康兆萍　林永輝

摘要利用高時空分辨率的地面觀測資料、探空資料、NCEP再分析資料和多普勒天氣雷達資料，并結合中尺度數(shù)值模式WRF分析2013年5月15日發(fā)生在廣西廣東地區(qū)的一次強颮線過程，著重分析了中尺度對流系統(tǒng)（Mesoscale Convective System，MCS）由平行型（PS）模態(tài)到拖尾型（TS）模態(tài)的轉變過程及機理。結果表明，此次颮線過程發(fā)生于高層弱輻散區(qū)，500 hPa有明顯短波槽東移發(fā)展，850 hPa有切變線和低空暖濕急流，地面有冷鋒和低壓倒槽。西側初始對流發(fā)展為PS型MCS模態(tài)，成熟期無雷暴高壓。東側減弱的初始對流再次加強發(fā)展后與西側PS型MCS合并發(fā)展成為TS型MCS模態(tài)。數(shù)值模擬結果顯示，PS型模態(tài)具有平行于對流線的氣壓梯度力和加速度分量，該分量產(chǎn)生了平行于對流線的風分量。TS型模態(tài)中，平行于對流線的氣壓梯度力和加速度很小，而垂直于對流線的氣壓梯度力和加速度很大，正是由于平行于對流線的加速度分量的消失和垂直于對流線的加速度分量的增強促使對流線內(nèi)部相對系統(tǒng)流場由平行向轉變?yōu)榇怪毕颍瑢е翸CS模態(tài)由PS型轉為TS型。

關鍵詞平行型；拖尾型；氣壓擾動；加速度；颮線

颮線是由許多雷暴單體側向排列而成的強烈線性對流帶，其水平尺度為150～300 km，時間尺度為4～18 h。颮線過境常伴有強降水、大風、冰雹、龍卷等劇烈天氣現(xiàn)象，是一種破壞性極強的中β尺度對流系統(tǒng)（章國材，2007；陳耀登等，2017）。颮線的組織結構、演變及形成機理的研究一直是中尺度氣象領域里一個非常重要的課題。

按照層狀云相對于強對流的位置可以將中尺度對流系統(tǒng)（Mesoscale Convective System，MCS）的組織結構分為三類：層狀云位于前部的前導型（Leading Stratiform，LS）、層狀云平行于對流線的平行型（Parallel Stratiform，PS）和層狀云位于后部的拖尾型（Trailing Stratiform，TS）。其中拖尾型占60%，前導型和平行型各占20%，并且30%的LS型MCS和58%的PS型MCS在發(fā)展后期會向TS型轉化（Parker and Johnson，2000）。Meng et al.（2013）對2008—2009年中國東部地區(qū)96次颮線過程進行了統(tǒng)計，結果顯示拖尾型占62%，平行型占26%，前導型占12%。Parker（2007a，2007b）指出對流層中上層相對于對流線的氣流對MCS的組織結構有決定性作用。拖尾型MCS整層表現(xiàn)出由前向后的垂直于對流線的相對系統(tǒng)風分量。平行型MCS在1 km以下為強的垂直于對流線的風分量，但在2 km以上則表現(xiàn)出深厚的平行于對流線的風分量。這類MCS中對流層中層水汽平流沿著對流線集中輸送，但軸線里水汽輸送較弱，兩側較強，最終會導致軸線里降水弱而兩側降水強（Parker and Johnson，2000）。中尺度對流系統(tǒng)常發(fā)生在具有較強垂直風切變的環(huán)境中（丁一匯等，1982），Parker（2007a，2007b）通過數(shù)值模擬實驗還指出低層垂直向風切變和深層平行向風切變對PS型MCS的組織結構同等重要。

Johnson and Hamilton（1988）總結出成熟期颮線系統(tǒng)在地面由雷暴中高壓、中高壓后部的尾流低壓和中高壓前部的中低壓組成。Houze et al.（1989）通過拖尾型颮線個例分析得到颮線成熟期垂直結構模型：系統(tǒng)由強對流區(qū)、層狀云區(qū)以及兩者之間的弱回波過渡帶組成；垂直風場結構上看，對流區(qū)前沿為強烈的傾斜上升氣流，過渡區(qū)對應由降水的拖曳作用呈現(xiàn)出明顯下沉氣流，層狀云中上層為由前向后的上升氣流及中下層向前的下沉氣流。

