袁招洪

上海市氣象局，上海，200030

1 引言

夜間颮線是一種經(jīng)常發(fā)生的突發(fā)災(zāi)害天氣，常伴有地面大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等氣象災(zāi)害，一旦發(fā)生，極易造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失（鄭永光等，2016）。由于夜間颮線具有突發(fā)性、強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，加之發(fā)生在夜間，是日常預(yù)報(bào)和防災(zāi)、減災(zāi)的難點(diǎn)。另外，夜間颮線與午后颮線的形成機(jī)制不盡相同，與大氣環(huán)境場(chǎng)、邊界層存在著相互作用的復(fù)雜關(guān)系，也是科學(xué)研究的重點(diǎn)。

夜間颮線常發(fā)生在穩(wěn)定的邊界層中（Koch，et al，1999，1999），可以在不同的天氣背景下生成和發(fā)展。研究表明，冷渦背景、高空槽前和副熱帶高壓邊緣等大氣環(huán)境場(chǎng)中都可能生成夜間颮線（孫虎林等，2011；楊珊珊等，2016；陶嵐等，2014），有時(shí)在中高層還可能有干空氣的入侵（曲曉波等，2010）。夜間颮線常伴有低空急流（Pitchford，et al，1962；Maddox，1983），由于其能為夜間颮線發(fā)展提供暖濕空氣，并通過(guò)改變急流上下的風(fēng)切變從而改變颮線相對(duì)入流的大小對(duì)夜間颮線發(fā)展演變產(chǎn)生影響（Gale，et al，2002；Trier，et al，2006；French，et al，2010；Gebauer，et al，2018），但低空急流并不是夜間颮線發(fā)生、發(fā)展的必備條件（Parker，2008）。氣候統(tǒng)計(jì)分析表明夜間的中尺度對(duì)流系統(tǒng)（MCS）常發(fā)生在靜止鋒或暖鋒冷的一側(cè)（Laing，et al，2000）。盡管夜間颮線與白天颮線的環(huán)境條件存在差異，但成熟階段依然有明顯的雷暴高壓、冷池、出流邊界、尾流低壓等典型颮線的地面特征（梁建宇等，2012），以及后側(cè)入流急流（RIJ）、冷池和陣風(fēng)鋒等結(jié)構(gòu)特征（陶嵐等，2014）。夜間颮線雷達(dá)回波常呈現(xiàn)為帶狀或弓狀（Gale，et al，2002），生命期可持續(xù)10 h以上（Gale，et al，2002；孫虎林等，2011），并伴有地面致災(zāi)大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹和閃電等氣象災(zāi)害（曲曉波等，2010）。

大氣環(huán)境條件對(duì)夜間颮線的發(fā)生、發(fā)展至關(guān)重要。低層風(fēng)切變對(duì)雷暴的維持和加強(qiáng)起重要作用（俞小鼎等，2012），傍晚低對(duì)流層風(fēng)切變的增強(qiáng)對(duì)夜間中尺度對(duì)流系統(tǒng)、超級(jí)單體甚至龍卷等對(duì)流風(fēng)暴 的 動(dòng) 力 過(guò) 程 有 明 顯 影 響（Fritsch，et al，1994；Markowski，et al，1998），強(qiáng)低層風(fēng)切變通過(guò)增大對(duì)流性不穩(wěn)定相對(duì)入流而使颮線強(qiáng)度增大（Alfaro，2017）。Peters等（2019a）利用垂直動(dòng)量方程解釋了風(fēng)切變對(duì)颮線上升氣流直立和傾斜影響的動(dòng)力機(jī)制。Lebo等（2014）基于RKW理論研究了氣溶膠通過(guò)改變雨滴大小和數(shù)量影響冷池強(qiáng)度的機(jī)制，得出了在弱低層風(fēng)切變環(huán)境下氣溶膠的增加有利于颮線冷池和環(huán)境風(fēng)切變達(dá)到最優(yōu)平衡而強(qiáng)低層風(fēng)切變正好相反的結(jié)論。低層濕度增大、低層風(fēng)切變?cè)鰪?qiáng)對(duì)夜間颮線生成和移動(dòng)有明顯的影響（Crook，et al，1990）。高空干冷空氣的侵入對(duì)高濕環(huán)境下夜間颮線的維持起到了關(guān)鍵作用（陶嵐等，2014）。冷池不僅能將低層空氣抬升到自由對(duì)流高度（LFC）的上方，對(duì)夜間颮線的移動(dòng)走向也有影響（Billings，et al，2012）。Peters K等（2017）研究發(fā)現(xiàn)地面溫度對(duì)颮線本身影響有限，但高的地面溫度能更早激發(fā)出颮線前部的二次對(duì)流（secondary convection）而使颮線移動(dòng)加速。此外，在夜間颮線的 觸 發(fā) 機(jī) 制（Wilson，et al，2006；Billings，et al，2012）、重力波對(duì)夜間颮線的影響機(jī)制（Fovell，et al，2006；Su，et al，2017），特別是2015年美國(guó)設(shè)立的平原夜間高架對(duì)流（PECAN）研究計(jì)劃（Geerts，et al，2017）圍繞夜間中尺度對(duì)流系統(tǒng)的初始化、涌、低空急流等方面的研究已取得明顯進(jìn)展。這些研究不僅對(duì)夜間颮線發(fā)生、發(fā)展機(jī)制有了深入的了解，也為夜間颮線的日常預(yù)報(bào)提供了依據(jù)。

2017年8月7日在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)發(fā)生了一次夜間颮線過(guò)程。該過(guò)程影響上海地區(qū)時(shí)雷達(dá)回波呈帶狀，出現(xiàn)了明顯的陣風(fēng)鋒，地面最大風(fēng)速達(dá)到23.3 m/s，是一次典型的夜間颮線過(guò)程。本研究以此次過(guò)程為例，利用CM1數(shù)值模式，通過(guò)改變中層相對(duì)濕度、低層風(fēng)切變和對(duì)流有效位能（CAPE）對(duì)模擬結(jié)果的影響分析，研究大氣環(huán)境條件對(duì)夜間颮線發(fā)生、發(fā)展的影響機(jī)制，探討夜間颮線發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵因素。

2 個(gè)例描述

本次夜間颮線過(guò)程發(fā)生在副熱帶高壓北緣、低空切變線的南側(cè)。2017年8月7日20時(shí)—8日08時(shí)（北京時(shí)，下同），伴隨500 hPa高空短波槽東移和副熱帶高壓南退，位于淮河以北的700和850 hPa切變線南壓至淮河附近，副熱帶高壓西北側(cè)的低空急流明顯加強(qiáng)，位于淮河流域的雨帶也明顯增強(qiáng)。2017年8月7日下午至颮線系統(tǒng)影響前，上海地區(qū)處于高能量的大氣狀態(tài)下。14時(shí)寶山站探空資料計(jì)算的對(duì)流有效位能為3514.2 J/kg，到20時(shí)其值達(dá)到了4306.2 J/kg。此次過(guò)程從對(duì)流觸發(fā)到颮線入海減弱持續(xù)了約5 h。從颮線系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程的雷達(dá)回波（圖1）可見(jiàn)，18時(shí)12分位于江蘇西南部和安徽東北部的南北向回波帶前有兩塊回波單體（圖1a），分別位于江陰北部（A）和太湖北部（B），隨系統(tǒng)東移，19時(shí)57分在A、B回波單體間的常熟附近激發(fā)了新的回波單體（C）（圖1b），20時(shí)32分A、B、C三個(gè)回波單體連成一線（圖1c）。之后，回波A逐步減弱，回波B和C逐步加強(qiáng)，21時(shí)22分新生成的回波帶與其后側(cè)的回波帶疊加加強(qiáng)并呈明顯的弓狀（圖1d）。此后，弓狀回波北側(cè)減弱、南側(cè)加強(qiáng)，逐步發(fā)展為東北—西南走向的帶狀回波并開(kāi)始影響上海地區(qū)，在颮線回波前沿出現(xiàn)了明顯的陣風(fēng)鋒（圖1e）。23時(shí)30分，颮線系統(tǒng)東移入海，明顯減弱（圖1f）。

3 試驗(yàn)方法

3.1 對(duì)照試驗(yàn)

針對(duì)該過(guò)程于2017年8月7日傍晚觸發(fā)、夜間發(fā)展的特點(diǎn)，采取19.9版的Bryan云模式（CM1）（Bryan，et al，2002）開(kāi)展大氣環(huán)境條件影響本次夜間颮線發(fā)生、發(fā)展的敏感性試驗(yàn)。CM1模式是一個(gè)三維、非靜力數(shù)值模式，已被廣泛應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害天氣的理論研究，模式參數(shù)配置詳見(jiàn)表1。

