劉佳 沈新勇 張大林 許映龍 畢明玉

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室，南京210044

2馬里蘭大學(xué)大氣和海洋科學(xué)系, 美國馬里蘭州20742

3國家氣象中心, 北京100081

1 前言

颮線是對流性氣團凝聚在一起形成長生命史（＞3 h）的離散的實體。由于颮線側(cè)向排列有許多雷暴對流單體，因此可能會發(fā)生暴雨、大風(fēng)、冰雹等劇烈的災(zāi)害性天氣。以往的研究指出，颮線是一種準(zhǔn)線性的中尺度對流系統(tǒng)，對于它的發(fā)生條件已經(jīng)有許多的研究（丁一匯等，1982；Laing and Fritsch，2000）。國外學(xué)者利用雷達回波資料分析了颮線的統(tǒng)計學(xué)特征和中尺度對流組織模型（Houze，1977；Chen and Chou，1993; Parker and Johnson，2000），并給出了成熟颮線的概念模型。國內(nèi)學(xué)者也從地面中尺度物理特征、非絕熱加熱過程、邊界層中尺度輻合線、地形對颮線結(jié)構(gòu)的誘發(fā)和維持以及初始對流和云物理方案對颮線數(shù)值模擬結(jié)果的影響（高坤和張大林，1994；翟國慶和俞樟孝，1991；沈杭鋒等，2010；Zhang，1992；李鴻洲等，1999；張進和談?wù)苊簦?008；董昊等，2012；）等方面做了很多的研究。而這些研究大多以中尺度颮線和熱帶颮線為主要研究對象。

臺風(fēng)前部颮線（簡稱臺前颮線）是產(chǎn)生在臺風(fēng)外圍前部的強對流回波帶，成弧狀的對流群。它與臺風(fēng)外圍螺旋雨帶不同之處在于臺前颮線的傳播速度比螺旋雨帶快的多。此外，對流發(fā)生在臺風(fēng)外圍雨帶的內(nèi)部或者尾部，而臺前颮線的對流則發(fā)生在其引導(dǎo)邊緣（Powell，1990）。近年來，雷達、衛(wèi)星等先進的探測手段提供了大量的實時觀測資料。陳永林等（2009）利用多種觀測資料，對臺風(fēng)“麥莎”的螺旋云帶做了細致的研究，并發(fā)現(xiàn)在螺旋云帶登陸過程中，不斷分離出臺前颮線，并且定量的分析了臺前颮線的回波特征、組織方式及其帶來的大風(fēng)暴雨的災(zāi)害性天氣。梁佳等（2009）利用高分辨率模擬資料分析了臺前颮線的中尺度特征。Meng and Zhang（2010）對 17例臺前颮線做了觀測研究和統(tǒng)計分析，得到臺前颮線的統(tǒng)計學(xué)動力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)與中緯度颮線相比，臺前颮線的生命史較短但是具有更強的回波強度。并通過敏感性試驗，臺風(fēng)的尺度和強度增強均對臺前颮線發(fā)展有利。由于臺前颮線是由臺風(fēng)外圍螺旋云雨帶分離出來的，母體臺風(fēng)對它的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。關(guān)于臺風(fēng)和中尺度氣流之間的相互作用已經(jīng)有所研究（Chen and Pan，2010），臺前颮線是臺風(fēng)外圍的中小尺度系統(tǒng)，而關(guān)于臺風(fēng)具體是怎樣影響其臺前颮線這方面的研究工作則相對較少。本文在得到較好模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，運用Wang and Zhang（2003）的位渦反演方法，研究母體臺風(fēng)對其臺前颮線發(fā)展過程的影響。

