王智 鄒蘭軍

(上海中心氣象臺，上海 200030)

引 言

颮線是發(fā)生在我國春夏季常見的中尺度對流系統(tǒng)，是由多個雷暴單體或雷暴群組成的一條狹窄強對流帶，常造成局地暴雨、短時大風、冰雹等災(zāi)害性天氣。颮線的長度一般為幾十到幾百千米，維持時間多為4～10 h。長期以來國際上對颮線的分析研究已有諸多成果[1-3]，近年來隨著多普勒天氣雷達網(wǎng)的建設(shè)，國內(nèi)針對颮線的觀測研究也有了很大進展，如姚晨等[4]對江淮流域長生命史颮線的特征進行了分析；姚建群等[5]指出地面鋒生作用和低層輻合、高層輻散造成的強抬升運動是颮線的主要觸發(fā)機制；劉淑媛等[6]對一次影響上海的颮線過程分析表明高層冷空氣入侵低層暖空氣上空造成鋒前不穩(wěn)定是颮線發(fā)展的有利因素。一些分析研究[7-8]利用雷達觀測反演出颮線前方向后的暖濕氣流和后方的冷平流；Richard，et al[9]通過數(shù)值試驗以及理論解析指出冷池邊界的擴張速度是颮線維持穩(wěn)定和較長生命史的重要條件。

數(shù)值模擬有助于揭示颮線的精細結(jié)構(gòu)特征與產(chǎn)生機理[10-12]。陳鋒等[13]指出雷達資料同化能有效改善颮線邊界層特征的模擬；夏文梅等[14]成功模擬出颮線雷暴單體前側(cè)的下沉出流、冷出流與環(huán)境氣流形成的輻合上升氣流；陳明軒等[15]通過對華北一次颮線的數(shù)值模擬，分析了低層垂直風切變與冷池在颮線發(fā)展和維持中的相互作用機制。

2019年4月9日長三角地區(qū)出現(xiàn)一次強颮線天氣過程，安徽、江蘇、上海和浙江等地普遍出現(xiàn)雷暴、雷雨大風和短時強降水等災(zāi)害性天氣。本文旨在對這次颮線的演變過程和天氣形勢背景分析的基礎(chǔ)上，進一步分析新一代華東區(qū)域模式對這次颮線的預(yù)報能力，探討此次颮線發(fā)生發(fā)展機理和中尺度結(jié)構(gòu)特征。

1 天氣實況

2019年4月9日，長三角地區(qū)出現(xiàn)了一次強颮線天氣過程，凌晨颮線在安徽北部、河南南部形成，并向東南移動， 13時左右(北京時，下同)到達上海、浙江北部地區(qū)，維持時間較長，歷時超過12 h。此次颮線過程空間尺度較大、影響范圍廣，在颮線上有多個強對流風暴和超級單體風暴發(fā)展，對流發(fā)展類型多樣。從強對流天氣監(jiān)測實況看，長三角地區(qū)自北向南先后出現(xiàn)了雷暴、雷雨大風和短時強降水，在江蘇北部和安徽南部個別地區(qū)出現(xiàn)了冰雹。

2 形勢背景與對流天氣發(fā)展過程

2.1 颮線發(fā)展維持的天氣形勢背景分析

從4月9日天氣形勢背景(圖1)看，500 hPa有高空槽東移，并呈現(xiàn)階梯槽形勢，華東地區(qū)處在槽前西南氣流控制下，槽前正渦度平流有利于低值系統(tǒng)迅速發(fā)展。850 hPa在河南東部、安徽北部有低渦發(fā)展，低渦中心位于溫度鋒區(qū)上，低渦后(西)部為冷槽，前部為暖脊，長三角地區(qū)受暖平流控制，前部暖平流、后部冷平流有利于低渦系統(tǒng)發(fā)展和移動。20時低渦中心東移至黃海北部，引導后部冷空氣快速南下到達上海、浙江北部。在地面為江淮氣旋的東移過程，08時氣旋中心位于安徽中部，14時前后江淮氣旋經(jīng)長江口附近出海。長三角地區(qū)9日前期受暖區(qū)控制，地面氣溫上升明顯，各地最高氣溫普遍在29～31 ℃。

