連續(xù)兩次颮線大風(fēng)成因?qū)Ρ确治?/h1>
2021-11-15 09:00:32盧德全廖文超鄭淋淋
干旱氣象 2021年5期
竹 利，盧德全，廖文超，鄭淋淋
(1.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；2.川東北強天氣研究南充市重點實驗室，四川 南充 637000；3.安徽省氣象科學(xué)研究所，安徽 合肥 230031)
引 言
颮線是在一定大氣環(huán)流背景下產(chǎn)生的帶狀或線狀中尺度對流系統(tǒng)，其傳播移動速度快，常產(chǎn)生雷暴、大風(fēng)、短時強降水、冰雹等強對流災(zāi)害性天氣，容易對人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)氣象觀測資料難以反映颮線發(fā)展演變過程的中尺度特征，同時，全球數(shù)值模式對颮線大風(fēng)的短期預(yù)報準(zhǔn)確率仍較低。目前，利用多種高時空分辨率的氣象資料對颮線個例展開了大量的研究[1-5]，增強了人們對颮線大風(fēng)形成機理的認(rèn)識，同時提煉出的短時預(yù)報指標(biāo)和著眼點進一步提升了預(yù)報服務(wù)水平。通過颮線大風(fēng)過程的雷達(dá)回波演變特征發(fā)現(xiàn)，颮線成熟階段雷達(dá)回波多呈弓形，伴有明顯的雷暴出流邊界(陣風(fēng)鋒), 與弓形回波相對應(yīng)的多普勒徑向速度呈現(xiàn)明顯的中層徑向輻合(mid-altitude radial convergence, MARC)特征[3]，該特征可提前預(yù)警地面大風(fēng)[4]。MARC特征反映由風(fēng)暴前側(cè)的強上升入流氣流和風(fēng)暴后部入流急流(rear inflow jets, RIJ)匯合后形成的徑向輻合區(qū)，因此RIJ對大風(fēng)的形成起關(guān)鍵作用。研究表明，颮線系統(tǒng)后部的RIJ引導(dǎo)干冷空氣卷入風(fēng)暴，增強風(fēng)暴降水粒子的蒸發(fā)冷卻作用，利于對流體內(nèi)下沉氣流加強；同時促使颮線回波演變成弓形回波并形成陣風(fēng)鋒，從而產(chǎn)生地面災(zāi)害性大風(fēng)[6-10]。2018年5月16日江蘇北部連續(xù)出現(xiàn)兩次颮線強對流天氣過程，第一次颮線過程主要出現(xiàn)在10：00—14：00(北京時，下同)，徐州、宿遷、連云港等地區(qū)先后出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣，并伴有短時強降水，其中宿遷市駱馬湖自動氣象站最大風(fēng)速達(dá)35.5 m·s-1；第二次颮線過程發(fā)生在18：00—22：00，影響宿遷、淮安、鹽城等地，大風(fēng)強度較第一次弱。本文利用環(huán)境場資料分析發(fā)現(xiàn)第一次颮線發(fā)生發(fā)展過程中，對流層中層為西南干暖氣流控制，并沒有明顯冷空氣影響，上述颮線大風(fēng)的形成物理機制并不能較好地解釋第一次颮線大風(fēng)形成的原因。因此有必要利用多源氣象資料對比分析兩次過程在環(huán)境條件、雷達(dá)回波特征、地面大風(fēng)實況等方面的異同點；同時結(jié)合高分辨率數(shù)值模擬，對比分析兩次颮線大風(fēng)形成的不同物理機制，以期進一步提高對颮線大風(fēng)形成機制的認(rèn)識，為此類災(zāi)害性天氣的預(yù)警提供更多參考依據(jù)。
1 資料和模擬設(shè)計
采用資料包括： 常規(guī)氣象觀測資料和FNL資料；高時空分辨率的風(fēng)云4號氣象衛(wèi)星紅外云圖；徐州、臨沂、宿遷、淮安、連云港、鹽城多普勒天氣雷達(dá)資料與分鐘級地面加密自動站觀測資料(江蘇省氣象臺提供)。另外，采用WRF(3.8.1)中尺度數(shù)值模式對2018年5月16日蘇北兩次颮線過程進行模擬，模擬區(qū)域采用二重雙向嵌套，粗網(wǎng)格與細(xì)網(wǎng)格區(qū)域的水平分辨率分別為16.0 km(格點數(shù)79×79)和3.2 km(格點數(shù)171×171)，垂直方向為33層，網(wǎng)格中心位于34.0°N、118.5°E。長波輻射采用RRTM方案，陸面過程方案選取Noah方案，邊界層選取YSU方案，短波輻射采用Dudhia方案，粗網(wǎng)格模擬區(qū)域采用Kain-Fritsch積云對流方案，細(xì)網(wǎng)格模擬區(qū)域采用WDM6類微物理方案。初始場為FNL分析資料。模擬初始時間為5月16日02：00，積分24 h。
2 綜合觀測對比
2.1 兩次颮線過程概況
圖1為兩次颮線過程雷達(dá)組合反射率因子拼圖及8級以上小時極大風(fēng)場?？梢钥闯?，兩次颮線移動方向相近，第一次颮線向東北方向發(fā)展和移動，第二次颮線向東移動，但第一次颮線移動速度更快，約80 km·h-1，第二次颮線移速約為55 km·h-1。兩次颮線對流系統(tǒng)組織形式和程度不同，第一次颮線呈東北西南向線(帶)狀分布，有弓狀對流單體鑲嵌其中，層狀云系主要分布在颮線前側(cè)；而第二次颮線對流單體整體呈弓形排列組織在一起，組織程度較第一次颮線更加緊密且影響范圍更大，層狀云系主要分布在颮線后部，颮線組織形式為拖尾層云型。另外，兩次颮線過程地面大風(fēng)風(fēng)向與颮線移動方向大致相同，強風(fēng)區(qū)均與颮線弓形回波中心軸位置較一致。第一次颮線大風(fēng)強度較第二次颮線更強，但地面大風(fēng)影響范圍相對較窄。表1列出兩次颮線過程影響范圍內(nèi)不同時次的地面極大風(fēng)速和最大小時降雨量?？梢钥闯?，第一次颮線產(chǎn)生的地面極大風(fēng)速較第二次颮線明顯偏大，其中12：00小時地面極大風(fēng)速達(dá)35.5 m·s-1(12級大風(fēng))，同時第一次颮線小時雨量最大值也普遍較第二次偏大，表明第一次颮線對流系統(tǒng)發(fā)展強度更強。
圖1 2018年5月16日第一次颮線過程10：00—13：00(左)及第二次颮線過程18：00—21：00(右)雷達(dá)組合反射率因子拼圖(陰影，單位: dBZ)及8級以上小時極大風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位: m·s-1)Fig.1 The mosaic of composited reflectivity factor of radar (shaded, Unit: dBZ) and hourly extreme wind field with wind force greater than grade 8 (wind stems, Unit:m·s-1) from 10:00 BST to 13:00 BST during the first squall line process (the left) and from 18:00 BST to 21:00 BST during the second squall line process (the right) on May 16, 2018