表1 CM1模式（V19.9）參數(shù)配置Table 1 Summary of CM1 （V19.9） model settings for simulations

CM1模式初始場(chǎng)為水平均勻場(chǎng)，由輸入模式的探空資料提供。試驗(yàn)表明，基于2017年8月7日20時(shí)寶山探空站的探空資料作為輸入構(gòu)建模式初始場(chǎng)，并不能有效模擬出組織化的颮線系統(tǒng)。與實(shí)況觀測(cè)相比，盡管模擬的颮線系統(tǒng)移動(dòng)偏慢，結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度存在一定的差異，但初始時(shí)刻為2017年8月7日14時(shí)的WRF模式能模擬出該颮線系統(tǒng)。因此，采用Parker等（2020）提出的方法，將WRF模式積分至2017年8月7日22時(shí)40分，即模擬颮線系統(tǒng)移至上海西部地區(qū)，模擬颮線前沿的“格點(diǎn)”探空曲線作為輸入探空資料進(jìn)行CM1模式的颮線模擬試驗(yàn)?！案顸c(diǎn)”探空位置為（32°N，121°E）。為了判斷WRF模擬“格點(diǎn)”探空資料的合理性，將WRF模擬2017年8月7日20時(shí)的“格點(diǎn)”探空曲線與2017年8月7日20時(shí)寶山站（31.41°N，121.46°E）實(shí)際觀測(cè)的探空曲線進(jìn)行比較（圖2）。由圖2可見(jiàn)，盡管兩者相距約60 km，但探空曲線的熱、動(dòng)力廓線特征很相似。在700—500 hPa存在濕度較小的干層，呈現(xiàn)了上干下濕的特征。在925—850 hPa為西南風(fēng)，850—400 hPa為偏西風(fēng)，300 hPa以上為西北風(fēng)?！案顸c(diǎn)”探空曲線和寶山探空曲線計(jì)算的對(duì)流有效位能分別為3104.1和4306.2 J/kg。盡管寶山探空曲線的對(duì)流有效位能大于“格點(diǎn)”探空曲線，更有利于激發(fā)出對(duì)流，但后者依然屬于高能量的大氣狀況。

由WRF模擬的時(shí)間為2017年8月7日22時(shí)40分“格點(diǎn)”探空曲線（圖3a）計(jì)算出的對(duì)流有效位能為3356.2 J/kg，對(duì)流抑制能量（CIN）為112.6 J/kg，自由對(duì)流高度為854.5 hPa，抬升凝結(jié)高度（TCL）為966.5 hPa。為使CM1能取得更好的模擬效果，參照雷達(dá)回波（圖1），在模擬區(qū)域設(shè)置110 km×70 km的冷池和2個(gè)位溫?cái)_動(dòng)略有差異的暖泡（見(jiàn)圖3b），分別對(duì)應(yīng)圖1a中回波帶和回波帶前A、B的2個(gè)對(duì)流單體。冷池位溫?cái)_動(dòng)為?5 K，厚度為2 km。2個(gè)暖泡在冷池前方50 km，兩者相距50 km，其水平半徑10 km，垂直半徑1.5 km，中心位于2 km高度，位溫?cái)_動(dòng)分別為2 K（A）和1 K（B）。

圖1 常州雷達(dá) （a.18時(shí)12分，b.19時(shí)57分，c.20時(shí)32分） 和南匯雷達(dá) （d.21時(shí)22分，e.22時(shí)17分，f.23時(shí)30分） 探測(cè)到的颮線系統(tǒng)發(fā)展演變的雷達(dá)回波 （PPI，0.5°仰角，色階，單位：dBz）Fig.1 PPI of reflectivity factor （shaded，unit：dBz） at 0.5° elevation angle from Changzhou radar at （a） 18：12 BT，（b） 19：57 BT，（c） 20：32 BT，and from Nanhui radar at （d） 21：22 BT，（e） 22：17 BT，（f） 23：30 BT

圖3 CM1初始場(chǎng)“格點(diǎn)”探空曲線 （a） 與冷池和熱泡位溫強(qiáng)迫擾動(dòng) （b） 示意Fig.3 Initial conditions for the idealized simulations （a."grid" sounding profile，b.potential temperature perturbations （shaded） for cold pool and 2 bubbles in the CM1 model domain）

圖4為CM1模擬颮線2 km高度的雷達(dá)回波。模式積分20 min，在冷池位溫?cái)_動(dòng)前沿和暖泡位溫?cái)_動(dòng)位置激發(fā)出對(duì)流（圖4a）。模式積分75 min，兩塊孤立回波間產(chǎn)生新生單體。隨后新生單體不斷發(fā)展，與兩塊孤立回波連成一線（圖4c），其后與后側(cè)回波帶合并加強(qiáng)形成新的回波帶（圖4d）。在模擬的地面冷池圖上能明顯反映出后側(cè)回波帶冷池前沿“追趕”上新生回波帶冷池的過(guò)程（圖略）。隨模擬颮線系統(tǒng)東移，回波帶后部和北側(cè)回波逐步減弱，西南側(cè)回波不斷加強(qiáng)，使回波帶呈現(xiàn)東北—西南走向（圖4f）。模擬颮線的移動(dòng)速度與實(shí)際雷達(dá)觀測(cè)的颮線移動(dòng)速度相近，約為35 km/h。與實(shí)際雷達(dá)觀測(cè)相比，CM1沒(méi)能模擬出實(shí)際颮線北側(cè)、位于長(zhǎng)江以北地區(qū)的強(qiáng)回波和颮線后側(cè)的大片弱回波區(qū)，這可能與CM1初始場(chǎng)為水平均勻場(chǎng)，缺乏天氣系統(tǒng)對(duì)颮線的熱動(dòng)力支撐有關(guān)。上述分析表明，CM1能模擬出本次颮線發(fā)展演變過(guò)程的主要特征。

圖4 CM1積分 （a） 20、（b） 90、（c） 130、（d） 180、（e） 240、（f） 300 min后模擬颮線2 km高度的雷達(dá)回波Fig.4 2 km CAPPI of the reflectivity simulated by the CM1 at （a） 20 min，（b） 90 min，（c） 130 min，（d） 180 min，（e） 240 min and （f） 300 min

3.2 敏感性試驗(yàn)方案

以2017年8月7日夜間颮線過(guò)程為研究對(duì)象，以“格點(diǎn)”探空（圖3a）作為輸入的CM1理想試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果為參考，即對(duì)照試驗(yàn)（Ctl試驗(yàn)），開(kāi)展中層相對(duì)濕度、低層風(fēng)切變和對(duì)流有效位能對(duì)夜間颮線發(fā)展影響的敏感性試驗(yàn)。各試驗(yàn)的廓線如圖5所示，其中圖5a是中層相對(duì)濕度試驗(yàn)方案的溫、濕度廓線，黑實(shí)線為對(duì)照試驗(yàn)的溫度廓線，藍(lán)實(shí)線為對(duì)照試驗(yàn)的露點(diǎn)廓線，紅實(shí)線為增加850—500 hPa的露點(diǎn)溫度以模擬中層高濕環(huán)境（RH1試驗(yàn)），綠實(shí)線為減小850—500 hPa的露點(diǎn)溫度以模擬中層低濕環(huán)境（RH2試驗(yàn)）。圖5b是低層風(fēng)切變?cè)囼?yàn)方案的風(fēng)廓線，橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方案，SHR1和SHR2試驗(yàn)僅改變925 hPa以下的風(fēng)向，分別模擬低空南風(fēng)和西南風(fēng)的情形，SHR3試驗(yàn)增大925 hPa以下的風(fēng)速，風(fēng)向不變，模擬低層風(fēng)切變?cè)龃蟮那樾巍D5c為對(duì)流有效位能試驗(yàn)方案的廓線，黑實(shí)線和藍(lán)實(shí)線分別為對(duì)照試驗(yàn)溫度、露點(diǎn)廓線，對(duì)應(yīng)的對(duì)流有效位能為3356.2 J/kg，改變低層露點(diǎn)溫度以達(dá)到改變對(duì)流有效位能的目的。紅實(shí)線（CAPE1試驗(yàn)）和綠實(shí)線（CAPE2試驗(yàn)）對(duì)應(yīng)的對(duì)流有效位能分別為1624.0和446.7 J/kg，分別對(duì)應(yīng)中等大小對(duì)流有效位能和對(duì)流有效位能低值的情形。黑虛線（CAPE2+RH試驗(yàn)）為CAPE2試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加850—500 hPa的露點(diǎn)溫度以模擬對(duì)流有效位能低值、中層高濕的大氣環(huán)境條件。

