曹　倩，楊茜茜，葉　丹，張述文

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，甘肅　蘭州　730000)

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一次颮線過程的雷達觀測和數(shù)值模擬分析

曹倩，楊茜茜，葉丹，張述文

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，甘肅蘭州730000)

摘要：利用NCEP再分析資料、國家級自動氣象站降水資料、武漢探空和多普勒雷達回波資料，借助WRF模式，對2011年7月26日發(fā)生在湖北的一次颮線過程進行環(huán)境場分析和數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：此次颮線發(fā)生在弱的垂直風(fēng)切變和強對流不穩(wěn)定環(huán)境下。颮線形成階段，系統(tǒng)內(nèi)存在左、右2條強對流回波帶。對不斷發(fā)展增強的左支回波帶進一步模擬發(fā)現(xiàn)：初期，環(huán)境風(fēng)垂直切變較弱，颮線前部強不穩(wěn)定能量是颮線新生單體不斷發(fā)展加強的主要原因；此后，不穩(wěn)定能量逐漸釋放，垂直于颮線系統(tǒng)水平動量的垂直逆梯度輸送使得與颮線發(fā)展方向平行的對流層低層風(fēng)垂直切變增強，為颮線發(fā)展提供動力條件。在颮線發(fā)展過程中，新生單體不斷在對流區(qū)前沿觸發(fā)加強以及對流單體合并與增長使得颮線系統(tǒng)得以長時間維持，而成熟單體減弱為后方的層狀云降水區(qū)，正是單體的生消交替保證颮線系統(tǒng)向前傳播。

關(guān)鍵詞：颮線；數(shù)值模擬；對流不穩(wěn)定；低層風(fēng)垂直切變

引言

颮線是由許多活躍的雷暴單體側(cè)向排列成線狀的中尺度對流系統(tǒng)，過境時常伴有雷暴、暴雨、大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)等劇烈天氣現(xiàn)象，因此颮線的研究和預(yù)報一直備受關(guān)注[1-2]。早在1950～1970年代，觀測發(fā)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)垂直切變是影響對流系統(tǒng)發(fā)展演變和生命史的重要因素[3-6]。隨后大量的二維、三維模式致力于研究環(huán)境風(fēng)垂直切變的強度及其垂直分布對對流的影響[7-10]。Thorpe[9]和Bluestein[11-12]等研究表明，不論颮線強弱均伴隨明顯的低層環(huán)境風(fēng)垂直切變；如果垂直于颮線的低層風(fēng)切變分量足夠強，就能夠阻止風(fēng)暴出流快速向前移動，利于颮線內(nèi)風(fēng)暴單體長時間發(fā)展維持。Rotunno[13]和Weisman[14]等針對影響颮線維持發(fā)展機制開展了大量研究，提出長生命史颮線維持機制的RKW理論。雖然這些研究結(jié)果揭示了影響中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的重要因子，能夠解釋在低層環(huán)境風(fēng)垂直切變中等或較強的情況下颮線是如何維持發(fā)展的，但是在環(huán)境風(fēng)垂直切變較小時，颮線的發(fā)生發(fā)展和維持機制的研究相對較少。RKW理論是基于理想的云模式，沒有考慮颮線發(fā)生時環(huán)境風(fēng)場的變化，且該理論過于簡化，也未考慮影響對流發(fā)展的其它環(huán)境條件，其中對流有效位能(CAPE)也是影響颮線生消發(fā)展的重要環(huán)境參數(shù)。觀測分析指出：CAPE值越大，環(huán)境熱力抬升條件越有利于風(fēng)暴單體新生，也利于颮線系統(tǒng)的維持發(fā)展[11-12,15-16]。

盡管較弱的低層環(huán)境風(fēng)垂直切變不利于颮線的維持發(fā)展，但在低層環(huán)境風(fēng)垂直切變不是很強的區(qū)域也有過長生命史颮線的發(fā)生[17]。因此，在較弱的低層環(huán)境風(fēng)垂直切變下，環(huán)境中較大的CAPE值能否作為維持颮線發(fā)展的環(huán)境條件，且在颮線發(fā)生過程中環(huán)境風(fēng)垂直切變是否增強，從而有利于颮線的維持和發(fā)展，這些都值得深入研究。2011年7月26日在湖北境內(nèi)發(fā)生的一次颮線過程正是發(fā)生在強對流不穩(wěn)定和偏弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變環(huán)境中。因此本文利用NCEP再分析資料和探空觀測資料分析此次颮線過程發(fā)生的外部環(huán)境，結(jié)合雷達回波資料重點分析颮線的時空演化特征，并采用WRF模式模擬此次颮線過程，重點考查颮線演變過程的動力、熱力以及流場變化特征，以期對颮線的維持機制和中尺度結(jié)構(gòu)有新的認(rèn)識。