2 臺風(fēng)“麥莎”臺前颮線系統(tǒng)的數(shù)值模擬驗證

本文使用 WRF (Weather Research and Forecasting) 模式模擬臺風(fēng)“麥莎”登陸前最大強度[5日06時（協(xié)調(diào)世界時，下同）]到登陸時產(chǎn)生臺前颮線（5日16時）以及颮線消亡后的過程。模擬區(qū)域為3個，采用雙向嵌套，格距分別為18 km，6 km，2 km，模擬時段為24 h （2005年8月5日06時至6日06時）。積分步長60 s。初始場采用1°×1°的NCEP每6 h一次再分析資料。微物理方案采用WSM-3混合冰相方案，僅粗網(wǎng)格采用Kain-Fritsch（new Eta）積云對流參數(shù)化方案。行星邊界層方案采用YSU方案，大氣輻射參數(shù)化方案采用 Dudhia的云輻射方案。采用細網(wǎng)格（2 km）的輸出結(jié)果對這次臺前颮線過程進行分析研究。模擬區(qū)域設(shè)置見圖1，相關(guān)的模式參數(shù)化方案設(shè)置見表1。

表1 模式參數(shù)設(shè)置Table 1 Configurations of the WRF model parameters in the control simulation

從模擬結(jié)果來看，模擬得到的臺風(fēng)路徑與實況基本一致（圖2），誤差不超過60 km。比較實況和模擬的臺風(fēng)中心最低氣壓及最大風(fēng)速（圖 2）可以看出，前12 h，最低氣壓和實況較為吻合。12 h之后，模擬的最低氣壓比實況偏強一些。整個模擬過程最大風(fēng)速與觀測最大風(fēng)速非常吻合。

圖1 模式模擬區(qū)域Fig.1 Domains of the numerical simulation

陳永林等（2009）利用衛(wèi)星、雷達及自動站資料，詳細的分析了臺風(fēng)“麥莎”螺旋云帶和臺前颮線在登陸過程中的回波特征。從實況的雷達回波圖[見陳永林等（2009）圖5] 可以看出：5日12時在臺風(fēng)東北象限海上有若干對流單體生成，隨后向西北方向運動并迅速發(fā)展成為成熟的臺前颮線（5日15時32分）。由于模擬的臺風(fēng)登陸時刻比實況晚了3 h左右，所以模擬的颮線生成時刻比實況晚了3 h左右，使得模擬的颮線每個階段都比實況晚了3 h。且模擬的臺前颮線位置也比實況偏南約40 km。盡管模擬的臺前颮線與實況有一些差異，但是較為準(zhǔn)確的再現(xiàn)了該系統(tǒng)的發(fā)展過程。成熟時刻回波東西寬約300 km，南北寬約20 km。生命史內(nèi)平均移動速度為 13 m s–1，約為臺風(fēng)移動速度（3.8 m s–1）的3.3倍。35 dBZ回波區(qū)與母體臺風(fēng)完全分離，最大回波強度達65 dBZ，符合Meng and Zhang (2010)對臺前颮線的定義。

3 臺前颮線的生成條件和典型結(jié)構(gòu)特征

3.1 臺前颮線生成環(huán)境條件

5日10時（即颮線生成前6 h），“麥莎”處于登陸前期，中心最低氣壓為 950 hPa。500 hPa 上5880 gpm線主體位于臺風(fēng)環(huán)流東北側(cè)（圖3a），使得初始對流發(fā)生區(qū)域處于副高外圍的對流活躍區(qū)內(nèi)。此時副熱帶高壓與臺風(fēng)低壓環(huán)流之間很強的氣壓梯度形成了較強的偏南風(fēng)低空急流。此急流帶南北長800 km, 東西寬300 km, 把“麥莎”南側(cè)海面上的暖濕氣流源源不斷的向北輸送，這也是其東側(cè)象限中尺度對流天氣系統(tǒng)多發(fā)的重要原因之一（高帆和王洪慶，2008）。而高層的高空急流位于37°N，120°E附近，沒有形成低空急流和高空急流相互配合的天氣形勢。可見這一個例中、低空急流對于臺前颮線的影響比高空急流重要。穩(wěn)定的副高和臺風(fēng)環(huán)流使得這種有利的天氣形勢一直維持。5日16時，在低空急流的西南側(cè)、臺風(fēng)東北側(cè)螺旋雨帶外圍有若干對流單體排列成行，這些對流單體中存在一些相對獨立的較小尺度的上升運動中心（也是暖濕中心）。分析此時臺風(fēng)前沿 3個緯度內(nèi)各層假相當(dāng)位溫θse（圖略）可以看出，對流單體區(qū)域900 hPa高度上有一中心值為350 K的高θse向上伸展，700 hPa以下為θse的大值區(qū)，以上為θse的小值區(qū)，這意味著潛在不穩(wěn)定有利于對流的發(fā)展。從圖 3b可以看出，700 hPa和 850 hPa 之間的θse差值（700-hPaθse－850-hPaθse）最大達到－20 K，且與對流初始化的位置很好的對應(yīng)，表明低層大氣的不穩(wěn)定能量有了一定程度的積累。

