鄭淋淋　孫建華安徽省氣象臺，合肥230032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，北京000293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，南京20044

風(fēng)切變對中尺度對流系統(tǒng)強度和組織結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值試驗

鄭淋淋1孫建華2, 3
1安徽省氣象臺，合肥230031
2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
3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

鄭淋淋，孫建華. 2016. 風(fēng)切變對中尺度對流系統(tǒng)強度和組織結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值試驗 [J]. 大氣科學(xué), 40 (2): 324-340.Zheng Linlin, Sun Jianhua. 2016. The impact of vertical wind shear on the intensity and organizational mode of mesoscale convective systems using numerical experiments [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 324-340, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14311.

采用我國實際觀測的探空作為中尺度模式Weather Research and Forecasting（WRF）的理想試驗的背景場，分別改變整層、低層和中層的垂直風(fēng)切變，研究其對中尺度對流系統(tǒng)強度和組織結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，改變整層垂直風(fēng)切變對對流系統(tǒng)的強度和組織結(jié)構(gòu)影響最顯著，增加整層垂直風(fēng)切變，對流強度增強且易組織成線狀，減小整層垂直風(fēng)切變，對流強度弱且呈分散狀態(tài)。從垂直速度、水平風(fēng)場、散度場和冷池的三維結(jié)構(gòu)特征分析了其影響的機制：（1）風(fēng)切變增加，上升氣流與下沉氣流的相互干擾減弱，有利于垂直速度的維持和增強；（2）垂直風(fēng)切變增加造成水平渦度增加，扭轉(zhuǎn)項的作用分別使上升和下沉運動得到加強；（3）垂直風(fēng)切變增加，冷池強度和高度增加且集中在系統(tǒng)后部，使系統(tǒng)線狀組織性增強。研究還發(fā)現(xiàn)，增加垂直風(fēng)切變造成近地面大風(fēng)和降水增強，且強降水出現(xiàn)在大風(fēng)之后，這主要是因為在對流發(fā)展階段上升運動與下沉運動互不干擾情況下，強下沉運動造成的近地面大風(fēng)，而成熟階段上升運動不斷增強或維持造成雨水比濕不斷增加形成強降水。

1　引言

風(fēng)切變是影響對流發(fā)展和組織的重要動力因素，很多學(xué)者通過觀測和數(shù)值模式研究了風(fēng)切變對對流系統(tǒng)的影響機制。Lilly（1979）認為超級單體排列成線狀且與風(fēng)切變成一夾角，從而使得各個單體之間的環(huán)流不相互干預(yù)，他們能夠組成一個穩(wěn)定的颮線，這一觀測發(fā)現(xiàn)也得到了數(shù)值模擬結(jié)果的證實（Moncrieff, 1978）。Rotunno et al.（1988）利用數(shù)值模擬進一步證實了冷池和低層風(fēng)切變在非超級單體颮線維持中的作用，提出了強颮線維持的RKW理論，當(dāng)冷池產(chǎn)生的負渦度與環(huán)境風(fēng)切變產(chǎn)生的正渦度達到平衡時是強颮線維持的“最佳狀態(tài)”，并提出了長生命史颮線的兩種類型：一種發(fā)生在低層強切變、高層弱切變下，另一種發(fā)生在強的深厚切變下，這種環(huán)流特征使得單體之間的三維環(huán)流場互不影響。從20世紀80年代至今，風(fēng)切變的研究越來越受到學(xué)者的關(guān)注，很多研究采用觀測資料揭示了對流組織化與環(huán)境風(fēng)垂直切變的密切關(guān)系（Bluestein and Jain, 1985; Parker and Johnson, 2000; Schumacher and Johnson, 2005; Johnson et al., 2005），而且數(shù)值模擬研究對此給出了定量表述（Rotunno et al.,1988; Lafore and Moncrieff, 1989; Weisman and Rotunno,2004），這些研究表明低層切變在對流發(fā)展和組織中有重要作用。Johnson et al. （2005）揭示了在熱帶與副熱帶地區(qū)，低層和中層的風(fēng)切變對對流的組織作用是相同的，他們采用觀測證實了低層切變垂直于對流 線時，由于其阻止冷出流快速遠離風(fēng)暴從而使風(fēng)暴長時間維持。如果切變集中在高層（低層無切變或弱切變的情況下），與系統(tǒng)在無切變環(huán)境下的相似，即對流發(fā)展和組織性弱（Weisman and Rotunno，2004）。雖然冷池與低層切變的相互作用（RKW理論）對颮線的維持有重要作用，Lafore and Moncrieff（1989）認為對于有層狀云的颮線，層狀云與對流之間的相互作用對颮線的影響作用也不可忽視。

