孫繼松 何娜 郭銳 陳明軒

1 中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089

2 北京市氣象臺(tái)，北京 100089

1 引言

雷暴系統(tǒng)是夏季強(qiáng)降水過(guò)程中比較常見的、典型的中尺度天氣系統(tǒng)。根據(jù)雷暴的生成和發(fā)展機(jī)制、生命史和降水強(qiáng)度，F(xiàn)ovell and Ogura（1988）將它們分為三類：（1）短生命周期的單體雷暴；（2）持久并離散傳播的多單體雷暴；（3）持久并連續(xù)移動(dòng)的超級(jí)風(fēng)暴單體。其中，第二種類型在夏季強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程比較常見，其特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，降水帶（強(qiáng)降水或冰雹）呈線狀或不規(guī)則分布。這類多單體雷暴系統(tǒng)按照其移動(dòng)或傳播特點(diǎn)大體上還可以分為兩種：（I）對(duì)流系統(tǒng)中的多單體整體向下游傳播，雷暴單體的傳播方向與雨帶的移動(dòng)方向角度很小或者基本一致；（II）在對(duì)流雨帶中，有相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)對(duì)流單體沿著雨帶傳播，雨帶呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。第I類多單體風(fēng)暴多數(shù)表現(xiàn)為快速移動(dòng)的颮線系統(tǒng)，盡管對(duì)流活動(dòng)比較劇烈，如出現(xiàn)冰雹、雷暴大風(fēng)或短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流現(xiàn)象，但是，對(duì)雨帶經(jīng)過(guò)的某一位置而言，多數(shù)情況下只有一個(gè)單體經(jīng)過(guò)，影響時(shí)間取決于單體的傳播速度，一般而言難以出現(xiàn)暴雨；而第二種多單體對(duì)流系統(tǒng)，雨帶就像一列沿鐵路線緩慢移動(dòng)的火車，對(duì)流單體猶如一輛輛不同的車廂依次經(jīng)過(guò)某一固定地點(diǎn)，間歇性的短時(shí)強(qiáng)降水最終造成局地大暴雨或特大暴雨，預(yù)報(bào)員將這種現(xiàn)象形象地稱之為“列車效應(yīng)”（馮建明等, 2010; 馮晉勤等, 2008; 何群英等, 2009），這種多單體雷暴在暖切變暖區(qū)一側(cè)或低空急流等天氣系統(tǒng)引發(fā)的對(duì)流性暴雨過(guò)程中比較常見（楊春等,2009; Sun et al., 2006; 廖移山等, 2010）。事實(shí)上，由于雷暴觸發(fā)、發(fā)展、維持機(jī)制的不同，真實(shí)大氣中所發(fā)生的雷暴系統(tǒng)比上述所列舉的類型更為多樣，例如，持久而不移動(dòng)的對(duì)流性暴雨云團(tuán)（孫繼松和楊波，2008）也是一類比較多見的雷暴系統(tǒng)。

對(duì)線狀分布的多單體雷暴新生、傳播和發(fā)展等物理過(guò)程的研究，是臨近預(yù)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題，仍然存在著大量問(wèn)題有待研究。本文主要分析以下三個(gè)問(wèn)題：（1）在多單體雷暴中，為什么有些單體在傳播過(guò)程中會(huì)突然增強(qiáng)或者迅速減弱？（2）多單體雷暴傳播過(guò)程中，雨帶的形態(tài)為什么會(huì)發(fā)生變化？例如，直線排列的多單體演變?yōu)楣瓲钆帕械亩鄦误w。（3）快速移動(dòng)的多單體颮線系統(tǒng)和沿雨帶傳播的多單體系統(tǒng)（列車效應(yīng)）在環(huán)境上和機(jī)制上有什么不同？

2 研究背景

對(duì)于第I類多單體雷暴（快速移動(dòng)的颮線系統(tǒng)）而言，面臨的主要問(wèn)題是：（1）線狀對(duì)流系統(tǒng)前部的多個(gè)新生單體是如何產(chǎn)生的？（2）多個(gè)新生單體產(chǎn)生以后如何發(fā)展？

Thrope and Miller (1978) 認(rèn)為新生單體主要是由于對(duì)流系統(tǒng)前沿的輻合引起的，而這種輻合是由于先前對(duì)流系統(tǒng)的下?lián)魵饬髟斐傻?。Fovell 等（Fovell and Ogura, 1988; Fovell and Tan, 1998; Lin et al., 1998）則認(rèn)為，新生對(duì)流是由于初始對(duì)流產(chǎn)生的降水造成的冷池或密度流向外擴(kuò)展的結(jié)果，冷池或密度流造成陣風(fēng)鋒前沿上升運(yùn)動(dòng)（GFU）而激發(fā)新單體。上述兩種觀點(diǎn)本質(zhì)上并不沖突，前者強(qiáng)調(diào)了初始單體的出流造成的輻合作用，而后者則強(qiáng)調(diào)了對(duì)流系統(tǒng)前沿的新生單體產(chǎn)生的熱動(dòng)力學(xué)綜合因素。

圖1 （a）第I類（快速移動(dòng)的多單體系統(tǒng)）與（b）第II類（多單體造成的列車效應(yīng)）多單體雷暴傳播示意圖Fig.1 Sketch map of two kinds of multi-cell storm transmitting: (a) Fast-movement multi-cell such as squall line; (b) train effect caused by multi-cell storm

