張建軍王詠青鐘瑋1湖南省氣候中心，長沙410118南京信息工程大學大氣科學學院太平洋臺風研究中心，南京100443解放軍理工大學氣象海洋學院，南京111014南京大學中尺度災害性天氣教育部重點實驗室，南京10093

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颮線組織化過程對環(huán)境垂直風切變和水汽的響應

張建軍1, 2王詠青2鐘瑋3, 4
1湖南省氣候中心，長沙410118
2南京信息工程大學大氣科學學院太平洋臺風研究中心，南京210044
3解放軍理工大學氣象海洋學院，南京211101
4南京大學中尺度災害性天氣教育部重點實驗室，南京210093

摘 要利用ARPS模式對颮線發(fā)生發(fā)展過程進行二維理想數值試驗，討論了低層環(huán)境垂直風切變和水汽條件變化時，颮線內部物理因子配置變化及其與系統(tǒng)強度演變的聯系。研究表明，颮線發(fā)展過程中出現的動量、熱量和水汽的再分配過程，造成系統(tǒng)內垂直環(huán)流結構和擾動溫濕場分布發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)內部深對流的組織化過程和颮線強度的發(fā)展?；诘蛯迎h(huán)境垂直風切變和水汽兩個要素的敏感性試驗研究表明，低層環(huán)境垂直風切變增大（減小）時，颮線移速減慢（加快），冷池前沿激發(fā)的新對流與中高層的垂直運動相互貫通（分離），颮線系統(tǒng)強度隨之增強（減弱）。此外，當低層水汽增加（減少）時，會導致輸送到中層的水汽增加（減少），中層凝結潛熱釋放增多（減少），該層垂直運動增強（減弱）；同時，颮線系統(tǒng)區(qū)域環(huán)境釋放的對流有效位能（CAPE）增大（減?。?，新生對流的強度增強（減弱）。低層水汽條件通過水汽輸送和能量釋放，改變冷池前沿新對流與中高層垂直環(huán)流的組織化結構，從而影響颮線強度。

關鍵詞颮線 數值模擬 冷池 環(huán)境垂直風切變 水汽1

張建軍, 王詠青, 鐘瑋. 2016. 颮線組織化過程對環(huán)境垂直風切變和水汽的響應 [J]. 大氣科學, 40 (4): 689–702. Zhang Jianjun, Wang Yongqing, Zhong Wei. 2016. Impact of vertical wind shear and moisture on the organization of squall lines [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (4): 689–702, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14337.

1 引言

颮線是有組織的雷暴群帶狀排列形成的中尺度對流系統(tǒng)，往往伴隨有局地暴雨、短時大風、冰雹等強災害性的強對流天氣，維持時間有時能夠達到或超過十幾小時。對于這類有較長生命史的災害性天氣現象，探討其在不同環(huán)境條件下的發(fā)展變化過程對防災減災具有重要作用。

早在20世紀50年代，Newton（1950）指出水平風速存在垂直切變的條件下，低層輻合高層輻散的配置有利于雷暴的維持和發(fā)展。后續(xù)研究表明垂直于颮線的環(huán)境垂直風切變是颮線發(fā)展演變的關鍵因子（Fujita, 1955）。統(tǒng)計資料也顯示大多數颮線的環(huán)境垂直風切變與颮線正交（Bluestein and Jain, 1985; Bluestein et al., 1987; Wyss and Emanuel, 1988）。近三十年來，颮線的強對流運動被認為是冷池與低層（0～2.5 km）環(huán)境垂直風切變相互作用的結果更是得到了廣泛認可（Thorpe et al., 1982; Rotunno et al., 1988；Weisman and Rotunno, 2004; Takemi, 2006, 2007, 2014; Coniglio et al., 2012；陳明軒和王迎春，2012）。其中Rotunno et al. (1988) 提出的理論被稱之為RKW理論，RKW理論認為低層環(huán)境垂直風切變與近地面冷池強度相當時，颮線強度最強，兩者相差較大時則颮線減弱。

除了低層環(huán)境垂直風切變對颮線的發(fā)展維持至關重要外，其他環(huán)境因子的作用也不容忽視。Takemi（2006）指出在較濕的環(huán)境下，更強的切變更有利于強對流的發(fā)展，且保持環(huán)境中水汽總量一致，低層更濕的環(huán)境所生成的颮線強度會更強。Takemi（2007）還指出在對流不穩(wěn)定層中，靜力穩(wěn)定度在決定颮線強度方面起著重要作用；在相同靜力穩(wěn)定度環(huán)境下，對流有效位能（CAPE）及可降水量能有效的表示颮線強度。Parker（2008）通過不斷減小近地面層的溫度使得颮線所處環(huán)境的溫度要素不斷發(fā)生變化，并探討了這種條件下颮線的發(fā)展變化過程。