圖5 敏感性試驗(yàn)（a）中層相對(duì)濕度、（b）低層風(fēng)切變、（c）對(duì)流有效位能的廓線Fig.5 Profiles of idealized simulation schemes for（a）midlevel relative humidity，（b）low-level wind shear，and（c）CAPE

3.3 分析方法

3.3.1 冷池和風(fēng)切變相互作用

研究颮線的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持機(jī)制，特別是長(zhǎng)生命期的颮線，常使用Rotunno等（1988）提出的RKW理論進(jìn)行分析討論。該理論基于冷池產(chǎn)生的氣旋渦度與環(huán)境風(fēng)切變產(chǎn)生的反氣旋渦度的平衡，定義為C/ΔU。冷池強(qiáng)度（C）由下式計(jì)算

式中，H為冷池厚度，B為浮力項(xiàng)

式中，g為重力加速度，θ為位溫，qv為水汽混合比，變量上的橫杠表示該變量模擬的初始狀態(tài)。ΔU為一定高度上的環(huán)境風(fēng)與地面風(fēng)的差值。

按照RKW理論，C/ΔU的比值是颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度維持的一個(gè)關(guān)鍵決定性因素，當(dāng)C/ΔU?1 時(shí)，颮線向冷池上方傾斜，是后傾的（upshear）；當(dāng)C/ΔU?1 時(shí)，颮線是前傾的（downshear），這兩種狀態(tài)都不是颮線發(fā)展的“最優(yōu)”狀態(tài)，不利于颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持。當(dāng)C/ΔU≈1 時(shí)，颮線系統(tǒng)趨于豎直，更有利于對(duì)流區(qū)域內(nèi)上升速度的增強(qiáng)，從而使颮 線發(fā)展能處于“最優(yōu)”狀態(tài)。

3.3.2 垂直速度加速度

強(qiáng)的上升氣流不僅是颮線的重要特征，也是颮線維持和發(fā)展的關(guān)鍵因素。已有研究表明非超級(jí)單體對(duì)流中的最大上升速度主要有浮力和浮力壓力強(qiáng)迫控制，而颮線中的上升氣流的深厚程度由浮力、浮力壓力強(qiáng)迫和動(dòng)力強(qiáng)迫共同決定（Peters，2016；Weisman，et al，2000）。為便于分析環(huán)境條件對(duì)夜間颮線上升和下沉運(yùn)動(dòng)的影響，本研究采用垂直動(dòng)量方程診斷分析垂直速度和垂直速度加速度（Takemi，et al，2000），方程為

式中，w為垂直速度，ρ為空氣密度，z為高度，p'為擾動(dòng)氣壓，qc、qr、qi、qs、qg分別為云水、雨水、冰晶、雪花、軟雹混合比。上式左邊為垂直速度加速度（PWDT），右邊第一項(xiàng)為氣壓梯度力項(xiàng)（VPGA）、第二項(xiàng)與第三項(xiàng)之差為浮力項(xiàng)（BUOY）、第三項(xiàng)為凝結(jié)物項(xiàng)（LOAD）。為便于計(jì)算和分析，動(dòng)量方程中省略了比氣壓梯度力項(xiàng)、浮力項(xiàng)小兩個(gè)量級(jí)的湍流混合項(xiàng)，氣壓梯度力項(xiàng)也未區(qū)分浮力壓力強(qiáng)迫和動(dòng)力強(qiáng)迫。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 中層相對(duì)濕度

4.1.1 雷達(dá)回波

圖6為中層相對(duì)濕度試驗(yàn)CM1積分320 min模擬颮線的雷達(dá)回波。各試驗(yàn)都模擬出了颮線東北—西南向帶狀回波特征。與Ctl試驗(yàn)相比，RH1試驗(yàn)?zāi)M的雷達(dá)回波帶寬度略寬，回波帶前沿新生單體較強(qiáng)。RH2試驗(yàn)?zāi)M的雷達(dá)回波帶較窄，回波面積和≥35 dBz強(qiáng)回波區(qū)域略小，回波帶前沿新生單體與回波帶距離較近。這表明中層相對(duì)濕度的升高有利于夜間颮線回波面積增大、回波強(qiáng)度增強(qiáng)。RH1試驗(yàn)?zāi)M颮線的弓狀特征最明顯，其次是Ctl試驗(yàn)，而RH2試驗(yàn)?zāi)M颮線沒(méi)有明顯的弓狀特征。RH1試驗(yàn)?zāi)M颮線的上端（東北側(cè)）強(qiáng)于Ctl試驗(yàn)、下端（西南側(cè)）弱于Ctl試驗(yàn)，而RH2試驗(yàn)?zāi)M颮線的下端（西南側(cè)）強(qiáng)于Ctl試驗(yàn)。這與模擬颮線的后部入流強(qiáng)弱直接有關(guān)，正如Fujita（1978）指出的強(qiáng)后部入流使颮線成為弓狀，弓狀颮線左右側(cè)單體將做氣旋和反氣旋移動(dòng)，颮線逐步發(fā)展為“逗號(hào)”狀。這表明中層相對(duì)濕度的增加有利于夜間颮線形成更明顯的弓狀特征。

圖6 各試驗(yàn)（a.Ctl，b.RH1，c.RH2）CM1模式積分320 min模擬的2 km高度雷達(dá)回波Fig.6 2 km CAPPI of reflectivity simulated by（a）Ctl，（b）RH1，and（c）RH2 schemes at 320 min

4.1.2 地面最大風(fēng)速和降溫

中層相對(duì)濕度除對(duì)模擬颮線的雷達(dá)回波強(qiáng)度、形狀有影響外，對(duì)模擬颮線的地面最大風(fēng)速和地面最大降溫也有直接影響（圖7）。將模式底層的最大風(fēng)速作為地面最大風(fēng)速、模式積分時(shí)刻的底層溫度與模式初值底層溫度之間的差值作為地面降溫（計(jì)算方法下同）。模式積分180—360 min，各試驗(yàn)?zāi)M的地面最大風(fēng)速大小的變化趨勢(shì)基本穩(wěn)定，Ctl、RH1和RH2試驗(yàn)?zāi)M的地面最大風(fēng)速平均值分別為21.5、22.14和21.04 m/s，這表明中層相對(duì)濕度的增加（減小）使模擬颮線的地面最大風(fēng)速略有增大（減?。绊懗潭炔⒉幻黠@。從圖7a還可以看出，同一試驗(yàn)不同模式積分時(shí)刻模擬的地面最大風(fēng)速存在一定差異，如RH2試驗(yàn)在模式積分230和245 min時(shí)，模擬颮線的地面最大風(fēng)速分別為19.23和24.66 m/s，兩者相差5.43 m/s。期間在模擬颮線帶狀回波上相鄰的兩個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體不斷增強(qiáng)，模式積分至245 min強(qiáng)對(duì)流單體雷達(dá)回波強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，在這兩個(gè)強(qiáng)對(duì)流單體之間產(chǎn)生了最大風(fēng)速。因此，在日常預(yù)報(bào)中，需密切關(guān)注颮線前沿新生單體的發(fā)展。

中層相對(duì)濕度對(duì)模擬颮線地面冷池最大降溫幅度有明顯的影響（圖7b），RH1試驗(yàn)?zāi)M的地面冷池降溫幅度最大，RH2試驗(yàn)?zāi)M的地面冷池降溫幅度最小，模式積分180—360 min，Ctl、RH1和RH2試驗(yàn)?zāi)M的地面冷池最大降溫平均值分別為?6.79℃、?7.49℃和?6.29℃。這表明中層大氣濕度的增加（減少）有利于颮線地面冷池降溫幅度的增大（減?。?。RH2試驗(yàn)在模式積分55 min左右模擬颮線的地面冷池降溫幅度達(dá)到最大后趨于減小，這可能是由于中層干的大氣背景下對(duì)流初生階段蒸發(fā)強(qiáng)，而后對(duì)流活動(dòng)比RH1試驗(yàn)中層濕環(huán)境下對(duì)流活動(dòng)弱所致。因此，颮線發(fā)展成熟階段，中層相對(duì)濕度的增加有利于地面冷池降溫幅度的維持。

圖7 各試驗(yàn) （a） 地面最大風(fēng)速和 （b） 地面最大降溫隨模式積分時(shí)間的變化Fig.7 Time series of （a） maximum surface wind and （b） maximum surface temperature deficit for various schemes

