孫建華1, 2 鄭淋淋1, 3 趙思雄1

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水汽含量對颮線組織結(jié)構(gòu)和強度影響的數(shù)值試驗

孫建華鄭淋淋趙思雄

1中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強風(fēng)暴實驗室，北京100029;2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044;3中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

利用2009年6月3～4日一次產(chǎn)生大風(fēng)、冰雹強對流天氣的颮線個例進(jìn)行數(shù)值試驗，研究整層水汽含量及其垂直分布對中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程、組織類型和強度等的影響。本文的試驗表明環(huán)境場中不同的水汽含量和垂直分布，會影響下沉氣流和冷池的強度，從而影響對流的組織形態(tài)、維持時間和強度。整層水汽試驗表明，增加（減少）水汽，對流增強（減弱），冷池和雷暴高壓增強（減弱）導(dǎo)致大風(fēng)增強（減弱）。增加水汽越多發(fā)展階段冷池強度越強，最大風(fēng)速越強，但成熟階段后期冷池減弱的越快，層狀云區(qū)的后部入流減弱，不利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)和維持。不同層次水汽試驗表明，在保持整層水汽含量不變的情況下，線狀對流和雷暴大風(fēng)易發(fā)生在中層干、下層濕的環(huán)境中，這種層結(jié)條件對雷暴高壓的增強有重要作用，但不利于整個對流系統(tǒng)的長時間維持。

颮線 數(shù)值模擬 雷暴高壓 冷池 地面大風(fēng)

1 引言

颮線（squall line）是由多個活躍雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對流系統(tǒng)，其發(fā)生時常伴有大風(fēng)、冰雹、暴雨等劇烈的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。國內(nèi)外對颮線系統(tǒng)開展過不少的研究，對颮線的發(fā)生條件、組織方式、生命史演變、雷達(dá)回波特征、中尺度結(jié)構(gòu)等方面已經(jīng)有了一些認(rèn)識。Houze et al.（1989）提出了成熟階段颮線系統(tǒng)的概念模型，丁一匯等（1982）研究了對颮線有觸發(fā)和組織作用 的天氣系統(tǒng)。在對颮線分類研究的基礎(chǔ)上，采用 觀測資料分析了對流組織形式與環(huán)境條件的關(guān) 系（Bluestein and Jain，1985；Parker and Johnson，2000；Johnson et al.，2005；Schumacher and Johnson，2005）。Zheng et al.（2013）將我國江淮流域的線狀對流分成六類，包括無層云的線狀系統(tǒng)（NS）、前部層狀云的線狀系統(tǒng)（LS）、嵌入型線狀系統(tǒng)（EL）、后部層狀云的線狀系統(tǒng)（TS）、平行層狀云線狀系統(tǒng)（PS）和弓狀回波（BE），并對它們發(fā)生的環(huán)境條件和產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象做了分析，發(fā)現(xiàn)不同組織類型的系統(tǒng)產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象有較大的差別，其中，BE最容易產(chǎn)生大風(fēng)和冰雹，而美國的研究也認(rèn)為BE為最“危險”的一種線狀中尺度對流系統(tǒng)（Duda and Gallus，2010）。

針對影響線狀中尺度對流系統(tǒng)組織形式和強度的物理機(jī)制也已經(jīng)開展了大量研究。最著名的是低層風(fēng)切變與蒸發(fā)形成的地面冷池的動力平衡是對流線是否維持的主要因子（Rotunno et al.，1988；Weisman et al.，1988；Fovell and Ogura，1989；Robe and Emanuel，2001；Weisman and Rotunno，2004），但是該理論過于簡化，對可能影響對流發(fā)展的其他環(huán)境條件考慮較少，包括溫度、水汽等對系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展應(yīng)該也有重要的作用。James et al.（2006）的研究發(fā)現(xiàn)，在保持對流有效位能（CAPE）不變的情況下，高濕或高溫會減小蒸發(fā)的降溫，使冷池的強度減弱，從而影響對流線的組織結(jié)構(gòu)和強度。Takemi（2006，2007）揭示了靜力穩(wěn)定度也是影響颮線強度的一個重要因子，弱靜力穩(wěn)定有利于形成地面的強冷池，而冷池的強度影響上升運動的尺度和強度以及颮線的組織結(jié)構(gòu)和強度。雖然這些結(jié)果揭示了影響中尺度對流系統(tǒng)的形式和強度的一些物理機(jī)制，但這些研究主要是理想試驗的結(jié)果，缺乏針對水汽含量及垂直分布對強對流系統(tǒng)影響的研究，也缺乏針對真實個例，尤其是東亞季風(fēng)區(qū)的強對流個例的研究。