以往的理想數值試驗及個例分析，研究了環(huán)境垂直風切變、水汽等環(huán)境要素在特定配置條件下，颮線觸發(fā)和組織化的物理過程，并通過冷池強度與環(huán)境垂直風切變的比值（簡稱為冷切比）來解釋颮線發(fā)展變化的原因，并未從颮線內部環(huán)流結構的變化出發(fā)來探討颮線強度變化的機理。實際上在颮線發(fā)展演變過程中，系統(tǒng)內部出現了動量、熱量和水汽的輸送、集中等再分配過程，并依此對颮線組織化程度產生影響。本文通過理想數值試驗，研究適宜環(huán)境配置條件下，颮線觸發(fā)和發(fā)展階段系統(tǒng)內部動量、熱量和水汽的再分配過程，及其對颮線系統(tǒng)強度變化的影響，并在此基礎上討論當低層環(huán)境垂直風切變和水汽等環(huán)境要素場發(fā)生變化時，系統(tǒng)內部各物理因子的響應過程及其對颮線系統(tǒng)強度變化的影響。文章第二部分基于RKW理論最優(yōu)環(huán)境條件配置模擬了颮線的發(fā)生發(fā)展過程，深入分析了系統(tǒng)內部動量、熱量和水汽的再分配過程及其與颮線系統(tǒng)強度變化之間的聯系；第三、四部分則分別介紹颮線發(fā)展過程中其強度對低層環(huán)境垂直風切變和低層水汽的響應結果，并通過分析颮線的內部環(huán)流結構探討了颮線強度變化的原因；最后對本文進行了歸納總結。

2 颮線觸發(fā)及發(fā)展過程的數值試驗

觀測研究表明，颮線具有明顯的準二維特征，即沿颮線方向上各個風暴單體的發(fā)展演變特征比較相似（Thorpe et al., 1982; Fovell and Ogura, 1988; Houze et al., 1989; Parker, 1998; Parker and Johnson, 2004），因此本文采用Xue et al.（2000）開發(fā)的非靜力風暴尺度高級區(qū)域預報系統(tǒng)（ARPS）模式（5.3.4版本），設計了二維理想數值試驗，再現颮線的觸發(fā)和發(fā)展過程，以及颮線發(fā)展過程中系統(tǒng)內部物理量再分配的物理圖像。

2.1 試驗設計

假定理想二維剖面為x–z平面，水平（x）方向區(qū)域為360 km，分辨率為600 m；垂直（z）高度為18 km，為盡可能節(jié)省計算時間并模擬出精細的颮線低層垂直結構，垂直方向上進行了網格拉伸，即在z=3 km以下格距固定為100 m，3～15 km高度上則采用雙曲正切函數拉伸，最大格距為574 m，15 km以上格距都為574 m。這樣的分辨率已足以模擬出颮線的結構及其組織化過程（Weisman and Rotunno, 2004）。模式頂層及底層為剛性邊界，水平方向上為開放邊界。為了減小模式頂層向下反射的影響，14 km高度以上開啟了瑞利阻尼選項（Takemi, 2006）。

試驗中溫濕背景場參考了Weisman and Klemp （1982）所設計的理想探空曲線（圖1），其計算公式如下：

其中，對流層頂高度 ztr=12 km，對流層頂處的溫度Ttr=213 K，對流層頂處的位溫θtr=343 K；θ0表示地面位溫，恒定為300 K；g為重力加速度；cp為干空氣比定壓熱容；q(z)為基態(tài)位溫；r為相對濕度?；旌蠈拥母叨仍O置為1.2 km，在混合層中相對濕度最大值為0.95，依據RKW理想試驗的最優(yōu)配置，我們將對照試驗的最底層比濕設置為 qv=14 g kg?1，垂直切變在垂直方向上的范圍為0～2.5 km，水平風速自地面至 2.5 km高度的變化值（Us）為17 m s?1，即地面風速為?17 m s?1，線性增強至2.5 km處，以上風速都為0 m s?1。

對照試驗初始對流啟動采用的是熱泡激發(fā)方案，即給定一個中心位于模式底層x=90 km處（將此處設為零點），水平半徑為 10 km，垂直半徑為2.5 km的熱泡，初始擾動位溫在中心點處設定為2 K，并按余弦函數向半徑范圍內遞減，范圍以外則都為零。模擬采用了冰微物理過程（Lin et al., 1983）。此外，試驗沒有考慮鋒、急流等颮線環(huán)境，也忽略了科氏力的影響。模式資料每 10分鐘輸出一次。