1資料和模擬試驗設(shè)置

1.1資料

所用資料有2011年7月26～27日每6 h一次的1°×1° NCEP再分析資料(數(shù)據(jù)為26層，主要包括溫度、云水、位勢高度、風(fēng)速、相對濕度、氣壓、垂直速度等要素場)、2 000多個國家級自動氣象站降水觀測資料和7月26日08時(北京時，下同)和20時武漢站探空資料以及7月26日16～24時位于武漢附近(30.517 °N，114.376 °E)新一代多普勒天氣雷達(天線海拔高度135.7 m，型號CINDAR/SA)基數(shù)據(jù)(Level-II)資料。

1.2模擬試驗設(shè)置

采用WRF3.5.1模式對此次颮線過程進行數(shù)值模擬。模擬區(qū)域中心位置(35.08°N，105°E)，采用雙向反饋3重嵌套方案(水平分辨率分別設(shè)為54、18和6 km)，垂直方向積分層為不等距30層，模式頂氣壓為50 hPa。積分時間為2011年7月26日08時至27日08時，初始場和邊界場采用每6 h一次的NCEP再分析資料，積分時間步長為180 s，模式輸出結(jié)果第1重每3 h輸出一次，第2、3重每1 h輸出一次。參數(shù)化方案包括Lin等微物理過程、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、YSU邊界層方案、Noah陸面過程和Monin-Obukhov地表方案；積云對流參數(shù)化方案，在第1、第2重嵌套中采用Betts-Miller-Janjic方案，而在第3重嵌套中關(guān)閉積云對流方案。下文利用第3重嵌套模擬結(jié)果對此次過程進行分析。

2環(huán)境條件分析

颮線往往發(fā)生在有利的大尺度環(huán)流背景下。2011年7月26日08時，500 hPa(圖1a)東亞中高緯為2槽1脊型，蒙古西北部有一低渦，低渦移動緩慢，其西側(cè)有較強的冷空氣南下，在青藏高原東北側(cè)有一短波槽生成。至14時(圖1b)，青藏高原上空的高壓系統(tǒng)東移并入西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)中，形成一高壓壩，此時從西北地區(qū)移來的短波槽，受副高阻擋，不斷加深發(fā)展，槽后的冷平流加強，并擴展到槽前地區(qū)，從而加劇槽前不穩(wěn)定層結(jié)。與此同時850 hPa(圖略)和700 hPa(圖略)上，副高緩慢北抬，中國中東部低槽與副高之間建立一支強勁的西南氣流，這支暖濕氣流控制湖北地區(qū)。至20時 500 hPa(圖1c)上，不斷加深發(fā)展東移的短波槽引起東南沿海的高壓壩斷裂，短波槽發(fā)展成為一深槽，槽線已移至湖北中西部，沿青藏高原東北側(cè)大舉南下的干冷空氣與來自副高西北側(cè)的西南暖濕氣流在湖北上空交匯，為大氣不穩(wěn)定能量釋放提供擾動機制；20時850 hPa(圖1d)上，湖北中低空較前一時刻有更強的西南暖濕氣流輸送。此時近地面(圖略)河套地區(qū)有大量的冷空氣南下與前期增暖的暖空氣相遇，觸發(fā)此次颮線天氣。此次颮線過程的大尺度環(huán)流背景場與丁一匯等[18]提出的槽前型一致，即颮線發(fā)生于500 hPa槽前西南氣流中，槽后西北氣流強盛，輸送大量干冷空氣至槽前，發(fā)生前中低空強西南暖濕氣流輻合帶來的強增濕增暖，使湖北地區(qū)處于上干冷下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)中。在這種大尺度背景下，副高的南撤為不穩(wěn)定能量的釋放提供擾動機制，而南下的冷空氣與湖北低空的暖濕氣流交匯，觸發(fā)了此次強對流天氣過程。