4.1.3 冷池和垂直結(jié)構(gòu)

圖8給出各試驗(yàn)?zāi)M颮線平均冷池強(qiáng)度和平均冷池厚度隨模式積分時(shí)間的變化序列，平均冷池強(qiáng)度和平均冷池厚度為模式區(qū)域內(nèi)冷池強(qiáng)度和冷池厚度的平均值（計(jì)算方法下同）。從圖8a可見(jiàn)，RH1試驗(yàn)?zāi)M的平均冷池強(qiáng)度在模擬積分75 min后逐步增大至150 min達(dá)到最大值后趨于減小，在模式積分280 min前其值大于Ctl和RH2試驗(yàn)。RH2試驗(yàn)在模式積分250 min后平均冷池強(qiáng)度略有增大，并在模式積分290 min后其模擬的平均冷池強(qiáng)度略大于Ctl和RH2試驗(yàn)。平均冷池厚度呈現(xiàn)了與平均冷池強(qiáng)度類似的變化特征（圖8b），模式積分215 min后RH2試驗(yàn)?zāi)M的平均冷池厚度逐步增大，并在模式積分255 min后其模擬的平均冷池厚度要大于Ctl和RH1試驗(yàn)。這表明：中層相對(duì)濕度的增大，有利于颮線開(kāi)始階段迅速形成強(qiáng)而深厚的冷池，隨著颮線發(fā)展到成熟階段，更容易形成更寬的颮線系統(tǒng)（圖6b），但是冷池的厚度和強(qiáng)度是趨于減弱的，而相對(duì)較干的中層大氣環(huán)境則相反，即更容易形成窄颮線（圖6c），且發(fā)展成熟后，窄帶冷池的強(qiáng)度和厚度更容易維持，這可能與颮線成熟階段環(huán)境干空氣持續(xù)被卷入對(duì)流風(fēng)暴系統(tǒng)中形成的蒸發(fā)過(guò)程有關(guān)。

圖8 各試驗(yàn) （a） 平均冷池強(qiáng)度和 （b） 平均冷池厚度隨模式積分時(shí)間的變化Fig.8 Time series of （a） domain mean cold pool intensity and （b） domain mean cold pool depth for various schemes

圖9為各試驗(yàn)時(shí)空平均的垂直速度和冷池降溫的垂直剖面。該剖面為模式積分290—320 min沿圖6中紅色線段上以冷池前沿為中心、切向左右各5 km寬度垂直速度和冷池降溫隨時(shí)間的平均值，模式每5 min輸出一次結(jié)果，圖的橫坐標(biāo)經(jīng)過(guò)了冷池前沿中心化處理（處理方法下同）。由圖9可以看出，各試驗(yàn)均模擬出了維持颮線長(zhǎng)生命期的典型特征，即冷池前沿有明顯的上升氣流，颮線后部有明顯的下沉氣流。很明顯，RH1試驗(yàn)?zāi)M颮線主體上升氣流的速度和寬度都明顯大于Ctl試驗(yàn)，模擬颮線后部下沉氣流速度超過(guò)1.0 m/s的區(qū)域和冷池前沿的上升氣流速度也明顯大于Ctl試驗(yàn)。RH2試驗(yàn)?zāi)M颮線主體上升氣流的速度和寬度相對(duì)較小，颮線后部下沉氣流和冷池前沿上升氣流也較弱，這表明中層相對(duì)濕度的增加（減小）有利于颮線主體上升氣流、后部下沉氣流和冷池前沿上升氣流的增強(qiáng)（減弱）。圖9中，RH1試驗(yàn)?zāi)M颮線冷池降溫超過(guò)5℃的厚度和寬度要明顯大于Ctl試驗(yàn)，也就是RH1試驗(yàn)?zāi)M的颮線有更強(qiáng)的冷池。這是由于RH1試驗(yàn)強(qiáng)后部下沉氣流構(gòu)成的后部入流氣流（RIJ）將中低空雨水蒸發(fā)吸熱產(chǎn)生的冷空氣輸送到低層，使其冷池得以增強(qiáng)和維持。強(qiáng)冷池使冷池前沿上升氣流增強(qiáng)，在冷池前沿更易激發(fā)出新生對(duì)流單體而使颮線移動(dòng)速度增大的同時(shí)，也使RH1試驗(yàn)?zāi)M颮線雷達(dá)回波的弓形特征更加明顯（圖6b）。RH2試驗(yàn)由于其后部下沉氣流較弱，導(dǎo)致模擬颮線雷達(dá)回波弓狀特征并不明顯（圖6c）。

圖9 各試驗(yàn)（a.Ctl，b.RH1，c.RH2）時(shí)空平均的垂直速度（藍(lán)色等值線，間隔0.5 m/s）和冷池降溫（色階，單位：℃）的垂直剖面Fig.9 Cross sections of line-averaged vertical velocity（blue contour，intervals of 0.5 m/s）and cold pool temperature deficit（shaded，unit：℃）along the cross line for（a）Ctl，（b）RH1 and（c）RH2 schemes（the values are computed by averaging over the 290 —320 min of the simulation）

圖10為RH1和RH2試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e分290 min時(shí)垂直速度加速度（PWDT）、氣壓梯度力項(xiàng)（VPGA）、浮力項(xiàng)（BUOY）和凝結(jié)物項(xiàng)（LOAD）的垂直剖面。RH1和RH2試驗(yàn)冷池前沿有明顯的VPGA正值區(qū)（圖10a2、b2），抵消BUOY負(fù)值后在冷池前沿產(chǎn)生了PWDT正值區(qū)，即冷池氣壓梯度力的作用使冷池前沿產(chǎn)生了上升氣流。由于中層濕度的改變，RH1和RH2試驗(yàn)的BUOY存在明顯的差異。RH1試驗(yàn)冷池后部0—25 km冷池上方為BUOY正值區(qū)（圖10a3），使得冷池后部5—20 km范圍上方PWDT為正值區(qū)（圖10a1），這表明中層濕度增大有利于颮線主體形成更強(qiáng)的上升氣流。由于中層濕度小，RH2試驗(yàn)冷池后部0—15 km冷池上方5 km高度出現(xiàn)了明顯的BUOY負(fù)值區(qū)（圖10b3），使冷池后部0—10 km范圍上方3—4.5 km 處PWDT為負(fù)值區(qū)（圖10b1），不利于颮線主體形成強(qiáng)的上升氣流。比較圖10a3、b3可以看出，RH1試驗(yàn)BUOY在冷池后部25—30 km上方有明顯的負(fù)值區(qū)，使得冷池前沿后側(cè)25—30 km上方存在明顯的PWDT負(fù)值區(qū)（圖10a1），即RH1試驗(yàn)颮線主體后側(cè)存在明顯的向下的垂直速度加速度。由式（3）可知，該BUOY負(fù)值區(qū)與圖10a4上LOAD負(fù)值區(qū)直接有關(guān)。因此，中層濕度的升高通過(guò)增大浮力項(xiàng)使颮線主體上升氣流增強(qiáng)、通過(guò)降水等凝結(jié)物項(xiàng)的增大而使颮線后側(cè)下沉氣流增強(qiáng)。

圖10 RH1 （a） 和RH2 （b） 試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e分290 min時(shí)垂直速度加速度 （a1、 b1）、氣壓梯度力項(xiàng) （a2、 b2）、浮力項(xiàng) （a3、 b3） 和凝結(jié)物項(xiàng) （a4、 b4） 的垂直剖面 （黑色等值線，間隔0.01 m/s2）Fig.10 Cross sections of （a1，b1） PWDT，（a2，b2） VPGA，（a3，b3） BUOY and （a4，b4） LOAD （black contour，interval of 0.01 m/s2） along cross line for RH1 scheme （a） and RH2 scheme （b） at 290 min of the simulation