最近，鮑旭煒和談?wù)苊簦?010）用一個(gè)二維模式討論了線狀對(duì)流中單體的新生、發(fā)展和傳播的兩種不同機(jī)制，第一種機(jī)制就是Fovell and Tan（1998）和Lin et al.（1998）所討論的機(jī)制：主體對(duì)流形成的冷池邊緣出現(xiàn)強(qiáng)烈的陣風(fēng)鋒上升運(yùn)動(dòng)（GFU），其前側(cè)的不飽和暖濕氣流的流入加強(qiáng)了GFU，這種抬升作用下，氣流變?yōu)轱柡筒a(chǎn)生新的對(duì)流，這樣進(jìn)一步加強(qiáng)了冷池強(qiáng)度，同時(shí)由于陣風(fēng)鋒移動(dòng)速度快于環(huán)境風(fēng)速，導(dǎo)致 GFU向冷池傾斜而出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)流中心并被兩者之間的下沉補(bǔ)償氣流分割出一個(gè)全新的單體，同時(shí)阻止了對(duì)流體前部的暖濕氣流進(jìn)入原來(lái)的對(duì)流單體而造成“老單體”減弱，這樣原來(lái)的單體逐漸死亡、新單體逐漸發(fā)展并替代原來(lái)單體，這種“新陳代謝”過(guò)程的循環(huán)便形成了線狀對(duì)流中多單體的快速傳播過(guò)程；而在第二種機(jī)制中，GFU較弱，新對(duì)流單體是由原主體對(duì)流前部激發(fā)的上升運(yùn)動(dòng)而形成的，新單體由于得到了暖濕氣流的流入而迅速發(fā)展，同時(shí)阻斷了原單體的暖濕入流，因此，新單體取代“老單體”而成為對(duì)流的主體。這兩種機(jī)制造成的雷暴傳播的“視覺效果”并沒(méi)有明顯差異，即對(duì)流系統(tǒng)中的多單體整體向下游傳播，多單體的傳播造成雨帶快速移動(dòng)（如圖1a）。

上述研究基本解釋了多單體的新生和傳播問(wèn)題，但是在實(shí)際天氣發(fā)生過(guò)程中，雨帶中的多個(gè)單體雷暴并不總是以相同的強(qiáng)度向前傳播的，有些單體在傳播過(guò)程中可能突然增強(qiáng)，某些單體可能會(huì)迅速減弱，傳播速度上也會(huì)表現(xiàn)出明顯差異，這兩種差異將造成多單體雨帶的整體形態(tài)發(fā)生變化，如由直線型線狀分布的多單體演變?yōu)楣位蜚^狀分布，也就是說(shuō)，在多單體雷暴中決定單體傳播過(guò)程中是否發(fā)展或減弱、傳播速度的主要機(jī)制、傳播環(huán)境依然沒(méi)有得到很好的解決。而天氣實(shí)踐表明，對(duì)流帶形態(tài)的變化往往與對(duì)流天氣現(xiàn)象的劇烈變化存在密切的聯(lián)系（俞小鼎等, 2008；慕熙昱等,2007），例如，由一般性雷暴天氣發(fā)展為龍卷、大冰雹等重大災(zāi)害性天氣事件等。

對(duì)于第II類多單體雷暴而言，上述機(jī)制是無(wú)法解釋“列車效應(yīng)”的傳播過(guò)程的。如圖 1，列車效應(yīng)的單體是沿雨帶傳播的，一個(gè)一個(gè)對(duì)流單體依次通過(guò)某一固定地點(diǎn)，那么，它們的傳播機(jī)制又是什么？

3 VDRAS簡(jiǎn)介

本文所采用的分析系統(tǒng)是在引進(jìn)變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)（Variational Doppler Radar Analysis System，簡(jiǎn)稱 VDRAS）框架的基礎(chǔ)上，建立的基于雷達(dá)資料的四維變分（Four-Dimensional Variational assimilation，簡(jiǎn)稱4DVar）低層熱、動(dòng)力反演系統(tǒng)，其核心技術(shù)是基于三維云尺度數(shù)值模式及其伴隨模式的雷達(dá)資料四維變分同化，其詳細(xì)技術(shù)方案參見 Sun and Crook（1997, 2001）的工作，這里僅做簡(jiǎn)單介紹。

三維云尺度數(shù)值模式的大氣運(yùn)動(dòng)方程采用滯彈性近似，包含三維動(dòng)量方程（預(yù)報(bào)變量為三維風(fēng)場(chǎng)）、熱力學(xué)方程、雨水方程和總水方程，預(yù)報(bào)變量包括液態(tài)水位溫、雨水混合比和總水混合比，其中，液態(tài)水位溫作為熱動(dòng)力變量，而水氣混合比、云水混合比、擾動(dòng)溫度和擾動(dòng)氣壓預(yù)報(bào)變量通過(guò)診斷得到；微物理過(guò)程采用Kessler 暖云參數(shù)化方案，擴(kuò)散系數(shù)不考慮地表通量的處理。

基于雷達(dá)的4DVar技術(shù)使用了一個(gè)簡(jiǎn)化的三維云尺度數(shù)值模式來(lái)構(gòu)造切線伴隨模式，其代價(jià)函數(shù)J為

其中，上標(biāo)或下標(biāo)0對(duì)應(yīng)于觀測(cè)量，b對(duì)應(yīng)模式量，下標(biāo) r對(duì)應(yīng)于雷達(dá)徑向因子，T是時(shí)間算子，B是空間算子， vr0、Z0表示雷達(dá)觀測(cè)的徑向速度和反射率因子，vr、Z表示與它們相對(duì)應(yīng)的模式變量，F(xiàn)表示從模式格點(diǎn)到雷達(dá)資料點(diǎn)的變量轉(zhuǎn)換函數(shù)，ηzηzv,分別代表徑向速度和反射率因子的權(quán)重系數(shù)，s, t分別代表同化窗的空間域、時(shí)間域。（1）式右邊的第一項(xiàng)代表模式場(chǎng)（xb）與背景場(chǎng)（x0）之間偏差，第二項(xiàng)代表了模式變量與雷達(dá)觀測(cè)之間的偏差，而第三項(xiàng)（Jp）是強(qiáng)迫約束平滑項(xiàng)。