表1 兩次颮線影響范圍內(nèi)不同時次極大風(fēng)速和最大小時雨量Tab.1 Extreme wind speed and maximum hourly precipitation within the influence range of two squall lines at different time
2.2 環(huán)境條件
5月16日08：00，500 hPa (圖略)我國中東部地區(qū)為兩槽一脊型，高壓脊從陜南經(jīng)河套以西地區(qū)延伸至內(nèi)蒙古中東部，低壓槽后部伴有明顯的冷平流促其加強發(fā)展，兩槽一脊形勢穩(wěn)定少動。14：00 500 hPa[圖2(a)]脊前低渦中心位于山西中東部，其偏南地區(qū)為一低壓槽，而其北部為一向東北延伸的切變線。低渦與西太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)之間形成一支強西南東北向急流，急流中心風(fēng)速達(dá)30 m·s-1，這兩次過程均發(fā)生在低壓槽與急流軸之間的大風(fēng)速帶內(nèi)，該區(qū)域存在強的垂直風(fēng)切變和強的水平切變渦度，有利于強對流系統(tǒng)在該區(qū)域發(fā)生發(fā)展。20：00 500 hPa[圖2(b)]低渦減弱，低渦前側(cè)急流強度也相應(yīng)減弱，急流中心位置東移至海上。由于14：00臨近第一次過程，20：00臨近第二次過程，第一次過程的中高層西南急流強度更強，相應(yīng)的中低層垂直風(fēng)切變也更強(圖略)。700 hPa西南急流軸北側(cè)均維持一能量舌(假相當(dāng)位溫θse>66 ℃區(qū)域)，兩次過程颮線均在能量舌內(nèi)發(fā)展傳播，表明槽前急流不斷輸送水汽和能量，有利于低壓槽前出現(xiàn)多次強對流天氣；另外，14：00[圖2(c)]蘇北地區(qū)存在弱暖平流，20：00[圖2(d)]蘇北地區(qū)有明顯的假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)，并伴有較明顯的干冷平流，表明兩次過程發(fā)展維持的熱力環(huán)境有所區(qū)別。
圖2 2018年5月16日14：00(a、c)和20：00(b、d)500 hPa位勢高度(等值線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)(a、b)以及700 hPa假相當(dāng)位溫(等值線，單位：℃)、風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)(c、d)(陰影區(qū)域風(fēng)速大于16 m·s-1)Fig.2 The 500 hPa geopotential height (isoline, Unit: dagpm), wind field (wind stem, Unit: m·s-1) (a, b) and 700 hPa potential pseudo equivalent temperature (isoline, Unit: ℃), wind field (wind stem, Unit: m·s-1) (c, d) at 14:00 BST(a, c) and 20:00 BST (b, d) on 16 May 2018(the shaded area with wind speed greater than 16 m·s-1)
臨近颮線的徐州站當(dāng)日08：00探空圖(圖略)顯示，露點溫度曲線與溫度層結(jié)曲線呈現(xiàn)上下喇叭口狀，850～600 hPa空氣較飽和，CAPE值為1525.6 J·kg-1，對流抑制能量(convective inhibition energy, CIN)值為100.8 J·kg-1，中低層垂直風(fēng)切變較強，地面至3 km高度的垂直風(fēng)切變達(dá)14 m·s-1，表明環(huán)境條件有利于雷暴大風(fēng)類型的強對流天氣產(chǎn)生和發(fā)展。
2.3 云圖特征
5月16日08：00[圖3(a)]第一次颮線系統(tǒng)的初始云系在大別山北側(cè)觸發(fā)形成，并自西南向東北快速移動，移速約22 m·s-1。12：00[圖3(b)]颮線系統(tǒng)影響江蘇北部，強度不斷增強，造成徐州、宿遷、連云港等地先后出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時強降水。14：00[圖3(c)]，第一次颮線云帶東移入海，而此時大別山北側(cè)又一新的對流云團觸發(fā)生成，該云系仍沿著急流軸向偏東方向移動并發(fā)展壯大，移速約16 m·s-1。20：00[圖3(d)]該颮線云系發(fā)展成典型MCS云團，造成江蘇北部的宿遷、淮安、鹽城等地先后出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時強降水。對比兩次颮線成熟階段(第一次颮線為10：00—13：00，第二次為18：00—21：00)云系，第一次颮線橢圓狀云系的離心率更大，形狀更扁平；第二次颮線范圍更寬廣，其后側(cè)有大片層狀云系，云頂亮溫梯度較小。綜上所述，兩次颮線過程的對流云系均在大別山北側(cè)觸發(fā)后沿著副高邊緣西南東北向急流傳播發(fā)展形成。參考王瑾婷等[11]的方法，利用武漢和徐州站08：00探空實況資料計算大別山850 hPa附近的Scorer參數(shù)垂直方向變化值約為-1.2×10-9m-3，該參數(shù)滿足背風(fēng)波形成的條件，因此大別山背風(fēng)坡的背風(fēng)波擾動對這兩次颮線的觸發(fā)起著重要作用。另外，該地區(qū)700 hPa能量舌與低渦干冷中心之間維持較強的假相當(dāng)位溫水平梯度并伴有鋒生，有利于該地區(qū)不斷觸發(fā)新生對流。
2.4 雷達(dá)回波特征
圖4為2018年5月16日宿遷、淮安雷達(dá)站不同時刻 0.5°仰角反射率因子以及沿相應(yīng)時刻颮線主體移動方向的反射率因子和徑向速度剖面。0.5°仰角反射率因子圖上，兩次颮線均有陣風(fēng)鋒和弓形回波特征，根據(jù)KLIMOWSKI等[12]的分類，兩次弓形回波的類型不同：第一次颮線為單體弓形回波，由強單體風(fēng)暴演變而成，移動速度較快；第二次颮線為弓形回波復(fù)合體，由分散的單體組合演變形成，移動速度較慢，與颮線云系移速較一致。徑向速度圖上(圖略)，兩次弓形回波后側(cè)層狀云區(qū)均存在后部入流急流(RIJ)，致使兩次颮線弓形回波的北側(cè)氣流均呈氣旋式旋轉(zhuǎn)，南側(cè)氣流均呈反氣旋式旋轉(zhuǎn)，與FUJITA[13]的弓形回波概念模型相似。反射率因子剖面圖上，第一次颮線4 km以下強回波隨高度向移動方向傾斜，形成懸垂回波，4 km高度以上大于50 dBZ的強回波直立延伸至9 km高度；第二次颮線大于50 dBZ的強回波從低層延伸至5 km高度，且無明顯懸垂回波特征，表明第一次颮線過程的對流系統(tǒng)較第二次過程發(fā)展更旺盛。