雖然國內(nèi)外對颮線的研究已經(jīng)有很多，但大量的分析都集中于拖尾型（TS型）颮線（孫虎林等，2011），對于平行型（PS型）颮線的的分析比較少，特別是對同一個颮線過程中線性對流模態(tài)組織結構轉變的分析更少。2013年5月15—16日，一次強颮線天氣過程襲擊了廣西、廣東地區(qū)，此次颮線過程最初以PS型MCS組織結構發(fā)展，但在演變后期MCS轉變?yōu)門S型結構。本文擬采用多種常規(guī)觀測資料、探空資料、NCEP再分析資料和多普勒雷達組網(wǎng)資料，分析此次颮線過程的形成背景、降水分布和系統(tǒng)演變過程，并利用中尺度WRF模式輸出的高時空分辨率資料重點分析兩種模態(tài)的變異機理。

1資料和方法

本文使用的資料有：2013年5月15—16日我國地面自動氣象站逐小時加密觀測資料，包括海平面氣壓、溫度、露點溫度、風向、風速、雨量等要素；廣西、廣東兩省多普勒雷達組網(wǎng)資料；每日4次1°×1°的NCEP/NCAR再分析全球格點資料及中尺度WRF模式輸出資料。本文分析時除特殊說明外均為世界時。

本文利用中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室研發(fā)的多普勒天氣雷達三維數(shù)字組網(wǎng)系統(tǒng)對廣西省桂林、柳州、梧州和廣東省廣州、陽江共五部雷達資料進行三維組網(wǎng)，所得組網(wǎng)資料的水平分辨率為001°×001°，時間分辨率為6 min，高度范圍為05～160 km，垂直分辨率6 km以下為05 km，6 km以上為1 km，共23層。

2天氣過程簡述

2013年5月15日15時—16日06時（世界時，下同），廣西、廣東兩省遭受了一次強降水過程，此次降水于15日15時開始于廣西省中部地區(qū)，之后降水隨系統(tǒng)向東南方向移動進入廣東，至16日06時基本結束。15日18時—16日06時12 h累計降水呈西北—東南向帶狀分布，大部分降水落于廣西境內(nèi)。其中，兩個大暴雨中心分別位于來賓（圖1中以“Lb”所示）東北和玉林（圖1中以“Yl”所示）西北，12 h累計降水量均超過100 mm。

15日12時（圖略），對流觸發(fā)區(qū)處于高層200 hPa弱輻散區(qū)，500 hPa上有明顯的短波槽，850 hPa存在東北—西南向切變線，切變線南側有低空急流和密集的等溫線，地面場相應可見準東—西向冷鋒，地面圖上有低壓倒槽和明顯的暖濕空氣，這種環(huán)流背景條件極其利于強對流的觸發(fā)和發(fā)展，強對流就發(fā)生于地面冷鋒附近及低壓倒槽里。

3MCS演變過程分析

31PS型和TS型MCS模態(tài)

本文根據(jù)Parker and Johnson（2000）的颮線分類研究方法，依據(jù)層狀云相對于強對流的位置，對本次颮線演變過程中強對流的組織模態(tài)進行了分類，發(fā)現(xiàn)共有兩種模態(tài)：第一種為強對流區(qū)兩側有極弱層狀云的平行型（PS型）模態(tài)；第二種為強對流區(qū)后部發(fā)展出大片層狀云的拖尾型（TS型）模態(tài)。

311PS型MCS模態(tài)

2013年5月15日15時，強對流開始出現(xiàn)于廣西省北部地區(qū)，共有三處比較明顯的對流區(qū)域（圖2a1）：一是桂林附近西南—東北向的線狀對流；二是來賓附近的零散對流；三是來賓西北較弱的對流。桂林附近的線狀對流隨后向東南方向移動并逐漸減弱（圖2a1—2a10中紅色橢圓所示），來賓附近的零散對流單體逐漸發(fā)展合并成為一個對流單體（圖2a1—2a7中南側黑色橢圓所示）。與此同時，來賓西北部的對流單體不斷發(fā)展，并在該對流單體的后向不斷有新的對流單體產(chǎn)生（圖2a1—2a7中北側黑色橢圓所示）。15日21時30分，來賓附近的對流單體與其西北側的對流單體合并組織成為一個明顯的西北—東南向的線狀對流帶（圖2a8中黑色橢圓所示），強對流帶兩側有平行的層狀云分布，這種形態(tài)是典型的平行型（PS型）MCS組織模態(tài)。