模式三維風(fēng)場(chǎng)（u, v, w）到徑向速度vr的轉(zhuǎn)換算子可以由下式得到：

其中， 分母r表示雷達(dá)資料點(diǎn)到模式格點(diǎn)之間的距離，VT表示雨滴降落到地面之前的末端速度，主要用來(lái)表征降水對(duì)垂直上升的拖曳作用。

模式雨水混合比（qr）到反射率因子Z的轉(zhuǎn)換算子由以下公式得到：

其中，ρ為空氣密度。

在本文中，VDRAS的中尺度初猜場(chǎng)是由一個(gè)基于三維變分（3DVar）的WRF模式3 h快速更新循環(huán)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)（BJ-RUC）提供的。使用的其他數(shù)據(jù)包括：（1）京津冀地區(qū)6部雷達(dá)的同步觀測(cè)資料，其中有4部S波段雷達(dá)（北京、天津、石家莊和秦皇島，分別記為BJRS、TJRS、SJZRS、QHDRS）、2部C波段雷達(dá)（張北和承德，分別記為 ZBRC、CDRC），雷達(dá)站位置如圖 2；（2）VDRAS模式區(qū)域中的53個(gè)自動(dòng)站（標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)站）的5 min觀測(cè)資料，包括風(fēng)場(chǎng)、氣壓、溫度和濕度。

VDRAS系統(tǒng)設(shè)置以快速更新循環(huán)的方式運(yùn)行（圖3），每12 min一次熱啟動(dòng)，每12 h一次冷啟動(dòng)；同化窗設(shè)置為370 s（6 min＋10 s），包含每個(gè)雷達(dá)在VCP21模式下的2組體掃資料（實(shí)際工作中，有一些體掃資料間隔大于6 min）；為減少4DVar運(yùn)算量，在業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中僅打開了暖雨微物理參數(shù)化方案中的雨水蒸發(fā)和降水處理過(guò)程的開關(guān)；模式頂設(shè)置為5.4375 km，并且僅對(duì)2.5 km以下資料進(jìn)行同化，2.5 km以上被作為模式頂海綿邊界層處理。

圖2 京津冀地區(qū)的地形分布、雷達(dá)站（+）、風(fēng)廓線儀（▲）、主要自動(dòng)站（×）和VDARS模式區(qū)域（矩形）Fig.2 Topographic distribution of the radar sites (+), automatic weather stations (×), and the VDRAS model domain (rectangle).Terrain heights are shaded by color

圖3 熱動(dòng)力反演系統(tǒng)運(yùn)行流程圖。v1～v9表示同化的雷達(dá)體掃資料，時(shí)間軸（單位：min）表示每個(gè)雷達(dá)體掃的結(jié)束時(shí)間Fig.3 Illustration of the VDRAS 4DVar assimilation cycles.The labels v1–v9 represent the input radar volume-scaning date to be assimilated; the time (units:min) illustrate the end time of each radar volume-scaning

對(duì)于冷啟動(dòng)，首先讀取BJ-RUC的模式結(jié)果，利用距離權(quán)重差值法得到 VDRAS模式范圍內(nèi) 25 km間隔的探空廓線，再經(jīng)過(guò)Barnes插值法得到初猜場(chǎng)。對(duì)于熱啟動(dòng)，利用上一個(gè)循環(huán)的6 min預(yù)報(bào)作為下一個(gè)循環(huán)的初猜場(chǎng)。然后，利用初猜場(chǎng)與經(jīng)過(guò)Barnes插值法得到的雷達(dá)反演風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行融合，得到高空分析場(chǎng)；地面分析場(chǎng)由地面自動(dòng)站網(wǎng)觀測(cè)資料進(jìn)行Barnes插值法得到。最后，利用垂直最小二乘擬合法和距離權(quán)重修正法對(duì)高空分析場(chǎng)和地面分析場(chǎng)進(jìn)行合成，最終得到中尺度分析場(chǎng)。

Sun et al.（2010）、陳明軒等（2010）利用北京地區(qū)風(fēng)廓線探測(cè)資料、稠密的地面自動(dòng)站資料和微波輻射計(jì)資料對(duì)該分析系統(tǒng)進(jìn)行了氣溫、水汽和風(fēng)場(chǎng)的水平和垂直廓線對(duì)比檢驗(yàn)，證明了該分析系統(tǒng)的可靠性，并對(duì)北京地區(qū)的雷暴系統(tǒng)的新生、演變機(jī)制進(jìn)行了初步研究。

4 線狀對(duì)流系統(tǒng)的形變與多單體的發(fā)展或減弱

在本節(jié)，我們主要討論在線狀多單體對(duì)流系統(tǒng)中為什么有些雷暴單體在傳播的過(guò)程中強(qiáng)烈發(fā)展而有些單體卻減弱？多雷暴單體的傳播速度為什么有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出明顯的差異而造成對(duì)流雨帶發(fā)生形態(tài)變化？

圖4為本節(jié)討論的兩次線狀多單體深對(duì)流過(guò)程（2009年8月1日、2009年7月23日，協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC，下同）發(fā)生前對(duì)應(yīng)的500 hPa、850 hPa天氣圖。盡管兩次天氣過(guò)程在天氣系統(tǒng)的空間配置、層結(jié)不穩(wěn)定程度、低空垂直切變和水汽垂直分布等對(duì)流環(huán)境上存在明顯差異，但是可以看到，對(duì)流的觸發(fā)均與天氣尺度或次天氣尺度系統(tǒng)的強(qiáng)迫抬升有關(guān)。