對應(yīng)的徑向速度剖面圖上，兩次颮線對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)流場相似，主要氣流均為颮前冷池強迫下抬升的近地層入流、颮線后側(cè)中層向前的斜下沉入流急流、層云區(qū)內(nèi)中上層向后斜上升出流以及颮線前側(cè)層云區(qū)內(nèi)中上層向前斜上升出流；低層暖濕入流在颮線前緣上升，與中層后部入流的空氣在中高層相遇產(chǎn)生輻合，形成MARC。這與HOUZE等[14]總結(jié)的成熟階段颮線結(jié)構(gòu)模型以及王曉芳等[15]、梁建宇等[8]的研究結(jié)論一致。但第一次颮線對流系統(tǒng)后側(cè)中高層向前的入流急流強度更強、高度更高，與颮線前側(cè)的上升氣流匯合后形成較第二次過程更強且更加深厚的MARC區(qū)(第一次MARC厚度約為6 km，第二次約為3 km)。另外，第一次過程后側(cè)入流在颮線后邊界下沉至地面形成地面大風(fēng)，而前側(cè)入流近乎直立上升至對流層頂，上升入流較第二次颮線更加陡立，利于第一次颮線強回波發(fā)展高度更高，形成更強的下沉氣流和地面大風(fēng)。
圖4 2018年5月16日宿遷雷達(dá)站10:47 (a)、12:16 (b) 和淮安雷達(dá)站18:12 (c)、19:51 (d) 0.5°仰角反射率因子(單位：dBZ)，以及沿相應(yīng)時刻颮線主體移動方向的反射率因子(e、f、g、h)(單位：dBZ)和徑向速度(i、j、k、l)(單位：m·s-1)剖面(黑色線為相應(yīng)時刻颮線主體移動方向)Fig.4 The reflectivity factor (Unit: dBZ) on 0.5° elevation angle at 10:47 BST (a), 12:16 BST (b) from Suqian radar station and at 18:12 BST (c), 19:51 BST (d) from Huai’an radar station on 16 May 2018, and the profiles of reflectivity factor (e, f, g, h) (Unit: dBZ) and radial velocity (i, j, k, l) (Unit: m·s-1) along the moving direction of the squall line main body at corresponding time(the black line for the moving direction of the squall line main body at corresponding time)
3 數(shù)值模擬
3.1 兩次颮線發(fā)展過程對比
綜合觀測對比分析表明，兩次颮線過程受相同天氣系統(tǒng)影響產(chǎn)生，但它們發(fā)展演變的環(huán)境背景場存在差異，從而導(dǎo)致兩次颮線系統(tǒng)的移動方向和速度、垂直結(jié)構(gòu)特征、產(chǎn)生的地面大風(fēng)強度有差異。圖5給出WRF模式模擬的5月16日兩次颮線過程成熟階段的最大雷達(dá)反射率因子和3 km高度風(fēng)場?？梢钥闯觯M的兩次颮線系統(tǒng)位置較實況均偏北約0.5個緯度，第一次颮線系統(tǒng)總體呈南北向線狀分布，朝東北方向移動，移動速度約18 m·s-1，第二次颮線系統(tǒng)總體呈東西向帶狀分布，颮線前段部分呈弓形，朝偏東方向移動，移動速度約13 m·s-1， 且模擬出了颮線的RIJ，以上特征與實況基本一致。3 km高度假相當(dāng)位溫分布圖(圖略)顯示第一次颮線后側(cè)為暖濕平流，颮線移動方向與環(huán)境風(fēng)場風(fēng)向較一致；而第二次颮線后側(cè)存在較明顯的干冷平流，颮線對流單體沿著假相當(dāng)位溫梯度正交方向分布，颮線移動方向與天氣影響系統(tǒng)低壓冷槽的移動走向較一致，這與實況也較一致。表明兩次過程的模擬結(jié)果具有較高的可靠性，可用其對兩次颮線系統(tǒng)進行更細(xì)致的對比分析。
圖5 WRF模式模擬的2018年5月16日10：00(a)、11：00(b)、18：00(c)和19：00(d)最大雷達(dá)反射率因子(陰影，單位: dBZ)和3 km高度風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位: m·s-1)(紅色線為系統(tǒng)移動方向)Fig.5 The maximum reflectivity factor of radar (shaded, Unit: dBZ) and wind field at a height of 3 km (wind stem, Unit: m·s-1) simulated by the WRF model at 10:00 BST (a), 11:00 BST (b), 18:00 BST (c) and 19:00 BST (d) on May 16, 2018(The red lines represent system moving direction)
3.2 垂直風(fēng)切變和水汽條件對兩次颮線強度的影響
WEISMAN等[16]提出的RKW理論指出，當(dāng)冷池和低層垂直風(fēng)切變強度相當(dāng)，即陣風(fēng)鋒移速與低層垂直風(fēng)切變的大小相當(dāng)且方向相近時，低層垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的水平正渦度和颮線冷池產(chǎn)生的水平負(fù)渦度容易達(dá)到平衡狀態(tài)，并且冷池前沿的上升氣流最強，強迫新的對流單體產(chǎn)生，從而有利于颮線系統(tǒng)的發(fā)展和維持。孫建華等[17]通過個例敏感性模擬研究指出整層水汽增加(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)。鄭淋淋等[18]通過理想模擬研究指出增加整層垂直風(fēng)切變，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。張建軍等[19]研究結(jié)果表明增加中低層平均風(fēng)速，颮線強度增強。以上研究表明環(huán)境場的水汽條件和垂直風(fēng)切變對颮線發(fā)展的強度起重要作用。
圖6為模擬的兩次颮線影響前連云港站斜溫圖。可以看出，兩次颮線均發(fā)生在上干下濕的環(huán)境中，環(huán)境溫度層結(jié)曲線和地面露點溫度無明顯變化，對流有效位能CAPE值(約1900 J·kg-1)大小相當(dāng)，但第二次颮線中高層的濕度明顯減小，即整層水汽減少。兩次過程垂直風(fēng)廓線也有明顯差異，第一次過程對流層中層風(fēng)速較第二次過程強6～10 m·s-1，對應(yīng)的中低層垂直風(fēng)切變(地面至600 hPa水平風(fēng)速差值)強度較第二次過程明顯偏強，且整層垂直風(fēng)切變也較第二次過程偏強；同時兩次過程的整層最大風(fēng)速所在高度不同，第一次過程在400 hPa附近，而第二次過程在700 hPa。另外，高層垂直風(fēng)切變的高度不同，第一次颮線高層水平風(fēng)速在200 hPa附近迅速減弱，而第二次過程在400 hPa附近迅速減弱。