2.2 颮線觸發(fā)試驗結果

理論研究（Thorpe et al., 1982; Rotunno et al., 1988）和敏感性試驗（圖略）均表明：對照試驗的這種環(huán)境配置條件，能夠使得對流觸發(fā)過程所能達到的最旺盛階段維持時間最長，強度最大。圖2給出了系統(tǒng)觸發(fā)過程不同發(fā)展階段的內部環(huán)流結構、擾動位溫和擾動比濕的垂直剖面圖。積分1.5 h時（圖 2a），颮線處于初步形成階段，在熱泡的中心點（x=0 km）處存在伸展高度接近6 km的垂直上升運動帶，對流層高層（8 km）處出現了以x=0 km為中心向正負兩個方向的輻散氣流；由于上升氣流不斷地將低層水汽輸送到中層，使得上升帶中擾動比濕為正值，同時凝結作用產生的大量潛熱也使得上升帶3～5 km高度上出現明顯的擾動增溫；上升氣流左側存在的明顯下沉運動，一方面使得凝結的水汽下落形成降水，另一方面將高層較為干冷的空氣向下輸送，并在低層環(huán)境風影響下向水平負方向擴散，造成熱泡中心左側大片2 km高度以下的區(qū)域出現了負的擾動比濕，同時1 km以下出現大面積擾動降溫，說明對流啟動后，在降水和干冷空氣下傳堆積的影響下，冷池開始形成。

颮線進一步發(fā)展后系統(tǒng)內部結構出現明顯變化（圖2b）：首先由于近地面位溫以及比濕的擾動降幅增大，冷池強度增強，地面冷池前沿移動至x=6 km處，且其后部水平風速明顯減弱，表明冷池增強后干冷空氣質量堆積產生的外流逐步削弱了近地面層基本環(huán)境氣流的影響；其次雖然冷池前沿的右移使得地面強迫上升的啟動位置隨之右移，但對流層中層上升運動和潛熱釋放的大值中心與地面冷池前沿的水平位置相差不大，因此對流層中層上升運動區(qū)的局地增溫，以及高空輻散外流的抽氣和通風效應，與地面冷池強迫垂直貫通，有利于垂直環(huán)流的進一步增強，同時這種垂直方向貫通的傾斜對流使得颮線系統(tǒng)上升運動和下沉運動分離，也有利于颮線系統(tǒng)的組織化和其后部降水增強。在颮線維持階段（圖 2c、2d），由于累積降水的不斷增加使得冷池強度進一步加強，在冷空氣堆質量輻散的強大作用下，2 km高度以下擾動位溫負值覆蓋區(qū)域水平風速開始出現逆基本氣流的分布特征，因此地面冷池前沿及其引起的地面強迫上升的起始位置開始快速向右推進。在此影響下，系統(tǒng)的環(huán)流結構出現明顯的傾斜狀態(tài)，對流層中層上升運動以及凝結和高空輻散造成擾動增溫的大值中心均明顯落后于低層，這種垂直分布導致中高層凝結和輻散引起的對流運動與地面冷池造成的強迫抬升難以形成有效的連通。到積分6.0～6.5 h時（圖2e、2f），這一現象尤其明顯，因此圖2e、2f中雖然地面降溫、地面上升速度和中高層擾動增溫相比前一階段（圖2c、2d）在量值上均增大，系統(tǒng)強度卻開始減弱。

以上分析表明，颮線的發(fā)展伴隨著系統(tǒng)內部垂直環(huán)流以及冷池強度的變化，冷池發(fā)展到一定強度后，不僅對颮線內部結構產生影響，還能夠通過與環(huán)境垂直風切變等環(huán)境因素共同作用，對颮線的組織化和維持具有重要影響（RKW理論）。為了定量描述颮線不同階段冷池的強度、結構和演變過程，本文對颮線發(fā)展過程中的冷池強度進行定量計算。RKW理論給出的單點冷池強度（C）定義公式為

其中，H為冷池的高度，B則表示浮力，具體定義如下：

由圖2分析可知，冷池的形成和發(fā)展均出現在地面上升運動后部的大片區(qū)域中，在垂直方向上也存在伸展，單點強度很難準確描述冷池的發(fā)展過程，需要對其垂直高度和水平覆蓋范圍進行界定。

圖1 三種比濕條件下的Skew-T圖。其中綠色點線、黑色實線、紅色虛線分別為12 g kg?1、14 g kg?1、16 g kg?1條件下的露點曲線，紅色實線為溫度曲線Fig. 1 Diagram of Skew-T under three specific humidity used in the numerical simulations. The green dotted line (qv= 12 g kg?1), black solid line (qv= 14 g kg?1), and red dashed line (qv= 16g kg?1) are dew point curves, the red solid line is temperature curve

v在實際計算中，冷池的垂直高度H邊界取擾動位溫自底層向上遞增至?1 K時的高度（Takemi, 2006）；考慮到冷池的快速水平擴散及其對颮線系統(tǒng)的影響，采用Takemi（2007）和Parker（2008）的方法，選取地面冷池前沿線至其后部20 km范圍作為冷池強度計算的水平區(qū)域。綜上討論，本文在計算過程中，取界定區(qū)域內冷池強度的平均值作為系統(tǒng)的冷池強度。需要說明的是，本文設定的冷池前沿線為擾動位溫梯度最大值處。