圖1　2011年7月26日08時(a)、14時(b)、20時(c)500 hPa和20時850 hPa(d)

武漢站T-lnP圖顯示，26日08時(圖2a)，武漢地區(qū)對流有效位能(CAPE)值達1 789.7 J/kg，在925 hPa以下有一很薄的輻射逆溫層，阻礙了熱量和水汽的垂直交換，進一步造成不穩(wěn)定能量積聚。此后的幾小時內(nèi)，由于近地面太陽晴空輻射增溫的影響，逆溫層逐漸消失。20時(圖2b)，從近地面(1 000 hPa高度)開始大氣表現(xiàn)為濕不穩(wěn)定，850 hPa以下的比濕>16 g/kg，而650 hPa以上濕度明顯減小，大氣層為顯著的上干冷、下暖濕結(jié)構(gòu)；武漢上空的CAPE值劇增到5 947.9 J/kg，自由對流高度較低，約為855 hPa，此時武漢地區(qū)上空大氣已處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)。低層風(fēng)的垂直切變是颮線系統(tǒng)維持傳播的一個必要條件。垂直風(fēng)廓線顯示，武漢低空(1 000～700 hPa)存在順時針風(fēng)的垂直切變，有利于不穩(wěn)定天氣的發(fā)展與加強；0～3 km風(fēng)的垂直切變?yōu)?0 m/s，切變強度偏弱。上述分析表明，此天氣背景為該次颮線發(fā)生提供了強熱力、偏弱動力條件。

圖2　2011年7月26日武漢站08時(a)和20時(b)T-lnP圖

3雷達回波分析

圖3給出武漢站多普勒雷達組合反射率因子的時間演變特征?？梢钥闯?，16:00左右，湖北西部開始形成零散的風(fēng)暴單體，并逐漸排列成2條強對流風(fēng)暴線，且在850～500 hPa西北氣流的引導(dǎo)下，緩慢向東南移動；17:03，2條強對流風(fēng)暴線已形成結(jié)構(gòu)比較完整的颮線，類似“入”形狀，其中東北—西南向的颮線后方形成回波強度>25 dBZ的小范圍層狀云回波區(qū)，前方有范圍較小的弱回波區(qū)，而西北—東南向的颮線兩側(cè)的弱回波區(qū)范圍較小。在向東南方向移動的過程中，西北—東南向的颮線部分逐漸減弱消散，部分并入東北—西南向颮線中；東北—西南向的颮線前方不斷有單體新生、發(fā)展，并伴隨對流單體的合并與增長成為新的強回波帶，颮線強度進一步增強，回波中心強度達55 dBZ以上，而舊單體逐漸減弱為后方層狀云降水區(qū)，使得層狀云回波范圍、強度明顯增大。同時還存在回波強度>40 dBZ的次強回波區(qū)，在次強回波區(qū)和強回波區(qū)之間為弱回波過渡帶，在這樣生消交替過程中颮線系統(tǒng)向前傳播、發(fā)展；21:00以后，線狀回波左端的回波強度仍然較強，強回波中心的寬度增大，大量的舊單體已衰亡，層狀云降水區(qū)范圍明顯減小，右側(cè)的回波明顯減弱；至24:00，颮線的線狀強回波帶消失，僅剩下層狀云降水回波，颮線基本消亡。此次颮線從形成到開始減弱以及從減弱到消散均歷時4 h，維持約8 h，颮線生命史不長。

圖3　2011年7月26日16:02～ 24:00武漢雷達組合反射率因子演變(單位：dBZ)

4模擬結(jié)果分析

4.1模擬結(jié)果檢驗

比較500 hPa環(huán)流形勢與低層風(fēng)場的模擬結(jié)果與實況(圖略)發(fā)現(xiàn)，短波槽、副高等基本一致。與國家級自動站觀測的降水量(圖4a)相比，2011年7月26日08時至27日08時模擬的24 h累計降水空間分布和雨帶走向與實況基本一致，主雨帶呈東北—西南向分布，且模擬出了強降水中心，但降水中心強度偏強且面積偏大，原因是關(guān)閉積云對流參數(shù)化有利于局地強降水的產(chǎn)生，但降水范圍比實況偏小，這與模式精度遠高于實況資料有關(guān)(圖4b)。此外，模擬的雷達回波強度和位置等特征與實況略有偏差，且時間較實況滯后約3 h(圖略)。這種時間和空間的偏差在Weisman[19]和Xu[20]等的WRF模擬研究中也出現(xiàn)過。但是，此次模擬的回波發(fā)展演變特征與實況較一致，模擬結(jié)果的偏差不會影響對颮線內(nèi)部中尺度結(jié)構(gòu)的分析。