圖6 模擬的2018年5月16日11：00(a)和17：00(b)連云港站斜溫圖Fig.6 Simulated skew-T diagram at Lianyungang station at 11:00 BST (a) and 17:00 BST (b) on May 16, 2018
為了對比模擬的兩次颮線強度，采用孫建華等[17]的方法(取冷池浮力B第一次大于-0.01 m·s2的高度作為冷池頂部高度)計算兩次颮線過程成熟階段(間隔半小時)冷池強度和冷池高度的平均值，其中第一次颮線冷池高度為6.2 km，冷池強度為13.2 m·s-1，第二次颮線冷池高度為4.6 km，冷池強度為9.6 m·s-1。另外，計算了兩次颮線過程成熟階段450 m高度颮線影響范圍內(nèi)最大水平風(fēng)速的平均值，第一次颮線約為20 m·s-1，第二次颮線為16 m·s-1，第一次颮線強度更強。因此，在CAPE值相當(dāng)條件下，整層水汽增加、垂直風(fēng)切變增強、垂直切變伸展高度增高，颮線產(chǎn)生的冷池高度更高、冷池強度更強，對應(yīng)的地面大風(fēng)強度越強。
3.3 垂直風(fēng)切變對兩次颮線組織結(jié)構(gòu)的影響
圖7為沿著模擬的兩次颮線移動方向的物理量垂直剖面圖，其中水平風(fēng)場為沿剖面線的U、V合成風(fēng)減去颮線移動速度后的相對颮線水平風(fēng)場；圖中擾動位溫為相應(yīng)時次環(huán)境場位溫減去對流發(fā)展之前的環(huán)境位溫。
第一次颮線強回波(大于50 dBZ)隨高度向移動方向傾斜特征更明顯；第一次颮線沿剖線方向的前側(cè)暖濕入流與后側(cè)干冷入流輻合的厚度更厚(其中第一次颮線約4 km，第二次約2 km)，且徑向輻合隨高度近乎垂直伸展，而第二次颮線徑向輻合隨高度向后側(cè)傾斜；另外，第一次颮線出流中心高度約11 km，第二次颮線出流中心高度約9 km，與環(huán)境場高層垂直風(fēng)切變負(fù)值中心高度相當(dāng)，因此出流中心高度主要取決于高層垂直風(fēng)切變負(fù)值中心的高度。這些特征與前文對兩次颮線的實況雷達(dá)回波剖面圖的對比結(jié)論較一致。
強垂直風(fēng)切變導(dǎo)致第一次颮線回波具有更加明顯的傾斜特征，輻合隨高度向?qū)α飨到y(tǒng)移動方向傾斜，上升氣流與下沉氣流的相互干擾較少，有利于系統(tǒng)前側(cè)中低層暖濕氣流抬升到中高層，增強對流發(fā)展；而第二次颮線的輻合隨高度向?qū)α飨到y(tǒng)移動反方向傾斜，下沉氣流抑制上升氣流抬升，不利于對流增強發(fā)展。兩次颮線移動速度均與對流層中層水平風(fēng)速大小相當(dāng)，而第一次颮線整層垂直風(fēng)切變更強，導(dǎo)致颮線前側(cè)相對颮線入流和后側(cè)相對颮線入流速度更大，形成的輻合強度更強，且輻合隨高度垂直伸展更陡立；同時第一次颮線整層垂直風(fēng)切變伸展高度更高，促使第一次颮線MARC厚度更厚，有利于上升運動增強，對流發(fā)展更強，發(fā)展高度更高。另外，由于第一次颮線高層出流氣流高度較高，也有利于上升氣流發(fā)展高度更高。因此，環(huán)境風(fēng)垂直切變的差異導(dǎo)致該兩次颮線組織結(jié)構(gòu)特征以及發(fā)展強度存在明顯差異。
3.4 兩次颮線大風(fēng)形成機理的對比
對比兩次颮線的MARC厚度以及后部入流速度可知，第一次颮線組織結(jié)構(gòu)和環(huán)境場特征更有利于降水粒子強烈蒸發(fā)形成更強的冷池和下沉氣流。第一次颮線系統(tǒng)本身的移動速度更快，其形成的下沉出流絕對速度(相對地面的速度)可能更強，更有利于地面大風(fēng)產(chǎn)生。另外，第一次颮線后部入流下沉分量更明顯且高度更高，更利于中高層動量下傳至地面。上述物理機制共同作用導(dǎo)致第一次颮線地面大風(fēng)較第二次更強。
綜上所述，強環(huán)境場垂直風(fēng)切變對颮線地面大風(fēng)的形成起著重要作用，環(huán)境風(fēng)垂直切變的差異致使兩次颮線大風(fēng)形成的物理機制不同。
4 結(jié) 論
(1) 兩次颮線過程在相同天氣系統(tǒng)影響下的不同環(huán)境場中產(chǎn)生，大別山背風(fēng)坡的背風(fēng)波擾動對這兩次颮線的觸發(fā)起著重要作用。
(2) 兩次過程的雷達(dá)回波圖上均有后部入流急流RIJ和MARC特征，第一次過程后部入流急流強度更強、高度更高，對應(yīng)其MARC的強度更強、厚度更厚，且隨高度伸展更陡立，環(huán)境風(fēng)垂直切變的差異是兩次颮線組織結(jié)構(gòu)特征存在明顯差異的主要因素。
(3) 在CAPE相當(dāng)條件下，整層水汽增加、垂直風(fēng)切變增強、垂直切變伸展高度增高，颮線強度更強。強垂直風(fēng)切變導(dǎo)致第一次颮線回波具有更加明顯的傾斜特征，颮線前側(cè)上升氣流與后側(cè)下沉氣流相隔距離更遠(yuǎn)，有利于前側(cè)上升入流氣流速度維持發(fā)展，使得第一次颮線對流發(fā)展強度更強。
(4)兩次颮線大風(fēng)形成物理機制不同：第一次颮線的后部入流急流引導(dǎo)中高層(5～8 km)的干暖空氣下沉并入侵風(fēng)暴體，促使降水粒子強烈蒸發(fā)形成冷池，同時引導(dǎo)高層動量下傳產(chǎn)生強烈的出流氣流，最終導(dǎo)致地面大風(fēng)形成；而第二次颮線后部入流急流引導(dǎo)中低層(3～5 km)的干冷空氣入侵對流系統(tǒng)，形成冷池和地面大風(fēng)。
(5) 第一次過程環(huán)境場垂直風(fēng)切變條件下形成的颮線組織結(jié)構(gòu)特征，更有利于降水粒子強烈蒸發(fā)形成更強的冷池和下沉氣流，致使第一次颮線地面大風(fēng)較第二次颮線更強。
猜你喜歡
智海急流小獼猴智力畫刊(2022年9期)2022-11-04 02:31:38 智海急流小獼猴智力畫刊(2022年10期)2022-11-02 06:33:52 齊口裂腹魚集群行為對流態(tài)的響應(yīng)農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(2022年11期)2022-08-22 14:06:38 智海急流小獼猴智力畫刊(2022年4期)2022-05-23 13:48:28 智海急流小獼猴智力畫刊(2022年3期)2022-03-29 01:09:52 大風(fēng)吹(二)幼兒100(2017年31期)2017-11-27 02:37:46 大風(fēng)吹(一)幼兒100(2017年28期)2017-10-27 01:45:49 人小鬼大狄仁杰小雪花·成長指南(2016年9期)2016-10-12 06:38:45 基于ANSYS的自然對流換熱系數(shù)計算方法研究現(xiàn)代計算機(2016年11期)2016-02-28 18:35:16 二元驅(qū)油水界面Marangoni對流啟動殘余油機理西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)(2015年4期)2015-08-20 09:05:26
