。颮線(xiàn)生成前圖（11a），低空垂直風(fēng)切變的方向由西北指向東南，切變強(qiáng)度約為11 m s–1，到成熟時(shí)期（圖11b），切變方向變化不大，而強(qiáng)度減小到7 m s–1。整個(gè)過(guò)程中切變減小了4 m s–1。從敏感性試驗(yàn)中的低空垂直風(fēng)切變可以看出：敏感性試驗(yàn)2中，當(dāng)臺(tái)風(fēng)較弱時(shí)，颮線(xiàn)生成前（圖 11c）的低空垂直風(fēng)切變方向由北指向南，切變強(qiáng)度約為9 m s–1，到了成熟時(shí)期（圖11d），低空垂直風(fēng)切變方向轉(zhuǎn)為自西北指向東南，切變強(qiáng)度減小到 6 m s–1。而敏感性試驗(yàn) 3中，當(dāng)臺(tái)風(fēng)較強(qiáng)時(shí)，颮線(xiàn)生成前（圖 11e）的低空垂直風(fēng)切變方向由西北指向東南，切變強(qiáng)度約為15 m s–1。到了成熟時(shí)期（圖11f），低空垂直風(fēng)切變方向基本不變，強(qiáng)度減小到9 m s–1。姚建群等（2005）指出：若垂直風(fēng)切變較小，使得下沉氣流不能與上升氣流分開(kāi)，下沉氣流的出現(xiàn)和增強(qiáng)導(dǎo)致上升氣流的減弱，雷暴的生命周期結(jié)束，不能進(jìn)一步維持。對(duì)比控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)的低空垂直風(fēng)切變可以看出，在臺(tái)前颮線(xiàn)生成時(shí)刻，低空垂直風(fēng)切變相對(duì)較大，且較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)使得的低空垂直風(fēng)切變更大，非常有利于對(duì)流單體的發(fā)展。隨著臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)展成熟，較弱臺(tái)風(fēng)的低空垂直風(fēng)切變減小到6 m s–1，不利于臺(tái)前颮線(xiàn)的繼續(xù)發(fā)展維持。而當(dāng)臺(tái)風(fēng)較強(qiáng)時(shí)，低空垂直風(fēng)切變雖然減小了6 m s–1，但是切變強(qiáng)度仍然有9 m s–1，因此其臺(tái)前颮線(xiàn)的生命史維持的時(shí)間更久。

圖11 低空垂直風(fēng)切變：（a）控制試驗(yàn)，5日12時(shí)；（b）控制試驗(yàn)，5日21時(shí)；（c）敏感性試驗(yàn)2，5日12時(shí)；（d）敏感性試驗(yàn)2，5日21時(shí)；（e）敏感性試驗(yàn)3，5日12時(shí)；（f）敏感性試驗(yàn)3，5日21時(shí)。拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)等壓面依次為950 hPa、850 hPa、700 hPaFig.11 The area-averaged hodographs from the model-simulated winds at 950 hPa, 850 hPa, 700 hPa: (a) 1200 UTC and (b) 2100 UTC 5 Aug in control experiment; (c) 1200 UTC and (d) 2100 UTC 5 Aug in sensitive experiment 2; (e) 1200 UTC and (f) 2100 UTC 5 Aug in sensitive experiment 3

5 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)生在2005年8月5日16時(shí)至6日00時(shí)的一次臺(tái)前颮線(xiàn)過(guò)程，診斷分析了其生成的環(huán)境條件和成熟時(shí)期三維結(jié)構(gòu)，并通過(guò)敏感性試驗(yàn)分析了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)展過(guò)程的影響，得到以下結(jié)論：

（1）臺(tái)風(fēng)為臺(tái)前颮線(xiàn)提供了有利于產(chǎn)生對(duì)流的天氣尺度環(huán)境場(chǎng)，這些有利條件包括：副高與臺(tái)風(fēng)低壓間很強(qiáng)的氣壓梯度形成的強(qiáng)低空急流，把南側(cè)的暖濕氣流源源不斷的向北輸送，造成臺(tái)風(fēng)東側(cè)象限中尺度對(duì)流天氣系統(tǒng)多發(fā)。強(qiáng)的不穩(wěn)定環(huán)境存在很大的對(duì)流有效位能以及地表輻合。

（2）成熟臺(tái)前颮線(xiàn)的變壓強(qiáng)度比中緯度颮線(xiàn)和熱帶颮線(xiàn)小，僅存在弱的變壓中心（變壓1.2 hPa）與雷達(dá)回波強(qiáng)中心對(duì)應(yīng)。臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)生在等 θse線(xiàn)漏斗區(qū)域。具有更強(qiáng)的低層暖濕空氣入流，并通過(guò)輻合進(jìn)入颮線(xiàn)內(nèi)部?jī)A斜上升，在其后部低層形成很強(qiáng)的干冷氣流流出。而中層的入流是一支范圍寬的θse值較小的干冷空氣入流，這條入流通過(guò)颮線(xiàn)中層的輻合上升在颮線(xiàn)后部高層流出。

（3）敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明：較弱的臺(tái)風(fēng)其臺(tái)前颮線(xiàn)的強(qiáng)度較弱，移動(dòng)速度較慢且生命史較短。而較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)，其臺(tái)前颮線(xiàn)的強(qiáng)度強(qiáng)，移動(dòng)速度快生命史也更長(zhǎng)。較弱的臺(tái)風(fēng)為臺(tái)前颮線(xiàn)的生成提供了較弱的水汽條件和地表輻合。而較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)則為臺(tái)前颮線(xiàn)提供了強(qiáng)度大范圍廣的水汽及和地表輻合條件。由于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)使得中層冷空氣入流增強(qiáng)及颮線(xiàn)中蒸發(fā)冷卻的強(qiáng)下沉氣流增強(qiáng)使得颮線(xiàn)的冷池更強(qiáng)。強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)使得低空垂直風(fēng)切變更強(qiáng)，因此臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大更有利于其臺(tái)前颮線(xiàn)的發(fā)展。隨著臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)展成熟，低空垂直風(fēng)切變逐漸減小，不利于臺(tái)前颮線(xiàn)的繼續(xù)發(fā)展維持，加之低空水汽輸送的減少，使其趨向衰亡。

本文通過(guò)數(shù)值模擬和敏感性試驗(yàn)，研究了母體臺(tái)風(fēng)對(duì)于其臺(tái)前颮線(xiàn)發(fā)展過(guò)程的影響。這一個(gè)例中臺(tái)前颮線(xiàn)產(chǎn)生在臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶的前沿，如果臺(tái)前颮線(xiàn)在遠(yuǎn)離螺旋雨帶的位置產(chǎn)生，其結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生怎么樣的變化？這將是未來(lái)值得深入研究的問(wèn)題。

致謝 感謝審稿專(zhuān)家對(duì)本文提出的諸多有益建議！

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