李斌，吳立廣

(南京信息工程大學(xué)太平洋臺(tái)風(fēng)研究中心，江蘇南京210044)

1 引 言

颮線(xiàn)是一種準(zhǔn)線(xiàn)性的強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)，伴隨的劇烈天氣現(xiàn)象包括暴雨、冰雹、強(qiáng)風(fēng)甚至龍卷，往往造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1-4]。颮線(xiàn)被定義為“多個(gè)連續(xù)或者間斷的雷暴呈線(xiàn)狀分布，并形成連續(xù)范圍的降水[5]”。颮線(xiàn)在雷達(dá)回波上通常表現(xiàn)為寬度幾十公里的對(duì)流雨帶，幾百公里的長(zhǎng)度后有著大面積的層云降水。在對(duì)流區(qū)域地面一般有明顯的冷池，并且形成陣風(fēng)鋒。在冷池前部出現(xiàn)極強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，而在對(duì)流區(qū)域也存在下沉運(yùn)動(dòng)，在層云區(qū)域存在適度的上升和下沉運(yùn)動(dòng)。而陣風(fēng)鋒經(jīng)過(guò)的地區(qū)地表面氣壓、氣溫和風(fēng)等通常會(huì)發(fā)生突然變化，形成災(zāi)害性天氣。在中國(guó)東部地區(qū)，由于東亞夏季風(fēng)以及臺(tái)風(fēng)外圍雨帶的水汽輸送，在春夏之交和夏季容易生成中小尺度對(duì)流天氣系統(tǒng)[6]。Meng 等[7]統(tǒng)計(jì)了2008—2009年的中國(guó)東部地區(qū)的颮線(xiàn)發(fā)生頻數(shù)，發(fā)現(xiàn)河南、山東、安徽和江蘇四省的交界處是中國(guó)東部地區(qū)颮線(xiàn)生成頻數(shù)最多的區(qū)域。其他的觀測(cè)研究也表明，這一地區(qū)的颮線(xiàn)活動(dòng)極為頻繁[8]。所以對(duì)這一地區(qū)的颮線(xiàn)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前在中國(guó)地區(qū)主要采用天氣分析方法指導(dǎo)中小尺度天氣過(guò)程的預(yù)報(bào)和預(yù)警，時(shí)效只有0～6h[9]。Stensrud 等[10-11]認(rèn)為，隨著數(shù)值模式對(duì)中小尺度系統(tǒng)預(yù)報(bào)能力的提升，應(yīng)該利用高分辨率數(shù)值模式的預(yù)報(bào)進(jìn)行預(yù)警。隨著計(jì)算機(jī)能力的不斷提升和區(qū)域中尺度模式的不斷改進(jìn)，雖然目前仍然存在模式分辨率過(guò)粗、初始和邊界條件不夠準(zhǔn)確等問(wèn)題，但是利用實(shí)際觀測(cè)資料精細(xì)化地模擬對(duì)流系統(tǒng)成為可能[12]。而在眾多對(duì)模式模擬結(jié)果影響的因素中，初始條件占有最重要的影響[13-15]。

Lorenz[16]最早提出模擬結(jié)果對(duì)初始條件的敏感性問(wèn)題，他發(fā)現(xiàn)初始場(chǎng)上較小的差別，隨著模擬時(shí)間的增加會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。地面加密觀測(cè)站具有時(shí)空分辨率高的特點(diǎn)，在一定程度上可彌補(bǔ)常規(guī)觀測(cè)的不足，在天氣分析和預(yù)報(bào)中具有重要意義[17]。但是目前，對(duì)于在對(duì)流系統(tǒng)的預(yù)報(bào)以及預(yù)警工作中應(yīng)用加密觀測(cè)站研究，仍然停留在天氣分析階段[18]。利用地面加密觀測(cè)資料改進(jìn)模擬中國(guó)東部地區(qū)颮線(xiàn)的工作仍較少，雖然有研究討論對(duì)颮線(xiàn)降水和結(jié)構(gòu)模擬的提高[19-20]，但對(duì)模擬颮線(xiàn)演變過(guò)程的影響尚未得到關(guān)注。本次研究選取了2009年6月14日發(fā)生在中國(guó)安徽、江蘇省地區(qū)的颮線(xiàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，討論利用加密自動(dòng)氣象站資料對(duì)模擬結(jié)果的改進(jìn)作用。