竹 利，盧德全，廖文超，鄭淋淋
(1.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；2.川東北強天氣研究南充市重點實驗室，四川 南充 637000；3.安徽省氣象科學(xué)研究所，安徽 合肥 230031)
引 言
颮線是在一定大氣環(huán)流背景下產(chǎn)生的帶狀或線狀中尺度對流系統(tǒng)，其傳播移動速度快，常產(chǎn)生雷暴、大風(fēng)、短時強降水、冰雹等強對流災(zāi)害性天氣，容易對人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)氣象觀測資料難以反映颮線發(fā)展演變過程的中尺度特征，同時，全球數(shù)值模式對颮線大風(fēng)的短期預(yù)報準(zhǔn)確率仍較低。目前，利用多種高時空分辨率的氣象資料對颮線個例展開了大量的研究[1-5]，增強了人們對颮線大風(fēng)形成機理的認(rèn)識，同時提煉出的短時預(yù)報指標(biāo)和著眼點進一步提升了預(yù)報服務(wù)水平。通過颮線大風(fēng)過程的雷達(dá)回波演變特征發(fā)現(xiàn)，颮線成熟階段雷達(dá)回波多呈弓形，伴有明顯的雷暴出流邊界(陣風(fēng)鋒), 與弓形回波相對應(yīng)的多普勒徑向速度呈現(xiàn)明顯的中層徑向輻合(mid-altitude radial convergence, MARC)特征[3]，該特征可提前預(yù)警地面大風(fēng)[4]。MARC特征反映由風(fēng)暴前側(cè)的強上升入流氣流和風(fēng)暴后部入流急流(rear inflow jets, RIJ)匯合后形成的徑向輻合區(qū)，因此RIJ對大風(fēng)的形成起關(guān)鍵作用。研究表明，颮線系統(tǒng)后部的RIJ引導(dǎo)干冷空氣卷入風(fēng)暴，增強風(fēng)暴降水粒子的蒸發(fā)冷卻作用，利于對流體內(nèi)下沉氣流加強；同時促使颮線回波演變成弓形回波并形成陣風(fēng)鋒，從而產(chǎn)生地面災(zāi)害性大風(fēng)[6-10]。2018年5月16日江蘇北部連續(xù)出現(xiàn)兩次颮線強對流天氣過程，第一次颮線過程主要出現(xiàn)在10：00—14：00(北京時，下同)，徐州、宿遷、連云港等地區(qū)先后出現(xiàn)雷暴大風(fēng)天氣，并伴有短時強降水，其中宿遷市駱馬湖自動氣象站最大風(fēng)速達(dá)35.5 m·s-1；第二次颮線過程發(fā)生在18：00—22：00，影響宿遷、淮安、鹽城等地，大風(fēng)強度較第一次弱。本文利用環(huán)境場資料分析發(fā)現(xiàn)第一次颮線發(fā)生發(fā)展過程中，對流層中層為西南干暖氣流控制，并沒有明顯冷空氣影響，上述颮線大風(fēng)的形成物理機制并不能較好地解釋第一次颮線大風(fēng)形成的原因。因此有必要利用多源氣象資料對比分析兩次過程在環(huán)境條件、雷達(dá)回波特征、地面大風(fēng)實況等方面的異同點；同時結(jié)合高分辨率數(shù)值模擬，對比分析兩次颮線大風(fēng)形成的不同物理機制，以期進一步提高對颮線大風(fēng)形成機制的認(rèn)識，為此類災(zāi)害性天氣的預(yù)警提供更多參考依據(jù)。
1 資料和模擬設(shè)計
采用資料包括： 常規(guī)氣象觀測資料和FNL資料；高時空分辨率的風(fēng)云4號氣象衛(wèi)星紅外云圖；徐州、臨沂、宿遷、淮安、連云港、鹽城多普勒天氣雷達(dá)資料與分鐘級地面加密自動站觀測資料(江蘇省氣象臺提供)。另外，采用WRF(3.8.1)中尺度數(shù)值模式對2018年5月16日蘇北兩次颮線過程進行模擬，模擬區(qū)域采用二重雙向嵌套，粗網(wǎng)格與細(xì)網(wǎng)格區(qū)域的水平分辨率分別為16.0 km(格點數(shù)79×79)和3.2 km(格點數(shù)171×171)，垂直方向為33層，網(wǎng)格中心位于34.0°N、118.5°E。長波輻射采用RRTM方案，陸面過程方案選取Noah方案，邊界層選取YSU方案，短波輻射采用Dudhia方案，粗網(wǎng)格模擬區(qū)域采用Kain-Fritsch積云對流方案，細(xì)網(wǎng)格模擬區(qū)域采用WDM6類微物理方案。初始場為FNL分析資料。模擬初始時間為5月16日02：00，積分24 h。
2 綜合觀測對比
2.1 兩次颮線過程概況
圖1為兩次颮線過程雷達(dá)組合反射率因子拼圖及8級以上小時極大風(fēng)場?？梢钥闯?，兩次颮線移動方向相近，第一次颮線向東北方向發(fā)展和移動，第二次颮線向東移動，但第一次颮線移動速度更快，約80 km·h-1，第二次颮線移速約為55 km·h-1。兩次颮線對流系統(tǒng)組織形式和程度不同，第一次颮線呈東北西南向線(帶)狀分布，有弓狀對流單體鑲嵌其中，層狀云系主要分布在颮線前側(cè)；而第二次颮線對流單體整體呈弓形排列組織在一起，組織程度較第一次颮線更加緊密且影響范圍更大，層狀云系主要分布在颮線后部，颮線組織形式為拖尾層云型。另外，兩次颮線過程地面大風(fēng)風(fēng)向與颮線移動方向大致相同，強風(fēng)區(qū)均與颮線弓形回波中心軸位置較一致。第一次颮線大風(fēng)強度較第二次颮線更強，但地面大風(fēng)影響范圍相對較窄。表1列出兩次颮線過程影響范圍內(nèi)不同時次的地面極大風(fēng)速和最大小時降雨量?？梢钥闯?，第一次颮線產(chǎn)生的地面極大風(fēng)速較第二次颮線明顯偏大，其中12：00小時地面極大風(fēng)速達(dá)35.5 m·s-1(12級大風(fēng))，同時第一次颮線小時雨量最大值也普遍較第二次偏大，表明第一次颮線對流系統(tǒng)發(fā)展強度更強。
圖1 2018年5月16日第一次颮線過程10：00—13：00(左)及第二次颮線過程18：00—21：00(右)雷達(dá)組合反射率因子拼圖(陰影，單位: dBZ)及8級以上小時極大風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位: m·s-1)Fig.1 The mosaic of composited reflectivity factor of radar (shaded, Unit: dBZ) and hourly extreme wind field with wind force greater than grade 8 (wind stems, Unit:m·s-1) from 10:00 BST to 13:00 BST during the first squall line process (the left) and from 18:00 BST to 21:00 BST during the second squall line process (the right) on May 16, 2018