圖4　2011年7月26日08時至27日08時自動站(a)和WRF模擬(b)的24 h累計降水量(單位:mm)

4.2颮線系統(tǒng)的動力和熱力特征

圖5是2011年7月26日19、21和24時925 hPa和850 hPa的溫度場和風(fēng)場。在颮線生成初期26日19時，湖北中部存在一中尺度輻合線，對應(yīng)颮線發(fā)生的對流區(qū)，輻合線兩側(cè)分別為颮線前側(cè)的偏南風(fēng)和后側(cè)的偏西風(fēng)，且在颮線后側(cè)由于降水蒸發(fā)的冷卻效應(yīng)，小范圍冷池已開始形成(圖5a和圖5b)。21時，輻合線明顯向南東南方向移動，預(yù)示著颮線向前移動，后面的冷池明顯增強，輻合線前側(cè)的偏南風(fēng)也明顯加強，一方面帶來能量和水汽的輸送，颮線結(jié)構(gòu)進一步發(fā)展增強，另一方面促使颮線向著偏南方向發(fā)展(圖5c和圖5d)。隨后，颮線所經(jīng)之處成為一大范圍冷區(qū)，輻合線繼續(xù)向前移動(圖略)。整體而言，在颮線初生和發(fā)展階段，對流區(qū)的風(fēng)場和溫度場結(jié)構(gòu)基本對稱，風(fēng)場和溫度場的變化主要發(fā)生在垂直于颮線的方向，颮線具有沿強對流線不變(即颮線上各單體的演變特征相似)的準(zhǔn)二維特征，這與RKW理論及其他學(xué)者的研究結(jié)果相似[9-10,13-14]。24時，輻合線消失，颮線后側(cè)的冷空氣向系統(tǒng)東北部集中，擴展到颮線前側(cè)，颮線附近的熱力層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，颮線走向衰亡(圖5e和圖5f)。

圖6給出2011年7月26日21時模擬的颮線發(fā)展階段的風(fēng)場和散度場?？梢钥闯觯R線新生單體后側(cè)900 hPa以下為較強北風(fēng)氣流，而颮線前側(cè)近地層為較強的偏南風(fēng)氣流，最大南風(fēng)達20 m/s(圖6a)，可見新生單體前側(cè)近地層附近有風(fēng)場輻合(圖6d)；颮線前側(cè)的偏南氣流向上向北傾斜，呈現(xiàn)颮鋒結(jié)構(gòu)，在700 hPa高度加強伸向颮線后方。在對流層中層，颮線后側(cè)較大的偏南風(fēng)與前側(cè)弱南風(fēng)構(gòu)成輻散區(qū)，這種低層輻合與中層輻散結(jié)構(gòu)在對流層中下層產(chǎn)生弱的上升運動(圖6c)。颮線前側(cè)對流層低層的南北風(fēng)垂直切變已增強，這為颮線的發(fā)展和維持提供了有利條件。在颮線后部 (31.3°N～30.6°N)31.0°N兩側(cè)800 hPa以下為反向的南北氣流，對應(yīng)颮線后部低層的風(fēng)場輻散(圖6d)。另外圖6b顯示，在新生單體后部中層有干冷空氣入流，促進單體附近的對流不穩(wěn)定發(fā)展，從而加強了颮線后部中層的輻合，有利于颮線后部下沉氣流的產(chǎn)生；新生單體前側(cè)從低層到400 hPa均為弱偏西風(fēng)，近地面為弱東風(fēng)，颮線前側(cè)的東西風(fēng)垂直切變很弱，說明低層風(fēng)切變增強主要在南北方向，與颮線發(fā)展方向平行，動量來源于垂直于颮線系統(tǒng)水平動量的逆梯度輸送[1,21-23]。