312TS型MCS模態(tài)

15日23時，來自桂林附近的對流單體在梧州附近重新發(fā)展起來，并最終和其西南側的PS型MCS完全合并在一起，形成了一個完整的弓形回波，回波的頂點就在容縣附近（圖2b1）。系統(tǒng)后部可見大片層狀云存在，颮線系統(tǒng)已經(jīng)由PS型完全轉變?yōu)門S型模態(tài)，隨后系統(tǒng)移至廣東（圖2）。

32兩種MCS模態(tài)地面要素場分析

321PS型MCS地面要素場

15日15時，廣西北部桂林附近為西南—東北向的線狀對流，這些對流出現(xiàn)在地面低壓倒槽北側的冷鋒附近，倒槽的南側是大片的暖濕氣流（圖3a1）。在隨后的演變過程中，出現(xiàn)于桂林附近的線狀對流在向東南方向移動的過程中逐漸減弱（圖3），該線狀對流向前的地面冷出流加強抬升倒槽內(nèi)偏南的暖濕空氣，導致冷池前沿為輻合大值區(qū)，新對流就激發(fā)于該輻合區(qū)（圖3a2、3a3、3b2、3b3）。需要指出的是，在PS型MCS成熟期時的地面并沒有出現(xiàn)雷暴高壓（圖3a4、3b4），這可能是PS型MCS和TS型MCS在結構方面一個較大的差別。

322TS型MCS地面要素場

15日23時，在梧州西側有冷池中心和輻合大值區(qū)（圖3d1），這導致從桂林移過來的已經(jīng)減弱了的對流體又重新發(fā)展起來（圖2b1）。這個重新發(fā)展起來的對流在16日00時左右和其西南側的PS型MCS完全合并在一起，并形成了一個完整的弓形回波，回波頂點就位于容縣（圖2b3）。此時，與弓形回波對應的地面冷池超過了-4 ℃（圖3d2），隨后在01時左右，地面雷暴高壓和尾流低壓開始形成，這和Johnson and Hamilton（1988）總結出的颮線系統(tǒng)成熟期的結構特征一致。

4數(shù)值模擬結果分析

41模擬方案

本文采用美國環(huán)境預測中心（NCEP）、美國國家大氣中心（NCAR）等科研機構共同研發(fā)的中尺度數(shù)值模式WRFV34對此次颮線過程進行模擬。模式采用雙重單向嵌套網(wǎng)格，試驗區(qū)域最外層中心為梧州，水平分辨率分別為12 km、4 km，垂直方向30層，模式頂層氣壓為50 hPa。模式積分時間為15日00時至16日06時共30 h，初始場和邊界條件采用NCEP/FNL再分析資料，并使用觀測松弛同化（Observation Nudging）方法，加入15日00時起100～120°E、18～30°N范圍內(nèi)逐3 h地面觀測及12 h一次的探空風場和溫度資料。本文采用細網(wǎng)格輸出資料進行分析，模擬參數(shù)設定如表1所示。

42模擬效果檢驗

對颮線系統(tǒng)傳播路徑的實況和模擬結果（圖4a、4b）比較可知，實況中對流系統(tǒng)在PS型模態(tài)階段以157 m·s-1，南偏東559°方向移動，在TS型階段以152 m·s-1，南偏東572°方向移動。與實況相比，模擬出的對流系統(tǒng)整體移動速度偏小，系統(tǒng)在PS型模態(tài)階段以126 m·s-1，南偏東52°方向移動，在TS型模態(tài)階段以127 m·s-1，南偏東43°方向移動。

模擬的15日18時—16日06時的12 h累計降水量（圖4c）也呈現(xiàn)出與實況（圖1）相似的西北—東南向帶狀分布，特別是玉林以西北的強降水中心與實況相吻合。模式還模擬出了系統(tǒng)成熟期（圖4d）地面出現(xiàn)的雷暴高壓、尾流低壓和超過-2 ℃冷池中心。雖然此次模擬的對流系統(tǒng)較實況在時間方面有些差異，且對流系統(tǒng)位置偏南05個緯度，但這些偏差本質(zhì)上并不會影響進一步分析。