表1 兩次颮線影響范圍內(nèi)不同時次極大風(fēng)速和最大小時雨量Tab.1 Extreme wind speed and maximum hourly precipitation within the influence range of two squall lines at different time
2.2 環(huán)境條件
5月16日08：00，500 hPa (圖略)我國中東部地區(qū)為兩槽一脊型，高壓脊從陜南經(jīng)河套以西地區(qū)延伸至內(nèi)蒙古中東部，低壓槽后部伴有明顯的冷平流促其加強發(fā)展，兩槽一脊形勢穩(wěn)定少動。14：00 500 hPa[圖2(a)]脊前低渦中心位于山西中東部，其偏南地區(qū)為一低壓槽，而其北部為一向東北延伸的切變線。低渦與西太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)之間形成一支強西南東北向急流，急流中心風(fēng)速達(dá)30 m·s-1，這兩次過程均發(fā)生在低壓槽與急流軸之間的大風(fēng)速帶內(nèi)，該區(qū)域存在強的垂直風(fēng)切變和強的水平切變渦度，有利于強對流系統(tǒng)在該區(qū)域發(fā)生發(fā)展。20：00 500 hPa[圖2(b)]低渦減弱，低渦前側(cè)急流強度也相應(yīng)減弱，急流中心位置東移至海上。由于14：00臨近第一次過程，20：00臨近第二次過程，第一次過程的中高層西南急流強度更強，相應(yīng)的中低層垂直風(fēng)切變也更強(圖略)。700 hPa西南急流軸北側(cè)均維持一能量舌(假相當(dāng)位溫θse>66 ℃區(qū)域)，兩次過程颮線均在能量舌內(nèi)發(fā)展傳播，表明槽前急流不斷輸送水汽和能量，有利于低壓槽前出現(xiàn)多次強對流天氣；另外，14：00[圖2(c)]蘇北地區(qū)存在弱暖平流，20：00[圖2(d)]蘇北地區(qū)有明顯的假相當(dāng)位溫梯度大值區(qū)，并伴有較明顯的干冷平流，表明兩次過程發(fā)展維持的熱力環(huán)境有所區(qū)別。
圖2 2018年5月16日14：00(a、c)和20：00(b、d)500 hPa位勢高度(等值線，單位：dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)(a、b)以及700 hPa假相當(dāng)位溫(等值線，單位：℃)、風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位：m·s-1)(c、d)(陰影區(qū)域風(fēng)速大于16 m·s-1)Fig.2 The 500 hPa geopotential height (isoline, Unit: dagpm), wind field (wind stem, Unit: m·s-1) (a, b) and 700 hPa potential pseudo equivalent temperature (isoline, Unit: ℃), wind field (wind stem, Unit: m·s-1) (c, d) at 14:00 BST(a, c) and 20:00 BST (b, d) on 16 May 2018(the shaded area with wind speed greater than 16 m·s-1)
臨近颮線的徐州站當(dāng)日08：00探空圖(圖略)顯示，露點溫度曲線與溫度層結(jié)曲線呈現(xiàn)上下喇叭口狀，850～600 hPa空氣較飽和，CAPE值為1525.6 J·kg-1，對流抑制能量(convective inhibition energy, CIN)值為100.8 J·kg-1，中低層垂直風(fēng)切變較強，地面至3 km高度的垂直風(fēng)切變達(dá)14 m·s-1，表明環(huán)境條件有利于雷暴大風(fēng)類型的強對流天氣產(chǎn)生和發(fā)展。
2.3 云圖特征
5月16日08：00[圖3(a)]第一次颮線系統(tǒng)的初始云系在大別山北側(cè)觸發(fā)形成，并自西南向東北快速移動，移速約22 m·s-1。12：00[圖3(b)]颮線系統(tǒng)影響江蘇北部，強度不斷增強，造成徐州、宿遷、連云港等地先后出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時強降水。14：00[圖3(c)]，第一次颮線云帶東移入海，而此時大別山北側(cè)又一新的對流云團觸發(fā)生成，該云系仍沿著急流軸向偏東方向移動并發(fā)展壯大，移速約16 m·s-1。20：00[圖3(d)]該颮線云系發(fā)展成典型MCS云團，造成江蘇北部的宿遷、淮安、鹽城等地先后出現(xiàn)雷暴大風(fēng)、短時強降水。對比兩次颮線成熟階段(第一次颮線為10：00—13：00，第二次為18：00—21：00)云系，第一次颮線橢圓狀云系的離心率更大，形狀更扁平；第二次颮線范圍更寬廣，其后側(cè)有大片層狀云系，云頂亮溫梯度較小。綜上所述，兩次颮線過程的對流云系均在大別山北側(cè)觸發(fā)后沿著副高邊緣西南東北向急流傳播發(fā)展形成。參考王瑾婷等[11]的方法，利用武漢和徐州站08：00探空實況資料計算大別山850 hPa附近的Scorer參數(shù)垂直方向變化值約為-1.2×10-9m-3，該參數(shù)滿足背風(fēng)波形成的條件，因此大別山背風(fēng)坡的背風(fēng)波擾動對這兩次颮線的觸發(fā)起著重要作用。另外，該地區(qū)700 hPa能量舌與低渦干冷中心之間維持較強的假相當(dāng)位溫水平梯度并伴有鋒生，有利于該地區(qū)不斷觸發(fā)新生對流。
2.4 雷達(dá)回波特征
圖4為2018年5月16日宿遷、淮安雷達(dá)站不同時刻 0.5°仰角反射率因子以及沿相應(yīng)時刻颮線主體移動方向的反射率因子和徑向速度剖面。0.5°仰角反射率因子圖上，兩次颮線均有陣風(fēng)鋒和弓形回波特征，根據(jù)KLIMOWSKI等[12]的分類，兩次弓形回波的類型不同：第一次颮線為單體弓形回波，由強單體風(fēng)暴演變而成，移動速度較快；第二次颮線為弓形回波復(fù)合體，由分散的單體組合演變形成，移動速度較慢，與颮線云系移速較一致。徑向速度圖上(圖略)，兩次弓形回波后側(cè)層狀云區(qū)均存在后部入流急流(RIJ)，致使兩次颮線弓形回波的北側(cè)氣流均呈氣旋式旋轉(zhuǎn)，南側(cè)氣流均呈反氣旋式旋轉(zhuǎn)，與FUJITA[13]的弓形回波概念模型相似。反射率因子剖面圖上，第一次颮線4 km以下強回波隨高度向移動方向傾斜，形成懸垂回波，4 km高度以上大于50 dBZ的強回波直立延伸至9 km高度；第二次颮線大于50 dBZ的強回波從低層延伸至5 km高度，且無明顯懸垂回波特征，表明第一次颮線過程的對流系統(tǒng)較第二次過程發(fā)展更旺盛。