2 資料和颮線(xiàn)過(guò)程概況

研究中利用雷達(dá)資料追蹤颮線(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，雷達(dá)資料來(lái)自南京站點(diǎn)業(yè)務(wù)S 波段多普勒雷達(dá)(圖1a)，它與美國(guó)所使用的WSD-88Ds 雷達(dá)具有相同的軟硬件[21]。還使用了來(lái)自中國(guó)氣象局的常規(guī)業(yè)務(wù)觀測(cè)資料以及地面加密自動(dòng)站觀測(cè)資料對(duì)此次颮線(xiàn)進(jìn)行觀測(cè)。相比于常規(guī)業(yè)務(wù)觀測(cè)資料3h一次的時(shí)間分辨率，地面加密觀測(cè)站時(shí)間分辨率達(dá)到了1 min，記錄了2 min 平均風(fēng)速以及10 min 累積降水等氣象要素，同時(shí)空間分辨率也更細(xì)，一般為十幾到幾十公里。

圖1 a. 南京雷達(dá)站點(diǎn)所觀測(cè)到的13、15、17 和22 時(shí)雷達(dá)回波(陰影)和受此次颮線(xiàn)過(guò)程影響的主要城市名稱(chēng)、位置；b. 控制試驗(yàn)中模擬的3 km 高度上17、19、21、23 時(shí)和01 時(shí)時(shí)刻雷達(dá)回波(陰影)和1 km高度上1m/s 的上升運(yùn)動(dòng)(等值線(xiàn))。 本次研究中的數(shù)值模擬區(qū)域，分別用D01、D02 和D03 標(biāo)出。

本研究數(shù)值試驗(yàn)中最外層初始和邊界條件主要來(lái)自于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心 (the National Centers for Environmental Prediction，NCEP) 的水平分辨率為1 °×1 °、時(shí)間間隔為6h的FNL 全球再分析資料，通過(guò)對(duì)14日08 時(shí)—15日06 時(shí)(北京時(shí)間，下同)的FNL 資料進(jìn)行插值，每1h進(jìn)行更新。在個(gè)別實(shí)驗(yàn)中利用了地面加密自動(dòng)站的相對(duì)濕度資料作為OBS-Nudging 的背景場(chǎng)，具體方法將在下文中闡述。

2009年6月14日的颮線(xiàn)過(guò)程持續(xù)了大約7個(gè)多小時(shí)，13 時(shí)首先在安徽、江蘇北部地區(qū)出現(xiàn)局地對(duì)流單體，之后兩地的對(duì)流單體發(fā)展加強(qiáng)并且產(chǎn)生合并，經(jīng)過(guò)2h發(fā)展成一個(gè)水平尺度超過(guò)200 km 的弓形回波(圖1a)，在之后的幾小時(shí)中，弓形回波向東南方向移動(dòng)，大約17 點(diǎn)30 分左右發(fā)展到成熟期，系統(tǒng)表現(xiàn)為長(zhǎng)度400 km 左右的颮線(xiàn)，并且影響到南京地區(qū)。最終在20 點(diǎn)左右，此次颮線(xiàn)過(guò)程在位于江蘇省南部地區(qū)消亡。這一颮線(xiàn)過(guò)程帶來(lái)的雷雨、大風(fēng)和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，影響范圍覆蓋了安徽和江蘇大部分地區(qū)。氣象記錄顯示有個(gè)別站點(diǎn)的降水達(dá)到70 mm，最大降水集中在南京和揚(yáng)州地區(qū)(圖2a)，18 個(gè)觀測(cè)站出現(xiàn)了冰雹，其中最大直徑達(dá)到30 mm。參考圖1a 中觀測(cè)到的雷達(dá)回波走向，在圖2a 中選取了懷遠(yuǎn)、蚌埠、滁州和鎮(zhèn)江四個(gè)西北-東南走向觀測(cè)站。圖2b 顯示了以上四個(gè)站點(diǎn)的2 min 平均風(fēng)速和10 min 累積降水場(chǎng)隨時(shí)間的變化(其中鎮(zhèn)江觀測(cè)站因?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)缺測(cè)，未給出)。從圖中可發(fā)現(xiàn)，颮線(xiàn)系統(tǒng)在整個(gè)過(guò)程中依次經(jīng)過(guò)這四個(gè)站點(diǎn)，再次驗(yàn)證了颮線(xiàn)的移動(dòng)方向。其次，因?yàn)樽畲箫L(fēng)速來(lái)自于颮線(xiàn)前部的陣風(fēng)鋒，所以對(duì)于單個(gè)測(cè)站來(lái)說(shuō)，最大風(fēng)速發(fā)生時(shí)刻略早于最大降水，四個(gè)站點(diǎn)中的風(fēng)速最大可達(dá)14m/s，有的站點(diǎn)測(cè)得的2 min 平均風(fēng)速甚至可達(dá)到20m/s 以上(圖略)，10 min 內(nèi)的最大降水可達(dá)到25 mm 左右。