圖5是北京地區(qū)2009年8月1日傍晚發(fā)生的多單體雷暴系統(tǒng)的雷達(dá)觀測(cè)：08時(shí)54分的對(duì)流帶上，在北京的西北部存在一個(gè)凹型區(qū)域（白色箭頭所指）；此后，該區(qū)域的對(duì)流單體傳播速度明顯加快，1 h后（09:54）凹型區(qū)域基本消失，整個(gè)對(duì)流帶基本變?yōu)橹本€分布，而且在該區(qū)域前部出現(xiàn)了垂直于主對(duì)流帶的新生單體；10時(shí)42分，該新生單體完全融入主回波帶，并形成整條回波帶中最強(qiáng)的對(duì)流單體。也就是說(shuō)，該區(qū)域的對(duì)流單體的傳播速度明顯快于其它對(duì)流單體并強(qiáng)烈發(fā)展，造成多單體雷暴的形態(tài)由“S”型逐漸演變?yōu)橹本€型，而對(duì)流帶中南部的對(duì)流多單體（黃色箭頭所指）在向前傳播的過(guò)程中，強(qiáng)度緩慢減弱或變化不大。

從VDRAS反演的近地面層熱動(dòng)力分析場(chǎng)可以看到（圖6），多單體雷暴的主體位于擾動(dòng)溫度梯度偏向冷池一側(cè)，并沿著雷暴出流邊界與環(huán)境風(fēng)場(chǎng)形成的陣風(fēng)鋒方向傳播，出流邊界上的風(fēng)場(chǎng)輻合線也正好對(duì)應(yīng)于冷池與環(huán)境場(chǎng)暖池之間構(gòu)成的強(qiáng)溫度梯度區(qū)，新的單體在該區(qū)域生成、發(fā)展并逐漸取代老單體，形成傳播現(xiàn)象（Fovell et al., 1998; Lin et al.,1998; 鮑旭煒等, 2010; Sun et al., 2010; 陳明軒等,2011）。

圖4 （a, c）500 hPa和（b, d）850 hPa天氣圖：（a, b）2009年8月1日00:00；（c, d）2009年7月23日00:00Fig.4 The synoptic charts at (a, c) 500 hPa and (b, d) 850 hPa at (a, b) 0000 UTC 1 Aug 2009 and (c, d) 0000 UTC 23 Jul 2009

圖5 2009年8月1日影響北京地區(qū)的多單體飈線系統(tǒng)的雷達(dá)觀測(cè)（北京SA雷達(dá)，仰角0.5°，水平分辨率1 km，探測(cè)距離230 km，下同）Fig.5 The radar reflectivities of multi-cell squall line occurring in Beijing from 0854 UTC to 1042 UTC on 1 Aug 2009 (SA radar at Beijing, elevation: 0.5°,resolution: 1 km, range: 230 km, the same below)

圖6 VDRAS反演的近地面（187.5 m高度，下同）擾動(dòng)溫度、水平風(fēng)場(chǎng)、回波強(qiáng)度（白色等值線，間隔：5 dBZ）：（a）08:53；（b）10:05 。箭頭所指為強(qiáng)擾動(dòng)溫度梯度方向，由暖區(qū)指向冷區(qū)Fig.6 Retrieved low-level perturbation temperature and horizontal wind at 187.5-m height and reflectivity (white isoline, interval: 5 dBZ) at (a) 0853 UTC and (b) 1005 UTC on 1 Aug 2009.The arrow shows the gradient direction of perturbation temperature

為什么在圖5中白色箭頭所指的區(qū)域，雷暴單體能夠以比其它單體更快的速度傳播并強(qiáng)烈發(fā)展？從圖6可以看到，上述區(qū)域正好位于擾動(dòng)溫度梯度的突出部（藍(lán)色箭頭），表明該區(qū)域的水平擾動(dòng)溫度梯度更強(qiáng)；暖池內(nèi)的東南氣流是一支由渤海灣南側(cè)伸向北京東部的中尺度暖濕輻合帶（圖7中的紅色箭頭），對(duì)流回波帶中的水汽通量散度（圖7中的綠色斷線所示）存在輻散（暖色）—輻合（冷色）交替出現(xiàn)的若干“散度對(duì)”，對(duì)同一時(shí)刻的雷達(dá)回波的垂直剖面進(jìn)行對(duì)比可以看到（圖略），每一個(gè)“散度對(duì)”對(duì)應(yīng)著一個(gè)對(duì)流單體。也就是說(shuō)西南—東北方向傳播的多單體雷暴系統(tǒng)與東南—西北分布的水汽通量輻合帶的交叉區(qū)域更有利于雷暴單體的新生，由于該處暖濕水汽供應(yīng)充足，造成新生雷暴強(qiáng)烈發(fā)展并迅速取代“老單體”，因此，從現(xiàn)象上來(lái)看，原來(lái)落后的雷暴單體“移動(dòng)”更快、發(fā)展更為旺盛；與此相反，線狀對(duì)流的中南部雷暴單體前部的近地面層是水汽輻散區(qū)，因此，雷暴單體在向東傳播的過(guò)程中，新生單體的發(fā)展速度相對(duì)緩慢，近地面層水汽入流不足而出現(xiàn)逐漸減弱現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì) 2009年北京地區(qū)發(fā)生的六次多單體雷暴傳播過(guò)程的分析（圖略）表明，多單體雷暴在傳播過(guò)程中，雷暴單體與環(huán)境大氣之間的相互作用造成傳播過(guò)程中強(qiáng)度、速度上的差異是一種普遍現(xiàn)象，也就是說(shuō)，這種機(jī)制具有普遍的臨近預(yù)報(bào)意義。