孫建華等（2014）針對水汽整層含量和垂直分布的數(shù)值試驗表明：整層水汽增加（減少），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）；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。水汽試驗主要反映的是熱力作用對颮線的影響，而過去很多研究發(fā)現(xiàn)中層特別是低層風(fēng)切變對中尺度對流系統(tǒng)組織的作用，高層的風(fēng)切變對對流影響較弱。Zheng et al.（2013）統(tǒng)計了中國江淮地區(qū)的線狀對流，由于觀測資料的時間分辨率問題，風(fēng)切變對不同組織類型的線狀對流的影響差異不大，因此，需要通過數(shù)值試驗來研究東亞季風(fēng)區(qū)風(fēng)切變對對流系統(tǒng)的影響。

過去的研究強調(diào)了低層風(fēng)切變在對流發(fā)展和組織中的重要作用，特別是低層切變與冷池達到平衡時對于颮線長時間維持的作用。很少有研究涉及到中層切變和整層切變對于對流強度和組織的影響，另外，前人的理想數(shù)值模擬研究多采用北美的探空特征，而孫建華等（2014）的工作又只針對了水汽特征開展了試驗。本文的理想數(shù)值模擬將采用我國東部江淮地區(qū)的觀測探空，研究不同層次和不同強度的風(fēng)切變對對流的強度和組織結(jié)構(gòu)的影響。主要研究低層（0～3 km）、中層（3～6 km）和整層（地面到18 km）風(fēng)切變對中尺度對流系統(tǒng)強度和組織類型的影響，哪種切變分布最有利線狀中尺度對流系統(tǒng)的形成及其對對流強度的可能影響。

2　試驗方案

采用WRF模式進行中層、低層和整層的風(fēng)切變對對流的強度和組織作用的理想試驗，理想試驗是在均一場中加溫度擾動場，均一場的溫度、氣壓、濕度和風(fēng)場是由觀測探空決定的。模式區(qū)域為360 km×360 km×18 km，水平分辨率為2 km，垂直方向為41層，側(cè)邊界條件采用開放邊界。微物理方案采用Lin方案，不考慮輻射、邊界層過程。背景場的探空是山東德州陵縣2010年8月8日14時（北京時間，下同）修正的探空資料（圖1），即采用14時的地面觀測修正08 時的探空，具體的修正方法見（Johnson and Bresch, 1991; 潘玉潔等，2008）。該探空從最不穩(wěn)定層抬升的對流有效位能是4471 J kg?1，整層可降水量達到68.52 mm，中低層水汽充沛（圖1），為鄭淋淋和孫建華（2013）定義的濕環(huán)境，即整層可降水量大于50 mm。與該探空對應(yīng)，8月8日20時山東西北部出現(xiàn)了降水回波，主要以短時強降水為主，其中觀測到9日02～03時最強降水達到了102 mm。模式啟動擾動是WRF理想試驗?zāi)K默認的擾動，即初始擾動采用水平方向半徑10 km，垂直方向半徑1.5 km的溫度擾動結(jié)構(gòu)，簡稱擾動泡，擾動泡的中心位于地面1.5 km高度上，擾動泡位于模式模擬區(qū)域水平方向的中心位置。擾動泡的溫度擾動分布為

其中，△T為溫度擾動值，T0為擾動振幅b=（xr= yr=10 km ，為擾動半徑），(xc, yc, zc)為擾動泡的擾動中心點。本研究中采用的是熱泡擾動，即溫度擾動為正，取△T>0。

由于我國處于西風(fēng)帶，一般情況下觀測風(fēng)是緯向風(fēng)的分量較大，這個探空下發(fā)生的真實個例和本研究中的模擬結(jié)果都是南北向分布的對流系統(tǒng)，過去的研究也認為垂直系統(tǒng)的風(fēng)切變影響較大（Parker and Johnson, 2000），此外，只改變緯向風(fēng)使得試驗較為簡單，但也能反映風(fēng)切變的影響，因此，本研究的試驗中只改變緯向風(fēng)的垂直切變。緯向風(fēng)曲線的計算公式如下（Weisman and Klemp, 1982）：

其中，us取?5，5 m s?1；zs=3 km；u0為CTRL試驗的緯向風(fēng)廓線；z為原始探空的各個高度值，試驗中只改變這些層次上的緯向風(fēng)分量。分別增加（US5）或減少整層（US-5）、低層（0～3 km；US_L-5、US_L5）和中層（3～6 km；US_M5、US_M-5）的風(fēng)速得到7組試驗（表1）。us越小，各層切變值越?。ū?），最底層的緯向風(fēng)保持不變（圖2）。模擬試驗的積分時間為7 h。

表1　切變試驗方案及其各層切變值Table 1　The configuration and shear parameters in different levels of the experiments