鄭淋淋和孫建華（2013）對2007～2010年暖季（6～9月）發(fā)生在江淮和黃淮流域?qū)α魈鞖膺^程的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在不同水汽條件環(huán)境中的對流線的觸發(fā)和維持機(jī)制可能存在明顯的差異，冰雹和大風(fēng)等天氣更容易發(fā)生在相對干的環(huán)流背景條件下。在這種較干的環(huán)流背景條件下，水汽的垂直分布如何影響對流的組織形態(tài)和強度呢？數(shù)值試驗可以通過改變影響中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境特征，從而分析這些環(huán)境條件如何影響中尺度對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)特征和強度。本文將通過對真實個例的數(shù)值試驗，研究環(huán)境水汽含量及垂直分布對中尺度對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和強度的影響。

2 個例選取和試驗方案

2.1 個例選取

2009年6月3～4日罕見強颮線突襲河南、安徽、江蘇（圖1），這些地區(qū)遭受了雷雨、大風(fēng)等強對流天氣襲擊，河南省有42個縣市出現(xiàn)雷電，19個縣市出現(xiàn)了17 m s以上的短時大風(fēng)，特別是河南省的商丘出現(xiàn)了歷史罕見的大風(fēng)天氣，寧陵、永城最大風(fēng)速分別達(dá)28.6 m s和29.1 m s，均為有氣象記錄以來的歷史極值。從雷達(dá)回波和地面觀測資料上來看，本次大風(fēng)過程主要是由颮線所致。圖1中的大風(fēng)是每3小時的常規(guī)地面觀測，從2009年6月3日14時（協(xié)調(diào)世界時，下同）至3日18時出現(xiàn)了20 m s以上的大風(fēng)，并且大風(fēng)出現(xiàn)在“人”字形回波的右半支 [沿著系統(tǒng)移動的方向，左側(cè)部分命名為左半分支，右側(cè)部分命名為右半分支（下同）] 附近。并且“人”字形系統(tǒng)的移動方向（往東南移動）垂直于右半支的伸展方向。

一些學(xué)者對該個例作過觀測研究（孫虎林等，2011；梁建宇與孫建華，2012；王秀明等，2012；劉香娥和郭學(xué)良，2012；金龍等，2013）。觀測結(jié)果表明，“人”字形回波系統(tǒng)的右半支的結(jié)構(gòu)與一般的颮線系統(tǒng)類似，災(zāi)害性大風(fēng)的產(chǎn)生主要由這個“人”字形系統(tǒng)的右半支造成的。觀測和數(shù)值模擬研究認(rèn)為中層入流和低層渦旋是地面大風(fēng)形成的重要原因（梁建宇與孫建華，2012；金龍等，2013），降水粒子的蒸發(fā)和融化冷卻過程對降低地面溫度 和產(chǎn)生地面強風(fēng)速也有重要影響（劉香娥和郭學(xué)良，2012）。這些研究把重點發(fā)生地面大風(fēng)的形成機(jī)制上，沒有探討影響颮線的組織形式和強度的機(jī)制，本文在梁建宇和孫建華（2012）對2009年6月3～4日強颮線研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬試驗研究水汽的垂直分布對颮線發(fā)生發(fā)展過程的影響。

圖1 2009年6月3～4日颮線的每小時雷達(dá)回波演變和每3小時的大風(fēng)分布[引自梁建宇和孫建華 (2012)]。全風(fēng)向桿代表風(fēng)速為5 ms?1，一個站點出現(xiàn)兩個風(fēng)向桿表示有兩個觀測時次都出現(xiàn)了大風(fēng)

圖2 水汽數(shù)值試驗的區(qū)域。虛線框內(nèi)為水汽試驗的范圍，粗實線框為颮線的主要影響范圍，陰影為控制試驗在2009年6月3日07 時的雷達(dá)組合反射率

2.2 試驗方案

控制試驗（簡稱CTRL）采用梁建宇和孫建華（2012）的模擬方案：采用WRF模式（Skamarock et al.，2005），3層嵌套，水平分辨率分別為36 km、12 km、4 km，垂直方向有28層。長波輻射采用RRTM方案，短波輻射采用Dudhia方案，陸地選取Noah方案，邊界層選取Yonsei University 方案，36 km和12 km的模擬區(qū)域采用Kain-Fritsch 積云對流參數(shù)化方案而不采用微物理方案，4 km的模擬區(qū)域不采用積云對流參數(shù)化方案，只采用Morrison double-moment微物理方案。初始場是在NCEP/ FNL再分析資料的分析基礎(chǔ)上，利用WRF的OBSGRID模塊將地面自動站觀測資料分析到模式格點上作為初始場。模擬初始時間為6月3日00時，積分24 小時。