續(xù)圖10Fig.10 Continued

4.1.4 發(fā)展和維持機(jī)制

圖11為各試驗(yàn)平均C/ΔU隨模式積分時(shí)間的變化。C為沿圖6中紅色線段剖面上作沿線和切線平均后的值。試驗(yàn)中，C的計(jì)算參考Peters J M 等（2017）和袁招洪（2015）做法，將冷池前沿至后部30 km作為冷池區(qū)域平均進(jìn)行沿線平均，并參考前者垂直速度平均和后者冷池強(qiáng)度平均采用的左右各15 km范圍進(jìn)行切線平均。冷池前沿判斷有不同的標(biāo)準(zhǔn)，Peters J M等（2017）根據(jù)颮線發(fā)展階段將模式底層間距6 km兩點(diǎn)間10 m溫度相差0.1—1.5 K作為冷池前沿判斷閾值，Bryan等（2012）將模式底層位溫?cái)_動(dòng)?1 K作為冷池前沿判斷閾值，本試驗(yàn)分別將模式底層降溫?0.5℃和?1℃作為冷池前沿判斷閾值進(jìn)行試驗(yàn)，冷池前沿判斷結(jié)果相近，因此，試驗(yàn)中將模式底層降溫?1℃作為冷池前沿判斷閾值。ΔU為低層環(huán)境風(fēng)切變?cè)谠摷t色線段剖面上的投影，試驗(yàn)中，將2 km作為風(fēng)切變層頂高度進(jìn)行風(fēng)切變計(jì)算，ΔU=9.2 m/s，屬于弱切變環(huán)境條件。圖11中，模式積分150 min后Ctl試驗(yàn)的C/ΔU在1.33—1.87，平均值為1.7。RH1和RH2試驗(yàn)的C/ΔU值分別為1.71—2.06和1.36—1.81，平均值分別為1.87和1.57。因此，中層相對(duì)濕度減?。ㄔ黾樱┯欣贑/ΔU增加（減?。?。除模式積分275—285 min RH2試驗(yàn)的C/ΔU值略大于Ctl試驗(yàn)外，RH2試驗(yàn)的C/ΔU值更接近1。根據(jù)RKW理論，中層相對(duì)濕度減小更有利于夜間颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度維持。由圖9也可以看出，與Ctl試驗(yàn)相比，RH1試驗(yàn)颮線主體強(qiáng)上升區(qū)離冷池前沿水平距離遠(yuǎn)了約5 km，RH2試驗(yàn)則近了約7 km。很明顯，RH2試驗(yàn)?zāi)M的颮線更“直立”，颮線的發(fā)展?fàn)顟B(tài)更“優(yōu)”。

圖11 各試驗(yàn)平均C/ΔU隨模式積分時(shí)間的變化Fig.11 Time series of averagedC/ΔU along the cross line for various schemes

4.2 低層風(fēng)切變

4.2.1 雷達(dá)回波

圖12為風(fēng)切變?cè)囼?yàn)CM1模式積分240 min模擬颮線2 km高度的雷達(dá)回波。很明顯，SHR1試驗(yàn)?zāi)M出了颮線帶狀雷達(dá)回波，但回波面積、回波寬度和≥35 dBz的強(qiáng)回波區(qū)域略小于Ctl試驗(yàn)。SHR2試驗(yàn)?zāi)M的雷達(dá)回波結(jié)構(gòu)松散，呈現(xiàn)了消散減弱階段的特征，沒(méi)能模擬出完整的颮線帶狀雷達(dá)回波。SHR3試驗(yàn)?zāi)M雷達(dá)寬度、面積和≥35 dBz的強(qiáng)回波區(qū)域明顯大于Ctl試驗(yàn)。模式積分180—240 min，Ctl、SHR1和SHR3試驗(yàn)?zāi)M颮線的平均移動(dòng)速度分別為37.8、38.9和34.1 km/h。這表明：低層風(fēng)切變?cè)龃笥欣谝归g颮線雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)、回波面積和寬度增大，也使夜間颮線移動(dòng)速度減慢，而過(guò)小的低層風(fēng)切變不利于夜間颮線的發(fā)展。這是由于低層風(fēng)切變的增強(qiáng)能使風(fēng)暴低層上升氣流中的垂直渦度增大而使上升氣流增強(qiáng)（Coffer，et al，2015）。另外，低層風(fēng)切變?cè)綇?qiáng)，相對(duì)于風(fēng)暴的入流越強(qiáng)（Alfaro，2017），相對(duì)入流越強(qiáng)使超級(jí)單體上升氣流的寬度越寬（Peters，et al，2019b）。這可能是低層風(fēng)切變?cè)龃笥欣谝归g颮線雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)、回波面積和寬度增大的原因。比較圖2b和圖3a可以看出，寶山站探空與“格點(diǎn)”探空區(qū)別之一是前者925 hPa以下沒(méi)有資料，導(dǎo)致寶山站探空低層風(fēng)切變過(guò)小，這可能是利用寶山站探空資料作為CM1模式初始場(chǎng)模擬不出此次颮線過(guò)程的原因。這提示在夜間颮線的日常預(yù)報(bào)中需關(guān)注低層風(fēng)向切變，特別是日常探空業(yè)務(wù)中需重視低層風(fēng)資料的有效獲取。

圖12 各試驗(yàn) （a.Ctl，b.SHR1，c.SHR2，d.SHR3） CM1模式積分240 min模擬的2 km高度雷達(dá)回波Fig.12 2 km CAPPI of reflectivity simulated by （a） Ctl，（b） SHR1，（c） SHR2 and （d） SHR3 schemes at 240 min

4.2.2 地面最大風(fēng)速和降溫

從各試驗(yàn)地面最大風(fēng)速和地面最大風(fēng)速隨模式積分時(shí)間的變化（圖13）可見(jiàn)，模式積分130 min后，Ctl、SHR1和SHR3試驗(yàn)?zāi)M的地面最大風(fēng)速雖有起伏，但變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)和一致，SHR2試驗(yàn)由于沒(méi)能模擬出組織化的颮線系統(tǒng)，地面最大風(fēng)速逐步減少（圖13a）。模式積分230—360 min，Ctl、SHR1和SHR3試驗(yàn)?zāi)M地面最大風(fēng)速的平均值較為接近，分別為21.5、20.8和21.0 m/s，這表明低層風(fēng)切變的大小對(duì)成熟夜間颮線地面最大風(fēng)速的影響不明顯。盡管SHR1試驗(yàn)?zāi)M的地面最大風(fēng)速平均值略小于Ctl和SHR3試驗(yàn)，但在模式積分270 min時(shí)，SHR1試驗(yàn)?zāi)M的地面最大風(fēng)速達(dá)到26.2 m/s，大于Ctl和SHR3試驗(yàn)。產(chǎn)生這種差異的原因是SHR1試驗(yàn)?zāi)M颮線的雷達(dá)回波帶上出現(xiàn)了≥50 dBz的強(qiáng)對(duì)流單體。與地面最大風(fēng)速的變化略有不同，模式積分130 min后，各試驗(yàn)地面最大降溫隨模式積分時(shí)間的變化出現(xiàn)了分叉（圖13b），SHR3試驗(yàn)?zāi)M積分130 min后變化趨于平穩(wěn)，Ctl和SHR1試驗(yàn)減小至180和230 min后變化趨于平穩(wěn)，SHR2試驗(yàn)地面降溫逐步減小，這反映出Ctl、SHR1和SHR3試驗(yàn)?zāi)M的颮線分別于180、230和130 min后趨于成熟。模式積分230—360 min，Ctl、SHR1和SHR3試驗(yàn)?zāi)M地面最大降溫分別為?6.8、?5.7和?7.9℃，這表明：低層風(fēng)切變?cè)龃笥欣诟煨纬沙墒斓娘R線，也有利于成熟颮線地面最大降溫幅度的增大。SHR1試驗(yàn)在模式積分280 min后地面降溫幅度出現(xiàn)了明顯增大的過(guò)程，這是由于雷達(dá)回波帶上相鄰兩個(gè)對(duì)流單體與其前方激發(fā)的新生單體不斷加強(qiáng)形成強(qiáng)回波區(qū)所致。因此，在夜間颮線地面大風(fēng)降溫預(yù)報(bào)中，需密切關(guān)注回波帶上對(duì)流單體的發(fā)展。

圖13 各試驗(yàn) （a） 地面最大風(fēng)速和 （b） 地面最大降溫隨模式積分時(shí)間的變化Fig.13 Time series of （a） maximum surface wind and （b） maximum surface temperature deficit for various schemes

4.2.3 冷池和垂直結(jié)構(gòu)