3　試驗結(jié)果

3.1對照試驗中對流系統(tǒng)的發(fā)展過程

從回波的演變情況看，CTRL試驗的觸發(fā)、發(fā)展、成熟和衰減階段分別為積分0～2 h、2～4 h、4～6 h和6 h以后。圖3為CTRL試驗觸發(fā)、發(fā)展和衰減階段代表時刻的雷達組合反射率。觸發(fā)階段，回波為單體形式，最強回波強度達到50 dBZ以上。發(fā)展階段，回波范圍擴大，開始有西北—東南向的相對窄回波區(qū)出現(xiàn)，強回波帶開始呈線狀排列。成熟階段，回波的線狀特征明顯，對流線向東南方向延長。從發(fā)展到成熟階段，不斷有新單體在對流線的東南方向形成，造成對流線延長。衰減階段，對流尺度繼續(xù)增大，強回波區(qū)減少，線狀組織的對流區(qū)開始分散。從回波的整個發(fā)展過程看（圖3），回波有從中間向四周發(fā)展的趨勢，在整個對流區(qū)的東部邊緣形成了線狀回波。下面的分析中分別采用積分4 h和7 h的模擬結(jié)果研究系統(tǒng)成熟和衰減階段的特征。

圖1　山東德州陵縣 （37.32°N, 116.57°E）2010年8月8日14 時（北京時間，下同）修正的探空圖（其中實線為溫度曲線，虛線為露點曲線）Fig. 1　A skew-t diagram of the modified sounding data at Ling County (37.32°N, 116.57°E), Dezhou City, Shandong Province at 1400 BT (Beijing time) 8 August 2010 (the solid line represents temperature profile and the dashed line represent dew point profile)

圖2　CTRL、US-5、US5、L_US-5、L_US5、M_US-5和M_US5試驗的緯向風(fēng)廓線（單位: m s?1）：（a）CTRL、US-5和US5試驗；（b）CTRL、L_US-5 和L_US5試驗；（c）CTRL、M_US-5和M_US5試驗Fig. 2 The zonal wind profiles (units: m s?1) of different experiments: (a) CTRL, US-5, and US5; (b) CTRL, L_US-5, and L_US5; (c) CTRL, M_US-5, and M_US5

3.2垂直風(fēng)切變對對流的影響

對比分析幾個垂直風(fēng)切變試驗，積分到2 h，7個試驗的回波形狀和強度差異不是很大，只是US-5試驗的回波范圍小一些（圖略）。積分4 h，即系統(tǒng)的發(fā)展階段，回波漸漸組織成線狀，US-5和M_US-5試驗強回波區(qū)沒有組織成明顯的線狀結(jié)構(gòu)，但L_US-5試驗的結(jié)果仍然出現(xiàn)了線狀對流，只是強度比L_US5弱一些（圖4）。積分7 h，即系統(tǒng)的衰減階段，US-5和M_US-5試驗的對流系統(tǒng)前部的強對流強度比其他試驗的要弱，組織結(jié)構(gòu)也更松散，但M_US-5試驗對流的組織結(jié)構(gòu)比US-5稍強（圖5），而L_US-5比L_US5的線狀結(jié)構(gòu)更清楚，只是對流的范圍減小。從移動速度看，增加切變的試驗均比減少切變的試驗系統(tǒng)的移動速度快（圖4和圖5）。這些試驗的結(jié)果表明，改變整層風(fēng)切變對對流系統(tǒng)的強度和組織結(jié)構(gòu)影響最大，其次是改變中層的切變。減小整層垂直風(fēng)切變對流強度減弱，不利于對流組織成線狀，增加整層垂直風(fēng)切變，對流強度強，有利于對流組織成線狀。垂直風(fēng)切變減小，回波移動慢，垂直風(fēng)切變增加，回波移動快。過去研究認為颮線的強度和組織類型主要依賴于低層切變的強度（Fovell and Ogura, 1989），低層切變和冷池的相互作用影響颮線維持時間和強度（Weisman et al., 1988），除了低層切變，中層切變對颮線的結(jié)構(gòu)和演變也有重要影響 (Alexander and Young, 1992; Ferrier et al., 1996; LeMone et al., 1998; Montmerle et al., 2000; Parker and Johnson, 2000; Xue, 2000)。本研究的試驗結(jié)果表明整層風(fēng)切變對對流強度和組織類型影響最大，與前人的結(jié)論有差異，有必要深入研究整層風(fēng)切變?nèi)绾斡绊懼谐叨葘α飨到y(tǒng)強度和組織類型。由于US5與US-5的試驗結(jié)果差別較大，下面主要針對這兩組試驗的來分析垂直風(fēng)切變對對流系統(tǒng)的影響。

圖4　US-5、US5、L_US-5、L_US5、M_US-5和M_US5試驗在積分4 h的組合雷達回波反射率（單位：dBZ）Fig. 4　The composited radar reflectivity (units: dBZ) after integrating 4 h in experiments US-5, US5, L_US-5, L_US5, M_US-5, and M_US5