圖1 2019年4月9日08時500 hPa天氣形勢(a)、850 hPa天氣形勢(b)、地面氣壓(c)以及20時850 hPa天氣形勢(d)

從9日08時垂直風切變和850 hPa相當位溫分布看(圖略)，長三角地區(qū)6 km高度與地面風場存在較強的垂直風切變(20 m·s-1以上)，局部地區(qū)達到了28 m·s-1以上，為組織化的強對流發(fā)展提供了有利的外部環(huán)境條件。相當位溫存在明顯的暖舌從湖南、江西伸向安徽、浙江等地。

因此，高空槽前西南氣流、低層強烈輻合抬升為此次強對流天氣發(fā)生發(fā)展提供了有利的背景條件，也是其主要的觸發(fā)機制。冷空氣向南侵入與低層發(fā)展的暖濕氣流在對流潛勢區(qū)疊加建立了強的不穩(wěn)定層結(jié)，是本次颮線過程發(fā)生發(fā)展和長時間維持的重要原因；強的垂直風切變有利于強對流風暴發(fā)展的組織化。

2.2 對流天氣發(fā)展過程

圖2為4月9日我國東部地區(qū)組合雷達反射率演變。雷達觀測表明，9日00時在河南東南部、安徽北部就有較大范圍的弱回波存在(圖略)，03時對流迅速發(fā)展，并呈現(xiàn)一定的組織化，形成一條帶狀回波，中心強度達到45～50 dBZ，回波長度約200 km，回波帶上有多個對流單體發(fā)展。帶狀回波形成后逐漸向東南移動，07時回波帶的長度已發(fā)展到400 km左右，其南段呈現(xiàn)出明顯的弓狀特征。11時(圖2c)弓狀回波進入江蘇南部，回波前部邊緣整齊清楚。另外需要說明地是，11時以后由于華東地區(qū)部分站點雷達資料缺失，在雷達回波拼圖上顯得颮線的長度和范圍偏小。13時弓狀回波接近上海西部，回波中心強度和范圍明顯發(fā)展，中心強度達到了55～60 dBZ。雷暴到達上海以后，有組織化的結(jié)構(gòu)趨于減弱，回波開始消散，14時(圖2d)強回波影響上海中心城區(qū)，15時弓形回波東移進入東海，強度明顯減弱。17時回波帶向東南移至浙江北部地區(qū)，20時回波帶已向南移至浙江中部地區(qū)，回波強度進一步減弱。

圖2 2019年4月9日華東地區(qū)組合雷達反射率：(a)05時；(b)08時；(c)11時；(d)14時；(e)17時；(f)20時

可見本次颮線過程生命史長，歷時超過12 h，在安徽北部形成并向東南方向移動至浙江境內(nèi)，影響范圍廣，是長三角地區(qū)一次罕見的春季長歷時颮線過程，在颮線發(fā)展過程中強對流風暴活躍，成熟階段具有明顯的弓狀回波結(jié)構(gòu)特征。

3 模式簡介

新一代華東區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)SMS-WARMSv2.0[16]是基于中尺度數(shù)值模式WRF和ADAS數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)建立的，模式水平分辨率為9 km，目前每日運行兩次，即08時和20時各啟動一次，每次預(yù)報時長為72 h。

SMS-WARMSv2.0對模式下墊面、物理過程尤其是對流參數(shù)化方案和微物理過程進行了大量改進，包括對流參數(shù)化考慮了淺對流的作用，微物理過程調(diào)整了雨滴末端速度和考慮了氣溶膠的分布等。ADAS采用3DVAR同化方法，同化資料包括常規(guī)觀測、自動站、雷達基數(shù)據(jù)、FY衛(wèi)星等多源資料，豐富了模式初始場的云和水汽信息，以改善初始濕度場、質(zhì)量場和風場。雷達反射率資料同化采用云分析方法，考慮了干空氣夾卷及凝結(jié)過程對云水量的損耗，通過雷達反射率方程診斷獲得雨水、雪、冰雹等信息，并根據(jù)與云水、云冰對應(yīng)的潛熱釋放，基于濕絕熱對溫度場進行調(diào)整。