圖2 a. 各站點(diǎn)觀測(cè)的此次颮線(xiàn)過(guò)程1400—2200 BST 的累積降水(單位：mm)；b. a 中懷遠(yuǎn)、蚌埠、滁州和鎮(zhèn)江四個(gè)站點(diǎn)(方塊)的10 min 降水(柱狀，單位：mm)和2 min 平均風(fēng)速(折線(xiàn)，單位：m/s)，各站點(diǎn)顏色和柱狀圖、折線(xiàn)圖的顏色相對(duì)應(yīng)。

在中國(guó)東部生成颮線(xiàn)頻率較高的地區(qū)，大尺度環(huán)境氣流主要分為六種天氣流型，分別是：前短槽型、前長(zhǎng)槽型、冷渦型、副高型、熱帶氣旋型和槽后型[7]。在6月14日14 時(shí)的高空?qǐng)D中，500 hPa 高度上可看到兩個(gè)強(qiáng)盛的低壓冷渦位于中國(guó)東北地區(qū)和烏拉爾山地區(qū)，兩者之間的蒙古高原和河套地區(qū)形成了一個(gè)十分明顯的高壓脊，從而整個(gè)中國(guó)東部地區(qū)都盛行西北風(fēng)，并且風(fēng)速大于15m/s，這就使得颮線(xiàn)發(fā)生地區(qū)處于高空槽后部。該地區(qū)的西北氣流將北部冷空氣向南方輸送，同時(shí)在該地區(qū)擁有8m/s 以上的低層水平風(fēng)速切變(圖3)，Rotunno 等[22]理想試驗(yàn)指出，強(qiáng)烈的低層切變有利于颮線(xiàn)系統(tǒng)的生成和維持。從單站的探空曲線(xiàn)分析來(lái)看，颮線(xiàn)生成區(qū)域的大氣十分不穩(wěn)定，潛在對(duì)流有效位能(CAPE)達(dá)到了2 470 J/kg，同時(shí)抬升指數(shù)和對(duì)流抑制能量也分別低至-8 K 和1 J/kg，這幾乎達(dá)到了Meng 等[7]所統(tǒng)計(jì)的中國(guó)東部中緯度颮線(xiàn)生成時(shí)刻大氣不穩(wěn)定指數(shù)的最大值。由以上分析可知，在高空干冷空氣以及低層風(fēng)場(chǎng)垂直切變的配合下，再加上局地大氣的不穩(wěn)定層結(jié)都成為此次颮線(xiàn)生成和維持的有利因素。

但是，仍然應(yīng)當(dāng)注意到，2009年江淮地區(qū)入梅時(shí)間較晚，以南京為例，6月27日才宣布入梅。圖3a 也表明，在6月14日副高脊線(xiàn)仍位于20 °N 附近，所以此次颮線(xiàn)過(guò)程發(fā)生的時(shí)間處于梅雨期之前，梅雨期的典型環(huán)流尚未建立，此時(shí)850 hPa 上西南季風(fēng)的水汽供應(yīng)與中國(guó)東部地區(qū)颮線(xiàn)形成的平均水汽條件相比偏弱[7]，水平風(fēng)場(chǎng)的低層切變位于江蘇省南部，使得此次的颮線(xiàn)過(guò)程形成了大風(fēng)為主，降水較弱的情況。

圖3 a. 2009年6月14日14 時(shí)FNL 再分析資料顯示的500 hPa 位勢(shì)高度(等值線(xiàn)，單位：m)，風(fēng)場(chǎng)(矢干，單位：m/s)和大氣水汽含量大于24 kg/m2 的分布(陰影，單位：kg/m2)；b. 2009年6月14日14 時(shí)對(duì)流發(fā)生位置的T-lnP 圖以及不同高度上的風(fēng)場(chǎng)。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了模擬2009年6月14日發(fā)生在中國(guó)東部地區(qū)的一次颮線(xiàn)過(guò)程，我們采用WRF 模式，模式設(shè)計(jì)為雙向的三重網(wǎng)格嵌套方案，分辨率分別為3 km、1 km 和0.333 km(圖1b)。模式所采用的物理過(guò)程主要為：WSM6 微物理參數(shù)化方案、YSU 邊界層方案、Dudhia 短波輻射方案和Noah 陸面過(guò)程參數(shù)化方案，因?yàn)楫?dāng)WRF 模式中的水平分辨率低于10 km 時(shí)不建議采用積云對(duì)流參數(shù)化方案，所以本研究中的網(wǎng)格均未采用積云對(duì)流參數(shù)化方案。