圖2 臺風(fēng)麥莎的模擬和實況（a）路徑、（b）最低氣壓和最大風(fēng)速對比Fig.2 Comparison of (a) the typhoon track and (b) time series of the minimum sea-level pressure and the maximum surface wind from model simulation and observational data

圖3 2005年8月5日（a）10時、（b）16時模擬的背景場。陰影：700 hPa和850 hPa 之間θ se的差值（700-hPa θ se－850-hPa θ se），單位：K；粗實線：副高位置；箭矢：＞10 m s–1的850 hPa風(fēng)速（低空急流）；虛線：＞40 m s–1的200 hPa風(fēng)速（高空急流）Fig.3 The background fields at (a) 1000 UTC and (b) 1600 UTC on 5 Aug 2005.Shaded area: 700-hPa θ se－850-hPa θ se, unit: K; thick solid line: position of the subtropical high; arrow: wind speed ＞10 m s–1 at 850 hPa; short-dashed line: wind speed exceeding 40 m s–1 at 200 hPa

Meng and Zhang（2010）指出：天氣尺度的抬升不再是產(chǎn)生對流的最直接的強迫因子，而其減弱的對流有效抑制能（CIN）和增強的對流有效位能（CAPE）則為對流發(fā)展提供了有益的環(huán)境。對比對流單體生成前6 h（5日10時）及生成時（5日16時），環(huán)境CAPE從2200 J kg–1增加到2400 J kg–1，而對流單體生成位置的 CAPE則從 2200 J kg–1增加到 3000 J kg–1（圖 4a，b），可見此時大氣的對流不穩(wěn)定性極大地增強。相應(yīng)時刻的 CIN值則非常小，約為24 J kg–1左右（圖略）。對比兩個時刻的地面散度場可以看出（圖略），5日 10時，對流單體相應(yīng)位置地面上基本沒有輻合輻散，而5日16時對流單體相應(yīng)位置地面上則有明顯的輻合。這是由于對流單體內(nèi)的上升運動造成的。且在其附近右側(cè)（對流單體的后側(cè)）是輻散結(jié)構(gòu)。這種配置使得冷出流快速嵌入暖濕入流的下部，兩者之間的密度鋒區(qū)抬升加速入流（姚建群等，2005），加強上升氣流，使得對流單體迅速發(fā)展。地面溫度露點差（T－Td）達到 4°C，是較為飽和的濕區(qū)，為對流單體的發(fā)展提供了有利的水汽條件。

由此看出，穩(wěn)定維持的臺風(fēng)環(huán)流和副高之間形成的強的低空急流將南部充沛的水汽源源不斷的輸送到臺風(fēng)東北側(cè)的氣旋環(huán)流中。低層水汽增加導(dǎo)致了CAPE的增加，大氣不穩(wěn)定能量積累，同時低層輻合的增強都為對流單體的生成提供了重要的條件，與Meng and Zhang（2010）得到的臺前颮線生成時期的統(tǒng)計學(xué)特征相吻合。

圖4 模擬的地面有效位能（陰影，＞1800 J kg–1）和溫度露點差（等值線，＞2°C）：（a）2005年8月5日10時；（b）2005年8月5日16時Fig.4 The simulated CAPE (shaded, ＞1800 J kg–1) and temperature–dewpoint spread (T?Td) (contour, ＞2°C) at the surface at (a) 1000 UTC and (b) 1600 UTC on 5 Aug 2005

3.2 成熟颮線的發(fā)展過程及其三維結(jié)構(gòu)