對應(yīng)的徑向速度剖面圖上，兩次颮線對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)流場相似，主要氣流均為颮前冷池強迫下抬升的近地層入流、颮線后側(cè)中層向前的斜下沉入流急流、層云區(qū)內(nèi)中上層向后斜上升出流以及颮線前側(cè)層云區(qū)內(nèi)中上層向前斜上升出流；低層暖濕入流在颮線前緣上升，與中層后部入流的空氣在中高層相遇產(chǎn)生輻合，形成MARC。這與HOUZE等[14]總結(jié)的成熟階段颮線結(jié)構(gòu)模型以及王曉芳等[15]、梁建宇等[8]的研究結(jié)論一致。但第一次颮線對流系統(tǒng)后側(cè)中高層向前的入流急流強度更強、高度更高，與颮線前側(cè)的上升氣流匯合后形成較第二次過程更強且更加深厚的MARC區(qū)(第一次MARC厚度約為6 km，第二次約為3 km)。另外，第一次過程后側(cè)入流在颮線后邊界下沉至地面形成地面大風(fēng)，而前側(cè)入流近乎直立上升至對流層頂，上升入流較第二次颮線更加陡立，利于第一次颮線強回波發(fā)展高度更高，形成更強的下沉氣流和地面大風(fēng)。
圖4 2018年5月16日宿遷雷達(dá)站10:47 (a)、12:16 (b) 和淮安雷達(dá)站18:12 (c)、19:51 (d) 0.5°仰角反射率因子(單位：dBZ)，以及沿相應(yīng)時刻颮線主體移動方向的反射率因子(e、f、g、h)(單位：dBZ)和徑向速度(i、j、k、l)(單位：m·s-1)剖面(黑色線為相應(yīng)時刻颮線主體移動方向)Fig.4 The reflectivity factor (Unit: dBZ) on 0.5° elevation angle at 10:47 BST (a), 12:16 BST (b) from Suqian radar station and at 18:12 BST (c), 19:51 BST (d) from Huai’an radar station on 16 May 2018, and the profiles of reflectivity factor (e, f, g, h) (Unit: dBZ) and radial velocity (i, j, k, l) (Unit: m·s-1) along the moving direction of the squall line main body at corresponding time(the black line for the moving direction of the squall line main body at corresponding time)
3 數(shù)值模擬
3.1 兩次颮線發(fā)展過程對比
綜合觀測對比分析表明，兩次颮線過程受相同天氣系統(tǒng)影響產(chǎn)生，但它們發(fā)展演變的環(huán)境背景場存在差異，從而導(dǎo)致兩次颮線系統(tǒng)的移動方向和速度、垂直結(jié)構(gòu)特征、產(chǎn)生的地面大風(fēng)強度有差異。圖5給出WRF模式模擬的5月16日兩次颮線過程成熟階段的最大雷達(dá)反射率因子和3 km高度風(fēng)場?？梢钥闯觯M的兩次颮線系統(tǒng)位置較實況均偏北約0.5個緯度，第一次颮線系統(tǒng)總體呈南北向線狀分布，朝東北方向移動，移動速度約18 m·s-1，第二次颮線系統(tǒng)總體呈東西向帶狀分布，颮線前段部分呈弓形，朝偏東方向移動，移動速度約13 m·s-1， 且模擬出了颮線的RIJ，以上特征與實況基本一致。3 km高度假相當(dāng)位溫分布圖(圖略)顯示第一次颮線后側(cè)為暖濕平流，颮線移動方向與環(huán)境風(fēng)場風(fēng)向較一致；而第二次颮線后側(cè)存在較明顯的干冷平流，颮線對流單體沿著假相當(dāng)位溫梯度正交方向分布，颮線移動方向與天氣影響系統(tǒng)低壓冷槽的移動走向較一致，這與實況也較一致。表明兩次過程的模擬結(jié)果具有較高的可靠性，可用其對兩次颮線系統(tǒng)進行更細(xì)致的對比分析。
圖5 WRF模式模擬的2018年5月16日10：00(a)、11：00(b)、18：00(c)和19：00(d)最大雷達(dá)反射率因子(陰影，單位: dBZ)和3 km高度風(fēng)場(風(fēng)向桿，單位: m·s-1)(紅色線為系統(tǒng)移動方向)Fig.5 The maximum reflectivity factor of radar (shaded, Unit: dBZ) and wind field at a height of 3 km (wind stem, Unit: m·s-1) simulated by the WRF model at 10:00 BST (a), 11:00 BST (b), 18:00 BST (c) and 19:00 BST (d) on May 16, 2018(The red lines represent system moving direction)
3.2 垂直風(fēng)切變和水汽條件對兩次颮線強度的影響
WEISMAN等[16]提出的RKW理論指出，當(dāng)冷池和低層垂直風(fēng)切變強度相當(dāng)，即陣風(fēng)鋒移速與低層垂直風(fēng)切變的大小相當(dāng)且方向相近時，低層垂直風(fēng)切變產(chǎn)生的水平正渦度和颮線冷池產(chǎn)生的水平負(fù)渦度容易達(dá)到平衡狀態(tài)，并且冷池前沿的上升氣流最強，強迫新的對流單體產(chǎn)生，從而有利于颮線系統(tǒng)的發(fā)展和維持。孫建華等[17]通過個例敏感性模擬研究指出整層水汽增加(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)。鄭淋淋等[18]通過理想模擬研究指出增加整層垂直風(fēng)切變，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。張建軍等[19]研究結(jié)果表明增加中低層平均風(fēng)速，颮線強度增強。以上研究表明環(huán)境場的水汽條件和垂直風(fēng)切變對颮線發(fā)展的強度起重要作用。
圖6為模擬的兩次颮線影響前連云港站斜溫圖。可以看出，兩次颮線均發(fā)生在上干下濕的環(huán)境中，環(huán)境溫度層結(jié)曲線和地面露點溫度無明顯變化，對流有效位能CAPE值(約1900 J·kg-1)大小相當(dāng)，但第二次颮線中高層的濕度明顯減小，即整層水汽減少。兩次過程垂直風(fēng)廓線也有明顯差異，第一次過程對流層中層風(fēng)速較第二次過程強6～10 m·s-1，對應(yīng)的中低層垂直風(fēng)切變(地面至600 hPa水平風(fēng)速差值)強度較第二次過程明顯偏強，且整層垂直風(fēng)切變也較第二次過程偏強；同時兩次過程的整層最大風(fēng)速所在高度不同，第一次過程在400 hPa附近，而第二次過程在700 hPa。另外，高層垂直風(fēng)切變的高度不同，第一次颮線高層水平風(fēng)速在200 hPa附近迅速減弱，而第二次過程在400 hPa附近迅速減弱。