在控制試驗(yàn)(CTL)中分辨率分別為3 km 和1 km 的外層網(wǎng)格從2009年6月14日10 時(shí)開(kāi)始，積分16h，垂直方向?yàn)?0 層。最外層模擬區(qū)域范圍是114.46～121.54 °E，30.70～35.46 °N，模擬中心位于118.0 °E，33.6 °N。積分8h之后，颮線(xiàn)開(kāi)始進(jìn)入成熟期，分辨率為0.333 km 的最內(nèi)層網(wǎng)格從18 時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)。因?yàn)镕NL 資料的時(shí)間分辨率為6h，所以10 時(shí)初始場(chǎng)的數(shù)據(jù)通過(guò)WRF 模式的預(yù)處理模塊(WPS)對(duì)08 時(shí)和14 時(shí)兩次數(shù)據(jù)插值得到，而在實(shí)際觀測(cè)中對(duì)流在14 時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生，所以可能造成在10 時(shí)啟動(dòng)的初始場(chǎng)中存在一定的對(duì)流信號(hào)。對(duì)比試驗(yàn)(EXP-C)的起始積分時(shí)間提前到08 時(shí)，模式的其他設(shè)計(jì)與控制實(shí)驗(yàn)一致，EXP-S 中對(duì)最外層網(wǎng)格采用了觀測(cè)松弛方法(OBS-Nudging)(表1)。OBS-Nudging 方法是將非格點(diǎn)資料差值到初始場(chǎng)中，之后在模式積分過(guò)程中利用觀測(cè)資料，通過(guò)WRF 模式中的FDDA 模塊對(duì)氣象要素的邊界場(chǎng)進(jìn)行修正(圖4)。在本研究中將總共一萬(wàn)多個(gè)地面加密觀測(cè)站的相對(duì)濕度加入到初始場(chǎng)和模擬中，地面加密觀測(cè)站的時(shí)間分辨率達(dá)到了1 min，所以在此試驗(yàn)中每隔2 min 只對(duì)最外層網(wǎng)格模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行OBS-Nudging。

表1 試驗(yàn)名稱(chēng)及設(shè)計(jì)

圖4 OBS-Nudging 技術(shù)路線(xiàn)

4 2009年6月14日颮線(xiàn)過(guò)程模擬結(jié)果

4.1 模式結(jié)果驗(yàn)證

圖1b 給出控制實(shí)驗(yàn)(CTL)模擬的3 km 高度雷達(dá)回波(陰影)，等值線(xiàn)為在1 km 高度上1m/s的上升運(yùn)動(dòng)，圖5a 是模擬這次颮線(xiàn)過(guò)程的累積降水。模擬的對(duì)流觸發(fā)位置和觀測(cè)一致，都位于山東省南部的臨沂市附近，但是模擬的對(duì)流大約在17時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生，比觀測(cè)結(jié)果延遲了4h。和觀測(cè)相似的是，在18 時(shí)模擬結(jié)果的雷達(dá)回波顯示多個(gè)對(duì)流單體已經(jīng)形成并且合并，對(duì)流逐漸向東南方向移動(dòng)。在19 時(shí)對(duì)流已經(jīng)發(fā)展到影響江蘇北部地區(qū)，但是水平尺度仍然較小，還未形成颮線(xiàn)。從19—21時(shí)對(duì)流經(jīng)過(guò)洪澤湖之后快速發(fā)展，水平尺度擴(kuò)展到兩百多公里形成颮線(xiàn)。與觀測(cè)中颮線(xiàn)在17 時(shí)30分達(dá)到最強(qiáng)相比，模擬的颮線(xiàn)在21 時(shí)30 分達(dá)到最大強(qiáng)度，因此模擬的颮線(xiàn)移動(dòng)速度和觀測(cè)一致。

圖5 CTL(a)和EXP-C(b)的颮線(xiàn)過(guò)程累積降水 單位:mm。

同時(shí)，弓狀回波的主要中尺度結(jié)構(gòu)特征也驗(yàn)證了模擬結(jié)果(圖6、圖7)。之前的觀測(cè)和模擬對(duì)于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的特征都有較多的研究[23-30]，主要特征在模擬的颮線(xiàn)中都有體現(xiàn)。當(dāng)颮線(xiàn)發(fā)展到成熟期，颮線(xiàn)南北兩端的水平風(fēng)場(chǎng)上，形成了一對(duì)氣旋和反氣旋性渦旋，匯合到颮線(xiàn)中部的尾部入流形成弓狀回波。在對(duì)流核心區(qū)域，試驗(yàn)結(jié)果顯示最強(qiáng)的雷達(dá)回波位于4 km 高度上(圖7a)，達(dá)到了50 dBz。后部層云的0 ℃以下區(qū)域有著大片的下沉氣流所形成的尾部入流，同時(shí)0 ℃范圍作為融化層正是模擬中的雷達(dá)亮帶區(qū)域。在對(duì)流后部，因?yàn)閷釉平邓臀膊咳肓鞯墓餐饔茫纬闪死涑亟Y(jié)構(gòu)，與周?chē)h(huán)境場(chǎng)相比最大的溫度擾動(dòng)達(dá)到-4 ℃(圖7b)，這使得在低層出現(xiàn)氣壓正異常，與尾部入流導(dǎo)致中尺度對(duì)流系統(tǒng)的前部形成極強(qiáng)的陣風(fēng)[31]。最終模擬的颮線(xiàn)在15日01 時(shí)在江蘇南部消亡。