3.3垂直風(fēng)切變對近地面風(fēng)、降水量和垂直速度的影響

積分1 h后，US5試驗的近地面最大風(fēng)速就明顯比CTRL試驗大，US-5試驗最大近地面風(fēng)速比CTRL試驗?。▓D6a），尤其在積分3 h后，US-5試驗的近地面最大風(fēng)速比CTRL試驗小3～5 m s?1。但是US5試驗近地面最大風(fēng)速只在2～4 h明顯比CTRL試驗大，之后，與CTRL試驗基本相似。雖然增加風(fēng)切變，近地面大風(fēng)增強，減小垂直風(fēng)切變，不利于近地面大風(fēng)的增強，但近地面大風(fēng)增強主要在發(fā)展階段。孫建華等（2014）的研究中發(fā)現(xiàn)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。US-5試驗最大降水量比CTRL試驗?。▓D6b），US5試驗每小時最大降水量比CTRL試驗大，但明顯增強出現(xiàn)在4 h之后，即在成熟階段，最強超過了50 mm h?1（圖6b）。表明增加垂直風(fēng)切變，對流強度增強，降水量增大，減小垂直風(fēng)切變，對流強度減弱，降水量減小，但降水主要是在成熟階段增加。積分1 h后，US5試驗最大上升速度比CTRL試驗大，US-5試驗最大上升速度比CTRL試驗小（圖6c）。最大下沉速度也是積分1 h后開始出現(xiàn)明顯的差異，US-5試驗最大下沉速度比CTRL試驗小（圖6d），US5試驗比CTRL試驗大，在發(fā)展和成熟階段出現(xiàn)了5次大于20 m s?1的下沉風(fēng)速，而CTRL試驗只出現(xiàn)了一次。這與Schlesinger (1978) 在數(shù)值模擬中得出的結(jié)論一致：切變環(huán)境中的上升運動與下沉運動比非切變環(huán)境中的強。垂直風(fēng)切變的大小對近地面風(fēng)速、降水量和垂直速度的影響結(jié)果表明，增加垂直風(fēng)切變，上升速度增強，降水量增強，下沉速度增強，近地面風(fēng)增強。試驗結(jié)果表明垂直風(fēng)切變的增加有助于對流組織成線狀和增強下沉運動、近地面風(fēng)速。此外，地面最強降雨出現(xiàn)在近地面最強大風(fēng)之后，其原因何在，也需要進一步分析。

圖5　同圖4，但為積分7 h的試驗結(jié)果Fig. 5　As in Fig. 4, but for the simulation results after integrating 7 h

圖6　US-5和US5試驗（a）1 km高度上最大水平風(fēng)速（單位：m s?1）、（b）每小時最大降水量（單位：mm）、（c）最大上升速度（單位：m s?1）和（d）下沉速度（單位：m s?1）的時間演變Fig. 6　Temporal variation of the (a) maximum horizontal wind velocity (units: m s?1) at the 1-km height, (b) hourly precipitation amount (units: mm), (c) maximum ascending velocity (units: m s?1), and (d) maximum descending velocity (units: m s?1) in experiments US-5 and US5

4　風(fēng)切變影響對流強度與組織類型的可能原因

在第3部分中對比分析了US-5與US5試驗的組織結(jié)構(gòu)、降雨量以及近地面風(fēng)速等結(jié)果，分析表明不同的垂直風(fēng)切變強度對對流系統(tǒng)的組織特征和強度等影響較大。積分3 h和5 h分別對應(yīng)各試驗的發(fā)展階段和成熟階段，且US5試驗在積分3 h 和5 h分別出現(xiàn)了近地面大風(fēng)和降水量的大值，選定這兩個時次進行風(fēng)切變對流強度和組織類型的影響機理分析可以深入了解大風(fēng)和強降水出現(xiàn)的原因。

4.1垂直速度與水平風(fēng)場

1 km高度上，積分3 h 時US-5試驗下沉區(qū)位于距離上升區(qū)約20 km左側(cè)，大風(fēng)區(qū)主要位于下沉區(qū)的北部，積分5 h上升區(qū)與下沉區(qū)的距離約為45km，上升運動區(qū)在下沉運動區(qū)的北部和東部，大風(fēng)區(qū)位于下沉區(qū)的東部。積分3 h和5 h降水量大值區(qū)均位于下沉運動區(qū)的大值區(qū)（圖7），即為層狀云降水區(qū)。US5試驗上升運動區(qū)與下沉運動區(qū)基本是成對出現(xiàn)的，從積分3 h到積分5 h，沿著系統(tǒng)的東南方向不斷有新單體出現(xiàn)，積分5 h形成線狀組織類型。US5和US-5試驗北部的擾動區(qū)形成的回波對應(yīng)的上升運動、下沉運動、水平風(fēng)速和降水量均很強（圖7和圖8），因此，下面的剖面圖選擇這一區(qū)域進行研究。