本個例的整層可降水量較小，探空觀測為15～20 mm，屬于發(fā)生在干環(huán)境的典型颮線個例（鄭淋淋和孫建華，2013）。為了研究大氣中水汽含量對線狀對流的觸發(fā)、組織類型的影響，針對水汽設(shè)計了一些試驗。根據(jù)控制試驗的結(jié)果，河南西北部和山西高原上的對流在3日09 時發(fā)展的比較旺盛，12時在河南中北部觸發(fā)新的對流單體。所有的試驗都是在積分7小時后，即3日07時，修改圖2虛線框內(nèi)部的水汽含量。分別修改整層水汽含量至原來的90%、110%和120%，定義為試驗MA90、MA110和MA120（表1）。修改水汽含量后再繼續(xù)積分16小時，其他設(shè)置與CTRL試驗相同。由于水汽主要集中在對流層的中下層，而且過去的研究認(rèn)為颮線后側(cè)的中層干空氣入流會加強其發(fā)展（Smull and Houze，1985，1987），因此，設(shè)計了針對不同層次水汽含量的試驗（表1），試驗過程中保持整層可降水量與相應(yīng)的對照試驗（MA120和MA90）一致，在此基礎(chǔ)上改變不同層次的水汽含量。在MA120和MA90試驗的基礎(chǔ)上分別試驗中層（500～700 hPa）、低層（850 hPa以下）水汽對颮線觸發(fā)、演變和組織形態(tài)的影響。

表1 水汽試驗方案

2.3 水汽試驗的探空特征

水汽試驗中由于水汽的改變會改變層結(jié)條件，因此，圖3給出了水汽試驗的初始時刻（3日07時）在颮線主要影響區(qū)域內(nèi)（圖2中粗實線框）的平均探空特征。各試驗的溫度和風(fēng)垂直廓線與對照試驗保持一致，露點垂直廓線的形狀與對照試驗保持一致，增加水汽試驗露點廓線向溫度廓線靠近，減少水汽試驗露點廓線遠(yuǎn)離溫度廓線（圖3）。增加水汽后，從地面抬升的不穩(wěn)定能量（SBCAPE）和從最不穩(wěn)定層抬升的不穩(wěn)定能量（MUCAPE）增加，從地面抬升的對流抑制能量（SBCIN）和從最不穩(wěn)定層抬升的對流抑制能量（MUCIN）減少。MA110試驗的SBCAPE和MUCAPE比對照試驗增加了252 J kg，CBCIN和MUCIN比對照試驗減少了14 J kg。MA90試驗的SBCAPE和MUCAPE比 對照試驗減少了230 J kg，CBCIN和MUCIN比對照試驗增加了19 J kg。

圖3 不同試驗方案在颮線影響范圍內(nèi)（圖2的粗實線框）的平均探空特征。黑色實線代表不同試驗方案的溫度廓線，黑色虛線、紅色實線、淡紅色實線和藍(lán)色虛線分別代表CTRL試驗、MA90試驗、MA110試驗和MA120試驗的露點溫度

3 整層水汽試驗

3.1 對雷暴高壓和地面最大風(fēng)速的影響

水汽調(diào)整后對颮線系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程和強度有較顯著的影響（表2）。與對照試驗比較，減少水汽的試驗對流觸發(fā)的時間推后，并且沒有發(fā)展成為弓狀回波，而增加水汽的試驗中對流觸發(fā)的時間提前，MA110中還呈現(xiàn)與對照試驗相似的左右兩支對流，并且有弓狀回波階段，MA120中對流呈片狀分布，沒有出現(xiàn)線狀對流。從這個試驗結(jié)果看，環(huán)境場中水汽含量對颮線的結(jié)構(gòu)、強度和組織形態(tài)都有顯著的影響。