圖6 控制實(shí)驗(yàn)中颮線(xiàn)發(fā)展成熟期3 km 高度上的水平結(jié)構(gòu) 陰影為雷達(dá)回波，矢量為風(fēng)場(chǎng)(單位：m/s)。

圖7 沿圖6 黑線(xiàn)的颮線(xiàn)垂直結(jié)構(gòu) a. 陰影為雷達(dá)回波(單位：dBz)，等值線(xiàn)為垂直運(yùn)動(dòng)(單位：m/s)，流線(xiàn)為風(fēng)場(chǎng)；b. 陰影為擾動(dòng)氣壓(單位：hPa)，流線(xiàn)為風(fēng)場(chǎng)，綠色等值線(xiàn)為降水率(單位：g/kg)，黑色虛線(xiàn)為溫度擾動(dòng)場(chǎng)(單位：℃)。

模擬的此次颮線(xiàn)過(guò)程的累積降水空間分布結(jié)果和觀測(cè)較接近，尤其是位于江蘇省中部地區(qū)的強(qiáng)降水和觀測(cè)相一致，但是在整體的強(qiáng)度上偏弱。雖然和觀測(cè)相比較，對(duì)流觸發(fā)時(shí)刻延遲了3～4h，在模擬過(guò)程中颮線(xiàn)整體向東偏移了100 km 左右，但是這一偏差在采用真實(shí)的大氣模擬資料對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的模擬中是比較普遍的[32-34]?？紤]到以上的因素，我們認(rèn)為和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相比較，模擬結(jié)果還是很好地模擬了對(duì)流的觸發(fā)和演變過(guò)程，尤其是降水區(qū)域中的極端降水分布情況。

4.2 對(duì)比試驗(yàn)

因?yàn)樵诳刂圃囼?yàn)中，模式所采用的初始場(chǎng)是將FNL 資料中的08 時(shí)和14 時(shí)大氣資料進(jìn)行插值，從10 時(shí)開(kāi)始對(duì)颮線(xiàn)進(jìn)行模擬，這就很可能造成在控制試驗(yàn)的初始場(chǎng)中存在對(duì)流觸發(fā)的氣象信號(hào)。在對(duì)比試驗(yàn)(EXP-C)中我們嘗試將模擬時(shí)間提前到08 時(shí)，模式其他參數(shù)設(shè)置仍和之前的控制試驗(yàn)一致。試驗(yàn)的降水模擬結(jié)果如圖5b，因?yàn)楹虲TL 中的颮線(xiàn)起始和結(jié)束時(shí)間不一致，所以EXP-C 中的累積降水針對(duì)的是該試驗(yàn)過(guò)程。和CTL 比較，EXP-C 中的降水明顯有所減弱，尤其是在江蘇省中部地區(qū)的降水大值區(qū)，這一減弱特征更明顯。在EXP-C 中，只有少部分地區(qū)的降水達(dá)到了50 mm，大部分地區(qū)的降水僅達(dá)到20 mm，同時(shí)強(qiáng)降水的落區(qū)相比于控制試驗(yàn)偏北，集中于淮安地區(qū)?？紤]到兩者試驗(yàn)采用的是同一微物理過(guò)程參數(shù)化方案，這一降水量的減少極有可能是因?yàn)閷?duì)流的減弱所造成的，因此我們檢查了EXP-C中的對(duì)流演化情況(圖8)。從雷達(dá)回波中可看到，EXP-C 中的對(duì)流觸發(fā)時(shí)間要比CTL 中延遲1h左右，同時(shí)系統(tǒng)強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)刻也相應(yīng)延遲1h。雖然從雷達(dá)回波圖上所反映的對(duì)流強(qiáng)度并沒(méi)有明顯的減弱，但是颮線(xiàn)的整體強(qiáng)度有一定程度的減弱，其水平尺度要減小50 km 左右。