5模擬的MCS模態(tài)變異及機理分析

51模擬的PS型和TS型MCS

數(shù)值模式同樣模擬出了對流系統(tǒng)演變過程中的PS型模態(tài)和TS型模態(tài)。

511PS型MCS模態(tài)

15日17時30分左右，廣西省中部地區(qū)有對流體出現(xiàn)，在來賓的東北面有比較明顯的線狀對流系統(tǒng)（圖5a1中以紅色橢圓所示），在其西面有零散的對流單體出現(xiàn)（圖5a1中以黑色橢圓所示）。之后，西部對流單體不斷發(fā)展，在20時已經(jīng)發(fā)展成西北—東南向的線狀對流系統(tǒng)（圖5a5），此過程與實況（15日15時—22時30分的來賓西北部的線狀對流發(fā)展過程）相吻合，對流系統(tǒng)表現(xiàn)為PS型模態(tài)。

512TS型MCS模態(tài)

20時30分左右，原來在來賓東北面的東移線狀對流系統(tǒng)在容縣和梧州之間再度發(fā)展起來，并于21時左右和西面的PS型MCS合并在一起，合并后的對流系統(tǒng)在中段開始向前凸起，逐漸組織為弓形回波結構，其北面有大片層狀云，為典型的TS模態(tài)（圖5b6—5b10）。

52模態(tài)轉變機理

根據(jù)前面的分析研究，分別選取15日20時和16日00時表征PS型和TS型模態(tài)成熟階段。

15日20時，圖6b所示為沿垂直于對流線的斜線L2的垂直剖面，此時對流發(fā)展已至11 km，強對流區(qū)兩側有弱的層狀云。55 km高度上相對系統(tǒng)流場（圖6d）顯示，強對流線西南側為由A指向C的西南—東北向流場，東南側為由B指向C的東南—西北向流場，對流線內(nèi)部表現(xiàn)為平行于對流線的東南—西北向流場。對流線內(nèi)為負氣壓擾動且存在小于-70 Pa的負氣壓擾動中心（氣壓擾動由各點氣壓減去圖6a中黑色方框內(nèi)平均氣壓得到）。對比后發(fā)現(xiàn)，該氣壓擾動量級與Parker（2007b）中描述的浮力和動力擾動氣壓為同一量級。

圖6e、6g所示為沿平行于對流線的斜線L1做的垂直剖面。圖6g顯示6 km高度以下的對流層，對流線內(nèi)部表現(xiàn)出深厚的平行向氣流，這和Parker and Johnson（2000）總結的PS型MCS在2 km以上表現(xiàn)出深厚的平行于對流線的風分量一致。圖6e顯示，3～8 km高度范圍內(nèi)對流線內(nèi)部（C所示）均為負氣壓擾動，但對流線南側（B所示）為正的氣壓擾動。圖6f、6h所示為沿著垂直于對流線的斜線L2的垂直剖面。圖6h顯示8 km以下對流線南側表現(xiàn)出深厚的垂直向氣流，圖6f所示3～8 km高度范圍內(nèi)對流線南側（A所示）為正的氣壓擾動，對流線內(nèi)部（C所示）為負的氣壓擾動。

Parker and Johnson（2000）對比PS型MCS和TS型MCS相對系統(tǒng)風場后指出，兩種MCS中層狀云的分布是由對流層中上層相對于系統(tǒng)的流場決定的，PS型MCS在對流層中上層表現(xiàn)出平行于對流線的流場，而TS型MCS表現(xiàn)出垂直于對流線向后的流場。Parker（2007b）還指出，氣壓擾動影響動力場分布，由其所引起的加速度是影響氣流流向最為重要的因子。PS型MCS模態(tài)中，對流線西南側為正的氣壓擾動，對流線內(nèi)為負的氣壓擾動，因此在對流線西南側具有垂直于對流線并指向東北方向的氣壓梯度力和加速度，相對系統(tǒng)流場也指向東北。但在平行于對流線方向上，由于對流線東南側為正的氣壓擾動，對流線內(nèi)為負的氣壓擾動，因此氣壓梯度力和加速度由東南指向西北方向，相對系統(tǒng)流場也指向西北。本文的模擬結果清楚地描述了這一動力特征。