表2 不同試驗方案的對流系統(tǒng)發(fā)展過程的特征

該過程的主要災(zāi)害天氣是大風(fēng)，河南省的寧陵、永城最大風(fēng)速分別達(dá)28.6 m s和29.1 m s，颮線到達(dá)前永城站近地層以東南風(fēng)為主，風(fēng)速不大，至14:30，風(fēng)向急轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，且風(fēng)速陡增至20 m s，14:42觀測最大風(fēng)速為29.5 m s（劉香娥和郭學(xué)良，2012）。因此，我們首先分析各試驗中地面大風(fēng)的情況。圖4給出了幾個試驗中颮線產(chǎn)生的地面10 m最大風(fēng)速和雷暴高壓的最高氣壓演變。對照試驗中地面10 m最大風(fēng)速出現(xiàn)在15時，風(fēng)速為22 m s，出現(xiàn)的時間與觀測一致，但風(fēng)速沒有觀測大?？赡苁怯捎谙到y(tǒng)的發(fā)展很快，半小時間隔的模式輸出可能不能給出極大風(fēng)速值。MA90試驗中的地面10 m風(fēng)速都在16 m s以下，沒有形成大于17 m s的雷暴大風(fēng)。09時后，CTRL試驗的風(fēng)速迅速增加，而MA90試驗的風(fēng)速卻在12～16 m s之間。增加水汽的試驗中，地面10 m風(fēng)速均在 14時達(dá)到最強, 雷暴高壓達(dá)到最強的時間是11時。地面最大風(fēng)速出現(xiàn)的時間比最強雷暴高壓出現(xiàn)的時間晚3小時。而且增加水汽越多，最強雷暴高壓強度越強，地面10 m的最大風(fēng)速越大。減少水汽MA90試驗中也形成了雷暴高壓，12時雷暴高壓達(dá)到最強，13時以后雷暴高壓的強度迅速降低，地面10 m的最大風(fēng)速明顯減弱。雷暴高壓的強度較其他試驗中的弱，而維持時間也比其他試驗短。

圖 4 不同試驗方案中（a）地面10 m的最大風(fēng)速（單位：m s?1）、（b）雷暴高壓最高氣壓（單位：hPa）的時間演變

3.2 對組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)的影響

以上分析表明增加和減少水汽對颮線的強度和維持時間有顯著的影響，對演變過程和組織形態(tài)的影響如何呢？根據(jù)對觀測資料和模擬結(jié)果的分析，將對照試驗?zāi)M的颮線劃分為4個不同的階段：形成階段為12～13時；發(fā)展階段為14～15時；成熟階段為16～17時；消散階段為18時以后（梁建宇和孫建華，2012）。由于增加水汽系統(tǒng)發(fā)展偏早，減少水汽系統(tǒng)發(fā)展偏晚，不同試驗方案的四個階段的劃分有差別（見表3），不同階段的雷達(dá)回波演變見圖5。

表3 不同試驗方案對流系統(tǒng)演變階段的劃分

（1）形成階段

Klimowski et al.（2004）的研究指出美國的弓形回波發(fā)展的初始階段具有多種形式，包括單體、颮線和超級單體。金龍等（2013）的研究認(rèn)為本例是超級單體演化成的弓形回波，CTRL試驗?zāi)M未出現(xiàn)典型的超級單體結(jié)構(gòu)。CTRL試驗中，3日12 時在高原上對流的前方，新對流在河南中北部觸發(fā)（圖5），強對流的南部低層有冷高壓，風(fēng)場以雷暴高壓為中心向外輻散，地面風(fēng)達(dá)到10 m s以上。增加水汽后，新對流觸發(fā)的時間均提前。MA110試驗新對流的觸發(fā)時間是11時，MA120試驗新對流觸發(fā)時間是09時。而減少水汽的MA90試驗，新對流在13時才觸發(fā)，并且是分散的對流。從觸發(fā)的新對流的強度來看，增加水汽越多對流越強，范圍越大。MA110和CTRL試驗回波呈現(xiàn)的形態(tài)相似，MA110試驗回波的線狀結(jié)構(gòu)更明顯。MA90試驗回波最弱，并且只是一個單體，沒有組織成線狀。從正變壓和負(fù)變溫的演變來看，減少水汽時，變壓和變溫的幅度都減弱，而增加水汽兩者都增強。

圖5 CTRL、MA90、MA110和MA120試驗形成、發(fā)展、成熟和消亡階段代表時刻的雷達(dá)組合反射率（陰影，單位：dBZ）。等值線：1 km高度上的負(fù)變溫線（紅色虛線，間隔2 K）和正變壓線（藍(lán)色實線，間隔2 hPa）

（2）發(fā)展階段

CTRL試驗中，15時系統(tǒng)組織成弱對流線狀態(tài)（圖5）。大風(fēng)主要出現(xiàn)在颮線的前沿，在颮線最強雷達(dá)回波的后部出現(xiàn)了層狀云區(qū)，層狀云區(qū)對應(yīng)的地面風(fēng)速盡管沒有颮線前沿的風(fēng)速大，但是有些地方的風(fēng)速也達(dá)到了10 m s左右（圖略）。MA110還能看到左右兩支線狀對流，而MA120在發(fā)展階段（13時）對流線已經(jīng)不明顯（圖5）。MA90在發(fā)展階段的對流比CTRL試驗弱的多，呈現(xiàn)對流單體向前傳播的特征。發(fā)展階段，減少水汽時，變壓和變溫的幅度都減弱，增加水汽兩者均增強。