圖7　US-5與US5試驗的結(jié)果，上圖為1 km高度上的垂直速度（等值線：單位：m s?1，等值線標(biāo)值從小到大依次為?2、?1.5、?1、1、3、5 m s?1）、大于和等于17 m s?1的水平風(fēng)速（風(fēng)向桿，全風(fēng)向桿代表4 m s?1）以及大于和等于30 mm h?1的降水量（彩色陰影），AB為圖11的剖面位置，中圖和下圖分別4 km和8 km高度上的垂直速度（單位：m s?1，等值線標(biāo)值從小到大依次為?2、?1.5、?1、1、3、5 m s?1）和相對系統(tǒng)的水平風(fēng)場（單位：m s?1）Fig. 7　The results of experiments US-5 and US5. The top row of figures are the vertical velocity (contours; units: m s?1; values of contours: ?2, ?1.5, ?1, 1, 3 and 5 m s?1), horizontal wind speed ≥17 m s?1(barbs; full barb represents 4 m s?1), and hourly precipitation amount ≥30 mm h?1(shaded) at the 1 km level (line AB represents the cross section in Fig. 11). The middle and bottom rows of figures are the vertical velocity (units: m s?1; values of contours: ?2, ?1.5, ?1, 1, 3 and 5 m s?1) and the system relative horizontal velocity (units: m s?1) at 4 and 8 km, respectively

US-5試驗中低層（1和4 km）的下沉氣流正好位于8 km高度上升氣流的正下方（圖7和圖8）。US5試驗中低層的下沉氣流不僅與對應(yīng)層次的上升氣流成對出現(xiàn)，形成完整的對流單體，高層的上升氣流也與中低層的下沉氣流有一定的距離，這樣下沉氣流對上升氣流的削弱作用減弱。這與Lilly (1979)的結(jié)論一致：垂直風(fēng)切變使得單體的環(huán)流互不干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展。

圖8　圖7中US-5和US5試驗?zāi)喜繉α鲄^(qū)的放大圖，1 km、4 km和8 km高度上的垂直速度（單位：m s?1, 等值線標(biāo)值從小到大依次為?5、?4、?3、?2、?1、?0.5、0.5、1、2、3、4、5 m s?1）和相對系統(tǒng)的水平風(fēng)場（單位：m s?1）Fig. 8　The enlarged southern convective areas in Fig. 7 in experiments US-5 and US5, the vertical velocity (units: m s?1, values of contours: ?5, ?4, ?3, ?2, ?1, ?0.5, 0.5, 1, 2, 3, 4, and 5 m s?1) and the system relative horizontal velocity (units: m s?1) at 1, 4, and 8 km

積分3 h和5 h上升運動隨著高度的變化趨勢基本一致，但積分3 h時各個高度上的上升運動比積分5 h時稍強（圖9a, c）。下沉運動隨著高度的變化在積分3 h和5 h差別較大，積分3 h，最大下沉速度位于8 km高度上，且低層3和5 km高度上的下沉運動也較大，積分5 h，8 km以下的下沉運動明顯比積分3 h弱，10 km以下的最大下沉運動位于3 km和7 km，3 km和8 km高度上的下沉運動比積分3 h分別小1 m s?1和4m s?1（圖9b, d）。積分3 h和5 h，3 km以下下沉運動迅速減小，到地面下沉運動為3 m s?1，這是由于3 km以下已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗竭\動，且積分3 h，US5試驗3 km高度上強下沉運動對應(yīng)的近地面風(fēng)速大（圖10）。表明系統(tǒng)發(fā)展階段（積分3 h）的下沉運動比成熟階段（積分5 h）強，有利于出現(xiàn)近地面大風(fēng)，這與US5試驗在積分3 h的近地面風(fēng)速比積分5 h強的結(jié)論一致（圖6a）。另外，US5試驗比US-5試驗的垂直運動強，與圖5c, d的結(jié)論一致。

從不同高度氣流的配置看，US5試驗各個高度上的上升氣流比US-5試驗強（圖9a, c），且1 km高度上南部回波的上升和下沉氣流呈現(xiàn)南北向線狀分布（圖8）。 US5試驗的最大上升速度在各個高度上均比US-5試驗大，其中6～12 km高度二者差異達到最大（圖9a, c）。US5比US-5試驗的下沉速度大，低層在3 km高度二者差異達到最大（圖9b, d），在3 km以下的差異較小，這是由于3 km以下已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗竭\動。積分3 h，US5試驗3 km高度上下沉運動強對應(yīng)的近地面風(fēng)速大（圖10）。從系統(tǒng)南部的放大圖看（圖8），在中高層（8 km），US5試驗比US-5試驗的上升運動和下沉運動區(qū)東西向分布更明顯。這樣US5試驗低層的上升運動與下沉運動區(qū)為南北向分布，中高層為東西向分布，表明氣流邊上升邊呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)、邊下沉邊逆時針旋轉(zhuǎn)，上升氣流與下沉氣流相互干擾較弱，有利系統(tǒng)的長時間維持和增強，而US-5試驗氣流在上升過程中的順時針旋轉(zhuǎn)較弱、下沉過程中的逆時針旋轉(zhuǎn)也較弱，上升氣流與下沉氣流相互干擾較強，使系統(tǒng)難以繼續(xù)生成或者有利已有系統(tǒng)的消散。