圖14為各試驗(yàn)平均冷池強(qiáng)度和平均冷池厚度隨模式積分時(shí)間的變化。模式積分75—130 min，各試驗(yàn)?zāi)M的平均冷池強(qiáng)度和平均冷池厚度逐步增大，模式積分130—150 min各試驗(yàn)?zāi)M值先后達(dá)到最大值后趨于減小，模式積分230 min后Ctl、SHR1和SHR3試驗(yàn)?zāi)M積分變化趨于平穩(wěn)。模式積分230—360 min，Ctl、SHR1和SHR3試驗(yàn)?zāi)M的平均冷池強(qiáng)度分別為10.1、9.4和10.6 m/s，模擬的平均冷池厚度較為接近，約為 1 km。SHR2試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e分75—130 min模擬的平均冷池強(qiáng)度和平均冷池厚度大于其他試驗(yàn)，其后逐步減小。這表明：在颮線初始階段，小的低層風(fēng)切變能形成更大的冷池強(qiáng)度和冷池厚度，但不利于其后強(qiáng)冷池的維持。在颮線發(fā)展成熟階段，低層風(fēng)切變的增大有利于夜間颮線冷池強(qiáng)度的增大，但對(duì)冷池厚度的影響不明顯。這可能是由于大的低層風(fēng)切變有利于颮線強(qiáng)度和寬度的增大（圖12），導(dǎo)致颮線能產(chǎn)生更強(qiáng)的降水，強(qiáng)降水的拖曳和蒸發(fā)作用將冷空氣輸送到低層而使冷池得到增強(qiáng)。

圖14 各試驗(yàn) （a） 平均冷池強(qiáng)度和 （b） 平均冷池厚度隨模式積分時(shí)間的變化Fig.14 Time series of （a） domain mean cold pool intensity，（b） domain mean cold pool depth averaged along the cross line for various schemes

圖15為各試驗(yàn)時(shí)空平均的垂直速度和冷池降溫的垂直剖面。該剖面圖為模式積分320—360 min沿圖12中紅色線段上垂直速度和冷池降溫隨時(shí)間的平均值，時(shí)空平均方法同圖9。很明顯，各試驗(yàn)都模擬出了颮線冷池前沿上升氣流和后側(cè)下沉氣流的特征。SHR3試驗(yàn)冷池前沿上升氣流垂直速度最大值超過(guò)了4.5 m/s，大于Ctl試驗(yàn)的3.5 m/s和SHR1試驗(yàn)的3.0 m/s，颮線主體上升氣流速度最大值超過(guò)了3.5 m/s，也大于Ctl和SHR1試驗(yàn)的2.5 m/s。從冷池的垂直剖面圖上可以看出，SHR3試驗(yàn)冷池降溫幅度超過(guò)了6℃，大于Ctl試驗(yàn)的5℃和SHR1試驗(yàn)的4℃。這表明低層風(fēng)切變的增大有利于颮線形成強(qiáng)的冷池、冷池前沿上升氣流和颮線主體上升氣流。

圖15 各試驗(yàn) （a.Ctl，b.SHR1，c.SHR3） 時(shí)空平均的垂直速度 （藍(lán)色等值線，間隔0.5 m/s） 和冷池降溫（色階，單位：℃） 垂直剖面Fig.15 Cross sections of line-averaged vertical velocity（blue contour，intervals of 0.5 m/s） and cold pool temperature deficit （shaded，unit：℃） along the cross line for （a） Ctl，（b）SHR1 and （c） SHR3 schemes （the values are computed by averaging over 320—360 min of the simulations）

4.2.4 發(fā)展和維持機(jī)制

圖16為各試驗(yàn)平均C/ΔU隨模式積分時(shí)間的變化。試驗(yàn)中，Ctl、SHR1、SHR2、SHR3試驗(yàn)的ΔU分別為9.2、7.6、4.4、12.6 m/s，屬于弱切變環(huán)境條件。在模式積分前280 min，SHR2試驗(yàn)的C/ΔU值超過(guò)了2.03，在各試驗(yàn)中是最大的，特別是模式積分175 minC/ΔU達(dá)到2.85，明顯大于1，這意味著相對(duì)于弱環(huán)境切變而言冷池偏強(qiáng)，颮線向冷池上方傾斜，不利于颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持。在實(shí)際模擬中，盡管SHR2試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e分190 min冷池前沿激發(fā)出了新生單體，但模式積分245 min后，新激發(fā)的新生單體越來(lái)越少，直至消失。模式積分230—360 min，Ctl、SHR1和SHR3試驗(yàn)C/ΔU平均值分別為1.7、1.9和1.4。很明顯，SHR3試驗(yàn)的C/ΔU值更接近于1，這意味著SHR3試驗(yàn)更有利于夜間颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持。由圖15也可看出，SHR3試驗(yàn)冷池前沿上升氣流與颮線主體上升氣流靠得更近，颮線系統(tǒng)更“直立”。因此，在弱切變環(huán)境條件下，低層風(fēng)切變減小不利于夜間颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持。

續(xù)圖15Fig.15 Continued

圖16 各試驗(yàn)平均C/ΔU隨模式積分時(shí)間的變化Fig.16 Time series of averagedC/ΔU along the cross line for various schemes

颮線冷池前沿能持續(xù)激發(fā)出新生單體是颮線加強(qiáng)和維持的重要機(jī)制，冷池前沿強(qiáng)上升氣流強(qiáng)弱是決定能否激發(fā)出新生單體的關(guān)鍵因素。圖17為SHR1、SHR2試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e分275 min時(shí)垂直速度加速度和冷池前沿上升氣流質(zhì)量通量（VMF）的垂直剖面。其中，上升氣流質(zhì)量通量為垂直速度（w）與空氣密度（ρ）的乘積（即w?ρ）。試驗(yàn)中，當(dāng)w≥1 m/s時(shí)才計(jì)算w?ρ，僅顯示冷池前沿前后各5 km范圍內(nèi)的上升氣流質(zhì)量通量。由圖可以看出，SHR1試驗(yàn)冷池前沿PWDT最大值為0.01827 m/s2、正值區(qū)的高度接近3 km，明顯大于SHR2試驗(yàn)的0.00569 m/s2和1.5 km，因此，SHR1試驗(yàn)比SHR2試驗(yàn)更易在冷池前沿形成強(qiáng)的上升氣流。試驗(yàn)中，SHR1試驗(yàn)冷池前沿上升氣流質(zhì)量通量最大值超過(guò)4.0 kg/（m2?s），2.0 kg/（m2?s）等值線的高度超過(guò)了1.5 km（圖17c），明顯大于SHR2試驗(yàn)。比較圖17c、d，SHR1試驗(yàn)?zāi)M的冷池也明顯強(qiáng)于SHR2試驗(yàn)。由式（3）可知，PWDT由氣壓梯度力項(xiàng)（VPGA）、浮力項(xiàng)（BUOY）共同決定。在冷池前沿，VPGA為正值、BUOY為負(fù)值。因此，由于SHR2試驗(yàn)?zāi)M的冷池強(qiáng)度持續(xù)減弱（圖14a），導(dǎo)致冷池前沿氣壓梯度力減小，使得垂直速度加速度減?。▓D17b），進(jìn)而使得冷池前沿上升氣流較弱（圖17d），弱的上升氣流無(wú)法持續(xù)在冷池前沿激發(fā)出新的對(duì)流單體，這可能是SHR2試驗(yàn)?zāi)M颮線逐步減弱的原因。

圖17 模式積分275 min時(shí)（a） SHR1、（b） SHR2試驗(yàn)垂直速度加速度 （黑實(shí)線，間隔0.01 m/s2） 的垂直剖面以及 （c）SHR1、（d） SHR2試驗(yàn)的冷池前沿上升氣流質(zhì)量通量 （黑實(shí)線，間隔1.0 kg/（m2?s））、冷池 （黑虛線，間隔?1℃）和風(fēng)速的垂直剖面Fig.17 Cross sections of PWDT （black solid contour，interval of 0.01 m/s2） for （a） SHR1 and （b） SHR2 schemes，updraft flux（black solid contour，interval of 1.0 kg/（m2?s）） with cold pool （black dotted contour，interval of ?1℃） and wind for（c） SHR1 and （d） SHR2 schemes along cross line at 275 min of the simulation

4.3 對(duì)流有效位能

4.3.1 雷達(dá)回波

圖18為對(duì)流有效位能各試驗(yàn)CM1積分340 min模擬颮線2 km高度的雷達(dá)回波。CAPE1試驗(yàn)?zāi)M的雷達(dá)回波呈帶狀，回波面積、回波寬度和≥35 dBz強(qiáng)回波區(qū)明顯小于Ctl試驗(yàn)；CAPE2試驗(yàn)?zāi)M的雷達(dá)回波零散，沒(méi)能模擬出完整的颮線結(jié)構(gòu)；盡管CAPE2+RH試驗(yàn)?zāi)M的夜間颮線雷達(dá)回波寬度和≥35 dBz強(qiáng)回波區(qū)略小于Ctl試驗(yàn)，但模擬出有弓狀特征的雷達(dá)回波。這表明：對(duì)流有效位能的大小對(duì)夜間颮線回波面積和強(qiáng)度有直接的影響，對(duì)流有效位能越大越有利于夜間颮線雷達(dá)回波面積增大和回波強(qiáng)度增強(qiáng)。盡管對(duì)流有效位能的減小使夜間颮線回波面積和強(qiáng)度減小，直至不能形成成熟的夜間颮線，但對(duì)流有效位能低值在中層高濕環(huán)境下依然能使夜間颮線得到發(fā)展和維持。實(shí)際觀測(cè)中有對(duì)流有效位能低值、高濕環(huán)境下出現(xiàn)夜間颮線的個(gè)例，如2012年7月13—14日夜間在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)發(fā)生了一次颮線過(guò)程（陶嵐等，2014），該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)上海地區(qū)時(shí)對(duì)流有效位能為424 J/kg，出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水和7—9級(jí)大風(fēng)。因此，在夜間颮線的預(yù)報(bào)中需關(guān)注環(huán)境大氣濕度的變化。