（3）成熟階段

CTRL試驗右支回波出現(xiàn)弓狀，左支線狀回波發(fā)展成熟，形成“人”字形的回波（圖5）。此時，出現(xiàn)了尾流低壓，系統(tǒng)發(fā)展到了成熟階段，冷池的范圍和強度都明顯增強（圖略）。MA110的“人”字形回波也比較明顯，而MA120的對流呈現(xiàn)非線狀分布，MA90的對流線沒有發(fā)展起來。成熟階段仍與發(fā)展階段相似，即減少水汽時，變壓和變溫的幅度都減弱，增加水汽兩者均增強。

（4）消散階段

CTRL試驗中層狀云區(qū)的范圍明顯減弱，消散階段時右支對流比左支減弱快（圖5），對應(yīng)的地面大風(fēng)和冷池開始減弱（圖4）。MA110相對于CTRL來說，回波位置偏東，最強回波區(qū)域小，但30 dB以上的區(qū)域大，右支回波消散慢。MA120在19時出現(xiàn)了左右兩支回波，右支回波比MA110的同一時刻強度稍強，左支回波弱。MA90在成熟階段幾個對流單體合并成一個單體繼續(xù)緩慢地向東南方向移動，系統(tǒng)中心位置比CTRL試驗同一時刻落后約1個經(jīng)度。

綜上所述，增加水汽時，模擬對流系統(tǒng)的回波范圍擴(kuò)大和強度增強，MA110試驗中回波依然保持線狀，MA120試驗中回波呈現(xiàn)非線狀分布。MA90試驗中對流的范圍減小、強度減弱，沒有出現(xiàn)其他試驗中南部回波組織成線狀的狀態(tài)。增加水汽系統(tǒng)生成早、消散早、移動快，系統(tǒng)后部的正變壓和負(fù)變溫幅度增強，冷池和雷暴高壓增強。減少水汽時，系統(tǒng)生成晚、消散晚、移動慢，冷池和雷暴高壓減弱。

圖6 MA90不同層次水汽試驗的雷達(dá)組合反射率（陰影，單位：dBZ）。等值線：1 km高度上的負(fù)變溫線（紅色虛線，間隔2 K）和正變壓線（藍(lán)色實線，間隔2 hPa）；風(fēng)羽：地面10 m大風(fēng)（瞬時風(fēng)速大于等于17 m s?1）

4 不同層次的水汽試驗

以上試驗表明將整層的水汽按照比例減少，系統(tǒng)發(fā)展減弱，沒有形成線狀對流。對于減少水汽的試驗（MA90-M、MA90-B），對流的發(fā)展階段（16時，圖6），MA90-M試驗形成了明顯的弓狀回波，且在弓狀回波的弓狀處出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)，這表明減少中層（700～500 hPa）的水汽含量，有利于颮線的形成和地面風(fēng)速的增強。MA90-B試驗回波的組織形態(tài)與MA90試驗相似，減少850 hPa以下層次的水汽，對流減弱，強回波區(qū)減少。成熟階段后期（18時），MA90-M試驗對流迅速減弱，MA90-B的對流還維持。從地面最大風(fēng)速和最強高壓看（圖7），減少中層（700～500 hPa）的水汽出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)，14時最大風(fēng)速達(dá)到20.9 m s，與對照試驗一致；17 m s以上的風(fēng)速持續(xù)了8小時（10～18時），比對照試驗的維持時間長了2小時。過程中最強雷暴高壓出現(xiàn)在11～12時，比其他試驗的雷暴高壓強。減少850 hPa以下層次的水汽（MA90-B試驗）在對流的發(fā)展階段比其他試驗風(fēng)速弱、雷暴高壓強度弱。

圖7 MA90不同層次水汽試驗（a）地面10 m最強風(fēng)速（單位：m s?1）、（b）最強雷暴高壓（單位：hPa）的時間變化

對于增加水汽的試驗（MA120-M、MA120-B），對流的發(fā)展階段（13時，圖8），MA120-B試驗的對流強度最弱，負(fù)變溫和正變壓的幅度最弱，地面雷暴大風(fēng)出現(xiàn)的范圍最小。對流的成熟階段（16時），MA120-B試驗出現(xiàn)了典型的弓狀回波，且在弓形處出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)。在保持可降水量不變的情況下，增加850 hPa以下層次的水汽，相當(dāng)于減少850 hPa以上的水汽，這說明減少中層水汽有利于線狀回波的形成，與MA90-M試驗結(jié)論一致。增加850 hPa以下層次的水汽，不利于冷池和雷暴高壓的增強及地面風(fēng)速的增強，但有利于對流的維持和線狀回波的形成。MA120-M比MA120-B試驗的回波范圍廣，比MA120試驗的回波范圍小，正變壓的幅度比其他試驗強，負(fù)變溫的幅度比MA120稍弱。增加中層（700～500 hPa）水汽不利于回波的增強和維持，但有利于雷暴高壓的增強。