圖2 對照試驗不同發(fā)展階段的垂直剖面圖。陰影為擾動位溫（單位：K），紅色等值線為擾動比濕（間隔：1.0 g kg?1，未繪制零線），箭頭表示風場（單位：m s?1）。橫坐標為水平距離，零點為熱泡中心點，縱坐標為垂直距離Fig. 2 Vertical cross sections of control simulation in different stages of development. Color scales represent perturbation potential temperature (units: K), red contours represent perturbation specific humidity (interval: 1.0 g kg?1; zero line not plotted), and arrows represent wind field (units: m s?1). The x-axis is horizontal distance, the point of zero represent the center of thermal bubble, and the vertical axis is vertical distance

為更具體的說明颮線強度與冷池強度之間的聯系，圖3給出了積分9 h內5 km高度上的垂直運動、地面降溫以及冷切比。由于Us始終為17 m s?1，因此冷切比與冷池強度等價。由圖分析可知，積分初始0.7 h內，整個模擬區(qū)域在5 km高度上垂直速度均小于4 m s?1，說明此時對流強度較弱，地面擾動位溫大于?1 K，冷池強度基本為零。積分0.7 h后，垂直運動增強并開始出現超過4 m s?1的上升運動大值中心，其位置基本位于x=0 km處，且大值中心在時間—空間的二維平面上呈現連續(xù)分布的狀態(tài)，說明該區(qū)域開始出現強度較強且伸展高度較高的深厚對流，并且這類深厚對流在該區(qū)域能夠穩(wěn)定地激發(fā)和維持，組織化的颮線系統(tǒng)開始形成；同時地面也出現小于?1 K的擾動位溫，冷池前沿的位置與系統(tǒng)上升運動大值中心位置一致，計算得到冷池強度在半小時內快速增強，冷切比達到0.65左右后穩(wěn)定持續(xù)至2.5 h。隨后，冷池強度進入了近2個小時的持續(xù)快速增長期，到積分4.5 h時冷切比超過 1.5，此時上升運動大值區(qū)不僅在時間和強度上保持連續(xù)發(fā)展的態(tài)勢，水平范圍也明顯擴大；地面擾動位溫減小進一步加劇，冷池前沿線開始出現較為明顯的向前移動，5 km高度上升運動中心稍落后于冷池前沿，但兩者水平距離較小。隨后到積分6 h時間段內，雖然冷切比仍呈現較為平緩的增大趨勢，但是上升運動大值中心的分布呈現強度減弱，結構不連續(xù)的特征，說明颮線強度開始減弱。同時冷池前沿隨時間快速向x正方向推進，且逐漸遠離上升運動中心；到積分6 h后，冷切比維持在 2.2左右，地面出現超過?13 K的降溫中心，但5 km高度上的上升運動結構零散，強度迅速減弱直至消失。Weisman和Rotunno（2004）指出當冷切比介于1.0～1.5時，最適宜颮線的發(fā)展，從上述分析來看本文結果與其一致。

由此可見，在RKW理論最優(yōu)配置條件下，颮線系統(tǒng)經歷了從對流啟動到深對流組織化，最后減弱消散的演變過程。在這一過程中，冷池強度的變化與颮線強度有很好的對應關系，這與RKW理論結果一致，與此同時系統(tǒng)內部位溫、比濕以及風場發(fā)生了顯著的變化，即動量、熱量以及水汽出現區(qū)域性的再分配，與之相對應的則是系統(tǒng)內部環(huán)流結構發(fā)生改變，并依此對颮線的組織化程度產生影響。接下來，我們將在颮線發(fā)展過程中改變低層環(huán)境垂直風切變或水汽，探討這種情形下系統(tǒng)內部各物理因子的響應過程及其對颮線系統(tǒng)強度變化的影響。

3 低層環(huán)境垂直風切變的變化對颮線強度的影響

從對照試驗可以看出，對流發(fā)展及其伴隨的降水過程會使得冷池強度持續(xù)增強，與此同時，整體環(huán)境風的垂直切變變化卻并不明顯，即冷切比不斷增大。因此，依據RKW理論及Weisman and Rotunno （2004）結果，冷切比介于1～1.5時颮線強度最強，隨著冷切比的持續(xù)增加，颮線強度開始減弱。而環(huán)境垂直風切變是影響冷切比的關鍵因子，因此本節(jié)將低層環(huán)境垂直風切變作為敏感性因子，探討在切變改變的條件下颮線強度如何變化，并從颮線系統(tǒng)的內部環(huán)流結構出發(fā)解釋這一強度變化原因。

對照試驗結果表明2.5～4.5 h這一階段是颮線發(fā)展最強盛的階段，隨后垂直運動減弱，因此我們選取了對照試驗積分3 h這一積分時刻的颮線狀態(tài)作為敏感性試驗的初始對流，之后颮線所處環(huán)境相較對照試驗發(fā)生變化（指垂直風切變或水汽），其他配置則與對照試驗相同。環(huán)境垂直風切變只考慮低層切變一種類型（0～2.5 km），但設計了三種不同大小的Us值，即14 m s?1，17 m s?1，20 m s?1。各試驗命名見表1。