為了找到對(duì)流觸發(fā)時(shí)間延遲的原因，我們檢查了兩者在對(duì)流發(fā)生之前的環(huán)境場(chǎng)(圖9)。從大氣不穩(wěn)定能量來(lái)看，在16 時(shí)對(duì)流未觸發(fā)之前，EXP-C 中的CAPE 值除了在江蘇省中部少部分地區(qū)之外都要弱于控制試驗(yàn)，尤其是在對(duì)流觸發(fā)地區(qū)，CAPE 值要低600 J/kg(圖9a)。但是從風(fēng)場(chǎng)上來(lái)看，EXP-C 的低層風(fēng)切變(0～3 km)甚至要強(qiáng)于CTL，更加有利于對(duì)流的發(fā)展和維持(圖9b)。分析這兩個(gè)對(duì)流發(fā)展的重要參數(shù)不難發(fā)現(xiàn)，大氣中的不穩(wěn)定能量是導(dǎo)致EXP-C 中的對(duì)流觸發(fā)時(shí)間延遲的重要原因，而大氣中的溫度和濕度是決定了CAPE 值的重要因素。從圖9c 中可看到，和控制試驗(yàn)比較，在EXP-C 中對(duì)流觸發(fā)地區(qū)，2 km 以下的溫度最大減弱了0.8 ℃，而在3 km 高度上溫度則有較弱的增強(qiáng)，這就使得在EXP-C 中的溫度，在垂直分布上形成了低層更冷，而高層更暖的形態(tài)；在濕度場(chǎng)上，EXP-C 的大氣除了在10—12 時(shí)之間低層(1 km 以下)存在一個(gè)更濕的環(huán)境以外，整體上更加干燥。所以EXP-C 中的溫度和濕度在對(duì)流觸發(fā)區(qū)域都存在不利于對(duì)流觸發(fā)的變化，這使得我們難以確定是哪一個(gè)參數(shù)模擬的偏差影響了CAPE 值。

圖8 CTL 中(a、b)和EXP-C 中(c、d)對(duì)流觸發(fā)時(shí)刻(a、c)和颮線(xiàn)成熟期(b、d)的雷達(dá)回波(陰影，單位：dBz)以及風(fēng)場(chǎng)(矢量，單位m/s)

圖9 a. EXP-C 中的CAPE(單位：J/kg)減去CTL 中CAPE 的差值(陰影)；b. EXP-C 中0～3 km 垂直風(fēng)切變(單位：m/s)減去CTL 中垂直切變的差值(陰影和矢量)；c. EXP-C 中在對(duì)流觸發(fā)地區(qū)(a 中的方框)區(qū)域平均的比濕(等值線(xiàn)，單位：g/kg)與溫度(陰影，單位：℃)減去CTL 中的差值隨時(shí)間的變化。

為了解決這一問(wèn)題，接下來(lái)我們分別采用了CTL 中的溫度和濕度來(lái)替換EXP-C 中的相應(yīng)的物理量來(lái)計(jì)算CAPE 值(圖10a、10b)，在本次個(gè)例中CAPE 值對(duì)于溫度場(chǎng)并不敏感，僅在蘇中地區(qū)有大約100～200 J/kg 的變化，造成和CTL 中CAPE 值的差別主要是由于模擬的濕度偏差所造成的。同時(shí)和實(shí)際觀測(cè)相比較，我們選取了對(duì)流觸發(fā)周?chē)乃膫€(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，陰影為四個(gè)站點(diǎn)相對(duì)濕度的變化范圍，黑線(xiàn)為其平均值，紅線(xiàn)是EXP-C 中模擬的地面相對(duì)濕度隨時(shí)間變化，可發(fā)現(xiàn)模式所模擬的大氣濕度不但未能達(dá)到觀測(cè)強(qiáng)度，甚至出現(xiàn)了相反的變化趨勢(shì)(圖10c)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證我們之前的結(jié)論，分別將整層大氣和500 hPa 以下的大氣中的相對(duì)濕度加上10%，仍然將模式的起始模擬時(shí)間設(shè)定在08 時(shí)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)相差并不大的降水和對(duì)流模擬結(jié)果表明(圖11a、11b)，模擬結(jié)果主要是受到低層水汽的影響。相較于CTL 和EXP-C 的降水，無(wú)論是空間分布還是強(qiáng)度都得到了有效的增強(qiáng)，強(qiáng)降水面積明顯增加并且集中在蘇中地區(qū)，降水強(qiáng)度不但大于EXP-C，而且也比控制試驗(yàn)中的結(jié)果更接近于實(shí)際觀測(cè)。同時(shí)對(duì)流的觸發(fā)和颮線(xiàn)的形成的模擬也得到了改善，對(duì)流觸發(fā)的時(shí)間提前到了15 時(shí)30分，颮線(xiàn)成熟期的對(duì)流強(qiáng)度也得到加強(qiáng)。所以，本文認(rèn)為改進(jìn)模擬中的低層水汽偏差可有效提高模擬效果。

圖10 將CTL 中的比濕(a)和溫度(b)分別替換EXP-C 中的氣象參數(shù)之后的CAPE 值與原來(lái)的差值(單位：J/kg)；c. 對(duì)流觸發(fā)區(qū)域中觀測(cè)站的相對(duì)濕度平均值(黑線(xiàn)，單位：%)，各站點(diǎn)相對(duì)濕度變化范圍(陰影，單位：%)隨時(shí)間變化以及EXP-C 中的相對(duì)濕度變化(紅線(xiàn)，單位：%)。