此次模擬很好的再現(xiàn)了臺前颮線的整個發(fā)展過程。模擬的雷達回波圖顯示：5日 16時，海上30°N，124°E附近出現(xiàn)若干點狀回波（圖5a）。1 h后點狀回波強度增強，范圍擴大（圖 5b），并向西北偏西方向移動，移動過程中在其前方陸上也有點狀回波生成，此時回波較為離散（圖5c）。5日19時，離散的點狀回波繼續(xù)向西運動，同時強度增強，在海上和陸上分別形成兩個短弧回波。這些短弧回波迅速發(fā)展并向西快速移動（圖 5d），移動前方同時有新的短弧回波生成，回波強度也進一步增強。20時到21時，這些短弧回波在運動過程中通過合并使得范圍擴大，強度不斷增強，最大回波強度達65 dBZ，形成成熟時刻的臺前颮線（圖5e、f）。發(fā)展成熟的時期有中尺度輻合線與強回波帶對應(yīng)（圖略）。

選取5日20時臺前颮線成熟時刻診斷分析臺前颮線系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)。由于臺前颮線位于強的臺風(fēng)環(huán)流之中，因此5日20時海平面氣壓場上并沒有像中緯度颮線或熱帶颮線強度的雷暴高壓中心，但是臺前颮線區(qū)域有兩個弱的變壓中心（變壓1.2 hPa），分別與雷達回波強中心對應(yīng)。過最強雷達回波中心（圖5e中ab直線）的垂直剖面圖（圖6a，b）可以看出：颮線發(fā)生在等θse線漏斗區(qū)域。其前部7 km以下均為正渦度，最大渦度中心位于3 km左右。颮線后部1.5 km、5 km均有負的渦度中心。7 km以上颮線前后均為負渦度中心。颮線前部有兩條入流，一條位于低層1 km附近，是θse值較大的暖濕空氣入流。通過輻合上升進入颮線內(nèi)部，而在其后部低層則有很強的干冷氣流流出，在后部低層形成了輻散區(qū)。這與王曉芳等（2010），梁建宇和孫建華（2012）的研究結(jié)果一致。和中緯度颮線熱帶颮線相比，由于臺風(fēng)帶來的充沛的水汽，臺前颮線具有更強的低層暖濕空氣入流。另一條位于中層3～5 km處，是θse值較小的干冷空氣入流，這條入流通過颮線中層的輻合上升在颮線后部高層流出。與臺風(fēng)外圍中尺度系統(tǒng)的高空出流在高層形成高空急流（孫建華等，2006）不同的是，臺前颮線的出流在高層沒有形成高空急流。

選取颮線系統(tǒng)經(jīng)過的一定點（圖 5e中的 O點），做颮線過境前后物理量場時間高度剖面圖（圖7a、b），可以看出：12時到 19時，颮線經(jīng)過該點之前，4 km以下始終保持?z＜0的位勢不穩(wěn)定狀態(tài)，上下層差值約為18 K，非常有利于對流的發(fā)展。低層3 km以下均為相對濕度85%以上濕區(qū)，而中高層則相對濕度較小。陶詩言等（1980）指出暴雨過程的強盛期常對應(yīng)濕垂直運動的中心區(qū)，此次颮線過程也不例外。20時颮線經(jīng)過該點時，垂直方向存在著深厚的等區(qū)，即濕垂直運動的中性區(qū)，低層濕區(qū)向上延伸到7 km高度處。此時低層2～6 km均為正渦度，高層有負渦度，相應(yīng)低層輻合高層輻散。這種垂直結(jié)構(gòu)使得低層入流進入颮線內(nèi)部后形成深厚的上升運動，平衡低層輻合和高層的輻散，加快颮線后部的兩條流出氣流，使得颮線迅速的發(fā)展。6日00時，颮線移出該點，由于颮線尾部小對流單體的影響，低層只有較弱的輻散。

4 臺前颮線影響因子敏感性試驗

研究臺前颮線的方法除了與中緯度颮線和熱帶颮線對比研究以外（因為關(guān)于中緯度颮線和熱帶颮線的構(gòu)成類型、運動、生命史等的特征都有了較多、較完善的研究），由于臺前颮線是發(fā)生在臺風(fēng)環(huán)流環(huán)境中的準(zhǔn)線性中尺度對流系統(tǒng)，有必要考慮臺風(fēng)會對它的發(fā)展起到怎樣的作用。因此我們通過敏感性試驗，分析研究母體臺風(fēng)對其臺前颮線發(fā)展過程的影響。