圖8 同圖6，但為MA120不同層次水汽試驗的結(jié)果

從地面最大風(fēng)速和最強高壓的演變情況看（圖9），與對照試驗對比，MA120-M試驗在13時出 現(xiàn)了最大風(fēng)速，這可能與此時強的正變壓出現(xiàn)有關(guān)，之后地面大風(fēng)迅速降低，說明中層水汽的增加有利于雷暴高壓和地面大風(fēng)的快速形成，但不利于對流系統(tǒng)的維持。MA120-B試驗雷暴大風(fēng)在整個過程中的變化不如其他試驗劇烈，表明增加850 hPa以下水汽不利于系統(tǒng)的劇烈發(fā)展，但有利于對流系統(tǒng)的維持。

5 水汽含量影響颮線發(fā)展的原因

根據(jù)前面對模擬颮線的分析，增加水汽和減少水汽含量對颮線的組織結(jié)構(gòu)和強度等有較大的影響，因此，選擇其中的4個試驗（MA90、CTRL、MA110和MA120）繼續(xù)分析增加和減少水汽對颮線發(fā)生發(fā)展過程影響的機(jī)制。

5.1 試驗中可降水量和MUCAPE的演變

圖2粗實線框內(nèi)是對流發(fā)生、發(fā)展、成熟和消亡的區(qū)域，計算了此區(qū)域內(nèi)可降水量和MUCAPE（從最不穩(wěn)定層抬升的對流有效位能）的平均值（圖10）。水汽試驗修改的是3日07時的水汽，MA90、CTRL、MA110和MA120試驗可降水量分別為18 mm、18.9 mm、19.4 mm、20.1 mm（圖10a），從07 時到過程結(jié)束，各試驗可降水量下降幅度的差別不大。積分5小時后可降水量的大小排序保持不變，并沒有因為未修改邊界和其他區(qū)域的水汽導(dǎo)致積分后修改區(qū)域（圖2中的虛線框）內(nèi)水汽的改變。從可降水量的水平分布看（圖略），3日07時，增加水汽后，可降水量的大值區(qū)（20 mm以上）的范圍擴(kuò)大。3日12時，各試驗的可降水量都比07時有所增加，且大值區(qū)的分布相似。

圖9 同圖7，但為MA120不同層次水汽試驗的結(jié)果

圖10 MA90、CTRL、MA110和MA120試驗的（a）可降水量（單位：mm）、（b）MUCAPE（單位：J kg?1）在颮線影響區(qū)域（圖2的粗實線框）平均的時間變化

修改水汽后，MUCAPE從小到大的排序與可降水量相同。3日07 時，MA90、CTRL、MA110和MA120試驗MUCAPE的平均值分別為110 J kg、151 J kg、203 J kg、263 J kg（圖10b）。從07 時到過程結(jié)束，增加的水汽越多的試驗，MUCAPE的減少越多。從水平分布看（圖略），這四個試驗的對流發(fā)生區(qū)域的MUCAPE，07時都在800 J kg以上，CTRL試驗中該區(qū)域在1000 J kg以上，MA120增加到1500 J kg以上。增加水汽試驗形成的初始MUCAPE越大，產(chǎn)生的對流越強，過程中釋放的MUCAPE越大。14時后，四個試驗的MUCAPE區(qū)域平均值的差異變小（圖10b），這表明在14時之前，對流有效位能基本釋放。而CTRL、MA110和MA120試驗中地面10 m最大風(fēng)速在14時達(dá)到最大。MUCAPE基本釋放完后，對流的強度就逐漸減弱，地面大風(fēng)逐漸減弱。

5.2 不同試驗中冷池強度的演變

過去的研究認(rèn)為低層的風(fēng)切變和由蒸發(fā)導(dǎo)致的冷池的強度決定了颮線的結(jié)構(gòu)和強度（Rotunno et al.，1988；Weisman et al.，1988，Weisman and Rotunno，2004）。在較干的環(huán)境中，低層風(fēng)切變和冷池的強度是決定颮線強度和結(jié)構(gòu)的主要因素（Takemi，2006），但濕度和靜力穩(wěn)定度對颮線的結(jié)構(gòu)、演變和組織類型也有影響（Takemi，2006，2007）。環(huán)境風(fēng)切變越大，地面冷池越強，觸發(fā)的后向入流和弓形回波也越強。從本研究的試驗結(jié)果看，環(huán)境場中水汽含量對颮線的結(jié)構(gòu)、強度和組織形態(tài)都有影響。下面將通過對比分析水汽試驗中雷暴高壓、冷池和地面大風(fēng)的關(guān)系，以更深入認(rèn)識地面大風(fēng)的形成。