4 數(shù)值預(yù)報分析

4.1 模擬颮線過程分析

圖3給出了模式對本次颮線過程的雷達反射率模擬。在模擬初始時刻(圖2b)，颮線已經(jīng)表現(xiàn)為完整的近南北向帶狀結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)明顯的弓狀特征，回波中心強度為45～50 dBZ。11時(圖3a)，模擬颮線已移動至沿江一帶，颮線演變?yōu)闁|北—西南向，在回波帶上有多個對流單體發(fā)展，中心強度達到55～60 dBZ，颮線后側(cè)存在明顯的V型缺口，表明存在強的入流急流；與實況颮線(圖2c)相比，模擬颮線的移動速度偏慢1 h左右，強度偏強些。14時模擬颮線移至上海西部，實況颮線在13時已到達上海西部地區(qū)，14時影響上海中心城區(qū)，此時模擬雷達反射率從黃海南部到安徽南部形成一條狹窄的強對流回波帶，在回波帶上也存在多個對流單體發(fā)展。17時模擬颮線的前部基本已向東南移到海上，實況颮線(圖2e)此時也已移到杭州灣到浙江北部。20時模擬的颮線向南移到浙江中部地區(qū)，對流仍維持較完整的帶狀結(jié)構(gòu)，但已明顯減弱消散，與實況(圖2f)相比，模擬的颮線位置和強度基本一致。

圖3 華東區(qū)域模式9日08時預(yù)報最大雷達反射率: (a)11時； (b)14時； (c)17時； (d)20時

可見，新一代華東區(qū)域模式對此次颮線過程具有較強的模擬能力，模擬颮線的結(jié)構(gòu)特征和對流單體的發(fā)生發(fā)展與實況基本一致，雖然在颮線的詳細結(jié)構(gòu)和移動速度上略有不同，但基本上較好地模擬了此次颮線的發(fā)展和演變過程，完整模擬了颮線從安徽北部到浙江的快速移動過程。

4.2 垂直結(jié)構(gòu)特征分析

圖4是模擬14時垂直于颮線(圖3b)的剖面和上海徐家匯站垂直速度的時高剖面及邊界層高度、可降水量的時序變化?？梢?，當颮線經(jīng)過時，等θe線出現(xiàn)了劇烈變化，呈現(xiàn)出漏斗形狀，雷暴前沿低層4 km以下2θe/?z<0且垂直方向上的梯度很大(等θe線密集)，說明存在很強的對流不穩(wěn)定。雷暴前部低層θe值較大，說明為暖濕空氣入流，暖濕空氣沿等θe線傾斜上升。在雷暴后部θe值相對較小，說明是中層干冷空氣的入流，干冷空氣沿著等θe線傾斜下沉。

圖4 華東區(qū)域模式9日08時起報(a)14時對應(yīng)圖3b中AB剖面的相當位溫和相對濕度(紅色三角為徐家匯站位置，黑色三角為颮線位置)；(b)徐家匯站點垂直速度時高剖面和邊界層高度(PBL)、可降水量時序變化

從徐家匯站的垂直速度看，在颮線經(jīng)過時存在強烈的上升運動，上升氣流貫穿整個對流層至14 km附近，說明對流發(fā)展十分旺盛。強烈的上升氣流將高濕空氣向上輸送，導致雷暴發(fā)生附近存在明顯的相對濕度高值區(qū)，高濕區(qū)向上發(fā)展至12 km。颮線過境時，徐家匯站的邊界層高度和大氣可降水量同樣有明顯的變化，邊界層高度由之前的0.6 km驟降到0.3 km(圖4b紅線)，之后又迅速上升；大氣可降水量也表現(xiàn)為颮線過境前的增加和之后迅速下降趨勢。