圖5 2005年8月5日16～20時模擬的850 hPa雷達回波（單位：dBZ）：（a）5日16時；（b）5日17時；（c）5日18時；（d）5日19時；（e）5日20時；（f）5日21時。ab線段為圖6中的剖線；O點是圖7的定點Fig.5 The simulated radar reflectivity (unit: dBZ) at 850 hPa at (a) 1600 UTC, (b) 1700 UTC, (c) 1800 UTC, (d) 1900 UTC, (e) 2000 UTC, (f) 2100 UTC on 5 Aug 2005.Line ab indicates the location of cross section shown in Fig.6; point O indicates the position of cross section shown in Fig.7

圖6 5日20時沿著圖5e中ab直線的垂直剖面：（a）散度（陰影，單位：10–5 s–1）、風(fēng)場（箭矢：(u，w×10)，u和w單位：m s–1）；（b）渦度（陰影，單位：10–5 s–1）、θ se（實線，單位：K）Fig.6 Vertical cross sections along line ab in Fig.5e at 2000 UTC 5 Aug 2005: (a) Divergence (shaded, unit: 10–5 s–1); wind vectors (u，w×10), units of uand w: m s–1); (b) relative vorticity (shaded, unit: 10–5 s–1), θ se (contour, unit: K)

圖7 2005年8月5日12時至6日03時（a）散度場（陰影，單位：10–5 s–1）、θ se（等值線，單位：K）和（b）渦度場（陰影, 單位：10–5 s–1）、相對濕度（等值線，實線：＜55%；虛線：＞85%）在定點O的時間—高度剖面Fig.7 Time–height cross section at point O from 1200 UTC 5 to 0300 UTC 6 Aug 2005: (a) Divergence (shaded, unit: 10–5 s–1), θ se (contour, unit: K); (b)relative vorticity (shaded, unit: 10–5 s–1), relative humidity (solid lines: ＜55%, dashed lines: ＞85%)

4.1 位渦反演方法和敏感性試驗設(shè)計

自1985年Hoskins et al.（1985）詳細闡述了位渦反演的性質(zhì)以來，位渦反演方法逐步發(fā)展成熟。Charney（1955）提出的非線性平衡基礎(chǔ)上的位渦反演方法得到了廣泛地應(yīng)用。然而這種方法也有不少的缺點，最主要的一點是略去了輻合輻散而不能夠很好的反演出中尺度系統(tǒng)。Wang and Zhang（2003）提出了PV–ω反演方法。其做法是在通過PV方程和非線性平衡方程反演得到平衡流場的基礎(chǔ)上，利用準(zhǔn)平衡ω方程得出準(zhǔn)平衡條件下的垂直運動和輻散風(fēng)分量，使得位渦反演方法能夠很好的應(yīng)用于中尺度系統(tǒng)的診斷，也使得反演技術(shù)在包含天氣尺度和中尺度大氣運動的理解、診斷和預(yù)測方面表現(xiàn)出很強的應(yīng)用背景。

為了研究臺風(fēng)對臺前颮線發(fā)展過程的影響，我們運用 Wang and Zhang（2003）的 PV–ω位渦反演方法，通過改變某一時刻的相應(yīng)范圍內(nèi)的位渦值，從而達到改變TC的目的。并將改變強度后的臺風(fēng)渦旋做為初始條件，再次放到模式主模塊里面積分，得到敏感性試驗的模擬結(jié)果。本文中我們選取控制試驗的初始積分時刻作為位渦反演的時刻，分別設(shè)計三組敏感性試驗，三組試驗采用同樣的邊界條件：

第一組：以臺風(fēng)中心為圓心，半徑550 km區(qū)域內(nèi)的位渦擾動減小為原始位渦擾動的0.25倍；

第二組：以臺風(fēng)中心為圓心，半徑550 km區(qū)域內(nèi)的位渦擾動減小為原始位渦擾動的0.5倍；

第三組：以臺風(fēng)中心為圓心，半徑550 km區(qū)域內(nèi)的位渦擾動增大為原始位渦擾動的1.5倍；

反演后，初始時刻的臺風(fēng)變化如表2所示：

表2 控制和敏感性試驗中臺風(fēng)中心最低氣壓、最大風(fēng)速的對比Table 2 Comparison of the control-simulated minimum sea-level pressure and maximum surface wind to those in sensitivity simulations