由圖6c還可看出，處于不同發(fā)展階段的3組單體(新生、成熟和衰亡的單體)，其中新生單體上空的上升氣流很弱，且位于成熟單體前方；成熟單體上空最強的上升氣流將低層暖濕空氣帶入颮線系統(tǒng)，同時將水汽和能量源源不斷地向高空輸送；衰亡的舊單體位于成熟單體后方，其對流層中低層為大范圍的下沉氣流，高層為相對較弱的上升氣流，維持颮線后方的層狀云降水。

從颮線新生單體附近散度場(圖6d)可以看出，颮線前部從近地面到800 hPa為強輻合層，輻合中心位于900 hPa，其中心值為110×10-5s-1；對流層中層(800～500 hPa)和高層(300～200 hPa)為輻散層，而在此2層之間為一中心值達60×10-5s-1的輻合中心。這種輻合和輻散相間分布的高低層配置結(jié)構(gòu)具有強烈抽吸作用，促進新生單體的發(fā)展增強。然而，在颮線后方對流層中層表現(xiàn)為輻合區(qū)，高層表現(xiàn)為輻散區(qū)，對應(yīng)著颮線后方層狀云降水區(qū)，中層以上是上升氣流，以下為下沉氣流控制。

圖5　WRF模式模擬的2011年7月26日19時(a、b)、21時(c、d)及24時(e，f)925 hPa(a、c、e)

圖6　2011年7月26日21時沿113.8°E模擬的經(jīng)向風(fēng)(a，單位：m/s)、緯向風(fēng)(b，單位：m/s)、

假相當(dāng)位溫θse是一重要的溫濕特征參數(shù)。26日19時(圖7a)颮線初生階段，其底部(31.0°N～31.7°N)隨高度增大的等θse低值區(qū)由地面伸展到800 hPa，颮線后側(cè)形成較厚的冷池層；冷池前沿及冷池中心前沿，等θse線密集而陡立，說明颮線前側(cè)積聚了大量的不穩(wěn)定能量；在颮線前方，800 hPa以下大范圍區(qū)域為深厚的暖濕層，800～500 hPa為不穩(wěn)定層結(jié)，而500～400 hPa為淺薄的中性層結(jié)，這種θse層結(jié)結(jié)構(gòu)使得對流層中低層一旦有擾動，易形成深厚的上升氣流[24]。由風(fēng)場可以看出，颮線前部對流層中低層，南方不斷有暖濕氣流輸送到冷池中心前沿，并沿傾斜鋒區(qū)向上輸送，從而增強颮線系統(tǒng)前側(cè)大氣的對流不穩(wěn)定度，而颮線后側(cè)對流層低層冷池不斷有干冷空氣侵入，造成不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生強烈對流，促使颮線系統(tǒng)不斷向南發(fā)展。隨著時間推移(圖略)，冷池不斷發(fā)展增強，由于下沉氣流的增溫作用以及降水蒸發(fā)的加濕作用，在颮線后部對流層中低層層狀云降水區(qū)仍然有弱的不穩(wěn)定，但沒有足夠的水汽供應(yīng)和動力抬升，因此颮線后部對流逐漸減弱；而在颮線發(fā)生區(qū)域，由于冷池作用和不穩(wěn)定能量已釋放，變?yōu)榉€(wěn)定區(qū)。23時(圖7b)，颮線已移至29.8°N附近，在系統(tǒng)前方有一支高θse從前向后入流，從系統(tǒng)前緣傾斜上升至后方高層形成對流區(qū)，同時伴隨向后方輸送冰粒子，促進后方層云發(fā)展；颮線前部對流層高層不穩(wěn)定層結(jié)厚度明顯變薄，僅達到700 hPa，而中性層結(jié)明顯變厚，大氣不穩(wěn)定度大大減弱。

圖7　2011年7月26日19時沿113.2°E(a)和23時沿114°E(b)模擬的假相當(dāng)