冷池強度的計算公式為

MA90試驗沒有形成颮線系統(tǒng)，也沒有產(chǎn)生雷暴大風(fēng)，因此，這里只分析CTRL和增加水汽試驗的結(jié)果。增加水汽的試驗，最大風(fēng)速出現(xiàn)的時間提前，最大風(fēng)速增加。CTRL、MA110和MA120試驗地面10 m最大風(fēng)速出現(xiàn)的時間分別是15時、14時和14時（圖4），均出現(xiàn)在對流的發(fā)展階段，冷池主要出現(xiàn)在形成、發(fā)展和成熟階段。試驗中水汽增加越多，09～13時的冷池高度越高，09～16時的冷池強度越強（圖12）。這可能是試驗中水汽增加導(dǎo)致最大風(fēng)速增強的原因之一。

圖11 CTRL、MA110和MA120試驗發(fā)展和成熟階段1 km高度上假相當(dāng)位溫（黑色實線，單位：K）、1 km高度上雷暴大風(fēng)（風(fēng)速≥17 m s?1的區(qū)域）和雷達(dá)組合反射率（陰影，單位: dBZ）的分布。藍(lán)色虛線為圖13剖面的位置，E藍(lán)色虛線框為計算環(huán)境平均假相當(dāng)位溫的區(qū)域，C藍(lán)色虛線框為計算冷池的假相當(dāng)位溫和凝結(jié)量的區(qū)域

在發(fā)展階段，在CTRL試驗中（15時），雷暴大風(fēng)只出現(xiàn)在颮線的前沿，而在MA110和MA120試驗中（14時），在冷池的中間和颮線后部的層狀云區(qū)也出現(xiàn)了雷暴大風(fēng)（圖11）。增加水汽試驗中，雷暴大風(fēng)發(fā)生的區(qū)域擴(kuò)大，雷暴大風(fēng)發(fā)生在位溫梯度最大的區(qū)域。沿位溫梯度的大值區(qū)分析剖面特征（圖13），CTRL試驗中（15時），層狀云區(qū)的下部沒有明顯的下沉氣流，強對流中心的中上層有較強的上升氣流，下層有弱的下沉運動。增加水汽后，垂直剖面上對流的范圍擴(kuò)大，強度增強。MA110試驗（14時）和MA120（13時），對流層中上層的斜升氣流增強，下層的雷暴高壓的出流增強。增加水汽試驗的發(fā)展階段，冷池的前沿已經(jīng)位于颮線的前部，冷池低層中雷暴高壓的出流增強，陣風(fēng)鋒的水平氣流的輻合增強，對流區(qū)和層狀云區(qū)的向后斜升氣流增強。表明，增加水汽有利于對流系統(tǒng)的發(fā)展，雷暴高壓的出流越強使得地面大風(fēng)越強。

成熟階段，最大風(fēng)速迅速降低（圖11）。CTRL試驗，颮線成熟階段后期（17時）冷池移到颮線的前部，雷暴大風(fēng)位于冷池的前部。MA110和MA120試驗成熟階段后期（MA110的16時，MA120的15時）冷池移到對流的前部，沒有雷暴大風(fēng)出現(xiàn)，成熟階段前期（MA110的15時，MA120的14時）MA110的雷暴大風(fēng)范圍比MA120大。從剖面圖來看（圖13），增加水汽的試驗，成熟階段后期對流區(qū)和層狀云區(qū)的后部入流減弱，對流區(qū)中上層的斜升氣流減弱，不利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)和對流的維持。

圖12 CTRL、MA110和MA120試驗中的（a）冷池強度、（b）冷池高度的時間變化

圖13 CTRL、MA110和MA120試驗發(fā)展和成熟階段AB剖面（位置見圖12）的假相當(dāng)位溫擾動（紫色線，單位：K）、雷達(dá)組合反射率（黑色實線，單位：dBZ）、沿著剖面方向的水平風(fēng)速（陰影，單位：m s?1）和相對系統(tǒng)的風(fēng)場矢量（箭頭，單位：m s?1，風(fēng)速矢量的垂直分量表示垂直方向?qū)嶋H風(fēng)速的十倍)

6 小結(jié)和討論

2009年6月3～4日的颮線過程整層的可降水量比較小，造成災(zāi)害的是地面大風(fēng)，但已有的研究對濕度的影響關(guān)注不夠，本文通過增加和減少整層和不同層次的水汽試驗，研究了此次過程中水汽含量及其垂直分布對颮線系統(tǒng)的組織類型、維持、強度等的影響，以期獲得更多的水汽影響的信息。研究結(jié)果表明，水汽含量及其垂直分布對這類系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程有重要的作用。有以下主要結(jié)論：