4.2 臺前颮線影響因子敏感性試驗

分析敏感性試驗1的雷達反射回波（圖略）可以看出，當(dāng)臺風(fēng)強度減小到一定程度時，沒有臺前颮線產(chǎn)生。可見母體臺風(fēng)對臺前颮線的發(fā)生發(fā)展過程起重要的作用。下面將通過敏感性試驗 2、3的結(jié)果，分析討論母體臺風(fēng)對臺前颮線發(fā)展過程的影響。

分析敏感性試驗 2、3的雷達反射回波可以看出：與控制試驗相比，試驗2中（圖8a、b）由于臺風(fēng)中心最低氣壓增加15 hPa，眼墻及其外圍區(qū)域的回波范圍減小了很多。5日14時，臺風(fēng)東北象限海上有若干對流單體生成，之后的4 h中，一部分對流單體消亡，一部分對流單體向西移動進入陸上。這些離散的對流單體逐漸發(fā)展并向西偏北方向移動，在移動過程中與新生成的對流單體合并發(fā)展。到了成熟時刻形成一長約為200 km，寬70 km的回波帶，長寬比約為3，35 dBZ以上的大值回波區(qū)較為連續(xù)，基本符合臺前颮線的定義。

圖8 850 hPa雷達反射回波：（a）敏感性試驗2，5日14時；（b）敏感性試驗2，6日01時；（c）敏感性試驗3，5日14時；（d）敏感性試驗3，6日01時Fig.8 The simulated radar reflectivity at 850 hPa: (a) 1400 UTC 5 Aug in sensitivity experiment 2; (b) 0100 UTC 6 Aug in sensitivity experiment 2; (c) 1400 UTC 5 Aug in sensitivity experiment 3; (d) 0100 UTC 6 Aug in sensitivity experiment 3

試驗3中（圖8c、d），臺風(fēng)中心最低氣壓減小了25 hPa，眼墻及其外圍區(qū)域的回波范圍和強度均有明顯的增加。臺前颮線生成時刻（5日14時），臺風(fēng)東北象限海上30.5°N，123°E附近的對流單體成線狀排列，回波較強。其西側(cè)臺風(fēng)螺旋雨帶外圍也有若干對流單體排列成行。隨后的幾小時內(nèi)（5日15時至6日01時），這些線狀的對流單體迅速發(fā)展，像西北偏西方向移動，在移動的過程中逐漸合并。形成了長度達到500 km，寬度達80 km的成熟時刻的臺前颮線，長寬比約為 6，最大回波強度達65 dBZ，生命史持續(xù)了10 h，是一條劇烈的臺前颮線。

對比臺前颮線生成時期的環(huán)境條件可以看出，控制試驗中（圖9a、b），颮線生成時期（5日14時到16時）對流單體位置及附近區(qū)域均有地表輻合，只不過附近區(qū)域的輻合較弱。而敏感性試驗2中僅在對流單體位置（29°N，123°E）附近有較弱的輻合（圖9c、d），對比地面水汽混合比，雖然數(shù)值達到21×10–3g kg–1，但水汽范圍較小。而控制試驗中水汽范圍更大。敏感性試驗3中颮線生成時刻（圖 9e、f）地表輻合強度強，范圍大。水汽混合比（Qv, water vapor mixing ratio）的強度和敏感性試驗2相當(dāng)，但是范圍大許多，為臺前颮線創(chuàng)造了有利的生成條件。從敏感性試驗中臺前颮線成熟時期的環(huán)境條件可以看出，對比控制試驗（圖10a、b），較弱的臺前颮線（敏感性試驗 2）對應(yīng)較弱的冷池（圖 10c、d），降溫約為 3°C，而較強的臺前颮線（敏感性試驗3）對應(yīng)較強的冷池（圖10e、f）,降溫達到6°C。控制試驗和敏感性試驗的水汽強度相當(dāng)，只是強的臺前颮線對應(yīng)的水汽范圍更大。上述分析表明，強的臺風(fēng)為臺前颮線對流發(fā)生時提供了更加充沛的水汽和地表的輻合條件，增加環(huán)境輸送，從而給颮線提供更多的外部強迫使其迅速發(fā)展。