4.3颮線流場的演變

根據(jù)前文所述，此次颮線具有明顯的準(zhǔn)二維特征，因此在颮線上任選一處繪制垂直剖面圖，均能代表颮線發(fā)生處的流場演變特征。圖8給出此次颮線從初生到消散過程中(26日19～24 時)流場演變特征及其與降水的對應(yīng)關(guān)系。實況資料及模擬結(jié)果均表明此次颮線發(fā)生在較弱的低層風(fēng)垂直切變環(huán)境中。颮線發(fā)生初期19時(圖8a)，在A單體附近冷池產(chǎn)生的負(fù)渦度較快地與風(fēng)切變產(chǎn)生的正渦度達到平衡，由于兩者的渦度值都很小，因此在颮線前方形成一支垂直伸展且高度較低的上升氣流，颮線前方的從前向后氣流與颮線后側(cè)的下沉出流在颮線前緣輻合，觸發(fā)新的對流單體B初生(圖8b)，同時A單體有所減弱。隨后，由于對流降水使冷空氣不斷下沉，使冷池加強，此時冷池產(chǎn)生的負(fù)渦度強于風(fēng)切變產(chǎn)生的正渦度，造成單體B前部的上升氣流向冷池一側(cè)傾斜，但由于此次颮線過程發(fā)生于超強的熱力抬升條件下，當(dāng)颮線系統(tǒng)內(nèi)部冷池產(chǎn)生的負(fù)渦度和環(huán)境風(fēng)垂直切變產(chǎn)生的正渦度沒有達到動態(tài)平衡時，系統(tǒng)繼續(xù)從環(huán)境獲得能量，保證氣流抬升并維持颮線不斷發(fā)展加強。此后，環(huán)境中的不穩(wěn)定能量逐漸釋放，颮線系統(tǒng)前側(cè)風(fēng)的垂直切變逐漸增強；21時(圖8c)，颮線系統(tǒng)B單體發(fā)展增強同時依賴于動力和熱力條件，垂直上升氣流高達250 hPa，此時C單體開始形成。22時(圖8d)，颮線系統(tǒng)處于發(fā)展旺盛時期，環(huán)境熱力條件已大幅減弱，而與颮線發(fā)展方向平行的環(huán)境風(fēng)垂直切變進一步增強，其產(chǎn)生的正渦度與不斷增強的冷池產(chǎn)生的負(fù)渦度再次達到平衡，此時垂直上升氣流達到200 hPa高度，A單體已經(jīng)減弱為颮線后方的層狀云降水區(qū)，而B單體向前移動與C單體合并增強為對流更強盛的C單體，同時D單體開始新生。23時(圖8e)，C單體也減弱為颮線后部的層狀云降水區(qū)，D單體發(fā)展為強對流區(qū)，在緊貼強上升氣流后方約15 km的范圍內(nèi)700～450 hPa無明顯上升運動，甚至有弱的下沉運動，為對流區(qū)和層云區(qū)的過渡帶。24時(圖8f)，由于降水的累積效應(yīng)，冷池強度明顯增強，其產(chǎn)生的負(fù)渦度明顯強于環(huán)境風(fēng)垂直切變產(chǎn)生的正渦度，新生單體E出現(xiàn)，且其前側(cè)上升氣流南傾程度明顯加大，此時由冷池產(chǎn)生的風(fēng)暴出流快速向前移動，促使颮線消散；此時，層云降水區(qū)更加寬闊，A、B、C、D單體的對流區(qū)上層為傾斜上升氣流，維持層云區(qū)的降水，而下方為下沉運動區(qū)，為降水拖曳和雨滴蒸發(fā)冷卻所致。

綜上所述，在颮線發(fā)展和成熟期，颮線后緣對流層低層受中尺度下沉(層云區(qū))運動和對流尺度下沉(對流區(qū))運動的共同影響，產(chǎn)生從后向前的冷下沉出流，并在對流系統(tǒng)前緣與前方的暖濕入流輻合，觸發(fā)新的對流單體生成；伴隨對流單體的合并與增長，前方的單體發(fā)展為新的強對流區(qū)，而舊的單體減弱、衰退為后方層狀云降水區(qū)，正是這樣的生消交替保證系統(tǒng)向前傳播。

圖8　2011年7月26日19時沿113.2°E(a) 、20時沿113.4°E(b) 、21時沿113.6°E(c)、22時

4.4CAPE和渦度收支分析

4.4.1CAPE演變特征

CAPE是影響颮線生消發(fā)展的重要環(huán)境參數(shù)，能夠較精確指示大氣不穩(wěn)定能量的多少，大致估計出對流風(fēng)暴的強度和類型。一般認(rèn)為0～1 000 J/kg的CAPE值是深對流的下限值；1 000 ～2 500 J/kg可產(chǎn)生中等強度的對流；2 500～4 000 J/kg可產(chǎn)生強對流；>4 000 J/kg的CAPE值可產(chǎn)生極端對流[25]。