（1）整層水汽試驗表明，增加水汽有利于對流的發(fā)展，且容易造成對流的快速增長。而把整層的水汽減少10%（MA90試驗），對流的范圍和強度明顯減弱，且沒有出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。增加水汽越多最強地面大風(fēng)越強、雷暴高壓越強。最強雷暴高壓出現(xiàn)的時間先于最強地面大風(fēng)出現(xiàn)的時間。增加水汽越多發(fā)展階段冷池強度越強，成熟階段后期冷池減弱地越快。最強雷暴大風(fēng)出現(xiàn)在發(fā)展階段，成熟階段大風(fēng)減弱越快，成熟階段后期，對流層中上層的斜升氣流減弱，層狀云區(qū)的后部入流減弱，不利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)和對流的維持。

（2）不同層次的水汽試驗表明，水汽的垂直分布有很顯著的影響。中層的干空氣（即“上干下濕”的層結(jié)）有利于線狀回波和雷暴大風(fēng)的形成，對雷暴高壓的增強、地面風(fēng)速的增強有重要作用，但不利于整個對流系統(tǒng)的長時間維持。在保持整層水汽含量不變的情況下，線狀對流易發(fā)生在中層 干、低層（特別是850 hPa以下）濕的環(huán)境中。低層（700 hPa以下）的水汽增加有利于對流的形成，但不易形成線狀對流，而低層水汽的減少不利于對流系統(tǒng)的維持、雷暴高壓和地面大風(fēng)的增強。

（3）從垂直氣流、冷池強度與地面大風(fēng)的分析看，盡管地面大風(fēng)的形成和強度受很多動力、熱力因子影響，改變環(huán)境場中的水汽含量，會影響對流的組織形態(tài)、維持時間和強度，從而影響下沉氣流和冷池的強度和地面風(fēng)速。

本文的研究表明，水汽的垂直分布和含量影響對流系統(tǒng)的組織形式、垂直氣流，從而影響地面冷池和大風(fēng)的形成。但是影響對流的組織類型和發(fā)展過程的因子非常復(fù)雜，本文只是個例研究，應(yīng)開展不同環(huán)流背景條件下各影響因子對對流系統(tǒng)的組織類型和發(fā)展過程的研究，以獲得各種因子對對流系統(tǒng)的定量影響。此外，在真實個例的模擬中，各種影響中尺度系統(tǒng)發(fā)展的因子是相互影響的，因此，在今后的研究中，將開展理想試驗來研究東亞季風(fēng)區(qū)中各個關(guān)鍵因子對颮線組織形式和地面大風(fēng)形成的作用。

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Impact of Moisture on the Organizational Mode and Intensity of Squall Lines Determined Through Numerical Experiments

SUN Jianhua, ZHENG Linlin, and ZHAO Sixiong

1,,,100029;2,, 210044;3,100049

Numerical experiments were conducted on a squall line occurring on June 3–4, 2009, in Henan, Anhui, and Jiangsu provinces, China, that produced high winds and hail. The impact of moisture on the entire air column and that of its vertical distribution on the intensity, development process, and morphology of mesoscale convective systems (MCSs) were investigated. Analysis revealed that the amount of moisture and its vertical distribution had a significant effect on the strength of the downdraft and cold pool, which thus affected the morphology, duration, and strength of convection. The experiments on the entire air column demonstrated that the intensity of MCSs increased with moisture and that the strengths of the cold pool and the thunderstorm high increased, which led to higher winds. Conversely, the intensities of MCSs, cold pool, and surface winds decreased with moisture. Additional moisture led to a stronger cold pool, which caused the maximum winds to strengthen at the developmental stages of the MCSs. However, the cold pool and rear inflow jet weakened more rapidly, which was unfavorable for high wind development and maintenance at mature stages. Precipitable water in entire air column remained unchanged. Linear MCSs and high winds tended to occur in environments of mid-level drier air and low-level moister air that favored the development of stronger thunderstorm highs and discouraged the persistence of MCSs.

Squall line, Numerical simulation, Cold pool, Thunderstorm high, Surface damage wind

1006?9895(2014)04?0742?14

P447

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13187

2013?06?03，2013?07?26收修定稿

公益性行業(yè)（氣象）科研專項項目GYHY200906004，國家自然科學(xué)基金項目41075032，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目2013CB430100

孫建華，女，1972年出生，研究員，主要從事中尺度氣象學(xué)研究。E-mail: sjh@mail.iap.ac.cn