圖18 各試驗(yàn) （a.Ctl，b.CAPE1，c.CAPE2，d.CAPE2+RH） CM1模式積分340 min模擬颮線2 km高度的雷達(dá)回波Fig.18 2 km CAPPI of radar reflectivity simulated by （a） Ctl，（b） CAPE1，（c） CAPE2，and （d） CAPE2+RH schemes at 340 min of the simulation

4.3.2 地面最大風(fēng)速和降溫

從各試驗(yàn)?zāi)M的地面最大風(fēng)速和地面最大降溫隨模式積分時(shí)間的變化（圖19）可以看出，在颮線形成的初期，地面最大風(fēng)速和地面最大降溫都經(jīng)歷了快速增大后逐步下降的過(guò)程。盡管地面最大風(fēng)速大小和最大降溫幅度有起伏，但Ctl和CAPE1試驗(yàn)總體變化趨勢(shì)基本穩(wěn)定。CAPE2試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e分45 min后，模擬的地面最大風(fēng)速和最大降溫呈逐步減小的變化趨勢(shì)，反映出模擬颮線系統(tǒng)逐步減弱的過(guò)程。CAPE1試驗(yàn)?zāi)M的最大降溫幅度減小至205 min后變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定（圖19b），對(duì)應(yīng)的是對(duì)流系統(tǒng)減弱到形成組織化的颮線系統(tǒng)的過(guò)程。Ctl和CAPE1試驗(yàn)在模式積分130—360 min模擬的地面最大風(fēng)速平均值分別為22.04和14.22 m/s，模擬的地面最大降溫平均值分別為?6.89℃和?3.92℃。這表明：對(duì)流有效位能的大小直接影響夜間颮線地面最大風(fēng)速和地面最大降溫幅度的大小，對(duì)流有效位能越小，夜間颮線產(chǎn)生的地面最大風(fēng)速越小、地面最大降溫幅度也越小。由于CAPE2試驗(yàn)沒(méi)能模擬出完整的颮線結(jié)構(gòu)，模式積分130—360 min模擬的地面最大風(fēng)速平均值僅為8.14 m/s。CAPE2+RH試驗(yàn)在模式積分130—360 min模擬的地面最大風(fēng)速平均值和最大降溫幅度平均值分別為15.31 m/s和?5.23℃，大于CAPE1試驗(yàn)。因此，盡管對(duì)流有效位能低值不利于對(duì)流的發(fā)展，但在中層高濕環(huán)境下形成的夜間颮線依然能產(chǎn)生明顯的大風(fēng)降溫天氣。

圖19 各試驗(yàn)?zāi)M的 （a） 地面最大風(fēng)速和 （b） 地面最大降溫幅度隨模式積分時(shí)間的變化Fig.19 Time series of （a） maximum surface wind and （b） maximum surface temperature deficit for various schemes

4.3.3 冷池和垂直結(jié)構(gòu)

從各試驗(yàn)?zāi)M的平均冷池強(qiáng)度和平均冷池厚度隨模式積分時(shí)間的變化（圖20）可見(jiàn)，Ctl試驗(yàn)?zāi)M的平均冷池強(qiáng)度隨颮線發(fā)展成熟而趨于穩(wěn)定，CAPE1試驗(yàn)在颮線發(fā)展成熟后平均冷池強(qiáng)度略有增強(qiáng)，而CAPE2試驗(yàn)由于沒(méi)能模擬出組織化的颮線系統(tǒng)其平均冷池強(qiáng)度逐步減?。▓D20a）。很明顯，Ctl試驗(yàn)?zāi)M的平均冷池強(qiáng)度要大于CAPE1試驗(yàn)。與平均冷池強(qiáng)度變化有所不同，盡管在颮線初始發(fā)展階段CAPE1試驗(yàn)?zāi)M的平均冷池厚度小于Ctl試驗(yàn)，但在模式積分230 min后逐步增大，并在模擬積分340 min后超過(guò)了Ctl試驗(yàn)（圖20b）。這表明：在颮線的初始階段，對(duì)流有效位能的增大有利于颮線冷池強(qiáng)度增強(qiáng)、厚度增大。在颮線發(fā)展成熟階段，對(duì)流有效位能的增大有利于颮線冷池強(qiáng)度增強(qiáng)，但中等大小對(duì)流有效位能更有利于成熟颮線冷池厚度的增加。這是由于對(duì)流有效位能大，環(huán)境大氣的對(duì)流不穩(wěn)定使颮線更易得到加強(qiáng)而產(chǎn)生更多的降水，降水下落拖曳和蒸發(fā)作用將冷空氣輸送至低層而使冷池得到增強(qiáng)，而CAPE1試驗(yàn)?zāi)M的冷池更易與弱切變環(huán)境風(fēng)之間形成平衡而有利于颮線的發(fā)展，這可能是中等大小對(duì)流有效位能更有利于成熟颮線冷池厚度增加的原因。CAPE2+RH試驗(yàn)?zāi)M的平均冷池強(qiáng)度大于CAPE1試驗(yàn)，模擬積分345 min后平均冷池厚度小于CAPE1試驗(yàn)，這印證了中層相對(duì)濕度敏感性試驗(yàn)得出的濕度增加有利于冷池厚度增加和颮線初始階段冷池厚度增加的結(jié)論。

圖20 各試驗(yàn)?zāi)M的 （a） 平均冷池強(qiáng)度和 （b） 平均冷池厚度隨模式積分時(shí)間的變化Fig.20 Time series of （a） domain mean cold pool intensity，（b） domain mean cold pool depth averaged along the cross line for various schemes

圖21給出各試驗(yàn)時(shí)空平均的垂直速度和冷池降溫的垂直剖面。該剖面圖為模式積分320—360 min沿圖18中紅色線段上垂直速度和冷池降溫隨時(shí)間的平均值，時(shí)空平均方法同圖9。由圖21可以看出，各試驗(yàn)?zāi)M出了颮線冷池前上升氣流、后側(cè)下沉氣流的典型特征。Ctl試驗(yàn)?zāi)M颮線上升氣流平均垂直速度2.5 m/s的大值區(qū)位于7—8 km高度，CAPE1試驗(yàn)2.0 m/s的大值區(qū)在4 和6 km高度附近，CAPE2+RH試驗(yàn)1.0 m/s的大值區(qū)位于3—5 km高度，這表明：對(duì)流有效位能越大越有利于夜間颮線上升氣流垂直速度值的增大和垂直速度大值區(qū)高度的升高，這與Peters等（2019b）研究的結(jié)論是一致的。這是因?yàn)閷?duì)流有效位能是在浮力作用下，對(duì)單位質(zhì)量氣塊從自由對(duì)流高度上升至平衡高度所作的功。對(duì)流有效位能大，對(duì)應(yīng)的浮力就大，式（3）中的垂直速度加速度（PWDT）就可能增大，從而使颮線上升氣流的垂直速度值增大、垂直速度大值區(qū)高度升高。

圖21 各試驗(yàn)（a.Ctl，b.CAPE1，c.CAPE2 + RH）時(shí)空平均垂直速度（藍(lán)色等值線，間隔0.5 m/s）、冷池降溫（色階，間隔1℃）的垂直剖面Fig.21 Cross section of line-averaged vertical velocity （blue contour，interval of 0.5 m/s）and cold pool temperature deficit（shaded，unit：℃）along the cross line for（a）Ctl，（b）CAPE1 and（c）CAPE2 + RH schemes（the values are computed by averaging over 320 —360 min of the simulation）