在颮線發(fā)生發(fā)展前期20時(圖9a)，颮線發(fā)生處積聚大量的對流不穩(wěn)定能量，CAPE值達4 000 J/kg以上，為強對流的發(fā)生提供強大的不穩(wěn)定能量。21時，颮線發(fā)生處大氣層結(jié)仍不穩(wěn)定，為B單體的發(fā)展增強提供熱力抬升條件，但此時不穩(wěn)定能量已減弱(圖略)。22時，大氣中的不穩(wěn)定能量繼續(xù)釋放，大值區(qū)的CAPE值已減弱為1 000 J/kg以下(圖9b)，颮線的發(fā)展和增強不再依賴于熱力抬升。

圖9　2011年7月26日20時(a)和22時(b) 模擬的CAPE(陰影區(qū)，單位：J/kg)和0～3 km垂直切變(矢量，單位：m/s)

4.4.2渦度收支分析

颮線的發(fā)生、發(fā)展過程中伴隨著渦旋的形成和演變，它對颮線系統(tǒng)中的環(huán)流有重要影響。由于中尺度對流渦旋主要出現(xiàn)在自由大氣中，在渦度收支中可以不考慮摩擦項。利用P坐標(biāo)下無摩擦的相對渦度局地變化方程，來分析貢獻于颮線渦旋的4個強迫項的收支情況[26]。

無摩擦的渦度方程如下：

(1)

式中，A、B、C、D分別為絕對渦度的水平平流輸送項、相對渦度的垂直平流輸送項、絕對渦度的輻合輻散項和風(fēng)垂直切變導(dǎo)致的水平渦度傾斜項，令T為4項之和；u和v分別是緯向和經(jīng)向風(fēng)速，ω是垂直速度，ζ是垂直渦度，f是科氏參數(shù)。

從各項區(qū)域平均分布來看，在颮線發(fā)生初期20時(圖10a)，700 hPa以下有較大的正渦度收支，B和C是正渦旋變化的最大貢獻項，而與風(fēng)垂直切變相關(guān)的D項數(shù)值很小。在颮線發(fā)展階段21時(圖10b)，正渦度收支層向上伸展至500 hPa，900 hPa的正渦度收支強度加大，颮線低層的渦旋加強，此時B和C仍為主要正貢獻項，但D項的作用增加，說明環(huán)境風(fēng)垂直切變增強。在颮線成熟階段22時(圖10c)，颮線低層800 hPa以下轉(zhuǎn)為負(fù)渦度收支，而800 hPa以上為較大的正渦度收支，由于低層環(huán)境風(fēng)切變轉(zhuǎn)向為與颮線系統(tǒng)發(fā)展平行的南北方向，且風(fēng)垂直切變明顯增強(圖9b)，因此D項對正渦度貢獻大增，且D項對渦度貢獻有下移趨勢，這進一步說明颮線系統(tǒng)水平動量具有逆梯度輸送特征。26日24時(圖10d)，中低層的總渦度收支幾乎變?yōu)樨?fù)值，只有800 hPa以下有微弱的正渦度收支，D項對正渦度貢獻變小，說明環(huán)境風(fēng)切變逐漸減弱。

總體而言，颮線發(fā)展初期，CAPE是颮線發(fā)展的主要條件。在颮線初生到成熟階段，水平輻合輻散項一直是對流層中低層渦旋變化的重要貢獻項，其中在發(fā)生、發(fā)展階段前期，水平輻合輻散項基本呈低層正貢獻、高層負(fù)貢獻的分布；隨著颮線的發(fā)展，水平輻合項正貢獻上移，在對流層低層轉(zhuǎn)為負(fù)貢獻，同時對流層低層風(fēng)的垂直切變方向轉(zhuǎn)向與颮線發(fā)展方向平行，且強度明顯增強，水平渦度傾斜項在對流層中低層起較強的正貢獻，此時颮線的發(fā)展主要依賴于動力條件。