圖8a, b是2009年7月23日發(fā)生的直線型多單體對(duì)流演變?yōu)椤肮毙味鄦误w對(duì)流過(guò)程的雷達(dá)觀測(cè)，圖8c, d是對(duì)應(yīng)的約1 h前的近地面層（187.5 m）水汽通量散度，綠色斷線為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的強(qiáng)回波軸的位置、形態(tài)?？梢钥吹?，這條回波帶在7時(shí)之前基本上呈直線傳播，在多單體的傳播路徑上，存在一支狹窄且強(qiáng)烈輻合的東南水汽帶指向北京中部（綠色箭頭），這支暖濕氣流的水汽輻合強(qiáng)度雖然有所變化，但是維持的時(shí)間較長(zhǎng)，08:05時(shí)回波的形態(tài)開始演變?yōu)椤肮毙?；此后，回波“弓”形的弧度更大（紅色斷線為08:59時(shí)強(qiáng)回波的位置、形態(tài)），即多單體雷暴系統(tǒng)傳播方向與水汽通量輻合帶的交叉區(qū)域的雷暴單體傳播更快、發(fā)展更為強(qiáng)烈。

綜上所述，類似于颮線的多單體雷暴在傳播過(guò)程中，單體的傳播速度不同造成的多單體雷暴形態(tài)上產(chǎn)生的變化以及雷暴單體加強(qiáng)或減弱過(guò)程是雷暴單體傳播過(guò)程與低層環(huán)境大氣相互作用的結(jié)果，雷暴單體前部的低層暖濕入流的性質(zhì)與雷暴單體傳播速度、能否發(fā)展密切相關(guān)：當(dāng)這支入流本身存在較強(qiáng)的水汽輻合現(xiàn)象時(shí)，新生的雷暴單體比“老”單體發(fā)展更旺盛，傳播速度更快，反之則趨于減弱，傳播速度減慢。因此，在多單體雷暴系統(tǒng)傳播方向與近地面層水汽通量輻合帶的交叉區(qū)域，雷暴單體新生更快、發(fā)展更為強(qiáng)烈、移動(dòng)速度更快。

5 列車效應(yīng)中的單體傳播機(jī)制

在多單體雷暴中，還有一類與上述傳播過(guò)程完全不同的現(xiàn)象，即所謂“列車效應(yīng)”——雷暴單體沿雨帶傳播，而雨帶軸線的位置相對(duì)于雷達(dá)站幾乎沒(méi)有變化，那么，這類多單體的傳播機(jī)制是怎么形成的？

5.1 列車效應(yīng)的傳播特征

圖9是一次具有明顯“列車效應(yīng)”特征的多單體雷暴的整個(gè)生命史雷達(dá)觀測(cè)，這次天氣過(guò)程，華北中東部位于 850 hPa～500 hPa槽前的西南氣流中，邊界層內(nèi)為東南氣流，對(duì)流層低層存在明顯的垂直風(fēng)切變并呈現(xiàn)條件性靜力不穩(wěn)定層結(jié)（圖略）。

從雷達(dá)觀測(cè)可以看到，有一條西南—東北走向的多單體回波，07:00前后從西南象限生成的多個(gè)雷暴單體沿西南—東北走向傳播（橢圓區(qū)內(nèi)），在傳播路徑上的頂端，雷暴單體明顯加強(qiáng)，而后端的雷暴并不像第I類雷暴那樣迅速死亡）而是不斷新生，在5個(gè)多小時(shí)的生命史周期內(nèi)整個(gè)雨帶的軸線位置變化不大。

從圖10a, b可以看到，“列車效應(yīng)”中的多單體是由于西南象限不斷有新生雷暴生成，并沿著近地面暖區(qū)一側(cè)、由西南向東北方向傳播、發(fā)展，多單體對(duì)流系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的冷池并不清晰，多雷暴單體的地面流場(chǎng)上不存在強(qiáng)烈的出流陣風(fēng)鋒，這顯然與第 4節(jié)所描述的多單體對(duì)流的新生、傳播環(huán)境幾乎完全不同。

從沿多單體回波的垂直剖面分析可以看到，深厚的西南暖濕氣流的環(huán)境大氣中，垂直運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出上升—下沉運(yùn)動(dòng)交替出現(xiàn)（與多單體對(duì)應(yīng)）的傳播性的波動(dòng)特征（圖10c）。我們注意到，沿單體傳播方向的垂直運(yùn)動(dòng)中心是逐漸向上傾斜分布的，從水汽通量散度的垂直剖面也可以看到（圖10d），與對(duì)流單體對(duì)應(yīng)，水平方向上存在水汽輻散—輻合交替出現(xiàn)的波狀分布，而地面要素中 20 min地面氣壓變化也表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)傳播特征（圖 11）：從分布在北京中南部東西兩端的兩個(gè)自動(dòng)站 20 min間隔的地面變壓可以看到，10:30之前，兩個(gè)觀測(cè)站之間的氣壓變化呈反位相變化；單站降水強(qiáng)度的變化也表現(xiàn)出明顯的間歇性，對(duì)應(yīng)于雷暴單體經(jīng)過(guò)觀測(cè)站時(shí)造成的降水變化。

5.2 列車效應(yīng)與慣性重力波的傳播

上述分析表明，“列車效應(yīng)”與我們?cè)诘谒墓?jié)中所描述的線狀多單體的傳播環(huán)境和傳播機(jī)制存在顯著差異。那么，在什么樣的環(huán)境條件下列車效應(yīng)才可能發(fā)生呢？不斷新生的能量來(lái)自哪里？假假

圖7 VDRAS反演的近地面水汽通量散度（單位：10–5 g kg–1 s–1）：（a）08:53；（b）09:29。綠色斷線為多單體回波的位置，紅色箭頭為水汽輻合帶Fig.7 Retrieved low-level vapor flux divergence (10–5 g kg–1 s–1) at 187.5-m height at (a) 0853 UTC and (b) 0929 UTC on 1 Aug 2009.The position of multi-cell reflectivity is drawn as green line, the red arrows denote the axes of vapor flux convergence