圖9　US-5和US5試驗積分3 h（上）和5 h（下）對流區(qū)（a、c）最大上升速度（單位：m s?1）和（b、d）最大下沉速度（單位：m s?1）的隨高度的變化Fig. 9　The height variation of the (a, c) maximum ascending velocity (units: m s?1) and (b, d) maximum descending velocity (units: m s?1) in convective areas in experiments US-5 and US5 at 3 h (top) and 5 h (bottom)

4.2散度場

積分3 h和5 h時，US-5試驗，1 km高度以輻散為主，輻散區(qū)位于對流區(qū)的后部，對流區(qū)對應(yīng)輻合氣流，4 km高度輻合區(qū)對應(yīng)1 km高度上的輻散區(qū)，8 km高度以輻散為主，主要輻散區(qū)對應(yīng)1 km高度的輻合區(qū)（對流區(qū)）（圖11）。US5試驗，1 km高度對流區(qū)對應(yīng)氣流輻合區(qū)，而4 km高度為氣流輻散區(qū)，低層的上升運動強，有利于對流的發(fā)展和增強，1 km高度氣流輻散區(qū)在輻合區(qū)的后部，4 km高度輻散區(qū)在輻合區(qū)的前部，8 km高度氣流以輻合為主，且輻合輻散區(qū)分別呈南北向排列成線狀（圖11）。積分3 h最北邊的輻散比積分5 h強。表明在1～4 km的高度系統(tǒng)前部以上升氣流為主、后部以下沉氣流為主，上升與下沉氣流互不干擾分別排列成南北向帶狀，積分3 h北部輻散區(qū)對應(yīng)的下沉氣流比積分5 h強，這與圖9b, d的結(jié)論一致。

從垂直速度、風(fēng)場、散度場、雨水比濕和渦度場的剖面圖（圖10，12）看，US5試驗在系統(tǒng)前部，積分3 h，0～3 km高度為輻合氣流，3～6 km為輻散氣流，這樣在0～6 km形成上升運動區(qū)，在系統(tǒng)的后部（AB剖面上50～70 km處的低層1～2 km為水平風(fēng)速大值區(qū)），在風(fēng)速大值區(qū)的后部0～8 km為下沉運動區(qū)，對應(yīng)這里為負渦度區(qū)，此時系統(tǒng)前部的正渦度區(qū)和后部的負渦度區(qū)的界限明顯，互相獨立。積分5 h，系統(tǒng)前部的上升運動加強，后部0～3 km為下沉運動，對應(yīng)地面輻散和負渦度區(qū)（y方向的渦度分量）（圖12），但下沉運動比積分3 h弱，負渦度區(qū)（y方向的渦度分量）集中在上升運動后部的地面到2 km的高度上，沒有像積分3 h與中高層的負渦度區(qū)連成一體，造成積分5 h近地面風(fēng)速減小，而下沉運動正好位于上升運動的下方，對應(yīng)這里雨水比濕較大，下沉運動可能是由于降水粒子的拖曳作用造成的，此時降水量比積分3 h時強。US-5試驗系統(tǒng)上升運動主要集中在中高層，中低層以下沉氣流為主，這與圖11的結(jié)論一致，渦度場上5 km以下以負渦度為主，5 km以上為正渦度區(qū)。US5試驗系統(tǒng)前部的垂直環(huán)流比US-5試驗更加明顯，造成US5試驗前部的上升運動相對集中且強度大。在系統(tǒng)前部，US5試驗由于垂直風(fēng)切變加大，y方向的正渦度區(qū)（）比US-5試驗強（圖12），特別是近地面層的正渦度區(qū)較強，同時，在系統(tǒng)的前部，上升運動在對流的北部是減小的[0]，扭轉(zhuǎn)項的作用為減弱水平渦度，對流減弱，而上升運動在對流南部是增強的0)，扭轉(zhuǎn)項的作用是增加水平渦度，上升運動增強，這樣在扭轉(zhuǎn)項的作用下南部對流增強，北部對流減弱，對流向南發(fā)展。

圖10　US-5和US5試驗結(jié)果，圖7中AB剖面的垂直速度（等值線，紅色實線為上升運動，藍色虛線為下沉運動，單位：10?1m s?1，等值線間隔1 m s?1）、水平與垂直風(fēng)場（單位：m s?1，風(fēng)速矢量的垂直分量表示實際風(fēng)速的10倍）以及水平風(fēng)速大于和等于17 m s?1的區(qū)域（黃色陰影）Fig. 10　The results of experiments US-5 and US5. The cross sections of vertical wind velocity (contours; the red solid lines represent ascending motion, the blue dashed lines represent descending motion; units: 10?1m s?1, contoured at 1 m s?1interval), horizontal and vertical wind field (units: m s?1; vertical component is 10 times the real wind velocity), and the areas with horizontal wind speed ≥17 m s?1(shaded in yellow) along AB in Fig. 7