16日00時，對流系統(tǒng)進入TS型模態(tài)成熟階段，對流線后部有大片層狀云（圖7b）。55 km高度上對流線內(nèi)相對系統(tǒng)流場轉為垂直于對流線的西南—東北向，對流線內(nèi)部仍存在負的氣壓擾動中心，對流線西南側仍為正的氣壓擾動，但其東南側的正的氣壓擾動消失了（圖7d）。

仍然沿著平行于對流線的斜線L1和垂直于對流線的斜線L2做垂直剖面。圖7g顯示平行于對流線的方向上，對流層中低層不再表現(xiàn)出深厚的平行向流場，反而垂直于對流線方向上的風分量大大加強（圖7h）。同樣，圖7e顯示，2～8 km范圍內(nèi)，平行于對流線方向上整個對流線內(nèi)部均為負的氣壓擾動（B所示），在垂直于對流線方向上，對流線南側為正的氣壓擾動（圖7f中A所示）。

綜合對比分析PS型和TS型MCS模態(tài)成熟階段的流場和氣壓擾動分布后可知，無論是PS型還是TS型模態(tài)，對流系統(tǒng)中層內(nèi)部均為負的氣壓擾動。不同的是PS型對流線東南側具有較強的正氣壓擾動，因此PS型MCS模態(tài)在平行于對流線的方向上具有氣壓梯度力和加速度分量，該分量直接導致了平行于對流線方向的風分量。而對于TS型MCS模態(tài)而言，對流線東南側沒有明顯的正氣壓擾動，平行于對流線方向的氣壓梯度力和加速度很小，相反在垂直于對流線的方向上則有較大的氣壓梯度力和加速度。正是這種壓力場的變異導致系統(tǒng)內(nèi)部流場由平行向轉變?yōu)榇怪毕?，最終導致對流系統(tǒng)由PS型模態(tài)向TS型模態(tài)的轉變。

6結論

本文利用常規(guī)觀測資料、探空資料、多普勒雷達組網(wǎng)資料及NCEP再分析資料，并利用中尺度數(shù)值模式WRFV34輸出的高分辨率資料，對2013年5月15—16日發(fā)生在廣西廣東地區(qū)一次強颮線過程的環(huán)境背景場、降水分布、演變過程進行了分析，并主要研究了對流系統(tǒng)由PS型模態(tài)向TS型模態(tài)的轉變過程及機理，得到以下主要結論：

1）此次颮線過程發(fā)生于高層弱輻散區(qū)，500 hPa有明顯短波槽東移發(fā)展，850 hPa有切變線和低空暖濕急流，地面有冷鋒和低壓倒槽。

2）初始對流出現(xiàn)在低壓倒槽的北側，西側初始對流在地面冷池和風場輻合的作用下逐漸發(fā)展成為PS型MCS模態(tài)，但在其成熟期對流線附近并沒有雷暴高壓出現(xiàn)。東側減弱的初始對流在東移過程中，在靠近兩廣交界時再度發(fā)展起來，并和西側的PS型MCS合并在了一起，并逐漸形成了完整的弓形回波，發(fā)展成為典型的TS型MCS模態(tài)。

3）模擬結果顯示無論是PS型還是TS型MCS模態(tài)，對流系統(tǒng)中層內(nèi)部均為負的氣壓擾動，不同的是PS型模態(tài)對流線東南側具有較強的正氣壓擾動，此模態(tài)中在平行于對流線的方向上具有氣壓梯度力和加速度分量，該分量直接導致了平行于對流線方向的風分量；而對于TS型模態(tài)而言，對流線東南側沒有明顯的正氣壓擾動，平行于對流線方向的氣壓梯度力和加速度很小，相反在垂直于對流線的方向上則有較大的氣壓梯度力和加速度，正是由于沿平行于對流線方向的加速度分量的消失和沿垂直方向的加速度分量的增強促使對流線內(nèi)部相對系統(tǒng)流場由平行向轉變?yōu)榇怪毕?，導致MCS模態(tài)由PS型轉為TS型。

本文討論了MCS模態(tài)由PS型轉為TS型的問題，并探討了其中的動力機理，但所用的診斷方法較為簡單，還無法揭示其中復雜的動力熱力過程，這方面的工作還有待后續(xù)進一步完善。

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