圖8 2009年7月23日影響北京地區(qū)的多單體颮線系統(tǒng)（a）06:53與（b）08:59的雷達(dá)觀測(cè)（參數(shù)同圖5）；VDRAS反演的近地面（c）05:59和（d）08:05的水汽通量散度（單位：10–5 g kg–1 s–1）。在圖c（圖d）中，綠色斷線為05:59（08:05）時(shí)回波的形狀和位置，紅色斷線為06:53（08:59）時(shí)強(qiáng)回波的位置與形態(tài)，黑色箭頭為回波的“移動(dòng)”方向，綠色箭頭為水汽輻合軸線Fig.8 Radar reflectivities of the multi-cell squall line occurring in Beijing at (a) 0635 UTC and (b) 0859 UTC on 23 Jul 2009 (Parameters are the same as Fig.5); retrieved low-level vapor flux divergence (shaded by color, 10–5 g kg–1 s–1) at 187.5-m height at (c) 0559 UTC and (d) 0805 UTC on 23 Jul 2009.In Figs.c and d, the green (red) lines denote the position and configuration of multi-cell echoes at 0559 UTC (0653 UTC) and at 0850 UTC (0859 UTC),respectively; the black arrow shows the spread direction of echo and the green arrow denotes the axis of vapor flux convergence

圖9 2009年7月13日影響北京中南部的多單體雷暴系統(tǒng)的雷達(dá)觀測(cè)（參數(shù)同圖5）（橢圓區(qū)為列車效應(yīng)發(fā)生區(qū)域）Fig.9 Reflectivities of the multi-cell storm occurring in Beijing from 0711 UTC to 1218 UTC on 13 Jul 2009.Oval shows the area where train-effect phenomena occurred

圖10 VDRAS反演的近地面（a）08:23和（b）09:17的擾動(dòng)溫度（彩色陰影, 單位: ℃)、水平風(fēng)場(chǎng)（單位：m/s）、回波強(qiáng)度（白色等值線，間隔：5 dBZ）；沿回波帶方向（西南—東北向）（c）08:30的垂直運(yùn)動(dòng)（彩色陰影，單位：m/s）和（d）08:59的水汽通量散度（彩色陰影，單位：10–5 g kg–1 s–1）的垂直剖面Fig.10 Retrieved perturbation temperature (color shading) and horizontal wind (drawn as vectors) at 187.5 m and reflectivity (white isoline, interval: 5 dBZ)at (a) 0823 UTC and (b) 0917 UTC; vertical section of (c) vertical velocity (m/s) at 0830 UTC and (d) vapor flux divergence (10–5 g kg–1 s–1) at 0859 UTC along the echo zone

圖11 2009年7月13日05:30～12:30觀象臺(tái)、門頭溝氣象站20 min間隔的地面變壓（曲線）、降水量隨時(shí)間的演變Fig.11 The evolvement of surface allobaric (solid line, 20-min interval) and 20-min accumulative precipitation at Beijing observatory (located at the southeast of Beijing) and Mentougou weather station (located at the southwest of Beijing) from 0530 UTC to 1230 UTC on 13 Jul 2009

假定基本氣流是靜止的，其他基本態(tài)僅是z的函數(shù)，可以得到線性化的慣性重力波擾動(dòng)方程組：

其中，上標(biāo)“′”表示擾動(dòng)量, “ˉ”表示基本態(tài)對(duì)應(yīng)的物理量。如果方程組（4）～（8）有平面波動(dòng)解，即：

其中，“～”表示常量，k, l, n分別對(duì)應(yīng)于x, y, z方向上的位相；色散關(guān)系為

ke為水平相速度，

假設(shè)層結(jié)穩(wěn)定度（N2）在水平方向和時(shí)間上均為緩變函數(shù)，并利用波能正比于與波幅平方的關(guān)系，可以得到以下波能方程［為了節(jié)省篇幅，具體推導(dǎo)過(guò)程可參見巢紀(jì)平（1980）］:

（12）式右端為波能源，也就是說(shuō)，重力波能否發(fā)展與層結(jié)穩(wěn)定度隨時(shí)間的變化以及層結(jié)的水平不均勻有關(guān)。如果大氣層結(jié)是均勻、定常的，右端為零，即波能守恒。

對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波，由于存在地轉(zhuǎn)效應(yīng)，seσ仍可以為實(shí)數(shù)，于是可以得到慣性重力波的波能方程：

方程（14）右端的第一項(xiàng)表明，重力波在條件性靜力不穩(wěn)定增長(zhǎng)的背景下將得到發(fā)展，同時(shí)，由色散關(guān)系（13）式可知，在強(qiáng)烈發(fā)展的對(duì)流不穩(wěn)定環(huán)境下，seσ將變?yōu)樘摂?shù)，也就是說(shuō)，重力波的傳播環(huán)境需要一定的對(duì)流不穩(wěn)定，但是，當(dāng)對(duì)流不穩(wěn)定發(fā)展到一定程度時(shí)，傳播環(huán)境將消失；而第二項(xiàng)表明，背景場(chǎng)中的不穩(wěn)定能量將以波的相速度傳播。對(duì)于類似于2009年7月13日這種深厚西南暖濕氣流中發(fā)生的雷暴，由于西南暖濕氣流或急流是一支暖濕氣流輸送帶，即慣性重力波由假相當(dāng)位溫區(qū)θse的高值區(qū)向低值區(qū)傳播，重力波將從背景場(chǎng)中不斷獲得能量而發(fā)展。因此，西南暖濕氣流背景下，雷暴傳播過(guò)程中不斷增強(qiáng)的現(xiàn)象往往造成波動(dòng)排列的多單體雷暴形成的最大降水中心出現(xiàn)在波列的前端而不是最早出現(xiàn)雷暴的區(qū)域，盡管波帶兩端維持對(duì)流的時(shí)間長(zhǎng)度可能并沒(méi)有明顯差異（圖 12）。慣性重力波傳播過(guò)程中的這一特點(diǎn)不僅能夠很好地解釋圖9所示的多單體在傳播過(guò)程中對(duì)流強(qiáng)度明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象，也能夠很好地解釋其他研究所揭示的觀測(cè)現(xiàn)象（馮建明等，2010; 馮晉勤等，2009; 何群英等，2009；楊春等，2009; Sun et al., 2006; 廖移山等，2010）。