圖11　US-5與US5試驗積分3 h和5 h，1 km、4 km和8 km高度上的散度（實線為正值，代表輻散區(qū)，虛線為負值，代表輻合區(qū)，等值線標(biāo)值從小到大依次為?100、?70、?40、40、60、80，單位：10?5s?1）和垂直速度（陰影，單位: 10?1m s?1，等值線間隔0.5 m s?1）Fig. 11　Divergence (solid lines are positive values and represent divergence areas; dashed lines are negative values and represent convergence areas, values of contours: ?100，?70，?40，40，60，80，units: 10?5s?1) and vertical velocity (shaded; units: 10?1m s?1, contoured at 0.5 m s?1interval) in experiments US-5 and US5 at 3 h and 5 h, at the l, 4 and 8 km levels, respectively

圖12　US-5和US5試驗結(jié)果，圖7中AB剖面的散度（上，單位：10?4s?1），y方向渦度（中，單位：10?4s?1）和雨水比濕（下，單位：g kg?1）。Fig. 12　The results of experiments US-5 and US5. The cross sections of divergence (top, units: 10?4s?1), y-component vorticity (middle, units: 10?4s?1), specific humidity of rainwater (bottom, units: g kg?1) along AB in Fig. 7

其中，B代表由虛位溫（vq）和所有凝結(jié)參數(shù)的比濕(qc)貢獻的冷池浮力。B的計算公式是：B =，qv代表環(huán)境的虛位溫。H代表冷池高度，是B首次大于?0.06 m s2的高度。按照Coniglio and Stensrud（2001）的計算方法，浮力項B中的平均量（vq）是用颮線前部100 km處的10 km× 20 km區(qū)域的平均值表示。浮力項中表示冷池狀態(tài)的量（vq和qc）是用颮線后部15 km處的10 km× 20 km區(qū)域平均值來表示。擾動量。US5試驗積分2 h后冷池高度比US-5試驗高、冷池強度比US-5試驗強（圖14）。表明垂直風(fēng)切變增加，冷池高度高、冷池強度強，垂直風(fēng)切變減少，冷池高度與冷池強度均降低。

圖13　同圖10，但為組合雷達反射率（黑色實線，單位：dBZ）、假相當(dāng)位溫負擾動（紫色虛線，單位：K，間隔2 K）、緯向風(fēng)（陰影，單位：m s?1）和風(fēng)場矢量（箭頭，單位：m s?1，風(fēng)速矢量的垂直分量表示實際風(fēng)速的10倍）Fig. 13　As in Fig. 10, but for the composited radar reflectivity (black line; units: dBZ), negative pseudoequivalent potential temperature turbulence (purple dashed isolines with 2 K interval; units: K), zonal wind (color shading; units: m s?1), and wind field (vectors; units: m s?1; vertical component is 10 times the real wind velocity)

圖14　US-5和US5試驗（a）冷池強度（單位：m s?1）和（b）高度（單位：m）的時間變化Fig. 14　Temporal variation of the (a) intensity (units: m s?1) and (b) height (units: m) of the cold pool in experiments US-5 and US5

5　結(jié)論

本文利用我國江淮地區(qū)一次發(fā)生強對流的探空和WRF模式，進行了垂直風(fēng)切變對對流強度、組織形態(tài)影響的理想數(shù)值試驗。通過增加和減小整層、低層和中層的風(fēng)切變的試驗，發(fā)現(xiàn)：改變整層垂直風(fēng)切變對對流的強度和組織類型影響最大，其次是改變中層的風(fēng)切變強度，而改變低層的風(fēng)切變影響最??；增加整層垂直風(fēng)切變，對流發(fā)展的強度強，且易組織成線狀，減少垂直風(fēng)切變，對流發(fā)展強度弱，對流呈分散的狀態(tài)；增加垂直風(fēng)切變，上升速度增強，最大小時降水量增強，下沉速度增強，近地面風(fēng)增強。