圖10　2011年7月26日20時(a)、21時(b)、 22時(c)和24時(d)區(qū)域(113°E～114°E,

5結(jié)論

(1)此次颮線過程發(fā)生在槽前型的大尺度背景場中，其中對流層中高層槽后強盛干冷的西北氣流擴展到槽前，并疊加于低層西南暖濕氣流之上，為颮線的發(fā)生提供上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)；西太平洋副熱帶高壓的突然南撤為不穩(wěn)定能量的釋放提供擾動機制，而南下的冷空氣與湖北低空的暖濕氣流交匯，觸發(fā)了此次強對流天氣過程。

(2)雷達回波顯示：颮線形成初期，系統(tǒng)內(nèi)形成類似“入”形的2條對流強回波帶，其中右支對流回波中部分風(fēng)暴單體迅速減弱，部分并入左支對流回波右側(cè)，致使左支對流回波成為颮線主體且逐漸發(fā)展和增強。

(3)在左支颮線發(fā)展和成熟階段，颮線后緣低層受中尺度下沉(層云區(qū))運動和對流尺度下沉(對流區(qū))運動的共同影響，產(chǎn)生從后向前的干冷下沉出流，與前方暖濕入流輻合，觸發(fā)新對流單體生成，并伴隨對流單體的合并與增長，颮線前部的強對流區(qū)得以維持和發(fā)展，而舊的單體減弱、衰退，加上系統(tǒng)前方高θse氣流的流入，且沿前緣傾斜上升至后方高層，向后輸送冰粒子，促進后方層云發(fā)展，造成對流區(qū)后方大范圍層狀云降水區(qū)。

(4)此次颮線過程，前期，垂直風(fēng)切變較弱，颮線發(fā)展來源于較大的CAPE；后期，沿著颮線發(fā)展方向的垂直風(fēng)切變增強，颮線的維持發(fā)展主要依賴于增強的風(fēng)切變和后方冷池渦度共同作用。

盡管WRF模擬結(jié)果能較好地再現(xiàn)此次颮線發(fā)生時系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變，但由于模式及初始場的誤差，模擬的要素場與實況還有一定偏差，下一步將通過同化雷達觀測資料來加以解決。

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Analysis of Doppler Radar Observation and Simulation on a Squall Line Process on 26 July 2011 in Hubei Province

CAO Qian, YANG Xixi，YE Dan, ZHANG Shuwen

(CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,KeyLaboratoryofAridClimateChangeandReducingDisasterofGansuProvince,Lanzhou730000,China)

Abstract:Based on NCEP reanalysis data, observational precipitation from automatic weather stations and the sounding and Doppler radar echo data in Wuhan of Hubei Province, the characteristics of environment fields of a squall line process occurring in Wuhan on 26 July 2011 were analyzed and simulated by WRF. The results showed that the squall line process took place under the condition of weak ambient vertical wind shear and strong convective instability. Two strong convective lines existed in the system during the squall line formation period. The simulated results about the left squall line developing and enhancing gradually showed that the vertical shear of environment wind was weak at the beginning of the squall line formation, and the strong unstable stratification in the front of the squall line played an important role on developing and strengthening of new cells. Thereafter, the unstable energy released gradually, but the vertical wind shear at low-level troposphere strengthened along the direction of squall line development due to the horizontal momentum being perpendicular to the squall line transported along the inverse gradient direction, which provided dynamical condition for the squall line development. During the squall line development peroid, the new cells constantly formed, enhanced and merged in front of the convection areas, which was the key factor of the squall line system maintaining for a long time, while the mature cells weakened and became stratiform precipitation cloud area, just so the system of squall line transmitted forward.

Key words:squall line; numerical simulation; convective instability; low-level vertical wind shear

中圖分類號：P435

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7639(2016)-02-0305-12

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0305

作者簡介：曹倩(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)同化. E-mail:qcao2014@lzu.edu.cn

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2013CB430102)、高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20120211110019)和國家自然科學(xué)基金項目(41575098)共同資助

收稿日期：2015-09-23；改回日期：2015-12-10

曹倩，楊茜茜，葉丹，等.一次颮線過程的雷達觀測和數(shù)值模擬分析[J].干旱氣象，2016，34(2)：305-316, [CAO Qian, YANG Xixi，YE Dan. Analysis of Doppler Radar Observation and Simulation on a Squall Line Process on 26 July 2011 in Hubei Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):305-316], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0305