上述分析僅僅解釋了慣性重力波的傳播在“列車效應(yīng)”中的作用，而重力波初始觸發(fā)因素是預(yù)報(bào)中需要解決的另外一個(gè)問(wèn)題。一般認(rèn)為，重力波的激發(fā)主要與地形分布、基本氣流的切變不穩(wěn)定和強(qiáng)烈的積云對(duì)流發(fā)展有關(guān)（Lilly and Kennedy,1973; Lindzen,1974; Piani et al., 2000）。在西南暖濕氣流或急流中，風(fēng)速脈動(dòng)或高低空急流耦合產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)極易造成深對(duì)流雷暴發(fā)展，由于西南暖濕氣流的維持，對(duì)流不穩(wěn)定和低空垂直切變環(huán)境得以維持，深對(duì)流雷暴或雷暴群形成的重力波誘發(fā)對(duì)流單體不斷新生并沿西南氣流傳播而出現(xiàn)所謂的“列車效應(yīng)”，并在傳播過(guò)程中不斷發(fā)展，于是在西南氣流末端出現(xiàn)暴雨中心（如圖12）。

圖12 慣性重力波在暖濕氣流中的水平傳播、發(fā)展示意圖Fig.12 Sketch map of the horizontal spread and development of inertial gravity wave in warm and moist air stream

6 結(jié)語(yǔ)與討論

本文利用變分多普勒雷達(dá)分析系統(tǒng)（VDRAS）基礎(chǔ)上構(gòu)建的4DVar的低層熱、動(dòng)力反演系統(tǒng)，對(duì)多單體對(duì)流系統(tǒng)傳播過(guò)程中發(fā)生的形變過(guò)程、強(qiáng)弱變化和“列車效應(yīng)”等現(xiàn)象的機(jī)制進(jìn)行分析，為多單體雷暴臨近預(yù)報(bào)技術(shù)的改進(jìn)提供了一些思路。

（1）對(duì)于第Ⅰ類多單體雷暴系統(tǒng)（雷暴單體的傳播方向與雨帶的移動(dòng)方向角度很小或者基本一致，如多單體颮線系統(tǒng)等），多單體雷暴在傳播過(guò)程中，單體的傳播速度不同最終造成多單體雷暴在形態(tài)上發(fā)生的變化（例如由直線形回波演變?yōu)椤肮毙位夭ǎ?，以及雷暴單體傳播過(guò)程中的強(qiáng)弱變化等，是雷暴單體傳播過(guò)程與低層環(huán)境大氣相互作用的結(jié)果，或者說(shuō)雷暴冷池前部（陣風(fēng)鋒）的低層入流的性質(zhì)非常重要：當(dāng)這支入流本身是暖濕的，并存在較強(qiáng)的水汽輻合現(xiàn)象時(shí)，新生的雷暴單體發(fā)展更旺盛，傳播速度更快，反之則趨于減弱，傳播速度減慢。因此，對(duì)颮線系統(tǒng)的臨近預(yù)報(bào)而言，需要特別關(guān)注多單體雷暴系統(tǒng)傳播方向與近地面層中尺度水汽通量輻合帶的交叉區(qū)域，該區(qū)域的雷暴單體“移動(dòng)”速度更快、發(fā)展更為強(qiáng)烈，因此將更有可能產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的對(duì)流現(xiàn)象。

（2）對(duì)于第Ⅱ類多單體雷暴而言（即“列車效應(yīng)”，雷暴單體沿雨帶傳播，而雨帶軸線的位置相對(duì)于雷達(dá)站幾乎沒(méi)有變化），其傳播環(huán)境、傳播機(jī)制與第Ⅰ類多單體雷暴系統(tǒng)幾乎完全不同：“列車效應(yīng)”一般發(fā)生在低空暖濕氣流或低空急流附近，環(huán)境大氣表現(xiàn)為條件性靜力不穩(wěn)定；多單體對(duì)流系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的冷池并不清晰，雷暴多單體的地面流場(chǎng)上不存在強(qiáng)烈的出流陣風(fēng)鋒。由于西南暖濕氣流或急流是一支暖濕氣流輸送帶，當(dāng)慣性重力波由假相當(dāng)位溫區(qū)θse的高值區(qū)向低值區(qū)傳播時(shí)，重力波將從背景場(chǎng)中不斷獲得能量而發(fā)展。因此，西南暖濕氣流背景下，雷暴傳播過(guò)程中不斷增強(qiáng)的現(xiàn)象往往造成波動(dòng)排列的多單體雷暴形成的最大降水中心出現(xiàn)在波列的前端而不是最早出現(xiàn)雷暴的區(qū)域。

References)

鮑旭煒, 談?wù)苊?2010.二維多單體雷暴系統(tǒng)中對(duì)流單體生成和發(fā)展的新機(jī)制 [J].氣象學(xué)報(bào), 68 (3): 296–308. Bao Xuwei, Tan Zhemin.2010.A mechanism for the convective cell regeneration and development within a two-dimensional multicell storm [J].Acta Meteorologica Sinica(in Chinese), 68 (3): 296–308.

巢紀(jì)平.1980.非均勻?qū)咏Y(jié)大氣中的重力慣性波及其在暴雨預(yù)報(bào)中的初步應(yīng)用 [J].大氣科學(xué), 4 (3): 35–40. Chao Jiping.1980.The gravitational wave in non-uniform stratification atmosphere and its preliminary application for the predication of heavy rainfall [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 4 (3): 35–40.