從垂直速度、風(fēng)場、散度場和垂直結(jié)構(gòu)以及冷池分析了垂直風(fēng)切變對系統(tǒng)強度和組織影響的可能原因。增加垂直風(fēng)切變，系統(tǒng)的上升運動與下沉運動的旋轉(zhuǎn)增強，二者之間的相互干擾減弱，使系統(tǒng)能夠長時間維持，且系統(tǒng)的上升運動與下沉運動增強。從渦度場看，垂直風(fēng)切變增強，渦度增強，這樣在系統(tǒng)的前部，由于強上升氣流的作用，在扭轉(zhuǎn)項的作用下，系統(tǒng)的垂直渦度增強，加強原來的上升運動，相反在系統(tǒng)后部，由于下沉氣流的作用，在扭轉(zhuǎn)項的作用下，系統(tǒng)的垂直渦度減小，加強原來的下沉運動，這樣造成系統(tǒng)強度增強。垂直風(fēng)切變增加，冷池高度高且相對集中，垂直風(fēng)切變減少，冷池高度與冷池強度均降低。因此，垂直風(fēng)切變增加，加強了系統(tǒng)后部的下沉運動，此外冷池在系統(tǒng)后部的集中度高表明系統(tǒng)的組織性強，不易呈現(xiàn)分散的狀態(tài)。

研究還發(fā)現(xiàn)增加整層垂直風(fēng)切變，近地面風(fēng)速和降水量增加，且降水量的大值出現(xiàn)在近地面大風(fēng)大值之后。在系統(tǒng)的發(fā)展階段，出現(xiàn)近地面大風(fēng)的原因是系統(tǒng)的正負渦度區(qū)相互獨立，上升運動與下沉運動互不干擾，后部的下沉運動強，下沉運動到達近地面后形成強輻散造成近地面大風(fēng)，成熟階段，系統(tǒng)后部的正渦度區(qū)減弱，沒有與中高層的負渦度大值區(qū)連成一體，下沉運動減弱，近地面大風(fēng)減弱。在系統(tǒng)的成熟階段，出現(xiàn)降水量大值的原因是，隨著上升運動的不斷增強，雨水比濕增大，下降到地面形成強降水，因此強降水產(chǎn)生是一個上升運動不斷加強或維持造成雨水比濕不斷增強的過程。

本文的研究雖然采用的是實際觀測的探空作為背景場，但采用的是理想模式，只考慮了垂直風(fēng)切變一個因素對對流的影響，實際中影響對流發(fā)展和組織的因素相對較多且復(fù)雜，今后應(yīng)考慮更多環(huán)境因子對對流的影響。

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The Impact of Vertical Wind Shear on the Intensity and Organizational Mode of Mesoscale Convective Systems Using Numerical Experiments

ZHENG Linlin1and SUN Jianhua2, 3
1 Anhui Meteorological Observatory, Hefei 230031
2 Key Laboratory of Cloud–Precipitation Physics and Severe Storms, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
3 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044

Weather Research and Forecasting (WRF) model numerical simulations were used to study the impact ofvertical wind shear—including the entire, low-level, and mid-level shear—on mesoscale convective systems. The initial background field of the WRF idealized simulation was the observed radiosonde data in China that produced severe convective systems. The results demonstrated that the simulations of changing vertical wind shear in the entire layer had the greatest impact on the intensity and organizational mode of mesoscale convective systems. For increasing (decreasing) vertical wind shear, the intensity of convection increased (decreased) and the convective systems organized into convective line (decentralized). The mechanisms involved were explored by analyzing the three-dimensional characteristics of vertical velocity, horizontal wind, divergence, and the cold pool, and can be summarized in the following three aspects: (1) The interference between ascending and descending motion weakened as stronger vertical wind shear increased, which led to a longer maintenance and enhancement of vertical velocity. (2) The horizontal vorticity increased with stronger vertical wind shear, and then vertical vorticity increased (decreased) at the ascending (descending) motion under the tilting term in the vorticity equation, which led to intensification of the ascending and descending motion, respectively. (3) The intensity and height of the cold pool increased with stronger vertical wind shear, which led to linear organization of mesoscale convective systems. Other results included the fact that the near-surface wind speed and precipitation amount increased with increased vertical wind shear, and heavy precipitation appeared after the strongest wind. Strong descending motion led to strong surface wind because of the noninterference between ascending and descending motion in the development stage of the mesoscale convective system. During the mature stage, rainwater accumulated because of the constant reinforcement or maintenance of ascending motion leading to heavy rainfall.

Vertical wind shear, Idealized experiment, Three-dimensional wind field, Cold pool

10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14311

垂直風(fēng)切變理想試驗三維風(fēng)場冷池

2014-11-13；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2015-05-29

鄭淋淋，女，1986年出生，博士，主要從事中尺度氣象學(xué)研究。E-mail: zhengll.2@163.com

孫建華，E-mail: sjh@mail.iap.ac.cn

安徽省氣象科技發(fā)展基金項目KM201416，公益性行業(yè)（氣象）科研專項GYHY201406002，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目2013CB430101

Funded byAnhui Foundation for Development of Meteorological Science and Technology (Grant KM201416), Special Scientific Research Fund of Meteorological Public Welfare Profession of China (Grant GYHY201406002), National Basic Research Program of China (973 Program, Grant 2013CB430101)

1006-9895(2016)02-0324-17

P445

A