表1 各試驗命名。其中，第一個字符L表示低層切變，第二個字符L、M、H分別表示低層比濕較低（qv=12 g kg?1）、適中（qv=14 g kg?1）、較高（qv=16g kg?1）Table 1 Details of the experiments, in which the first character L represents the low level shear, the second characters L, M, and H represent the lower (qv=12 g kg?1), moderate (qv=14 g kg?1), and higher (qv=16 g kg?1) specific humidity, respectively

3.1 颮線強度對低層環(huán)境垂直風切變的響應

圖3 對照試驗z=5 km高度上垂直速度、地面擾動位溫的時空分布以及冷池強度隨時間變化。左圖中，暖色陰影表示垂直速度（只給出速度大于4 m s?1的值），冷色陰影為地面擾動位溫分布（只給出小于?1 K的值），黑色實線表示冷池前沿線位置。右圖中，紅色實線表示冷池強度隨時間變化Fig. 3 Depiction of the control simulation: (left) temporal–spatial diagram for vertical velocity (warm colors; values less than ?4 m s?1not plotted) at 5 km and the surface perturbation potential temperature (cold colors; values greater than ?1 K not plotted), in which the black solid line represents the leading edge of the surface cold pool; (right) the strength of the cold pool

圖4 低層切變條件下各試驗的（a）最大垂直速度（wmax）的時間（3～7 h）平均以及（b）3～7 h時間內大于1 m s?1的垂直速度所覆蓋區(qū)域（w-area）的平均值隨高度的分布Fig. 4 Temporally averaged (3–7 h) vertical profiles of the (a) maximum updraft speed (wmax) and (b) fractional area of the updraft speed (w-area) more than 1 m s?1

颮線強度用最大垂直速度以及超過1 m s?1的垂直速度所覆蓋區(qū)域來表示（Takemi, 2014）。圖4給出了最大垂直速度和垂直上升運動所覆蓋區(qū)域在3～7 h內時間平均（時間t包含了對照試驗的前3小時積分時間）的垂直分布?？偟膩砜?，最大垂直速度在1 km高度以上開始顯著增大，而在9 km以上則明顯減小，峰值集中在5～8 km。在混合層比濕相同的情況下，Us值愈大則峰值愈大，如LM-20試驗的峰值明顯大于 LM-17試驗，LM-17試驗又明顯大于LM-14試驗。說明增大低層環(huán)境垂直風切變有利于颮線強度增強，反之亦然。各試驗的垂直上升運動所覆蓋區(qū)域在中低層無明顯差異，高層卻明顯不同。值得注意的是，各試驗高層垂直上升運動覆蓋區(qū)域的大小順序與其中層最大垂直速度的大小順序相同，即用這兩種方式表示颮線的強度具有一致性。

為了反應颮線強度的變化趨勢，計算了各小時內最大垂直速度均值及其標準偏差（圖5）。同樣在水汽適中的條件下，增大低層環(huán)境垂直風切變（LM-20）所對應的各時間段的均值較對照試驗或減小低層環(huán)境垂直風切變（LM-14）更大，這與上述的結論是一致的。另外，從均值隨時間的變化來看，LM-17試驗與LM-20試驗的均值先增強后減弱，而LM-14試驗則單調遞減。即減小低層環(huán)境垂直風切變會明顯減弱颮線的強度。

圖5 低層切變條件下不同試驗各小時內最大垂直速度均值（不同記號表示不同時間段內的均值）及其標準偏差（虛線）。橫坐標為各個試驗名稱（C表示對照試驗），縱坐標則為最大垂直速度均值大小（單位：m s?1）Fig. 5 The means (symbols) and standard deviations (dashed lines) of the maximum updraft speed during integrating 2–3 h (filled circle), 3–4 h (asterisks), 4–5 h (circles), 5–6 h (squares), and 6–7 h (triangles) for all experiments. The x-axis is the name of experiments (the character C represents the control experiment). The vertical axis is the mean of maximum vertical