陳明軒, 王迎春, 高峰, 等.2011.基于雷達(dá)資料4DVar的低層熱動(dòng)力反演系統(tǒng)及其在北京奧運(yùn)期間的初步應(yīng)用分析 [J].氣象學(xué)報(bào), 69 (1):64–78. Chen Minguan, Wang Yingchun, Gao Feng et al.2011.A low-level thermo-dynamical retrieval system based on the radar data 4DVar and a preliminary analysis of its applications in support of the Beijing 2008 Olympics [J].Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 69(1): 64–78.

馮建明, 紀(jì)曉玲, 陳曉娟, 等.2010.干旱區(qū)一次連陰雨過(guò)程中暴雨天氣的多普勒雷達(dá)圖像特征 [J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 46 (S1): 93–98. Feng Jianming, Ji Xiaoling, Chen Xiaojuan, et al.2010.Doppler weather radar image character of rainstorm weather during a continued cloudy-rainy in Ningxia [J].Journal of Lanzhou University (Natural Sciences) (in Chinese), 46 (Supl1): 93–98.

馮晉勤, 童以長(zhǎng), 羅小金.2008.一次中-β尺度局地大暴雨對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波特征 [J].氣象, 34(10): 52–56. Feng Jinqin, Tong Yichang,Luo Xiaojin.2008.CINRAD radar echo features of a mesoscale-β local heavy rainfall convective system [J].Meteorological Monthly (in Chinese), 34 (10): 52–56.

Fovell R G, Ogura Y.1988.Numerical simulation of a midlatitude squall line in two-dimensions [J].J.Atoms.Sci., 45: 3846–3879.

Fovell R G, Tan P H.1998.The temporal behavior of numerically simulated multicell-type storms.Part II: The convective cell life cycle and cell regeneration [J].Mon.Wea.Rev., 126: 551–557.

何群英, 東高紅, 賈慧珍, 等.2009.天津一次突發(fā)性局地大暴雨中尺度分析 [J].氣象, 35 (7): 18–24. He Qunying, Dong Gaohong, Jia Huizhen, et al.2009.Mesoscale analysis of a sudden heavy rain in Tianjin[J].Meteorological Monthly (in Chinese), 35 (7): 18–24.

廖移山, 李俊, 王曉芳, 等.2010.2007年7月18日濟(jì)南大暴雨的β中尺度分析 [J].氣象學(xué)報(bào), 68 (6): 944–956. Liao Yishan, Li Jun, Wang Xiaofang, et al.2010.A meso-β scale analysis of the torrential rain event in Jinan in 18 July 2007 [J].Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 68(6): 944–956.

Lilly D K, Kennedy P J.1973.Observations of a stationery mountain wave and its associated mountain flux and energy dissipation [J].J.Atoms.Sci.,30 (6): 1135–1152.

Lin Y L, Deal R L, Kulie M S.1998.Mechanisms of cell regeneration,development and propagation within a two-dimensional multicell storm[J].J.Atoms.Sci., 55 (10): 1867–1886.

Lindzen R S.1974.Stability of a Helmholtz velocity profile in a continuously stratified, infinite Boussinseg fluid-application to clear air turbulence [J].J.Atoms.Sci., 31 (6): 1507–1514.

慕熙昱, 黨人慶, 陳秋萍, 等.2007.一次颮線過(guò)程的雷達(dá)回波分析與數(shù)值模擬 [J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 18 (1): 44-51. Mu Xiyu, Dang Renqing,Chen Qiuping, et al.2007.Radar data analysis and numerical simulation of a squall line [J].Journal of Applied Meteorological Sciences (in Chinese), 18 (1): 44–51.

Piani C, Durran D, Alexander M J, et al.2000.A numerical study of three-dimension gravity wave triggered by deep tropical convection and their role in the dynamic of the QBO [J].J.Atoms.Sci., 57 (22):3689–3702.

Sun J, Crook N A.1997.Dynamical and microphysical retrieval from Doppler radar observations using a cloud model and its adjoint: I, Model development and simulated data experiments [J].J.Atoms.Sci., 54:1642–1661.

Sun J, Crook N A.2001.Real-time low-level wind and temperature analysis using single WSR-88D date [J].Wea.Forecasting, 16: 117–132.

Sun J, Chen M X, Wang Y C.2010.A frequent-updating analysis system based on radar, surface, and mesoscale model data for the Beijing 2008 Forecast Demonstration Project [J].Wea.Forecasting, 25 (6): 1715-1735.

孫繼松, 楊波.2008.地形與城市環(huán)流共同作用下的 β中尺度暴雨 [J].大氣科學(xué), 32 (6): 1352–1364. Sun Jisong, Yang Bo.2008.Meso-β scale torrential rain affected by topography and the urban circulation.Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 32 (6): 1352–1364.

Sun Jisong, Wang Hua, Wang Lin, et al.2006.The role of the urban boundary layer on the locally convective intense rainfall that occurred in Beijing on 10 July 2004 [J].J.Atmos.Sci., 30 (4): 383–400.

Thrope A J, Miller M J.1978.Numerical simulations showing the role of downdraft in cumulonimbus motion and splitting [J].Quart.J.Roy.Meteor.Soc., 104: 837–893.

楊春, 諶云, 方之芳, 等.2009.“07.6”廣西柳州極端暴雨過(guò)程的多尺度特征分析 [J].氣象, 35 (6): 56–64. Yang Chun, Chen Yun, Fang Zhifang, et al.2009.Multi-scale characteristics analysis of Liuzhou server heavy rainfall in June 2007 [J].Meteorological Monthly (in Chinese), 35(6): 56–64.

俞小鼎, 鄭媛媛, 廖玉芳, 等.2008.一次伴隨強(qiáng)烈龍卷的強(qiáng)降水超級(jí)單體風(fēng)暴研究 [J].大氣科學(xué), 32 (3): 88–102. Yu Xiaoding, Zheng Yuanyuan, Liao Yufang, et al.2008.Observational investigation of a tornadic heavy precipitation supercell storm [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 32 (3): 88–102.