圖9 模擬的地面散度（陰影，單位：10–5 s–1）、水汽混合比（等值線，單位：10–3 g kg–1）。（a）控制試驗：5日14時;（b）控制試驗：5日16時；（c）敏感性試驗2：5日14時；（d）敏感性試驗2：5日16時；（e）敏感性試驗3：5日14時；（f）敏感性試驗3：5日16時Fig.9 The simulated divergence (shaded, unit: 10–5 s–1) and Qv (contour, unit: 10–3 g kg–1) at the surface: (a) 1400 UTC and (b) 1600 UTC on 5 Aug in control experiment; (c) 1400 UTC and (d) 1600 UTC on 5 Aug in sensitivity experiment 2; (e) 1400 UTC and (f) 1600 UTC on 5 Aug in sensitivity experiment 3

圖10 模擬的地面溫度（陰影，單位：°C）、水汽混合比（等值線，單位：10–3g kg–1）。（a）控制試驗：5日20時；（b）控制試驗：6日01時；（c）敏感性試驗2：5日20時；（d）敏感性試驗2：6日01時；（e）敏感性試驗3：5日20時；（f）敏感性試驗3：6日01時Fig.10 The simulated temperature (shaded, unit: °C) and Qv (contour, unit: 10–3g kg–1) at the surface: (a) 2000 UTC 5 Aug and (b) 0100 UTC 6 Aug in control experiment; (c) 2000 UTC 5 Aug and (d) 0100 UTC 6 Aug in sensitivity experiment 2; (e) 2000 UTC 5 Aug and (f) 0100 UTC 6 Aug in sensitivity experiment 3

以往的研究表明，地面冷出流與環(huán)境切變的相互作用經(jīng)由前沿新單體的再生促成了對流系統(tǒng)的組織化和維持（Rotunno et al., 1988；Weisman and Davis, 1998）。Laing and Fritsch (2000) 指出低空垂直風(fēng)切變對對流風(fēng)暴的發(fā)展有重要的影響。由于臺前颮線發(fā)生在臺風(fēng)背景中，在臺風(fēng)北部區(qū)域生成，因此我們選取臺前颮線生成到發(fā)展成熟階段內(nèi)母體臺風(fēng)北部2緯度范圍內(nèi)700 hPa、850 hPa、900 hPa等壓面上水平風(fēng)的u、v分量做區(qū)域平均，計算得到低空垂直風(fēng)切變。颮線生成前圖（11a），低空垂直風(fēng)切變的方向由西北指向東南，切變強度約為11 m s–1，到成熟時期（圖11b），切變方向變化不大，而強度減小到7 m s–1。整個過程中切變減小了4 m s–1。從敏感性試驗中的低空垂直風(fēng)切變可以看出：敏感性試驗2中，當(dāng)臺風(fēng)較弱時，颮線生成前（圖 11c）的低空垂直風(fēng)切變方向由北指向南，切變強度約為9 m s–1，到了成熟時期（圖11d），低空垂直風(fēng)切變方向轉(zhuǎn)為自西北指向東南，切變強度減小到 6 m s–1。而敏感性試驗 3中，當(dāng)臺風(fēng)較強時，颮線生成前（圖 11e）的低空垂直風(fēng)切變方向由西北指向東南，切變強度約為15 m s–1。到了成熟時期（圖11f），低空垂直風(fēng)切變方向基本不變，強度減小到9 m s–1。姚建群等（2005）指出：若垂直風(fēng)切變較小，使得下沉氣流不能與上升氣流分開，下沉氣流的出現(xiàn)和增強導(dǎo)致上升氣流的減弱，雷暴的生命周期結(jié)束，不能進一步維持。對比控制試驗和敏感性試驗的低空垂直風(fēng)切變可以看出，在臺前颮線生成時刻，低空垂直風(fēng)切變相對較大，且較強的臺風(fēng)使得的低空垂直風(fēng)切變更大，非常有利于對流單體的發(fā)展。隨著臺前颮線發(fā)展成熟，較弱臺風(fēng)的低空垂直風(fēng)切變減小到6 m s–1，不利于臺前颮線的繼續(xù)發(fā)展維持。而當(dāng)臺風(fēng)較強時，低空垂直風(fēng)切變雖然減小了6 m s–1，但是切變強度仍然有9 m s–1，因此其臺前颮線的生命史維持的時間更久。