3.2 颮線強度對環(huán)境垂直風切變的響應分析

圖6、圖7分別為減?。↙M-14）和增加（LM-20）低層環(huán)境垂直風切變試驗不同發(fā)展時刻的擾動位溫、擾動比濕、風場的垂直剖面圖。減小低層切變后，無論是對流高度還是擾動比濕大?。ㄘ撝祬^(qū)，可大致反應降水強度）相較對照試驗（圖 2）都明顯減弱，這與3.1節(jié)中結論一致。從移動速度來看，t=1 h時對照試驗的冷池前沿位于x=12 km附近，而LM-14試驗已達到x=18 km處，即環(huán)境垂直風切變的減小使得颮線移動速度加快。從圖8a中LM-14，LM-17，LM-20三個試驗的低層平均水平速度（水平方向上為冷池前沿線至其后側20 km，垂直方向為0～1 km共10層的水平速度平均）也可以看出，環(huán)境垂直風切變愈大，平均水平風速愈小。Wakimoto（1982）以及Mueller and Carbon（1987）的觀測分析表明對于大多數對流風暴來說其傳播速度由風暴產生的冷池的移動速度決定，因為新的風暴單體極易被冷池前沿的陣風鋒觸發(fā)從而維持整個風暴系統(tǒng)例如颮線的發(fā)展維持。在圖 6a中上升運動存在兩個中心，一個位于冷池前沿（x=18 km），一個位于x=12 km處。即在開始階段，颮線移速的加快使得冷池前沿陣風鋒觸發(fā)的對流與中層凝結潛熱釋放激發(fā)的上升運動出現分離，t=5.0 h時這種分離不再明顯，而隨著颮線的發(fā)展，這一分離再次顯現（圖6c、6d），且在t=6.5 h時出現明顯分離。增加低層切變后（圖7），颮線移速減小，上升運動并沒有出現如對照試驗所出現的不連續(xù)現象，且無論是從擾動比濕（負值區(qū)）還是對流高度來看，都較對照試驗明顯增強。依據第二部分中冷池的計算公式，給出了這三組試驗的冷切比隨時間的變化曲線（圖 8b），可以發(fā)現低層切變越小，冷切比越大，即在切變發(fā)生改變的情況下，RKW理論定量的解釋了颮線強度變化的原因。而通過分析環(huán)流結構的變化，則具體的展現了颮線強度變化的內部機理。

以上分析表明，颮線前側濕空氣被抬升至中高層，形成颮線系統(tǒng)的上升氣流，濕空氣抬升凝結釋放潛熱使得氣流進一步上升，濕空氣凝結形成雨滴降至地面，降水同時拖拽空氣下沉；雨水的蒸發(fā)使得近地面溫度降低，形成中尺度高壓區(qū)域。這兩者共同作用下在冷池區(qū)域形成輻散氣流，向x正方向的輻散氣流（陣風鋒）與入流形成輻合從而觸發(fā)新的對流產生，并使得颮線向前推進。低層環(huán)境垂直風切變的減小使得輻合中心向右側推進速度加快，從而使得冷池前沿陣風鋒觸發(fā)的新的對流與中層凝結潛熱釋放激發(fā)的上升運動分離，颮線強度減弱，反之亦然。

圖6 同圖2，但為LM-14試驗Fig. 6 As in Fig. 2, but for experiment LM-14

4 低層水汽變化對颮線強度的影響

Meng et al.（2013）通過統(tǒng)計中國東部的颮線發(fā)現，在同樣的不穩(wěn)定條件下不同程度的比濕影響著颮線的發(fā)生程度，即比濕的大小會影響颮線的發(fā)生發(fā)展。因此本章將低層比濕作為敏感性因子，探討在比濕改變的條件下颮線強度如何變化，并從颮線系統(tǒng)的內部環(huán)流結構出發(fā)解釋這一強度變化原因。

與垂直風切變的敏感性試驗類似，在這組敏感性試驗中將敏感性因子改為低層比濕，而垂直風切變則與對照試驗一致。試驗設計了三種不同的混合層比濕：12 g kg?1、14 g kg?1、16 g kg?1，代表低層的水汽含量較低（L）、適中（M）、及較高（H）。不同的混合層比濕對應的環(huán)境CAPE也不相同，分別為1144 J kg?1、2219 J kg?1、3500 J kg?1。就颮線的發(fā)展演變來看，CAPE的變化范圍很大，一般而言，CAPE在1000 J kg?1左右時，對形成一般的颮線系統(tǒng)比較有利，而當其超過2200 J kg?1時，則有可能形成較強的颮線系統(tǒng)（Bluestein et al., 1987；Parker and Johnson, 2000；Weckwerth, 2000）。各試驗命名見表1。

4.1 颮線強度對低層水汽的響應

圖4也可反應颮線強度對低層水汽的響應。從圖中可以看出，在Us相同的情況下，低層比濕愈大則峰值愈大，如LH-17試驗的峰值明顯大于LM-17試驗，而LM-17試驗又明顯大于LL-17試驗。圖4b所呈現的圖像反應出了同樣的結果。從颮線強度的變化趨勢圖（圖 5）也同樣可以看出，隨著低層比濕的增加，各時間段的均值會隨之增大。因此以得出這樣的結論：低層水汽供應越充分，越有利于颮線強度的增強。孫建華等（2014）對實際個例的水汽敏感性試驗也印證了這一結論。

圖7 同圖2，但為LM-20試驗Fig. 7 As in Fig. 2, but for experiment LM-20

圖8 LM-14（紅線）、LM-17（黑線）、LM-20（藍線）三個試驗（a）平均水平速度和（b）冷池強度與低層環(huán)境垂直風切變的比值（C/Us）隨時間變化Fig. 8 Time series of (a) average horizontal velocity and (b) the ratio between the strength of cold pool and low-level VWS (C/Us) for experiments LM-14 (red line), LM-17 (black line), and LM-20 (blue line)