圖11 整層大氣(a)和500 hPa 以下的大氣(b)中的相對(duì)濕度加上10%后模擬的颮線(xiàn)過(guò)程累積降水(陰影，單位：mm)

4.3 模擬結(jié)果改進(jìn)

以上研究表明，低層水汽的模擬對(duì)于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的模擬結(jié)果起到十分重要的作用，但是和觀測(cè)相比較水汽的模擬卻存在較大的偏差，那么如何在模擬過(guò)程中改進(jìn)水汽的模擬從而提升模擬結(jié)果就很重要。因?yàn)槌Ｒ?guī)觀測(cè)站的時(shí)空分辨率較低，很難有效捕捉到中尺度對(duì)流系統(tǒng)的信號(hào)，所以在本研究中，通過(guò)OBS-Nudging 技術(shù)將地面加密自動(dòng)氣象站的水汽觀測(cè)數(shù)據(jù)加入到模擬的最外層網(wǎng)格中。因?yàn)榈孛婕用茏詣?dòng)氣象站資料的時(shí)間分辨率可達(dá)到1 min，所以每隔2 min 利用站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬場(chǎng)中的水汽進(jìn)行修正，從而使得模擬場(chǎng)中的水汽量更加接近實(shí)際大氣，改進(jìn)模擬結(jié)果，將這一試驗(yàn)稱(chēng)為EXP-S。

EXP-S 中的初始場(chǎng)和EXP-C 相比較，由于加入了觀測(cè)資料的修正，所以絕大部分模擬區(qū)域內(nèi)低層水汽都得到了加強(qiáng)(圖缺)。而在模擬過(guò)程中，觀測(cè)資料對(duì)下邊界條件也起到了修正的作用。從圖12 中距離地面2m高度上的相對(duì)濕度場(chǎng)可發(fā)現(xiàn)，OBS-Nudging 方法使得相對(duì)濕度相比于EXP-C 中的模擬結(jié)果更加貼近實(shí)際觀測(cè)，下邊界條件更加不均勻，水汽在對(duì)流觸發(fā)區(qū)域更加集中。因?yàn)榭刂圃囼?yàn)中颮線(xiàn)是從18 時(shí)的對(duì)流發(fā)展而來(lái)，而在EXP-S 中并非如此，所以如圖13 所示，對(duì)流的觸發(fā)時(shí)間要比控制試驗(yàn)中的結(jié)果提前1h，同時(shí)颮線(xiàn)強(qiáng)度的模擬得到了加強(qiáng)。

圖12 1800 BST 時(shí)刻EXP-S 與EXP-C 中距離地面2m高度上的相對(duì)濕度的差值(陰影，單位：%)

圖13 EXP-S 中對(duì)流觸發(fā)時(shí)刻(a)和颮線(xiàn)成熟期(b)的雷達(dá)回波(陰影)和水平風(fēng)場(chǎng)(矢量，單位：m/s)

在EXP-S 中對(duì)流觸發(fā)時(shí)刻為17 時(shí)，并且對(duì)比EXP-C 中的結(jié)果，對(duì)流觸發(fā)的位置也基本沒(méi)有變化，但是強(qiáng)度增加。在21 時(shí)30 分颮線(xiàn)進(jìn)入成熟期，整個(gè)過(guò)程中颮線(xiàn)的移動(dòng)速度比控制試驗(yàn)略慢，但是颮線(xiàn)的整體形態(tài)基本一致。從剖面圖上可發(fā)現(xiàn)(圖14)，在EXP-S 中颮線(xiàn)的對(duì)流強(qiáng)度明顯強(qiáng)于控制試驗(yàn)中的模擬結(jié)果。在控制試驗(yàn)中，颮線(xiàn)達(dá)到成熟期時(shí)，最強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)位于6 km 高度上，達(dá)到9m/s，而在EXP-S 中的最大上升運(yùn)動(dòng)位于10 km高度上，上升速度為18m/s。對(duì)比颮線(xiàn)后部冷池也可看到，在控制試驗(yàn)中的溫度異常為-3 ℃，而在EXP-S 中的溫度異常達(dá)到了-5 ℃。正是因?yàn)榧尤肓说孛婕用茏詣?dòng)站資料，改善了模式中的水汽條件，從而形成了更強(qiáng)的冷池，更有利于對(duì)流的發(fā)展和維持。

圖14 沿上圖黑線(xiàn)的颮線(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)陰影為雷達(dá)回波，紅黑色等值線(xiàn)為垂直運(yùn)動(dòng)(單位：m/s)，流線(xiàn)為風(fēng)場(chǎng)，黑色等值線(xiàn)為溫度異常場(chǎng)(單位：℃)。