4.3.4 發(fā)展和維持機(jī)制

從各試驗(yàn)?zāi)M的平均C/ΔU隨模式積分時(shí)間的變化（圖22）可知，在模式積分230—360 min，Ctl試驗(yàn)C/ΔU平均值為1.73，CAPE1、CAPE2和CAPE2+RH試驗(yàn)?zāi)M的C/ΔU值分別為1.0、0.15和1.40。很明顯，CAPE1試驗(yàn)?zāi)M的C/ΔU值最接近1。根據(jù)RKW理論，CAPE1試驗(yàn)更有利于颮線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持，這也意味著在弱切變環(huán)境下過(guò)大的對(duì)流有效位能值并不利于夜間颮線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持。CAPE2試驗(yàn)過(guò)小的C/ΔU值，不利于夜間颮線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持。同樣，各試驗(yàn)?zāi)M夜間颮線的發(fā)展“狀態(tài)”可從垂直速度剖面（圖21）上反映出來(lái)，盡管CAPE1試驗(yàn)?zāi)M的颮線主體平均垂直速度和冷池前沿上升氣流垂直速度小于Ctl試驗(yàn)，冷池降溫幅度也明顯小于Ctl試驗(yàn)，但CAPE1試驗(yàn)?zāi)M出了颮線冷池前沿上升氣流、颮線后部下沉氣流的結(jié)構(gòu)特征，并且颮線主體離冷池前沿比Ctl試驗(yàn)近了約10 km，颮線系統(tǒng)更加“直立”。因此，在弱切變背景下，中等大小對(duì)流有效位能條件下發(fā)展的成熟夜間颮線的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度更能得到維持，這也意味著夜間颮線系統(tǒng)的維持和影響的時(shí)間可能更長(zhǎng)，這是日常業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中需要關(guān)注之處。

圖22 各試驗(yàn)平均C/ΔU隨模式積分時(shí)間的變化Fig.22 Time series ofC/ΔU averaged along the cross line for various schemes

圖23為CAPE2和CAPE2+RH試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e分340 min時(shí)垂直速度加速度（PWDT）、氣壓梯度力項(xiàng)（VPGA）和浮力項(xiàng)（BUOY）的垂直剖面，其中橫坐標(biāo)為距離圖18中紅色線段起點(diǎn)（左上端）的距離。比較圖23可以看出，因CAPE2+RH試驗(yàn)在冷池前沿存在明顯的VPGA正值區(qū)（圖23e）和冷池上方有明顯的BUOY正值區(qū)（圖23f），使在X軸140 km右側(cè)（冷池前沿）和其左上方2—3 km處有明顯的PWDT正值區(qū)，從而使得CAPE2+RH試驗(yàn)?zāi)M颮線的冷池前沿和颮線主體能形成明顯的上升氣流。而CAPE2試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的BOUY和VPGA值都很小，導(dǎo)致PWDT值也很小，盡管有冷池的存在，但在冷池前沿難以形成明顯的上升氣流以有效激發(fā)出新生對(duì)流單體，而使CAPE2試驗(yàn)?zāi)M的颮線不斷減弱消散。因此，中層相對(duì)濕度的增加，使得冷池上方產(chǎn)生更大的浮力項(xiàng)，浮力項(xiàng)的增大使颮線主體上升氣流增強(qiáng)而產(chǎn)生更多的降水，降水下落的拖曳和蒸發(fā)使冷池得到維持和增強(qiáng)。強(qiáng)冷池前沿能產(chǎn)生更大的垂直速度加速度進(jìn)而產(chǎn)生明顯的上升氣流，上升氣流激發(fā)出新生單體而使颮線能得以維持和發(fā)展，這可能是即使對(duì)流有效位能很低、但在中層相對(duì)濕度增大的條件下依然能形成成熟颮線的原因。

圖23 CAPE2試驗(yàn) （a—c） 和CAPE2+RH試驗(yàn) （d—f） 模式積分340 min時(shí)垂直速度加速度 （a、d）、氣壓梯度力項(xiàng)（b、e） 和浮力項(xiàng) （c、f） 的垂直剖面 （黑色等值線，間隔0.01 m/s2）Fig.23 Cross sections of （a，d） PWDT，（b，e） VPGA，（c，f） BUOY （black contour，interval of 0.01 m/s2） along cross line for CAPE2 scheme （a—c） and CAPR2+RH scheme （d—f） at 340 min of the simulation

續(xù)圖23Fig.23 Continued

5 總結(jié)和討論

以2017年8月7日夜間發(fā)生在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的一次颮線過(guò)程為例，基于WRF模式預(yù)報(bào)的“格點(diǎn)”探空資料作為背景場(chǎng)，利用CM1數(shù)值模式，開(kāi)展了中層相對(duì)濕度、低層風(fēng)切變和對(duì)流有效位能的敏感性試驗(yàn)，研究探討弱風(fēng)切變背景下大氣環(huán)境條件對(duì)夜間颮線發(fā)生、發(fā)展的影響，得出以下結(jié)論：

（1）中層相對(duì)濕度對(duì)夜間颮線發(fā)生、發(fā)展有影響。濕度升高有利于颮線回波面積增大、回波強(qiáng)度增強(qiáng)和移動(dòng)速度增大，也有利于冷池地面降溫幅度增大。濕度降低颮線的雷達(dá)回波寬度變窄，但颮線更“直立”，有利于颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持。在颮線成熟階段，濕度的降低也有利于冷池厚度增大，中層相對(duì)濕度的改變對(duì)夜間颮線成熟階段的地面最大風(fēng)速的影響并不十分明顯，但是中層相對(duì)濕度的降低會(huì)增大地面最大風(fēng)速的波動(dòng)。

（2）低層風(fēng)切變的大小直接影響夜間颮線的發(fā)生、發(fā)展。低層風(fēng)切變的增大，不僅使夜間颮線的雷達(dá)回波強(qiáng)度增強(qiáng)、回波面積增大，也能使成熟颮線冷池強(qiáng)度增強(qiáng)、地面最大降溫幅度增大。低層風(fēng)切變?cè)黾幽苁挂归g颮線的移速變慢，對(duì)成熟夜間颮線的地面最大風(fēng)速和冷池厚度影響不大，但是更弱的環(huán)境風(fēng)垂直切變更容易出現(xiàn)脈沖風(fēng)暴地面強(qiáng)風(fēng)。在弱切變背景下，低層風(fēng)切變的減小不利于成熟夜間颮線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的維持，太小的低層風(fēng)切變使初始對(duì)流過(guò)于向冷池上方傾斜而不利于其發(fā)展為成熟的夜間颮線。

（3）對(duì)流有效位能是影響夜間颮線發(fā)生、發(fā)展的重要因素。對(duì)流有效位能越大，越有利于夜間颮線回波強(qiáng)度增強(qiáng)、回波面積增大，以及冷池強(qiáng)度和厚度的增大，也有利于夜間颮線地面降溫幅度和地面最大風(fēng)速的增大。在弱切變環(huán)境下，中等大小的對(duì)流有效位能更有利于成熟夜間颮線強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的維持。盡管對(duì)流有效位能低值不利于夜間颮線發(fā)展，但在中空高濕環(huán)境條件下依然能形成成熟颮線。

通過(guò)試驗(yàn)可以看到，夜間颮線的發(fā)生、發(fā)展與中層相對(duì)濕度、低層風(fēng)切變和對(duì)流有效位能等大氣環(huán)境條件密切相關(guān)，關(guān)注這些大氣環(huán)境條件的變化和配置對(duì)夜間颮線發(fā)生、發(fā)展的預(yù)報(bào)至關(guān)重要。本研究發(fā)現(xiàn)的一些現(xiàn)象對(duì)夜間颮線的日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)有啟示作用，如低層風(fēng)切變不僅影響夜間颮線移動(dòng)速度，與夜間颮線的發(fā)生直接有關(guān)，日常探空和風(fēng)廓線觀測(cè)業(yè)務(wù)中需加強(qiáng)低層風(fēng)資料的獲取和應(yīng)用。預(yù)報(bào)夜間颮線地面大風(fēng)時(shí)，不僅要關(guān)注夜間颮線回波帶的強(qiáng)度，也要關(guān)注冷池前沿新生單體的發(fā)展。盡管對(duì)流有效位能越大，越有利于激發(fā)對(duì)流，但在中層高濕的背景下，低層弱切變、對(duì)流有效位能低值條件下依然能產(chǎn)生夜間颮線。與午后颮線不同，中高層干冷空氣并不是夜間颮線發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此，日常預(yù)報(bào)中需高度關(guān)注中層大氣濕度的變化等。依然有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和探索，本研究?jī)H針對(duì)低層弱切變的情況，中等強(qiáng)度切變和強(qiáng)切變的背景下大氣環(huán)境條件對(duì)夜間颮線發(fā)生、發(fā)展的影響還待進(jìn)一步研究。