4.2 颮線強度對低層水汽的響應分析

圖9 同圖2，但為LL-17試驗Fig. 9 As in Fig. 2, but for experiment LL-17

圖9、圖10分別為減少（LL-17）和增加（LH-17）低層比濕試驗不同發(fā)展時刻的擾動位溫、擾動比濕、風場的垂直剖面圖。與對照試驗（圖2）相比較可以發(fā)現，三者在颮線推進速度上存在差異，但并不明顯，即改變低層比濕后，颮線強度變化的原因與改變環(huán)境垂直風切變的有所不同。而在垂直上升運動、擾動位溫強度（尤其是正值），擾動比濕強度上，三者差異明顯。LL-17試驗最弱，LH-17最強，LM-17居中。即低層比濕愈大，颮線強度愈強，這與4.1的結論一致。從擾動比濕（正值）來看，LH-17試驗較LL-17試驗擾動幅度更大，即在低層增加比濕的條件下，輸送到中層的水汽更多，相應的凝結潛熱釋放也更多（從擾動位溫正值可看出）；比濕的增加使得颮線降水強度也相應增加，這從冷池前沿線后方的擾動比濕負值大小可以看出。降水愈強，說明空氣中的水汽凝結成液態(tài)水愈多，比濕變化也就越大。減小低層比濕的情況下（圖9），中層釋放的凝結潛熱相對較少，從而使得颮線發(fā)展后期中層不再出現明顯的上升運動或上升運動較弱（圖9c、9d），而增加低層比濕則與此相反；低層比濕的減小使得冷池前沿陣風鋒觸發(fā)的對流強度減小，這與CAPE的釋放大小有關。

為了反映各試驗在颮線移至時環(huán)境CAPE的釋放大小，我們對x=0 km至x=30 km范圍內的CAPE進行了區(qū)域平均，并給出了其隨時間的變化曲線（圖11）。從圖中可以看出，所有試驗的平均CAPE隨時間基本呈現出單調遞減的趨勢，并最終都趨近于零，這是颮線過境后，環(huán)境CAPE釋放的結果。而在不同的條件下，平均CAPE的初始值及變化曲線存在顯著差異，在低層切變相同的情況下，低層比濕越大，則平均CAPE的變化幅度越大，即CAPE釋放值越大。對比圖中LH-17與LL-17試驗的變化曲線可以發(fā)現，前者較后者所釋放的CAPE更大，這決定了各自在冷池前沿新激發(fā)的對流強度LL-17試驗要顯著弱于LH-17試驗。從圖中還可以看出，低層比濕相同的情況下，切變越大，則平均CAPE從初始值遞減至零所需時間越長，即颮線移動的速度越慢。而在低層切變一致時，無論低層比濕條件如何，遞減至零所需時間基本相同。即颮線的移動速度主要與低層切變有關，低層比濕則影響不大。

以上分析表明，在保持低層環(huán)境垂直風切變不變的情況下，改變低層比濕條件，颮線的移動速度未發(fā)生明顯變化，而輸送至颮線系統(tǒng)中高層的水汽卻存在不同，這使得水汽凝結釋放潛熱量不同，進而使得中高層的垂直上升運動強度出現差異；此外，低層比濕的改變也使得環(huán)境CAPE發(fā)生變化，從而影響新激發(fā)的對流強度。即減?。ㄔ黾樱┑蛯颖葷褚环矫鏁沟美涑厍把氐年囷L鋒觸發(fā)的新的對流強度減弱（增強），另一方面輸送到中層的水汽減少（增加），相應的凝結潛熱釋放減小（增大），進而使得中層的上升運動減弱（增強），兩處上升運動的減小及分離（增強并相互貫通）使得颮線強度減弱（增強）。

圖10 同圖2，但為LH-17試驗Fig. 10 As in Fig. 2, but for experiment LH-20

圖11 各試驗區(qū)域平均（x=0～30 km）的對流有效位能（CAPE）值隨時間變化Fig. 11 Time series of regional average (x = 0–30 km) convective available potential energy (CAPE) for all experiments

圖12 環(huán)境參數影響下颮線內部結構調整及其對颮線強度影響的示意圖Fig. 12 Schematic diagram of squall line internal restructuring and variation in intensity for the effects of environmental parameters

5 結論與討論

本文利用ARPS模式對颮線發(fā)生發(fā)展過程進行了二維理想數值試驗，并從颮線系統(tǒng)內部動量、熱量、水汽等物理因子配置的變化過程入手，分析了颮線系統(tǒng)組織化對流的形成、發(fā)展和消亡機制，討論了當低層環(huán)境垂直風切變和水汽等環(huán)境要素場發(fā)生變化時，系統(tǒng)內部各物理因子的響應過程及其對颮線系統(tǒng)強度變化的影響。