5 結(jié) 論

對(duì)中小尺度系統(tǒng)的模擬一直都是對(duì)模式的巨大挑戰(zhàn)，隨著模式改進(jìn)和計(jì)算機(jī)能力的提高，通過(guò)改進(jìn)初始場(chǎng)從而改善模擬結(jié)果被前人研究所關(guān)注，但是利用地面加密觀測(cè)資料改進(jìn)模擬中國(guó)東部地區(qū)颮線(xiàn)的工作仍較少，對(duì)模擬颮線(xiàn)演變過(guò)程的影響尚未得到關(guān)注。本研究選取了2009年6月14日發(fā)生在中國(guó)東部江蘇、安徽兩省的一次颮線(xiàn)過(guò)程進(jìn)行模擬。

在控制試驗(yàn)(CTL)中，從北京時(shí)間10 時(shí)開(kāi)始模擬，雖然對(duì)流觸發(fā)時(shí)間比觀測(cè)晚3h，并且整體的降水強(qiáng)度偏低，但是模擬的對(duì)流在山東省北部觸發(fā)，之后向東南方向移動(dòng)，最終在蘇南地區(qū)消亡的結(jié)果和觀測(cè)相一致。同時(shí)，模擬所顯示的位于南京、揚(yáng)州地區(qū)的強(qiáng)降水中心也和觀測(cè)類(lèi)似。當(dāng)在南京地區(qū)發(fā)展成熟之后所展現(xiàn)的颮線(xiàn)結(jié)構(gòu)也符合前人的研究。因此可認(rèn)為在控制試驗(yàn)中此次颮線(xiàn)過(guò)程得到了較好的模擬。相比控制實(shí)驗(yàn)，在對(duì)比試驗(yàn)(EXP-C)中將模擬時(shí)間提前到08 時(shí)，雖然EXP-C中的低層風(fēng)切變更強(qiáng)，更有利于對(duì)流的發(fā)展，但是大氣不穩(wěn)定能量的減弱造成了模擬的對(duì)流觸發(fā)時(shí)間比觀測(cè)結(jié)構(gòu)推遲了4h。強(qiáng)降水出現(xiàn)的范圍和地區(qū)都和觀測(cè)有較大的區(qū)別，在颮線(xiàn)發(fā)展成熟時(shí)，水平尺度相比于CTL 試驗(yàn)減小了50 km 左右，強(qiáng)度明顯減弱。

而造成不穩(wěn)定能量偏低的主要原因是由于大氣中水汽含量模擬出現(xiàn)了偏差。通過(guò)增加大氣中的水汽含量，尤其是低層水汽(500 hPa 以下)，對(duì)流觸發(fā)時(shí)間都有所改進(jìn)，更加接近實(shí)際觀測(cè)結(jié)果。為了解決低層水汽在模擬中與實(shí)際觀測(cè)偏差較大的問(wèn)題，在本研究中我們通過(guò)nudging 技術(shù)，將地面觀測(cè)站的水汽觀測(cè)數(shù)據(jù)加入到模擬過(guò)程中，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)在模擬過(guò)程中對(duì)水汽含量的不斷修正，從而改進(jìn)了模擬結(jié)果。通過(guò)利用地面觀測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行Nudging，雖然對(duì)流觸發(fā)時(shí)間相比于實(shí)際觀測(cè)仍有延遲，但是比EXP-C 中的結(jié)果提前了2～3h，比CTL 試驗(yàn)中的對(duì)流觸發(fā)時(shí)間提前了1h，同時(shí)颮線(xiàn)尺度和對(duì)流強(qiáng)度都得到增強(qiáng)，從而有效地改進(jìn)了模擬結(jié)果。

但是本研究中僅對(duì)2009年6月14日發(fā)生在中國(guó)江蘇省北部地區(qū)的颮線(xiàn)進(jìn)行了模擬，通過(guò)地面加密觀測(cè)站資料對(duì)颮線(xiàn)的模擬結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，在今后的工作中可對(duì)多個(gè)個(gè)例進(jìn)行討論。同時(shí)，在改進(jìn)的過(guò)程中，對(duì)于初始場(chǎng)和邊界條件均采用了OBS-Nudging 方法，這兩者對(duì)于模擬結(jié)果影響的重要性，值得在今后的工作中進(jìn)一步的探討。并且和實(shí)際觀測(cè)相比較，改進(jìn)后的模擬結(jié)果仍存在一定的差距，主要體現(xiàn)在對(duì)流觸發(fā)的時(shí)間和降水強(qiáng)度的模擬上，在今后的研究中將嘗試將雷達(dá)觀測(cè)的風(fēng)場(chǎng)同化進(jìn)模擬場(chǎng)中，從而進(jìn)一步改進(jìn)模擬結(jié)果。