圖11 低空垂直風(fēng)切變：（a）控制試驗，5日12時；（b）控制試驗，5日21時；（c）敏感性試驗2，5日12時；（d）敏感性試驗2，5日21時；（e）敏感性試驗3，5日12時；（f）敏感性試驗3，5日21時。拐點對應(yīng)等壓面依次為950 hPa、850 hPa、700 hPaFig.11 The area-averaged hodographs from the model-simulated winds at 950 hPa, 850 hPa, 700 hPa: (a) 1200 UTC and (b) 2100 UTC 5 Aug in control experiment; (c) 1200 UTC and (d) 2100 UTC 5 Aug in sensitive experiment 2; (e) 1200 UTC and (f) 2100 UTC 5 Aug in sensitive experiment 3

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬發(fā)生在2005年8月5日16時至6日00時的一次臺前颮線過程，診斷分析了其生成的環(huán)境條件和成熟時期三維結(jié)構(gòu)，并通過敏感性試驗分析了臺風(fēng)強度對臺前颮線發(fā)展過程的影響，得到以下結(jié)論：

（1）臺風(fēng)為臺前颮線提供了有利于產(chǎn)生對流的天氣尺度環(huán)境場，這些有利條件包括：副高與臺風(fēng)低壓間很強的氣壓梯度形成的強低空急流，把南側(cè)的暖濕氣流源源不斷的向北輸送，造成臺風(fēng)東側(cè)象限中尺度對流天氣系統(tǒng)多發(fā)。強的不穩(wěn)定環(huán)境存在很大的對流有效位能以及地表輻合。

（2）成熟臺前颮線的變壓強度比中緯度颮線和熱帶颮線小，僅存在弱的變壓中心（變壓1.2 hPa）與雷達回波強中心對應(yīng)。臺前颮線發(fā)生在等 θse線漏斗區(qū)域。具有更強的低層暖濕空氣入流，并通過輻合進入颮線內(nèi)部傾斜上升，在其后部低層形成很強的干冷氣流流出。而中層的入流是一支范圍寬的θse值較小的干冷空氣入流，這條入流通過颮線中層的輻合上升在颮線后部高層流出。

（3）敏感性試驗結(jié)果表明：較弱的臺風(fēng)其臺前颮線的強度較弱，移動速度較慢且生命史較短。而較強的臺風(fēng)，其臺前颮線的強度強，移動速度快生命史也更長。較弱的臺風(fēng)為臺前颮線的生成提供了較弱的水汽條件和地表輻合。而較強的臺風(fēng)則為臺前颮線提供了強度大范圍廣的水汽及和地表輻合條件。由于強臺風(fēng)使得中層冷空氣入流增強及颮線中蒸發(fā)冷卻的強下沉氣流增強使得颮線的冷池更強。強的臺風(fēng)使得低空垂直風(fēng)切變更強，因此臺風(fēng)強度大更有利于其臺前颮線的發(fā)展。隨著臺前颮線發(fā)展成熟，低空垂直風(fēng)切變逐漸減小，不利于臺前颮線的繼續(xù)發(fā)展維持，加之低空水汽輸送的減少，使其趨向衰亡。

本文通過數(shù)值模擬和敏感性試驗，研究了母體臺風(fēng)對于其臺前颮線發(fā)展過程的影響。這一個例中臺前颮線產(chǎn)生在臺風(fēng)螺旋雨帶的前沿，如果臺前颮線在遠離螺旋雨帶的位置產(chǎn)生，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生怎么樣的變化？這將是未來值得深入研究的問題。

致謝 感謝審稿專家對本文提出的諸多有益建議！

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