4.3 地面冷池的模擬分析

冷池是颮線重要的邊界層特征之一，與陣風鋒和鋒前新生單體密切相關(guān)，風暴后部中層有干冷空氣夾卷，并在對流區(qū)下沉造成近地面的冷池，冷池前部強上升運動有利于對流的維持與發(fā)展。冷池與對流區(qū)的位置決定對流是否維持，如果冷池遠離對流，在對流下部以下沉運動為主，不利于對流維持。冷池常常用擾動溫度、擾動位溫、擾動假相當位溫等多種定義來表示，本文中直接采用地面2 m溫度來分析。

圖5是模擬雷達反射率和地面2 m溫度、10 m風場。可以看到，在強回波中心下方存在一個明顯的地面中尺度冷中心向東南方向傳播。13時強回波中心位于江蘇、浙江、安徽交界處，地面風場切變線(西北風與西南風)在強回波中心前沿下方，地面冷中心位于切變線后部。此時在切變線東南側(cè)的太湖附近也為一個冷區(qū)，這應(yīng)該是由于水面溫度較陸地低導致，隨著地面冷池向東南移動，溫度下降，在太湖附近的冷區(qū)也消失了。之后，颮線、切變線和冷中心一起向東南移動，14時強回波中心移到江蘇南部(近浙江交界)，切變線接近上海西部，地面冷中心隨之到達太湖附近，位于強回波中心后部下方。15時模擬的颮線已經(jīng)影響上海，地面切變線推進至上海西部地區(qū)，地面冷中心也移動到江蘇與浙江交界處，仍位于強回波中心(江蘇南部，近浙江嘉興)的后部下方。

圖5 華東區(qū)域模式9日08時模擬13時(a)、14時(c)、15時(e)最大雷達反射率和13時(b)、14時(d)、15時(f)地面2 m溫度(陰影)和10 m風場

可見，對本次颮線過程，華東區(qū)域模式模擬出了一個中尺度冷池向東南方向的移動過程，冷池與對流風暴的移動速度基本一致，冷池位置距離強雷暴中心也較近，導致對流前部低層一直有風場的切變輻合抬升，有助于對流維持并發(fā)展。

5 結(jié)論

2019年4月9日在長三角地區(qū)發(fā)生了一次強颮線天氣過程，帶來了雷暴、極端大風、短時強降水和冰雹等災(zāi)害性天氣，本文在對此次颮線過程的環(huán)境條件、發(fā)生發(fā)展維持原因和演變規(guī)律分析基礎(chǔ)上，進一步對新一代華東區(qū)域數(shù)值模式結(jié)果進行了預(yù)報分析，分析了此次颮線發(fā)展過程和中尺度結(jié)構(gòu)特征。主要結(jié)論如下：

(1)本次颮線過程是在高空槽前、低層低渦和江淮氣旋強烈輻合抬升天氣背景下發(fā)生的，冷空氣向南侵入與低層發(fā)展的暖濕氣流疊加建立了強的對流不穩(wěn)定層結(jié)，是颮線發(fā)生發(fā)展和長時間維持的重要原因，強的垂直風切變有利于強對流風暴的組織化。

(2)雷達觀測表明本次颮線過程生命史長，在安徽北部形成并向東南方向移動至浙江境內(nèi)，影響范圍廣，是長三角地區(qū)一次罕見的春季長歷時颮線過程，在颮線發(fā)展過程中強對流風暴活躍，成熟階段具有明顯的弓狀回波結(jié)構(gòu)特征。

(3)新一代華東區(qū)域模式對本次颮線過程具有較強的模擬能力，較好地模擬了此次颮線長歷時的移動和演變過程，其模擬的颮線結(jié)構(gòu)特征和對流單體的發(fā)生發(fā)展與實況基本一致。

(4)高分辨率數(shù)值預(yù)報結(jié)果精細地刻畫了颮線的中尺度典型結(jié)構(gòu)特征：颮線前部低層暖濕空氣上升和后部中層干冷空氣下沉，颮線過境時的邊界層高度和大氣可降水量的迅速下降，地面中尺度冷池向東南方向的傳播過程，冷池與對流風暴的移動速度基本一致，冷池位置距離強雷暴中心也較近，導致對流前部低層一直有風場的切變輻合抬升，有助于對流維持并發(fā)展。