研究表明，在深對流演變過程中，颮線系統(tǒng)內部出現動量、熱量以及水汽的區(qū)域性再分配，導致系統(tǒng)內環(huán)流結構、冷池強度發(fā)生改變，并依此對颮線的組織化程度產生影響。通過颮線強度對低層環(huán)境垂直風切變和水汽的敏感性試驗發(fā)現，環(huán)境因素的變化同樣會使颮線系統(tǒng)內部出現動量、熱量、水汽的再分配過程，并依此對颮線強度產生影響。改變低層環(huán)境垂直風切變時，颮線系統(tǒng)內部動量、熱量以及水汽的再分配使得颮線移速發(fā)生變化，從而影響颮線強度：當增大（減?。┑蛯迎h(huán)境垂直風切變時，颮線后側低層的水平速度減?。ㄔ黾樱?，從而使得颮線移速減慢（加快），新激發(fā)的對流與中高層的垂直運動相互貫通（分離），颮線強度得以增強（減弱）；改變低層水汽時，颮線系統(tǒng)內部動量、熱量以及水汽的再分配則主要影響中高層的垂直運動以及新觸發(fā)的對流，從而使得颮線強度發(fā)生變化：增加（減少）低層水汽時，輸送到中高層的水汽增加（減少），水汽凝結釋放潛熱得以增加（減少），這使得中高層的垂直運動增強（減弱）；同時，增加（減少）低層水汽使得颮線移至時環(huán)境所釋放的 CAPE增大（減?。?，冷池前沿所激發(fā)的對流增強（減弱）。兩者作用下新激發(fā)的對流與中高層的垂直運動得以相互貫通（分離），颮線強度增強（減弱）。颮線強度對低層切變及水汽的響應可由示意圖圖12來表示。

本文對颮線發(fā)展過程中其強度對低層環(huán)境垂直風切變和水汽的響應及其原因進行了詳細的研究，但文章涉及的數值試驗皆為兩維結構，這與實際颮線的三維結構存在差異，因此后續(xù)的研究所有試驗將擴展到三維。此外，理想試驗只代表理想環(huán)境配置條件下颮線的發(fā)展變化過程，下一步，將利用實際颮線個例的觀測和數值模擬結果進行診斷分析。

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資助項目 國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）項目2013CB430103，國家自然科學基金項目41275002、41230421，江蘇省高校自然科學研究重大項目14KJA170005，江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”項目，災害天氣國家重點實驗室開放課題（2014LASW-B08）

Funded by National Key Basic Research and Development Project of China (973 Program) (Grant 2013CB430103), National Natural Science Foundation of China (Grants 41275002 and 41230421), The Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China (Grant 14KJA170005), “333 High-Level Talent Development Program” in Jiangsu Province, National Key Laboratory of Disaster Weather (Grant 2014LASW-B08)

文章編號1006-9895(2016)04-0689-14 中圖分類號 P446

文獻標識碼A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14337

收稿日期2014-12-12；網絡預出版日期 2015-07-07

作者簡介張建軍，男，1989年出生，碩士研究生，主要從事中尺度研究。E-mail: zhangjj_nuist@126.com

通訊作者鐘瑋，E-mail: wzhong_vivian@126.com

Impact of Vertical Wind Shear and Moisture on the Organization of Squall Lines

ZHANG Jianjun1, 2, WANG Yongqing2, and ZHONG Wei3, 4
1 Hunan Climate Center, Changsha 410118
2 Pacific Typhoon Research Center, School of Atmospheric Sciences, Nanjing University of Information Science ＆amp; Technology, Nanjing 210044
3 Institute of Meteorology and Ocean, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101
4 Key Laboratory of Mesoscale Severe Weather (Nanjing University), Ministry of Education, Nanjing 210093

AbstractThe redistribution of physical factors and its impacts on the intensity of squall lines under the influence oflow-level Vertical Wind Shear (VWS) and moisture content are examined through two-dimensional idealized simulations with the ARPS model (the University of Oklahoma’s Advanced Research Prediction System). It shows that the redistribution of momentum, heat and moisture during the evolution of squall lines leads to the change of inner vertical circulation and the configuration of perturbation temperature and humidity, which affects the organization of deep convection and the intensity of the system. The results of sensitivity tests of low-level VWS and moisture content show that increasing (decreasing) the low-level VWS decelerates (accelerates) the propagation of the squall line, and makes the connection (separation) between the mid-level upward current and the new forced updrafts at the front edge of the cold pool, which corresponds to the intensification (weakening) of the squall line. On the other hand, increasing (decreasing) the low-level moisture content results in an increase (decrease) of moisture delivery from the low to middle level, which enhances (weakens) the mid-level latent heating and upward movement. Energy analysis indicates that the low-level moisture change influences the release of Convective Available Potential Energy (CAPE), and the intensity of the new convection. The combined effects of latent heating and CAPE released from low-level moisture change also affect the squall line intensity through exerting an influence on the organization of the upper-level upward currents and the new forced updrafts at the front edge of the cold pool.

KeywordsSquall line, Numerical simulation, Cold pool, Vertical Wind Shear, Moisture