圖6 模擬的2018年5月16日11：00(a)和17：00(b)連云港站斜溫圖Fig.6 Simulated skew-T diagram at Lianyungang station at 11:00 BST (a) and 17:00 BST (b) on May 16, 2018
為了對比模擬的兩次颮線強度，采用孫建華等[17]的方法(取冷池浮力B第一次大于-0.01 m·s2的高度作為冷池頂部高度)計算兩次颮線過程成熟階段(間隔半小時)冷池強度和冷池高度的平均值，其中第一次颮線冷池高度為6.2 km，冷池強度為13.2 m·s-1，第二次颮線冷池高度為4.6 km，冷池強度為9.6 m·s-1。另外，計算了兩次颮線過程成熟階段450 m高度颮線影響范圍內(nèi)最大水平風(fēng)速的平均值，第一次颮線約為20 m·s-1，第二次颮線為16 m·s-1，第一次颮線強度更強。因此，在CAPE值相當(dāng)條件下，整層水汽增加、垂直風(fēng)切變增強、垂直切變伸展高度增高，颮線產(chǎn)生的冷池高度更高、冷池強度更強，對應(yīng)的地面大風(fēng)強度越強。
3.3 垂直風(fēng)切變對兩次颮線組織結(jié)構(gòu)的影響
圖7為沿著模擬的兩次颮線移動方向的物理量垂直剖面圖，其中水平風(fēng)場為沿剖面線的U、V合成風(fēng)減去颮線移動速度后的相對颮線水平風(fēng)場；圖中擾動位溫為相應(yīng)時次環(huán)境場位溫減去對流發(fā)展之前的環(huán)境位溫。
第一次颮線強回波(大于50 dBZ)隨高度向移動方向傾斜特征更明顯；第一次颮線沿剖線方向的前側(cè)暖濕入流與后側(cè)干冷入流輻合的厚度更厚(其中第一次颮線約4 km，第二次約2 km)，且徑向輻合隨高度近乎垂直伸展，而第二次颮線徑向輻合隨高度向后側(cè)傾斜；另外，第一次颮線出流中心高度約11 km，第二次颮線出流中心高度約9 km，與環(huán)境場高層垂直風(fēng)切變負(fù)值中心高度相當(dāng)，因此出流中心高度主要取決于高層垂直風(fēng)切變負(fù)值中心的高度。這些特征與前文對兩次颮線的實況雷達(dá)回波剖面圖的對比結(jié)論較一致。
強垂直風(fēng)切變導(dǎo)致第一次颮線回波具有更加明顯的傾斜特征，輻合隨高度向?qū)α飨到y(tǒng)移動方向傾斜，上升氣流與下沉氣流的相互干擾較少，有利于系統(tǒng)前側(cè)中低層暖濕氣流抬升到中高層，增強對流發(fā)展；而第二次颮線的輻合隨高度向?qū)α飨到y(tǒng)移動反方向傾斜，下沉氣流抑制上升氣流抬升，不利于對流增強發(fā)展。兩次颮線移動速度均與對流層中層水平風(fēng)速大小相當(dāng)，而第一次颮線整層垂直風(fēng)切變更強，導(dǎo)致颮線前側(cè)相對颮線入流和后側(cè)相對颮線入流速度更大，形成的輻合強度更強，且輻合隨高度垂直伸展更陡立；同時第一次颮線整層垂直風(fēng)切變伸展高度更高，促使第一次颮線MARC厚度更厚，有利于上升運動增強，對流發(fā)展更強，發(fā)展高度更高。另外，由于第一次颮線高層出流氣流高度較高，也有利于上升氣流發(fā)展高度更高。因此，環(huán)境風(fēng)垂直切變的差異導(dǎo)致該兩次颮線組織結(jié)構(gòu)特征以及發(fā)展強度存在明顯差異。
3.4 兩次颮線大風(fēng)形成機理的對比
對比兩次颮線的MARC厚度以及后部入流速度可知，第一次颮線組織結(jié)構(gòu)和環(huán)境場特征更有利于降水粒子強烈蒸發(fā)形成更強的冷池和下沉氣流。第一次颮線系統(tǒng)本身的移動速度更快，其形成的下沉出流絕對速度(相對地面的速度)可能更強，更有利于地面大風(fēng)產(chǎn)生。另外，第一次颮線后部入流下沉分量更明顯且高度更高，更利于中高層動量下傳至地面。上述物理機制共同作用導(dǎo)致第一次颮線地面大風(fēng)較第二次更強。
綜上所述，強環(huán)境場垂直風(fēng)切變對颮線地面大風(fēng)的形成起著重要作用，環(huán)境風(fēng)垂直切變的差異致使兩次颮線大風(fēng)形成的物理機制不同。
4 結(jié) 論
(1) 兩次颮線過程在相同天氣系統(tǒng)影響下的不同環(huán)境場中產(chǎn)生，大別山背風(fēng)坡的背風(fēng)波擾動對這兩次颮線的觸發(fā)起著重要作用。
(2) 兩次過程的雷達(dá)回波圖上均有后部入流急流RIJ和MARC特征，第一次過程后部入流急流強度更強、高度更高，對應(yīng)其MARC的強度更強、厚度更厚，且隨高度伸展更陡立，環(huán)境風(fēng)垂直切變的差異是兩次颮線組織結(jié)構(gòu)特征存在明顯差異的主要因素。
(3) 在CAPE相當(dāng)條件下，整層水汽增加、垂直風(fēng)切變增強、垂直切變伸展高度增高，颮線強度更強。強垂直風(fēng)切變導(dǎo)致第一次颮線回波具有更加明顯的傾斜特征，颮線前側(cè)上升氣流與后側(cè)下沉氣流相隔距離更遠(yuǎn)，有利于前側(cè)上升入流氣流速度維持發(fā)展，使得第一次颮線對流發(fā)展強度更強。
(4)兩次颮線大風(fēng)形成物理機制不同：第一次颮線的后部入流急流引導(dǎo)中高層(5～8 km)的干暖空氣下沉并入侵風(fēng)暴體，促使降水粒子強烈蒸發(fā)形成冷池，同時引導(dǎo)高層動量下傳產(chǎn)生強烈的出流氣流，最終導(dǎo)致地面大風(fēng)形成；而第二次颮線后部入流急流引導(dǎo)中低層(3～5 km)的干冷空氣入侵對流系統(tǒng)，形成冷池和地面大風(fēng)。
(5) 第一次過程環(huán)境場垂直風(fēng)切變條件下形成的颮線組織結(jié)構(gòu)特征，更有利于降水粒子強烈蒸發(fā)形成更強的冷池和下沉氣流，致使第一次颮線地面大風(fēng)較第二次颮線更強。
猜你喜歡
小獼猴智力畫刊(2022年9期)2022-11-04 02:31:38
小獼猴智力畫刊(2022年10期)2022-11-02 06:33:52
農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(2022年11期)2022-08-22 14:06:38
小獼猴智力畫刊(2022年4期)2022-05-23 13:48:28
小獼猴智力畫刊(2022年3期)2022-03-29 01:09:52
幼兒100(2017年31期)2017-11-27 02:37:46
幼兒100(2017年28期)2017-10-27 01:45:49
小雪花·成長指南(2016年9期)2016-10-12 06:38:45
現(xiàn)代計算機(2016年11期)2016-02-28 18:35:16
西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)(2015年4期)2015-08-20 09:05:26
